CN116887875A - 用于控制流体体积以实现分离与pcr扩增的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制流体体积的装置，所述装置包括：电机；凸轮轴，其在所述凸轮轴的旋转轴处连接到所述电机；至少一个凸轮，其设置在所述凸轮轴的圆周上；销框架；至少一个销，其设置在所述销框架中并且与所述至少一个凸轮可操作地相关联，其中由所述电机引起的所述凸轮轴的旋转使所述至少一个凸轮接触到所述至少一个销，从而在第一方向上驱动所述至少一个销。

Description

用于控制流体体积以实现分离与PCR扩增的方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请依据PCT第8条要求2020年10月19日提交的标题为“收集点qPCR系统”的美国临时专利申请第63/093,640号的优先权权益。本申请还涉及标题为“用于PCR分析的流体检测与控制算法”、“用于试剂存储的一次性盒及其使用方法”、和“用于样本至结果PCR分析的具有流体通道几何形状的装置及其使用方法”的PCT申请，以及标题为“芯片的流体通道几何结构”的美国外观设计申请第29/812,034号，所有申请均于2021年10月19日同时提交，并列出了同一申请人Formulatrix,Inc。上述申请的内容均通过引用并入，如同在本文中充分阐述它们的全部内容一样。
技术领域
本发明在一些实施方案中涉及流体流动，更具体地但不排他地，涉及用于小体积流体的快速和有效移动的装置和方法。
背景技术
目前在微升尺度上移动液体的大多数方法涉及机械上复杂的方法。以注射器为例，它的活塞密封在气缸上。在大多数系统中，这是施加压力或真空的直接方式，然而，考虑密封力(抵靠气缸滑动的O形环或密封界面)，通常通过电机旋转导螺杆来驱动活塞与气缸的相对运动来实现驱动活塞上下。
蠕动泵是另一种更简单的方式，但涉及添加或去除离散体积的气体或液体，这在某些应用中可能是不可取的。
另一种方法是离心装置，即所谓的“cd微流体”，使用不同的转速、界面特征来实现液体运动。参见ufluidix.com/circle/whats-a-discman-and-how-is-it-a-medical-diagnostic-device-cd-microfluidics/。虽然使用离心装置可能对某些工作流程很方便，但某些过程如实时定量聚合酶链式反应(“qPCR”)，目前无法有效利用这一机制。
发明内容
根据本发明的一些实施方案的一个方面，提供了一种用于控制流体体积的装置，所述装置包括：电机；凸轮轴，其在所述凸轮轴的旋转轴处连接到所述电机；至少一个凸轮，其设置在所述凸轮轴的圆周上；销框架；至少一个销，其设置在所述销框架中并且与所述至少一个凸轮可操作地相关联，其中由所述电机引起的所述凸轮轴的旋转使所述至少一个凸轮接触到所述至少一个销，从而在第一方向上驱动所述至少一个销。
在本发明的一个实施方案中，凸轮轴包括多个凸轮和多个销，其中多个凸轮中的每一个对应于多个销中的一个。
在本发明的一个实施方案中，多个凸轮设置在凸轮轴的圆周上，使得凸轮轴围绕旋转轴的旋转通过利用多个凸轮中的每一个来驱动对应的销而实现以期望的计时和序列驱动多个销。
在本发明的一个实施方案中，装置还包括盒，所述盒包括柔性弹性膜，其中所述膜定位在所述盒和所述至少一个销之间。
在本发明的一个实施方案中，盒包括形成在其中并对应于至少一个销的至少一个孔。
在本发明的一个实施方案中，至少一个销通过柔性弹性膜弹簧加载。
在本发明的一个实施方案中，通过柔性弹性膜提供至少一个销在与第一方向相反的第二方向上的运动。
在本发明的一个实施方案中，销框架包括至少一个狭槽，至少销穿过该狭槽。
在本发明的一个实施方案中，销框架的狭槽将至少一个销定位在盒中的孔上方，至少一个销位于盒和至少一个凸轮之间。
根据本发明的一些实施方案的另一方面，提供了一种用于进行实时qPCR分析的系统，所述系统包括：权利要求1所述的用于控制流体体积的装置；盒，所述盒包括膜和至少一个孔；以及芯片，其中盒的至少一个孔设置在膜和芯片之间。
在本发明的一个实施方案中，凸轮轴包括多个凸轮和多个销，其中多个凸轮中的每一个对应于多个销中的一个。
在本发明的一个实施方案中，多个凸轮设置在凸轮轴的圆周上，使得凸轮轴围绕旋转轴的旋转通过利用多个凸轮中的每一个来驱动对应的销而实现以期望的计时和序列驱动多个销。
在本发明的一个实施方案中，至少一个凸轮驱动至少一个销进入至少一个孔。
在本发明的一个实施方案中，膜是弹性的。
在本发明的一个实施方案中，膜设置在至少一个销和至少一个孔之间，并且其中当被至少一个销驱动到孔中时，膜与孔形成流体密封。
在本发明的一个实施方案中，通过柔性弹性膜提供至少一个销在与第一方向相反的第二方向上的运动。
根据本发明的一些实施方案的其他方面，提供了一种在实时qPCR系统中控制流体体积的方法，所述方法包括：利用电机使凸轮轴围绕旋转轴旋转；使至少一个销与位于凸轮轴上的凸轮接触；利用凸轮在第一方向上驱动至少一个销；用至少一个销将膜压入盒的孔中；以及使用至少一个销和膜在孔中推动流体。
在本发明的一个实施方案中，所述方法还包括保持旋转以用至少一个凸轮驱动至少一个附加销，以使用附加销和膜在附加孔中推动附加流体。
在本发明的一个实施方案中，旋转以期望的计时和序列实现多个销的驱动，以控制流体从盒流出到芯片上的至少一个通道中。
在本发明的一个实施方案中，所述方法还包括利用膜的弹性在与第一方向相反的第二方向上移动至少一个销。
除非另外定义，否则在本文使用的所有技术和/或科学术语具有与由本发明所涉及领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。虽然与本文所述的那些相似或等同的方法和材料可用于本发明实施方案的实践或测试，但下面描述示例性方法和/或材料。如有冲突，以专利说明书，包括定义，为准。此外，材料、方法和实施例仅是说明性的，而不旨在必须是限制性的。
本发明实施方案的方法和/或系统的实现可以包括手动、自动或其组合执行或完成选择的任务。此外，根据本发明的方法和/或系统的实施方案的实际仪器和设备可以使用操作系统通过硬件、通过软件或通过固件或通过其组合来实现若干选择的任务。
例如，根据本发明实施方案的用于执行选择的任务的硬件可被实现为芯片或电路。作为软件，根据本发明实施方案的选择的任务可被实现为由计算机使用任何合适的操作系统执行的多个软件指令。在本发明的示例性实施方案中，根据本文所述的方法和/或系统的示例性实施方案的一个或多个任务由数据处理器执行，例如用于执行多个指令的计算平台。可选地，数据处理器包括用于存储指令和/或数据的易失性存储器和/或非易失性存储装置，例如，用于存储指令和/或数据的硬磁盘和/或可移动介质。可选地，还提供了网络连接。还可选地提供了显示器和/或诸如键盘或鼠标的用户输入设备。
附图说明
本发明的一些实施方案在本文仅通过示例的方式参考附图进行描述。现在具体参考附图的细节，强调所示的细节是举例的，不一定是按比例的，并且是为了说明性地讨论本发明的实施方案。在这方面，结合附图进行的描述对于本领域的技术人员可以如何实践本发明的实施方案来说是显而易见的。
在附图中：
图1是根据本发明的示例性实施方案的qPCR系统的透视图；
图2是根据本发明的示例性实施方案的盖被移除的qPCR系统的透视图；
图3是根据本发明的示例性实施方案的用于控制流体体积的装置的框图；
图4是根据本发明的示例性实施方案的用于控制流体体积的装置的透视图；
图5是根据本发明的示例性实施方案的用于控制流体体积的装置的长轴的横截面；
图6是根据本发明的示例性实施方案的用于控制流体体积的装置的短轴的横截面；
图7是根据本发明的示例性实施方案的使用用于控制流体体积的装置的方法的流程图；
图8是根据本发明的示例性实施方案的盒的顶部透视图；以及
图9是根据本发明的示例性实施方案的芯片的底部透视图。
具体实施方式
本发明在一些实施方案中涉及流体流动，更具体地但不排他地，涉及用于小体积流体的快速和有效移动的装置和方法。
在详细解释本发明的至少一个实施方案之前，应当理解，本发明的应用不一定局限于以下描述中阐述和/或附图中示出的组件和/或方法的构造和布置的细节。本发明能够具有其他实施方案，或者本发明能够以各种方式实践或执行。
通常，本文所述的装置和方法加速了样本提取和纯化的过程，以及随后的聚合酶链式反应(“PCR”)的逆转录、延伸和变性步骤的热过程，这些步骤将发生在样本纯化的产物上。目前所述的装置和方法在更大的系统中、用于实时(“RT”)qPCR分析(例如用于COVID-19检测)的更大系统中，快速和有效地移动小体积液体(可选地位于多个对应孔中的多种不同液体)通过含有液体的盒中的一个或多个和/或一系列通道。本文所述的解决方案使用最少数量的简单部件来实现流体/液体以期望的序列运动，非常快速地使液体体积在RT-qPCR系统的芯片中的至少两个不同区域之间循环。
现在参考附图，图1是根据本发明的示例性实施方案的RT-qPCR系统100的透视图。在本发明的一个实施方案中，并且如本文和在同一日期提交并在相关申请部分中引用的相关申请中更详细地描述的，一次性盒406(参照图4-8更详细地示出)插入RT-qPCR系统100的狭槽102中进行分析。该RT-qPCR系统100旨在快速、方便地小型化、易于使用、准确、价格实惠并且可扩展。马萨诸塞州贝德福德的Formulatrix,Inc.将提供一种示范性RT-qPCR系统100。
图2是根据本发明的示例性实施方案的盖被移除的RT-qPCR系统100的透视图。示出了用于控制流体体积的装置200，形成RT-qPCR系统100的组成部件，并且参照图3-6更详细地示出和描述。
图3是根据本发明的示例性实施方案的用于控制流体体积的装置200的框图300。在本发明的一个实施方案中，装置200包括至少一个凸轮轴300、包括位于凸轮轴300圆周上的至少一个凸轮302、用于驱动凸轮轴300的电机304，以及由凸轮轴300的至少一个凸轮302驱动的一个或多个销306。应当理解，装置200本身是由多个部件组成的系统，是更大的qPCR系统100的组成部件。在该较大的RT-qPCR系统100内，用于控制流体体积的装置200与盒406可操作地相互作用，例如下文所描述的，以便在盒和整个RT-qPCR系统100内实现特定控制的流体流动。
图4是根据本发明的示例性实施方案的用于控制流体体积的装置400的透视图，该装置是用于控制流体体积的装置200的示例。为了简洁起见，结合图7描述了图4的装置400，图7是使用用于控制流体体积的装置200/400的方法的流程图700。应当理解，本发明的一个特征是仅使用装置200/400的单个旋转轴来控制多通道系统中的不同流体储液器/孔中容纳的各种不同液体的能力，例如下面更详细地描述的。这使得使用定位在系统的所有工作流体上方的膜来致动或驱动系统中的流体能够以最小的机械复杂性发生样本处理的完整样本至结果(sample-to-answer)序列。
在本发明的一个实施方案中，提供了包括一个或多个凸轮408的凸轮轴402，其中凸轮轴402通过电机404在装置400的主旋转轴上旋转(702)。在本发明的一个实施方案中，电机404是步进电机。凸轮轴402和凸轮408中的至少一个可操作地定位，使得当凸轮轴402随电机404旋转时，至少一个凸轮408接触(704)至少一个销412，从而驱动(706)至少一个销412进入下面盒406的孔414中。在本发明的一个实施方案中，至少一个销412通过销框架410的狭槽相对于其相应的凸轮408可操作地定位在期望的位置，其中狭槽将销412支撑在其中并穿过。在驱动(706)期间，柔性和/或弹性膜500(参照图5更详细地示出和描述)被压入(708)到孔414中，在膜500和孔414的壁之间形成流体密封，从而经由压力(例如气动压力)将孔414内的流体推动(710)进入并穿过位于盒406下方的芯片900(例如，参见图9中的芯片900的通道902)。
应当理解，当凸轮轴402旋转，并且至少一个凸轮408旋转以接触/驱动至少一个对应的销412时，盒406的不同孔414通过至少一个销412/膜500的推动(710)而被“激活”。在本发明的一些实施方案中，系统400中有多个销412对应于盒406中的多个孔414，并且凸轮轴402围绕旋转轴的旋转结合凸轮轴上凸轮408的有意配置实现了销以期望的计时和/或序列的激活，从而允许将位于孔414中的多种流体精确地引入芯片900的通道902中，用于快速和自动的qPCR分析。
在本发明的一些实施方案中，至少一个销412是弹簧加载的或偏置的，使得当销412没有被驱动(706)时，它返回到静态驱动前配置。可选地，膜500的弹性/回弹力为至少一个销412提供这种类似弹簧的行为。在本发明的一些实施方案中，通过推动(710)的旋转(702)被重复(712)，例如通过保持凸轮轴400的旋转来使用额外的凸轮408，以推动附加孔中的附加流体，直到所有流体孔414已经根据需要被激活。
在本发明的一个实施方案中，使用本文所述的装置和方法，在多个不同类型的区域(在芯片900内)上驱动至少一个液体体积，例如，至少一个被加热到期望温度以实现PCR扩增的区域和/或至少一个受到磁力(例如用于捕获待测样本)的区域。额外地，替代地和/或可选地，洗涤流体的至少一部分被驱动经过磁性捕获的样本和/或洗脱缓冲液被驱动经过至少一个磁化区域，以从芯片900或从芯片组件洗脱磁性捕获的样本。
图5是根据本发明的示例性实施方案的用于控制流体体积的装置400的长轴的横截面。图5示出了销412的运动502，当凸轮408在第一方向上驱动(706)销412例如向下(从该图的角度来看)进入膜500，从而将膜500压入孔414中，然后销412在第二方向上例如向上移动，可选地由于膜500的弹性和/或由于被弹簧加载。如本文其他地方所述，将膜500插入孔中导致孔414内的压力上升，而将膜500移出孔414导致孔内的压力下降。
图6是根据本发明的示例性实施方案的用于控制流体体积的装置400的短轴的横截面。示出了凸轮轴402的旋转600，其中在本发明的一个实施方案中，凸轮408被偏置以在旋转方向600上移动。当凸轮408i围绕销412旋转时，它将向下驱动销412，穿过膜(未示出)并进入盒406的孔414中。
图8是根据本发明的示例性实施方案的盒406的顶部透视图。图9是根据本发明的示例性实施方案的安置在盒406内的芯片900的底部透视图，示出了通道902的示例性配置。
术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包括(includes)”、“包括(including)”、“具有(having)”及其词形变化是指“包括但不限于”。
术语“由...组成”是指“包括并限于”。
术语“基本上由...组成”是指组合物、方法或结构可以包括额外的成分、步骤和/或部分，但前提是额外的成分、步骤和/或部分不会实质性地改变所要求保护的组合物、方法或者结构的基本特征和新特征。
术语“多个”是指“两个或多个”。
如本文所用，除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”包括复数指示物。例如，术语“一种化合物”或“至少一种化合物”可以包括多种化合物，包括其混合物。
在整个申请中，可以以范围格式呈现本发明的各个实施方案。应当理解，范围格式的描述仅仅是为了方便和简洁，不应理解为对本发明范围的非弹性限制。因此，应该认为对范围的描述已经具体公开了所有可能的子范围以及该范围内的单个数值。例如，对诸如1至6的范围的描述应被认为具有具体公开的子范围，例如1至3、1至4、1至5、2至4、2至6、3至6等，以及该范围内的单个数字，例如1、2、3、4、5和6。无论范围的广度如何，这都适用。
无论何时在本文中指示数字范围，都意味着包括所指示范围内的任何引用数字(分数或整数)。短语“在第一指示数字和第二指示数字之间的范围变化/范围”和从第一指示数字“到”第二指示数字的“范围变化/范围”在本文可互换地使用，并且意味着包括第一指示数字和第二指示数字以及两者之间的所有小数和整数。
应当理解，为了清楚起见，在单独实施方案的上下文中描述的本发明的某些特征也可以在单个实施方案中组合提供。相反，为了简洁起见，在单个实施方案的上下文中描述的本发明的各种特征也可以单独提供，或者以任何合适的子组合提供，或者在本发明的任何其他描述的实施方案中适当地提供。在各种实施方案的上下文中描述的某些特征不应被认为是那些实施方案的基本特征，除非该实施方案在没有这些元素的情况下是无效的。
尽管已经结合本发明的具体实施方案描述了本发明，但是很明显，许多替代方案、修改和变化对于本领域技术人员来说是显而易见的。因此，意图包括落入所附权利要求的精神和广泛范围内的所有这样的替代方案、修改和变化。
本说明书中提到的所有出版物、专利和专利申请的全部内容都通过引用并入本说明书中，就好像每个单独的出版物、专利或专利申请被明确地并单独地指示通过引用并入本文一样。此外，本申请中对任何参考文献的引用或识别不应被解释为承认此类参考文献可作为本发明的现有技术获得。就使用章节标题的范围而言，它们不应被解释为一定是限制性的。

Claims (20)

1.一种用于控制流体体积的装置，所述装置包括：
电机；
凸轮轴，其在所述凸轮轴的旋转轴处连接到所述电机；
至少一个凸轮，其设置在所述凸轮轴的圆周上；
销框架；
至少一个销，其设置在所述销框架中并且与所述至少一个凸轮可操作地相关联，
其中由所述电机引起的所述凸轮轴的旋转使所述至少一个凸轮接触到所述至少一个销，从而在第一方向上驱动所述至少一个销。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述凸轮轴包括多个凸轮和多个销，其中所述多个凸轮中的每一个对应于所述多个销中的一个。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述多个凸轮设置在所述凸轮轴的圆周上，使得所述凸轮轴围绕所述旋转轴的旋转通过利用所述多个凸轮中的每一个来驱动所述对应的销而实现以期望的计时和序列驱动所述多个销。
4.根据权利要求1所述的装置，还包括盒，所述盒包括柔性弹性膜，其中所述膜定位在所述盒和所述至少一个销之间。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述盒包括形成在其中并对应于所述至少一个销的至少一个孔。
6.根据权利要求4所述的装置，其中所述至少一个销通过所述柔性弹性膜弹簧加载。
7.根据权利要求6所述的装置，其中通过所述柔性弹性膜提供所述至少一个销在与所述第一方向相反的第二方向上的运动。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述销框架包括至少一个狭槽，至少所述销穿过所述狭槽。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述销框架的所述狭槽将所述至少一个销定位在盒中的孔上方，所述至少一个销位于所述盒和所述至少一个凸轮之间。
10.一种用于进行实时qPCR分析的系统，所述系统包括：
权利要求1所述的用于控制流体体积的装置；
盒，所述盒包括膜和至少一个孔；以及，
芯片，其中所述盒的所述至少一个孔设置在所述膜和所述芯片之间。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述凸轮轴包括多个凸轮和多个销，其中所述多个凸轮中的每一个对应于所述多个销中的一个。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述多个凸轮设置在所述凸轮轴的圆周上，使得所述凸轮轴围绕所述旋转轴的旋转通过利用所述多个凸轮中的每一个来驱动所述对应的销而实现以期望的计时和序列驱动所述多个销。
13.根据权利要求11所述的系统，其中所述至少一个凸轮驱动所述至少一个销进入所述至少一个孔。
14.根据权利要求11所述的系统，其中所述膜是弹性的。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述膜设置在所述至少一个销和所述至少一个孔之间，并且其中当被所述至少一个销驱动到所述孔中时，所述膜与所述孔形成流体密封。
16.根据权利要求14所述的系统，其中通过所述柔性弹性膜提供所述至少一个销在与所述第一方向相反的第二方向上的运动。
17.一种在实时qPCR系统中控制流体体积的方法，所述方法包括：
利用电机使凸轮轴围绕旋转轴旋转；
使至少一个销与位于所述凸轮轴上的凸轮接触；
利用所述凸轮在第一方向上驱动所述至少一个销；
用所述至少一个销将膜压入盒的孔中；以及，
使用所述至少一个销和所述膜在所述孔中推动流体。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括保持所述旋转以用至少一个凸轮驱动至少一个附加销，以使用所述附加销和所述膜在附加孔中推动附加流体。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述旋转以期望的计时和序列实现多个销的驱动，以控制流体从所述盒流出到芯片上的至少一个通道中。
20.根据权利要求17所述的方法，还包括利用所述膜的弹性在与所述第一方向相反的第二方向上移动所述至少一个销。
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