CN112816699A - 一种自动化的、基于云的、护理点（poc）病原体和抗体阵列检测系统和方法 - Google Patents

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M·马杜
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Abstract

本发明举例示出的实施方案包括在具有SAW检测器(具有最小的质量灵敏度限制)的便携式、手持微流体读取器中测定样本中的病毒和抗体分析物的自动化方法。该自动化方法包括以下步骤：如Optikus I中，利用具有提高的灵敏度的SAW检测器自动化进行测定的步骤，但还包括：将样本的第二部分自动化放置在微阵列上，使用微阵列选择性地自动化探测样本的第二部分中与至少一种所选择的病毒相对应的抗体；以及使用荧光照相机自动化读取微阵列以鉴定样本的第二部分中的抗体。

Description

一种自动化的、基于云的、护理点(POC)病原体和抗体阵列检 测系统和方法
本申请是部分继续申请并要求具有较早提交日期的美国专利申请的优先权和权益，所述美国专利申请为2019年12月13日提交，标题为“用于克服剪切水平表面声波生物传感器中最小质量灵敏度限制的设备和方法”且序号为16/714,421，根据35USC 120，其全部内容通过引用的方式纳入本文(以下定义为“纳入的说明书”)。
技术领域
本发明涉及护理点(POC)病原体和多重病原体抗体阵列检测平台和方法的领域，尤其涉及CPC C40B 60/12。
背景技术
在过去的几十年中，不断增加的新发传染病数量在全球范围内已经导致严重的社会和经济影响。尤其是，农业第三世界社区经历了传染病的高度暴露，但在医疗保健获取方面也面临众多挑战。然而，病原体并不知道国界，并且任何地方的新的疾病暴发都会影响所有地区的人们。支持对来自全球范围内相互连接的护理点网络的医学诊断检测结果的解释的专家策划(Expert-curated)知识、软件和服务是人类可以期望保持充满活力的经济和高度流动的社会的唯一途径，所述护理点网络跟踪并防止快速传播传染病大流行。
所需要的是一种装置和方法，其通过使用当前的COVID-19大流行作为最紧迫的目标来解决建立疾病筛查、解释和预防目标的一些最紧迫的需求。冠状病毒是有包膜的正义RNA病毒，其广泛分布于人类、其他哺乳动物和鸟类中，并引起呼吸道、肠道、肝脏和神经系统疾病。尽管存在已知会感染人类的该病毒的六种已知种，但只有四种是流行的，并且通常引起感冒样症状：229E、OC43、NL63和HKU1。其它两种病毒，严重急性呼吸系统综合症冠状病毒(SARS-CoV)和中东呼吸系统综合症冠状病毒(MERS-CoV)是人畜共患病病毒(zoonoticviruse)，并在2002-2003 年和2012年引起了重大的大流行事件。其中在2019年末检测并报告首例病例的全球冠状病毒大流行是一种新型冠状病毒导致的，其引发疾病 COVID-19并由世界卫生组织(WHO)命名为SARS-CoV-2。病毒表面蛋白(刺突、包膜和膜)被包埋在来源于宿主细胞的脂质双层包膜中。如图17所示，单链正义病毒RNA与核衣壳蛋白相关。
现有的POC COVID-19检测平台归结为四类：1)SARS-CoV-2的检测方法：2)ELISA，免疫荧光测定法，3)RT-qPCR和4)胸部X射线。胸部X射线不适用于广泛的POC检测。
酶联免疫吸附测定法-ELISA
血清学测试测量来自已经暴露于病毒的人的血液中的抗体。ELISA 血液测试检查由于过去或最近暴露于冠状病毒疾病2019(COVID-19)而产生的免疫球蛋白G(lgG)。人体产生IgG抗体，作为对该病毒的免疫应答的一部分。通常需要大约10到18天以产生足以在血液中检测到的抗体。此外，ELISA血液测试可寻找免疫球蛋白M(IgM)抗体，其为个体暴露于抗原后出现的第一抗体，但一旦该抗原不再存在则其消失。同时查看IgG和IgM的ELISA可绘制出有关患者当前正在对抗的疾病，该患者已经患有的疾病以及该患者已对其产生免疫力的疾病的图像。
通常使用的样本是总的来说比鼻或咽拭子样本(用于上述测试类型2 和3)更可靠地收集的血液样本。但是对于血液样本，处理、存储和将血清与血浆分离的离心为所需的可能引入错误的额外步骤。如果抗体存在于血清学测试样本中，则进行直接免疫测定(参见测试类型2)或DNA测试(参见测试类型3)，以确定病毒本身是否仍存在于患者的体内。
免疫荧光测定法
这些测定法已被广泛用于直接检测多种病毒抗原。免疫荧光使用抗体来检测组织切片或感染细胞中的病毒抗原。使用感染细胞，诸如来自上呼吸道的粘膜的那些细胞或存在于从鼻咽吸出的粘液中的细胞，并使用拭子收集。免疫荧光测定法使用与抗病毒抗体(称为直接免疫荧光)或与抗抗体(称为间接免疫荧光)缀合的荧光标记。抗体与抗原的结合量与荧光产生源的量直接相关。
本发明人已经介绍了一种基于SAW传感器的替代的直接的无标签的病毒检测技术。参见纳入的说明书。该传感器利用表面声波生物传感器 (SAW)进行直接COVID-19检测。在过去，该SKC SAW传感器已成功检测出多种受到高度关注的细菌和病毒，包括埃博拉病毒、HIV和炭疽。在过去的两年中，本发明人已经显著提高了SAW生物传感器的灵敏度和检测能力。将Sars-Cov-2的抗体固定在SAW表面上，并且评估作为浓度的函数的应答。一种快速的(<12分钟)护理点诊断测试用于检测鼻拭子样本中的COVID-19。
使用拭子产生大量的假阴性，这不一定是因为不灵敏的检测方法，而是因为不能从鼻道中可重复地收集样本。收集样本的从业人员之间存在差异，并且鼻子中存在的病毒量也存在差异。另一个主要缺点是，只有在病毒仍然存在时，这些测试才会给出阳性结果。这些测试无法鉴别经历过感染、康复并从体内清除病毒的人。
实时定量聚合酶链反应-RT-qPCR
基于快速DNA扩增的直接病原体检测。PCR用于测量样本中的遗传物质(DNA或RNA)的量，并涉及使用在温度循环中扩增模板DNA的短的特定部分的Taq聚合酶。在每个循环中，DNA的许多小的特定部分会加倍导致靶标的指数扩增。PCR实验中的循环数通常在12-45个循环之间。逆转录酶PCR(RT-PCR)用于检测RNA，因为RNA被逆转录成 DNA。在RT-qPCR中，发生相同的方法，除了以下两个因素；i)对扩增的DNA进行荧光标记，以及ii)扩增过程中释放的荧光量与扩增的DNA 来源的量直接相关。一步式RT-qPCR检测试剂盒可用于使用呼吸道标本 -鼻拭子体外检测COVID-19。POC产品的实例包括使用ID NOW品牌的测试仪器进行雅培冠状病毒测试。
需要一种克服与当前可用的COVID-19诊断或测试设备相关的问题的方法。
发明内容
本发明举例示出的实施方案涉及一种自动化的基于云的系统，其中使用了能够自动化进行针对病毒大流行感染的实验室级诊断测试的手持式现场便携诊断仪器。采集生物样本并将其放置在手持式现场便携诊断仪器中后，自动化进行样本准备和测试的所有其它步骤，而无需人工干预且没有相关的延迟。在测试的数十分钟内，测试样本，生成结果，通过人工智能或专家系统进行分析，传送到存储数据库，传送给测试的受试者并传送给相关的医疗护理提供者，而无需人为或其它医疗干预或延迟。只有以该方式，才有可能提供对数亿个受试者的可靠的大流行测试和报告，如果全球大流行要被遏制或控制，这是必要的能力。
本发明举例示出的实施方案包括一种在具有检测器(具有最小的质量灵敏度限制)的便携式手持微流体读取器中测定样本中的病毒和抗体分析物的方法。该方法包括以下步骤：将样本插入到读取器中；利用具有与其连接的DNA标签的第一抗体和具有连接的磁性纳米颗粒(MNP)的第二抗体捕获来自样本的第一部分的分析物，其中形成包含第一和第二抗体、分析物、MNP和DNA标签的多层结构(sandwich)；使用等温扩增将 DNA标签扩增到预定量的DNA标签，其足以通过提供可由检测器可靠地检测的量来克服检测器的最小质量灵敏度限制；使用检测器测量复制的 DNA标签的量以检测至少一种所选择的病毒；将样本的第二部分放置于微阵列上；使用微阵列选择性地探测样本的第二部分中与至少一种所选择的病毒相对应的抗体；以及使用荧光照相机读取微阵列，以鉴定样本的第二部分中的抗体。
使用微阵列选择性地探测样本的第二部分中与至少一种所选择的病毒相对应的抗体的步骤包括以下步骤：将样本的第二部分在微阵列上孵育预定量的时间；放置荧光标记的第二Ab；清洗微阵列；以及干燥微阵列。使用荧光照相机读取微阵列以鉴定样本的第二部分中的抗体的步骤，通过生成微阵列的彩色图像来检测样本的第二部分中的Ig同种型。该方法进一步包括将微阵列的彩色图像传送到云端以进行分析和/或数据处理的步骤。
在其中微阵列已被提供有刺突蛋白的受体结合结构域(RBD)的DNA 斑点的实施方案中，使用微阵列选择性地探测样本的第二部分中与至少一种所选择的病毒相对应的抗体的步骤包括以下步骤：使用提供有刺突蛋白的受体结合结构域(RBD)的DNA斑点和荧光团标记的ACE2以及另一种荧光团标记的针对人IgG的第二抗体的微阵列进行中和抗体测定，以检测RBD抗体；清洗微阵列；干燥微阵列。使用荧光照相机读取微阵列以鉴定样本的第二部分中的抗体的步骤，生成具有至少两种不同颜色的微阵列的彩色图像，一种颜色用于存在于样本的第二部分中的RBD抗体，另一种颜色用于ACE2，不含中和抗体或RBD抗体的样本的第二部分是用 ACE2荧光来检测，而含有RBD抗体或增加量的干扰ACE2-RBD结合的中和抗体的样本是用降低的ACE2荧光量来检测。在缺乏RBD抗体的情况下，可定量ACE2荧光的量以用于相对中和活性。该方法进一步包括将微阵列的彩色图像传送到云端以进行分析和/或数据处理的步骤。
该微阵列含有将以已知强度发出荧光的归一化的荧光团对照。三个斑点为100％强度，三个斑点为50％强度，以及三个斑点为0％强度。通过取这9个斑点的测量值，可创建归一化曲线，该归一化曲线允许将其余测试斑点与该曲线进行比较并绘图。
使用微阵列选择性地探测样本的第二部分中与至少一种所选择的病毒相对应的抗体的步骤进一步包括以下步骤：使用往复运动 (reciprocation)将样本的第二部分微混合，其中作用在液体元件上的离心加速度首先产生并存储气动能量，然后气动能量通过降低离心加速度释放，从而导致液体流动方向反转，并对样本的第二部分施加交替顺序的高和低离心加速度，以在孵育/杂交过程中最大化抗体和抗原大分子之间的孵育/杂交效率。
举例示出的实施方案还包括用于测定样本中的分析物的便携式手持微流体读取器。具有可旋转的微流体盘或转子的读取器，包括：样本入口，其限定在盘中，样品插入其中；混合室，其限定在盘中，选择性地连通到样本入口，并提供有用于捕获分析物的具有与其连接的DNA标签的第一抗体；扩增室，其限定在盘中，选择性地连通到提供有用于捕获分析物的连接于表面的或具有与其连接的磁性纳米粒子(MNP)的第二抗体的混合室，其中在扩增室中形成包含表面或MNP、第一和第二抗体、分析物和DNA标签的多层结构；以及用于使用等温扩增复制DNA标签以产生预定量的DNA标签；检测器，其选择性地连通到扩增室，并提供在盘中用于测量复制的DNA标签的量；反应室，其用于接收样本的第二部分；微阵列，其放置在反应室中，用于使用微阵列选择性地探测样本的第二部分中与至少一种所选择的病毒相对应的抗体；以及荧光照相机，其用于读取微阵列以鉴定样本的第二部分中的抗体。
该检测器包括LED，用于激发盘CD-1上微阵列上的荧光团以进行测量，以及包括CMOS照相机，用于捕获由被激发的荧光团发射的光子。该设备还包括具有不同波长波段的两个滤波器，一个在荧光团和微阵列之间(750nm)，一个在微阵列和CMOS照相机之间(790nm)。两个滤波器的波段是分开的，并且在电磁光谱中不具有任何重叠，因此可防止来自发射LED的任何散射光影响由CMOS照相机进行的测量。
该检测器包括与CD-2一起使用的表面声波(SAW)检测器。该检测器含有所有必需的RF信号发生器和连接设备和盘的插入器，使得可在 SAW传感器上进行RF测量。
盘CD-3实现了在纳入的说明书中公开的LAMP等温PCR检测方法，其中流体样本基于初始样本中DNA的量而改变颜色。在举例示出的实施方案中，盘都不具有多于一种类型的检测器，但是本发明的范围扩展到可能提供具有不同类型的检测器的组合的盘。
在其中样本为血液样本并且读取器进一步包括血浆-血液分离室的实施方案中，该血浆-血液分离室具有连通到样本入口的入口以及用于将包括分析物的血浆从样本的第一部分传送到混合室以及从样本的第二部分传送到反应室的出口。
该检测器包括一个条形码读取器，用于扫描印刷在一次性盘包装上的条形码，以收集有关所进行的特定测试类型的信息。另外，该条形码读取器可读取智能设备屏幕或患者腕带上条形码，以识别和记录与特定患者相对应的结果。
该检测器包括TCP/IP Wi-Fi模块，用于将检测器收集的信息无线传输到云基础架构，并用于接收由云基础架构传输的信息，诸如患者信息、结果分析和软件更新。
该检测器包括用于数据传输和远程控制的蓝牙模块，用于结果的无线传输和检测器的无线操作。
该检测器包括电容性触摸屏，用于与检测器进行交互并且用于向用户显示测试的结果。该检测器屏幕含有图形用户界面，该图形用户界面包括必需的步骤，以指导用户完成收集样本、将微流体插入到设备中以及显示测试的最终结果的过程。
该检测器包括与微流体盘连接的珀尔帖温度控制元件，用于维持热平衡。
概括地说，本发明举例示出的实施方案包括一种在便携式手持仪器中对从受试者采集的样本进行诊断现场测试以确定病毒抗原和/或其抗体的存在的方法，其包括以下步骤：将该样本放置于仪器额可旋转盘的接收室中；根据样本的性质和该仪器中进行诊断测试的病毒抗原和/或抗体的相应检测手段，使用该仪器选择性地处理可旋转盘中的样本；使用该仪器中的相应检测手段检测样本中的病毒抗原和/或抗体的定量量度；生成检测到的对应于受试者的样本中的病毒抗原和/或抗体的定量量度的数据输出；将与受试者相对应的数据输出传送到基于云的数据库；在基于云的生态系统中比较分析与多个不同类型的病毒抗原和/或抗体相比的与受试者相对应的通信数据输出，以诊断，如果有的话，受试者最有可能携带或此前曾经携带过的病毒感染的类型；以及将比较分析的结果从基于云的生态系统传送给受试者。
该检测手段包括抗原和/或抗体荧光斑点的微阵列。使用仪器中的相应检测手段检测样本中的病毒抗原和/或抗体的定量量度的步骤包括：生成抗原和/或抗体荧光斑点的微阵列的彩色图像的图像文件的步骤。
在另一个实施方案中，该检测手段包括功能化表面声波检测器 (SAW)。使用仪器中的相应检测手段检测样本中的病毒抗原和/或抗体的定量量度的步骤包括：响应于由功能化表面声波检测器(SAW)直接捕获的或由对应于病毒抗原和/或抗体的功能化表面声波检测器(SAW) 间接捕获的病毒抗原和/或抗体的定量或对应于病毒抗原和/或抗体的由功能化表面声波检测器(SAW)间接捕获的聚合酶链反应(PCR)复制的 DNA标签的定量，生成RF相位延迟检测信号。
根据该样本的性质和在仪器中进行诊断测试的病毒抗原和/或抗体的相应检测手段，使用该仪器选择性地处理可旋转盘中的样本的步骤包括：进行ELISA血液测试检查免疫球蛋白G(lgG)和免疫球蛋白M(lgM) 抗体的步骤。
在另一个实施方案中，根据该样本的性质和仪器中进行诊断测试的病毒抗原和/或抗体的相应检测手段，使用该仪器选择性地处理可旋转盘中的样本的步骤包括：使用缀合的荧光标记通过直接或间接免疫荧光进行免疫荧光测定的步骤，其中抗体与抗原的缀合量与荧光产生源的量直接相关。
在另一个实施方案中，根据该样本的性质和仪器中进行诊断测试的病毒抗原和/或抗体的相应检测手段，使用该仪器选择性地处理可旋转盘中的样本的步骤包括：通过使用PCR进行快速DNA扩增以测量所述样本中遗传物质(DNA或RNA)的量并使用Taq聚合酶进行实时定量聚合酶链反应(RT-qPCR)的步骤。
根据该样本的性质和仪器中进行诊断测试的病毒抗原和/或抗体的相应检测手段，使用该仪器选择性地处理可旋转盘中的样本的步骤包括以下步骤：利用具有与其连接的DNA标签的第一抗体和具有连接的磁性纳米颗粒(MNP)的第二抗体捕获来自样本的第一部分的分析物，其中形成包含第一和第二抗体、分析物、MNP和DNA标签的多层结构；以及使用等温扩增将DNA标签扩增到预定量的DNA标签，其足以通过提供可由检测器可靠地检测的量来克服检测器的最小质量灵敏度限制；将样本的第二部分放置于微阵列上；使用微阵列选择性地探测样本的第二部分中与至少一种所选择的病毒相对应的抗体；以及使用荧光照相机读取微阵列以鉴定样本的第二部分中的抗体。
在另一个实施方案中，使用微阵列选择性地探测样本的第二部分中与至少一种所选择的病毒相对应的抗体的步骤包括以下步骤：将样本的第二部分在微阵列上孵育预定量的时间；放置荧光标记的第二Ab；清洗微阵列；以及干燥微阵列。使用荧光照相机读取微阵列以鉴定样本的第二部分中的抗体的步骤包括以下步骤：通过生成微阵列的彩色图像来检测样本的第二部分中的Ig同种型；以及将微阵列的彩色图像传送到云端以进行分析和/或数据处理。
在一个实施方案中，微阵列已被提供有刺突蛋白的受体结合结构域 (RBD)的DNA斑点，以及使用微阵列选择性地探测样本的第二部分中与至少一种所选择的病毒相对应的抗体的步骤包括以下步骤：使用提供有刺突蛋白的受体结合结构域(RBD)的DNA斑点和荧光团标记的ACE2 以及另一种荧光团标记的针对人IgG的第二抗体的微阵列进行中和抗体测定，以检测RBD抗体；清洗微阵列；以及干燥微阵列。使用荧光照相机读取微阵列以鉴定样本的第二部分中的抗体的步骤包括以下步骤：生成具有至少两种不同颜色的微阵列的彩色图像，一种颜色用于存在于样本的第二部分中的RBD抗体，另一种颜色用于ACE2，不含中和抗体或RBD 抗体的样本的第二部分是用ACE2荧光来检测，而含有RBD抗体或增加量的干扰ACE2-RBD结合的中和抗体的样本是用降低的ACE2荧光量来检测，其中在缺乏RBD抗体的情况下，可定量ACE2荧光的量用于相对中和活性；以及将微阵列的彩色图像传送到云端以进行分析和/或数据处理。
使用微阵列选择性地探测样本的第二部分中与至少一种所选择的病毒相对应的抗体的步骤进一步包括以下步骤：使用往复运动将样本的第二部分微混合，其中作用在液体元件上的离心加速度首先产生并存储气动能量，然后气动能量通过降低离心加速度释放，从而导致液体流动方向反转，并对样本的第二部分施加交替顺序的高和低离心加速度，以在孵育/杂交过程中最大化抗体和抗原大分子之间的孵育/杂交效率。
在基于云的生态系统中比较分析与多个不同类型的病毒抗原和/或抗体相比的与受试者相对应的通信数据输出，以诊断，如果有的话，受试者最有可能携带或此前曾经携带过的病毒感染的类型的步骤包括以下步骤：分析Covid-19抗原和/或抗体的阳性和/或阴性指示的微阵列的通信数据输出；比较Covid-19的阳性和/或阴性指示的通信数据输出与共享至少一些Covid-19抗原和/或抗体的多种病毒感染的微阵列的阳性和/或阴性指示的通信数据输出；以及确定阳性和/或阴性指示的通信数据输出是否在统计学上指示Covid-19，而不是共享至少一些Covid-19抗原和/或抗体的多种病毒感染，使得假阳性和/或假阴性大大降低。
确定阳性和/或阴性指示的通信数据输出是否在统计学上指示 Covid-19，而不是共享至少一些Covid-19抗原和/或抗体的多种病毒感染的步骤包括：确定阳性和/或阴性指示的通信数据输出的相应Z得分是否指示Covid-19，而不是共享至少一些Covid-19抗原和/或抗体的多种病毒感染的Z得分的步骤。
比较Covid-19的阳性和/或阴性指示的通信数据输出与共享至少一些 Covid-19抗原和/或抗体的多种病毒感染的微阵列的阳性和/或阴性指示的通信数据输出的步骤包括以下步骤：比较Covid-19的阳性和/或阴性指示的通信数据输出与选自SARS-CoV-2、SARS-CoV、MERS-CoV、普通感冒冠状病毒(HKU1、OC43、NL63、229E)，以及流行性感冒、腺病毒、偏肺病毒(metapneumovirus)、副流感病毒和/或呼吸道合胞病毒的多种亚型的多种急性呼吸道感染的微阵列的阳性和/或阴性指示的通信数据输出。
确定阳性和/或阴性指示的通信数据输出是否在统计学上指示 Covid-19，而不是共享至少一些Covid-19抗原和/或抗体的多种病毒感染，使得假阳性和/或假阴性大大降低的步骤包括：使用接收者操作特征 (ROC)曲线对抗原进行评估，以区分整个测定截断值范围内的阳性组抗原与阴性组抗原的输出数据，其中测量曲线下面积(AUC)以确定诊断Covid-19的高性能抗原的步骤。
确定阳性和/或阴性指示的通信数据输出是否在统计学上指示 Covid-19，而不是共享至少一些Covid-19抗原和/或抗体的多种病毒感染，使得假阳性和/或假阴性大大降低的步骤包括：基于针对多种高性能抗原的组合计算的相应约登指数(Youden index)，从多种高性能抗原的组合中确定Covid-19的最佳灵敏度和特异性的步骤。
本发明举例示出的实施方案的范围还延伸到用于测定样本中的分析物的便携式手持微流体读取器，该读取器具有可旋转的微流体盘。该读取器包括：样本入口，其限定在盘中，样品插入其中；混合室，其限定在盘中，选择性地连通到样本入口，并提供有用于捕获分析物的具有与其连接的DNA标签的第一抗体；扩增室，其限定在盘中，选择性地连通到提供有用于捕获分析物的连接于表面的或具有与其连接的磁性纳米粒子 (MNP)的第二抗体的混合室，其中在扩增室形成包含表面或MNP、第一和第二抗体、分析物和DNA标签的多层结构；以及用于使用等温扩增复制DNA标签以产生预定量的DNA标签；检测器，其选择性地连通到扩增室，并提供在盘中以测量复制的DNA标签的量；反应室，其用于接收样本的第二部分；微阵列，其放置在反应室中，用于使用微阵列选择性地探测样本的第二部分中与至少一种所选择的病毒相对应的抗体；以及荧光照相机，其用于读取微阵列以鉴定样本的第二部分中的抗体。
在一个实施方案中，该检测器为表面声波(SAW)检测器。
在一个实施方案中，该样本为血液样本且该读取器包括血浆-血液分离室，该血浆-血液分离室具有连通到样本入口的入口以及用于将包括分析物的血浆从样本的第一部分传送到混合室以及从样本的第二部分的传送到反应室的出口。
举例示出的实施方案还可以表征为用于测定样本中的分析物并用于在云生态系统中运行的便携式手持微流体读取器。该读取器具有可旋转的微流体盘并包括：盘中的流体电路，样本被放置于该流体电路中并被处理；微阵列，其具有放置在流体电路中的多个荧光标记的抗原和/或抗体探针，用于选择性地探测样本中与至少一种所选择的病毒相对应的抗体和/或抗原；荧光彩色相机，其用于使微阵列成像以鉴定样本中的抗体和/或抗原；以及电路，其用于生成与微阵列图像相对应的输出数据，以定量样本中所探测到和检测到的抗原和/或抗体的量，并将输出数据传送到云生态系统。
该便携式手持微流体读取器进一步包括基于云的数据库和处理器的组合，用于接收来自该读取器的输出数据并根据样本中所探测到和检测到的抗原和/或抗体在统计学上诊断当前的病毒感染或过去的病毒感染的证据。
虽然为了语法上的流畅性已经或将要通过功能性说明来描述设备和方法，但是应当明确地理解，除非根据35USC 112明确提出，否则权利要求书不应被解释为必须以任何方式由“方式”或“步骤”限制结构来限制，而应根据等同原则给予由权利要求所提供的定义的含义和等同方案的全部范围；以及在根据35USC 112明确提出权利要求的情况下，应根据35USC 112给予全部法定等同方案。现在通过以下附图(其中类似的元件用类似的数字表示)更好地示出本公开内容。
附图说明
本专利或申请文件含有至少一张以彩色绘制的附图。在请求并支付必要的费用后，将由官方提供具有彩色附图的本专利或专利申请公开文件的副本。
图1a和1b是示出了通过冠状病毒抗原微阵列上的血清样本的荧光强度对比频率测量的IgG血清反应性的图。该阵列包埋于Optikus平台的盘CD-1中。图1a是并排显示的对应于多种病毒的荧光光谱区段。图1b是光谱的Covid 19、SARS-Cov和MERS-Covid部分的放大图。
图2a和2b是冠状病毒抗原微阵列的热图。该热图示出了图2a的IgG 和图2b的IgA的反应性，其测量为四个重复样本的平均荧光强度，对比微阵列中组织成由病毒编码的行颜色的每个DNA斑点，组织成列的血清被分类为阳性或红色(来自PCR阳性个体的恢复期病人)或阴性或蓝色 (在大流行之前来自未感染个体)。反应性在热图下方用颜色表示(白色＝低，黑色＝中，红色＝高)。
图3是在冠状病毒抗原微阵列上阳性和阴性血清的归一化IgG反应性的图。该图示出了针对每种抗原的IgG活性，其测量为来自PCR阳性个体的康复期血清(阳性，红色)和来自大流行之前未感染个体的血清(阴性，蓝色)的具有全范围(柱)和四分位差范围(框)的平均荧光强度(MFI)。在图下方，热图示出了每组的平均反应性(白色＝低，黑色＝中，红色＝高)。抗原标记是针对呼吸道病毒组的颜色编码。
图4是处理病毒样本以定量感染后诱导的抗原特异性抗体应答的 Optikus II的透视，部分透明的视图。样本制备步骤(取决于测定法)包括：样本进入，血液-血浆分离，血浆隔离，扩增或孵育洗涤以及测量(病毒的SAW感测和抗体的荧光强度检测)。
图5是举例示出了在实验室的台式机上进行的微阵列中的测定程序的图。
图6是举例示出了使用抗原阵列的血液中抗病毒Ab检测或抗体阵列上的鼻分泌物中的病毒抗原检测的方法的图。
图7是使用采用RBD抗原的阵列的抗体中和测定法的方法的图。
图8a是盘CD-1中的流体系统的示意图。图8b是在每个阵列元件处捕获抗体的示意图。反应室容纳有斑点蛋白阵列。
图9是比较了使用具有不同孵育时间的往复式流动系统开发的IgG微阵列的强度与使用人工方法以1小时的孵育时间开发的IgG微阵列的强度的实验结果的图。
图10a-10c的图比较了在举例示出的实施方案中用于孵育的往复式流动相对于单流和被动扩散的特征。
图11是盘CD-1中蛋白质阵列的举例示出的实施方案的荧光生物传感器的图，其下方具有用于信号读出的CMOS激光/二极管芯片。
图12是举例示出将血液样本吸入其中的微量刺血针和300μL微量采血管的图。
图13a-13f是可容纳鼻拭子，切割鼻拭子，用缓冲液和裂解珠重悬，释放试剂，进行细胞裂解，并将样本排空到盘上的圆锥体的横截面视图。
图14是在盘CD-2中包括两个SAW检测器、相应流体电路和RF插入器的CD转子的图。
图15是Optikus II云基础架构的图。
图16是举例示出使用云基础架构的Optikus II的使用方法的图。
图17是新型冠状病毒的结构的图。
图18a-18d是使用微阵列的样本中IgG和IgM检测的个体患者的荧光得分以及相应Z得分统计学的图。红线是用于评估测量是否为阳性的平均阳性结果。蓝线是阴性结果的平均值。红线对应于通过PCR额外确认的平均血清反应阳性结果。蓝线对应于通过PCR确认的平均血清反应阴性结果。如果患者的IgG柱状图看起来像红线，则他们测试阳性，如果它看起来像蓝线，则他们测试阴性。
图18a是几种病毒，即SARS-CoV2、SARS、MERS、普通CoV、流行性感冒、ADV、MPV、PIV和RSV的IgG的荧光得分，作为如图 18c的x轴所列的的微阵列上DNA斑点的函数的图。
图18b是几种病毒，即SARS-CoV2、SARS、MERS、普通CoV、流行性感冒、ADV、MPV、PIV和RSV的IgM的荧光得分作为如图18d 的x轴所列的的微阵列上DNA斑点的函数的图。
图18c是几种病毒，即SARS-CoV2、SARS、MERS、普通CoV、流行性感冒、ADV、MPV、PIV和RSV的IgG读数的Z得分统计学作为如x轴所列的微阵列上DNA斑点的函数的柱状图。
图18d是几种病毒，即SARS-CoV2、SARS、MERS、普通CoV、流行性感冒、ADV、MPV、PIV和RSV的IgM读数的Z得分统计学作为如x轴所列的微阵列上DNA斑点的函数的柱状图。
图19是具有暴露的微流体舱的Optikus读取器的俯视透视透明视图。
图20a是通过CMOS照相机进行微阵列测定和检测的LED激发的侧视图。图20b是具有LED发射滤波器和叠加的照相机陷波滤波器光谱的样本的激发光谱和发射光谱的透射光谱。
图21是Optikus中用于微阵列测量的电子组件的框图。
图22是示例性使用云生态系统与设备连接，接收数据，计算结果并将结果返回给设备的框图。
图23是具有SAW传感器作为检测器的仪器的框图。
图24是具有光学传感器作为检测器的仪器的框图。
图25是用于免疫PCR的盘CD-3的图，其举例示出了在盘上进行的步骤顺序。
图26为表1，其示出了图18a中所示的IgG的荧光强度结果，图18c中的荧光结果的Z得分统计，图18b所示的IgM的荧光强度结果以及图18d的荧光结果的Z得分统计。
图27为表2，其示出了高性能抗原组合的性能数据
图28示出了Optikus II-Serology-PCR设备。
图29示出了Optikus II SAW设备。
现在，通过作为权利要求中限定的实施方案的举例示出的实例呈现的优选实施方案的以下详细描述，可以更好地理解本公开内容及其各种实施方案。应当清楚地理解，由权利要求书限定的实施方案可以比下面描述的举例示出的实施方案更宽泛。
具体实施方式
在过去的几十年中，不断增加的新发传染病数量在全球范围内已经导致严重的社会和经济影响。尤其是，农业第三世界社区经历了传染病的高度暴露，但在医疗保健获取方面也面临众多挑战。然而，病原体并不知道国界，并且任何地方的新的疾病暴发都会影响所有地区的人们。支持对来自全球范围内相互连接的护理点(POC)网络的医学诊断检测结果的解释的专家策划知识，软件和服务是人类可以期望保持充满活力的经济和高度流动的社会的唯一途径，所述护理点网络跟踪并防止快速传播传染病大流行。
通过首先直接测量病原体和病原体抗体，举例示出的实施方案所公开的方法克服了与当前可利用的COVID-19诊断设备相关的问题。 SKC-Optikus-2020执行上述所列的所有三种类型的测量。不同类型的测试需要不同类型的小型或微流体盘(CD)形状的一次性盒，即用于ELISA 的盘29，CD-1，用于免疫荧光或SAW检测的盘31，CD-2，以及用于 RT-qPCR的盘26，CD-3。盘29CD-1上的蛋白质阵列可在少于10分钟内进行。盘31CD-2上的直接病毒测试耗时少于12分钟。首先在盘29 CD-1上进行抗体测试，然后在发现病原体抗体时进行相关的病原体测试(使用盘31CD-2或盘26CD-3)。
盘29CD-1中的“多重抗体阵列”提供了个体的病毒“暴露指纹”，反映了过去的暴露和疫苗接种史的“传统抗体谱”。这种阵列分析方法数据丰富的多(例如每个阵列为具有4个重复样本的67个抗原)，并且比目前用于测量抗病毒的抗体中的横向流动测定法更定量。为了了解这一点，本发明人在图1中显示了从COVID-19华盛顿州2020年爆发的血液样本中获得的阳性和阴性2019nCOV阵列灵敏度IgG结果。
第二，结合图13a-13f描述的样本收集设备100被直接偶联到一次性小型盘中。样本制备步骤被集成在流体盘上，并且如结合图15所描述的，实现了基于云的数据处理。
先前已开发出含有人和动物抗体以及来自多于35种医学上重要病原体的抗原的高通量克隆和构建微阵列12，该重要病原体包括细菌、寄生虫、真菌和病毒(诸如牛痘、猴痘、疱疹1和2、水痘带状疱疹、HPV、 HIV、登革热、流行性感冒、西尼罗河、基孔肯雅病、腺病毒和冠状病毒)。 DNA微阵列12(也通常称为DNA芯片或生物芯片)是连接到固体表面的微观DNA斑点的集合。DNA微阵列12用于同时测量大量基因的表达水平或用于对基因组的多个区域进行基因分型。每个DNA斑点都含有皮摩尔(10-12摩尔)的特定DNA序列，称为探针(或报道分子或寡核苷酸)。这些可以是用于在高严格条件下杂交cDNA或cRNA(也称为反义DNA)、样本(称为靶标)的基因或其它DNA元件的短片段。通常通过检测荧光团、银或化学发光标记的靶标来检测和定量探针-靶标杂交，以确定靶标中核酸序列的相对丰度。最初的核酸阵列是约9cm×12cm的宏阵列，以及第一个基于计算机图像的分析发表于1981年。本发明人已经探测了来自感染病原体的人类和动物的超过25000个样本，并鉴定了超过1000种针对这些病原体的免疫显性和候选疫苗抗原。本发明人已经表明，印刷在这些阵列12上的单个蛋白质/抗体捕获存在于来自感染的个体的血清中的抗体和/或抗原，并且可使用荧光第二抗体定量所捕获的抗体的量。
以此方式，可确定感染或暴露后产生的抗体的综合概况，该综合概况以感染类型和疾病阶段为特征。可生产阵列12，并进行大量探测(每天 >500个血清或血浆样本)，而每个样本消耗<2μl。这种微阵列方法使研究人员能够评估大量样本的抗体库，而其它技术无法实现。
构建了冠状病毒抗原微阵列12(COVAM)，其含有引起急性呼吸道感染的67种抗原。印刷在该阵列12上的病毒抗原来自流行性冠状病毒，其包括SARS-CoV-2、SARS-CoV、MERS-CoV、普通感冒冠状病毒 (HKU1、OC43、NL63、229E)，以及流行性感冒、腺病毒、偏肺病毒、副流感病毒和呼吸道合胞病毒的多种亚型。如图3的图所示，该阵列12 上的SARS-CoV-2抗原包括刺突蛋白(S)、受体结合(RBD)S1和S2 结构域、完整蛋白(S1+S2)和核衣壳蛋白(NP)。阵列上呈递一个类似的来自SARS-CoV、MERS-CoV和四种普通感冒冠状病毒的抗原的组。
为了确定SARS-CoV-2感染的抗体谱，评估了来自PCR阳性个体(阳性组)的SARS-CoV-2康复期血液样品和在COVID-19大流行之前收集的来自未感染个体(阴性对照组)的血清对这些抗原的差异反应性。如图 2a和2b的热图所示，阳性组对SARS-CoV-2抗原为高反应性。IgG比IgA 更明显。尽管阴性对照对普通感冒冠状病毒抗原表现出高反应性，但不与SARS-CoV-2、SARS-CoV或MERS-CoV抗原反应。如图2a和2b所示，阳性组对SARS-CoV-2NP、S2和S1+S2抗原呈现出高IgG反应性，而对 SARS-CoV-2S1的反应性程度较低。阳性组还表明了针对SARS-CoV NP、 MERS-CoV S2和S1+S2抗原的高IgG交叉反应性，而阴性组则表明了与来自SARS-CoV-2和MERS-CoV的S1+S2和S2抗原的低交叉反应性且没有针对其它SARS-CoV-2抗原的交叉反应性。
表1含有图18a所示的IgG的荧光强度结果，图18c中的荧光结果的 Z得分统计，图18b所示的IgM的荧光强度结果以及图18d的荧光结果的Z得分统计。Z得分示出了已确认的阳性IgG或IgM样本高于或低于平均阴性结果的标准差。统计学显著的z得分(5或更高)具有阴影数字。
然后使用接收者操作特征(ROC)曲线对抗原进行评估，以区分整个测定截断值范围内的阳性组与阴性组，其中测量曲线下面积(AUC)。如表1所示，ROC AUC>0.85限定了用于检测IgG的高性能抗原。四种抗原被列为高性能抗原：SARS-CoV-2NP、SARS-CoV NP、 SARS-CoV-2S1+S2和SARS-CoV-2_S2。额外的高性能抗原包括 SARS-CoV-2S1(具有小鼠Fc标签)和RBD，以及MERS-CoV S2。还基于约登指数评估了该7种高性能抗原的最佳灵敏度和特异性。Youden的J统计量(也称为约登指数)是捕获二分法诊断测试的性能的单个统计量。信息性是其对多类情况的概括，并评估明智决定的概率。可以看出SARS-CoV-2S1的灵敏度最低，这与阳性组中对该抗原的相对较低的反应性相关。可以看出SARS-CoV-2S2的特异性最低，这与在阴性组的亚组中看到的对该抗原的交叉反应性相关。为了评估通过组合抗原获得的性能提升，在计算机上对七个高性能抗原中最多达四个的所有可能组合进行了性能测试，以区分阳性和阴性组。计算每种组合的AUC、灵敏度和特异性的ROC曲线。通过组合两种或三种抗原，性能明显提高。对于IgG，使用SARS-CoV-2S2和SARS-CoV NP的两个抗原组合实现了最佳区分，在加入具有小鼠Fc标签的 SARS-CoV-2S1时具有相似性能(AUC＝0.994，特异性＝1，灵敏度＝0.944)。第四种抗原的加入降低了性能。
表2示出了高性能抗原组合的性能数据。对于所列的每个单独抗原，得出了基于约登指数的ROC，AUC值、灵敏度和特异性，用于区分阳性和阴性血清，并且线上方标出ROC AUC>0.86的高性能抗原。
图18a-d示出了单个确认的阳性患者结果的实例。图18a显示了血清中各种IgG抗体的归一化荧光强度，两条线示出了确认的阳性(上方)和确认的阴性(下方)的平均结果。图18b示出了血清中各种IgM 抗体的归一化荧光强度，两条线显示了确认的阳性(上方)和确认的阴性(下方)的平均结果。图18c示出了在阳性和阴性结果之间的IgG 抗体的标绘的Z得分，三条虚线代表轻度、中度和显著应答的各种Z 得分阈值。图18d示出了在阳性和阴性结果之间的IgM抗体的标绘的 Z得分，三个虚线代表轻度、中度和显著应答的各种Z得分阈值。
通过使用当前的COVID-19大流行作为最紧迫的目标，本发明人解决了建立疾病筛查、解释和预防目标的一些最紧迫的需求。现有的POC COVID-19检测平台归结为三类：1)酶联免疫吸附测定法(ELISA)，免疫荧光测定法，2)实时定量聚合酶链式反应(RT-qPCR)，以及3) 胸部X射线。由于护理点方法和设备是本公开内容的重点，因此本文不讨论胸部X射线。
Optikus II
本发明人已经开发出一种快速、便携式诊断筛查设备，该设备由图4的透视图中所示的仪器10所表示，针对大量不同的测定靶标，在手持仪器10中使用小型盘(CD)微流体来自动地将样本引入盒中(毛细血管或拭子)，进行样本准备(例如计量、稀释、血液血浆分离和细胞溶解)，进行试剂存储并且使用SAW传感器90(用于直接病毒测量)和荧光照相机89(用于蛋白质阵列测定)进行定量测量。图4 中还示出了微流体盘接口11，其包括在纳入的说明书中更好地描述的 Z级运动平台13和盘主轴电机154、SAW RF罩(shield)15、多功能按钮17、SD卡35、USB端口19、扬声器和麦克风21、触摸显示器 23和状态LED 33。
Optikus仪器10在图19所示的盘CD-1中还含有热电加热和冷却或珀尔帖元件142，以及盘CD-1中的温度控制机械装置(未示出)，用于直接在微流体盘26(CD-3)上使用热循环或等温扩增进行RNA 和DNA扩增。Optikus平台在通过改变微流体盘设计和测定组件来快速适应新测试的能力方面是独特的。例如如纳入的说明书中所述的， Optikus II用盘29，CD-1(用于用SAW进行Elisa检测)和盘31， CD-2(用于免疫荧光检测)进行了两个COVID-19测试集。如纳入的说明书中所述，第三个盒(用于RT-qPCR的CD-3)的开发也在本发明的预期范围内。本说明书主要涉及配置为使用盘31，CD-2中的微阵列12进行免疫荧光检测的仪器10的公开内容。图19中的仪器10具有必需的电路和检测器，以容纳或操作所有三种类型的盘26、29和31，以进行使用SAW的Elisa检测、免疫荧光检测和RT-qPCR。
Optikus II读取器10含有各种额外的组件，用于使用各种类型的生物传感器和微流体CD进行测量。图19示出了微流体组件舱136打开的Optikus II读取器10的俯视透明透视图，Optikus II读取器10包括用于烧蚀微流体CD 26、29、31中的各种微阀的激光器138，用于使用SAW检测器90进行RF测量的SAW RF插入器140，用于调节盘上的温度的各种珀尔帖元件142以及用于进行各种荧光成像测量的 CMOS照相机89。
图23是仪器10的高级框图，其中SAW读取器135偶联到传感器接口137，并向SAW 90提供RF激发信号。读取器135包括USB接口、电源、串行数据接口、显示控制和无线通信。盘CD-2上的微流体的控制由读取器135通过微流体控制器133控制，该微流体控制器133 包括激光器和盘电机的处理器控制。图23的仪器10的详细操作在纳入的说明书中列出。
图24是仪器10的高级框图，其中血清学-PCR读取器129偶联到照相机131。该高级框图举例示出了具有照相机131的读取器129如何既用作血清学溶液的照相机，又用作化学发光PCR溶液的读取器。读取器129可进行PCR和血清学。在举例示出的实施方案中的读取器129 是基于Raspberry PI单板计算机，并且包括USB接口、电源、串行数据接口、显示控制和无线通信。盘26，CD-3上的微流体的控制是由读取器129通过血清学微流体控制器127控制，该血清学微流体控制器 127包括激光的处理器控制、盘电机以及珀尔帖元件142的热电(TEC) 加热和冷却控制。图23的仪器10的详细操作在纳入的说明书中列出。
图25是盘26，CD-3和在其上自动化进行的免疫PCR步骤的图示。类似的步骤详细记载在纳入的说明书中。在步骤65中，从手指刺伤采集的血液样本放置于样本室67中。在血液血清分离步骤61中，血液和血清在血液-血清分离室63中自动化分离。在步骤57中，将血清转移到混合室59中，与靶标53抗体DNA复合物混合并缀合到靶标53 抗体DNA复合物。缀合的靶标53被转移到混合和复制室55，其中缀合的靶标53与具有DNA标签的抗体-磁性纳米颗粒(MNP)复合物(如在纳入的说明书中更充分描述的)混合并缀合。在步骤47中，血浆通过转移到血浆废料室49中而被去除。在步骤46中，从洗涤槽45通过室59递送到室55的缓冲液去除了未缀合的DNA。在步骤77中，将缀合的抗体-靶标复合物重悬在从扩增缓冲液室79供应到室55的扩增缓冲液中。然后在复制或PCR步骤81期间在室55中进行等温扩增。然后在步骤103中，将复制的DNA标签转移到并结合在成像室87中。如果需要改善成像结果，可进行可选的洗涤和旋转干燥步骤105，以将未结合的DNA标签移除至废料室107。在纳入的说明书中提供了关于图25所示的方法的额外支持细节。
图21是用于读取盘29，CD-1的Optikus仪器10的微阵列读取器 134中使用的电路的框图。在纳入的说明书中详细讨论了利用SAW 90 作为检测器的读取器所用电路的类似框图。盘29被示出示意性地包括上样室70，样本从上样室70被转移至血液-血浆分离室72。磁性标记的元件由磁体/腔体153作用并通过光和磁场感测，该磁场通过磁和偶联到微处理器148的光索引驱动器157控制。磁体153用作分度器 (indexer)，由此每次盘29中的磁体153经过磁传感器(未示出)时，盘29的位置可通过读取器134检查。然后将盘位置与电机154上的索引进行比较，并且如果需要进行校正。因此，可用在盘29上的光学传感器和反光贴纸或磁体以及磁场传感器来得到电机外分度器。
当分离的血浆被从室72转移时，通过偶联到LED驱动器73的光电检测电路71测量血浆，并通过运算放大器75放大返回的信号，其中的电路73和75都偶联到微处理器148并由其控制。通过均由微处理器148控制的激光驱动器139和运算放大器141控制用于选择性打开盘29中的阀门的激光器138。处理后的样本被转移到盘29中的反应检测室76中，其中处理后的样本与微阵列12上的DNA斑点反应。照相机164拍摄微阵列12的彩色照片，并且图像通过图像信号处理器166 被传送到微处理器146。如结合图22进一步描述的，在存储于RAM 存储器147和快闪存储器149中的程序控制下，时钟处理器146格式化微阵列数据，并通过无线模块168将其传送到云服务器106。
读取器134由两个微处理器146、148控制，一个处理器146位于现有(OTS)主板150上，一个处理器148位于微流体板152上。微流体板152上的微处理器148通过电机驱动器155控制具有编码器的主轴电机154，控制由电机驱动器159驱动的具有编码器的减速电机 156和通过低通滤波器161偶联的限位开关158，其中电机156使盘29 旋转，并允许将其放置在选定的或受控的角位置以进行测量。微流体板152通过LED驱动器162控制IR LED 160以激发荧光团。CMOS 照相机89是通过图像信号处理器166由主板OTS 150控制。主板OTS 150控制Wi-Fi模块168，蓝牙模块(未示出)，数字显示器170和电源接口172。在存储在存储器151中的程序控制下运行的微处理器148 使用温度和湿度传感器145来调节盘29内的环境依赖性操作。
盘26，CD-3和盘31，CD-2使用的类似电路图包括在附录中，此处不作进一步的讨论。
测定-蛋白质阵列
蛋白质微阵列12利用Optikus II仪器10的探针，并分析靶标以定量任何微生物感染后诱导的抗原特异性抗体应答。在阵列12中，已使用印刷在蛋白质微阵列12上的DNA斑点对来自35种传染原的约 70,000种蛋白质进行探测和分析。阵列12已经用来自传染病病例和对照的数千个血清样本进行探测，以鉴定感染后诱导抗体的特异性抗原。由于迫切需要了解周围环境中谁已经暴露于病毒，预测谁容易受到严重、轻度和无症状的感染，鉴定谁已经暴露并具有保护性Ab，以及谁在不知不觉中将感染传播给近距离接触者，因此该阵列12现在与冠状病毒爆发特别相关。这种血清监测数据可以定位当地人群中存在传染原并应当集中公共卫生缓解和控制措施的“热点”。
当前的开放式台式工作流程在图5中举例示出为四个步骤：1)微阵列印刷步骤14，2)探测步骤16，3)成像步骤18和4)分析步骤 20。微阵列12用于定量和鉴定感染后诱导的Ab应答。当前，图5中确定的每个步骤的容量如下。印刷步骤14使用每天可将140万个蛋白质抗原斑点22印刷到4,800个微阵列上的常规的蛋白质微阵列印刷设备。探测步骤16是台式探测方法，其通过将特定的荧光标签24、27 缀合到相应抗体23、25上使得每天在微阵列12上探测5万份血清样本。定量或成像步骤18使用机器人激光扫描仪以定量结合到印刷在阵列12上的抗原的Ab的水平。分析步骤20使用软件以组织并帮助解释阵列12的测试结果28(参见图1a和1b中的实例)。
在CD上使用的测定修饰步骤
为了将参照图5描述的微阵列测定改造为适于仪器10的基于CD 的流体平台，制备了含有来自或针对以下病毒的抗原或抗体的微小抗原和抗体阵列12：SARSCoV-2、SARS-CoV-1、MERS、流行性感冒、腺病毒、副流感病毒、偏肺病毒和呼吸道合胞病毒。整个探测过程需要约15分钟。简而言之，在图6的步骤32中，将用于检测抗原阵列 12上的抗体的10μl血浆或用于检测抗体阵列12上的病毒抗原的鼻拭子样本直接放置在干燥的预封闭阵列12上。在孵育5分钟后，在步骤 34中，添加10μl荧光标记的第二Ab，同时将样本推出阵列室。在步骤36中洗涤阵列12，在步骤38中离心至干燥，然后在步骤40中准备使用荧光照相机针对来自血浆样本的不同Ig同种型捕获多达三种颜色的图像。然后将图像发送到云端以进行分析。
图20a是举例示出用CMOS荧光照相机89在盘29中进行的微阵列12的荧光测量的图。LED 91发射荧光激发光子，其穿过具有750nm 的带通峰的初级发射滤波器84。过滤后的激发光子与安装在携带荧光团微阵列12的硝酸纤维素膜85上的微阵列12相互作用。样本与微阵列12在反应室56内相互作用。然后激发的或诱导发射的荧光光子穿过以790nm为中心的照相机陷波滤波器83，然后由CMOS彩色照相机89收集，并将其发送到微阵列读取器134，以进行处理并传送到云服务器106。
图20b显示荧光团或激发光谱41的吸收与荧光团或发射光谱43 的发射的光谱图。叠加在激发光谱41和发射光谱43上的为LED激发滤波器84和陷波滤波器83的带通。滤波器84将来自LED 91的激发光限制在与微阵列12上的DNA斑点22的荧光团激发光谱的下半部分重叠的波长范围内。陷波滤波器83将由照相机89接收的波长限制到发射光谱43的更大范围内，而与滤波器84的带通完全不重叠。因此，由照相机89产生的彩色图像仅是微阵列12的DNA斑点22中的激发荧光团的彩色图像，而不是来自激光器91的任何激发光的彩色图像。
此外，该图表明了限制LED激发与CMOS照相机检测的边界的两个截断滤波器的存在。
替代地，如图7中图示地描绘的，阵列12还可被改造为适于开发中和抗体测定。在步骤42中，用来自患者的血浆样本和荧光团标记的 ACE2(例如Alexa Fluor 488)探测点样有刺突蛋白的受体结合结构域 (RBD)的阵列12，在步骤44中，添加另一种荧光团(例如Alexa Fluor 647)标记的针对人IgG的第二抗体(用于检测样本中的RBD抗体)，同时将样本推出阵列室。然后在步骤6中洗涤阵列12，在步骤48中离心至干燥，并在步骤50中准备分别捕获存在于患者样本中的RBD抗体和ACE2的两种颜色的图像。不含有中和抗体或RBD抗体的样本用 ACE2荧光检测，而含有RBD抗体或增加量的干扰ACE2-RBD结合的中和抗体的样本使用降低的ACE2荧光量来检测。在血浆样本中不存在 RBD抗体的情况下，可定量ACE2荧光的量用于相对中和活性。血清样本可直接应用于CD平台并进行图像采集处理。这简化了流体系统的设计。
适于CD-1中部署的蛋白质阵列测定法改造
尽管图5-7中举例示出的方法在实验室环境中效果很好，但它有一些局限性，这阻碍了其更广泛的现场部署。例如，在POC环境中使用打开的孔(open well)显然是不可能的，并且在这样的环境中激光扫描仪的成本也很高。相反，本发明人已经开发了一个10分钟自动化 POC冠状病毒抗原微阵列，其中每个一次性流体盘CD-1盒都装有一个阵列。为了定量，使用数字荧光显微镜。为了实现此方案，蛋白质阵列印刷与上面所公开的相同，除了本发明人现在必须将方法应用于大的商业放大生产。
阵列切割
尽管通常在基板上以批量生产的方式制造多个阵列12，但是连接到相应硝酸纤维素膜片上的每个盒(盘CD-1)使用单个阵列12。用于整合到盘CD-1中的阵列12同时探测来自12种已知冠状病毒，以及几种类型的腺病毒、RSV、偏肺病毒、副流感病毒和流感病毒的60种抗原。该测试可揭示IgG、IgA和IgM对不同病毒的血清反应活性，并且可用于确定SARS-CoV-2的血清阳性率。
CD流体
图8a和8b示出了用于低成本和高通量自动化免疫测定处理的CD 系统。一次性免疫测定盘设计包括基于往复运动机制实现非常高效的微混合的流体结构，其中作用在液体元件上的离心加速度首先产生并存储气动能量，然后气动能量通过降低离心加速度释放，从而导致液体流动方向反转。通过交替顺序的高和低离心加速度，该系统使盘内的液体往复流动以在测定的孵育/杂交阶段最大化抗体和抗原大分子之间的孵育/杂交效率。图8a中显示了在每个阵列元件处的流体系统52和抗体捕获54的示意图。图8a中的反应室56容纳有斑点的蛋白阵列12。该样本被上样到CD的上样室58中，并通过离心力被转移到上部室60中。样本还通过导管66转移到反应室56，其中样本由阵列12探测。过量的样本被转移到虹吸管62并在废料室64中处理。
为了进行概念验证，本发明人通过制作伯克霍尔德菌(Burkholderia) 抗原的阵列并用感染的和未感染的血清探测它们来建立免疫筛选实验。在溶液中无色的样本特征酶通过第二和第一Ab与阵列12上捕获的抗原缀合。该产物以深蓝色沉淀物形式发出荧光。伯克霍尔德菌是一种攻击人类呼吸系统并引起类鼻疽的细菌病原体。症状可包括胸部、骨骼或关节疼痛，咳嗽，皮肤感染，肺结节。
推动免疫测定法小型化和自动化的主要考虑因素是试剂(诸如抗体和抗原)的高成本，合格劳动力的高成本以及涉及较长的测定时间。基于概念验证的结果，本发明人已经证明，通过使用所述的往复运动流体系统，本发明人能够进行免疫测定，同时试剂消耗减少约75％，且测定时间减少约85％。参见图9。
盘CD-1中实施的系统被简化，因为：(1)可使用血液样本，(2) 使用荧光代替吸收测量，使得不需要计时，并且(3)使用廉价的数字荧光显微镜进行定量。
图10a-10c是示出了模拟结果的图。图10a比较了三种孵育方式：单流通、往复式流动和人IgG抗原与山羊抗人IgG抗体之间的被动扩散。图10b示出了抗体浓度对复合物形成速率的影响。随着分析物的初始浓度降低，抗原-抗体复合物形成减少并在较长的时间内达到平衡状态。图10c示出了流动雷诺数对复合物形成速率的影响。随着流动速度提高，抗原-抗体复合物形成增加并更早达到平衡状态。对于初始浓度更小的抗体，这种差异更明显。
除往复运动以外，本发明人在盘CD-1上实现的其它流体功能为： 1)样本计量，2)血液血浆分离和3)荧光检测。在图11中，用蛋白质阵列12和包括位于CD下方的用于信号读出的激光二极管和CCD 检测器的CMOS芯片对这些功能进行了说明。该样本被上样到CD的样本上样室70中，并通过离心力被转移到血液-血浆分离室72中。携带血浆的靶标通过虹吸管74被转移到反应检测室76中(其可选择性地与来自室78装有阀的清洗缓冲液任选地连通)，与金纳米粒子任选地缀合以用于室80的质量增大并与室82的气穴任选地缀合以用于往复运动。通过使用指向腔室76中的阵列12上的650nm二极管激光器实现检测，其由位于CD下方的Si-CCD阵列读取。
在图12中，本发明人示出了如何从手指刺伤中采集血液样本并将其收集在300μL微量采血管88(CB 300)中。血滴39利用可伸缩的微毛细管37通过手指刺伤吸取并吸取到腔71中。将微毛细管37可伸缩地吸取到腔71中并用盖68密封微量采血管88。当将样本递送到盘 26、29或31时，微毛细管37可伸缩地延伸，并且来自腔71的血液通过毛细作用经由微毛细管37转移到CD转子86的样本上样室70中，其中第一步涉及如上所述的样本体积计量和血液血浆分离。
适于CD-2中部署的直接COVID-19测定改造
如果盘29CD-1上的结果为对病毒抗体的存在呈阳性，则将CD-2 盘31用于快速(<12分钟)的护理点诊断测试，用于从鼻拭子样本中直接检测COVID-19。CD-2利用表面声波生物传感器90(SAW)进行直接COVID-19检测。在过去，SKC SAW传感器90已经成功地检测出多种受到高度关注的细菌和病毒，包括埃博拉病毒和炭疽。在过去的两年中，本发明人已经显著提高了SAW生物传感器90的灵敏度和检测能力。图13a-13f中示出了从拭子尖端95到CD31的样本引入，图 14中示出了安装在SKC盘中的SAW传感器90。在图14的实施方案中，盘31包括两个具有毛纽扣连接器101的SAW传感器90。
图13a-13b是圆锥体设备100的横截面视图，将圆锥体设备100 插入到盘31中，然后将盘31装载到仪器10中。圆锥体设备接受鼻拭子94，切割鼻拭子94，用缓冲液和裂解珠98重悬，释放试剂93，进行细胞裂解，并将样本排空到盘31上。试剂袋92是用于包含用于处理来自拭子94的样本的选定试剂的腔室。如图13a所示，携带靶标样本的拭子尖端95被完全插入拭子室102中，滑过向下倾斜的刀片96 而没有被切割。向上拉动拭子轴94以迫使轴94进入向下倾斜的刀片 96中，刀片96抵住拭子轴94并对其进行切割，以及当将拭子轴94从设备100移出时使拭子94的远端保留在设备100的底在，如图13b所示。如图13c所示，将密封盖104向下推，猛然打开缓冲袋92，并使试剂或缓冲液93通过导管97流到拭子室102并接触已切下的拭子尖端95。如图13d所示，将密封盖104完全推下以密封设备102的入口。如图13e所示，手动对设备100进行角振荡以导致样本靶标的裂解。拭子室102中的游离金属珠98在搅拌期间存在并帮助裂解。然后，将设备100手动旋转，以通过如箭头99所示的外围开口将拭子室102排空，并将裂解的靶标样本转移出去，如图13f所示。
SKC Optikus云基础架构
作为物联网(loT)设备，Optikus II仪器10提供对疾病(illnesse) 和疾病(disease)的诊断至关重要的数据。如图15所示，使用设备 API 108(其为本地的Optikus云)通过加密的安全HTIPS链接将 Optikus II测量结果传输到云服务器106。云服务器106是使用当前的最佳实践来确保安全性、弹性和可靠性的微服务API平台。这允许经许的访问来自医院112、医生114和患者110自身的测试结果。测试结果存储在用于深度学习分析的Oracle数据库116中，并存储在分布式分类账技术118(DLT)或区块链数据库中，以确保数据的透明性、高可用性和不变性。
图16举例示出了处理图像数据的步骤，所述图像数据是由与基于云的数据处理组合使用的能够数字荧光成像的Optikus II仪器10输出的。在步骤120中，如上所述，从现场的患者获得样本，并在仪器10 上探测。在步骤122中，由仪器10获得微阵列12的图像，并在步骤 124中，将其上传到云端至云服务器106。在步骤126中，从上传的数据中定量所检测到的抗原或抗体，并在步骤128中，对其进行进一步的数据处理。然后在步骤130中，使所得的数据可被个体患者和公共卫生数据分析获取。然后在步骤132中，使数据及其分析可被临床测试获取，即与Oracle云网络106整合以汇编所有临床测试数据，使得分析后的数据可立即被护理点获取。
图22更详细地举例示出了云生态系统176、178、180，以连接仪器10与用户手机174，接收微阵列数据，计算诊断结果，并将诊断分析返回到手机174。在举例示出的实施方案中，希望进行Covid-19测试的用户或患者使用其手机174通过注册模块182在线注册Oracle数据管理系统(DMS)176。用户证明其身份，并由模块184安排在指定的日期、时间和用户附近的地方进行一个或多个指定测试，并且在数据库186中为该用户累积所有相关数据。为患者检测事件分配了唯一的快速响应(QR)码，并通过模块188将其以短消息服务(SMS)文本形式发送到用户的手机174。
用户根据安排的预约到达检测点180，并使用其分配的QR码来证明其身份，并且签到事件是由模块190处理并累积在数据库186中的用户数据记录中。与QR码相关的数据由测试点180处的仪器10读取或扫描，以识别患者和待进行的一项测试或多项测试。如上所述，在步骤194中，使用仪器10进行一项或多项测试。采集样本后，生态系统176、178、180中的所有步骤都是自动化的，并在软件控制下依次进行，而无需进一步的人工干预。进行所述测定，上传测定数据，分析、存储、进行诊断，并在一小时或更短的时间内(通常在数十分钟之内)将结果报告给患者。在步骤196中，将彩色照相微量测定记录创建为带标签的图像文件格式(TIFF)或其它图形格式文件。在步骤 198中，由仪器10将彩色照相微量测定记录与QR扫描码打包，并发送到测试服务云站点178，在步骤200中，将其被无线接收并上传到测试服务云站点178的数据库202中。步骤204中，处理测定结果并基于在生成的测试进行诊断，并将其转换为JavaScript对象符号(JSON)。 JSON是一种开放的标准文件格式和数据交换格式，它使用人类可读的文本来存储和传输数据对象，所述数据对象由属性值对和阵列数据类型(或任何其它可串行化的值)组成。它是一种非常常见的数据格式，具有多种应用，诸如作为AJAX系统中的XML的替代格式。在步骤 206中，通过互联网传送所得的JSON和TIFF文件，以存储在Oracle OMS 176中的对象存储208中，然后存储到数据库186中以插入患者的记录中。然后将完成的结果从结果门户210传送到用户的手机174。整个过程在30-60分钟或更短的时间内自动化进行。基准事件是在用户的手机174和Oracle OMS 176与卫生保健合作伙伴(HCP)的手机 212之间自动化共享，然后卫生保健合作伙伴可以根据需要实施或发起医疗干预。在需要进一步的诊断步骤或需要公共卫生报告和响应的事件中，未来的处理是将通过模块214相对于测试云服务器178进行，并独立地通过模块216由Oracle云DMS 176进行。
在不脱离实施方案的精神和范围的情况下，本领域普通技术人员可以做出许多改变和修改。因此，必须理解，仅出于示例的目的阐述了举例示出的实施方案，并且不应将其视为对以下实施方案及其各种实施方案所限定的实施方案的限制。
因此，必须理解，仅出于示例的目的阐述了举例示出的实施方案，并且不应将其视为对如所附权利要求所限定的实施方案的限制。例如，尽管以下以某种组合阐述了权利要求的元素，但是必须明确地理解，实施方案包括更少、更多或不同元素的其它组合，即使在最初并未以这种组合要求保护时，也已经在上面公开了它们。将两个元素组合成所要求保护的组合的教导还应理解为还允许这样的所要求保护的组合，其中两个元素不彼此结合，而是可以单独使用或以其它组合方式组合。明确地考虑到对实施方案的任何公开的元素的删除在所述实施方案的范围内。
在本说明书中用来描述各种实施方案的词语不仅要从其共同定义的含义上理解，还要包括超出共同定义的含义的范围的本说明书的结构、材料或作用中的特殊定义。因此，如果一个元素可以在本说明书的上下文中理解为包括一个以上的含义，那么必须将其在权利要求中的使用理解涵盖说明书和词语自身所支持的所有可能含义。
因此，所附权利要求书中的词语或元素的定义在本说明书中被定义为不仅包括从字面上阐述的元素的组合，而且还包括用于以基本上相同的方式进行基本上相同的功能以获得基本上相同的结果的所有等同结构、材料或作用。因此，从这个意义上想到了，可以对所附权利要求中的任何元素进行两个或多个元素的等同置换，或者用单个元素置换权利要求中的两个或多个元素。尽管以上可将元素描述为以某种组合起作用并且甚至最初是这样要求保护的，但是应当明确地理解，在某些情况下，所要求保护的组合的一个或多个元素可被从该组合中删除，并且所要求保护的组合可涉及亚组合或亚组合的变体。
本领域普通技术人员所看到的与所要求保护的主题的非实质性改变(现在已知或以后设计的)均被明确地认为是等同地落入权利要求的范围之内。因此，本领域普通技术人员现在或以后知晓的明显置换被限定为在所定义元素的范围内。
因此，权利要求应理解为包括上文具体举例示出的和描述的内容，概念上等同的内容，可明显替换的内容以及实质上包含实施方案的基本思想的内容。
表1
Figure RE-GDA0003016001530000291
表2
Figure RE-GDA0003016001530000301

Claims (21)

1.一种在便携式手持仪器中对从受试者采集的样本进行诊断现场测试以确定病毒抗原和/或其抗体的存在的基于云的生态系统中的自动化方法，其包括：
将所述样本放置于仪器的可旋转盘的接收室中；
根据所述样本的性质和所述便携式手持仪器中进行诊断测试的病毒抗原和/或抗体的相应检测手段，使用所述仪器在自动化控制下处理可旋转盘中的样本；
使用所述便携式手持仪器中的相应检测手段在自动化控制下检测样本中所述病毒抗原和/或抗体的定量量度；
在自动化控制下生成检测到的对应于所述受试者的样本中的所述病毒抗原和/或抗体的定量量度的数据输出；
在自动化控制下将与受试者相对应的数据输出传送到基于云的数据库；
在自动化控制下在基于云的生态系统中比较分析与多个不同类型的病毒抗原和/或抗体相比的与受试者相对应的通信数据输出，以诊断，如果有的话，受试者最有可能携带或此前曾携带过的病毒感染的类型；以及
在自动化控制下将比较分析的结果从基于云的生态系统传送给所述受试者。
2.权利要求1的自动化方法，其中在自动化控制下在基于云的生态系统中比较分析与多个不同类型的病毒抗原和/或抗体相比的与受试者相对应的通信数据输出，以诊断，如果有的话，受试者最有可能携带或此前曾携带过的病毒感染的类型，包括：
在自动化控制下分析Covid-19抗原和/或抗体的阳性和/或阴性指示的通信数据输出；
在自动化控制下比较Covid-19的阳性和/或阴性指示的通信数据输出与共享至少一些Covid-19抗原和/或抗体的多种病毒感染的微阵列的阳性和/或阴性指示的通信数据输出；以及
在自动化控制下确定所述阳性和/或阴性指示的通信数据输出是否在统计学上指示Covid-19，而不是共享至少一些Covid-19抗原和/或抗体的多种病毒感染，使得假阳性和/或假阴性大大降低。
3.权利要求2的自动化方法，其中在自动化控制下确定所述阳性和/或阴性指示的通信数据输出是否在统计学上指示Covid-19，而不是共享至少一些Covid-19抗原和/或抗体的多种病毒感染，包括：在自动化控制下确定所述阳性和/或阴性指示的通信数据输出的相应Z得分是否指示Covid-19，而不是共享至少一些Covid-19抗原和/或抗体的多种病毒感染的Z得分。
4.权利要求2的自动化方法，其中在自动化控制下比较Covid-19的阳性和/或阴性指示的通信数据输出与共享至少一些Covid-19抗原和/或抗体的多种病毒感染的微阵列的阳性和/或阴性指示的通信数据输出，包括：在自动化控制下比较Covid-19的阳性和/或阴性指示的通信数据输出与选自SARS-CoV-2、SARS-CoV、MERS-CoV、普通感冒冠状病毒(HKU1、OC43、NL63、229E)，以及流行性感冒、腺病毒、偏肺病毒、副流感病毒和/或呼吸道合胞病毒的多种亚型的多种急性呼吸道感染的微阵列的阳性和/或阴性指示的通信数据输出。
5.权利要求2的自动化方法，其中在自动化控制下确定所述阳性和/或阴性指示的通信数据输出是否在统计学上指示Covid-19，而不是共享至少一些Covid-19抗原和/或抗体的多种病毒感染，使得假阳性和/或假阴性大大降低，包括：在自动化控制下使用接收者操作特征(ROC)曲线对抗原进行评估，以区分整个测定截断值范围内的阳性组抗原与阴性组抗原的输出数据，其中测量曲线下面积(AUC)以确定诊断Covid-19的高性能抗原。
6.权利要求2的自动化方法，其中在自动化控制下确定所述阳性和/或阴性指示的通信数据输出是否在统计学上指示Covid-19，而不是共享至少一些Covid-19抗原和/或抗体的多种病毒感染，使得假阳性和/或假阴性大大降低，包括：基于针对多种高性能抗原的组合计算的相应约登指数，从多种高性能抗原的组合中在自动化控制下确定Covid-19的最佳灵敏度和特异性。
7.权利要求1的自动化方法，其中所述检测手段包括：抗原和/或抗体荧光斑点的微阵列，以及其中使用仪器中的相应检测手段在自动化控制下检测样本中的病毒抗原和/或抗体的定量量度包括：在自动化控制下生成抗原和/或抗体荧光斑点的微阵列的彩色图像的图像文件。
8.权利要求1的自动化方法，其中所述检测手段包括：功能化表面声波检测器(SAW)，以及其中使用仪器中的相应检测手段在自动化控制下检测样本中的病毒抗原和/或抗体的定量量度包括：在自动化控制下生成RF相位延迟检测信号，其响应于由功能化表面声波检测器(SAW)直接捕获的病毒抗原和/或抗体的定量或对应于病毒抗原和/或抗体的由功能化表面声波检测器(SAW)间接捕获的聚合酶链反应(PCR)复制的DNA标签的定量。
9.权利要求1的自动化方法，其中根据所述样本的性质和在仪器中进行诊断测试的病毒抗原和/或抗体的相应检测手段，使用所述仪器在自动化控制下选择性地处理可旋转盘中的样本，包括：在自动化控制下进行ELISA血液测试检查免疫球蛋白G(lgG)和免疫球蛋白M(lgM)抗体。
10.权利要求1的自动化方法，其中根据所述样本的性质和在仪器中进行诊断测试的病毒抗原和/或抗体的相应检测手段，使用所述仪器在自动化控制下选择性地处理可旋转盘中的样本，包括：使用缀合的荧光标记通过直接或间接免疫荧光在自动化控制下进行免疫荧光测定，其中抗体与抗原的缀合量与荧光产生源的量直接相关。
11.权利要求1的自动化方法，其中根据所述样本的性质和在仪器中进行诊断测试的病毒抗原和/或抗体的相应检测手段，使用所述仪器在自动化控制下选择性地处理可旋转盘中的样本，包括：通过使用PCR进行快速DNA扩增以测量所述样本中遗传物质(DNA或RNA)的量，并使用Taq聚合酶在自动化控制下进行实时定量聚合酶链反应(RT-qPCR)。
12.权利要求1的自动化方法，其中根据所述样本的性质和在仪器中进行诊断测试的病毒抗原和/或抗体的相应检测手段，使用所述仪器在自动化控制下选择性地处理可旋转盘中的样本，包括：
利用具有与其连接的DNA标签的第一抗体和具有连接的磁性纳米颗粒(MNP)的第二抗体在自动化控制下捕获来自样本的第一部分的分析物，其中形成包含第一和第二抗体、分析物、MNP和DNA标签的多层结构；
使用等温扩增在自动化控制下将DNA标签扩增到预定量的DNA标签，其足以通过提供可由检测器可靠地检测的量来克服检测器的最小质量灵敏度限制；
将样本的第二部分在自动化控制下放置于微阵列上；
使用微阵列在自动化控制下选择性地探测样本的第二部分中与至少一种所选择的病毒相对应的抗体；以及
使用荧光照相机在自动化控制下读取微阵列，以鉴定样本的第二部分中的抗体。
13.权利要求12的自动化方法，其中使用微阵列在自动化控制下选择性地探测样本的第二部分中与至少一种所选择的病毒相对应的抗体，包括：
将样本的第二部分在微阵列上在自动化控制下孵育预定量的时间；
在自动化控制下放置荧光标记的第二Ab；
在自动化控制下清洗微阵列；以及
在自动化控制下干燥微阵列；以及
其中使用荧光照相机读取微阵列以鉴定样本的第二部分中的抗体，包括：
通过生成微阵列的彩色图像在自动化控制下来检测样本的第二部分中的Ig同种型；以及
将微阵列的彩色图像在自动化控制下传送到云端以进行分析和/或数据处理。
14.权利要求12的自动化方法，其中微阵列已被提供有刺突蛋白的受体结合结构域(RBD)的DNA斑点，以及其中使用微阵列在自动化控制下选择性地探测样本的第二部分中与至少一种所选择的病毒相对应的抗体包括：
使用提供有刺突蛋白的受体结合结构域(RBD)的DNA斑点和荧光团标记的ACE2和另一种荧光团标记的针对人IgG的第二抗体的微阵列，在自动化控制下进行中和抗体测定，以检测RBD抗体；
在自动化控制下清洗微阵列；以及
在自动化控制下干燥微阵列；以及
其中使用荧光照相机在自动化控制下读取微阵列以鉴定样本的第二部分中的抗体，包括：
在自动化控制下生成具有至少两种不同颜色的微阵列的彩色图像，一种颜色用于存在于样本的第二部分中的RBD抗体，以及另一种颜色用于ACE2，不含中和抗体或RBD抗体的样本的第二部分是用ACE2荧光来检测，而含有RBD抗体或增加量的干扰ACE2-RBD结合的中和抗体的样本是用降低的ACE2荧光量来检测，其中在缺乏RBD抗体的情况下，可定量ACE2荧光的量以用于相对中和活性；以及
在自动化控制下将微阵列的彩色图像传送到云端以进行分析和/或数据处理。
15.权利要求12的自动化方法，其中使用微阵列在自动化控制下选择性地探测样本的第二部分中与至少一种所选择的病毒相对应的抗体，进一步包括：使用往复运动在自动化控制下将样本的第二部分微混合，其中作用在液体元件上的离心加速度首先产生并存储气动能量，然后气动能量通过降低离心加速度释放，从而导致液体流动方向反转，并对样本的第二部分施加交替顺序的高和低离心加速度，以在孵育/杂交过程中最大化抗体和抗原大分子之间的孵育/杂交效率。
16.一种使用自动化的便携式手持仪器对从受试者采集的样本进行诊断现场测试以确定病毒抗原和/或其抗体的存在的自动化的基于云的系统，其包括：
样本接收室，其在仪器中的可旋转盘中；
读取器，其用于根据所述样本的性质和便携式手持仪器中进行诊断测试的病毒抗原和/或抗体的相应检测手段，使用所述仪器自动化处理可旋转盘中的样本；
检测器，其用于使用便携式手持仪器中的相应检测手段自动化检测样本中的病毒抗原和/或抗体的定量量度；
数据输出电路，其用于自动化生成所检测到的对应于受试者的样本中的病毒抗原和/或抗体的定量量度；
通信电路，其用于将与受试者相对应的数据输出自动化传送到基于云的数据库；
基于云的生态系统，其用于在自动化控制下比较分析与多个不同类型的病毒抗原和/或抗体相比的与受试者相对应的通信数据输出，以诊断，如果有的话，受试者最有可能携带或此前曾经携带过的病毒感染的类型；以及将比较分析的结果从基于云的生态系统自动化传送给受试者。
17.权利要求16的自动化的基于云的系统，其中所述基于云的生态系统用于在自动化控制下比较分析与多个不同类型的病毒抗原和/或抗体相比的与受试者相对应的通信数据输出，以诊断，如果有的话，受试者最有可能携带或此前曾经携带过的病毒感染的类型，包括：
基于云的模块，其用于自动化分析Covid-19抗原和/或抗体的阳性和/或阴性指示的微阵列的通信数据输出；用于自动化比较Covid-19的阳性和/或阴性指示的通信数据输出与共享至少一些Covid-19抗原和/或抗体的多种病毒感染的微阵列的阳性和/或阴性指示的通信数据输出；以及用于自动化确定阳性和/或阴性指示的通信数据输出是否在统计学上指示Covid-19，而不是共享至少一些Covid-19抗原和/或抗体的多种病毒感染，使得假阳性和/或假阴性大大降低。
18.权利要求17的自动化的基于云的系统，其中所述基于云的模块用于自动化确定阳性和/或阴性指示的通信数据输出是否在统计学上指示Covid-19，而不是共享至少一些Covid-19抗原和/或抗体的多种病毒感染，包括：基于云的模块，其用于在自动化控制下自动化确定阳性和/或阴性指示的通信数据输出的相应Z得分是否指示Covid-19，而不是共享至少一些Covid-19抗原和/或抗体的多种病毒感染的Z得分。
19.权利要求17的自动化的基于云的系统，其中所述基于云的模块用于在自动化控制下自动化比较Covid-19的阳性和/或阴性指示的通信数据输出与共享至少一些Covid-19抗原和/或抗体的多种病毒感染的微阵列的阳性和/或阴性指示的通信数据输出，包括：基于云的模块，其用于自动化比较Covid-19的阳性和/或阴性指示的通信数据输出与选自SARS-CoV-2、SARS-CoV、MERS-CoV、普通感冒冠状病毒(HKU1、OC43、NL63、229E)，以及流行性感冒、腺病毒、偏肺病毒、副流感病毒和/或呼吸道合胞病毒的多种亚型的多种急性呼吸道感染的微阵列的阳性和/或阴性指示的通信数据输出。
20.权利要求17的自动化的基于云的系统，其中所述基于云的模块用于在自动化控制下自动化确定阳性和/或阴性指示的通信数据输出是否在统计学上指示Covid-19，而不是共享至少一些Covid-19抗原和/或抗体的多种病毒感染，使得假阳性和/或假阴性大大降低，包括：基于云的模块，其用于使用接收者操作特征(ROC)曲线对抗原进行自动化评估，以区分整个测定截断值范围内的阳性组抗原与阴性组抗原的输出数据，其中测量曲线下面积(AUC)以确定诊断Covid-19的高性能抗原。
21.权利要求17的自动化的基于云的系统，其中所述基于云的模块用于自动化确定阳性和/或阴性指示的通信数据输出是否在统计学上指示Covid-19，而不是共享至少一些Covid-19抗原和/或抗体的多种病毒感染，使得假阳性和/或假阴性大大降低，包括：基于云的模块，其用于基于针对多种高性能抗原的组合计算的相应约登指数，从多种高性能抗原的组合中在自动化控制下自动化确定Covid-19的最佳灵敏度和特异性。
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