CN112384300A - 药筒、电润湿样品处理系统和珠粒操纵方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电润湿样品处理系统的药筒(2)，尤其是一次性药筒，其中所述药筒包括：内部间隙(6)，所述内部间隙(6)具有至少一个疏水表面(17)，以允许包括磁珠粒(52)的微流体液滴(23)的电润湿诱发的移动；并且进一步包括：珠粒累积区(50)，所述微流体液滴能通过电润湿力转移至所述珠粒累积区(50)中，并且在所述珠粒累积区(50)中，所述磁珠粒可暴露于珠粒操纵磁体的磁力。所述内部间隙(6)包括毗邻于所述珠粒累积区的珠粒提取开口(60)，其中所述珠粒提取开口(60)提供从所述间隙至所述药筒的外部空间的通道，并且被配置成可移除地容纳所述珠粒操纵磁体(62)，以使得能够通过移除所述珠粒操纵磁体而从所述微流体液滴中提取所述磁珠粒。这使得能够从电润湿运送过程中有效且可靠地提取出珠粒。

Description

药筒、电润湿样品处理系统和珠粒操纵方法
技术领域
本发明涉及一种用于电润湿样品处理系统的药筒，尤其是一次性药筒、一种电润湿样品处理系统、以及一种用于操作这一药筒或系统的方法。
传统上，基于电润湿的药筒和系统被用来执行分析过程。将要分析的样品、试剂和稀释剂引入填充有电润湿填充液的筒中。通过使用电润湿力以移动、混合或稀释筒内的液滴来执行分析过程。化验结果可以通过颜色的改变或强度来指示，或者替代地通过荧光的强度的产生或改变来指示。其可以通过光吸收或荧光测量来测量。在读出之后，筒随其内容物一起被丢弃，或者通过施加真空将内容物从筒中吸出，并且清空的筒被丢弃且内容物被处置。
相比于分析，化学或生化反应的产物可被用于进一步的下游过程。产物可以是扩增的核酸、抗体-抗原复合物或其他蛋白质复合物。下游过程可能是基因测序或蛋白质表征。
背景技术
包含产物的水性液滴可以通过电润湿力移动至入口/出口端。可通过入口/出口端用移液器将液滴吸取出药筒。电润湿填充液将连同水性液滴一起被移液器吸取通常是一个问题，这需要附加的步骤来分离电润湿填充液。另一问题在于，当用移液器将液滴从间隙中吸出时，液滴可能会破裂，从而导致某些水相的损失。
例如，珠粒操纵药筒的已知实施例在WO 2017/040818 A1中公开，其描述了一种具有用于从液体液滴吸引和移除磁珠粒的内部屏障元件的药筒。
发明内容
本发明的目的是提供一种药筒以及一种用于从电润湿药筒中移除产物以用于进一步的下游过程的系统。
本发明的任务是提供允许对微流体液滴和/或磁珠粒的改进的操纵的药筒、电润湿样品处理系统和方法。
该任务通过具有权利要求1的特征的药筒来解决。药筒的其他实施例、带有或不带有这一药筒的电润湿样品处理系统、以及用于操作这一药筒或系统的方法由其他权利要求的特征来限定。
本发明涉及一种用于电润湿样品处理系统的药筒，尤其是一次性药筒，其中该药筒包括：内部间隙，该内部间隙具有至少一个疏水表面，以允许包括磁珠粒的微流体液滴的电润湿诱发的移动；并且进一步包括：珠粒累积区，微流体液滴能通过电润湿力转移至该珠粒累积区中，并且在该珠粒累积区中，磁珠粒可暴露于珠粒操纵磁体的磁力。内部间隙包括毗邻于珠粒累积区的珠粒提取开口，其中该珠粒提取开口提供从间隙至药筒的外部空间的通道，并且被配置成可移除地容纳珠粒操纵磁体，以使得能够通过移除珠粒操纵磁体而从微流体液滴中提取磁珠粒。这使得能够从电润湿运送过程中有效且可靠地提取出珠粒。另外，这一药筒使得能够从药筒中移除产物以用于进一步的下游处理。
本发明与进一步的下游过程(其使用在药筒内执行的化学和/或生化反应的产物)相结合是尤其有利的。相比于用于分析过程的传统的基于电润湿的药筒(其在读出感兴趣的信息之后随其内容物一起被丢弃)，根据本发明的珠粒移除虑及对在药筒内获得或提供的产物的进一步的外部处理。
在本发明的上下文中，术语“处理”可以包括或可以不包括诸如运送或沉积等活动。
在又一实施例中，药筒包括具有珠粒提取开口的第一部分和附连至该第一部分的第二部分，以使得在第一部分和第二部分之间形成间隙。
在又一实施例中，第一部分包括刚体和/或第二部分包括或者是电极支撑元件或柔性膜，尤其是聚合物膜和/或电绝缘膜，其中尤其地，该膜附连至第一部分的外围侧结构。
在又一实施例中，间隙由布置在第一部分和第二部分之间的间隔件和/或由药筒的两个部分中的至少一者的形状限定，尤其是由药筒的柔性部分或刚性部分限定。
在又一实施例中，珠粒提取开口位于间隙的与疏水表面相对的一侧上和/或在间隙的外围侧上。在一个示例中，珠粒提取开口包括垂直于间隙的取向布置的通道。替代地，该通道被定向成与间隙的取向成小于90°的角度。例如，入口通道也可被定向成平行于间隙的取向，和/或通过药筒的外围侧结构或通过间隔件提供珠粒提取开口。
在又一实施例中，珠粒提取开口被配置成容纳可移除套筒以及珠粒操纵磁体，该珠粒操纵磁体尤其可移除地可插入套筒的内部空间中。
在又一实施例中，药筒包括至少一个电极，尤其是电极阵列，以用于向微流体液滴施加电润湿力。
在又一实施例中，药筒包括至少一个处理区，微流体液滴能从该处理区移动到珠粒累积区。在一示例中，该处理区被配置成用于处理以下至少一者：
-化学反应，
-洗涤过程，
-加热过程，
-混合过程，
-稀释，以及
-杂化。
在又一示例中，处理区被配置成用于处理PCR(聚合酶链反应)过程和/或杂化。
在又一实施例中，药筒包括具有用于容纳液体供给管的密封表面的输入端口，其中尤其地，该输入端口是漏斗形的，具有朝向要容纳的液体供给管的扩大的开口。
在又一实施例中，微流体液滴包括处理液，尤其是以下至少一种：试剂液、缓冲液、稀释剂、提取液、洗涤液和悬浮液，其进一步尤其包括单细胞和/或细胞聚集体的悬浮液。
在又一实施例中，药筒被配置成用电润湿液体，尤其是填充液，进一步尤其是硅油来操作。
在又一实施例中，磁珠粒装载有一种或多种产物，尤其是化学和/或生化反应的产物，进一步尤其是至少一种扩增的核酸。
药筒的上面提到的实施例的特征可按任何组合来被使用，除非它们彼此矛盾。
此外，本发明涉及一种电润湿样品处理系统，尤其是生物样品处理系统，其包括根据上面提到的实施例中的任何一个实施例的药筒。
本发明进一步涉及一种电润湿样品处理系统，其包括：具有至少一个疏水表面的内部间隙，以允许包括磁珠粒的微流体液滴的电润湿诱发的移动；并且进一步包括：珠粒操纵磁体和珠粒累积区，微流体液滴能通过电润湿力转移至该珠粒累积区中，并且在该珠粒累积区中，磁珠粒能由珠粒操纵磁体的磁力控制。内部间隙包括毗邻于珠粒累积区的珠粒提取开口，其中该珠粒提取开口提供从间隙的内部空间至间隙的外部空间的通道，并且被配置成可移除地容纳珠粒操纵磁体，以使得能够通过移除珠粒操纵磁体而从微流体液滴中提取磁珠粒。
在一实施例中，电润湿样品处理系统被配置成容纳一次性的和/或可逆地附连至电润湿样品处理系统的电极的药筒，其中尤其地，药筒包括柔性第二部分，进一步尤其是柔性膜或薄膜。
在又一实施例中，珠粒提取开口被配置成容纳珠粒操纵磁体以及可移除套筒，该可移除套筒尤其覆盖珠粒操纵磁体的操作端。
在又一实施例中，珠粒操纵磁体被配置成可插入套筒的中空内部空间中。
在又一实施例中，电润湿样品处理系统包括珠粒提取开口的阵列、珠子操纵磁体和/或套筒的阵列，尤其是二维阵列。
优选地，珠粒提取开口、珠粒操纵磁体和/或套筒的阵列是一致的。进一步优选地，这些阵列是正交的，并且阵列的元件的间距是9mm、4.5mm或2.25mm，或者阵列的元件的间距是9mm、4.5mm或2.25mm的倍数，对应于96井、384井或1536井微板(well microplate)的井间距。
在又一实施例中，电润湿样品处理系统包括至少一个电极，尤其是电极阵列，以用于向微流体液滴施加电润湿力。例如，可以在第一侧向方向和垂直于第一侧向方向的第二侧向方向上布置多个电极。电极的大小可以在约1.5x 1.5mm的范围内。
在一实施例中，该至少一个电极包括用于将微流体液滴运送至珠粒累积区中和/或从珠粒累积区运走微流体液滴的运送电极。因而，通过激活毗邻电极并且去激活微流体液滴的相对侧的电极，微流体液滴可在间隙内在任何方向上移动。
在一实施例中，电润湿样品处理系统包括控制器和/或电接口，以用于向该至少一个电极提供电控制信号。
在又一实施例中，电润湿样品处理系统包括用于将珠粒从珠粒提取开口(60)运送至电润湿样品处理系统的外部空间的转移开口。
电润湿样品处理系统的上面提到的实施例的特征可按任何组合来被使用，除非它们彼此矛盾。
此外，本发明涉及一种用于操作根据上面提到的实施例中的任何一个实施例的药筒或根据样品处理系统的上面提到的实施例中的任何一个实施例的样品处理系统的方法。
本发明进一步涉及一种用于操作药筒或样品处理系统的方法，该药筒或样品处理系统包括具有珠粒提取开口的内部间隙、毗邻珠粒提取开口的珠粒累积区、以及至少一个疏水表面以允许微流体液滴的电润湿诱发的移动，其中该方法包括：
-将珠粒操纵磁体插入珠粒提取开口中；
-提供包括磁珠粒的微流体液滴，并利用电润湿力将该微流体液滴经由内部间隙移动至珠粒累积区；
-利用由珠粒操纵磁体提供的磁力在珠粒累积区中累积磁珠粒；以及
-经由珠粒提取开口将珠粒操纵磁体与磁珠粒一起从间隙中移除。
在又一实施例中，电润湿力由多个电极，尤其是由电极阵列，进一步尤其是由二维电极阵列提供。
在又一实施例中，插入珠粒操纵磁体的过程包括使用附连至珠粒操纵磁体的套筒，并且移除珠粒操纵磁体的过程包括将珠粒操纵磁体与套筒一起移除。
在又一实施例中，插入珠粒操纵磁体的过程包括将珠粒操纵磁体插入套筒的内部中空空间中。
在又一实施例中，该方法包括在从间隙中移除磁珠粒之前和/或之后的至少一个珠粒洗涤过程。
在又一实施例中，该方法包括在从间隙中移除磁珠粒之后的珠粒沉积过程和/或产物释放过程，尤其是外部珠粒沉积过程和/或产物释放过程。
在又一实施例中，该至少一个珠粒洗涤循环或外部珠粒沉积过程包括从套筒的内部中空空间抽出珠粒操纵磁体，并将珠粒操纵磁体重新插入该中空空间中。
在又一实施例中，该方法在从间隙中移除磁珠粒之前包括至少一个样品洗脱过程。
在又一实施例中，该方法包括同时操作套筒的阵列和/或珠粒操纵磁体的阵列。
在该方法的又一实施例中，磁珠粒装载有一种或多种产物，尤其是化学和/或生化反应的产物，进一步尤其是至少一种扩增的核酸。
本发明进一步涉及一种用于操作药筒或样品处理系统的方法，该药筒或样品处理系统包括具有珠粒转移开口的内部间隙、毗邻珠粒转移开口的珠粒操纵区、以及至少一个疏水表面以允许微流体液滴的电润湿诱发的移动。该方法包括：
-将珠粒操纵磁体与磁珠粒一起插入珠粒转移开口中；
-在珠粒操纵区中提供微流体液滴；
-通过减弱由珠粒操纵磁体提供的磁力来将磁珠粒释放到微流体液滴中；以及
-通过使用电润湿力在内部间隙(6)中移动该微流体液滴。
在该方法的又一实施例中，插入珠粒操纵磁体的过程包括使用附连至珠粒操纵磁体的套筒，和/或释放磁珠粒的过程包括移除珠粒操纵磁体而不移除套筒。
在该方法的又一实施例中，磁珠粒装载有样品分子，尤其是以下至少一者：核酸、抗体和抗原。
该方法的上面提到的实施例的特征可按任何组合来被使用，除非它们彼此矛盾。
附图说明
在下文参考附图更详细地描述本发明的各实施例。这些附图只是出于解说的目的且不应被解读为限制性的。附图中
图1是对示例性数字微流体系统的概览，该数字微流体系统配备有中央控制单元和基座单元，具有四个药筒容适部位和四个板容适部位，以用于容纳各自包括电极阵列的电极板；
图2是其中具有根据图1的一次性药筒的一个药筒容适部位的剖视图；电极阵列位于固定的底部基板上；
图3是根据图2的又一示例性药筒容适部位的剖视图，其中电极阵列是药筒的一部分；
图4是根据本发明的一实施例的具有一次性药筒的药筒容适部位的剖视图，该药筒包括珠粒累积区(50)和珠粒提取开口(60)；
图5是根据图3的包括珠粒累积区(50)和珠粒提取开口(60)的示意性更详细视图；
图6是根据本发明的操作药筒或样品处理系统的方法的若干步骤的示意图；
图7是继根据图5的方法之后的洗涤过程的示意图；以及
图8是继根据图5或6的方法之后的产物释放过程的示意图。
本发明的详细描述
图1示出了电润湿样品处理系统(被示例性地示为数字微流体系统1)的概览，其配备有中央控制单元14和基座单元7，具有四个药筒容适部位8，每个药筒容适部位8包括电极阵列9和盖板12。数字微流体系统1被配置成用于在被设计为一次性药筒2的药筒内操纵微流体液滴23中的样品(简称为微流体液滴23)。该数字微流体系统1还包括四个板容适部位40，以用于容纳电极板41。
液滴23可以是微流体液滴和/或包括试剂、缓冲液、稀释剂、提取液、洗涤液和悬浮液中的至少一种的液体，所述悬浮液尤其是磁珠、单细胞或细胞聚集体的悬浮液。样品例如是DNA(脱氧核糖核酸)、RNA(核糖核酸)、其衍生物、蛋白质、细胞、或其他生物或生化衍生的分子或其组合。
数字微流体系统1包括具有至少一个药筒容适部位8的基座单元7，该药筒容适部位8被配置成用于容纳一次性药筒2。数字微流体系统1可以是数个操作员正利用他们带来的药筒2在其上工作的独立且固定的单元。因而，数字微流体系统1可以包括数个药筒容适部位8和数个电极阵列9，它们中的至少一些位于电极板41上。
可优选将数字微流体系统1集成到液体处置工作站或Freedom
Figure BDA0002882375700000081
机器人工作站中，以使得可以利用移液机器人将液体部分和/或包含液体的样品移入或移出药筒2。替代地，系统1可以被配置为手持式单元，该手持式单元仅包括并且能够以低数目(例如，单个一次性药筒2)工作。每个技术人员将理解，坐落于刚刚提到的两个极端之间的中间解决方案也将在本发明的主旨内操作和工作。
根据本发明，数字微流体系统1还包括至少一个板容适部位40，以用于容纳电极板41，该电极板41包括基本上在第一平面中延伸并且包括数个电极10的电极阵列9。这一电极板41优选地位于基座单元7的每一个所述药筒容适部位8处。优选地，每个电极阵列9由底部基板11支撑。需要注意，表述“电极阵列”、“电极布局”和“印刷电路板(PCB)”在本文中被用作同义词。
数字微流体系统1还可以包括具有顶部基板的至少一个盖板12；尽管提供此类盖板12是尤其优选的，但是盖板中的至少一些可被免除或者可以由用于将一次性药筒2保持在微流体系统1的基座单元内部的适当位置的替换盖所代替。因而，至少一个盖板12可以位于所述药筒容适部位8之一处。盖板12和具有电极阵列9或PCB的底部基板11分别限定空间或药筒容适部位8。在第一变体(参见基座单元7中间的两个药筒容适部位8)中，药筒容适部位8被配置成用于容纳可滑动地插入的一次性药筒2，该一次性药筒2能在相对于相应药筒容适部位8的电极阵列9基本上平行的方向上移动。这样的前部装载或顶部装载可由抽入式自动装置(drawing-in automatism)支持，该抽入式自动装置在将一次性药筒2部分插入之后，将药筒2运送至其在药筒容适部位8内的最终目的地，在那里药筒2被精确地安置。优选地，这些药筒容适部位8不包括可移动盖板12。在对微流体液滴中的样品执行所有预期的操纵之后，使用过的药筒2可以通过抽入式自动装置被弹出，并且运送至分析站或被丢弃。
在第二变体(参见基座单元7的左侧和右侧的两个药筒容适部位8)中，药筒容适部位8包括盖板12，该盖板12被配置成能相对于相应药筒容适部位8的电极阵列9移动。盖板12优选地被配置成能绕一个或多个铰链16和/或在基本上与电极阵列9成法向的方向上移动。
与将一次性药筒2插入药筒容适部位8的可能性类似，将电极板41插入板容适部位40的可能性包括以下替代方案：
(a)使电极板41竖直地下降通过相应药筒容适部位8并进入板容适部位40；
(b)使电极板41在相应药筒容适部位8下方水平地滑动并进入板容适部位40；
(c)使电极板41在相应药筒容适部位8下方水平地滑动并基本上竖直地提升到板容适部位40中。
在图1中，仅绘出一个电极板41，该电极板41可以通过前部装载被滑动地插入第二药筒容适部位8(如从左侧数起)下方。用虚线箭头指示并指出了用于放置板容适部位40的所有可能位置。
数字微流体系统1还包括中央控制单元14，以用于控制对所述至少一个电极阵列9中的各个个体电极10的选择，并用于为这些电极10提供各个个体电压脉冲，以通过电润湿来操纵所述药筒2内的微流体液滴。如图1中部分地指示的，每个电极10可操作地连接到中央控制单元14，并因此可以由该中央控制单元14独立地或共同地寻址，该中央控制单元14还包括用于以本领域中已知的方式创建和提供必要电势的适当的源。
该至少一个盖板12优选地包括导电材料，该导电材料在第二平面中延伸并且基本上平行于该至少一个盖板12被指派到的药筒容适部位8的电极阵列9。尤其优选的是，盖板12的该导电材料被配置成不连接至电气接地电势的源。盖板12可被配置成能在任意方向上移动，并且在选择盖板12的尤其优选的移动时无需将任何电接触纳入考虑。因而，盖板12可被配置成也能在基本上平行于电极阵列9的方向上移动，并且用于执行相对于基座单元7的相应电极阵列9的线性、圆形或任何任意移动。
图2示出了一个示例性药筒容适部位8的剖视图，在其中容适有根据图1的一次性药筒2。一次性药筒2包括作为药筒2的第二部分的底层3、作为药筒2的第一部分的顶层4、以及在底层3和顶层4之间限定间隙6以供在该间隙6中操纵微流体液滴23中的样品的间隔件5。
盖板12经由铰链16与数字微流体系统1的基座单元7机械地连接；因而，盖板12可摆动打开，并且可以经由顶部进入装载来将一次性药筒2放置在药筒容适部位8上(参见图1)。盖板12的导电材料15被配置为附连至顶部基板13的薄金属板或金属箔。替代地，盖板12的导电材料15被配置为沉积在顶部基板13上的金属层。导电材料15的这种沉积可以通过如其本身已知的化学或物理气相沉积技术来执行。
盖板12被配置成向被容适在基座单元7的药筒容适部位8处的一次性药筒2施加力。该力迫使一次性药筒2抵靠电极阵列9，以便将药筒的底层3定位成尽可能靠近电极阵列9的表面。该力还迫使一次性药筒2进入电极阵列9上的相对于盖板12的穿刺设备18的精确位置。该穿刺设备18被配置成用于将样品液滴引入到药筒2的间隙6中。穿刺设备18被配置为通孔19，其贯穿整个盖板12并且使穿刺移液器尖端20被推过并刺穿药筒2的顶层4。穿刺移液器尖端20可以是手持式移液器(未示出)或移液机器人(未示出)的一部分。
在图2所示的情形中，电极阵列9被介电层24覆盖。电极阵列9被固定到底部基板11，并且每个个体电极10与中央控制单元14电连接并且在操作上连接(这里仅绘出十个电极10的三个连接)。电极阵列9位于不可移动地固定着的底部基板11上。数字微流体系统1被配置成用于在包含间隙6的一次性药筒2内操纵微流体液滴23中的样品。相应地，微流体液滴23中的样品在一次性药筒2的间隙6中被操纵。一次性药筒2包括底层3、顶层4、以及在底层3和顶层4之间限定间隙6以供在该间隙6中操纵微流体液滴23中的样品的间隔件5。底层3和顶层4包括疏水表面17，该疏水表面17暴露于药筒2的间隙6。药筒2的底层3和顶层4是完全疏水膜，或者至少包括暴露于药筒2的间隙6的疏水表面。药筒2的间隔件5可任选地被配置为主体，该主体包括用于被应用于间隙6中的样品液滴的化验中所需要的试剂的隔室21(虚线)。
在一个示例中，包含电极阵列9或电极10的底部基板11或PCB具有电连接器，该电连接器连接至中继PCB，该继电器PCB连接至控制PCB，其中该控制PCB是中央控制单元14的一部分。
图3示出了根据图2的具有药筒2的又一示例性药筒容适部位的剖视图，其中-相比于图2-药筒2包括各个个体电极10的电极阵列9'。
此外，药筒2包括上部4、间隔件5、疏水层3”、用于电极阵列9'的支撑元件11'、可任选的通孔19、液体输入端口19'和导电材料。上部4和间隔件5可被提供为分开的部分或以单件的形式提供。疏水层3”、电极阵列9'和支撑元件11'形成药筒的下部。电极阵列9'被布置在疏水层3”与支撑元件11'之间，并且在上部4与疏水层3”之间形成间隙。此外，疏水层3”附连至相应于(resp.to)间隔件5的上部4的外围侧结构。支撑元件11'进一步包括电连接器14'，这些电连接器14'经由多条电导线连接至电极阵列9'。进而，电连接器14'提供到中央控制单元14的连接，以使得电连接器14'实现药筒2与数字微流体系统1之间的电接口。电接口也可以通过接触场(即，多个导电的、相互绝缘的接触区域)来实现。
图4示出了一个药筒容适部位8的剖视图，并且根据又一实施例的一次性药筒2被容适在其中。再次，电极10被布置并固定在底部基板11上。再次，一次性药筒2包括底层3'和顶层4。附连至一次性药筒的是间隔件5，该间隔件5在底层3和顶层4之间限定间隙6以供在该间隙6中操纵微流体液滴23中的样品。在该实施例中，底层是柔性底层，例如薄膜3'，例如具有疏水表面17。例如，薄膜3'是8至50μm厚的聚丙烯膜。用于将液体引入间隙6中的入口端19'被设置在药筒2的顶层4中。
优选地，柔性底层3可逆地附连至电润湿样品处理系统1中的电极10。间隔件5可以是药筒2的一部分或电润湿样品处理系统1的一部分。在一个示例中，间隔件5包括不锈钢、铝、硬塑料(尤其是COP)或陶瓷。间隔件5可以被设计成限定间隙6的高度。间隔件5可附加地用作用于密封间隙6的垫圈。
图5示出了根据本发明的药筒2的珠粒提取区域的示意图。在该示例中，药筒2是一次性药筒，其包括顶层4、底层3、内部间隙6、疏水表面17、间隙6内的珠粒累积区50以及毗邻珠粒累积区52的珠粒提取开口60。药筒2被放置在电润湿样品处理系统上并且在电极10的顶部上，如图4所示。
珠粒提取开口60位于间隙6的与疏水表面17相对的一侧(即，在顶层4处)，并且被配置成可移除地容纳珠粒操纵磁体。珠粒提取开口60可以与通孔19或入口端19’等同。在该示例中，珠粒操纵磁体70与套筒72一起被插入珠粒提取开口60中。此外，珠粒操纵磁体70被可移除地插入套筒72的内部中空空间中，以使得套筒72覆盖珠粒操纵磁体70的操作端，在该示例中为珠粒操纵磁体70的下端。
在所描绘的情况下，微流体液滴23存在于药筒2的内部间隙中。微流体液滴23能因激活和去激活电润湿样品处理系统的对应电极10而移动到珠粒累积区50中。这样，疏水表面17和电极10的场允许包括磁珠粒52的微流体液滴23的电润湿诱发的移动。在该示例中，电润湿力由多个电极10提供，这些电极形成一电极阵列，二维电极阵列。其他电极配置(例如一维阵列)也是可能的。
微流体液滴23包括处理液(通常是试剂液)和磁珠粒52。其他液体也是可能的，诸如缓冲液、稀释剂、提取液、洗涤液和悬浮液，其尤其还可以包括单细胞和/或细胞聚集体的悬浮液。另外，微流体液滴23还可包括或嵌入在电润湿填充液(诸如硅油)中。
常规地，基于电润湿的药筒和系统被用来执行分析过程。将要分析的样品、试剂和稀释剂引入填充有电润湿填充液的筒中。通过使用电润湿力以移动、混合或稀释筒内的液滴来执行分析过程。化验结果可以通过颜色的改变或强度来指示，或者替代地通过荧光的强度的产生或改变来指示。其可以通过光吸收或荧光测量来测量。在读出之后，筒随其内容物一起被丢弃，或者通过施加真空将内容物从筒中吸出，并且清空的药筒被丢弃且内容物被处置。
相比于分析，化学或生化反应的产物可被用于进一步的下游过程。产物可以是扩增的核酸、抗体-抗原复合物或其他蛋白质复合物。下游过程可能是基因测序或蛋白质表征。
图6示出了操作根据本发明的药筒或样品处理系统以供从微流体液滴23中移除磁珠粒52的方法的若干步骤的示意图。图的细分解说了以下步骤：
a)将珠粒操纵磁体70与套筒72一起插入珠粒提取开口60中，其中珠粒操纵磁体70尚未完全插入套筒72的中空空间中。
另外，施加电润湿力以使包括磁珠粒52的微流体液滴23从如图5所示的位置经由内部间隙6移动到珠粒累积区50中。
在又一示例中，样品处理系统执行初步的磁珠粒处理，其中从套筒72移除珠粒操纵磁体70。这一情况虑及在没有朝向珠粒操纵磁体70的吸引的情况下操纵珠粒52。
b)将珠粒操纵磁体70完全插入套筒72的中空空间中，以使得珠粒累积区50中的磁珠粒52暴露于由珠粒操纵磁体70所提供的磁力，这导致磁珠粒52在珠粒累积区50中的累积。
c)在完成珠粒累积之后，经由珠粒提取开口60将珠粒操纵磁体70与套筒72和磁珠粒52一起移除。
过程步骤的其他顺序也是可能的，例如将带有套筒72的珠粒操纵磁体70插入珠粒提取开口60中，以使得珠粒操纵磁体70被完全插入套筒72的中空空间中。
珠粒操纵磁体70与套筒72和磁珠粒52一起可以被转移到电润湿样品处理系统的外部空间和/或转移到相邻系统，例如转移到微板的井。
图7示出了根据图5和图6的具有珠粒洗涤过程W的方法的示意图：
a)磁珠粒52根据图6步骤b)而被累积，其中包括洗涤缓冲液80的液滴通过电润湿操纵而被移动至珠粒提取开口60(由箭头所示)；
b)通过移除珠粒操纵磁体70来释放磁珠粒52，而无需从珠粒提取开口60移除套筒72，即，从套筒72的内部中空空间74中抽出珠粒操纵磁体70，并将珠粒操纵磁体70重新插入该中空空间中，其中使带有洗涤缓冲液80的液滴来回摆动，从而悬浮并洗涤磁珠粒52；
c)根据图7步骤a)累积磁珠粒52；以及
d)根据图6步骤c)将珠粒操纵磁体70与套筒72和磁珠粒52一起移除。
可每次使用新的洗涤缓冲液80的液滴来将步骤b)和c)重复若干次。
可以在药筒2的内部(即，利用用于电润湿的间隙6)和/或在药筒2的外部或在间隙6的外部(例如，在微板的一个或多个井中)执行珠粒洗涤过程。珠粒被从药筒中移除，如图6步骤c)中所示，随后在图7步骤a)中被移至管76，在图7步骤b)中被释放以进行洗涤，随后在图7步骤c)中被重新收集，并且在图7步骤d)中被从洗涤缓冲液80中移除。可以重复图7的过程，直到珠粒52被纯化。
替代地，珠粒操纵磁体70与套筒72和磁珠粒52一起被转移到微板的一个或多个井以进行洗涤：在图6的步骤c)之后，磁珠粒52被转移到微板的井中。磁珠粒52悬浮在被包含在微板的井内的洗涤缓冲液中并且随后被再次累积。
在又一示例中，如图所示的处理使得能够进行珠粒洗涤，其中珠粒52包括DNA 54，其在洗涤过程期间以及在珠粒52的移除期间保留在珠粒52上。
珠粒洗涤的过程要求珠粒操纵磁体70被从套筒72移除，以使得珠粒52分散到洗涤缓冲液80中。套筒72由聚合物材料制成，尤其是由塑料材料制成。取决于洗涤过程，珠粒52可能经历若干轮该过程。
为了将洗涤缓冲液80更改为另一缓冲液以供某种其他处理(即，如图8所示的DNA释放)，珠粒52通过插入珠粒操纵磁体70而被再次收集，被从管76中移除，并且随后组装件被移至另一过程，例如转移到微板的一个或多个井以进行进一步处理，尤其是用于珠粒洗涤过程和/或产物释放过程。
此外，图6和图7解说了用于操作药筒或样品处理系统的方法，以供插入装载有样品分子56的珠粒，所述样品分子56尤其是以下至少一者：核酸、抗体和抗原。药筒或样品处理系统包括具有珠粒转移开口61的内部间隙6、毗邻珠粒转移开口的珠粒操纵区51以及用于允许微流体液滴23的电润湿引起的移动的至少一个疏水表面17。该方法包括以下步骤：
-将珠粒操纵磁体70与可移除地附连至珠粒操纵磁体70的套筒72以及与可移除地附连至套筒72的磁珠粒52一起插入珠粒转移开口61中；
-在珠粒操纵区51中提供微流体液滴23；
-通过减弱由珠粒操纵磁体70提供的磁力来将磁珠粒52释放到微流体液滴23中；以及
-通过使用电润湿力使带有样品分子56的该微流体液滴23在内部间隙6中移动。
微板的管76或井78也可以是如图6所示的药筒，即，具有用于电润湿的电极10的药筒2。在另一示例中，微板的管76或井78可以是不带电润湿电极的药筒。
图8示出了附加的可任选释放过程R，其中通过使用如图7所示的类似过程从珠粒52释放诸如DNA 54等产物。在该示例中，管是微板(未示出)的井78，在另一示例中，管是外部或内部管，如图7所示。微板的井78包含释放缓冲液82，该释放缓冲液82能够将DNA 54从磁珠粒52的表面释放。图的细分解说了以下步骤：
a)通过将珠粒操纵磁体70与套筒72和磁珠粒52一起插入微板的井78中来将磁珠粒52转移到释放缓冲液82中；
b)从套筒72的内部中空空间74中抽出珠粒操纵磁体70而不使套筒72从其位置移动，由此使磁珠粒悬浮并从珠粒表面释放产物；
c)将珠粒操纵磁体70重新插入套筒72的中空空间74中，由此重新捕捉基本上没有粘附DNA 54(由阴影表示)的磁珠粒52，其中DNA 54溶解在释放缓冲液(由虚线区域指示)中；以及
d)将珠粒操纵磁体70以及套筒72和所附连的磁珠粒52一起从释放缓冲液82移除。
在步骤b)中，由于增加的磁距，作用在磁珠粒52上的磁力减小。这实现了将磁珠粒52分配到外部系统的液体中，并因而实现了微板的井78中的珠粒沉积过程。
示例性地示出了DNA的释放过程，但是可以相应地处理其他产物，尤其是化学和/或生化反应的产物，进一步尤其是扩增的核酸。
表1中指出了优选的尺寸和材料。这些材料和尺寸的指示用作优选示例，而不限制本发明的范围。
表1
Figure BDA0002882375700000151
Figure BDA0002882375700000161
附图标记列表
1 电润湿样品处理系统
2 一次性药筒
3 底层
3’ 薄膜
3” 疏水层
4 顶层
5 间隔件
6 在3和4之间的间隙
7 基座单元
8 药筒容适部位
9,9' 电极阵列
10 电极
11 底部表面
11' 支撑元件
12 盖板
13 顶部基板
14 中央控制单元
15 导电材料
16 铰链
17 疏水表面
18 穿刺设备
19 通孔
19’ 进口端
20 穿刺移液器尖端
21 隔室
23 微流体液滴
23' 珠粒被移除的微流体液滴
24 介电层
26 一次性移液器尖端
50 珠粒累积区
51 珠粒操纵区
52 磁珠粒
54 DNA
56 样品分子
60 珠粒提取开口
61 珠粒转移开口
70 珠粒操纵磁体
72 套筒
74 中空空间
76,78 微板的管、井
80 洗涤液、洗涤缓冲液
82 释放缓冲液
W 珠粒洗涤过程
R 产物释放过程

Claims (31)

1.一种用于电润湿样品处理系统的药筒(2)，尤其是一次性药筒，所述药筒包括：内部间隙(6)，所述内部间隙(6)具有至少一个疏水表面(17)，以允许包括磁珠粒(52)的微流体液滴(23)的电润湿诱发的移动；并且进一步包括：珠粒累积区(50)，所述微流体液滴能通过电润湿力转移至所述珠粒累积区(50)中，并且在所述珠粒累积区(50)中，所述磁珠粒可暴露于珠粒操纵磁体的磁力，
其中所述内部间隙(6)包括毗邻于所述珠粒累积区的珠粒提取开口(60)，其中所述珠粒提取开口(60)提供从所述间隙至所述药筒的外部空间的通道，并且被配置成可移除地容纳所述珠粒操纵磁体(70)，以使得能够通过移除所述珠粒操纵磁体而从所述微流体液滴中提取所述磁珠粒。
2.根据权利要求1所述的药筒，包括具有珠粒提取开口(60)的第一部分(4)和附连至所述第一部分的第二部分(3)，以使得在所述第一部分和所述第二部分之间形成所述间隙(6)。
3.根据权利要求2所述的药筒，其中，所述第一部分(4)包括刚体和/或所述第二部分(3)包括或者是电极支撑元件(11')或柔性膜(3')，尤其是聚合物膜和/或电绝缘膜，其中尤其地，所述膜附连至所述第一部分的外围侧结构。
4.根据权利要求2或3所述的药筒，其中，所述间隙(6)由布置在所述第一部分和所述第二部分之间的间隔件(5)和/或由所述药筒的所述两个部分中的至少一者的形状限定，尤其是由所述药筒的柔性部分或刚性部分限定。
5.根据前述权利要求中任一项所述的药筒，其中，所述珠粒提取开口(60)位于所述间隙的与所述疏水表面(17)相对的一侧上和/或所述间隙的外围侧上。
6.根据前述权利要求中任一项所述的药筒，其中，所述珠粒提取开口被配置成将可移除套筒(72)以及所述珠粒操纵磁体(70)容纳在一起，所述珠粒操纵磁体(70)尤其可移除地可插入所述套筒的内部空间中。
7.根据前述权利要求中任一项所述的药筒，包括至少一个电极(10)，尤其是电极阵列(9)，以用于向所述微流体液滴(23)施加电润湿力。
8.根据前述权利要求中任一项所述的药筒，包括至少一个处理区，所述微流体液滴(23)能从所述处理区移动到所述珠粒累积区(50)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的药筒，其中，所述微流体液滴(23)包括处理液，尤其是以下至少一种：试剂液、缓冲液、稀释剂、提取液、洗涤液和悬浮液，所述悬浮液进一步尤其包括单细胞和/或细胞聚集体的悬浮液。
10.根据前述权利要求中任一项所述的药筒，其中，所述磁珠粒装载有一种或多种产物，尤其是化学和/或生化反应的产物，进一步尤其是至少一种扩增的核酸。
11.一种电润湿样品处理系统(1)，尤其是生物样品处理系统，包括根据前述权利要求中任一项所述的药筒。
12.一种电润湿样品处理系统(1)，包括：具有至少一个疏水表面(17)的内部间隙(6)，以允许包括磁珠粒的微流体液滴(23)的电润湿诱发的移动；并且进一步包括：珠粒操纵磁体(70)和珠粒累积区(50)，所述微流体液滴能通过电润湿力转移至所述珠粒累积区(50)中，并且在所述珠粒累积区(50)中，所述磁珠粒能由所述珠粒操纵磁体的磁力控制，
其中所述内部间隙(6)包括毗邻于所述珠粒累积区的珠粒提取开口(60)，其中所述珠粒提取开口提供从所述间隙的内部空间至所述间隙的外部空间的通道，并且被配置成可移除地容纳所述珠粒操纵磁体，以使得能够通过移除所述珠粒操纵磁体而从所述微流体液滴中提取所述磁珠粒。
13.根据权利要求11或12所述的电润湿样品处理系统，其中，所述珠粒提取开口(60)被配置成将所述珠粒操纵磁体(70)以及可移除套筒(72)容纳在一起，所述可移除套筒(72)尤其覆盖所述珠粒操纵磁体的操作端。
14.根据前述权利要求所述的电润湿样品处理系统，其中，所述珠粒操纵磁体被配置成可插入所述套筒的中空内部空间中。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的电润湿样品处理系统，包括珠粒操纵磁体的阵列和/或套筒的阵列，尤其是二维阵列。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的电润湿样品处理系统，包括至少一个电极(10)，尤其是电极阵列(9)，以用于向所述微流体液滴(23)施加电润湿力。
17.根据权利要求16至24中任一项所述的电润湿样品处理系统，包括用于将珠粒从所述珠粒提取开口(60)运送到所述电润湿样品处理系统的外部空间的转移空间。
18.一种用于操作根据权利要求1至10中任一项所述的药筒或根据权利要求11至17中任一项所述的样品处理系统的方法。
19.一种用于操作药筒(2)或样品处理系统(1)的方法，所述药筒(2)或样品处理系统(1)包括具有珠粒提取开口(60)的内部间隙(6)、毗邻所述珠粒提取开口的珠粒累积区(50)、以及至少一个疏水表面(17)以允许微流体液滴(23)的电润湿诱发的移动，所述方法包括：
-将珠粒操纵磁体(70)插入所述珠粒提取开口(60)中；
-提供包括磁珠粒(52)的微流体液滴(23)，并利用电润湿力将该微流体液滴(23)经由所述内部间隙(6)移动至所述珠粒积累区；
-利用由所述珠粒操纵磁体提供的磁力在所述珠粒累积区中累积所述磁珠粒；以及
-经由所述珠粒提取开口将所述珠粒操纵磁体与所述磁珠粒一起从所述间隙中移除。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其中，所述电润湿力由多个电极(10)，尤其是由电极阵列，进一步尤其是由二维电极阵列提供。
21.根据前述权利要求18至20中任一项所述的方法，其中，插入所述珠粒操纵磁体(70)的过程包括使用附连至所述珠粒操纵磁体的套筒(72)，并且移除所述珠粒操纵磁体的过程包括将所述珠粒操纵磁体与所述套筒一起移除。
22.根据前述权利要求所述的方法，其中，插入所述珠粒操纵磁体的过程包括将所述珠粒操纵磁体插入所述套筒的内部中空空间中。
23.根据前述权利要求18至22中任一项所述的方法，包括在从所述间隙(6)中移除所述磁珠粒(52)之前和/或之后的至少一个珠粒洗涤过程(W)。
24.根据前述权利要求18至23中任一项所述的方法，包括在从所述间隙(6)中移除所述磁珠粒(52)之后的珠粒沉积过程和/或产物释放过程(R)，尤其是外部珠粒沉积过程和/或产物释放过程(R)。
25.根据前述权利要求23或24所述的方法，其中，所述至少一个珠粒洗涤循环或所述外部珠粒沉积过程包括从所述套筒(72)的内部中空空间(74)抽出所述珠粒操纵磁体(70)，并将所述珠粒操纵磁体(70)重新插入该中空空间中。
26.根据前述权利要求18至25中任一项所述的方法，包括在从所述间隙移除所述磁珠粒之前的至少一个样品洗脱过程。
27.根据前述权利要求18至26中任一项所述的方法，包括同时操作套筒(72)的阵列和/或珠粒操纵磁体(70)的阵列。
28.根据前述权利要求18至27中任一项所述的方法，其中，所述磁珠粒装载有一种或多种产物，尤其是化学和/或生化反应的产物，进一步尤其是至少一种扩增的核酸。
29.一种用于操作药筒(2)或样品处理系统(1)的方法，所述药筒(2)或样品处理系统(1)包括具有珠粒转移开口(61)的内部间隙(6)、毗邻所述珠粒转移开口的珠粒操纵区(51)、以及至少一个疏水表面(17)以允许微流体液滴(23)的电润湿诱发的移动，所述方法包括：
-将珠粒操纵磁体(70)与磁珠粒(52)一起插入所述珠粒转移开口(61)中；
-在所述珠粒操纵区(51)中提供微流体液滴(23)；
-通过减弱由所述珠粒操纵磁体(60)提供的磁力来将所述磁珠粒(52)释放到所述微流体液滴(23)中；以及
-通过使用电润湿力在所述内部间隙(6)中移动该微流体液滴(23)。
30.根据权利要求29至30所述的方法，其中，插入所述珠粒操纵磁体(70)的过程包括使用附连至所述珠粒操纵磁体(60)的套筒(72)，和/或释放所述磁珠粒(52)的过程包括移除所述珠粒操纵磁体(70)而不移除所述套筒(72)。
31.根据权利要求29或30所述的方法，其中，所述磁珠粒装载有样品分子(56)，尤其是以下至少一者：核酸、抗体和抗原。
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