CN1806169A

CN1806169A - 多毛细管电泳盒接合机构

Info

Publication number: CN1806169A
Application number: CNA2004800163997A
Authority: CN
Inventors: 瓦拉杰·阿默卡尼安; 鲍勃·G·海特尔; 刘铭桑; 保罗·莫尼
Original assignee: Biocal Technology Inc
Current assignee: Biocal Technology Inc
Priority date: 2003-04-11
Filing date: 2004-04-12
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2024-04-12
Also published as: US8092762B2; CN100514053C; WO2004092721A1; US20100170799A1

Abstract

本发明提供一种在生物分离仪器中的接合机构，其实现对多通道盒的接合连接。接合机构使盒相对于仪器中的支持元件(即，高压、气压、入射辐射及检测器)精确定位，并在盒的各组件与支持仪器中的支持元件之间实现自动的、可靠的及安全的对准和偶接。接合机构包括气动或机电驱动致动器用于使仪器中的支持元件与盒的组件接合。在盒被接合机构安全接受之后，启动偶接顺序。接合部对盒中的每个分离通道提供单独的高压和光学偶接，从而提供通道对通道隔离以避免既电学上也光学上的串扰。

Description

多毛细管电泳盒接合机构

本申请要求关于2004年4月11日提交的美国临时专利申请60/462481的优先权。

本申请是2002年1月28日提交的标题为“多通道生物分离盒”的美国专利申请10/059993以及2002年1月28日提交的标题为“在多通道生物分离系统中的光学检测”的美国专利申请10/060052以及2002年12月13日提交的标题为“光学检测对准偶接装置”的美国专利申请10/319803以及2002年12月15日提交的标题为“光学检测队列偶接装置”的PCT申请PCT/US03/39971的部分继续，上述这些申请共同转让于BioCal技术公司，即本发明的受让人。

上面提到的申请，及在下面的公开中记录的所有其他申请、文件和参考文件，全部并为参考，如同已在此处阐述。

技术领域

本发明涉及生物分离，尤其是在生物分离仪器中的接合机构，其支持多通道毛细管盒特别是具有集成有试剂储池和激发辐射和光学检测器件的多个分离柱的多通道盒的使用和功能。

背景技术

生物分析，例如DNA分析，正在进行从追求精确的纯粹科学探索到具有更大的及已证实的可靠性的常规程序的快速的转变。医学研究人员、药理学家和法庭调查人员都在他们的工作事务中使用DNA分析。然而由于检测和测量DNA样品的设备的复杂性及准备样品的难度，现有的DNA分析过程经常是耗时而昂贵的。因此，希望能够减小设备的尺寸、零件的数量和费用，以使处理中对样品的操作更容易，并一般而言，得到简化的、低成本的、高灵敏度的检测器。

一种DNA分析仪器通过依靠电泳现象分离DNA分子。电泳技术可被用于在基因型的应用包括人的身份试验、基因显现分析、病原体检测、突变检测以及药物反应遗传学研究，来分离DNA片断。术语电泳指带电粒子在电场作用下的移动。电泳可用于分离具有相同质荷比但不同的质量的分子。DNA片断是这样的分子的一个例子。

有多种使用电泳来分析DNA样品的市售仪器。这种类型中的一个是毛细管电泳(CE)仪器。通过在携带缓冲溶液的熔合的二氧化硅毛细管柱中使用电泳，与平板凝胶电泳方法相比，所需的样品的尺寸可明显变小而分离的速度和解析度可提高为几倍。经常通过将光线经毛细管壁指向到从样品中分离的已经被荧光材料标记的组分上，及检测由入射光诱发的荧光辐射来检测在CE中的这些DNA。辐射的强度代表样品中的该组分的浓度、数量及/或大小。在过去，为CE仪器发展了激光诱发荧光(LIF)检测方法。因为其比起其他检测方法而言的突出的灵敏度，荧光检测经常是基因学和蛋白学领域中所选择的检测方法。

设计基于CE的仪器的一些挑战涉及毛细管的支持和毛细管与支持元件(例如激发和检测光学器件)的对准。Biocal技术公司研发了一种基于CF的仪器和其中使用的多通道盒，其包括具有集成有试剂储池和激发辐射和光学检测器件的多个分离柱。(在美国专利申请10/059993和美国专利申请10/060052中描述了Biocal盒及系统，该两申请在此并为参考)。盒被设计为被仪器支持，而所用关键的盒元件都对准并偶接到在仪器中的支持元件。其希望在仪器中提供一种可靠和安全的接合机构以实现与盒的这种偶接。

发明内容

本发明提供一种在生物分离仪器中的接合机构，其实现对多通道盒的界面偶接。本发明的一个方面提供接合机构，其使盒相对由支持设备提供的支持元件(例如如高压的电源、气压、入射辐射和光学检测器件)精确地定位，并在盒中的各种元件及所述设备中的支撑元件之间实现自动的、可靠的和安全的对准和偶接。在盒被接合机构安全地接收之后，以可靠的自动的顺序，可靠地实现这样的对准和偶接。

在本发明的另一方面中，接合机构包括接合到所述盒上结构的气动的或机电驱动的致动器，以安全地偶接至少一个气压、高压、发光检测光学器件和激发辐射光学器件。在一实施例中，气动驱动致动器包括气体驱动活塞。在盒被接合机构安全地接收以后，开始连接顺序。在一实施例中，连接顺序由用户启动。可选择的，连接顺序可以自动响应盒被接合机构的安全接收而启动。提供一分离顺序以将支持元件从盒上分开，使得能把盒从仪器中安全地取出。

在本发明的又一实施例中，接合部为每个盒中的分离通道提供单独的高压和光学偶接，因而提供避免电学和光学上的串扰的通道对通道的隔离。

附图说明

为了更全面地了解本发明的本质和优点，以及使用的优选模式，应接合附图参考下面的详细描述。在下面的附图中，贯穿整个附图，相似的附图标记标示相似或类似的零件。

图1示出组成本发明的毛细管电泳系统的示意图；

图2示出根据本发明一实施例的毛细管电泳系统/机构的透视图；

图3示出控制系统的图示；

图4示出具有激发光纤的盒下部的透视图；

图5示出在连接激发光纤前的盒中部和下部的透视图；

图6示出在连接激发光纤后的盒中部和下部的透视图；

图7示出在连接毛细管前的图6中的组合的盒中部和下部的前透视图；

图8示出在连接毛细管后的盒中部和下部的前透视图；

图9示出具有凝胶储池的盒中部和下部的后侧透视图；

图10示出具有凝胶储池及前后盖的盒中部和下部的前透视图；

图11示出光学检测器件容纳在封闭壳体中的盒的前透视图；

图12示出具有激发及发光光学系统的图11中的盒的前侧透视截面图；

图13示出具有检测器系统的示意图的盒的透视截面图；

图14示出具有激发及发光系统的盒的前侧透视截面图；

图15示出图14中的部分A的放大图及图13中所示的盒部分A的透视截面图；

图16示出图13示出的盒部分B的透视截面图；

图17示出具有透镜、探针、毛细管和激发光纤的检测带的透视截面图；

图18示出在盒组件与接合机构上的相关组件之间的关系的示意性概观图；

图19A和19B示出按照本发明的另一实施例的盒的外部结构；

图20和21示出按照本发明一实施例的接合机构的后侧透视图；

图22A和22B示出接合机构的前透视图；

图23示出接合机构的前视图；

图24示出接合机构的后视图；

图25示出接合机构的侧视图；

图26示出沿图28中的线26-26取的接合机构的侧向剖视图；

图27示出接合机构的仰视图；

图28示出沿图23中的线28-28取的接合机构的部分顶视图及上侧剖视图，以示出接合机构的上半部分和下半部分；

图29示出接合机构的前支持块的后视图；

图30示出接合机构的前支持块的前视图；

图31示出接合机构的后支持块的前视图；

图32示出接合机构的后支持块的后视图。

具体实施方式

下面参考图示根据各种实施例描述本发明。当根据最佳实施例来描述本发明以达到本发明的目的时，本领域技术人员应认识到根据这些教导可以进行改变而不偏离本发明的精神或范围。

本发明提供一种生物分离仪器接合机构，其支持一多段盒。参考实施例，对本发明的描述集中在毛细管电泳及辐射诱发荧光，其为说明本发明的原理的目的而非限制。

CE概述

参考图1，示意性示出组成本发明的生物分离系统，更准确的说，毛细管电泳(CE)系统200。CE系统200通常包括毛细管分离柱22(例如200-500μm O.D.)，其确定分离通道36(例如25-200μm I.D.)。毛细管柱22可以由熔融二氧化硅、玻璃、聚酰亚胺或其他塑料/陶瓷/象玻璃一样的材料制成。分离柱22的内壁(即分离通道36的壁)可以涂覆一种材料，其能增大静电电荷以便于样品组分的电泳及/或电动迁移。分离通道36被填充分离支持介质，其可以仅仅是运转缓冲剂，或本领域已知的过滤凝胶基体。为了检测辐射诱发的荧光，凝胶基体包括荧光团，例如溴化乙锭。

毛细管柱22的一端浸入到运转缓冲剂/凝胶34的储池28中。毛细管柱22的另一端偶接到样品瓶26。应理解，可以在与CE系统20类似的系统中同样实现在另一实施例中所示的检测结构。而且，分离通道36可以是一个直的毛细管或者作为本发明的现在的优选模式的，具有在开口端最靠近凝胶储池的作为检测带的检测窗的一部分的微通道。辐射检测器24设置在毛细管壁的透明部分的外面位于检测带30上。激发光纤16从辐射源18(例如LED或激光)处延伸并指向在柱的壁的外侧的检测带30。电极12和14作为盒组件的零件偶接到缓冲剂储池26和凝胶储池28以完成电泳路径。

为了完整起见，简短地提到CE系统200的操作是足够的。在操作中，准备好的生物样品(例如DNA样品)直接从聚合酶链式反应(PCR)机器引入到毛细管柱离开检测带的远端，多种引入的方式并非本发明的部分(例如从样品储池的电动注入或使用注射泵的物理压力注入)。样品和荧光团结合。

当在电极12和14之间施加DC电势(例如1-30KV)时，样品在施加的电势下沿分离通道36移动(即如图1所示负电荷的DNA通过具有集成染料基体/荧光团的过滤凝胶朝正电极移动)并分成几组样品组分。分离的程度和沿分离通道36移动的距离取决于多种因素，例如样品组分的迁移移动能力、样品组分的质量和尺寸或长度，及分离支持介质。在分离通道36内的分离样品的驱动力可以是电泳、压力、或电渗流动(EOF)方式。

当样品到达检测带时，激发辐射通过激发光纤16指向检测带。样品组分发出的荧光的强度与各样品组分的浓度成比例(与荧光标记材料的数量成比例)。检测器24检测在与入射辐射不同的波长处发出的荧光的强度。可用已知的方法分析检测到的发出的辐射。对自动系统，控制器32控制CE系统200的操作。

基于CE系统的多毛细管盒

图2示出CE系统200(即DNA分析器)的概观透视图。按照本发明一实施例，CE系统200合并有接合机构300(在图2中仅示出后支持块363，其他如虚线结构所示意性和一般性表现出来以不遮掩盒100)。按照本发明一实施例接合机构300支撑多通道盒100，所述实施例提供对多通道分离柱的容易的操作并允许检测带与CE系统200的光学检测器件容易耦合。下面描述接合机构300的细节。全自动DNA分析系统200具有基座74。支撑模块式的X-Z样品操作托盘机构80，其使有96井的微滴定量板70和缓冲板72相对于由接合机构300支撑的多毛细管盒100移动。系统200提供对多通道分离柱的容易的操作，并允许检测带与CE系统200的光学检测器件容易耦合。CE系统200的操作，包括接合机构300，由控制器32控制。

根据本发明一实施例，在图3中示出CE系统200的控制器32的方框图。控制器包括作为A/D板(LED处理器)912的部分的处理器，其具有将从PMT178(图3)接收的检测信号转变为相应的数字信号的CPU 910，来自LED扫描PCBA接口914用于根据来自CPU 910的指示传递到和接收来自CE系统200的各部分的信号。A/D(LED处理器PCBA)接口912偶接到在接合机构300中的各致动器以控制和连接(使用接合机构300)至少高压电源76、气动装置78、马达控制(X-Z样品/缓冲托盘)80以及互锁装置(盒与传送门)61和62。A/D或LED处理器PCBA912也控制CE系统200的高压电源76以用于CE系统200的样品注入和电泳功能、电路914(LED扫描板)用于调制激发辐射源(即LED)921，及控制PMT检测器模块178。A/D(LED处理器PCBA)912还可以连接到外部的个人电脑918，电脑又使用BioCal的BioCalculator软件完成数据处理或另外的对CE系统200的控制功能，以控制自动多通道DNA分析器200的各种特征和功能。

控制器32的组件，除了PC218以外，可以包装为一个电路板64(图2)和冷却风扇62，装在CE系统200上并通过串行端口(未示出)电连接到PC 218上，或者它们可以作为在CE系统200外面的单独控制器模块的部分。CPU210及/或PC 218被编程以完成对CE系统200的各种控制功能和特征。在一实施例中，PC218可构建为为CE系统200提供用户控制接口(即用户启动接合机构300的连接顺序)。本领域技术人员能够完成给出此处公开的功能和特征的程序代码。在另一实施例中，控制器32或其组件可以合并为PC 218的部分。

毛细管盒

多通道毛细管盒200包括十二个由保持在盒主体内的毛细管140确定的检测带155(见图8，在图1中也示意性地以30显示出来)。盒100包括十二个通道的熔融二氧化硅毛细管阵列，其作为一次性的及/或便携式的、可更换的盒组装件100用于样品的分离和检测。图2所示的盒100具有12个长12-18cm的毛细管140。盒100成一体地具有顶部，对所有毛细管140公共的出口缓冲储池130，其通过接合机构300直接偶接到模块式的压缩气源78，例如惰性的、可共存的或不反应气体(例如氮、二氧化碳等)的可代替压缩气体盒或压缩泵。提供合适的压力管道，包括管子、压力阀及螺线管控制。(这种管道的细节省略，因为给出此处公开的系统200的功能、特征和操作，本领域技术人员能够构造出这样的管道)。压力源78向所有12个毛细管提供填充容纳在储池130中的过滤凝胶所需的气体压力，并在再填充过程中清除来自前面动作中的凝胶。取决于凝胶的粘性，可以通过充满凝胶的储池130向毛细管140施加直到40PSI的压力。盒的凝胶储池130具有对所有12个毛细管的内置公共电极阳极134(见图7和8)，当安装在系统200内时其通过接合机构300自动偶接到用于电泳的高压电源76(图2)。在盒100的相邻结构上的风扇或珀耳帖冷却器提供对盒的温度控制。盒具有用于空气流通(从仪器侧将温度受控的气体引入到盒)的通风孔(输入和输出)。电源66(图2)向CE系统200提供DC电力。

图4到16详细示出盒的组件的装配的具体情况(在中部120的盖146和148从视图中省略以显示内部组件)。这里对它们的描述是为说明的目的而非是限制的用意。图4示出盒100的下部主体110。在下部主体110的上端是开口126，通过它安放激发光纤116部分；在通过这些开口放好后，激发光纤116被粘接就位。(其他固定这些组件的方法也可使用)。在下部主体110的下端是阴极电极114，其也粘在下部110上(或夹物模塑为下部110的一部分)。毛细管140(图7)通过孔137插入并被引导到这些阴极电极114。端口343通过下面连同接合机构300描述的阴极接触342，提供对阴极114的外部接口。在提升为双波长型检测的情况中，对十二个毛细管的盒，有十二个的两倍一样多的激发光纤(即二十四个激发光纤)。这些激发光纤116定位于交替围绕十二个毛细管140。由于光纤开口126a和126b可以分别用于毛细管140的激发光纤116a和116b时，这一点可以看得更清楚。

图5示出在图4中的下部主体110上加入盒中部主体120。盒中部主体120设计为使得零件132不会阻碍激发光纤116或是毛细管140的路径。零件132具有提供间隙或不会包围激发光纤116的剪除部分。零件132还具有孔138，通过它安放毛细管140，这会在其他图示中示出。形成储池的部分的中部主体120的上端，也具有孔138，通过该孔安放毛细管140。

如图6所示，在盒的中部主体120安装到下部主体110之后，通过毛细管孔137、138和139安放被聚酰亚胺涂覆的毛细管140，直到它们达到下部主体110的下端(见图7)。毛细管140具有预烧制窗口，聚酰亚胺涂层被移除以提供检测窗口。可以用钉书钉136将毛细管140固定到盒的中部主体120。(也可以使用其他方法例如O形环固定这些组件)。在中部主体120的上端131是对延伸到储池的毛细管的公共阳极电极134。

图8示出分别具有组合的中部和下部主体110和120的盒。毛细管从中部主体120的顶部延伸(毛细管尖端141在开口131突出以为了储池)到具有阴极114的下部主体110的底部。还示出了毛细管的检测带155。激发光纤116被示出通过光纤开口126(同样见图4)直到V形槽部件装置150，在那里来自激发光纤的光线被指向毛细管。

在图9中，示出盒的后视图。盒集成有对所有毛细管的公共顶部/出口缓冲剂储池130。用O形环144作为密封，凝胶储池130附接到中部主体120上。凝胶储池130具有约18cc的容量并可以在每一侧具有透明的窗口以观察凝胶水平。作为盒组件的部分，盒100在中部主体120的顶部开口处具有一个公共阳极134而在下部主体110处具有多个阴极114。(也可以使用具有两个单独电极的其他的方式)。盒凝胶储池140具有对所有12个毛细管共用的内置阳极134，如下面要描述的那样，当安装到CE系统200中时，其通过设置在接合模块300中的接合机构内的阳极接触销304自动偶接到高压电源76以用于电泳。使用市售高压电源(即Emco)向充满凝胶的毛细管140产生0-20KV电场以用于电动注入及DNA片断的分离。

包含凝胶的储池130是密封的，例如在盒的主体上封闭密封，这允许盒在任一方向上拿持操作而不会有凝胶泄漏。(因为毛细管的微孔内的表面张力和高粘性，在毛细管尖端处的泄漏或暴露是微不足道的)。盒100具有清洗孔77，其从仪器偶接到清洗空气筒303(见图18)，而仪器从压力源78提供压缩气体到盒储池130内。这使得在每次分离运行前，压缩气体充满具有凝胶/缓冲剂溶液的毛细管，并在该过程中清洗掉上次运行的旧凝胶。该方法保证在盒储池内的凝胶正确地容纳；它也提供一种简单并可靠的接近凝胶储池，以及在施加高压以实现CE分离前提供足够的气体压力以便让凝胶充满毛细管的方法。取决于凝胶的粘性，通过充满凝胶的储池向毛细管施加直到40PSI的压力。如下面将要描述的，通过设置在储池130上的压力端口(孔)77，接合机构300提供气压对储池130的接合。

盒100还具有光学检测端口161，通过它安装检测检测器探针170(图11)。通过各个这些光学检测端口161，放置发光光学收集器件的微透镜166，随后是弹性体透镜保持器168。在光学检测端口161处，盒还具有活门盖或多通道开孔条142。开孔条142可以是约0.5mm厚的聚酯材料，其可防止灰尘颗粒或异物进入到光学收集区域。当包含光学收集器件的检测探针170进入盒中时，开孔142会打开。当从盒组装件中取出检测探针170时，开孔142会再次关闭。活门也可以是机械盖或窗，当它作为界面与仪器的光学检测器件偶接时它打开。

图10中示出组装盒的最后阶段，包括前盖146和后盖148。后盖148具有限定各光学检测端口的孔。在孔162上还有通风孔165，通过它冷却的空气流入到盒内以冷却毛细管。

图11和12示出盒100的后视图124，对发光检测探针170有更清楚的呈现。图12示出下部主体110是前后对称的(即看镜像的LEDs 184a和184b)。图13示出盒100的透视截面图，其中检测器探针170通过光纤连接器174和发光滤光片176偶接到单个的光电倍增管(PMT)178。

图14示出盒100的截面图以及激发和发光光学系统。盒100由建立在接合机构300中的支撑结构164支撑(同样见图22盒26)。当盒通过接合机构300中的支撑结构164安装到仪器中时，其成为与LED模块/筒组装件机械对准。盒的下主体110的结构提供将透镜镜筒组装件188与盒内的激发光纤光学对准或偶接的手段。激发系统包括使微球透镜182与各LEDs 184耦合。来自LEDs 184的激发光线通过激发光纤116指向毛细管的检测带155。发光系统包括发光收集光纤阵列170，其偶接在盒100的后侧122。

图19A和19B示出安装本发明另一实施例的盒101的外部结构。盒101的该实施例的功能特征和结构与前一实施例中描述的盒100中的那些非常相似。

激发系统

图15更详细地示出图14中的部分A。在图13中示出盒的部分A的透视截面图。激发系统由激发支撑结构164支撑，其在使用期间(如图11所示)安装到盒中(图10)。由于激发光纤116必须接受光线并沿着其朝向毛细管检测带155的路径引导光线，激发系统构建为允许所需的光线从LED184通过球透镜182进入激发光纤116。激发系统包括球透镜182、LED 184和弹性体弹簧190，这些都设置在透镜镜筒188内。活塞191支撑透镜镜筒188。活塞被支撑并克服在支撑结构164上的螺旋弹簧192而能自由地轴向移动。保持器194设置在活塞191的末端。LED引线196通过活塞191引入。在透镜镜筒188内，弹性体弹簧使LED 184偏置到球透镜182。放在激发支撑结构164上的螺旋弹簧192，在透镜镜筒188内提供轴向和倾斜柔量，这样使得球透镜182精确地位于圆锥形透镜座186的中心。这两个偏置力为激发光线从LED184通过球透镜182到激发光纤116的传导提供了更紧密的接触路径。

用于两个波长(对每个毛细管)的两个激发光纤116集成在盒100内，其具有固定的对准，非常靠近毛细管检测带155。当盒安装在CE系统200(即DNA分析器)中时，这两个激发光纤116连接到两个LEDs 184(即两个不同的颜色：526nm和473nm)。两种颜色可以被在检测模块(PMT模块178)的两色发光滤光片分开及检测。盒100具有用于DNA片断分析应用的单一颜色能力，并也可以被升级为对其他应用而具有两色检测能力。

检测系统

已经在此处并为参考的美国专利申请10/060052，更具体地指向时间交错/复合检测方案，该方案可以在设计应用盒100的CE系统200中采用。

图16更详细地示出图13中部分B的检测或发光。来自光源(例如LED184)的激发光线在激发光纤116中传播到毛细管140的检测带155。光纤套圈210加强并保护插入到V形槽部件150中的激发光纤116。两个激发光纤116可以被导入到一个V形槽部件150，两者都从该V形槽部件的两个较低角位的开口引导光线。(美国专利申请10/319803更详细地公开了对毛细管的光学检测器件的另外的实施例)。对准每个带毛细管的激发光纤的优选实施例是一个单独的模块特征加工的V形槽，其以相互精确对准的方式既套入毛细管也套入光纤。可通过使用铸造零件加工或通过注入成型来制造该模块。也可以使用交叉钻孔的螺丝车床，其中毛细管和光纤会装载在精确加工的孔中而不是在V形槽里。

当激发光线被导入到检测带155(也见图17)，检测系统在相对激发平面90度处检测发出的光或发光信号。由于发光光纤180在液体或凝胶的外面，因而需要使发光光束平行的光学准直器件。激发光纤116的数值孔径决定投入到在靠近检测带的凝胶内的功率密度的大小。激发光源可以是LED184，其较便宜，或者激光器(可以是固体激光器、气体激光器、染料激光器等)。在检测带上来自分离的组分或被分析物的荧光辐射被通过微透镜166和167收集，并通过辐射收集光纤180导向检测器。用套圈208将光纤180保持在检测器探针170内的适当位置。如下面要讨论的那样，由接合机构300启动检测器探针170。隔板206在两个球透镜166和167之间。可选择的，可以采用单一球透镜耦合。毛细管140可以具有透明的壁或者设置有透明窗口的不透明壁以将辐射导向微透镜166和167(或者可选择的，使用单一微球透镜166)。透镜166用于收集辐射并优选具有高的收集角特性(例如来自Swiss珠宝公司型号#B2.00的折射率n＝1.76的蓝宝石微透镜，其具有高数值孔径(N.A.)的短焦距)。透镜167用于将蓝宝石透镜产生的准直后的发射光线耦合到发光光纤180(例如，可以从Swiss珠宝公司得到的BK-7微透镜)。然后，具有比激发光更高波长的(例如570nm-630nm)的荧光在经过色彩分离(例如使用570-630nm)长通发光滤光片后，被内芯较大的光纤180(370μm O.D.，0.22NA光纤，但在100-1000μm O.D.，0.12-0.5NA的范围也可以)发送到检测器178(例如R5984Hamamatsu光电倍增管(PMT))。发光信号被发光光纤180传递进入检测器模块178，在那里它们被一个或多个发光滤光片176过滤并以时间复合(时间交错)方式读出(检测出)。如图13示出及描述的那样，可以更清楚地看到检测光纤180与光学检测系统偶接。

接合机构

本发明的接合机构完成对包含一次性凝胶的毛细管盒100的快速及可靠的接合部连接。这些接合部连接包括气体压力输送连接、高压连接及精密光学连接。接合部也提供对盒的精确及可重复的机械定位，以使盒的组件相对CE系统200中的支撑元件精确定位，包括例如使毛细管尖端相对建立在96井微滴定量盘上的外部样品或缓冲剂储池定位。另外，接合部对每个分离通道提供单独的电学及光学偶接，因而提供通道对通道的隔离以避免电学上和光学上的串扰，以及对仪器的其他部分对高压的隔离。

本发明的一方面提供接合机构，其使盒相对由支持仪器提供的支持元件(例如、高压、压缩气体、入射辐射及检测器)精确定位，并在盒的各种组件与仪器中的支持元件之间实现自动的、可靠的以及安全的对准和连接。在盒被接合机构安全地接收后，能够以可靠的自动顺序，可靠地完成这种对准及连接。

在本发明的另一方面中，接合机构包括气动或机电驱动致动器用于将结构接合在盒上，以安全地偶接至少一个气压、高压、发光光学检测器件、和激发辐射光学器件。在一实施例中，气动驱动致动器包括气体驱动活塞。

在本发明的又一方面中，接合部对盒中的每个分离通道提供单独的高压及光学偶接，因而提供通道对通道的隔离以避免既电学上也光学上的串扰。

图18提供了各种盒组件与接合部中的功能组件的关系的概观图。在该实施例中，所有机械致动都是气动驱动的，特别是，通过合适的压力管及螺线管控制阀由压力源78(图2)气体驱动，其可以是多个气动致动器的一部分。由于高压线向盒提供高压电流的存在，气动驱动致动器更容易集成到接合机构中。电动机械、手动机械及其他致动器也可以作为选项，而不偏离本发明的范围和精神。

如图18中所示，接合机构包括与盒的相关组件对准和接合的下列主动元件：

(a)清洗空气活塞筒303通过清洗空气筒到储池清洗孔77的O形环耦合，向盒储池130提供压缩气体(例如氮气)。该清洗空气筒303包括气动驱动的活塞。

(b)高压阳极接触304和筒305-两个轴向顺从的接触304通过阳极接触端口306向公共阳极134提供高压连接。接触304的形态为各安装在气动驱动活塞筒305上的装有弹簧的单高跷销。

(c)定位器活塞筒309-两个气动驱动的活塞筒309推动盒100，从而圆锥柱形前端307与盒中部120的圆锥形座310配合以将盒100相对接合机构300和CE系统200精确定位。

(d)激发源(LED)筒188：12个筒188(或者，在每通道两个激发波长的情况中，为24个筒)，其每个容纳一直接耦合到筒内的LED 184的球透镜182，垂直安装在接合机构300中的弹簧192(图15所示)上。弹簧192提供将球透镜182与在盒下部110中的配合圆锥形座186被动对准所需的轴向柔量，由此实现12个独立的激发光学器件与盒100的耦合。对每个筒的径向柔量由安装设计实现，该安装设计允许在球透镜182进入盒下部110的圆锥形座186时筒188的倾斜偏转(透镜座186)。LEDs 184都装有弹簧即在筒188中带弹性体弹簧190，这对每个透镜筒组装件188提供独立的柔性力以用于与盒100中的激发光纤116的可靠的及可重复的对准。盒具有所有适当的圆锥形类型特征(即圆锥形透镜座186)以从CE系统200接受装有弹性体弹簧的LEDs 184。在未示出的另一实施例中，LED源筒188可以由例如此处描述的用于其他筒的气动致动器那样的致动器来激发。

(e)发光检测探针170和活塞筒320-盒100具有对准特征以便容易与系统200内的微光学检测模块对准。12个探针170，其每个容纳连接到光纤180(见图16和17)的球透镜166，支撑在机架371上(见图20、22、26)，该机架由一对气动驱动的活塞筒320机械驱动，该活塞筒向探针170提供平行致动以用于偶接盒100的检测端口160。在一实施例中，在每个探针170的尖端的球透镜166与盒100中的每个毛细管140处的圆锥形座配合。例如通过提供如激发源筒188的情形中的弹性体弹簧，每个探针170都既在轴向上也在径向上有独立柔量。各光纤的远端耦合到PMT组装件178。

(f)阴极接触304和筒342-与高压阳极接触304类似，12个有轴向柔量的接触340通过阴极接触端口343提供对盒100中的12个阴极114的偶接。每一个阴极接触340的形态为安装在活塞筒342中的装有弹簧的单高跷销。所用12个活塞筒都机械支撑在机架373(见图20、22、26)，该机架由一对气动驱动的活塞344(示意性示出)机械驱动，该活塞向筒342提供平行致动以用于偶接盒100的阴极114。

图20-32示出按照本发明一实施例的接合机构300的实际结构的透视设计图示。接合机构300通常包括前支持模块360和后支持模块363。在图示中示出使用相似的附图标记标示上述相关组件。请注意到在这些图示中，以小瓶的形式示意性表示样品/缓冲剂井70和72。

图20和21示出接合机构的后侧透视图。在该实施例中，在后支持模块363上设置冷却管365以通过在盒100中的通风孔165向盒中的毛细管140提供致冷空气(在图10和12中示出)。还参考图31，管道365扩大到盖在盒100上的通风孔165的充气空间367。管道365连接到与适当的冷却空气泵或风扇(未示出)耦合的外部管道上。引线370从LED源筒188延伸出来。连接器模块179设置在后支持模块363上，用于容纳准直微透镜阵列及将光纤180耦合到检测探针170上。

图22A和22B示出接合机构300的前透视图。气体导管177设置在接合机构300的前支持模块360上，以将压缩气体耦合和分配到上述致动器上。管道设备包括未在图示中示出的管子。

图23示出接合机构的前视图。图24示出接合机构300的后视图。图25示出接合机构300的侧视图。图26示出沿图28中的线26-26取的接合机构300的侧向剖视图。图27示出接合机构300的仰视图。图28示出沿图23中的线28-28取的接合机构300的部分顶视图及上侧剖视图，以示出接合机构300的上半部分和下半部分。各种视图提供对接合机构300的结构的补充细节。

接合机构300的前和后支持模块360和363设置有孔以接受上述各种筒及/或致动器。孔的位置与盒100的相关组件相匹配。

图29示出接合机构300的前支持块360的后视图。图30示出接合机构300的前支持块360的前视图。图31示出接合机构300的后支持块363的前视图。图32示出接合机构300的后支持块363的后视图。如从图28和19A中的视图中看得最清楚的，斜面381和382设置在后支持模块363上而斜面383和384设置在前支持模块364上以接受在盒100每一侧上的斜边391和392(组合成V形侧边的形态)。支持块360和363从这里提供的各种视图中可以看得很清楚。

接合机构的操作

用本发明的接合机构，仪器的操作变得更简单、更可靠及可重复。具有相对分离通道自我容纳、预对准的光学器件的盒，可以以确实的安全的方式容易地被收纳到CE系统200中，使得能改善与CE系统200的外部组件的对准，并保证以自动顺序完成与支持元件的可靠连接。

盒100被用手垂直放置在接合机构300的顶部的开口。任选的，遮盖盒100的顶部的铰链门或安全闩350(图26中示出)设置在接合机构300中。安全闩通过互锁开关与接合机构300电学互锁61(图3)以防止盒100意外掉出，由此避免危险情况。盒100被搁在装有弹簧的激发源(LED)筒188的最高位置。如果设置了安全闩，操作者手动关闭门由此启动互锁开关。可选择的，为代替遮盖盒顶部的闩，可以在接合机构300上设置互锁安全闩其锁在盒上的互补构造上。

当盒被接合机构300安全接收后，来自计算机918的BioCalculator(用户界面)软件启动连接或接合顺序。在一实施例中，接合顺序由操作者从操作者的控制屏(即在PC918上)手动启动。可以在控制屏的用户界面上显示标记，指示出盒100被安全装入接合机构300中。可选择的，可以自动响应盒被接合机构的安全接收(例如，由传感器的反馈信号)而启动接合顺序。

启动接合顺序后，按照本发明一实施例，自动执行以下的顺序。定位器销308的尖端307被定位器筒309启动而与盒100上的定位器座310接合，由此将盒100精确定位在相对接合机构300的最终的对准位置以用于剩下的接合筒以后的接合。该定位的第二个效果是激发源(LED)筒188的最终位置设定。可以在操作者控制屏上显示定位器筒309对定位器座310的固定接合的状态。

可以将其他活塞筒与盒100一起或以预定顺序接合。此阶段可包括下面部分：

(a)清洗空气活塞筒303被启动而与盒储池130接合。

(b)高压阳极接触筒305启动阳极接触304而通过阳极接触端口与盒阳极134接合。

(c)发光检测探针活塞筒302(概要示出)启动检测探针170而与每个毛细管的圆锥形座都接合。

(d)阳极接触活塞筒342启动阳极接触340而通过阳极接触端口343与盒中的阳极114接合。

由此完成支持元件与盒的相关组件的接合。各接口的接合顺序可以不同于与上述实施例中的顺序，而不偏离本发明的范围和精神。几个接合可形成一组而被一起启动。

提供分离顺序以将支持元件从盒上分开，允许从CE系统200中的接合机构300中安全地取出盒。盒的脱离由操作者从控制屏上手动启动并按照基本上与上述顺序相反的顺序。

CE系统操作

用电动方法完成样品的注入。高压电源76用于向充满凝胶的毛细管提供0-20KV的电场以用于电动注入和DNA片断的分离。12个LED的每个的宽带光能(FWHM＝47nm)由单独的光传输光纤(多模二氧化硅或塑料200微米Core光纤，0.22NA)传递到在盒100中的每个毛细管检测带以用于单独的DNA片断的激发。

在操作中，具有96井盘(8×12)70和72的样品操作托盘传送机构80，用于将增强的DNA样品(或被分析物)引入到每个毛细管140中。X-Z传送机构80使一排带有样品的井位于毛细管尖端下并使尖端浸入井中。通过施加电压，电动注入移动一已知数量的DNA样品到分离柱140的起点。在注入后，可以用来自托盘70的运行缓冲剂代替来自样品托盘72的DNA样品。或者，在注入后，传送机构80可以使一排包含缓冲溶液的12个井移动到盒下的位置以代替包含DNA样品的12个井。通过在毛细管140的全长上施加高压，完成DNA样品到DNA片断的分离。当片断接近毛细管140的端部并进入检测带155，来自各个12个LED184的激发光能通过光传输光纤116从检测窗外射入，照射从样品托盘72中移入的DNA片断。当12个(或者，在双波长检测的情况中，24个)LEDs 184是时间复合时(具有1-100Hz取样频率)，与12个发光检测光纤180耦合的12个发光信号会通过12光纤束组件(看美国申请序号10/060052)以时间交错的方式到达单个PMT178。

为了准备不同样品的下次运行，通过向储池加压而给毛细管填充新鲜凝胶，将前面运行中的旧凝胶从毛细管中清除。托盘70和72运送清洗溶液、废水收集以及样品。通过将收集毛细管的尖端定位在托盘之一中的一排废物收集井，可以用托盘70和72之一收集清洗凝胶。通过将毛细管的尖端定位并浸入到适当的托盘的井中的溶液内，可以用水或清洗溶液清洗毛细管的尖端。当毛细管被再充满并为下次运行做好准备时，通过重新定位托盘70或72，将毛细管的尖端浸入到样品中。此过程的上述顺序可被编程，作为控制器32的一个自动功能。如上所述，接合机构300提供CE系统200中的支持元件到盒的接合，例如高压、气压、LED辐射源和光学检测器件。

已经参考优选实施例详细示出及描述了本发明，本领域技术人员应该理解，可以不偏离本发明的精神、范围和教导，可以在形式和细节上做出各种改变。包括本发明概念的接合机构可以改装以接受其他结构设计的毛细管盒。本领域技术人员应认识到构成本发明的精髓的仪器除了可用于DNA分析外，也可以用于双分子分析。例如，通过改变分离凝胶或缓冲剂，仪器也可改装为分析双分子，例如蛋白质、碳水化合物及脂类。

通过举例而非限制，描述了与毛细管电泳及辐射诱发荧光检测有关的本发明的检测方案。应该理解，本发明也可用用检测基于除电泳外的生物分离现象而被分离的被分析物，以及除发出荧光外的发出辐射的检测，包括其他类型的发出辐射例如磷光、冷光和化学发光，以及基于吸收的检测。

另外，虽然在上述实施例中的分离通道由圆柱形柱或管确定，应理解，本发明概念可同样应用于由通道确定的分离通道，例如通过在基板(微射流型装置或生物芯片)上蚀刻来确定微通道(例如正方形、矩形或大致上半圆形横截面的)。

传送机构可构建为在水平平面上移动托盘，可以提供另外一个传送机构来垂直移动盒以接近托盘。

因此，所揭示的本发明被认为是仅为说明性的并仅被所附权利要求指明的范围所限定。

Claims

1.一种用于将一毛细管盒的至少一个相关组件与至少一外部组件接合的接合机构，所述外部组件提供对生物样品的生物分析过程所需的支持元件，所述接合机构包括：

支撑结构，其支持盒相对于外部组件；

至少一由支撑结构支撑的偏置装置，该偏置装置支撑并使外部组件向毛细管盒的相关组件偏置，由此使盒能够利用支撑元件以实施生物分析过程。

2.如权利要求1所述的接合机构，其中偏置装置包括柔性件，在毛细管盒被支撑结构支撑时，该柔性件支撑并使外部组件向毛细管盒的相关组件偏置。

3.如权利要求2所述的接合机构，其中外部组件能获得入射辐射。

4.如权利要求1所述的接合机构，其中偏置装置包括操作性耦合到外部组件上的致动器。

5.如权利要求4所述的接合机构，其中致动器包括至少气动致动器、机电致动器和机械致动器其中之一。

6.如权利要求5所述的接合机构，还包括操作性耦合到气动致动器上的压缩气体源。

7.如权利要求5所述的接合机构，其中致动器还包括使外部组件向毛细管盒偏置的柔性件。

8.如权利要求1所述的接合机构，其中外部组件与包括至少电源、压缩气体、入射辐射、光学检测器件其中之一的支持元件相关。

9.如权利要求1所述的接合机构，其中毛细管盒包括多个分离通道，其中支撑结构支持毛细管盒相对于多个外部组件，其中每个外部组件与一支持元件相关，至少一个外部组件与每个分离通道相关。

10.如权利要求9所述的接合机构，其中与各外部组件相关的支持元件包括至少电源、压缩气体、激发辐射、光学检测器件其中之一。

11.如权利要求9所述的接合机构，其中多个外部组件与每个分离通道相关，该多个外部组件与多个支持元件相关，该多个支持元件包括对每个分离通道的至少电源、压缩气体、激发辐射、光学检测器件其中之一。

12.如权利要求9所述的接合机构，其中至少一个支持元件可由一外部组件利用，该外部组件与其他外部组件分开，所述其他外部组件与其他分离通道能利用的类似支持元件相关。

13.如权利要求12所述的接合机构，其中外部组件使毛细管盒的相关组件可利用至少入射辐射、光学检测器件和电源其中之一。

14.如权利要求9所述的接合机构，其中至少该多个外部组件之一与毛细管盒的一相关组件相关，毛细管盒对该多个分离通道而言是公共的。

15.如权利要求14所述的接合机构，其中所述至少一个外部组件使毛细管盒的相关组件利用至少高压和压缩气体其中之一。

16.如权利要求1所述的接合机构，其中支撑结构包括定位装置及一致动器其将定位装置向毛细管盒偏置以使毛细管盒相对于外部组件确实定位。

17.如权利要求16所述的接合机构，其中接合机构还包括控制偏置装置和定位装置的操作的控制器，其中控制器构建为在启动偏置装置而使外部装置向毛细管盒的相关组件偏置之前，启动定位装置以使毛细管盒确实定位。

18.如权利要求1所述的接合机构，其中支撑结构设置有冷却管道，其操作性耦合到毛细管盒上以将致冷气体导向毛细管盒。

19.一种对毛细管盒中的生物样品实施生物分析过程的生物分析系统，包括：

用于样品的支撑件；

将毛细管盒接合到生物分析过程所需的支持元件上的接合机构，包括：

至少一外部组件，其使得能够得到生物分析过程所需支持元件；

支撑结构，其支撑盒相对于外部组件及样品；

由支撑结构支撑的至少一偏置装置，该偏置装置支撑并使外部组件向毛细管盒的相关组件偏置，由此使盒能利用支持元件而实施生物分析过程；及

控制毛细管盒中的生物分析过程的控制器，包括接合机构的控制操作。

20.如权利要求19所述的生物分析系统，其中接合机构包括在系统中的所有光学器件。