CN113950374B - 分析装置中试剂的布置 - Google Patents

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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，一个或多个检测试剂设置在捕获组分的扩散距离内。

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。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，该盒包括：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扩散距离内。
通过在扩散距离内设置检测试剂和捕获组分，避免了预混合的需要。液体样本被引入到盒中，并以相对较快的第一初始速度沿着流体通路流动。一旦液体样本到达捕获组分和检测试剂的附近，则液体样本的速度急剧下降，使得扩散占主导地位。捕获组分和检测试剂被设置在扩散距离内，因此捕获组分和检测试剂可以与样本结合而无需任何预混合。
此外，由于样本流体将几乎同时与捕获组分和检测试剂发生接触，则提供非常接近的捕获组分和检测试剂有助于确定分析的时间。
另外地，在扩散占主导地位的分析中的信号与装置的初始填充的速度和/或方向性无关，因为整体流动随后被减缓或完全停止。在整体流动占主导地位的方案下，流动的速度和流动的方向性对信号有直接影响。选择扩散占主导地位的方案可以避免这种情况。
此外，扩散占主导地位的分析比整体流动占主导地位的实施例具有更小的足迹。这意味着扩散占主导地位的构型在芯片上占用较小的空间。例如，整体流动占主导地位的实施例需要空间，以在检测试剂到达捕获组分之前，将检测试剂混合到液体样本中。此外，由于需要控制流率，波纹或蛇形通道在自由流动或整体流动的实施例中是有利的。
扩散占主导地位的方案将使得能够具有单个液体处理步骤的基于孔的实施例，即样本的填充。例如在ELISA分析中，当前基于孔的分析需要多个液体处理步骤。
根据本发明，可以提供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，其中该检测试剂或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。
在一些实施例中，可以使得液体样本能够吸收到设置在流体通路上的基质中，或者至少部分地由基质制成的流体通路中。提供检测试剂可以吸收到其中的吸收基质提供了优点，因为吸收基质可以使得在每单位长度的通路中能够储存相对大体积的试剂溶液。这对于检测试剂是合适的，因为检测试剂可以过量提供，这与以单层形式提供的捕获组分不同，其中捕获组分的数量是精确已知和控制的。
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，以提供大致恒定横截面的流体通路。在这些实施例中，捕获组分可以与检测试剂沿流体通路定位在相同的远端距离处，但定位在不同的壁上。捕获组分与检测试剂可以被供给在正交的相对的壁上，或者捕获组分与检测试剂可以被设置在相邻的壁上。
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。
检测试剂和捕获组分沿流体通路设置在相同的远端距离处的构型对于扩散占主导地位的流动方案更合适，因为液体样本将大约同时到达检测试剂和捕获组分的附近。一旦整体流动到达检测试剂和捕获组分，则整体流动可以被减缓到扩散占主导地位的点，或者整体流动可以完全停止。通过使捕获组分和检测试剂在环形方向上分隔，或者通过将捕获组分和检测试剂定位在相邻或相对的壁上，在不存在液体样本的情况下，捕获组分和检测试剂不能彼此发生接触。然而，一旦存在液体样本，捕获组分和检测试剂可以在液体样本内扩散移动，并与流体样本内的目标组分相互作用。
流体通路可以是孔。当用于将液体样本与检测试剂和捕获组分结合的过程是扩散占主导地位时，孔的构型是特别有利的。在这种实施例中，孔的壁可以停止或显著减缓液体样本的整体移动。这使得扩散移动能够占主导地位。液体样本将溶解存在于流体通路的壁上的检测试剂。被定位在相邻的壁上的捕获组分保持与表面结合，从而当目标组分通过孔内的扩散移动遇到捕获组分和检测试剂时，提供由检测试剂、目标组分和捕获组分的组合产生的夹心分析的定位。
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。
替代地，检测试剂可以与捕获组分大致等距。也就是说，捕获组分和检测试剂距样本被引入到装置中的点的距离是相同的。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。
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。
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。
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。替代地，可以使用吸附到液滴的表面上的可裂解交联聚合物。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：
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动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或用散射物体标记。
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。替代地，检测试剂和捕获组分可以不是单链的，例如，可以是g-四链体。
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。替代地或另外地，如果组合蛋白或标记蛋白的含量的加权和是稳定的，也就是说，如果组合蛋白或标记蛋白的含量通常彼此平衡，例如白蛋白和血红素结合蛋白，则组合蛋白或标记蛋白可以用作稳定的参考。
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。可降解外壳还可以防止液滴被液体样本的流动而拖动，或减少被流动而拖动的量或减小液滴被拖动的距离。可降解外壳还在液滴内部产生微气候，该微气候可以减少蒸发，并为检测试剂保持受控的化学环境。
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。替代地或附加地，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。附加地或替代地，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。替代地或附加地，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1至图4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5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6示出了流体通路的多道构型；
图7至图9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10至图13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14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15和图16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17示出了基于TIRF的CRP夹心免疫分析，其中检测试剂和捕获抗体被布置在相对的壁上，并且检测抗体的斑点是干燥的，直到引入样本；以及
图18示出了基于TIRF的PIGF夹心免疫分析，其中检测抗体和捕获抗体均被布置在TIRF照明的壁上，并且检测抗体的斑点是液体，直到引入样本。
具体实施方式
参照图1，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，每个捕获组分包含在液滴15内。检测试剂24与捕获组分22齐平，并因此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1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2中，入口位于中心，并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1和图2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。
在图2中，检测试剂24通过样本的整体移动而输送，直到检测试剂到达检测试剂和捕获组分的附近，在这点上，整体流动被充分减缓以使扩散占主导地位。在图1和图4中，检测试剂24主要通过扩散而输送。
如图1至图4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7，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1至图4，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1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1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2至图4，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2至图4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2至图4所示，其中检测试剂24被定位成更靠近入口18。
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2至图4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6示出了多个道，在这些道之间设置了物理屏障32。参照图6，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。如图6所示，提供了诸如一对壁的物理屏障32以分隔道。在没有壁32的情况下，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6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6，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与检测试剂24和捕获组分发生接触时，流动的整体运动被减缓，使得扩散占主导地位，并使得目标组分能够到达检测试剂和捕获组分，并与检测试剂和捕获组分反应。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，并促进流体通路的初始快速填充，然后将整体流动显著减缓到扩散可能占主导地位的这种点。
物理屏障32，即将孔28分隔成四个四分之一的壁在从样本收集单元12到孔基部的整个流体通路16上延伸。然而，特别是对于TIR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16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在不接触光学表面的情况下减少多个平行的流通道或流道30之间的串扰，从而不会有干扰TIR测量的风险。
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，在基于TIRF的检测系统中，通道的高度不是问题。对于将试剂布置在沿其产生TIRF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。
在一些实施例中，可以提供下游被动泵送结构，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。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。
除了毛细管驱动流动之外，也可以使用蒸发来实现低流率。在毛细管栓44之后包含气体缓冲器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。
在未示出的一些实施例中，可以在毛细管栓44之后设置通风口34。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)根据由扩散常数D来确定。
参照图5，提供对检测试剂已到达捕获组分的位置进行检查。图5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7至图9，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7至图9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10至图13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24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9至图13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13示出了特别适于检测试剂的液滴的流体通路16的构型。流体通路16设置有一系列凹口，这些凹口填充有液体形式的检测试剂。流体通路16中的凹口在初始的、快速的液体填充期间保护检测试剂的液滴，使得液滴在扩散阶段保持其位置。尽管在所示的实施例中，检测试剂中的每一个容纳在凹口中，但可以选择对流体通路16的几何形状的其它修改来保护液体检测试剂。例如，可以在检测试剂的上游侧处设置凸起或突起，并且这将为液体检测试剂提供类似的遮蔽效果。
图14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15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16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。
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)。
示例1
图17示出了基于TIRF的CRP夹心免疫分析，其中检测抗体和捕获抗体被布置在相对的壁上，并且检测抗体的斑点是干燥的，直到引入样本。所示的是用来自健康受试者的唾液样本填充通道后的四个培养时间。唾液是预过滤的(孔尺寸为5-μm)。将SSC缓冲液中的检测试剂(Alexa-647-标记的靶向人类CRP的单克隆IgG)接触印刷到横截面为10×0.09mm的通道的顶面上，其中两行间隔3mm，每行内的斑点的间距为0.6mm。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(通道的底面上的3排间距为1-mm)，但在芯片组装前用MilliQ水漂洗。在成像期间，用TIRF对底面进行照明。
示例2
图18示出了基于TIRF的人上皮生长因子夹心免疫分析，其中检测抗体和捕获抗体均被布置在TIRF照明的壁上，并且检测抗体的斑点是液体，直到引入样本。所示的是用PBSA(3×10^9PLGF/μL和磷酸盐缓冲液中的4％BSA)中的重组人上皮生长因子的溶液填充通道后的三个不同的培养时间。将打印缓冲液中的检测试剂(Alexa-647-标记的靶向人上皮生长因子的单克隆IgG)以2×2-mm的正方形的图案接触打印到直径为9mm、深度为0.6mm的孔的底面上。捕获组分(靶向人上皮生长因子的单克隆IgG)也以单个液滴的形式被沉积在打印缓冲液中，但在芯片组装前用MilliQ水漂洗。
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 (13)

1.种用于对液体样本中的目标组分进行检测的分析盒，所述分析盒包括：
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分析盒中；
流体通路，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；
光学元件，所述光学元件限定所述流体通路的所述壁的至少一部分；
其中，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分析盒，并且所述流体通路包括：
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光学元件上；
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扩散距离内；
其中，所述捕获组分与所述检测试剂沿所述流体通路定位在大致相同的远端距离处，但定位在不同的壁上；
其中，所述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液体样本在所述捕获组分附近的整体移动；以及
其中，所述流控制器被设置在所述捕获组分的远端。
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目标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液体样本被引入到所述分析盒中的位置处开始。
4.根据权利要求1所述的分析盒，其中，所述一个或多个检测试剂和/或所述一个或多个捕获组分包含在液滴内，所述液滴中的至少一个液滴包括使蒸发最小化的添加剂。
5.根据权利要求1所述的分析盒，其中，所述流体通路包括一个或多个凹口。
6.根据权利要求1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。
7.根据权利要求1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。
8.根据权利要求4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。
9.一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8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。
10.根据权利要求9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。
11.根据权利要求9或10所述的设备，进一步包括用于声学混合的组件。
12.根据权利要求9或10所述的设备，进一步包括光学读取组件。
13.根据权利要求12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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