CN113950373A - 分析装置中试剂的布置 - Google Patents

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大卫·R·克鲁格
卢劭儒
卡勒姆·罗伯逊·史密斯
斯蒂芬·利奥·范·沃卡姆
弗拉德·图雷克
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Abstract

提供了一种用于对液体样本中的目标组分进行检测的分析盒。该盒包括：样本收集单元，该样本收集单元被构造成将液体样本引入到盒中；流体通路，该流体通路从样本收集单元处的近端端部处开始，并向远端延伸穿过盒，该流体通路包括：一个或多个捕获组分，一个或多个捕获组分固定在流体通路内；一个或多个检测试剂，一个或多个检测试剂设置在捕获组分的近端或与捕获组分齐平，每个检测试剂包含在液滴内。

Description

分析装置中试剂的布置
技术领域
本申请涉及一种分析装置，并且特别地涉及分析装置中试剂的布置。
背景技术
分析装置可以容纳从数nl到数ml的不同尺寸的样本。有时，整个样本被处理，但通常仅样本的一部分被完全处理。在样本通过流通道(或多孔介质，例如硝化纤维素膜)输送到测试地点之前，该样本可以在其自然状态下处理，或者可以与试剂(如检测抗体)混合。储存在芯片上的试剂要么在单独的室或袋中(在缓冲溶液中)，要么以干燥形式布置在流通道中。储存在芯片上的试剂在单独的室或袋中需要泵送和混合阶段，储存在芯片上的试剂以干燥形式布置在流通道中需要溶解干燥沉积物。这两种现有技术在技术上均具有挑战性，并可能限制分析性能。由于试剂与通道壁的非特异性结合，用于引入试剂的任何通道和泵在设计时间、制造、装置上的空间(real estate)和试剂损失方面可能是昂贵的。此外，分析物与通道壁的非特异性结合导致灵敏度降低并增加潜在的可变性。
例如，EP2627987B1公开了一种具有被动地驱动流体流动的流体盒。所公开的装置和方法通过使用渗吸垫和/或倾斜装置来防止通道排水和回流来解决与被动流动的流体相关的问题。
WO2018/148517公开了一种具有基底的侧向流分析，该基底具有用于受控制的流体流动的硝化纤维素通道。本文描述了一种基于基质的方法学，其中液滴被布置在具有不同背衬的硝化纤维素基底上。如图22和图23所示，在所有示例中，样本浸入或吸收到硝化纤维素基底中，亲水性或疏水性背衬影响优选的硝化纤维素圈内或外的润湿程度。
因此，在技术领域中存在开发简单、低成本和可靠的替代分析装置和方法的要求和需要，例如一次性单个使用的芯片。
本发明正是在这种背景下产生的。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于对液体样本中的目标组分进行检测的分析盒，该盒包括：样本收集单元，该样本收集单元被构造成将液体样本引入到盒中；流体通路，该流体通路从样本收集单元处的近端端部处开始，并向远端延伸穿过盒，该流体通路包括：一个或多个捕获组分，一个或多个捕获组分固定在流体通路内；一个或多个检测试剂，一个或多个检测试剂设置在捕获组分的近端或与捕获组分齐平，每个检测试剂包含在液滴内。
提供呈液滴形式的检测试剂使得检测试剂能够与样本结合，从而使得检测试剂与液体样本经历整体移动。在该“自由流动”构型中，液滴保持液体形式，并且不被吸收到多孔基质中。当液体样本在检测试剂上移动时，检测试剂随着液体样本的整体移动而被拖动，并且由于液体样本的流动是大致层流的，则检测试剂会产生检测试剂的条纹。另外，试剂从液滴中可以比从干燥沉积物中更快地混合/溶解到溶液中。
目标组分的检测可包括对组分的存在进行识别。检测还可以包括对液体样本中存在的至少一个目标组分的量进行识别。
流体通路可以从样本被引入到盒中的位置处开始。流体通路还包括一个或多个捕获组分的位置以及任何介于中间的几何形状。捕获组分可以被定位在孔中。替代地，流体通路可以是细长的，并且包括一个或多个细长壁。捕获组分可以被定位在流体通路的多个壁中的一个壁上。
流体通路可以具有矩形或正方形的横截面，并且包括四个大致正交的壁。壁是大致垂直的，以提供具有大致恒定横截面的流体通路。
流体通路可以是细长的和圆柱形的，并且可以包括单个环形壁。在具有圆柱形流体通路的实施例中，捕获组分可以被定位在壁上的相同环形位置处，但沿壁的远端距离不同。替代地，捕获组分可以被定位在壁上的不同环形位置处，但距样本收集单元的距离相同。
流体通路可以是孔。
检测试剂可以被布置在不同的壁上。检测试剂可以被设置在使用中被光束照明的壁上。替代地，检测试剂可以被设置在不被光束照明的壁上。
检测试剂可以比捕获组分更靠近样本收集单元。在捕获组分的上游和/或近端提供检测试剂为检测试剂提供了充足的机会，以产生当整体流到达捕获组分时将扩散的条纹。
替代地，检测试剂可以与捕获组分大致等距。这是为了在一定的布置量下产生最大浓度的检测试剂。
检测试剂可与捕获组分的分隔距离小于在分析的持续时间内可达到的扩散距离。
当检测试剂相对于捕获组分的定位使得目标组分和检测试剂将流过捕获组分时，则扩散长度可小于捕获组分的斑点直径。
相反地，当检测试剂相对于捕获组分的定位使得目标组分和检测试剂将不流过捕获组分时，则扩散长度必须超过斑点的直径。
检测试剂与捕获组分的分隔距离小于在分析的持续时间内可达到的扩散距离减少了来自未结合的检测试剂的整体背景信号，以避免串扰(例如抗体-抗体串扰)，并通过减少分配试剂的液体体积来减少所需的昂贵试剂的量。
在检测试剂和捕获组分之间提供环形分隔确保了当液体样本流过检测试剂时所产生的检测试剂的条纹不会直接通过捕获组分。条纹提供检测试剂的源，而不会由于捕获组分和检测试剂在环形方向上的分隔而在捕获组分上直接给出不需要的背景信号。
检测试剂和捕获组分通常使用接触式或非接触式打印机或点样器以液滴的形式分配到分析物上。然而，当最终产品准备使用时(即使忽略保质期)，水将已经蒸发，除非用适当措施来减轻蒸发。在装置的保质期内保持液滴大致为液体将有助于液滴与样本混合，从而使得液滴的内容物能够容易地通过样本流动而输送和/或容易地扩散通过样本。保留水还有助于保持溶质的构象，例如防止生物分子变性。
液滴中的至少一个可以包括使蒸发最小化或甚至停止的添加剂。这确保了液滴以液体形式保留，并且不会在表面上或基质内转变为干燥斑点。添加剂可以是吸湿性化合物，例如甜菜碱、糖、多元醇或氨基酸。在一个实施例中，甜菜碱三甲基甘氨酸以1.4M的浓度添加。在另一个实施例中，蔗糖以0.88M(30％w/v)添加。在另一个实施例中，多糖海藻糖以0.88M添加。
为了进一步减少或停止蒸发，可以提高流体通路中的湿度。实现这一点的一种方法是通过在流体通路内布置一个或多个盐溶液的液滴。相对湿度可以通过盐的种类和浓度来控制。为了避免装置内的冷凝，在装置的特定温度范围内，相对湿度必须保持在100％以下。例如，使用硫酸铵饱和溶液，在0℃至50℃的温度范围内，相对湿度可以保持在79％至82％的窄范围内。为了避免盐溶液与分析物的相互作用，这些液滴被优先布置在测试地点的下游。
用于减少蒸发另一种方法是降低液滴的表面体积比。这可以通过将液滴中的至少一个布置在一个或多个凹口中，例如布置在凹部、槽、沟、深槽、凹槽、沟槽、大致垂直于表面的通孔或多孔结构中来实现。穿透整个壁厚的通孔和多孔结构可以具有额外的优点，包括使得液滴能够在制造中从壁的相对侧沉积，以及使得通孔或孔能够用空气回填以促进液滴朝向并进入样本的流体通路的运动，从而增加与样本混合的检测试剂的量。流体通路的至少一部分可以是多孔介质。通过由多孔介质形成流体通路的至少一部分，捕获组分和/或检测试剂可保留在流体通路的壁的孔内。多孔介质可以是多孔壁、或纳米多孔膜、或纳米多孔嵌段共聚物、或聚合物泡沫或金属泡沫。
该分析物可以是流动构型或者扩散构型，在流动构型中，检测试剂主要通过样本流动而对流输送到达捕获试剂，在扩散构型中，检测试剂主要通过试剂在样本中的扩散而到达捕获组分。
在流动构型中，包含检测试剂的液滴旨在通过样本流动而对流输送。这可以通过数种方式来实现。例如，液滴可以具有较低的粘度，以便于检测试剂被样本液体拖动。注意，吸湿性添加剂旨在减少蒸发，通常增加粘度，使得这些示例的组合将意味着是最佳的。在这种流动构型中，液滴可优选地布置在没有凹口的平面表面上。
在扩散构型中，如果包含检测试剂的液滴使其远离其对应的捕获组分，则理想情况下不被样本流动带走。这可以通过数种方式来实现，这些方式中的每一种产生以液体形式保持液滴直到该液滴被部署的“临时矩阵”。例如，液滴可以具有较高的粘度；液滴可以布置在凹口中；和/或流控制器可以减少被带走的检测试剂。高粘度限制了与样本接触时的扩散，但增加了溶解后的流动性。高粘度可以通过添加海藻糖、蔗糖或甘油或任何上述降低水蒸汽压力的吸湿性化合物来实现。作为高粘度的延伸，液滴可以包含凝胶基质或与样本溶解/反应的基质。可降解基质的一个示例是基于多糖的凝胶，基于多糖的凝胶通过唾液中淀粉酶的作用来降解，以用于样本为唾液的分析。另一种选择是液滴中的基质或液滴上的保护涂层，该基质或保护涂层最初防止液滴的内部内容物随着流动而携带，但随后会随着时间的推移而降解(例如通过反应或通过溶解)，从而使得内部内容物能够扩散到捕获组分的区域。样本还可以掺入促进这种崩解的物质。在扩散构型中，被布置的检测试剂与其对应的捕获组分之间的最大距离由检测试剂的扩散长度x给出：
Figure BDA0003284384570000051
其中，t是使得检测试剂能够到达对应的捕获组分的时间，以及D是检测试剂在其介质中的扩散系数。在此，介质可以是样本、包含检测试剂的液滴、或者样本和液滴的混合物。等式1绘制在图7中，表示水中的IgG抗体(D＝4×10-11m2s-1)和粘液中的IgG抗体(D＝3×10-11m2s-1)。
分析盒可以进一步包括流控制器，该流控制器被构造成减少样本在捕获组分附近的整体移动。
可能需要流控制器，以充分地减缓样本的整体移动，使得检测试剂可以通过扩散与目标组分结合并移动到捕获组分。在扩散构型中，如果这些液滴的粘度高于样本的粘度，则较低的样本流率也可以减少液滴的体积，该液滴具有被拖离测试地点的检测试剂。
流控制器可以有效地停止整体的流体流动。替代地，整体的流体流动可以减少到1mm/分钟、0.5mm/分钟、0.25mm/分钟或甚至大致为0.0mm/分钟，即静止，使得组分在样本内的扩散是显著的。
流控制器可以被设置在捕获组分的远端。通过将流控制器布置在捕获组分的远端或下游，样本进入流体通路的流动不受阻碍，从而使样本能够快速地被引入盒中。然后，一旦样本到达捕获组分，流控制器起作用以减缓样本的流动。
流控制器可以被认为是有效地减缓流动的任何形式。流控制器可以是毛细管栓(capillary stop)或者窄或曲折的路径。替代地，在流体通路是孔的情况下，流控制器可以由流体通路本身的几何形状提供。孔的一个或多个侧壁提供流控制器，因为一个或多个侧壁防止样本进一步流动并使样本停止在施加到孔的基部或施加到靠近孔的基部的一个或多个壁的捕获组分附近。
在一些实施例中，多孔结构泵可以被设置在流控制器的远端。
分析盒可以进一步包括物理屏障，该物理屏障被构造成将流体通路分成多个平行的流通道。
每个流通道可以包括检测试剂及对应的捕获组分。流通道可容纳不同的检测试剂及其对应的捕获组分。从而该构型使得能够在没有串扰风险的情况下为相同的液体样本同时部署多个不同的检测试剂。通过提供沿流体通路轴向延伸的间隔壁，可以在单个流体通路内提供平行的流通道。间隔壁可以在流通道的整个长度上延伸，或者该间隔壁可以是不连续的。间隔壁可以是流体通路的整个高度，使得在间隔壁两侧处的子流通路之间没有流体连通。替代地，间隔壁可以提供流体通路的不完全分隔。间隔壁可以部分地通过流体通路延伸。替代地，流体通路可以分开形成两个或更多个完全独立的流体通路。
检测试剂和捕获组分可以包括抗体。检测抗体可以用荧光标记。
检测试剂和捕获组分均可以包括单链的寡核苷酸或多核苷酸。
除了固定在流体通路内的捕获组分和检测试剂之外，其它试剂也可以结合到流体通路和/或样本收集单元中，以在盒内执行辅助功能。例如，标记试剂可能存在于流体通路中。此外，以其它方式处理样本的其它试剂可包括在流体通路中。
样本收集单元可以是包含试剂的多孔结构。多孔结构可以是拭子、海绵、硝化纤维素膜或用于唾液收集的一个或多个亲水性凹槽或通道。
多孔结构可以被预先制备成包括试剂，使得样本的处理可被初始化。
多孔结构可以被构造成指示该多孔结构是否基本被液体样本饱和。这可以通过改变颜色来实现。
分析盒可以进一步包括被定位在捕获组分下游和/或远端的通道，该通道包含被构造成示出液体样本何时存在于通道中的确认元件。确认元件可以包括具有倾斜表面的透明元件，使得在不存在样本液体时，该透明元件从侧壁反射颜色，并且在存在样本液体时，该透明元件从底壁透射不同的颜色。
分析盒可以进一步包括与捕获组分一起布置的检测试剂。检测试剂可以是荧光或化学发光分子、产生比色信号的酶及其基底。
检测试剂及其对应的捕获组分可以针对家庭蛋白质。在该上下文中，家庭蛋白质是浓度随着时间相对稳定并且对于不同的样本源(即人类和动物)具有相似性的蛋白质。这为可以测量其它目标组分的浓度提供了基准或参考。这可以使所获得的数据能够被校正，以考虑到样本中分子的总浓度的可变性。
分析盒可以进一步包括固定在流体通路内的一个或多个目标组分。通过将一个或多个目标组分固定在流体通路中的一个内，盒设置有指示流动行为的参考。可以使用来自所沉积的目标组分的数据对从其它目标组分获得的结果进行归一化。
设置有检测试剂的液滴可以包括可降解外壳。可降解外壳保持液滴，从而提供物理屏障，防止液滴被吸收到基底上或润湿表面或芯吸到分析盒的不同部分。可降解外壳还在液滴周围产生微气候，以减少气流，从而减少蒸发。
此外，根据本发明，提供了一种用于对生物流体的样本中的目标组分的存在和/或量进行检测的设备，该设备包括：如上所述的分析盒和检测器，该检测器对发射光的存在和/或量进行检测，以提供样本内的目标组分的存在和/或量的指示。
该设备可以封装在包括分析盒和检测器的单个壳体中。替代地，检测器可以设置在与分析盒不同的单独的壳体中，有时被称为“读取器”。包含检测器的壳体可以包括狭槽或开口，狭槽或开口的尺寸和构造可容纳盒，使得盒可以被引入到壳体中，以使得检测器能够接近盒。读取器还可以包括其他整数，例如光源和数据收集、处理和储存能力。
该设备可以从单个样本中检测一个或多个目标组分。例如，可以从生物流体的单个样本中分析两个、三个、四个、五个、十个、二十个或更多个单独的目标组分。该分析可以是二进制的，并且仅仅指示目标组分的存在或不存在。替代地或另外地，该分析可以是定量的，并且可以给出样本中存在的目标组分的量的指示。
设备可以进一步包括被构造成启用全内反射(total internal reflection，TIR)照明的激发源。另外地或替代地，可以部署其它基于发射的光学分析，包括荧光、磷光、化学发光、拉曼、瑞利或米氏散射、反射和吸收(包括显色机制)。可以在明场和/或暗场模式下进行观测。
设备可以进一步包括用于声学混合的组件。声学混合可以通过提供超声波声表面波(surface acoustic waves，SAW)来实现，这将加快样本中组分的扩散，并因此缩短实现结合所需的时间，并因此缩短检测样本液体中组分所需的时间。
提供声学混合的组件可以是致动器(例如，压电)，该致动器可以在芯片上或在读取器中，或者在供给读取器的暗盒中，或者在与读取器分隔(接触该芯片)的培养装置中。致动器必须与至少一个流动路径或孔的至少一个壁直接或间接的机械接触。在所述壁和所述致动器之间可以存在阻抗匹配材料。
设备可以进一步包括光学读取组件。光学读取组件可以是摄像机；具体地，光学读取组件可以是具有一个或多个透镜的CMOS或CCD图像传感器，或者是被布置在靠近测试地点的CMOS或CCD图像传感器，因此不需要透镜。
设备可以进一步包括在结合检测试剂和光学读取组件之间的光学路径中的光学掩模。这适用于光学检测方法。光学掩模被构造成使得由检测试剂发射的远离捕获组分的光被阻挡，从而减少来自检测试剂的背景照明。掩模可以是在光学路径中的任何光学组件的表面上，例如在装置的测试地点处的透明壁的内表面上的不透明图案。该构型使得制造成本低，因为该构型可以通过与捕获组分和试剂的点样相同的方法来制造。如果捕获组分周围的整个区域被掩蔽，芯片可能不需要(昂贵的)钝化步骤来防止检测试剂的非特异性结合。替代地或另外地，掩模可以设置在装置的测试地点处的透明壁的外表面上。
掩模可以由光学路径中的不透明板中的图案形成。掩模可以由可在不透明状态和透明状态之间切换的元件制成，例如，元件可以是LCD屏幕的像素点。
附图说明
现在将参照附图仅以示例的方式进一步和更具体地描述本发明，在附图中：
图1A至图1F示意性地示出了检测试剂和捕获组分的各种排列和组合；
图2A和图2B示意性地示出了被设计成减少多个道之间的串扰的两个实施例；
图3A至图3C示意性地示出了具有下游流控制的实施例；
图4A和图4B示出了使得能够对检测试剂已到达捕获组分的位置进行检查的实施例；
图5A至图5F示出了包括细长流通路的实施例中可能的检测试剂和捕获组分的位置；
图6A至图6C各自包括盒的实施例的俯视图和侧视图，示出了检测试剂在各种凹口中的位置。
图7示出了计算出的IgG抗体在水中和粘液中的扩散长度与时间关系的曲线图。
图8A和图8B示出了聚焦于将液体样本引入分析盒的盒的进一步实施例；
图9a示出了在填充液体样本之前沉积在载玻片上的5×9液滴阵列；图9b示出了填充后6分钟的状态；以及
图10示出了三个培养时间下的基于TIRF的CRP夹心免疫分析的数据。
具体实施方式
参照图1A至图1C，提供了一种用于对液体样本中的目标组分20进行检测的分析盒10。盒包括样本收集单元12，其中样本收集单元12具有入口18，该入口被构造成将液体样本14引入盒10中。液体样本14能够流过流体通路16，该流体通路从样本收集单元12处的近端端部处开始，并向远端延伸穿过包括固定在流体通路16内的一个或多个捕获组分22的盒10。因此，术语近端和远端用于限定液体样本14进入盒10的相对于样本收集单元12的位置。流体通路16从样本收集单元12开始并继续穿过盒10，直到该流体通路到达捕获组分22。然后，流体通路16在捕获组分22的下游(在使用中)或在捕获组分的远端继续。一个或多个检测试剂24设置在捕获组分22的近端或与捕获组分齐平，每个检测试剂包含在液滴15内。如果检测试剂24设置在捕获组分22的近端，则检测试剂24比捕获组分22更靠近样本收集单元12，因此，当液体样本14沿着流体通路16流动时，样本14将在遇到捕获组分22之前遇到检测试剂24。相反地，如果检测试剂24与捕获组分22齐平，则检测试剂和捕获组分与流体通路16的近端端部等距，使得液体样本14在与捕获组分22发生接触的同时与检测试剂24发生接触，因为检测试剂和捕获组分距入口18的距离相同。
在图1A至图1C所示的示例中，当流体样本14如图所示从左向右流动时，流体通路16是大致线性的。因此，流体通路16的左手端部是近端端部，因为该左手端部的位置邻近样本收集单元12。在图1A和图1B的示例中，检测试剂24位于捕获组分22的上游或近端。相反地，在图1D中，入口位于中心，因此流沿着所有方向径向向外，因此流通路16的近端端部是孔(well)的中心，流通路16的远端端部邻近孔的圆周壁。
如图1A至图1C所示，检测试剂24呈液滴的形式，这使得检测试剂能够与样本结合，从而使得检测试剂与液体样本14经历整体移动。当液体样本14在检测试剂24上移动时，检测试剂随着液体样本14的整体移动而被拖动，并且由于液体样本14的流动是大致层流的，则检测试剂会产生检测试剂24的条纹。检测试剂24被构造成与目标组分结合并沿着流体通路16移动到捕获组分22。
在一些示例中，检测试剂24仅通过样本液体的流动而输送，如图1A和图1C所示。在图1B和图1D中，检测试剂24通过样本流动和扩散的组合而输送。在图1C和图1F中，检测试剂24主要通过扩散而输送。
如图1A至图1F所示，检测试剂24包含在液滴15内。所示实施例中的液滴15具有圆形横截面并且是部分球形的。替代地，在附图中未示出的实施例中，液滴可以是非球形的，例如矩形液滴。当液滴沉积在流体通路16上的预期位置时，可以通过操纵液滴15的表面张力来产生具有非圆形横截面的液滴。在这些位置或试剂地点处，流体通路的表面设置有表面涂层(未示出)，以帮助将液滴15操纵或模制成合适的形状。例如，可以设置亲水性区域，这促使液滴克服表面张力并散布在表面上。然后，该亲水性区域可以由阻止液滴散布的疏水性屏障所界定。在该示例中，液滴将倾向于呈现亲水性区域的形状。该区域可以是矩形、正方形或由流体通路16的几何形状规定的不规则形状。
参照图1B，捕获组分22沉积到光学元件26上。通过印刷将捕获组分22沉积到光学元件26上。光学元件为棱镜、鸠形或长方体光学元件。捕获组分22可以是抗体或其片段、肽或核酸。
参照图1A至图1F，示出了流控制器19，以帮助控制通过流体通路16的流体流动。流控制器19可包括以下中的一个或多个：毛细管通道；狭窄、长和/或曲折的路径；毛细管栓；具有通风口或气体缓冲器或流阻的毛细管栓。如图1C所示，流体控制器19可包括但不限于，通风口34、包含气体缓冲器的室36、流阻38或毛细管栓44。在一些示例中，毛细管栓44、通风口34和包含气体缓冲器的室36被组合使用，以控制液体样本通过流体通路16的流动。为每个流体通路16提供流控制器19。例如，流体控制器19的数量将是T1、T2、T3，并且对应于设置在盒10上的流体通路16的数量N1、N2、N3。流控制器19被设置在捕获组分22的远端。通过将流控制器布置在捕获组分22的远端或下游，如图1A至图1C所示，样本进入流体通路16的流动相对不受阻碍，从而使样本能够快速地被引入盒10中。然后，一旦样本到达捕获组分22，流控制器19起作用以减缓样本的流动。流控制器19被认为是有效地减缓流动的任何形式。需要流控制器19，以充分地减缓样本的整体移动，使得检测试剂24可以通过扩散与目标组分结合并移动到捕获组分22。
参照图1D至图1F，示出了流体通路16的替代实施例，其中流体通路是孔28。如图1D至图1F所示，示出了捕获组分22和检测试剂24在孔28内的共位置。捕获组分22可以等于或大于被定位在孔28内的检测试剂24的数量。在另一个示例中，捕获组分22的数量可以小于被定位在孔28内的检测试剂24的数量。用于接纳液体样本的入口18被定位在孔的中心处，如图1D至图1F所示，其中检测试剂24被定位成更靠近入口18。当液体样本14在检测试剂24上移动时，检测试剂随着液体样本14的整体移动而被层流拖动，以在朝向孔28的外边界的方向27上产生检测试剂24的条纹，如图1D和图1E所示。
在流体通路是孔28的情况下，流控制器19由流体通路16的几何形状提供，如图1D至1F所示。孔28的一个或多个侧壁提供流控制器19，因为一个或多个侧壁防止样本进一步流动并使样本停止在施加到孔的基部或施加到靠近孔28的基部的一个或多个壁的捕获组分附近。
图2A和图2B示出了具有(图2A)和不具有(图2B)物理屏障32的多个道。参照图2A和图2B，提供了一种盒10，该盒包括样本收集单元12、用于接纳液体样本的入口18和多个道30。由于微流体的流动通常是层流的，则当被布置在距中心通道轴线不同距离处的检测试剂24在流动中被样本液体14携带时，该检测试剂24形成浓缩试剂的不同条纹。然而，在图2A中示出了诸如壁的物理屏障32。例如，通过扩散，用于一个目标组分的检测试剂24可以交叉，以捕获用于另一个目标组分的组分；因此，两个目标组分之间的串扰(非预期的亲和力)可能有助于背景信号并增加一个装置上多个分析物之间的串扰。
图2A示出了具有多个道30的实施例，其中道30中的每一个可用于测试不同的捕获组分22。参照图2A，示出了物理屏障32，即壁。物理屏障32被构造成将流体通路16分成多个平行的流道或流通道30。从而该构型使得能够在没有串扰风险的情况下为相同的液体样本14同时部署多个不同的检测试剂24。一个或多个捕获组分22沉积在道30中的每一个中，由此捕获组分沉积到光学元件26上。当液体样本14在检测试剂24上移动时，检测试剂随着液体样本14的整体移动而被层流拖动，以在道30中的每一个中产生检测试剂24的条纹。流体控制器19设置在捕获组分22的下游，以便控制液体样本沿着道30中的每一个的流动。
物理屏障32，即将两个流道或流通道30分隔的壁通常在样本收集单元12的“顶部”和“底部”之间的整个高度上延伸，如图2A所示。然而，特别是对于基于全内反射的方法，这种分隔壁32可能导致激发光和发射光的不希望的反射和散射。
在替代实施例中，提供了一种附图中未示出的部分屏障或柔软质地，该部分屏障或柔软质地沿着流体通路轴向延伸。物理屏障32将处于部分高度，并且不会一直延伸到样本收集单元12的顶部，而是提供了间隙。这确保了流通道或流道30被部分地分隔。在一个示例中，部分屏障或柔软质地是半渗透膜，该半渗透膜被设计成减少多个平行的流通道或流道30之间的串扰。
参照图2B，示出了在单个流体通路16内的一个或多个平行的流通道或流道30。在道内，一个或多个液体样本14能够在检测试剂24上移动。然后，检测试剂随着液体样本14的整体移动而被拖动，以产生检测试剂24的条纹。检测试剂24被构造成与目标组分结合，并仅通过样本液体的流动或主要通过扩散沿着流体通路16向捕获组分22的位置移动。流体控制器19设置在捕获组分22的下游，以便控制液体样本沿着道30中的每一个的流动。
具有上游沉积的检测试剂24的分析物需要由流体架构引导的流线，使得液体样本14将检测试剂24输送到沉积在测试地点处的光学元件26上的捕获组分22。最常见的是，这通过在底部层和顶部层之间延伸的通道壁来完成。替代地，“数字微流体”使用电极阵列(附图中未示出)，以通过电润湿将含水样本的液滴引导通过疏水性液体。
由于当前大规模制造工艺的二维性质，通道的横截面通常为矩形。在许多微流体装置中，通道的尺寸受到可用样本量和/或试剂成本的限制。然而，在包括基于TIRF检测系统的基于TIR检测系统中，通道的高度不是问题。对于将试剂布置在沿其产生TIR消散的壁上的情况，只要雷诺数保持足够低(<1e3)，层流将使试剂集中在壁附近。所示实施例的流体动力学使得流体在整个过程中都执行层流。使湍流最小化，使得主要的侧向运动来自扩散，而不是湍流。
参照图3A至图3C，示出了盒10，该盒包括样本收集单元12，其中样本收集单元12具有入口18，该入口被构造成将液体样本14引入盒10中。液体样本14能够流过流体通路16，该流体通路从样本收集单元12处的近端端部处开始，并向远端延伸穿过包括固定在流体通路16内的一个或多个捕获组分22的盒10；一个或多个检测试剂24设置在捕获组分22的近端或与捕获组分齐平，每个检测试剂包含在液滴15内。图3A至图3C进一步示出了下游流控制器，例如流阻38。下游流阻38可以沿着毛细管通道40设置，以帮助控制通过流体通路16的流体流动。
图3A至图3C示出了具有下游被动泵送结构的各种实施方式，该下游被动泵送结构产生比初始样本填充到测试地点更慢的第二流区。具有这种第二流区可能有各种优点。用于提供第二流区的优点之一是去除未结合的试剂。在将样本液体相对快速地填充到测试地点之后，样本继续相对缓慢地由多孔结构泵42驱动，如图3B所示。流动可以通过诸如流阻38的流控制器来减缓。用于提供第二流区的另一个优点是在捕获组分22附近补充目标组分和检测试剂24。用于提供第二流区的又一个优点是，最高试剂浓度的不确定位置可以通过测试地点，而无需确切地知道该位置是什么。
由泵送结构产生的流率必须足够慢，以便目标组分通过扩散到达捕获组分，具体地，测试地点上的流速必须小于10mm/分钟，小于5mm/分钟，小于2mm/分钟，或者甚至小于1mm/分钟。
除了如图3A和图3B所示的毛细管驱动流动之外，也可以使用如图3C所示的蒸发来实现低流率。在毛细管栓44之后包含如图3C所示的气体缓冲器36的室可以包含例如干燥空气或干燥氮气(这需要装置封装在使用之前必须密封)。室的初始湿度和体积可以被设计成使得湿度保持足够低，以便在所需的分析持续时间内蒸发率不会显著下降。替代地，室可以被设计成使得在分析测量期间充满水蒸汽，从而阻止流动并防止使测试地点干燥。
图3C还示出了在毛细管栓44之后具有通风口34的可能性。这需要在盒上占用较小的空间，但会导致取决于环境湿度的可变流率，从而限制了操作条件。
在不存在第二(慢)流区的情况下，毛细管栓44需要在测试地点的下游。该毛细管栓距测试地点中的捕获组分22的距离不得超过检测试剂的条纹的长度(用于通道几何形状中的上游或近端沉积)。对于基于扩散的分析物(共定位的捕获组分和检测试剂)，毛细管栓44必须尽可能靠近捕获组分22，但足够远以不干扰分析(例如，对于光学检测，弯液面可能需要在检测元件的视场之外，以避免强烈的背景光从弯液面反射出去)。
毛细管栓44与到包含气体缓冲器的室36或通风口34中的蒸发组合也可用于在测试地点浓缩包括捕获组分和检测试剂的样本。当蒸发引起的流速高于目标组分或检测试剂的扩散速度时，这可能是有效的。蒸发率由弯液面面积、曲率和湿度来确定；扩散距离与时间的关系x(t)根据
Figure BDA0003284384570000151
由扩散常数D来确定。
参照图4A和图4B，提供对检测试剂已到达捕获组分的位置进行检查。图4A所示的示例示出了在盒10上的分析，该分析具有以检测试剂24为目标的捕获组分22的斑点。如图4A所示，在捕获组分22的下游提供附加的(液体)斑点46。附加的液体斑点46包括与检测试剂24互补的捕获组分22。图4B示出了在孔28内共定位的捕获组分22(“Ab1”)和检测试剂(“Ab2”)24的示例。中心斑点46是与检测试剂(“抗AB2”)24互补的捕获组分22的斑点。
参照图5A至图5F，示出了包括细长流通路48的实施例中可能的检测试剂24和捕获组分22的位置。如图5A至图5F所示，还提供了毛细管栓44、包含气体缓冲器的室36和通风口34，以用于控制流体流动。
在图6A至图6C所示的一些示例中，流体通路的表面设置有一个或多个凹口，例如凹部、槽、沟、深槽、凹槽、沟槽、大致垂直于表面的通孔或多孔结构，以便为液滴的沉积提供位置。这可以具有数个优点，包括沉积液滴的精确位置，通过降低表面体积比来减少蒸发，可以选择从通路的壁的相对侧沉积液滴(在通孔或多孔结构的情况下)，增加每单位长度流体通路的检测试剂的量，以及减少被样本流动而拖动的检测试剂的量。减少被样本流动而拖动的检测试剂的量的优点适用于扩散构型的分析物。仅作为一个示例，在检测试剂22被定位在流体通路16内的地方提供凹口。液滴处于适当的构造处，以使该液滴能够将自身定位在流体通路的表面上的凹口内。图6A至图6C还示出了流体通路16包括一个或多个捕获组分22的位置以及任何介于中间的几何形状。在一些示例中，光学元件的表面上的凹口可以适于提供用于沉积捕获组分的位置。在一些实施例中，在光学元件上不适合凹口的情况下，可以在光学元件和流体通路之间提供垫圈，以帮助对捕获组分进行定位。
图7示出了计算出的IgG抗体在水中和粘液中的扩散长度与时间关系的曲线图；扩散长度是分子在布朗运动驱动下能够行进的距离的估计值。上述计算基于测量的扩散常数。
图8A示出了分析盒10，其中样本收集单元12是位于流体通路16的近端端部处的开口80。该开口设置在盒10的上表面中，使得流体样本14的引入受到重力的辅助。使用移液管81将液体样本14引入到盒10中。提供样本收集单元12的开口的尺寸被设置为容纳移液管81的尖端，使得流体样本14可以被准确地引入到盒10中。
图8B示出了分析盒10，其中样本收集单元12包括多孔材料的垫82(例如海绵)、过滤器83和支撑网84。当流体样本被引入到盒10中时，垫82吸收流体样本14。垫82的结构将流体样本14保持就位，并且一旦流体样本被引入到盒中，则防止流体样本容易地离开盒10。当已收集到足够的流体样本14时，使用柱塞86来封闭盒10，该柱塞使用O形环85在盒10的开口周围形成密封。柱塞86压缩垫82，并迫使流体样本14通过过滤器83并进入到流体通路16中。支撑网84被设置为将过滤器83保持就位并防止该过滤器移动到流体通路16中。过滤器83被设置为从流体样本14中去除颗粒物质和/或生物物质，例如粘液，这些颗粒物质和/或生物物质是不希望的并且可能干扰分析盒10的功能。
示例1
图9a示出了5×9的液滴阵列，该液滴在打印缓冲液(3X枸橼酸钠溶液+1.5M甜菜碱)中包含荧光抗体(Alexa-647-标记的靶向人上皮生长因子的单克隆IgG)，浓度为1x10^12/μL。使用接触式打印机将斑点以0.5-mm的间距沉积到钝化的载玻片上。载玻片形成横截面为10×0.09mm的通道的底壁。该通道通过毛细管作用来用50μL包含重组人上皮生长因子(3×10^9/μL)的PBSA溶液(磷酸盐缓冲液中的4％BSA)填充。图9b示出了填充期间的流动方向和填充后6分钟内抗体的下游条纹。
示例2
图10示出了在用来自健康受试者的唾液样本填充通道后，三个培养时间下的基于TIRF的CRP夹心免疫分析。唾液是预过滤的(孔尺寸为5-μm)。打印缓冲液中的检测试剂(Alexa-647-标记的靶向人类CRP的单克隆IgG)在捕获组分的上游以2×18斑点的阵列接触打印，斑点的间距为0.6mm(流动方向)和2mm(侧向)。捕获组分(靶向人类CRP的单克隆IgG)也被沉积在打印缓冲液中，但在沉积检测抗体之前用MilliQ水漂洗。
在本发明的上下文中，捕获组分和检测试剂可以是包括抗体或酶的蛋白质或肽；寡核苷酸或多核苷酸，例如DNA或RNA；修饰的寡核苷酸或多核苷酸，例如锁定核酸(lockednucleic acid，LNA)；适体；吗啉代；可经由间隔分子接枝的小分子；细胞；细胞膜；膜受体；病毒颗粒；聚糖；涂覆有试剂或其它类型的分子或材料的固体颗粒或珠粒，这些分子或材料可以与感兴趣的目标组分具有配体受体类型的相互作用。对于光学检测，检测试剂可以用发光体标记，该发光体例如荧光团或荧光体或化学发光分子，或产生比色或发光信号的酶及其基底。
检测试剂也可以是任何试剂，包括辅因子或用于处理样本的任何分子(例如，用于裂解细胞的十二烷基硫酸钠)。
在本发明的上下文中，目标组分可以是包括抗体或酶或膜受体的蛋白质或肽；寡核苷酸或多核苷酸，例如DNA或RNA；细胞；小分子；病毒颗粒；聚糖；候选药物，或其它类型的感兴趣的分子或颗粒。
本文所使用的术语“液滴”是指装置上的斑点，该斑点包括至少一些液体组分，例如携带直接溶解或悬浮在液体组分内的试剂。例如，液滴包括液体、凝胶、悬浮液或其组合。液滴还可以包括由于与样本接触而释放其内容物的可降解外壳。液体可以是包括一个或多个聚合化合物的溶液。液滴可以是当液体块沉积到表面上时形成的部分球体。然而，应该理解，术语“液滴”也包括其它形状的流体汞齐。例如，如果沉积液体的表面用一个或多个亲水性或疏水性层来处理，这可以克服液体的表面张力并使液体流动，使得液体具有非圆形足迹。替代地，沉积在图案中的相邻布置和连接的液体块可以通过使线钉扎接触来保持图案。因此，液滴的足迹除了圆形足迹外，还可以是矩形、正方形或椭圆形。液滴的足迹甚至可以具有不规则形状，该不规则形状可以至少部分地由流体通路的封装需求而决定。在本发明的上下文中，当液滴被吸收到多孔基质，例如硝化纤维素基质中时，液滴不再存在或者液体蒸发，留下不再在溶液中的干燥物质的斑点。
鉴于本公开，本发明的各种其它方面和实施例对于本领域技术人员来说将是显而易见的。
本文所使用的“和/或”将被视为两个特定特征或组分中的每一个的具体公开，其中有或没有另一个。例如，“A和/或B”将被视为(i)A、(ii)B以及(iii)A和B中的每一个的具体公开，就像每一个在本文单独列出一样。
在整个说明书中，除非上下文有相反的规定，否则单数应该理解为包含复数。也就是说，“一个”和“一”和“该”应该理解为包括“至少一个”或“一个或多个”。
除非上下文另有规定，否则上述特征的描述和限定不限于本发明的任何特定方面或实施例，并且同样适用于所描述的所有方面和实施例。
本领域技术人员将进一步理解，本发明已经参照数个实施例以示例的方式进行了描述。本发明不限于所公开的实施例，并且可在不脱离所附权利要求中所限定的本发明的范围的情况下构造替代实施例。

Claims (31)

1.一种用于对液体样本中的目标组分进行检测的分析盒，所述盒包括：
样本收集单元，所述样本收集单元被构造成将所述液体样本引入到所述盒中；
流体通路，所述流体通路从所述样本收集单元处的近端端部处开始，并向远端延伸穿过所述盒，所述流体通路包括：
一个或多个捕获组分，所述一个或多个捕获组分固定在所述流体通路内；
一个或多个检测试剂，所述一个或多个检测试剂设置在所述捕获组分的近端或与所述捕获组分齐平，每个检测试剂包含在液滴内。
2.根据权利要求1所述的分析盒，其中，所述目标组分的检测包括对所述组分的存在进行识别。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的分析盒，其中，所述流体通路从所述样本被引入到所述盒中的位置处开始。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的分析盒，其中，所述流体通路具有矩形或正方形的横截面，并且包括四个大致正交的壁。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的分析盒，其中，所述流体通路是细长的和圆柱形的，并且包括单个环形壁。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的分析盒，其中，所述流体通路是孔。
7.根据权利要求4所述的分析盒，其中，所述检测试剂被布置在不同的壁上。
8.根据前述权利要求中任一项所述的分析盒，其中，所述检测试剂比所述捕获组分更靠近所述样本收集单元。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的分析盒，其中，所述检测试剂与所述捕获组分大致等距。
10.根据前述权利要求中任一项所述的分析盒，其中，所述检测试剂与所述捕获组分的分隔距离小于扩散距离。
11.根据前述权利要求中任一项所述的分析盒，其中，所述液滴中的至少一个液滴包括使蒸发最小化的添加剂。
12.根据前述权利要求中任一项所述的分析盒，其中，所述流体通路包括一个或多个凹口。
13.根据前述权利要求中任一项所述的分析盒，进一步包括流控制器，所述流控制器被构造成减少所述样本在所述捕获组分附近的整体移动。
14.根据权利要求13所述的分析盒，其中，所述流控制器被设置在所述捕获组分的远端。
15.根据权利要求14所述的分析盒，进一步包括被设置在所述流控制器的远端的多孔结构泵。
16.根据前述权利要求中任一项所述的分析盒，进一步包括物理屏障，所述物理屏障被构造成将所述流体通路分成多个平行的流通道。
17.根据前述权利要求中任一项所述的分析盒，其中，所述检测试剂和所述捕获组分包括抗体。
18.根据前述权利要求中任一项所述的分析盒，其中，所述检测试剂和所述捕获组分均包括单链的寡核苷酸或多核苷酸。
19.根据前述权利要求中任一项所述的分析盒，其中，所述样本收集单元是包含试剂的多孔结构。
20.根据权利要求19所述的分析盒，其中，所述多孔结构被预先制备成包括试剂，使得所述样本的处理能够被初始化。
21.根据权利要求19或权利要求20所述的分析盒，其中，所述多孔结构被构造成指示所述多孔结构是否基本被所述液体样本饱和。
22.根据前述权利要求中任一项所述的分析盒，进一步包括在所述捕获组分下游的通道，所述通道包含被构造成示出所述液体样本何时存在于所述通道中的确认元件。
23.根据前述权利要求中任一项所述的分析盒，进一步包括与所述捕获组分一起布置的检测试剂。
24.根据前述权利要求中任一项所述的分析盒，其中，所述检测试剂及所述检测试剂对应的捕获组分是家庭蛋白质。
25.根据前述权利要求中任一项所述的分析盒，进一步包括固定在所述流体通路内的一个或多个目标组分。
26.根据前述权利要求中任一项所述的分析盒，其中，设置有所述检测试剂的液滴包括可降解外壳。
27.一种用于对生物流体的样本中的目标组分的存在和/或量进行检测的设备，所述设备包括：根据权利要求中1至26中任一项所述的分析盒；以及检测器，所述检测器对发射光的存在和/或量进行检测，以提供所述样本内的所述目标组分的存在和/或量的指示。
28.根据权利要求27所述的设备，其中，所述设备进一步包括被构造成启用TIR照明的激发源。
29.根据权利要求27或28所述的设备，进一步包括用于声学混合的组件。
30.根据权利要求27至29中任一项所述的设备，进一步包括光学读取组件。
31.根据权利要求30所述的设备，进一步包括在结合的检测试剂和所述光学读取组件之间的光学路径中的光学掩模。
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