CN111500425A - 流体控制及处理卡匣 - Google Patents

Abstract

流体控制及处理卡匣包括卡匣本体及反应芯片。卡匣本体包括第一槽及第一流道，以供储存及处理样品、试剂及缓冲液的至少其中之一，并架构于进行样品纯化及核酸萃取。反应芯片与卡匣本体结合，且包括第二槽、第二流道以及至少两个流体网络，第二槽及第二流道架构于储存及处理扩增反应溶液，流体网络架构于进行核酸扩增及检测，流体网络的至少其中之一包括检测槽、主要流体流道及气体释放流道，主要流体流道与检测槽连接且架构于将样品或对照液体分配至检测槽中，气体释放流道与检测槽连接且架构于将气体自检测槽释放，至少两个流体网络的其中之一架构用于质量管控。

Description

流体控制及处理卡匣

技术领域

本发明涉及一种流体控制及处理卡匣，尤其涉及一种用于核酸分析装置的流体控制及处理卡匣。

背景技术

体外诊断(In vitro diagnostics,IVD)在现代医疗实务中越来越重要。近年来，由于快速诊断和医疗机构去中心化的需求，能够以最少的受训技术员和人为错误在现场进行检测的实时就地照护检测(Point-of-care-test,POCT)技术被广泛利用于许多应用。一般而言，POCT是指可以在床边进行的简单医学检查，亦即在照护患者的时间和地点，通过特殊设计的装置和抛弃式测试片或卡匣来进行。多种用来实现POCT的技术已经被开发，包括生物化学、免疫学和分子生物学技术，其中，分子诊断被认为是最有希望主导未来市场的技术。

传统分子诊断是由训练有素的技术人员在实验中心利用复杂的设备并依照一系列默认程序来进行。此外，大多数实验中心检测仅在有整体操作时间和成本有效性的需求时，会收集大量样品进行高通量检测。可提供另一选择的是，POCT平台将这些设备整合在桌上型或手持尺寸的装置中，并强调其便携性和灵活性。大部分基于分子操作的POCT装置在进行诊断时会与抛弃式卡匣配合使用，并且实际上有部分原先存在于对应仪器的功能从平台上移除，且被整合到抛弃式卡匣的流体回路内。

因此，抛弃式卡匣的发展在POCT产品发展上占有相当重要的地位，故有必要提供一种可用于全功能整合式(all-in-one)核酸分析装置的卡匣设计，以实现及改良POCT。

发明内容

本发明的一实施例的目的在于提供一种用于核酸分析装置的流体控制及处理卡匣，以精准地控制卡匣中的流体的流向及流体的动态行为，提供卡匣的处理质量保证，并提供流体处理功能，包括计量(metering)、混合(mixing)、除泡(debubbling)、以及分配(dispensing)，由此促进后续的核酸扩增及检测。

为达上述目的，本发明的一实施例提供一种用于核酸分析装置的流体控制及处理卡匣，包括卡匣本体及反应芯片。卡匣本体包括多个第一槽及与多个第一槽连接的多个第一流道，以供储存及处理至少一样品、至少一试剂及至少一缓冲液的至少其中之一，并且卡匣本体架构于进行样品纯化及核酸萃取的至少其中之一。反应芯片与卡匣本体结合，且包括多个第二槽及与多个第二槽连接的多个第二流道，架构于储存及处理至少一扩增反应溶液；以及至少两个流体网络，架构于进行核酸扩增及检测，其中流体网络的至少其中之一包括多个检测槽、主要流体流道及气体释放流道，主要流体流道与检测槽连接且架构于将样品或对照液体分配至检测槽中，气体释放流道与检测槽连接且架构于将气体自检测槽释放，其中流体网络的其中之一架构用于质量管控。

在一实施例中，对照液体包括阳性对照液体及阴性对照液体。

在一实施例中，反应芯片中部分的第二槽及部分的第二流道共同形成计量单元。计量单元包括储存槽、至少一计量槽、溢流槽、以及连接储存槽、计量槽及溢流槽的通道。

在一实施例中，反应芯片中部分的第二槽及部分的第二流道共同形成混合及除泡单元。混合及除泡单元包括储存槽、混合槽、混合物槽、容置于混合槽中的球体、以及连接储存槽、混合槽及混合物槽的通道。

在一实施例中，混合槽具有底孔，当至少一扩增反应溶液输送至混合槽时，球体位于底孔上作为单向阀以阻塞底孔。

在一实施例中，球体由生物兼容性材料制成或涂有一层生物兼容性材料。

在一实施例中，混合及除泡单元的混合功能的实现是通过将空气打入容置于混合槽中的扩增反应溶液，以搅动扩增反应溶液。

在一实施例中，混合及除泡单元的除泡功能的实现是通过将空气打入混合槽，以加压空气并使在扩增反应溶液中的气泡破裂。

在一实施例中，流体控制及处理卡匣还包括与卡匣本体结合的热处理芯片。

在一实施例中，气体释放流道相较主要流体流道明显较窄。

在一实施例中，主要流体流道包括多个宽流道部、多个窄流道部及多个槽入口流道。每一宽流道部与多个检测槽其中之一对位，并经由对应的槽入口流道与对应的检测槽连接，且每一窄流道部连接于两相邻的宽流道部之间。窄流道部的流阻高于宽流道部和槽入口流道的总流阻。槽入口流道在与检测槽连接的一端具有较低的流阻，在远离检测槽的另一端具有较高的流阻。

在一实施例中，反应芯片包括板状部及柱状部，柱状部自板状部的底部延伸，且其剖面小于板状部的剖面。

在一实施例中，反应芯片还包括至少一样品加载孔，用于加入样品于卡匣中。

在一实施例中，反应芯片还包括多个样品加载孔，用于加入不同样品于卡匣中。

在一实施例中，检测槽包括可供光通过的至少一透光薄壁或薄膜。

本发明的有益效果在于，本发明实施例提供一种用于核酸分析装置的流体控制及处理卡匣。卡匣包括反应芯片及卡匣本体，使得容置在前述两个部分中的不同试剂可以根据特定试剂储存需求而储存在不同的温度下。反应芯片包括至少两个用于核酸扩增及/或检测的流体网络，其中至少两个流体网络中的一个架构用于质量管控，故可提供卡匣的处理质量保证。

附图说明

图1及图2显示本发明实施例的核酸分析装置示意图。

图3显示本发明一实施例的卡匣的爆炸图。

图4至图6显示适配器匣的反应芯片的不同视角示意图。

图7显示检测槽的部分放大示意图。

图8显示检测槽的剖面图。

图9A至图9D显示反应芯片的检测槽布局配置的变化。

图10至图12显示反应芯片上不同视角的计量单元示意图。

图13及图14显示反应芯片上不同视角的混合及除泡单元示意图。

图15A及图15B显示混合及除泡单元作动机制示意图。

图16显示混合结果测量。

图17至图19显示本发明另一实施例的卡匣的反应芯片的不同视角示意图。

具体实施方式

体现本公开特征与优点的一些实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的方式上具有各种的变化，其皆不脱离本公开的范围，且其中的说明及附图在本质上是当作说明之用，而非用以限制本公开。例如，若是本公开以下的内容叙述了将一第一特征设置于一第二特征之上或上方，即表示其包含了所设置的上述第一特征与上述第二特征是直接接触的实施例，亦包含了还可将附加的特征设置于上述第一特征与上述第二特征之间，而使上述第一特征与上述第二特征可能未直接接触的实施例。另外，本公开中不同实施例可能使用重复的参考符号及/或标记。这些重复是为了简化与清晰的目的，并非用以限定各个实施例及/或所述外观结构之间的关系。

再者，为了方便描述附图中一组件或特征部件与另一(多个)组件或(多个)特征部件的关系，可使用空间相关用语，例如“在...之下”、“下方”、“较下部”、“上方”、“较上部”及类似的用语等。除了附图所示出的方位之外，空间相关用语用以涵盖使用或操作中的装置的不同方位。所述装置也可被另外定位(例如，旋转90度或者位于其他方位)，并对应地解读所使用的空间相关用语的描述。此外，当将一组件称为“连接到”或“耦合到”另一组件时，其可直接连接至或耦合至另一组件，或者可存在介入组件。另外，可理解的是，虽然“第一”、“第二”、“第三”及类似的用语可被用于权利要求中以描述不同的组件，但这些组件并不应被这些用语所限制，在实施例中相应描述的这些组件是以不同的组件符号来表示。这些用语是为了分别不同组件。例如，第一组件可被称为第二组件，相似地，第二组件也可被称为第一组件而不会脱离实施例的范围。再者，所使用的用语“及/或”及类似的用语包含了一或多个相关列出项目的任何或全部组合。尽管本公开的广义范围的数值范围及参数为近似值，但尽可能精确地在具体实例中陈述数值。然而，任一数值固有地含有必然由在各别测试测量中存在的标准偏差所引起的特定误差。并且，如本文中出现用语“大约”或“实质上”一般意指在一给定值或范围的10％、5％、1％或0.5％内。抑或是，用语“大约”或“实质上”意味在所属领域技术人员公认的平均值的可接受标准误差内。除了操作/工作实例以外，或除非另有别说明，否则在所有情况下，所有数值范围、量、值及百分比，例如本文公开的材料的数量、持续时间、温度、操作条件、数量比例或其类似者，应被理解为由用语“大约”或“实质上”来修饰。相应地，除非另有说明，否则本公开及随附权利要求中陈述的数值参数为可视需要变化的近似值。每一数值参数的有效位数应至少根据传统舍入技术来报告及解释。范围可在本文中表达为从一个端点到另一端点或在两个端点之间，且除非另有规定，本文中所公开的所有范围包括端点。

本发明实施例提供一种用于核酸分析装置的流体控制及处理卡匣。本发明实施例提供的核酸分析装置为全功能整合式(all-in-one)的核酸分析装置，其系将流体输送单元、温度控制单元、驱动单元及至少一光学单元整合在单一装置上，使得样品纯化、核酸萃取、核酸扩增及核酸检测等流程可在此全功能整合式的装置上进行，以实现实时核酸分析。

图1及图2显示本发明实施例的核酸分析装置示意图，其中图1的核酸分析装置呈开启状态且卡匣自核酸分析装置中移出，图2移除核酸分析装置的外壳，且其他如电线、管件连接及PCB等组件不显示，以更清楚显示核酸分析装置的内部结构。如图1及图2所示，核酸分析装置1包括一壳体11、一主框体12、一流体输送单元13、一温度控制单元14、一驱动单元15及至少一光学单元16，其中，壳体11包括一上壳体111及一下壳体112，且主框体12设置于下壳体112中。主框体12具有一腔室121，系专门设计供一流体控制及处理卡匣2安装于其中。流体输送单元13与主框体12连接，且架构于输送流体控制及处理卡匣2内的流体，以进行样品纯化、核酸萃取、扩增及检测的至少其中之一。一般而言，样品纯化亦可为核酸萃取的部分程序。温度控制单元14设置于主框体12上，且架构于提供一默认温度，以进行核酸扩增。驱动单元15与主框体12连接，且可在样品纯化及/或核酸萃取期间使流体控制及处理卡匣2紧贴流体输送单元3，并在核酸扩增及/或检测期间以一默认程序旋转流体控制及处理卡匣2。至少一光学单元16设置于主框体12上，并包括多个光学组件以进行检测，例如核酸检测或样品反应检测。

在一实施例中，核酸分析装置1还包括设置在下壳体112上的一触控屏幕17，以供用户操作及结果显示。由于下壳体112被扩大，因此触控屏幕17的尺寸也可以增大。相较于传统的顶部安装触控屏幕，本发明核酸分析装置1上的触控屏幕17可以增加到更大的尺寸。再者，触控屏幕17系设计成具有可调节的操作角度，以方便使用者观看及操作。

举例而言，核酸分析装置1的流体输送单元13、温度控制单元14、驱动单元15及光学单元16类似于本发明申请人于2019年1月30日申请的中国专利申请号201920169463.9(主张新加坡专利申请号10201808600T的优先权，申请日为2018年9月28日)所述的各单元，且前述申请案全体内容并于此作为公开内容且不再于此赘述。

特别是，本发明实施例所提供的流体控制及处理卡匣2可精准地控制卡匣中的流体流向及动态流体行为，提供卡匣的处理质量保证，并提供流体处理功能，包括计量(metering)、混合(mixing)、除泡(debubbling)、以及分配(dispensing)的至少其中之一，由此促进后续的核酸扩增及检测。流体控制及处理卡匣2(以下简称为卡匣2)的细部结构将进一步说明于下。

图3显示本发明一实施例的卡匣的爆炸图，图4至图6显示适配器匣的反应芯片的不同视角示意图。卡匣2至少包括一卡匣本体3及一反应芯片4。卡匣本体3，亦称为萃取芯片，包括多个第一槽31及与多个第一槽31连接的多个第一流道32，以供储存及处理至少一样品、至少一试剂及至少一缓冲液的至少其中之一，并架构于进行样品纯化及核酸萃取的至少其中之一。在一实施例中，卡匣本体3包括多个第一槽31及与多个第一槽31连接的多个第一流道32，以供储存及处理至少一样品及多个试剂及缓冲液，并架构于进行样品纯化及核酸萃取的至少其中之一。反应芯片4与卡匣本体3结合，且包括多个第二槽41及与多个第二槽41连接的多个第二流道42。多个第二槽41及多个第二流道42架构于储存及处理至少一扩增反应溶液。反应芯片4还包括至少两个分开的流体网络6A及6B，架构于进行核酸扩增及检测，其中，流体网络6A及6B的其中之一系架构用于质量管控。

反应芯片4包括一板状部43及一柱状部44。柱状部44系自板状部43的底部延伸，且柱状部44的剖面小于板状部43的剖面。在一实施例中，柱状部44为一圆柱体，且板状部43及柱状部44为一体成型。反应芯片4的第二槽41于板状部43的顶面具有顶部开口411。反应芯片4的第二流道42包括流体信道及气动信道，流体信道可包括连接至第二槽41及流体网络6A及6B的平面信道及垂直信道，以输送其中的液体，而气动通道可包括连接至第二槽41、流体网络6A及6B及流体输送单元13的平面信道及穿孔信道，以引入外部气体来推送卡匣2内的液体。反应芯片4还包括位于柱状部44底面的多个底部开口45，且底部开口45可作为与第二槽41、第二流道42及流体网络6A及6B连通的平面流体通道，以供流体输送。底部开口45的形状可为但不限于圆形、矩形、或其他规则或不规则形状。

在一些实施例中，反应芯片4的第二槽41可提供做为储存槽、废液槽、计量槽及混合槽的至少其中之一，但不以此为限。储存槽可用来储存扩增试剂，例如反应混合液(master mix)，而废液槽可用来容置残余或废弃液体，例如在流体处理过程中产生的多余矿物油。第二槽41可为任何形状，包括但不限于圆形、方形、三角形、矩形或椭圆形，且每一槽的尺寸取决于所储存的每一特定试剂或所处理的每一特定混合物或溶液的体积。

反应芯片4包括至少一样品加载孔46，其系位于反应芯片4的顶面，可供至少一样品加载卡匣2中。样品加载孔46的数量取决于要在卡匣2中进行诊断的样品数量，且样品加载孔46的位置可依设计而弹性设置，例如可设在中央部位或边缘部位。在一实施例中，例如但不限于口腔棉棒采样的样品可经由样品载入孔46插入至卡匣本体3的样品准备槽。在一实施例中，例如但不限于全血的样品可经由样品载入孔46移液并容置于卡匣本体3的样品准备槽。在一些实施例中，在样品加载至卡匣2后，会以由生物兼容性材料制成的盖体覆盖样品加载孔46，以避免诊断系统被污染。

样品加载孔46与卡匣本体3中多个第一槽31的其中之一相连通，以将样品储存于卡匣本体3。用于样品纯化及/或核酸萃取的生化试剂及缓冲液系经由顶部开口311预先加载至卡匣本体3的第一槽31中。卡匣本体3的第一流道32可包括流体信道及气动信道，流体信道可包括连接至第一槽31的平面信道及垂直信道，以输送其中的液体，而气动通道可包括连接至第一槽31及流体输送单元13的平面信道及穿孔信道，以引入外部气体来推送卡匣2内的液体。卡匣本体3还包括位于卡匣本体3底面的多个底部开口33，且底部开口33与第一槽31及第一流道32连通，以供流体输送。底部开口33的形状可为但不限于圆形、矩形、或其他规则或不规则形状。

在一实施例中，卡匣本体3为一圆柱体，且其直径实质上与反应芯片4的柱状部44的直径相同。反应芯片4可在量产期间与卡匣本体3预先组合，且组合方式可为但不限于卡扣组配(snap fitting)、热黏合(thermal bonding)、溶剂黏合(solvent bonding)、黏合剂黏合(adhesive bonding)、超声波黏合(ultrasonic bonding)、激光焊接(laserwelding)、或上述的任何组合。

在核酸萃取于卡匣本体3中完成后，具有萃取核酸的样品便被输送到反应芯片4进行后续的核酸扩增及检测。反应芯片4的第二槽41用来容置至少一扩增反应溶液，例如至少一扩增试剂，且其可为液体形式、干燥形式、或其他不同形式。在一些实施例中，若第二槽41容置的是一些敏感的液体扩增试剂，例如具有酶的反应混合液(master mix withenzymes)，则反应芯片4较适合储存于摄氏-20度，以保持酶的生物活性。在此情况下，除了具有酶的反应混合液外，其他用于扩增反应的试剂可于室温下储存于卡匣本体3的第一槽31，且在需要时往上输送至反应芯片4进行进一步的流体处理。在一些实施例中，一些敏感的扩增试剂可制成或提供为干燥形式，例如冻干的反应混合珠(lyophilized master mixbeads)，以延长保存期限并简化储存和运输要求。在此情况下，容置这些干式敏感试剂的反应芯片4便可在室温下储存。

请参阅图4至图7，其中图7显示检测槽的部分放大示意图。如图4至图7所示，反应芯片4包括至少两个流体网络6A及6B，架构于进行核酸扩增及检测，其中，流体网络6A及6B的其中之一系架构用于质量管控。举例来说，较长的检测流体网络6A为样品流体网络，用于检测自样品萃取出的核酸，而较短的检测流体网络6B则为对照流体网络，用于检测阳性对照液体及阴性对照液体。在一些实施例中，流体网络6A及6B的至少其中之一包括多个检测槽61、一主要流体流道62、以及至少一气体释放流道63，其中，检测槽61系容置样品及/或对照液体，主要流体流道62系与检测槽61连接且架构于将样品及/或对照液体分配至检测槽61中，气体释放流道63则与检测槽61连接且架构于将气体自检测槽61释放。在一实施例中，流体网络6A及6B的每一个皆包括多个检测槽61、一主要流体流道62及至少一气体释放流道63，其中，检测槽61系容置样品及/或对照液体，主要流体流道62系与检测槽61连接且架构于将样品及/或对照液体分配至检测槽61中，气体释放流道63则与检测槽61连接且架构于将气体自检测槽61释放。

检测槽61的数量并不受限，且本发明的核酸分析装置可进行多重化(multiplexing)的核酸分析。在一实施例中，反应芯片4的板状部43的形状实质上可为正多边形，使得反应芯片4具有多个呈平面的侧面，可与光学单元16呈直线排列而有助于光线聚焦。平面侧面的数量取决于检测槽61的数量。当然，反应芯片4的板状部43的形状不限于正多边形，其可为圆形或其他形状，因为通过光学单元16的光学组件的排列，亦可使光线聚焦于检测槽61中的样品或对照液体中。

在一实施例中，每一检测槽61具有至少一平面。举例来说，检测槽61的形状可为矩形，且在核酸检测过程中，检测槽61有一平面与光学单元16的光源呈直线排列，以及另一平面与光学单元16的光检测器呈直线排列。

在运作过程中，一旦样品被加载，卡匣2即被放置入核酸分析装置1，并由流体输送单元13进行流体处理。流体输送单元13系与卡匣2同时运作，以进行样品纯化、核酸萃取、扩增及检测的流体输送，进而实现为全自动装置。流体输送可经由但不限于气动(pneumatic)、真空(vacuum)、活塞(plunger)、腔室变形(chamber deformation)、热膨胀(thermal-induced expansion)、声波力(acoustics)、离心力(centrifugal force)、或其他可在卡匣2内完成样品处理的方法来实现。

本发明的主要流体流道62乃经特别设计，以将样品均匀地分配到检测槽61，并充分填满检测槽61而无气泡残留。如图4及图6所示，主要流体流道62包括多个宽流道部621、多个窄流道部622及多个槽入口流道623。每一宽流道部621系与一检测槽61对位且经由对应的槽入口流道623与检测槽61连接，而每一窄流道部622系连接于两相邻的宽流道部621之间。一旦液体样品通过例如压力差驱动而馈入流体网络6A，液体会首先填充于对应第一检测槽61的宽流道部621，接着，液体进一步沿着主要流体流道62流动，且因为突然紧缩的流道截面积导致的高流阻(flow resistance)而被迟滞。此时，液体会经由槽入口流道623进入检测槽61，且检测槽61中残留的气体会被流入的液体经由气体释放流道63推出并流向相邻的检测槽61。由于流道的表面原先即呈疏水性或经处理而呈疏水性，故微细流道中的表面张力实质上会排斥液体流入。因为气体释放流道63相较其他所有流道621、622及633明显较窄，其较窄的程度可致使前述液体难以流入气体释放流道63，因此，存在气体释放流道63中的残留气体也同时隔离每一检测槽61，且避免样品在相邻检测槽61之间产生污染。当检测槽61被液体填满时，流体便会进一步克服窄流道部622的流阻而进到对应下一个检测槽61的下一个宽流道部621，进而填满下一个检测槽61，且这些动作会重复进行直到所有检测槽61依序被填满。最后，残留的液体会被抽离主要流体流道62并送到废液槽，且例如油或液体蜡等不会与样品相溶的流体接着被注入主要流体流道62，在此步骤中，槽入口流道623系作为毛细管阀，并避免样品自检测槽61中流出。因此，填满已纯化样品的检测槽61便被隔离，且由不相溶的流体所密封，进而避免彼此间的污染，且减少核酸扩增过程中的样品蒸发。

在一实施例中，如图7所示，槽入口流道623在与检测槽61连接的一端具有较大的截面积及较低的流阻，而在远离检测槽61的另一端则具有较小的截面积及较高的流阻。因此，槽入口流道623可将液体导向流阻较小的一端，进而有助液体流入检测槽61，且限制液体反向流出，故可有效降低或消除因液体自检测槽61反向流出所造成的槽体间的交叉污染。

在一实施例中，气体释放流道63系与每一检测槽61直接连接而无任何分支存在，且实质上呈圆形。此外，气体释放流道63的末段与最后一个检测槽61及流向废液槽的流道连接，以供最后一个检测槽61的气体释放。

在流体回路中，整体流阻系遵循奥姆定律。举例来说，当液体流过宽流道部621并进入窄流道部622时，窄流道部622的高流阻会显着迟滞大部分流速，并因此使流体切换到槽入口流道623的低流阻路径。窄流道部622的流阻系高于宽流道部621和槽入口流道623的总流阻，且通常前者高出后者达2至20倍。由于气体黏度通常比液体黏度低上千倍，故相较于填充了液体的相同流道的流阻，气体相关的流阻可忽略不计。在流体分配至检测槽61步骤完成而抽出流体时，可通过控制流速使得毛细作用力起到阻止槽入口流道623处的流体流动的作用。

一旦分配的样品占填了检测槽61，原本在检测槽61内的气体便会经由气体释放流道63被推出并流向相邻的检测槽61。为了最少化流入气体释放流道63的液体，气体释放流道63的截面积比其他所有流道明显较小。也就是说，气体释放流道63是设计用于释放气体且对于液体流动具有极高的流阻，因此气体释放流道63系选择性地供气体通过而排斥液体流入。一般而言，气体释放流道63的流阻通常高出窄流道部622的流阻达2至500倍，在此情况下，当施加外部驱动压力时，流体会缓慢地通过窄流道部622并抵达下一个检测槽61的入口处。由于经由气体释放流道63的路径被阻断，填充下一个检测槽61的唯一方向便是经由下一个检测槽61的槽入口流道623。

在一实施例中，流体网络6B可具有与流体网络6A相同的流道几何形状。换言之，流体网络6B同样具有检测槽61、主要流体流道62及其宽流道部621、窄流道部622、与槽入口流道623、以及气体释放流道63。流体网络6B可具有较少的检测槽61。在一实施例中，流体网络6B可具有两检测槽61，其中之一作为阳性对照槽，另一则作为阴性对照槽，以供卡匣的处理质量保证。

在一些实施例中，每一检测槽61的体积为1μL至200μL。检测槽61的设计也有利于光学检测。图8显示检测槽的剖面图。样品系从宽流道部621分配而来，并经由槽入口流道623填入检测槽61中。槽入口流道623的截面积相较于宽流道部621明显较小，故可作为无源流体控制的毛细管阀。在一些实施例中，检测槽61在制造过程中即具有一薄壁611于底部，且反应芯片4的顶面以一薄膜612密封，以形成封闭槽体。在一些实施例中，反应芯片4具有贯穿的检测槽61，且检测槽61再以顶部薄膜612及底部薄膜611密封。在一些实施例中，检测槽61包括至少一透光薄壁或薄膜以供光通过。在一些实施例中，检测槽61的底部或顶部的至少其中之一包括透光薄壁或薄膜以供光通过。同时，检测槽61可具有光学前壁613以供光通过，故由样品发出的荧光信号可低损失地穿过检测槽61的前壁613，并维持高信噪比(signal-to-noise ratio，S/N ratio)。

干式试剂，例如引物、探针、质粒、或其他形式的核苷酸等，可预先分配至每一检测槽61，使得每一检测槽61成为每一特定检测的独立反应单元。流体网络6A中的检测槽61的数量并不受限，且取决于检测目标的数量，或是每一样品的检测大小。在一些实施例中，每一用于样品检测的流体网络6A包括2至100个样品检测槽61，而流体网络6B的检测槽61的数量不限于两个，且可包括更多对照槽，供体外诊断所需的其他类型的外部流程控制。在一些实施例中，反应芯片4可弹性设计，以根据样品通量及样品目标数的配置变化，或对应流体网络的数量及每一流体网络的检测槽数量。

在一些实施例中，流体网络的数量可多于两个，在这些流体网络中，其中一个流体网络可架构用于质量管控，而其他的流体网络可用于样品检测。在单一反应芯片中用于样品检测的流体网络的数量取决于要在卡匣中进行诊断的样品数量。图9A至图9D显示反应芯片的检测槽布局配置的变化。如图9A至图9D所示，每个反应芯片4在空间分配上包括20个检测槽。针对如图9A所示的单一样品芯片，如果6个检测槽即足以诊断一特定样品，则20个槽中的6个(以黑色标示)便用作为样品槽，且20个槽中的2个(以灰色标示)用作为对照槽。而剩余的12个槽可制成闲置槽，或实际上无须制造它们，如图9B所示。另外，针对更高通量，例如需要在一个芯片中诊断2或3个样品，则20个槽中的12个或18个(以黑色标示)便用作为样品槽，如图9C及图9D所示。此外，如果一特定样品需要更大的检测尺寸，则20个槽中的18个(以黑色标示)便可用作为单一样品流体网络的样品槽，如图9D所示。

因此，卡匣2可为多对一卡匣(X-in-one cartridge)，亦即每次检测多个(例如X个)样品。在三对一卡匣实施例中，反应芯片4包括三个样品加载孔46，用以加入三个不同样品于同一卡匣2中。在卡匣本体3及反应芯片4中，整体内部空间被区分为三个子部分，每个子部分负责一个样品的处理和检测。在一些实施例中，子部分可共享一些通用槽，例如废液槽。因此，当单一卡匣安装在核酸分析装置1中时，多对一卡匣可具有弹性的通量(flexiblethroughput)，用户无须变动装置，即可加入数种不同样品于单一卡匣2中进行检测，从而具有弹性通量(1～X)且不增加硬件成本，故采用本发明实施例提供的卡匣及装置即可成为中小通量的简便又具成本效益的解决方案。

在一些实施例中，反应芯片4的第二槽41及第二流道42亦可执行多种流体处理过程的流体功能，包括但不限于计量(metering)、混合(mixing)、除泡(debubbling)及分配(dispensing)的至少其中之一。在将扩增反应溶液分配至流体网络6A及6B个别的检测槽61之前，溶液可先经过适当地计量及混合。计量功能可通过昂贵但可精确控制的微泵浦及阀门来执行，或通过卡匣2上专门的微流体设计来达成。在一实施例中，反应芯片4上部分的第二槽41及部分的第二流道42共同形成一计量单元。图10至图12显示反应芯片上不同视角的计量单元示意图。如图10至图12所示，为了清楚描述，部分的反应芯片4被切除，以更清楚显示适配器匣上的计量功能设计。一个基本的计量单元7包括一储存槽71、至少一计量槽72、一溢流槽73、以及连接这些槽体71、72及73的通道74。储存槽71架构为容置待计量的试剂。计量槽72在反应芯片4构形为具有一定的体积，且其形状可为但不限于圆形、方形、三角形、矩形、六边形、或椭圆形等。槽体71、72及73与通道74是用压敏黏合剂(pressure sensitiveadhesive，PSA)胶带封盖，或是通过热黏合或热封方式用塑料薄膜密封。当需要计量一定量的储存试剂时，储存槽71中的试剂可被推送到连接的通道74及计量槽72中。在完成计量槽72填充后，过量的试剂将流入溢流槽73，接着再将计量槽72中所容置的试剂推送出去以进行进一步处理。此种计量设计非常具有成本效益，因为不需要在卡匣2中嵌入阀门或通过精确的压力传感器的在线反馈来精准控制外部的微泵浦。

一个基本的计量单元7系用来计量一种试剂，而一个计量单元7中的计量槽72数量可视需求而为两个或更多个。在一些实施例中，如图10至图12所示，计量槽72包括一个小的计量槽721及一个大的计量槽722，且两者串联连接。举例来说，两个计量槽721及722可分别计量流体网络6A的样品检测槽61及流体网络6B的对照检测槽61的不同量的反应混合液。储存槽71经由流体通道741、742及743连接至第一计量槽721，第一计量槽721再经由流体通道744连接至第二计量槽722，而第二计量槽722经由流体通道745连接至溢流槽73。此外，有四个气动通道751至754分别连接至储存槽71、第一计量槽721、第二计量槽722及溢流槽73，以驱动计量单元7内的液体流动。

前述设计可用来计量体积为20μL至1mL的试剂，且估计的计量误差百分比可小于5％。此估计系基于下表1所示的分析。

表1

如表1所示，计量槽721及722的体积分别为40μL及110μL，而通道743、752、744、745及753中的残留液体体积分别为1.69μL、0.79μL、1.29μL、1.29μL及0.79μL。计量误差的主因在于液体在与计量槽721及722连接的平面通道上有残留体积。如图11所示，每一计量槽721及722皆与3个流道连接，其中，流体通道743、744及745对于计量体积有负效应，而气动通道752及753对于计量体积有正效应。有数种适当的流道和槽体设计的经验法则可减少计量误差。气动通道752及753的尺寸可比流体通道743、744及745的尺寸小至少两倍，以防止试剂流入气动通道752及753，并降低对诊断系统造成污染的风险。在制造能力范围内，流体通道743、744及745的尺寸可尽可能的小，以减少对计量体积的负效应。为了确保计量槽721及722的完全填充，将计量槽721及722的直径设计为不小于连接流体通道743、744及745的宽度的4倍为佳，并保持计量槽721及722的直径与高度比小于1。在一些其他实施例中，相对亲水的卡匣材料、或计量槽壁上的表面修饰、或密封在反应芯片4上的亲水性压敏黏合剂(PSA)胶带，亦可确保计量槽721及722的完全填充。在一些实施例中，储存室71、计量槽72及溢流槽73可以是任何形状，包括但不限于圆形、方形、三角形、矩形或椭圆形。

混合和除泡是另外两种重要的流体功能，以适当地制备扩增反应溶液，特别是用于处理黏性试剂(viscous reagent)和具有起泡性洗涤剂的试剂(reagent with bubblydetergent)。举例来说，在一些实施例中，液体形式的酶甘油溶液(enzyme glycerolsolution)和反应混合液成分缓冲液(master mix componential buffers)分别储存在卡匣中，且需要根据需求进行充分地预混合。然而，酶甘油溶液通常含有非常高比例的黏性甘油，例如50％，以防止在摄氏-20度下完全冷冻，避免蛋白质变性并保持酶活性。实现酶甘油溶液和反应混合液成分缓冲液的均匀混合是非常具有挑战性的。有数种实用的混合方法，包括叶轮或磁棒的机械干扰(mechanical disturbance)、热动力混合(thermo-dynamicmixing)、电液动力混合(electro-hydrodynamic mixing)、超声波混合(ultrasonicmixing)等，然而这些方法要在卡匣中实施，将致使成本高昂或设计复杂。此外，在处理具有起泡性洗涤剂的试剂时，在混合过程中要消除产生的气泡是非常困难和繁琐的。故本发明提供了一种低成本、简单但有效的混合和除泡方法，无需特殊的结构设计和复杂的控制。试剂的混合，尤其是那些具有挑战性的试剂，可以通过混合槽中的气泡搅动(bubbleagitation)来实现。通过在混合槽中置入额外的球体，可以更有效地混合试剂，且之后可将产生的气泡从混合物中消除。

在一实施例中，反应芯片4上部分的第二槽41及部分的第二流道42共同形成一混合及除泡单元。图13及图14显示反应芯片上不同视角的混合及除泡单元示意图，图15A及图15B显示混合及除泡单元作动机制示意图。如图13及图14所示，为了清楚描述，部分的反应芯片4被切除，以更清楚显示适配器匣上的混合及除泡功能设计。一个基本的混合及除泡单元8包括至少一储存槽81、一混合槽82、一混合物槽83、一容置于混合槽82中的球体84、以及连接这些槽81、82及83的通道851及852。储存槽81经由流体通道851连接至混合槽82，混合槽82经由流体通道852连接至混合物槽83。此外，有三个气动通道861至863分别连接至储存槽81、混合槽82及混合物槽83，以驱动混合及除泡单元8内的液体流动。容置于混合槽82内的球体84系对反应试剂具有生物兼容性，且相较于待混合的试剂而言，具有较高的密度。举例来说，球体84由生物兼容性材料制成或涂有一层生物兼容性材料。在一些实施例中，混合槽82也可作为储存槽，用来储存待混合的其中一试剂。当试剂经由流体通道851输送至混合槽82时，球体84即作为单向阀，可塞住混合槽82的底孔821，以减少流入流体通道852的试剂损失。

如图15A所示，试剂的混合可通过在混合槽82中的气泡搅动来实现。经由混合槽82底部的流体通道852将空气打入混合槽82，即可产生气泡87。或在另一个实施例中，将毛细管从顶部插入混合槽82，并使其尖端浸入试剂中，便可将空气经由毛细管打入而产生气泡以搅动混合物。当气泡87从底孔821产生时，球体84即作为流体调节器，其可适度化气泡尺寸及产生频率。经由底孔821产生的气泡87可推动球体84在混合槽82中自由旋转以扰动混合物。此外，自由旋转的球体84可使喷射到混合物中的气泡87呈随机方向分布，由此在混合物中产生更复杂的涡流以促进更有效的混合。产生的气泡87对混合效率的影响比旋转球体84的影响更大。气泡87的产生可通过调节微泵参数来控制。

图16显示混合结果测量。在混合测试的一实施例中，将三种不同的液体，包括138μL无核酸酶水(nuclease free water)、150μL具有荧光染剂FAM的反应混合液(不包括酶)、以及12μL黏性酶甘油溶液，输送到反应芯片4中的混合槽82中。利用微泵浦的适当控制，使气泡87从混合槽82的底孔821产生。在一段时间(几秒到几十秒)之后，将25μL混合物从不同的液体层取出8次并移至联管中，以进行荧光强度测量。参考联管含有未经气泡搅动混合的混合物。荧光强度均匀程度可代表混合效率的优劣，故可明显看出，在有气泡搅动混合下的混合效率显着优于没有气泡搅动混合的混合效率。利用适当控制泵送压力或流速，混合效率可通过但不限于上述测量方法来验证。

一些漂浮在混合物表面上的气泡容易破掉，但当例如Tween及NP40等表面活性剂或洗涤剂用于试剂中时，表面张力的作用可使气泡难以自然破掉。相较于实验台上实际采用的方法，例如离心及膜过滤，要在全功能实时就地照护(all-in-one point-of-care)卡匣中消除气泡是一项挑战。本发明则提出一种简单但有效的除泡方法来解决此问题，且其作动机制显示于图15B。空气经由气动通道862从顶部打入以向下推动混合物，此时置于底部的球体84便倾向于阻塞底孔821并将所有混合物留置在混合槽82中，因此混合槽82中的空气将逐渐加压，因而导致气泡87破裂。此外，当混合槽82中的压力达到一定程度时，高压将推动并挤压混合物经由球体84与底孔821之间的微小间隙进入流体通道852。在此过程中，混合物(例如反应混合液)的高表面张力，以及任何可控制的几何尺寸公差或不可控制的表面加工缺陷，将促使混合物流出到流体通道852中。此后，腔室压力会降低，且混合物停止流出，接着腔室空气开始再次加压，且此动态过程会持续直到所有液体被推入流体通道852。

在一些实施例中，球体84可由高密度材料制成，例如聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)或钛合金，但不以此为限。在一些实施例中，球体84可涂覆有一层生物兼容性材料。在一些实施例中，生物兼容性材料包括聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)、聚丙烯(polypropylene，PP)、钛合金及/或其组合中的至少一种，但不以此为限。

在一些实施例中，混合持续时间可短于10秒，且除泡过程约为1分钟，但不以此为限。

在一些实施例中，反应芯片4可根据特定流体功能(例如控制润湿)或生物兼容性目的(例如低或无DNA结合)，而以疏水性或亲水性涂层进行化学处理。

在一些实施例中，反应芯片4的制造方法可为但不限于计算机数控加工(CNCmachining)、3D打印(或称加法制造(additive manufacturing))、混合制造(hybridmanufacturing)、射出成型(injection molding)、热压成型(hot embossing)、激光剥蚀(laser ablation)、热塑成型(thermoforming)、光光刻(photolithography)、软光刻(softlithography)、浇铸(casting)、或上述的任何组合。

在一些实施例中，反应芯片4的板状部43可直接贴附至加热组件，以在扩增及检测期间进行单侧或双侧加热及冷却。在其他实施例中，反应芯片4的板状部43可用非接触方式加热，例如空气对流、散热、红外线加热、微波加热、或激光加热，但不以此为限。

图17至图19显示本发明另一实施例的卡匣的反应芯片的不同视角示意图。类似图3至图6所示的反应芯片4，图17至图19所示的反应芯片4’同样包括多个第二槽41’、多个第二流道42’、至少两个流体网络6A’及6B’、板状部43’、柱状部44’、底部开口45’及样品载入孔46’。反应芯片4与反应芯片4’的主要差异在于槽体的几何形状。如图19所示，反应芯片4’包括储存槽47、废液槽48、计量单元7’及混合及除泡单元8’。通过槽体的形状及配置，反应芯片4’可具有均匀的壁厚，使得反应芯片4’的制造成本降低。

在一些实施例中，卡匣2还包括一热处理芯片5，如图3所示。热处理芯片5与卡匣本体3结合，例如设置在卡匣本体3的底部。热处理芯片5可为圆盘形，且热处理芯片5的直径实质上与卡匣本体3的直径相同。热处理芯片5可在量产期间与卡匣本体3预先组合，且组合方式可为但不限于卡扣组配(snap fitting)、热黏合(thermal bonding)、溶剂黏合(solventbonding)、黏合剂黏合(adhesive bonding)、超声波黏合(ultrasonic bonding)、激光焊接(laser welding)、或上述的任何组合。

热处理芯片5可包括流体槽及通道中的至少一个，并与设置在核酸分析装置1的主框体12的腔室121中的外部加热单元结合，以对从样品萃取所得的核酸进行热处理，例如于摄氏95度加热一段时间，使从样品萃取所得的双股DNA变性，以随后改善扩增性能。因此，在卡匣本体3中完成核酸萃取后，具有萃取核酸的样品会首先向下输送至热处理芯片5以进行变性，然后再往上输送至反应芯片4以进行核酸扩增及检测。因此，核酸分析装置1不限应用于等温扩增，且可提供用于变性的第二温区以改善扩增性能。另外，核酸分析装置1也可应用于需要热循环的扩增技术，例如聚合酶连锁反应(polymerase chain reaction，PCR)。

换言之，在一实施例中，卡匣2可根据实际卡匣功能需求而分成三个部分，此三个部分包括反应芯片4(顶部)、卡匣本体3(中间部)、以及热处理芯片5(底部)。反应芯片4可用于核酸扩增试剂储存、反应溶液处理(例如计量、混合、除泡及分配)、核酸扩增、以及检测的至少其中之一。卡匣本体3亦称为萃取芯片，可用于样品储存、样品制备试剂储存、样品细胞裂解、核酸萃取、以及纯化的至少其中之一。热处理芯片5可用于核酸变性。其中，热处理芯片5可为根据需求配置的补充结构。

显然，本发明实施例中的圆柱形卡匣本体被水平切割成至少两个部分，包括反应芯片4及卡匣本体3。反应芯片4可容置反应溶液于检测槽61，以供进行样品检测及卡匣质量控制。此外，反应芯片4可在溶液分配到检测槽61之前进行反应溶液的处理和制备，例如计量、混合、以及除泡。此外，一些敏感试剂可与非敏感试剂分开储存在不同的卡匣部分中，使得含有不同试剂的卡匣部分可根据特定试剂储存需求而储存在不同的温度下。另外，由于本发明实施例中的圆柱形卡匣本体已被水平切割成至少两个部分，因此在卡匣中没有过高深宽比的穿孔通道，使得射出成型的工艺更可被实现。

综上所述，本发明实施例提供一种用于核酸分析装置的流体控制及处理卡匣。卡匣包括反应芯片及卡匣本体，使得容置在前述两个部分中的不同试剂可以根据特定试剂储存需求而储存在不同的温度下。反应芯片包括至少两个用于核酸扩增及/或检测的流体网络，其中至少两个流体网络中的一个架构用于质量管控，故可提供卡匣的处理质量保证。另外，反应芯片包括计量单元和混合及除泡单元，以便执行流体处理中的各种流体功能。另外，反应芯片具有设计良好的流道几何形状，可精准地控制反应芯片中的流体流向及动态流体行为，使得样品可依序且平顺的分配至每一检测槽，由此促进后续的核酸扩增及检测。此外，通过多重检测槽的排列设置，使得多重槽的多重化核酸分析及多重颜色的多重化检测皆可被达成，亦可实现样品通量灵活性。再者，由于卡匣中没有过高深宽比的穿孔通道，因此卡匣具有更好的可加工性。另外，卡匣可包括用于使双股DNA变性的热处理芯片，以增进扩增性能。

纵使本发明已由上述实施例详细叙述而可由熟悉本技艺人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附权利要求所欲保护者。

Claims (20)

1.一种流体控制及处理卡匣，包括：

一卡匣本体，包括多个第一槽及与该多个第一槽连接的多个第一流道，以供储存及处理至少一样品、至少一试剂及至少一缓冲液的至少其中之一，且该卡匣本体架构于进行样品纯化及核酸萃取的至少其中之一；以及

一反应芯片，与该卡匣本体结合，且包括：

多个第二槽及与该多个第二槽连接的多个第二流道，架构于储存及处理至少一扩增反应溶液；以及

至少两个流体网络，架构于进行核酸扩增及检测，其中该流体网络的至少其中之一包括多个检测槽、一主要流体流道及一气体释放流道，该主要流体流道与该检测槽连接且架构于将该样品或对照液体分配至该检测槽中，该气体释放流道与该检测槽连接且架构于将气体自该检测槽释放，其中该流体网络的其中之一架构用于质量管控。

2.如权利要求1所述的流体控制及处理卡匣，其中该对照液体包括一阳性对照液体及一阴性对照液体。

3.如权利要求1所述的流体控制及处理卡匣，其中该反应芯片中部分的该第二槽及部分的该第二流道共同形成一计量单元。

4.如权利要求3所述的流体控制及处理卡匣，其中该计量单元包括一储存槽、至少一计量槽、一溢流槽、以及连接该储存槽、该计量槽及该溢流槽的通道。

5.如权利要求1所述的流体控制及处理卡匣，其中该反应芯片中部分的该第二槽及部分的该第二流道共同形成一混合及除泡单元。

6.如权利要求5所述的流体控制及处理卡匣，其中该混合及除泡单元包括一储存槽、一混合槽、一混合物槽、一容置于该混合槽中的球体、以及连接该储存槽、该混合槽及该混合物槽的通道。

7.如权利要求6所述的流体控制及处理卡匣，其中该混合槽具有一底孔，当该至少一扩增反应溶液输送至该混合槽时，该球体位于该底孔上作为一单向阀以阻塞该底孔。

8.如权利要求6所述的流体控制及处理卡匣，其中该球体由生物兼容性材料制成或涂有一层生物兼容性材料。

9.如权利要求6所述的流体控制及处理卡匣，其中该混合及除泡单元的混合功能的实现是通过将空气打入容置于该混合槽中的该扩增反应溶液，以搅动该扩增反应溶液。

10.如权利要求6所述的流体控制及处理卡匣，其中该混合及除泡单元的除泡功能的实现是通过将空气打入该混合槽，以加压该空气并使在该扩增反应溶液中的气泡破裂。

11.如权利要求1所述的流体控制及处理卡匣，还包括一与该卡匣本体结合的热处理芯片。

12.如权利要求1所述的流体控制及处理卡匣，其中该气体释放流道相较该主要流体流道明显较窄。

13.如权利要求1所述的流体控制及处理卡匣，其中该主要流体流道包括多个宽流道部、多个窄流道部及多个槽入口流道。

14.如权利要求13所述的流体控制及处理卡匣，其中每一该宽流道部与该多个检测槽其中之一对位，并经由对应的该槽入口流道与对应的该检测槽连接，且每一该窄流道部连接于两相邻的该宽流道部之间。

15.如权利要求14所述的流体控制及处理卡匣，其中该窄流道部的流阻高于该宽流道部和该槽入口流道的总流阻。

16.如权利要求14所述的流体控制及处理卡匣，其中该槽入口流道在与该检测槽连接的一端具有较低的流阻，在远离该检测槽的另一端具有较高的流阻。

17.如权利要求1所述的流体控制及处理卡匣，其中该反应芯片包括一板状部及一柱状部，该柱状部自该板状部的底部延伸，且其剖面小于该板状部的剖面。

18.如权利要求1所述的流体控制及处理卡匣，其中该反应芯片还包括至少一样品加载孔，用于加入该样品于该卡匣中。

19.如权利要求1所述的流体控制及处理卡匣，其中该反应芯片还包括多个样品加载孔，用于加入不同样品于该卡匣中。

20.如权利要求1所述的流体控制及处理卡匣，其中该检测槽包括可供光通过的至少一透光薄壁或薄膜。

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