CN106660045B - 具有逐步加压机构的样品制备模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于控制一种或多种流体或试剂的流体系统。这些系统可以与用于测定、处理或储存样品的一个或多个设备组合地使用。特别地，系统及相关的方法可允许流体的受控的压力和致动。

Description

具有逐步加压机构的样品制备模块

交叉引用

本申请要求2014年2月5日提交的第61/936,275号美国临时申请的权益，该申请通过引用并入本文。

关于联邦资助研究的声明

本发明通过美国国防高级研究计划局根据合同号HR0011-11-2-0006在美国政府的支持下做出。美国政府在本发明中具有某些权利。

背景技术

包括核酸分析的现代生物技术为样品的分析提供了强有力的工具。来自受试者和环境源的样品可针对各种化合物和有机体的存在而被分析。针对疾病，包括传染性疾病和遗传性疾病，患者可以被诊断。

然而，许多分析技术要求集中的实验室设施、经过培训的技术人员、样品制备、冷藏以及其它资源。在医疗点(point-of-care)环境下、在有限资源的环境下、以及在难以获得必要资源或缺乏必要资源的其它环境下，这样的要求可能限制这些技术的效用。

概述

因此，所需要的是一种简单、便宜、稳健的方法，该方法基于医疗点的核酸诊断，具有在卫生保健提供者仍然与患者在一起的时候的结果的即时可用性。另外，需要一种方法和设备，该方法和设备可以提供准确的结果和对适当的分析技术，以及对质量控制措施，特别是根据美国临床实验室改进修正法案(CLIA)计划将允许放弃的那些措施的方法论的坚持。

本文所公开的是用于形成一个或多个中断的流体路径并且用于使用单个机械运动产生压力的设备和系统。压力可以用作从设备或系统中的不同位置传输溶液或者将溶液传输到设备或系统中的不同位置的起动力(motive force)。当驱动多个溶液时，运动可以同时连接第一流体路径并且产生用于流体传输的压力；然后另一个运动可以断开第一流体路径、连接第二流体路径以及产生用于流体传输的另外的压力。

本发明的一个方面提供了样品制备模块，该样品制备模块包括：壳体，其具有内表面；中心轴，其包括带有螺纹的区段，其中中心轴相对于壳体旋转；压力帽以及多个同轴布置的层，至少一个层是转子并且一个层是定子(相对于转子)。压力帽包括能够与壳体的内表面接合以形成气密密封的垫圈和具有螺纹的中心柱，其中该螺纹接合中心轴的带有螺纹的区段。同轴布置的层具有以摩擦、密封接合的方式装配的互补的面对的表面，每个层具有至少一个大体上轴向对齐的通道，该通道具有能够用于连续地选择性地置于连通中以在组件内建立多个专门的流动路径的上游入口和下游出口。所述转子的旋转选择性地连接不同的同轴层的通道从而依次地形成和中断多个流体路径。另外，第一同轴布置的层与壳体的内表面接合以形成气密密封，从而第一层的表面与壳体和压力帽一起形成隔室，其中轴相对于壳体的旋转压缩隔室从而产生抵着第一同轴布置的层的上游表面的压力。

在某些实现方式中，转子与轴直接或间接地接合并且定子与壳体直接或间接地接合。在其它实现方式中，定子与轴直接或间接地接合并且转子与壳体直接或间接地接合。

在一些实现方式中，中心轴与驱动器接合。在这样的实现方式中，最邻近驱动器的同轴布置的层可以是部分或完全透明的。

在选定的实现方式中，压力帽还包括键或键槽，该键或键槽与壳体中的互补的键槽或键接合从而阻止压力帽相对于壳体旋转。压力帽还可以包括手动握持部。

中心柱的螺纹可以具有与轴的带有螺纹的区段不同的螺距。在某些实现方式中，中心轴的带有螺纹的区段是外螺纹的并且压力帽的中心柱是内螺纹的。在其它实现方式中，中心轴的带有螺纹的区段是内螺纹的并且压力帽的中心柱是外螺纹的。

在选定的实现方式中，中心轴包括多个连接的区段，每个区段与相邻的区段接合。

壳体可以永久地附连到同轴布置的层。在各种实现方式中，壳体包括两个或更多个节段，该两个或更多个节段当被装配时形成气密的结合部。壳体的两个或更多个节段中的一些、全部或没有一个可以永久地附连到同轴布置的层。

在许多实现方式中，同轴布置的层包括试剂层、分离层和接收层。试剂层可以将样品接收在对上游表面和下游表面敞开的第一流体路径中。试剂层可包括对上游表面和下游表面敞开的第二流体路径。在一些实现方式中，分离层包括使上游表面和下游表面之间的至少一个通道闭塞的捕获分离材料，所述分离材料能够可逆地结合关注的分子。该样品制备模块还可以包括分析层。分析层可以包括微流控设备。在某些实现方式中，至少一个同轴布置的层包括废料室，所述废料室是仅对层的上游表面敞开的闭端路径。废料室优选地包含用于废液的吸收剂。

本发明的样品制备模块还可以包括可重复密封的样品入口。

本发明的另一方面提供了从样品分离关注的分析物的方法，该方法包括：a)提供包括压力帽、中心轴和多个同轴布置的层的设备，该多个同轴布置的层包括试剂层、分离层和接收层，其中试剂层装载有裂解溶液、洗涤溶液和洗脱溶液，每种溶液占居具有上游入口和下游出口的单独的通道，并且其中通道的下游出口中的每一个在设备的第一位置处是闭塞的；b)使样品与试剂层中的裂解溶液组合以形成裂解的混合物；c)将中心轴旋转到第二位置；d)将中心轴旋转到第三位置；以及e)将中心轴旋转到第四位置。将中心轴旋转到第二位置的步骤：1)将试剂层相对于分离层旋转以使容纳裂解混合物的通道的出口与分离层中的通道的上游入口对齐，分离层中的所述通道被能够结合关注的分析物的捕获分离材料闭塞；以及2)使压力帽朝向多个同轴布置的层移动，从而对裂解的混合物施加正压力并且将裂解的混合物推动到捕获分离材料上并且穿过捕获分离材料。将中心轴旋转到第三位置的步骤：1)将试剂层相对于分离层旋转以使保持洗涤溶液的通道的出口与分离层中的被捕获分离材料闭塞的通道的上游入口对齐；以及(2)使压力帽进一步朝向多个同轴布置的层移动，从而施加另外的正压力以将洗涤溶液推动穿过捕获分离材料。将中心轴旋转到第四位置的步骤：1)将试剂层相对于分离层旋转以使容纳洗脱溶液的通道的出口与分离层中被捕获分离材料闭塞的通道的上游入口对齐；2)将分离层相对于接收层旋转以使被捕获分离材料闭塞的通道的出口与接收层中的第一通道的上游入口对齐；以及3)使压力帽进一步朝向多个同轴布置的层移动，从而施加另外的正压力以将洗脱溶液推动穿过捕获分离材料进而使关注的分析物脱离捕获分离材料并且将洗脱溶液和关注的分析物收集在接收层的通道中。

在某些实现方式中，关注的分析物是分子。在一些实现方式中，关注的分析物是颗粒。在某些实现方式中，关注的分析物是细胞。在一些实现方式中，关注的分析物是孢子。

本发明的另一方面提供了从样品分离关注的分子的方法，该方法包括：a)提供包括压力帽、中心轴和多个同轴布置的层的设备，该多个同轴布置的层包括试剂层、分离层和接收层；b)用裂解溶液、洗涤溶液和洗脱溶液装载试剂层，每种溶液占居具有上游入口和下游出口的单独的通道，其中通道的下游出口中的每一个在设备的第一位置处是闭塞的；c)使样品与试剂层中的裂解溶液组合以形成裂解的混合物；d)将中心轴旋转到第二位置；e)将中心轴旋转到第三位置；以及f)将中心轴旋转到第四位置。将中心轴旋转到第二位置的步骤：1)将试剂层相对于分离层旋转以使容纳裂解混合物的通道的出口与分离层中的通道的上游入口对齐，分离层中的所述通道被能够结合关注的分子的捕获分离材料闭塞；以及2)使压力帽朝向多个同轴布置的层移动，从而对裂解的混合物施加正压力并且将裂解的混合物推动到捕获分离材料上并且穿过捕获分离材料。将中心轴旋转到第三位置的步骤：1)将试剂层相对于分离层旋转以使容纳洗涤溶液的通道的出口与分离层中的被捕获分离材料闭塞的通道的上游入口对齐；以及2)使压力帽进一步朝向多个同轴布置的层移动，从而施加另外的正压力以将洗涤溶液推动穿过捕获分离材料。将中心轴旋转到第四位置的步骤：1)将试剂层相对于分离层旋转以使容纳洗脱溶液的通道的出口与分离层中的被捕获分离材料闭塞的通道的上游入口对齐；2)将分离层相对于接收层旋转以使利用捕获分离材料闭塞的通道的出口与接收层中的第一通道的上游入口对齐；以及3)使压力帽还进一步朝向多个同轴布置的层移动，从而施加另外的正压力以推动洗脱溶液穿过捕获分离材料进而使关注的分子脱离捕获分离材料并且将洗脱溶液和关注的分子收集在接收层的通道中。

在某些实现方式中，将中心轴旋转到第二位置还包括，将分离层相对于接收层旋转以使利用捕获分离材料闭塞的通道的出口与接收层中的第二通道的上游入口对齐，所述第二通道构造成捕获废液。优选地，废液被捕获在容纳在接收层的第二通道中的吸收剂中。

在一些实现方式中，多个同轴布置的层包括分析层，并且方法还包括如下步骤：g)将中心轴旋转到第五位置，从而1)将接收层相对于分析层旋转以使容纳洗脱溶液和关注的分子的通道的出口与分析层中的通道的上游入口对齐；以及2)使压力帽进一步朝向多个同轴布置的层移动，从而施加另外的正压力以将洗脱溶液和关注的分子推动到分析层的通道中。在选定的实现方式中，关注的分子是核酸并且分析层构造成扩增核酸。

在许多实现方式中，关注的分子是核酸或蛋白质，更优选地是核酸。核酸可以是RNA和/或DNA。

本发明的又一个方面提供用于同时改变流体路径并且产生压力的设备，所述设备包括：压力帽；和多个同轴布置的层，至少一个层是转子并且至少一个层是定子，所述同轴布置的层具有以摩擦、密封接合的方式装配的互补的面对的表面，每个层具有至少一个大体上轴向对齐的通道，该至少一个大体上轴向对齐的通道具有能够用于连续地选择性地置于流通中以在组件内建立多个专门的流动路径的上游入口和下游出口，其中第一同轴布置的层与压力帽接合以产生气密的隔室，该气密的隔室在转子旋转时是可压缩的，并且其中所述转子的旋转选择性地连接不同的同轴层的通道从而依次地形成和中断多个流体路径。

本发明还以套件为特征，该套件包括本文所描述的一个或多个设备和/或系统并且包括收集器(例如，用于收集与设备或系统使用的样品，诸如本文中任何所描述的，包括刺血针、毛细管、针、注射器、拭子、样品管、收集杯或微管)。在另外的实施方案中，套件还包括与设备分开或在设备内的一种或多种物质。示例性物质包括任何本文所描述的，包括样品、裂解溶液、洗涤溶液、洗脱溶液、试剂、染料、干燥剂、稳定剂、蛋白质、核酸、过滤器、薄膜、标记和/或容器中的一个或多个。

引用条款

本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请通过引用并入本文，其程度如同每个单独的出版物、专利或专利申请具体地且单独地表示为通过引用并入一样。

附图简述

在所附权利要求中具体陈述了本发明的新颖特征。通过参照下面的陈述说明性实施方案的详细描述，将更好地理解本发明的特征及优点，在说明性实施方案中利用了本发明的原理，且说明性实施方案的附图：

图1示出了设备的两个层的对齐的示例性示意图。

图2示出了设备的示例性示意图，其中压力帽正在旋转，从而压缩空气隔室以形成压力。

图3A示出了压力帽设备的示例性分解侧视示意图。

图3B示出了包括压力帽和多个同轴布置的层的设备的示例性的四分之三的分解示意图。

图3C示出了包括压力帽和多个同轴布置的层的设备的示例性的四分之三的上部视图。

图3D示出了包括压力帽和多个同轴布置的层的设备的示例性的四分之三的下部视图。

图3E示出了包括压力帽和多个同轴布置的层的设备的示例性侧视示意图。

图4示出了构造有加热槽的200μL设备的示例性的四分之三的分解示意图。

图5示出了0.5mL设备的示例性的四分之三的分解示意图。

图6示出了先前在图3中图示的设备的示例性横截面示意图。

图7示出了包括压力帽和多个同轴布置的层的设备的示例性分解示意图，该多个同轴布置的层包括分析层。

图8A示出了在第一位置处的样品制备设备的示例性示意图。

图8B示出了在第二位置处的样品制备设备的示例性示意图。

图8C示出了在第三位置处的样品制备设备的示例性示意图。

图8D示出了在第四位置处的样品制备设备的示例性示意图。

图9示出了被编程或以其它方式配置成实现本文所提供的方法的计算机控制系统。

图10示出了来自HIV RNA纯化和量化的示例性结果。

图11示出了来自HIV RNA纯化和量化的示例性结果。

图12示出了来自流感RNA纯化和量化的示例性结果。

发明的详细描述

定义

如本文使用的“约”意指所引用值的+/-10％。

如本文使用的“或”包括“和/或”。

“之间”是指在其中中间结构将第一结构和第二结构分离的相对位置。例如，在包括布置在第一基片和第二基片之间的中间基片的设备中，术语“之间”提供第一基片、第二基片和中间基片的相对位置关系，并且绝不表示第一基片必须是设备中的顶部基片或最上面的基片。

“接合”是指两个部件或结构之间的物理的相互作用。该物理的相互作用可以是直接的(例如，其中第一部件与第二部件相互作用)或间接的(例如，其中第一部件与插入部件(interleaving component)相互作用，该插入部件进而与第二部件相互作用)。

如本文所使用的术语“上游”和“下游”相对于正压力，比如由压力帽产生的正压力的方向被界定。

设备

本文所公开的是用于产生和中断流体路径并且使用单一运动产生压力的设备和系统。压力可以用作从设备或系统中的不同位置传输溶液或其它流体或者将溶液或其它流体传输到设备或系统中的不同位置的起动力。当驱动多个溶液时，运动可以同时连接第一流体路径并且产生用于流体传输的压力；然后另一个运动可以断开第一流体路径、连接第二流体路径以及产生用于流体传输的另外的压力。

一个实施方案提供用于同时修改流体路径并且产生压力的设备，所述设备包括压力帽和多个同轴布置的层，至少一个层是转子并且至少一个层是定子，所述同轴布置的层具有以摩擦、密封接合的方式装配的互补的面对的表面，每个层具有至少一个通道，该至少一个通道具有上游入口和下游出口，该上游入口和下游出口能够用于连续地选择性地置于连通中以在组件内建立多个专门的流动路径，其中第一同轴布置的层与压力帽接合以产生气密的隔室，该气密的隔室在转子旋转时是可压缩的，并且其中所述转子的旋转选择性地连接不同同轴层的通道，从而依次地形成和中断多个流体路径。

另一实施方式提供了这样的设备，即，该设备包括具有内表面的壳体、包括带有螺纹的区段的中心轴、压力帽和多个同轴布置的层，其中中心轴相对于壳体旋转。

优选地，压力帽包括能够与壳体的内表面接合以形成气密密封的垫圈304和具有螺纹的中心柱302，其中螺纹接合轴的带有螺纹的区段。第一同轴布置的层可以与壳体的内表面接合以形成气密密封，从而第一层的表面与壳体和压力帽一起形成隔室，其中中心轴相对于壳体的旋转压缩隔室，从而产生抵着第一同轴布置的层的上游表面压力。

多个同轴布置的层中的至少一个是转子。剩余层中的一个或多个是定子(相对于转子)。转子可以与中心轴直接或间接地接合，然而定子可以与壳体直接或间接地接合。在某些实施方式中，定子永久地附连到壳体，因而有效地充当用于壳体的底座。可选地，定子可以与中心轴直接或间接地接合，然而转子可以与壳体直接或间接地接合。因而，当中心轴和壳体相对于彼此旋转时，转子和定子也相对于彼此旋转。同轴布置的层具有互补的面对的表面并且以摩擦、密封接合的方式装配，每个层具有至少一个通道，该至少一个通道具有上游入口和下游出口，该上游入口和下游出口能够用于连续地选择性地置于连通中以在组件中建立多个专门的流动路径。在操作期间，所述转子的旋转选择性地连接不同同轴层中的通道从而依次地形成和中断多个流体路径。

本发明的设备可以包括层，该层布置(例如，同轴地)成允许通过层的运动(例如，旋转运动)连接和断开一个或多个流体路径。例如，在第一位置，第一层(例如，110)中的一个或多个通道(例如，111、112)不连接到第二层(例如，120)中的一个或多个通道(例如，121、122)(例如，不与第二层中的一个或多个通道流体连通)。当使第一层相对于第二层移动时，第一层的一个或多个通道的下游出口与第二层的一个或多个通道的入口对齐并且形成连接(见，例如，图1)。该运动可以通过使具有第一通道的第一层相对于第二层旋转来完成。可选地，该运动可包括使具有第二通道的第二层相对于第一层旋转。

当构造成手动旋转时，设备可包括一个或多个沟槽、平坦部、止动部、台阶、标识物或设计成将旋转引导到所需位置的其它特征部。例如，具有模块的层可以包括在其外边缘上的一个或多个直边缘以促进多个层的对齐(见，例如，图1)。

设备的旋转可以手动地(例如，通过一个或多个使用者的手)执行。在一些情况下，通过将设备(例如，设备的底座)固定到支撑件(例如，表面，诸如桌子或长凳的顶部)来辅助旋转。设备可以包括有助于手动握持的一个或多个特征部，诸如，脊部、凸片、柄部、沟槽或球状物(见，例如，图3，更特别地用于帽中的底座和凹陷部的握持部373)。在一些情况下，握持特征部存在于设备的顶部和底座上以有助于手动旋转，在其它实施方案中，特征部存在于设备的顶部和底座之间的环上。

设备的旋转可以在机械力的源，诸如马达、弹簧(例如，线性弹簧、螺旋弹簧、扭转弹簧、恒力弹簧)、或弹性带的帮助下执行。机械力的源(比如马达)可以由电源驱动。电源的示例包括但不限于电池、太阳能电池板、用于壁插式电源或输电网电源的连接器或适配器、用于马达交通工具电源的连接器或适配器(例如，12伏适配器)、手动曲柄和电容器。当使用，例如，容纳在基站内的机械力时，设备可以包括一个或多个凸缘、球形突出物、狭槽或适合于与基站的非旋转部分接合以使设备的某些部分保持固定，从而允许设备的不同部分相对于彼此旋转的其它结构。在图3中提供了这样的凸缘371的一个示例。

设备可以包括流体元件或流体结构，诸如通道、贮器、室、泡罩包、槽、过滤器、薄膜、单向阀和试样管。任何结构(例如，一个或多个通道)的尺寸可以被选择以保持设备中的流体的特定的体积流动速率或线性流动速率。例如，该尺寸的选择对于控制用特定流体填充设备或控制这样的流体穿过路径、过滤器和/或槽的流动速率或控制曝气以影响液体的混合可能是有用的。

槽、槽道、贮器、室、管或其它结构可包括任何有用的横截面。横截面可以具有任何有用的形状(例如，矩形、方形、圆形、卵形、梯形、三角形或不规则的横截面)。横截面形状或尺寸可以沿着任何结构的轴线变化。例如，当结构是槽道时，槽道的沿着流体流动的轴线的横截面可从一个横截面形状变化成另一个横截面形状，比如从圆形横截面变化成矩形横截面。在另一个例子中，横截面的尺寸沿着任何轴线可以是一致的或可以变化，比如沿着流体流动的轴线逐渐减小或增大的槽道。

壳体、轴、同轴布置的层以及压力帽可以由任何有用的材料或材料的组合形成。根据部件正常运行所需的物理和化学特性来选择用于形成本发明的设备的部件所使用的材料。材料的合适的非限制性示例包括塑料(例如，环烯烃共聚物(COC))、环烯烃聚合物(COP)、聚对酞酸乙二酯(PET)、聚乙烯(PE)、高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、高抗冲聚苯乙烯(HIPS)、聚酰胺(PA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚乙烯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(PE/ABS)、聚碳酸酯(PC)、聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(PC/ABS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))、金属、弹性体(例如，聚二甲基硅氧烷(PDMS))、玻璃(例如，硼硅酸盐)、陶瓷、以及诸如碳纤维复合材料的复合材料。在一些情况下，设备由金属或其它磁性材料形成。

设备或其部件可以通过任何有用的过程形成，该过程包括但不限于模制(例如，注射模制、真空模制或包覆模制)、机械加工(例如，钻削、铣削或打磨)、压花(例如，热压花)以及蚀刻(例如，激光蚀刻、深反应离子刻蚀、KOH蚀刻或HF蚀刻)。在微流控应用中，层可以由能够形成具有毫米、微米或亚微米尺寸的高分辨率特征部，诸如，微槽道、室、混合特征部以及类似物的材料(例如，PDMS、PMMA、玻璃)制造。可应用的精密加工技术包括但不限于干法刻蚀、湿法腐蚀、激光刻蚀、激光烧蚀、模制、压花、光刻、软光刻、层压或类似的技术。

压力帽

旋转设备可以构造成当旋转帽时增加设备内的压力。例如，图2示出了设计成通过各个旋转步骤(例如、201、202、203、204和205)来添加另外的压力的帽。该压力可通过使设备的内部容积随着帽朝向底座降低而减小来产生。在一些示例中，这样的设备包括带有螺纹的中心轴(例如，380，图3A至图3E)，从而允许帽上的中心柱302螺纹连接到中心轴并且随着旋转拧紧。在其它示例中，壳体或底座的外部部分包括螺纹，帽可以随着旋转螺纹连接并拧紧到该螺纹上。在一些情况中，一个或多个支柱、球形突出物、沟槽、导轨或其它特征部可以引导帽移动。在一个实施方式中，压力帽可以包括键或键槽，该键或键槽与壳体中的互补的键槽或键接合从而阻止压力帽相对于壳体旋转。帽的移动可以以相对于底座的旋转和向下移动的组合的平滑移动为特征。在其它示例中，帽的移动可以以可变速移动为特征，例如导致帽向下移动四分之一英寸的第一15°旋转和导致帽向下移动半英寸的第二15°旋转。

壳体可以形成为单一结构或可以由两个或更多个节段，该两个或更多个节段在装配时形成气密的单元。在一些实施方式中，壳体永久地附连到设备的第一(即，最上游的)层。可以通过由单一材料形成壳体和第一层实现永久性固定，例如共模制在塑料中。可选地，壳体和第一层可以使用本领域已知的任何粘合剂，优选地抗空气和抗流体的粘合剂永久地附接。在其中壳体由两个或更多个节段形成的那些实施方式中，那些节段中的一个或多个可以永久地附连到同轴布置的层。在某些实施方式中，壳体的两个或更多个节段中的每一个永久地附连到同轴布置的层。

帽产生的压力可用于驱动设备内的流体流动。例如，溶液可流动穿过基质或过滤器，或空气可以被驱动以干燥基质或过滤器。与突然地施加压力相比，通过帽的平滑移动产生的压力的渐进施加可以降低泄漏的风险。

帽可以产生至少约1千帕斯卡(kPa)、2kPa、3kPa、4kPa、5kPa、6kPa、7kPa、8kPa、9kPa、10kPa、15kPa、20kPa、25kPa、30kPa、35kPa、40kPa、45kPa、50kPa、55kPa、60kPa、65kPa、70kPa、75kPa、80kPa、85kPa、90kPa、95kPa、100kPa、110kPa、120kPa、130kPa、140kPa、150kPa、160kPa、170kPa、180kPa、190kPa、200kPa、210kPa、220kPa、230kPa、240kPa、250kPa、260kPa、270kPa、280kPa、290kPa、300kPa、310kPa、320kPa、330kPa、340kPa、350kPa、360kPa、370kPa、380kPa、390kPa、400kPa、410kPa、420kPa、430kPa、440kPa、450kPa、460kPa、470kPa、480kPa、490kPa或500kPa的压力。

帽可以产生许多不同的压力(例如，用于特定的流体操作或步骤)，包括1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、11个、12个、13个、14个、15个、16个、17个、18个、19个、20个、25个或更多个不同的压力。

在一些情况中，设备的致动可以在设备的相对于该设备的其余部分的一个区域中产生真空或负压力。例如，设备的致动可以引起活塞致动以向下移动，并且，比如在通道中或过滤器下方，产生降低的压力或负压力。可选地，旋转的方向可以被反向，从而扩大由压力帽形成的隔室并且因此产生负压力。这样的负压力可用来使流体流暂停或逆转。在某些实施方式中，旋转的方向可以在顺时针和逆时针之间交替以产生反复的流动以，例如混合溶液或使沉积在通道中固体试剂溶解。在另一个实施方式中，设备的致动可以引起扣泵(buckle pump)或膜片的形状改变。通过使用单向阀或止回阀，局部不同的压力可以在设备的不同区段中实现。

层

图3A至图3E、图4、图5、图6和图7示出了带有压力帽和各个层的设备的示例性示意图。设备部件可以包括但不限于压力帽300、壳体310、试剂层320、试剂层储存器330、分离层340、接收层350、中心带螺纹的轴380、分析层360、底座370和适合于将其它部件保持在适当位置的带螺纹的连接器390。不是所有的这些部件都需要存在于特定的设备中。层中的一个或多个可以包括加热，诸如试剂储存层和/或接收层。层可以实现多个功能；例如，层可以包括隔膜以用作分离层并且还包括槽以用作接收层。另外，单一的结构可以包括层和另外的结构，诸如壳体或轴。在优选的实施方式中，设备包括试剂层、分离层和接收层。

概括的层特征

与其它层相比，每个层可以具有相似的或不同的几何结构。层可以是圆的，可以具有多个直边缘，或可以包括圆弧边缘和直边缘的组合。

每个层可以包括穿过层的至少一个完整的流体通道。每个层可以包括一个或多个闭端路径(dead end paths)，该一个或多个闭端路径在上游侧上具有入口，但不穿过层(例如，槽)。槽可用于诸如保持废弃产物(例如，在过滤器下方的裂解的细胞碎片，洗涤液)或接收处理后的产品材料(例如，纯化的核酸)的应用。

层之间的泄漏可以通过包括但不限于使用密封件(例如，弹性体材料)、密封液(例如，与流经设备的流体不融合的流体)、油脂、软石蜡和润滑剂(例如，干润滑剂和湿润滑剂)的方法被减轻或阻止。例如，一个或多个层可以包括有益于与相邻的层形成密封的弹性体材料。

为了提高层与相邻层的密封，在一些实施方式中，可变形层可以附接到层的顶表面和底表面。可变形层的材料的示例包括但不限于硅胶、聚硅氧烷、聚氨酯、橡胶、氯磺化聚乙烯合成橡胶、氯丁橡胶尼龙、膨体聚四氟乙烯(PTFE)、腈基丁二烯橡胶(NBR)、氯丁橡胶、丁腈尼龙和聚二甲基硅氧烷。在示例性实施方式中，可变形层是硅胶。硅胶或其它合适的材料可以在压力下变形并且匹配设备的相邻层上的结构，例如，入口和/或出口的形状，从而使当前层与相邻的层可密封地接合。当可变形层附接到层的表面时，通过在相邻层的表面上提供稍微突起的脊部可以进一步增强密封。优选地，这样的脊部界定封闭的形状，通常包围该层的表面中的开口。虽然这样的脊部可以是将增强与相邻层密封的任何形状或高度，但脊部可以是约0.05μm、0.075μm、0.1μm、0.11μm、0.12μm、0.13μm、0.14μm、0.15μm。这样的突起的脊部的内含物不会改变层的表面的互补特性。

本文所描述的设备中的任何层可以包括一个或多个加热元件，该一个或多个加热元件用于改变或保持穿过该层的一个或多个通道中的流体的温度或用于改变或保持该层中的槽中的流体的温度。所述加热元件包括，例如，位于该层中的或与层相邻放置的珀尔帖元件(Peltier elements)或电阻加热器。在其它实施方式中，箔加热器可以围绕通道，诸如，裂解槽缠绕以加热容纳在其中的溶液。在其它实施方式中，加热器可以放置在通道的内部。

在加压和推动样品进入或穿过特定的通道后，通过允许空气穿过一个或多个通道可以释放额外的空气压力。以这种方式，吹气可用于移除基质、室、导管或其它结构中的死体积。在一些实施方案中，这样的吹气可以干燥分离层中的分离材料。在一些实施方式中，设备内的压力随着提供附加力的每个旋转而增加以将溶液移动穿过稍后形成的流体路径。

在某些实施方式中，一个或多个层永久地附连到设备的其它结构。例如，与中心轴接合的层可以永久地附连到(例如，与带有螺纹的中心轴共模制)带有螺纹的中心轴。见，例如，图3的分离层340和中心轴380。类似地，与壳体接合的层可以永久地附连到壳体。见，例如，图3的壳体310和试剂层320。在其它实施方式中，一个或多个层可以与中心轴或壳体以可拆卸的方式接合。例如，层可以与一个或多个支柱、球形突出物、键/键槽、沟槽、轮齿、狭槽、导轨、或轴或壳体上的其它特征部接合。

槽、室、试剂包以及其它区域可以以容积为特征。这样的区域可以具有相同的容积，或不同的区域可以具有不同的容积。槽、室、试剂包或其它区域的容积可以是至少约1纳升(nL)、2nL、5nL、10nL、20nL、30nL、40nL、50nL、60nL、70nL、80nL、90nL、100nL、150nL、200nL、250nL、300nL、350nL、400nL、450nL、500nL、600nL、700nL、800nL、900nL、1微升(μL)、2μL、5μL、10μL、20μL、30μL、40μL、50μL、60μL、70μL、80μL、90μL、100μL、200μL、300μL、400μL、500μL、600μL、700μL、800μL、900μL、1毫升(mL)、2mL、3mL、4mL、5mL、6mL、7mL、8mL、9mL、10mL、15mL、20mL、25mL、30mL、35mL、40mL、45mL或50mL。槽、室、试剂包或其它区域的容积可以是至多约1纳升(nL)、2nL、5nL、10nL、20nL、30nL、40nL、50nL、60nL、70nL、80nL、90nL、100nL、150nL、200nL、250nL、300nL、350nL、400nL、450nL、500nL、600nL、700nL、800nL、900nL、1微升(μL)、2μL、5μL、10μL、20μL、30μL、40μL、50μL、60μL、70μL、80μL、90μL、100μL、200μL、300μL、400μL、500μL、600μL、700μL、800μL、900μL、1毫升(mL)、2mL、3mL、4mL、5mL、6mL、7mL、8mL、9mL、10mL、15mL、20mL、25mL、30mL、35mL、40mL、45mL或50mL。槽、室、试剂包或其它区域的容积可以是约1纳升(nL)、2nL、5nL、10nL、20nL、30nL、40nL、50nL、60nL、70nL、80nL、90nL、100nL、150nL、200nL、250nL、300nL、350nL、400nL、450nL、500nL、600nL、700nL、800nL、900nL、1微升(μL)、2μL、5μL、10μL、20μL、30μL、40μL、50μL、60μL、70μL、80μL、90μL、100μL、200μL、300μL、400μL、500μL、600μL、700μL、800μL、900μL、1毫升(mL)、2mL、3mL、4mL、5mL、6mL、7mL、8mL、9mL、10mL、15mL、20mL、25mL、30mL、35mL、40mL、45mL或50mL。

通道

层可以包括一个或多个通道。通道可以是槽道、导管、室或其它结构，其中至少一个完整的路径横穿层。通道可以包括沿着其路径的任何有用的横截面或多个横截面。横截面可以具有任何有用的形状(例如，矩形、方形、圆形、卵形、梯形、三角形或不规则的横截面)。横截面形状或尺寸可以沿着任何结构的轴线变化。例如，通道的沿着流体流动的轴线的通道的横截面可从一个横截面形状或面积变化成另一个横截面形状或面积，比如从圆形横截面变化成矩形横截面。在另一个例子中，横截面的尺寸沿着任何轴线可以是一致的或可以变化，比如沿着流体流动的轴线逐渐减小或增大的通道。

类似地，任何通道的路径可以是线性的、曲折的、弯曲的、蜿蜒的或任何其它轨迹形状。曲折或蜿蜒的路径可以被选择以促进流体成分的混合。通道可以另外包含柱、支柱、凹坑、隆起、堰部、疏水片区、亲水片区或其它结构以当流体通过时提高流体的混合。其中通道是线性的实施方式可以在最低压力下实现流体的迅速传输。通道可以与位于下游开口正上方或几乎正上方的上游开口大体上轴向地对齐。可选地，上游开口和下游开口可以任何距离偏移。

通道或槽道可以具有至少约1平方微米、2平方微米、5平方微米、10平方微米、20平方微米、50平方微米、100平方微米、200平方微米、500平方微米、1000平方微米、2000平方微米、5000平方微米、10000平方微米、20000平方微米、50000平方微米或100,000平方微米，或1平方毫米、10平方毫米、20平方毫米、30平方毫米、40平方毫米、50平方毫米、60平方毫米、70平方毫米、80平方毫米、90平方毫米、100平方毫米、200平方毫米、300平方毫米、400平方毫米、500平方毫米、600平方毫米、700平方毫米、800平方毫米、900平方毫米或1000平方毫米的横截面面积。通道或槽道可以具有至多约1平方微米、2平方微米、5平方微米、10平方微米、20平方微米、50平方微米、100平方微米、200平方微米、500平方微米、1000平方微米、2000平方微米、5000平方微米、10000平方微米、20000平方微米、50000平方微米或100,000平方微米，或1平方毫米、2平方毫米、3平方毫米、4平方毫米、5平方毫米、6平方毫米、7平方毫米、8平方毫米、9平方毫米、10平方毫米、20平方毫米、30平方毫米、40平方毫米、50平方毫米、60平方毫米、70平方毫米、80平方毫米、90平方毫米或100平方毫米的横截面面积。通道或槽道可以具有约1平方微米、2平方微米、5平方微米、10平方微米、20平方微米、50平方微米、100平方微米、200平方微米、500平方微米、1000平方微米、2000平方微米、5000平方微米、10000平方微米、20000平方微米、50000平方微米100,000平方微米，或1平方毫米、2平方毫米、3平方毫米、4平方毫米、5平方毫米、6平方毫米、7平方毫米、8平方毫米、9平方毫米、10平方毫米、20平方毫米、30平方毫米、40平方毫米、50平方毫米、60平方毫米、70平方毫米、80平方毫米、90平方毫米或100平方毫米的横截面面积。

对于通道，尺寸、长度、横截面面积、其它几何因数、或其任何组合可以被选择以控制穿过通道的流体流动的流动速率、压力或其它特性。

层可以包括用于压力平衡或均衡而不是用于液体处理的另外的通道。这样的通道可以围绕层的边缘或周边分布。例如，图8A至图8D示出了具有五个通道的层，这五个通道是：裂解室321、洗涤室322、洗脱室323和两个压力平衡通道324、325。一个或多个压力平衡通道的内含物可以防止或减轻设备的一侧相对于另一侧的收缩，该收缩可能导致裂缝或泄露。

每个层可以包括对层的上游表面和下游表面敞开的至少一个通道。另外，开口可以包围布置在表面上的当配合到相邻的层时形成导管和/或室的通道或孔口。这些槽道可以通过各种方式，比如通过模制或切入到层形成。可选地，表面中的开口可以由层之间的垫片材料界定。

试剂层

本文所描述的设备可包括一个或多个试剂层。试剂层可以包括能够容纳供在样品制备期间使用的液体试剂或固体试剂的一个或多个导管或室。试剂导管或室可以包括形成于设备层、泡罩包或其它容器中的简单的室。

设备可包括泡罩包层。这样的泡罩包层可以包括不同大小，例如，1μL至10mL的泡罩。虽然可以采用本领域已知的任何方法，但优选地使用热密封、粘合剂、压力密封或其它密封机构来形成泡罩。在某些实施方式中，包括泡罩包的层具有在泡罩下方的刺穿结构，并且另外该层包含一个或多个通道以在刺穿后将溶液从泡罩分配到所设计的区域。刺穿结构可以由金属、塑料、玻璃或陶瓷制造。使用设备所积聚的压力可以施加在泡罩上以引起形状变形，并且刺穿结构可以使泡罩的瓶密封破裂，并且溶液可以穿过流体路径分配，可选地，设备可以包括用于使泡罩物理地破裂的机构，诸如从相邻的层突出的凸轮或支柱。

在一些情况中，试剂层包括适合于接收样品和裂解细胞的通道，即，裂解室。裂解室可具有任何合适的形状和构型，但通常将是以具有足够体积以接收和处理临床上相关样品的槽或室的形式。裂解室可适合于裂解真核細胞或原核细胞以及适合于分裂流体样品中的某些颗粒。

在一个实施方式中，试剂层接收对上游表面和下游表面敞开的第一流体路径中的样品。试剂层可包括对上游表面和下游表面敞开的第二流体路径。

在某些示例中，设备包括多个试剂储存层。例如，模块可以包括容纳与核酸分离相关的试剂的第一试剂储存层和容纳与核酸扩增有关的试剂的第二试剂储存层。在这样的实施方案中，第一试剂储存层将通常放置在分离层的上游并且第二试剂储存层将放置在分离层的下游。

在某些实施方式中，试剂层可以包括布置为分裂单元的通道。在一些方法中，作为样品预处理步骤，DNA或RNA的随机分裂可能是期望的或甚至是必需的。分裂可以使用限制性内切酶生物化学地实现，或通过施加物理力破坏分子来实现。在本文所描述的设备操作期间由压力帽产生的正压力可用于，当样品经过短的紧缩部时(例如，通过剪切应力或其它应力)使核酸分裂。在一些实施方式中，DNA和/或RNA当推动通过窄的孔口时，由于分子迅速拉伸而在机械力下破裂。压力驱动流可以导致剪切力，该剪切力导致核酸分裂。

试剂可以预装载在设备上。试剂还可以通过使用者装载。在一些情况中，一些试剂通过预装载在设备上来提供而一些(例如，易腐试剂)在操作前通过使用者来提供。试剂可以以湿形式或干形式提供。在一些示例中，试剂储存层预装有一种或多种试剂。在这样的示例中，可以利用构造成在模块操作期间被刺穿或破裂的薄膜来容纳试剂。在一些示例中，薄膜包括箔、层压板和/或塑料。在其它示例中，在使用设备之前，干试剂通过使用者再水化。例如，使用者可以将水装入到设备中以使试剂再水化，并且然后使用者可以将样品装入到设备中并且操作设备。

示例性试剂可包括但不限于，裂解溶液、洗涤溶液、洗脱溶液、再水化溶液、酶溶液(例如，核酸扩增酶、聚合酶、限制性内切酶)、缓冲剂、液体、粉末、丸粒、凝胶、微珠、探测剂、引物、核酸、DNA、RNA、多肽、核苷三磷酸(NTPs)、抗体、牺牲试剂或其任何组合。牺牲试剂可包括水溶液、润滑剂、油、与水不溶混的液体、凝胶、气体、氟碳油、表面活性剂、气体、空气或其任何组合。例如，空气可用于产生气泡以用于混合。作为另一个示例，空气和不溶混液体可用于清除基质中的残余溶液(死体积)。试剂可以被混合以改变其成分。例如，一种类型的缓冲剂可以与另一种缓冲剂或干试剂混合以将其成分变化成另一种缓冲剂。

设备可以包括至少1种、2种、3种、4种、5种、6种、7种、8种、9种、10种、15种、20种、25种、30种、35种、40种、45种、50种或更多种不同的试剂。设备可包括多种体积的试剂，该各种体积各自包括至少约1纳升(nL)、2nL、5nL、10nL、20nL、30nL、40nL、50nL、60nL、70nL、80nL、90nL、100nL、150nL、200nL、250nL、300nL、350nL、400nL、450nL、500nL、600nL、700nL、800nL、900nL、1微升(μL)、2μL、5μL、10μL、20μL、30μL、40μL、50μL、60μL、70μL、80μL、90μL、100μL、200μL、300μL、400μL、500μL、600μL、700μL、800μL、900μL、1毫升(mL)、2mL、3mL、4mL、5mL、6mL、7mL、8mL、9mL、10mL、15mL、20mL、25mL、30mL、35mL、40mL、45mL或50mL。

分离层

本文所描述的设备可包括一个或多个分离层。分离层可以包括用分离材料341闭塞的一个或多个通道，所述分离材料能够结合关注的分析物，诸如分子或细胞。

本文所描述的系统或设备可以包括可位于分离层上的过滤器、隔膜、凝胶以及其它分离材料。分离材料在通道、开放的室、或导管中的存在可增加流动经过该结构的阻力。分离材料的参数可以选择成提供特定阻力以控制使样品或试剂进入到分离材料中或穿过分离材料所需的操作时间和压力。分离材料的参数可包括材料的厚度、密度、孔隙度、孔隙尺寸、润湿性或疏水性、亲和性或电荷。例如，具有较大厚度或较小孔隙尺寸的分离材料可以以较大的流动阻力为特征并且可能增加流体或试剂从先前层分配所需的时间或压力的量。另一方面，具有较小厚度或较大孔隙尺寸的分离材料可以以较小的流动阻力为特征并且可能减少流体或试剂从先前层分配的时间量。

分离材料可以是用于结合一个或多个关注的分子的任何有用的材料。分离材料可以是用于结合一个或多个其它关注的分析物(例如，细胞、孢子、颗粒)的任何有用的材料。示例性材料包括过滤器、基质、聚合物、电荷转换材料、凝胶和薄膜(例如，硅膜、玻璃纤维膜、纤维素膜、硝酸纤维素膜、聚砜膜、尼龙膜、聚偏氟乙烯膜、乙烯共聚物膜或离子交换膜，包括任何本文所描述的)、纤维(例如，玻璃纤维)、或颗粒(例如，硅颗粒、珠、亲和树脂或离子交换树脂)。在某些实施方式中，分离材料可以包括捕获部分。适合的捕获部分包括诸如染料和三嗪的小有机分子和诸如多肽、蛋白质(包括抗体及其片段)、多核苷酸、低聚糖或油脂的生物聚合物。本发明的捕获部分可以是具有100千道尔顿(KDa)分子量或更多分子量的分子，诸如抗体，但优选是是具有10KDa范围内的分子量，更优选地在1KDa左右的分子量，理想地小于1Kda，例如，小于750Da、500Da,或250Da的分子量的小分子。理想地，捕获部分联接到不溶解的微粒或聚合材料。每个不溶解的微粒优选地承载有相同捕获部分的数个拷贝，其中每种颗粒类型联接不同的捕获部分。

分离材料，诸如薄膜和过滤器，可以以至少约0.1μm、0.2μm、0.3μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm、1.0μm、1.1μm、1.2μm、1.3μm、1.4μm、1.5μm、1.6μm、1.7μm、1.8μm、1.9μm、2.0μm、2.1μm、2.2μm、2.3μm、2.4μm、2.5μm、2.6μm、2.7μm、2.8μm、2.9μm、3.0μm、3.1μm、3.2μm、3.3μm、3.4μm、3.5μm、3.6μm、3.7μm、3.8μm、3.9μm、4.0μm、4.1μm、4.2μm、4.3μm、4.4μm、4.5μm、4.6μm、4.7μm、4.8μm、4.9μm、5.0μm、约10μm、约15μm、约20μm或约25μm的孔隙尺寸或平均孔隙尺寸为特征。在一些情况中，分离材料的孔隙尺寸或平均孔隙尺寸是从约0.7μm至约4.0μm。

分离材料可以具有约0.1μm、0.5μm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、200μm、300μm、400μm、500μm、600μm、700μm、800μm、900μm、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm或更大的厚度。分离材料可以具有约1平方微米、2平方微米、5平方微米、10平方微米、20平方微米、50平方微米、100平方微米、200平方微米、500平方微米、1000平方微米、2000平方微米、5000平方微米、10000平方微米、20000平方微米、50000平方微米100,000平方微米，或1平方毫米、2平方毫米、3平方毫米、4平方毫米、5平方毫米、6平方毫米、7平方毫米、8平方毫米、9平方毫米、10平方毫米、20平方毫米、30平方毫米、40平方毫米、50平方毫米、60平方毫米、70平方毫米、80平方毫米、90平方毫米或100平方毫米，或更大的面积。

接收层

接收层可以包括一个或多个室或槽以接收流体。例如，接收室可以包括一个或多个产物槽以接收产物，诸如纯化的核酸。接收层可以包括一个或多个废料槽以接收废液，诸如、洗涤缓冲剂。废料槽可包括一个或多个吸附物。吸附物可用于吸附诸如废液的流体。示例性吸附物包括但不限于垫料、尿布聚合物(诸如聚丙烯酸变型)、粉末、颗粒、丸粒、凝胶、纸、织物、纤维、毛细管和干燥剂。

接收层上的导管、室、槽以及其它结构可以是开放的或封闭式的。开放式的导管可允许关注的流体运输到后面的层，诸如分析层。界定通道，例如，导管、室、槽或其它结构的材料和基片的至少一部分可以是透明的、半透明的、或另外与内部的样品的测量(例如，光学测量)相容。在一些情况中，整个层可以是透明的或半透明的。在一些实施方式中，特别地在通过基站执行检测的那些实施方式中，最邻近驱动轴的层是部分地或完全透明的。见，例如，图3D的观察窗口372。

接收层中的室或槽可以包括允许材料回收的出口，或连接到允许材料回收的出口。例如，可以回收纯化的核酸以用于后续脱离设备使用。

分析层

本文所描述的模块、设备和系统可以与其它设备结合以允许多步过程。例如，样品制备模块可通过利用芯片(SlipChip)设备的模式化而包括在设备中，以便在储存前制备样品。示例包括但不限于，用于核酸提取的多步方案的设备，和使用薄膜从全血中分离血浆的过滤元件，和/或整体过滤元件，比如设备中的几何特征部(例如，层之间的限制部或间隙)。在优选的实施方式中，分析层包括微流控设备。

分析层可包括比如通过核酸扩增，用于分析样品的室或其它特征部。分析层可包括用于分析的试剂，诸如核酸试剂；可选地，分析层可接收来自试剂层的分析试剂。

分析可以指示关注的分析物的存在、不存在或数量。例如，核酸扩增可以提供有关样品的定性信息或定量信息，诸如，细胞、细胞类型、病原体(例如，细菌、病毒)、毒素、污染物、致病原、基因、基因表达产物、甲基化产品、基因突变或生物标记(例如，核酸、蛋白质或小分子)的存在、不存在或丰富度。

关注的分析目标可包括病或疾病的指标，该病或疾病诸如遗传病、呼吸道疾病、心血管疾病、癌症、神经病、自身免疫病、肺病、生殖病、胎儿病、阿尔茨海默病、牛海绵状脑病(疯牛病)、衣原体、霍乱、隐孢子虫病、登革热、贾第虫、淋病、人体免疫缺损病毒(HIV)、肝炎(例如，A型肝炎、B型肝炎或C型肝炎)、疱疹(例如，口腔或生殖器)、人乳头状瘤病毒(HPV)、流行性感冒、日本脑炎、瘴气、麻疹、脑膜炎、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)、中东呼吸综合征(MERS)、盘尾丝虫病、肺炎、轮状病毒、血吸虫病、志贺氏杆菌、链球菌性喉炎、梅毒、肺结核、毛滴虫、伤寒和黄热病。分析目标可包括生物标记，该生物标记指示创伤性脑损伤、肾病、心血管病、心血管事件(例如，心脏病、中风)、或某些致病原(诸如，细菌或病毒)对某些治疗剂的易感性。分析目标可包括基因标记，诸如多态性(例如，单核苷酸多态性(SNPs)、拷贝数变异)、基因表达产物、特异性蛋白质或变型(例如，蛋白质的糖基化或翻译后处理)。

协调运动

协调的加压和旋转可以简化设备的操作或操纵。设备可以由单一的旋转运动驱动并且切换流体路径和加压可以同时地实现。设备可以由通过弹簧、马达或通过手动提供动力的单一的运动完全自主地驱动。通过协调，本设备可以提供比需要多个起动力的系统更多的可靠性，因为，多个力中的任何一个失效将致使设备无效。

层的运动可以是围绕共同的起动轴。围绕起动轴运动可以是围绕中心轴的。轴可以包括单个轴。轴可以包括多个连接的轴。

轴可以包括螺纹(例如，在其外表面上)或用于与另一个表面接合的其它结构。轴可以与另一个表面，诸如压力帽接合。例如，轴的外表面上的螺纹可以与压力帽套筒的内表面上的螺纹接合。螺纹可以围绕中心轴的整个外周延伸，或在围绕轴的外周的螺纹部中可以具有中断。中心轴与其接合的表面，比如压力帽套筒，可以具有围绕其外周的全部或仅一部分延伸的螺纹。在一个实施方式中，轴的外螺纹区段位于中心轴与驱动器接合的位置的远侧。在其它实施方式中，压力帽包括帽上的外螺纹并且轴包括沿着轴的长度的至少一部分的内螺纹。

螺纹可具有可变螺距，压力帽每旋转一度，可变螺距可以按压力帽旋转的度数导致可变的压缩。例如，螺纹螺距可以沿着轴、帽或其它表面的长度变化。类似地，帽的螺纹的螺距不一定与轴的螺距或帽的螺纹与其接合的其它表面的螺距相同。例如，压力帽的中心柱的螺纹可以具有与轴的带有螺纹的区段不同的螺距。

在一些情况中，轴包括多个连接的区段，其中每个区段与其相邻的(例如，近侧或远侧)区段接合以形成堆叠的轴的布置。轴区段可以直接连接，使得每个区段以相同的速率旋转。轴区段可以经由齿轮连杆连接。齿轮连杆可以实现相邻轴区段之间的不同的旋转速率。相邻轴区段之间的旋转可以以成比例的运动、不成比例的运动或不连续的运动为特征。

可旋转的层可以与轴或轴区段直接接合。可旋转的层可以间接地与轴或轴区段间接地接合，诸如，通过经由另一个可旋转层介导的接合，或通过与表面，诸如压力帽套筒上的外螺纹接合。可旋转层可以永久地附接到轴。

层的角旋转可以与轴的(例如，中心轴)的角旋转相同。可选地，层的角旋转可以不同于轴(例如，中心轴)的角旋转。轴上的一些层可以具有与轴相同的角旋转，而其它层具有不同的角旋转。层和轴之间的角旋转可以是成比例的(例如，3:1或1:3)。

基站

本公开的设备可以结合基站使用。在一些示例中，同轴布置的层具有最少的主动的机械部件或电子部件或不具有主动的机械部件或电子部件。当进行测定时，这样的机械或电子功能可以通过手动旋转或通过基站提供。

首先，基站可以与设备的中心轴接合并且提供旋转的起动力和控制。设备的旋转可以在机械力的源，诸如马达、弹簧(例如，线性弹簧、螺旋弹簧、扭转弹簧、恒力弹簧)、或弹性带的帮助下执行。机械力的源，比如马达，可以由电源驱动。电源的示例包括但不限于电池、太阳能电池板、用于壁插式电源或输电网电源的连接器或适配器、用于马达交通工具电源的连接器或适配器(例如，12伏适配器)、手动曲柄和电容器。

基站可以提供另外的功能。例如，基站可以具有用于测量所产生的发光的一个或多个光检测器。可以使用的光检测器包括但不限于光电倍增管、雪崩光电二极管、光电二极管、光电二极管阵列、CCD芯片、CMOS芯片、胶片。光检测器可以包括在光学检测系统内，该光学检测系统还包括镜头、过滤器、快门、光圈、光纤、光导、照明光源或其它部件。

基站可包括部件，这些部件包括但不限于，加热器、传感器、检测器、混合设备(比如声学机构或振动机构)、条码读取器或RFID读取器以及其它部件。这些部件可用于检验流体的存在。这些部件可用于将流体保持在适当控制的温度下。基站可用于储存和提供搭载在站本身上的或来自单独的测定试剂瓶或测定试剂储存设备的测定试剂。基站可以具有用于控制机械子系统和/或电子子系统、分析获取的数据和/或提供图形使用者界面(GUI)的微处理器。基站还可以包括用于连接到样品制备设备的电连接器、机械连接器和/或光学连接器。

检测器可以存在于本公开的设备或系统(例如，基站)中。例如，成像部件或传感器部件可用于通过这样的技术来记录或岑亮设备内的反应，即，该技术包括但不限于光学检测、X光检测、吸收光谱测定、基质辅助激光解吸/电离(MALDI)、质谱法、拉曼光谱法、荧光相关光谱法(FCS)、荧光偏振/荧光相关光谱法(FP/FCS)、荧光检测、比色检测、化学发光、生物体发光、散射、表面等离子共振、电化学检测、pH感测、温度感测、电泳、激光、或荧光成像板读数器(例如，

分子设备)测定。

传感器或检测器可以包括任何固态图像传感器，该固态图像传感器包括电荷耦合设备(CCD)、电荷注入设备(CID)、光电二极管陈列(PDA)或互补金属氧化半导体(CMOS)。传感器或检测器可包括光电倍增管(PMT)。

传感器可用于质量控制。例如，传感器可以指示设备是否已经经受可能致使其不能操作的条件(例如，有损预装载的试剂或储存的处理后的样品的极端温度)。在另一个示例中，样品、废料或其它流出物的一个或多个性质可以根据标准，诸如，pH来测量和验证。

设备或基站可以包括定时单元，诸如计时器。定时单元可以允许自动控制设备的操作(例如，旋转)。定时单元可以引导使用者手动操作设备，诸如通过指示等待步骤所需的时间量已经过去并且指示使用者可以进行下一步骤。

本公开提供了计算机控制系统，该计算机控制系统被编程以实施本公开的方法。图9示出了计算机系统901，该计算机系统901被编程或以其它方式构造成操作设备或分析来自本公开的设备的结果。计算机系统901可以调节本公开的设备操作的各个方面，诸如，例如，设备旋转、旋转步骤之间的定时以及设备上的反应。计算机系统901可以是与使用者有关的电子设备或是相对于电子设备远程地定位的计算机系统。电子设备可以是移动电子设备。

计算机系统901包括中央处理单元(CPU，本文也称为“处理器”和“计算机处理器”)905，中央处理单元可以是单核处理器或多核处理器、或用于并行处理的多个处理器。计算机系统901还包括存储器或存储位置910(例如，随机存取存储器、只读存储器、闪速存储器)、电子存储单元915(例如，硬盘)、用于与一个或多个其它系统通信的通信接口920(例如，网络适配器)、以及外围设备925，诸如缓存、其它存储器、数据存储器和/或电子显示的适配器。存储器910、存储单元915、接口920以及外围设备925通过诸如主板的通信总线(实线)与CPU905通信。存储单元915可以是用于存储数据的数据存储单元(或数据储存库)。计算机系统901可以在通信接口920的帮助下可操作地联接到计算机网络(“网络”)930。网络930可以是互联网、互联网和/或外联网、或与互联网通信的内联网和/或外联网。在一些情况中，网络930是远程通信和/或数据网络。网络930可以包括一个或多个计算机服务器，该一个或多个计算机服务器可以促进分布式计算，诸如云计算。在一些情况中，网络930在计算机系统901的帮助下可以实施点对点网络，该点对点网络可以使联接到计算机系统901的设备能够起客户端或服务器的作用。

CPU905可以执行一系列的机器可读指令，这些机器可读指令可以体现在程序或软件中。指令可以存储在存储位置，诸如存储器910中。指令可以指向CPU 905，指令可以随后编程或以其它方式配置CPU 905以实施本公开的方法。由CPU 905执行的操作的示例可以包括提取、解码、执行和写回。

CPU 905可以是电路，诸如，集成电路，的一部分。系统901的一个或多个其它部件可以包括在电路中。在一些情况中，电路是专用集成电路(ASIC)。

存储单元915可以存储文件，诸如驱动程序、程序库程序和保存的程序。存储单元915可以存储用户数据，例如，用户偏好和用户程序。在一些情况中，计算机系统901可以包括一个或多个另外的数据存储单元，该一个或多个另外的数据存储单元在计算机系统901的外部，比如，位于通过内联网或互联网与计算机系统901通信的远程服务器上。

计算机系统901可以通过网络930(例如，有线网络或无线网络)与一个或多个远程计算机系统通信。例如，计算机系统901可以与用户的远程计算机系统通信。远程计算机系统的示例包括个人计算机(例如，便携式PC)、板型PC或平板PC(例如，

iPad、

Galaxy Tab)、电话、智能手机(例如，

iPhone、支持Android的设备、

)或个人数字助理。用户可以经由网络930访问计算机系统901。

本文所描述的方法可以借助于存储在计算机系统901的电子存储位置上，诸如，例如，存储在存储器910或电子存储单元915上的机器(例如，计算机处理器)可执行代码来实施。机器可执行代码或机器可读代码可以以软件的形式提供。在使用期间，代码可以由处理器905执行。在一些情况中，代码可以由处理器905从存储单元915检索到，并且存储在存储器910以便迅速访问。在一些情况中，电子存储单元915可以被排除，并且机器可执行指令存储在存储器910上。

代码可以被预编译和配置以便与具有适合于执行代码的处理器的机器一起使用，或可以在运行时间期间被编译。代码可以以编程语言的形式提供，该编程语言可以被选定为使代码能够以预编译的形式或依照所编译的形式执行。

本文提供的系统，诸如，计算机系统901和方法的方面可以在编程中体现。技术的各个方面可以被认为是“产品”或“制造的物品”，该“产品”或“制造的物品”通常是承载于或体现在一种类型的机器可读介质上的机器(或处理器)可执行代码和/或关联数据的形式。机器可执行代码可以存储在电子存储单元上，诸如存储器(例如，只读存储器、随机存取存储器、闪速存储器)或硬盘。“存储”类型的介质可包括计算机、处理器或类似物的有形存储器、或其关联模块，诸如，各种半导体存储器、磁带驱动器、磁盘驱动器以及类似物中的任何一个或全部，其可以随时为软件编程提供非暂时性存储。软件的全部或部分有时可以通过互联网或各种其它远程通信网络通信。例如，这样的通信可以使软件能够从一个计算机或处理器装载到另一个中，例如，从管理服务器或主机装载到应用服务器的计算机平台中。因而，可以承载软件元件的另一种类型的介质包括光波、电波和电磁波，如横跨本地设备之间的物理接口、通过有线和光学的陆上通信网络、以及在各种空中链路上所使用的。承载这样的波的物理元件，诸如有线链路或无线链路、光链路或类似物还可以被认为是承载软件的介质。如所使用的，除局限于非暂时性的、有形的“存储”介质外，诸如计算机或机器“可读介质”的术语是指参与为处理器提供指令以用于执行的任何介质。

因此，机器可读介质，诸如计算机可执行代码，可以采取任何形式，包括但不限于，有形存储介质、载波介质或物理传输介质。非易失性存储介质包括例如光盘或磁盘，该光盘或磁盘诸如在任何计算机或类似物中的存储设备中的任一个、诸如可用于实现数据库的等，如图中所示的。易失性存储介质包括动态存储器，诸如这样的计算机平台的主存储器。有形传输介质包括同轴电缆；包括线材的铜线和光纤包括处在计算机系统内的总线。载波传输介质可以采取电信号或电磁信号的形式或者声波或光波的形式，诸如在射频(RF)和红外线(IR)数据通信期间所产生的那些。因此，计算机可读介质的常见形式包括例如：软盘、可折叠磁盘、硬盘、磁带、任何其它的磁性介质；CD-ROM、DVD或DVD-ROM、任何其它的光学介质；穿孔卡纸带、利用孔的模式的任何其它的物理存储介质；RAM、ROM、PROM和EPROM、FLASH-EPROM、任何其它的存储芯片或存储盒；传输数据或指令的载波、传输这样的载波的电缆或链路、或计算机可以从其中读取编程代码和/或数据的其它任何介质。计算机可读介质的许多这些形式可以涉及到将一个或多个指令的一个或多个序列输送到处理器以用于执行。

计算机系统901可包括电子显示器935或可以与电子显示器935通信，电子显示器935包括用于提供例如定时信息或分析结果的用户界面(UI)940。UI的示例包括但不限于，图形用户界面(GUI)和基于Web的用户界面。

本公开的方法和系统可以借助于一个或多个算法实现。算法在由中央处理单元905执行时可以借助于软件实现。算法可以例如，控制设备上的温度、处理分析结果或操作设备。

样品处理

在一些情况中，设备还包括样品入口端口或样品输入槽。考虑到本文所描述的设备固有的增压性，样品入口优选是气密的。在某些实施方式中，样品入口构造成是打开的以允许添加样品并且然后在样品装载到设备后重新密封。可选地，样品可以经由可刺穿的隔膜或大的单向阀装载。设备可以包括集成的样品装载器，诸如可用于将样品装载到设备中的球状物(hulb)或注射器。设备可以与诸如注射器、球管、棉签、刮器、活检穿孔器的样品收集设备或用于使用者收集样品的其它工具封装在一起。

样品可以从受试者(例如，人类受试者)、食物样品(例如，包括有机体)或环境样品(例如，包括一个或多个有机体)获取。示例性非限制性样品包括血液、血浆、血清、痰液、尿液、排泄物(例如，粪便样品)、拭子、汗液、脊髓液、羊水、间质液、泪液、骨髓、组织样品(例如，皮肤样品或活检样品)、颊漱口样品、气雾(例如由咳嗽产生的)、核酸、细胞(例如，肿瘤细胞、血液中的胎儿细胞、干细胞、细菌和真菌细胞、T细胞或B细胞)、蛋白质、酶、土壤、水、堆肥、粪堆、沉淀物(例如，海水沉淀物或淡水沉淀物)、水样品、空气样品、岩石、植物样品、食物样品或肠样品。样品可包括待检测、过滤、浓缩和/或处理的任何有用的目标或分析物。

在一些情况中，所有的样品都在设备内分析。在其它情况中，样品中的一些(例如，纯化的核酸)在设备内分析并且一些被保留以供以后使用。在其它情况中，所有的样品都被保留以供以后使用。样品，诸如，纯化的核酸可以储存在设备上或可以排放到诸如管或瓶的样品容器中。样品容器可以被密封。样品容器可以是无菌的。

样品可以被标记、编号或贴标签以识别其来源。标记可以包括编码，诸如在设备上或样品容器上的字母数字编码或光学条码。标记可以包括电子标记，诸如在RFID标签或其它电子介质中的数据或指示符。标记可以包括与样品混合在一起的唯一的标识符，诸如核酸条码，或包括可以以后(例如，通过扩增、DNA芯片读出、或测序)被识别的颗粒。标记，诸如核酸条码可以包括测序适配器(例如，Illumina适配器)。

方法

在一些方面，本公开提供了一种分离生物分子的方法，该方法包括：(i)提供本文提供的方面或实施方案的模块或设备或系统；(ii)将样品引入设备或系统中，其中样品包括一个或多个关注的分子；(iii)将样品顺序地穿过一个或多个同轴布置的层；以及(iv)洗脱一个或多个生物分子，从而获得洗脱的样品。

一个方面提供了从样品中分离关注的分子的方法，该方法包括：a)提供包括压力帽、中心轴和多个同轴布置的层的设备，该多个同轴布置的层包括试剂层、分离层和接收层(见，例如图8A)；b)用裂解溶液，洗涤溶液和洗脱液装载试剂层，每种溶液占居具有上游入口和下游出口的单独的通道，其中通道的下游出口中的每一个在设备的第一位置处是闭塞的；c)使样品与试剂层中的裂解溶液组合以形成裂解混合物；d)将中心轴旋转到第二位置；e)将中心轴旋转到第三位置；以及f)将中心轴旋转到第四位置。将中心轴旋转到第二位置(见，例如，图8B)：1)将试剂层相对于分离层旋转以使容纳裂解混合物的通道的出口与分离层中的通道的上游入口对齐，分离层中的所述通道由能够结合关注的分子的分离材料闭塞；以及2)使压力帽朝向多个同轴布置的层移动，从而对裂解的混合物施加正压力并且将裂解的混合物推动到分离材料上并且穿过分离材料。将中心轴旋转到第三位置(见，例如，图8C)：1)将试剂层相对于分离层旋转以使容纳洗涤溶液的通道的出口与分离层中的被分离材料闭塞的通道的上游入口对齐；以及(2)使压力帽进一步朝向多个同轴布置的层移动，从而施加另外的正压力以将洗涤溶液推动穿过分离材料。将中心轴旋转到第四位置(见，例如，图8D)：1)将试剂层相对于分离层旋转以使容纳洗脱溶液的通道的出口与分离层中被分离材料闭塞的通道的上游入口对齐；2)将分离层相对于接收层旋转以使被分离材料闭塞的通道的出口与接收层中的第一通道的上游入口对齐；以及3)使压力帽进一步朝向多个同轴布置的层移动，从而施加另外的正压力以将洗脱溶液推动穿过分离材料进而使关注的分子脱离分离材料并且将洗脱溶液和关注的分子收集在接收层的通道中。

在一些实施方式中，将中心轴旋转到第二位置还包括，将分离层340相对于接收层旋转以使被捕获材料闭塞的通道的出口与接收层中的第二通道的上游入口对齐，所述第二通道构造成捕获废液。构造成捕获废液的通道可以是闭端路径，即，废料槽。在某些实施方案中，废液被捕获在容纳在废料槽中的吸收剂中。

在另一个实施方式中，多个同轴布置的层包括分析层，并且该方法还包括如下步骤：g)将中心轴旋转到第五位置，从而1)将接收层相对于分析层旋转以使容纳洗脱溶液和关注的分子的通道的出口与分析层中的通道的上游入口对齐；以及2)使压力帽进一步朝向多个同轴布置的层移动，从而施加另外的正压力以将洗脱溶液和关注的分子推动到分析层的通道中。分析层可以构造成使是核酸的关注的分子扩增。

在一些实施方式中，试剂或样品可以在设备的操作(例如，旋转和加压)的中途被添加。在一些实施方式中，给定的样品可以多次穿过设备或在设备中被多次处理。

示例

示例1：200μL样品制备设备

样品制备模块设计有加压帽，该加压帽可以利用每个旋转提供近似6psi的正压力。具有螺纹的中心柱随着每个旋转向下推动帽，并且通过压缩室中的空气产生正空气压力。该正压力可以驱动设计槽中的溶液穿过分离材料，并且经由空气的通过还使过滤器干燥。

样品制备模块(见，例如，图4)设计成处理近似200μL的样品，加上600μL的裂解试剂、500μL的洗涤缓冲剂和50μL的洗脱缓冲剂。大体积的样品允许在低浓度下高灵敏度地检测目标分子，这提高了较低的检测限和动态范围。所洗脱的核酸在其穿过分离材料后被捕获在底层上的槽374中。

模块还设计成将电温度控制模块集成到旋转的样品制备设备中以使样品溶液能够加热到所需的温度(63±2℃)。样品槽由导热材料制造而成，并且箔加热器和控制热敏电阻器放置在槽的外侧壁上。该槽直接附接在旋转样品制备设备中的试剂层上。加热模块由电子控制单元控制，并且利用热探针(Thorlabs)测量性能，热探针直接放置在被测试溶液包围的槽中。以1秒的间隔通过使用Thorlabs温度传感器探针TSP 01软件来记录数据。在室温下，使用4.58伏电压的插入式电源、用800μL的水来评估设备。设备被测试三次，且溶液可在140秒内加热到所需温度(63±2℃)，其中在测试阶段期间，标准差小于0.3℃。当在室温下使用四个AA电池作为电源重复时，溶液可以在150秒内加热到所需的温度，其中，在测试阶段期间，标准偏差小0.1℃。

因为流体的热性能改变，在室温下，利用4.58伏电压的插入式电源、使用200μL的人血浆和600μL的ZR病毒RNA裂解缓冲剂(Zymo病毒RNA套件)来评估被加热的槽的性能。设备被测试三次，并且溶液可以在约180秒内加热到所需的温度，其中刚在测试期间标准偏差小于0.3℃。当在室温下使用四个AA电池作为电源重复时，溶液可以在130秒内加热到所需的温度，其中，在测试阶段期间，标准偏差小0.12℃。

示例2：高浓度HIV制备

使含有5×10⁵拷贝/mL HIV病毒颗粒的200μL人血浆样品与600μL的ZR病毒RNA裂解缓冲剂(Zymo Research公司)和30μL的Triton X100混合，并且在室温下、在Eppendorf管中混合以形成裂解后的样品。接下来，溶液转移到旋转设备中的样品槽。500μL的病毒RNA洗涤缓冲剂(含有80％的乙醇，Zymo Research公司)和50μL的洗脱溶液(水)预装载在设备上的指定的槽中。帽被施加，并且然后通过握持顶部抓持部并且使底部盘旋转将设备旋转到设计位置。随着旋转，另外的正空气压力通过向下推动帽并且使空气室中的空气压缩而被施加。过滤层旋转80度到达裂解位置，旋转另外的114度到达洗涤位置以及旋转另外的102度到达洗脱位置，在每个旋转位置产生近似6psi的正空气压力。裂解溶液、洗涤溶液和洗脱溶液被按顺序推动穿过分离材料。在室温下，每个步骤花费近似1至2分钟。在每种溶液穿过分离材料后，空气(在室中的正压力)被推动穿过分离材料槽以干燥过滤器并且最小化死体积。含有目标核酸的洗脱溶液收集在底层中的槽处。

对照实验通过使用离心法依据制造商Zymo Research公司的标准方案(病毒RNA)和优化方案(利用另外的5％的Triton X100)并行执行。实时qPCR用于量化目标核酸的浓度。与在实验台上的关于ZR病毒RNA方案的30.77±0.40Cq相比，在设备上的关于ZR病毒RNA方案的来自实验(n≥2)的结果是32.74±0.42Cq(定量周期)。与关于实验台对照的28.86±0.88Cq相比，利用Triton X100方案(ZR-T)的ZR病毒RNA的结果是29.86±1.48Cq(见，例如，图10)。

示例3：低浓度HIV制备

利用具有低浓度HIV病毒颗粒的血浆进一步验证了样品制备设备的性能。载体RNA(Roche公司)添加到样品(ZR-T-C)，因为已经证实，载体RNA可以在低浓度的目标分子下改善性能。样品制备设备中的槽用1mg/mL的BSA覆盖至少10分钟以进一步减少对目标分子的非特异性吸附。

含有浓度为5×10³拷贝/mL的病毒颗粒的200μL血浆与600μL的病毒RNA裂解缓冲剂(Zymo Research公司)、30μL的Triton X100和1.5μL的载体RNA(5mg/mL)混合。溶液可以在Eppendorf管中在室温下混合以形成裂解后的样品。然后，裂解后的样品转移到旋转设备中的样品槽中。500μL的病毒洗涤缓冲剂(Zymo Research公司，含有80％的乙醇)和50μL的洗脱溶液(水)预装载到设备上的指定的槽中。对照实验利用离心方案在实验台上执行。设备如前述示例中所描述的被操作。

对照实验通过使用离心法依据Zymo Research公司的病毒RNA套件的标准方案和优化方案(利用另外的5％的Triton X100)并行执行。与用于实验台对照(n≥2)的34.93±0.69Cq相比，在设备上的关于ZR病毒RNA方案(ZR)的结果是37.39±2.05Cq。与用于实验台对照(n≥2)的33.83±0.47Cq相比，在设备上关于利用Triton X100和载体RNA(ZR-T-C)的优化方案的结果是33.77±0.55Cq(见，例如，图11)。结果表明，添加非离子表面活性剂，诸如Triton X100，和载体RNA可以提高在5×10³拷贝/mL的低浓度下从血浆提取HIV病毒RNA的性能。

示例4：0.5mL样品制备设备

利用3D打印设计和制造出能够利用0.5mL样品执行核酸样品制备的设备(见，例如，图5)。该设备可处理：1)0.5mL样品，诸如尿液或血浆，具有多达1.5mL的裂解缓冲剂；2)600μL洗涤缓冲剂；3)50μL至100μL洗脱缓冲剂。当纯化的核酸在50μL洗脱缓冲剂中洗脱时，其将核酸从0.5mL输入样品浓缩达到10倍。

示例5：流感RNA提取

用于实时qPCR的A型流感病毒培养(PR8株)和引物被获得。QIAamp病毒RNA迷你型套件(试剂盒)作为标准对照用于病毒RNA样品制备。如上面示例4所描述的设备预装载有自病毒RNA套件(Zymo Research公司)的600μLZR病毒裂解缓冲剂、500μL病毒洗涤缓冲剂和100μL水。在设备上进行的样品制备的性能用浓度为1×10⁴pfu/mL和10pfu/mL的含有0.2％的BSA和PR8病毒的200μL的PBS来验证。

病毒RNA的量化使用实时qPCR执行。初步结果表明，样品制备设备可以执行流感病毒RNA样品制备快至3分钟(见，例如，图12)。

示例6：细菌RNA提取

细菌核酸的提取和纯化用含有沙眼衣原体(C.trachomatis)的1×PBS缓冲剂评估，在20拷贝/mL(copies/mL)、50拷贝/mL和500拷贝/mL(对应于10拷贝/测定、25拷贝/测定和250拷贝/测定)下验证。掺入沙眼衣原体的0.5mL PBS缓冲剂与1mL裂解缓冲剂(Zymo病毒RNA套件)混合。0.8mL的洗涤缓冲剂(Zymo病毒RNA套件)用于纯化核酸和去除抑制剂。纯化的核酸在100μL的水中洗脱，并且使用Roche lightcycler实时qPCR来量化性能。具有已知浓度的非传染性沙眼衣原体样品(NATtrol^TM)购自ZeptoMetrix公司。一组引物设计成用于沙眼衣原体的16S基因。测定在每个浓度下执行至少三次，并且以250拷贝/测定在所有三次实验中检测16S核酸，以25拷贝/测定在所有五次实验中检测16S核酸，以及以10拷贝/测定在五次实验中的四次中检测16S核酸。扩增在阴性对照中没有观察到，阴性对照不包含目标细菌核酸。

单独地，来自包含沙眼衣原体的生物体的0.5mL人尿液样品(Lee Biosolutions公司)的细菌核酸使用上面描述的0.5mL设备被纯化。病毒RNA洗涤缓冲剂(0.8mL，含有80％乙醇，Zymo Research)和洗脱溶液(0.1mL水)在实验前预装载在设备中。尿液样品(0.5mL)在室温下与ZR病毒RNA裂解缓冲剂(1mL，Zymo Research公司)在管中混合并且然后转移至样品槽。裂解后的样品、洗涤溶液以及洗脱溶液通过手动旋转设备顺序地推动穿过样品制备基质。纯化的核酸在100μL水中洗脱，这将使目标核酸从500μL的输入样品浓缩5倍。通过使用具有设计成用于沙眼衣原体的16S基因的引物的Roche LightCycler实时qPCR来量化纯化后的核酸。

用浓度为20拷贝/mL、50拷贝/mL和500拷贝/mL的含有沙眼衣原体血清变型D(NATtrolChlamydia trachomatis D-UW3External Run Controls，ZeptoMetrix公司)的0.5mL人尿液样品重复实验四次。对于250拷贝/测定4次中有4次被检测，对于25拷贝/测定4次中有4次被检测，以及对于10拷贝/测定4次中有4次被检测。用于检测的阈值是Cq<40。对于阴性对照实验，没有扩增被检测到，其中核酸从对沙眼衣原体已知是阴性的尿液样品提取。

使用0.5mL设备的核酸纯化通过使用不同的衣原体感染对照的源、含有从美国病理学会(CAP)获取的沙眼衣原体的0.5mL人尿液样品来确认。对于不同的实验室和仪器，CAP样品通常用于能力验证。CAP尿液样品用阴性人尿液稀释成为1:9(v/v)。工作流程与前面对于含有NATtrolTM对照样品的尿液样品所描述的相同。三种CAP阳性样品中的三种被检测，然而对于阴性对照试验没有观察到扩增。

虽然，实验台上裂解对于设备的初始测试是方便的，但设备上的裂解方案和脱离设备的裂解方案已经针对从含有被稀释成1:9(v/v)的CAP样品的0.5mL尿液样品的细菌核酸的样品制备进行了比较。对于设备上的裂解方案，1mLZR病毒裂解缓冲剂(ZymoResearch)、0.8mL病毒RNA洗涤缓冲剂(Zymo Research)和0.1mL洗脱缓冲剂(水)在实验前预装载在设备中；0.5mL尿液样品通过移液方式引入到样品槽中并且与裂解缓冲剂混合。通过手动旋转设备，裂解后的样品、洗涤缓冲剂以及洗脱缓冲剂被顺序地推动穿过样品制备基质。整个工作流程可以在5分钟内完成。Roche实时qPCR已经用于量化设备上的裂解方案和脱离设备的方案的性能。学生氏t检验表明，在设备上的裂解方案和脱离设备的裂解方案之间没有明显的不同(p>0.4)。

示例7：自动样品制备

基站由廉价的现成部件构成：改进的伺服马达、具有1度分辨率的编码器、6V可再充电的电池组、主板和来自Arduino的马达驱动器、以及具有用于用户友好界面的单个触摸按钮的简单的控制面板。电池充一次电允许至少十个完整的运行。中心驱动器将与样品制备滑片芯片设备的过滤层接合以完成核酸样品的制备方案。三个定位槽将与滑片芯片设备的基底层上的锁定结构接合，并且在操作期间将设备保持在正确的位置处(见，例如，图3D和图3E)。

基站使在滑片芯片设备上的核酸样品制备的“单触摸”式操作成为可能。工作流程可以如下完成(试剂在实验前预装载到设备)：1)使用者将0.5mL液体样品引入到样品槽中；2)使用者关闭设备帽并且将设备放置在基站上；3)使用者触摸“启动”按钮。基站被编程以在2分钟和40秒内完成工作流程：首先，将设备旋转130度到达裂解位置并且保持1分钟，然后旋转80度到达洗涤位置并且保持1分钟，以及最后旋转93度到达洗脱位置并且保持30秒。洗脱物可以从基底层回收以用于进一步分析。

为了证明自动样品制备的可行性，0.5mL样品制备设备的性能用含有NATtrol^TM沙眼衣原体的尿液样品通过基站来操作。为了扩大检测的限度，0.5mL尿液用作输入样品体积，并且每测定含有10拷贝、25拷贝、250拷贝的NATtrol^TM沙眼衣原体的样品在设备上被测试。病毒RNA洗涤缓冲剂(0.8mL，Zymo Research)和洗脱溶液(0.1mL水)在实验前预装载在设备中。尿液样品与脱离设备的1mLZR病毒RNA裂解缓冲剂(Zymo Research)在转移到设备中的样品槽中前混合。样品制备设备然后放置在基站上，并且使用者按动“启动”按钮以启动方案。基站自动地操纵设备：顺序地将设备旋转到正确的位置，并且将设备保持在裂解位置1分钟、保持在洗涤位置1分钟、以及保持在洗脱位置30秒。纯化后的细菌RNA从设备的基底层被回收。

对于每种浓度的NATtrol^TM沙眼衣原体执行三个运行，并且基站利用电池组的单次充电成功地操作样品制备滑片芯片设备所有9个运行。通过使用Roche lightcycler实时qPCR来量化纯化后的沙眼衣原体RNA的浓度。对于10拷贝/测定3个运行中的2个，对于25拷贝/测定(Cq值35.6±0.4)3个运行中的3个，对于250拷贝/测定(Cq值30.4±0.2)3个运行中的3个被测定。利用阴性人尿液样品三个阴性对照实验也在设备上测试，并且没有观察到扩增。

示例8：加压

在每个步骤设备内所产生的内部压力的再现性在0.5mL样品量的设备上测试(见示例4)并且通过使用基站来操作设备(见示例7)。每个设备在样品槽中预装载有以水溶液形式的1.5mL的20％的甘油，在洗涤槽中预装载有0.8mL的70％的乙醇，以及在洗脱槽中预装载有0.1mL的洗脱缓冲剂(水)。然后，设备放置在基站上，并且使用者按动“启动”按钮一次以启动工作流程序列。设备连接到压力计以记录压力和，并且电压也在开始时记录以显示站利用单次电池充电完成全部10个运行。三个设备被评估，并且每个设备用三个独立的运行来测试(见，表1)。结果表明了具有多个运行的单个设备的再现压力以及在不同设备中相似的压力性能。

表1

尽管已经在本文示出和描述了本发明的优选的实施方案，但是对于本领域的技术人员来说将明显的是，仅以示例的方式提供了这些实施方案。本领域技术人员目前将想到许多变形、改变及替代方案而不偏离本发明。应当理解，在实践本发明时可采用本文描述的本发明的实施方案的各种可选择方案。意图是，以下权利要求界定本发明的范围并且从而应涵盖在这些权利要求及其等同形式的范围内的方法和结构。

Claims (31)

1.一种样品制备模块，包括：

壳体，其具有内表面；

中心轴，其包括带有螺纹的区段；

压力帽，其包括：

垫圈，其与所述壳体的所述内表面接合以形成气密密封；

中心柱，其从所述压力帽的内表面中心地延伸，其中所述中心柱包括螺纹，所述中心柱的所述螺纹被构造成与所述中心轴的所述带有螺纹的区段接合，使得所述中心轴相对于所述中心柱的旋转导致所述压力帽沿所述中心轴的长度直线地移动；

与所述中心轴接合的多个同轴布置的层，至少一个是转子并且一个是定子，所述同轴布置的层具有以摩擦、密封接合的方式装配的互补的面对的表面，每个层具有至少一个通道，所述至少一个通道具有上游入口和下游出口,所述上游入口和所述下游出口能够用于连续地选择性地置于连通中，以在组件内建立多个专门的流动路径，其中所述中心轴延伸穿过所述多个同轴布置的层，并且其中第一同轴布置的层与所述壳体的内表面接合以形成气密密封；以及

气密的隔室，其由所述壳体的与所述压力帽的所述垫圈气密密封地接合的内表面以及所述壳体的与所述第一同轴布置的层气密密封地接合的内表面形成，

其中所述中心柱相对于所述中心轴的旋转使所述压力帽的所述垫圈或所述第一同轴布置的层沿所述壳体的内表面可滑动地移动，从而使得所述隔室被压缩，由此产生抵着所述第一同轴布置的层的上游表面的压力，并且

其中所述转子围绕所述中心轴的旋转选择性地连接不同的同轴层的通道从而依次地形成和中断多个流体路径。

2.根据权利要求1所述的样品制备模块，其中所述转子与所述中心轴直接或间接地接合并且所述定子与所述壳体直接或间接地接合。

3.根据权利要求1所述的样品制备模块，其中所述定子与所述中心轴直接或间接地接合并且所述转子与所述壳体直接或间接地接合。

4.根据权利要求1所述的样品制备模块，其中所述中心轴与驱动器接合。

5.根据权利要求4所述的样品制备模块，其中最邻近所述驱动器的所述同轴布置的层是透明的。

6.根据权利要求1所述的样品制备模块，其中所述压力帽还包括键或键槽，所述键或键槽与所述壳体中的互补的键槽或键接合从而阻止所述压力帽相对于所述壳体旋转。

7.根据权利要求1所述的样品制备模块，其中所述压力帽还包括手动握持部。

8.根据权利要求1所述的样品制备模块，其中所述中心柱的所述螺纹具有与所述中心轴的所述带有螺纹的区段不同的螺距。

9.根据权利要求1所述的样品制备模块，其中所述中心轴的所述带有螺纹的区段是外螺纹的并且所述压力帽的所述中心柱是内螺纹的。

10.根据权利要求1所述的样品制备模块，其中所述中心轴的所述带有螺纹的区段是内螺纹的且所述压力帽的所述中心柱是外螺纹的。

11.根据权利要求1所述的样品制备模块，其中所述中心轴包括多个连接的区段，每个区段与相邻的区段接合。

12.根据权利要求1所述的样品制备模块，其中所述壳体永久地固定到同轴布置的层。

13.根据权利要求1所述的样品制备模块，其中所述壳体包括两个或更多个节段，所述两个或更多个节段当被装配时形成气密的结合部。

14.根据权利要求13所述的样品制备模块，其中所述壳体的所述两个或更多个节段中的每一个永久地附连到同轴布置的层。

15.根据权利要求1所述的样品制备模块，其中所述同轴布置的层包括试剂层、分离层和接收层。

16.根据权利要求15所述的样品制备模块，其中所述试剂层将样品接收在对所述上游表面和下游表面敞开的第一流体路径中。

17.根据权利要求16所述的样品制备模块，其中所述试剂层包括对所述上游表面和所述下游表面敞开的第二流体路径。

18.根据权利要求15所述的样品制备模块，其中所述分离层包括使上游表面和下游表面之间的至少一个通道闭塞的分离材料，所述分离材料能够可逆地结合关注的分子。

19.根据权利要求15所述的样品制备模块，还包括分析层。

20.根据权利要求19所述的样品制备模块，其中所述分析层包括微流控设备。

21.根据权利要求1所述的样品制备模块，其中至少一个同轴布置的层包括废料室，所述废料室是仅对层的上游表面敞开的闭端路径。

22.根据权利要求1所述的样品制备模块，还包括可重复密封的样品入口。

23.根据权利要求1所述的样品制备模块，其中所述压力帽的所述垫圈或所述第一同轴布置的层与所述壳体的内表面可滑动地接合。

24.一种从样品分离关注的分子的方法，所述方法包括：

a)提供包括压力帽、壳体、中心轴和多个同轴布置的层的设备，所述多个同轴布置的层包括试剂层、分离层和接收层，所述压力帽、所述壳体和所述试剂层形成气密的隔室；

b)用裂解溶液、洗涤溶液和洗脱溶液装载所述试剂层，每种溶液占居具有上游入口和下游出口的单独的通道，其中所述通道的所述下游出口中的每一个在所述设备的第一位置处是闭塞的；

c)使样品与所述试剂层中的所述裂解溶液组合以形成裂解的混合物；

d)将所述中心轴旋转到第二位置，从而

1)将所述试剂层相对于所述分离层旋转以使容纳所述裂解的混合物的所述通道的所述下游出口与所述分离层中的通道的所述上游入口对齐，所述分离层中的所述通道由能够结合所述关注的分子的分离材料闭塞；以及

2)使所述压力帽朝向所述多个同轴布置的层移动以压缩所述隔室，从而对所述裂解的混合物施加正压力并且将所述裂解的混合物推动到所述分离材料上并且穿过所述分离材料；

e)将所述中心轴旋转到第三位置；从而

1)将所述试剂层相对于所述分离层旋转以使容纳所述洗涤溶液的所述通道的所述下游出口与所述分离层中的被所述分离材料闭塞的所述通道的所述上游入口对齐；以及

2)使所述压力帽进一步朝向所述多个同轴布置的层移动以进一步压缩所述隔室，从而施加另外的正压力以将所述洗涤溶液推动穿过所述分离材料；以及

f)将所述中心轴旋转到第四位置，从而

1)将所述试剂层相对于所述分离层旋转以使容纳所述洗脱溶液的所述通道的所述下游出口与所述分离层中的被所述分离材料闭塞的所述通道的所述上游入口对齐；以及

2)将所述分离层相对于所述接收层旋转以使利用所述分离材料闭塞的所述通道的所述下游出口与所述接收层中的第一通道的所述上游入口对齐；以及

3)使所述压力帽进一步朝向所述多个同轴布置的层移动以进一步压缩所述隔室，从而施加另外的正压力以将所述洗脱溶液推动穿过所述分离材料，进而使所述关注的分子从所述分离材料脱离并且将所述洗脱溶液和所述关注的分子收集在所述接收层的所述通道中。

25.根据权利要求24所述的方法，其中将所述中心轴旋转到所述第二位置还包括将所述分离层相对于所述接收层旋转以使利用所述分离材料闭塞的所述通道的所述下游出口与所述接收层中的第二通道的所述上游入口对齐，所述第二通道构造成捕获废液。

26.根据权利要求25所述的方法，其中所述废液被捕获在吸收剂中，所述吸收剂容纳在所述接收层的所述第二通道中。

27.根据权利要求24所述的方法，其中所述多个同轴布置的层包括分析层并且所述方法还包括以下步骤：

g)将所述中心轴旋转到第五位置，从而

1)将所述接收层相对于所述分析层旋转以使容纳所述洗脱溶液和所述关注的分子的所述通道的所述下游出口与所述分析层中的通道的所述上游入口对齐；以及

2)使所述压力帽进一步朝向所述多个同轴布置的层移动，从而施加另外的正压力以将所述洗脱溶液和所述关注的分子推动到所述分析层的所述通道中。

28.根据权利要求27所述方法，其中所述关注的分子是核酸并且所述分析层构造成扩增所述核酸。

29.根据权利要求24所述的方法，其中所述样品通过可重复密封的样品入口提供。

30.根据权利要求24所述的方法，其中所述关注的分子是核酸。

31.一种样品制备模块，包括：

壳体，其具有内表面；

中心轴，其包括带有螺纹的区段；

压力帽，其包括：

垫圈，其能够与所述壳体的所述内表面接合以形成气密密封；

中心柱，其从所述压力帽的内表面中心地延伸，其中所述中心柱包括螺纹，所述中心柱的所述螺纹被构造成与所述中心轴的所述带有螺纹的区段接合，使得所述中心轴相对于所述中心柱的旋转导致所述压力帽沿所述中心轴的长度直线地移动；

与所述中心轴接合的多个同轴布置的层，至少一个是转子并且一个是定子，所述同轴布置的层具有以摩擦、密封接合的方式装配的互补的面对的表面，每个层具有至少一个通道，所述至少一个通道具有上游入口和下游出口，所述上游入口和所述下游出口能够用于连续地选择性地置于连通中以在组件内建立多个专门的流动路径，其中所述中心轴延伸穿过所述多个同轴布置的层，并且其中第一同轴布置的层与所述壳体的内表面接合以形成气密密封；以及

气密的隔室，其由所述壳体的与所述压力帽的所述垫圈气密密封地接合的内表面以及所述壳体的与所述第一同轴布置的层气密密封地接合的内表面形成，

其中所述中心柱相对于所述中心轴的旋转使所述压力帽的所述垫圈或所述第一同轴布置的层沿所述壳体的内表面可滑动地移动，从而使得所述隔室被压缩，由此产生抵着所述第一同轴布置的层的上游表面的压力，并且

其中所述中心轴相对于所述中心柱的旋转同时地使得：

i)所述压力帽或所述第一同轴布置的层沿所述壳体的内表面可滑动地移动，从而使得所述隔室被压缩，由此产生抵着所述第一同轴布置的层的上游表面的压力，和

ii)所述转子相对于所述定子旋转，以选择性地连接不同的同轴层的通道从而依次地形成和中断多个流体路径。

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