RU2813912C1 - Одноразовый картридж для выделения нуклеиновых кислот и их последующей амплификации - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к устройствам для проведения клинико-диагностических исследований и может быть использовано для автоматического выделения из образца биоматериала нуклеиновых кислот и последующего проведения их амплификации внутри одноразового картриджа. Одноразовый картридж содержит основание с емкостями-резервуарами, распределитель с капиллярами с обтюратором-уплотнителем и вентиляционные колодцы, которые в сборе образуют емкости-резервуары, поворотный золотник и крышку. Емкости-резервуары размещены по окружности вокруг оси, которая является геометрическим центром конструкции картриджа, и имеют форму усеченной неравносторонней пирамиды. Положение основания усеченной пирамиды, которое формирует дно емкости, совпадает с положением капилляра распределителя таким образом, чтобы при соединении этих деталей конец капилляра позиционировался на дне соответствующей емкости-резервуара. На основании выполнено посадочное место под ПЦР-чип. Крышка состоит из двух частей, соединенных перемычкой, выполняющей роль подвижного шарнира. Верхняя часть содержит выступ-защелку. Нижняя часть имеет ряд конических полых выступов, выступающих с обеих сторон, количество которых равно количеству вентиляционных колодцев, и они располагаются по радиусу относительно оси, которая является геометрическим центром конструкции картриджа, таким образом, чтобы их центр совпадал с центром вентиляционных колодцев. 21 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к устройствам для проведения клинико-диагностических исследований и может быть использовано для автоматического выделения из образца биоматериала нуклеиновых кислот и последующего проведения их амплификации внутри одноразового картриджа.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Из уровня техники картриджи для биохимического анализа известен, в частности, картридж для пробоподготовки для использования с устройством для пробоподготовки (см. US 10857538 B2, опубл. 09.12.2020) (I). Картридж включает в себя корпус, определяющий множество отдельных сегментов-резервуаров, по меньшей мере, один из указанных сегментов содержит фиксированную секцию компонента пипетки; и подвижную головку, содержащую наконечник пипетки, при этом головка конфигурируется с возможностью перемещения между положением, в котором наконечник пипетки находится в герметичном зацеплении с фиксированной частью компонента пипетки, и положением, в котором наконечник пипетки расположен рядом с другой из упомянутых множественных сегментов. С помощью настоящего изобретения можно получить одноразовый картридж для пробоподготовки и соответствующий аналитический считыватель очень экономичным и простым способом, при этом обеспечивая высокое качество подготовки проб для анализа.

Устройство (I) имеет ряд недостатков, такие как, наличие поворотной головки, с функционалом пипетки, поскольку для корректной работы этого узла необходимо наличие дополнительной оси в аналитическом считывателе, который обеспечивает движение пипетки вверх-вниз. Кроме этого, для обеспечения герметичности зацепления поворотной головки со стыковочной частью сегментов-резервуаров, движение поворотной головки верх-вниз должно быть очень точным, поскольку отклонение от вертикальной оси приведет к нарушению герметизации соединения пипетка-резервуар, что приведет либо к недобору жидкости в пипетку при ее наполнении, либо к вытеканию набранной жидкости за пределы резервуара при опорожнении пипетки. В обоих случаях это приведет к искажению пропорций смешивающихся жидкостей и к ложному результату.

Из уровня техники также известна система молекулярной диагностики (см. US 10562030 B2, опубл. 18.02.2020) (II). Здесь представлены улучшенные узлы и способы управления для использования в диагностической аналитической системе, адаптированной для приема картриджа для анализа. Такие подузлы включают в себя: бесщеточный двигатель постоянного тока, механизм открывания / закрывания дверцы и механизм загрузки картриджа, узел механизма привода шприца и клапана, звуковой сигнал, устройство контроля температуры и устройство оптического обнаружения / возбуждения. Такие системы могут дополнительно включать в себя блок связи, сконфигурированный для беспроводной связи с мобильным устройством пользователя, чтобы принимать пользовательский ввод, относящийся к функциональности системы в отношении принятого в ней картриджа для анализа, и передачи результатов диагностики, относящихся к картриджу для анализа на мобильное устройство.

Устройство-аналог (II) более эффективно, чем аналог (I), однако, для выделения нуклеиновых кислот в устройстве (II) предполагается использование только полупроницаемой мембраны, тогда как в предложенном нами варианте выделение нуклеиновых кислот происходит как с использованием магнитных частиц (магнитной силики), так и на полупроницаемой мембране, что увеличивает вариативность использования предложенного изобретения. Кроме этого, ПЦР-чип одноразового картриджа в устройстве (II) имеет только одну реакционную лунку. Это является фундаментальным ограничением устройства (II), поскольку количество ДНК/РНК - мишеней, которые можно диагностировать с помощью устройства (II) ограничено числом каналов детекции устройства (II). Увеличение числа каналов детекции неизбежно приведет к усложнению как оптической системы Устройства, так и к существенному усложнению реагентов для проведения ПЦР в реакционной лунке, что отрицательно скажется и на стоимости, и на надежности работы Устройства (II). Предлагаемое нами решение имеет несколько реакционных лунок на ПЦР-чипе, поэтому задача увеличения числа ДНК/РНК - мишеней в нашем случае решается простым увеличением количества реакционных лунок с использованием стандартных ПЦР-флуорофоров.

Из уровня техники известна система для подготовки и анализа образца биологического материала, (см. US 10093965 B2, опубл. 2018-10-09) (III), включающая картридж, имеющий первый корпус, определяющий проточную камеру, второй корпус, определяющий центральное пространство, в котором, по меньшей мере, частично расположен первый корпус. Первый корпус может вращаться относительно второго корпуса, а второй корпус определяет множество разнесенных по окружности камер, одна из камер имеет вход для приема пробы, по меньшей мере, одна из камер, содержащая жидкий реагент, и по меньшей мере одна из камер, содержащих модуль анализа, причем каждая камера второго корпуса имеет отверстие в центральное пространство. Первый корпус имеет одно или несколько отверстий в центральном пространстве, так что отверстия могут выборочно совмещаться с одним из отверстий в камерах второго корпуса за счет относительного вращения первого корпуса и вторых корпусов.

В указанной системе (III) достаточно сложно обеспечить герметизацию соединения между корпусами: пятно контакта, которое надо герметизировать, большое. Это приводит к увеличению величины усилия прижатия, необходимого для плотного прилегания деталей, что, в свою очередь, приводит к увеличению величины крутящего момента привода, который проворачивает первый корпус. ПЦР-чип в данном картридже имеет очень большой объем, что сильно увеличивает расход реагентов. Кроме того, производитель не уточняет способ хранения лиофилизированных ПЦР реагентов, так как при контакте с воздухом срок их хранения сильно снижается и требуется применение дополнительных гидрофильных сорбентов.

Также аналогом заявленного устройства является одноразовый картридж для выделения нуклеиновых кислот и их последующей амплификации (см. RU 2768005 C1, опубл. 22.03.2022) (IV). Одноразовый картридж для выделения нуклеиновых кислот и их последующей амплификации, содержащий основание с резервуарами; крышку с капиллярами для движения жидкости и отверстиями для движения воздуха, сверху герметично запаянную пленкой или фольгой и в сборе с резервуарами образующую герметичную емкость, в которой размещены компоненты для выделения ДНК или РНК из анализируемой пробы или лиофилизированные реагенты тест-системы для проведения амплификации, резервуары расположены на основании радиально, на одном расстоянии от геометрического центра окружности с капиллярами и отверстиями для движения воздуха, и загрузочным каналом ячейки для проведения амплификации; поворотный дозатор. Поворотный дозатор выполнен в виде поворотного клапана-золотника, содержащего поворотное основание с первым каналом внутри, начало которого расположено на одном радиусе с капиллярами резервуаров и ячейки, а конец - в буферной емкости золотника, которая выполнена в виде цилиндра на оси золотника, второй канал в основании золотника располагается на одном радиусе с отверстиями для воздуха, при повороте клапана-золотника каналы золотника точно совмещаются с капилляром и отверстием для воздуха в одном резервуаре, а первый канал в его основании совмещается с капилляром в резервуаре картриджа или с загрузочным каналом ячейки для проведения амплификации, создавая при этом герметичное соединение резервуар-цилиндр или ячейка-цилиндр, внутри цилиндра золотника располагается поршень, который обеспечивает при возвратно-поступательном движении внутри цилиндра избыточное или отрицательное давление, которое перемещает жидкость.

Предложенный аналог (IV) наиболее близко подходит к решению проблем, решаемых заявленным изобретением, однако, по мнению заявителя проблема решается не самым эффективным способом, поскольку предполагает запайку емкостей основания с резервуарами с помощью пленки или фольги, которая надрывается перед проведением анализа, что добавляет в процесс проведения анализа дополнительное действие от пользователя - надрыв пленки или фольги, усложняет общую конструкцию картриджа и обуславливает наличие дополнительной технологической операции - приварки пленки или фольги - на стадии сборки картриджа. Кроме этого, капилляры емкостей выполнены в виде отдельной детали - тонкостенной трубки, что обуславливает наличие трудоемкой технологической операции по обрезке и установки трубок в посадочное место каждого резервуара, что усложняет технологический процесс сборки картриджа и снижает надежность его работы. Кроме этого, отверстия для воздуха в основании расположены дальше от геометрического центра окружности, чем капилляры резервуара, что является существенным ограничением для возможного увеличения количества емкостей картриджа, поскольку воздушный канал требует меньше места, чем капилляр.

Наиболее близким аналогом заявленного устройства, по мнению заявителя, является одноразовый картридж для выделения нуклеиновых кислот и их последующей амплификации (см. RU 2790849 C1, опубл. 28.02.2023) (V), который содержит основание с емкостями-резервуарами, крышку с капиллярами для движения жидкости и отверстиями для движения воздуха, обтюратор-уплотнитель, поворотный дозатор-распределитель, поводок и посадочное место дозатора-распределителя, присоединяемого к исполнительному механизму, крышку дозатора-распределителя и прижимом с запорным колпачком. Крышка с капиллярами для движения жидкости и отверстиями для движения воздуха закрыта сверху обтюратором-уплотнителем, емкости-резервуары расположены на основании радиально, на одном расстоянии от геометрического центра окружности в центре основания и отверстиями для движения воздуха. На основании выполнено посадочное место для установки микрофлюидного чипа с одной или несколькими ячейками для проведения амплификации, закрытыми пленкой, таким образом, что загрузочные каналы ячеек чипа размещаются на том же расстоянии от геометрического центра окружности, что и капилляры, и отверстия для движения воздуха остальных емкостей-резервуаров.

Недостатками предложенного аналога (V) является наличие в конструкции картриджа дополнительной буферной емкости в дозаторе распределителе, что может приводить к погрешностям дозирования жидкостей за счет изменения температуры и давления воздуха внутри буферной емкости, а также за счет загрязнения или блокировки воздушного фильтра. Кроме того, в данном аналоге V вентиляционный канал формируется за счет совмещения дозатора распределителя с соответствующим вентиляционным отверстием в крышке, что требует дополнительного герметичного уплотнения вентиляционных отверстий и сильно усложняет конструкцию и увеличивает риск возможной разгерметизации картриджа. При этом вращении дозатора распределителя осуществляются с нижней часта картриджа, что ведет к усложнению конструкции исполнительного устройства из-за необходимости размещения большого количество управляющих элементов таких как привод вращения, нагревательные элементы, магнит с узлом позиционирования и т.д. в условиях ограниченного пространства.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение направлено на решение технической проблемы, связанной созданием картриджа для автоматизации выделения и последующей амплификации нуклеиновых кислот, имеющего увеличенное количество ячеек, а также более простую и надежную конструкцию, позволяющую упростить процесс технологической сборки конечных изделий.

Техническим результатом изобретения является создание одноразового картриджа, имеющего более простую и надежную конструкцию.

Технический результат достигается посредством создания одноразового картриджа для выделения нуклеиновых кислот и их последующей амплификации, содержащего основание с емкостями-резервуарами, распределитель с капиллярами для движения жидкости с обтюратором-уплотнителем и отверстиями для движения воздуха - вентиляционными колодцами, которые в сборе образуют емкости-резервуары, поворотный золотник и крышку, емкости-резервуары размещены по окружности вокруг оси, которая является геометрическим центром конструкции картриджа и имеют сложную форму усеченной неравносторонней пирамиды, при этом, положение одного из оснований этой усеченной пирамиды, которое формирует дно емкости, совпадает с положением капилляра распределителя таким образом, чтобы при соединении этих деталей конец капилляра позиционировался на дне соответствующей емкости-резервуара, на основании выполнено посадочное место под ПЦР-чип для проведения амплификации с одной или несколькими ячейками, закрытыми пленкой.

Заявленный одноразовый картридж характеризуется тем, крышка состоит из двух частей, которые соединены между собой перемычкой, выполняющей роль подвижного шарнира, верхняя часть содержит выступ-защелку, нижняя часть имеет ряд конических полых выступов, выступающих с обеих сторон, количество которых равно количеству вентиляционных колодцев и они располагаются по радиусу относительно оси, которая является геометрическим центром конструкции картриджа таким образом, чтобы их центр совпадал с центром вентиляционных колодцев.

В частном варианте выполнения одна из емкостей-резервуаров располагается таким образом, чтобы при установке картриджа в исполнительное устройство за счет вклинивания этой емкости обеспечивался физический контакт с соответствующими модулями исполнительного устройства, отвечающих за нагрев, подвод магнитов, ультразвуковую обработку.

В частном варианте выполнения на основании, по периметру каждой емкости-резервуара, выполнены выступы треугольного сечения для обеспечения надежного и герметичного соединения этой детали с распределителем, например, но не ограничиваясь, методом ультразвуковой сварки.

В частном варианте выполнения распределитель включает три ряда массива элементов, расположенных на разном расстоянии от геометрического центра так, что элементы из разных массивов располагаются на одном луче, выходящем из центра.

В одном из вариантов выполнения первый массив элементов представляет собой капилляры, выступающие на определенную глубину конические трубки с отверстиями внутри, количество которых соответствует количеству емкостей-резервуаров на основании и их глубине, длина капилляров такова, чтобы при соединении или сварке основания и распределителя концы капилляров находились на таком расстоянии от дна не касаясь его, чтобы через этот капилляр обеспечивался беспрепятственный и наиболее полный отбор жидкости из емкости-резервуара.

В одном из вариантов выполнения капилляры располагаются на определенном радиусе, соосно геометрическому центру и через определенные промежутки таким образом, чтобы при соединении или сварке основания и распределителя капилляр позиционировался у дна каждой емкости.

В одном из вариантов выполнения на противоположной стороне распределителя, в основании каждого капилляра имеется впадина цилиндрической формы, куда вставляется выступ обтюратора для обеспечения герметизации соединения капилляра с золотником.

В одном из вариантов выполнения второй массив элементов представляет собой вентиляционные колодцы, располагающиеся по радиусу относительно геометрического центра таким образом, чтобы их центр и центр отверстий в капиллярах оказались на одном луче, исходящем из геометрического центра.

В одном из вариантов выполнения количество колодцев равно количеству капилляров и емкостей-резервуаров.

В другом варианте выполнения при соединении или сварке основания и распределителя в каждом емкости-резервуаре оказывается один капилляр и один вентиляционный колодец.

В другом варианте выполнения каждый колодец имеет внутреннее отверстие конической формы, причем конусность отверстия направлена в сторону емкости.

В другом варианте выполнения третий массив элементов представляет собой вентиляционные каналы микрофлюидного чипа, которые располагаются на радиусе, исходящем из геометрического центра, располагающемся между радиусом капилляров и вентиляционных колодцев, не совпадая с ними.

В другом варианте выполнения количество вентиляционных каналов совпадает с количеством лунок микрофлюидного чипа и равно количеству загрузочных каналов микрофлюидного чипа, расположенных на одном радиусе с капиллярами, причем каналы и загрузочные каналы располагаются на одном луче, исходящем из геометрического центра.

В другом варианте выполнения золотник состоит из цилиндра, в котором с возможностью возвратно-поступательного перемещения размещен поршень, тарелки с отверстиями, а также поводка.

В другом варианте выполнения поршень выполнен из эластичного материала, его перемещение осуществляется исполнительным устройством.

В другом варианте выполнения поводок выступает над поверхностью золотника и имеет форму цилиндра с проточкой конической формы, в которую вставляется приводной вал исполнительного устройства, комплементарный поводку таким образом, чтобы обеспечивать надежное сцепление вала и поводка с минимальным люфтом при вращении.

В частном варианте выполнения обтюратор представляет собой деталь, изготовленную из биоинертного эластичного материала, например, но не ограничиваясь, термоэластопласта или силикона. Сторона обтюратора, по которой происходит перемещение золотника, выполнена плоской, на обратной стороне имеются цилиндрические выступы, расположение которых соответствует впадинам у основания капилляров и отверстий для микрофлюидного чипа.

В частном варианте выполнения чип имеет одну или несколько амплификационных камер, которые с помощью каналов соединяются через обтюратор с золотником.

В частном варианте выполнения нижняя часть выступов нижней части крышки имеет конусность, комплементарную конусности колодцев таким образом, чтобы при соединении выступа и колодца образовывалось прочное и герметичное соединение типа «конус-в-конус».

В частном варианте выполнения нижняя часть крышки имеет отверстие, центр которого совпадает с колодцем, которое используется для внесения пробы, при запрессовке крышки верхняя часть колодца оказывается на одном уровне с крышкой, образуя герметичный канал для предотвращения контаминации картриджа пробой при ее внесении в картридж.

В частном варианте выполнения в одном из каналов золотника между поводком и тарелкой находится фильтр или полупроницаемая мембрана, на которой происходит фильтрование микроорганизмов из анализируемой пробы и/или выделение нуклеиновых кислот.

В частном варианте выполнения детали картриджа изготавливаются одним из следующих методов: литьем под давлением, экструзией, вакуумной формовкой из следующих материалов: полипропилена, полиэтилена, циклополиолефина, поликарбоната, полиметилметакрилата, полистирола.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ РИСУНКОВ

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:

Фиг. 1 - модель одноразового картриджа в разобранном состоянии;

Фиг. 2 - модель золотника и его позиционирования в картридже;

Фиг. 3 - модель одноразового картриджа в сборе;

Фиг. 4 - модель варианта выполнения одноразового картриджа в разобранном состоянии.

На фиг. 1-4 позиции обозначают следующее:

1 - основание;

2 - емкость-резервуар;

3 - распределитель;

4 - капилляры;

5 - обтюратор-уплотнитель;

6 - канал для жидкости;

7 - золотник;

8 - крышка;

9 - ось, общий центр картриджа;

10 - микрофлюидный чип;

11 - лунки микрофлюидного чипа;

12 - впадина;

13 - выступ обтюратора;

14 - колодец для загрузки пробы;

15 - вентиляционный колодец;

16 - цилиндр золотника;

17 - поршень;

18 - тарелка золотника;

19 - поводок золотника;

20 - верхняя часть крышки;

21 - нижняя часть крышки;

22 - выступ на крышке;

23 - бортик;

24 - отверстие для внесения пробы;

25 - отверстие для выступа вентиляционного канала микрофлюидного чипа;

26 - отверстие в крышке;

27 - защитная транспортировочная пленка;

28 - пленка микрофлюидного чипа;

29 - цилиндр варианта исполнения картриджа;

30 - отверстие для выступа загрузочного канала микрофлюидного чипа.

Эти чертежи не охватывают и, кроме того, не ограничивают весь объем вариантов реализации данного технического решения, а представляют собой только иллюстративный материал частного случая его реализации.

ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Заявленный одноразовый картридж для выделения нуклеиновых кислот и их последующей амплификации состоит из следующих функциональных узлов: основания (1) с несколькими емкостями-резервуарами (2); распределителя (3) с капиллярами (4) для движения жидкости с обтюратором-уплотнителем (5) и отверстиями для движения воздуха - вентиляционными колодцами (15), которые в сборе образуют емкости-резервуары, а также поворотного золотника (7) и крышки (8). В емкостях размещаются компоненты для выделения ДНК или РНК из анализируемой пробы или реагенты тест-систем для проведения амплификации, в том числе в лиофилизированном виде.

Комплектующие картриджа изготавливаются любым доступным способом, например, но не ограничиваясь, литьем под давлением, экструзией, вакуумной формовкой и т.п. из любого доступного биоинертного материала, например, но не ограничиваясь, полипропилена, полиэтилена, циклополиолефина, поликарбоната, полиметилметакрилата, полистирола.

Основание (1) представляет собой деталь с множественными резервуарами-емкостями (2) объемом 10-8000 мкл. Количество, и объем, и форма емкостей могут меняться в зависимости от используемых реагентов и/или способа обработки образца.

Емкости-резервуары (2) расположены по окружности вокруг оси (9), которая является геометрическим центром конструкции Картриджа. Емкости-резервуары (2) имеют сложную форму усеченной неравносторонней пирамиды, для облегчения стекания жидкости на дно емкости и облегчения ее полного опорожнения. При этом положение одного из оснований этой усеченной пирамиды, которое формирует дно емкости, совпадает с положением капилляра (4) распределителя (3) таким образом, чтобы при соединении этих деталей конец капилляра (4) позиционировался строго на дне соответствующего емкости-резервуара (2), что обеспечивает полное удаление жидкости из емкости через капилляр.

Емкости-резервуары (2) расположены на основании радиально, по окружности с центром (9). На основании присутствует специальное посадочное место, куда устанавливается ПЦР-чип для проведения амплификации (10) с одной или несколькими ячейками (11), закрытыми пленкой (28).

Одна из емкостей располагается таким образом, чтобы при установке картриджа в исполнительное устройство за счет вклинивания этой емкости обеспечивался хороший физический контакт с соответствующими модулями исполнительного устройства, отвечающих за нагрев, подвод магнитов, ультразвуковую обработку и т.п.

В емкости-резервуары (2) помещаются реагенты для выделения нуклеиновых кислот, а также реагенты для проведения амплификации, в том числе в лиофилизированном виде. На основании, по периметру каждой емкости-резервуара (2), выполнены специальные выступы треугольного сечения для обеспечения надежного и герметичного соединения этой детали с распределителем (3), например, но не ограничиваясь, методом ультразвуковой сварки.

Распределитель (3), в том числе, содержит три ряда массива элементов, расположенных на разном расстоянии от общего центра (9) так, что элементы из разных массивов располагаются на одном луче, выходящем из центра (9).

Первый массив элементов: капилляры (4) - выступающие строго на определенную глубину (длину) конические трубки с отверстиями внутри. Количество капилляров (4) соответствует количеству емкостей-резервуаров (2) на основании (1) и их глубине. Длина капилляров (4) такова, чтобы при соединении или сварке основания (1) и распределителя (3) концы капилляров находились на таком расстоянии от дна не касаясь его, чтобы через этот капилляр (4) обеспечивался беспрепятственный и наиболее полный отбор жидкости из емкости-резервуара (2). Капилляры (4) располагаются на определенном радиусе, соосно (9) и через определенные промежутки таким образом, чтобы при соединении или сварке основания (1) и распределителя (3) капилляр (4) позиционировался строго у дна каждой емкости. На противоположной стороне распределителя (3), в основании каждого капилляра имеется впадина (12) цилиндрической формы, куда вставляется выступ (13) обтюратора (5) для обеспечения герметизации соединения капилляра с золотником (7). На том же радиусе также располагаются отверстия (30) для выступов загрузочного канала/каналов микрофлюидного чипа (10).

Для загрузки анализируемой пробы в картридж в распределителе (3) у одного из резервуаров предусмотрен колодец (14), который совпадает с одним из резервуаров основания. Колодец заходит в соответствующее отверстие на крышке (8) при ее запрессовке и герметично закрывается.

Второй массив элементов - вентиляционные колодцы (15), располагающихся по определенному радиусу относительно (9) таким образом, чтобы их центр и центр отверстий в капиллярах оказались на одном луче, исходящем из (9). Количество этих колодцев (15) равно количеству капилляров (4) и емкостей (2). При соединении или сварке основания (1) и распределителя (3) в каждом емкости-резервуаре (2) оказывается один капилляр (4) и один вентиляционный колодец (15). Каждый колодец имеет внутреннее отверстие конической формы, причем конусность отверстия направлена в сторону емкости, т.е. диаметр отверстия у горловины колодца больше, чем на его дне. Вентиляционные колодцы (15) служат для формирования воздушного канала для выравнивания атмосферного давления при движении жидкостей, а также для загрузки в емкости соответствующих реагентов.

Третий массив элементов - отверстия (25) для вентиляционных каналов микрофлюидного чипа (10), которые располагаются на отдельном радиусе, исходящем из центра (9), располагающемся между радиусом капилляров (4) и вентиляционных колодцев (15), не совпадая с ними. Количество отверстий (25) совпадает с количеством вентиляционных каналов амплификационных камер (11) микрофлюидного чипа (10) и равно количеству загрузочных каналов микрофлюидного чипа (10). Причем отверстия (25) и (30) располагаются на одном луче, исходящем из центра (9).

Золотник (7) служит для переноса жидкостей между ячейками картриджа. Он состоит из трех основных частей: цилиндра (16), в котором возвратно-поступательно перемещается поршень (17), тарелки с несколькими отверстиями (18), а также поводка (19).

Составные части золотника надежно соединяются вместе, например, с использованием ультразвуковой сварки. Поршень (17) выполнен из эластичного материала, его перемещение осуществляется исполнительным устройством. Поводок (19) выступает над поверхностью золотника и имеет форму цилиндра с проточкой специальной конической формы, в которую вставляется приводной вал исполнительного устройства (не показан), комплементарный поводку (19) таким образом, чтобы обеспечивать надежное сцепление вала и поводка (19) с минимальным люфтом при вращении. Форма этой проточки также обеспечивает единственно правильную ориентацию золотника (7) на приводном валу, исключая возможность установки картриджа в исполнительное устройство с неверным расположением золотника (7). Диаметр поводка (19) меньше диаметра тарелки (18) и подобран таким образом, чтобы свободно проходить сквозь центральное отверстие в крышке (8). При запрессовке крышки золотник упирается в выступ на внутренней стороне крышки что обеспечивает его фиксацию и прижим к обтюратору (5).

Принцип работы золотника: при движении штока исполнительного устройства (не показано) в крайнее верхнее положение он входит в зацепление с поршнем (17), который после этого начинает следовать за штоком и совершать возвратно-поступательные движения внутри цилиндра (16). При этом при движении штока вниз в золотнике создается разрежение, а при обратном движении - избыточное давление, а расстояние, на которое переместится поршень, будет определять объем забираемой жидкости.

При вращении приводного вала устройства происходит поворот золотника (7) и его позиционирование в одном из рабочих положений, при котором происходит совмещение отверстий в тарелке (18) с капилляром (4) или загрузочным каналом микрофлюидного чипа (11). При этом формируется канал для жидкости (6), который соединяет цилиндр (16) с емкостью (2) или ячейкой ПЦР-чипа (11). Движение поршня (17) вниз приведет к перетеканию содержимого (2) или (11) в цилиндр, а выравнивание давления в емкости (2) будет происходить через вентиляционный канал (15) или (25) в случае ПЦР-чипа. Таким образом происходит набор переносимой жидкости в цилиндр (16), который играет роль буферной емкости.

Сброс жидкости происходит следующим образом: золотник (7) позиционируется в другом рабочем положении, где происходит совмещение отверстий в тарелке (18) с капилляром (4) или загрузочным каналом микрофлюидного чипа (11). Движение поршня (17) вверх приведет к передавливанию жидкости из цилиндра (16) в емкость (2) или ячейку (11). Таким образом происходит перемещение жидкостей внутри картриджа при проведении анализа.

Обтюратор (5) представляет собой деталь, изготовленную из биоинертного эластичного материала, например, но не ограничиваясь, термоэластопласта или силикона. Обтюратор (5) служит для обеспечения герметичности соединения золотника (7) с капиллярами емкостей (2) и/или каналами микрофлюидного чипа (10). Сторона обтюратора (5), по которой происходит перемещение золотника (7), выполнена плоской, на обратной стороне имеются цилиндрические выступы (13), расположение которых строго соответствует впадинам (12) у основания капилляров (4) и отверстий для микрофлюидного чипа. Диаметр этих выступов (13) больше соответствующих впадин (12) для обеспечения герметичного соединения обтюратора и распределителя. В центре каждого выступа (13) имеется сквозное отверстие для формирования герметичных каналов между золотником и емкостью или микрофлюидным чипом.

Микрофлюидный чип (10) вставляется в посадочное положение на основании (1) и, благодаря центрирующим штифтам на распределителе, плотно фиксируется между основанием (1) и распределителем (3). Чип имеет выступы с отверстием посередине, которые соединяются с микрофлюидными каналами для заправки и вентиляции амплификационных камер (11), количество которых может изменяться от одной до десяти, которые с помощью каналов соединяются через обтюратор (5) с золотником (7). Выступы заправочных каналов вставляются в отверстия (30) распределителя, выступы вентиляционных каналов - в отверстия (25) распределителя и плотно прижимаются с обтюратором (5).

Каждая камера (11) может содержать в себе соответствующие химические компоненты, отвечающие за специфичность протекания процесса амплификации, например, но не ограничиваясь, праймеры, зонды и т.п. С нижней стороны чипа располагается тонкая пленка (28), герметизирующая амплификационную камеру и микрофлюидные каналы чипа.

Крышка (8) представляет собой деталь, разделенную на две детали (20) и (21), которые соединены между собой перемычкой, выполняющей роль подвижного шарнира. Шарнир и специальный выступ защелка на детали (20) позволяют открывать и закрывать крышку жестко фиксируя ее на детали (21), которая, в том числе, имеет ряд конических полых выступов, которые выступают с обеих сторон этой детали, количество которых равно количеству вентиляционных колодцев (15) и они располагаются по определенному радиусу относительно (9) таким образом, чтобы их центр совпадал с центром вентиляционных колодцев (15).

Нижняя часть этих выступов (22) имеет конусность, комплементарную конусности колодцев (15) таким образом, чтобы при соединении выступа (22) и колодца (15) образовывалось прочное и герметичное соединение типа «конус-в-конус». Установка крышки (8) на распределителе (3) происходит путем ориентации выступов (22) над вентиляционным колодцами (15) с последующей запрессовкой этой сборки любым механическим способом. При этом высота и конусность выступов (22) и бортика (23) подобраны таким образом, чтобы служить естественным ограничителем, обеспечивая единообразный прижим золотника (7) к обтюратору (5).

Деталь (21) также имеет отверстие (24), центр которого совпадает с колодцем (14), которое используется для внесения пробы. При запрессовке крышки (8) верхняя часть колодца (14) оказывается на одном уровне с крышкой, образуя герметичный канал для предотвращения контаминации картриджа пробой при ее внесении в картридж.

Верхняя часть выступов (22) служит для герметизации вентиляционных каналов при транспортировке картриджа. Высота верхней части выступов (22) такова, что при соединении деталей (20) и (21) они проходят через отверстия (26) и выступают над закрытой крышкой на высоту, необходимую для надежной герметизации внутренних отверстий этих выступов с помощью защитной транспортировочной пленки (27), например, но не ограничиваясь, методом термосварки. При этом происходит герметизация всех воздушных каналов, после чего резервуары с реагентами, в том числе лиофилизированными, становятся полностью герметичными.

Деталь (21) на внешней части имеет небольшой выступ защелку, которая служит для надежной фиксации детали (20) на детали (21).

Для загрузки пробы в картридж необходимо открыть крышку (20) и поместить пробу в колодец (14). При этом неизбежно произойдет разгерметизация всех воздушных каналов (24), а обратное закрывание крышки после внесения пробы оставит воздушные каналы открытыми.

Есть еще один вариант сборки картриджа, при котором цилиндр (29), по которому перемещается поршень (17), является непосредственной частью основания (1) и остается неподвижным при вращении золотника. При этом устройство золотника упрощается, и он представляет собой только поводок (19) и тарелку (18), которые соединяются между собой, например, с использованием ультразвуковой сварки.

И еще один вариант сборки золотника, при котором в одном из каналов золотника (7) между поводком (19) и тарелкой (18) находится фильтр или полупроницаемая мембрана, на которой происходит фильтрование микроорганизмов из анализируемой пробы и/или выделение нуклеиновых кислот.

ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

Предложенные устройства предназначены для ряда применений, включающих применение одноразового картриджа для выделения нуклеиновых кислот и их последующей амплификации в медицине и биотехнологической промышленности.

Claims (22)

1. Одноразовый картридж для выделения нуклеиновых кислот и их последующей амплификации, содержащий основание с емкостями-резервуарами, распределитель с капиллярами для движения жидкости с обтюратором-уплотнителем и отверстиями для движения воздуха – вентиляционными колодцами, которые в сборе образуют емкости-резервуары, поворотный золотник и крышку, емкости-резервуары размещены по окружности вокруг оси, которая является геометрическим центром конструкции картриджа, и имеют форму усеченной неравносторонней пирамиды, при этом положение одного из оснований этой усеченной пирамиды, которое формирует дно емкости, совпадает с положением капилляра распределителя таким образом, чтобы при соединении этих деталей конец капилляра позиционировался на дне соответствующей емкости-резервуара, на основании выполнено посадочное место под ПЦР-чип для проведения амплификации с одной или несколькими ячейками, закрытыми пленкой, отличающийся тем, что крышка состоит из двух частей, которые соединены между собой перемычкой, выполняющей роль подвижного шарнира, верхняя часть содержит выступ-защелку, нижняя часть имеет ряд конических полых выступов, выступающих с обеих сторон, количество которых равно количеству вентиляционных колодцев, и они располагаются по радиусу относительно оси, которая является геометрическим центром конструкции картриджа, таким образом, чтобы их центр совпадал с центром вентиляционных колодцев.

2. Одноразовый картридж по п.1, отличающийся тем, что одна из емкостей-резервуаров располагается таким образом, чтобы при установке картриджа в исполнительное устройство за счет вклинивания этой емкости обеспечивался физический контакт с соответствующими модулями исполнительного устройства, отвечающих за нагрев, подвод магнитов, ультразвуковую обработку.

3. Одноразовый картридж по п.1, отличающийся тем, что на основании, по периметру каждой емкости-резервуара выполнены выступы треугольного сечения для обеспечения надежного и герметичного соединения этой детали с распределителем, например, но не ограничиваясь, методом ультразвуковой сварки.

4. Одноразовый картридж по п.1, отличающийся тем, что распределитель включает три ряда массива элементов, расположенных на разном расстоянии от геометрического центра так, что элементы из разных массивов располагаются на одном луче, выходящем из центра.

5. Одноразовый картридж по п.4, отличающийся тем, что первый массив элементов представляет собой капилляры, выступающие на определенную глубину конические трубки с отверстиями внутри, количество которых соответствует количеству емкостей-резервуаров на основании и их глубине, длина капилляров такова, чтобы при соединении или сварке основания и распределителя концы капилляров находились на таком расстоянии от дна, не касаясь его, чтобы через этот капилляр обеспечивался беспрепятственный и наиболее полный отбор жидкости из емкости-резервуара.

6. Одноразовый картридж по п.5, отличающийся тем, что капилляры располагаются на определенном радиусе, соосно геометрическому центру и через определенные промежутки таким образом, чтобы при соединении или сварке основания и распределителя капилляр позиционировался у дна каждой емкости.

7. Одноразовый картридж по п.5, отличающийся тем, что на противоположной стороне распределителя, в основании каждого капилляра имеется впадина цилиндрической формы, куда вставляется выступ обтюратора для обеспечения герметизации соединения капилляра с золотником.

8. Одноразовый картридж по п.4, отличающийся тем, что второй массив элементов представляет собой вентиляционные колодцы, располагающиеся по радиусу относительно геометрического центра таким образом, чтобы их центр и центр отверстий в капиллярах оказались на одном луче, исходящем из геометрического центра.

9. Одноразовый картридж по п.8, отличающийся тем, что количество колодцев равно количеству капилляров и емкостей-резервуаров.

10. Одноразовый картридж по п.8, отличающийся тем, что при соединении или сварке основания и распределителя в каждой емкости-резервуаре оказывается один капилляр и один вентиляционный колодец.

11. Одноразовый картридж по п.8, отличающийся тем, что каждый колодец имеет внутреннее отверстие конической формы, причем конусность отверстия направлена в сторону емкости.

12. Одноразовый картридж по п.4, отличающийся тем, что третий массив элементов представляет собой вентиляционные каналы микрофлюидного чипа, которые располагаются на радиусе, исходящем из геометрического центра, располагающемся между радиусом капилляров и вентиляционных колодцев, не совпадая с ними.

13. Одноразовый картридж по п.12, отличающийся тем, что количество вентиляционных каналов совпадает с количеством лунок микрофлюидного чипа и равно количеству загрузочных каналов микрофлюидного чипа, расположенных на одном радиусе с капиллярами, причем каналы и загрузочные каналы располагаются на одном луче, исходящем из геометрического центра.

14. Одноразовый картридж по п.1, отличающийся тем, что золотник состоит из цилиндра, в котором с возможностью возвратно-поступательного перемещения размещен поршень, тарелки с отверстиями, а также поводка.

15. Одноразовый картридж по п.14, отличающийся тем, что поршень выполнен из эластичного материала, его перемещение осуществляется исполнительным устройством.

16. Одноразовый картридж по п.14, отличающийся тем, что поводок выступает над поверхностью золотника и имеет форму цилиндра с проточкой конической формы, в которую вставляется приводной вал исполнительного устройства, комплементарный поводку таким образом, чтобы обеспечивать надежное сцепление вала и поводка с минимальным люфтом при вращении.

17. Одноразовый картридж по п.1, отличающийся тем, что обтюратор представляет собой деталь, изготовленную из биоинертного эластичного материала, например, но не ограничиваясь, термоэластопласта или силикона, сторона обтюратора, по которой происходит перемещение золотника, выполнена плоской, на обратной стороне имеются цилиндрические выступы, расположение которых соответствует впадинам у основания капилляров и отверстий для микрофлюидного чипа.

18. Одноразовый картридж по п.1, отличающийся тем, что чип имеет одну или несколько амплификационных камер, которые с помощью каналов соединяются через обтюратор с золотником.

19. Одноразовый картридж по п.1, отличающийся тем, что нижняя часть выступов нижней части крышки имеет конусность, комплементарную конусности колодцев таким образом, чтобы при соединении выступа и колодца образовывалось прочное и герметичное соединение типа «конус-в-конус».

20. Одноразовый картридж по п.1, отличающийся тем, что нижняя часть крышки имеет отверстие, центр которого совпадает с колодцем, которое используется для внесения пробы, при запрессовке крышки верхняя часть колодца оказывается на одном уровне с крышкой, образуя герметичный канал для предотвращения контаминации картриджа пробой при ее внесении в картридж.

21. Одноразовый картридж по п.1, отличающийся тем, что в одном из каналов золотника между поводком и тарелкой находится фильтр или полупроницаемая мембрана, на которой происходит фильтрование микроорганизмов из анализируемой пробы и/или выделение нуклеиновых кислот.

22. Одноразовый картридж по п.1, отличающийся тем, что детали картриджа изготавливаются одним из следующих методов: литьем под давлением, экструзией, вакуумной формовкой из следующих материалов: полипропилена, полиэтилена, циклополиолефина, поликарбоната, полиметилметакрилата, полистирола.