CN116273222A - 用于搅动微孔中的液体的铁磁转子 - Google Patents

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CN116273222A CN202310280786.6A CN202310280786A CN116273222A CN 116273222 A CN116273222 A CN 116273222A CN 202310280786 A CN202310280786 A CN 202310280786A CN 116273222 A CN116273222 A CN 116273222A
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Abstract

本文介绍了能够放置在包含液体样品的微孔板孔内的转子。每个转子可包含铁磁材料。从而，当转子受到外部旋转磁场的作用时，转子转动并搅动相应的孔内的液体样品。可通过改变外部旋转磁场的旋转速度，方向，和/或取向来调节转动速度。转子通常包括中心腔，在生化测试期间能使探针悬于该中心腔中。

Description

用于搅动微孔中的液体的铁磁转子
本申请是2018年09月05日提交的名称为“用于搅动微孔中的液体的铁磁转子”，申请号为201880057922.2的中国专利申请的分案申请。
发明领域
多种实施方式涉及用于生化测试的设备，且更具体地，涉及能够搅动微孔(例如微孔板孔或测试盒孔)中的液体样品的铁磁转子。
背景
在生化测试系统(例如，免疫实验系统)的开发中，需要满足许多性能要求。分析必须足够灵敏，以检测亚皮克至纳克/毫升范围内的极低水平的分析物。此外，总实验时间通常须为15分钟或更短，以便为即时护理状况下的患者提供及时的结果，或满足批量分析仪的通量要求。
能够同时对单个样品进行多种实验的分析物面板是有利的，因为它们使得到测试结果的周转时间和成本最小化。具有用于容纳分开的液体样品的多个孔的微孔板也是有利的，因为它们能够同时或依次快速连续地测试多个液体样品。然而，仍需要能够更有效果且有效率地搅动微孔板的孔内的液体样品的生化测试设备。
附图简要说明
通过对结合附图的详细描述的研究，本领域技术人员将清楚了解本技术的多种目的，特性，和特征。
图1描绘了可以放置在包括液体样品的孔内的圆柱形转子。
图2示出了当放置在包括液体样品的孔内时，圆柱形转子如何受外部旋转磁场的作用。
图3示出了在圆柱形转子受到外部旋转磁场作用时，圆柱形转子如何转动(spin)并搅动孔内的液体样品。
图4描绘了转子的几个不同示例。
图5描绘了具有微孔(也简称为“孔”)的几种不同的板。
图6包括用圆柱形转子搅动孔中的液体样品的过程的流程图。
附图描绘了整个详细描述中描述的多种实施方式，仅出于说明目的。虽然已通过示例的方式示出了特定的实施方式，但是该技术可进行各种修改和替代形式。无意于将本技术限制为所示出和/或描述的特定实施方式。
详细说明
本文介绍的是可放置在包括液体样品(例如生物样品)的微孔内部的转子。如本文所用，“微孔”是指具有较小内径的孔，例如，不大于50mm，优选不大于30mm，不大于20mm，或不大于10mm。在一实施方式中，微孔的尺寸为2-50mm，2-20mm，或2-10mm。微孔可以是微孔板上的多个孔之一。转子会受到外部旋转磁场的作用，从而使转子转动。这样的动作将搅动孔内的液体样品。因此，包括转子的微孔可被称为“漩涡孔”。
漩涡孔可用于进行生化测试，例如酶联免疫吸附实验(ELISA)和基于探针的测试(例如，ForteBio Octet和ET Healthcare Pylon提供的测试)。如本文所用，“探针”是指在感测端涂覆有分析物结合分子的薄膜层的基底。附加地或可替代地，漩涡孔可用于在测试过程之前，之中，或之后重构和/或混合试剂。
设计成用于安装在孔内的转子通常将是具有开放中心腔的环形圆柱体的形式。因此，转子可被设计成包括中心腔，在生化测试期间可使探针悬于中心腔中。而且，转子可被设计成使得转子能够在孔内转动而没有过度的水平运动。过度的水平移动可能会导致转子与探针接触，从而可能损坏测试设备和/或影响测试结果的可靠性。尽管可在圆柱形转子的情境下描述实施方式，但本领域技术人员将认识到，转子不必一定为圆柱形。
可通过改变外部旋转磁场的旋转速度，方向和/或方向来改变转子转动特性。例如，可通过改变外部旋转磁场的旋转速度来调节转子转动的速度。
相比于常规地与微孔结合使用的磁珠和磁条，这种设计具有多种优势。例如，本文所述的转子能产生充分的搅动以更有效地防止组分的不希望的再结合并扰乱通常沿着液体样品顶部形成的质量传输层(mass transportlayer)。湍流的增加还可改善组分的离解，改善结合反应等。
此外，由于转子通常包含铁磁材料，因此可使用外部磁场来控制转子。由于不需要侵入机构来引起转子的运动，因此可在相应的孔上放置盖。尽管盖子可包括一个可延伸探针的单孔，但是盖子仍能防止液体样品的蒸发(这会扰乱一些灵敏的生化测试)。
此外，在此介绍的几种转子包括具有中心腔的基本圆柱体，该中心腔具有开放顶端和/或开放底端。这些铁磁转子使得生化测试中具有更大的灵活性。例如，这种设计允许测试设备基于通过孔底部发射的成像光(例如，通过激光)生成读数。当一个或多个磁珠或磁条位于孔的底部而导致成像光反射时，则无法进行此类测量。
术语
下文给出了整个申请中所使用的术语，缩写，和词语的简要定义。
术语“连接”，“耦接”，或其任何变体是指两个或更多个元件之间的任何直接或间接的连接/耦接。元件之间的耦接或连接可以是物理的和/或逻辑的。例如，两个组件可直接彼此耦接，或通过中间通道或组件耦接。
系统拓扑概述
图1描绘了能放置在包括液体样品104的孔102内的圆柱形转子100。液体样品104可以是例如具有分析物的生物样品。圆柱形转子100可包含铁磁材料，例如钴，铁，铁磁合金，塑料铁磁复合材料等。圆柱形转子100可包含这些材料的组合。在一些实施方式中，圆柱形转子100还包括一种或多种非铁磁材料(例如，塑料，玻璃，或橡胶)。例如，圆柱形转子100可包括涂层(例如，包含硅橡胶)，该涂层防止铁磁材料暴露于液体样品104。
图2示出了当将圆柱形转子200放置在包括液体样品204的孔202内时，圆柱形转子200如何受到外部旋转磁场206的作用。外部旋转磁场206使圆柱形转子200自旋，进而搅动孔202内部的液体样品204。这种作用可在生化测试期间发生，例如酶联免疫吸附实验(ELISA)和基于探针的测试(例如，ForteBio Octet和ET Healthcare Pylon提供的测试)。例如，圆柱形转子200可用于促进在测试过程之前，之中或之后的试剂的重构和/或混合。
可通过改变外部旋转磁场206的旋转速度，方向，和/或取向来改变转子的转动特征。例如，可通过改变外部旋转磁场206的旋转速度来调节转子200转动的速度。
外部旋转磁场206可由磁化材料和/或移动的电荷(即电流)产生。旋转磁场是包括交流电动机在内的多种常规技术的关键原理。为了产生外部旋转磁场206，可旋转永磁体(未示出)以保持其与外部旋转磁场206的对齐。
外部旋转磁场206可由三相系统产生，其中三个电流的大小大致相等并且具有120度的相位差。在这种实施方式中，相互具有120度几何角度的三个类似的线圈可产生外部旋转磁场206。如图2所示，通过将这些线圈放置在孔202下方，可沿特定方向(即顺时针或逆时针)驱动圆柱形转子200。本领域技术人员将认识到，可使用多种不同的技术来产生旋转磁场，该旋转磁场的运转特征可受控变化。
通过旋转一个或多个永磁体，可在孔202(并且因此在圆柱形转子200)附近产生旋转磁场或交变磁场。例如，永磁体(一个或多个)可位于孔202下方，以避免干扰需要探针通过孔202的开口插入的生化测试。可替代地，通过使用类似于电动机的电线圈能够产生旋转或交变磁场。
图3显示了圆柱形转子300受到外部旋转磁场306的作用时，圆柱形转子300如何转动并搅动孔302内的液体样品304。如下文进一步所述，转子300不必一定是圆柱形的。然而，转子300通常被设计成包括中心腔。
在生化测试期间，探针308可悬于中心腔内。基于探针的检测技术的示例在标题为“用于高灵敏度荧光实验的检测系统和方法”的美国专利号8,309,369和标题为“用于免疫实验测定的系统”的美国专利号8,753,574中描述，每个专利均通过引用整体并入本文。这种设计确保了探针308在圆柱形转子300在孔302内转动时不会失去其结合亲和力并且不会受到圆柱形转子300的破坏。
当放置在孔302内时，圆柱形转子300可部分或完全浸入液体样品304中。因此，在一些实施方式中，圆柱形转子300将部分地暴露在液体样品304的表面上方，而在其他实施方式中，圆柱形转子300将完全浸没在液体样品304的表面下方。圆柱形转子300的高度可不超过200毫米(mm)，优选不超过100mm，不超过75mm，不超过50mm，或不超过25mm。在一个实施方式中，圆柱形转子300的高度为5-200mm，5-100mm，5-75mm，5-50mm，5-25mm，或5-10mm。在一些实施方式中，圆柱形转子300的高度基于孔302的深度。例如，孔302的深度可比圆柱形转子300的高度大至少10％，或大至少25％，或大至少50％。因此，对于10mm深的微孔，圆柱形转子的高度可以是5-9.1mm，对于15mm深的微孔，高度可以是7.5-13.6mm，对于20mm深的微孔，高度可以是10-18.2mm。
仅出于说明目的，已经以圆柱形转子的情境描述了实施方式。本领域技术人员将认识到，转子也可为其他形状。图4描绘了转子400a-d的几个不同的示例。通常，只要转子在孔内转动时转子不与探针(或任何其他测试设备)接触，转子就可制成不同形状。
这里，例如，示出了具有中心腔的几种不同的设计。第一转子400a包括具有一系列齿的圆柱形结构体，这些齿向下朝向开放底端延伸。第二转子400b包括圆柱形结构体，该圆柱形结构体由被模制成大致类似于弹簧形状的材料形成。第三转子400c包括圆柱形结构体，该圆柱形结构体在侧壁上具有暴露中心腔的一系列孔。第四转子400d包括具有实心侧壁的圆柱形结构体。尽管第一，第二，和第三转子400a-c具有椭圆形(例如，圆形)的内径，但是第四转子400包括非椭圆形的内径。在此，例如，第四转子400的内径为齿轮状。
这些转子400a-d可产生不同程度的搅动。例如，第二转子400b(也称为“弹簧形转子”或“螺旋形转子”)可产生最大的搅动。在一些实施方式中，转子的结构体包括一个或多个流通界面(flow interface)。流通界面从外壁延伸至限定中心腔的内壁。流通界面使液体能够流入和流出中心腔。在一些实施方式中，如相对于转子400c所看到的，完全限定了流通界面的边界。在其他实施方式中，如相对于转子400a所看到的，流通界面的边界被部分地限定。
转子可包括包含铁磁材料的基本圆柱体。基本圆柱体可包括围绕中心腔周向配置的外壁和内壁。基本圆柱体还包括开放的顶端，探针可穿过该开放的顶端延伸。在一些实施方式中，基本圆柱体包括开放的底端，而在其他实施方式中，基本圆柱形主体包括封闭的底端。
转子的外壁通常将具有略小于孔的内径的直径。这种设计确保了转子可在孔内转动而不会发生过度的水平运动。过度的水平移动可能导致转子与探针接触，从而可能损坏测试设备和/或影响测试结果的可靠性。
在一些实施方式中，中心腔由朝向顶端或底端变窄的锥形内壁限定。因此，中心腔可沿转子的长度减小宽度，从而以特定方式(例如，向上朝向液体样品的表面或向下朝向孔的底部)引导流动。
通常，转子不会在孔中的液体样品上方延伸，因为这种暴露会产生额外的摩擦。因此，通常将足够的液体加入(deposit)到孔中以完全覆盖转子。转子的高度通常小于孔中液体样品的深度。在一些实施方式中，转子的高度被设计成基本类似于液体样品的深度。在这种实施方式中，在整个液柱中发生搅动。
图5描绘了具有微孔(也简称为“孔”)的几个不同的板。更具体地，图5描绘了标准96孔板式的第一板500a，具有孔的线性阵列的第二板500b，和具有孔的环形阵列的第三板500c。在一些实施方式中，板上的每个孔包括转子，而在其他实施方式中，仅子集的孔包括转子。
转子的直径通常比待放置转子的孔的内径小至少5％，或小至少10％，或小至少25％。转子的直径可以是1-45mm。例如，对于直径为10mm的微孔，转子的直径可以是7.5—9.5mm，对于直径为14mm的微孔，转子的直径可以是10-13.3mm；对于直径为20mm的微孔，转子的直径可以是15-19mm，等等。孔的直径(也更笼统地称作孔的“形状”)可以是圆形，正方形，多边形等。此外，在组或阵列中可混合不同的孔形状。例如，在此示出的96孔板式的微孔板可包括成排的圆孔和成排的方孔。孔的形状和尺寸可能会影响要放置在孔内的转子的设计。例如，为了解决液体在圆形和方形孔内流动方式的差异，可能需要一个个体在圆孔中安装第一形状的转子和在方孔中安装第二形状的转子。
尽管可以微孔板的情境描述实施方式，但是也可将转子安装在测试盒(cartridge)的孔内。测试盒可包括多个湿孔，包括透光底部的测量孔，探针孔，被设计为包括在探针孔上方延伸的探针上端的保护盖。测试盒的示例在标题为“免疫分析测试系统”的美国专利号8,753,574和标题为“免疫分析测试的盒组件托盘”的美国专利号9,616,427中进行了描述，每个专利均通过引用整体并入本文。
图6包括过程600的流程图，该过程600用于使孔中的液体样品被圆柱形转子搅动。初始，一个个体获得具有孔的板(步骤601)。该个体可以是例如参与生化测试的人。该个体还获取待安装在孔内的转子(步骤602)。转子可包括具有中心腔的基本圆柱体，该中心腔具有开放的顶端和/或开放的底端。此外，转子可包含铁磁材料。
然后，该个体可将转子安装在孔内(步骤603)。例如，该个体可用她的手或另一种仪器(例如，抗菌镊子)将转子放置在孔内。此后，该个体可将液体样品加入到孔中(步骤604)。在一些实施方式中，液体样品被手动注入孔中，而在其他实施方式中，液体样品被自动注入孔中(例如，通过自动注入机)。
在将液体样品加入到孔中之后，该个体可通过产生旋转磁场来搅动液体样品(步骤605)。例如，该个体可以与机构(例如，基于探针的检测系统的机械按钮或基于探针的检测系统的显示器上示出的接口元件)互动以引发旋转磁场的产生。因此，该个体可能能够手动控制转子是否旋转，以及运动的特征(例如，旋转速度)。在其他实施方式中，基于探针的检测系统自动控制转子是否旋转。例如，基于探针的检测系统可被配置为基于检测到的特征(例如，液体样品的澄清度)自动地修改旋转磁场。
该个体然后可进行生化测试(步骤606)。在一些实施方式中，在搅动液体样品时进行生化测试，而在其他实施方式中，在搅动液体样品后进行生化测试。
除非与物理可能性相反，可设想可以多种顺序和组合来执行上述步骤。例如，可在将转子安装在孔中之前将液体样品加入到孔中。作为另一个示例，基于旋转磁场的周期性产生，可周期性地搅动液体样品。
此外，可同时或相继执行同一步骤的多个实例。例如，如果板是标准96孔板式，则液体样品可加入到96孔中的任何数量的孔中。类似地，转子可安装在96孔中的任意数量的孔内。例如，圆柱形转子可仅安装在包括液体样品的子集的孔中。
备注
出于说明和描述的目的，已提供了本技术的多种实施方式的前述描述。并不旨在穷举或将要求保护的主题限制为所公开的精确形式。
许多修改和变化对本领域技术人员将是显而易见的。选择和描述实施方式以便最好地描述技术原理及其实际应用，从而使相关领域的其他技术人员能够理解所要求保护的主题，多种实施方式，以及适合于设想的特定用途的多种修改。

Claims (19)

1.一种系统，所述系统包括：
具有平表面的板，其具有限定在其中的孔，
其中，所述孔的直径不超过50毫米；
转子，其具有圆柱形的结构体，该圆柱形的结构体具有纵向贯穿其而限定的轴线，该圆柱形的结构体包括—
一对开放端，
外壁，其围绕该一对开放端之间的该轴线周向延伸，和
内壁，其围绕该轴线周向延伸并且位置被设置为从该外壁径向向内以限定腔，
其中，所述圆柱形的结构体包含铁磁材料，且
其中，所述圆柱形的结构体的高度是所述孔深度的至少50％但不超过所述孔深度的90％，使得当所述转子放置在所述孔中并受到旋转磁场作用时，所述转子引起由所述孔中的液体样品形成的整个液柱的搅动；
知
探针，其沿一端涂覆有分析物结合分子，在生化测试期间与所述液体样品中的分析物分子相互作用，其中，在所述生化测试期间，所述探针通过所述一对开放端的顶端悬于所述圆柱形的结构体的腔内。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述圆柱形的结构体为螺旋形式。
3.如权利要求1所述的系统，其中，通过改变所述旋转磁场的旋转速度，所述液体样品的搅动可在所述生化测试期间变化。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述铁磁材料是钴，铁，铁磁金属合金，铁磁塑料复合物，或其任意组合。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述圆柱形的结构体包括一个或多个从所述外壁延伸至所述内壁的流通界面，所述一个或多个流通界面使得所述液体样品能够流入和流出所述腔。
6.如权利要求1所述的系统，其中，在所述生化测试期间，光通过所述一对开口端的底端照射。
7.如权利要求1所述的系统，其中，所述板包括孔的单个线性阵列。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述板包括以矩形矩阵布置的多个孔。
9.一种使用权利要求1的系统的方法，所述方法包括：
将所述液体样品加入到所述孔中；
将所述转子放置在所述孔中；和
施加所述旋转磁场以旋转所述转子，从而在所述孔中搅动所述液体样品。
10.如权利要求9所述的方法，还包括：
在所述生化测试期间，改变所述旋转磁场的旋转速度或旋转方向，以改变所述液体样品的搅动程度。
11.一种用于在直径不超过50毫米的孔中搅动液体样品的转子，所述转子包括：
开放圆柱体，其具有纵向贯穿其而限定的腔，
其中，所述开放圆柱体包含铁磁材料，并且
其中，所述开放圆柱体的高度是所述孔深度的至少50％但不超过所述孔深度的90％，使得当所述转子被放置在所述孔中并且受到旋转磁场作用时，所述转子引起由所述液体样品形成的整个液柱的搅动；和沿所述开放圆柱体的表面的涂层，其防止所述铁磁材料暴露至所述液体样品。
12.如权利要求11所述的转子，其中，所述开放圆柱体具有一对开放端和在所述一对开放端之间延伸的壁，并且其中，所述壁包括一个或多个孔，所述液体样品能够通过所述孔流动。
13.如权利要求12所述的转子，其中，每个孔的边界被完全地限定。
14.如权利要求12所述的转子，其中，每个孔的边界被部分地限定。
15.如权利要求11所述的转子，其中，所述开放圆柱体的高度为7.5-13.6毫米或10-18.2毫米。
16.如权利要求11所述的转子，其中，所述涂层包含硅橡胶。
17.如权利要求11所述的转子，其中，所述开放圆柱体的内表面渐缩，使得所述腔的宽度沿所述转子的长度减小。
18.如权利要求11所述的转子，其中，所述腔由所述开放圆柱体的内表面
限定，并且其中，所述内表面具有椭圆形直径，使得所述腔具有圆柱形式。
19.如权利要求11所述的转子，其中，所述腔由所述开放圆柱体的内表面限定，并且其中，所述内表面具有非椭圆形直径，使得所述腔具有非圆柱形式。
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