ES2863590T3 - Dispositivo de detección, sistema de detección y método - Google Patents

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Peter D Ludowise
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Abstract

Dispositivo de detección (10) que comprende: un disco (13) que tiene una cámara acumuladora (125) separada de una cámara de proceso (129) por medio de una válvula (127); un motor (126) para hacer girar el disco (13), y una única fuente de energía (51) configurada para producir energía electromagnética en un primer nivel de energía para determinar una posición del disco (13) y un segundo nivel de energía para abrir la válvula (127) para permitir que fluya fluido de la cámara acumuladora (125) a la cámara de proceso (129), en donde el primer nivel de energía es diferente del segundo nivel de energía.

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo de detección, sistema de detección y método
Campo técnico
La invención se refiere a sistemas de ensayo y, más particularmente, a técnicas para controlar el flujo fluido durante la detección de múltiples especies objetivo usando colorantes fluorescentes.
Antecedentes
Los sistemas de disco óptico se usan frecuentemente para realizar diversos ensayos biológicos, químicos o bioquímicos. En un sistema típico se usa un disco giratorio como un medio para almacenar y procesar muestras de fluido, tales como sangre, plasma, suero, orina u otro fluido. En algunos casos, los fluidos en el disco pueden necesitar moverse de un lugar a otro durante el procesamiento.
Un tipo se análisis es la reacción en cadena de polimerasa (PCR), que se usa frecuentemente para análisis de secuencias de ácidos nucleicos. En particular, la PCR se usa a menudo para secuenciación de ADN, clonación, mapeo genético y otras formas de análisis de secuencias de ácidos nucleicos.
En general, la PCR depende de la capacidad de las enzimas que copian en ADN para permanecer estables a altas temperaturas. Existen tres etapas principales en la PCR: desnaturalización, hibridación y extensión. Durante la desnaturalización, una muestra líquida se calienta a aproximadamente 94°C. Durante este proceso, las hebras de ADN doble se “funden” abriéndose en ADN monocatenario y todas las reacciones enzimáticas se detienen. Durante la hibridación, el ADN monocatenario se enfría hasta 54°C. A esta temperatura, los cebadores se unen o “hibridan” en los extremos de las hebras de ADN. Durante la extensión, la muestra se calienta hasta 75°C. A esta temperatura, los nucleótidos se agregan a los cebadores y eventualmente se forma a una copia complementaria del molde de ADN.
Hay diversos instrumentos de PCR existentes diseñados para determinar niveles de secuencias específicas de ADN y ARN en la muestra durante la PCR en tiempo real. Muchos de los instrumentos se basan en el uso de colorantes fluorescentes. En particular, muchos instrumentos de PCR en tiempo real convencionales detectan una señal fluorescente producida proporcionalmente durante la amplificación de un producto de PCR.
Los instrumentos de PCR en tiempo real convencionales usan diferentes métodos para la detección de diferentes colorantes fluorescentes. Por ejemplo, algunos instrumentos de PCR convencionales incorporan fuentes de luz blanca con ruedas filtrantes para resolver espectralmente cada colorante. Las fuentes de luz blanca son bulbos de halógeno de tungsteno, los cuales tienen un tiempo de vida máximo de unas pocas miles de horas. Las ruedas filtrantes son partes electromecánicas normalmente complicadas que son susceptibles al desgaste.
El documento US2005130177 da a conocer dispositivos de procesamiento de muestreo con estructuras de válvula variables y métodos de uso de los mismos. Las estructuras de válvula permiten retirar porciones seleccionadas del material de muestra ubicado en la cámara de proceso formando una apertura en un septo de válvula en una ubicación deseada.
El documento US2002047003 da a conocer dispositivos, sistemas y métodos para procesar materiales de muestra que están ubicados en una pluralidad de cámaras de proceso en el dispositivo, que se hace girar durante el calentamiento de los materiales de muestra.
Sumario
La invención se define por el objeto de las reivindicaciones independientes 1 y 12. Se definen realizaciones preferidas en las reivindicaciones dependientes. En general, la invención se refiere a técnicas para la detección de múltiples especies objetivo en la PCR (reacción en cadena de polimerasa) en tiempo real, denominada en el presente documento PCR múltiple. En particular, se describe un dispositivo de detección de fluorescencia múltiple que incorpora una pluralidad de módulos ópticos. Cada uno de los módulos ópticos puede optimizarse para la detección de un colorante fluorescente respectivo en una banda de longitud de onda discreta. En otras palabras, los módulos ópticos pueden usarse para emitir impulsos a múltiples reacciones paralelas en diferentes longitudes de onda. La reacción puede, por ejemplo, ocurrir en una cámara de proceso simple (por ejemplo, receptáculo) de un disco giratorio. Adicionalmente, cada módulo óptico puede retirarse para cambiar rápidamente las capacidades de detección del dispositivo.
La pluralidad de módulos ópticos puede acoplarse ópticamente a un único detector por medio de un haz de fibras ópticas de hilos múltiples. En esta forma, la multiplexión puede lograrse usando una pluralidad de módulos ópticos y un único detector, por ejemplo, un tubo fotomultiplicador. Los componentes ópticos en cada módulo óptico pueden seleccionarse para maximizar la sensibilidad y minimizar la cantidad de diafonía espectral, es decir, señales de un colorante a otro módulo óptico.
El dispositivo también incluye un sistema de control de válvulas mediante láser para mapear y abrir válvulas en el disco. El sistema de control de válvulas de control láser puede tener dos configuraciones de potencia. En una configuración de baja potencia, el sistema emite un rayo láser que se detecta por el detector a través de una ranura en el disco para mapear la posición del disco con respecto a la plataforma giratoria que hace girar el disco. El mapa puede usarse entonces para localizar válvulas seleccionadas que separan dos o más cámaras en el disco. Una vez localizado, el sistema de control de válvulas de control láser puede enfocar luz láser de mayor energía sobre una válvula para abrir la válvula y permitir que el contenido fluya de una cámara acumuladora a una cámara de proceso mientras se hace girar el disco.
En una realización, un dispositivo comprende un motor para hacer girar un disco que tiene una cámara acumuladora separada de una cámara de proceso por medio de un canal que tiene una válvula y una fuente de energía que produce energía electromagnética en un primer nivel para determinar una posición del disco y en un segundo nivel para abrir la válvula para permitir que el fluido fluya de la cámara acumuladora a la cámara de proceso.
En otra realización, un sistema comprende un dispositivo de adquisición de datos. El sistema adicionalmente comprende un dispositivo de detección acoplado al dispositivo de adquisición de datos, en donde el dispositivo de detección comprende un motor para hacer girar un disco que tiene una cámara acumuladora separada de una cámara de proceso por medio de un canal que tiene una válvula; una fuente de energía que produce energía electromagnética para determinar una posición del disco y abrir la válvula para permitir que un fluido fluya de la cámara acumuladora a la cámara de proceso; y un detector que produce una señal tras la detección de la energía electromagnética.
En una realización adicional, un método comprende hacer girar un disco que tiene una cámara acumuladora separada de una cámara de proceso por medio de un canal que tiene una válvula; emitir energía electromagnética en un primer nivel para determinar una posición del disco; y emitir energía electromagnética en un segundo nivel para abrir la válvula para permitir que el fluido fluya de la cámara acumuladora a la cámara de proceso.
La invención puede proporcionar una o más ventajas. Por ejemplo, el sistema de control de válvula láser puede usarse para localizar la posición exacta del disco y crear un mapa de la posición del disco. Además, el sistema puede usar entonces el mapa para colocar el láser sobre las válvulas en el disco para abrirlas según sea necesario. Esta técnica de autocalibración puede reducir el tiempo de operación y aumentar la precisión del láser.
Mientras que el dispositivo puede ser capaz de realizar PCR en tiempo real, el dispositivo puede ser capaz de analizar cualquier tipo de reacción biológica mientras ocurre. El dispositivo puede ser capaz de modular la temperatura de cada reacción independientemente o como un grupo seleccionado, y el dispositivo puede ser capaz de soportar múltiples etapas de reacciones mediante la inclusión de una válvula entre dos o más cámaras.
En algunas realizaciones, el dispositivo puede ser portátil y robusto para permitir el funcionamiento en áreas remotas o laboratorios temporales. El dispositivo puede incluir un ordenador de adquisición de datos para analizar las reacciones en tiempo real, o el dispositivo puede comunicar los datos a otro dispositivo a través de interfaces de comunicación alámbricas o inalámbricas.
Los detalles de una o más realizaciones de la invención se presentan en los dibujos adjuntos y en la siguiente descripción. Otras características, objetos y ventajas de la invención serán evidentes a partir de la descripción y dibujos y a partir de las reivindicaciones.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es un diagrama de bloques que ilustra una realización de ejemplo de un dispositivo de detección múltiple de fluorescencia.
La figura 2 es un diagrama esquemático que ilustra un módulo de detección de ejemplo, que puede corresponder a cualquiera de una pluralidad de módulos de detección del dispositivo de detección de fluorescencia de la figura 1.
La figura 3 es un diagrama en perspectiva que ilustra una vista frontal de un conjunto de ejemplo de módulos ópticos que pueden retirarse dentro del alojamiento del dispositivo.
La figura 4 es un diagrama en perspectiva que ilustra el conjunto de ejemplo de los módulos ópticos que pueden retirarse dentro del alojamiento del dispositivo.
La figura 5 es un diagrama en perspectiva que ilustra una vista lateral frontal de un conjunto de ejemplo de módulos ópticos que pueden retirarse que tienen un módulo retirado para exponer un conector de módulo.
La figura 6 es un diagrama en perspectiva que ilustra los componentes dentro de un módulo óptico principal que puede retirarse de ejemplo.
La figura 7 es un diagrama en perspectiva que ilustra los componentes dentro de un módulo óptico que puede retirarse suplementario de ejemplo.
La figura 8 es una ilustración de la vista lateral de un conjunto de ejemplo de módulos ópticos que pueden retirarse dentro del alojamiento del dispositivo con el sistema de control de válvulas mediante láser localizado sobre una ranura en el disco.
Las figuras 9A y 9B ilustran las cámaras y válvulas de dos discos de ejemplo que pueden usarse para contener muestras dentro del dispositivo de detección.
La figura 10 es un diagrama de bloques que ilustra una realización de ejemplo del dispositivo de detección de fluorescencia múltiple en detalle adicional.
La figura 11 es un diagrama de bloques del detector simple acoplado a cuatro fibras ópticas del haz de fibras ópticas.
La figura 12 es un diagrama de flujo que ilustra un funcionamiento de ejemplo del dispositivo de detección de fluorescencia múltiple.
La figura 13 es un diagrama de flujo que ilustra un funcionamiento de ejemplo del sistema de control de válvula láser para el dispositivo de detección.
La figura 14A es un diagrama cronológico que ilustra un método de ejemplo para detectar los bordes interno y externo de una ranura en un disco.
La figura 14B es un diagrama de ejemplo de una ranura de disco.
La figura 14C es un diagrama cronológico que ilustra un método de ejemplo para determinar la posición inicial de un sistema de control de válvulas mediante láser.
La figura 15 es un diagrama de flujo que ilustra la determinación de ejemplo de la posición inicial de un sistema de control de válvulas mediante láser.
Las figuras 16 y 17 muestran los espectros de absorción y emisión de colorantes fluorescentes comúnmente usados que pueden utilizarse para la PCR múltiple.
Las figuras 18A y 18B ilustran datos sin procesar adquiridos de dos módulos de detección de ejemplo con un único detector durante un análisis de PCR.
La figura 19 es una gráfica que muestra los datos una vez ajustados para un desajuste de tiempo.
La figura 20A y 20B muestra un límite de detección (LOD) para los datos recibidos de dos módulos de detección de ejemplo.
Descripción detallada
La figura 1 es un diagrama de bloques que ilustra una realización de ejemplo de un dispositivo de detección múltiple de fluorescencia 10. En el ejemplo ilustrado, el dispositivo 10 tiene cuatro módulos 16 ópticos que proporcionan cuatro “canales” para la detección óptica de cuatro colorantes diferentes. En particular, el dispositivo 10 tiene cuatro módulos 16 ópticos que excitan diferentes regiones del disco 13 giratorio en un tiempo dado, y recolectan energía de luz fluorescente emitida en diferentes longitudes de onda de los colorantes. Como resultado, los módulos 16 pueden usarse para emitir impulsos a múltiples reacciones paralelas que ocurren en la muestra 22.
Las reacciones múltiples pueden, por ejemplo, ocurrir simultáneamente en una única cámara de un disco 13 giratorio. Cada uno de los módulos 16 ópticos emite impulsos a la muestra 22 y recolecta energía de luz fluorescente en diferentes longitudes de onda al girar el disco 13. Por ejemplo, las fuentes de excitación en los módulos 16 pueden activarse secuencialmente durante periodos suficientes para recolectar datos en las longitudes de onda respectivas. Es decir, un módulo 16A óptico puede activarse durante un periodo de tiempo para recolectar datos en un primer intervalo de longitudes de onda seleccionado para un primer colorante que corresponde a una primera reacción. La fuente de excitación puede desactivarse entonces y una fuente de excitación en el módulo 16B puede activarse para emitir impulsos a la muestra 22 en un segundo intervalo de longitudes de onda seleccionado para un segundo colorante que corresponde a una segunda reacción. Este proceso continúa hasta que los datos se han capturado de todos los módulos 16 ópticos. En una realización, cada una de las fuentes de excitación en los módulos 16 ópticos se activa durante un periodo inicial de aproximadamente dos segundos para alcanzar el estado estacionario seguido por un periodo de emisión de impulsos que dura 10-50 rotaciones del disco 13. En otras realizaciones, las fuentes de excitación pueden secuenciarse durante periodos más cortos (por ejemplo, 1 o 2 milisegundos) o más largos. En algunas realizaciones puede activarse más de un módulo óptico simultáneamente para la emisión de impulsos concurrentes de la muestra 22 sin detener la rotación del disco 13.
A pesar de que se ilustra una sola muestra 22, el disco 13 puede contener una pluralidad de cámaras que contienen muestras. Los módulos 16 ópticos pueden emitir impulsos a algunas o todas las diferentes cámaras en diferentes longitudes de onda. En una realización, el disco 13 incluye un espacio de 96 cámaras alrededor de una circunferencia del disco 13. Con un disco de 96 cámaras y cuatro módulos 16 ópticos, el dispositivo 10 puede ser capaz de adquirir datos de 384 especies diferentes.
En una realización, los módulos 16 ópticos incluyen fuentes de excitación que son diodos de emisión de luz (LED) de alta potencia no caros, los cuales están comercialmente disponibles en una variedad de longitudes de onda y tiene tiempos de vida largos (por ejemplo, 100.000 horas o más). En otra realización, los bulbos de halógeno convencionales o lámparas de mercurio pueden usarse como fuentes de excitación.
Tal como se ilustra en la figura 1, cada uno de los módulos 16 ópticos puede acoplarse a un hilo del haz 14 de fibras ópticas. El haz 14 de fibras ópticas proporciona un mecanismo flexible para recolectar señales fluorescentes de los módulos 16 ópticos sin pérdida de sensibilidad. En general, un haz de fibras ópticas comprende múltiples fibras ópticas dispuestas de lado a lado y unidas entre sí en los extremos y encerradas en un revestimiento protector flexible. Alternativamente, el haz 14 de fibras ópticas puede comprender un número menor de fibras de modos múltiples de diámetro mayor, discretas, ya sean de vidrio o de plástico, con un extremo común. Por ejemplo, para un dispositivo de cuatro de módulos ópticos, el haz 16 de fibras ópticas puede comprender cuatro fibras discretas de modos múltiples, cada una con un diámetro de núcleo de 1 mm. El extremo común del haz contiene las cuatro fibras unidas entre sí. En este ejemplo, la apertura del detector 18 puede ser de 8 mm, lo cual es más que suficiente para acoplar las cuatro fibras.
En este ejemplo, el haz 14 de fibras ópticas acopla los módulos 16 ópticos a un solo detector 18. Las fibras ópticas portan la luz fluorescente recolectada por los módulos 16 ópticos y proporcionan efectivamente la luz capturada al detector 18. En una realización, el detector 18 es un tubo fotomultiplicador. En otra realización, el detector puede incluir múltiples elementos fotomultiplicadores, uno para cada fibra óptica, en un único detector. En otras realizaciones, puede usarse uno o más detectores de estado sólido.
El uso de un único detector 18 puede ser ventajoso porque permite el uso de un detecto altamente sensible y posiblemente costoso (por ejemplo, un fotomultiplicador), manteniendo a la vez un costo mínimo porque solo necesita usarse un único detector. Un único detector se discute en el presente documento; sin embargo, puede incluirse uno o más detectores para detectar un número mayor de colorantes. Por ejemplo, pueden agregarse cuatro módulos 16 ópticos adicionales y un segundo detector al sistema para permitir la detección de ocho longitudes de onda diferentes emitidas de un disco. Un haz de fibras ópticas de ejemplo acoplado a un único detector para su uso con el disco 13 giratorio se describe en el documento US 2006-0223172 A1, “MULTIPLEX FLUORESCENCE DETECTION DEVICE HAVING FIBER BUNDLE COUPLING MULTIPLE OPTICAL MODULES TO A COMMON DETECTOR”, presentado el 5 de julio de 2005.
Los módulos 16 ópticos pueden retirarse del dispositivo y son fácilmente intercambiables con otros módulos ópticos que se optimizan para la emisión de impulsos en diferentes longitudes de onda. Por ejemplo, los módulos 16 ópticos pueden montarse físicamente en ubicaciones de un alojamiento de módulo. Cada módulo 16 óptico puede insertarse fácilmente en una ubicación respectiva del alojamiento a lo largo de guías (por ejemplo, ranuras rebajadas) que coinciden con uno o más marcas (por ejemplo, pasadores guías) del módulo óptico. Cada uno de los módulos 16 ópticos puede asegurarse en el carro por medio de un seguro, imán, tornillo u otro dispositivo de sujeción. Cada módulo óptico incluye un puerto de salida óptico (mostrado en las figuras 6 y 7) para acoplar a un hilo del haz 14 de fibras ópticas. El puerto de salida óptica puede tener un extremo roscado acoplado a un conector roscado del hilo. Alternativamente, una forma de “conexión rápida” puede usarse (por ejem plo, una conexión deslizable que tiene una junta tórica y una clavija de retención) que permite que el haz 14 de fibras ópticas se enganche y se desenganche de manera deslizable del puerto de salida óptico. Además, cada uno de los módulos 16 ópticos puede tener uno o más placas de contacto eléctrico o circuitos flexibles para acoplarse electrónicamente a la unidad de control 23 cuando está completamente insertada. Los módulos ópticos que pueden retirarse de ejemplo para su uso con el disco 13 giratorio se describe en el documento US 2006-0223169 A1, titulado “MULTIPLEX FLUORESCENCE DETECTION DEVICE HAVING REMOVABLE OPTICAL MODULES”, presentado el 5 de julio de 2005.
La arquitectura modular del dispositivo 10 permite que el dispositivo se adapte fácilmente para todos los colorantes fluorescentes usados en un entorno de análisis dado, tal como una PCR múltiple. Otras químicas que pueden usarse en el dispositivo 10 incluye Invader (Third Wave, Madison, Wisconsin), Amplificación Mediada por Transcripción (GenProbe, San Diego, California), ensayo de inmunoabsorción ligado a enzimas marcadas por fluorescencia (ELISA) o hibridación in situ de fluorescencia (FISH). La arquitectura modular del dispositivo 10 puede proporcionar otra ventaja porque la sensibilidad de cada módulo 16 óptico puede optimizarse eligiendo la fuente de excitación correspondiente (no se muestra) y filtros de excitación y detección para un pequeño intervalo de longitudes de onda objetivo específico con el fin de excitar y detectar selectivamente un colorante correspondiente en la reacción múltiple.
Para propósitos de ejemplo, el dispositivo 10 se ilustra en una disposición múltiple de 4 colores, pero pueden usarse más o menos canales con el haz 14 de fibras ópticas apropiado. Este diseño modular permite a un usuario mejorar fácilmente el dispositivo 10 en el campo agregando simplemente otro módulo 16 óptico a la base 20 e insertando un hilo del haz 14 de fibras ópticas en el nuevo módulo óptico. Los módulos 16 ópticos pueden tener una electrónica integrada que identifica los módulos ópticos y descarga datos de calibración en un módulo de control interno u otra electrónica interna (por ejemplo, unidad de control 23) del dispositivo 10.
En el ejemplo de la figura 1, las muestras 22 están contenidos en las cámaras del disco 13, la cuales se montan sobre una plataforma giratoria bajo el control de la unidad de control 23. Un activador 27 del sensor de ranura proporciona una señal de salida utilizada por la unidad de control 23 para sincronizar el dispositivo de adquisición de datos 21 con la posición de la cámara durante la rotación del disco. El activador 27 de sensor de ranura puede ser un sensor mecánico, eléctrico, magnético u óptico. Por ejemplo, como se describe más detalladamente más adelante, el activador 27 de sensor de ranura puede incluir una fuente de luz que emite un rayo de luz a través de una ranura formada a través del disco 13 que se detecta en cada revolución del disco. Como otro ejemplo, el activador de sensor de ranura puede detectar luz reflejada para propósitos de sincronización de la rotación del disco 13 y la adquisición de datos por medio del módulo 16 y el detector 18. En otras realizaciones, el disco 13 puede incluir una pestaña, protuberancia o superficie de reflexión además de o en lugar de la ranura. El activador 27 de sensor de ranura puede usar cualquier estructura física o mecanismo para localizar la posición radial del disco 13 mientras gira. Los módulos 16 ópticos pueden montarse físicamente por arriba de la plataforma 25 giratoria. Como resultado, los módulos 16 ópticos se superponen con diferentes cámaras en cualquier momento.
El dispositivo de detección 10 también incluye un elemento de calentamiento (no se muestra) para modular la temperatura de la muestra 22 en el disco 13. El elemento de calentamiento puede comprender un bulbo de halógeno cilíndrico en un alojamiento reflector. La cámara reflectora está conformada para enfocar la radiación del bulbo sobre una sección radial del disco 13. Generalmente, el área calentada del disco 13 comprendería un anillo anular mientras gira el disco 13. En esta realización, la forma del alojamiento reflector puede ser una combinación de geometrías elípticas y esféricas que permiten el enfoque preciso. En otras realizaciones, el alojamiento reflector puede ser de una forma diferente o el bulbo puede irradiar ampliamente un área mayor. En otras realizaciones, el alojamiento reflector puede conformarse para enfocar la radiación del bulbo sobre una sola área del disco 13, tal como una sola cámara de proceso que contiene una muestra 22.
En algunas realizaciones, el elemento de calentamiento puede calentar aire y forzar el aire caliente sobre una o más muestras para modular la temperatura. Adicionalmente, las muestras pueden calentarse directamente por medio del disco. En este caso, el elemento de calentamiento puede localizarse en la plataforma 25 y acoplarse térmicamente al disco 13. La resistencia eléctrica en el elemento de calentamiento puede calentar una región seleccionada del disco ya que se controla por la unidad de control 23. Por ejemplo, una región puede contener una o más cámaras, posiblemente todo el disco. Un elemento de calentamiento de ejemplo para su uso con el disco 13 giratorio se describe en el documento US 2007-0009382 A1, titulado “HEATING ELEMENT FOR A ROTATING MULTIPLEX FLUORESCENCE DETECTION DEVICE ”, presentado el 5 de julio de 2005.
Alternativamente, o adicionalmente, el dispositivo 10 también puede incluir un componente de enfriamiento (no se muestra). Se incluye un ventilador en el dispositivo 10 para suministrar aire frío, es decir, aire a temperatura ambiente, al disco 13. Puede necesitarse el enfriamiento para modular la temperatura de la muestra apropiadamente y almacenar muestras después de que se haya completado un experimento. En otras realizaciones, el componente de enfriamiento puede incluir el acoplamiento térmico entre la plataforma 25 y el disco 13, ya que la plataforma 25 puede reducir su temperatura según sea necesario. Por ejemplo, algunas muestras biológicas pueden almacenarse a 4 grados Celsius para reducir la actividad enzimática o la desnaturalización de proteínas.
El dispositivo de detección 10 también puede ser capaz de controlar especies de reacción contenidas en una cámara de proceso. Por ejemplo, puede ser beneficioso cargar algunas especies en una cámara de proceso para generar una reacción y después agregar otras especies a la muestra una vez que haya terminado la primera reacción. Puede utilizarse un sistema de control de válvulas para controlar una válvula que separa una cámara acumuladora interna de la cámara de proceso, controlando así la adición de especies a la cámara durante la rotación del disco 13. El sistema de control de válvulas puede ubicarse en o montarse a uno de los módulos 16 ópticos o puede estar separado de los módulos ópticos. Puede haber un sensor de láser directamente debajo del láser, debajo del disco 13, para colocar el láser en relación con el disco 13.
En una realización, el sistema de control de válvula incluye un láser infrarrojo cercano (NIR) capaz de ser dirigido a dos o más niveles de potencia en combinación con un sensor. Bajo una configuración de baja potencia, el láser puede usarse para colocar el disco 13 y dirigirse a válvulas seleccionadas, por ejemplo, detectando el sensor la luz NIR emitida por el láser a través de una ranura en el disco 13. Una vez que la válvula objetivo se gira a su posición, la unidad de control 23 dirige el láser para producir una ráfaga corta de energía de alta potencia para calentar la válvula y abrir la válvula objetivo. La ráfaga de energía forma un hueco en la válvula, por ejemplo, perforando, fundiendo o separando, provocando que la válvula se abra y permita que un fluido fluya a través de una forma de canal desde una cámara acumuladora interna hasta una cámara de proceso externa. En algunas realizaciones, el disco 13 puede contener una pluralidad de válvulas de diversos tamaños y materiales para generar una pluralidad de reacciones en secuencia. Más de un conjunto de sistema de control de válvulas puede usarse cuando se utiliza un disco que tiene múltiples válvulas de cámaras.
El dispositivo de adquisición de datos 21 puede recolectar datos del dispositivo 10 para cada colorante ya sea secuencialmente o en paralelo. En una realización, el sistema de adquisición de datos 21 recolecta datos de los módulos 16 ópticos en secuencia, y corrige la superposición espacial mediante un retardo del activador para cada uno de los módulos ópticos medidos de la señal de salida recibida del activador 27 de sensor de ranura.
Una aplicación para el dispositivo 10 es la PCR en tiempo real, pero las técnicas descritas en el presente documento pueden extenderse a otras plataformas que utilizan detección de fluorescencia en múltiples longitudes de onda. El dispositivo 10 puede combinar un rápido ciclado térmico, utilizando el elemento de calentamiento, y microfluidos accionados de manera centrífuga para el aislamiento, amplificación y detección de ácidos nucleicos. Utilizando la detección múltiple de fluorescencia, pueden detectarse múltiples especies objetivo y analizarse en paralelo.
Para la PCR en tiempo real, se usa la fluorescencia para medir la cantidad de amplificación en una de tres técnicas generales. La primera técnica es el uso de un colorante, tal como Sybr Green (Molecular Probes, Eugene, Oregón), cuya fluorescencia aumenta al unirse a ADN bicatenario. La segunda técnica utiliza sondas marcadas en forma fluorescente cuya fluorescencia cambia cuando se une a la secuencia objetivo amplificada (sondas de hibridación, sondas de horquilla, etc.). Esta técnica es similar al uso de un colorante de unión de ADN bicatenario, pero es más específica porque la sonda solo se unirá a cierta sección de la secuencia objetivo. La tercera técnica es el uso de sondas de hidrólisis (Taqman™, Applied BioSystems, Foster City California), en la cual la actividad de exonucleasa de la enzima polimerasa escinde una molécula inhibidora de la sonda durante la fase de extensión de la PCR, haciéndola fluorescentemente activa.
En cada uno de los enfoques, la fluorescencia es linealmente proporcional a la concentración objetivo amplificada. El sistema de adquisición de datos 21 mide una señal de salida del detector 18 (o alternativamente de manera opcional muestreada y comunicada por la unidad de control 23) durante la reacción de PCR para observar la amplificación en casi tiempo real. En la PCR múltiple, los múltiples objetivos están marcados con diferentes colorantes que se miden independientemente. En general, cada colorante tendrá diferentes espectros de absorbancia y de emisión. Por esta razón, los módulos 16 ópticos pueden tener fuentes de excitación, lentes y filtros relacionados que se seleccionan ópticamente para la emisión de impulsos de la muestra 22 en diferentes longitudes de onda.
Algunas muestras de técnicas o materiales de construcción adecuados que pueden adaptarse para su uso en relación con la presente invención pueden describirse, por ejemplo, en la Patente de e E.UU. otorgada conjuntamente n.° 6.734.401 titulada “ENHANCED SAMPLE PROCESSING DEVICES SYSTEMS AND METHODS” (Bedingham et al.) y la Publicación de Solicitud de Patente de EE.UU n.° US 2002/0064885 titulada “SAMPLE PROCESSING DEVICES”. Pueden encontrarse otras construcciones de dispositivos utilizables, por ejemplo, en la Solicitud de Patente Provisional de EE.UU. n.° de serie 60/214.508 presentada el 28 de junio de 2000 y titulada “THERMAL PROCESSING DEVICES AND METHODS”, la Solicitud de Patente Provisional de EE.UU. n.° de serie 60/214.642 presentada el 28 de junio de 2000 y titulada “SAMPLE PROCESSING DEVICES, SYSTEMS AND METHODS”; la Solicitud de Patente Provisional de EE.UU. n.° de serie 60/237.072 presentada el 2 de octubre de 2000 y titulada “SAMPLE PROCESSING DEVICES, SYSTEMS AND METHODS”; la Solicitud de Patente Provisional de EE.UU. n.° de serie 60/260,063 presentada el 6 de enero de 2001 y titulada “SAMPLE PROCESSING DEVICES, SYSTEMS AND METHODS”; la Solicitud de Patente Provisional de EE.UU. n.° de serie 60/284.637 presentada el 18 de abril de 2001 y titulada “ENHANCED SAMPLE PROCESSING DEVICES, SYSTEMS AND METHODS”; y la Solicitud de Patente Provisional de EE.UU. n.° de serie 2002/0048533 titulada “SAMPLE PROCESSING DEVICES AND CARRIERS”. Otras construcciones de dispositivos potenciales pueden encontrarse, por ejemplo, en la Patente de EE.UU. n.° 6.627.159 titulada “CENTRIf Ug AL FILLING OF SAMPLE PROCESSING DEVICES” (Bedingham et al.).
La figura 2 es un diagrama esquemático que ilustra un módulo 16A óptico de ejemplo, el cual puede corresponder a cualquier módulo 16 óptico de la figura 1. En este ejemplo, el módulo 16A óptico contiene una fuente de excitación de alta potencia, un LED 30, una lente colimadora 32, un filtro de excitación 34, un filtro dicroico 36, una lente de enfoque 38, un filtro de detección 40 y una lente 42 para enfocar la fluorescencia en un hilo del haz 14 de fibras ópticas. Consecuentemente, la luz de excitación del LED 30 está colimada por la lente colimadora 32, filtrada por el filtro de excitación 34, transmitida a través del filtro dicroico 36 y enfocada en la muestra 22 por la lente de enfoque 38. La fluorescencia resultante emitida por la muestra se recoge por la misma lente de enfoque 38, se refleja del filtro dicroico 36 y se filtra por el filtro de detección 40 antes de enfocarse en un hilo del haz 14 de fibras ópticas. El haz 14 óptico transfiere entonces la luz al detector 18.
El LED 30, la lente colimadora 32, el filtro de excitación 34, el filtro dicroico 36, la lente de enfoque 38, el filtro de detección 40 y la lente 42 se seleccionan basándose en las bandas de absorción y de emisión específicas del colorante múltiple con el cual se usará el módulo 16A óptico. En esta forma, los múltiples módulos 16 ópticos pueden configurarse y cargarse en el dispositivo 10 para dirigirse a diferentes colorantes.
La tabla 1 presenta una lista de componentes de ejemplo que puede usarse en un dispositivo de detección 10 múltiple de fluorescencia de 4 canales para una variedad de colorantes fluorescentes. FAM, HEX, JOE, VIC, TET, ROX, son marcas registradas de Applera, Norwalk, California. Tamra es una marca registrada de AnaSpec, San José, California. Texas Red es una marca registrada de Molecular Probes. Cy 5 es una marca registrada de Amersham, Buckinghamshire, Reino Unido.
TABLA 1
Módulo Óptico LED Filtro de Excitación Filtro de Detección Colorante
1 azul 475 nm 520 nm FAM, Sybr Green
2 verde 530 nm 555 nm HEX, JOE, VIC, TET
3 naranja 580 nm 610 nm TAMRA, ROX, Texas Red 4 rojo 630 nm 670 nm Cy 5
Una ventaja de la arquitectura modular de detección múltiple descrita es la flexibilidad en optimizar la detección para una amplia variedad de colorantes. Concebiblemente un usuario puede tener un banco de varios módulos ópticos diferentes que pueden conectarse en el dispositivo 10 según sea necesario, de los cuales pueden usarse N en cualquier momento, en donde N es el número máximo de canales soportados por el dispositivo. Por lo tanto, el dispositivo 10 y los módulos 16 ópticos pueden usarse con cualquier colorante fluorescente y el método de detección por PCR. Puede usarse un haz de fibras ópticas más grande para soportar un número mayor de canales de detección. Además, pueden usarse múltiples haces de fibra óptica con múltiples detectores. Por ejemplo, pueden usarse haces de fibra óptica de 4 hilos con ocho módulos 16 ópticos y dos detectores 18.
La figura 3 es un diagrama en perspectiva que ilustra una vista frontal de un conjunto de ejemplo de módulos ópticos que pueden retirarse dentro del alojamiento del dispositivo. En el ejemplo de la figura 3, el dispositivo 10 incluye un brazo de base 44 y un alojamiento 46 de módulos. El módulo 48 óptico principal, el módulo 52 óptico suplementario y el módulo 56 óptico suplementario están contenidos dentro del alojamiento 46 de módulos. Los módulos 48, 52 y 56 ópticos producen haces 43, 49, 53 y 57 de salida óptica, respectivamente, que excitan secuencialmente diferentes cámaras de proceso del disco 13. En otras palabras, los haces 43, 49, 53 y 57 de salida siguen la curvatura del disco 13 para que cada uno excite la misma posición radial del disco que contiene las cámaras de proceso. El módulo 48 óptico contiene dos canales ópticos cada uno de los cuales produce los diferentes haces 43 y 49. Un activador 27 de sensor de ranura incluye una fuente de luz infrarroja 31 que produce luz 35 que es detectada por el detector 33.
Cada uno de los módulos 48, 52 y 56 ópticos incluye una respectiva palanca de liberación 50, 54 o 58, respectivamente para enganchar el alojamiento 46 de módulos. Cada palanca de liberación puede proporcionar un desplazamiento hacia arriba para enganchar un seguro respectivo formado en el alojamiento 46 de módulos. Un técnico u otro usuario presiona las palancas de liberación 50, 54 o 58, respectivamente, con el fin de desasegurar y retirar el módulo 48, 52 o 56 óptico del alojamiento 46 de módulos. Un lector 29 de códigos de barra incluye un láser 62 para identificar el disco 13.
El brazo 44 de base se extiende desde el dispositivo de detección 10 y proporciona soporte para el alojamiento 46 de módulos y módulos 48, 52 y 56 ópticos. El alojamiento 46 de módulos puede montarse con seguridad sobre el brazo 44 de base. El alojamiento 46 de módulos puede contener un lugar adaptado para recibir uno de los respectivos módulos 48, 52 y 56 ópticos. Aunque se describe para propósitos de ejemplo con respecto al alojamiento 46 de módulos, el alojamiento 46 de módulos del dispositivo de detección 10 puede tener una pluralidad de sitios para recibir los módulos 48, 52 y 56 ópticos. En otras palabras, no necesita usarse un alojamiento separado para los módulos 48, 52 y 56 ópticos.
Cada sitio del alojamiento 46 de módulos puede contener uno o más carriles o guías que ayudan a colocar correctamente el módulo óptico asociado dentro del sitio cuando un técnico u otro usuario inserta el módulo óptico. Estas guías pueden localizarse a lo largo de las partes superior, inferior, o los lados de cada sitio. Cada uno de los módulos 48, 52 y 56 ópticos pueden incluir guías o carriles que coinciden con guías o carriles de los sitios del alojamiento 46 de módulos. Por ejemplo, el alojamiento 46 de módulos puede tener guías que sobresalen las cuales coinciden con guías rebajadas en módulos 48, 52 y 56 ópticos.
En algunas realizaciones, el alojamiento 46 de módulos puede no alojar completamente cada uno de los módulos 48, 52 y 56 ópticos. Por ejemplo, el alojamiento 46 de módulos puede proporcionar puntos de montaje para asegurar cada uno de los módulos 48, 52 y 56 ópticos al brazo 44 de base, pero pueden estar expuestas porciones o la totalidad de cada uno de los módulos ópticos. En otras realizaciones, el alojamiento 46 de módulos puede alojar completamente cada uno de los módulos 48, 52 y 56 ópticos. Por ejemplo, el alojamiento 46 de módulos puede incluir una sola puerta que cierra sobre los módulos 48, 52 y 56 ópticos, o una puerta respectiva para cada uno de los módulos. Esta realización puede ser apropiada para aplicaciones en las que los módulos son rara vez retirados o el dispositivo de detección 10 se somete a condiciones ambientales extremas.
Un técnico puede retirar fácilmente cualquiera de los módulos 48, 52 o 56 ópticos, y esto puede completarse usando solo una mano. Por ejemplo, el técnico puede apoyar su dedo índice bajo un labio moldeado localizado debajo de la palanca 54 de liberación del módulo 52 óptico. El pulgar del técnico puede presionar entonces la palanca 54 de liberación para liberar el módulo 52 óptico del alojamiento 46 de módulos. Mientras sujeta el módulo 52 óptico entre el pulgar y el índice, el técnico puede tirar hacia atrás el módulo óptico para retirar el módulo óptico del dispositivo de detección 10. Pueden usarse otros métodos para retirar cualquier módulo 48, 52 o 56 óptico, incluyendo métodos que utilizan la retirada con dos manos. La inserción de cualquiera de los módulos 48, 52 o 56 ópticos puede lograrse en forma inversa con una o dos manos.
En el ejemplo de la figura 3, los componentes de dos módulos ópticos se combinan para formar el módulo 48 óptico principal. El módulo 48 óptico principal puede contener fuentes de luz que producen dos longitudes de onda de luz diferentes y detectores para detectar cada longitud de onda de fluorescencia diferente de las muestras en el disco 13. Por lo tanto, el módulo 48 óptico principal puede conectar dos hilos del haz 14 de fibras ópticas. En esta forma, el módulo 48 óptico puede verse como un módulo óptico de canal dual con dos canales de excitación y recolección óptica independientes. En algunas realizaciones, el módulo 48 óptico principal puede contener componentes ópticos para más de dos módulos ópticos. En otros casos, el alojamiento 46 de módulos contiene una pluralidad (por ejemplo, dos o más) de módulos ópticos de canal simple, tales como los módulos 52 y 56 ópticos suplementarios.
Tal como se ilustra en la figura 3, el módulo 48 óptico principal puede contener también componentes para un sistema 51 de control de válvulas mediante láser (localizado dentro del módulo 48 óptico). El sistema 51 de control de válvulas mediante láser detecta la ubicación del disco 13 por medio de una pequeña ranura ubicada cerca del borde externo del disco 13. Un detector (no se muestra) detecta luz 55 láser de baja potencia para mapear la ubicación del disco 13 con respecto al motor que hace girar el disco. La unidad de control 23 utiliza el mapa para localizar válvulas (no se muestra en la figura 3) en el disco 13 y para hacer girar válvulas objetivo en su posición para abrirse por medio del sistema 51 de control de válvulas mediante láser.
Una vez que una válvula objetivo está en posición, el sistema 51 de control de válvulas mediante láser enfoca la luz 55 láser sobre la válvula usando una o más ráfagas cortas de alta potencia. Las ráfagas cortas forman un hueco en la válvula objetivo, por ejemplo, perforando, por fusión o separando la válvula permitiendo que el contenido de la cámara acumuladora interna fluya a una cámara de proceso externa mientras el disco 13 gira. El dispositivo de detección 10 puede monitorear entonces la reacción posterior en la cámara de proceso. El contenido en una cámara puede incluir sustancias en un estado fluido o sólido.
En algunas realizaciones, el sistema 51 de control de válvulas mediante láser puede estar contenido en un módulo óptico de un solo canal, por ejemplo, el módulo 54 óptico suplementario o el módulo 56 óptico suplementario. En otras realizaciones, el sistema 51 de control de válvulas mediante láser puede montarse en el dispositivo de detección 10 por separado de cualquiera de los módulos 48, 52 o 56 ópticos. En este caso, el sistema 51 de control de válvulas mediante láser puede retirarse y adaptarse para enganchar un sitio dentro del alojamiento 46 de módulos o un alojamiento diferente del dispositivo de detección 10.
En el ejemplo de la figura 3, el activador 27 de sensor de ranura se localiza cerca de los módulos que pueden retirarse, en cualquier lado del disco 13. En una realización, el activador 27 de sensor de ranura contiene una fuente de luz 31 para emitir luz 35 infrarroja (IR). El detector 33 detecta luz 35 IR cuando la ranura en el disco 13 permite que la luz pase a través del disco hacia el detector 33. La unidad de control 23 utiliza una señal de salida producida por el detector 33 para sincronizar la adquisición de datos de los módulos 48, 54 y 56 ópticos con rotación del disco 13. En algunas realizaciones, el activador 27 del sensor de ranura puede extenderse desde el brazo 44 de base para alcanzar el borde externo del disco 13 durante la operación del dispositivo 10. En otras realizaciones, puede usarse un detector mecáni
El lector 29 de códigos de barras utiliza el láser 62 para leer un código de barras localizado en el borde lateral del disco 13. El código de barras identifica el tipo de disco 13 para permitir la operación apropiada del dispositivo 10. En algunas realizaciones, el código de barras puede identificar el disco actual para ayudar a un técnico en el rastreo de datos para muestras específicas de los múltiples discos 13.
Todos los componentes superficiales de los módulos 48, 52 y 56 ópticos pueden construirse de un polímero, material compuesto o aleación metálica. Por ejemplo, puede usarse poliuretano de alto peso molecular en la formación de los componentes de superficie. En otros casos, puede crearse una estructura de aleación de aluminio o de fibra de carbono. En cualquier caso, el material puede ser resistente al calor, a la fatiga, a la tensión y a la corrosión. Ya que el dispositivo de detección 10 puede ponerse en contacto con materiales biológicos, las estructuras pueden esterilizarse en el caso de que el contenido de la cámara salga del disco 13.
La figura 4 es un diagrama en perspectiva que ilustra el conjunto de ejemplo de los módulos 48, 52 y 56 ópticos que pueden retirarse en el alojamiento 46 de módulos del dispositivo de detección 10. En el ejemplo de la figura 4, el brazo 44 de base soporta el lector 29 de códigos de barras así como los módulos 48, 52 y 56 ópticos que pueden retirarse unidos en el alojamiento 46 de módulos. El disco 13 se localiza debajo de los módulos 48, 52 y 56 ópticos con las muestras 22 localizadas debajo de una trayectoria óptica respectiva de cada uno de los módulos en diferentes momentos.
Dentro del alojamiento 46 de módulos, pueden verse los frentes del módulo 56 suplementario y del módulo 48 óptico principal. El módulo 56 suplementario contiene el labio 59 moldeado y la palanca 58 de liberación. Como se describió anteriormente, el labio 59 moldeado puede usarse para sujetar el módulo 56 cuando se retira o se inserta el módulo dentro del alojamiento 46 de módulos. Todos los módulos 48, 52 y 56 ópticos pueden tener un labio moldeado y una palanca de liberación respectivos, o puede usarse una sola palanca de liberación para retirar todos los módulos ópticos. En algunas realizaciones, los módulos 48, 52 y 56 ópticos pueden contener un componente diferente para sujetar el módulo. Por ejemplo, cada uno de los módulos 48, 52 y 56 ópticos puede contener una agarradera para retirar el módulo respectivo en una dirección vertical u horizontal del alojamiento 46 de módulos.
La ubicación de los módulos 48, 52 y 56 ópticos en el alojamiento 46 de módulos puede fijarse con el fin de excitar por separado diferentes muestras en el disco 13 en cualquier momento particular. Por ejemplo, el módulo 48 óptico puede localizarse ligeramente más adelantado hacia el brazo 44 de base que los módulos 52 y 56 ópticos suplementarios, que están descentrados hacia un sitio en cualquier lado del módulo principal. Además, los módulos 48, 52 y 56 ópticos pueden estar descentrados en una dirección horizontal (indicada por la flecha en la figura 4, en donde X es la distancia en la que el rayo de luz externo está descentrado de los rayos de luz internos) de tal manera que los rayos de luz de excitación producidos por los módulos siguen la curvatura del disco 13. En esta disposición, los rayos de luz producidos por los módulos 48, 52 y 56 ópticos atraviesan la misma trayectoria mientras el disco 13 gira, excitando así y recolectando luz de las cámaras de proceso localizadas a lo largo de la trayectoria. En otras realizaciones, los módulos 48, 52 y 56 ópticos están alineados de tal manera que los rayos de luz de excitación atraviesan trayectorias diferentes alrededor del disco 13 giratorio.
En este ejemplo, el brazo 44 de base contiene un tablero 66 de contactos eléctricos que se extiende dentro del alojamiento 46 de módulos. Dentro del alojamiento 46 de módulos, el tablero 66 de contactos eléctricos puede contener contactos eléctricos para cada uno de los módulos 48, 52 y 56 ópticos. El tablero 66 de contactos eléctricos puede estar acoplado eléctricamente a la unidad de control 23. En algunas realizaciones, cada uno de los módulos 48, 52 y 56 ópticos puede tener un tablero de contactos eléctricos asociado separado el cual se conecta a la unidad de control 23.
El acoplador de fibra óptica 68 acopla un hilo del haz 14 de fibras ópticas a un puerto de salida óptico del módulo 56 óptico. Aunque no se muestra, cada uno de los módulos 48, 52 y 56 ópticos incluye un puerto de salida óptico adaptado para enganchar un respectivo acoplador de fibra óptica montado en el alojamiento 46 de módulos. La conexión entre el acoplador 68 de fibra óptica y el hilo del haz 14 de fibras ópticas puede ser un seguro de tornillo roscado, cierre a presión o ajuste por fricción.
El lector 29 de códigos de barras produce luz 64 láser para leer el código de barras del disco 13. La luz 64 láser sigue una trayectoria directa en donde interactúa con el borde externo del disco 13. La luz 64 puede dispersarse para cubrir un área grande del disco 13 en un solo tiempo. El lector 29 de códigos de barras lee el código de barras en el disco 13 cuando el disco está girando a bajas velocidades. En otras realizaciones, el lector 29 de códigos de barras puede leer el código de barras periódicamente durante la operación para asegurarse que no se ha cargado en el dispositivo 10 un disco nuevo. En otras realizaciones, el lector 29 de códigos de barras puede detectar más de un código de barras en el disco 13.
En algunas realizaciones, el brazo 44 de base puede moverse con respecto al disco 13. En este caso, el brazo 44 de base podría configurarse para detectar muestras en discos de diferente tamaño o muestras localizadas en el interior de un disco 13. Por ejemplo, puede usarse un disco más grande que contiene más cámaras de proceso o cámaras de proceso más grandes moviendo el brazo 44 de base más hacia fuera desde el centro del disco 13. El alojamiento 46 de módulos puede tener también una posición configurable para cada uno de los módulos 48, 52 y 56 ópticos de tal manera que cada módulo puede moverse a una o más trayectorias circulares de las cámaras de proceso alrededor del disco 13.
La figura 5 es un diagrama en perspectiva que ilustra una vista del lado frontal de un conjunto de ejemplo de módulos ópticos que pueden retirarse con un módulo retirado para exponer un conector de módulos. En particular, el alojamiento 46 de módulos no se muestra en la figura 5, y el módulo 56 óptico se ha retirado para exponer los módulos 52 y 48 ópticos junto con las conexiones para el módulo 56 retirado.
La palanca 58 de liberación (figura 3) del módulo 56 óptico se une de manera fija al poste 69 de unión montado en al brazo 44 de base. En este ejemplo, el poste 69 de unión se extiende dentro del módulo 56 óptico y se acopla a la palanca 58 de liberación. En otras realizaciones pueden usarse otros mecanismos de unión para fijar el módulo 56 óptico al brazo 44 de base, tal como un tornillo o un dispositivo de fijación a presión.
El brazo 44 de base proporciona dos conexiones funcionales diferentes en el alojamiento 46 de módulos para recibir y enganchar el módulo 56 óptico, una vez insertado. En particular, el brazo 44 de base provee un tablero 66 de contactos eléctricos, el cual incluye conexiones 70 eléctricas para acoplar los contactos eléctricos (no mostrados) contenidos en el módulo 56 óptico. Las conexiones 70 eléctricas permiten que la unidad de control 23 se comunique con los componentes eléctricos en el módulo 56. Por ejemplo, el módulo 56 puede incluir circuitos eléctricos, hardware, firmware, o cualquier combinación de los mismos. En un ejemplo, los componentes eléctricos internos pueden almacenar y sacar hacia la unidad de control 23 información de identificación única, tal como un número de serie. Alternativamente, o adicionalmente, los componentes eléctricos pueden proporcionar información que describe las características específicas de los componentes ópticos contenidos dentro del módulo 56 que puede retirarse. Por ejemplo, los componentes eléctricos pueden incluir memoria de solo lectura programable (PROM), memoria flash, u otro medio de almacenamiento interno o que puede retirarse. Otras realizaciones pueden incluir un conjunto de resistores, un circuito o un procesador integrado para generar una firma única de los módulos 48, 52 o 56 ópticos a la unidad de control 23. En otro ejemplo, el módulo 56 puede incluir una fuente de láser y otros componentes que forman parte de un sistema de control de válvulas mediante láser es decir, el sistema 51 de control de válvula mediante láser.
El tablero 66 de contactos eléctricos puede retirarse y reemplazarse con otra versión asociada con un módulo óptico que puede retirarse diferente. Esta opción puede soportar mejoras en la capacidad del dispositivo. En otras realizaciones, las conexiones 70 pueden contener más o menos clavijas de conexión.
Además, el brazo 44 de base y el alojamiento 46 de módulos proporcionan un canal 72 óptico dentro de la ubicación para recibir el módulo 56 óptico. El canal 72 óptico se conecta al acoplador 68 de fibra óptica (figura 4) que establece una interfaz con un hilo del haz 14 de fibras ópticas. El canal 72 óptico se inserta dentro de un sitio en el módulo 56 óptico. La luz captada por el módulo 56 óptico puede dirigirse a través del canal 72 óptico, el acoplador 68 de fibra óptica y el haz 15 de fibras ópticas hasta el detector. Pueden ajustarse accesorios entre estas conexiones para asegurar que la luz no escape o entre a la trayectoria óptica.
En algunas realizaciones, las conexiones al módulo 56 óptico pueden disponerse en una configuración diferente. Por ejemplo, las conexiones pueden localizarse en otra posición para aceptar el módulo 56 óptico de otra dirección. En otras realizaciones, las conexiones eléctricas pueden localizarse en un lado del módulo 56 óptico mientras que una conexión óptica se localiza en una segunda superficie del módulo 56. En cualquier caso, las conexiones eléctricas y ópticas localizadas dentro de la ubicación del alojamiento 46 de módulos acomodan un módulo óptico que puede retirarse, es decir, el módulo 56 óptico en este ejemplo.
Las conexiones ópticas y eléctricas del módulo 56 descritas en la figura 5 puede usarse con cualquier módulo, incluyendo los módulos ópticos 48 y 52. Además, las conexiones para cada módulo óptico pueden no ser idénticas. Dado que las conexiones pueden modificarse para acoplarse con un módulo óptico que puede retirarse deseado, las conexiones utilizadas por cualquier módulo óptico particular insertado en una ubicación particular del alojamiento 46 de módulos pueden variar en cualquier momento.
La figura 6 es un diagrama en perspectiva que ilustra los componentes en un módulo 48 óptico que puede retirarse principal de ejemplo. En el ejemplo de la figura 6, el módulo 48 óptico principal incluye una palanca 50 de liberación, un pasador 61 de pivote y un seguro 74. El alojamiento interno separa cada lado del módulo 48 y contiene una placa 80 de contactos eléctricos conectada al listón 81. Los componentes ópticos incluyen un LED 82, una lente 84 colimadora, un filtro de excitación 86, un filtro dicroico 88, una lente de enfoque 90, un filtro de detección 92 y una lente 94. El puerto 17 de salida óptica se acopla a un hilo del haz 14 de fibras ópticas. Un conjunto separado de componentes ópticos para un segundo canal óptico (no mostrado) se localiza en el otro lado del alojamiento 78 interno. Además, el módulo 48 principal incluye un conector 96, un diodo 98 de láser y una lente de enfoque 100 como parte de un sistema 51 de control de válvulas mediante láser controlado por la unidad de control 23.
La palanca 50 de liberación está unida al módulo 48 óptico por medio de un pasador 61 de pivote. El pasador 61 de pivote permite que la palanca 50 de liberación gire en torno del eje del pasador. Cuando la palanca 50 de liberación se oprime, el brazo 63 gira en el sentido de las manecillas del reloj para elevar el seguro 74. Una vez que se ha elevado el seguro 74, el módulo 48 óptico puede estar libre para retirarse del alojamiento 46 de módulos. Puede haber un resorte u otro mecanismo que mantiene una fuerza de desplazamiento contra la palanca 50 de liberación para mantener el seguro 74 en una posición baja. En ciertas realizaciones, puede incluirse un resorte alrededor del pasador 61 de pivote para proporcionar un brazo de momento que mantiene el seguro 74 en la posición baja, o asegurada. En otras realizaciones, pueden agregarse otros mecanismos de montaje a, o usarse en lugar de, la palanca descrita. Por ejemplo, el módulo 48 óptico puede unirse al alojamiento 46 de módulos por medio de uno o más tornillos o pasadores.
El tablero 76 de montaje puede instalarse en el módulo 48 óptico para unir el listón 81 de comunicación y el LED 82. El listón 81 se conecta a la placa 80 de contactos eléctricos y proporciona una conexión entre la placa y los componentes eléctricos en el módulo 48 óptico. La placa 80 de contactos y el listón 81 pueden llevar la información requerida por ambos lados del módulo 48 óptico principal, incluyendo el sistema 51 de control de válvulas mediante láser y cualquier memoria interna u otro medio de almacenamiento. El listón 81 puede ser flexible para entrelazarse en el módulo 48 óptico. El listón 81 puede contener una pluralidad de alambres eléctricamente conductores para comunicar señales entre los componentes eléctricos y la unidad de control 23 y/o para suministrar energía a los componentes eléctricos. En algunas realizaciones, cada componente eléctrico puede tener un cable separado que conecta el componente con la unidad de control 23. Un técnico puede necesitar desconectar un cable o un circuito flexible del alojamiento 46 de módulos cuando se retira el módulo 48 óptico del alojamiento.
En algunas realizaciones, el módulo 48 óptico puede contener un detector para detectar luz del disco 13 y la electrónica para procesar y almacenar datos. La electrónica puede contener un circuito de telemetría para transmitir de manera inalámbrica datos que representan la luz detectada a la unidad de control 23. La comunicación inalámbrica puede realizarse mediante luz infrarroja, radiofrecuencia, Bluetooth, u otra técnica de telemetría. El módulo 48 óptico también puede incluir una batería para suministrar energía a la electrónica, que puede recargarse por medio de la unidad de control 23.
El LED 82 se fija al tablero 76 de montaje y se acopla eléctricamente al listón 81. El LED 82 produce luz de excitación 49 de una longitud de onda predeterminada para excitar la muestra 22. La luz de excitación 43 se produce por el segundo canal óptico (no mostrado). Después de que la luz 49 sale del LED 82, la luz se expande por medio de la lente colimadora 84 antes de que la luz entre en el filtro de excitación 86. La luz 49 de una banda de longitud de onda pasa por el filtro dicroico 88 y se enfoca en una muestra por medio de la lente de enfoque 90. La luz 49 excita la muestra y la fluorescencia se recoge por la lente de enfoque 90 y se proporciona al filtro de detección 92 por el filtro dicroico 88. La banda de longitud de onda de luz resultante se recoge por medio de la lente 94 y se suministra al puerto 17 de salida óptico en donde la luz fluorescente recolectada entra a un hilo del haz 14 de fibras ópticas para transportarla al detector 18.
El alojamiento 78 interno puede soportar todos los componentes incluidos en la excitación de la muestra y la detección de luz fluorescente emitida por la muestra para una longitud de onda seleccionada. En el otro lado del alojamiento 78 interno, puede incluirse una configuración similar de componentes ópticos para producir luz de una longitud de onda diferente y detectar la correspondiente longitud de onda fluorescente diferente. La separación de cada lado puede eliminar contaminación de luz de un lado que entra al canal óptico del otro lado.
Alojados parcialmente entre cada lado del módulo 48 pueden encontrarse los componentes del sistema 51 de control de válvulas mediante láser, incluyendo el conector 96, el diodo de láser 98 y la lente de enfoque 100. El alojamiento 78 interno puede proporcionar soporte físico para estos componentes. El listón 81 está conectado al conector 96 para comunicar señales de accionamiento y potencia a la fuente de láser. El diodo de láser 98 está conectado al conector 96 y produce la energía 55 de láser usada para abrir las válvulas en el disco 13. El diodo de láser 98 suministra esta luz infrarroja cercana (NIR) a la lente de enfoque 100 para dirigir la energía 55 de láser a válvulas específicas en el disco 13. Un sensor de NIR puede localizarse por debajo del disco 13 para localizar válvulas particulares que necesitan abrirse En otras realizaciones, estos componentes pueden alojarse por separado de los componentes ópticos.
En algunas realizaciones, la lente de emisión 98 y la lente de enfoque 100 del sistema 51 de control de válvulas mediante láser pueden estar contenidos dentro de un módulo óptico de canal simple, tal como el módulo 52 y 56 óptico complementario (figura 3).
La figura 7 es un diagrama en perspectiva que ilustra los componentes dentro de un módulo óptico suplementario de ejemplo que puede retirarse con facilidad de, o insertarse en el dispositivo de detección 10. En el ejemplo de la figura 7, el módulo 56 óptico incluye la palanca 58 de liberación, el pasador 65 de pivote y el seguro 102, similar al módulo 48 óptico principal. El módulo 56 óptico también incluye una placa 106 de contactos eléctricos conectada al listón 107. El listón 107 puede conectarse también a un tablero 104 de montaje. Similar al módulo 48 óptico principal, los componentes ópticos incluyen un LED 108, una lente colimadora 110, un filtro de excitación 112, un filtro dicroico 114, una lente de enfoque 116, un filtro de detección 118 y una lente 120. El puerto 19 de salida óptico se acopla a un hilo del haz 14 de fibras ópticas.
La palanca 58 de liberación se une al módulo 56 por medio de un pasador 65 de pivote. El pasador 65 de pivote permite que la palanca de liberación gire en torno del eje del pasador. Cuando la palanca 58 se oprime, el brazo 67 gira en el sentido contrario a las manecillas del reloj para liberar el seguro 102. Una vez que el seguro 102 está levantado, el módulo 56 óptico puede liberarse para retirarse del alojamiento 46 de módulos. Puede haber un resorte u otro mecanismo que mantenga una fuerza de desplazamiento contra la palanca 58 de liberación para mantener el seguro 102 en una posición baja. Alternativamente, un resorte puede localizarse por arriba del seguro 102. En algunas realizaciones, puede incluirse un resorte alrededor del pasador 65 de pivote para proporcionar un brazo de momento que mantiene al seguro 102 en la posición baja, o asegurada. En otras realizaciones, pueden agregarse otros mecanismos de montaje o usarse en lugar de la palanca descrita. Por ejemplo, el módulo 56 óptico puede unirse al alojamiento 46 de módulos por medio de tornillos o pasadores.
Puede instalarse un tablero 104 de montaje en el módulo 56 óptico para unir el listón 107 de comunicación y el LED 108. El listón 107 se conecta a la placa 106 de contactos eléctricos y proporciona una conexión entre la placa y los componentes eléctricos en el módulo 56 óptico. La placa 106 de contactos y el listón 107 pueden llevar la información requerida para operar los componentes ópticos. El listón 107 puede ser flexible para entrelazarse en el módulo 56 óptico. El listón 107 puede contener una pluralidad de alambres eléctricamente conductores para comunicar señales entre los componentes y la unidad de control 23 y/o suministrar energía a los componentes eléctricos. En algunas realizaciones, cada componente eléctrico puede tener un cable separado que conecta el componente con la unidad de control 23. Un técnico puede necesitar desconectar un cable o circuito flexible del alojamiento 46 de módulos cuando retira el módulo 56 óptico del alojamiento.
En algunas realizaciones, el módulo 56 óptico puede contener un detector para detectar luz del disco 13 y electrónica para procesar y almacenar datos. La electrónica puede contener un circuito de telemetría para transmitir de manera inalámbrica datos que representan la luz detectada a la unidad de control 23. La comunicación inalámbrica puede realizarse mediante luz infrarroja, radiofrecuencia, Bluetooth, u otra técnica de telemetría. El módulo 56 óptico también puede incluir una batería para suministrar energía a la electrónica, que puede recargarse por medio de la unidad de control 23.
El LED 108 se fija al tablero 104 de montaje y se acopla eléctricamente al listón 107. El LED 108 produce luz de excitación 101 de una longitud de onda 101 predeterminada para excitar la muestra 22. Después de que luz 101 sale del LED 108, la luz se expande por medio de la lente colimadora 110 antes de que la luz entre al filtro de excitación 112. La luz 101 de una banda de longitud de onda pasa por el filtro dicroico 114 y se enfoca sobre una muestra por medio de la lente de enfoque 116. La luz 101 excita la muestra y la fluorescencia se recolecta por la lente de enfoque 116 y se proporciona al filtro de detección 118 por el filtro dicroico 114. La banda de longitud de onda de luz resultante se recolecta por medio de la lente 120 y se suministra al puerto 19 de salida óptico en donde la luz fluorescente recolectada entra en un hilo del haz 14 de fibras ópticas para transportarla al detector 18.
El módulo 56 óptico suplementario puede contener también los componentes del sistema 51 de control de válvulas mediante láser. El sistema 51 de control de válvulas mediante láser puede ser el único sistema usado en el dispositivo 10 o uno de una pluralidad de sistemas de control de válvulas mediante láser. Los componentes usados para este sistema pueden ser similares a los componentes descritos en el módulo 48 óptico de la figura 6.
Los componentes del módulo 56 óptico suplementario puede ser similar a cualquier módulo óptico suplementario o cualquier módulo óptico usado para emitir y detectar una banda de longitud de onda de luz. En algunas realizaciones, los componentes pueden alterarse en configuración para acomodar diferentes aplicaciones experimentales. Por ejemplo, puede modificarse cualquier módulo óptico para insertarse desde una dirección diferente o colocarse en el dispositivo en una posición diferente con respecto al disco 13. En cualquier caso, los módulos ópticos pueden retirarse para proporcionar flexibilidad de modificación al dispositivo 10.
La figura 8 es una ilustración de la vista lateral de un conjunto de ejemplo de módulos 48, 52 y 56 ópticos que pueden retirarse dentro del alojamiento del dispositivo con el sistema de control de válvulas mediante láser localizado sobre una ranura en el disco. El ejemplo de la figura 8 es similar a la figura 4. Sin embargo, el sistema 51 de control de válvulas mediante láser se ha colocado para dirigir luz láser 71 desde una fuente energía, es decir, un diodo de láser, a través de la ranura 75 en el disco 13. El sensor 73 detecta luz láser 71 cuando la luz pasa a través de la ranura 75.
Una grúa de pórtico (no mostrada) mueve el alojamiento 46 de módulos y los módulos 48, 52 y 56 ópticos contenidos en una dirección horizontal (mostrada como flechas en la figura 8) en relación con un centro del disco 13. Puede emitirse luz láser 71 por medio del láser a una corriente reducida para producir luz infrarroja cercana (NIR) de baja energía para localizar la ranura 75 en el disco 13. En algunos casos, la grúa de pórtico puede trasladar el alojamiento 46 de módulos en la dirección horizontal mientras el sistema 51 de control de válvulas mediante láser genera luz láser 71 con el fin de localizar la ranura 75.
El sensor 73 puede detectar luz láser 71 una vez que la luz láser atraviesa la ranura 75, provocando que el sensor 73 genere una señal eléctrica representativa de la luz láser 71 NIR detectada a la unidad de control 23. Al recibir la señal eléctrica del sensor 73, la unidad de control 23 mapea la posición del disco detectada con respecto a una posición conocida de la plataforma 25 giratoria y construye un mapa de posiciones que identifica la posición de cada válvula del disco 13 en relación con la posición conocida de la plataforma 25 giratoria. La unidad de control 23 puede utilizar posteriormente el mapa de posiciones construido para mover el láser, hacer girar el disco, o ambos, con el fin de dirigirse a las válvulas deseadas del disco 13. En otras realizaciones, el sensor 73 puede localizarse en el mismo lado del disco 13 que el sistema 51 de control de válvulas mediante láser para detectar luz láser 71 de una porción o porciones reflectoras del disco 13.
Al colocarse el sistema 51 de control de válvulas mediante láser sobre una válvula seleccionada, la unidad de control 23 dirige el sistema de control de válvulas mediante láser para que suministre pulsos cortos de energía de alta potencia para abrir la válvula seleccionada. Las válvulas pueden construirse de un polímero o material similar que absorba la energía electromagnética emitida, es decir, luz láser 71, provocando que el polímero se rompa, abriendo así un canal entre una cámara acumuladora interna y una cámara de proceso externa. Pueden usarse otras fuentes de energía (por ejemplo, fuentes de energía de radiofrecuencia), y pueden seleccionarse materiales que absorban la energía producida y se rompan (es decir, se abran). Una vez que las válvulas están abiertas, la rotación del disco 13 dirige el contenido de la respectiva cámara acumuladora interna a la respectiva cámara de proceso externa.
En algunas realizaciones, el sistema 51 de control de válvulas mediante láser y el activador 27 de sensor de ranura pueden comunicarse para la colocación efectiva del disco 13. Por ejemplo, el activador 27 de sensor de ranura puede localizar generalmente la posición radial del disco 13 detectando la presencia de la ranura 75. El sistema 51 de control de válvulas mediante láser puede detectar específicamente cada uno de los bordes de la ranura 75 para una posición radial y angular más precisa del disco 13. Como los bordes de la ranura 75 son características más pequeñas que la ranura 75, el sistema 51 de control de válvulas mediante láser puede proporcionar un sistema de detección de resolución espacial mayor que el activador 27 de sensor de ranura. Alternativamente, el activador 27 de sensor de ranura puede ser capaz de proporcionar una mayor resolución temporal a medida que la posición de la ranura 75 puede detectarse a altas velocidades rotacionales. Los bordes de la ranura 75 pueden no ser detectables por el sistema 51 de control de válvulas mediante láser a altas velocidades rotacionales.
Además, algunas realizaciones pueden no incluir una grúa de pórtico para mover horizontalmente los componentes para alinear las trayectorias de luz con las estructuras del disco 13. Por ejemplo, el sistema 51 de control de válvulas mediante láser y los módulos 48, 52 y 56 ópticos pueden estar fijados a distancias radiales apropiadas desde un centro del disco 13. Como otro ejemplo, el sistema 51 de control de válvulas mediante láser y/o los módulos 48, 52 y 56 ópticos pueden pivotar bajo la dirección de la unidad de control 23 para dirigir luz láser a diferentes posiciones radiales del disco 13.
Las figuras 9A y 9B son diagramas esquemáticos que ilustran porciones de discos de ejemplo 13A y 13B, respectivamente. En el ejemplo de la figura 9A, el disco 13A incluye un agujero central 121 para unir el disco a una plataforma giratoria del dispositivo 10. Un conjunto de cámaras acumuladoras internas y un conjunto de cámaras de proceso externas se localizan radialmente de manera concéntrica desde el agujero central 121. En este ejemplo, cada cámara se ilustra teniendo un volumen y espaciamiento idénticos; sin embargo, otras realizaciones del disco 13 pueden incluir cámaras con diferentes volúmenes y espaciamiento.
En este ejemplo, cada cámara acumuladora está conectada a una cámara de proceso correspondiente por medio de un canal, y cada canal contiene una válvula respectiva para controlar el flujo a través del canal. Por ejemplo, la válvula 127 separa la cámara acumuladora 125 de la cámara de proceso 129.
Pueden colocarse algunos reactivos de una muestra directamente en la cámara de proceso 129, aunque el contenido de la cámara acumuladora 125 puede cargarse primero en la cámara de carga 123. El contenido de la cámara de carga 123 puede moverse entonces a la cámara acumuladora 125 una vez que el disco 13A gira. En otras realizaciones, la cámara acumuladora 125 puede usarse para contener un reactivo para una segunda reacción o un agente para desactivar la reacción en la cámara de proceso 129. La válvula 127 se localiza entre la cámara acumuladora 125 y la cámara de proceso 129.
En el ejemplo de la figura 9A, la ranura 131 está ubicada en el exterior del disco 13A, y se utiliza por el sistema 51 de control de válvulas mediante láser para mapear la posición del disco. En una realización, la ranura 131 es de 1 mm de ancho por 2 mm de longitud. La luz láser 71 (figura 8) puede enfocarse a un radio conocido del disco 13A que corresponde a una ubicación radial conocida de la ranura 131. Al girar el disco 13A, la luz láser 71 se bloquea por el disco 13A excepto en la ubicación de la ranura 131, en donde la luz pasa a través del disco 13A y se detecta por el sensor 73 (figura 8). Tal como se ha descrito anteriormente, la unidad de control 23 utiliza una señal de salida (por ejemplo, una señal de disparo) recibida del sensor 73 para mapear la posición del disco 13A en relación con la rotación de la plataforma 25 giratoria. El sistema 51 de control de válvulas mediante láser detecta los bordes de la ranura 131 porque la característica menor de un borde permite que el sistema cree un mapa más preciso y de resolución mayor de la posición del disco 13A que usando solo la ubicación de la ranura 131.
Basándose en el mapa, la unidad de control 23 reubica el sistema 51 de control de válvulas mediante láser en una distancia radial conocida para las válvulas, por ejemplo, la válvula 127, desde el agujero central 121. Por ejemplo, una grúa de pórtico unida al alojamiento 46 de módulos puede mover el alojamiento 46 de módulos y los módulos ópticos incluidos a la distancia radial conocida desde el centro del disco 13A para las válvulas. La unidad de control 23 utiliza entonces el mapa para controlar la rotación de la plataforma giratoria y el disco 13 para hacer girar la válvula 127 directamente bajo el sistema 51 de control de válvulas mediante láser. Una vez en su lugar, la unidad de control 23 dirige el sistema 51 de control de válvulas mediante láser para que produzca un pulso de energía de alta corriente para calentar la válvula 127. Como resultado, el calor forma un hueco en la válvula 127 (por ejemplo, rompe la válvula) para abrir la comunicación fluida entre la cámara acumuladora 125 y la cámara de proceso 129. En otras realizaciones, el calor de la luz láser 71 puede cambiar la conformación de la válvula 127 para abrir la comunicación fluida.
La figura 9B ilustra una sección de otro disco 13B de ejemplo, similar al disco 13A de la figura 9A. En el ejemplo de la figura 9B, el disco 13B incluye un agujero central 133 para unir el disco a la placa base fijada a la plataforma 25 giratoria. Nuevamente, se muestra que cada conjunto de cámaras tiene un volumen idéntico; sin embargo, otras realizaciones del disco 13B pueden incluir cámaras con diferentes volúmenes y espaciamiento.
El disco 13B difiere del disco 13A sólo en la posición de la ranura 143 en el disco para su uso en el rastreo de la posición del disco. En particular, la ranura 143 se localiza en un radio ligeramente menor desde el agujero central 133 del disco 13B en comparación con la ranura 131 localizada desde el agujero central 121 del disco 13A. En este ejemplo, la unidad de control 23 puede ser capaz de realizar funciones de rastreo y funciones de apertura de válvulas sin necesitar reubicar radialmente el sistema 51 de control de válvulas mediante láser. Por ejemplo, la unidad de control 23 puede colocar el sistema 51 de control de válvulas mediante láser en un modo de baja potencia para usar una corriente reducida o mínima cuando genera la luz 71 creando un mapa del disco 13B. La corriente reducida es insuficiente para producir suficiente energía para abrir cualquiera de las válvulas del disco 12B, pero suficiente para la detección por medio del sensor 73 de ranura. La unidad de control 23 puede colocar posteriormente el sistema 51 de control de válvulas mediante láser en un modo de alta potencia que utiliza una corriente mayor para producir una luz láser de mayor intensidad suficiente para abrir una válvula seleccionada, por ejemplo, la válvula 139, después de crear el mapa del disco 13B y de ubicar el sistema de control de válvulas mediante láser.
Generalmente, la ranura 131 (o ranura 143 de la figura 9A) puede localizarse en cualquier posición del disco 13B (o 13A). En algunas realizaciones, la ranura 143 puede localizarse en o cerca de un borde más externo del disco 13B. Alternativamente, la ranura 143 puede localizarse más cerca del centro que la ranura 131. Además, la forma de la ranura 143 no necesita ser rectangular. La forma puede ser de cualquier polígono, círculo, cuadrado, triángulo, media luna o cualquier forma irregular. Además, el disco 13B puede contener más de una ranura 143 para determinar la posición del disco, y las múltiples ranuras pueden ser diferentes entre sí en la distancia radial desde el agujero central 133, en tamaño y forma.
Generalmente, las cámaras y los canales formados en el disco 13 pueden estar cubiertos o descubiertos. En algunas realizaciones, pueden incluirse más cámaras y válvulas en el disco 13. Los canales que conectan las cámaras también pueden ser curvados o encontrarse con otros canales en ciertas cámaras o puntos de intersección. Dado que el disco 13 es tridimensional, las cámaras pueden ubicarse en planos diferentes, y los canales pueden tener profundidades variables.
El disco 13 puede construirse de un material biocompatible adecuado para girar a altas velocidades. Por ejemplo, el disco 13 puede elaborarse de polietileno, polipropileno, policarbonato, poliuretano, o algún otro polímero moldeable. Los discos 13 pueden construirse por moldeo, colocación de capas, grabado químico u otras técnicas. Aunque los discos 13 pueden ser de aproximadamente 120 mm de diámetro, los discos también pueden ser de una pluralidad de tamaños para acomodar múltiples aplicaciones. El tamaño del disco 13 puede detectarse al insertarlo dentro del dispositivo de detección 10, puede leerse por el lector 29 de código de barras por medio de un código de barras fijado al disco 13, o un técnico puede introducir el tipo de disco 13 que se usa en la aplicación. En algunas realizaciones, los discos 13 pueden ser capaces de esterilizarse mientras que otras realizaciones pueden utilizar discos consumibles de un solo uso.
La figura 10 es un diagrama de bloques funcional del dispositivo de detección 10 de fluorescencia múltiple. En particular, la figura 10 indica las conexiones eléctricas entre los componentes del dispositivo y las trayectorias generales de la luz a través de los componentes. En el ejemplo de la figura 10, el dispositivo 10 incluye al menos un procesador 122 u otra lógica de control, una memoria 124, un motor de disco 126, una fuente de luz 30, un filtro de excitación 34, una lente 38, un filtro de detección 40, una lente de recolección 42, un detector 18, un activador 27 de sensor de ranura, una interfaz de comunicación 130, un elemento de calentamiento 134, un láser 136 y una fuente de energía 132. Tal como se muestra en la figura 10, la lente 38 y la lente de recolección 42 no necesitan estar eléctricamente conectadas a otro componente. Además, la fuente de luz 30, los filtros 34 y 40, la lente 38 y la lente de recolección 42 son representativos de un módulo 16 óptico. A pesar de que no se ilustra en la figura 10, el dispositivo 10 puede contener módulos 16 ópticos adicionales, tal como se ha descrito anteriormente. En ese caso, cada módulo óptico adicional puede incluir componentes dispuestos de manera substancialmente similar que los mostrados en la figura 10.
La luz sigue una cierta trayectoria a través de varios componentes en la figura 10. Una vez que la luz se emite por la fuente de luz 30, entra en el filtro de excitación 34 y sale como luz de una longitud de onda discreta. Pasa entonces a través de la lente 38 en donde sale del dispositivo de detección 10 y excita la muestra 22 en una cámara de proceso (no mostrada). La muestra 22 responde fluoresciendo en una longitud de onda diferente, en cuyo momento esta luz entra en la lente 38 y se filtra por el filtro de detección 40. El filtro 40 retira luz de fondo de las longitudes de onda fuera de la fluorescencia deseada de la muestra 22. La luz remanente se envía a través de la lente recolectora 42 y entra en un hilo del haz 14 de fibras ópticas antes de ser detectada por el detector 18. El detector 18 amplifica posteriormente la señal de luz recibida.
El procesador 122, la memoria 124 y la interfaz de comunicación 130 puede ser parte de la unidad de control 23. El procesador 122 controla el motor de disco 126 para rotar o hacer girar el disco 13 según sea necesario para recolectar información de fluorescencia o mover el fluido a través del disco 13. El procesador 122 puede usar la información de posición del disco recibida del activador 27 de sensor de ranura para identificar la ubicación de las cámaras en el disco 13 durante la rotación y sincronizar la adquisición de datos de fluorescencia recibidos del disco.
El procesador 122 puede controlar también cuando la fuente de luz 30 en el módulo 16 óptico se enciende o se apaga. En otras realizaciones, el procesador 122 controla el filtro de excitación 34 y el filtro de detección 40. Dependiendo de la muestra que se ilumina, el procesador 122 puede cambiar el filtro para permitir que una diferente longitud de onda de luz de excitación llegue a la muestra o que una diferente longitud de onda de fluorescencia alcance la lente de recolección 42. En algunas realizaciones, pueden optimizarse uno o ambos filtros para la fuente de luz 30 del módulo 16 óptico particular y no pueden cambiarse por medio del procesador 122.
La lente de recolección 42 se acopla a un hilo del haz 14 de fibras que proporciona una trayectoria óptica para la luz desde la lente de recolección al detector 18. El procesador 122 puede controlar la operación del detector 18. Aunque el detector 18 puede detectar constantemente toda luz, algunas realizaciones pueden utilizar otros modos de adquisición. El procesador 122 puede determinar cuándo el detector 18 recolecta datos y puede establecer de manera programada otros parámetros de configuración del detector 18. En una realización, el detector 18 es un tubo fotomultiplicador que captura información de fluorescencia de luz proporcionada por la lente de recolección 42. En respuesta, el detector 18 produce una señal de salida 128 (por ejemplo, una señal de salida analógica) representativa de la luz recibida. Aunque no se muestra en la figura 10, el detector 18 puede recibir concurrentemente luz de otros módulos 16 ópticos del dispositivo 10. En ese caso, la señal de salida 128 representa eléctricamente una combinación de la entrada óptica recibida por el detector 18 desde los diversos módulos 16 ópticos.
El procesador 122 también puede controlar el flujo de datos desde el dispositivo 10. Los datos tales como la fluorescencia muestreada del detector 18, la temperatura de las muestras del elemento de calentamiento 134 y sensores relacionados, y la información de rotación del disco puede almacenarse en la memoria 124 para análisis. El procesador 122 puede comprender cualquiera de uno o más de un microprocesador, un procesador de señales digitales (DSO), un circuito integrado de aplicación específica (ASIC), una matriz de puerta de campo programable (FPGA), u otros circuitos lógicos digitales. Además, el procesador 122 proporciona un entorno de funcionamiento para firmware, software o combinaciones de los mismos, almacenados en un medio legible por ordenador, tal como la memoria 124.
La memoria 124 puede incluir una o más memorias para almacenar una variedad de información. Por ejemplo, una memoria puede contener parámetros de configuración específicos, instrucciones ejecutables y una puede contener datos de recolección. Por lo tanto el procesador 122 puede usar datos almacenados en la memoria 124 para controlar el funcionamiento y la calibración del dispositivo. La memoria 124 puede incluir una cualquiera o más de una memoria de acceso aleatorio (RAM), memoria de solo lectura (ROM), ROM programable borrable electrónicamente (EEPROM), memoria flash, o similar.
El procesador 122 puede controlar adicionalmente el elemento de calentamiento 134. Basándose en las instrucciones contenidas en la memoria 124, el elemento de calentamiento 134 puede accionarse de manera selectiva para controlar la temperatura de una o más cámaras de acuerdo con los perfiles de calentamiento deseados. Generalmente, el elemento de calentamiento calienta una sección radial del disco 13 mientras el disco gira. El elemento de calentamiento 134 puede comprender un bulbo de halógeno y un reflector para enfocar la energía de calentamiento sobre un área específica del disco 13. En otras realizaciones, el elemento de calentamiento 134 puede calentar una o más cámaras en forma secuencial. Esta realización requeriría que el disco 13 permanezca estacionario mientras se calienta una cámara. En cualquier realización, el elemento de calentamiento 134 puede ser capaz de encenderse y apagarse de forma extremadamente rápida según sea necesario.
El láser 136 se usa para controlar la apertura de válvulas lo cual permite que el contenido de una cámara acumuladora fluya a otra cámara en el disco 13, por ejemplo, una cámara de proceso. El procesador 122 y hardware de soporte acciona el láser 136 para abrir selectivamente válvulas específicas contenidas con el disco 13. El procesador 122 puede interactuar con un sensor de láser debajo del disco 13 para determinar la posición del láser en relación con la válvula deseada. Cuando está en posición, el procesador 122 produce señales para dirigir el láser 136 para producir una ráfaga de energía dirigida a la válvula. En algunos casos, la ráfaga puede durar aproximadamente 0,5 segundos, mientras que otras realizaciones pueden incluir tiempos de apertura de menor o mayor duración. Una energía de láser y una duración de pulso puede controlarse por medio del procesador 122 a través la comunicación con el láser 136.
El procesador 122 utiliza la interfaz de comunicación 130 para comunicarse con el sistema 21 de adquisición de datos. La interfaz de comunicación 130 puede incluir un solo método o combinación de métodos para transferir datos. Algunos métodos pueden incluir un puerto de bus universal en serie (USB) o un puerto IEEE 1394 para conectividad de hardware con altas velocidades de transferencia de datos. En algunas realizaciones, el dispositivo de almacenamiento puede unirse directamente a uno de estos puertos para el almacenamiento de datos para procesamiento posterior. Los datos pueden procesarse previamente por medio del procesador 122 y pueden estar listos para ser vistos, o los datos sin procesar pueden necesitar procesarse completamente antes de que pueda comenzar el análisis.
Las comunicaciones con el dispositivo de detección 10 pueden lograrse también por comunicación de radiofrecuencia (RF) o una conexión de red de área local (LAN). Además, la conectividad puede lograrse mediante conexión directa o a través de un punto de acceso de redes, tal como un concentrador o enrutador, el cual puede soportar comunicaciones alámbricas o inalámbricas. Por ejemplo, el dispositivo de detección 10 puede transmitir datos a cierta frecuencia RF para la recepción mediante el dispositivo de adquisición de datos 21 objetivo. El dispositivo de adquisición de datos 21 puede ser un ordenador de propósito general, un ordenador portátil, un dispositivo informático portátil o un dispositivo de aplicación específica. Además, los dispositivos de adquisición de datos múltiples pueden recibir los datos simultáneamente. En otras realizaciones, el dispositivo de adquisición de datos 21 puede incluirse con el dispositivo de detección 10 como un solo sistema de detección y adquisición integrado.
Además, el dispositivo de detección 10 puede ser capaz de descargar software, firmware y datos de calibración actualizados desde un dispositivo remoto a través de una red, tal como la Internet. La interfaz de comunicación 130 también puede habilitar al procesador para el monitoreo de inventarios para informar cualquier fallo. Si ocurren problemas operacionales, el procesador 122 puede ser capaz de producir información de error para ayudar a un usuario en resolver los problemas proporcionando datos operacionales. Por ejemplo, el procesador 122 puede proporcionar información para ayudar al usuario a diagnosticar un elemento de calentamiento averiado o un problema de sincronización.
La fuente de energía 132 suministra la energía de funcionamiento a los componentes del dispositivo 10. La fuente de energía 132 puede utilizar electricidad de un enchufe estándar eléctrico de 115 voltios o incluir una batería y un circuito generador de energía para producir la energía de funcionamiento. En algunas realizaciones, la batería puede recargarse para permitir una operación ampliada. Por ejemplo, el dispositivo 10 puede ser portátil para la detección de muestras biológicas en una emergencia, tal como una área de desastre. La recarga puede lograrse a través de un enchufe eléctrico de 115 voltios. En otras realizaciones, pueden usarse baterías tradicionales.
La figura 11 es un diagrama de bloques funcional del detector 18 simple acoplado a cuatro fibras ópticas del haz de fibras ópticas. En esta realización, el detector 18 es un tubo fotomultiplicador. Cada hilo del haz 14 de fibras ópticas, la fibra óptica 14A, la fibra óptica 14B, la fibra óptica 14C y la fibra óptica 14D, se acopla a una interfaz de entrada óptica 138 del detector 18. En esta forma, la luz llevada por cualquiera de las fibras ópticas 14 se proporciona a una sola interfaz de entrada óptica 138 del detector 18. La interfaz de entrada óptica 138 proporciona la luz agregada al multiplicador 140 de electrones. El ánodo 142 recolecta los electrones y produce una señal analógica correspondiente como señal de salida.
En otras palabras, tal como se muestra, las fibras ópticas 14 se montan dentro de la abertura óptica de entrada para el detector 18. Consecuentemente, el detector 18 puede usarse para detectar simultáneamente luz de cada hilo del haz 14 óptico. La interfaz de entrada óptica 138 proporciona la luz al multiplicador 140 de electrones. Para cada tubo fotomultiplicador, los fotones de las fibras ópticas chocan primero con un cátodo fotoemisor, el cual a su vez libera fotoelectrones. Los fotoelectrones pueden caer chocando con una serie de dínodos, emitiéndose más fotoelectrones al contacto con cada dínodo. El grupo resultante de electrones ha multiplicado esencialmente las pequeñas señales de luz transmitidas originalmente por las fibras ópticas 14. El aumento del número de electrones finalmente se recolecta por el ánodo 142. Esta corriente del ánodo 142 se transfiere por una corriente al amplificador de voltaje 144 como una señal de salida analógica que es representativa de las señales fluorescentes ópticas de la muestra proporcionada por la pluralidad de módulos 16 ópticos.
La unidad de control 23 incluye un convertidor 146 de analógico a digital (A/D) que convierte la señal analógica a una corriente de datos digitales muestreados, es decir, una señal digital. El procesador 122 recibe la señal digital y almacena los datos muestreados en la memoria 124 para la comunicación con el dispositivo de adquisición de datos 21, tal como se ha descrito anteriormente. En algunas realizaciones, el convertidor A/D 146 puede estar contenido en el detector 18 en lugar de la unidad de control 23.
En esta forma, puede utilizarse un solo detector 18 para recolectar toda la luz del haz 14 óptico y producir una señal representativa del mismo. Una vez que la señal se amplifica por medio del amplificador 144 y se convierte en una señal digital, puede separarse digitalmente en datos que corresponden a la luz recolectada por cada módulo 16 óptico individual. Toda la señal (es decir, agregada) puede separarse por rango de frecuencia en cada señal detectada representativa de cada fluorescencia. Estas frecuencias pueden separarse por medio de un filtro digital aplicado por el dispositivo de adquisición de datos 21 o en el dispositivo 10.
En otras realizaciones, la señal amplificada puede separarse por frecuencia usando filtros analógicos y puede enviarse a canales separados antes del convertidor A/D 146. Cada canal puede entonces digitalizarse por separado y enviarse al dispositivo de adquisición de datos. En cada caso, el detector simple es capaz de capturar toda información de fluorescencia de cada módulo 16 óptico. El dispositivo de adquisición de datos 21 puede entonces representar gráficamente y analizar la señal adquirida de cada receptáculo del disco 13 en tiempo real sin la necesidad de múltiples detectores.
En algunas realizaciones, el detector 18 puede no ser un fotomultiplicador. En general, el detector 18 puede ser cualquier tipo de dispositivo de detección analógico o digital capaz de capturar luz de múltiples hilos de un mecanismo de suministro óptico, es decir, un haz 14 de fibras, y producir una representación transmisible de la luz capturada.
La figura 12 es un diagrama de flujo que ilustra la operación del dispositivo de detección 10 de fluorescencia múltiple. Inicialmente, un usuario especifica parámetros del programa en el dispositivo de adquisición de datos 21 o por medio de una interfaz con la unidad de control 23 (148). Por ejemplo, estos parámetros pueden incluir una velocidad y un periodo de tiempo para hacer girar el disco 13, definir perfiles de temperatura para la reacción y muestrear sitios en el disco 13.
A continuación, el usuario carga el disco 13 en el dispositivo de detección 10 (150). Después de asegurar el dispositivo 10, el usuario inicia el programa (152), haciendo que la unidad de control 23 comience a hacer girar el disco (154) a la velocidad especificada. Después de que el disco haya comenzado a girar, pueden ocurrir dos procesos concurrentes.
En primer lugar, el dispositivo de detección 10 comienza a detectar fluorescencia de la luz de excitación (156) producida por una o más reacciones en una o más muestras. El detector 18 amplifica las señales de fluorescencia de cada muestra, las cuales se sincronizan a cada muestra respectiva y tiempo en el cual la fluorescencia fue emitida (158). Durante este proceso, el procesador 122 guarda los datos capturados en la memoria 124 y puede comunicar los datos al dispositivo 10 de adquisición de datos en tiempo real para monitorear el progreso de la ejecución y para procesamiento adicional (160). Alternativamente, el procesador 122 puede guardar los datos en el dispositivo 10 hasta que se completa el programa. El procesador 122 continúa detectando fluorescencia de las muestras y guarda datos hasta que el programa está completo (162). Una vez que la operación está completa, la unidad de control 23 detiene el giro del disco (164).
Durante este proceso, la unidad de control 23 monitorea la temperatura del disco (166) y modula la temperatura del disco, o de cada muestra, para alcanzar la temperatura objetivo para ese tiempo (168). La unidad de control 23 continúa monitoreando y controlando las temperaturas hasta que se completa el programa (170). Una vez que la ejecución está completa, la unidad de control 23 mantiene la temperatura de las muestras a una temperatura de almacenamiento objetivo, normalmente 4 grados Celsius (172).
El funcionamiento del dispositivo 10 puede variar del ejemplo de la figura 12. Por ejemplo, las revoluciones por minutos del disco pueden modificarse a lo largo del programa, y puede utilizarse el láser 136 para abrir válvulas entre las cámaras en el disco para permitir múltiples reacciones. Estas etapas pueden ocurrir en cualquier orden en el funcionamiento, dependiendo del programa que defina el usuario.
La figura 13 es un diagrama de flujo que ilustra el funcionamiento de ejemplo del sistema 51 de control de válvulas mediante láser del dispositivo de detección 10. Para propósitos de ejemplo, la figura 13 se describirá con referencia al disco 13A de la figura 9A.
Inicialmente, la unidad de control 23 coloca el sistema 51 de control de válvulas mediante láser en un modo de baja potencia (también denominado como “modo objetivo”) que utiliza una corriente reducida (149). A continuación, la unidad de control 23 inicia la rotación del disco 13A (151). El sensor 73 NIR produce una señal de disparo a la unidad de control 23 al detectar los bordes de la ranura 131 mientras el disco 13A gira, permitiendo que la unidad de control mapee con precisión la orientación del disco 13A y las ubicaciones de las válvulas en el disco hacia la posición conocida de la plataforma 25 giratoria del dispositivo 10 (153).
Usando el mapeo, la unidad de control 23 engancha la grúa de pórtico para mover el sistema 51 de control de válvulas mediante láser a la ubicación conocida de las válvulas 127 en relación con el agujero central 121 (155). La unidad de control 23 hace girar entonces el disco 13A hacia la primera válvula 127 seleccionada para que se abra (157). A continuación, la unidad de control 23 coloca al sistema 51 de control de válvulas mediante láser en un modo de alta potencia e instruye al sistema para que produzca un pulso de luz láser 71 de alta energía para abrir la válvula (159). Si necesita abrirse una válvula adicional (161), la unidad de control 23 hace girar el disco 13A hacia la siguiente válvula (157) y abre la válvula (159). Si se han abierto todas las válvulas, la unidad de control 23 hace girar al disco 13A para mover el fluido, por ejemplo de la cámara acumuladora 125, a través de la válvula127 abierta, y hacia la cámara de proceso 129 (163). En otras realizaciones, la unidad de control puede hacer girar continuamente al disco 13A dirigiendo a la vez el sistema 51 de control de válvulas mediante láser para que abra las válvulas.
Finalmente, la unidad de control 23 engancha la grúa de pórtico para que mueva los módulos ópticos a una posición radial a través de las cámaras de proceso y comienza la detección de fluorescencia de las reacciones en las cámaras de proceso (165). En algunas realizaciones, el contenido de las cámaras acumuladoras 125 puede actuar para desactivar o estabilizar los productos en las cámaras de proceso 129. En este caso, el dispositivo de detección 10 puede no necesitar monitorear las nuevas muestras.
La figura 14A es un diagrama de ejemplo de una ranura en un disco. En las figuras 14A, 14B y 14C, el disco 13A se usará como un disco de ejemplo en el dispositivo 10. El disco 13A contiene la ranura 131. La ranura 131 incluye un borde externo 210, un borde interno 214, un borde delantero 212 y un borde posterior 216. El sistema 51 de control de válvulas mediante láser detecta cada borde para proporcionar un mapa preciso de la posición del disco 13A. La distancia D es la posición radial del borde interno sustraída de la posición radial del borde externo de la ranura 131. Cada borde 210, 212, 214 y 216 crea el límite detectable entre el material del disco 13A y el hueco en el disco descrito como la ranura 131. En algunas realizaciones, la ranura 131 puede ser de cualquier forma o tamaño.
La figura 14B es un diagrama cronológico que ilustra un método de ejemplo para detectar los bordes interno y externo de una ranura en un disco. La unidad de control 23 mueve el sistema 51 de control de válvulas mediante láser fuera del disco 13. El disco 13A se gira mientras que la grúa de pórtico mueve el sistema de control de válvulas mediante láser hacia el centro del disco 13A.
El sensor 73 detecta luz láser 71 (figura 8) solo cuando la ranura 131 permite que pase luz láser 71 a través del disco 13A. Una señal 218 del sensor 73 cambia en el pico 220 al ser detectado el borde externo 210 de la ranura 131 mientras la grúa de pórtico avanza hacia dentro. La señal 218 continúa modulando mientras la ranura 131 pasa intermitentemente a través de la luz láser 71. El pico 222 indica el último cambio de señal que la unidad de control 23 marca como el borde interno 214 de la ranura 131. La unidad de control 23 tiene ahora un componente radial del mapa de la posición del disco 13. La unidad de control 23 mueve el sistema 51 de control de válvulas mediante láser hacia la posición radial a medio camino entre las posiciones radiales de borde interno y externo. Esta posición sería la posición radial del borde interno 214 más la mitad de la distancia D. La colocación del sistema 51 de control de válvulas mediante láser en este sitio de la ranura 131 permite que el sistema detecte la posición angular de la ranura 131 sin redondeo de una esquina de la ranura 131, por ejemplo, la esquina entre el borde interno 214 y el borde posterior 216, ocasionando un error en la posición angular de un borde de la ranura. En algunas realizaciones, puede no ser necesario hacer girar el disco 13A para que el sistema 51 de control de válvulas mediante láser detecte los bordes interno y externo de la ranura 131.
La figura 14C es un diagrama cronológico que ilustra un método de ejemplo para determinar la posición inicial de un sistema de control de válvulas mediante láser. La señal 224 se suministra a la unidad de control 23 que indica la presencia de luz láser 71. El sistema 51 de control de válvulas mediante láser localiza el borde delantero 212 y el borde posterior 216 de la ranura 131 en el disco 13A.
La señal 224 es constante mientras el disco 13A está estacionario. Una vez que el disco 13A gira lentamente en el sentido de las manecillas del reloj, el pico 226 indica la posición angular del borde delantero 212 de la ranura 131. El sensor 73 detecta luz láser 71 hasta que el borde posterior 216 se detecta como el pico 228. La unidad de control 23 detiene el disco 13A y hace girar lentamente al disco 13A en sentido inverso a las manecillas del reloj hasta que un pico 230 indica la presencia del borde posterior 216 una vez más. La unidad de control 23 almacena esta posición angular como la posición angular inicial. El sistema 51 de control de válvulas mediante láser utiliza ahora la posición radial de la figura 14A y la posición angular de la figura 14C para localizar las válvulas u otras estructuras en el disco 13A. En otras realizaciones, el sistema 51 de control de válvulas mediante láser solo puede detectar el borde delantero 212 o el borde posterior 216 para la colocación efectiva del disco 13A.
En algunas realizaciones, el disco 13A puede girarse en la dirección opuesta. En otras realizaciones, las señales de ejemplo de las figuras 14B y 14C pueden invertirse y en cualquier proporción que relacione la intensidad de señal con el tiempo. En otras realizaciones, el sistema 51 de control de válvulas mediante láser puede detectar en primer lugar la posición angular del disco 13A antes de detectar la posición radial del disco 13A. El orden del método de colocación descrito puede cambiarse para acomodar ciertas aplicaciones, discos o preferencia del técnico.
La figura 15 es un diagrama de flujo que ilustra la determinación de ejemplo de la posición inicial de un sistema de control de válvulas mediante láser. La unidad de control 23 comienza haciendo girar el disco 13 (232). Desde fuera del disco 13, la grúa de pórtico mueve el sistema 51 de control de válvulas mediante láser hacia el centro del disco 13 (234). El sistema 51 de control de válvulas mediante láser localiza el borde externo 210 de la ranura 131 en el disco 13 y guarda esa posición radial externa (236). A medida que continúa moviéndose la grúa de pórtico, el sistema 51 de control de válvulas mediante láser localiza el borde interno 214 de la ranura 131 cuando ya no se detecta luz láser 71 por medio del sensor 73 y guarda esa posición radial inicial (238). La unidad de control 23 almacena las dos posiciones radiales y detiene la rotación del disco 13 (240).
La unidad de control 23 mueve el sistema 51 de control de válvulas mediante láser hacia la posición radial directamente en la parte intermedia entre las posiciones radiales interna y externa (242). La unidad de control 23 hace girar lentamente al disco 13 para mover tanto el borde delantero 212 como el borde posterior 216 de la ranura 131 más allá del sistema 51 de control de válvulas mediante láser (244). Una vez que el borde posterior 216 se detecta, la unidad de control hace girar lentamente al disco 13 en la dirección opuesta (246). Al detectarse el borde posterior 216 de la ranura 13 nuevamente, la unidad de control 23 guarda la ubicación del borde posterior (248) como la posición angular cero o posición angular inicial. La unidad de control 23 tiene ahora las posiciones radial y angular de la ranura 131 y almacena esta información como la posición inicial del disco 13 (250).
En algunos casos, el activador 27 de sensor de ranura puede trabajar junto con el sistema 51 de control de válvulas mediante láser para mapear con precisión la posición del disco 13. Por ejemplo, el activador 27 de sensor de ranura puede proporcionar información de posición temporal de alta resolución mientras que el sistema 51 de control de válvulas mediante láser proporciona información de posición espacial de alta resolución. Dado que ambos sistemas utilizan la misma estructura del disco 13, la colocación cooperativa puede proporcionar información de colocación más precisa.
Ejemplo
Las figuras 16 y 17 muestran los espectros de absorción y emisión de colorantes fluorescentes comúnmente empleados que pueden utilizarse con el dispositivo 10 para la PCR múltiple. En estos ejemplos, el máximo de absorción de los colorantes varía de 480-620 nm, y el máximo de emisión resultante varía de 520-670 nm. Las señales para cada colorante en la figura 16 se enumeran como FAM 174, Sybr 176, JOE 178, TET 180, HEX 182, ROX 184, Tx Red 186 y Cy5 188. Las señales en la figura 17 son FAM 190, Sybr 192, TET 194, JOE 196, HEX 198, ROX 200, Tx Red 202 y Cy5 204. FAM, HEX, JOE, VIC, TET, ROX son marcas registradas de Applera, Norwalk, California. Tamra es una marca registrada de AnaSpec, San José, California. Texas Red es una marca registrada de Molecular Probes. Cy 5 es una marca registrada de Amersham, Buckinghamshire, Reino Unido.
En un ejemplo, un disco de 96 cámaras se llenó con diferentes concentraciones de colorante FAM y ROX diluido en tampón de reacción de PCR estándar. Se agregaron cuatro réplicas de cada colorante en una serie de dilución 2x, comenzando desde 200 nM de FAM y 2000 nM de ROX. Cada volumen de muestra fue de 10 pl. La cámara 82 tuvo una mezcla de 5 pl de 200 nM de FAM y 5 pl de 2000 nM de ROX. El dispositivo 10 se construyó como un dispositivo de detección de PCR múltiple de dos canales con dos módulos 16 ópticos para la detección de los colorantes.
El primer módulo óptico (el módulo FAM) contenía un LED azul, un filtro de excitación de 475 nm y un filtro de detección de 520 nm. El segundo módulo óptico (el módulo ROX) contenía un LED verde con un filtro de excitación de 560 nm y un filtro de detección de 610 nm. Otra opción sería incorporar un LED naranja y un filtro de excitación en 580 nm para optimizar la detección de ROX.
Se llevó a cabo un análisis por PCR, y las señales fluorescentes de las muestras se multiplexaron en un haz de fibras ópticas bifurcado. El haz de fibras estableció una interfaz con un solo detector, específicamente un tubo fotomultiplicador (PMT). Los datos se recolectaron por medio de un tablero de adquisición de datos (DAQ) de National Instruments con interfaz con un programa de adquisición de datos Visual Basic ejecutándose en un ordenador de propósito general. Los datos fueron adquiridos mientras el disco giraba a 1000 revoluciones por minuto (nominalmente). El módulo FAM y el módulo ROX se usaron secuencialmente para emitir impulsos a las muestras. Cada escaneo consistió en un promedio de 50 rotaciones. Los datos sin procesar de los dos módulos ópticos se muestran en las figuras 18A y 18B.
La gráfica en la figura 18A se adquirió para energizar al LED en el módulo FAM, y la gráfica en la figura 18B se adquirió energizando el LED en el módulo ROX.
Durante el análisis, los datos recolectados mostraron claramente que hubo un desajuste en el tiempo asociado con los módulos ópticos que se localizaron físicamente sobre diferentes cámaras en cualquier momento. Se calculó un valor de desajuste determinando el desajuste de tiempo entre los módulos ópticos 1 y 2 para una cámara particular, es decir, en este caso la cámara 82. En otras palabras, el desajuste de tiempo indica la cantidad de retraso de tiempo entre los datos capturados por el módulo FAM y los datos capturados por el módulo ROX para la misma cámara.
La figura 19 es una gráfica que muestra los datos integrados con desajuste sustraído para cada cámara. FAM se indica por medio de barras de líneas discontinuas, ROX se indica por medio de barras de líneas continuas, y los datos de ROX se colocan sobre los datos de FAM. Los datos mostraron que no hubo ninguna señal del colorante ROX en el módulo óptico 1 y ninguna señal del colorante FAM en el módulo óptico 2. Hubo un fondo mayor en el módulo óptico 1, el cual puede rectificarse usando un conjunto optimizado de filtros. Los datos fueron analizados para determinar el límite de detección (LOD), descrito como la señal equivalente al nivel de ruido de la línea base. El nivel de ruido de la línea base se definió como el promedio de diez escaneos de una cámara de referencia más 3 veces la desviación estándar.
El LOD se determinó mediante un ajuste lineal de mínimos cuadrados de la señal integrada representada gráficamente frente a la concentración de los estándares de FAM y ROX. El LOD de los módulos FAM y ROX se calculó como 1 y 4 nM, respectivamente, como se muestra en las figuras 20A y 20B.

Claims (27)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Dispositivo de detección (10) que comprende:
    un disco (13) que tiene una cámara acumuladora (125) separada de una cámara de proceso (129) por medio de una válvula (127);
    un motor (126) para hacer girar el disco (13), y
    una única fuente de energía (51) configurada para producir energía electromagnética en un primer nivel de energía para determinar una posición del disco (13) y un segundo nivel de energía para abrir la válvula (127) para permitir que fluya fluido de la cámara acumuladora (125) a la cámara de proceso (129), en donde el primer nivel de energía es diferente del segundo nivel de energía.
  2. 2. Dispositivo de detección (10) según la reivindicación 1, que comprende adicionalmente:
    un sensor (73) que produce una señal tras la detección de la energía electromagnética; y
    una unidad de control (23) acoplada al sensor (73), en donde la unidad de control (23) determina una posición de la válvula (127) en el disco (13) tras la recepción de la señal del sensor (73).
  3. 3. Dispositivo de detección (10) según la reivindicación 2, en donde el disco (13) incluye una ranura (75) para pasar la energía electromagnética de la fuente de energía (51) al sensor (73).
  4. 4. Dispositivo de detección (10) según la reivindicación 2, en donde el disco (13) incluye una pestaña (173) para bloquear la energía electromagnética de la fuente de energía (51) al sensor (73).
  5. 5. Dispositivo de detección (10) según la reivindicación 2, que comprende adicionalmente una pluralidad de válvulas (127), en donde la unidad de control (23) crea un mapa de las ubicaciones de las válvulas (127) tras la recepción de la señal del sensor (73).
  6. 6. Dispositivo de detección (10) según la reivindicación 1, que comprende adicionalmente una grúa de pórtico para alinear la fuente de energía (51) a una ubicación precisa en el disco (13).
  7. 7. Dispositivo de detección (10) según la reivindicación 6, en donde la grúa de pórtico alinea una pluralidad de módulos (48, 52, 56) ópticos a una o más cámaras de proceso (129).
  8. 8. Dispositivo de detección (10) según la reivindicación 1, en donde la fuente de energía (51) es un láser.
  9. 9. Dispositivo de detección (10) según la reivindicación 8, en donde el láser produce luz (71) infrarroja cercana de baja energía para determinar la posición del disco (13) y luz (71) infrarroja cercana de alta energía para abrir la válvula (127).
  10. 10. Dispositivo de detección (10) según la reivindicación 1, que comprende adicionalmente una pluralidad de módulos (48, 52, 56) ópticos que pueden retirarse, en donde cada uno de los módulos (48, 52, 56) ópticos incluye un canal (72) óptico que tiene una fuente de luz (30) seleccionada para un colorante diferente y una lente (42) para capturar luz fluorescente emitida del disco (13).
  11. 11. Sistema de detección que comprende.
    un dispositivo de adquisición de datos (21); y
    un dispositivo de detección (10) acoplado al dispositivo de adquisición de datos (21), en donde el dispositivo de detección (10) es un dispositivo de detección según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.
  12. 12. Método que usa un dispositivo de detección (10) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, que comprende:
    hacer girar el disco (13) que tiene la cámara acumuladora (125) separada de la cámara de proceso (129) por medio de la válvula (127);
    emitir energía electromagnética en un primer nivel de energía desde la única fuente de energía (51) para determinar una posición del disco (13); y
    emitir energía electromagnética en un segundo nivel de energía desde la única fuente de energía (51) para abrir la válvula (127) para permitir que el fluido fluya de la cámara acumuladora (127) a la cámara de proceso (129), siendo dicho segundo nivel de energía diferente del primer nivel de energía.
  13. 13. Método según la reivindicación 12, que comprende adicionalmente:
    detectar la energía electromagnética con un sensor (73) y producir una señal; y
    determinar la posición de la válvula (127) en el disco (13) con una unidad de control tras la recepción (23) de la señal del sensor (73).
  14. 14. Método según la reivindicación 13, en donde el disco (13) incluye una ranura (75) para pasar la energía electromagnética de la fuente de energía (51) al sensor (73).
  15. 15. Método según la reivindicación 14, en donde el sensor (73) detecta energía electromagnética de la fuente de energía (51) cuando la ranura (75) en el disco se alinea entre la fuente de energía (51) y el sensor (73).
  16. 16. Método según la reivindicación 13, en donde el disco (13) comprende una pluralidad de válvulas (127) y la unidad de control (23) crea un mapa de las ubicaciones de las válvulas (127) tras la recepción de la señal del sensor (73).
  17. 17. Método según la reivindicación 16, que comprende adicionalmente seleccionar una o más de las válvulas (127) para abrirlas basándose en una o más reacciones especificadas por un usuario, y dirigir la energía electromagnética a las válvulas (127) seleccionadas en el disco basándose en el mapa.
  18. 18. Método según la reivindicación 17, que comprende adicionalmente producir un pulso de energía electromagnética para calentar y abrir una o más válvulas (127) para permitir la comunicación fluida entre la cámara acumuladora (125) y la cámara de proceso (129).
  19. 19. Método según la reivindicación 12, que comprende adicionalmente alinear la fuente de energía (51) a una ubicación precisa sobre el disco (13) con una grúa de pórtico.
  20. 20. Método según la reivindicación 19, que comprende adicionalmente alinear una pluralidad de módulos (48, 52, 56) ópticos a una o más cámaras de proceso (129) con la grúa de pórtico.
  21. 21. Método según la reivindicación 12, que comprende adicionalmente:
    excitar el disco (13) con una pluralidad de haces (43, 49, 53, 57) de luz para producir una pluralidad de haces de luz fluorescente emitidos; y
    capturar los haces de luz fluorescente con una pluralidad de diferentes módulos (48, 52, 56) ópticos, en donde los módulos (48, 52, 56) ópticos están configurados ópticamente para las diferentes longitudes de onda.
  22. 22. Método según la reivindicación 12, que comprende adicionalmente:
    detectar la posición de una estructura (131, 143, 173) del disco (13) con un primer sistema; y detectar la posición de una o más características (210-216) con la estructura (131, 143, 173) del disco (13) con un segundo sistema.
  23. 23. Método según la reivindicación 22, que comprende adicionalmente detectar la energía electromagnética en un primer nivel con un sensor del primer sistema, y en donde la energía electromagnética en un primer nivel se produce por una fuente de energía del primer sistema.
  24. 24. Método según la reivindicación 22, que comprende adicionalmente detectar la energía electromagnética en un segundo nivel con un sensor del segundo sistema, en donde la energía electromagnética en un segundo nivel se produce por una fuente de energía del segundo sistema.
  25. 25. Método según la reivindicación 22, en donde el segundo sistema calienta la válvula (127).
  26. 26. Método según la reivindicación 22, en donde el primer sistema y el segundo sistema mapean cooperativamente la posición del disco (13).
  27. 27. Método según la reivindicación 12, que comprende adicionalmente:
    emitir energía electromagnética mientras gira el disco (13) para determinar una posición radial de una estructura (131, 143, 173) del disco (13);
    emitir energía electromagnética mientras gira el disco (13) para determinar una posición angular de la estructura (131, 143, 173) del disco (13); y
    usar la posición radial y la posición angular para dirigir energía electromagnética a la válvula (127) para permitir la comunicación fluida entre la cámara acumuladora (125) y la cámara de proceso (129).
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