CN107111123A - 回转样品定位设备 - Google Patents

Abstract

披露了一种用于样品分析装置的定位系统。定位系统包括(1)旋转台，其包括平板和安装在该平板上的加样托盘，并包括(2)镜台，其包括用于将旋转台定位在成像系统的光路下方的定位系统。加样托盘被配置成保持包含一个或多个侧流腔(LFC)的测试盒。

Description

回转样品定位设备

本申请要求于2014年10月27日提交的美国临时专利申请号62/069,112的优先权，该文献的全文被援引纳入本文。

技术领域

本申请总体上涉及样品分析系统，尤其是涉及用在采样-反馈型(sample-to-answer)分析系统内以检测样品中的生物材料的侧流腔定位系统。

背景技术

分子检测是设计用于检测并识别在被测样品中的生物材料如DNA、RNA和/或蛋白质的检测。分子检测作为黄金标准开始出现是因为其速度、敏感度和特异度。例如分子测定法被发现在识别脑脊液中的肠病毒时比传统的培养法更加敏感75％，并且现在被认为是用于其诊断的黄金标准(Leland等人的Clin.Microbiol Rev.2007,20:49-78)。

临床用分子测定法一般被限制到小于六个基因序列的识别(如实时PCR测定)。微阵列作为被附接至固态载体的分子探针的图案，是一种增加可被独特识别的序列数量的方法。微阵列分析工作流通常包括昂贵的扫描仪用于自微阵列元件获取荧光强度信息。微阵列成像可以在水从阵列元件被除去(即微阵列是干的)时显示出改善的信噪比。因此，人们需要发展出更简单、更高效且更成本划算的方法和装置，用于利用微阵列技术执行分子检测。

发明内容

在一方面，一种用于样品分析装置的侧流腔(Lateral Flow Cell，LFC)定位系统包括(1)旋转台，其包括平板和安装在平板上的加样托盘，并包括(2)镜台，包括用于定位所述旋转台的定位系统，其中，该加样托盘被配置成保持包括一个或多个LFC的测试盒。在一些实施例中，旋转台可相对于镜台运动。在其它实施例中，旋转台可相对于镜台转动。

在其它实施例中，该旋转台还包括夹具，该夹具包括顶杆、底杆和至少一个连接所述顶杆和底杆的支承杆。所述平板和加样托盘设置在该夹具的顶杆和底杆之间。该夹具可相对于平板运动并且能在该夹具运动至锁定位置时在该加样托盘内固定测试盒。

在某些优选实施例中，该镜台包括马达驱动的转子，其连接至旋转台以促使其转动。旋转台的转动传递至装有LFC的测试盒，其典型的转速在超过200rpm的范围(例如200-5000rpm)。离心力驱动反应腔内的水滴朝向吸收剂，使反应腔处于干燥状态。于是，使包括结合和/或扩增的探针在内的阵列元件处于干燥状态。在干燥过程之后，旋转台的转速降低并进入引导模式(indexing mode)用于成像。在此模式过程中，每个反应腔被引导至在微阵列成像相机下方的位置。图像被采集、处理和分析。接着，检测结果被报告。

另一方面涉及一种一体式样品分析系统。该系统包括：样品净化器，其包括专门结合核酸的整块材料；包括反应腔的样品分析装置，反应腔包括亲水性内表面，该亲水性内表面被配置成保持包含多个核酸基探针的微阵列；温控模块，包括加热冷却件，用于实现在所述加热冷却件与所述反应腔的内部体积之间的热交换；成像装置，其被定位以捕捉在所述反应腔内的微阵列的图像；和如本文所述的LFC定位模块。

其它方面包括用于转动和/或定位本发明的旋转台的方法和用于检测并分析结合至本发明LFC内的微阵列的探针的方法。

附图说明

为了本文目的，除非另有说明，否则在不同的附图中所采用的相同的附图标记表示相同的零部件。

图1是本申请的示例性样品检测系统的视图。

图2A-2B示出用于使测试盒内的侧流腔从加载位置(图2A)转动至在微阵列成像系统下方的成像位置(图2B)的旋转台的实施例。

图3A和3B示出图2A-2C中的包括夹具在内的旋转台的俯视图(图3A)和仰视图(图3B)。

图4A-4B示出使测试盒内的LFC从加载位置(图4A)转动至在微阵列成像系统下方的成像位置(图4B)的旋转台的另一个实施例。

图5示出旋转台的另一个实施例，其用于使LFC转向加载位置。

图6示出旋转台的实施例，用于使图5的LFC转至芯片成像系统下方的成像位置。

图7示出图5和图6的旋转台。

图8示出另一个旋转台实施例的顶面，其包括双夹具，用于将微阵列定位在成像仪的视野中。

图9A-9B示出用于微阵列成像的定位模块的实施例，其包括图8的旋转台，用于使样品测试盒从加载位置(图9A)转动至成像位置(图9B)。

图10A-10C示出LFC的示例性设计。

图11A-11C示出示例性测试盒，其包括侧流阵列(LFA)，该侧流阵列是LFC的阵列。

图12示出用Cy3标示的对比均匀阵列。

图13示出利用图9A-9B所示的定位模块实施例成像的结核杆菌(TB)检测阵列。

图14示出利用自动化阵列分析(AMA)软件对图13的微阵列的处理。

图15示出本申请的样品净化器的实施例。

图16A和16B示出加热冷却装置的实施例，其中，LFC留在散热器上方(图16A)或散热器下方(图16B)。

图17A-17C示出光学子系统的实施例。

具体实施方式

提供以下具体描述以允许本领域技术人员完成并利用本发明。为了解释，阐述了具体术语以便彻底理解本申请。但本领域技术人员将会明白这些具体细节并非是实施本发明所必须的。只作为代表例提供具体实施例和应用的描述。该描述是本发明原理的范例，并不打算将本发明限制到所示的特定实施例。

该说明打算与附图相关地来阅读，其被认为是本发明的整个书面说明的一部分。附图不一定按照比例，并且本发明的某些特征可以被放大示出或以略微示意性方式被示出以便简明。在说明书中，相对术语例如“前”、“后”、“上”、“下”、“顶”和“底”以及其衍生词应该被解释为是指随后所述的或所述附图所示的取向。这些相对术语是为了方便说明，通常不是旨在规定特定取向。涉及附接、接合等的术语例如“连接”和“附接”是指以下关系，在这里，多个结构或是直接或是通过中间结构间接被固定或附接在一起，以及两者都可移动或是刚性附接或刚性关系，除非另有明确说明。

本文所用的术语“样品”包括生物样品例如细胞样品、细菌样品、病毒样品、其他微生物样品、从哺乳动物受试体优选是人类受试者获得的样品如组织样品、细胞培养样品、粪便样品和生物流体样品(如血液、血浆、血清、唾液、尿、脑脊液或脊髓液、淋巴液和乳头抽吸物)、环境样品如空气样品、水样、灰尘样品和土壤样品。

如本文所述的实施例所用的术语“整块”、“整块吸收剂”或“整块吸收性材料”是指多孔性的三维吸收性材料，其在单件内具有连续互连孔结构。整块材料通过例如在具有期望形状的模具中铸造、烧结或前驱体聚合来制备。术语“整块材料”是要区分于至少两个被并排放置或叠压在一起的过滤件。术语“整块吸收剂”或“整块吸收性材料”是要区别于包封入床结构中或嵌埋入多孔基材中的单独的吸收性颗粒的集群体，其中，最终产品包括单独的吸收性颗粒。术语“整块吸收剂”或“整块吸收性材料”也是要区分于吸收性纤维或涂有吸收剂的纤维如滤纸或涂有吸收剂的滤纸的集群体。

如本文所述的实施例所用的术语“专门结合至”或“专门结合”是指吸收剂以一种特性结合被分析物(如核酸)，该种特性足以将被分析物与样品中的其它成分(如蛋白质)或污染物区分开。在一个实施例中，术语“专门结合”是指吸收剂以这样的结合亲和性结合样品中的被分析物，该结合亲和性是吸收剂和样品中其他成分之间的结合亲和性的至少10倍。本领域普通技术人员知道，被分析物结合至整块材料和自整块材料洗脱的强度可以通过结合和洗脱缓冲剂配方来控制。例如核酸洗脱强度可以利用KCl或NaCl通过盐浓度来控制。带有较高负电荷的核酸比蛋白质更耐洗脱。温度、pH和温和洗涤剂是可以被用于选择性结合和洗脱的其它处理方式。结合和洗脱的热稳定性可以利用加热块、水槽、红外加热和/或吹向或吹入溶液的热风来保持。结合缓冲剂的控制是优选的，因为改性洗脱缓冲剂对下游分析仪的影响将需要被评估。

如本文所述的实施例所采用的术语“核酸”是指单独的核酸和包括DNA和RNA在内的核酸的聚合物链，无论是自然出现的，还是人工合成的(包含其类似物)或者其改性物，尤其是那些已知自然发生的改性物，其具有任何长度。根据本发明的核酸长度的例子包括但不限于适合PCR产品(如约50-700碱基对(bp))和人类基因DNA的长度(例如按照从约千碱基对(Kb)至千兆碱基对(Gb)的数量级)。于是人们将会认识到，术语“核酸”包含小片段的单核苷酸以及绵延核苷酸序列、核苷(天然的或人工的)以及其组合物，例如表达序列标签或基因片段以及如以包含单独基因和甚至完整染色体的基因材料为例的较长的链。术语“核酸”也包含肽核酸(PNA)和锁核酸(LNA)寡聚体。

本文所用的术语“亲水性表面”是指这样的表面，其将与留在该表面上的纯水滴形成45°或更小的接触角。本文所用的术语“疏水性表面”是指下述表面，其将与留在这种表面上的纯水滴形成大于45°的接触角。接触角可以利用接触角测角仪来测量。

采样-反馈型样品分析系统100

本申请的一个主要方面涉及用于采样-反馈型样品分析系统100的LFC定位模块130。图1是示例性样品分析系统100的视图，其包括装有样品净化器的样品处理模块110、装有加热冷却装置的温控模块120、装有微阵列成像系统的检测模块140和用于将LFC定位到装有微阵列成像系统的检测模块140的视野中的LFC定位模块130。

样品处理模块110

样品处理模块110准备样品以便分析。这种准备一般牵涉到对相关分子如来自初始样品的DNA、RNA或蛋白质的利用样品净化器的净化或隔离。于是，隔离出的相关分子被转入LFC的反应腔。在一些实施例中，反应腔装有用于检测相关分子的微阵列和便于反应腔完全填充含水液体的亲水性内表面。

在某些实施例中，样品净化器包括专门结合核酸的整块材料。在某些实施例中，样品净化器是移液管尖，其装有专门结合相关分子的过滤器。示例性过滤器还在美国专利US7,785,869和US 8,574,923中有所描述，两者的全文被援引纳入。

在一些其它实施例中，样品处理模块110还包括细胞溶解腔，其具有多个细胞溶解珠和磁力搅拌件。细胞溶解通过在存在细胞溶解珠的情况下在细胞溶解腔内转动磁力搅拌件获得。磁力搅拌件的转动是通过由位于所述管外的磁体南北极的转动感生的交变磁场来产生的。在一些实施例中，磁体是柱形磁体。磁体绕轴线A转动并造成该腔内的磁体搅拌件沿平行于轴线A的轴线B在相同方向上转动。转动的磁力搅拌件碰撞所述珠，其在此过程中溶解细胞。该磁体可以沿该腔、在该腔之上、之下或沿斜角就位。在一些实施例中，柱形磁体绕一轴线转动，该轴线平行于细胞溶解腔所安放的平面。细胞溶解珠可以是任何颗粒状或珠状材料，其硬度大于待溶解细胞。细胞溶解珠可以由塑料、玻璃、陶瓷材料或任何其它非磁性材料制造，例如非磁性金属珠。在某些实施例中，细胞溶解珠关于一轴线是旋转对称的(例如球形、倒圆的、椭圆形、卵形、蛋形和滴状颗粒)。在其它实施例中，细胞溶解珠具有多面体形状。在其它实施例中，细胞溶解珠是不规则形状的颗粒。在另外一些实施例中，细胞溶解珠是具有凸起的颗粒。磁力搅拌件尤其可以是杆状、十字形、V形、三角形、矩形、棒状或盘状搅拌件。在一些实施例中，磁力搅拌件具有矩形形状。在一些实施例中，磁力搅拌件具有双前叉音叉形状。在一些实施例中，磁力搅拌件具有类似V形的形状。在一些实施例中，磁力搅拌件具有梯形形状。在某些实施例中，搅拌件的最长尺寸略微小于容器直径(例如约容器直径的75-95％)。在某些实施例中，磁力搅拌件涂覆有化学惰性材料如聚合物、玻璃或陶瓷材料(如瓷)。在某些实施例中，该聚合物是生物相容性聚合物如PTFE和聚对二甲苯。申请号12/886,201描述了磁溶解方法的更详细说明，该申请兹被援引纳入本文。

温控模块120

温控模块120在扩增反应和/或结合反应的过程中控制反应腔温度。在某些实施例中，温控模块包括具有温度控制柔软表面的加热冷却装置，如美国专利US 7,955,840和US7,955,841所述，这两篇文献的全文兹被援引纳入本文。在其它实施例中，温控模块120采用具有坚硬温度控制平面的加热冷却装置，如在2015年6月18日提交的美国专利申请号14/743,389中所述，其教导被明确援引纳入本文。

在一些实施例中，温控模块120包括热电器件。一个或多个热电器件可被整合到该模块中。在其它实施例中，温控模块120还包括温度传感器。温度传感器的例子是电阻热器件(RTD)、热偶、热电堆和热敏元件。

在一些实施例中，热电器件是由陶瓷材料制造的帕贴尔器件。陶瓷材料的例子包括氧化铝、氧化铍和氮化铝。

在其它实施例中，该热电器件是薄膜半导体(如碲化铋)。在其它实施例中，热电器件是由p和n型的半导体制造的热电偶。P和n型半导体的例子是铋锑、碲化铋、碲化铅和硅锗。

在一些实施例中，热电器件具有联接至一侧的热沉和联接至另一侧的散热器。热沉或散热器的例子是铜、铝、镍、热管和/或蒸汽腔。在工作使用过程中，散热器紧密接触反应腔的外表面并控制该反应腔内的温度。在一些实施例中，热沉和/或散热器用导热环氧树脂、导热胶、液态金属(如镓)或焊剂(如铟)被联接至热电器件。在一些实施例中，温控模块120还包括在热沉下方的风扇。在一个实施例中，散热器是扁平的。在其中一些所述实施例中，散热器是矩形的，其尺寸的范围为从3mm x 3mm至20mm x 20mm。散热器的厚度最好是0.05-5mm，更好是0.1-0.5mm，甚至更优选是0.15-0.3mm。

LFC定位模块130

LFC定位模块130定位LFC以通过检测模块140检测微阵列中的信号。在一方面，LFC定位模块包括(1)旋转台，其包括平板和安装在平板上的加样托盘，(2)镜台，其包括用于定位旋转台的定位系统。加样托盘被设计成保持包括一个或多个LFC的测试盒。在一些实施例中，旋转台可相对于镜台运动。在一些实施例中，LFC定位模块130被配置成允许通过温控模块120加热和冷却该加样托盘内的LFC并通过检测模块140实时监视在LFC的反应腔内的反应。在其它实施例中，旋转台可相对于镜台转动。在其它实施例中，旋转台能够旋转，以从LFC的反应腔除去液体。

在其它实施例中，旋转台还包括夹具，其具有顶杆、底杆和至少一个连接所述顶杆和底杆的支承杆。所述平板和加样托盘设置在所述夹具的顶杆和底杆之间。夹具可以相对于平板运动并且能够在夹具移动至锁定位置时固定在加样托盘内的测试盒。

在其它实施例中，定位模块130装有内置的加热冷却装置，其能够加热和冷却所述测试盒中的LFC。在其它实施例中，旋转台可运动至反应位置以使该测试盒接触加热冷却装置以促成在该测试盒内的LFC的反应腔中的反应。在一些实施例中，该加热冷却装置被配置成允许由检测模块140实时监视在LFC的反应腔内的反应。

在某些实施例中，镜台包括马达驱动的转子，该转子连接至旋转台以促使其转动。旋转台的转动使装有LFC的测试盒转动。离心力驱动反应腔内的水滴朝向吸收剂，使反应腔处于干燥状态。于是，使包括结合的和/或扩增的探针的微阵列元件保持干燥状态。在干燥过程之后，旋转台的转速降低并进入用于成像的引导模式。在此模式中，每个反应腔索引至在微阵列成像相机下方的位置。图像被采集、处理和分析。接着，报告检测结果。

在图2A-2B所示的实施例中，LFC定位模块130包括镜台142和可回转的旋转台144。可回转的旋转台144包括带有加样托盘152的平板145，该加样托盘保持包括单个LFC的测试盒146。旋转台144被连接至夹具150，以在锁定位置将测试盒146固定在加样托盘152内，并且在打开位置允许测试盒146从加样托盘152移除或者将测试盒146插入加样托盘152。在此实施例中，夹具150装有两个支承杆154，其连接至顶杆156和底杆158作为平板145一部分。外伸手柄162被附接至平板145以促成旋转台144从加载位置(图2A)转动或引导到成像位置(图2B)。

图3A是旋转台144的俯视图，示出了平板145、手柄162、加样托盘152、测试盒146和夹具150的顶杆156。图3B是旋转台144的仰视图，包括底杆158和支承杆154。样品托盘152在旋转台144中位于顶杆和底杆156、158之间。加样托盘152保持在固定位置上，而夹具150上下变位，在低位(锁定位置)将测试盒146锁定于加样托盘152中并在高位(打开位置)允许测试盒146被插入或移出加样托盘152。磁体160可以安放在平板145的底侧，以便可解除地附接至底杆158以将夹具150保持在打开位置上。

在一些实施例中，马达驱动的转子(未示出)设置在镜台142内以转动旋转台144，该旋转台保持一次性测试盒146。该转子以产生离心力的转速转动旋转台144和测试盒146，该离心力足以将水滴从LFC 148内的反应腔驱向其废料腔60内的吸收剂62(图10A)，干燥LFC 148以增强结合至LFC 148内的微阵列的核酸或蛋白质的成像。用于转动旋转台144的示例性马达包括步进电机、伺服电机和直流电机。在一个实施例中，转子以这样的转速转动旋转台，该转速为至少200rpm、至少300rpm、至少500rpm、至少1000rpm；在约200-5000rpm之间、在200-2500rpm之间、在250-1000rpm之间或在400-800rpm之间。

当干燥过程结束时，旋转台144/测试盒146的转速降低，此时干燥/定位模块进入用于成像的引导模式。在此模式中每个微阵列被引到检测模块140内的微阵列成像相机下方的位置。具体说，使旋转台144被引导就位，以使期望的微阵列进入用于成像的视野中。生物分子结合结果的图像被采集、处理、分析和报告。

在包括图2A-2B的一些实施例中，镜台142包括“XYZ定位系统”，其包括旋钮166、168、170用于将LFC定位在适于成像的位置。操作该旋钮166、168、170使得使用者能改变微阵列沿x、y、z轴的位置以便使在反应腔10和/或其中的微阵列40(例如见图10A)内的结合生物分子成像。另外，在一些实施例中，角度调节测微计171被用以调节平板145的倾斜角度或横摆角度。一旦样品托盘正确就位在相机下方以便成像，则X镜台和Y镜台的位置被锁定就位，例如通过定位螺钉例如如图2B所示的Y镜台锁定螺钉172。在一些实施例中，平板锁定螺钉173防止当处于成像位置时的平板145的转动。

图4A-4B示出旋转台144的另一个实施例，该旋转台用于使测试盒内的LFC从加载位置(图4A)转动至在微阵列成像系统下方的成像位置(图4B)。

图5和图6示出旋转台的另一实施例，该旋转台用于使测试盒内的LFC从加载位置(图5)转动至微阵列成像系统下方的成像位置(图6)。

图7示出图5和图6中的旋转台144。

图8和图9A-9B示出用于微阵列成像的定位模块的实施例，其包括镜台142和可回转的旋转台144。可以理解的是，微阵列成像定位模块的每个实施例的不同元件可以根据实际允许情况互换使用。

图8示出旋转台144连同附接的加样托盘152。加样托盘152具有两个单独的夹具150，其可沿Z轴上下滑动。每个夹具150装有顶杆或托架180和底杆158。当夹具150处于升高位置时，底杆158通过磁力栓被保持就位以便利用与图3B所示的相同的机构来加样。加样托盘152可以与测试盒146连用，测试盒包括不同形式的微阵列封装，从带有印于其上的微阵列的标准的1”×3”玻璃基片或塑料基片到包封在微流腔内的微阵列，该微流腔可以具有复杂的厚度分布，例如因为像可密封的输入端口和/或一体式废料腔这样的特征。LFC 148和测试盒146的非限定例子在图10和11中被示出。因为其低矮设计，夹紧托架未阻断以倾斜角度传播的激发光束，这实质上消除了对在基片上的微阵列位置的限制。在一些实施例中，低矮设计允许从垂直于在基片上的微阵列起至少约70度的倾斜视角。在其它实施例中，视角为至少约75、80或85度。在另外一些实施例中，视角为至少约87.5度。

图9A-9B示出用于微阵列成像的定位装置，包括镜台142和可回转的旋转台144，该旋转台处于样品加载位置和成像位置。在图9A中，旋转台144被转动，使得加样托盘152处于样品加载位置，此时夹具150抬起且磁力栓接合底杆158。一旦样品测试盒146被加载，磁体通过下压该夹具150的顶杆或托架180而脱离底杆158。顶杆或托架180和底杆158的重量向下保持夹具150以将样品测试盒146固定就位。

图9B示出在用于微阵列成像的定位装置的镜台142的一个实施例中的控制机构，此时加样托盘152运动到成像位置。在一些实施例中，旋转台144在成像位置上利用锁定螺钉173与加样托盘152锁定在一起。加样托盘152处于成像位置时微阵列安置在样品测试盒146内的精密位置由角度调节测微计171及被加入镜台142的X轴、Y轴和Z轴控制机构来控制，该角度调节测微计调节转台的角度，该转台包括旋转台144和加样托盘152件。在此实施例中，镜台142包括用于沿X轴的样品定位的X轴平移镜台182和用于调节该运动的X轴定位旋钮184和用于固定X轴镜台182的位置的X轴锁186，允许仪器成像系统的稳定再现操作。在一些实施例中，X轴平移镜台182包括用于运动的齿轮-齿条机构。在其它实施例中，X轴平移镜台182包括蜗轮或其它适于运动的机构。在一些实施例中，X轴锁186也包括杆机构，其在作动时防止X轴定位旋钮184的转动。在其它实施例中，X轴锁186包括定位螺钉机构，其在接合时接触X轴平移镜台182并防止其运动。在一些实施例中，X轴平移镜台182在离开中心的每个方向上具有至少25mm的运动范围。在其它实施例中，X轴平移镜台182在离开中心的每个方向上具有至少30mm或35mm的运动范围。在另外一些实施例中，X轴平移镜台182在离开中心的每个方向上具有至少40mm的运动范围。

图9B还示出微阵列成像定位装置的实施例的镜台142，其包括用于沿Y轴的样品定位的Y轴平移镜台188和用于调节运动的Y轴定位旋钮168以及用于固定Y轴平移镜台188的位置的Y轴锁172。在一些实施例中，Y轴平移镜台188包括用于运动的齿轮-齿条机构。在其它实施例中，Y轴平移镜台188包括蜗轮或其它合适的运动机构。在一些实施例中，Y轴锁172包括定位螺钉机构，其在接合时接触Y轴平移镜台188并防止其运动。在一些实施例中，Y轴平移镜台188在离开中心的每个方向上具有至少5mm的运动范围。在其它实施例中，Y轴平移镜台188在离开中心的每个方向上具有至少10、15或20mm的运动范围。在另外一些实施例中，Y轴平移镜台188在离开中心的每个方向上具有至少25mm的运动范围。

还如图9B所示，镜台也包括用于Z轴控制的机构170，以便在成像装置下聚焦该微阵列。在一些实施例中，Z轴控制机构170是拇指旋轮(thumbwheel)。在其它实施例中，Z轴控制机构170是用于Z轴精密调节以便正确聚焦的杆或其它合适机构。

在一些实施例中，用于如图9A-9B所示的微阵列成像的定位装置的实施例是还包括成像装置的微阵列成像系统的部件。在另外一些实施例中，成像装置是照相机。

在一些实施例中，阵列成像系统还包括激发能量源。激发能量源聚焦在被该成像装置成像的微阵列上。在另外一些实施例中，激发能量源针对所发出的波长是可调的。在另外一些实施例中，激发能量源同时发出多种波长。在一些实施例中，激发能量以倾斜角度照中微阵列。在一些实施例中，阵列成像系统被包围在不透光壳罩内。在一些实施例中，阵列成像系统的尺寸被设定为：适于连同数据分析用计算机安装在实验室工作台上。

在一些实施例中，样品测试盒包括固定至玻璃载片的微阵列。在其它实施例中，样品测试盒包括固定至聚合物基载片的微阵列。在一些实施例中，微阵列被印到玻璃载片或聚合物基载片上。在一些实施例中，多微阵列被固定或印至玻璃载片或聚合物基载片。在其它实施例中，每个微阵列被包围在LFC内。

在一些实施例中，测试盒146装有单个LFC 148。图10A示出了示例性的LFC 148。LFC 148包括反应腔10、废料腔60和将反应腔10连通至废料腔60的通道12。反应腔装有微阵列40。微阵列40装有多个附接探针以检测核酸或蛋白质。在一些实施例中，废料腔60包括滞液吸收剂62。两个附加的LFC设计在图10B和10C中被示出。

微阵列40可以是多核苷酸阵列或者蛋白质/肽阵列。在一个实施例中，微阵列40通过印刷凝胶点形成，如同在美国专利号US 5,741,700、US 5,770,721、US 5,981,734、US 6,656,725和美国专利申请号US 10/068,474、US 11/425,667和US 11/550,730中描述的那样，所有文献的全文兹被援引纳入。

反应腔10具有若干内表面，包括在其上形成微阵列40的底面和朝向底面且大致与底面平行的顶面。在一些实施例中，所述内表面中的至少一个是亲水性表面，其促成反应腔10充满。在一个实施例中，反应腔10的顶面是亲水性表面。示例性的流腔装置和实施例在美国专利号US 8,680,025和US 8,680,026中有描述，其全文被明确援引纳入。

在其它实施例中，测试盒146装有多个LFC 148。测试盒146可以装有一个或多个LFC 148。在一些实施例中，测试盒146装有整体式多微阵列条，其装有2-16个LFC、4-12个LFC或者6-10个LFC。在某些实施例中，LFC呈楔状。图11A示出了具有八个LFC 148的测试盒146。测试盒146被附接至控制LFC 148内的液体流动的集管1100(图11B)。每个LFC 148装有反应腔1020，每个反应腔1020装有微阵列1010。反应腔1020被设计成允许试剂如PCR试剂与微阵列1010相互作用。例如，集管1100可以引导自微量滴定板所滴入的试剂(如PCR混合物)经圆顶阀1120和针阀1130到达LFC 148，圆顶阀也在热循环中用作密封以阻止任何泄漏，而针阀由线性致动器控制，其允许针阀启闭。在打开位置上，针阀1130允许在清洗步骤中的液体流动。在闭合位置上，针阀1130帮助将试剂截留在LFC 148的反应腔1010内，如在热循环过程中。附接至集管1100的吸收剂1140在清洗缓冲剂经过LFC 148之后立即全部收集。图11C示出多腔室测试盒的另一个设计。在此设计中，多反应腔10共享单个废料腔60。

检测模块140

检测模块140检测在反应腔内的相关分子的存在。在一些实施例中，相关分子包括扩增反应如聚合酶链式反应(PCR)的反应产物。在某些实施例中，检测模块140包括光学子系统，其设计成捕捉在反应腔内的微阵列的图像。在某些实施例中，光学子系统被专门设计用于微阵列上的低水平荧光检测。光学子系统采用共焦的或近共焦的激光扫描仪，其在用严格聚焦的激光束查询物平面的过程中逐个像素地采集微阵列图像。激光扫描仪带来了空间一致的敏感度、大动态范围和高效排除离焦杂散光的优点。在一些实施例中，检测模块140能够实时监视在LFC的反应腔内的扩增反应。在某些实施例中，检测模块140包括具有激光源的光学子系统。

在另一个实施例中，光学子系统采用具有泛光照明的成像装置，此时所有的阵列元件(特征)被同时照明，且多元件测光件如CCD相机或是一下子全部采集微阵列图像，或是按照随后交织在一起的几个分帧的顺序。相比于激光扫描仪，基于CCD的成像装置具有更简单的设计和更低的成本。基于复杂性中等的微阵列(即具有几百到几个阵列元件)，在成本敏感型应用中，基于CCD的成像系统对于单机式读取器和内置式读取器来说都是引人注目的选项。商用仪器一般采用冷却式CCD相机并采用昂贵的定制物镜，该物镜具有在一定程度上帮助平衡激发方案的低效的增强的集光能力。

在另一个实施例中，光学子系统装有成像装置，其采用非冷却式CCD相机。虽然非冷却式相机一般具有相比于冷却式型号而言相当高的暗电流，但光学子系统可以提供所需的敏感度而未采用超出几秒的曝光，做法是(1)增大激发强度，或者(2)采用具有高集光效率的物镜，或(3)联合采用以上两种做法。光源可以是传统光源例如金属卤化物灯泡或汞灯泡、基于激光的系统或高强度LED。

在另一个实施例中，光学子系统具有荧光无关成像(FII)模式作为微阵列读取操作的补充成像模式。FII模式允许阵列元件的成像，无论其荧光水平如何。

FII的实际实施方式在技术上在采用泛光光照明的微阵列扫描仪和成像仪方面都是挑战。难点问题尤其是在待成像微阵列是主流平面阵列时，因为被固定在微阵列基片上的生物分子探针层太薄而无法产生可注意到的、用于探查载片表面的光的强度变化。

在一个实施例中，本发明采用了反射光暗场照明用于成像印在不透明的(黑色)塑料基片上的凝胶阵列。在另一个实施例中，本发明采用了透光倾斜照明用于成像印在透明的(玻璃)载片上的凝胶阵列。在两种情况下，FII所用光源可以是任何光源，其在成像仪发光滤光器的透射频带内发光。

例子

例1：微阵列分析

为了测试本文所述的微阵列成像定位装置的样品操作和成像，一系列测试微阵列被印刷。简言之，以下步骤被用来印刷测试微阵列：(1)寡核苷酸混合物在CentriVap上被制备和干燥。(2)含单体、交联剂、甘油和缓冲剂的共聚物溶液被制备。(3)干燥后的寡核苷酸被溶解在该共聚物溶液中。(4)寡核苷酸共聚物溶液被放入源板，(5)源板被用于阵列印刷/聚合化/清洗。

图12示出用花青Cy3染料的相同浓度标记的均匀的12x18微阵列。采用微阵列成像定位装置来成像该阵列，该微阵列成像定位装置包括镜台和回转式旋转台，如图9A-9B所示。

图13示出印在作为LFC组成部分的基材上的结核杆菌(MTB)微阵列的图像。利用用于微阵列成像的定位装置来成像MTB微阵列，该定位装置包括镜台和可转动的旋转台，如图9A-9B所示。在此情况下，拍摄仪器运行Akonni AMA软件。

图14示出在由Akonni AMA软件处理之后的图13的微阵列。叠加格栅表示自动点测量的结果，其中，格栅内的圆圈表示微阵列点的位置。

例2：样品净化器

图15示出包括外壳210和滤样器220的样品净化器200的实施例。外壳210限定出在第一开口214和第二开口216之间的样品流道212。外壳210的形状和尺寸未被特别限定。在此实施例中，优选的外壳构形基本为柱形，使得在工作使用中的流动矢量是基本笔直的。在图15所示的实施例中，外壳210具有移液管尖形状，即第一开口214的直径大于所述第二开口216的直径，第一开口214的尺寸被设定成能安装到移液管尖上。

滤样器220紧邻第二开口216安置，使得样品在经第二开口216被加入外壳210之后马上被过滤。在一个实施例中，滤样器220与第二开口216相邻。在另一个实施例中，滤样器220与第二开口216间隔1-20mm距离。在一些实施例中，整块的滤样器是具有20-200微米平均孔尺寸的玻璃料。在另一实施例中，滤样器220是包括具有不同孔隙度的两个部段的整体过滤器：在第二开口216附近的第一部段和通过第一部段221与第二开口216间隔的第二部段。在一个实施例中，第一部段具有40-200微米、最好是40-60微米的平均孔尺寸，第二部段具有1-40微米、最好是1-20微米的平均孔尺寸。

例3：加热冷却装置

图16A-16B示出在温控模块120内的加热冷却装置300的实施例，其根据电流切换提供加热功能和冷却功能。在一些实施例中，测试盒146在离心干燥和成像之前脱离加热冷却装置300。在其它实施例中，成像与加热或冷却同时发生，以允许实时监视如反应腔内的核酸扩增。加热冷却装置300包括一个或多个适于接触LFC 148的反应腔10的外表面的散热器310和一个或多个热电器件。在一些实施例中，热电器件是由陶瓷材料制造的帕贴尔器件，其根据电流切换提供加热功能和冷却功能。在其它实施例中，热电器件是薄膜半导体(如碲化铋)，其根据电流切换提供加热功能和冷却功能。在其它实施例中，热电器件是由p和n型半导体制造的热电偶，其根据电流切换提供加热功能和冷却功能。

在一些实施例中，热电器件具有与一侧耦联的热沉和与另一侧耦联的散热器。示例性的热沉和散热器包括铜、铝、镍、热管和/或蒸汽腔。在工作使用中，该散热器紧密接触反应腔的外表面且控制反应腔内的温度。在一些实施例中，加热冷却模块还包括在热沉下方的风扇。在一个实施例中，散热器是扁平的。在其中一些所述实施例中，散热器是矩形的，其尺寸范围从3mmx3mm至20mmx20mm。散热器的厚度最好是0.05-5mm，更优选是0.1-0.5mm，甚至更好是0.15-0.3mm。

在一些实施例中，加热冷却装置300还包括温度传感器。示例性的温度传感器包括电阻热器件(RTD)、热偶、热电堆和热敏元件。

在一些实施例中，LFC 148位于散热器(图16A)上方。在一些实施例中，该散热器吸收光。如何获得光吸收的例子包括将散热器漆黑、黑色阳极处理或涂覆黑铬。光吸收减小可能干扰微阵列成像的散射。在一些实施例中，热循环发生在成像之前。在一些实施例中，热循环与成像同时发生。

在其它实施例中，LFC 148位于散热器310下方。散热器310适于降低到LFC 148的反应腔10(图16B)上。或者，平板320可以升高以使LFC 148接触散热器310。

在其它实施例中，两个或更多的散热器与每个反应腔相接。它的一个例子是一个散热器与反应腔顶面相接而另一个散热器与反应腔底面相接。

例4：具有斜角照明的光学子系统

图17A-17C示出用于微阵列成像方案的具有斜角照明的光学子系统的一个实施例。图17A示出用于微阵列成像的斜角照明的总体构想。该系统的光学系统包括两个单独的通道1210、1220。通道1220被用于荧光激发，通道1210被用于微阵列成像。图17B是照明光学系统的实施例，其包括反射镜以使照明光源转向90度角以允许照明光学镜头的大部分平行于微阵列基片。图17C是集光光学系统的实施例，其包括反射镜以使集光转向90度角以允许检测光学镜头的大部分平行于微阵列基片。

如图17B和17C所示，该光学系统包括高级成像光学镜头(物镜1230和匹配的摄像镜头1240)、小型低噪单色1/3”CCD相机1250和530nm高强LED作为荧光激发源1260。不同于此时物镜被用于物体照明和成像的常用的荧光显微落设照明方案，此设计消除了背景，因为在物镜中的回散射的激发光和可能的光学镜头自发荧光。另外，以45°入射角的倾斜照明有助于引导自微阵列基片反射的激发光主要部分离开物镜。因为物镜是无穷远校正的，故载片的阵列表面应该就位于透镜前焦面。发光滤光器1255位于物镜和摄像镜头与双元光束扩展器之间的无限空间内，该光束扩展器包括平凹透镜1265和消色差双合透镜1270。光束扩展器(未示出)将整个透镜系统的放大倍数减小至0.75倍。利用具有1/3”规格和7.4μm像素尺寸的当今的CCD传感器，该放大调整允许以约10μm的空间分辨率(受CCD微阵列像素尺寸的限制)成像具有达到12x18凝胶元件的微阵列。荧光激发通道实现了用于投射系统的科勒照明方案，其保证了物平面的均匀(在3％内)照明，尽管LED的发光区具有复杂结构。安放在集光透镜和聚光透镜之间的带通清除滤光器截断了LED发光光谱的与Cy3的荧光带重叠的长波。在一些实施例中，光学子系统被配置成允许反应腔内微阵列的实时成像。

以上说明是为了教导本领域普通技术人员如何实施本发明而用的，并不打算详细说明所有那些让阅读了说明书的技术人员清楚明白的明显的修改和变化。但是，想要在本发明的范围内涵盖所有这样的明显修改和变化，本发明的范围由以下的权利要求书限定。权利要求书打算涵盖能按照有效满足既定目的的任何顺序的组成部件和步骤，除非上下文特意另有所指。

Claims (20)

1.一种用于样品分析装置的定位系统，包括：

旋转台，其包括平板和安装在该平板上的加样托盘，其中，该加样托盘被配置用于保持包括一个或多个侧流腔(LFC)的测试盒；

镜台，其包括用于定位所述旋转台的定位系统，

其中，该旋转台能相对于该镜台运动。

2.根据权利要求1所述的定位系统，其中，该旋转台能相对于该镜台转动。

3.根据权利要求1所述的定位系统，其中，该旋转台还包括夹具，该夹具包括顶杆、底杆和至少一个连接所述顶杆和所述底杆的支承杆，其中，该平板和该加样托盘设置在所述夹具的顶杆和底杆之间。

4.根据权利要求3所述的定位系统，其中，所述夹具能相对于该平板运动并且能够在所述夹具被移动至锁定位置时在该加样托盘内固定测试盒。

5.根据权利要求4所述的系统，还包括附接至该旋转台的底侧的磁体，其帮助该夹具运动。

6.根据权利要求1所述的定位系统，其中，该旋转台还包括被配置用于手动转动该旋转台的手柄。

7.根据权利要求1所述的定位系统，还包括马达驱动的转子，其被连接至该旋转台以促使其转动。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，该镜台包括用于该旋转台的X轴、Y轴和Z轴定位和角度调节的定位系统。

9.根据权利要求1所述的系统，还包括能够加热和冷却该测试盒内的LFC的加热冷却装置。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，该加热冷却装置被配置成允许通过成像装置实时监视在测试盒的LFC的反应腔内的生化扩增反应。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，该旋转台能运动至反应位置以使该测试盒接触该加热冷却装置，以促成在该测试盒内的LFC的反应腔中的反应。

12.一种用于微阵列成像装置的定位系统，包括：

旋转台，其包括平板和安装在该平板上的加样托盘，其中，该加样托盘被配置用于保持包含一个或多个微阵列的测试盒；和

镜台，其包括用于所述旋转台的X轴、Y轴、Z轴定位的定位系统，其中，该旋转台能相对于该镜台转动。

13.根据权利要求12所述的定位系统，其中，该旋转台还包括一对夹具，每个夹具包括顶杆、底杆和连接顶杆和底杆的至少一个支承杆，其中，该平板和该加样托盘设置在该夹具的顶杆和底杆之间。

14.根据权利要求13所述的定位系统，其中，每个夹具能相对于该平板单独运动并且能够在该夹具移动至锁定位置时在该加样托盘内固定测试盒。

15.根据权利要求13所述的定位系统，其中，该底杆包括磁体，该磁体在该夹具处于打开位置时接合该旋转台的底侧。

16.根据权利要求12所述的定位系统，其中，该旋转台还包括被配置用于手动转动该旋转台的手柄。

17.根据权利要求12所述的系统，其中，该镜台的定位系统还允许该镜台的角度调整。

18.一种微阵列成像系统，包括：

用于微阵列成像定位装置的定位系统，包括：旋转台，其包括平板和安装在该平板上的加样托盘，其中，该加样托盘被配置用于保持包含一个或多个微阵列的测试盒；以及镜台，其包括用于所述旋转台的X轴、Y轴、Z轴定位的定位系统；和

用于微阵列成像的成像装置。

19.根据权利要求18所述的微阵列成像系统，还包括激发能量源。

20.根据权利要求19所述的微阵列成像系统，其中，该激发能量源的波长是可调谐的。