CN112955258A - 用于过敏原检测的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及用于样本中的目标检测，特别是食物样本中的过敏原检测的装置和系统。过敏原检测系统包括采样器、一次性分析匣盒和具有优化的光学系统的检测装置。过敏原检测利用核酸分子作为检测剂和检测探针。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求享有于2018年10月5日提交的美国临时专利申请第62/741,756号；以及于2019年6月17日提交的美国临时专利申请第62/862,174号的优先权；上述每个申请的内容通过援引整体并入本文。
技术领域
本公开涉及用于样本中的目标检测(例如食物样本中的过敏原检测)的便携式装置和系统。本公开还提供了用于检测样本中感兴趣的(of interest，目标)分子(例如，过敏原)存在和/或不存在的方法。
背景技术
过敏(如食物过敏)是一种常见的医疗状况。据估计，在美国有高达2％的成人和高达8％的儿童(尤其是三岁以下的儿童)患有食物过敏(约1500万人)，据信这种患病率正在增加。一种便携式装置，其能够使患有食物过敏的人测试他们的食物并立即准确地确定过敏原含量，这对于提供有关是否食用的告知性(informed)决定而言是很有好处的。
研究人员已经尝试开发合适的装置和方法来满足这种需求，例如，在授予McKay的美国专利第5,824,554号；授予Jung等人的美国专利申请公布第2008/0182339号和美国专利第8,617,903号；授予Scott等人的美国专利申请公布第2010/0210033号；授予Royds的美国专利第7,527,765号；授予Suni等人的美国专利第9,201,068号；以及授予Khattak和Sever的美国专利第9,034,168号中公开的那些装置和系统。仍然需要改进的分子检测技术。还需要与当今使用的装置相比，能够以更少的时间、更高的灵敏度和特定性(specificity)以及更少的技术专长(expertise)来检测感兴趣的过敏原的装置和系统。
本公开提供了一种通过使用基于适体的信号多核苷酸(aptamer-based signalpolymucleotides，SPN)来快速而准确地检测样本中的过敏原的便携式组件和装置。作为检测剂的SPN特定地与感兴趣过敏原结合，从而形成SPN：蛋白质复合物。通过检测传感器来检测并测量这些复合物。捕获SPN的传感器可以包括印有与SPN杂交的核酸分子的芯片(例如，DNA芯片)。该检测系统可以包括单独的(separate，分离的)采样器、用于处理样本并实施检测化验(assay，检验)的一次性匣盒(cartridge)/容器、以及包括用于操作检测和检测反应信号的光学系统的检测器单元。检测剂(例如，SPN)和传感器(例如，DNA芯片)可以被集成到本公开的一次性匣盒中。匣盒、检测剂和检测传感器也可以用在其他检测系统中。在本发明的检测系统中也可以使用其他捕获剂，例如针对过敏原蛋白质的抗体。消费者可以在非临床环境中使用这样的装置，例如在家庭、餐馆、学校餐厅和食物加工设施中。
发明内容
本公开提供了用于检测各种类型的样本(特别是食物样本)中感兴趣分子(例如，过敏原)的系统、装置、一次性匣盒/容器、光学系统和方法。过敏原检测装置和系统是便携式且手持式的。
本公开的一个方案是一种用于检测样本中感兴趣分子(例如食物样本中的过敏原)的组件。该组件包括一分析匣盒，该分析匣盒被构造为接受样本以进行处理，以使其达到允许感兴趣分子与检测剂进行(engage in)相互作用的状态。该组件包括检测器单元，该检测器单元被构造成以允许由该检测器单元容纳的检测机构对该感兴趣分子与该检测剂的相互作用进行检测的构造来接受分析匣盒。相互作用触发在检测器单元上的视觉指示，其表明样本中存在或不存在感兴趣分子。检测器单元可以可移除地连接到分析匣盒。
在一些实施例中，该组件还可以包括单独的采样器，该采样器被构造为收集样本，以检测样本中的感兴趣分子。在一些实施例中，采样器是食物取芯器(food corer)。取芯器可操作性地连接至分析匣盒，以将收集的样本转移至匣盒。
在一些实施例中，分析匣盒是一次性的，并且被构造成检测一种特定的感兴趣分子，例如一种过敏原。在其他实施例中，分析匣盒可以被构造为检测样本中的多种感兴趣分子，例如一组过敏原。
在一些实施例中，分析匣盒包括均质器(homogenizer)，该均质器被构造为产生均质样本，从而将感兴趣分子从样本的基质(matrix)中释放到可选地包括检测剂的提取缓冲液(extraction buffer)中。分析匣盒还包括第一导管和第二导管，第一导管通过过滤器系统来转移含有检测剂或没有检测剂的均质样本，以提供包含感兴趣分子或感兴趣分子与检测剂的复合物的滤液，而第二导管用于转移滤液，使滤液与检测探针接触，从而允许检测剂与检测探针相互作用。第一导管和第二导管包括多个流体路径，这些流体路径连接导管的不同部分，以转移经处理的样本、缓冲液、滤液、检测剂、废弃物和其他流体。
在一些实施例中，分析匣盒还可以包括旋转阀系统，该旋转阀系统提供用于控制样本和其他流体组分在分析匣盒内的转移的机构。旋转阀切换系统还可以被构造成提供关闭位置，以防止分析匣盒中的流体运动。
在一些实施例中，当分析匣盒被检测器单元接受时，均质器和旋转阀系统可以由位于检测器单元中的电机提供动力。
在一些实施例中，分析匣盒包括多个腔室。这些腔室是分开的，但被连接起来以进行操作。作为非限制性示例，分析匣盒可以包括样本处理腔室、检测腔室、废弃物腔室、以及可选的缓冲腔室。在一些实施例中，分析匣盒还可以包括单独的滤液腔室以保持滤液，并且在滤液被转移至检测腔室之前可选地进一步浓缩该滤液。在一些示例中，检测腔室包括检测传感器和光学窗口。检测器单元的检测机构通过光学窗口分析检测反应，以识别在检测腔室内该感兴趣分子与检测剂的相互作用。
在一些实施例中，分析匣盒包括检测传感器，该检测传感器用于测量感兴趣分子与检测剂之间的相互作用。检测传感器被包括在检测腔室中。在一个非限制性示例中，检测传感器是分离的基材(substrate)，其包括多个流体通道和一检测器芯片区域。基材也被称为芯片式通道(chipannel)，其中流体通道和检测器芯片区域连接。在一些示例中，芯片式通道为塑料基材。
在一些实施例中，芯片式通道内的检测器芯片区域包括至少一个反应面板和至少一个控制面板。在其他实施例中，芯片式通道内的检测器芯片区域可以包括一个反应面板和两个控制面板。在其他实施例中，芯片式通道可以包括多个反应面板和多个控制面板。可选地，检测器芯片区域还包括一个或多个基准点(fiducial spot)，该基准点引导由检测器单元的成像机构(例如，相机)进行的图像处理。任何合适的基准对象可被设置作为基准标记(marker)以供参考。
在一些实施例中，芯片式通道内的检测器芯片区域包括被固定(immobilize)在反应面板上的检测探针分子。检测探针被构造为与检测剂进行探针相互作用(probeinteraction)。感兴趣分子与检测剂的相互作用防止了检测剂与检测探针进行探针相互作用。芯片式通道内的检测器芯片区域还可以包括被固定在一个或多个控制面板上的光学可检测的控制探针分子，用于使由检测机构测量到的信号输出归一化(normalization)。
在一个优选实施例中，芯片式通道为塑料芯片，其中，反应面板上印有基于核酸的检测探针，该探针包括与检测剂的核酸序列互补的核酸序列，而且其中，控制面板上印有基于核酸的控制探针分子，其不与感兴趣分子或检测剂结合。
分析匣盒还可以包括：腔室，其存储用于洗涤检测腔室的洗涤缓冲液；以及废弃物腔室，用于在洗涤之后接受检测腔室的外流内容物。在一些实施例中，这一系列的桥接式的流体导管可以包括：(a)洗涤缓冲腔室与检测腔室之间的流体连接部；以及(b)检测腔室与废弃物腔室之间的流体连接部。
在一些实施例中，分析匣盒中的过滤器是包括主体过滤器(bulk filter)和膜式过滤器的过滤器组件。主体过滤器可以包括粗过滤器(gross filter)和深度过滤器。在一些实施例中，过滤器组件还可以包括过滤器罩，过滤器罩可以锁定旋转阀。
在一些实施例中，在使均质样本中的感兴趣分子和检测剂与检测器探针接触之前，可以使该感兴趣分子与检测剂发生接触。感兴趣分子与检测剂的接触可以发生在均质化期间的提取缓冲液中、或在过滤期间的过滤器中、或在滤液腔室中。在一些实施例中，MgCl2沉积物被预存储在过滤器中或滤液腔室中。
在一些实施例中，分析匣盒可以包括数据芯片单元，数据芯片单元被构造用于提供匣盒信息。
在一些实施例中，本公开的组件包括操作性地连接到分析匣盒的检测器单元。在一些实施例中，该组件的检测器单元包括检测机构，用以测量检测信号，即，检测剂与检测器探针之间的相互作用。作为非限制性示例，检测机构是成像系统，例如用于荧光成像的相机。
在一些实施例中，该组件的检测器单元包括外部壳体，该外部壳体为集成的组件提供支撑，这些组件用于操作检测器单元的检测反应和测量检测信号并接受分析匣盒。根据本公开，用于操作检测反应和测量检测信号的部件包括：电机，这些电机用于驱动和控制均质化、以及控制旋转阀；泵，驱动和控制经处理的样本、滤液、缓冲液和废弃物在该分析匣盒的隔室中的流体流动；光学系统，用于检测并可视化检测结果；以及显示窗口。
在一些实施例中，光学系统可以包括激发式光学器件(excitation optics)和发射式光学器件以及光学读取器。光学系统被修改，以检测来自匣盒内部的芯片式通道的检测器芯片区域的信号。
在其他实施例中，光学系统可以包括相机传感器(例如，CCD相机和sCMOS相机)，用以产生芯片式通道的检测器芯片区域的检测反应的图像。然后对这些图像进行处理以指示检测结果。
在一些实施例中，检测组件可以包括用户接口，用户接口可通过软件应用程序来访问和控制。该软件可以由个人装置(诸如智能电话、平板电脑、个人电脑、膝上型电脑、智能手表和/或其他装置)上的软件应用程序运行。在一些情况下，该软件可能由互联网浏览器运行。在一些实施例中，软件可以连接到被称为云的远程本地服务器。
在本公开的一个非限制性实施例中，检测组件包括：分析匣盒，被构造为一次性测试杯或杯状容器；检测器单元，包括用于接受测试杯的记事簿(docket)；以及可选的采样器。一次性测试杯或杯状容器可以被构造为分析模块，在该分析模块中对样本进行处理，并且通过与检测剂的相互作用来检测测试样本中的感兴趣分子(例如，过敏原)。
在一些实施例中，一次性测试杯或杯状容器包括：顶部覆盖件，被构造成接受样本并密封该杯或杯状容器，其中该顶部覆盖件包括用于接受样本的端口和允许空气进入的至少一个通气过滤器(breather filter)；本体部分，被构造为将样本处理至允许感兴趣分子与检测剂进行相互作用的状态；以及底部覆盖件，被构造成连接至该杯的本体部分，从而在检测杯的底部形成具有光学窗口的检测腔室，并且向检测器单元提供连接表面。底部覆盖件的外部包括多个端口，这些端口用于连接位于检测器单元中的多个电机，用以操作均质器、旋转阀系统和流体的流动。检测腔室的光学窗口连接到检测器单元中的检测机构。在一些实施例中，测试杯或杯状容器还包括检测传感器，例如其上固定有检测探针的透明基材。透明基材是包括检测芯片区域和固定在其上的基于核酸的探针、以及流体路径的芯片式通道。
在本公开的一个非限制性实施例中，一次性测试杯包括：(a)具有均质器的第一隔室，用于接收样本并处理该样本；该均质器被构造为产生均质化的样本，从而在检测剂存在的条件下将感兴趣分子从样本的基质释放到提取缓冲液中，并允许样本中的感兴趣分子进行与检测剂的相互作用；(b)第二隔室，用于使包含感兴趣分子和检测剂的滤液与检测探针接触；第二隔室包括芯片式通道，该芯片式通道包括多个流体通道和具有固定在其上的检测探针的检测芯片区域；(c)导管，通过过滤系统转移均质样本和检测剂，以提供含有感兴趣分子和检测剂的滤液；(d)旋转阀系统，被构造成调节均质样本和检测剂通过过滤系统的转移、滤液到第二隔室的转移、以及洗涤缓冲液到第二隔室的转移、以及从第二隔室到废弃物腔室的流出内容物的转移；(e)用于保持洗涤检测区域的洗涤缓冲液的隔室；以及(f)废弃物腔室，用于接受检测腔室的流出内容物。在一些示例中，检测探针被构造为与检测剂进行探针相互作用，其中感兴趣分子与检测剂的相互作用防止了检测剂进行与检测探针的探针相互作用。芯片式通道内的流体路径转移滤液，使滤液与固定在芯片区域的检测探针接触，并将流出内容物转移至废弃物腔室。
在一些实施例中，杯顶部覆盖件还包括用于提供识别标签的层。
在一些实施例中，一次性测试杯的各部分被模制在一起，以形成分析模块。
本公开的另一方面涉及一种用于检测样本中感兴趣分子的存在和/或不存在的方法，该方法包括以下步骤：(a)收集被怀疑含有感兴趣分子的样本，(b)在提取缓冲液中，在有检测剂的条件下将样本均质化，从而从样本中释放出感兴趣分子，以使其与包括荧光部分(fluorescent moiety)的检测剂进行相互作用，(c)过滤含有感兴趣分子和检测剂的均质样本；(d)使包含感兴趣分子和检测剂的滤液与检测探针分子接触，该检测探针分子与检测剂进行探针相互作用，其中，感兴趣分子与检测剂的相互作用防止了检测剂与检测探针进行探针相互作用；(e)用洗涤缓冲液洗去步骤(d)中的接触；(f)测量来自检测探针分子和检测剂的探针相互作用的信号输出；以及(g)处理检测到的信号并使检测探针与检测剂之间的相互作用可视化。
感兴趣分子可以包括但不限于蛋白质及其变体或片段、核酸分子(例如DNA或RNA分子)或其变体、脂质、糖和小分子。在一些实施例中，感兴趣分子可以是蛋白质或其变体和片段。在一个示例中，感兴趣分子是过敏原，例如食物过敏原。检测剂可以是抗体或其变体、核酸分子或其变体、或小分子。在一些实施例中，检测剂是核酸分子，其包括与感兴趣分子结合的核酸序列。在一个示例中，基于核酸的检测剂是由适体衍生的信号多核苷酸(SPN)，该适体包括与感兴趣分子结合的核心核酸序列。SPN还可以包括可检测部分(detectablemoiety)，例如荧光部分。因此，检测探针可以包括与SPN的自由序列杂交的互补核酸序列。
附图说明
图1是根据本公开的检测系统的实施例的立体图，该检测系统包括：检测装置100，具有外部壳体101和被构造用于保持一次性匣盒300的端口或容座102；单独的食物取芯器200，作为采样器的一个示例；一次性测试杯300，作为分析匣盒的一个示例。可选地，可以包括盖(lid)103、允许使用者执行过敏原检测测试的执行/动作按钮104、以及USB端口105。
图2A是作为采样器的示例的食物取芯器200的一个实施例的分解立体图。
图2B是采样器组件200的立体图。
图3A是一次性测试杯300的实施例的立体图，其包括杯顶310、杯体320和杯底330。
图3B是测试杯300的剖视图，示出了杯300内部的特征。
图3C是一次性测试杯300的分解图。
图3D是顶部覆盖件312的俯视(左图)立体图和仰视(右图)立体图。
图3E是杯顶盖311的分解图。
图3F是杯体320的俯视立体图(左图)和仰视立体图(右图)。
图3G是图3C所示的上部壳体320a(上图)的底部的仰视立体图，以及图3C所示的外部壳体320b(下图)的内部的俯视立体图。
图3H是杯底部覆盖件337的仰视立体图(左图)和俯视立体图(右图)。
图3I是在组装底部330和杯体320之后的杯底表面的仰视立体图。
图4A是过滤器组件325的一个实施例的分解图。
图4B是滤液腔室322的一个实施例的剖视立体图，其包括用于放置过滤器组件325的滤床腔室431、收集沟槽(collection gutter)432和滤液收集腔室433。
图5A是杯300的替代性实施例的立体图。
图5B是图5A的一次性测试杯300的分解图(未示出过滤器325)。
图5C是图5A的杯300的剖视立体图。
图6A是杯300的替代性实施例的分解图。
图6B是图6A的杯体320的俯视立体图(右图)和仰视立体图(左图)。
图6C是图6A的杯底部337和杯体320的底部的仰视立体图。
图6D是过滤器组件325的替代性实施例。
图6E是过滤器罩621在与旋转阀350被组装在一起时的剖视图。
图6F是旋转阀350(上图)的立体图和旋转阀350(下图)的底部的仰视立体图。
图6G是图6A所示的杯底部覆盖件337的仰视立体图(上图)和俯视立体图(下图)。
图7A是杯300的替代性实施例的分解图；杯300包括芯片式通道710。
图7B是图7A所示的芯片式通道710的立体图。
图7C是芯片式通道710的仰视立体图。
图7D是芯片式通道710的替代性实施例的仰视立体图。
图7E是杯300的替代性实施例的分解图。
图7F是杯体的替代性实施例，其中过滤器垫圈(filter gasket)623被包覆模制于杯体上。
图7G是图7E所示的旋转阀350的替代性实施例。
图7H是图7E所示的杯体320的剖视图，示出了将多个部分组合成单个部分的被包覆模制的密封件713。
图7I是具有压缩螺旋弹簧721的杯底部覆盖件337的替代性实施例。
图7J是图7I所示的杯底部覆盖件337的立体图，示出了位于底部处的压缩螺旋弹簧721。
图7K是图7E所示的杯体320的底部中的牺牲焊珠材料(sacrificial weld beadmaterial)722的立体图。
图8A是杯体320的俯视立体图，示出了与均质化、过滤(F)、洗涤(W1和W2)和废弃物有关的特征。
图8B是示出在样本制备和样本洗涤期间旋转阀350的位置的示意图。
图8C是示出杯300内部的流体流动的图。
图9A是装置100的立体图。
图9B是在没有盖103的情况下的装置100的俯视立体图。
图10A是装置100的纵向剖视图。
图10B是装置100的横向剖视图。
图11A是用于控制旋转阀350的操作的阀电机1020和相关部件。
图11B是与电机相关的输出联接件1020的俯视立体图。
图12A是光学系统1030的一个实施例的俯视立体图。
图12B是图12A的光学系统1030的侧视图。
图13A是显示测试区域和控制区域的芯片传感器333的图示。
图13B是光学系统1030和芯片333的顶视图，示出了提供芯片333的荧光测量的反射。
图13C是芯片式通道710的芯片传感器333或感测区域333’的另一实施例的立体图，其显示一个反应面板1312、一个控制面板1313和两个基准面板1311。
图13D示出了芯片式通道710的检测区域333’的反应面板和控制面板中的探针的示例性图案。
图14A示出了处于直线模式的光学组件1030。
图14B示出了处于折叠模式的光学组件1030。
图14C是装置100的一端(图10B的右侧)的剖视立体图，示出了发射式光学器件1420，该发射式光学器件包括被放置在装置100中的阶梯孔1480内的透镜1421、1423以及过滤器1422a和1422b。
图15A是光学系统1030的另一实施例的立体图，其包括激发式光学器件1510、发射式光学器件1520和基于相机的检测器1530。
图15B是在光学系统被构造在检测装置100的内部时的图15A的光学部件的剖视图。
图16A是直方图(histogram)，表示与没有MgCl2和MgCl2溶液的缓冲液相比，MgCl2冷冻干燥制剂(MgCl2 lyophilized fomulation)中的SPN强度。
图16B示出了从沉积在支撑在1微米网格(mesh)上的滤棉(cotton filter)上的MgCl2制剂中回收的镁的百分比。
具体实施方式
上文已相当广泛地概述了本公开的特征和技术优点，以便可以更好地理解下文中的本公开的详细描述。下文中将描述本公开的附加特征和优点，这些形成本公开的各权利要求的主题。本领域技术人员应当理解，所公开的概念和特定实施例可以容易地用作修改或设计用于实现本公开相同目的的其他结构的基础。本领域技术人员还应该认识到，这样的等同构造不脱离所附权利要求书中阐述的本公开的精神和范围。当结合附图考虑时，从以下描述中将更好地理解在其组织和操作方法而言被认为是本公开的特征的新特征、以及进一步的目的和优点。然而，应该明确地理解，每个附图仅是出于说明和描述的目的而被提供，并且不旨在作为对本公开的限制的定义。除非另有定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。在相冲突的情况下，以本说明书为准。
使用分析装置来确保食物安全尚未达到履行其所保证的程度。特别地，尚未开发出基于简单但准确、灵敏且快速的检测方案的便携式装置来检测多种已知的过敏原。在食物安全控制的背景下，对基于适体的分析的最新评析(review)之一表明，尽管已经开发出多种商业分析工具来检测过敏原，但其中大多数依赖于免疫化验。进一步表明，针对该组成分的适体的选择正在出现(Amaya-González et al.,Sensors 2013,13,16292-16311，其内容通过引用整体并入本文)。
本公开提供检测组件和系统，其可以特定地检测多种食物样本中低浓度的过敏原。本公开的检测系统和/或装置是一小型化、便携式且手持式的产品，旨在具有紧凑的尺寸，从而增强其便携性和精细的(discreet)操作。使用者可以携带本公开的检测系统和装置，并在食用食物之前对食物样本中一种或多种过敏原的存在和/或不存在进行快速和实时的测试。根据本公开的检测系统和装置可以由使用者在任何位置使用，例如在家中或在餐馆中。检测系统和/或装置将测试结果显示为标准读数(standard readout)，并且任何使用者都可以按照有关如何操作检测系统和装置的简单说明进行检测。该检测系统的一个具体实用性是系统的简便性和快速性。一般而言，本公开的检测系统和组件还可用于检测样本中的任何感兴趣分子(即，任何目标物)；该感兴趣分子可以是蛋白质或其变体、核酸分子(例如DNA或RNA分子)或其变体、脂质、糖、小分子或细胞。
在一些实施例中，检测系统被构造用于从样本引入到系统中的简单、快速和灵敏的单步执行(one-step execution)。系统可以在小于10分钟、小于9分钟、小于8分钟、小于7分钟、小于6分钟、小于5分钟、或小于4分钟、或小于3分钟、或小于2分钟、或小于1分钟的时间内完成检测测试。在一些示例中，检测可以在大约60秒、55秒、50秒、45秒、40秒、35秒、30秒、25秒、20秒、或15秒内完成。
根据本公开，检测系统可以包括集成了电子工程、机械工程和计算工程的机电一体化构建过程，以实施和控制目标检测测试的过程，包括但不限于可再充电或可更换电池、用于处理测试样本的电机驱动器、用于控制经处理的样本溶液和缓冲液在匣盒中的流动的泵、印刷电路板、以及联接和集成不同组件以用于快速过敏原测试的连接器。本公开的检测装置还包括：光学系统，构造为用于检测测试样本中感兴趣分子(例如，过敏原)的存在和浓度，并将检测信号转换为可读信号；以及壳体，为检测装置的其他部分提供支撑，并将不同的部分集成为功能性产品。
在一些实施例中，检测系统被构造成，使得专用于一个或多个特定的感兴趣分子(例如，过敏原)的一次性分析匣盒(例如，一次性测试杯或杯状容器)被构造为用于接收和处理测试样本并实施检测测试，所有溶液都被包装在其中。因此，所有溶液都可以被限制在一次性分析匣盒中。作为非限制性示例，一次性花生测试杯可以被使用者用来检测任何食物样本中的花生并且在测试之后被丢弃。当使用同一装置执行不同的过敏原测试时，这可以防止交叉污染。在一些实施例中，提供了用于收集测试样本的单独的采样器。
根据本公开，一次性分析匣盒包括特定结合并识别感兴趣的过敏原或分子的检测剂。检测剂可以是(但不限于)抗体或其变体、核酸分子或其变体、以及小分子。在一些实施例中，检测剂可以是包括与感兴趣分子特定结合的核酸序列的核酸分子。基于核酸的检测剂可以是适体和由可以识别目标分子(例如过敏原)的适体衍生出来的信号多核苷酸(SPN)。在一些实施例中，SPN捕获样本中的目标分子以形成SPN：目标复合物。包括与SPN序列互补的短核酸序列的另一种检测探针可以用于将SPN锚定到固体基材上以进行信号检测。在其他实施例中，检测剂和检测探针可以附接至固体基材，例如磁性颗粒的表面、二氧化硅、琼脂糖颗粒、聚苯乙烯珠粒、玻璃表面、塑料芯片、微孔(microwell，微井)、芯片(例如，微芯片)等。在本公开的范围内，这样的检测剂和检测探针也可以被整合到用于类似用途的任何合适的检测系统和仪器中。
检测组件及系统
根据本公开，用于实施样本中感兴趣分子(例如过敏原)的检测测试的检测系统或组件包括：至少一个一次性分析匣盒，用于将样本处理至允许感兴趣分子与检测剂进行相互作用的状态；以及检测器单元，用于检测和可视化检测结果(即，感兴趣分子与检测剂之间的相互作用)。可选地，检测系统还可以包括用于收集测试样本的至少一个采样器。该采样器可以是可用于收集一部分测试样本的任何工具，例如勺子。在一些方案中，如下文所讨论的，可以将特别设计的采样器包括到本检测系统中。以下描述的示例性实施例示出了这些用于检测样本中的过敏原的检测系统和组件。
通常，分析匣盒被构造为接受样本以处理至允许感兴趣分子与检测剂进行相互作用的状态。检测器单元被构造为以允许由检测器单元容纳的检测机构检测感兴趣分子与检测剂的相互作用的构造来接受分析匣盒。该相互作用触发检测器单元上的视觉指示，其表明样本中存在或不存在该感兴趣分子。检测器单元可以可移除地连接到分析匣盒。
如图1所示，本公开的检测系统或组件的实施例包括：检测装置100，被构造用于处理测试样本、实施过敏原检测测试、以及检测检测测试的结果；单独的食物取芯器200，作为采样器的一个示例；以及一次性测试杯300，作为分析匣盒的一个示例。检测装置100包括外部壳体单元101，该外部壳体单元为检测装置100的各部件提供支撑。检测装置100的端口或容座102被构造为用于对接一次性测试杯300，而盖103被包括为用以打开和关闭仪器。外部壳体单元101还为按钮提供了表面空间，这些按钮使得使用者可以操作装置。可以包括允许使用者执行过敏原检测测试的执行/动作按钮104、以及USB端口105。可选地，还可以包括电源插头(未示出)。在实施过敏原检测测试的过程中，将其中包含有样本的食物取芯器200插入到一次性测试杯300中，并且将一次性测试杯300插入到检测装置100的端口102中以进行检测。
采样器
收集被适当设定尺寸(sized)的样本是实施过敏原检测测试的一个重要步骤。在本公开的一些实施例中，提供了用于拾取和收集测试样本(例如食物样本)的单独的采样器。在一个方案中，本文公开了一种用于拾取和收集食物样本的取芯-包装-柱塞概念(coring-packer-plunger concept)。这样的机构可以测量和收集测试样本的一个或几个设定尺寸的部分，并提供诸如切割、研磨、磨削(abrading)和/或混合的预处理步骤，以促进从测试样本中过敏原蛋白质的均质化以及提取或释放。采样器可以操作性地连接到分析匣盒和检测装置，以将测试样本转移到匣盒以进行样本处理。根据本公开，构造了单独的食物取芯器200，用于获得不同类型的食物样本并收集测试样本的适当设定尺寸的部分。在一个示例中，样本是液体样本。在另一个示例中，样本是固体样本。
如图2A所示，食物取芯器200的实施例可以包括三个部分：柱塞(plunger)210，位于远端处；手柄220，被构造用于联接取芯器230；取芯器230，位于近端处。柱塞210具有：远侧部分，在远端处设置有取芯器顶部抓握件211(图2A)，该顶部抓握件211便于上下操纵柱塞210；柱塞挡块212，处在柱塞本体的中间；以及密封件213，位于柱塞本体的近端处。手柄220可以包括位于远端处的卡扣部(snap fit)221和在近端处连接到取芯器230的突出的平颈圈(flat collar)。在一个实施例中，如图2A所示，突出的平颈圈包括凸缘222。取芯器230可以包括近侧部分，其在最近端处设有切割边缘231(图2A)。取芯器230被构造为切割并保持所收集的样本，以将其排入到一次性测试杯300。
在一些实施例中，柱塞210的远端可以包括推板。该板可以是呈任何形状的平板(flat plate)。在一个优选实施例中，推板可以是呈圆角化正方形，具有喇叭形表面(flared surface)。此外，当采样器200处在平坦表面上时，圆角化正方形的形状构成防滚动(anti-roll)特征。该特征还可以使取芯器230内部(即样本区域)内的所收集的样本不与外表面(例如，当采样器位于桌子上时的桌子)接触。
在一些实施例中，突出的平颈圈可以被构造为小圆环、肋等。这种突起(projection)可以防止手指向下滑入样本区域内，并且还提供触觉定向(tactileorientation)。作为一个非限制性示例，突出的平颈圈是小圆环。
在一个实施例中，柱塞210可以被插入到取芯器230内部，其中，柱塞210的近端可从取芯器230突出以直接接触测试样本，并与取芯器230的切割边缘231一起拾取测试样本的设定尺寸的部分(图2B)。根据本公开，柱塞210用于将被采样的食物从取芯器230排出到一次性测试杯300中，并且还将某些食物(例如液体和奶油状食物)也带入取芯器230中。通过与卡扣部221的相互作用，柱塞挡块212的特征可以防止柱塞210在采样期间被拉回太远或从取芯器本体230中被拉出。位于柱塞210的最近端处的密封件213可以维持气密密封，以便借助于将柱塞210向后拉，而将液体抽入取芯器230中。在一些实施例中，柱塞210可以设置有其他类型的密封件(其包括模制特征)或机械密封件。手柄220被构造成供使用者保持采样器200的取芯部件。例如，裙部(skirt)222为使用者提供了操作食物采样器200、向下推动取芯器230并驱动取芯器230进入被收集的食物样本的手段(means，装置)。
在一些实施例中，柱塞210可以包括标记(markings)，以向使用者提供额外的指导，从而指示柱塞在取芯器内的位置、及其与最小采样线和最大采样线有关的位置。在一些实施例中，指示待收集的样本的最小量和最大量的线被添加至取芯器230的外部。使用者可以通过调整最小线和最大线来校正(correct)采样隔室的大小。
在一些实施例中，切割边缘231可以被构造用于预处理被收集的样本，从而允许被采样的食物通过推动、扭转和/或切割的方式而被取芯。切割边缘231可以从测试样本切割出一部分。作为一些非限制性示例，切割边缘231可以是平坦边缘、锋利边缘、具有不同齿数的锯齿状边缘、锋利的锯齿状边缘和薄壁边缘。在其他方案中，取芯器230的内径在约5.5mm至7.5mm的范围内变化。优选地，取芯器230的内径可以为约6.0mm至约6.5mm。取芯器230的内径可以是6.0mm、6.1mm、6.2mm、6.3mm、6.4mm、6.5mm、6.6mm、6.7mm、6.8mm、6.9mm或7.0mm。取芯器230的大小被优化，以使使用者收集到正确数量的测试样本(例如1.0克至0.5克)。
食物取芯器200的各部分可以被构造为易于处理的任何形状，例如，三角形、正方形、八边形、圆形、椭圆形等。
在一些实施例中，柱塞210和采样器的其他部分可以呈不同的颜色。作为一个非限制性示例，柱塞可以是绿色的，而取芯器可以是透明的。增大的对比度(contrast)使柱塞相对于采样器的位置清晰可见。在其他实施例中，食物取芯器200可以进一步设有用于称重被拾取的测试样本的装置，例如弹簧、刻度尺或其等同物。作为一个非限制性示例，食物取芯器200可以设置有称重张力模块。
食物取芯器200可以由塑料材料制成，其包括但不限于聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚酯(PET)、聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚氯乙烯(PVC)、热塑性弹性体(TPE)、热塑性尿烷(TPU)、乙缩醛(POM)、聚四氟乙烯(PTFE)、或任何聚合物及其组合。
在一些实施例中，采样器可以被进一步构造为方便使用者使用。例如，手柄220可以包括带纹理的表面(textured surface)，以在抓握区域与样本区域之间产生更好的视觉和触觉差异，从而向使用者传达在何处保持采样器200。
采样器(例如，取芯器200)可以与分析匣盒(例如，一次性杯300)和/或检测装置(例如，装置100)操作性地相关联。可选地，采样器可以包括用于连接到匣盒的接口(interface，界面)。可选地，罩可以定位在采样器的近端上。采样器200还可以包括与采样器200一起定位的传感器，以检测采样器中是否存在样本。
一次性分析匣盒
在一些实施例中，本公开提供了一种分析匣盒或容器。如本文所用，术语“匣盒”、“容器(vessel)”和“测试杯”是被可互换地使用的。分析匣盒被构造为用于实施检测测试。如本文所用，分析匣盒也被称为分析模块。该分析匣盒是一次性的，并且用于一种特别的过敏原或一组特别的过敏原(例如，一组树坚果(tree nut)过敏原)。一次性分析匣盒被构造为，用于将测试样本处理至允许感兴趣过敏原与检测剂进行相互作用的状态，例如，食物样本的离解和过敏原蛋白质提取、食物颗粒的过滤、存储反应溶液/试剂和检测剂、使用检测剂(例如特定地与过敏原蛋白质结合的抗体和核酸分子)捕获感兴趣过敏原。在一个方案中，检测剂是核酸分子，例如适体和/或由适体衍生的SPN。在其他实施例中，检测剂可以是过敏原蛋白质特有的抗体，例如花生过敏原蛋白质Ara H1特有的抗体。在其他实施例中，检测剂可以是可特定地识别过敏原蛋白质的任何试剂，例如化学化合物、可特定识别过敏原蛋白质的肽类适体和复合物。本公开讨论了食物过敏原，作为可以用本发明的组件检测的感兴趣分子的示例。本领域技术人员将理解，可以检测样本中的任何目标物(即，感兴趣分子)。
根据本公开，提供至少一个单独的分析匣盒作为组件的一部分。在其他实施例中，分析匣盒可以被构造成与任何其他检测系统一起使用。
在某些实施例中，一次性分析匣盒仅可用于样本中的过敏原测试，因此可以由低成本的塑料材料制成，例如，丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、COC(环烯烃共聚物)、COP(环烯烃聚合物)、透明高密度聚乙烯(HOPE)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚酯(PET)、或其他热塑性塑料。因此，一次性分析匣盒可以被构造为用于任何特别的感兴趣过敏原。在一些实施例中，这些一次性匣盒可以仅被构造成用于一种特别的过敏原，这可以避免与其他过敏原反应的交叉污染。
在一些实施例中，一次性匣盒由聚丙烯(PP)、COC(环烯烃共聚物)、COP(环烯烃聚合物)、PMMA(聚(甲基丙烯酸甲酯))、或丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)制成。
在其他实施例中，这些分析匣盒可以被构造为并行地检测测试样本中的两种或更多种不同的过敏原。在一些方案中，匣盒可以被构造为用于并行地检测两种、三种、四种、五种、六种、七种或八种不同的过敏原。在一个方案中，同时检测多种过敏原(例如两种、三种、四种、五种或更多种过敏原)的存在，可以产生指示存在哪种过敏原的阳性信号。在另一方案中，提供一种系统以检测是否存在例如花生或树坚果的过敏原，并产生信号以指示这种过敏原的存在。
在一些实施例中，一次性分析匣盒可以被进一步构造成包括可以存储批次特定参数的条形码。使用者可以随后以任何数字格式读取和存储所存储的信息。
在一些实施例中，分析匣盒包括均质器，该均质器被构造为产生均质样本(homogenized sample，均质化的样本)，从而将感兴趣分子从样本的基质释放到可选地包括检测剂的提取缓冲液中。分析匣盒还包括第一导管和第二导管，第一导管通过过滤器系统转移带有或没有检测剂的均质样本，以提供含有感兴趣分子和检测剂的滤液，第二导管用于转移该滤液，使该滤液与检测探针接触，从而允许检测剂与检测探针的相互作用。第一导管和第二导管包括多个流体路径，这些流体路径连接导管的不同部分，用于转移经处理的样本、缓冲液、滤液、废弃物和其他流体。
在一些实施例中，分析匣盒还可以包括旋转阀系统，该旋转阀系统提供用于控制样本和其他流体成分(例如，缓冲液、滤液和废弃物)在分析匣盒中的转移的机构。旋转阀切换系统可以被进一步构造成提供关闭位置，以防止在分析匣盒中的流体移动。
在一些实施例中，当分析匣盒被检测器单元接受时，均质器和旋转阀系统可以由位于检测器单元中的电机、或由连接的检测装置提供的任何其他电机机构来驱动。
在一些实施例中，分析匣盒可以被构造成包括一个或多个单独的腔室，每个腔室被构造成用于单独的功能，诸如样本接收、蛋白质提取、过滤、用于缓冲液、试剂和废弃溶液的存储、以及检测反应。这些腔室是分开的，但被连接起来以进行操作。例如，分析匣盒可以包括样本处理腔室、检测腔室、废弃物腔室、以及可选的缓冲腔室。在一些实施例中，分析匣盒还可以包括单独的滤液腔室，以保持滤液并且可选地在转移至检测腔室之前进一步浓缩该滤液。在一些示例中，检测腔室可以包括检测传感器和光学窗口。检测器单元的检测机构通过光学窗口分析检测反应，以识别感兴趣分子与检测腔室中的检测剂的相互作用。该检测窗口与检测装置的检测机构操作性地相关联。
在一些实施例中，分析匣盒包括用于测量目标分子与检测剂之间的相互作用的检测传感器。检测传感器被包括在检测腔室中。在一个非限制性示例中，检测传感器是透明基材，其包括多个流体通道和检测器芯片区域。该基材被称为芯片式通道，其中流体通道和检测器芯片区域被连接。在一些示例中，芯片式通道为塑料基材。
在一些实施例中，芯片式通道内的检测器芯片区域包括至少一个反应面板和至少一个控制面板。在其他实施例中，芯片式通道内的检测器芯片区域可以包括一个反应面板和两个控制面板。在其他实施例中，芯片式通道可以包括多个反应面板和多个控制面板。可选地，芯片式通道的检测器芯片区域还包括一个或多个基准点，所述基准点引导由检测器单元的成像机构(例如，相机)进行的图像处理。任何合适的基准对象可以被设置作为基准标记以供参考。
在一些实施例中，芯片式通道包括被固定在检测器芯片区域的反应面板上的检测探针分子。检测探针被构造成与检测剂进行探针相互作用。感兴趣分子与检测剂相互作用，而防止检测剂与检测探针进行探针相互作用。芯片式通道内的检测器芯片区域还可以包括被固定在一个或多个控制面板上的光学可检测的控制探针分子，用于归一化由检测机构测量到的信号输出。在一些实施例中，控制探针分子是不与感兴趣分子或检测剂结合的核酸分子。
在一个优选实施例中，芯片式通道为塑料芯片，其中反应面板上印有基于核酸的检测探针，该监测探针包括与检测剂的核酸序列互补的核酸序列，以及其中控制面板上印有不与检测剂结合的基于核酸的控制探针分子。
在一些实施例中，包括检测剂、检测探针、诸如提取缓冲液和洗涤缓冲液的缓冲剂、以及组装功能匣盒所需的其他部件。
在一些实施例中，分析匣盒可以包括构造为提供匣盒信息的数据芯片单元。
根据本公开，分析匣盒可以被构造成任何合适的形状和大小。分析匣盒的一些示例性实施例在下文中说明。示例性实施例并非限制匣盒的设计。
分析匣盒的示例性实施例
在一些实施例中，一次性分析匣盒可以被解释为一次性测试杯或杯状容器。杯状容器可以包括组装到功能性分析模块中的多个隔室。根据测试杯的一个实施例，如图3A所示，经组装的一次性测试杯300包括三个部分：杯顶(杯的顶部)310、杯体(杯的本体)320和杯底(杯的底部)330。这三部分操作性地连接，以组装功能性分析模块。杯300还包括：均质化转子340，其在两个方向上旋转以使样本均质化；过滤器组件325，过滤经处理的样本；旋转阀350，被设想为控制杯内的流体流动(图3B)；以及(多个)流体路径，将经处理的样本、混合物、滤液、缓冲液和试剂输送到测试杯的不同隔室(图3B中未示出)。
测试杯杯体320可以包括多个腔室。在一个实施例中，如图3B所示，测试杯杯体320包括：一个均质化腔室321，其包括食物处理贮存器801(如图8C所示)；滤液腔室322，用于在通过过滤器(例如，如图3B和图4A所示的2态过滤器325)过滤后收集样本溶液；废弃物腔室323，其包括废弃物贮存器803(如图8C所示)；以及可选地，洗涤缓冲储存腔室324，其包括洗涤液储存贮存器802(如图8C所示)。可选地，杯体320中可以包括一个或多个单独的洗涤隔室。在一些实施例中，如图3B和图3H所示，在杯底330处包括用于经处理的样本的反应腔室331(在此也称为信号检测腔室)。反应/检测腔室331可以包括带有检测探针的单独的检测传感器(例如，图3B中所示的芯片333)，该检测探针与经处理的样本反应。所有分析反应都发生在反应/检测腔室331中，并且在其中产生可检测的信号(例如，荧光信号)。在一些实施例中，例如预存储在均质化腔室321中的检测剂(例如，SPN)可以在均质化腔室321中与测试样本预混合，测试样本在此处被均化并且所提取的过敏原蛋白质与检测剂发生反应。混合的反应复合物可以在输送到反应/检测腔室331之前被输送到过滤器325。在其他示例中，可以将检测剂(例如，SPN)存储在滤液腔室322中。经处理的样本通过过滤器组件325进行过滤，并与存储在滤液腔室322中的检测剂发生反应。包含感兴趣分子和检测剂的滤液被转移到检测腔室331，其中，检测剂与固定在传感器(例如，芯片333)上的检测探针进行相互作用，并且检测信号被测量。
在替代性实施例中，缓冲液和试剂储存腔室324中可以包括多于一个的缓冲液和试剂储存贮存器。作为一个非限制性示例，提取缓冲液和洗涤缓冲液可以分别被存储在缓冲液储存腔室324内的贮存器中。
图3C示出了一次性测试杯300的一个示例性实施例的分解图，该一次性测试杯300被构造成包含三个主部件，即，顶部310、壳体或本体320和底部330。杯顶310可以包括杯盖311、顶部覆盖件312、两个或更多个通气过滤器314，这些通气过滤器被包括以确保仅空气被引入并且流体不会从测试杯300中逸出。杯体320由两个分开的部分组成：上部壳体320a和外部壳体320b。杯底组件330包括夹有其他部件的底部覆盖件337，所述其他部件包括反应腔室331(在图3F和图3H中)、检测传感器(即，玻璃芯片333)、以及芯片垫圈334，该芯片垫圈促进玻璃芯片333附接至反应腔室331中的专用传感器区域332的底部。在一些实施例中，经处理的样本混合器流至反应腔室331，并与芯片333上的检测剂反应以产生可检测的信号。例如，芯片333可以涂有寡核苷酸序列，以检测测试样本中存在的目标物。底部覆盖件337还包括用于保持均质化转子340的端口/嘴口(bit)340a、以及用于保持旋转阀350的端口/嘴口350a(如图3H所示)。这些嘴口提供了用于将均质化转子340和旋转阀350连结(link)至检测装置100的电机的装置。在一些实施例中，转子垫圈326可以被构造到上部壳体320a，以将转子340密封到壳体320，从而避免流体泄漏。在一些实施例中，底部覆盖件还可以包括流体路径和空气通道。
在一些实施例中，杯可以被进一步构造成包括可以存储批次特定参数的条形码。在一个示例中，条形码可以是存储杯300特定参数的数据芯片335，所述特定参数包括诸如SPN的检测剂的信息(例如，荧光团标签、目标过敏原和SPN的强度等)、有效日期、制造信息等。
图3D进一步示出了图3A所示的杯的顶部覆盖件312的特征。取芯器端口313被包括，其用于接收食物取芯器200，从而接收所拾取的测试样本并将样本传送到样本处理腔室321(也称为均质化腔室)。作为一个非限制性示例，端口313可以被构造成用于接收如图2B中所示的食物取芯器200。顶部覆盖件312还可以包括至少一个小孔(图3D)，用于吸入空气以使流体流动。作为一个非限制性示例，顶部部分可以具有两个盖311。如上所述，盖311可以包括两层：顶盖311a，用于密封和贴标签；以及底部311b，用于在操作期间重新密封。如图3E所示，底部311b处的第二盖被构造为用于在操作期间重新密封和液体保留。顶盖311a可以被剥离以插入由取芯器200收集的测试样本，然后在化验完成之后将其重新关闭。
图3F是在上部壳体320a和外部壳体320b组装在一起时的杯壳体本体320的俯视图(左图)。上部壳体320a可以包括操作性地连接的一个或多个腔室。在一个实施例中，均质化腔室321、过滤腔室322和废弃物腔室323被包括在壳体320a(左图)中。两个通气过滤器314也被添加到上部壳体320a。组装的杯体320的底部包括开口331a，该开口通过入口和出口336连接到反应/检测腔室331以用于流体流动(右图)。在该实施例中，当底部覆盖件337与本体部分组装在一起时形成反应/检测腔室331(见图3C)。转子340和旋转阀350可以被组装到杯中以形成分析匣盒(右图)。
图3G还示出了上部壳体320a的底部的外部接口(上图)和外部壳体320b的底部的内部接口(下图)。在上部壳体320a的外部接口处的两个能量引导器面361(面1)和362(面2)与两个焊接配合面、在外部壳体320b的底部的内部接口处的面363(面1)和364(面2)相互作用，以将壳体部分320a和320b保持在一起而形成杯体320。还包括流体路径370，以使液体流到杯底330。转子340和旋转阀350分别通过转子端口340a和旋转阀端口350a组装到杯中。
图3H进一步示出了图3A和图3C所示的杯300的杯底330的杯底部覆盖件337。反应/检测腔室331包括一个专用传感器区域332，其中通过玻璃垫圈334放置检测传感器(即，玻璃芯片333)。可以包括玻璃垫圈334以将玻璃芯片333密封在适当的位置至反应腔室331的底部，并防止流体泄漏。替代地，可以使用粘合剂或超声粘合来将各层配合在一起。在本公开的一些方案中，玻璃芯片333可以被直接构造在反应腔室331的底部(例如，传感器区域332的底表面)以作为杯底部覆盖件337的组件，并且可以集成到杯体中而作为一个整体。整个单元可以具有PMMA(聚(甲基丙烯酸甲酯))(也称为丙烯酸(acrylic)或丙烯酸玻璃)。这种透明PMMA丙烯酸玻璃可用作信号检测的光学窗口。
反应腔室331包括至少一个光学窗口。在一个实施例中，腔室331包括两个光学窗口：一个主要(primary)光学窗口和一个次要(secondary)光学窗口。在一些实施例中，主要光学窗口用作反应腔室331到检测装置100，特别是到检测装置100的光学系统1030(如图10A、图10B和图12A至图12C所示)的接口。检测传感器(例如，玻璃芯片333)可以位于光学窗口与光学系统的接口之间。可选的次要光学窗口可以位于反应腔室331的一侧；次要光学窗口允许检测背景信号。在本公开的一些方案中，次要光学窗口可以被构造成用于测量散射光。
如图3I所示，底部330与杯体320组装在一起。从该仰视立体图来看，底表面包括用于流体路径的多个接口(例如，流体入口/出口336)和泵(plump)接口380、以及将转子340和旋转阀350连接到检测装置100的所述多个接口。
一种装置可以被包括到杯中，以阻止流体在组装的杯300的各隔室之间流动。在一个实施例中，杯壳体320a中的放卸阀(dump valve)315(图3C所示)被包括以阻止均化腔室321中的流体流向被构造在杯300的底部的旋转阀350。放卸阀315通过旋转阀350(图3C)而被保持在适当的位置，以用于运输、存储和寿命终止。旋转阀350在运输过程中将放卸阀315锁定在过滤器(例如，过滤器组件325)上方，并在完成检测化验之后防止流体流动。旋转阀350可以在几个步骤中被致动，以将流体流引导至适当的腔室。作为一个非限制性示例，在图8B中示出了在检测测试期间的旋转阀350的相关位置。
旋转阀350可以旋转，以调节通过匣盒内部的腔室的流体流。在一些实施例中，旋转阀350可以包括阀轴351和阀盘352，阀轴操作性地连接到倾卸阀315并锁定该倾卸阀(如图3C所示)，阀盘352连接到阀轴351(例如，图6F中所示)。旋转阀350可以通过本领域已知的任何可用手段附接到杯。在一个实施例中，可以使用阀垫圈(例如，图5B所示的垫圈504)。替代地，旋转阀可以通过盘状弹簧(例如，波形盘状弹簧)附接到杯。在另一个实施例中，旋转阀350可以通过多个压缩螺旋弹簧(例如，图7J中示出的螺旋弹簧721)固定到杯。
在一些实施例中，过滤器组件(例如，图3C、图4A和图6D所示的过滤器325)被包括在分析匣盒中。在将经处理的样本转移到反应腔室331中之前，过滤器从样本中去除大的颗粒和其他干扰成分，例如食物基质中的脂肪。
在一些实施例中，过滤器机构可以是过滤器组件。过滤器组件可以是简单的膜式过滤器420。膜420可以是尼龙、PE、PET、PES(聚醚砜)、PorexTM、玻璃纤维或膜聚合物，例如混合纤维素酯(MCE)、醋酸纤维素、PTFE、聚碳酸酯、PCTE(聚碳酸酯)或PVDF(聚偏二氟乙烯)等。它可以是具有高孔隙率的薄膜(例如150μm厚)。在一些方案中，过滤膜420的孔尺寸(pore size)可以在0.01μm至600μm、或0.1μm至100μm、或0.1μm至50μm、或1μm至20μm、或20μm至100μm、或20μm到300μm、或100μm到600μm的范围内，或介于两者之间的任意大小。例如，孔尺寸可以是约0.02μm、约0.05μm、约0.1μm、约0.2μm、约0.5μm、约1.0μm、约1.5μm、约2.0μm、约2.5μm、约3μm、约3.5μm、约4.0μm、约4.5μm、约5.0μm、约10μm、约15μm、约20μm、约25μm、约30μm、约35μm、约40μm、约45μm、约50μm、约55μm、约60μm、约65μm、约70μm、约75μm、约80μm、约85μma、约90μm、约100μm、约150μm、约200μm、约250μm、约300μm、约350μm、约400μm、约450μm、约500μm、约550μm、或约600μm。
在一些替代性实施例中，过滤器组件可以是包括多层过滤材料的复杂的过滤器组件325(如图4A所示)。在一个示例中，过滤器组件325可以包括由粗过滤器411、深度过滤器412和膜式过滤器420(图4A)组成的主体过滤器410。在一个实施例中，粗过滤器411和深度过滤器412可以由固定环413来保持，以形成位于膜式过滤器420上的主体过滤器410。在其他实施例中，主体过滤器410还可以包括位于过滤器内部或过滤器顶部的粉末。粉末可以选自纤维素、PVPP、树脂等。在一些示例中，粉末不结合核酸和蛋白质。
在一些实施例中，过滤器组件325可以被优化以从高脂肪样本中去除油，而不是蛋白质和核酸，从而实现优异的样本清洁。在其他实施例中，可以优化过滤器组件325的深度和宽度的比率，以最大化过滤效率。
在一些实施例中，过滤器组件325可以放置在一次性杯体320中的滤床腔室431内。滤床腔室431可以连接至均质化腔室321。均质物(homogenate)可以被供给到滤床腔室431内部的过滤器组件325。滤液由收集沟槽432(在本文中也称为滤液腔室)收集(图4B)。然后，收集的滤液可以离开流体元件(fluidics)以流到反应腔室331(图3B)。在一个实施例中，收集的滤液可直接从收集沟槽432传送至反应腔室331。在另一个示例中，在通过入口/出口336(图3H)被运送到反应腔室331之前，可以先将滤液运送到滤液收集腔室433。流体可以通过杯320的底部处的流体路径370被输送到反应腔室331(如图3G所示)。
在一些实施例中，滤液收集腔室433还可以包括滤液浓缩器，其被构造为在样本滤液流到反应腔室331以进行信号检测之前浓缩样本滤液。浓缩器可以呈半球形状、或是锥形浓缩器或高管。
因此，经处理的样本(例如，来自腔室321的均质物)依次通过粗过滤器411、深度过滤器412和膜式过滤器420进行过滤。粗过滤器411可以从样本中过滤出大的颗粒悬浮物，例如，大于1mm的颗粒和/或一些染料。深度过滤器412可以从样本(例如食物样本)中去除小颗粒收集物和油成分。深度过滤器412的孔尺寸可以在约1μm至约500μm、或约1μm至约100μm、或约1μm至约50μm、或约1μm至约20μm、或约4μm至约20μm、或约4μm至约15μm的范围内。例如，深度过滤器412的孔尺寸可为约2μm、或约3μm、或约4μm、或约5μm、或约6μm、或约7μm、或约8μm、或约9μm、或约10μm、或约11μm、或约12μm、或约13μm、或约14μm、或约15μm、或约16μm、或约17μm、或约18μm、或约19μm、或约20μm、或约25μm、或约30μm、或约35μm、或约40μm、或约45μm、或约50μm。
深度过滤器412可以由例如包括但不限于原棉和漂白棉的棉制物(cotton)、聚酯网(单丝聚酯纤维)和砂(二氧化硅)构成。在一些实施例中，过滤材料可以是疏水的、亲水的或疏油的。在一些示例中，该材料不结合核酸和蛋白质。在一个实施例中，深度过滤器是棉深度过滤器。棉深度过滤器的尺寸可能有所不同。例如，棉深度过滤器的宽高比可以在约1:5至约1:20的范围内。棉深度过滤器412可以被构造成使总过滤器体积与被过滤的食物量相关。
膜式过滤器420可以去除尺寸小于10μm、或小于5μm、或小于1μm的小颗粒。膜的孔尺寸可以在约0.001μm至约20μm、或在0.01μm至约10μm的范围内。优选地，过滤膜的孔尺寸可以为约0.001μm、或约0.01、或约0.015μm、或约0.02μm、或约0.025μm、或约0.03μm、或约0.035μm、或约0.04μm、或约0.045μm、或约0.05μm、或约0.055μm、或约0.06μm、或约0.065μm、或约0.07μm、或约0.075μm、或约0.08μm、或约0.085m、或约0.09μm、或约0.095μm、或约0.1μm、或约0.15μm、或约0.2μm、或约0.2μm、或约0.25μm、或约0.3μm、或约0.35μm、或约0.4μm、或约0.45μm、或约0.5μm、或约0.55μm、或约0.6μm、或约0.65μm、或约0.7μm、或约0.75μm、或约0.8μm、或约0.85μm、或约0.9μm、或约1.0μm、或约1.5μm、或约2.0μm、或约3.0μm、或约3.5μm、或约4.0μm、或约4.5μm、或约5.0μm、或约6.0μm、或约7.0μm、或约8.0μm、或约9.0μm、或约10μm。如上所述，该膜可以是尼龙膜、PE、PET、PES(聚醚砜)膜、玻璃纤维膜、诸如混合纤维素酯(MCE)膜的聚合物膜、醋酸纤维素膜、硝酸纤维素膜、PTFE膜、聚碳酸酯膜、轨迹蚀刻聚碳酸酯膜、PCTE(聚碳酸酯)膜、聚丙烯膜、PVDF(聚偏二氟乙烯)膜、或尼龙和聚酰胺膜。
在一个实施例中，膜式过滤器是具有lμm孔尺寸的PET膜式过滤器。小的孔尺寸可以防止大于lμm的颗粒通过而进入反应腔室。在另一个实施例中，过滤器组件可以包括棉过滤器，该棉过滤器与1μm孔尺寸的PET网格结合。
在其他实施例中，过滤器部件可以通过本领域中任何已知的方法组装在一起，例如通过热焊接、超声焊接或类似的过程，其确保了组装的材料可以被模切(die-cut)和包装而不损坏或抑制每个过滤器(独立或作为集成的过滤器组件)的性能。在其他实施例中，过滤器组件的每个部分的包装使得能够实施在制造组装线(例如，机器人组装线)上的高速自动化系统。
在一些实施例中，过滤机构具有低蛋白质结合、低核酸结合或无核酸结合。该过滤器可以用作主体过滤器，以去除脂肪和乳化剂以及大颗粒，从而产生与缓冲液具有可比粘度的滤液。
在一些实施例中，包括粗过滤器411、深度过滤器412和膜式过滤器420的过滤器组件325可以允许信号多核苷酸(SPN)和其他检测剂的最大回收率。
在其他实施例中，过滤组件325可以被构造为包括插入到过滤器垫圈623中的过滤器624(例如，网状过滤器)、由粗过滤器和深度过滤器组成的主体过滤器622、以及过滤器罩621(如图6D所示)。在替代性实施例中，例如在均质化腔室321中，过滤垫圈623可以模制到杯体中，作为杯体320的包覆模制部件(如图7E和图7F所示)。过滤器624、主体过滤器622和过滤器罩621被插入到包覆模制的垫圈中，以形成功能性过滤器组件325。
在一些实施例中，过滤机构可以在小于1分钟内、优选在大约30秒内完成过滤过程。在一个示例中，过滤机构能够在小于10psi压力下在35秒、或30秒、或25秒、或20秒内收集样本。在一些实施例中，压力可以小于9pis、或小于8psi、或小于7psi、或小于6psi、或小于5psi。
在一些替代性实施例中，过滤腔室322可以包括一个或多个附加的腔室，实施腔室被构想成用于过滤经处理的样本。如图4B所示，过滤腔室322还可以包括单独的滤床腔室431，其中过滤器组件325(如图4A所示)被插入并连接到收集沟槽432。收集沟槽432被构造为收集流过过滤器组件325的滤液，并且沟槽432可以直接连接至流动细胞流体元件(flowcell fludics，流动池流体)，以使滤液流至反应腔室331以进行信号检测。可选地，过滤腔室322中可以包括另一个收集/浓缩腔室433，其被构造为在将滤液输送到反应腔室331进行信号检测之前，收集和/或浓缩通过收集沟槽432收集的滤液。收集/浓缩腔室433通过收集沟槽432被收集到滤床腔室431。
图5A至图5C示出了分析匣盒的另一实施例。图5A示出了测试杯300的替代组件。在图5B中示出该实施例的杯300的各个部件。根据该实施例，杯300包括三个部分：杯顶(杯的顶部)，其包括杯顶部覆盖件310；杯体(杯的本体)，其包括杯容槽(cup tank)320；以及杯底(杯的底部)，其包括杯底部覆盖件330，这些部分操作性地连接以形成分析模块。如图5B所示，杯的顶部是用于密封杯的顶部覆盖件310，其中测试样本被放置在杯中以进行测试。顶部垫圈501可以被包括以将顶部310密封到杯体320。上部杯体320包括均质化腔室、废弃物腔室、用于洗涤缓冲液的腔室(例如，洗涤1腔室(W1)、洗涤2腔室(W2))(如图6B所示，右图)、以及用于控制空气从而控制流体流动的通气口堆叠体(air vent stacks)。转子340被构造在均质化腔室中，以用于在提取缓冲液中均化测试样本。在组装过程中，可以调整转子的形状以适合杯。中间垫圈502位于上部杯体320的底部，以将(杯)体320密封到歧管520，该歧管具有用于流体流动的孔。歧管520被构造成保持过滤器325和流体路径370以使流体流动。添加另一个中间垫圈503以将歧管520密封至杯底330，其中反应腔室(例如，腔室331)、检测传感器(例如，玻璃芯片333)、玻璃垫圈(例如，垫圈334)和存储器芯片(例如，EPROM)位于此处。转子340通过O形环505(在图5C中示出)密封到底部。旋转阀350通过阀垫圈504在底部330处被构造至杯300。在另一个实施例中，旋转阀350可以通过弹簧臂被构造至杯300，该弹簧臂例如是位于杯底330处的波形盘簧和压缩螺旋弹簧(例如，图7J中所示的螺旋弹簧721)。在图5C中以剖视图示出了图5A中的杯的每个部件的构造。
根据本公开，在图6A中示出了一次性杯300的第三实施例。图6B至图6G进一步示出了图6A中的一次性杯300的各部件。在该实施例中，检测传感器和流体路径的构造被进一步集成。如图6A所示，匣盒包括顶部部分310、本体部分320和底部部分330。转子340通过垫圈612被密封到杯体320。旋转阀350通过盘簧613或替代地通过杯底部分330处的压缩螺旋弹簧(例如，图7J所示的螺旋弹簧721)被组装到匣盒。当实施检测化验时，旋转阀350可以旋转并移动密封件612以释放(free)转子340，从而使测试样本均质化。在该实施例中，在杯体320的底部与底部覆盖件337之间设置有单独的面板631，其中包括流体通道。具有流体通道的该分开的面板631等效地用作杯的前述实施例(例如，图3C、图3G和图3I)的流体路径370。传感器芯片333可以通过芯片PSA 632操作性地连接到底部覆盖件337中的反应腔室331的传感器区域332和流体面板631。在替代性实施例中，传感器芯片333和流体元件面板631可以组合以形成单个薄面板(也称为芯片式通道)，因此形成单独的芯片式通道710(如图7A所示)。下文将详细讨论芯片式通道710。
杯顶310可以包括具有两个标签311a和311b的顶盖311(如图3E所示)、以及顶部覆盖件312(如图3D所示)。杯体320可被构造成包括多个单独的腔室，这些腔室包括均质化腔室321、过滤腔室322、废弃物腔室323、两个或更多个洗涤空间(W1和W2)，如图6B所示(右图)。在一些示例中，过滤腔室322具有通风口(vent)611(在图6A中示出)。通风口611的润湿可以向电子装置的压力传感器发出信号，告知腔室322已充满(图6B)。类似于其他设计，在杯体320的底部(图6B，左图)处，设计了几个端口，包括用于转子340的端口340a和用于旋转阀350(例如，图6F所示的旋转阀350)的端口350a，以组装功能性匣盒。当杯底部覆盖件337密封到杯体320并密封该杯以形成分析模块时，这些端口与底部覆盖件337的端口对准(例如，如图6C所示的端口340a和350a)。传感器芯片333通过芯片PSA 632(图6B，左图)附接到杯体320的底部。
图6C示出了杯底部覆盖件337和杯体320的底部彼此对准的仰视立体图，表明了在组装测试杯时每个部件的位置。当底部覆盖件337和杯体320组装在一起时，形成具有光学窗口(331)的检测腔室，其中传感器区域332保持传感器芯片333。检测腔室331的光学窗口提供到检测器单元(例如，图1和图9A中的检测装置100)的连接。
在该实施例中，流体面板631位于杯体320的底部与底部覆盖件337之间(图6A)；流体面板631可以操作性地连接到检测传感器。作为一个非限制性示例，流体面板631通过芯片PSA 632连接至传感器芯片333，并提供必要的流体路径(例如370)，以使经处理的样本流至检测腔室331，从而流至传感器芯片333。
在一些示例中，过滤器组件325被插到均质化腔室321，以过滤经处理的样本。在一个示例中，过滤器组件325可以是图4A所示的过滤器。在另一个示例中，过滤器组件325可以被构造为包括过滤器624(例如，网状过滤器)、主体过滤器622和过滤器罩621(图6D)，过滤器624被插到过滤器垫圈623上。过滤器组件325可以通过旋转阀350而被紧固和控制(图6E)。在该实施例中，过滤器罩621与旋转阀轴351的螺纹顶部相互作用地接合(图6E)。旋转阀350包括：阀轴351，操作性地连接到过滤器罩621并将其锁定；阀盘352，连接到阀轴351(例如，在图6F中)。在将测试杯组装到检测器单元上时，阀盘352连接到检测器单元的电机。
图6G示出了杯底部覆盖件337的仰视立体图(上图)和俯视立体图(下图)。底部覆盖件337的外部保持端口(例如端口340a和350a)和传感器区域332的光学窗口，用于连接到检测装置100。底部覆盖件337的内部包括用于固定旋转阀350的盘簧613。
在一些实施例中，在杯底部覆盖件337处的反应腔室331可以包括专用传感器区域332，该专用传感器区域被构造为保持用于信号检测的检测传感器。在本公开的一些方案中，检测传感器可以是固体基材(例如，玻璃表面、芯片和微孔)，其表面涂覆有检测探针，例如结合到目标过敏原的与SPN互补的短核酸序列。在一些示例中，保持在反应腔室331内的感测区域332处的检测传感器可以是玻璃芯片333(如图3C和图6A所示)。
在其他实施例中，反应腔室331包括至少一个光学窗口。在一个实施例中，腔室包括两个光学窗口：一个主要光学窗口和一个次要光学窗口。类似于其他实施例，主要光学窗口用作反应腔室331到检测装置100，特别是到检测装置100的光学系统1030(如图10A、图10B和图12A至图12C所示)的接口。检测传感器(例如，芯片式通道710的检测区域333’和玻璃芯片333)可以位于光学窗口与光学系统的接口之间。可选的次要光学窗口可以位于反应腔室331的一侧；次要光学窗口允许检测背景信号。在本公开的一些方案中，次要光学窗口可以被构造以用于测量散射光。
在一些实施例中，印有核酸分子(即DNA芯片)的芯片式通道710的检测区域333’和/或玻璃芯片333与光学窗口对准。在一些实施例中，DNA芯片包括至少一个反应面板和至少一个控制面板。在一些方案中，芯片的反应面板面向反应腔室331，其被匣盒300的入口和出口通道336包夹(flanked)(例如，图3H和图3I所示)。在一些实施例中，玻璃芯片333的反应面板可以涂覆/印刷有检测探针(例如短核酸探针)，所述检测探针与对感兴趣过敏原具有高特异性和结合亲和力(binding affinity)的SPN杂交。然后，当与核酸探针杂交时，可以将SPN锚定到芯片上。
在一个优选实施例中，传感器DNA芯片(例如，图3C、图5B和图6A中的芯片333和图7B中的检测区域333’)可以包括：印有检测探针的反应面板，所述检测探针包括与针对感兴趣过敏原的SPN杂交的短互补序列；以及不与SPN或过敏原反应的核酸分子(作为控制探针)共价连结的两个或更多个控制区域(控制面板)。当SPN不与目标过敏原蛋白质的结合时，互补探针序列仅能与SPN结合。在一些方案中，印刷在控制面板上的核酸分子被探针(例如荧光团)贴上标签。这些控制面板提供具有一机构的光学设备(optical set-up)，以将相对于反应面板的信号输出规范化并确认功能性操作程序。图13A中示出了芯片333或检测区域333’的示例性构造。
在另一个实施例中，传感器DNA芯片(例如，图3C、图5B和图6A中的芯片333和图7B中的检测区域333’)可以包括：印有检测探针的一个反应面板，所述检测探针包括与针对感兴趣过敏原的SPN杂交的短互补序列；与控制核酸分子共价连结的一个控制区域(控制面板)；以及一个或多个基准点，可以引导图像处理并为图像检测器(例如，图15A中的相机检测器)提供自我校正机构。在图13C中示出了芯片333或检测区域333’的示例性构造。
在一些实施例中，涂覆有DNA的芯片可以被预包装到匣盒的反应腔室331中，例如在感测区域332处。在其他实施例中，涂覆有DNA的芯片可以与一次性匣盒(例如，图1中的杯300)分开包装。在其他实施例中，DNA芯片333可以附接到图6A中所示的流体面板631。在其他实施例中，DNA芯片可以被集成到芯片式通道，作为芯片式通道的专用检测区域(例如，图7B所示的芯片式通道710的检测区域333’)。
在本公开中提供了分析匣盒的另一替代性实施例。在图7A中示出了该替代性实施例的测试杯的构造，其中测试杯300包括隔室的类似构造(例如，图6A中所示)，该隔室包括：杯顶310；杯体320，构造为包括一均质化腔室、一滤液腔室、多个洗净腔室和一废弃物腔室；以及杯底330。这种设计很简单，只需要很少的部件。在该实施例中，提供了将流体面板631、芯片333和芯片PSA 632组合成单个薄片的芯片式通道710，以替换这些部件。芯片式通道710可以通过垫圈701(图7A)和底部覆盖件337经由端口连接件711而连接到杯体320(图7C)。替代性地，可以通过密封面712(例如，在图7D中所示的替代性实施例中)将芯片式通道710焊接至杯体。
在一些实施例中，芯片式通道710包括流体路径和具有固定在其上的检测探针的传感器芯片，所述传感器芯片由单独的薄塑料聚合物制成。根据本公开，芯片式通道710可以是一片塑料，其中特定区域(图7B)被构造为检测区域333’(即，在其他实施例中等同于分离的DNA芯片333)。芯片式通道710可以包括连接到检测区域333’的流体通道(例如，图7B中的路径370)。检测区域333’可以由入口和出口通道336’包夹(图7B)。芯片式通道710可以由光学透明的树脂(例如COC、COP和PMMA)制成。
在一些实施例中，基于核酸的检测探针通过UV辐射被印刷在芯片式通道710的检测区域333’上。在一些示例中，检测区域333’还包括被固定在其上的控制探针。检测探针和控制探针被固定，以形成分开的反应面板和控制面板。在一些实施例中，核酸探针和控制探针被印刷在芯片式通道710的检测区域333’上，如图13C所示。检测探针和控制探针被分别印刷在反应面板1312和控制面板1313上。在每个面板内，检测探针和控制探针以棋盘(checkerboard)图案印刷，例如图13D所示的图案。
图7C和图7D示出了芯片式通道710的立体图。在一个实施例中，芯片式通道710由端口连接件711保持(图7C)。真空(例如，检测装置100的真空)通过端口连接件711连接到芯片式通道710。在另一实施例中，芯片式通道710经由面密封件712密封至杯底337(图7D)。芯片式通道710和杯底330的包覆模制将导致各部件的无缝结合。可以使用任何包覆模制和铸造技术，例如注射成型工艺，来将各部件包覆模制为单个部件。
在一些实施例中，其上固定有检测探针的固体基材(例如，芯片式通道710)可以是具有高光学透明度的玻璃，例如硼硅酸盐玻璃和钙钠玻璃(soda glass)。
在其他实施例中，其上固定有检测探针的固体基材(例如，芯片式通道710)可以由具有高光学透明度的塑料材料制成。作为一个非限制性示例，基材可以选自于由以下组成的群组：聚二甲基硅氧烷(PDMS)、环烯烃共聚物(COC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、环烯烃聚合物(COP)、聚酰胺(PA)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯醚(PPE)、聚苯乙烯(PS)、聚甲醛(POM)、聚醚醚酮(PEEK)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、氟化乙丙烯(FEP)、全氟烷氧基烷烃(PFA)、聚丙烯碳酸酯(PPC)、聚醚砜(PES)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、纤维素、聚(4-乙烯苯基氯)(PVBC)、
水凝胶、聚酰亚胺(PI)、1,2-聚丁二烯(PB)、含氟聚合物-及共聚物(例如聚(四氟乙烯)(PTFE)、全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)、乙烯四氟乙烯(ETFE))、含降冰片烯基团的聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸类聚合物或共聚物、聚苯乙烯、取代的聚苯乙烯、聚酰亚胺、硅氧弹性体、含氟聚合物、聚烯烃、环氧树脂、聚氨酯、聚酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚全砜(polypersulfone)和聚醚酮、及其组合。芯片和芯片式通道可以通过注射模制来制备。
在图7E中所示的测试杯300的另一实施例中，该杯被进一步优化以改善其性能并用于制造。在该实施例中，过滤器垫圈623被包覆模制到杯体的内部，例如在均质化腔室321中(图7F)。图7H示出了将各部件组合成单个部件的包覆模制密封件713的剖视图。包覆模制促进了制造过程以形成单个件。在该实施例中，旋转阀350的阀轴351的顶部包括凸轮353(图7G)，该凸轮与过滤器罩621相互作用以提供旋转运动(图7F，右图)。图7I示出了杯底337(上图)和杯体320的仰视立体图(下图)。在该实施例中，旋转阀350通过位于杯底部覆盖件337处的多个压缩螺旋弹簧721而被固定在测试杯杯体320中(图7J)。图7J还示出了杯底337处的压缩螺旋弹簧721。四个螺旋弹簧721可以位于旋转阀端口350a的各角落(corners)处以固定阀350。在该实施例中，芯片式通道710可以被焊接到杯体320的底部。例如，芯片式通道710可以被激光焊接到杯体320的底部。在一个示例中，图7K示出了杯体320的底部处的用于激光焊接的焊珠材料722。
杯底330被构造为关闭一次性测试杯300，并提供用于在本文讨论的各种实施例中将测试杯300联接至检测装置100的装置。在一些实施例中，图3H中所示的杯300的底部组件330的底侧包括用于将杯300连接至检测装置100以进行操作的多个接口，这些接口包括：均质化转子接口340a，其可以将均质化转子340联接至装置100中的电机以用于控制均质化；阀接口350a，其可以将旋转阀350联接到装置100中的电机以用于控制阀旋转；以及泵接口380，用于连接检测装置100中的泵。
在一些实施例中，提供了阀系统以控制样本、检测剂、缓冲剂和其他试剂、以及通过匣盒的不同部分(例如，杯内的单独的腔室)的废弃物的流体流动。除了本文讨论的柔性膜、箔片密封件和夹管阀(pinch valve)之外，还可以包括其他阀以控制检测化验过程中的流体流动，包括回旋式止回阀(swing check valve)、闸阀、球阀、球型阀、旋转阀、定制阀或其他市售阀。例如，压盖密封件(gland seal)或旋转阀350可用于控制杯300内的经处理的样本溶液的流动。在一些示例中，夹管阀或旋转阀用于将流体与其他内部阀部件完全隔离。在其他示例中，气控阀(air operated valve)(例如，气控夹管阀)用于控制流体流动，该流体流动由加压的空气供应来操作。
在一个实施例中，用于控制杯腔室内的流体流动的装置可以被包括在例如杯底组件330和/或杯体320中。该装置可以包括流动通道、管道(tunnel)、阀、垫圈、通风口和空气连接件。在其他实施例中，用于流体流动的装置可以被构造为杯中的单独的部件，例如，图6A中所示的流体面板631。
在其他实施例中，本公开的阀系统可以包括在测试杯300中包括的额外的通气口，以在涂覆有DNA的玻璃芯片被用作检测传感器时控制空气流动。在过敏原检测化验过程中，可用空气来冲洗(purge)该DNA芯片。个别的进气口可以根据系统的需求来打开。如本文所讨论的阀系统可以用于保持通气单元不动作，直到使用时。当流体被添加到腔室中或从腔室中去除时，一个或多个空气端口允许空气进入匣盒(例如，杯300)，且一个或多个通气口允许空气进入各种腔室。这些通气口中还可以具有包含在其中的膜，以防止溢出(spillage)，并作用为通过闭塞(occlusion)排气膜来控制流体填充量的机构，从而停止进一步的流动和填充功能。
在一个优选实施例中，旋转阀350(如图3C、图5B、图6A和图6F以及图7A所示)可以用于控制和调节测试杯300中的流体流动和流速。旋转阀350包括阀轴351和阀盘352(图6F和图7G)，该旋转阀可以由相关联的检测装置(例如，装置100)来操作。在一些实施例中，旋转阀350可以通过在检测化验的过程中的重复洗涤和空气冲洗循环的每个步骤逆时针方向(CCW)或顺时针方向(CW)旋转阀部件而以特定角度定位。气孔可以允许空气进入。空气通过该系统而经由真空压力被吸入，以执行空气冲洗功能。该角度可以在大约2°至大约75°的范围内。
作为一个非限制性示例，阀可以相对于气孔为大约38.5°，其中泵1040是关闭的且反应腔室331是干燥的(称为原始位置(home position，零位))。在对测试样本进行处理和均质化之后，泵被打开且阀350被CCW(逆时针)地旋转并停在大约68.5°的角度处，允许经处理的样本被输送到过滤腔室322。接下来，阀部件可以再次沿不同的方向旋转，而停在不同的角度，例如停在大约57°处，以使洗涤缓冲液流到反应腔室331，以及停在大约72°处，以通过空气冲洗DNA芯片。预洗DNA芯片之后，可将阀部件旋转至大约38.5°处的原始位置。经处理的样本溶液被拉动而通过过滤器组件325。过滤之后，阀部件可以旋转并停在大约2°的角度处，允许收集的滤液流入反应腔室331，其中发生化学反应。阀350将旋转并停在大约57°处以使洗涤缓冲液流到反应腔室331，以及停在大约72°处以用空气冲洗DNA芯片。洗涤和空气冲洗步骤可以重复一次或多次，直到光学测量显示干净的背景为止。
在其他实施例中，旋转阀350操作性地连接至过滤器罩621(图6E)。例如，在测试杯300的运输过程中，过滤器罩会锁定旋转阀350。
在一个实施例中，阀系统可以是如图8A和图8B所示的旋转阀。在该实施例中，旋转阀350被定位成控制空气进入和流体流动。这样的定位可以驱动在均质化腔室321中的均质化、过滤和收集滤液(F)、样本洗涤(例如，洗涤1(W1)和洗涤2(W2))、以及废弃物收集(在图8A中所示)。在图8B的步骤1中，旋转阀350处于关闭位置，其中没有在任何一个腔室之间建立连接。在图8B的步骤2中，旋转阀350将洗涤1腔室W1连接到反应腔室331，以冲洗反应腔室331，随后将洗涤缓冲液推出到废弃物腔室323。在图8B的步骤3中，旋转阀350将均质化腔室321连接至滤液腔室F以影响过滤步骤。在图8B的步骤4中，旋转阀350将滤液腔室F连接至反应腔室331，以将滤液送至反应腔室331而进行反应和分析。在图8B的步骤5中，旋转阀350将洗涤2腔室W2连接至反应腔室，以再次冲洗反应腔室331。
在一些实施例中，提取缓冲液可以被预存储在分析匣盒中，例如杯体320的均质化腔室321中，例如被储存在箔片密封的贮存器中，就像是食物处理贮存器801一样(图8C)。替代性地，提取缓冲液可以被分开地存储在杯体320中的单独的缓冲液贮存器中，一种类似于洗涤缓冲液储存贮存器802(在缓冲剂储存腔室324中(可选)，如图8C所示)的贮存器。样本均质化之后的提取缓冲液和洗涤废弃物可以被存储在废弃物腔室323中的单独的废弃物贮存器803中。废弃物腔室323具有足够的容积以存储大于检测化验期间使用的流体量的容积。
根据本公开，均质化转子340可被构造成足够小以适合于放入一次性测试杯300中，尤其是放入到均质化腔室321中，其中在均质化腔室中，均质器处理待测试的样本。此外，均质化转子340可被优化以增加样本均质化和蛋白质提取的功效。在一个实施例中，均质化转子340可在近端处包括一个或多个叶片或其等同物。在一些示例中，转子340可以包括一个、两个、三个或更多个叶片。均质化转子340被构造为将测试样本从食物取芯器200拉入到均质化腔室321的底部。
替代性地，均质化转子340还可以包括穿过转子的中心杆，该中心杆穿过杯体320连接到第二接口嘴口。中心杆可以用作附加的轴承表面，或用于将旋转运动传递到转子340。当转子340通过杯底的端口(例如端口340a)安装到杯体上时，叶片尖端可以在操作期间保持浸没在提取缓冲器内。在另一替代性实施例中，均质化转子340可具有延伸部，以提供穿过杯的底部的通道(pass)；该通道可以用作第二轴承支撑件和/或用于动力传递的附加位置。在该实施例中，转子的下部部分具有锥度以装配至轴，从而形成一件式转子。根据本公开，带有或没有中心杆的均质化转子340的叶片的深度被构造成，确保叶片尖端在样本处理期间处于流体中。
与其他均质器(例如，美国专利第6,398,402号；其整体通过援引并入本文)相比，本公开的定制叶片芯旋转(spin，回转)且拉动和迫使食物进入定制罩的带齿表面。均质器转子可由任何热塑性材料制成，包括但不限于聚酰胺(PA)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯(PC)、高抗冲聚苯乙烯(HIPS)和乙缩醛(POM)。
一次性匣盒可以是任何形状，例如圆形、椭圆形、矩形或卵形。这些形状中的任何一个都可以设置有指状(finger)切口或凹口。一次性匣盒可以是不对称的或对称的。
可选地，可以在杯盖311的顶部上包括标签或箔片密封件，以提供最终的流体密封和对测试杯300的识别。例如，花生的指示显示该一次性测试杯300用于检测食物样本中的花生过敏原。
检测装置
在一些实施例中，检测装置100可以被构造为具有：外部壳体101，为检测装置100的部件提供支撑表面；以及盖103，打开用于插入一次性测试杯300的检测装置100并在操作过程中覆盖杯。小的盖可以位于装置的一侧(如图1和图9A所示)，或位于中心(未示出)。在本公开的一些方案中，盖可以是透明的，从而允许所有操作通过盖103可见。该装置还可以包括用于传递数据的USB端口105。
在图1和图9A中示出了根据本公开的过敏原检测装置100的一个实施例。如图1所示，检测装置100包括外部壳体101，该外部壳体提供用于将检测装置100的各部件保持在一起的支撑。外部壳体101可以由塑料或其他合适的支撑材料形成。在其他实施例中，该装置可以由铝制成。该装置还具有用于对接测试杯300的端口或容座102(图1和图9A)。
为了进行过敏原检测测试，检测装置100设有：用于操作均质化组件的装置(例如，电机)和将电机连接至均质化组件的必要的连接器；控制旋转阀的装置(例如，电机)；用于在过敏原检测测试过程中驱动和控制经处理的样本溶液流动的装置；光学系统；用于对来自测试样本中的过敏原与检测剂之间的检测反应的荧光信号进行检测的装置；用于使检测信号可视化的装置，其包括对检测到的信号进行转换和使其数字化；显示测试结果的用户接口；以及电源。
从透明盖103(图9A)观察，装置100具有接口，该接口包括用于联接匣盒300(当被插入时)的部件的区域，以用于操作检测反应(图9B)。这些区域包括：均质化嘴口910，用于将转子340联接到电机；真空嘴口920，用于将杯与真空泵联接；旋转阀驱动嘴口930，用于将旋转阀350联接到阀电机；以及保护玻璃940，通过反应腔室331的光学窗口与芯片式通道710的传感器区域333’或玻璃芯片333对准。还包括数据芯片读取器950，以读取数据芯片335。销960用于帮助杯300在装置100的容座中的放置。
在本公开的一个实施例中，如图10A所示，检测装置100的多个部件被集成，以供用于操作检测反应的所有运动和致动，这些部件包括电机1010，电机可以连接到杯体320中均质化腔室321内的均质化转子340。电机1010可以通过多部件联接组件连接，该多组件联接组件包括：齿轮系/驱动台板(platen，滚筒)，用于在过敏原检测测试中进行均质化期间驱动转子；阀电机1020，用于驱动旋转阀350；光学系统1030，其连接至一次性测试杯300内的反应腔室331(未示出)或芯片式通道710；真空泵1040，用于控制和调节空气和流体流动(图10A中未示出)；PCB显示器1050；以及电源1060(在图10B中)。用于保持测试杯的装置(即，杯保持器(cup retention)1070)被包括以用于保持测试杯300。将在下文详细说明每个部分。
1、均质化组件
在一个实施例中，电机1010可以通过多部件转子联接组件而连接至测试杯300内部的均质化转子340。转子联接组件可以包括：联接件，其直接连结到转子340的远端罩；以及齿轮头，该齿轮头是齿轮系或驱动器(未示出)的一部分，用于连接至电机1010。在一些实施例中，联接件在其每一端可以具有不同的尺寸，或在联接件的每一端处具有相同的尺寸。联接组件的远端可以通过杯底330处的转子端口340a连接到转子340。在本公开的范围内，用于将电机连接到均质化转子340的其他替代装置也可用于形成功能性均质化组件。
在一些实施例中，电机1010可以是市售的电机，例如，Maxon电机系统：Maxon RE-max和/或Maxon A-max(Maxon Motor ag，San Mateo，CA，USA)。
可选地，可以提供加热系统(例如，电阻加热或帕尔贴(peltier)加热器)以提高均质化的温度，从而增加样本离解的有效性并缩短处理时间。温度可以升高到60℃至95℃，但低于95℃。升高的温度还可以促进检测分子与被检测的过敏原之间的结合。可选地，可以提供风扇或帕尔贴冷却器，以在实施测试后快速降低温度。
电机1010驱动均质化组件，以使提取缓冲液中的测试样本均质化并离解/提取过敏原蛋白质。经处理的样本溶液可以通过流管被泵送或压至下一个腔室以进行分析，例如，进入反应腔室331，在该腔室中将经处理的样本溶液与预加载的检测分子(例如适体磁珠共轭物)混合以进行检测测试。替代性地，经处理的样本溶液可以在被传递到反应腔室331进行分析之前，先通过流管被泵送或压至过滤器组件325，然后被泵送或压至滤液腔室322。
2、过滤
在一些实施例中，在检测装置中可以包括用于控制经处理的测试样本的过滤的装置。在将提取溶液输送至反应腔室331和/或其他腔室以进行进一步处理(例如洗涤)之前，食物样本将被挤压通过过滤膜或过滤组件。一个示例是一个或多个过滤膜。所述膜提供了从经处理的蛋白质溶液中过滤掉特定颗粒。例如，过滤膜可以过滤高达约0.1μm至约1000μm、或约1μm至约600μm、或约1μm至约100μm、或约1μm至约20μm的颗粒。在一些示例中，过滤膜可以去除高达约20μm、或约19μm、或约18μm、或约17μm、或约16μm、或约15μm、或约14μm、或约13μm、或约12μm、或约11μm、或约10μm、或约9μm、或约8μm、或约7μm、或约6μm、或约5μm、或约4μm、或约3μm、或约2μm、或约1μm、或约0.5μm、或约0.1μm的颗粒。在一个示例中，过滤膜可从处理样本中去除高达约1μm的颗粒。在一些方案中，过滤膜可以组合使用，以从用于分析的化验中过滤出特定颗粒。该过滤膜可以包括多级过滤器。过滤膜和/或过滤器组件可以是相对于流量阀(flow valve)的任何构造。例如，流量阀可以在过滤的任何阶段之上、之下或之间。
在一些实施例中，过滤器组件可以是如图4A所示的复杂过滤器组件325，其中通过粗过滤器411、深度过滤器412和膜式过滤器420依次过滤经处理的样本。在其他实施例中，过滤器组件325可以是图6D所示的过滤器堆叠。
3、泵和流体运动
根据本公开，提供了一种用于驱动和控制经处理的样本溶液的流动的装置。在一些实施例中，该装置可以是真空系统或外部压力。作为一个非限制性示例，该装置可以是被构造成多功能的台板(例如，焊接的塑料抓斗(clamshell))，因为它可以支撑齿轮系的轴线并且可以供进行从泵1040施加到测试杯300的真空的泵送(pumping)(密封的空气通道)。泵1040可以通过位于底部的泵端口920连接到测试杯300(图9B)，当杯被插入该装置时，其连接到测试杯300的底部330上的泵接口380(图3G)。
诸如压电微型泵(例如，日本名古屋的Takasago Electric股份有限公司)或蠕动泵(peristaltic pump)可用于控制并自动调节该流动(flow)至目标流速。泵的流速可以通过更改驱动器电压或驱动频率来调节。作为一个非限制性示例，泵1040可以是蠕动泵。在另一实施例中，泵1040可以是当前在市场上的压电泵，该压电泵具有指示其可适合于使经过滤的样本溶液流动到测试杯300内不同腔室中所需的等分功能(aliquot function)的规格。泵1040可以是真空泵或为实验腔室使用而构造的另一个小型泵，例如KBF泵(KNFNeuberger，Trenton，NJ，USA)。
替代地，注射泵、隔膜和/或微蠕动泵可以用于控制检测化验和/或支持流体元件的过程中的流体运动。在一个示例中，可以使用气控隔膜泵。
4、旋转阀控制
在一些实施例中，用于控制流体流动的旋转阀350(例如，如图6F所示)需要处于精确位置。(为此)提供了一种控制旋转阀的装置，且控制机构能够在两个方向上旋转该阀并精确地停在期望的位置。在一些实施例中，装置100包括阀电机1020(在图10A中所示)。如图11A所示，阀电机1020可以是低成本的、具有两个低成本光学传感器(传感器1131和1132)的直流齿轮电机1110、以及微控制器。输出联接件1120与旋转阀350接口连接(interface)。在一些实施例中，输出联接件1120具有“半月形”支架(shelf)1170，如图11B所示，其以突出的半部(protruding half)中断(interrupt)输出光学传感器1131。输出光学传感器信号取决于突出的支架是否中断传感器，而在高与低之间切换(toggle)。微控制器(MCU)检测这些转变并从该信号获得输出的绝对位置。这些转变的位置很重要，并且针对特定应用，因为在方向改变期间会使用这些转变来解决齿轮啮合间隙(gear backlash)。
直驱电机轴(direct motor shaft)1140具有一个桨轮(paddle)，其中断该直驱轴光学传感器1132，从而允许直驱轴光学传感器1132输出一连串脉冲，每转的脉冲数由轮1150上的桨轮数来确定。MCU读取这一连串脉冲并确定输出联接件的度数移动(degreesmovement)。分辨率取决于直驱轴编码器轮1150的浆轮数量和齿轮箱1160的齿轮减速比。
只要输出联接架转变的位置、直驱编码器轮1120上的浆轮数量和齿轮比是已知的，则MCU中断这两个光学传感器的输出，并可以将输出驱动到期望的位置。在方向改变期间，在输出转变被看到之前，电机必须旋转一固定量，该固定量被选择以克服齿轮的啮合间隙。一旦该固定量被克服，在下一个输出信号转变时，MCU可以开始对直驱信号脉冲进行计数，并确信这些脉冲对应于位置和移动的精确输出。
5、光学系统
本公开的检测装置100包括光学系统，该光学系统检测由样本中的过敏原与检测剂(例如，适体和SPN)之间的相互作用产生的光信号(例如，荧光信号)。光学系统可以包括不同的部件和可变的构造，这取决于待检测的荧光信号的类型。光学系统靠近检测匣盒并与之对准，例如，如上所述，测试杯300的反应腔室331的主要光学窗口和可选地次要光学窗口。
在一些实施例中，光学系统1030可以包括激发式光学器件1210和发射式光学器件1220(图12A和图12B)。在一个实施例中，如图12A所示，激发式光学器件1210可以包括：发光二极管(LED)1211，被构造为将激发光学信号传输到反应腔室331中的感测区域(例如332)；准直透镜1212，被构造为将来自光源的光聚焦；过滤器(filter，滤光片)1213(例如，带通过滤器)；聚焦透镜1214；以及可选的LED功率监控光电二极管。发射式光学器件1220可以包括：聚焦透镜1221，被构造为将取决于过敏原的光信号的至少一部分聚焦到检测器(光电二极管)上；两个过滤器，包括长通过滤器1222和带通过滤器1223；会聚透镜1224，被构造为收集从反应腔室和孔口(aperture)1225发出的光。发射式光学器件收集从检测腔室331中的固体表面(例如，DNA芯片333)发出的光，并且该信号被检测器1230检测，该检测器被构造为检测从感测区域332发出的取决于过敏原的光学信号。在一些方案中，激发功率监控器可以被集成到LED(图12A中未示出)中。
光源1211被布置成发送激发处于波长范围内的激发光。合适的光源包括但不限于激光器、半导体激光器、发光二极管(LED)和有机LED。
光学透镜1212可以与光源1211一起使用，以将激发源光提供给荧光团。光学透镜1214可以用于限制激发光波长的范围。在一些方案中，过滤器可以是带通过滤器。
针对目标过敏原的荧光团标记的SPN能够响应于至少一个激发波长范围内的激发光而在至少一个发射波长范围内发射取决于过敏原结合的光学信号(例如荧光)。
在一些实施例中，发射式光学器件1220可操作为在来自反应腔室331的检测剂与测试样本中的目标过敏原之间的相互作用时收集这些发射(emissions)。可选地，反射镜可以被插入在发射式光学器件1220与检测器1230之间。反射镜可以在一定角度范围内(例如从1°到90°)旋转，这可以有助于在小型便携式检测装置内部形成紧凑的光学单元。
在一些实施例中，在检测装置中可以包括多于一个的发射光学系统1220。作为一个非限制性示例，可以提供三个光电二极管光学系统，以测量来自玻璃芯片上的未知测试区域和两个控制区域的荧光信号(例如，参见图13B)。在其他方案中，在发射式光学器件1220中还可以包括附加的会聚透镜1224。该会聚透镜可以被构造为检测来自芯片333的几个不同的信号。例如，当使用DNA玻璃芯片实施检测化验时，除了用于过敏原检测的检测区域之外，可以在固体表面上构建多于两个的控制区域。当测量过敏原衍生信号时，可以同时检测来自每个控制区域的内部控制信号。在这种情况下，光学系统1030中可以包括多于两个的会聚透镜1224，一个透镜1224用于来自检测区域的信号，其余的会聚透镜1224用于来自控制区域的信号。
检测器(例如，光电二极管)1230被布置成检测从流体芯片发射的在发射波长范围内的光。合适的检测器包括但不限于光电二极管、互补金属氧化物半导体(CMOS)检测器、光电倍增管(PMT)、微通道板检测器、量子点光导体、光电晶体管、光敏电阻、有源像素传感器(APS)、气态电离检测器、或电荷耦合装置(CCD)检测器。在一些方案中，可以使用单个和/或通用检测器。
在一些实施例中，检测器1230可以是图像检测器，例如下文所述的相机。
在一些实施例中，光学系统1030可以被构造为检测来自固体基材传感器(例如，图13A所示的DNA芯片333或图7A至图7C所示的芯片式通道710)的荧光信号。DNA芯片可以被构造为包含中央反应面板，其在芯片上被标记为“未知”信号区域(图13A)，以及在芯片的各个位置处的至少两个控制区域(图13A)。在这种情况下，光学系统1030被构造为同时测量检测信号和内部控制信号(图13B)。
在一个示例中，光学系统1030包括两个会聚透镜1224和相应的光学部件，例如用于每个透镜1224的控制阵列光电二极管。图12B示出了检测装置100内部的图12A所示的光学系统1030的侧视图。在该实施例中，光学系统中包括两个会聚透镜1224：一个用于收集来自DNA芯片的控制阵列信号(例如，图13B中所示的两个信号1301和1302)、以及一个针对来自DNA芯片的未知检测信号(例如，图13B所示的检测信号1302)。在其他方案中，会聚透镜1224可以被构造为收集来自芯片式通道710的检测区域333’的信号，例如，图13C中所示的来自反应面板1312的一个信号和来自控制面板1313的另一个信号。对于每个光学路径，包括一个信号阵列二极管1241(例如，图12A中所示的LED二极管1211)和两个控制化验光电二极管1242。此外，两个棱镜1243可以被添加到构造为从两个控制区域收集信号的两个会聚透镜(1224)。棱镜1243可以使控制阵列光弯曲到光电二极管传感器区域。
在一些实施例中，光学系统1030可以被构造为如图14A所示的直线模式。激发式光学器件1410被构造为将激发光学信号传输到反应腔室331中的玻璃芯片333(例如，涂覆有DNA的芯片)，其可以包括LED1411、准直(collimation)透镜1412、带通过滤器1413和柱面透镜1414。柱面透镜1414可以使激发光形成一条线，以覆盖玻璃芯片上的反应面板和控制面板(例如，图13B)。与玻璃芯片333对准的发射式光学器件1420可以包括被构造为收集从玻璃芯片333发射的光的会聚透镜1421、带通过滤器1422a、长通过滤器1422b、以及被构造为将基于过敏原的光学信号的至少一部分聚焦到芯片读取器1430上的聚焦透镜1423。芯片读取器1430由三个光电二极管透镜1431、两个控制阵列光电二极管1432、信号阵列光电二极管1433和收集PCB1434(图14A)组成。在一些实施例中，会聚透镜1421可以被成形为包含凹形(concave)第一表面，以优化成像并最小化杂散光(stray light)。
作为一个非限制性示例，激发式光学器件1410和发射式光学器件1420可以被折叠并构造到装置100中的阶梯孔1480中(见图14C)。激发折叠式反射镜1440和会聚折叠式反射镜1450可以被构造为分别最小化来自激发式光学器件1410和发射式光学器件1420的光路(在图14B中)。被最小化的体积使得激光器可以以一定频率来调制，从而使来自环境光源的干扰最小化。光电二极管屏蔽件1460可以被添加以覆盖和保护图14A所示的芯片读取器1430。然后，读取器1430被定位成靠近会聚透镜1421以最小化散射光。图14C示出了在装置中用于保持发射式光学器件1420的阶梯孔1480的示例。会聚透镜1421的光圈(aperture，孔)1470在图14C中被示出。
LED源(例如LED1411)可以被调制和/或偏振和定向，以最小化来自玻璃芯片的反射。因此，芯片读取器可以被同步以测量调制的光。
图15A示出了光学系统1030的另一实施例。在该实施例中，光学系统1030包括图像检测器。图像检测器可以是相机1531，作为信号读取器1530的一部分。相机可以捕获芯片式通道710的检测区域333’或传感器DNA芯片333的反应图像。作为一个非限制性示例，图15A中所示的光学系统1030包括：激发式光学器件1510，其包括激发过滤器1513、准直透镜1512和激光二极管1511；发射式光学器件1520，其包括会聚透镜1521、带通过滤器1522a、长通过滤器1522b(例如，彩色玻璃长通过滤器)和聚焦透镜1523；以及信号读取器1530，其包括相机1531。光学系统的每个系统可以被构造在光学壳体中，例如，图15A中的光学壳体1540，其被构造为用于保持发射式光学器件1520的各部件。
图15B示出了图15A的光学系统的剖视图，该光学系统被组装在检测装置100的内部。从该剖开的侧视图观察，激发式光学器件1510和发射式光学器件1520分别被组装到光学壳体中。保护窗口1501可以被添加以保护光学部件。可选地，可以包括激光调节安装件1502来调节激发式光学器件1510内部的激光二极管1511。相机1531捕获反应图像，原始图像被收集和处理。检测结果可以通过显示PCB1050显示。
上述光学系统1030是某些实施例的说明性示例。替代性实施例可以具有不同的构造和/或不同的部件。
在其他实施例中，可以使用计算机或其他数字控制系统来与滤光器(lightfilter，光过滤器)、荧光检测器、吸收检测器和散射检测器通信。计算机或其他数字控制系统控制滤光器，以随后用多个波长中的每个波长照射样本，同时基于从荧光和吸收检测器接收的信号来测量样本的吸收和荧光。
6、显示器
如图10B的剖开的侧视图所示，印刷电路板(PCB)1050连接到光学系统1030。PCB1050可以被构造为是紧凑的且具有检测装置100的尺寸，并且同时可以提供足够的空间来显示测试结果。
因此，测试结果可以用背光图标、LED或LCD屏幕、OLED、分段式显示器或附接的手机应用程序来显示。使用者可以看到一个指示，表明样本正在被处理、样本已被完全处理(总蛋白质指示剂)、以及测试结果。使用者还能够查看电池的状态和装置中放置了哪种类型的匣盒(匣盒或LED组件上的条形码)。测试结果将显示为例如(1)实际数字，ppm或mg；或者(2)二进制结果，是/否；或者(3)风险分析--高/中/低或高/低、存在风险；或者(4)ppm的范围，小于1/1-10ppm/大于10ppm；或者(5)mg的范围，小于1mg/在1mg至10mg之间/大于10mg。结果也可能显示为数字、颜色、图标和/或字母。
根据本公开，检测装置100还可以包括其他特征，例如用于提供电源的装置和用于提供过程控制的装置。在一些实施例中，提供一个或多个开关以将电机、微型泵和/或齿轮系或驱动器连接到电源。这些开关可以是简单的微型开关，其可以通过连接和断开电池来打开和关闭检测装置。
电源1060可以是锂离子AA格式电池，也可以是适用于支持小型医疗装置的任何市售电池，例如Rhino 610电池、Tumtigy Nanotech高可放电锂电池、或Pentax D-L163电池。
在本文的描述中，应理解的是，部件之间的所有列举的连接可以是直接操作连接或间接操作连接。其他部件也可能包括于2017年2月21日提交的美国临时申请62/461,332中公开的内容；其内容通过援引整体并入本文。
检测化验
在本公开的另一方面，提供了使用本公开的检测组件和系统、检测剂和检测传感器实施的过敏原检测测试。
作为一个非限制性示例，过敏原检测测试包括以下步骤：(a)收集一定量的被怀疑包含感兴趣过敏原的测试样本，(b)将样本均质化并使用提取/均质化缓冲液来提取过敏原蛋白质，(c)使经处理的样本与特定地结合目标过敏原的检测剂进行接触；(d)使(c)中的混合物与检测传感器接触，该检测传感器包括印刷有核酸探针的固体基材；(e)测量来自反应的荧光信号；以及(f)处理和数字化检测到的信号，并可视化检测剂与过敏原之间的相互作用。
在本公开的一些方案中，该方法还包括以下步骤：从检测传感器上洗除未结合的化合物，以去除任何非特定结合相互作用。
在本公开的一些方案中，该方法还包括以下步骤：在经处理的样本与检测传感器(例如DNA芯片)接触之前过滤该经处理的样本。
在一些实施例中，收集适当尺寸的测试样本以用于检测化验，以提供来自化验的可靠和灵敏的结果。在一些示例中，使用了一种采样机构，其可以有效且无损地收集测试样本以快速有效地提取过敏原蛋白质来进行检测。
可以使用例如图2B所示的食物取芯器200来收集测试样本的设定尺寸的部分(sized portion)。食物取芯器200收集适当尺寸的样本，可以从中提取足够的蛋白质用于检测测试。设定尺寸的部分的质量范围可以为0.1g至1g，优选为0.5g。此外，食物取芯器200可以通过切割、研磨、混合、磨削和/或过滤来对收集的测试样本进行预处理。经预处理的测试样本将被引入均质化腔室321中，以进行处理和过敏原蛋白质的提取。
所收集的测试样本在提取/均质化缓冲液中处理。在一些方案中，提取缓冲液被存储在均质化腔室321中，并且可以通过均质化转子340而与测试样本混合。在其他方案中，提取缓冲液可以从另一个单独的储存腔室被释放到均质化腔室321中。测试样本和提取缓冲液将通过均质化转子340和被均质化的样本混合在一起。在一些实施例中，提取缓冲液中预加载有检测剂(例如，SPN)，从而允许从测试样本中提取感兴趣分子，以与检测剂相互作用。
提取缓冲液可以是通用目标提取缓冲液，其可以从任何测试样本中回收足够的目标蛋白质，并可以进行优化以使蛋白质提取率最大化。在一些实施例中，通用蛋白质提取缓冲液的制剂(formulation，配方)可以在腔室温下并且在最短的时间内(小于1分钟)提取蛋白质。在食物采样、均质化和过滤过程中可以使用相同的缓冲液。提取缓冲液可以是含有10％、20％或40％乙醇的基于PBS的缓冲液、或基于三羟甲基氨基甲烷(Tris)的缓冲液(其包含pH8.0的Tris基、5mM MEDTA和20％乙醇)、或修改过的PBS或Tris缓冲液。在一些示例中，缓冲液可以是基于HEPES的缓冲液。修改过的PBS缓冲液的一些示例可以包括：P+缓冲液和K缓冲液。基于Tris的缓冲液的一些示例可以包括缓冲液A+、缓冲液A、B、C、D、E、和缓冲液T。作为一个非限制性示例，提取缓冲液可以包括20mM EPPS、2％PEG 8000、2％F-127(Pluronic)、0.2％Brij-58(pH8.4)。在一些实施例中，可以优化提取缓冲液以增加蛋白质提取。在PCT专利申请第PCT/US2014/062656号中公开了每个修改过的缓冲器的详细描述；其内容通过援引整体并入本文。
根据本公开，在样本被均质化之后添加MgCl2。在一些实施例中，在样本均质化之后，MgCl2溶液(例如30μL的1M MgCl2溶液)被添加至均质化腔室(例如，图3F中的腔室321)。
在其他实施例中，可以使用固体MgCl2制剂来代替反应期间添加的MgCl2溶液。固体制剂可以被提供为均质化腔室(例如，图3F中的腔室321)中的MgCl2冷冻干燥的丸剂，其在过滤后被均质物溶解，或在过滤器(例如，图4A中的过滤膜420和图4A和图6D中的过滤器组件325)中沉积或分层的过滤器部件(在过滤期间被均质物溶解)，或沉积在均质化腔室321内表面的MgCl2薄膜，或包含在滤液腔室(例如，滤液腔室322)中存储或单独的支撑件上的冷冻干燥珠粒(lyophilized beads)的MgCl2。在过滤器组件325的情况下，深度过滤器的棉层过滤器(例如412)可以浸渍有MgCl2制剂。不论制剂如何，MgCl2都会在不到1分钟的时间内，最好在不到30秒的时间内溶解，从而与经处理的样本匀浆接触。MgCl2可在约10秒、或约15秒、或约20秒、或约25秒、或约30秒内溶解。固体制剂将在这短时间内释放MgCl2，以达到30mM的最终浓度。在一些方案中，固体MgCl2制剂可能不会分解成粉末。
提取缓冲液的体积可以为0.5mL至3.0mL。在一些实施例中，提取缓冲液的体积可以是0.5mL、1.0mL、1.5mL、2.0mL、2.5mL或3.0mL。该体积已确定为随时间推移且在不同食物基质中是有效且可重复的。
根据本公开，使用均质化组件对测试样本进行均质化和处理，该均质化组件已经通过高速均质化进行了优化，以最大程度地处理测试样本。
在本公开的一些方案中，过滤机构可以被连结至均质器。然后，在处理过程中，经均质化的样本溶液被驱动以流经过滤器，用以进一步提取过敏原蛋白质并去除可能在测试过程中干扰流动和光学测量的颗粒，从而降低从测试样本中提取的其他分子的量。过滤步骤可以进一步实现样本的均匀粘度，以在化验期间控制流体。在将DNA玻璃芯片用作检测传感器的情况下，过滤可以去除可能粘附在芯片上并在测试过程中干扰光学测量的脂肪和乳化剂。在一些实施例中，可以将过滤膜，例如来自CORNING(CORNING，NY，USA)或类似的定制实施例的细胞过滤器(cell strainer)连接至均质器。过滤过程可以是从第一过滤器到第二过滤器、或到第三过滤器具有不同孔尺寸的多级布置。可以根据待测试的食物基质来调整和优化过滤过程。作为一个非限制性示例，具有小的孔尺寸的过滤器组件可用于在处理干食物时捕获颗粒并吸收大量液体，因此，在过滤过程中会使用较长的时间和较高的压力。在另一个示例中，当处理脂肪类食物时，大量块状过滤可以被实施以吸收脂肪和乳化剂。过滤可以进一步促进从荧光食物中去除荧光雾或颗粒(荧光雾或颗粒将会干扰光学测量)。
过滤器可以是简单的膜式过滤器，或是由过滤材料(例如PET、棉和沙等)的组合组成的组件。在一些实施例中，经均质化的样本可以通过过滤膜或过滤器组件(例如图4A中的过滤器组件325)过滤。
在本公开的一些方案中，采样程序可以在不到1分钟的时间内达到有效的蛋白质提取。在一个方案中，消化(digestion)速度可以小于2分钟，其包括食物拾取、消化和读出。该程序大约可以持续15秒、30秒、45秒、50秒、55秒、1分钟或2分钟。
提取的过敏原蛋白质可与针对一种或多种感兴趣过敏原的一种或多种检测剂混合。过敏原蛋白质提取物与检测剂之间的相互作用将产生可检测信号，该信号指示测试样本中一种或多种过敏原的存在与否。如本文所用，术语“检测剂”或“过敏原检测剂”是指能够以允许检测样本中的这种过敏原的方式，与一种或多种过敏原相互作用或与之结合的任何分子。检测剂可以是基于蛋白质的试剂，例如抗体、基于核酸的试剂、或小分子。
在一些实施例中，检测剂是基于核酸分子的信号多核苷酸(SPN)。SPN包括以高特异性和亲和力结合目标过敏原蛋白质的核心核酸序列。SPN可以源自通过SELEX方法选择的适体。如本文所用，术语“适体”是指一种核酸种类，其通过反复的体外选择或等效地SELEX(通过指数增强的配体的系统进化)设计制造(engineered，工程化)，用以结合各种分子目标，例如小分子、蛋白质、核酸、甚至细胞、组织和器官。与目标分子的结合特异性和高亲和力、在环境温度下的灵敏度和复制性、相对较低的生产成本、以及开发能够识别任何蛋白质的适体核心序列的可能性，确保了有效但简单的检测化验。
根据本公开，可用作检测剂的SPN可以是针对常见过敏原(例如花生、树坚果、鱼、面筋(gluten)、牛奶和鸡蛋)的适体。例如，检测剂可以是申请人的相关PCT申请公布WO2015066027、WO2016176203、WO2017160616和WO2018089391中描述的适体或SPN；以及于2018年8月3日提交的美国临时申请第62/714,102号；其每一篇的内容通过援引整体并入本文。
在一些实施例中，检测剂(例如，SPN)可以用荧光标记来标记。荧光标记、荧光团可以合适地具有在200nm至700nm范围内的激发最大值，而发射最大值可以在300nm至800nm的范围内。荧光团还可具有在1-7纳秒、优选3-5纳秒的范围内的荧光松弛时间(fluorescencerelaxation time)。作为一个非限制性示例，可在SPN的一个末端(terminus)处被探测到的荧光团可以包括氟化硼络合二吡咯甲川类(BODIPY，例如，BODIPY TMR染料；BODIPY FL染料)、荧光素及其衍生物、罗丹明(rhodamine)及其衍生物、丹磺酰基(dansyls)及其衍生物(例如丹酰戊二胺(dansyl cadaverine))、德州红、伊红(eosin)、花青染料、吲哚花青(indocarbocyanine)、氧卡巴花菁(oxacarbocyanine)、硫碳菁(thiacarbocyanine)、花青(merocyanine)、方酸(squaraines)及其衍生物噻咜(derivatives seta)、噻陶(setau)、方形染料、萘及其衍生物、香豆素及其衍生物、吡啶基恶唑(pyridyloxazole)、硝苯氧基二唑(nitrobenzoxadiazole)、蒽醌(benzoxadiazole)、芘(pyrene)及其衍生物、恶嗪(oxazine)及其衍生物、尼罗红、尼罗蓝、甲酚紫(cresyl violet)、恶嗪170、原黄素(proflavin)、吖啶橙、吖啶黄、金胺(auramine)、结晶紫、孔雀石绿、卟吩(porphin)、酞菁(phthalocyanine)、胆红素、四甲基罗丹明(tetramethylrhodamine)、羟基香豆素、氨基香豆素(aminocoumarin)、甲氧基香豆素(methoxycoumarin)、级联蓝(cascade blue)、太平洋蓝、太平洋橙、NBD、r-藻红素(PE)、红色613；perCP、trured；fluorX、Cy2、Cy3、Cy5和Cy7、TRITC、X-罗丹明、丽丝胺(lissamine)罗丹明B、别藻蓝蛋白质(APC)和Alexa荧光染料(例如AlexaFluo 488、Alexa Fluo 500、Alexa Fluo 514、Alexa Fluo 532、Alexa Fluo 546、AlexaFluo 555、Alexa Fluo 568、Alexa Fluo 594、Alexa Fluo 610、Alexa Fluo 633、AlexaFluo 637、Alexa Fluo 647、Alexa Fluo 660、Alexa Fluo 680和Alexa Fluo 700)。
在一个示例中，SPN在SPN序列的5’端标记有Cy5。在另一个示例中，SPN在SPN序列的一端处标记有Alexa Fluo 647。
在一些实施例中，针对感兴趣过敏原的SPN被预存储在均质化腔室321中的提取/均质化缓冲液中(图3B和图3F)。提取的过敏原蛋白质(如果存在于测试样本中)将与SPN结合，形成蛋白质：SPN复合物。这种蛋白质：SPN复合物可以在测试过程中通过检测传感器被检测到。
在一些实施例中，可以将八种主要食物过敏原(即，小麦、鸡蛋、牛奶、花生、树坚果、鱼类、贝类和大豆)的检测剂作为一次性用品来提供。在一个方案中，检测剂的构建体(constructs)可以与MgCl2存储在一起，或者与KCl掺杂在一起。MgCl2使构建体保持紧密关闭，而KC1稍微将其打开以进行结合。
在一些实施例中，检测传感器是印有核酸的固体基材。如本文所用，术语“检测传感器”是指可以捕获反应信号(即，源自过敏原蛋白质和检测剂的结合的反应信号)、测量目标的数量和/或质量并将测量值转换为可数字测量的信号的仪器。
在一些实施例中，检测传感器是涂覆有核酸分子(如本文中称为核酸芯片或DNA芯片)的固体基材，例如玻璃芯片。例如，检测传感器可以是插入到本公开的反应腔室331中、或测试杯300(图7A)中的芯片式通道710中的玻璃芯片333。检测传感器也可以是单独的玻璃芯片，例如，由玻璃晶片(wafer)和钙钠玻璃、或微孔、或丙烯酸玻璃、或微芯片、或由COC(环烯烃共聚物)和COP(环烯烃聚合物)制成的塑料芯片、或膜类基材(例如硝化纤维素)制备，其表面覆盖有核酸分子。
在一些实施例中，涂覆有核酸的芯片可以包括至少一个反应面板和至少两个控制面板。反应面板上印有与SPN杂交的核酸探针。如本文所用，术语“核酸探针”是指短寡核苷酸，其包括与SPN的核酸序列互补的核酸序列。探针的短互补序列可以与自由的(free)SPN杂交。当SPN未与目标过敏原结合时，SPN可以通过杂交被锚定到探针上。当SPN与目标过敏原结合而形成蛋白质：SPN复合物时，蛋白质：SPN复合物会阻止SPN及其核酸探针之间的杂交。
在一些示例中，探针包括与SPN的3’端的序列(特定地结合目标过敏原蛋白质)互补的短核酸序列。在此情况下，在提取/均质化缓冲液中提供针对目标过敏原蛋白质的SPN。当样本在均质化腔室321中被处理时，目标过敏原(如果存在于测试样本中)将结合至SPN，并形成蛋白质：SPN复合物。当样本溶液流到检测传感器时，例如，反应腔室331(图3B)中的DNA芯片333或芯片式通道710(图7A)，结合的过敏原蛋白质阻止SPN与芯片表面上的互补SPN探针杂交。蛋白质：SPN复合物被洗掉，并且没有检测到荧光信号。在测试样本中不存在目标过敏原蛋白质的情况下，自由的SPN将与芯片表面上的互补SPN探针结合。荧光信号将从反应面板被检测(如图13A和图13B所示)。
在一些实施例中，检测传感器(例如印有核酸的芯片)还包括至少两个控制面板。控制面板上印有不与SPN或蛋白质结合的核酸分子(本文称为“控制核酸分子”)。在一些示例中，控制核酸分子用荧光标记来标签。
在一些实施例中，核酸探针可以被印刷到玻璃芯片的中央处的反应面板(“未知”)，并且控制核酸分子可以被印刷到玻璃芯片上的反应面板的每一侧处的两个控制面板，如图13A所示。
在一些实施例中，核酸芯片(DNA芯片)可以通过本领域已知的任何已知的DNA印刷技术来制备。在一些实施例中，可以通过使用单点移液(spot pipetting)将核酸溶液移液到玻璃芯片上，或者通过用包含核酸探针溶液的湿PDMS压模压印、然后将压模压在玻璃载片(glass slide)上，或者通过与微流体培养腔室的流动来制备DNA芯片。
作为一个非限制性示例，玻璃晶片可以被激光切割，以产生10×10mm的玻璃“芯片”。每个芯片包含三个面板：一个反应面板(即，图13A中所示的芯片中的“未知”区域)，其被两个控制面板(图13A)包夹。反应面板包含与针对过敏原蛋白质的SPN结合的共价结合的短互补核酸探针。SPN由适体衍生并被修改以包含CY5荧光团。在没有目标过敏原蛋白质的情况下，SPN可以自由地结合至反应面板中的探针，从而产生高荧光信号。在目标过敏原蛋白质存在的情况下，SPN：探针杂交接口被目标蛋白质与SPN的结合所阻塞(occlude)，从而导致反应面板上荧光信号的减少。在检测化验中，芯片的反应面板面向小的反应腔室(例如反应腔室331)，该小反应腔室被匣盒(例如杯300)的入口和出口通道(例如图3H中的通道336)包夹。在食物均质化过程中，提取缓冲液中的SPN会与目标过敏原(如果它存在与该样本中的话)结合，形成蛋白质：SPN复合物。包含蛋白质：SPN复合物的经处理的样本溶液经由入口、通过由真空泵驱动的流体运动而进入反应腔室331。然后，该溶液经由出口通道离开而进入到废弃物腔室323中。在暴露于样本之后，反应面板接着被洗涤，露出强度与目标过敏原浓度相关的荧光信号。
在一些实施例中，洗涤缓冲液被优化以改善洗涤效率，增加基线信号和减少非特定的结合。作为一个非限制性示例，洗涤缓冲液可以是优化的PPB缓冲液，其包括普朗尼克(pluronic)F-127(例如2％w/v)、PEG-8000(2％w/v)、Btij 58(例如0.2％w/v)和EPPS(例如20mM)，pH8.4。
根据本公开，两个控制面板是芯片传感器上的恒定亮区域，其产生恒定信号作为背景信号1301和1302(图13B)。此外，两个控制面板补偿激光照明和/或一次性匣盒未对准。如果匣盒被完美地对准，则荧光背景信号1301和1302将会相等(如图13B所示)。如果测得的控制信号不相等，则将使用校正因子的查找表(look-up table)来校正未知信号，该未知信号是匣盒/激光未对准(cartridge/laser misalignment)的函数。最终测量值是未知测试区域的信号1303与控制区域的信号电平的比较。比较电平可以是测试的批次特定参数(lot-specific parameter)之一。
具有来自反应区域的高背景荧光测量值的食物样本可能会产生错误的负的结果(false negative result)。可以提供一种验证方法来调整该处理。
在与这些控制值(controls)进行比较之后，可以分析出反应面板的最终荧光测量值和任何批次特定参数，并可以提供该结果的报告。
因此，还可以在注射经处理的食物样本之前和/或之后，在基线水平上测量光吸收信号和光散射信号。这些测量值将提供额外的参数来调整检测化验。例如，这些信号可以用于在洗涤之后寻找在反应腔室331中的残留食物。
除了上文讨论的参数之外，还可以测量一个或多个其他批次特定参数。这些参数的优化例如可以使芯片的控制和未知信号电平之间的差异(disparity)最小化。
在一些实施例中，监控过程可以是自动的，并且由软件应用程序控制。DNA芯片和测试样本的评估、洗涤过程和最终信号测量可以在检测化验过程中被监控。
可使用本文所述的检测系统和装置检测的过敏原家族包括来自食物、环境或来自非人类蛋白质(如家养宠物皮屑)的过敏原。食物过敏原包括但不限于豆科植物(legumes)中的蛋白质，例如花生、豌豆、扁豆和豆类(beans)，以及豆科植物相关的植物羽扇豆、树坚果(如杏仁、腰果、核桃、巴西坚果、榛子/榛果、山核桃、开心果、山毛榉坚果、胡桃(butternut)、栗子、北美矮栗坚果(chinquapin nut)、椰子、银杏果、荔枝坚果、澳洲坚果(macadamia nut)、南盖果(nangai nut)和松子)、蛋、鱼、贝类(例如螃蟹、小龙虾、龙虾、虾子(shrimp)和明虾(prawn))、软体动物(如蛤蚌、牡蛎、贻贝和扇贝)、牛奶、大豆、小麦、面筋、玉米、肉(例如牛肉、猪肉、羊肉和鸡肉)、明胶、亚硫酸盐、种子(例如芝麻、葵花子和罂粟种子)、以及香料(例如香菜、大蒜和芥末)、水果、蔬菜(例如，芹菜)、以及米。过敏原可以存在于面粉或膳食(meal)中，或以任何形式的产品存在。例如，来自植物的种子(例如羽扇豆、向日葵或罂粟)可以用于诸如带籽面包的食物中，或者可以被研磨以制成用于制作面包或糕点的面粉。
应用
本文所述的检测系统、装置和方法预期使用基于核酸的检测剂分子(例如适体)来检测食物样本中的过敏原。便携式装置允许使用者测试食物样本中的一种或多种过敏原的存在与否。可使用本文描述的装置进行检测的过敏原家族包括豆科植物(例如花生)、树坚果、鸡蛋、牛奶、大豆、香料、种子、鱼、贝类、小麦面筋、大米、水果和蔬菜的过敏原。过敏原可能存在于面粉或膳食中。该装置能够确认这些过敏原的存在与否，并能够量化这些过敏原的量。
在广义上，本文所述的检测系统、装置和方法可以在除食物安全以外的各种应用中用于检测样本中的任何蛋白质含量，例如，在平民和战场环境的疾病医学诊断、环境监控/控制以及检测生物武器的军事用途等。在更广泛的应用中，本公开的检测系统、装置和方法可用于检测基于核酸的检测分子所结合的任何生物分子。作为一些非限制性示例，检测系统、装置和方法可以用于癌症标记的当场(on the spot)检测、现场(in-field)诊断(暴露化学试剂、创伤性头部伤口等)、第三世界应用(TB、HIV)测试等)、急救护理(中风标记、头部受伤等)及其他。
作为另一个非限制性示例，本公开的检测系统、装置和方法可以检测和鉴定样本中的病原微生物。可被检测的病原包括细菌、酵母、真菌、病毒和类病毒生物。病原引起动物和植物的疾病；污染食物、水、土壤或其他资源；或在军事领域用作生物制剂。该装置能够检测和识别病原。
另一个重要的应用包括将本公开的检测系统、装置和方法用于医疗护理，例如用于诊断疾病、对疾病进程(disease progression)定阶段以及监控对某种治疗的反应。作为一个非限制性示例，本公开的检测装置可用于测试与疾病(例如癌症)相关的生物标记的存在与否或其数量，以预测疾病或疾病的进程。本公开的检测系统、装置和方法被构造成分析少量的测试样本，并且可以由使用者实施而无需大量实验腔室的培训。
食物安全领域以外的其他扩展应用包括军事组织的现场使用、抗生素和生物药剂的测试、农药和肥料等产品的环境测试、膳食补充剂(dietary suppliments)及各种食物成分和大批(in bulk)制备的添加剂(例如咖啡因和尼古丁)的测试、以及临床样本(例如唾液、皮肤和血液)的测试，以确定个体是否已暴露于显著性水平(significant level)的个体过敏原中。
经验和范围
本领域技术人员将认识到或能够使用不超过常规试验而确定根据本文描述的公开内容的特定实施例的许多等效方案。本公开的范围不旨在限于以上描述，而是由所附权利要求书来界定。
在本说明书的过程中引入了许多可能的替代特征。应当理解的是，根据本领域技术人员的知识和判断，可以以各种组合来代替这样的替代特征，以得到本公开的不同实施例。
被描述通过引用并入本文的全部或部分专利、公布、互联网网页或其他公开材料，其被包含的程度仅到并入的材料不与现有定义、声明或其他本公开中阐述的公开材料相冲突的程度。这样，必要时，本文明确阐述的公开内容取代了通过援引并入本文的任何矛盾的材料。被描述通过引用并入本文但是与本文阐述的现有定义、声明或其他公开材料相冲突的材料或其部分，将仅以在该并入的材料与现有公开材料之间不发生冲突的程度下被并入。
在权利要求中，诸如“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”的冠词可以表示一个或多个，除非相反的表示或从上下文中明显看出不同的含义。在一组或一个或多个成员(member)之间包括“或”的权利要求或描述被认为，在该组成员中的一个或所有存在于、被使用于或以其他方式相关于给定的产品或过程的情况下是满足的，除非另有说明与上下文相反或从上下文中以其他方式显而易见。本公开包括其中恰好该组的一个成员存在于、被使用于或以其他方式相关于给定的产品或过程的实施例。本公开包括其中该组成员的多个或整个组存在于、被使用于或以其他方式相关于给定产品或过程的实施例。
还应注意的是，术语“包括(comprising)”旨在是开放的，并且允许但不要求包括附加的元件或步骤。当在本文中使用术语“包括”时，则也涵盖和公开了术语“由……组成(consisting of)”。
在范围给定的情况下，包括端点。此外，应理解的是，除非另外说明或从上下文和本领域普通技术人员的理解中显而易见的，否则被表达成范围的数值在本发明的不同实施例中可以假定被声明的范围内的任何特定值或子范围，直至该范围的下限值的单位的十分之一，除非上下文另有明确规定。
此外，应理解的是，落入现有技术范围内的本公开的任何特定实施例可以明确地从权利要求中的任何一个或多个中排除。由于这样的实施例被认为是本领域普通技术人员已知的，因此即使在此未明确提出此排除的情况下，也可以将其排除。不论出于何种原因，本公开的组成物的任何特定实施例(例如，任何抗生素、治疗或活性成分；任何生产方法；任何使用方法；等等)都可以从任何一项或多项权利要求中排除，无论与现有技术的存在是否有关。
应当理解的是，已被使用的词语是描述性的而不是限制性的，并且可以在所附权利要求的范围内进行改变，而不脱离本公开在更广泛的方案下的真实范围和精神。
尽管本公开已用一些长度及相关几个所描述的实施例的特点来描述，但其并不是要将本公开局限于任何这样的特例或实施例或任何特殊的实施例，而是应参考所附权利要求来解释，以提供对这些权利要求相对于现有技术的最广泛的解释，因此有效地涵盖了本发明的预期范围。
示例
示例1：测试过滤材料和过滤效率
测试各种过滤材料及其组合的过滤效率以及对信号测量的影响，例如，检测剂(SPN)的损失。测试市售的过滤材料，例如膜(PES、玻璃纤维、PET、PVDF等)、棉、沙、网和二氧化硅。
组装包括不同过滤材料的组合的过滤器。在一个示例中，过滤器组件由孔尺寸为1μm的玻璃过滤器和棉组成。棉深度过滤器和纸过滤器被构造为依次过滤该样本。过滤器组件被测试以用于过滤不同的食物基质。蛋白质和SPN在过滤过程中的回收率被测量。各种棉花体积被用于构造深度过滤器，并且棉深度过滤器与膜式过滤器组合。这些过滤器组件被测试以用于过滤效率和SPN回收。在一项研究中，0.5g食物样本被收集，并在5ml的EPPS缓冲液(pH 8.4)(吐温0.1％)中被均质化，然后经均质化的食物样本与5nM的SPN(信号多核苷酸)一起培育，该5nM的SPN标签有针对过敏原蛋白质的Cy5。培育之后，一部分混合物流经过滤器组件，并测量蛋白质和SPN的回收率，并将其与过滤前的测量值进行比较。
过滤器被进一步测试和优化，以确保过滤的效率并避免显著的SPN损失。除了测试不同的过滤材料及其组合之外，其他参数，例如孔尺寸、过滤面积(例如，深度过滤器的表面积/直径、高度)、驱动过滤过程所需的过滤体积、过滤时间和压力等还针对各种食物基质进行了测试和优化。
在一项研究中，使用漂白棉球来组装具有不同过滤体积的深度过滤器。具有不同的宽度(即直径)和高度比的棉过滤器被构造；每个模型的宽度和高度比在约1:30至约1:5的范围内。然后，棉深度过滤器在不同食物质量和缓冲体积下的过滤效率被测试。在另一项研究中，这些型号的棉过滤器与孔尺寸为1μm且过滤面积约20mm2的PET膜式过滤器组装在一起。各种食物样本被均质化，并使用不同体积的缓冲液通过每个过滤器组件进行过滤。滤液被收集，并且在每种条件下的回收率被比较。
在另一项研究中，食物样本中掺入50ppm花生或没有掺入。例如使用转子340(例如，如图3B和图3C所示)将掺入的样本均质化，并且将提取物与特定结合花生过敏原的SPN混合。SPN在序列的5’端包含Cy5标签。混合物通过深度过滤器(例如，由棉制成的深度过滤器)和膜式过滤器(孔尺寸：1μm)过滤。荧光信号被测量，并与预过滤的混合物的测量值进行比较。
在单独的研究中，每个过滤器组件的几个参数被测试和测量，其包括过滤所需的压力和时间、蛋白质和核酸的结合、洗涤效率以及化验的相容性和灵敏度。化验相容性被测量作为基线强度。
实施例2：MgCl2制剂
在提取缓冲液中均质化样本之后，几种固体MgCl2制剂被测试，以替代MgCl2溶液的添加。所测试的每种制剂的以下特征被评估：(1)溶解的时间；(2)溶解的MgCl2的最终浓度；(3)制剂中添加剂对检测化验的影响；(4)溶解无需搅拌；(5)没有破碎成粉末，并且没有阻塞均质化腔室的出口。
冷冻干燥的MgCl2制剂
34种MgCl2制剂在1.5mL的Eppendorf管中被冷冻干燥，并被测试溶解时间、机械稳定性、在没有搅拌的情况下暴露于提取缓冲液中10秒钟、以及其他功能。2种制剂迅速溶解且不形成粉末。数种MgCl2制剂在没有搅拌的情况下暴露于提取缓冲液中10秒钟，并通过BioVision镁化验和本文所述的化验来确定回收缓冲液中的镁含量。化验结果表明，包括麦芽糊精和羟乙基纤维素(HEC)的冷冻干燥MgCl2制剂(表1)给出了缓冲液中SPN的最高强度，如图16A所示。
MgCl2作为过滤成分
MgCl2制剂(表1)沉积在棉过滤器上，并在60℃下被干燥。提取缓冲液以1psi的真空度被拉过棉过滤器。通过BioVision比色镁化验来测量滤液中回收的镁的百分比。包括麦芽糊精和羟乙基纤维素(HEC)的MgCl2制剂(表1)与在MgCl2溶液中回收之物和在过滤器上的MgCl2进行比较(图16B)。
MgCl2作为薄膜(film)
10种不同的MgCl2制剂沉积在聚苯乙烯支撑件上并被固化。溶解时间被测量，并且所有制剂在10秒内被溶解。结果表明，没有一种制剂对聚苯乙烯支撑件具有很强的粘附力。
表1：MgCl2配方的成分
根据测试结果，选择了几种快速溶解的MgCl2固体制剂(如表2所示)。过滤器沉积的溶解时间取决于流速。当最快的流速被测试时，固体制剂在10秒内被溶解(如表2所示)。
表2：快速溶解和机械性稳健(robust)的固体MgCl2制剂
Claims (83)
1.一种用于检测样本中感兴趣分子的组件，包括：
样本处理匣盒，被构造为接受样本，以在允许所述感兴趣分子与检测剂相互作用的状态下进行处理；
检测器单元，被构造为在允许由所述检测器单元所容纳的检测机构来检测所述感兴趣分子与所述检测剂的相互作用的构造中接受所述样本处理匣盒，其中，所述相互作用触发在所述检测器单元上的检测到感兴趣分子的视觉指示，
其中，所述视觉指示为通过处理捕获所述感兴趣分子与所述检测剂的相互作用的图像。
2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述感兴趣分子是过敏原。
3.根据权利要求1或2所述的组件，其中，所述检测剂是抗体或其变体、核酸分子或其变体、或小分子。
4.根据权利要求3所述的组件，其中，所述检测剂是核酸分子或其变体。
5.根据权利要求4所述的组件，其中，所述核酸分子是由适体衍生的信号多核苷酸(SPN)，其包括与所述感兴趣分子结合的核酸序列。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的组件，其中，所述样本处理匣盒包括：
均质器，被构造为产生均质样本，从而在检测剂存在的条件下将所述感兴趣分子从所述样本的基质释放到提取缓冲液中；
多个单独的腔室，包括均质化腔室、滤液腔室和检测腔室；
第一导管，用以通过过滤器系统来转移所述均质样本和检测剂，以提供含有所述感兴趣分子和所述检测剂的滤液；以及
第二导管，将所述滤液转移到具有窗口的检测腔室中；
其中，所述检测器单元的检测机构通过所述窗口来分析所述检测腔室，以识别所述感兴趣分子与检测剂在所述检测腔室中的相互作用。
7.根据权利要求6所述的组件，其中，所述均质器包括转子，而且其中，所述转子由位于所述检测器单元中的电机供电，其中，当所述样本处理匣盒被所述检测器单元接受时，所述电机功能性地联接至所述均质器。
8.根据权利要求6或7所述的组件，其中，所述样本处理匣盒还包括：一腔室，保持用于洗涤所述检测腔室的洗涤缓冲液；以及废弃物腔室，用于在洗涤之后接受所述检测腔室的流出内容物。
9.根据权利要求8所述的组件，其中，所述样本处理匣盒还包括：旋转阀系统，用于控制将所述均质样本转移至所述过滤器系统、用于将所述滤液转移至所述检测腔室、用于将所述洗涤缓冲液转移至所述检测腔室、以及用于将所述检测腔室的内容物转移到所述废弃物腔室。
10.根据权利要求9所述的组件，其中，所述旋转阀系统还被构造成提供关闭位置，以防止所述样本处理匣盒中的流体运动。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的组件，其中，所述检测腔室包括透明基材，所述透明基材上固定有检测探针分子，所述检测探针被构造为与所述检测剂进行探针相互作用，其中，所述感兴趣分子与所述检测剂的相互作用防止所述检测剂与所述检测探针进行探针相互作用。
12.根据权利要求11所述的组件，其中，所述透明基材还包括被固定在其上的光学可检测的控制探针分子，用于归一化由所述检测机构测量的信号输出。
13.根据权利要求11所述的组件，其中，所述透明基材还包括被固定在其上的两个不同的光学可检测的控制探针分子，用于归一化由所述检测机构测量的信号输出。
14.根据权利要求12或13所述的组件，其中，所述检测探针和控制探针以棋盘图案被固定在所述透明基材上。
15.根据权利要求14所述的组件，其中，所述检测剂包括光学可检测部分，所述光学可检测部分在进行所述探针相互作用时被激活。
16.根据权利要求15所述的组件，其中，所述光学可检测部分是荧光部分。
17.根据权利要求11至16中任一项所述的组件，其中，由所述检测器单元容纳的所述检测机构是具有用于激发荧光的LED的荧光检测系统，所述荧光检测系统被构造为当所述探针相互作用被进行且受到荧光激发时，检测荧光发射信号和背景信号。
18.根据权利要求17所述的组件，其中，所述检测机构包括多个光学元件，所述多个光学元件以直线或折叠的布置被放置在所述检测器单元中的阶梯孔内。
19.根据权利要求17所述的组件，其中，所述检测器单元还包括：基于相机的检测器，用于捕获所述透明基材上的反应并分析荧光发射信号和背景信号，以识别所述探针相互作用并将所述感兴趣分子的身份、或所述感兴趣分子的来源传送至所述视觉指示，以便告知所述组件的操作员所述样本中是否存在所述感兴趣分子或所述感兴趣分子的来源。
20.根据权利要求11至19中任一项所述的组件，其中，所述透明基材包括多个不同的检测探针，所述检测探针用于检测多种不同的检测剂，所述检测剂被构造为提供与所述样本中的不同感兴趣分子的多种不同的相互作用。
21.根据权利要求20所述的组件，其中，所述透明基材还包括与所述探针有关的流体面板，用于转移包含所述感兴趣分子和所述检测剂的滤液以与所述检测探针和控制探针接触。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的组件，还包括：采样器，所述采样器包括中空管，所述中空管具有切割边缘，所述切割边缘用于切割一来源以在所述中空管中产生和保持所述样本；以及柱塞，用于将所述样本推出所述中空管而进入所述样本处理匣盒中的端口内。
23.一种用于检测样本中的感兴趣分子的分析匣盒，包括：
(a)第一隔室，具有用于接收样本和处理所述样本的均质器，所述均质器被构造成产生均质样本，从而在检测剂存在的条件下将所述感兴趣分子从所述样本的基质释放到提取缓冲液中，且允许所述样本中的所述感兴趣分子与所述检测剂进行相互作用；
(b)导管，用以通过过滤系统来转移所述均质样本和所述检测剂，以提供含有所述感兴趣分子和所述检测剂的滤液；
(c)第二隔室，用于通过检测探针来接触含有所述感兴趣分子和所述检测剂的滤液；所述第二隔室包括透明基材，所述透明基材包括流体通道和其上固定有检测探针的检测芯片区域，所述检测探针被构造为与所述检测剂进行探针相互作用，其中，所述感兴趣分子与所述检测剂的相互作用防止所述检测剂与所述检测探针进行探针相互作用；
(d)旋转阀系统，被构造成调节所述均质样本和所述检测剂通过所述过滤系统的转移、所述滤液到所述第二隔室的转移、和洗涤缓冲液到所述第二隔室的转移、以及从所述第二隔室到废弃物腔室的流出内容物；
(e)隔室，用来保持用于洗涤所述检测区域的清洗缓冲液；以及
(f)废弃物腔室，用于接受所述检测腔室的流出内容物。
24.根据权利要求23所述的分析匣盒，其中，所述第二隔室包括窗口，检测器单元的检测机构通过所述窗口来分析检测反应，以识别所述第二隔室中所述感兴趣分子与所述检测剂的相互作用。
25.根据权利要求24所述的分析匣盒，其中，所述透明基材的检测区域还包括被固定在其上的光学可检测的控制探针分子，用于归一化由所述检测机构测量的信号输出。
26.根据权利要求24所述的分析匣盒，其中，所述基材还包括被固定在其上的两个不同的光学可检测的控制探针分子，用于归一化由所述检测机构测量的信号输出。
27.根据权利要求23至26中任一项所述的分析匣盒，其中，所述检测剂是包括与所述感兴趣的分子结合的核酸序列的核酸分子。
28.根据权利要求27所述的分析匣盒，其中，所述基于核酸的检测剂是由适体衍生的信号多核苷酸(SPN)，所述适体包括与所述感兴趣分子结合的核酸序列。
29.根据权利要求28所述的分析匣盒，其中，所述检测剂包括光学可检测的荧光部分，当所述探针相互作用被进行时所述光学可检测的荧光部分被激活。
30.根据权利要求25至29中任一项所述的分析匣盒，其中，所述检测探针是包括与所述检测剂的核酸序列互补的核酸序列的核酸分子。
31.根据权利要求23至30中任一项所述的分析匣盒，其中，所述基材是玻璃芯片、或塑料芯片、或膜状芯片。
32.根据权利要求31所述的分析匣盒，其中，所述过滤器系统由包括棉花体积的主体过滤器和膜式过滤器组成。
33.根据权利要求32所述的分析匣盒，其中，所述匣盒还包括：多个流体流动路径，用于将所述均质样本转移至所述过滤器系统、用于将所述滤液转移至所述透明基材、用于将所述洗涤缓冲液转移至所述检测腔室、以及用于将所述检测腔室的内容物转移至所述废弃物腔室。
34.根据权利要求23至33中任一项所述的分析匣盒，其中，所述旋转阀系统还被构造成提供关闭位置，以防止所述匣盒中的流体运动。
35.根据权利要求23至34中任一项所述的分析匣盒，其中，所述感兴趣分子是过敏原。
36.一种测试杯组件，用于将样本处理至允许对样本中感兴趣分子进行检测的状态，包括：
顶部覆盖件，用于密封所述测试杯并提供识别标签；
本体部分，用于接收所述样本并将其处理至允许所述样本中的所述感兴趣分子与检测剂进行相互作用的状态，所述本体部分包括：
(i)第一隔室，具有均质器，用于使用提取缓冲液将所述样本均质化以提取所述感兴趣分子，从而将所述感兴趣分子从所述样本的基质释放到所述提取缓冲液中，并与存在于所述提取缓冲液中的检测剂进行相互作用；
(ii)导管，用以通过过滤器系统来转移含有所述感兴趣分子和检测剂的均质样本，以提供含有所述感兴趣分子和检测剂的滤液；
(iii)腔室，用于保持洗涤缓冲液；
(iv)废弃物腔室，用于在洗涤所述感兴趣分子和检测剂之后接收和存储流出内容物；以及
(v)旋转阀系统，用于控制所述测试杯组件内部的流体运动；
透明基材，包括多个流体通道和其上固定有检测探针的检测区域，所述检测探针被构造为与所述检测剂进行探针相互作用，其中，所述感兴趣分子与所述检测剂的相互作用防止所述检测剂与所述检测探针进行所述探针相互作用；以及
底部覆盖件，用于密封所述测试杯，且提供接口以将所述测试杯连接至用于操作检测的检测器单元；所述底部覆盖件包括透明窗口，所述透明窗口在组装所述测试杯时与所述透明基材的检测区域对准。
37.根据权利要求36所述的测试杯组件，其中，所述杯顶部覆盖件包括用于接收所述样本的端口、以及允许空气进入的至少一个通气过滤器。
38.根据权利要求35或36所述的测试杯组件，其中，所述检测器单元的检测机构分析所述感兴趣分子与所述检测剂的相互作用、以及所述检测剂与所述检测探针之间的相互作用。
39.根据权利要求38所述的测试杯组件，其中，所述底部覆盖件的外部包括多个端口，所述多个端口用于连接被容纳在所述检测器单元中的多个电机，以操作所述均质器、所述旋转阀系统、以及所述测试杯组件中的流体的流动。
40.根据权利要求39所述的测试杯组件，其中，所述过滤器系统由粗过滤器、深度过滤器、膜式过滤器组成，而且其中，所述过滤器系统还包括过滤器罩。
41.根据权利要求36至40中任一项所述的测试杯组件，其中，所述杯底包括多个压缩螺旋弹簧，所述多个压缩螺旋弹簧支撑所述旋转阀系统。
42.根据权利要求41所述的测试杯组件，其中，所述过滤器罩连接至所述旋转阀。
43.根据权利要求36至42中任一项所述的测试杯组件，其中，所述检测剂是包括与所述感兴趣分子特定地结合的核酸序列的核酸分子。
44.根据权利要求43所述的测试杯组件，其中，所述检测剂是包括适体的信号多核苷酸(SPN)，所述适体具有与所述感兴趣分子结合的核酸序列。
45.根据权利要求44所述的测试杯组件，其中，所述检测探针是包括与所述检测剂的序列互补的核酸序列的核酸分子。
46.根据权利要求45所述的测试杯组件，其中，所述透明基材的检测区域还包括被固定在其上的光学可检测的控制探针分子，用于归一化由所述检测机构测量的信号输出。
47.根据权利要求45所述的测试杯组件，其中，所述透明基材的检测区域还包括被固定在其上的两个不同的光学可检测的控制探针分子，用于归一化由所述检测机构测量的信号输出。
48.根据权利要求46至47中任一项所述的测试杯组件，其中，所述透明基材的检测区域还包括一个或多个基准标记。
49.根据权利要求36至48中任一项所述的测试杯组件，还包括数据芯片。
50.一种用于检测样本中是否存在感兴趣分子的系统，包括：
采样器，用于收集被怀疑含有所述感兴趣分子的样本；
一次性分析匣盒，被构造成用于处理所述样本，从而允许所述样本中的所述感兴趣分子与检测剂进行相互作用；以及
检测装置，被构造为用于操作检测测试、且测量和可视化一信号，所述信号来自所述检测剂与所述样本中存在的所述感兴趣分子之间的结合相互作用。
51.根据权利要求50所述的系统，其中，所述采样器是从远端到近端的食物取芯器，包括柱塞、裙部和取芯器，其中，所述取芯器的近端包括用于切割所述测试样本的切割边缘。
52.根据权利要求51所述的系统，其中，所述一次性分析匣盒包括：
(i)样本处理腔室，具有均质器，所述均质器被构造为在检测剂存在的条件下借助提取缓冲液将所述样本均质化，从而允许所述样本中的感兴趣过敏原与所述检测剂进行相互作用；
(ii)过滤器系统，被构造成提供包含所述感兴趣过敏原和所述检测剂的滤液；
(iii)单独的透明基材，包括多个流体通道和在其上固定有检测探针分子的检测区域；所述检测探针被构造为与所述检测剂进行探针相互作用，其中，所述感兴趣分子与所述检测剂的相互作用防止所述检测剂与所述检测探针进行探针相互作用；
(iv)检测腔室，具有光学窗口；
(v)腔室，保持用于洗涤所述基材和所述检测腔室的清洗缓冲液；
(vi)废弃物腔室，用于在洗涤之后接受和存储所述检测腔室的流出内容物；
(vii)旋转阀系统和多个导管，被构造成通过所述过滤器系统来转移均质样本和检测剂，以将所述滤液转移到所述检测腔室、将所述洗涤缓冲液转移到所述检测腔室、以及将所述流出内容物从所述检测腔室转移到所述废弃物箱，以及
(viii)空气流动系统，被构造为调节所述匣盒中的气压和流速。
53.根据权利要求52所述的系统，其中，所述过滤器系统包括由粗滤器和深度过滤器组成的主体过滤器、以及膜式过滤器。
54.根据权利要求53所述的系统，其中，所述过滤器系统还包括连接至所述旋转阀系统的过滤器罩。
55.根据权利要求50至54中任一项所述的系统，其中，所述检测剂是包括与所述感兴趣分子特定地结合的核酸序列的核酸分子。
56.根据权利要求55所述的系统，其中，所述检测剂是由适体衍生的信号多核苷酸(SPN)，所述适体包括与所述感兴趣分子特定地结合的核酸序列。
57.根据权利要求50至56中任一项所述的系统，其中，所述分析匣盒还包括MgCl2冷冻干燥的珠粒。
58.根据权利要求50至57中任一项所述的系统，其中，所述透明基材的检测区域还包括被固定在其上的光学可检测的控制探针分子，用于归一化由所述检测机构测量的信号输出。
59.根据权利要求50至57中任一项所述的系统，其中，所述透明基材的检测区域还包括被固定在其上的两个光学可检测的控制探针分子，用于归一化由所述检测机构测量的信号输出。
60.根据权利要求58至59中任一项所述的系统，其中，所述透明基材选自玻璃芯片、二氧化硅、琼脂糖颗粒、丙烯酸玻璃、微孔和微芯片。
61.根据权利要求53所述的系统，其中，所述过滤膜包括至少一种膜，所述至少一种膜选自由尼龙膜、PE、PET、PES(聚醚砜)膜、玻璃纤维膜、聚合物膜、混合纤维素酯(MCE)膜、醋酸纤维素膜、PTFE膜、聚碳酸酯膜、PCTE(聚碳酸酯)膜和PVDF(聚偏二氟乙烯)膜构成的组。
62.根据权利要求50所述的系统，其中，所述检测装置包括外部壳体，所述外部壳体被构造用于为所述检测装置的多个部件提供支撑；所述多个部件被集成以用于操作检测测试，包括：
(i)用于驱动和控制样本均质化的电机，
(ii)用于控制阀系统的电机，
(iii)用于驱动和控制流体流动的泵，
(iv)用于检测荧光信号的光学系统，
(v)用于转换和数字化所述荧光信号的装置，
(vi)显示窗口，用于接收检测到的信号并指示所述测试样本中是否存在所述过敏原，以及
(vii)电源。
63.根据权利要求62所述的系统，其中，所述光学系统包括：激发式光学器件，由一发光二极管(LED)、一准直透镜、一过滤器和一聚焦透镜组成；发射式光学器件，由一聚焦透镜、两个发射过滤器、一个或多个会聚透镜和一光圈组成；以及一相机。
64.根据权利要求63所述的系统，其中，单独的所述透明基材经由所述检测腔室的光学窗口而与所述装置的光学系统对准。
65.一种用于检测和测量荧光信号的信号检测单元，包括：
电机模块，用于当样本处理单元连接到所述信号检测单元时，操作样本处理单元；
泵模块，用于控制所述样本处理单元内部的流体流动；
光学系统，用于检测来自所述样本处理单元的荧光信号；以及
电源。
66.根据权利要求65所述的信号检测单元，其中，所述单元还包括用于接受所述样本处理单元的对接表面。
67.根据权利要求66所述的信号检测单元，其中，所述光学系统包括：激发式光学器件，由一发光二极管(LED)、一准直透镜、一过滤器和一聚焦透镜组成；以及发射式光学器件，由一聚焦透镜、两个发射过滤器，一个或多个会聚透镜和一光圈组成；以及一相机。
68.根据权利要求65至67中任一项所述的信号检测单元，其中，所述单元还包括：数字处理单元，用于处理所述荧光信号；以及显示窗口，用于展示检测结果。
69.根据权利要求68所述的信号检测单元，其中，所述电机模块包括驱动阀系统的电机和驱动所述样本处理单元的均质器的电机，
其中，所述驱动阀系统的电机包括：直流齿轮电机，具有两个光学传感器：输出光学传感器和直驱轴光学传感器；以及微控制器，包括输出联接件和编码器轮、直驱电机轴和直驱轴编码器轮。
70.一种用于检测样本中是否存在感兴趣分子的方法，包括：
(a)收集样本，并在存在检测剂的条件下，在提取缓冲液中处理所述样本，从而允许所述感兴趣分子与所述检测剂相互作用；
(b)过滤含有所述感兴趣分子和所述检测剂的经处理的样本；
(c)使所述滤液与其上固定有检测探针的基材接触；所述检测探针被构造为与所述检测剂进行探针相互作用，其中，所述感兴趣分子与所述检测剂的相互作用防止所述检测剂与所述检测探针进行探针相互作用；
(d)借助洗涤缓冲液从所述基材上洗去未结合的化合物；
(e)测量来自所述基材的荧光信号；以及
(f)检测所述样本中是否存在所述感兴趣分子。
71.根据权利要求70所述的方法，其中，所述基材还包括被固定在其上的光学可检测的控制探针分子，用于归一化由所述检测机构测量的信号输出。
72.根据权利要求70所述的方法，其中，所述基材还包括被固定在其上的两个不同的光学可检测的控制探针分子，用于归一化由所述检测机构测量的信号输出。
73.根据权利要求70至72中任一项所述的方法，其中，所述检测剂是包括与所述感兴趣分子特定地结合的核苷酸序列的核酸分子。
74.根据权利要求73所述的方法，其中，所述检测探针是核酸序列，所述核酸序列包括与所述检测剂的序列或所述序列的一部分互补的核苷酸序列，并且当所述检测剂的序列不与所述感兴趣分子进行相互作用时，所述核酸序列与所述检测剂的序列杂交。
75.根据权利要求74所述的方法，其中，所述基材是塑料芯片。
76.根据权利要求70至75中任一项所述的方法，其中，经处理的所述样本和所述检测剂通过过滤器组件而被过滤，所述过滤器组件包括粗滤器、深度过滤器和膜式过滤器。
77.根据权利要求76所述的方法，其中，所述深度过滤器是棉深度过滤器。
78.根据权利要求76或77所述的方法，其中，所述检测剂被配制成MgCl2丸剂。
79.根据权利要求70所述的方法，其中所述感兴趣分子是过敏原。
80.根据权利要求79所述的方法，其中，所述样本是食物样本。
81.一种套件，其包括根据权利要求23至35中任一项所述的测试匣盒或根据权利要求36至49中任一项所述的测试杯组件、以及使用所述测试匣盒或所述测试杯来测试样本中是否存在感兴趣分子的指令。
82.根据权利要求81所述的套件，还包括：采样器，用于在测试所述样本中所述感兴趣分子的存在时收集样本。
83.根据权利要求82所述的套件，还包括：检测单元，用于在测试所述样本中所述感兴趣分子的存在时操作所述测试匣盒或所述测试杯组件。
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