CN113286656A - 控制用于str分析的dna浓度 - Google Patents

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Abstract

可以在一个或多个样品盒中进行样品定量和样品扩增。可以在对样品进行STR PCR期间使用qPCR进行样品定量。在进行STR PCR之前不需要对样品进行标准化。在某些实施例中，qPCR和STR PCR在相同的盒上进行，任选地同时进行(或实时进行，或在时间上重叠)，并任选地使用一些或所有相同的PCR装置。在其他实施例中，qPCR和STR PCR在不同的盒(cartridge)上进行。STR PCR样品的定量可以在基本上不延迟STR PCR过程的情况下进行。

Description

控制用于STR分析的DNA浓度
背景技术
聚合酶链式反应(“PCR”)是一种用于创建选定DNA序列副本的技术。理论上，每次重复该过程(PCR“循环”)——将包含DNA的样品和试剂的混合物置于一系列温度的斜坡(temperature ramps)和停留时间——具有选定序列的DNA片段就会被复制并且它们的浓度加倍。然而，由于各种有缺陷的来源，并非每一个DNA序列的片段在每个循环中都能成功复制，这种效果可以用扩增效率来表示。通常，设计良好的PCR反应的效率可以超过95％或98％或99％。
通常要同时处理多个通过PCR扩增的样品。在微量滴定板中实施的当前标准PCR的方案(包括用于扩增短串联重复序列(“STRs”)的PCR方案)将按照设计，使板中处理的所有样品经历相同扩增循环次数。为了使扩增的输出满足特定的质量要求，不同样品中DNA的输入浓度必须彼此标准化，并且作为由优化方案指定的处理窗口的整体。通用的方案使用25到31个扩增循环，具体取决于样品/测定类型和预期的浓度范围。
典型的方案可以包括首先纯化或浓缩样品DNA；随后进行DNA定量，通常使用定量PCR(“qPCR”)；最后通过混合计量的液体稀释纯化和定量的样品以达到方案的目标浓度。
在小体积流体学中，特别是在中等流体学和微流体学中，计量和混合是挑战性的步骤，特别是当成分的体积不是预先确定时。此外，为了准确定量，qPCR需要精密的检测仪器。这部分是因为只能估计上述讨论的扩增效率引入的误差。只有对扩增产物具有极低检测极限的复杂仪器才能提供对初始浓度的高精度估计。
某些应用，如高通量、低成本的法医STR分析，无法证明这种先进的检测仪器的合理性。因此，他们依赖于样品浓度的粗略估计，例如“高”和“低”。但这不适用于处理相对任意的样品集。此外，对于犯罪现场应用，当前的美国联邦调查局法规要求量化样品DNA浓度，并在必要时进行样品标准化。
具体内容
本文公开了通过使用扩增测定(例如，定量PCR(“qPCR”)和短串联重复(“STR”)PCR)来测定DNA样品制备的方法和系统。qPCR可用于确定有关样品中DNA浓度的信息。STRPCR可用于扩增DNA样品以用于测定。
在本文实施例的一个方面，提供了一种制备测定用的含DNA样品的方法。
在第一个实施例中，该方法包括：接收包括DNA的输入样品；将来自输入样品的第一部分DNA引导至第一盒的第一扩增腔室(例如，第一PCR腔室(PCR chamber))；将来自输入样品的第二部分DNA引导至第一盒或第二盒的第二扩增腔室(例如，第二PCR腔室)；对第一PCR腔室中的第一部分启动扩增测定(例如，qPCR测定)；在第一PCR腔室中完成qPCR测定之前，对第二PCR腔室中的第二部分启动STR PCR；检测来自第一PCR腔室的输出信号，该输出信号提供关于来自输入样品在第一部分DNA中的DNA浓度的信息；通过在第二PCR腔室中的第二部分上进行预定次数的扩增循环来完成STR PCR，其中预定的扩增循环的次数基于来自第一PCR腔室的输出信号。
在另一个实施例中，该方法包括：将包括DNA的输入样品接收到盒中；将来自输入样品的第一部分DNA引导至盒的第一PCR腔室；将来自输入样品的第二部分DNA引导至盒的第二PCR腔室；对第一PCR腔室的第一部分启动qPCR测定；在第一PCR腔室中完成qPCR测定之前，对第二PCR腔室中的第二部分启动STR PCR；检测来自第一PCR腔室的输出信号，该输出信号提供关于来自输入样品的第一部分DNA中的DNA浓度的信息，并通过在第二PCR腔室的第二部分上进行预定次数的扩增循环来完成STR PCR，其中预定的扩增循环的次数基于来自第一PCR腔室的输出信号。
在各种实施方式中，输入样品包括在犯罪现场获得的DNA。在犯罪中获得的DNA来源的例子包括骨骼、牙齿、唾液、头发、血液、精液、皮肤，以及它们的任何组合。
在某些实施例中，盒(cartridge)是具有多个流体通道和多个流体腔室的整体结构。在一些实施例中，盒可以是或包括多个(单独的和/或不同的)盒。多个盒可各自具有多个流体通道和多个流体腔室。或者，多个盒中的每一个盒可包括多个流体通道和多个流体腔室的一个或多个。
在本申请中，可以参考“盒”或“所述的盒”。应当理解，本申请的各个方面、实施例或实施方式中的每一个可替代地包括多个盒，每个盒具有多个流体通道和多个流体腔室中的一个或多个。
在一些实施方式中，输入样品是大约1皮克到100纳克的DNA。在其他实施方式中，在启动qPCR或STR PCR之前，不要通过向来自输入样品的第一部分或第二部分DNA添加液体来稀释来自输入样品的DNA。
在一些实施例中，在接收输入样品之后，在启动STR PCR之前不对输入样品和来自输入样品的第二部分DNA进行定量。在进一步的实施方式中，在开始qPCR之后但在第一PCR腔室中对来自输入样品的第一部分DNA完成qPCR之前，通过向第二PCR腔室提供一种或多种PCR试剂和/或引导来自输入样品的DNA的第二部到第二PCR腔室来启动STR PCR。在更进一步的实施方式中，在启动qPCR之后的五到十五个PCR循环之间开始启动STR PCR。在各种实施例中，启动STR PCR包括向第二PCR腔室提供一种或多种PCR试剂。
在各种实施例中，将来自输入样品的第一部分DNA引导至第一PCR腔室和将来自输入样品的第二部分DNA引导至第二PCR腔室基本上是同时发生的。
在一些实施方式中，测定是STR等位基因的毛细管电泳。在各种实施中，qPCR测定的以符合美国DNA数据库实验室质量保证标准(2011年9月)的要求的方式来执行。
在一些实施例中，该方法进一步包括，在将来自输入样品的第一部分DNA引导至第一PCR腔室之前，将来自输入样品的DNA分成第一部分DNA和第二部分DNA，并且其中来自输入样品的第一部分DNA的体积是在来自输入样品的第二部分DNA的体积的约20％之内。在各种实施例中，该方法进一步包括在对来自输入样品的第一部分DNA启动qPCR之前从输入样品中提取DNA。在一些实施方式中，提取DNA包括使输入样品与DNA捕获珠接触。在进一步的实施方式中，第二PCR腔室包括吸收性材料，其在STR PCR期间保持来自输入样品的第二部分DNA。
在各种实施例中，qPCR和STR PCR使用单个热循环仪进行，并且在与STR PCR的至少一部分同时进行的qPCR的至少一部分期间，qPCR和STR PCR经受相同的热分布(thermalprofile)。在进一步的实施例中，qPCR和STR PCR使用单独的热循环仪进行。
在本文实施例的另一方面，提供了一种用于制备测定用的样品的系统，该系统包括：(a)用于在盒上接收和操作的接口；(b)用于使以下操作在盒中执行的逻辑：接收包括DNA的输入样品；将来自输入样品的第一部分DNA引导至盒的第一PCR腔室；将来自输入样品的第二部分DNA引导至盒的第二PCR腔室；在第一PCR腔室中对来自输入样品的第一部分DNA启动qPCR；在第一PCR腔室中完成qPCR之前，在第二PCR腔室中对来自输入样品的第二部分DNA启动STR PCR；检测来自第一PCR腔室的输出信号，该输出信号提供关于来自输入样品的第一部分DNA中的DNA浓度的信息；通过在第二PCR腔室中的第二部分上进行预定次数的扩增循环来完成STR PCR，其中预定的扩增循环次数基于来自第一PCR腔室的输出信号。
在本文实施例的另一方面，提供了一种用于制备测定用的样品的系统，该系统包括：(a)用于接收和操作相应的多个盒的多个接口；(b)用于使以下操作在多个盒中执行的逻辑：接收包含DNA的输入样品；将来自输入样品的第一部分DNA引导至第一盒的第一PCR腔室；将来自输入样品的第二部分DNA引导至第二盒的第二PCR腔室；在第一PCR腔室中对来自输入样品的第一部分DNA启动qPCR；在第一PCR腔室中完成qPCR之前，在第二PCR腔室中对来自输入样品的第二部分DNA启动STR PCR；检测来自第一PCR腔室的输出信号，该输出信号提供关于来自输入样品的第一部分DNA中的DNA浓度的信息；通过在第二PCR腔室中的第二部分上进行预定次量的扩增循环来完成STR PCR，其中预定的扩增循环次数基于来自第一PCR腔室的输出信号。
在各种实施例中，该系统包括一个或多个致动器(actuator)，用于动态地控制盒的流体通道中的流体运动。在各种实施例中，该系统包括热循环仪，其配置成在第一PCR腔室中引起qPCR。在进一步的实施例中，热循环仪还被配置成在第二PCR腔室中引起STR PCR。
在一些实施例中，该系统包括至少一个热循环仪，其被配置为(i)在第一PCR腔室中引起qPCR和(ii)在第二PCR腔室中引起STR PCR。在各种实施方式中，该系统包括(a)包含分离介质并具有入口和远端的毛细管；(b)入口与毛细管入口连通并被配置为接收含有具有多种不同大小的DNA片段的样品；(c)配置为检测通过毛细管的DNA片段的询问域(interrogation region)；(d)配置为在毛细管的入口和远端之间施加电压的电源。在进一步的实施方式中，该系统包括封装接口和至少一些逻辑的机壳(chassis)。
在各种实施例中，盒是包括多个流体通道和多个流体腔室的整体结构。在一些实施例中，逻辑被配置成以使得在启动STR PCR之前以既不定量输入样品又不定量来自输入样品的第二部分DNA的方式引起所述操作。在进一步的实施例中，逻辑被配置为以这样的方式引起所述操作，即使得在开始qPCR之后但在对来自第一PCR腔室中的输入样品的第一部分DNA完成qPCR之前，通过提供一种或多种PCR试剂到第二PCR腔室和/或将来自输入样品第二部分DNA引导到第二PCR腔室来启动STR PCER。
在一些实施方式中，逻辑被配置成以使得在启动qPCR之后的五到十五个PCR循环之间开始启动STR PCR的方式引起所述操作。在各种实施方式中，逻辑被配置成以使得启动STR PCR包括向第二PCR腔室提供一种或多种PCR试剂的方式引起所述操作。在进一步的实施方式中，逻辑被配置成以使得大致在同一时间将来自输入样品的第一部分DNA引导至第一PCR腔室和将来自输入样品的第二部分DNA引导至第二PCR腔室的方式引起所述操作。
在各种实施例中，测定是STR等位基因的毛细管电泳。在一些实施例中，逻辑被配置成以使得qPCR以符合美国DNA数据库实验室质量保证标准(2011年9月)的要求执行的方式引起所述操作。在一些实施例中，逻辑被进一步配置成在对来自输入样品的第一部分DNA启动qPCR之前从输入样品中提取DNA。
在本文实施例的另一方面，提供了一种用于进行PCR测定的系统，包括：用于接收包含靶核酸的样品的输入端口(input port)；第一PCR腔室被配置为接收第一部分样品；第二PCR腔室被配置为接收第二部分样品；以及一个或多个通道，该通道被配置为从输入端口转移样品并随后在第一PCR腔室和第二PCR腔室之间分离样品。
在一些实施例中，系统是盒，所述盒被配置为在处理系统中使用。在各种实施例中，第一PCR腔室被配置为提供qPCR测定并且第二腔室被配置为提供STR PCR。在进一步的实施例中，该系统包括具有输入端口的输入腔室，该腔室任选地包括被配置为将裂解溶液引入输入腔室中的入口。
在一些实施例中，该系统包括以下中的至少一个：样品制备腔室，所述样品制备腔室沿着所述一个或多个通道中的通道设置在所述输入端口与所述PCR腔室之间；第一试剂端口，其被配置成将第一试剂混合物递送到所述第一PCR腔室，以及第二试剂端口，其被配置成将第二试剂混合物递送到所述第二PCR腔室，所述第二试剂混合物与所述第一试剂混合物在化学上不同；废物腔室，所述废物腔室被配置成收集过量的所述样品和/或在所述样品在清理期间产生的废物；混合腔室，其被配置为在所述第二腔室中进行STR PCR测定之后接收所述第二部分，并进一步用一种或多种组分进行处理；或流体地联接到混合腔室的出口端口。
在本文实施例的另一个方面，提供了用于进行PCR测定的系统，其包括：一种盒，盒包括：输入端口，用于接收含有靶核酸的样品；第一PCR腔室，其被配置成接收所述样品的第一部分；第二PCR腔室，其被配置成接收所述样品的第二部分；以及一个或多个通道，其被配置成从输入端口传送样品并且随后在第一PCR腔室与第二PCR腔室之间分离样品；以及处理系统，其被配置成接收所述盒，所述处理系统包括：第一热循环仪，其在使用期间与所述第一PCR腔室物理接触和热接触；和第二热循环仪，其在使用期间与第二PCR腔室物理接触和热接触。
在一些实施例中，该系统包括热控制器，该热控制器包括存储器(memory)，该存储器包括相互独立地操作第一热循环仪和第二热循环仪的指令。在各种实施例中，该系统包括一个或多个检测器，该检测器被配置为检测在第一PCR腔室中的PCR测定期间产生的荧光信号。在进一步的实施例中，第一热循环仪被配置为对第一部分进行qPCR，而第二热循环仪被配置为对第二部分进行STR PCR。
在各种实施方式中，盒还包括输入腔室，该输入腔室包括输入端口，该腔室可选地包括被配置为将裂解溶液引入输入腔室的入口端口。在一些实施方式中，盒还包括以下中的至少一个：样品制备腔室，所述样品制备腔室沿着所述一个或多个通道中的通道设置在所述输入端口与所述PCR腔室之间；第一试剂端口，其被配置成将第一试剂混合物递送到所述第一PCR腔室，以及第二试剂端口，其被配置成将第二试剂混合物递送到所述第二PCR腔室，所述第二试剂混合物与所述第一试剂混合物在化学上不同；废物腔室，所述废物腔室被构造成收集过量的所述样品和/或在所述样品的清理期间产生的废物；混合腔室，其被配置为在所述第二腔室中进行STR PCR测定之后接收所述第二部分，并进一步用一种或多种组分进行处理；或流体地联接到混合腔室的出口端口。
在本文实施例的另一方面，提供了一种用于制备测定用样品的系统，包括：(a)用于在盒上接收和操作的接口；(b)用于使以下操作在盒中执行的逻辑：接收包括DNA的输入样品；将来自输入样品的第一部分DNA引导至盒的第一PCR腔室；将来自输入样品的第二部分DNA引导至盒的第二PCR腔室；在第一PCR腔室中对来自输入样品的第一部分DNA启动qPCR；在第二PCR腔室中对来自输入样品的第二部分DNA启动STR PCR；检测来自第一PCR腔室的输出信号，该信号提供关于来自输入样品的第一部分DNA中的DNA浓度的信息；通过在第二PCR腔室中的第二部分上进行预定次数的扩增循环来完成STR PCR，其中预定的扩增循环次数基于来自第一PCR腔室的输出信号。
在本文实施例的另一方面，提供了一种用于制备用于测定的样品的系统，包括：(a)多个接口，用于接收和操作相应的多个盒；(b)用于使以下操作在盒中执行的逻辑：接收包括DNA的输入样品；将来自输入样品的第一部分DNA引导至第一盒的第一PCR腔室；将来自输入样品的第二部分DNA引导至第二盒的第二PCR腔室；在第一PCR腔室中对来自输入样品的第一部分DNA启动qPCR；在第二PCR腔室中对来自输入样品的第二部分DNA启动STR PCR；检测来自第一PCR腔室的输出信号，该信号提供关于来自输入样品的第一部分DNA中的DNA浓度的信息；通过在第二PCR腔室中的第二部分上进行预定数量的扩增循环来完成STRPCR，其中预定数量的扩增循环基于来自第一PCR腔室的输出信号。
为避免疑义，再次指出，本公开或其发明的任何前述、以下或其他方面、实施例或实现，无论是产品(装置、系统、套件等)或过程(方法、步骤等)，可以包括(i)一个具有多个流体通道和多个流体腔室的盒和/或(ii)多个盒，每个盒具有多种流体中的一种或多种通道和多个流体腔室。
下面将参考相关附图更详细地呈现本公开的这些和其他特征。
附图说明
图1A是一个流程图，描绘了通过在单个盒上进行qPCR和STR PCR来制备DNA样品的一般方法。
图1B是一个流程图，描绘了通过在不同的盒上进行qPCR和STR PCR来制备DNA样品的一般方法。
图2A是包含各种腔室、入口和流体连接的样品盒的图示，适用于实现qPCR和STRPCR的并行。
图2B是适用于将试剂溶液输送到诸如图2A的样品盒之类的盒的试剂瓶的图示。
图3A和3B是光学组件的图示，这些光学组件可用于从诸如图2A的样品盒之类的盒上的qPCR反应产生和读取光信号。图3A和3B的光学元件可以集成到与盒接口的仪器中以控制盒上的流动和反应。
图4是说明示例过程的流程图，包括可以在诸如图2A的样品盒之类的仪器上进行的qPCR和STR PCR。
具体实施方式
背景和概述
亲自处理取自个人的DNA样本，相对来说挑战较少。例如，从现场个体中采集的颊细胞颊拭子样品提供了一定量的DNA，这些DNA得到了合理良好的控制。相比之下，犯罪现场样品根本没有得到很好的控制。它们通常取自一个不知名的人，甚至可能包含来自多个人的DNA，其中一些人可能不是人类。而且，不同犯罪现场样品的DNA含量差异很大，样品间的浓度相差几个数量级。犯罪现场样品中的DNA数量可以跨越至少四个数量级，例如，从皮克到数十纳克。通常，即使粗略地估计样品中的DNA数量也是不可能的。犯罪现场DNA样品类型的示例包括骨碎片、牙齿、血液、精液、头发、烟头等。
扩增过程(用于DNA指纹分析(例如，STR PCR))可能需要输入落入有限动态范围内的DNA浓度。如果输入样品的浓度超出此范围，则PCR可能无法可靠地扩增样品。因此，2011年9月美国联邦调查局DNA取证分析仪协议“DNA数据库实验室的质量保证标准”要求对所有犯罪现场DNA样品进行DNA定量。在对犯罪现场样品进行样品定量后，通常会进行一定量的富集或稀释，以将样品的DNA浓度调整到适合开始STR PCR的水平。这是规范化过程的一部分。
在常规方法中，在样品定量和浓度调整后，提供固定体积的样品用于PCR。在某些情况下，固定样品量约为1-15μL。在一些示例中，它约为11μL。在这些常规过程中，使用固定数量的PCR循环；例如，28个PCR循环。
本公开的方面涉及进行DNA测定(例如，电泳STR测定)。本公开进一步的方面涉及在样品盒中进行样品定量和样品扩增。可以将得到的扩增样品提供给盒的一个区域或提供给用于进行DNA测定(例如，毛细管电泳)的不同装置。本公开的进一步的方面涉及在STRPCR期间进行样品定量。此外，在某些实施方式中，在进行STR PCR之前，不要将样品标准化，至少不是以需要样品体积改变的方式，例如稀释或浓缩。在某些实施例中，qPCR和STR PCR在相同的盒上进行，任选地同时(或时间重叠)并且任选地使用一些或全部相同的PCR装置。这样就可以对STR PCR样本进行定量，而不会显著延迟STR PCR过程。在某些实施例中，固定体积的样品，例如约1-15μL，用于每一个qPCR和STR PCR中。还使用单独体积的PCR试剂(例如，每个反应约5-20μL)。
如本文所用，盒是一种结构，该结构被配置用于在更大的系统或仪器中使用以执行一种或多种生物测定、程序或过程并且具有至少一个流体可接近的处理腔室或装置。通常，盒具有至少两个流体连接的腔室或装置，通过阀门或其他控制特征来控制进入。在一些实施例中，两个或更多个腔室可以设置在两个或更多个(单独的和/或不同的)盒上。在某些实施例中，腔室或装置被设计或配置用于样品制备、样品处理、样品测定和/或相关用途。在各种实施例中，盒包含样品接收特征和DNA扩增特征。
在某些实施例中，盒支持对样品的两个连续处理操作。这种连续操作的例子包括样品接收和细胞裂解或DNA提取；DNA提取和DNA扩增；和DNA扩增和分析。在本文更详细描述的示例中，盒包括用于进行并行的PCR反应的两个PCR腔室。
盒通常是可以是便携式的整体装置。在各种实施例中，盒被配置为插入与盒接口的仪器中。在一些情况下，接口提供用于使流体移动的部件通过盒的组件或相互作用。在某些情况下，接口提供探测、询问或读取来自盒的信息。一种类型的接口涉及与盒的电磁相互作用，如用光信号激励流体、读取荧光信号等。例如，接口可以产生和读取qPCR信号或毛细管电泳信号。另一种类型的接口涉及读取盒上的代码，例如条形码或RFID代码。
尽管本文中的大部分讨论使用盒作为用于进行并行的qPCR和STR PCR(时间重叠)的组件的示例，但本公开不限于这样的实施方式。例如，并行的qPCR和STR PCR可以在单个仪器中进行，但不能在同一个试剂盒上进行。仪器可被配置为执行一个或多个样品处理和测定功能，但包含用于执行qPCR和STR PCR的单独的结构，在某些情况下包括单独的盒。
如前所述，PCR扩增效率通常低于100％，这会影响使用qPCR计算的DNA浓度。然而，当qPCR和STR PCR在相同条件下进行，并且可选地同时进行时，这种低效率在两个PCR中可能基本相同，从而允许DNA标准化而不明确地纠正这些低效率。其他错误来源，例如非靶向DNA(载荷DNA(load DNA))、蛋白质以及其他抑制剂的部分抑制也可在两个PCR之间共享，并且可能类似地影响两个反应，从而产生合理相关的输出。
尽管本文的大部分描述将STR PCR称为受益于qPCR的扩增过程，但其他类型的靶序列(非STR序列)可以通过本公开的方法和装置来表征和扩增。例如，可以使用单核苷酸多态性(“SNP”)PCR和其他非STR等位基因扩增处理。因此，参考STR PCR可被解释为包括各种类型的核酸序列/片段的扩增，并且不严格限于STR PCR。在某些情况下，术语“靶向PCR”用于描述使用来自qPCR的信息确定扩增循环次数的PCR。靶向PCR包括STR PCR、SNP PCR和其他用于扩增DNA样品中存在的特定靶点的PCR。靶点通常是多态性的基因座。在各种实施例中，测定靶向PCR的扩增子。示例测定包括电泳、微阵列分析、过滤器结合分析等。
无需标准化、稀释、浓缩、分割和/或预扩增定量的预测定样品制备
在某些情况下，PCR后也无需稀释或浓缩；换句话说，在STR PCR期间和之后，样品体积基本上是固定的。在这种情况下，唯一的或主要的可调节过程参数可能是限制要进行的STR PCR循环数。
在某些实施例中，该过程简单地照原样获取样品，其可能已经接受了一些预处理，例如裂解和DNA分离或使用磁珠或一些其它分离机制的提取，但是没有进行初始定量并且没有进行初始体积变化，例如稀释或浓缩。如上所述，稀释和计量流体输送等过程复杂且难以在微流体设备或盒中进行工程化。在一些实施方式中，为了促进快速样品分析，该过程以尽可能浓缩的样品开始，从而减少或最小化STR PCR循环的总数。
虽然在各种实施例中，不进行预扩增定量，但是可以与qPCR并行扩增样品，这可以在进行STR PCR扩增时即时确定样品浓度。如此获得的qPCR信息用于确定需要多少总循环。然后，该信息可用于确定需要多少循环(如果有的话)来通过STR PCR充分扩增样品。
在各种实施例中，下游分析过程(例如毛细管电泳)的接受窗口(the window ofacceptance)(如表示为动态范围)大于单个扩增循环前后的浓度差异(即，大约两倍)。在这样的实施例中，如果经过适当定制次数的扩增循环，可以使任何输入浓度产生足够的输出浓度。无需改变样品体积。例如，STR PCR可以用作唯一的控制特征——而不是稀释、浓缩、分割等——这是获取任意输入样品并以适合下游分析的形式提供它所必需的(例如，使DNA浓度在接受窗口)。这种方法还可以解决在常规样品处理中的常见问题：过度放大，其可能产生使样品不适合的假象。
在某些情况下，STR PCR的输入必须低于最大DNA浓度；否则PCR聚合酶将失效。可以采用各种技术来限制最大浓度或在扩增前净化样品。例如，可以设计一个DNA提取步骤，以便它可以捕获不超过安全量的DNA，以提供给STR PCR。在这种情况下，在PCR过程的上游提供有限数量的DNA捕获部分(磁珠等)，从而限制了提供给PCR腔室的DNA总量。在浓缩的输入样品中，这样有效地减少了提供给PCR腔室的固定体积中的DNA总量。在扩增前进行DNA清理的另一个潜在优势是去除可能会干扰扩增的抑制剂。
并行PCR——同时进行qPCR和STR PCR
如上所述，qPCR和STR PCR可以同时进行，或至少在时间上重叠，以便STR PCR在qPCR结束之前开始。换句话说，该方法可以通过在时间上与STR PCR平行地进行qPCR来检测样品中的DNA浓度。使用源自qPCR的信息，可以在STR PCR开始后确定或调整预定或需要数量的STR PCR循环。对于具有相对低起始DNA浓度的样品，该过程确定优选或需要相对更多的STR PCR循环。相比之下，对于具有相对较高起始DNA浓度的样品，该过程确定优选或需要相对较少的扩增循环。无论样品的初始DNA浓度如何，STR PCR扩增的总数都可以在STR PCR期间即时确定。
通过并行进行PCR过程，满足标准方案要求所必需的定量，而不会显著减慢整个过程。当然可以进行qPCR直至完成然后开始STR PCR，并且本文中的一些实施例使用该序列。然而，当两个过程共享过程的各个方面(例如单个热分布(thermal profile))时，它们可以从同时进行中受益。
在处理时间方面，尽早结束STR扩增可能是有益的，例如，不要将qPCR运行到完全完成(通常约为四十个循环)。相反，qPCR只是运行到可以初步读取DNA浓度的点。通常，这是第一次观察到qPCR信号的循环之后的几个循环(有时称为循环阈值，Ct)。换句话说，qPCR可能会提前终止；它不需要进行完整的四十个循环(或为特定qPCR过程推荐的任何循环数)。
在一些实施例中，qPCR和STR PCR同时开始。在其他实施例中，qPCR比STR PCR更早开始。例如，qPCR过程可以在STR PCR的第一个循环之前开始三个循环、或五个循环、或十个循环、或十五个循环。下面呈现的示例实施例说明了交错两个PCR过程的方式。
在需要非常高的终点STR浓度的一些实施例中，STR PCR可以在qPCR开始之前开始。
在同一试剂盒中进行qPCR和STR PCR
在本公开的一些方面，qPCR和STR PCR彼此以非常近的距离进行，如，在同一个(如在同一盒上)的系统。在qPCR和STR PCR彼此以非常近的距离进行的实施例中，它们可以共享某些资源，例如对一种或另一种类型的PCR不具有特异性的特定试剂(例如，缓冲液和核苷酸)。此外，它们可以共享热循环仪和相关的散热器。因此，qPCR和STR PCR中的扩增过程具有很好的相关性。在不同时间在两台不同机器上分别运行两个反应(qPCR和STR PCR)时，即使采用了适当的标准化步骤，情况也并非如此。
在某些实施例中，用于制备测定用的DNA样品的盒具有两个腔室：一个腔室用于进行qPCR，第二腔室用于进行STR PCR。在某些实施例中，盒的两个腔室共享单个热循环仪和相关联的散热器。因为热控制的所有性质在两个室之间是共享的，所以系统提供在扩增效率上增强的相关性，并因此提供两个室中的扩增子浓度的增强的相关性。在某些情况下，为了优化qPCR和STR PCR的PCR过程，使用了两台热循环仪，一台用于qPCR腔室，另一台用于STR PCR腔室。下面参考图2A给出了一个合适的多腔室的盒设计的例子。
虽然近距离进行的反应可以同时进行，但它们不是必须的。在某些情况下，两个PCR扩增在同一反应腔室中连续进行，并可选地使用一些相同的试剂。
一般过程的流程
图1A描绘了根据本公开的某些实施例的示例过程流程101。该过程开始于操作103，其中样品盒接收DNA样品。在某些实施例中，样品是具有未知DNA浓度的犯罪现场样品。在例如样品盒的隔室中接收样品之后，任选地以该流程图中未描绘的方式预处理样品。例如，样品可以暴露于裂解缓冲液和/或样品中的DNA可以被富集。不管这些可选步骤如何，在接收DNA样品之后，将其分开以将第一部分提供给第一腔室并且将第二部分提供给第二腔室。在某些实施例中，这些腔室是样品盒的不同PCR腔室。在流程图中，请参见操作105。
在以所述方式分开输入DNA样品后，系统对第一个腔室中的样品部分进行qPCR，并对第二个腔室中的样品部分进行STR PCR。参见流程图的操作107。可选地，该系统使用单个热循环仪和散热器分别在第一和第二腔室中进行qPCR和STR PCR。
在进行qPCR时，系统会监控其进程并最终确定DNA样品浓度或以其他方式获取与DNA样品定量相关的信息。参见流程图101中的操作109。使用有关DNA浓度的信息，系统通过STR PCR计算在另一个腔室中达到目标浓度需要多少个循环。参见操作111。如有必要，系统执行操作111中确定的额外的循环次数。这些额外的循环至少在STR PCR腔室中的一部分样品上进行。参见流程图101中的可选操作113。
最后，在根据操作111中确定的循环数进行STR PCR之后，系统将扩增的STR样品部分从第二腔室提供测定。正如所解释的，测定的一个例子是毛细管电泳测定。参见流程图101的操作115。
图1B描绘了根据本公开的某些实施例的示例过程流程101a。该过程基本上类似于图1A中描绘的过程101。然而，在过程101a中，第一部分DNA样品被提供在第一盒的第一腔室中并且第二部分DNA样品被提供在第二盒的第二腔室中。在流程图中，参见操作105a。因此，在一些实施例中，第一腔室和第二腔室是分开的样品盒的不同的PCR腔室，使得qPCR和STRPCR在各自分开的盒的分开的腔室中进行。
示例实施例
现在将呈现几个示例实施例。本公开不限于这些实施例。
实施例1：在一些实施方式中，两个反应(qPCR和例如STR PCR)同时开始并且STRPCR至少进行qPCR所用的循环数。如果qPCR表明当前的DNA浓度(经过足够定量的循环次数后)足以进行测定，则STR PCR结束。另一方面，如果qPCR表明当前DNA浓度不足，则进行确定数量的额外的STR PCR循环。
在一些实施方试中，qPCR和STR PCR共享资源；例如，它们是在单个盒进行的。在此类实施例中，STR PCR腔室中的最终浓度将与qPCR的最终浓度很好地相关联，而不管初始样品DNA浓度如何。这产生了具有适合下游检测的准确已知的最终DNA浓度的样品。在一些实施方式中，qPCR和STR PCR在同一仪器中进行，但不一定在同一盒上进行。例如，qPCR和STRPCR可以在仪器中的两个微管中运行，可选择地并行。STR PCR循环的总数或qPCR完成后额外的STR PCR循环数是根据qPCR的读数确定的。
在一些实施方式中，两个腔室简单地经历检测qPCR腔室中的产物所需的循环次数，然后经受几个额外的循环以达到期望的末端浓度(基于qPCR检测开始时确定的浓度)。额外循环的次数取决于所需的最终浓度，这可以通过实验预先确定。在一些情况下，额外的循环的数量在大约两个额外循环和十个额外循环之间。
实施例2：与实施例1不同，STR PCR和qPCR过程可以在不同时间开始，尽管它们重叠。在一些实现中，qPCR更早开始，实际上使qPCR领先一步。原因之一是qPCR通常需要许多循环才能达到可检测并用于定量的浓度，因此这可能需要比STR扩增达到其目标浓度所需循环更多的时间。例如，可以进行多达四十个循环。在某些情况下，如果STR样品经历了所有循环，提供可靠qPCR读数所需的，则STR样品的最终浓度可能太高而无法进行测定和/或过度扩增到产生假象的程度。即使qPCR没有运行到其完全推荐的完成时间(例如，四十个循环)，其检测极限可能需要更多的循环，以达到STR室中所需的末端浓度。
因此，qPCR过程最好在STR PCR过程之前开始。例如，qPCR可以在STR PCR之前进行一到大约十五个循环(或大约五到大约十个循环)。
可以以多种方式延迟STR PCR。在该实施例中，系统将STR PCR样品延迟引入其盒腔室中。这种方法可能需要单独的容纳腔室(例如，在盒中)用于样品的STR部分。
延迟的长度通常以PCR循环数来衡量，并且可以根据样品初始DNA浓度的保守估计进行选择。例如，如果估计表明仅需要三十个PCR循环即可达到测定的目标浓度，并且假设qPCR需要三十个循环，在将样品引入STR PCR到STR腔室之前，该过程可能会延迟大约十个循环。如果在三十个循环时，qPCR显示STR PCR总共需要二十三个循环，那么STR PCR可以继续另外三个循环以达到所需的浓度。请注意，输入浓度越高，得到qPCR的结果越早。因此，假设一个正确选择的起始点(qPCR在STR PCR之前启动的循环数)，将始终准时得出qPCR的结果。如果一个方案采用恒定的起始点，则不需要估计。
在qPCR循环明显快于STR PCR循环的某些不同的实施例中，STR PCR可以首先或与qPCR同时开始。在STR PCR过程中的某个时刻，qPCR循环计数将超过STR PCR循环计数。此后，qPCR将能够及时报告样品浓度，以便STR-PCR过程在STR-DNA已达到所需浓度的点时终止。与实施例1一样，实施例2可以在单个仪器中并且可选地在单个盒上进行qPCR和STRPCR。
实施例3：在某些实施方式中，qPCR和STR PCR扩增过程之间的温度方案或其他过程条件不同。例如，qPCR和STR PCR扩增的变性或退火步骤的温度可能不同。在这种情况下，系统可以使用两组独立的温度控制器，每个腔室一组，而不是共用一组。硬件可以被编程或以其他方式配置以不同地控制qPCR和STR PCR的扩增过程。例如，qPCR和STR PCR的退火、链延伸和/或变性操作的持续时间和温度可能不同。这种方法允许针对qPCR和STR PCR分别优化循环方案。当同时实施qPCR和STR PCR过程时，可以实施该实施例。与实施例1一样，实施例3可以在单个仪器中并且可选地在单个盒上进行qPCR和STR PCR。
实施例4：与实施例2一样，qPCR子系统的检测极限使得在qPCR腔室中的产物达到适合下游的浓度之前，很可能达到STR腔室中所需的DNA终浓度。然而，在该实施方案中，样品引入STR腔室没有延迟，而是STR腔室中的扩增在前几个循环中被抑制。在一些实施方式中，通过延迟向样品添加扩增试剂来实现抑制。例如，如果认为对于任何具有(未知)输入浓度(在预期范围内)的样品，qPCR将需要比STR PCR不超过十个额外的循环(以达到可检测的浓度)以达到目标浓度，该过程可能会抑制STR腔室中的PCR大约十个循环。与实施例2一样，如果在四十个循环时，qPCR显示STR PCR总共需要三十三个循环，那么STR PCR可以再继续三个循环以达到所需的浓度。通过控制试剂的递送而不是控制何时将STR样品引入PCR腔室来延迟STR PCR的实施例可能不需要在PCR腔室上游的单独的STR样品保持腔室(和相关的阀)。与实施例1一样，实施例4可以在单个仪器中并且可选地在单个盒上进行qPCR和STRPCR。
实施例5：与实施例2一样，qPCR子系统的检测极限使得在qPCR腔室中的产物达到适合下游检测的浓度之前达到STR腔室中的所需最终浓度。该系统可以被设计成使得比STRPCR腔室更大样品体积用于qPCR腔室(假设腔室的体积相等，这应该有利于它们的相关性)。与实施例1一样，实施例4可以在单个仪器中并且可选地在单个盒上进行qPCR和STR PCR。
实施例6：在一些实施方式中，qPCR和STR PCR过程完全连续进行，使得qPCR反应首先运行到确定稍后STR PCR反应所需的循环数所必需的点，该点仅在qPCR结果被解释为显示需要多少STR-PCR周期之后才启动。qPCR和STR PCR过程可以在盒的不同腔室中进行。qPCR和STR PCR过程可以使用针对它们各自的扩增而优化的过程条件进行。例如，每个都可以在一个循环中采用其自己的温度序列。在一些实施方式中，在串联进行的两个过程之间共享相同的温度控制器和/或其他扩增硬件，但是对于qPCR和STR PCR操作不同。与前一实施例一样，硬件可以被编程或以其他方式配置为不同地控制qPCR和STR PCR的扩增过程。例如，qPCR和STR PCR的退火、链延伸和/或变性操作的持续时间和温度可能不同。
实施例7：该实施例与前一个实施例相似，但不是在不同的腔室中运行qPCR和STRPCR扩增过程，而是在同一腔室中运行两个过程。这种实现方式在同一个腔室中连续进行qPCR和STR PCR，该腔室可能是盒的一部分。
实施例8：在一些实施方式中，qPCR和STR PCR同时在同一腔室中进行。这实际上是一个多重PCR过程。用于qPCR和STR PCR的引物与例如犯罪现场样品在单一样品混合物中提供。在某些实施例中，在样品混合物中使用单一聚合酶。用于qPCR的探针包含在混合物中。在一些实施方式中，为了避免在化验期间来自qPCR探针的荧光信号的干扰，在测定中使用非荧光检测方法或者在测定之前将qPCR探针与测定样品分离。这种方法的例子包括一些下一代测序技术和微阵列技术。然而，在一些实施例中，该过程使用单独的染料用于qPCR和STR PCR。qPCR核酸染料用于对样品进行定量，而STR PCR核酸染料用于在电泳或其他测定过程中询问STR。当在扩增混合物中使用两种或多种DNA染料并且qPCR反应物在测定之前没有被去除或以其他方式不产生干扰时，可以选择区别很大的发射频率(或其他可检测频率)以准确分析qPCR。例如，染料可能具有足够分离的激发或发射频率，使得qPCR信号不会被来自用于STR询问的染料的颜色信号所掩盖。通常，用于STR询问的染料不使用猝灭剂，因此在整个qPCR分析过程中总是会发光。此外，在询问STR等位基因期间，qPCR染料应具有不同于任何STR PCR染料的发射频率，以便询问仅检测STR等位基因的染料。
qPCR
定量的PCR有时也称为实时PCR，它使用多个基因座和相关的引物序列。它还使用的探针是非引发DNA片段，其序列与PCR扩增子的序列互补。每个探针包括荧光染料(称为供体)和相关的猝灭剂。在探针上，供体和猝灭剂彼此过于接近，以至于供体的发射被猝灭(通过荧光共振能量转移或“FRET”)并且在样品中没有检测到荧光信号。然而，随着扩增的进行，聚合酶会遇到与扩增子序列结合的探针，聚合酶的核酸外切酶活性会破坏探针并释放供体和猝灭剂。结果，猝灭剂与供体分离，因此供体可以发出未猝灭的荧光信号。根据初始未知浓度，经过多次PCR循环后，该信号变得可检测。并在PCR的指数期迅速增强。使用适当的建模和校准，样品DNA的初始浓度可以通过荧光信号的强度和形状来确定。其他形式的qPCR，例如不使用供体-猝灭剂对的那些，是本领域已知的并且可以用于本文公开的实施例中。
在某些实施例中，qPCR引物被设计为扩增人类独有的基因组区域。在某些实施例中，qPCR试剂在标记为
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Trio PCR Amplification Kit的产品中提供，可从Thermo Fisher Scientific of Waltham,MA获得。
STR PCR
STR PCR描述于多个地方，包括J.Butler，Fundamentals of Forensic DNATyping，Elsevier，2009，其通过引用整体并入本文。在某些实施例中，STR PCR试剂以可从Thermo Fisher Scientific获得的称为Globalfiler PCR Amplification Kit的产品品牌提供。如所指出的，本公开内容不限于STR PCR，而是包括设计用于扩增靶标的各种PCR中的任一种，包括多态性的各种基因座。
DNA捕获机制
在某些实施例中，盒或样品制备或测定元件的另一部分包括用于确保PCR腔室中的DNA浓度不超过阈值的装置或机制。在某些情况下，STR PCR的输入必须低于阈值DNA浓度；否则PCR聚合酶将失效。可以采用各种技术来限制最大浓度。例如，可以设计DNA提取步骤，使其能够捕获不超过安全量的DNA以提供给STR PCR。换句话说，如果在PCR过程的上游提供有限数量的DNA捕获部分，则该有限数量将有效地减少提供给PCR腔室的固定体积中的DNA总量。
测定
一些实施例采用STR电泳来分析犯罪现场样品(或用于法医和其他用途的其他DNA样品)。扩增后的STR被提供给发生电泳的毛细管处。在某些实施例中，多个样品制备盒供给单个毛细管。毛细管可能以交错形式运行以促进吞吐量。参见例如于2017年5月22日提交的美国专利申请第62/509,618号，其全部内容通过引用并入本文。产生的电泳图可以使用各种技术进行分析，例如在2016年12月9日提交的美国专利申请号62/432,512中描述的技术，该申请通过引用整体并入本文。
设备背景
在某些实施例中，STR PCR和qPCR在单个样品盒上进行，该样品盒可以是具有用于固定样品和其他元件的凹槽、腔室或其他特征的单一装置。下面描述了合适的样品盒的一个例子。为不同的处理阶段提供了各种凹槽，并且可以用于多种目的。在一些实施方式中，凹槽形成于样品盒的主体和支撑样品盒的可变形层之间。在操作期间，一些腔室在处理的各个阶段填充有样品和/或试剂。腔室在打开时与样品盒中的流体通道流体连通。腔室可以流体连接，然后通过启动样品盒中的阀门而彼此隔离。
样品盒凹槽用于各种目的。例如，这些凹槽可用于容纳试剂，例如核酸大小标准、PCR主混合物和PCR引物。在一些实施方式中，一个凹槽用作输入样品例如犯罪现场样品的样品隔室(其可以兼作裂解隔室)。在一个示例中，虽然用于携带样品的拭子或其他底物被提供在样品隔室中，但是可以将裂解试剂冲洗通过隔室。在某些实施例中，样品隔室与DNA富集隔室或净化隔室流体连接，在那里样品可以接触从裂解样品中拉出DNA的磁珠(或其他捕获结构)。在某些实施例中，DNA富集隔室流体连接到洗涤或净化腔室，在那里可以洗涤磁珠以纯化样品，或更具体地样品中的DNA。这种基于磁珠的DNA捕获技术可以帮助将样品浓度调整到与后续PCR反应预期的浓度相当接近的水平。用珠子提取DNA样品后，将它们传递到进行PCR的腔室。如前所述，可能有两个腔室用作PCR腔室，一个用于qPCR，另一个用于STRPCR。如下文参考图2A所解释的，样品盒还可以包括用作废物腔室的另一个凹槽。还可以提供其他腔室用于混合、过滤、反应等。
通常提供用于与样品盒相互作用的仪器。通过使用NDIS批准的化学方法生成DNASTR图谱，仪器和试剂盒可以一起提供法医DNA图谱(forensic DNA profile)。为了操作，用户可以在样品盒中提供输入样品，然后将其插入仪器上的样品端口。然后可以在样品盒上处理样品，然后通过管道将其传送到测定位置。
在某些实施例中，仪器包括各种特征，其与盒相互作用以制备样品。例如，该仪器可具有样品制备子系统，该样品制备子系统包括至少一个配置成接合样品盒的样品盒接口、用于执行生化方案的试剂源和配置成在样品制备子系统内移动试剂的流体组件。流体组件可包括泵，例如注射泵。泵可以通过阀门流体连接到试剂源，例如水和裂解缓冲液，以及连接到空气源。在一些实施方式中，泵通过流体管线将裂解缓冲液和水输送到样品盒上的入口。空气或液体压力可以由泵施加到样品盒上的入口端口，以使液体根据需要进入、混入、通过或离开样品盒。
在某些实施例中，每个样品盒通过样品盒接口与仪器相互作用。例如，每个样品盒可以通过各自的样品盒接口与仪器相互作用。样品盒接口可包括柱塞致动组件(ramactuation assembly)、基板和盖板。用户将样品盒插入由基板和盖板形成的槽中。柱塞致动组件可包括凸轮阵列(cam array)、柱塞阵列(ram array)和偏置元件阵列(array ofbiasing elements)。这些元件一起工作，使得每个柱塞与样品盒的阀门接合。样品盒接口的顶部部件包括用于活塞或柱塞的孔径(aperture)，其构造成将球阀致动到与端口相连的腔室，以及流体导管穿过的孔径以与样品盒上的输入和输出端口配合。
在某些实施例中，仪器的样品盒接口的基板和盖板一起形成引导件，当盒插入到样品盒接口中时，该引导件与样品盒接合并引导样品盒。如上所述，样品盒与样品盒接口相互作用。例如，样品盒接口致动与样品盒上的阀门接合的柱塞，以根据需要在样品盒内引起变化。阀门通过样品盒上的可变形层在特定阀门位置的临时变形和/或通过推动打开球阀的柱塞来控制沿着样品盒中的各个通道的液体流动。样品盒接口包括用于容纳与样品盒相互作用的柱塞、活塞、柱塞、流体管线等的合适的孔径。
在某些实施例中，后端盒通过后端盒接口(有时称为电泳盒接口)与仪器相互作用。后端盒接口被配置为与后端盒可释放地接合。当插入时，后端盒流体连接到管道，该管道连接到样品盒的出口端口。以这种方式，反应产物从样品盒传送到发生电泳的后端盒。后端盒接口还提供后端盒的电极(例如，阳极和阴极)与仪器的电源之间的电连接。后端盒和后端盒接口还通过光通信(例如，后端盒的光学窗口和仪器的光学模块之间的光通信)、热通信(例如，电泳毛细管和系统的热控制组件)，机械通信(例如，后端盒的阳极子组件与仪器中的机械接口之间，以及后端系统的阴极子组件与仪器中的机械接口之间)、电通信、磁通信(例如，后端试剂盒和仪器之间)，和/或流体连接(例如扩增的DNA输出或大部分试剂的来源)进一步相互接合。
如上所述，在某些实施例中，仪器包括用于将反应产物从样品盒(样品在此处制备/处理用于分析)输送到后端盒(反应产物在此处通过毛细管电泳进行分析)的管道。仪器控制样品通过管道的转移，以便反应产物根据需要通过系统的各个元件。
在图2A描绘的实施例中，PCR腔室具有微笑状(smile shape)。在其他实施例中，PCR腔室具有其他形状，例如圆形、椭圆形、矩形或其他多边形。一旦一部分样品在其中一个PCR腔室中，它就可选地由一小纸片或其他吸收性材料固定在适当的位置，这些材料可能在盒中显示为一个点。当粘附到该区域时，样品DNA会暴露于适合进行PCR的试剂。这些试剂包括待扩增基因座的引物、合适的聚合酶、缓冲液、核苷酸等。在一些实施例中，样品盒将具有至少两个试剂腔室或至少两个通向PCR腔室的试剂入口。向STR PCR腔室和qPCR腔室提供不同的试剂。STR PCR腔室有一个出口，用于将扩增的STR样品提供给其他测定部件，例如毛细管的输入区域，在那里进行电泳。如上所述，可以在单独的柱体上进行电泳，尽管这不是必需的。qPCR腔室不需要有出口，尽管它可以连接到，例如，废物腔室。
盒中的PCR腔室可以热接触仪器的一个区域，在该区域一个或多个热循环仪可以应用所需的PCR加热分布(heating profiles)。在一些实施例中，盒安装在共同执行和应用热循环仪温度曲线的两个元件之间：一个是散热器，另一个是驱动热循环温度变化的热元件。在某些实施例中，散热器设置在盒中。
在某些实施例中，单个热循环仪用于qPCR和STR PCR腔室。当使用包括单个散热器和控制器的单个热循环仪设备时，温度分布必须能够进行qPCR和STR PCR。在某些实施例中，针对STR PCR反应优化热循环仪热分布，或至少偏向于STR PCR反应。这是出于两个原因。首先，虽然DNA指纹识别的某些标准需要一些定量，但它们不一定指定任何准确度水平。鉴于没有指定的准确度水平(例如，在实际浓度的2％以内)，qPCR过程的准确度水平可能相对粗糙。参见2011年9月“DNA数据库实验室的质量保证标准”中描述的协议，该协议通过引用整体并入本文。其次，STR PCR必须在允许扩增相对长等位基因的温度分布下进行。因此，变性、链延伸和退火操作的温度和持续时间是为扩增STR等位基因而设置的，这可能比qPCR等位基因所需的要大。
在某些实施例中，仪器包括用于qPCR腔室的一个热循环仪和用于STR PCR腔室的单独的热循环仪。当qPCR应用的温度分布(the temperature profile)与STR PCR优化的温度分布有些不同时，这些热循环仪可以适当地独立控制。这可能适用于分别优化qPCR和STRPCR的PCR热分布。qPCR扩增子和STR扩增子之间不同的等位基因位点和等位基因大小产生不同的最佳热分布。STR PCR的等位基因长度可能有很大差异，使得最长的等位基因很可能比qPCR中要扩增的最长基因座长得多。因此，STR PCR扩增中的变性和链延伸步骤可能需要比qPCR扩增中更长的持续时间。
DNA样品处理盒示例
图2A描绘了可用于本文所述的各种实施例中的盒203。如图所示，盒203包含与样品接收和制备相关的各种隔室或腔室和流体管线。盒203包含样品腔室205，其形状、尺寸和/或以其他方式构造成从移液管、拭子或其他样品递送元件接收样品。在某些实施例中，样品腔室205仅仅是盒203中的入口点，用于接收要接受后续处理的样品。然而，在其他实施例中，样品隔室205是执行一个或多个初始样品处理步骤的区域。例如，可以在样品腔室205中进行初步样品处理操作，例如细胞裂解和/或DNA提取。在一个实施例中，裂解溶液从入口215被引入盒203中，然后被输送到样品腔室205。如图所示，入口215经由盒203中的一个或多个流体输送管线流体连接到样品腔室205。接触裂解液后，样品中的细胞被裂解，其DNA可以提取。在某些实施例中，DNA捕获试剂例如与磁珠偶联的核酸探针被引入样品腔室205，在那里它与样品相互作用并最终从样品捕获游离DNA。
在某些实施例中，在样品腔室205中仅进行裂解或者DNA提取，而不是两者都进行。在某些实施例中，在样品腔室205中既不进行细胞裂解也不进行DNA提取。在一些情况下，这些操作中的一个或两个在盒的其他地方进行，并且在一些情况下，这些操作中的一个或两个不在盒上执行。
在初始处理之后，如果有的话，样品从样品室205中被抽出，可选地通过输入端口206进入DNA样品制备室，例如，进入在将样品DNA与新鲜溶液混合并最终释放样品DNA之前保持并干燥样品DNA的清洁或清洗室207。在一个例子中，阀门设置为在腔室231中施加真空，液体经207从205抽至231。在某些实施例中，DNA清洁腔室207(clean-up chamber 207)位于仪器中接合盒203的磁体旁边。在扩增和/或其他下游处理之前洗涤或以其他方式处理样品时，磁铁允许从样品中提取和捕获的DNA保持固定的位置。在某些实施例中，当在DNA净化腔室207中时，捕获的DNA被干燥，然后通过从例如入口209引入水而重新溶解。在各种实施例中，盒的入口可以采用或包括小瓶或注射器的形式，该小瓶或注射器被配置为经由盒中的开口或端口将材料递送至盒。例如，小瓶如图2B所示。
在采用磁珠或其他DNA捕获结构的实施例中，DNA随后被释放以允许扩增。在一些情况下，在腔室207中的处理过程中将保持捕获的DNA的磁珠保持在适当位置的磁场被释放，从而允许DNA被进一步沿着盒203推向或拉动以进行扩增。在某些情况下，磁铁不撤回；相反，通过与能够促进释放的溶液接触来释放DNA。在此类实施例中，洗脱液(eluent)可来自入口或小瓶209。在某些实施例中，DNA捕获和释放技术包括一系列条件，第一个涉及的条件是珠子带正电并选择性结合DNA，第二个涉及的条件是从珠子释放DNA。可以改变的条件包括pH和/或盐浓度。例如，提供第二个条件(从珠子释放的DNA)的溶液可能具有相对较低的盐浓度或相对较高的pH值(取决于捕获机制)。例如，DNA捕获和释放试剂可以是来自马萨诸塞州沃尔瑟姆的Thermo Fisher Scientific的“ChargeSwitch”TM。其他方法有时使用离散剂和/或拥挤剂(crowding agent)。常见的离散技术使用二氧化硅珠和氯化胍。在某些情况下，该过程使用聚乙二醇作为拥挤剂。
从DNA净化腔室207，样品DNA被提供给两个独立的腔室217和219。例如，腔室217和219可以是两个单独的扩增测定腔室217和219(例如，PCR腔室217和219)，其中来自腔室207的一部分处理过的DNA样品被递送到第一腔室217，其余部分样品被输送到第二腔室219。在某些实施例中，qPCR在腔室217中进行并且STR-PCR在腔室219中进行，反之亦然；然而，其他类型的扩增测定可以在腔室217、219中的一个或两个中进行。在图示的实施例中，DNA样品从腔室207流动或移动到腔室217，然后从腔室217串行流动或移动到腔室219。在其他实施例中(未示出)，DNA样品从腔室207流动或移动到腔室217，然后并行地流入或移动到腔室217和腔室219中。串行流动设定有利地有助于确保两个腔室都填充有相同的样品DNA。
在某些实施例中，一个或两个PCR腔室包含少量纸以在添加试剂(例如，预混物/主混合物)和开始PCR处理之前，捕获、取样、固定和/或计量出少量含有样品/DNA的液体。当然，还有其他机制可以实现这一点，例如使用基于表面张力的技术(例如，几何口袋(geometric pocket)或亲水贴片)。
除了接收样品DNA之外，PCR腔室217和219还接收包括PCR引物的PCR试剂和包括聚合酶和核苷酸的其他PCR反应物(有时作为称为主混合物的单一混合物提供)。在一个描绘的实施例中，用于qPCR反应的PCR引物经由入口端口211和入口端口213提供，而剩余的PCR试剂(例如，主混合物)经由另一个入口端口211和213中提供。从入口端口211和213，执行qPCR所必须的PCR试剂被输送到qPCR腔室217，在那里它们与样品DNA混合。两种PCR反应都可以使用荧光标记的DNA片段(qPCR片段最初被猝灭)。这些段可以存储在每对小瓶(或入口)211/213和221/221中的一个小瓶中。
与qPCR反应一样，STR-PCR反应接收适当的引物和其他PCR试剂，用于扩增必要的STR。在某些描绘的实施例中，执行STR-PCR的PCR试剂可以通过入口221和223提供，其中来自进口221和/或223的试剂的一个或多个方面可以在化学上不同于通过入口211、213提供到室217的那些。从这些端口，组分被吸入或推入STR-PCR腔室219，在那里它们与样品DNA混合。
通过其中提供的DNA样品的各个部分以及其他PCR试剂，可以在qPCR腔室217和STR-PCR腔室219中进行PCR反应。在某些实施例中，两个PCR反应在时间上重叠，即，它们至少部分地同时进行。在某些情况下，两个PCR反应同时开始。在一些情况下，每个腔室217、219中的PCR反应在不同时间开始和/或每个腔室217、219的热循环次数不同。附加地或替代地，每个腔室217、219中的PCR反应在其他方面彼此不同，例如，可以因结合不同的PCR温度分布(PCR temperature profiles)、试剂、主混合物、引物、聚合酶等而彼此不同。
在某些实施例中，为qPCR腔室217提供第一热循环仪并且为STR-PCR腔室219提供单独的第二热循环仪。使用这两个热循环仪，第一次PCR循环通过使用不同的温度分布和/或不同的循环时间，和/或不同起始时间，可以独立控制PCR反应。在其他的实施例中，使用单个热循环仪来控制qPCR腔室217和STR-PCR腔室219中的每一个中的PCR反应。在任一方法中，一个或多个热循环器可作为在样品处理期间接合盒203的仪器的一部分提供。
在某些实施例中，用于扩增样品DNA的引物、聚合酶、核苷酸和其他PCR试剂的递送被延迟到STR PCR腔室219。换言之，在将PCR试剂输送到STR-PCR腔室219之前，相应的PCR组分被输送到qPCR腔室217。因此，在某些实施例中，PCR试剂在STR-PCR腔室219中可用之前，在qPCR腔室217中完全提供并且可用。通过这种方式，qPCR反应可以在STR-PCR反应开始之前开始。即使将单个热循环仪用于定量和STR-PCR反应，情况也可能如此。
可通过入口端口211、213、221和223的操作来控制向腔室217和219分阶段递送PCR试剂。换句话说，在入口221和223打开并可用于将PCR试剂输送到STR PCR腔室219之前，入口211和213可以打开并可用于将PCR试剂输送到qPCR腔室217。
在某些实施例中，使用PCR试剂的分阶段递送或其他一些分阶段技术，qPCR反应在STR-PCR反应开始之前开始一定数量的循环。例如，qPCR反应可以在STR-PCR反应之前开始大约五到十个循环。注意，当使用分阶段递送试剂时，样品最初可以提供给两个PCR腔室，但是只有在qPCR腔室217中进行几个初始循环后，试剂才流入STR-PCR腔室219。
请注意，如果要延迟STR-PCR反应，则可以通过延迟递送试剂以外的机制来延迟。例如，可以通过简单地延迟样品DNA到STR-PCR腔室219的递送来延迟STR-PCR反应。在另一实例中，通过分别控制qPCR和STR-PCR热循环仪来延迟STR-PCR反应，使得qPCR热循环仪在STR-PCR热循环仪启动STR-PCR之前一个或多个循环启动qPCR。
在某些实施例中，qPCR腔室217用于确定STR-PCR腔室219中的过程的一个或多个参数。例如，使用在腔室217中发生的qPCR反应的输出，仪器的样品处理逻辑可以明确地或隐含地确定样品DNA的浓度。使用该浓度信息，样品处理逻辑可以确定STR-PCR扩增的循环数以提供浓度在指定范围内的STR样品以用于进一步分析，例如毛细管电泳。请注意，在确定STR PCR的循环数时，仪器逻辑不需要实际计算或以其他方式确定DNA浓度——无论是收到的样品还是在扩增或其他处理过程中的某个点。
在DNA样品的STR基因座被扩增之后，STR扩增的样品被推入或吸入混合腔室227，在那里它可以与一种或多种成分混合用于进一步分析，例如DNA指纹。例如，在混合腔室227中，STR扩增的DNA样品可以与适于通过毛细管电泳进行DNA指纹识别的内部泳道标准(ILS)混合。从混合腔室227，样品被提供到出口端口229，在那里它离开样品制备盒203并且可用于下游处理装置，例如毛细管电泳盒。
样品制备盒203另外包括废物腔室231，其收集来自本文所述的一种或多种处理操作的废物。
图2B显示了一个试剂瓶的例子，该试剂瓶可用于通过适当的入口或端口将试剂输送到盒。例如，试剂瓶可用于通过入口209输送水，例如具有低盐浓度的水，或通过入口211、213、221和223输送PCR试剂，例如引物和主混合物。如图2B所示，试剂瓶251包括大体管状的壁253，其通过漏斗进入出口255，出口255可以经由盒中的端口或入口联接到盒上。管状壁包围腔体261，试剂在该腔体中停留直至分配。在试剂瓶内有一个较大的球257和一个较小的球259，靠近出口255。当较大的球257被推动时，较小的球259被释放。这一动作可通过与盒接口的仪器中的推杆或其他结构接合来启动，将试剂从小瓶中分配到盒中。图2B还描绘了具有各种凹槽或腔室、入口和出口的盒263。如图所示，试剂瓶251与盒263表面上的入口接合。
在一些示例中，样品腔室被配置为捕获约5-5000uL的样品。作为进一步的例子，每个PCR腔室能够容纳大约3-20uL的用于扩增反应的溶液。作为进一步的例子，试剂小瓶，例如可以在入口209和211处提供的那些，每个可以容纳大约3-15uL的溶液。再举一个例子，混合腔室的大小可以容纳大约20–1000uL的溶液。作为更进一步的例子，稀释剂腔室或小瓶222(例如，用于引入ILS)可以容纳大约10-200uL的溶液。在一些实施例中，小瓶226有空气并用于将所有分配的液体(来自221、223和来自222的稀释剂)排入混合腔室227。因此，在某些实施例中，混合腔室227的尺寸被设计成除了稀释剂和一些用于气泡的体积之外，至少容纳STR PCR反应(样品和试剂)的体积。
图3A图示了当安装在被配置为接收和可选地解释来自qPCR的光信号的仪器中时的样品制备盒303。注意盒303可以与图2A的盒203相同。如图3A所示，光传输装置304可包括源光纤306和检测光纤308。注意，在一些实施例中，装置中存在可与盒接触的透镜或其他光学元件。在某些实施例中，元件经由光耦合装置310光耦合到qPCR腔室(例如，盒203的腔室217)。可以利用本领域中已知的其他光学配置。
图3B示出了用于来自三个不同样品处理盒(总共六根光纤)的源光纤和检测光纤的多个光纤端312。光纤端提供与板314上的源(例如，LED)和光电检测器的光通信。滤色轮(color filter wheel)316可以设置在光纤插头312和板314之间。
图4呈现了可以在样品处理盒(例如盒203)上实施的示例处理流程。如图所示，处理流程开始于将样品移入输入腔室，例如样品腔室205。参见操作441。了解其他样品引入技术可能适用，具体取决于盒的设计和样品类型。
在引入盒之后和在PCR之前，样品可以进行DNA捕获技术，例如基于磁珠的技术。参见操作443。更一般地，这可以是从样品中捕获DNA以允许PCR之前清洁样品的任何技术。这种捕获过程可用于例如纯化和/或浓缩。在某些实施例中，该过程在没有PCR前捕获过程的情况下进行。
不管最初如何处理样品DNA，它至少被分成两部分，第一部分与qPCR试剂混合(参见操作445)和第二部分与STR-PCR试剂混合(参见操作449)。然后根据qPCR方案对第一部分进行热循环以提供样品中DNA数量的一些指示(参见操作447)，并且所确定的数量用于确定第二部分样品DNA需要扩增多少。此后或与该测定同时，第二部分经受热循环以将样品的STR扩增至适合进一步测定或其他分析(例如DNA指纹分析)的浓度。参见操作451。使用在操作447中获得的定量信息确定操作451中的热循环次数。在一些实施例中，操作447没有在qPCR方案中通常采用的全部范围(循环数)进行以提供样品中DNA的定量。例如，qPCR过程可能使用比常规用于获得精确DNA浓度(基于样品的初始浓度)的循环数更少的循环。
在操作451中产生的扩增STR具有适合于分析的浓度，但它们可首先与测定特定组分(例如内部梯状标准物(ILS))或用于通过毛细管电泳进行DNA指纹分析的其他大小指示剂混合。见操作453。然后可以将所得混合物转移到适合测定或其他分析的装置中。参见操作455，其中将混合物转移到用于电泳的装置。
在某些实施例中，操作441-453是在单个盒上进行的，例如像盒203这样的样品制备盒。在某些实施例中，操作455将扩增的STR DNA从这样的样品制备盒转移到进行DNA分析的第二盒。
不管在何种设备上进行进一步分析，过程操作457、459、461和463说明了可以如何处理扩增的STR DNA以进行分析。图所示，操作457涉及用凝胶填充毛细管以允许扩增STR样品的毛细管电泳。在操作459中，将在操作455中转移的STR/ILS混合物注入毛细管中。接下来，在操作461中，对STR样品进行毛细管电泳，并通过例如光学测量来检测原始信号。最后，在操作463，分析毛细管电泳信号并提供结果。
控制系统
本文提供的系统包括或使用计算硬件和软件。在一些实施例中，用于样品制备、扩增和任选地分析的系统包括具有处理器的控制器，该处理器可以被配置为中央处理单元、存储器(例如，随机存取存储器和/或只读存储器)、通信接口、数据存储单元和显示器。通信接口可以包括用于使系统能够与内联网(包括其他系统和子系统)和/或互联网(包括万维网)交互的网络接口。数据存储单元可以包括一个或多个硬盘和/或用于数据传输和存储的高速缓冲存储器。数据存储单元可以存储一个或多个数据库，例如关系数据库。在一些情况下，系统还包括用于存储信息的数据仓库，例如用户信息(例如，配置文件)和结果。在某些情况下，数据仓库驻留在远离系统的计算机系统上。在一些实施例中，系统可以包括关系数据库和一个或多个服务器，例如数据服务器。该系统可以包括一个或多个通信端口(COMPORTS)，和/或一个或多个输入/输出(I/O)模块，例如I/O接口。
处理器可以包括中央处理器(CPU)、多个CPU、多核CPU等。可以采用任何处理器来执行机器可读代码以实现样品处理、分析等。本文提供的系统和方法的方面可以体现在编程中，有时称为逻辑。处理器和编程或其他逻辑可以在本地、仪器上或远程、仪器外驻留。当逻辑位于远程时，它可以直接连接到仪器，如通过本地网络或总线，或间接连接到互联网。在某些实施例中，远程逻辑被配置为基于云的计算资源。在一些实施例中，一些逻辑位于本地而一些位于远程。
“存储”型介质可包括计算机、处理器等或其相关模块的任何或所有有形存储器，例如各种半导体存储器、磁带驱动器、磁盘驱动器等，其可以在任何时间为软件编程提供非暂时性存储。全部或部分软件有时可以通过互联网或各种其他电信网络进行通信。例如，这样的通信可以使软件能够从一台计算机或处理器加载到另一台计算机或处理器中，例如从管理服务器或主机计算机加载到应用服务器的计算机平台中。“存储”介质和计算机或机器“可读介质”等术语是指参与向处理器提供指令以供执行的任何介质。
机器可读介质，例如存储计算机可执行代码的介质，可以采用多种形式，包括但不限于各种形式的有形存储介质。非易失性存储介质包括例如固态、光盘或磁盘，例如任何计算机等中的任何存储设备，诸如可用于实现数据库等。易失性存储介质包括动态内存，有时配置为计算机平台的主内存。计算机可读介质的常见形式包括各种形式的半导体、磁性和/或光学介质。
在一些实施例中，该系统包括一个或多个用于样品处理和/或分析的计算模块，每个模块在处理器上执行。在某些情况下，该系统包括使系统将样品从盒上的一个腔室顺序移动到另一个腔室的指令，例如在样品制备盒中的净化腔室和PCR腔室之间或在样品制备盒和电泳柱盒。在一些情况下，系统包括使系统产生和/或读取来自盒的光学或其他信号的指令。这样的信号可以包括在qPCR、STR电泳等期间产生的荧光信号。
系统可以被配置用于提取、转换和加载(ETL)操作，这可以允许系统将信息从原始数据源(或挖掘数据)加载到数据仓库中。数据仓库可以配置为与商业智能系统(例如，Microstrategy.RTM、Business Objects.RTM)一起使用。它还可以配置为与法医数据库一起使用，例如美国的国家DNA索引系统(NDIS))或英国的NDAD、州DNA索引系统(SDIS)或本地DNA索引系统(LDIS)或其他包含来自已知和未知对象、法医样品或其他样品类型(例如生物体识别)的配置文件的数据库。
结论
本文提供的系统和方法，包括此类系统的组件和此类方法的各种例程，可以与其他系统和方法组合或由其修改。在一些情况下，上述系统可以由Jovanovich等人的美国专利公开No.2011/0005932中描述的系统组合或修改。(“通用样品制备系统和在集成分析系统中的使用”)(“Jovanovich”)，其全部内容以引用方式并入本文。
以下是本公开的说明性实施例和/或实现方式的列表：
1.一种制备用于测定的包含DNA样品的方法，该方法包括：
在一个或多个盒中，接收包含DNA的输入样品；
将来自输入样品的第一部分DNA引导至第一盒的第一PCR腔室；
将来自输入样品的第二部分DNA引导至第一盒或第二盒的第二PCR腔室；
在第一PCR腔室中的第一部分启动定量PCR(“qPCR”)测定；
在第一PCR腔室中完成qPCR测定之前，在第二PCR腔室中的第二部分启动短串联重复(“STR”)PCR；
检测来自第一PCR腔室的输出信号，该输出信号提供关于来自输入样品的第一部分DNA中的DNA浓度的信息；和
通过在第二PCR腔室中的第二部分上进行预定扩增循环次数来完成STR PCR，其中预定扩增循环次数基于来自第一PCR腔室的输出信号。
2.根据1所述的方法，其中，输入样品包括在犯罪现场获得的DNA。
3.根据2所述的方法，其中，在犯罪现场获得的DNA是从选自骨、牙齿、唾液、头发、血液、精液、皮肤及其任意组合的来源中获得的。
4.根据前述任一项所述的方法，其中，所述一个或多个盒包括单个盒，所述单个盒可选地包括整体结构，所述整体结构包括多个流体通道和多个流体腔室。
5.根据前述任一项的方法，其中，输入样品包含约1pg至约100ng的DNA。
6.根据前述任一项的方法，其中，在启动qPCR或STR PCR之前，来自输入样品的第一部分DNA和第二部分DNA都不会通过将液体添加到来自输入样品的第一部分DNA或第二部分DNA中来稀释。
7.根据前述任一项的方法，其中，在接收输入样品之后，在启动STR PCR之前不对输入样品和来自输入样品的第二部分DNA进行定量。
8.根据前述任一项的方法，其中，在开始qPCR之后但在对第一部分DNA完成qPCR之前，启动STR PCR，其中通过向第二PCR腔室提供一种或多种PCR试剂来启动STR PCR，和/或将第二部分DNA从输入样品引导至第二PCR腔室。
9.根据8所述的方法，其中，在启动qPCR后五至十五个PCR循环之间开始启动STRPCR。
10.根据9所述的方法，其中启动STR PCR包括向第二PCR腔室提供一种或多种PCR试剂。
11.根据10所述的方法，其中，基本上同时将来自输入样品的第一部分DNA引导到第一PCR腔室和将来自输入样品的第二部分DNA引导到第二PCR腔室。
12.根据前述任一项的方法，其中，所述测定是STR等位基因的毛细管电泳。
13.根据前述任一项的方法，其中，qPCR测定的以符合美国DNA数据库实验室质量保证标准(2011年9月)的要求的方式来执行。
14.根据前述任一项的方法，其中，还包括在将来自输入样品的第一部分DNA引导至第一PCR腔室之前，将来自输入样品的DNA分成第一部分DNA和第二部分DNA，并且其中来自输入样品的第一部分DNA的体积是来自输入样品的第二部分DNA的体积的大约百分之二十以内。
15.根据前述任一项的方法，其中，还包括在对来自输入样品的第一部分DNA启动qPCR之前从输入样品中提取DNA。
16.根据15所述的方法，其中，提取DNA包括使输入样品与DNA捕获珠接触。
17.根据前述任一项的方法，其中，第二PCR腔室包括吸收性材料，该吸收性材料在STR PCR期间保持来自输入样品的第二部分DNA。
18.根据前述任一项的方法，其中，qPCR和STR PCR使用单个热循环仪进行，并且其中在与STR PCR的至少一部分同时进行的qPCR的至少一部分期间，qPCR和STR PCR受相同的热分布影响。
19.根据1-17中任一项所述的方法，其中，使用单独的热循环仪进行qPCR和STRPCR。
20.一种用于制备测定用样品的系统，该系统包括：
(a)用于接收和操作一个或多个盒的接口；
(b)引起在一个或多个盒中进行以下操作的逻辑：
接收包含DNA的输入样品；
将来自输入样品的第一部分DNA引导至第一盒的第一PCR腔室；
将来自输入样品的第二部分DNA引导至第一盒或第二盒的第二PCR腔室；
在第一PCR腔室中对来自输入样品的第一部分DNA启动定量PCR(“qPCR”)；
在第一PCR腔室中完成qPCR之前，在第二PCR腔室中对来自输入样品的第二部分DNA启动短串联重复(“STR”)PCR；
检测来自第一PCR腔室的输出信号，该输出信号提供关于来自输入样品的第一部分DNA中的DNA浓度的信息；和
通过在第二PCR腔室中的第二部分上进行预定扩增循环次数来完成STR PCR，其中预定扩增循环次数基于来自第一PCR腔室的输出信号。
21.根据20所述的系统，还包括一个或多个致动器，用于动态地控制一个或多个盒的流体通道中的流体的运动。
22.根据20或21所述的系统，进一步包括配置成在第一PCR腔室中引起qPCR的热循环仪。
23.根据22所述的系统，其中，所述热循环仪还被配置为在所述第二PCR腔室中引起STR PCR。
24.根据20或21所述的系统，进一步包括热循环仪，其被配置为(i)在第一PCR腔室中引起qPCR和(ii)在第二PCR腔室中引起STR PCR。
25.根据20-24任一项所述的系统，进一步包括
(a)包含有分离介质并具有入口和远端的毛细管；
(b)入口与毛细管入口连通并被配置为接收包含有具有多种不同大小的DNA片段的样品；
(c)配置为检测通过毛细管的DNA片段的询问区域；和
(d)配置为在毛细管的入口和远端之间施加电压的电源。
26.根据20-25中任一项所述的系统，还包括封装所述接口和至少一些所述逻辑的机壳。
27.根据20-26中任一项所述的系统，其中，所述一个或多个盒包括单个盒，所述单个盒可选地包括整体结构，所述整体结构包括多个流体通道和多个流体腔室。
28.根据20-24中任一项所述的系统，其中，所述逻辑被配置成以使得在启动STRPCR之前既不定量输入样品又不定量来自输入样品的第二部分DNA的方式引起所述操作。
29.根据20-28中任一项所述的系统，其中，所述逻辑被配置为以使得在开始qPCR之后但在对第一部分DNA完成qPCR之前启动所述STR PCR的方式引起所述操作，并且其中所述逻辑还被配置为通过向第二PCR腔室提供一种或多种PCR试剂和/或将来自输入样品的第二部分DNA引导至第二PCR腔室来启动STR PCR。
30.根据29所述的系统，其中所述逻辑被配置成以使得在启动qPCR之后的五到十五个PCR循环之间开始启动STR PCR的方式引起所述操作。
31.根据30所述的系统，其中，所述逻辑被配置成以使得启动STR PCR，其包括向第二PCR腔室提供一种或多种PCR试剂的方式引起所述操作。
32.如31所述的系统，其中所述逻辑被配置成以使得将来自输入样品的第一部分DNA引导至第一PCR腔室并且将来自输入样品的第二部分DNA引导至第二PCR腔室基本上同时发生的方式引起所述操作。
33.如20-32中任一项所述的系统，其中该测定是STR等位基因的毛细管电泳。
34.根据20-33中任一项所述的系统，其中，所述逻辑被配置成以使得qPCR以符合2011年9月美国DNA数据库实验室质量保证标准的要求执行的方式引起所述操作。
35.根据20-34中任一项所述的系统，其中，所述逻辑被进一步配置成在对来自输入样品的第一部分DNA启动qPCR之前从输入样品中提取DNA。
36.一种用于进行PCR测定的系统，包括，
用于接收包含靶核酸的样品的输入端口；
第一PCR腔室被配置为接收样品的第一部分；
第二PCR腔室被配置为接收样品的第二部分；和
一个或多个通道被配置为从输入端口转移样品并随后在第一PCR腔室和第二PCR腔室之间分离样品。
37.根据36所述的系统是盒，所述盒被配置为在处理系统中使用。
38.根据36或37的系统，其中，第一PCR腔室被配置为提供qPCR测定并且第二腔室被配置为提供STR PCR。
39.根据36-38中任一项的系统，还包括包含输入口的输入腔室，该腔室任选地包括被配置为将裂解溶液引入输入腔室的入口。
40.根据36-39中任一项所述的系统，还包括以下至少一项：
样品制备腔室沿一个或多个通道中的一个通道设置在输入端口和PCR腔室之间；
第一试剂端口被配置为将第一试剂混合物输送到第一PCR腔室，第二试剂端口被配置为将第二试剂混合物输送到第二PCR腔室，第二试剂混合物在化学上不同于第一试剂混合物；
废物腔室被配置为收集过量的样品和/或在样品清理过程中产生的废物；
混合腔室，其被配置为在所述第二腔室中进行STR PCR测定之后接收所述第二部分，并进一步用一种或多种组分进行处理；或者
出口流体连接到混合腔室。
41.一种用于进行PCR测定的系统，包括，
一个或多个盒，包括：
用于接收包含靶核酸的样品的输入端口；
第一PCR腔室被配置为接收样品的第一部分；
第二PCR腔室被配置为接收样品的第二部分；和
一个或多个通道被配置为从输入端口转移样品并随后在第一PCR腔室和第二PCR腔室之间分离样品；和
处理系统被配置为接收一个或多个盒，该处理系统包括：
第一热循环仪，其中在使用期间第一热循环仪与第一PCR腔室物理接触和热接触；和
第二热循环仪，其中在使用期间第二热循环仪与第二PCR腔室物理和热接触。
42.根据41所述的系统，还包括热控制器，该热控制器包括存储器，该存储器包括相互独立地操作第一热循环仪和第二热循环仪的指令。
43.根据41或42的系统，进一步包括一个或多个检测器，其被配置为检测在第一PCR腔室中的PCR测定期间产生的荧光信号。
44.根据41-43中任一项所述的系统，其中所述第一热循环仪被配置为对所述第一部分进行qPCR并且所述第二热循环仪被配置为对所述第二部分进行STR PCR。
45.根据41-44中任一项的系统，进一步包括包含输入口的输入腔室，该腔室任选地包括被配置为将裂解溶液引入输入腔室的入口。
46.根据41-45中任一项所述的系统，其中在所述一个或多个盒中进一步包括以下中的至少一种：
样品制备腔室沿一个或多个通道中的一个通道设置在输入端口和PCR腔室之间；
第一试剂端口被配置为将第一试剂混合物输送到第一PCR腔室，第二试剂端口被配置为将第二试剂混合物输送到第二PCR腔室，第二试剂混合物在化学上不同于第一试剂混合物；
废物腔室被配置为收集过量的样品和/或在样品清理过程中产生的废物；
混合腔室，其被配置为在所述第二腔室中进行STR PCR测定之后接收所述第二部分，并进一步用一种或多种组分进行处理；或者
出口流体连接到混合腔室。
47.一种用于制备测定用样品的系统，该系统包括：
(a)用于接收和操作一个或多个盒的接口；
(b)引起在一个或多个盒中进行以下操作的逻辑：
接收包含DNA的输入样品；
将来自输入样品的第一部分DNA引导至一个或多个盒的第一PCR腔室；
将来自输入样品的第二部分DNA引导至一个或多个盒的第二PCR腔室；
在第一PCR腔室中对来自输入样品的第一部分DNA启动定量PCR(“qPCR”)；
在第二PCR腔室中对来自输入样品的第二部分DNA启动短串联重复(“STR”)PCR；
检测来自第一PCR腔室的输出信号，该输出信号提供关于来自输入样品的第一部分DNA中的DNA浓度的信息；和
通过在第二PCR腔室中的第二部分上进行预定扩增循环次数来完成STR PCR，其中预定扩增循环次数基于来自第一PCR腔室的输出信号。
48.根据1-19中任一项所述的方法，其中，引导第二部分DNA包括将来自输入样品的第二部分DNA引导到第一PCR腔室，然后从第一PCR腔室引导到第二PCR腔室。
49.根据20-35中任一项所述的方法，其中引导第二部分DNA包括将来自输入样品的第二部分DNA引导到第一PCR腔室，然后从第一PCR腔室引导到第二PCR腔室。
从上文应当理解，虽然已经图示和描述了特定实施方式，但是可以对其进行各种修改并且在本文中被考虑。也不旨在使本发明受限于说明书中提供的具体实施例。虽然已经参考前述说明书描述了本发明，但是这里对本发明实施例的描述和说明并不意味着被解释为限制性的。此外，应当理解，本发明的所有方面不限于这里阐述的具体描绘、配置或相对比例，其取决于各种条件和变量。本发明的实施例的形式和细节的各种修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的。因此预期本发明也应涵盖任何此类修改、变化和等同物。

Claims (49)

1.一种制备用于测定的包含DNA样品的方法，其特征在于，该方法包括：
在一个或多个盒中，接收包含DNA的输入样品；
将来自输入样品的第一部分DNA引导至第一盒的第一PCR腔室；
将来自输入样品的第二部分DNA引导至第一盒或第二盒的第二PCR腔室；
在第一PCR腔室中的第一部分启动定量PCR，也就是qPCR测定；
在第一PCR腔室中完成qPCR测定之前，在第二PCR腔室中的第二部分启动短串联重复PCR，也就是STR PCR；
检测来自第一PCR腔室的输出信号，该输出信号提供关于来自输入样品的第一部分DNA中的DNA浓度的信息；和
通过在第二PCR腔室中的第二部分上进行预定扩增循环次数来完成STR PCR，其中预定扩增循环次数基于来自第一PCR腔室的输出信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述输入样品包括在犯罪现场获得的DNA。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在犯罪现场获得的DNA是从选自骨、牙齿、唾液、头发、血液、精液、皮肤及其任意组合的组中获得的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述一个或多个盒包括单个盒，所述单个盒可选地包括整体结构，所述整体结构包括多个流体通道和多个流体腔室。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述输入样品包含约1pg至约100ng的DNA。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在启动qPCR或STR PCR之前，来自输入样品的第一部分DNA和第二部分DNA都不会通过将液体添加到来自输入样品的第一部分DNA或第二部分DNA中来稀释。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在接收输入样品之后，在启动STR PCR之前不对输入样品和来自输入样品的第二部分DNA进行定量。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在开始qPCR之后但在对第一部分DNA完成qPCR之前，启动STR PCR，其中通过向第二PCR腔室提供一种或多种PCR试剂来启动STR PCR，和/或将第二部分DNA从输入样品引导至第二PCR腔室。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在启动qPCR后五至十五个PCR循环之间开始启动STR PCR。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，启动所述STR PCR包括向所述第二PCR腔室提供所述一种或多种PCR试剂。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，基本上同时将来自输入样品的第一部分DNA引导到第一PCR腔室和将来自输入样品的第二部分DNA引导到第二PCR腔室。
12.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，所述测定是STR等位基因的毛细管电泳。
13.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，qPCR测定的以符合2011年9月美国DNA数据库实验室质量保证标准的要求的方式来执行。
14.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，进一步包括在将来自输入样品的第一部分DNA引导至第一PCR腔室之前，将来自输入样品的DNA分成第一部分DNA和第二部分DNA，并且其中来自输入样品的第一部分DNA的体积是在来自输入样品的第二部分DNA的体积的大约百分之二十以内。
15.根据前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，进一步包括在对来自输入样品的第一部分DNA启动qPCR之前从输入样品中提取DNA。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，提取DNA包括使输入样品与DNA捕获珠接触。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二PCR腔室包括吸收性材料，所述吸收性材料在STR PCR期间保持来自输入样品的第二部分DNA。
18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，qPCR和STR PCR使用单个热循环仪进行，并且其中在与STR PCR的至少一部分同时进行的qPCR的至少一部分期间，qPCR和STR PCR受相同的热分布影响。
19.根据权利要求1-17中任一项所述的方法，其特征在于，使用单独的热循环仪进行所述qPCR和所述STR PCR。
20.一种用于制备测定用样品的系统，其特征在于，该系统包括：
(a)用于接收和操作一个或多个盒的接口；
(b)引起在一个或多个盒中进行以下操作的逻辑：
接收包含DNA的输入样品；
将来自输入样品的第一部分DNA引导至第一盒的第一PCR腔室；
将来自输入样品的第二部分DNA引导至第一盒或第二盒的第二PCR腔室；
在第一PCR腔室中对来自输入样品的第一部分DNA启动定量PCR，也就是qPCR测定；
在第一PCR腔室中完成qPCR之前，在第二PCR腔室中对来自输入样品的第二部分DNA启动短串联重复PCR，也就是STR PCR；
检测来自第一PCR腔室的输出信号，该输出信号提供关于来自输入样品的第一部分DNA中的DNA浓度的信息；和
通过在第二PCR腔室中的第二部分上进行预定扩增循环次数来完成STR PCR，
其中预定扩增循环次数基于来自第一PCR腔室的输出信号。
21.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，还包括一个或多个致动器，用于动态地控制所述一个或多个盒的流体通道中的流体的运动。
22.根据权利要求20或权利要求21所述的系统，其特征在于，进一步包括配置成在第一PCR腔室中引起qPCR的热循环仪。
23.根据权利要求22所述的系统，其特征在于，所述热循环仪还被配置为在所述第二PCR腔室中引起STR PCR。
24.根据权利要求20或权利要求21所述的系统，其特征在于，还包括热循环仪，其被配置为(i)在第一PCR腔室中引起qPCR和(ii)在第二PCR腔室中引起STR PCR。
25.根据权利要求20-24中任一项所述的系统，还包括
(a)包含有分离介质并具有入口和远端的毛细管；
(b)入口与毛细管入口连通并被配置为接收包含有具有多种不同大小的DNA片段的样品；
(c)配置为检测通过毛细管的DNA片段的询问区域；和
(d)配置为在毛细管的入口和远端之间施加电压的电源。
26.根据权利要求20-25中任一项所述的系统，其特征在于，还包括封装所述接口和至少一些所述逻辑的机壳。
27.根据权利要求20-26中任一项所述的系统，其特征在于，所述一个或多个盒包括单个盒，所述单个盒可选地包括整体结构，所述整体结构包括多个流体通道和多个流体腔室。
28.根据权利要求20-24中任一项所述的系统，其特征在于，所述逻辑被配置成以使得在启动STR PCR之前既不定量输入样品又不定量来自输入样品的第二部分DNA的方式引起所述操作。
29.根据权利要求20-28中任一项所述的系统，其特征在于，所述逻辑被配置为以使得在开始qPCR之后但在对第一部分DNA完成qPCR之前启动所述STR PCR的方式引起所述操作，并且其中所述逻辑还被配置为通过向第二PCR腔室提供一种或多种PCR试剂和/或将来自输入样品的第二部分DNA引导至第二PCR腔室来启动STR PCR。
30.根据权利要求29所述的系统，其特征在于，所述逻辑被配置成以使得在启动qPCR之后的五到十五个PCR循环之间开始启动STR PCR的方式引起所述操作。
31.根据权利要求30所述的系统，其特征在于，所述逻辑被配置成以使得启动STR PCR，其包括向第二PCR腔室提供一种或多种PCR试剂的方式引起所述操作。
32.根据权利要求31所述的系统，其特征在于，所述逻辑被配置成以使得将来自输入样品的第一部分DNA引导至第一PCR腔室并且将来自输入样品的第二部分DNA引导至第二PCR腔室基本上同时发生的方式引起所述操作。
33.根据权利要求20-32中任一项所述的系统，其特征在于，所述测定是STR等位基因的毛细管电泳。
34.根据权利要求20-33中任一项所述的系统，其特征在于，所述逻辑被配置成以使得qPCR以符合2011年9月的DNA数据库实验室的美国质量保证标准的要求的方式执行的方式引起所述操作。
35.根据权利要求20-34中任一项所述的系统，其特征在于，所述逻辑被进一步配置成在对来自输入样品的第一部分DNA启动qPCR之前从输入样品中提取DNA。
36.一种用于执行PCR测定的系统，其特征在于，包括，
用于接收包含靶核酸的样品的输入端口；
第一PCR腔室被配置为接收样品的第一部分；
第二PCR腔室被配置为接收样品的第二部分；和
一个或多个通道被配置为从输入端口转移样品并随后在第一PCR腔室和第二PCR腔室之间分离样品。
37.根据权利要求36所述的系统，其特征在于，系统是盒，所述盒被配置为在处理系统中使用。
38.根据权利要求36或权利要求37所述的系统，其特征在于，所述第一PCR腔室被配置为提供qPCR测定并且第二腔室被配置为提供STR PCR。
39.根据权利要求36-38中任一项所述的系统，其特征在于，还包括包含输入口的输入腔室，该腔室任选地包括被配置为将裂解溶液引入输入腔室的入口。
40.根据权利要求36-39中任一项所述的系统，其特征在于，还包括以下至少一项：
样品制备腔室沿一个或多个通道中的一个通道设置在输入端口和PCR腔室之间；
第一试剂端口被配置为将第一试剂混合物输送到第一PCR腔室，第二试剂端口被配置为将第二试剂混合物输送到第二PCR腔室，第二试剂混合物在化学上不同于第一试剂混合物；
废物腔室被配置为收集过量的样品和/或在样品清理过程中产生的废物；
混合腔室，其被配置为在所述第二腔室中进行STR PCR测定之后接收所述第二部分，并进一步用一种或多种组分进行处理；或者
出口流体连接到混合腔室。
41.一种用于执行PCR测定的系统，其特征在于，包括，
一个或多个盒，包括：
用于接收包含靶核酸的样品的输入端口；
第一PCR腔室被配置为接收样品的第一部分；
第二PCR腔室被配置为接收样品的第二部分；和
一个或多个通道被配置为从输入端口转移样品并随后在第一PCR腔室和第二PCR腔室之间分离样品；和
处理系统被配置为接收一个或多个盒，该处理系统包括：
第一热循环仪，其中在使用期间第一热循环仪与第一PCR腔室物理接触和热接触；和
第二热循环仪，其中在使用期间第二热循环仪与第二PCR腔室物理和热接触。
42.根据权利要求41所述的系统，其特征在于，还包括热控制器，该热控制器包括存储器，该存储器包括相互独立地操作第一热循环仪和第二热循环仪的指令。
43.根据权利要求41或权利要求42所述的系统，其特征在于，进一步包括一个或多个检测器，其被配置为检测在第一PCR腔室中的PCR测定期间产生的荧光信号。
44.根据权利要求41-43中任一项所述的系统，其特征在于，其中所述第一热循环仪被配置为对所述第一部分进行qPCR并且所述第二热循环仪被配置为对所述第二部分进行STRPCR。
45.根据权利要求41-44中任一项所述的系统，其特征在于，进一步包括包含输入口的输入腔室，该腔室任选地包括被配置为将裂解溶液引入输入腔室的入口。
46.根据权利要求41-45中任一项所述的系统，其特征在于，在所述一个或多个盒中进一步包括以下至少一种：
样品制备腔室沿一个或多个通道中的一个通道设置在输入端口和PCR腔室之间；
第一试剂端口被配置为将第一试剂混合物输送到第一PCR腔室，第二试剂端口被配置为将第二试剂混合物输送到第二PCR腔室，第二试剂混合物在化学上不同于第一试剂混合物；
废物腔室被配置为收集过量的样品和/或在样品清理过程中产生的废物；
混合腔室，其被配置为在所述第二腔室中进行STR PCR测定之后接收所述第二部分，并进一步用一种或多种组分进行处理；或者
出口流体连接到混合腔室。
47.一种用于制备测定用样品的系统，其特征在于，该系统包括：
(a)用于接收和操作一个或多个盒的接口；
(b)引起在一个或多个盒中进行以下操作的逻辑：
接收包含DNA的输入样品；
将来自输入样品的第一部分DNA引导至一个或多个盒的第一PCR腔室；
将来自输入样品的第二部分DNA引导至一个或多个盒的第二PCR腔室；
在第一PCR腔室中对来自输入样品的第一部分DNA启动定量PCR，也就是qPCR测定；
在第二PCR腔室中对来自输入样品的第二部分DNA启动短串联重复PCR，也就是STRPCR；
检测来自第一PCR腔室的输出信号，该输出信号提供关于来自输入样品的第一部分DNA中的DNA浓度的信息；和
通过在第二PCR腔室中的第二部分上进行预定扩增循环次数来完成STR PCR，
其中预定扩增循环次数基于来自第一PCR腔室的输出信号。
48.根据权利要求1-19中任一项所述的方法，其特征在于，引导第二部分DNA包括将来自输入样品的第二部分DNA引导到第一PCR腔室，然后从第一PCR腔室引导到第二PCR腔室。
49.根据权利要求20-35中任一项所述的方法，其特征在于，引导第二部分DNA包括将来自输入样品的第二部分DNA引导到第一PCR腔室，然后从第一PCR腔室引导到第二PCR腔室。
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