CN116096855A - 利用磁性元件和旋转相对移动裂解样本 - Google Patents

Abstract

一种裂解设备包括：用于容纳样本的腔室和位于腔室内的至少一个磁致动器以及布置在腔室外的至少两个磁性元件。除此之外，这种裂解设备包括驱动装置，该驱动装置用于在腔室和布置在腔室外的至少两个磁性元件之间实现旋转相对移动，其中磁性元件的极性相对于旋转相对移动的轨道相反并因此例如相对于腔室的轨道相反，使得布置在腔室内的磁致动器平移地且旋转地移动以实现样本的裂解。在此，腔室例如通过其尺寸设计或柔性外壳被配置为使得位于腔室内的至少一个磁致动器能够平移地且旋转地移动。

Description

利用磁性元件和旋转相对移动裂解样本

技术领域

本公开涉及利用磁性元件和旋转相对移动裂解样本的设备和方法，特别是涉及离心微流体领域中的相应设备和方法。

在生物学和医学中，出于研究目的，微生物通过机械摩擦力、冲击力和剪切力被打开，以便到达微生物的内部。例如，细胞能够被主动分解以到达细胞内的蛋白质和/或DNA。微生物的这种打开也称为裂解。因此，用于实现微生物的这种打开的设备和方法能够称为裂解设备和裂解方法。

背景技术

已知通过机械摩擦力、冲击力和剪切力打开微生物的不同方法。

在Kido等人[1]和CA2827614C中能够发现关于在离心微流体系统中磁致动器的平移、径向移动的方法，并且Kido等人[1]描述了一种用于细胞裂解的离心微流体方法，其中剪切力和摩擦力是通过磁致动器的平移、径向移动实现的。在CA2827614C中，圆片形致动器也通过外部磁力在腔室内进行平移、径向移动。两种方法的功能相似。

Siegrist等人[2]描述了一种关于在离心微流体系统中磁致动器的平移方位角移动的方法。与迄今为止描述的系统相反，Siegrist等人[2]公开了一种离心微流体方法，其中玻璃颗粒的摩擦是通过平移方位角移动实现的。

专利US 8356763 B2中公开了一种关于在非离心微流体系统中磁致动器的平移移动的方法。US 8356763 B2描述了一种作为非离心微流体裂解系统的系统，该系统通过打开、关闭和切换电磁体产生磁致动。在此，磁致动器进行平移移动，旋转移动被腔室阻止。

US 10138458 B2中公开了一种关于在非离心微流体系统中磁致动器的平移和旋转移动的方法，其中描述了一种用于裂解细胞的方法。旋转的外部磁体产生变化的磁场，该磁场将旋转移动、平移移动或这些移动的组合施加到磁致动器。

发明内容

发明人已经发现现有技术中已知的用于机械裂解微生物的方法有几个缺点。例如，没有一种离心微流体方法使用所有可能的自由度来移动磁致动器。因此，磁致动器、颗粒和微生物之间可能发生碰撞的可能性没有得到充分利用。在US 10138458 B2中描述的非离心系统中，部分利用了自由度。然而，这需要能够专门用于微生物裂解步骤的复杂结构。所有另外的步骤的处理都必须手动进行。

本公开的根本目的是获得裂解效率和处理工作量之间的改进的折衷。

该目的通过根据权利要求1所述的设备和根据权利要求19所述的方法来解决。

本公开的示例提供了一种裂解设备，其包括用于容纳样本的腔室和位于腔室内的至少一个磁致动器，以及位于腔室外的至少两个磁性元件，至少两个磁性元件能够被配置为例如永磁体或电磁体。在此，例如，腔室能够是裂解室和/或流体模块或盒子(cartridge)的一部分。腔室内的磁致动器例如能够是裂解腔和/或流体模块或盒子的一部分。腔室内的磁致动器能够被配置为例如永磁体。除此之外，这种裂解设备包括驱动装置，用于在腔室和布置在腔室外的至少两个磁性元件之间实现旋转相对移动，其中磁性元件的极性相对于旋转相对移动的环形路径是相反的并因此相对于腔室是相反的，使得布置在腔室内的磁致动器平移地且旋转地移动以实现样本的裂解。在此，腔室例如通过其尺寸设计或柔性外壳被配置为使得位于腔室内的至少一个磁致动器能够平移地且旋转地移动。

本公开的示例提供了一种裂解方法，其中样本被引入腔室或裂解室中，其中至少一个磁致动器位于腔室内，该磁致动器被配置为例如永磁体，并且其中腔室例如通过其尺寸设计或柔性外壳被配置为使位于腔室内的至少一个磁致动器能够平移地且旋转地移动。在此，腔室例如能够是流体模块或盒子的一部分。在该方法中，驱动装置在样本和至少一个磁致动器所在的腔室与布置在腔室外的至少两个磁性元件之间实现旋转相对移动，其中在腔室外的至少两个磁性元件的极性相对于旋转相对移动的环形路径是相反的并因此相对于腔室是相反的，使得布置在腔室中的磁致动器平移地且旋转地移动以实现样本的裂解。布置在腔室外的至少两个磁性元件能够被配置为永磁体或电磁体。

本公开的示例基于以下核心构思：在离心机械裂解设备中，借助腔室外的至少两个磁性元件和腔室之间的旋转相对移动，平移地且旋转地移动腔室内的磁致动器，该腔室包括待裂解的样本和至少一个磁致动器。已经发现的是，腔室内的磁致动器的平移和旋转是由腔室外的至少两个磁性元件的极性实现的，因为腔室外的至少两个磁性元件相对于旋转相对移动的环形路径被相反地极化并且因此相对于腔室被相反地极化。这能够产生腔室内的磁致动器不仅进行平移而且进行旋转的效果。在示例中，旋转相对移动是由于腔室围绕旋转轴线旋转而实现的。在示例中，旋转相对移动的实现是因为腔室外的两个磁体围绕相同的旋转轴线旋转。

在示例中，通过使用腔室内的磁致动器的所有移动自由度，例如难以裂解的样本能够用很少的时间量来裂解。通过更有效的裂解，例如，能够实现减少这种裂解设备的安装空间。通过在离心机械设备中使用所有自由度，裂解的有效形式能够例如以简单的方式集成到被配置为执行另外的样本制备步骤和/或样本分析步骤的设备中。

在示例中，磁性元件被配置为磁极。在示例中，磁性元件是单独的磁极，因为裂解设备包括腔室外的磁体，其中仅一个磁极就能对旋转腔室内的磁致动器具有显著影响，使得腔室外磁体的其他磁极对腔室内的磁致动器的影响(通常是腔室外每个磁体的第二磁极对腔室内的磁致动器的影响)可以忽略不计。通过这种布置，能够允许有利于特定裂解应用的特定磁场分布的结构。在示例中，能够获得相对于腔室的旋转平面在径向方向上的安装空间需求的减少，例如当棒状磁体垂直于旋转平面布置时，使得该棒状磁体的相应的第二磁极足够远离旋转室，从而使得能够忽略其相应的影响。在示例中，磁性元件能够是弯曲磁体的磁极，其中弯曲磁体的每个磁极各自形成一个磁性元件。弯曲磁体例如马蹄形磁体的其余部分能够位于例如腔室的旋转平面之上或之下。

在示例中，磁性元件被配置为磁体。在这种示例中，特别简单的结构是可能的，因为例如对于第二磁极的影响没有限制，或者例如，在磁性元件作为磁极的配置中，由于弯曲磁体而不需要附加的安装空间。除此之外，每个磁性元件都是磁体的示例允许特定磁场分布的结构，这可能有利于特定的裂解应用。

在示例中，裂解设备被配置成独立于旋转相对移动而至少减少由布置在腔室外的至少两个磁性元件作用在布置在腔室内的磁致动器上的磁场。由此，例如可以在不停止旋转相对移动的情况下停止裂解。例如，当另外的过程步骤需要旋转相对移动时，这种类型的关闭能够是有利的。

在示例中，裂解设备包括致动装置以独立于旋转相对移动来改变腔室与布置在腔室外的至少两个磁性元件之间的距离。这例如能够通过腔室和布置在腔室外的磁体之间的平移相对移动来进行。由此，例如可以在不停止旋转相对移动的情况下，通过布置在腔室外的至少两个磁性元件的简单平移来停止裂解。例如，当旋转相对移动对于另外的处理步骤是必需的并且因此不应被停止时，这种类型的关闭例如易于实施并且能够是有利的。

在示例中，裂解设备包括致动装置，该致动装置被配置为垂直于旋转平面移动布置在腔室外的至少两个磁性元件，使得例如它们对裂解的影响能够减少或增加，使得例如裂解能够停止或开始。因此，例如，在径向方向上仅需要较小的安装空间来实现用于移动至少两个磁性元件的致动器系统。因此，例如，能够简化与被配置为执行另外的样本制备和分析步骤的设备的整体集成。

在示例中，裂解设备包括致动装置，该致动装置被配置为独立于旋转相对移动来平行于旋转平面移动布置在腔室外的至少两个磁性元件，使得例如能够在不停止旋转相对移动的情况下停止裂解。在这种示例中，为了使至少两个磁性元件远离旋转轴线，例如当布置在腔室外的磁性元件被弹簧安装并且围绕同一旋转轴线旋转时，能够使用离心力。例如，通过弹簧安装，能够在两个磁性元件上都施加朝向旋转轴线作用的力，使得通过增加旋转速度，磁性元件能够克服弹簧力从旋转轴线移开。这种远离旋转轴线和朝向旋转轴线的移动也是独立于旋转相对移动的平移移动。

在示例中，布置在腔室外的至少两个磁性元件能够是可控和/或可变电磁体，使得例如它们对裂解的影响能够减少或增加。例如，裂解的开始或停止能够由独立于旋转相对移动的电磁体引起，使得能够在不需要用于移动腔室外的至少两个磁体的另一致动器系统的情况下在此之前或之后执行另外的处理步骤。此外，裂解设备能够被配置有较低的安装空间要求。

在示例中，裂解设备包括位于腔室内的至少一个并且通常是几个裂解颗粒，例如微粒、球形微粒或珠子。至少一个裂解颗粒能够由例如玻璃、二氧化硅氧化锆、氧化锆、金属或其他陶瓷和玻璃材料组成。在示例中，至少一个裂解颗粒能够具有例如小于0.5mm的最大尺寸。在此，至少一个裂解颗粒使样本裂解变得容易，因为附加颗粒增加了对腔室中样本的机械效应。

在示例中，布置在腔室外的至少两个磁性元件在裂解时是固定的，并且驱动装置被配置为相对于布置在腔室外的磁性元件、相对于旋转轴线旋转腔室。因此，由于只有腔室旋转并且不需要用于腔室外的至少两个磁性元件的旋转致动器系统，因此例如，能够获得非常简单的裂解设备结构和与被配置为执行另外的样本制备和分析步骤的设备的简单集成。

在示例中，隔膜，例如过滤隔膜或无菌过滤器，位于腔室内，这允许从更大的体积中富集微生物并随后在隔膜上裂解。

在示例中，裂解设备包括调温装置(tempering means)，该调温装置被配置为改变腔室的温度，例如将腔室加热至例如120℃的温度。

此处，调温装置能够被配置为接触加热件。因此，能够通过热输入来支持机械裂解。

在示例中，腔室外的至少两个磁性元件在旋转平面中以彼此成20°至180°的角度布置。该角度在将磁性元件的相应中心连接到旋转轴线的线之间形成。由此，能够产生合适的磁场分布，由此磁致动器能够在腔室内旋转且平移地移动。

在示例中，旋转相对移动在0.5Hz至40Hz、优选地在2Hz至30Hz的旋转频率范围内进行。例如，通过选择频率范围，能够执行具有足够好且同时快速的结果的有效裂解。

在示例中，腔室在彼此垂直的三个空间方向中的两个方向上至少包括位于腔室内的磁致动器的最长对角线的长度，并且在彼此垂直的三个空间方向中的第三方向上至少包括位于腔室内的磁致动器的最长对角线的长度减去20％。在示例中，腔室在彼此垂直的三个空间方向中的三个方向上至少包括位于腔室内的磁致动器的最长对角线的长度。通过腔室的这种尺寸设计，例如能够实现磁致动器在腔室内的自由移动，或者例如磁致动器的限定的有限移动，这对于裂解能够特别有利。

在示例中，腔室在由旋转轴线的方向、相对于旋转的径向方向和相对于旋转的方位角方向形成的三个方向中的至少两个方向上至少包括位于腔室内的磁致动器的长度的尺寸。通过腔室的这种尺寸设计，例如，能够实现特定类型的旋转，例如以实现有效裂解。该尺寸还能够允许例如设备的有利设计。

在示例中，腔室外的至少两个磁性元件在裂解时相对于旋转相对移动的平面与腔室的最大垂直距离为5cm。在示例中，腔室外的至少两个磁性元件在裂解时与位于腔室内的致动器相距5cm的最大径向距离。通过磁性元件和磁致动器或磁性元件和腔室的这种距离，例如，能够实现有效的裂解，并且同时，例如，对于这种设备仅需要较小的隔绝空间。

在示例中，裂解设备包括调温装置，该调温装置被配置为将位于腔室内的至少一个磁致动器加热至其居里温度以上以使磁体失活。因此，例如，独立于旋转相对移动或用于位于腔室外的至少两个磁体或它们作为电磁体的可能配置的致动器系统，能够提供停止裂解的选项。通过这种选项，例如能够获得特别小的裂解设备设计。此外，例如，腔室内的磁致动器的失活能够有利于另外的过程步骤。

在示例中，布置在腔室外的至少两个磁性元件独立于旋转相对移动而移动，以至少减少作用在布置在腔室内的磁致动器上的磁场。因此，例如，可以在不中断旋转相对移动(这例如对于另外的处理步骤是需要的)的情况下停止裂解，使得可以例如更简单地集成到样本制备和分析的处理链中。

在示例中，布置在腔室外的至少两个可控和/或可变电磁体被控制或调节，使得独立于旋转相对移动，至少减少作用在布置在腔室内的磁致动器上的磁场。因此，例如，可以在不中断旋转相对移动(这例如对于另外的处理步骤是需要的)的情况下停止裂解，使得例如可以更简单地集成到样本制备和分析的处理链中。此外，例如，不需要另外的致动器系统来移动腔室外的至少两个磁性元件。由此，例如，与借助永磁体的实施方式相比，裂解设备能够以更少的安装空间需求配置并且具有相同的功能。

本公开的示例涉及一种用于有效裂解复杂样本的微生物的方法。

在示例中，球形微粒、磁致动器和样本位于离心微流体盒的裂解室内。至少两个永磁体或电磁体静态地布置在例如盒子的上方或下方。通过旋转盒子，能够在裂解室中产生不断变化的磁场。因此，致动器能够强烈地移动，并且致动器能够平移移动到最近的磁体并且能够围绕它自己的轴线中的至少一个旋转。结合微粒，能够在裂解室中产生强烈的摩擦、冲击和剪切移动。

为了同时获得磁致动器的平移和旋转，裂解室能够被配置为在两个空间方向上至少包括磁致动器的长度尺寸。此外，至少两个外部磁性元件，即位于裂解室外的至少两个外部磁性元件，相对于彼此具有角度并且相对于裂解室以相反的极性布置。

因此，本公开的示例被配置为在尽可能短的时间内有效地打开，即裂解样本中的细菌、酵母、病毒、真菌、孢子或其他微生物。

本公开的示例涉及一种用于对离心微流体结构进行机械裂解的方法。示例允许以最小的处理量提供有效的裂解，其中甚至能够处理难以裂解的微生物。作为样本制备的核心步骤之一，有效的裂解实现高度灵敏的分子诊断鉴定(例如通过qPCR(定量聚合酶链反应))。

在示例中，磁致动器的旋转和平移移动是由于流体模块或盒子通过外部静磁场进行旋转而实现的。

另外的示例包括裂解设备，其中腔室外的磁性元件例如外部磁体的极性相对于裂解腔室彼此相反以启动磁致动器的旋转移动。

附图说明

下面将参照附图更详细地讨论本公开的示例。附图示出：

图1a是裂解设备示例的示意性俯视图；

图1b是图1a的裂解设备的示意性侧视图；

图2是裂解设备的另一示例的示意性俯视图，其中磁体以不同的角度布置；

图3是具有不同磁体布置的裂解设备的另一示例的示意性俯视图；

图4是具有磁性元件的另一不同布置的裂解设备的示例的示意性俯视图；

图5是裂解设备的两个示例的示意性侧视图，裂解设备具有用于独立于旋转相对移动影响磁致动器上的磁场的致动装置；

图6是根据本公开的裂解物与热参考裂解物的qPCR分析的比较图；

图7是具有隔膜的裂解设备的腔室的示例的示意性侧视图；

图8是具有调温装置的裂解设备的示例的示意性侧视图。

具体实施方式

在下文中，使用附图详细描述本公开的示例。应当注意，相同的元件或具有相同功能的元件被提供有相同或相似的附图标记，其中通常省略对提供有相同或相似的附图标记的元件的重复描述。特别地，相同或相似的元件均能够配备有具有相同数字但具有不同小写字母或没有小写字母的附图标记。具有相同或相似附图标记的元件的描述是可互换的。在下文的描述中，描述了许多细节以提供对本公开的示例的实质性解释。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，能够在没有这些具体细节的情况下实现其他示例。除非当相应组合的特征相互排斥或这种组合被明确排除，否则能够组合不同描述示例的特征。

在更详细地解释本公开的示例之前，指出了本文中使用的一些术语的定义。

盒子(cartridge)：盒子是聚合物的一次性零件，包括用于引导、处理和分析样本的通道、腔室。此外，盒子能够包括用于引入样本并且可能提取液体的接口。

样本：引入包括微生物的物质(通常是液体)。

裂解：通过破坏外细胞膜来破坏细胞。

作为裂解颗粒的示例的微粒/珠子：典型直径为0.1mm至3mm的球形元件，例如玻璃、二氧化硅氧化锆、氧化锆、金属或其他陶瓷和玻璃材料。

磁致动器：小型共旋磁体，例如通过外部磁场来运动的棒状磁体。

裂解室：例如在执行裂解过程的盒子上的腔室，该腔室包括例如颗粒和至少一个磁致动器。

外部磁体：永磁体或电磁体，其能够例如静态地布置在例如腔室外，例如在盒子上方或下方。

两个磁体的极性：相对于裂解室的扩展(Δr、

例如相对于旋转中心的径向方向和方位角方向)的北极和南极的定向(例如相对于腔室和腔室外磁性元件之间的旋转相对移动的环形路径)。

旋转移动：描述了例如磁致动器围绕其自身轴线的至少一个(例如，自身轴线)的移动。

平移移动：描述了刚性体(例如磁致动器)在给定时间的所有点的相同位移。所有点的速度和加速度都相同，并且它们在平行轨迹上移动。

图1a示出了裂解设备的示例的示意性俯视图，图1b示出了裂解设备的示例的示意性侧视图。图示的裂解设备100由腔室101组成，腔室101包括磁致动器102和裂解颗粒103。在所示示例中，磁致动器102是棒状磁体。腔室安装在载体104上。因此载体104和腔室101被配置为围绕旋转轴线105旋转。载体的旋转移动由箭头106指示。由此产生的腔室在环形路径上的旋转移动由另一箭头107指示。在该示例中，配置为磁体的两个静态磁性元件108、109位于腔室上方，即垂直于旋转平面。磁性元件101的磁场由磁力线轮廓110表示，磁性元件109的磁场由磁力线轮廓111表示。磁性元件108、109定向为相对于其各自的北极和南极的连线(磁轴)与腔室的旋转环形路径正交。除此之外，两个磁性元件108、109相对于腔室的旋转环形路径具有相反的极性。将结合以下功能描述更详细地讨论相反的极性。磁性元件相对于环形路径彼此成180°角布置。腔室在第二次以虚线表示。这示出了腔室101绕旋转轴线105在旋转环形路径上的移动。在移动后的腔室101内，与移动之前的磁致动器相比，移动的磁致动器102也在第二次被表示为处于修改后的位置和定向。在第二次，移动后的裂解颗粒103也被示为在移动后的腔室101中。由于腔室101的旋转并且由于磁致动器102的移动而导致的裂解颗粒自身的移动由箭头112表示。此外，磁致动器在腔室旋转期间的旋转移动由图1b中的箭头113指示。为了实现载体104的旋转移动，在旋转轴线105处示出了驱动装置114。

在示例中，在运行期间，腔室101相对于旋转轴线105在旋转环形路径上旋转。在旋转期间，移动后的腔室101接近磁性元件101。磁性元件的磁场110导致与腔室内的磁致动器相互作用。磁致动器102由于磁性吸引而经历平移移动，并且根据磁性元件108的场110通过旋转移动来定向。然而，通过腔室101相对于旋转轴线105的旋转，腔室内的磁致动器102在第一磁性元件108的紧邻区域仅具有非常短的停留时间。通过旋转，腔室将接近下一个磁性元件109。在此，相对于腔室的旋转环形路径，磁性元件109的极性与之前经过腔室101的磁性元件108相反。

简单地说：如果在心理上与腔室101在环形路径上共旋，则恰好在相对于腔室沿旋转方向经过第一磁性元件108之前，北极在磁性元件101的右侧，并且南极在右侧磁性元件101的左侧。当另外旋转时，腔室101撞击第二磁性元件109。沿其旋转方向，从腔室看，磁性元件109的南极在右侧，并且北极在左侧。

因此，在腔室相对于腔室的环形路径旋转期间，位于腔室101内的磁致动器102经历相应连续的相反极化的磁性元件108、109的相反定向的磁场101、111。由于相对于腔室的旋转环形路径连续的相反极化的磁性元件108、109，磁致动器102的上述旋转移动导致在腔室内的致动器102的旋转113。在此，旋转还受到磁致动器的平移移动和惯性的影响。换言之：磁致动器102由于对磁性元件108、109的磁吸引力而在腔室内进行平移移动，并且另外，磁致动器102由于腔室101和磁性元件108、109之间的旋转相对移动而在腔室内旋转113，磁性元件108、109相对于腔室的旋转环形路径被相反地极化。

通过磁致动器102的旋转113和平移，样本被裂解，特别是在被磁致动器设置成运动112的裂解颗粒103的帮助下。

载体104能够是已知的离心微流体测试载体，例如根据术语LabDisk或LabDisk结构，或者载体104能够是盒子或流体模块。这种载体包括例如裂解室，磁致动器、颗粒以及样本位于该裂解室中。例如，相对于裂解室相反极化的两个固定磁体可以位于载体上方。通过载体(例如盒子)的旋转，磁致动器能够设置为处于旋转和平移，从而能够强烈地混合颗粒，并且例如能够裂解样本中的细菌。

例如，在示例中，腔室101也能够是载体104的一部分或者能够集成在载体中。磁致动器102能够被配置为例如棒状磁体。磁性元件108、109能够被配置为静态磁性元件，使得只有腔室101相对于旋转轴线105在环形路径上旋转。然而，腔室101和磁性元件108、109两者可能都相对于相同的旋转轴线105旋转，或者腔室是静态的并且只有磁性元件108、109相对于旋转轴线105旋转。因此，驱动装置114也不应被认为是仅专门驱动腔室101旋转。附加地或唯一地，可以分别使用驱动装置以引入腔室外的至少两个磁性元件108、109围绕相同的旋转轴线105的旋转。

替代地，磁性元件108、109因此也能够位于腔室101下方或载体104旁边并且因此位于腔室101旁边或腔室101的旋转移动的圆圈之外。腔室外的磁性元件能够被配置为例如永磁体或电磁体或磁体的单极。除此之外，腔室外还能够布置多于两个磁性元件。然后针对沿腔室的移动方向相对于腔室的旋转相对移动的两个连续的磁性元件，考虑磁性元件的相反极性。

除此之外，在示例中，多于一个磁致动器能够位于腔室中。

图2示出裂解设备的示例的示意性俯视图，其中磁性元件以不同的角度布置。

除了腔室外的棒状磁体形式的磁性元件以相对于其彼此之间的角度布置之外，该图示对应于图1a。因此，相同的元件被提供有相同的附图标记。该示例包括两个磁性元件201、202，其磁场由磁性元件201的磁场线203和磁性元件202的磁场线204指示。与图1a相比，两个磁性元件201、202被示为以相对于彼此不同的角度布置。在此，角度在连接磁性元件的相应中心的线与旋转轴线之间形成。在所示示例中，角度约为55°。已经示出，当角度在20°至180°的角度范围内时，能够获得有效裂解。

在此，运行模式类似于图1a。由于载体104的旋转，安装在载体104上的腔室101经过所述两个磁性元件中的第一磁性元件201，使得沿着腔室移动的方向相对于腔室旋转的环形路径，从腔室101看第一磁性元件的北极在右侧，并且南极在左侧，以及当经过第二磁性元件时，其极性与第一磁性元件相反，即沿着腔室移动的方向相对于腔室旋转的环形路径，从腔室101看第二磁性元件202的北极相应地在左侧，并且南极在右侧。因此，磁致动器经历旋转和平移，使得可以进行样本的有效裂解。

图3示出了裂解设备的示例的示意性俯视图，其中棒状磁体形式的磁性元件相对于环形路径具有不同的定向。除了在腔室外的磁性元件的布置之外，该图示对应于图1a。因此，相同的元件被提供有相同的附图标记。该示例包括两个磁性元件301、302，其磁场由磁性元件301的磁场线303和磁性元件302的磁场线304指示。与图1a相比，磁性元件301、302都相对于环形路径具有不同的角度布置和不同位置。与图1a相比，除了修改的角度布置之外，磁性元件301、302被表示为旋转90°，使得磁性元件的北极和南极之间的连线(磁轴)与腔室的旋转环形路径相切。

因此，图3是为了说明相反极化的磁性元件的另一可能的实施例。通过载体104的旋转，安装在载体上的腔室101经过第一磁性元件301。相对于腔室101的环形路径，由于相对于第一磁性元件301的旋转，腔室101首先遇到第一磁性元件301的南极，随后遇到第一磁性元件301的北极。当通过位于腔室外的第二磁性元件302时，其极性与第一磁性元件301的极性相反。关于腔室101环形路径，腔室101由于相对于第二磁性元件302的旋转首先遇到第二磁性元件302的北极，随后遇到第二磁性元件302的南极，即与第一磁性元件301正好相反。腔室内的磁致动器102由于对磁性元件301、302的磁吸引力而经历平移移动。当经过第一磁性元件时，通过腔室的旋转，致动器102将根据第一磁性元件303的磁场通过旋转来定向自身。通过腔室的旋转，磁致动器随后到达第二磁性元件302的直接有效区域，第二磁性元件302的磁场304将再次迫使磁致动器102通过旋转根据第二磁性元件302的磁场304来定向第二磁性元件302自身，第二磁性元件302的磁场304相对于腔室的环形路径、与第一磁性元件的磁场303相反地定向。因此，磁致动器102通过腔室101的旋转和腔室外的磁性元件301、302的相反极性，除了基于对磁性元件301、302的磁吸引力的平移移动之外还经历旋转。

图4示出裂解设备的磁性元件的实施例的示例的示意性俯视图。除了腔室外的磁性元件的布置和类型外，该图示与图1a相对应。因此，相同的元件被提供有相同的附图标记。该示例包括两个磁性元件401、402，它们与图1a相比具有不同的角度布置并且附加地仅代表各个磁极。磁性元件401代表北极，磁性元件402代表南极。

因此，图4是用于说明相反极化的磁性元件的另一实施例。通过载体104的旋转，安装在载体上的腔室101遇到代表北极的第一磁性元件401。磁致动器102由于磁吸引力和旋转移动而经历平移，使得致动器的南极朝向磁性元件的方向定向自身。在经过磁性元件401之后，相对于腔室的移动方向，磁性元件401(致动器的南极本身已经定向至磁性元件401)位于腔室的后面并且不再位于腔室的前面。因此，磁致动器102将旋转，使得磁致动器的南极再次定向到磁性元件401。在腔室的另一旋转期间，腔室遇到代表与磁致动器401的极性相反的南极的第二磁性元件402。通过旋转经过第二磁性元件402，在这种情况下，磁致动器的北极将自身定向到第二磁性元件，由此磁致动器102再次经历旋转移动。通过腔室101的旋转，磁致动器102除了通过磁吸引力进行平移之外还经历一系列旋转移动，使得其旋转并因此支持样本的裂解。

磁性元件401、402的这种布置例如能够由磁体组成，磁体的相应的第二磁极与腔室相距较远使得该相应的第二磁极在其对磁致动器的影响方面能够忽略不计。另一种选择是使用弯曲的磁体例如马蹄形磁体形式的磁体，使得腔室外的每个磁体的两个磁极相对于其对腔室的影响能够大约近似为旋转平面中的单磁极。在该实施方式中，弯曲磁体的其余部分能够位于例如该布置上方或下方。这种结构的另一种选择是将磁性元件401、402配置为棒状磁体，其中北极和南极之间的连线垂直于旋转平面，使得图4中各自只示出一个磁极。

例如相对于腔室或裂解室具有不同极性的外部磁性元件或磁体的这些可能的布置仅被认为是用于说明本公开的某些方面的示例，并且这绝不是限制性列表。特别地，具有多于两个磁性元件的布置以及至少两个磁性元件的不同角度装置以及磁性元件相对于旋转环形路径的其他位置定向在对本领域技术人员而言明显的变型的意义上也是本申请的一部分。特别地，图示不应代表关于磁性元件的形状的任何限制。磁性元件例如能够具有圆形、方形或矩形横截面。这也适用于磁致动器的设计。

图5示出了裂解设备的两个示例的示意性侧视图，该裂解设备具有用于独立于旋转相对移动影响磁致动器上的磁场的致动装置。

除了致动装置和在腔室外的磁性元件的位置之外，该腔室具有独立于腔室和磁性元件之间的旋转相对移动的附加平移移动，图示对应于图1b。因此，相同的元件被提供有相同的附图标记。

图5包括连接到磁性元件108、109的致动装置501。初始布置在图5的顶部示出。图5左下方示出了磁性元件平行于旋转平面的平移移动502的选项。图5右下方示出磁性元件的垂直于旋转平面的平移移动503的选项。

通过致动装置501，磁性元件108、109能够独立于腔室101和磁性元件108、109之间的旋转相对移动而平移移动。图5左下方示出了磁性元件108、109平行于旋转平面的移动502。图5右下方示出了磁性元件108、109与旋转平面正交的移动503。通过这两种变型，磁性元件能够移动远离旋转室使得磁性元件108、109和磁致动器之间的磁性相互作用减弱到裂解停止的程度。

通过独立于腔室的旋转移动的磁性元件的平移移动，能够停止或者也可以例如开始、增加或减弱裂解。通过致动装置501，可以影响裂解，使得利用这种布置，例如还能够执行样本制备或样本分析的另外的步骤，对于这些另外的步骤，例如，需要腔室的旋转但不会发生裂解。除此之外，磁性元件的另一平移移动方向是可能的，例如，在特定角度范围内移动磁性元件，例如，以位于所示移动方向之间的角度移动磁性元件，即，在正交于旋转平面和平行于旋转平面之间移动磁性元件。

换言之，本公开的示例基于以下构思：通过旋转载体，例如盘，磁致动器一旦经过外部磁性元件之一的下方(例如静态磁体下方)，就会经历交变磁场。通过外部磁性元件的不同极性，磁致动器经历平移和旋转移动。因此，裂解颗粒能够碰撞并因此通过摩擦力、冲击力和剪切力裂解微生物(例如病毒、细菌、真菌、寄生虫)。

在示例中，在微生物已经裂解之后，能够通过从腔室(例如裂解腔室)和磁致动器(例如棒状磁体)移开保持器(例如根据图5)来移除外部磁体(例如静态磁体)。因此，磁致动器上的离心力和重力占主导地位，这会阻止强烈的平移和旋转，从而阻止裂解。

在此，本公开特别包括外部磁性元件例如静态磁性元件与裂解室中的磁致动器的空间分离。示例包括通过横向平移进行空间分离(例如图5左下)或通过垂直平移进行空间分离(例如图5右下)。

图6示出了用于比较通过根据本公开的裂解获得的裂解物和热参考裂解物的qPCR分析的曲线图。在此，裂解或荧光结果的测量值绘制在纵坐标上，并且时间的测量值(例如循环)绘制在横坐标上。根据本公开的裂解物的qPCR分析图601示出曲线相对于纵坐标的增加要早得多。热参考裂解物的qPCR分析图602示出裂解的有效性的测量值明显较晚增加。这些曲线图包括曲线在其相应增加后变平坦。在图中的这些区域中，对于两种方法，关于裂解效率的绝对值仅略有不同。

因此，根据本公开的机械裂解示出比热参考裂解高得多的裂解效率。然而，通过根据本公开的合适的方法也可以增加裂解效率。

根据图6的结果是通过使用微流体测试系统上的结构进行测试获得的，该微流体测试系统包括作为载体的名为LabDisk箔盘(foil disk)的盘和两个永磁体(例如，钕，高度5mm；直径15mm；磁化强度45SH；镀层类型：半径为55mm的镍(Ni-Cu-Ni))，在载体下方约8mm。

在此，将玻璃颗粒(直径0.1mm和直径0.5mm)和磁致动器例如棒状磁体(直径2mm且高度3mm，磁化强度N45，材料：NdFeB，镀层镍(Ni-Cu-Ni))引入腔室(例如裂解室)。

将艾米斯运送培养基(amies transport medium)中的100μL粪肠球菌(由Copan公司提供)移液到裂解室中，并以20Hz的转速处理微流体载体5分钟。

随后通过qPCR分析通过根据本公开的裂解获得的裂解物和已通过将同一样本的艾米斯中的粪肠球菌加热至95℃持续5分钟而处理的热参考裂解物。根据本公开的在微流体载体(例如盘)上的机械裂解示出比热参考裂解高得多的裂解效率。

图7示出了包括磁致动器110、裂解颗粒103以及隔膜702的裂解设备的腔室701的示例的示意性侧视图。磁致动器102在运行期间的旋转由箭头113指示。隔膜702能够被配置为在裂解之前富集更大体积的微生物并且随后直接在隔膜702上裂解微生物。隔膜702能够例如是过滤隔膜或例如无菌过滤器。例如，细菌能够在例如无菌过滤器的表面上富集，并且由此变得易于颗粒的机械进入。示例特别是包括具有集成无菌过滤器的裂解室。

图8示出了具有调温装置801的裂解设备的示例的示意性侧视图。除了附加的调温装置801之外，该图示对应于图1b。相同的元件具有相同的附图标记。调温装置801位于载体104上的腔室102下方。在运行期间，调温装置801能够通过热输入支持机械裂解。调温装置还能够被用于例如将腔室内的磁体加热到其居里温度以上，使得能够停止裂解。这种裂解的关闭例如有利于独立于腔室101与磁性元件108、109之间的旋转相对移动，来提供停止裂解的选项而无需附加的致动装置。

调温装置的一种实施方式是接触加热。在根据本公开的示例中，存在定位裂解室使得能够通过接触加热实现温度输入的选项。例如，温度输入可以设置为环境温度至最高120℃。因此，机械裂解能够附加地由热输入支持。

在示例中，调温装置也能够是通过加热区在裂解室下方的接触加热。

本公开的示例包括两个外部静态磁体(例如，钕N45)，其能够经由保持器定位在盘上方或下方(例如，根据图1)。外部磁体的极性例如相对于旋转裂解室彼此相反。该特定极性能够以不同方式实现(例如，根据图2)，并且在示例中对于磁致动器绕其自身轴线的旋转移动是决定性的。在裂解阶段期间，在z方向(例如垂直于旋转平面)上磁体和裂解室之间的距离能够为例如0.1mm至50mm。此外，外部磁体能够定位在距裂解室半径最大距离为30mm的半径上。在裂解阶段，盘能够以例如0.5Hz至40Hz旋转。例如，磁致动器能够被实现为例如具有磁化N48、长度为2mm至4mm且直径为2mm至4mm的钕棒状磁体。此外，裂解颗粒能够由直径为例如0.15mm至0.5mm或0.15mm至0.2mm的玻璃颗粒形成。

根据本公开的另外的示例包括用于在具有包括裂解颗粒的裂解室和永磁体、至少两个外部磁体的离心微流体盒中进行机械裂解的裂解设备，其中外部磁体相对于腔室中的磁体(例如，盘或裂解室中的磁体)被相反地极化，以实现在裂解室内磁体的旋转，其中裂解室的大小在两个空间方向(Δr，

)(例如相对于旋转平面的径向方向和方位角方向)或(Δz，

)(例如相对于旋转平面的垂直方向和方位角方向)或(Δz，Δr)(例如相对于旋转(在平面中围绕z轴的旋转或围绕旋转系统r的半径矢量的旋转)平面的垂直方向和径向方向)上至少具有磁体的长度的大小。

另外的示例包括裂解设备，其中外部磁性元件位于腔室或盘上方、在例如垂直于旋转平面的z方向上的距离最大为5cm，并且偏离内部磁致动器的半径不超过5cm。

另外的示例包括裂解设备，其中裂解室在三个正交空间方向(x、y、z)上的大小至少约为磁致动器的最长对角线的长度(自由旋转；在例如垂直于旋转平面的z方向略小于磁体，达到例如～20％也是可能的)。

另外的示例包括裂解设备，其中裂解以至少2Hz的(连续)旋转频率发生。另外的示例包括裂解设备，其中裂解以最大30Hz的(连续)旋转频率发生。另外的示例包括裂解设备，其中腔室包括尺寸<0.5mm的裂解颗粒。另外的示例包括裂解设备，其中可以通过移开外部磁性元件来关闭裂解。另外的示例包括裂解设备，其中外部磁性元件以20°至180°的角度布置。另外的示例包括裂解设备，其中能够实现裂解室的温度输入以热支持裂解功能。

本公开的优点

由于相对于腔室(例如裂解室)外部磁性元件例如静态磁性元件的不同极性而引起的腔室内的磁体(例如磁致动器)的平移和旋转移动导致腔室中的样本的更好的混合，特别是与腔室中的颗粒更好地混合。因此，在统计意义上，大部分微生物能够受到摩擦、冲击和剪切移动。由此，能够实现非常有效的裂解。在分子诊断(快速)测试中，因数“获得结果的时间”(其包括样本制备和分析所需的时间)是决定性因素。通过高效快速的裂解，能够在这一重要步骤中节省大量时间。

通过所描述的外部磁性元件和腔室(例如裂解室)的布置，具有相应配置的根据本公开的裂解设备在径向方向和方位角方向上仅需要非常小的空间。由于微流控测试载体上的空间方向和径向方位角方向对于实现样本制备和分析的整体集成是非常有价值的，因此这代表了与现有技术相比的另一优势。

尽管本公开的一些方面已经在设备的上下文中被描述为特征，但是显然这种描述也可以被认为是对应的方法特征的描述。尽管一些方面在方法的上下文中已经被描述为特征，但是显然这种描述也可以被认为是设备的相应特征或设备的功能的描述。

在前述的详细描述中，部分地，不同的特征已经在示例中组合在一起以使本公开合理化。这种类型的公开不应被解释为要求保护的示例包含比每项权利要求中明确陈述的特征更多的特征。相反，如所附权利要求所示，主题由少于单个公开示例的所有特征的特征组成。因此，所附权利要求并入详细描述中，其中每个权利要求能够是其自身的单独示例。虽然每个权利要求能够是其自身单独示例，但应该注意，虽然权利要求中的从属权利要求涉及与一个或几个其他权利要求的特定组合，但其他示例也包括从属权利要求与彼此从属权利要求的主题的组合或每个特征与其他从属或独立权利要求的组合。除非声明不旨在进行特定组合，否则包括这种组合。此外，即使当该权利要求不直接从属于独立权利要求时，也旨在将权利要求的特征的组合包括在每个其他独立权利要求中。

上述实施例仅用于说明本发明的原理。应当理解，本文描述的装置和细节的修改和变化对于本领域的其他技术人员将是显而易见的。因此，旨在：本发明仅受所附权利要求的范围限制，而不受通过本文实施例的描述和解释呈现的具体细节限制。

参考文献

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[2]Siegrist,Jonathan,et al."Validation of a centrifugal microfluidicsample lysis and homogenization platform for nucleic acid extraction withclinical samples."Lab on a Chip 10.3(2010):363-371.

Claims (24)

1.一种裂解设备，包括：

用于容纳样本的腔室；

位于所述腔室内的至少一个磁致动器；

布置在所述腔室外的至少两个磁性元件；以及

驱动装置，其用于在所述腔室和布置在所述腔室外的所述磁性元件之间实现旋转相对移动，通过所述旋转相对移动，所述腔室依次经过位于所述腔室外的所述磁性元件，其中，所述磁性元件的极性相对于所述旋转相对移动的环形路径是相反的，使得布置在所述腔室内的所述磁致动器平移地移动且旋转地移动以实现所述样本的裂解，

其中，所述腔室被配置为使得位于所述腔室内的所述至少一个磁致动器能够平移地移动且旋转地移动。

2.根据权利要求1所述的裂解设备，其中，所述磁性元件是磁极，或者其中，每个磁性元件是磁体。

3.根据前述权利要求之一所述的裂解设备，其被配置为独立于所述旋转相对移动而至少减少从布置在所述腔室外的所述至少两个磁性元件作用在布置在所述腔室内的所述磁致动器上的磁场。

4.根据权利要求3所述的裂解设备，还包括致动装置，所述致动装置用于独立于所述旋转相对移动来改变所述腔室与布置在所述腔室外的所述至少两个磁性元件之间的距离。

5.根据权利要求4所述的裂解设备，其中，所述致动装置被配置为垂直于旋转平面移动布置在所述腔室外的所述至少两个磁性元件。

6.根据权利要求4或5所述的裂解设备，其中，所述致动装置被配置为独立于所述旋转相对移动来平行于旋转平面移动布置在所述腔室外的所述至少两个磁性元件。

7.根据前述权利要求之一所述的裂解设备，其中，布置在所述腔室外的所述至少两个磁性元件是可控和/或可变电磁体。

8.根据前述权利要求之一所述的裂解设备，其中，所述裂解设备包括位于所述腔室内的至少一个裂解颗粒。

9.根据权利要求8所述的裂解设备，其中，所述至少一个裂解颗粒包括小于0.5mm的最大尺寸。

10.根据前述权利要求之一所述的裂解设备，其中，布置在所述腔室外的所述至少两个磁性元件在裂解时是固定的，并且所述驱动装置被配置为相对于位于所述腔室外的所述磁性元件、相对于旋转轴线旋转所述腔室。

11.根据前述权利要求之一所述的裂解设备，其中，所述腔室包括隔膜。

12.根据前述权利要求之一所述的裂解设备，其中，所述裂解设备包括被配置为改变所述腔室的温度的调温装置。

13.根据前述权利要求之一所述的裂解设备，其中，在所述腔室外的所述至少两个磁性元件在旋转平面中以彼此成20°至180°的角度布置。

14.根据前述权利要求之一所述的裂解设备，其中，所述旋转相对移动包括0.5Hz至40Hz、优选为2Hz至30Hz的旋转频率。

15.根据前述权利要求之一所述的裂解设备，其中，所述腔室在彼此垂直的三个空间方向中的两个空间方向上至少包括位于所述腔室内的所述磁致动器的最长对角线的长度，并且所述腔室在彼此垂直的所述三个空间方向中的第三空间方向上至少包括位于所述腔室内的所述磁致动器的所述最长对角线的长度减去20％。

16.根据前述权利要求之一所述的裂解设备，其中，所述腔室在三个方向中的至少两个方向上至少包括位于所述腔室内的所述磁致动器的长度大小，所述三个方向由旋转轴线的方向、相对于旋转的径向方向和相对于旋转的方位角方向形成。

17.根据前述权利要求之一所述的裂解设备，其中，在所述腔室外的所述至少两个磁性元件在裂解时相对于所述旋转相对移动的平面与所述腔室相距最大垂直距离，所述最大垂直距离最大为5cm，和/或

其中，所述腔室外的所述至少两个磁性元件在裂解时与位于所述腔室内的所述磁致动器相距最大径向距离，所述最大径向距离为5cm。

18.根据前述权利要求之一所述的裂解设备，其中，所述裂解设备包括调温装置，所述调温装置被配置为将位于所述腔室内的所述至少一个磁致动器加热至居里温度以上，以使所述至少一个磁致动器失活。

19.一种裂解方法，包括：

将样本引入腔室中，其中，至少一个磁致动器位于所述腔室中，并且其中，所述腔室被配置为使得位于所述腔室内的所述磁致动器能够平移地移动且旋转地移动；

在所述样本和所述至少一个磁致动器所位于的所述腔室与位于所述腔室外的至少两个磁性元件之间实现旋转相对移动，其中，所述腔室外的所述至少两个磁性元件的极性相对于所述旋转相对移动的环形路径是相反的，使得位于所述腔室内的所述磁致动器平移地移动且旋转地移动以实现所述样本的裂解。

20.根据权利要求19所述的裂解方法，其中，至少一个裂解颗粒被引入所述腔室中。

21.根据权利要求19或20所述的裂解方法，其中，改变所述样本的温度。

22.根据权利要求19、20或21所述的裂解方法，其中，布置在所述腔室外的所述至少两个磁性元件独立于所述旋转相对移动而移动，以至少减少作用在位于所述腔室中的所述磁致动器上的磁场。

23.根据权利要求19至22之一所述的裂解方法，其中，布置在所述腔室外的所述至少两个磁性元件是可控和/或可变电磁体，并且其中，布置在所述腔室外的所述至少两个电磁体被控制或调节，使得独立于所述旋转相对移动而至少减少作用在布置在所述腔室内的所述磁致动器上的磁场。

24.根据权利要求19至23之一所述的裂解方法，其中，所述旋转相对移动的旋转频率被调节为0.5Hz至40Hz，优选为2Hz至30Hz。

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