CN114062468A - 用于使用毛细管电泳进行测序的设备、系统和方法 - Google Patents

Abstract

在一个方面中，揭示一种生物测序装置，其包括经配置以从仪器移除的料筒。在各种实施例中，所述料筒可包含适合于毛细管电泳的一个或多个毛细管、储集器和泵。在各种实施例中，所述储集器可含有分离基质。在各种实施例中，所述泵可用分离基质装载毛细管。在另一方面中，所述生物测序装置可包含一个或多个毛细管和集成式阀组合件。在各种实施例中，所述集成式阀组合件可将聚合物提供到所述一个或多个毛细管。

Description

用于使用毛细管电泳进行测序的设备、系统和方法

本申请是申请号为201580019797.2、申请日为2015年3月6日、发明名称为“用于使用毛细管电泳进行测序的设备、系统和方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明大体上涉及用于使用毛细管电泳简化生物样本测序期间的用户体验的设备、系统和方法。

背景技术

本发明涉及多功能毛细管电泳设备(multi-capillary electrophoresisapparatus)和其组件。本发明进一步涉及经设计以容纳多毛细管电泳设备的多个组件的结构和机构。

毛细管电泳装置通常提供某些主要组件，其包含例如毛细管阵列、用于将介质提供给毛细管的分离介质源、样本注射机构、光学检测器组件、电极和在毛细管的一端上的阳极缓冲剂源以及在毛细管的另一端上的阴极缓冲剂源。毛细管电泳装置通常还提供各种加热组件和区域以调节前述组件中的多个的温度。调节这些组件中的多个的温度可改善结果的质量。

为了在调节这些组件中的多个的温度时提供毛细管电泳装置的主要组件，当前毛细管电泳装置使用多个结构来容纳这些组件，且将这些结构连接或耦合在一起以提供起作用的毛细管电泳装置。使用多个结构具有缺点。举例来说，互连结构中的每一个可能需要其自身的温度调节机构，因此创建独立的温度控制区域。这些区域中的每一者由此将需要相关联的个别控制机构。此多结构设计会增加设备中组件的总数目，使温度控制方案变复杂，且增加由于所涉及组件的绝对数目而导致的组件故障的几率。图1展示说明多个温度控制区域TCM0到TCM5的一个此类设计。

使用多个互连结构也不是用户友好的。举例来说，将聚合物源附接到毛细管阵列可能复杂，且在每次拆离阵列且将其附接到聚合物源时可能存在引入气泡或其它人为产物的风险。此外，用户而不是制造商通常必须将缓冲剂源附接到阵列，且必须在毛细管阵列的寿命期间这样做很多次。

因此，需要提供一种毛细管电泳设备，其具有减少的数目个互连结构以减少必要的加热区域的数目、减少结构的用户处置、减小组件故障的可能性且减少气泡和其它人为产物到设备内的引入。

发明内容

揭示用于使用毛细管电泳简化生物样本测序期间的用户体验的设备和方法

图2提供常规毛细管电泳设备的一部分的基本示意性表示。具体来说，图2说明毛细管阵列、电极组件(阳极和阴极)、聚合物源、缓冲剂源，和聚合物引入机构(说明为注射泵)。如所说明，提供耦合件以将毛细管阵列组合件连接到聚合物/缓冲剂结构，所述聚合物/缓冲剂结构包含聚合物源、缓冲剂源、阳极和注射泵。如所提供，温度受控区域仅控制所围封的毛细管阵列组合件和阴极。由此，需要额外温度控制用于聚合物源和递送路径。此外，用户必须将毛细管阵列组合件耦合到聚合物/缓冲剂结构。

在一个方面中，生物测序装置可包括测序仪器以及经配置以从如图3中所示的仪器移除的料筒。所述料筒可包含适合于毛细管电泳的一个或多个毛细管、含有聚合物的储集器以及用于将所述聚合物引入到所述毛细管中的泵。此项技术中已知，测序仪器可包含含有聚合物的一个容器和含有缓冲剂的第二容器。含于所述料筒的所述储集器中的所述聚合物还可充当缓冲剂，由此减少所述仪器中的器皿的数目。将所述料筒配置为可移除式元件可进一步使得用户能够快速地替换所述毛细管和所述聚合物以加快另一测序分析的评估。

将所述毛细管阵列、阴极、聚合物/缓冲剂源和聚合物引入机构提供到单个料筒中具有许多优势。举例来说，此类单个料筒允许将缓冲剂与聚合物组合为阳极缓冲剂，且以小体积提供这一聚合物/缓冲剂封装以适配于料筒中且因此使其成为低使用项目。聚合物/缓冲剂储集器可有利地在料筒制造时附接到阵列，以使得客户仅需要将整个料筒安装到毛细管电泳设备中。或者，料筒可被设计成使得客户仅需要在关闭和安装料筒之前将聚合物/缓冲剂储集器附接到阵列，以使得为阵列和聚合物的寿命考虑，将聚合物/缓冲储液槽208和阵列202组合。

在另一方面中，可使用集成式阀组合件。集成式阀组合件可包含用以将集成式阀耦合到毛细管料筒的界面、机载歧管、用于聚合物的安全壳(containment)、印刷电极和两个线性致动器。在各种实施例中，集成式阀组合件可为可抛弃式的。在其它实施例中，集成式阀组合件可足以运行多个测序实验。

附图说明

为了更完整地理解本文所揭示的原理和其优点，现在参考下文结合附图进行的描述，其中：

图1为说明当前毛细管电泳装置的框图。

图2为说明另一毛细管电泳装置的框图。

图3为说明根据各种实施例的测序设备的框图。

图4A到4D为说明可抛弃式集成式阀组合件的框图。

图5为根据各种实施例的泡壳封装的表示。

图6为类似于图3中所描绘的元件的聚合物储集器的另一实施例。

图7为可用以加热毛细管中的聚合物的一个实施例的框图。

图8为说明用于加热毛细管的替代例的另一实施例。

具体实施方式

本说明书中描述用于提供核酸测序的简化工作流程的设备、系统和方法的实施例。本文中所用的章节标题仅用于组织目的并且不应理解为以任何方式限制所述主题。

将详细参考本发明的各种方面，其实例在附图中得以说明。在可能的情况下，将在整个图式中使用相同元件符号来指代相同或相似部分。

在各种实施例的此详细描述中，出于解释的目的，阐述许多特定细节以提供所揭示的实施例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将了解，可以在具有或不具有这些具体细节的情况下实践这些各种实施例。在其它情况下，结构和装置以框图形式展示。此外，所属领域的技术人员可容易地了解，呈现和进行方法的特定顺序为说明性的，且预期顺序可以改变且仍保持在本文所揭示的各种实施例的精神和范围内。

除非另外定义，否则本文中所用的所有技术和科学术语具有与本文所描述的各种实施例所属领域的一般技术人员通常所理解相同的含义。当并入的参考文献中的术语的定义呈现为与本发明教示中提供的定义不同时，应以本发明教示中提供的定义为准。

将了解，除非另外明确陈述，否则使用单数包含复数。此外，“包括(comprise/comprises/comprising)”、“含有(contain/contains/containing)”和“包含(include/includes/including)”的使用并不打算是限制性的。应理解，以上大体描述和以下详细描述均仅是示范性和说明性的且并不限制本发明教示。

虽然结合各种实施例来描述本教示内容，但并不打算将本教示内容限制于此类实施例。相反地，如本领域技术人员应了解，本教示内容涵盖各种替代方案、修改以及等效物。

此外，在描述各种实施例时，本说明书可以将方法和/或过程呈现为特定顺序的步骤。然而，在方法或过程不依赖于本文中阐述的步骤的特定次序的程度上，所述方法或过程不应限于所描述的步骤的特定顺序。如所属领域的技术人员将了解，步骤的其它顺序可以是可能的。因此，在说明书中阐述的步骤的特定次序不应解释为对权利要求书的限制。另外，针对方法和/或过程的权利要求书不应限于以书写的次序进行其步骤，且所属领域的技术人员可以易于了解的是顺序可以变化且仍保持在各种实施例的精神和范围内。

一般来说，在将仪器提供给生物实验室用于生物测序的情况下，不复杂的工作流程至少出于以下原因而可为有益的。首先，实验室常常会担心进行实验的经济性，其可包含由受训练较少的个人使用仪器。第二，用户与仪器交互所需的较少时间可增大一日中可运行的实验数目。

图2描绘此项技术中已知的常见测序仪的实施例。仪器200包含射流区段(fluidics section)210和毛细管区段220。这些区段经由耦合件205连接，且可独立于彼此进行热控制，如短划线轮廓201和202所指示。毛细管区段220可包含毛细管222、光学通道(optics access)224和阴极226。射流区段210可进一步包含缓冲剂容器212、聚合物容器214、泵216、阳极211和阀218。在各种实施例中，毛细管222可为毛细管阵列。尽管仪器200可存在优于图1中所描绘的仪器的改良，但射流区段210仍可表示复杂的射流设计，在毛细管阵列耦合到射流区段时尤其如此。

参考图2，阀218可用以连接毛细管或毛细管阵列的出口、聚合物泵216、缓冲剂容器214与聚合物容器212。本质上，阀218可经配置以用新制聚合物填充毛细管222，或使料筒为电泳做好准备。在各种实施例中，阀可为定制的精加工透光有机玻璃组件。在各种实施例中，经加工透光有机玻璃可称为“凝胶块”。此类凝胶块可见于例如购自加利福尼亚州南旧金山的生命技术公司(Life Technologies)的310型测序仪中。在各种实施例中，阀218可由两个片件建构而成。每一片件可为定制的精加工透光有机玻璃组件。此类两件式实施例可见于例如购自加利福尼亚州南旧金山的生命技术公司的3130型测序仪中。

在各种实施例中，可利用较低成本解决方案来提供刚刚描述的功能性。本发明人已发现，310型和3130型透光有机玻璃组件两者的射流功能性在很大程度上可由中等压力4向2位开关阀仿效。在各种实施例中，开关阀可类似于液相层析(且具体来说，例如，在生物HPLC)中使用的开关阀。此类4向2位开关阀可类似于由华盛顿州奥克港的Upchurch科学公司(Upchurch Scientific)制造且由IDEX健康科学公司(IDEX Health and Science)销售的阀。

除了提供较低成本解决方案之外，4向2位开关阀还可提供额外优势。优势可包含但不限于减小聚合物怠体积、改善来自具有现成组件的多种供应商的可用性。4向2位阀还可免除对于自定义制造的透光有机玻璃组件以及与透光有机玻璃组件相关联的非标准针阀和高压力套管的需要。

另外，还存在围绕阳极211和阴极226的复杂性。阳极211和阴极226可电连接到高电压源以提供跨越毛细管222的高电位。因为核酸携带电荷，所以此电位势必会使样本片段经由毛细管迁移以用于分离和检测。因为阴极处于毛细管区段220中且阳极处于射流区段210中，因此从仪器其余部分隔离高电压以防止用户的任何电击危险可能变得具挑战性。

图3中所示的实施例提供优于图2的仪器200的相异改良。料筒组合件300可将仪器200的许多元件组合为集成式单元。集成式单元可包含毛细管322、泵324、容器326a、光学通道328、阴极325和到阳极323的通道。在各种实施例中，容器326a可含有分离基质326b。在各种实施例中，泵324可为注射泵。在又一实施例中，泵324可涵盖电动力泵。

如所示，毛细管322、泵324、容器326a、光学通道328、阴极325和到阳极323的通道可全部围封在单个温度受控区域301中，从而进一步简化仪器的要求。在各种实施例中，分离基质326b可包含聚合物和缓冲剂，由此使得不必包含用于缓冲剂的单独容器且进一步简化所述系统。在各种实施例中，容器326a可提供足够的分离基质以进行多个测序轮次。在各种实施例中，容器326a可提供足够分离基质以进行100个测序轮次。

在各种实施例中，料筒300可为可容易移除的料筒，其可使得用户能够容易地作为单个单元替换毛细管322、容器326a和泵324。料筒300可进一步使得用户能够通过消除图2中呈现的阀、流体线路和多个容器而使测序工作流程简化。

参考图4A到4D，展示连接到毛细管460的集成式阀组合件400。集成式阀组合件400可包含歧管410、聚合物容器420、夹捏点430、捏阀440和施配器450。在各种实施例中，集成式阀组合件400可为可抛弃式的。

图4A描绘适合于执行毛细管电泳的捏阀440和施配器450的条件。对于这些条件，捏阀440不接触夹捏点430，且施配器450不与聚合物容器420接触。此项技术中已知，在对生物样本进行测序之前，需要毛细管预先装载上新制聚合物。

图4B和4C描绘使用集成式阀组合件400的装载过程。在图4B中，捏阀440与夹捏点430接触。使捏阀440与夹捏点430接触用以压缩夹捏点430且使歧管410与毛细管460隔离。图4C描绘与聚合物容器420接触以将聚合物从聚合物容器420推动到毛细管460中的施配器450。循环在图4D中完成，其中捏阀440和施配器450两者皆回缩以使集成式阀组合件处于用于进行电泳的合适条件。

在各种实施例中，歧管410可保持足够聚合物以执行多个测序轮次。在一些实施例中，歧管可足够运行高达四个毛细管阵列十次。

在各种实施例中，可手动地操作捏阀440和施配器450。可经由使用机械杆、手柄、按钮或此项技术中已知的任何其他合适的机构实现手动操作。

在各种实施例中，捏阀440和施配器450的操作可自动化。使捏阀440和施配器450的动作自动化可省去此项技术中已知的昂贵仪器阀。可经由使用螺线管、马达、线性致动器或此项技术中已知的任何其他合适的机构实现自动化。

图5是泡壳封装500的表示。泡壳封装500为图4中所描绘的集成式阀组合件的模型。在可能的情况下，使用相同参考数字指代相同或类似的部分。如图所示，泡壳封装500可为模制射流装置，其可将新制聚合物引导到毛细管以如上文所论述在测序之前再装填或预先装载毛细管460。在各种实施例中，毛细管460可为毛细管阵列。

如图所示，泡壳封装500可包含歧管410、夹捏点430和聚合物容器420。在各种实施例中，歧管410可含有1ml的聚合物。在各种实施例中，1ml的聚合物可足以运行多个测序实验。在各种实施例中，1ml的聚合物可支持高达四个毛细管阵列十个轮次。

此外，泡壳封装500可进一步包含印刷电极510。印刷电极510可用作如图3中所描绘的阳极323。阳极323可用作用以将高电压施加到毛细管以促进核酸片段经由毛细管迁移的一个电端子。

在各种实施例中，泡壳封装500可装上聚合物且运送给客户以准备好使用。在此类实施例中，用户可将泡壳封装500附接到毛细管460，且不需要手动地在系统中装载聚合物。在各种实施例中，泡壳封装500可为可抛弃式元件。

参考图3，泵324描绘为与326a分离的元件。图6为类似于图3中所描绘的元件的聚合物储集器的另一实施例。在各种实施例中，活塞致动器610可经定位以直接作用于聚合物储集器640上以将新制聚合物640提供到毛细管620。在各种实施例中，电极630可位于聚合物640中。在各种实施例中，电极630可连接到高电压源(未展示)。在各种实施例中，高电压源可在电极与聚合物之间的界面650处形成气体和离子。在各种实施例中，透气膜或通风口(未展示)可包含为聚合物储集器的部分以使任何所形成的气体或离子逸出。

在此项技术中众所周知，在毛细管中的聚合物加热到高于环境温度的温度时，可改善毛细管电泳期间的核酸片段的分离。在各种实施例中，聚合物的温度可在40℃与60℃之间。图7为可用以加热毛细管中的聚合物的一个实施例的框图。加热图700可包含温度控制区域710。温度控制区域710可围封毛细管740。在测序之前，毛细管740可再装填或预先装载从聚合物储集器750递送的新制聚合物，如先前论述。

温度控制区域710可在区域710的一个末端连接到出口管道760，且在相对末端连接到入口管道770。出口管道760可进一步连接到吹风机720的入口，而吹风机720的出口可连接到热源730的入口。热源730的出口可连接到入口管道770以与温度控制区域710形成完整的空气路径。在操作中，热源730可按需要控制在40℃与60℃之间的温度，且吹风机720可使热空气经由温度控制区域710分散。温度控制区域710可接着以热空气填充以将毛细管740的温度升高到最优温度。

在另一实施例中，可根据图8中所示的框图加热毛细管。加热图800可包含环绕毛细管840的温度控制区域810。在此实施例中，温度控制区域的一个末端可连接到出口管道860，且温度控制区域的相对末端可连接到入口管道870。出口管道860可进一步连接到吹风机820的入口，而吹风机820的出口可连接到气囊880的入口。气囊880的出口可连接到入口管道870以与温度控制区域810形成完整的空气路径。在此实施例中，热源830热耦合到温度控制区域810下侧。在操作中，热源830可按需要控制在40℃与60℃之间的温度，且吹风机820可使热空气经由温度控制区域810分散以为毛细管840中的聚合物提供均匀加热。

尽管出于清楚和理解的目的已在某些细节上描述前述实施例，但所属领域的技术人员将通过阅读本发明而清楚，在不脱离本文所公开的实施例的真实范围的情况下可以进行形式和细节上的各种改变。例如，可以通过各种组合方式使用上述全部技术、设备、系统和方法。

Claims (8)

1.一种生物测序系统，其包括：

一个或多个毛细管；

集成式阀组合件，其经配置以将聚合物施配到所述一个或多个毛细管；

光学检测系统；

一个或多个热囊室；以及

处理器，其能够执行机器可读代码以控制所述集成式阀组合件、所述光学检测系统和所述一个或多个热囊室。

2.根据权利要求1所述的生物测序系统，其中所述集成式阀组合件包括捏阀、施配器和歧管。

3.根据权利要求2所述的生物测序系统，其中所述捏阀和施配器自动地控制。

4.根据权利要求2所述的生物测序系统，其中所述歧管能够含有足够运行10次的聚合物量。

5.根据权利要求1所述的生物测序系统，其中所述集成式阀组合件形成泡壳封装，所述泡壳封装包含歧管、夹捏点和聚合物容器，并且其中所述泡壳封装预先装载聚合物。

6.根据权利要求5所述的生物测序系统，其中所述泡壳封装还包括印刷电极，所述印刷电极被配置为将预定电压施加到所述一个或多个毛细管。

7.根据权利要求1所述的生物测序系统，其中所述一个或多个热囊室被配置为与温度控制区域形成完整的空气路径，所述温度控制区域围封所述一个或多个毛细管。

8.根据权利要求7所述的生物测序系统，还包括热源和吹风机，所述热源被配置为被加热到预定温度，所述吹风机被配置为使热空气经由所述一个或多个热囊室到所述温度控制区域分散，从而加热所述一个或多个毛细管中的聚合物。

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