TWI824991B - 用於檢測目標核酸的卡匣及控制通過在用於檢測目標核酸的卡匣中之腔室的流體之垂直流的方法 - Google Patents

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Abstract

一種用於檢測核酸或進行其它分析試驗的拋棄式卡匣。該卡匣可於使用期間插入一基座內。該卡匣具有無數形貌來確保該裝置於重力下正確操作，諸如通風口袋，用以確保當該通風口袋為未經密封時樣本流體流從一腔室流到下一腔室。該等通風口袋具有凹部來協助防止意外再度密封。該卡匣也具有一墊片以確保在開啟的通風口袋之間的自由空氣移動。具有圖案化金屬電氣組件配置於一耐熱材料上的一可撓性電路可與該等腔室內的流體直接接觸，且具有電阻加熱元件與該等通風口袋及該等腔室對齊。罩住一側流檢測條的該檢測腔室可具有在該條下方的一空間，該空間具有足夠容量來容納該樣本流體的一整個體積進入該檢測腔室於一高度，使得該流體藉毛細作用流上該檢測條而不會溢流或以其它方式繞過該檢測條區域。該空間也可含有檢測粒子。於該卡匣通道或腔室內之凹部可具有諸如脊或溝槽之結構來導引流體流動而提升分配於該凹部的凍乾試劑之再水合。於該等腔室內的流動轉向器可減低該樣本流體的流速及增加有效流體流徑長度，使得能更準確控制於該卡匣內的流體流動。

Description

用於檢測目標核酸的卡匣及控制通過在用於檢測目標核酸的卡匣中之腔室的流體之垂直流的方法 參考相關申請案
本案請求美國臨時專利申請案第62/152,724號，名稱「流體測試卡匣」，申請日2015年4月24日，及美國臨時專利申請案第62/322,738號，名稱「流體測試卡匣」，申請日2016年4月14日的優先申請權及利益，各案之說明書及申請專利範圍係爰引於此並融入本說明書之揭示。
發明領域
本發明之實施例係有關於用於檢測與識別核酸之整合式裝置及相關方法。該裝置可為完全拋棄式，或可包含拋棄式部分及可再利用部分。
發明背景
注意後文討論可指多個公開文獻及參考文獻。此處對此等公開文獻之討論係給定用於更完整瞭解科學原理的背景，而非視為承認此等公開文獻為用於可專利性判定目的之先前技術。
隨著對傳染病及引發疾病、生物威脅因子、遺傳病、環境病原貯藏處的公共衛生衝擊及意識的提升，對於更具有資訊性、敏感性及特定使用點快速分析試驗的需求 已經使得針對以聚合酶連鎖反應(PCR)為基礎的工具之需要增高。藉由諸如以PCR為基礎的擴增等方法之以核酸為基礎的分子測試乃極其敏感、特異性及資訊性。不幸地，目前可用的核酸測試為不適合或具有有限的使用領域，原因在於其要求精巧的且昂貴的器材、專門的實驗材料及/或依賴使用者介入的多重操控。結果，大部分分子測試的樣本係運輸至集中式實驗室，結果導致冗長的來回時間才能獲得所需資訊。
為了解決快速的使用點分子測試的需要，先前努力聚焦在採用拋棄式匣的產品設計及相對昂貴的相關聯的儀器。外部器械的使用來完成流體移動、擴增溫度控制及檢測，簡化了分子測試要求整個多個處理所特有的許多工程挑戰。不幸地，對精巧的器械的依賴給小型診所、地方政府及州政府及執法單位帶來了巨大經濟壁壘。又，依賴少數儀器來跑測試，可能造成於需要增加的期間不必要的延遲，諸如於可疑生物戰劑釋放或出現流行病期間。確實，當爆發需求湧浪容量及通量增加時，儀器及拋棄式試劑卡匣模型造成潛在的顯著瓶頸。此外，儀器依賴性使得測試裝置隨意分配到部署位置變複雜化，於該部署位置，邏輯限制排除了龐大相關聯的設備的運送或基礎建設要求缺如(例如，可靠的電源)。
曾經描述重力作為在既有微流體裝置中的流體移動的手段。然而，典型裝置並不允許此種流體移動或多於兩種流體的混合之可程式化控制或電子控制。又，當垂 直定向時，有些裝置利用藉下降惰性或預包裝流體所產生的壓降來感應略為真空及將反應物汲取入處理腔室內，其增加了儲存及運送的複雜度來確保預包裝流體的穩定性。教示以多個分開步驟移動流體的既有裝置要求在各腔室間具有易碎性密封件或閥，其使得操作及製造變複雜化。此等裝置並未教示針對各腔室使用分開的位在遠端的通風口。
典型微流體裝置使用比標準實驗室程序所採用者更小的反應體積。PCR或其它核酸擴增反應諸如迴路媒介擴增(LAMP)、以核酸為基礎的序列擴增(NASBA)及其它使用5微升至100微升的反應體積。此等反應體積容納的測試檢體體積係足夠確保檢測得在稀釋檢體中含量稀少的分析試驗目標。相較於傳統實驗室分子測試中採用的反應體積，減少採用的反應體積之微流體系統必然也減少能添加至反應的檢體體積。較小的反應體積的結果為容納足量檢體體積來確保於稀釋檢體中可檢測量的目標之存在或當分析試驗目標為含量稀少時的容量減少。
發明概要
本發明為一種用於檢測一目標核酸的卡匣，該卡匣包含多個腔室；連結至該等腔室的多個通風口袋；及用於密封該等通風口袋中之一或多者的一不耐熱材料；其中至少一個該通風口袋包含一突起部。該突起部較佳地包含一凹坑或一突點，且較佳地足夠防止熔融的不耐熱材料附 著於設置相鄰該不耐熱材料的一耐熱材料用以防止於該不耐熱材料破裂後該通風口袋的再密封。
本發明也為一種用於檢測一目標核酸的卡匣，該卡匣包含多個腔室；連結至該等腔室的多個通風口袋；用於密封該等通風口袋中之一或多者的一不耐熱材料；耐熱材料；及配置於該不耐熱材料與該耐熱材料間之一墊片，該墊片包含圍繞該等多個通風口袋之一開口。該墊片較佳地係足夠厚的以提供一足夠的空氣體積用以平衡壓力及確保之的通風口袋之間的自由空氣移動。該卡匣較佳地包含一可撓性電路，該可撓性電路包含配置於該耐熱材料上的經圖案化的金屬電氣組件。該墊片較佳地包含一第二開口，或於維度上受限制，使得該可撓性電路將在該等腔室中之至少一者內與流體直接接觸。該等電氣組件較佳地包含電阻加熱元件或傳導線跡。該等電阻加熱元件較佳地對齊該等通風口袋及該等腔室。該卡匣較佳地包含一或多個周圍溫度感測器用於調整該等腔室中之一或多者的一加熱溫度、加熱時間、及/或加熱速率。
本發明也為一種用於檢測一目標核酸的卡匣，該卡匣包含一垂直取向檢測腔室；配置於該檢測腔室內的一側流檢測條，其定向使得該檢測條的一樣本接收端係在該檢測條的底端；及於該檢測腔室內在該側流檢測條下方的一空間，用於接收包含已擴增的目標核酸之流體；該空間包含足夠容量來容納該流體的一整個體積於一高度，該高度使得該流體藉毛細作用流上該檢測條而不會溢流或以其 它方式繞過該檢測條區域。該空間較佳地包含檢測粒子，諸如染料聚苯乙烯微球、乳膠、膠體金、膠體纖維素、奈米金、或半導體奈米晶體。該等檢測粒子包含與目標被分析物互補的寡核苷酸或能夠結合至已擴增的目標核酸的配位子，諸如生物素、鏈絲菌抗生物素、一半抗原、或一抗體。該等檢測粒子較佳地已經乾燥、凍乾、或呈檢測粒子於一載體，諸如一多醣、一清潔劑、或一蛋白質，的一乾燥混合物而存在於該內表面的至少一部分上以利於該等檢測粒子之再懸浮。該流體之一毛細池較佳地形成於該空間內，提供該等檢測粒子經改良的混合及分散，以利於該等檢測粒子與該已擴增的目標核酸交混。該卡匣選擇性地進行具有少於約200微升之一體積的一分析試驗，及較佳地少於約60微升。
本發明也為一種用於檢測一目標核酸的卡匣，該卡匣包含用於容納至少一個凍乾或乾燥試劑的一或多個凹部，該等凹部中之至少一者包含一或多個用於引導流體的結構，以利於至少一個乾燥或凍乾試劑的再水合，該等凹部配置於連結到該等腔室的一或多個通道內或於該等通道中之一或多者內。該等結構較佳地包含脊、溝槽、凹坑、或其組合。
本發明也為一種用於檢測一目標核酸的卡匣，該卡匣包含至少一個腔室，該腔室包含一形貌(feature)用以防止垂直進入該腔室之一頂部的流體直接流進該腔室的一出口。該形貌較佳地偏轉該流體到該腔室與該出口相對的 該側。該流體所獲致之一流徑較佳地包含一水平組件，藉此充分地增加該流徑之一有效長度且充分地減低該流體之一流速來限制流體流出該出口的量。該形貌較佳地在該腔室內形成流體的一渦旋，藉此增加試劑於該流體內部的混合。該形貌的形狀較佳地為三角形或梯形。該出口選擇性地為錐形。位在該出口下游的一通道選擇性地包含用於增加該通道之一有效長度的轉彎。該形貌較佳地係定位接近於或位於該腔室之一底部或接近該腔室之一中部。
本發明也為一種控制通過一腔室的一流體之垂直流的方法，其中該腔室係在用於檢測一目標核酸的一卡匣中，該方法包含偏轉進入該腔室之一頂部的一流體流，藉此防止該流體直接地流入該腔室的一出口。該方法較佳地包含減慢該流體之一流速，藉此縮短在該流體停止之前該流體流下連結到該出口的一通道之一距離。該方法較佳地包含將進入該腔室的該流體之一流分割成接觸該腔室的一壁且被引導向上的一第一流體流，以及進入該出口的一第二流體流。該第一流體流較佳地於該腔室內渦旋，藉此增加試劑於該流體內部之混合。該第二流體流較佳地形成一半月形及前行通過連結到該出口的一通道，該半月形增加於該流體下游的該通道在閉合空氣空間內的壓力直到該壓力停止於該通道內的該流體流為止。該出口選擇性地為錐形，藉此增加於該出口的該入口之可壓縮空氣體積。該方法選擇性地包含在連結到該出口的一通道內提供轉彎，藉此增加該通道之一有效路徑長度及減低流體於該通道之一流速。
本發明之目的、優點及新穎形貌、及進一步應用範圍部分將結合附圖陳述於後文詳細說明部分，及部分當研讀後文時對熟諳技藝人士將變得更為彰顯，或可藉由實施本發明而習得。本發明之目的及優點利用於隨附之申請專利範圍中特別指出的器材及組合可予實現與達成。
5、400、1403、5023:流體組件
10、1000、1402、5002:樣本杯
13、15、1007、1008、1013、1014:試劑凹部
16:試劑混合物
20、1309:樣本埠口
25、5020:外蓋
30、90、1321:腔室
35、40:通道
37:試劑凹部
39:入口
50、54、150、1011、1012:通風口袋
51:開口
52、5021:膨脹腔室
55:密封空間
56:墊片或間隔物
59:外部環境
60、5007:通風口通道
70、71:熱源、通風口電阻器
72、430:耐熱材料
75、1501:印刷電路板或PCA
80:不耐熱的通風口袋密封材料
91、1404:滑動密封件
93:毛細池/空間
95:壁
100、800:加熱元件
110:溫度感測器
135:試劑凹部通道
230:檢測腔室
235:檢測條
410、807:不耐熱材料
420:氣隙
440:空置區域
799:可撓性電路
802、803、804:電阻式加熱元件
805:背殼體、背板
806:窗
810、900:連接器
812:電氣襯墊
901、902:紅外線溫度感測器
903:冷卻風扇
1001、1002:流體體積分割腔室
1003、1004:通風閥
1005、1006:通風口
1009、1010、1015、1016:溫控腔室
1017、1018:檢測條腔室
1019、1020、5009:通風閥
1300:核酸樣本製備子系統
1301:殼體蓋
1302:主殼體
1303:溶液分腔室化組件
1304、1305:密封件、密封件材料
1306:結合基質
1307、1308:吸收性材料、芯
1310:埠口
1311:密封件刺穿結構
1312:粗產物樣本貯槽
1313:吸收襯墊
1314、1315:貯槽
1316:密封組件、密封件
1317:洗提貯槽
1318:導管
1319:柱塞
1320:致動器接取埠口
1322:致動器埠口
1403:流體殼體
1405:O形環
1406:卡匣背襯
1500、2500、5000:測試卡匣
2501、2700:對接單元
2502:LCD顯示器
2503:對接單元蓋
2505:感測器
2506:PCA支架
2507:卡匣支架
2508:突起
2509:軌道
2511、5003:凹部
2600:紅外線感測器
2601:感測器陣列
2602:條碼或條碼狀形貌
2702:對接單元門
3601-3604:伺服致動器
3605:接收槽
3606:電子元件PCA
3607:子系統
3608:LED光源
3609:CMOS感測器
3979:滑動密封件致動器
3980:子總成
4001、4101、4201、4301-4303、4401:流控制形貌
4002、4102、4202、4304、4402:入口通道
4003、4103、4203、4305、4403、5006、5011、5013:反應腔室
4004、4104、4204、4306、4404:對角
4005、4105、4205、4307:出口
4006、4106、4206、4405:出口通道
5001:樣本埠口
5004、5010、5012:凍乾珠粒
5005:通道
5008:孔口
5014:側流條
5015:毛細池/空間
5022:加熱器電路
5024:背蓋
7001:脊
7004:凹坑
結合入本說明書且形成本說明書之一部分，附圖例示本發明之實施例，及連同詳細說明部分用來解釋本發明的原理。附圖僅係用於例示本發明之某些實施例的目的而不應解譯為限制本發明。附圖中：圖1A為略圖，例示本發明之一測試卡匣的一實施例。
圖1B為測試卡匣的一個實施例之分解視圖，顯示滑動密封件、樣本埠口、樣本杯、及膨脹腔室的內部區域。
圖2A為於本發明之測試卡匣的一個實施例中之流體網絡的代表圖。
圖2B-2C為於一經密封的測試卡匣情境中，一熱觸發的通風口如何能被運用來通風至一膨脹腔室用以達成流體流動控制，在通風口開啟之前及之後分別的示意代表圖。
圖2D為拋棄式測試卡匣的一個實施例之略圖，顯示包含電阻加熱元件及溫度感測器之印刷電路總成(PCA)的配置。
圖2E為包括圖2A中描述的形貌之射出模製塑膠測試卡匣的照片。
圖3A為膨脹腔室之一實施例的操作原理之代表圖。
圖3B為測試卡匣內部氣體膨脹之前，以活塞為基礎的膨脹腔室之剖面圖。
圖3C為測試卡匣內部氣體膨脹之後，以活塞為基礎的膨脹腔室之剖面圖。
圖4A為形成膨脹腔室之一手段的例示，其中採用一可膨脹囊袋來提供膨脹的內部容積。
圖4B為測試卡匣內部氣體膨脹之前，以囊袋為基礎的膨脹腔室之剖面圖。
圖4C為測試卡匣內部氣體膨脹之後，以囊袋為基礎的膨脹腔室之剖面圖。
圖5A為形成膨脹腔室之一手段的例示，其中採用一可膨脹伸縮節來提供膨脹的內部容積。
圖5B為測試卡匣內部氣體膨脹之前，以伸縮節為基礎的膨脹腔室之剖面圖。
圖5C為測試卡匣內部氣體膨脹之後，以伸縮節為基礎的膨脹腔室之剖面圖。
圖6A例示當粒子諸如細菌、病毒、或大分子諸如DNA或RNA滯留裝置內部時，允許氣體自由通道的半透性屏障、膜、或材料的使用。
圖6B為採用來替代膨脹腔室用以平衡內壓與周 圍壓力或用以減低內壓的半透性屏障之剖面圖。
圖7為一測試卡匣設計的分解視圖，其中一膨脹腔室係由在一層雙軸定向聚苯乙烯(BOPS)膜間的一間隔物形成。
圖8A為一可撓性電路之一實施例的略圖，該可撓性電路包含用於兩個流體腔室、一個檢測條腔室及三個通風口的電阻加熱元件及電氣接觸襯墊。
圖8B為包含用於兩個流體腔室、一個檢測條腔室及三個通風口的電阻加熱元件及用於供電給電阻加熱元件的電氣接觸襯墊的一可撓性電路之一實施例。
圖8C為測試卡匣之一實施例的分解視圖。
圖8D為圖8C之該已組裝的測試卡匣之一視圖。
圖9描繪來自在該條狀物的樣本接收端有及無一毛細池的裝置之側流條。當存在有一毛細池時，觀察得跨該條之更均勻的檢測粒子分布及更均一信號。
圖10為一略圖例示將樣本分割的階層式方法。
圖11為用於多工化及樣本細分的一多通道流體網絡之例示，顯示用於各個測試之流體流徑。額外流體流徑或通道可結合入網絡內來進一步增加在單一拋棄式測試卡匣中可同時進行的並列測試的數目。
圖12為於本發明之測試卡匣的一個實施例中流體網絡的代表圖，其中一樣本在透過樣本埠口導引至樣本杯之後被分割，而使其能在相同輸入樣本上進行並列的獨立測試。來自樣本杯的分岔流體路徑允許樣本溶液分割入 測試卡匣的兩個分開的流體通道或路徑而允許在該分割樣本上同時跑並列測試。
圖13A為已組裝樣本製備子系統之略圖，顯示內部組件配置。
圖13B為樣本製備子系統之分解視圖，顯示經組配用來與一測試卡匣整合的核酸純化設備的組件。
圖14為貫穿樣本製備子系統的剖面圖，例示於處理一樣本的過程中出現組件的移動。
圖15為分解視圖，顯示具有密封組件、射出模製流體子系統、對應的卡匣背襯、及PCA的樣本製備子系統。
圖16為具有整合式樣本製備子系統的一測試卡匣實施例的照片。
圖17A為分解視圖，顯示具有密封組件及射出模製流體子系統設計的樣本製備子系統。
圖17B為具有顯示介接PCA的整合式樣本製備子系統的一測試卡匣實施例之略圖。
圖17C顯示測試卡匣實施例的裁剪略圖，描繪流體路徑、介接的電子元件及樣本製備組件。
圖18A為本發明之一對接單元之一實施例的略圖，顯示蓋於開啟位置及插入一測試卡匣。
圖18B為該對接單元的略圖，顯示蓋於關閉位置。
圖19為該對接單元之一個實施例的照片，顯示蓋於開啟位置及插入一測試卡匣。LCD顯示器指示檢測得流 行性感冒A/B測試卡匣的插入。
圖20例示本發明之卡匣密封機構的一實施例。
圖21A為卡匣密封件感測器置放在該對接單元內部之略圖，該對接單元具有一被插入的卡匣，其在開啟位置具有密封件。
圖21B為卡匣密封件感測器置放在該對接單元內部之裁剪略圖，該對接單元具有一被插入的卡匣，其在開啟位置具有密封件。
圖21C為卡匣密封件感測器置放在該對接單元內部之略圖，該對接單元具有一被插入的卡匣，其在閉合位置具有密封件。
圖21D為卡匣密封件感測器置放在該對接單元內部之裁剪略圖，該對接單元具有一被插入的卡匣，其在閉合位置具有密封件。
圖22為卡匣密封機構之一實施例的略圖，其中採用一驅動齒輪來媒介使用旋轉閥的密封件之閉合。
圖23A為一略圖例示測試卡匣之一實施例，其中該蓋為鉸接蓋，包含一O形環密封件及作為膨脹腔室的空置空氣體積。於本略圖中該蓋係於開啟位置。
圖23B為一略圖顯示於閉合位置的蓋，於該處該O形環與該樣本埠口的邊緣形成一密封。
圖24A為該對接單元形成測試卡匣接收子總成的加熱器板及測試卡匣支架組件的分解視圖。
圖24B為該對接單元的測試卡匣接收子總成之 一實施例的略圖。
圖25為該測試卡匣支架及加熱器板安裝系統於接合位置及脫離位置的滑動視圖。
圖26為一略圖描繪置放紅外線溫度感測器於對接單元的一個實施例來監測第一及第二經加熱的流體腔室之溫度。
圖27A為一略圖顯示光學感測器置放於對接單元的一實施例內部來允許位在接近測試卡匣底部的條碼之讀取。
圖27B為圖27A之細節。
圖28A及28B分別為雙加熱板組態的分解圖及組裝圖，其中該測試卡匣係夾置於兩個加熱器板總成間。
圖29A及29B分別為一對接單元實施例的實心圖及透視圖，其中使用鉸接門來接收一測試卡匣。鉸接門的閉合將測試卡匣背側接觸安裝於對接單元內部的加熱器板。
圖30A及30B分別為一對接單元的內部組件之前視及側視裁剪圖，包含用於致動樣本製備的伺服馬達及測試結果選擇的光學系統。
圖31A及31B為針對結合一測試讀取器的對接單元之一實施例一光學子系統的前視及側視照片。
圖32A及32B為對接單元實施例的照片，具有一鉸接測試卡匣接收門，其分別於開啟位置及關閉位置。
圖33顯示針對本發明之一對接單元的可再利用 子總成。
圖34顯示於此處描述的實例1獲得的測試結果。
圖35顯示於此處描述的實例2獲得的測試結果。
圖36顯示於此處描述的實例3獲得的測試結果。
圖37A為包含三腔室的一卡匣之透視圖。
圖37B為圖37A之卡匣的分解視圖。
圖38為圖37A之卡匣的透視圖，顯示流體形貌。
圖39顯示本發明之一腔室的實施例，其包含三角形突起流形貌及錐形出口。
圖40顯示本發明之一腔室的實施例，其包含三角形突起流形貌及並列出口。
圖41顯示本發明之一腔室的實施例，其包含梯形突起流形貌及並列出口。
圖42顯示本發明之一腔室的實施例，其包含堆疊的三角形流形貌及並列出口。
圖43顯示本發明之一腔室的實施例，其包含約略位在腔室中央的一突起流形貌。
圖44顯示包含用於導引流體流動的內部形貌之一試劑凹部。
圖45顯示包含一凹坑結構的本發明之一通風口袋的實施例。
較佳實施例之詳細說明
本發明之一實施例為用於檢測目標核酸的一種 可密封拋棄式平台，該拋棄式平台較佳地包含用於接收包含目標核酸之一樣本的一樣本腔室，透過一第一通道連結至樣本腔室及透過一第二通道連結到第一通風口袋的一擴增腔室，透過一第三通道連結至擴增腔室及透過一第四通道連結到第二通風口袋的一標記腔室，透過一第五通道連結至標記腔室及透過一第六通道連結到第三通風口袋的一檢測子系統，多個電阻加熱元件，及一或多個溫度測量裝置，其中該等通風口袋各自係藉位在該等電阻加熱元件中之一或多者附近的呈適當形式，諸如厚膜、薄膜、或塑膠片形式的不耐熱材料而被密封不與空氣腔室連通。該拋棄式平台選擇性地包含一密封件，來在檢測分析試驗起始之前密封該平台。該拋棄式平台較佳地包含在兩腔室間沿通道的凹部，用來容納乾燥或凍乾試劑之結合入該拋棄式平台。此等凹部可選擇性地在該等表面中之一或多者面對該(等)試劑的結構用來協助導引流體，較佳地使用毛細效應或表面張力效應，至被包圍的乾燥試劑，用來利於乾燥試劑的再水合。此等形貌可包含脊，諸如圖44之脊7001、溝槽、凹坑或其它結構，用來當流體通過凹部時導引流體到凹部的內部空間，或以其它方式於流體流動期間協助流體流到凹部的內部空間。另外，凹部可直接地位在該等腔室中之一者(或多者)內部。
該拋棄式平台選擇性地進一步包含一樣本製備平台，其包含一輸出與該樣本腔室的一輸入直接流體連結。擴增腔室的一實質上平坦表面的維度較佳地係與擴增腔室 熱接觸的一電阻加熱元件的一實質上平坦表面的維度相同。擴增腔室選擇性地含有擴增溶液，在從樣本腔室至擴增腔室的通道內之凹部選擇性地包含已凍乾的擴增試劑混合物，及較佳地在從擴增腔室至標記腔室的通道內之凹部包含乾燥或凍乾檢測粒子。擴增腔室及標記腔室較佳地可使用電阻加熱元件加熱。檢測子系統較佳地包含側流條，其包含檢測粒子。該等腔室、通道、及通風口袋較佳地位在一流體總成層上，及該裝置的電子元件較佳地位在組成印刷電路板的一分開層上，該分開層黏合至流體總成層，或藉一對接單元而放置接觸該流體總成層。檢測子系統較佳地位在流體總成層上，或選擇性地在一第二流體總成層上。該等腔室中之至少一者的體積較佳地為約1微升至約150微升。拋棄式平台較佳地進一步包含一連接器，用來對接拋棄式平台與對接單元，或對接單元其較佳地維持拋棄式平台於垂直或傾斜取向，及選擇性地提供電氣接觸、組件及/或電源供應器。
本發明之一實施例為一種用於檢測一或多個目標核酸之方法，該方法較佳地包含分配包含目標核酸的樣本於拋棄式平台的樣本腔室內；垂直或以傾斜定向該拋棄式平台；將連結到擴增腔室的第一通風口袋開放至被包圍的空氣容積，藉此使得樣本能流入擴增腔室內；該樣本與位在樣本腔室與擴增腔室間之該通道的一凹部內的先前已凍乾的擴增試劑混合物反應；於擴增腔室內擴增目標核酸；將連結到標記腔室的第二通風口袋開放至被包圍的空氣容 積，藉此使得已擴增的目標核酸能流入標記腔室內；使用在擴增腔室與標記腔室間之該通道的一凹部內的檢測粒子標記該已擴增的目標核酸；將連結到檢測子系統的第三通風口袋開放至被包圍的空氣容積，藉此使得已標示的目標核酸流進檢測子系統內；及檢測該已擴增的目標核酸。擴增步驟較佳地使用在擴增腔室附近位在拋棄式平台內部的電阻加熱元件擴增該目標核酸。該方法較佳地進一步包含被動式冷卻擴增腔室。該方法較佳地進一步包含於標記步驟期間，使用在擴增腔室附近位在拋棄式平台內部的電阻加熱元件標記該腔室。該方法較佳地進一步包含藉由使用並非外部儀器的一對接單元來控制拋棄式平台的操作。
本發明之實施例包含一拋棄式平台，其整合進行核酸分子分析試驗及補體流免疫-側流快速分析試驗的全部要求步驟之外部儀器獨立構件與新一代核酸測試，提供了更具資訊性且更敏感的分析。本發明之實施例利於快速核酸測試於小型診所及簡樸(austere)或遠端裝置的廣泛使用，於該處傳染病、生物戰劑、農業及環境測試最可能產生最大衝擊。本發明之某些實施例為完全自容式及拋棄式，其使得藉由允許跑並列測試而無外部儀器加諸的瓶頸而在需求增加時能具有「湧浪容量」。此外，於以低成本拋棄式卡匣耦合廉價電池供電或AC配接器供電的對接單元為佳的該等應用區塊中，其中採用簡單對接單元的本發明之一實施例藉將可再利用的組件置於可再利用的但又廉價的基座內而減低測試成本。此處揭示的平台技術提供類似實驗 室以核酸擴增為基礎的方法之敏感度、最少使用者介入及訓練需求、由擴增及檢測兩者賦與的序列特異性、多工能力、安定試劑、與低成本大規模製造之可相容性、電池組或太陽能供電操作而許可用在簡樸(austere)裝置、及彈性平台技術，無需重新設計裝置而允許結合額外的或替代的生物標記。
本發明之實施例提供低成本使用點核酸檢測與識別系統及方法，適合用於在遠離通常進行測試的實驗室環境位置進行分析。優異地，核酸擴增反應體積可於傳統實驗室測試常用的相同體積範圍(例如，5-150微升)。於本發明之實施例中進行的反應因而與已經為人所接受的實驗室分析試驗可相媲美，及允許容納傳統分子測試中典型採用的相同檢體體積。再者，核酸的擴增較佳地於經密封的測試卡匣內進行，該卡匣在起始擴增之前較佳地持久地密封。已擴增的核酸保有於密封系統內部，防止測試環境及周圍區被擴增產物污染，及因而減低了接續測試將產生陽性結果的可能。密封系統整合入測試卡匣，使其能使用對應密封件接合系統於對接單元，以在分析試驗起始時執行密封件的形成。於本發明之一實施例中，採用齒條及小齒輪機構以將測試卡匣整合式密封機構滑動定位來確保在擴增之前的密封件閉合。置於對接單元內的一感測器查詢該測試卡匣，用以確認在起始測試反應之前該密封件已經形成。
本發明之實施例可使用射出模製法及超音波熔 接產生，以達成高通量製造及低成本的拋棄式組件。於若干實施例中，一或多個凹部設在流體組件來各自容納一個乾試劑丸粒。凹部使得於最終組裝期間，凍乾的或以其它方式乾燥的材料的使用存在於流體組件，此時可使用超音波熔接，而丸粒不會被熔接期間導入系統的任何能量破壞。
本發明之實施例可用來檢測在一樣本中之目標核酸序列或多序列的存在。目標序列可以是DNA諸如染色體DNA或染色體外DNA(例如，粒線體DNA、葉綠體DNA、質體DNA等)或RNA(例如，rRNA、mRNA、小RNA、或病毒RNA)。同理，本發明之實施例可使用來識別核酸同質多晶型包括單核苷酸同質多晶型、刪減、插入、倒位、及序列複製。又，本發明之實施例可使用來檢測基因調節事件，諸如於轉錄層級基因的向上及向下調節。如此，本發明之實施例可被採用於諸如下列應用：1)於農業、臨床、食物、環境及獸醫樣本中病原核酸的檢測與識別；2)疾病的基因生物標記之檢測；及3)透過疾病或代謝狀態的相關生物標記之檢測而做出疾病或代謝狀態存在的診斷，諸如回應於病原、毒素、其它病原因子、環境刺激或代謝狀態的存在而發生的基因調節事件(於疾病或代謝狀態期間，mRNA向上及向下調節，或誘發小RNA或其它核酸分子的生成或遏止)。
本發明之實施例包含，當添加核酸樣本時，目標核酸樣本製備、擴增、及檢測的手段，包含流體控制、溫 度控制、及試劑混合的全部面向。於本發明之若干實施例中，該裝置提供使用可攜式電源供應器諸如電池組而進行核酸測試的手段，且為完全可拋棄式。於本發明之其它實施例中，拋棄式核酸測試卡匣結合簡單可再用的電子組件工作，該電子組件可從事實驗室儀器設備諸如典型核酸測試要求的外部儀器的全部功能，而不需要使用此種實驗室儀器設備或外部儀器。
本發明之實施例提供一種核酸擴增與檢測裝置，包含，但非限制性，殼體、電路板、及流體組件或微流體組件。於某些實施例中，電路板可含有多種表面安裝組件，諸如電阻器、熱敏電阻、發光二極體(LED)、光二極體、及微控制器。於某些實施例中，電路板可包含可撓性電路板，其包含耐熱基材，諸如聚醯亞胺。於若干實施例中，可撓性電路可包含銅或其它傳導性塗覆層或層沈積於或連結至耐熱基材上。此等塗覆層可經蝕刻或以其它方式製作圖案，因而包含用於生化反應溫度控制及/或傳導性線跡的電阻加熱元件，來容納此等加熱器及/或表面安裝組件，諸如電阻器、熱敏電阻、發光二極體(LED)、光二極體、及微控制器。流體組件或微流體組件為接收、容納、及移動水性樣本的裝置部分，且可從多種塑膠及藉多種製造技術製作，包含超音波熔接、連結、熔接或積層、雷射切削、水刀切削、及/或射出模製。流體組件及電路板組件可逆地或不可逆地固定在一起，及其熱耦合可藉導熱材料或化合物提升。殼體較佳地部分作為裝飾性保護套，隱藏微流體層及電路 板層的精巧組件，及也可用來協助樣本輸入、緩衝液釋放、核酸洗提、密封件形成及裝置功能性要求的處理程序之起始。例如，殼體可結合一樣本輸入埠口、密封件之形成或接合用的一機械系統、一按鈕或類似的機械形貌來允許使用者活化、緩衝液釋放、樣本流動起始、核酸洗提、或電子組件與流體組件間之熱介面或其它實體介面的形成。
於本發明之若干實施例中，流體或微流體組件包含呈受控流體連通的一連串腔室，於該處該等腔室為選擇性地經溫度控制，藉此使得其中所含的流體進行可程式化溫度計畫。於本發明之若干實施例中，流體或微流體組件包含五個腔室，較佳地包括膨脹腔室、樣本輸入腔室、反錄腔室、擴增腔室、及檢測腔室。樣本輸入腔室較佳地包含至膨脹腔室的一導管；可添加含核酸樣本的一樣本輸入埠口；於製造期間已乾燥材料可置於其中用來與輸入樣本混合的一第一凹部；至於製造期間已乾燥材料可置於其中的一第二凹部的一輸出導管；及一導管自其中引導致反錄腔室。於其它實施例中，該等腔室中之二或多者合併成單一腔室，使其能使用較少的腔室。
第一及第二凹部也可包含凍乾試劑，其可包括例如，合宜緩衝液、鹽、去氧核糖核苷酸類、核糖核苷酸類、寡核苷酸引子、及酶類諸如DNA聚合酶及反錄酶。較佳地當核酸樣本進入凹部時，此等凍乾試劑經溶解。於本發明之若干實施例中，第一凹部包含用於存在於輸入樣本的生物劑溶解及/或核酸安定化有用的鹽類、化學品類、及緩衝 液類。於本發明之若干實施例中，輸入樣本係在樣本輸入腔室內加熱以完成存在於樣本中的細胞或病毒的溶解。於本發明之若干實施例中，第二凹部包含用於從RNA合成cDNA有用的凍乾試劑及酶諸如反錄酶。於本發明之一實施例中，第二凹部係與樣本輸入腔室充分隔離，以使得第二凹部內部材料維持於比加熱期間樣本輸入腔室的溫度更低的溫度。於本發明之若干實施例中，反錄腔室包含一導管，其包含含有用於核酸之擴增的凍乾試劑的一第三凹部。樣本輸入腔室、反錄腔室、擴增腔室及檢測腔室較佳地位置對齊且充分鄰近加熱器電路板上的加熱器元件，以當或直接地安裝或透過流體或微流體組件或卡匣插入對接單元內，安裝於加熱器板上時提供熱傳導。同理，存在於加熱器電路板上的電子組件較佳地與流體組件中的通風口袋實體接觸或鄰近，使其能藉由開啟通風口而做電子控制。加熱器電路板實體佈局係經設計以提供與流體或微流體組件對齊，使得用於溶解、反錄、擴增、雜交、及/或流體流動控制的加熱器電路板的電阻加熱元件之配置係形成與其互動的該流體組件之元件的熱介接。
於本發明之若干實施例中，流體或微流體組件較佳地也含五個腔室，包括樣本輸入腔室、溶解腔室、反錄腔室、擴增腔室、及檢測腔室、及沿各腔室間之通道定位的用於乾燥或凍乾試劑之凹部。於此一實施例中，從RNA至cDNA的反錄及cDNA的擴增出現在分開腔室內。於此一實施例中，沿著從樣本輸入杯到溶解腔室的導管定位的一 第一凹部包含用於存在於輸入樣本內的生物劑之溶解及/或核酸之穩定有用的鹽類、化學品(例如，二硫赤絲醇)及緩衝液(例如，用以穩定化、增高、或減低pH)。於本發明之若干實施例中，輸入樣本係在熱溶解腔室內加熱，首先從樣本輸入杯到第一凹部，其中該樣本已經選擇性地與包含在第一凹部的物質交混。於本發明之其它實施例中，溶解係利用於第一凹部內樣本與化學品交混，及於溶解腔室內於此等化學品存在下樣本的培育所導致的化學處理完成。
於溶解腔室內的處理實質上完成之後，樣本溶液係利用加熱器的電子控制而釋放，該加熱器以非機械方式破裂一通風口，以允許樣本溶液透過一通道流經第二凹部及流入反錄腔室內。該第二凹部可選擇性地包含凍乾試劑，其可包括合宜緩衝液、鹽、去氧核糖核苷酸類、核糖核苷酸類、寡核苷酸引子、及酶類諸如DNA聚合酶及/或達成樣本內的RNA反錄成cDNA要求的反錄酶。於反錄反應實質上完成後，開啟第二通風口來釋放樣本溶液，流經一通道及第三凹部，及流進擴增腔室內，該第三凹部包含核酸擴增要求的試劑諸如凍乾試劑，其可包括合宜緩衝液、鹽、去氧核糖核苷酸類、核糖核苷酸類、寡核苷酸引子、及酶類諸如DNA聚合酶。
於擴增腔室內核酸擴增實質上完成後，開啟第三通風口來釋放樣本溶液到前導至檢測腔室的一通道。該通道可選擇性地但較佳地包含一第四凹部，其包含乾燥或凍乾的檢測試劑，諸如於檢測腔室內核酸的檢測有用的化學 品及/或檢測粒子軛合物。檢測腔室較佳地包含一毛細池、用於已擴增的核酸之檢測的試劑、及一側流檢測條。毛細池較佳地提供有足夠容量的一空間來容納在該檢測腔室內流體的整個體積於一高度，該高度使得流體能藉毛細作用流上檢測條，而不會溢流或以其它方式繞過設計用來接收流體用於檢測條正確毛細遷移向上的該檢測條之該等區域。於本發明之若干實施例中，檢測試劑為凍乾試劑。於本發明之若干實施例中，檢測試劑包含已染色聚苯乙烯微球、膠體金、半導體奈米晶體、或纖維素奈米粒子。樣本溶液與檢測腔室內的檢測試劑交混及藉毛細作用流上檢測條。與檢測腔室對齊的微加熱器可選擇性地採用來當溶液向上遷移通過檢測條時控制溶液的溫度。
於本發明之若干實施例中，擴增反應為非對稱性擴增反應，其中於反應中，各個引子對的一個引子係以與一給定對的另一個引子之濃度不同的濃度存在。非對稱性反應可用於單股核酸的生成，用以利於藉由雜交檢測。非對稱性反應也可用於在線性擴增反應中產生擴增子，允許樣本中的目標濃度之定量或半定量分析。
本發明之其它實施例包含核酸反錄、擴增及檢測裝置，其係與樣本製備裝置整合。涵括樣本製備裝置的實施例提供在樣本製備子系統輸出埠或閥與裝置的流體或微流體組件的輸入埠間之流體連通的手段。
本發明之其它實施例包含將輸入樣本分割成於流體或微流體組件中的二或多個流徑的構件。分割輸入樣 本的構件包含一分支導管來攜載輸入流體到具有一定體積設定用來跨多個流徑分割流體的一計量腔室。各個計量腔室包含到一通風口袋的通道導管及到流徑中下個腔室的通道導管，例如，溶解腔室或反錄腔室或擴增腔室。
除非另行界定，否則此處使用的全部技藝術語、符號、及其它科學術語意圖具有本發明相關業界的熟諳技藝人士常見瞭解的定義。此處描述的或參考的技術及程序通常為由熟諳技藝人士明確瞭解及使用習知方法常見採用，諸如廣泛運用的分子選殖方法，描述於Sambrook等人，分子選殖：實驗室手冊第三版(2001)，冷泉港實驗室出版社，冷泉港，紐約；及分子生物學之目前協定(Ausbel等人編輯)，約翰威利父子公司，2001年。若屬適當，涉及市售可得套組及試劑的使用程序，除非另行註明否則係根據製造商界定的協定及/或參數進行。
如全文說明書及申請專利範圍中使用，術語「目標核酸」或「樣板核酸」表示意圖檢測的單股或雙股DNA或RNA片段或序列。
如全文說明書及申請專利範圍中使用，術語「微粒子」或「檢測粒子」表示用來標記於擴增反應期間產生的核酸產物之任何化合物，包括二倍體核酸特異性螢光染料、螢光改性寡核苷酸、及與寡核苷酸軛合的量子點或固相元件，諸如聚苯乙烯、乳膠、纖維素、或順磁粒子或微球。
如全文說明書及申請專利範圍中使用，術語「腔 室」表示流體駐在其中歷經某個時間週期的流體隔間。例如，一腔室可以是樣本腔室、擴增腔室、標記腔室、或檢測腔室。
如全文說明書及申請專利範圍中使用，術語「卡匣」係界定為於進行分析試驗或其它化學或生物化學分析中使用的拋棄式或消耗性卡匣、殼體、組件、或筒狀物。一卡匣可以是單次使用或多次使用。
如全文說明書及申請專利範圍中使用，術語「口袋」表示用作為通道機構的一隔間。一口袋較佳地相鄰於或疊置於電阻器或其它機構來開啟口袋。例如，不似如前文描述的流體腔室，在卡匣的流體組件中形成的一口袋可具有一個開放面，該開放面對齊PCA上的電阻器。此一開放面較佳地由薄表層、膜、或其它材料覆蓋以形成封閉空腔，其容易藉供電給下方電阻器加以破裂。
如全文說明書及申請專利範圍中使用，術語「通道」表示流體總成內部的狹窄導管，其典型地連結二或多個腔室及/或口袋或其組合，包括例如，入口、出口、或通風口通道。以入口或出口通道為例，流體樣本遷移通過該通道。以通風口通道為例，導管較佳地維持不含流體，及連結流體腔室至通風口袋。
如全文說明書及申請專利範圍中使用，術語「外部儀器」表示具有下列特性中之一或多者的可再利用的儀器：密封卡匣之外，在拋棄式分析試驗或卡匣上進行機械動作，包括但非僅限於刺穿緩衝液小包裝，及/或泵送或以 其它方式主動提供輸送力給流體；包含活動部件來控制卡匣或拋棄式分析試驗中用於流體流動控制的其它組件；除了藉由分析試驗的選擇性加熱之外，控制流體流動；或要求定期校準。
如全文說明書及申請專利範圍中使用，術語「對接單元」表示控制分析試驗但不具有前文針對外部儀器列舉的該等特性中任一者的可再利用的裝置。
本發明之實施例為適合在尋常進行測試的實驗腔室環境遠端位置進行分析的低成本使用點核酸測試之裝置。某些裝置包含流體及電子組件或層，選擇性地由保護殼體罩住。於本發明之實施例中，流體組件包含塑膠，及包含由窄通道連結的一連串之腔室及口袋，其中於操作期間該等腔室相對於彼此垂直定向。流體組件覆蓋在電子組件上方，或以其它方式配置而與電子組件實體接觸，較佳地透過微控制器控制，諸如含有現貨表面安裝裝置(SMD)的印刷電路板，及/或包含經蝕刻的傳導性材料以形成電阻加熱元件及選擇性地含有SMD的可撓性電路。於該裝置之若干實施例中，整個總成為拋棄式。於其它實施例中，流體的及實體連結的電子層為拋棄式測試卡匣，而小型廉價控制單元為可再利用性。於另一個實施例中，流體組件為拋棄式測試卡匣，而小型控制作用對接單元或對接單元為可再利用性。對全部實施例，本發明可與核酸樣本製備裝置整合，諸如國際公告案WO 2009/137059 A1，名稱「高度簡化以層流為基礎的核酸樣本製備及被動流體流動控制」 (爰引於此並融入本說明書之揭示)中描述者及/或其中描述之使用方法。
本發明之實施例包含整合式核酸測試裝置，其可使用已確立的製法廉價地製造。本發明提供分子測試資料，同時從寬廣為人接受的手持式免疫分析試驗的終端用戶觀點保有簡單性，克服於裝置內部調節流體溫度的挑戰，於循序步驟中傳送小型樣本體積，試劑添加，試劑混合，檢測核酸。於本發明之若干實施例中，用於收集、解釋、報告及/或傳輸分析試驗結果的子系統係結合入本發明。本發明之實施例為獨特地適用以運用可藉標準組裝技術建構的現貨電子元件，而不要求活動部件或極少要求活動部件。再者，流體層設計使其能使用易於獲得的塑膠及製造技術。結果為能夠進行核酸分離、擴增及檢測的廉價拋棄式且可靠的裝置，而無需專用的實驗室基礎架構。
既有核酸測試裝置通常使用複雜的加熱元件，諸如沈積膜加熱器及帕耳帖(Peltier)裝置，其增加顯著成本及/或要求特化製法。於本發明之實施例中，反應溶液之加熱較佳地係使用簡單電阻表面安裝裝置達成，該等裝置約數分錢或以下即可購得，及藉常用製造標準組裝與測試。藉將流體腔室層疊於此等電阻元件及相關聯的感測器元件上方，反應溶液之流體溫度可利於地調節。SMD電阻器及可撓性電路於電子工業的寬廣使用確保了本發明適用於明確建立的品管方法。於本發明之其它實施例中，使用於可撓性電路基材的傳導層中製造的圖案形成的加熱元件可實現 電阻加熱。許多核酸擴增技術，諸如PCR，不僅要求反應溶液的快速加熱同時也要快速冷卻。本發明中的反應腔室較佳地在一側上加熱，橫過對面的周圍溫度係用來協助降低流體溫度。此外，該裝置之實施例的垂直取向允許比較若裝置係水平取向更快速地藉被動對流冷卻，如此，縮短熱循環週期，而未使用昂貴的裝置，諸如帕耳帖(Peltier)裝置。於本發明之若干實施例中，使用風扇來協助冷卻。
流體控制為與低成本的核酸測試裝置設計相關聯的另一項挑戰。業界已知裝置通常採用機電、電動、或壓電泵送機構來於裝置操作期間操控流體。此等泵送元件增加裝置複雜度及成本兩者。同理，使用精巧微機械設計或活動部件的閥，可增加製造成本，及因合併狀況所致的可靠度減低，諸如活動部件故障或生物污垢。不似先前描述的核酸測試裝置，本發明之實施例在微控制器的控制之下，利用流體靜力壓連同毛細力及表面張力來操控流體體積。本發明之若干實施例的垂直取向允許反應溶液在微控制器的控制之下，從腔室至腔室串級而因應分析試驗要求的操縱。流體可透過通道大小、流體靜力壓及表面張力而維持於個別反應腔室內，於該處表面張力及流體靜力壓藉氣體置換而阻止流體前進。較佳地唯有在微控制器的控制之下，於簡單通風機構活化之後，樣本才前進到下個腔室。一旦已開啟，利用提供當流體進入時被置換的空氣從第二腔室逃逸的路徑，通風口允許流體從第一腔室移動到第二腔室。流體組件內部的各個腔室(或腔室間的各個通道)較佳 地經由窄通風口通道而連結到密封的通風口袋。通風口袋較佳地以薄的不耐熱塑膠膜或片而密封在一面上，該膜或片容易藉在該膜或片下方、附近、或鄰近的小型表面安裝電阻器被加熱而破裂。一旦下個腔室的通風口被開啟，流體繼續前進，即便於低流體靜力壓下亦復如此。
如後文更特異地描述，於本發明之若干實施例中使用的流體或微流體通風機構較佳地採用加熱元件與不耐熱材料熱接觸及(選擇性地)實體接觸，以使得電子控制流體移動，利用通風一較低海拔腔室而允許流體從一較高海拔腔室而流入較低腔室。於一個實施例中，電阻器使用廣為使用的明確確立的電子元件製造方法而安裝於印刷電路板上，及配置成與包含不耐熱材料的通道密封件實體接觸。當供電時，表面安裝電阻器產生足量熱來破裂該密封件，其結果導致該腔室的通道用以允許該區域或腔室內的壓力平衡，於該處流體係伴隨通風之前流體所駐在的該區域或腔室移動。腔室內壓力的平衡允許流體從一較高海拔腔室流進一較低海拔腔室。較佳地並未採用較高與較低海拔腔室間之直接密封件。通道及通風口密封件可位在流體腔室遠端，如此協助流體裝置以製造有效方式佈局。密封件材料可包含任何材料，其可密封通風口通道且如所述藉加熱破裂，例如薄塑膠片。於設備中的此種流體移動控制手段可從低材料成本獲益，使用已確立的製造技術製造的適合性，同時提供在微控制電路諸如微處理器或微控制器的控制之下流體移動通過一連串之腔室的能力。通風口、不耐 熱材料來密封通風口(而不密封流體腔室或流體微通道本身)、及藉加熱破壞該密封件的電子構件的使用，提供了一種控制流體流經裝置的手段，來使得流體於預定時間或在特定事件(例如，達到一個溫度，一個溫度改變，或一連串溫度改變，或培育時間完成，或其它事件)完成之後流動。當氣相水須與由該通道連結的一腔室隔開時，可在腔室間的通道導入阻塞物。阻塞物可以是可溶性材料，該材料可在通風口開啟之後當接觸液態水時溶解；或可以是容易熔解的材料諸如鏈烷烴，其可藉導熱到阻塞物位置而予去除。
此外，通風手段具有優於密封流體腔室本身的優點。通風口袋可位在流體元件佈局的任何位置，且單純與其透過通風口通道而調節的該腔室連通。從製造觀點，通風口袋可定位成針對全部通風口袋(其可包含一通風口袋歧管)只有單一密封膜係附加至流體組件，較佳地藉已明確確立的方法附加，諸如黏著劑、熱積層、超音波熔接、雷射熔接等。相反地，直接密封流體腔室要求密封件材料定位在對應各腔室位置的不同位置，其較難製造。如此，於製造期間，比較藉單一膜密封單一通風口袋歧管呈現了更具挑戰性的情況。此外，若腔室被直接密封，則熔解的密封材料留在腔室間通道而堵塞了流動。比較於微縮化重力驅動設備獲得者，密封材料的黏著可能要求流體管柱內有更高壓力。
於本發明之實施例中，試劑混合要求比其它系統 更高的複雜度。核酸擴增需要的試劑，諸如緩衝液、鹽、去氧核糖核苷酸類、寡核苷酸引子、及酶類，較佳地藉使用凍乾丸粒或餅狀物穩定地摻混。密封於流體腔室內、流體腔室內凹部、或通道內凹部的此等凍乾試劑當接觸水性溶液時容易溶解。於要求額外混合之情況下，本發明之實施例的垂直取向提供了新穎混合溶液之方法的機會。藉由利用在流體腔室下方的加熱器，當該溶液含有熱敏組件時，傳輸氣泡給上方腔室內的反應溶液。另外，該溶液不含熱敏組件之情況下，加熱器可用來直接加熱溶液至出現沸騰該點。於先前揭示的流體或微流體組件中氣泡的出現經常為非期望者，原因在於氣泡可能聚積在流體腔室及通道內，置換反應溶液，或妨礙裝置內部的流體移動。此處呈現的本發明之實施例的垂直設計允許氣泡升高至流體表面，導致只有極少的及暫時的流體置換，有效地改善了氣泡對流體或微流體組件的任何有害衝擊。藉沸騰而混合也利於用於本垂直設計，原因在於處理期間被置換的流體單純在加熱元件被關閉之後藉重力而返回原先流體腔室。
於本發明之實施例中，比色檢測條係用來檢測已擴增的核酸。因側流分析試驗使用容易、可靠且低成本故，側流分析試驗常用於免疫分析試驗測試。先前技術含有側流條用於核酸檢定的描述，使用多孔材料作為樣本接收區段，該區段係在或接近標記區段，該區段也包含多孔材料且係位在或接近側流分析試驗的一端。於此等先前發明中，標記部分係在標記區段內。多孔材料的用作為樣本接收區 段及標記區段，結果導致若干樣本溶液以及檢測粒子的滯留於多孔材料。雖然包含具有檢測要求的可逆制動部分的多孔材料的標記區段可使用於本發明之實施例，但本發明之實施例較佳地利用保持在與側流條的樣本接收區段分開的該裝置之一區域內，及包含具有低流體滯留特性的無孔材料。此種手段允許含核酸目標樣本在導引到該裝置的側流組件之樣本接收端的多孔組件之前被標記，及藉此免除樣本溶液及檢測粒子滯留在多孔標記區段及/或損耗。此種方法進一步使得在檢測部分的存在下樣本之各種處理，諸如使用高溫處理，來達成雙股目標或單股目標內部的次級結構之變性，無需擔憂溫度對多孔性樣本接收或標記區段材料或側流檢測條材料的影響。此外，非與樣本接收區段做側流接觸，反而接受流體組件諸如通風口控制的標記區段的使用，允許目標與標記保持接觸歷經由流體流動控制系統所控制的時間週期。如此本發明之實施例能與傳統側流測試條不同，其中樣本與檢測粒子互動時間及條件係由材料的毛細傳輸性質決定。藉將檢測粒子摻混於溫度調節腔室內，二倍體核酸的變性為可能，允許有效的以雜交為基礎的檢測。於替代實施例中，螢光被用來利用LED、發光二極體、與光纖的組合來檢測核酸擴增。此等光學檢測系統能夠用於擴增期間進行即時核酸檢測及定量，及進行擴增後的終點檢測。
本發明之實施例提供包含低成本的使用點系統，其中核酸樣本可被選擇性地擴增及檢測。進一步實施例包 括與核酸樣本製備裝置之整合，諸如於國際公告案WO 2009/137059 A1，名稱「高度簡化的以側流為基礎之核酸樣本製備及被動流體流動控制」中描述者。該裝置之一實施例較佳地包含塑膠流體組件及印刷電路總成(PCA)及/或可撓性電路兩者，且係選擇性地罩在保護主動組件的殼體內。溫度調節、流體與試劑混合較佳地藉微控制器協調。反應卡匣較佳地垂直定向及跑，使得重力、流體靜力壓、毛細力、及表面張力結合微控制器觸發的通風口，控制裝置內部的流體移動。
於本發明之實施例中，已製備的或粗產物樣本流體流進樣本埠口，填滿或部分填滿樣本杯。樣本可停留於樣本杯內歷經不等時間週期，於樣本杯內乾燥或凍乾試劑可與樣本混合。對測試的效能有利的試劑，諸如陽性對照試劑、對照樣板、或化學試劑可藉以乾燥、液體或凍乾形式涵括於樣本杯內而被導入樣本溶液內。其它處理諸如細菌性或病毒性被分析物之受控的溫度培育或熱溶解可選擇性地利用下方微加熱器及介接至溫控電子元件的溫度感測器系統而於樣本杯內達成。流體網絡包含樣本埠口，樣本通過該埠口而由使用者手動或透過自動化系統，例如整合至對接單元的子系統或樣本處理子系統而被導入卡匣；樣本杯，樣本被盛裝在樣本杯中以利於樣本導入期間的積累及添加試劑、組件來在樣本進一步移動進入流體網絡的下游部分之前進行需要的處理(例如，熱處理來進行細菌細胞或病毒的溶解)；再循環通風通道，其用來平衡流體通道及 /或腔室的空氣、氣體或溶液壓力與卡匣的膨脹腔室的壓力；珠粒凹部，其中呈乾燥/乾化或凍乾或半乾態的試劑珠粒(例如，材料、試劑、化學品、生物因子、蛋白質、酶類或其它物質或此等物質之混合物的珠粒或丸粒)可在添加樣本之前，藉導引至卡匣的樣本溶液或緩衝溶液再水合而再水合其中所含的珠粒或丸粒，及如此將其中的材料交混至樣本溶液；可被開啟來控制卡匣內部的流體移動之一組一或多個通風口；一第一腔室，於該處樣本可接受一溫度計畫；連結第一腔室與第二腔室的流體通道內部之選擇性的屏障來排除液體及/或氣體的過早入侵第二腔室，或暫時地控制溶液或氣體移動進入第二腔室；第二腔室，其中在添加來自選擇性地位在第一腔室與第二腔室間的選擇性試劑珠粒凹部的試劑之後，選擇性地樣本溶液可接受進一步溫度計畫；形成一腔室的測試條凹部，其中安裝一測試條來檢測被分析物或通報子分子或指示被分析物的存在的其它物質。於若干實施例中，卡匣插進對接單元內，該單元從事密封卡匣、洗提、檢測、及資料傳輸功能。較佳地，一旦卡匣插進對接單元內，樣本被載入及蓋被關閉時即無需使用者的介入。
參考圖1-2中卡匣2500的代表圖，核酸樣本通過樣本埠口20添加至於流體組件5中的樣本杯10。於分析試驗起始時，滑動密封件91移動到藉對接單元的扣合物之閉合位置。外蓋25將密封件91固定就位以便密封膨脹腔室52。核酸樣本可衍生自線上(亦即整合式核酸製備子系統)，分開 的核酸製備製程(諸如許多市售方法中之一者，例如，自旋管柱)接著藉滴量管添加已純化的核酸到裝置，或未經處理的含核酸樣本。已經存在於樣本杯內，或較佳地存在於樣本杯內部或鄰近的凹部13內者為試劑混合物16，其可呈液體形式或乾燥形式，含有用於輔助細胞及病毒溶解及/或穩定釋出的核酸有用的成分。例如，二硫赤絲醇及/或pH緩衝試劑可採用以穩定核酸及抑制RNase。同理，可使用達成酸或鹼媒介溶解的試劑。於若干實施例中，試劑混合物係經凍乾而形成凍乾試劑。於若干實施例中，陽性對照組諸如病毒、細菌或核酸係存在於試劑混合物內。將樣本導入樣本杯內造成試劑與樣本交混，使得試劑作用在樣本上。選擇性地可進行選擇性的氣泡混合步驟用以進一步混合試劑與樣本或再懸浮試劑。然後，流體選擇性地於樣本杯10中加熱用以溶解細胞及病毒粒子。然後，流體較佳地被導引通過通道40至第一腔室30，當裝置係於垂直定向時該第一腔室係駐在樣本杯下方。試劑凹部15較佳地係座落沿入口通道，使得流體在進入第一腔室30之前，流體通過該凹部而與包含其中的乾燥或凍乾試劑交混。其中第一腔室為反錄腔室之實施例中，較佳地存在於試劑凹部15者為反錄反應需要的全部成分，諸如呈乾燥或凍乾形式的緩衝試劑、dNTP、寡核苷酸引子、及/或酶(例如，反錄酶)。反錄腔室較佳地接觸加熱器元件，用以提供支援RNA反錄成cDNA需要的溫度調節的手段。通道35將腔室30連結至試劑凹部37。於腔室30內之cDNA合成之後，開啟通風口50而允許反錄反 應經由通道35流進試劑凹部37內。存在於試劑凹部37的乾燥或凍乾試劑當其通過凹部，經由入口39進入第二腔室90時與流體交混，使得於第二腔室內試劑作用於樣本上，第二腔室較佳地為擴增腔室。較佳地存在於試劑凹部37者為擴增反應需要的全部成分，諸如緩衝劑、鹽類、dNTP、rNTP、寡核苷酸引子、及/或酶。於若干實施例中，試劑混合物經凍乾而生成凍乾試劑。為了利於多工化測試，其中產生多個擴增子，多工化擴增可藉將多個引子集合沈積在該(等)擴增腔室內部或較佳地，沈積在該(等)擴增腔室上游的試劑凹部內部而予完成。此外，其中多個擴增腔室及檢測腔室結合入該裝置內的電路板及流體設計支援多重並列擴增反應，其可以是單工反應或多工反應。此種手段減少或消除熟諳技藝人士已知之使用多對引子於該相同反應中因多工化擴增所導致的併發問題。再者，多個擴增反應腔室的使用允許在不同溫度計畫下的同時擴增，以達成優化擴增的要求，諸如針對不同的目標及/或引子序列要求的不同熔解溫度或配對煉合溫度。
於核酸擴增之後，通風口袋150開啟來允許擴增反應產物經由通道135流進腔室230內。位在腔室230內的檢測條235使得能夠檢測位在檢測條235的一區域上或選擇性地位在毛細池93內的由檢測粒子標示的目標核酸。
因第一腔室30經由開口51通風至膨脹腔室52，故流體從樣本杯10移動到腔室30。流體從裝置的第一腔室移動到第二腔室較佳地係藉連結到第二腔室的通風口開啟而 完成。當流體進入第一腔室30時，連結至下游腔室的通風口袋50被密封，及如此流體將不會通過連結二腔室的通道35。現在參考圖2A，流體從腔室30移動到腔室90能藉由破裂覆蓋在通風口袋50上方的一密封件，允許腔室90內部空氣與膨脹腔室52內的空氣連通而完成。在通風口袋50的密封件的破裂允許腔室90內部空氣經由通風口通道60而與膨脹腔室52內的空氣連通，膨脹腔室52係經由開口51而連結到通風口袋54。如於圖2B中顯示，在通風口袋54的密封件較佳地為開啟，或先前已破裂。如於圖2C中顯示，通風口袋50的密封件的破裂允許通風口袋50(及因而腔室90)與通風口袋54(及因而膨脹腔室52)連通。此種流體移動方法較佳地於密封空間內部實施，來容納於測試卡匣內部的生物危害樣本及已擴增的核酸。為了獲得密封卡匣，選擇性地耐熱及不耐熱材料以圖2B-2C之剖面圖中示意表示的方式層疊。現在參考圖2B-2C，在印刷電路板或PCA 75上的熱源70，其較佳地包含電阻器，係置放對齊通風口袋50、54及鄰近不耐熱的通風口袋密封材料80。通風口袋密封件可包含不耐熱材料，諸如聚烯烴或聚苯乙烯。耐熱材料(諸如聚醯亞胺)72較佳地配置於熱源70與不耐熱的通風口袋密封材料80間來形成氣密屏障。於若干實施例中，在通風口袋間或圍繞其周圍的密封空間55係藉涵括選擇性的墊片或間隔物56而予增強，該間隔物包含黏著層，其黏合耐熱材料72至不耐熱材料80及/或流體組件5，及在通風口中之一或多者被開啟後維持在通風口區域內測試卡匣的密封，同時 較佳地也提供已開啟通風口及/或選擇性膨脹腔室間之空氣連通的氣隙。於此一實施例中，熱從熱源70傳熱通過耐熱材料72及密封空間55到不耐熱的通風口袋密封材料80，破裂不耐熱材料及開啟通風口袋50。較佳地微控制器負責發送電流至熱源70。通風口袋50較佳地開放至一封閉空間，使得測試卡匣內部氣體可相對於測試卡匣外部環境保持密封。封閉空間可包含測試卡匣內部的空間，選擇性地包括一空置空氣腔室來允許氣體膨脹，諸如膨脹腔室。如於圖2C中顯示，通風口袋50的開啟結果導致已通風之流體腔室內的氣體與膨脹腔室的氣體連通，原因在於通風口袋54先前已藉熱源71破裂，及通風口袋54係與膨脹腔室作氣體連通。結果所得已通風之流體腔室內的減壓允許流體藉重力而從位在上方的一腔室而流入已通風腔室內。通風口袋之其它實施例可包含熱敏膜以外的密封件，且可利用其它方法來打破密封件，諸如刺穿、撕裂、或溶解。此種卡匣之照片係顯示於圖2E。
與通風口袋的開啟面的相對面可選擇性地包含凹坑、突起、突點、或其它類似結構，諸如圖45的凹坑7004，以利於於通風口密封材料破裂期間形成開口。較佳地，此種結構也防止於密封件破裂之後通風口的再度密封。此點可出現於包含帶有表面安裝組件的電路板之實施例。於此等實施例中，表面安裝電阻器可伸展聚醯亞胺膜，將該膜推進墊片中的開口及背向不耐熱材料。一旦該密封件破裂，熔融的密封件材料可與該聚醯亞胺形成二次密封件，因而 關閉該通風口。於帶有可撓性電路包含金屬線跡形成加熱元件的實施例中，加熱器可使得聚醯亞胺可撓性電路局部變形，經常形成一突起(經常包含加熱器材料)延伸入墊片中的開口內，可能地因熔融的密封件材料所致而堵塞通風口開口。凹坑7004能夠輔助防止此等現象發生。
密封空間55選擇性地提供一導管至其它通風口、通風口袋或腔室(諸如膨脹腔室52)。在通風口開口之後，流體組件5維持與外部環境59密封。於加熱期間，膨脹腔室52較佳地藉由緩衝空氣/水蒸氣體積而因應氣體膨脹，緩衝方式係藉由提供夠大體積使得來自溫度變化的氣體膨脹不會顯著地衝擊系統的壓力，或藉活塞位移(圖3)、可撓性囊袋(圖4)、伸縮節(圖5)、或斥水性屏障，其允許氣體但不允許巨分子自由跨越該屏障通過(圖6)而因應氣體膨脹。於圖3中，膨脹腔室運用活塞，其藉密封流體系統內部壓力的升高而被位移。膨脹腔室用來減低或消除密封系統內部的壓力累積。回應於密封測試卡匣內部壓力的增高，出現活塞位移，減低了加熱期間因氣體膨脹而由此製程所導致的測試卡匣內部的內壓。於圖4中，回應於密封測試卡匣內部壓力的增高，出現囊袋屈曲。囊袋的位移減低了加熱期間因氣體膨脹而由此製程所導致的測試卡匣內部的內壓。於圖5中，回應於密封測試卡匣內部壓力的增高，出現伸縮節的伸展。伸縮節的伸展減低了加熱期間因氣體膨脹而由此製程所導致的測試卡匣內部的內壓。
膨脹腔室可合併作為空置空氣體積，諸如圖1中 例示於測試卡匣頂部的膨脹腔室52內顯示的涵括體積。如於圖7中例示，為了利於具有最小厚度的卡匣之製造，當一經適當設計的墊片420被密封至不耐熱材料410及耐熱材料430以形成流體組件400的背襯時，膨脹腔室亦可合併於由一經適當設計的墊片420所形成的氣隙440。測試卡匣實體維度的最小化係合乎所需，以減低出貨成本，減低熱質量，及提供美感怡人與利於設計。除了形成供氣體膨脹用的空氣體積之外，墊片420在耐熱材料430與不耐熱材料410間產生空間來利於空氣通過開啟的通風口的自由移動，同時維持密封系統以避免暴露至環境。較佳地墊片420係足夠厚的以提供足夠氣隙來平衡開啟的通風口間之壓力，但也夠薄以實質上不會影響加熱器與對應通風口袋間的介接或卡匣之由耐熱材料的密封。於包含可撓性電路之本發明之實施例中，可撓性電路可包含耐熱材料諸如聚醯亞胺膜，於該種情況下，不要求耐熱材料430的分開薄片，例如圖8C中顯示。使用膨脹腔室來減低或平衡密封的測試卡匣內部壓力，確保壓力不平衡不會導致測試卡匣內部不利的或過早的溶液移動，及確保壓力積累不會給期望的流體移動，諸如腔室間的移動或通過通道的移動，造成不良影響。此種壓力控制，亦即遍布該裝置的分配的壓力分布之建立，使得系統能夠如設計般工作而與大氣壓獨立無關。因此膨脹腔室使其能獲得受控的流體移動，其係取決於欲採用的系統內部的穩定壓力，及也使其能使用密封測試卡匣，因而避免測試卡匣對大氣通風的缺點，例如可能釋放擴增子至大氣。 再者，藉由減低流體下游壓力，諸如藉由開啟通風口至膨脹腔室，使得流體流動之方法免除了泵浦的需要，諸如形成流體下游的正壓力的泵浦，或帶有活動部件的其它裝置的需要。藉將流體下游的一區對具有該下游區的實質上相同壓力的一相對較大貯槽(諸如膨脹腔室)通風，藉此使得流體在重力作用下流動(假設該裝置係在適當取向)，類似的優點亦屬可能。膨脹腔室的大小較佳地夠大以容納分析試驗期間產生的反應蒸氣，而未增加系統壓力至一點，於該處該系統壓力克服了流體流動需要的毛細力或重力。
於其中第二腔室為擴增腔室的實施例中，該腔室較佳地接觸加熱器元件以提供支援核酸擴增需要的溫度調節手段。於本發明之若干實施例中，擴增腔室可含有寡核苷酸在至少部分的內表面上。在腔室30之壁95與一或多個加熱元件100間之交界面，如於圖2D中例示，優異地係置放導熱材料，諸如導熱膏或化合物。一微控制器較佳地藉由金氧半場效電晶體(MOSFETs)，根據收集自PCA75上的溫度感測器110的資料，使用簡單開/關或比例積分微分(PID)溫度控制法或熟諳技藝人士已知之其它演算法的溫度控制，來較佳地調控至電阻式加熱元件的電流。
將加熱元件及於若干實施例中對應溫度感測器於拋棄式組件上使其能製造高度可再現性的溫控子系統與其介接的擴增腔室及檢測腔室間之熱耦合。藉於製造期間形成導熱介接，此種手段獲得將流體子系統耦合至電子溫控子系統的高度可靠的構件。結果導致電子溫控組件與流 體子系統間之優異熱接觸獲得了快速熱平衡，及因而獲得快速分析試驗。使用可撓性電路來提供拋棄式電阻式加熱元件，該元件係直接地或有中介墊片而熔接到流體組件背襯的後部，允許達成優異熱接觸、快速溫度循環、及可再現性製造的低成本手段。用於反錄、擴增及流體流通風控制的電阻式加熱元件可藉蝕刻可撓性電路的傳導層來生成呈現要求的電阻之幾何形狀，而直接形成於可撓性電路上。此種手段免除額外電子組件的需要，及簡化製造同時降低成本。
於本發明之一實施例中，用於電阻式加熱及通風口開啟的可撓性電路799係顯示於圖8。使用可撓性加熱器作為拋棄式卡匣的組件允許卡匣背襯被組配成使得已加熱的流體腔室內的流體與組成可撓性加熱器電路的材料直接接觸。例如，如於圖8C中顯示，在用以形成卡匣後部的不耐熱材料807(其較佳地包含BOPS)中的窗806可使其位於在流體腔室上方，以允許流體與可撓性電路799直接接觸。可撓性電路層與欲藉可撓性電路上的加熱器控制溫度的該流體間之直接接觸而提供了能夠快速改變溫度的低熱質量系統。為了使其能收集溫度資料供用在溫度調節，溫度感測器可選擇性地結合入可撓性電路，及/或可採用非接觸式溫度監控構件諸如紅外線感測器。於可撓性電路中的電阻式加熱元件，諸如加熱元件800，當其對齊一通風口袋時可用於破裂通風口。電氣襯墊812提供電流至加熱元件800。同理，該可撓性電路或該等可撓性電路可包含電阻式加熱元 件802及803用於加熱流體腔室，及選擇性的電阻式加熱元件804用於調節檢測條的溫度。
於此一實施例中，較佳地，類似前文描述的耐熱材料72，可撓性電路799也用作為耐熱密封件來維持密封卡匣。選擇性地，額外耐熱層(例如，包含聚醯亞胺)可放置於可撓性電路799與背殼體或背板805間。間隔物或墊片808較佳地放置圍繞不耐熱材料807與可撓性電路799間之通風口電阻器800，以確保自由空氣移動通過開啟的通風口，同時維持密封的卡匣。背殼體或背板805較佳地包含薄塑膠，及較佳地置於可撓性電路的暴露表面上方來於處理期間保護該暴露表面。背殼體或背板805可在可撓性電路799上的加熱器元件上方包含窗以利於冷卻及溫度監控。與對接單元(容後詳述)的控制電子裝置的電氣接觸可選擇性地由一組的電氣襯墊810提供，電氣襯墊810較佳地包含邊緣連接器或連接器銷諸如彈簧載荷銷。
測試卡匣腔室之實施例較佳地包含能夠耐受反複加熱與冷卻至約30℃至約110℃範圍之溫度的材料。甚至更佳地，該等腔室包含能夠耐受反複加熱與冷卻至約30℃至約110℃範圍之溫度的材料，而溫度改變速率係於每秒約10℃至約50℃。較佳地該等腔室能夠維持其中的溶液於適合用於熱媒介溶解或生化反應諸如反錄、熱循環或恆溫擴增方案的溫度，較佳地係藉微控制器的程式規劃控制。於若干核酸擴增應用中，期望提供於升溫的初始培養，例如約37℃至約110℃之溫度歷時1秒至5分鐘時間，來變性目標 核酸及/或活化熱起始聚合酶。接著，反應溶液維持於恆溫擴增的擴增腔室內的擴增溫度，或用於以熱循環為基礎的擴增，在至少兩個溫度間改變溫度，包括但非限制性，結果導致核酸二倍體變性的溫度，及適用於引子配對煉合的溫度，該煉合係藉雜交至目標及透過聚合酶催化的核酸聚合反應而延長引子。於熱循環計畫中於各個要求溫度的培育時間可隨目標核酸之序列組成及反應混合物的組成而異，但較佳地於約0.1秒至約20秒間。反複加熱及冷卻典型地進行約20循環至約50循環。於涉及恆溫擴增法之實施例中，取決於使用的擴增技術，反應溶液之溫度係維持於恆溫(於某些情況下，於升溫之初始培育之後)歷時約3分鐘至約90分鐘。一旦擴增反應完成，藉由開啟與用於擴增的該腔室下方的一腔室連通的該通風口，擴增反應溶液被轉送到下方腔室而完成已擴增核酸的進一步操控。於本發明之若干實施例中，操控包含已擴增的核酸的變性，及雜交至軛合至檢測粒子的檢測寡核苷酸。於本發明之若干實施例中，已擴增的核酸被雜交至軛合至檢測粒子的檢測寡核苷酸，及用以制動在一檢測條上的捕獲探針。
於若干實施例中，額外生化反應可於擴增反應之前、之中、或之後在擴增腔室內進行。此等處理可包括但非限制性，反錄其中RNA被轉錄成cDNA，多工化其中多個引子對同時擴增多個目標核酸，及即時擴增其中擴增產物係於擴增反應處理期間檢測。於後述情況下，擴增腔室可能不含閥門或出口通道，及擴增腔室較佳地包含光學窗， 或以其它方式經組配而使其能於擴增反應處理期間查詢擴增濃度。於一個即時擴增實施例中，與目標核酸互補的加螢光標記的寡核苷酸或二倍體DNA的特異性螢光染料，利用激光源諸如LED或二極體雷射及檢測器諸如光二極體，及適當光學組件包括但非僅限於光纖，監測螢光強度。
檢測
檢測腔室230之實施例較佳地提供於擴增腔室內產生的已擴增的目標核酸之加特異性標記。如於圖2A中顯示，檢測腔室230較佳地包含一毛細池或空間93及一檢測條235。在一些實施例中，毛細池或空間93可延伸超過檢測條235的樣本接收端。檢測粒子包含染料聚苯乙烯微球、乳膠、膠體金、膠體纖維素、奈米金、或半導體奈米晶體較佳地存在於毛細池93。該等檢測粒子可包含與目標被分析物互補的寡核苷酸，或可包含能夠結合至已擴增的目標核酸的配位子，諸如生物素、鏈絲菌抗生物素、半抗原、或針對一標記的抗體，該標記諸如存在於已擴增的目標核酸上的半抗原。檢測腔室230可含有檢測粒子，其經乾燥、凍乾、或存在於內表面的至少一部分上呈檢測粒子於載體的已乾燥混合物，該等載體諸如多醣、清潔劑、蛋白質或熟諳技藝人士已知之輔助檢測粒子再懸浮的其它化合物。於若干實施例中，側流檢測條可包含檢測粒子。於其它實施例中，導引至檢測腔室的一試劑凹部通道135可包含檢測粒子。檢測腔室可以是能被加熱及/或冷卻。
合宜的檢測粒子包括但非僅限於二倍體核酸的特異性螢光染料、經螢光改性的寡核苷酸、或寡核苷酸軛 合的已染色微粒子或膠體金或膠體纖維素。擴增子的檢測涉及「檢測寡核苷酸」或其它「檢測探針」，其係與欲檢測的擴增子互補或以其它方式能夠特異性結合。檢測寡核苷酸軛合至微粒子的出現可藉由使用經鏈絲菌抗生物素塗覆的粒子及生物素化寡核苷酸，或藉甲二醯亞胺化學出現，藉此羧化粒子於甲二醯亞胺之存在下被活化，及與存在於檢測寡核苷酸上的第一胺特異性地反應。檢測寡核苷酸軛合至可檢測部分可出現在內部或出現在5’端或3’端。檢測寡核苷酸可直接附接至微粒子，或更佳地可透過間隔物部分，諸如乙二醇或多核苷酸。於本發明之若干實施例中，檢測粒子可結合至從多工化擴增等處理所得的多種已擴增的核酸。於此等實施例中，各種已擴增的核酸之特異性檢測可使用針對欲檢測的各種之特異性方法藉由在檢測條上檢測而實現。於此一實施例中，於擴增期間導入目標核酸的一標簽可用來標記全部存在的已擴增種類，隨後，加標記的核酸雜交至制動於檢測條上的捕獲探針之特異性種類，係被採用來判定存在有已擴增DNA的哪個特異性種類。
以二倍體DNA擴增產物為例，在導入檢測腔室後，加熱反應溶液可輔助檢測。熔解二倍體DNA或變性單股DNA的二次結構及然後於檢測寡核苷酸之存在下冷卻，結果導致已擴增的目標核酸之序列特異性加標記。位在檢測腔室下方的加熱元件可用以加熱流體體積歷時約1秒至約120秒來起始二倍體DNA的熔解或單股DNA二次結構的變性。當讓該溶液冷卻至腔室溫時，已擴增的目標核酸可特 異性地雜交至檢測微粒子。然後反應體積較佳地藉由開啟檢測腔室的通風口而被導向標記腔室下方的檢測腔室的一區。
為了出現有效加標記，已溶解的檢測粒子較佳地與反應溶液徹底混合。於本發明之實施例中，檢測粒子可侷限在通道135出口的毛細池93，以便當溶液進入腔室230時利於與該溶液混合。於毛細池93中的檢測粒子可選擇性地為凍乾檢測粒子。毛細池提供粒子的改良混合及分散以利於檢測粒子與該等檢測粒子結合其上的核酸交混。如於圖9中顯示，毛細池也增加了粒子在檢測條上遷移的一致性。毛細池用於低體積分析試驗為特別優異，諸如少於200微升，或更特別地少於約100微升，或甚至更特別地少於約60微升，或甚至更特別地少於約40微升體積。
本發明之檢測腔室之實施例提供用於已擴增的目標核酸的特異性檢測。於本發明之某些實施例中，檢測係藉由含加標記擴增子的溶液芯吸通過吸收條完成，該吸收條包含多孔性材料(諸如纖維素、硝基纖維素、聚醚碸、聚亞乙烯基氟、尼龍、電荷改性尼龍、或聚四氟乙烯)，經以線、點、微陣列、或其它可視覺區別的元件製作圖案，包含連結部分，該連結部分能夠直接或間接地連結至已加標記的擴增子。於若干實施例中，裝置的吸收條組件包含實體接觸的多達三個多孔基材：界面活性劑襯墊包含親兩性試劑可促進芯吸；檢測區段包含能夠選擇性地連結已加標記的擴增子之至少一個連結部分被制動其上的多孔材料； 及/或吸收性襯墊來提供額外吸收能力。雖然檢測粒子可選擇性地結合入檢測腔室內的側流多孔材料內部，但不似先前描述的側流檢測裝置，檢測粒子較佳地並非維持於毛細池上游，於該處實質上增進擴增子與檢測粒子間之結合複體的形成可在將所得加標記的核酸導引至裝置的多孔組件之前或與其同時進行。
「捕獲寡核苷酸」或「捕獲探針」較佳地係藉熟諳技藝人士已知之多種手段中之任一者，諸如UV照射，而制動至裝置的檢測條元件。捕獲探針係設計來當含有加標記的核酸之溶液芯吸通過捕獲區段時捕獲該加標記的核酸，結果導致於捕獲探針制動位置的該標記濃度升高，如此產生可檢測信號，該信號指示加標記的目標核酸擴增子的存在。單一檢測條可以一或多個捕獲探針製作圖案，來使其能多工化檢測多個擴增子，決定擴增子序列，藉延長檢測信號的線性度而量化擴增子，及分析試驗品質對照(陽性及陰性對照)。
流體組件
流體組件之實施例較佳地包含塑膠，諸如丙烯酸系、聚碳酸酯、PETG、聚苯乙烯、聚酯、聚丙烯、及/或其它類似材料。此等材料易於獲得且能夠藉標準方法製造。流體組件包含腔室及通道兩者。流體腔室包含壁面、兩面，及連結至一或多個通道，諸如入口、出口、凹部、或通風口。通道能夠連結兩個流體腔室或一流體腔室與一凹部，及包含壁面及兩面。流體腔室設計較佳地最大化表面積對 體積比以利於加熱及冷卻。一腔室的內容積較佳地為約1微升至約200微升。一腔室接觸溶液的表面的區域較佳地對應加熱元件的介接區域，以確保加熱期間一致的流體溫度。流體腔室之形狀可經選擇來匹配加熱元件，及提供用於溶液流入及排出的有利的幾何形狀。於若干實施例中，腔室的體積可大於流體體積以便提供裝置操作過程期間出現的氣泡的空間。流體腔室可具有放大的延伸導向通風口通道，以確保流體不會藉毛細作用侵占通道，或以其它方式阻擋通風機制。
於若干實施例中，可能期望在溶液釋放的時間之前減少或消除液相或氣相水入侵一腔室。若干實施例之處理中採用的升溫產生蒸汽(例如，氣相水)，其可能導致水分過早入侵通道、腔室或凹部。減少液相或氣相的入侵可能期望用以保有例如，存在於腔室或凹部內的乾燥試劑或凍乾試劑的乾燥狀態。於若干實施例中，通道可能完全地或部分地由一材料暫時堵塞，該材料可藉外力移除，諸如熱、水分、及/或壓力。適合用於暫時堵塞通道的材料包括但非僅限於乳膠、纖維素、聚苯乙烯、熱熔膠、石蠟、蠟類、及油類。
於若干實施例中，測試卡匣較佳地包含射出模製流體組件，其包含樣本杯、腔室、通道、通風口袋、及能量導向器。射出模製測試卡匣流體組件較佳地包含適合用於超音波熔接到具有類似組成的背襯塑膠的塑膠。於本發明之一個實施例中，測試卡匣流體組件包含單一射出模製 塊，其經超音波熔接到背襯材料。能量導向器為該流體組件的選擇性形貌，其導引超音波能只到不耐熱層之該等區域，該等區域預期連結至該流體組件。射出模製流體組件可選擇性地罩在一殼體內。圖7例示一卡匣，其較佳地包含射出模製流體組件400(較佳地包含聚合物，諸如高度耐衝擊聚苯乙烯(HIPS)、聚乙烯、聚丙烯、或NAS 30，此乃一種苯乙烯丙烯酸系共聚物)；不耐熱材料410(包含例如，BOPS，其具有相對低熔點約239℃及約100℃之玻璃轉換溫度，該溫度不足以耐受變性期間的升溫；或聚碳酸酯，其具有265℃之熔點及150℃之玻璃轉換溫度)；黏著劑間隔物420(包含例如，聚矽氧轉移黏著劑，其較佳地不結合屏障、帶有聚酯屏障的丙烯酸系黏著劑、或能耐受裝置的升溫之任何黏著劑)；及耐熱層430。不耐熱材料410因熱而破裂，該熱較佳地通過上方耐熱層430(包含例如，聚醯亞胺或其它具有高耐熱性的聚合物)而傳熱。卡匣的通風口形貌上方的不耐熱材料熔化，開啟了通風口及通風口通道至膨脹腔室，藉因允許卡匣內部的壓力平衡。上方耐熱層430較佳地保持完好，藉此使得在通風口開啟之後，卡匣能維持密封。
於若干實施例中，黏著劑間隔物包含一空置區域440，其可用作為膨脹腔室來緩衝加熱期間氣體的膨脹以減低密封卡匣的內壓。不耐熱層410係藉連結方法或處理諸如超音波熔接或採用黏著劑而連結至400。如此所得部件然後連結至間隔物或耐熱層。於若干實施例中，耐熱層係建構成其係不存在於加熱腔室上方。於其它實施例中，耐熱層 係存在於被加熱腔室上方。於又其它實施例中，黏著劑間隔物及耐熱層只存在於對齊流體組件的通風口袋形貌的一區域上方。於此一實施例中，耐熱層可選擇性地置放於對齊被加熱腔室的該等區域內的不耐熱材料正上方。
於本發明之若干實施例中，流體腔室及通道壁的厚度係於約0.025毫米至約1毫米之範圍，及較佳地於約0.1毫米至約0.5毫米之範圍。此種厚度較佳地符合流體組件的結構完整性及支援閉合腔室於高溫及相關聯的壓力下的密封兩者。通道壁特別通風口通道壁的厚度較佳地小於腔室的厚度，且係於約0.025毫米至約0.25毫米之範圍。入口通道及出口通道之寬度較佳地經選用來提供毛細現象。淺通風口通道對流體組件賦與改良剛性而對通氣無不良影響。形成流體組件的各面之塑膠較佳地係比形成壁的塑膠更薄以便最大化傳熱。選擇性地，熱破壞(thermal breaks)切穿流體組件的若干組件及圍繞擴增腔室及檢測腔室，促成溫控腔室的熱絕緣。
於本發明之若干實施例中，在流體組件400被連結至不耐熱背襯材料410之前，可結合測試卡匣的額外組件諸如凍乾試劑16、檢測條總成230、及檢測粒子。於若干實施例中，組件可藉施加壓力積層來確保良好黏合。於若干實施例中，組件可藉多種方法的組合連結，諸如感壓黏著劑及超音波熔接。須避免已知的或已發現會負面衝擊核酸擴增反應效能的黏著劑。以丙烯酸系或以矽為主的黏著劑已經成功地用於本發明。一種較佳的黏著劑膜為由先進黏 著劑研究(Advanced Adhesives Research)供應的SI7876。若發現與所採用的緩衝劑、塑膠及反應化學於化學上可相容，同時於裝置操作期間遭逢的溫度提供穩健密封，則也可使用其它黏著劑。
參考圖2及圖7，通風口袋較佳地於組成上與其它腔室不同。在如前文描述建構流體組件之後，通風口袋具有一開放面在流體組件的側面上，該開放面將直接面對PCA 75，或於若干實施例中，通過中介氣隙420或通風口袋54及耐熱材料430而間接面對PCA 75。為了形成通風口袋，額外塑膠組件連結來密封該腔室，較佳地包含薄的不耐熱膜410相鄰於PCA的通風口電阻器70。膜410包含適合用於超音波熔接至射出模製流體組件的材料，諸如聚苯乙烯，但可使用其它類似材料。此膜良好適合密封該通風口袋及允許容易穿孔兩者，及因此，當電流通過通風口電阻器而產生快速溫度升高時，通風至一較低壓腔室。較佳地，該膜當加熱時係充分穩定，使得材料能夠耐受於測試卡匣的其它操作中採用的溫度，諸如熱溶解、反錄、及核酸擴增。使用於該等溫度範圍具有安定性的材料採用來變性、加標記、反錄核酸擴增、及檢測，但具有由電阻器70利於達成的熔點，允許單一材料採用於射出模製流體組件400的背襯來作為腔室的一面及通風口袋的一面。於若干實施例中，於溫控腔室內該等區的額外溫度穩定性可藉覆蓋於上方熱阻材料諸如聚醯亞胺膜實現。於本發明之其它實施例中，不耐熱膜中的一窗係對齊溫控腔室來允許腔室內流體與熔 合至測試卡匣背部的可撓性電路基材直接接觸。
流體組件之額外組件
如前文描述，在最末連結之前數個額外組件較佳地結合入本發明之流體組件內部。在裝置的組裝之前，包括緩衝劑、鹽類、dNTP、NTP、寡核苷酸引子、及酶諸如DNA聚合聚合脢及及反錄酶之試劑可經凍乾或冷凍乾燥成丸粒、球粒或餅狀物。試劑凍乾為技藝界眾所周知，及涉及於施加真空下藉昇華將冷凍試劑液份脫水。藉由於冷凍前施加凍乾保護劑諸如糖類(雙醣及多醣)及多元醇類之特定配方至試劑，可保有酶的活性及可增加再水合速率。凍乾的試劑丸粒、球粒或餅狀物係藉標準方法製造，一旦生成時，合理地耐久且在積層至最終面之前，容易置於流體組件的特定腔室內部。更佳地，凹部結合入流體網絡來在流體組件連結至背襯材料之前，允許凍乾試劑的丸粒、球粒或餅狀物置放於流體組件內。藉由選擇流體網絡幾何形狀及凹部位置及次序，樣本可於期望時間與期望的凍乾試劑反應來優化效能。例如，藉由配置凍乾的(或乾燥的)反錄(RT)試劑球及擴增試劑球至反錄反應腔室及擴增腔室的流徑中的兩個分開凹部，使得能優化反錄反應而無擴增酶的干擾。此外，為了最小化反錄酶對隨後擴增反應的干擾，於反錄反應中呈現的反錄反應後反錄酶能夠於導入擴增試劑之前被熱失活化以最小化其對擴增的干擾。選擇性地，其它鹽、界面活性劑及其它增強化學品可添加至不同的凹部來調控分析試驗的效能。再者，此等凹部利於凍乾試劑 與液體當其通過凹部時交混，及也用來於超音波熔接隔開凍乾材料與超音波能，且用來於其溶解之前，於測試的加熱步驟期間用來隔開凍乾材料與極端溫度。此外，該等凹部確保凍乾丸粒於製造期間不會被壓縮或軋碎，使其能維持多孔性來最小化再水合時間。
於本發明之若干實施例中，檢測微粒子乃流體組件的另一額外組件。於若干實施例中，此等微粒子可對前文對反應試劑之描述凍乾。於其它實施例中，液體緩衝劑中之微粒子可於測試卡匣之最終組裝之前直接施用至流體腔室的內表面及乾燥。含有微粒子的液體緩衝劑較佳地也包含輔助再水合的糖類或多元醇類。於乾燥前，微粒子於液體緩衝劑直接地結合入流體組件可簡化及降低製造的最終成本，及凍乾粒子與反應溶液之完全交混，及雙股核酸或核酸的雙股區域變性成單股核酸可借助於加熱或核酸水煮。於若干實施例中，凍乾檢測粒子置放於流體網絡之凹部。於其它實施例中，凍乾的或已乾燥的檢測粒子係置放於檢測條正下方的空間93。於其它實施例中，檢測粒子於與檢測條毛細連通中被乾燥或凍乾成吸收性基材，或直接在檢測條上方乾燥或凍乾。毛細連通可以是該吸收性基材與檢測條直接實體接觸，或間接接觸其中毛細連通係在由通道或腔室區所組成的中介距離上方，藉此達成毛細轉送而將流體從載荷檢測粒子的吸收性基材轉送至檢測條。
於本發明之若干實施例中，側流檢測條總成也結合入流體組件。檢測條較佳地包含由至少一個多孔組件組 成的膜總成及選擇性地，可包含吸收襯墊、檢測膜、界面活性劑襯墊、及背襯膜。檢測膜較佳地係由硝基纖維素、纖維素、聚醚碸、聚亞乙烯基氟、尼龍、電荷改性尼龍、或聚四氟乙烯製成且可背襯以塑膠膜。如前文描述，捕獲探針可被沈積及不可逆地制動在檢測膜上成線、點、微陣列、或任何樣式，其可由人裸眼或自動化檢測系統諸如成像系統而予視覺化。沈積的寡核苷酸可在捕獲探針沈積之後，藉檢測膜的UV照射而過早制動。界面活性劑襯墊可包含多孔基材，較佳地帶有極少核酸結合及流體留存性質，其許可核酸產物及檢測微粒子之未受妨礙的遷移。界面活性劑襯墊可包含諸如玻璃纖維、纖維素、或聚酯等材料。於本發明之實施例中，包括至少一個親兩性試劑的配方係在界面活性劑襯墊上乾燥，而允許樣本的均勻遷移通過檢測膜。吸收襯墊可包含任何吸收性材料，及輔助誘生樣本之芯吸通過檢測膜總成。使用黏著劑背襯膜諸如雙面黏著劑膜作為基底，檢測膜組件之組裝方式係經由首先放置檢測膜，接著放置選擇性的吸收襯墊及/或界面活性劑襯墊實體接觸檢測膜，具有約1毫米至約2毫米重疊。於本發明之若干實施例中，檢測膜可與界面活性劑襯墊間接毛細連通，其中界面活性劑襯墊與檢測襯墊間以由毛細空間組成的中介空間實體分開，其中流體可利用毛細作用橫過該空間。於若干實施例中，界面活性劑襯墊或界面活性劑襯墊之一區域可包含檢測粒子、乾燥的檢測粒子、或凍乾檢測粒子。
三腔室卡匣
於本發明之若干實施例中，可結合乾燥或凍乾試劑的額外反應腔室及/或額外凹部。於若干實施例中，此種設計利於測試，其中期望在反錄及擴增之前提供初始分開溶解。如於圖37A、37B、及38中顯示，卡匣5000包含密封膨脹腔室5021的外蓋5020，較佳地設置成緊密接觸流體組件5023的可撓性加熱器電路5022，及掩蔽電路而不讓使用者看到的背蓋5024。含核酸的樣本通過樣本埠口5001導引入樣本杯5002內。樣本自由流進凹部5003內，於該處在流下通道5005進入第一反應腔室5006之前，重新調製第一凍乾珠粒5004，較佳地包含溶解試劑。此種自由流動係借助於連結到樣本杯5002頂部的通風口通道5007。通風口通道5007可額外透過孔5008連結到膨脹腔室5021。第一反應腔室5006下方的密封空氣空間因流體流動略為加壓，且造成流體流恰停止在第一反應腔室5006下方。然後，第一反應腔室5006較佳地加熱至一溫度來輔助與溶解試劑適當反應，溶解樣本中的生物粒子及/或細胞，暴露出存在於其中的任何核酸。
然後連結到第二反應腔室5011頂部的通風閥5009的開啟輔助樣本流進第二凹部，於該處重新調製第二凍乾珠粒5010，較佳地包含反錄試劑。然後流體進入第二反應腔室5011，於該處其流停止，作為該流下方的閉合空氣體積內的空氣壓力增加的結果\。然後，第二反應腔室5011隨後加熱至適當溫度來輔助反錄程序。
連結到第三反應腔室5013頂部的下個通風閥 5009的開啟，起始了樣本從第二反應腔室5011流經第三凹部，於該處重新調製凍乾珠粒5012，較佳地包含已凍乾的PCR擴增試劑。然後樣本流入第三反應腔室5013內，於該處進行熱循環來擴增存在於樣本中的目標被分析物。
隨後，連結到側流條5014遠端的終通風閥5009開始，使得現在含有已擴增被分析物的樣本流到側流條5014用於如前文描述檢測被分析物。在一些實施例中，毛細池或空間5015可延伸超過側流條5014的樣本接收端。
流控制形貌
流體組件的設計可選擇性地包含在反應腔室內部或在出口的流控制形貌。在流進入出口之前，此等形貌將進入該腔室內的流偏轉至該腔室之與出口對側。結果，流以較低速度進入出口通道，縮短了流體停止前流體流下通道的距離。再者，流徑的水平成分增加了通道長度而未增加腔室間之垂直間隔，增加流徑的有效長度，因而基於流的減速，足夠將流停在期望的位置。如此使得卡匣的腔室間之垂直間隔更接近，原因在於需要更少垂直通道。此外，流重新導向跨越反應腔室，在腔室內的流產生渦旋作用，改良試劑與樣本流體的混合。流控制形貌可包含任何形狀。
於圖39顯示之實施例中，流體從入口通道4002進入反應腔室4003內，及流到反應腔室底部，於該處藉三角形流控制形貌4001轉向至反應腔室4003之與入口通道4002的開口的對側。當流前進至對角4004時流分支，有些進入出口4005，而其餘者接觸壁而被導引向上，形成渦旋 效應而改良混合。進入出口的流較佳地形成半月形，且前進通過出口通道4006朝向下個反應腔室或凍乾珠粒凹部。因出口通道4006密封在反應腔室4003下方，當流體沿出口通道4006行進時，於流下方通道內部的空氣壓力升高直到與流體壓力落差達成平衡為止，如此停止了流。於此一實施例中，出口4005從反應腔室4003至出口通道4006成錐形，以便有效地形成半月形，其隨後能夠增高流下游的閉合空氣空間的壓力。如此加大對出口通道的開口，提供增加可壓縮空氣容積，使得半月形可靠地形成於較寬的開口。
於圖40顯示之實施例中，流體從入口通道4102進入反應腔室4103，及流到反應腔室底部，於該處藉三角形流控制形貌4101轉向至反應腔室4103之與入口通道4102的開口的對側。當流前進至對角4104時流分支，有些進入出口4105，而其餘者接觸壁而被導引向上，形成渦旋效應而改良混合。進入出口的流較佳地形成半月形，且前進通過出口通道4106朝向下個反應腔室或凍乾珠粒凹部。因出口通道4106密封在反應腔室4103下方，當流體沿出口通道4106行進時，於流下方通道內部的空氣壓力升高直到與流體壓力落差達成平衡為止，如此停止了流。於此一實施例中，出口4105與出口通道4106具有一致寬度。於此一實施例中，因通道較窄的結果，在反應腔室的半月形的形成略為較可靠。該半月形隨後增高流下游的閉合空氣空間內部壓力。
於圖41顯示之實施例中，流體從入口通道4202 進入反應腔室4103，及流到反應腔室底部，於該處藉梯形流控制形貌4201轉向至反應腔室4203之與入口通道4202的開口的對側。當流前進至對角4204時流分支，有些進入出口4205，而其餘者接觸壁而被導引向上，形成渦旋效應而改良混合。於此一實施例中，出口4205實質上垂直定向。進入出口的流較佳地形成半月形，且前進通過出口通道4206朝向下個反應腔室或凍乾珠粒凹部。因出口通道4206密封在反應腔室4203下方，當流體沿出口通道4206行進時，於流下方通道內部的空氣壓力升高直到與流體壓力落差達成平衡為止，如此停止了流。於此一實施例中，出口4205與出口通道4206具有一致寬度。於此一實施例中，因通道較窄的結果，在反應腔室的半月形的形成略為較可靠。該半月形隨後增高流下游的閉合空氣空間內部壓力。
於圖42顯示之實施例中，流體從入口通道4304進入反應腔室4305，及流到反應腔室底部，於該處藉三角形流控制形貌4303轉向至反應腔室4305之與入口通道4304的開口的對側。當流前進至對角4306時流分支，有些進入出口4307，而其餘者接觸壁而被導引向上，形成渦旋效應而改良混合。進入出口的流較佳地形成半月形，且前進通過出口通道4306朝向下個反應腔室或凍乾珠粒凹部。於此一實施例中，出口通道4306行進通過堆疊、連串的流控制形貌4303、4302、及4301，其提供迂迴路徑讓流體流動，於小型垂直空間內提供增加的出口通道長度。
於圖43顯示之實施例中，流體從入口通道4402 進入反應腔室4403，及藉配置於反應腔室底部上方，較佳地沿反應腔室4403長度約在半途，的流控制形貌4401而轉向至到入口通道4402的開口的反應腔室4403對側。與先前實施例相反，流控制形貌4401不會形成反應腔室4403的出口。流控制形貌4401將流轉向從出口通道4405進入對角4404，藉此在出離反應腔室之前減低流速。類似先前實施例，流體轉向促進湍流及試劑混合。
分析試驗之多工化
於本發明之若干實施例中，藉由採用一種流體設計，其使得輸入流體樣本能通過該裝置分割成二或多個並列流徑而可並列地執行多個獨立分析試驗。圖10為將例如80微升體流體積以兩個接續步驟分割成首二個分開40微升體積及接著分割成四個20微升體積之示意表示型態。例示的方案可用於使得分開的獨立操控諸如生化反應在分割體積上進行。此等組態用於增加被分析物數目是有用的，該等被分析物於單一裝置內，藉由輔助多個目標諸如核酸序列於多工化核酸反錄及/或擴增反應中的多工化反應可予檢測。同理，在獨立流徑的末端使用多個檢測條可針對多個目標之檢測或區別核酸被分析物中之序列差異或突變而提供提升的測試條可讀性。再者，提供額外檢測條用來獨立查詢多個擴增反應產物，藉由減少該測試的檢測步驟期間偽交叉反應性諸如交叉雜交的可能性而提升特異性。圖11例示於單一測試卡匣包含兩個流體路徑的測試卡匣。就時間、反應類型等，各個流體路徑可獨立控制。現在參考 圖12，導入樣本杯1000的樣本被分割成約略等體積及流入體積分割腔室1001及1002，流入其中係藉通風閥1003及1004調節。分割腔室1001及1002藉由被動平衡各腔室內的樣本數量而控制各個測試路徑中的樣本體積。於體積分割之後，藉通風口1005及1006的開啟，允許溶液流經試劑凹部1007及1008。試劑諸如凍乾試劑分配於凹部1007、1008，及當樣本流經凹部且流入第一組較佳地控溫腔室1009及1010時與樣本交混。反應諸如熱溶解、反錄、及/或核酸擴增係藉試劑凹部1007、1008中提供的試劑之助而於第一組加熱腔室中之各者進行。此等試劑可包括但非僅限於凍乾陽性對照作用劑(例如，核酸、病毒、細菌細胞等)、凍乾反錄酶及相關聯的附屬試劑，諸如RNA反錄成DNA要求的核苷酸、緩衝劑、DTT、鹽類等、及/或使用凍乾DNA聚合酶或熱穩凍乾DNA聚合酶的DNA擴增及要求的附屬試劑，諸如核苷酸、緩衝劑、及鹽類。
於第一組之腔室中在生化反應完成後，諸如反錄、核酸擴增或反錄伴隨核酸擴增(例如，單試管反錄聚合酶連鎖反應(RT-PCR)或一步驟式RT-PCR或一步驟式RT-Oscar)，通風口袋1011及1012的密封件破裂，允許流體從第一組之腔室流經第二組之試劑凹部1013及1014及流入第二組之較佳地溫控腔室1015及1016。試劑諸如凍乾試劑可分配於凹部1013及1014，使得當樣本溶液從腔室1009及1010流到腔室1015及1016時與樣本溶液交混。試劑諸如用於核酸擴增的凍乾試劑、或乾燥或凍乾的檢測粒子諸如探針軛合已染 色聚苯乙烯微球或探針軛合膠體金可選擇性地置於試劑凹部1013及/或1014中。反應或其它操控完成之後，諸如於加熱腔室內結合至或雜交至探針軛合檢測粒子，藉由開啟通風閥1019及1020，允許溶液流入檢測條腔室1017及1018。於若干實施例中，第三組之試劑凹部可置放於來自腔室1015及1016的流體路徑內，使得額外試劑諸如包含檢測粒子、鹽類及/或界面活性劑的檢測試劑及輔助雜交或其它檢測模態有用的其它物質，可與流進條腔室1017及1018內的溶液交混。檢測條腔室1017及1018可經加熱及較佳地包含檢測條，諸如用於檢測被分析物諸如已擴增的核酸的側流條。檢測條可包含一連串的經以乾燥或凍乾檢測試劑摻雜的或製作圖案的吸收性材料，諸如檢測粒子(例如，染色微球軛合物及/或膠體金軛合物)；用於捕獲被分析物的捕獲探針諸如藉序列特異性雜交用於捕獲核酸被分析物的雜交捕獲寡核苷酸；配位子諸如用於捕獲經適當改性的被分析物之生物素或鏈絲菌抗生物素；及提供藉由毛細作用或芯吸等手段足夠確保樣本溶液體積完全遷移通過檢測條的吸收能力的吸收性材料。
樣本製備
於本發明之若干實施例中，可能期望將樣本製備系統結合入卡匣內。樣本製備系統諸如核酸純化系統可包含用於完成樣本製備及已純化分子諸如已純化DNA、RNA或蛋白質洗提入測試卡匣的已包膠溶液。圖13描繪設計用來與測試卡匣整合的核酸樣本製備子系統1300。該樣本製 備子系統包含主殼體1302及殼體蓋1301以罩住該子系統的組件。溶液分腔室化組件1303包含粗產物樣本貯槽1312，其較佳地係在上表面上開啟，但由下密封件1305下方封閉。溶液分腔室化組件1303也較佳地包含含有第一洗滌緩衝液的貯槽1314及含有第二洗滌緩衝液的貯槽1315，二者較佳地利用上密封件1304及下密封件1305密封。核酸結合基質1306係放置於由吸收性材料1307及1308提供的溶液毛細流徑。呈現核酸結合性質及芯吸性質的玻璃纖維或矽氧凝膠乃適合用作為結合基質1306的材料實例。寬廣範圍之吸收性材料可包含吸收性材料1307及1308，包括聚酯、玻璃纖維、硝基纖維素、聚碸、纖維素、棉或其組合以及其它芯吸材料，但限制條件為其提供充分的毛細作用及極少結合至欲藉該子系統純化的分子。能被密封至溶液分腔室化組件1303且與被包膠溶液為化學上可相容的任何容易破裂的或易碎的材料適合用作為密封件材料1304及1305。密封件材料1305接觸樣本或樣本溶解產物，且須與樣本或樣本溶解產物溶液化學上可相容。適當密封件材料之實例為可熱密封金屬膜或塑膠膜。藉溶液分腔室化組件1303位移，使得密封件1305被存在於殼體1302中的結構1311刺穿，密封件材料1305於使用時破裂。粗產物樣本或混合溶解緩衝液諸如包含離液劑之緩衝液的粗產物樣本於使用時透過蓋1301中的樣本埠口1309被導引至樣本貯槽1312。於若干實施例中，溶解緩衝液可藉延伸密封件1304覆蓋貯槽1312的上孔口而選擇性地於貯槽1312被包膠。於此等實施例中， 可能期望包括突耳或其它構件用於部分去除密封件1304覆蓋貯槽1312的該區域，來允許添加粗產物樣本至貯槽1312，使得粗產物樣本可與其中含有的溶解緩衝液交混或混合。含有樣本材料的樣本溶液或溶解產物被導引至樣本添加埠口1309，及保留於緩衝液貯槽1303的樣本貯槽1312直到樣本製備程序的起始。
於樣本製備起始時，溶液分腔室化組件1303被推送至密封件刺穿結構1311上，導致分別地同時釋放樣本溶液或溶解產物於貯槽1312及釋放第一及第二洗滌緩衝液於貯槽1314及1315。組件1303的機械位移可藉手動完成，或使用於可再用性器材中的一致動器或多致動器完成，於使用時將拋棄式測試卡匣放置於該器材內部。致動器接取或手動位移機構接取貯槽1303較佳地係經由殼體蓋1301的接取埠口1310提供。樣本溶液或溶解產物溶液及第一及第二洗滌緩衝液藉毛細作用移動通過材料1307、1306及1308。貯槽的實體配置及吸收性材料1307的幾何組態確保粗產物溶解產物、第一洗滌緩衝液及第二洗滌緩衝液循序流經結合基質1306。用以確保全部溶液體積連續的毛細傳輸通過系統的額外吸收能力係由放置與芯1308接觸的吸收襯墊1313提供。溶液傳送通過吸收性材料完成時，已用過的廢溶液停放在吸收襯墊1313。在全部溶液藉毛細傳輸通過系統之後，已純化的核酸結合至結合基質1306，從該處核酸可洗提入整合式測試卡匣的樣本杯1402內，如圖15顯示。
樣本製備程序期間出現樣本製備子系統組件的 移動係顯示於圖14，其以剖面圖描繪於樣本處理之前及之後的樣本製備子系統之實施例。於洗提之前，藉於相關聯的可再用性測試器材中之致動器的作用而將結合基質1306位移出毛細流徑及通過密封組件1316。密封組件1316配合洗提緩衝液導管1318的一部分形成一密封件，用以允許洗提緩衝液注入通過結合基質1306及進入樣本杯1402內部，而無溶液損耗至樣本製備子系統的毛細流徑。導管1318係附接至包含洗提緩衝液貯槽1317及柱塞1319的洗提緩衝液注入器組件或為該組件之部件。柱塞1319可選擇性地包含O形環，以利於密封洗提緩衝液於貯槽1317內部。於已純化核酸之洗提期間，致動器移動洗提貯槽組件1317，使得附接的導管1318與密封組件1316形成一密封件，且將結合基質1306位移入腔室1321內。機械接取而壓迫洗提貯槽1317係透過致動器接取埠口1320提供。在將結合基質1306位移出樣本製備子系統的主毛細溶液流徑之後，結合基質1306駐在洗提腔室1321。已純化核酸之洗提入樣本杯1402內係藉由致動器通過致動器埠口1322而以注射器般的動作將柱塞1319移動通過貯槽1317，迫使來自洗提緩衝液貯槽1317的洗提緩衝液達成。洗提緩衝液經由導管1318前進通過結合基質1306，結果導致含有已洗提的已純化核酸之洗提緩衝液注入樣本杯1402內。
現在參考圖15，核酸樣本製備子系統1300較佳地係藉廣泛使用的製法諸如超音波熔接而連結至卡匣1500的流體組件1403，而形成整合式單次使用樣本至結果的測試 卡匣。於若干實施例中，期望在導入含有已純化核酸之洗提產物之後，密封測試卡匣流體元件，以便減低已擴增的核酸從卡匣內逃逸的機會。滑動密封件1404可選擇性地但較佳地置放於樣本製備子系統與測試卡匣流體元件殼體1403間來在進入樣本杯1402的入口密封卡匣。滑動密封件1404藉致動器的作用移動至密封位置而形成包含O形環1405的密封件。在導入已乾燥試劑及測試條之後，卡匣背襯1406連結至卡匣流體元件殼體。如前文針對其它測試卡匣實施例的背襯之描述，背襯1406包含用於通風功能、密封維持、熱介接、膨脹腔室的材料，且可選擇性地包含印刷電路板或可撓性電路層攜載流體及溫控電子組件。電子組件可選擇性地罩在可再用性對接單元內。包含電子組件的PCA 1501較佳地係由低熱質量材料及表面安裝電子組件組成。表面安裝電阻器及位在近端的溫度感測器陣列提供了調整測試卡匣內腔室溫的一種手段。當測試卡匣載荷入對接單元內時，PCA 1501的表面安裝電阻器及位在近端的溫度感測器陣列係位置對齊測試卡匣。樣本至結果整合式卡匣顯示於圖16。圖17例示具有基於傳統印刷電路板及表面安裝組件的下方電子元件層之整合式卡匣。於若干實施例中，可撓性電路可連結至測試卡匣的背部。
電子元件
於若干實施例中，期望置放電子組件於可再用性組件內，使得加熱器、感測器及其它電子元件係利用一種手段，該手段建立有利的熱介接及電子元件與拋棄式測試 卡匣必須介接的上方元件間準確對齊，而介接至拋棄式測試卡匣。於其它實施例中，期望使用可再用性與拋棄式組件的組合用於溫度控制。例如，遠端式溫度監控可藉紅外線感測器置放於可再用性對接單元達成，而用於溫度控制及流體學控制的電阻加熱器係放置於整合入拋棄式測試卡匣的可撓性電路內。
於若干實施例中，印刷電路板(PCB)包含標準0.062吋厚FR4銅包積層材料，但可使用標準板材及厚度。電子組件諸如電阻器、熱敏電阻、LED、及微控制器較佳地包含現成的表面安裝裝置(SMD)，及根據工業標準方法配置。
於替代實施例中，PCA可整合卡匣壁及包含可撓性塑膠電路。如於圖8中顯示，可使用可撓性電路材料諸如聚對苯二甲酸伸乙酯(PET)及聚醯亞胺。可撓性塑膠電路的使用為技藝界眾所周知。於另一個實施例中，加熱元件及溫度感測器可使用由諸如索利吉(Soligie,Inc.)公司開發的技術而網印至塑膠流體組件上。
於本發明之若干實施例中，PCB厚度以及於圍繞電阻加熱器周圍區域的銅之量及配置係針對流體組件中的反應溶液之熱管理而量身訂製。此點可藉使用已述的標準製造技術達成。
於本發明之若干實施例中，電阻器為厚膜2512封裝，但可使用其它電阻器。流體組件中之加熱腔室偏好具有與電阻器之尺寸相似的尺寸以確保整個腔室均勻加熱。 單一此種尺寸的電阻器即足以加熱約15微升溶液，設流體組件之厚度為0.5毫米。圖2D中之圖式顯示兩個電阻器100其形成足夠加熱約30微升溶液的加熱器，設流體組件之厚度為0.5毫米。於此種情況下，電阻器較佳地各自為40歐姆且呈並聯組態排列。
於本發明之若干實施例中，溫度感測器110較佳地包含熱敏電阻諸如0402 NTC裝置，或溫度感測器諸如亞特莫(Atmel)AT30TS750，各自具有類似2512電阻器封裝的高度之高度。以一個電阻器或兩個電阻器裝置為例，熱敏電阻較佳地分別配置相鄰電阻器加熱器或介於其間。藉由緊密地配置此等電子元件，導致其間只有極薄的氣隙。再者，在組裝流體組件與電子層之前施加熱化合物，確保流體組件、電阻器、與熱敏電阻間之良好熱接觸。
於本發明之若干實施例中，通風口電阻器70、71包含厚膜0805封裝，但可使用類似的電阻器。替代電阻器，也可使用小型號鎳鉻合金導線加熱元件，諸如40號鎳鉻合金導線。
於本發明之若干實施例中，微控制器為微晶片技術(Microchip Technologies)PIC16F1789。微控制器較佳地匹配流體系統的複雜度。例如，利用多工化，個別通風口及加熱器的數目匹配微控制器I/O線的數目。記憶體大小可經選擇來容納程式大小。
於本發明之某些實施例中，以ON-OFF模式操作的SOT-23封裝中的N-通道MOSFET用來調控至通風口及加 熱器電阻器的電流負載。調控信號係透過微控制器發送。於替代實施例中，脈寬調變方案及/或其它控制演算法可用於流體元件的更先進熱管理。此點典型係由微控制器處理，及可要求熟諳技藝人士已知之額外硬體及/或軟體形貌。
取決於應用，若干實施例包含一裝置，其中小型控制對接單元或對接單元操作更小型拋棄式單元，該單元包含流體系統其接觸生物材料，稱作為測試卡匣。於一個此種實施例中，對接單元包含電子組件。免除了來自拋棄式測試卡匣的電氣組件，減低成本，於某些情況下，減低環境衝擊。於另一個實施例中，若干電子組件涵括於對接單元及測試卡匣兩者。於本特定實施例中，測試卡匣較佳地包含低成本PCA，或較佳地包含可撓性電路以提供某些電氣功能，諸如溫度控制、流體流動控制、及溫度感測，其係透過適當介面由對接單元通電、控制及/或查詢。如前文描述，此種裝置的電子功能較佳地分割成兩個分開子總成。拋棄式卡匣2500較佳地包含一後表面，經設計來與對接單元的電阻加熱及感測元件介接。組成測試卡匣背面的材料較佳地係經選擇來提供適當導熱性及安定性，同時透過通風口破裂使得能控制流體流。於若干實施例中，測試卡匣背面或其部分包含製造在基材諸如聚醯亞胺上的可撓性電路。可撓性電路能用來提供具有低熱質量的低成本電阻加熱元件。可撓性電路基材較佳地可放置直接接觸存在於測試卡匣的流體網絡中的溶液而使其能高度有效地且快速地加熱與冷卻。如圖8顯示的連接器810較佳地連同至選 擇性的熱敏電阻的電源線及信號線而提供電流給電阻加熱器。
若使用可撓性電路799，藉著透過在可撓性電路799的背襯805或直接遠離其後部的一窗讀取信號，位在對接單元的一或多個IR感測器可監控加熱腔室(例如，擴增腔室或檢測腔室)的溫度。選擇性地，在PCA或可撓性電路799上的熱敏電阻可用來監控溫度。選擇性地進行IR感測器與熱敏電阻的加權平均，改進該等讀數與卡匣中流體溫度的交互關係。此外，感測器也能檢測周圍溫度，使得系統能校正溫度來確保樣本流體快速平衡至期望的溫度。
現在參考圖33，對接單元較佳地包含可再用性組件子總成3980，其包含微控制器、MOSFET、開關、電源供應器或電源插座及/或電池組、選擇性的冷卻風扇903、選擇性的使用者介面、紅外線溫度感測器901、902及與卡匣2500的連接器810可相容的連接器900。當子總成透過連接器810及900匹配時，對接單元較佳地於實質上垂直或接近垂直取向支承拋棄式卡匣2500。雖然於此處描述的若干實施例中以實質上垂直取向為較佳，但若裝置係傾斜操作，尤其某些路徑經塗覆來縮小使用溶液的濕潤角，則可獲得相似的結果。
可使用裝置之另一個實施例，藉由免除位在拋棄式部件上的全部電子電路，藉由減低系統的可消耗性部件的成本來最小化操作成本。微控制器、加熱器、感測器、電源供應器、及全部其它電路係位在多個PCA上，及透過 高導體計數工業標準帶狀線纜而彼此電氣連結。也可添加顯示器來輔助使用者操作該裝置。選擇性的連串控制埠也可運用來上傳測試參數的改變，及監控任何測試的進行。本實施例的一個版本包含五個不同PCA。主板PCA含有控制電路、連串埠、電源供應器、及連接器來連結系統中的其它板。加熱器板PCA含有加熱電阻器元件、溫度感測器、及通風燃燒加熱元件。為了輔助在本加熱器板與拋棄式流體卡匣間之熱介接，此板係安裝在彈簧載荷載具上，該載具藉由蓋子的閉合動作朝向流體卡匣的背側移動，直到接觸流體卡匣為止。薄型導熱加熱襯墊係固定在該腔室頂部加熱器電阻器及溫度感測器上，改善加熱器板與流體卡匣間之傳熱。使用鎳鉻合金導線纏繞小型陶瓷載體，可實現耐用的通風燃燒加熱元件。IR感測器板PCA係安裝距卡匣對側某個小距離，用來監視加熱腔室溫度。如此允許加熱與冷卻處理的閉路溫度控制，及因應周圍溫度變化。也安裝在IR感測器板上者為多個反射式感測光學耦合器，其允許感測卡匣的存在，且可用來識別由位在卡匣上的可組配反射圖案所標示的卡匣類型。顯示板PCA可位在約略IR板後方來讓使用者從裝置前方可看到顯示。最終PCA亦即快門板係位在卡匣的頂緣且含有開關及反射性光學耦合器，其係用來感測卡匣是否已被使用，及當蓋子闔上時，將卡匣固定定位以供測試。
系統冷卻係選擇性地使用風扇諸如鬆餅類型風扇增強，風扇唯有在測試的冷卻階段才藉微控制器啟動。 通風系統較佳地係用來將冷卻器外部空氣導引朝向加熱腔室及從裝置旁側排出。
為了提供完整的樣本至結果分子測試，前述本發明之實施例中之任一者可介接樣本製備系統1300，該系統1300提供核酸作為輸出給樣本腔室1402。此點已經使用國際公告案WO 2009/137059 A1，名稱「高度簡化的以側流為基礎之核酸樣本製備及被動流體流動控制」中描述的樣本製備技術驗證。所得整合式裝置之一實施例係例示於圖15及圖16。
對接單元
可再用性對接單元包含達成測試卡匣的功能要求的電子組件。已經發明各種對接單元實施例來與測試卡匣設計中的對應變化介接。於一個實施例中，如圖18及圖19中顯示，對接單元包含執行測試要求的全部電子組件，免除了測試卡匣中電子組件的需要。現在參考圖18，在樣本添加之前，卡匣2500插進對接單元2501內。對接單元2501包含顯示器諸如LCD顯示器2502來將資訊諸如測試協定及測試狀態通知使用者。卡匣2500插進對接單元2501內之後，樣本被導入卡匣2500的樣本埠口20，且對接單元蓋2503被關閉以開始測試。帶有插入的測試卡匣之對接單元顯示於圖19，蓋子於閉合位置的對接單元2501係側示於圖18B。
於對接單元之若干實施例中，一機構結合至蓋2503的鉸鏈，該機構移動測試卡匣的滑動密封件91至閉合位置。密封的測試卡匣有助於確保已擴增的核酸維持容納 於測試卡匣內部。現在參考圖20，手動方法或自動化方法可採用來在樣本埠口上方滑動閥門而密封卡匣。於若干實施例中，滑件藉由接合O形環而密封樣本埠口。膨脹腔室外蓋將閥門在樣本埠口O形環上方滑動定位。密封件藉伺服馬達或藉手動動作而移動就位，諸如關閉可再用性對接單元蓋，其又轉而啟動一機構來關閉卡匣密封件。於該圖解實施例中，齒條與小齒輪機構2504採用滑動密封件致動器3979來將滑動密封件91移動到閉合位置。齒條與小齒輪機構2504可以是電動，或藉對接單元蓋2503之閉合動作，透過機械耦合至蓋鉸鏈移動。選擇性地，感測器諸如光學感測器2505查詢滑動密封件91的位置以確保於分析試驗起始之前密封件的位置適當，如圖21中例示。光學感測器檢測卡匣樣本埠口密封件的狀態(亦即位置)。光學感測器允許對接單元經規劃來檢測先前用過的測試卡匣被意外插入，及檢測測試卡匣密封件的成功閉合。若感測器2505未能檢測得密封件閉合，則指示密封件故障的錯誤訊息可顯示在顯示器2502上，及測試計畫中途中止。於測試卡匣及對接單元之其它實施例中，密封機構可包含機械式密封該腔室的其它構件，諸如旋轉閥，如圖22中例示。於又另一個實施例中，測試卡匣密封件可置放於鉸接的卡匣蓋，置放位置使得若未先閉合卡匣蓋及因而密封該密封件，否則插入對接單元為不可能。於此一實施例中，在插入對接單元之前，樣本添加至測試卡匣。帶有密封件且包含鉸接蓋的測試卡匣係例示於圖23。通常，在卡匣插入對接單元且樣本載入 卡匣之後，較佳地對接單元的蓋自動密封卡匣及起始分析試驗兩者，較佳地未使用伺服傳動機或其它機械裝置。
於若干對接單元實施例中，一組之組件較佳地輔助測試卡匣之適當插入，同時確保必須與測試卡匣介接的電子組件不會實體介接卡匣插入，但又於測試期間形成可靠的熱介接。此等組件形成一機構用來維持PCA 75遠離卡匣插入路徑直到蓋2503閉合為止。現在參考圖24，在對接單元內部，加熱器板係安裝於PCA支架2506上，其較佳地用作為低熱質量鷹架，當測試卡匣載荷入低熱質量卡匣支架2507時，其中軌道2509將卡匣導引入對接單元內且固定在正確位置，諸如平行加熱器板表面，用來介接安裝於PCA支架2506上的PCA 75。於蓋開啟位置中，卡匣支架2507上的突出物2508介接PCA支架2506來維持沿著軌道2509的敞開的路徑以供卡匣插入。較佳地，傾斜表面跨據突出物2508表面與較低升高組件2507間之距離，以輔助於蓋2503閉合期間，突出物突出物2508平順地移動進入PCA支架2506上的凹部2511。當對接單元蓋閉合時，突出物2508接合凹部2511，藉此移動加熱器板安裝更接近測試卡匣2500的後表面。蓋2503的閉合施加向下力在卡匣支架2507上，藉此移動卡匣支架2507至一位置，於該處突出物2508停靠在凹部2511，導致PCA支架2506的移動使得PCA 75朝向卡匣2500的後方按壓。較佳地，PCA支架2506處在恆定力諸如彈簧力下，以便得在蓋閉合之後，由PCA 75能施加可再現的力朝向卡匣2500的後方。PCA 75朝向卡匣2500的後方的置放 形成了熱介接，其將熱從PCA上的電阻式加熱器元件傳導致測試卡匣的溫控腔室及通風口。較佳地，組件2506及2507係經建構來給系統貢獻最小熱質量，及提供接取測試卡匣冷卻設備表面，諸如風扇，及由感測器諸如紅外線感測器的溫度監控。於蓋閉合之後，加熱器板較佳地牢靠朝向測試卡匣後方按壓，形成熱介接，其使得在加熱器板上的微控制器能加熱於測試卡匣的流體腔室內的溶液，及較佳地根據微控制器或微處理器的控制而熔解測試卡匣的不耐熱通風口膜。圖25例示於脫離(蓋開啟)及接合(蓋閉合)位置兩者，卡匣-PCA介接機構的剖面圖。
於若干實施例中，對接單元包含用於下列應用的額外感測器，諸如溫度感測、檢測測試卡匣的存在或移除、及檢測用以使其能自動化選擇測試參數的特定測試卡匣。現在參考圖26，紅外線感測器2600檢測在溫控腔室諸如腔室30及90上方區域的測試卡匣之溫度。該等感測器使得除了或替代由PCA 75侷限化溫度感測器諸如感測器110收集的溫度資料之外，能收集溫度資料。選擇性的感測器可選擇性地但較佳地採用來檢測特定測試卡匣，以識別用於特定疾病或病況的卡匣，且允許自動化選擇適用於特定測試的溫度輪廓資料。現在參考圖27A及圖27B，光學感測器或光學感測器陣列諸如光學感測器陣列2601可結合測試卡匣上的條碼或條碼狀形貌2602來判定測試卡匣的類型，及確認測試卡匣的完全插入及下確定位。感測器陣列2602協同感測器2505可藉由檢測得蓋閉合前的已閉合的密封件而檢 測先前用過的測試卡匣之插入。對接單元可包含感測器來檢測插入對接單元內的測試卡匣類型及/或來確認卡匣於對接單元內部的正確插入、定位、及對齊。流行性感冒A/B測試卡匣之檢測係例示於圖19中描繪的對接單元及測試卡匣系統。對接單元較佳地也能讀取在各個卡匣上的條碼或其它符號，及根據針對不同分析試驗已儲存的程式而改變其程式設計。
於本發明之若干實施例中，期望加熱測試卡匣的兩面。雙加熱器PCA組態其中測試卡匣係插入兩個加熱器PCA間係描繪於圖28A及28B。
於另一個實施例中，對接單元包含伺服致動器、自動化結果讀取的光學子系統、無線資料通訊子系統、觸控螢幕使用者介面、充電式電池組電源、及測試卡匣接收器其接收包含整合式樣本製備子系統的測試卡匣。現在參考圖29A、29B、及30，對接單元2700接收測試卡匣1500，及將測試卡匣放置與PCA 1501熱接觸來使其能作測試卡匣的溫度控制及流體流動控制。測試卡匣1500插入樞旋式對接單元門2702的卡匣接收槽3605內。於添加粗產物樣本或溶解產物至測試卡匣之後，對接單元門的關閉將測試卡匣後方對齊且接觸PCA 1501且對齊伺服致動器。伺服致動器3602係定位來通過卡匣1500的致動器埠口1310接取溶液分腔室化組件1303，及提供破裂密封材料1305要求的機械力。機械密封件1305的破裂釋放出粗產物溶解產物及洗滌緩衝液以如前文描述流經樣本製備子系統的樣本製備毛細材料。 於毛細流體傳送完成時，定位來通過卡匣1500的致動器埠口1320接取洗提貯槽1317的伺服致動器3601提供機械力來移動組件1317，使得附接的導管1318與密封件1316形成一密封件，且位移結合基質1306進入洗提腔室1321內。定位來通過卡匣1500的致動器埠口1322接取洗提柱塞1319的伺服致動器3604然後提供機械力給柱塞1319，來從洗提貯槽1317通過結合基質1306排出洗滌緩衝液，導致核酸洗提入測試卡匣卡匣1500的樣本杯1402。如前文描述，伺服致動器3603於洗提後密封卡匣。致動器控制較佳地係由在控制電子元件PCA 3606上的微控制器或微處理器根據韌體或軟體指令提供。同理，測試卡匣內部的溫度控制及流體流動控制係根據儲存於微控制器或微處理器記憶體的韌體或軟體常式中提供的指令。圖31顯示包含LED光源3608及CMOS感測器3609的光學子系統3607數位化檢測條信號資料。收集的檢測條影像係儲存於對接單元內部的記憶體，於該處結果解釋能使用板上處理器達成及報告給LCD顯示器2701。使用以CMOS為基礎的數位相機收集影像期間，一圈LED提供均勻發光。使用郵戳大小裝置收集的影像可提供適合比色法側流信號分析用的高解析度資料(5百萬像素，10位元)。較佳地低輪廓設計(約1匣米)連同短工作距離光學元件，使得系統能整合入薄型裝置殼體內。
選擇性地，數位化結果可傳輸用於透過結合於對接單元的無線通訊系統，採用標準WiFi或細胞式通訊網路而離線分析、儲存及/或視覺化。此一對接單元實施例的照 片係顯示於圖32A及32B。
實例 實例1：已純化的病毒RNA(infA/B)及內部陽性對照病毒的多工擴增及檢測方法
流行性感冒A及B測試卡匣置於對接單元內。40微升樣本溶液添加至樣本埠口。樣本溶液包含濃度等於5000 TCID50/毫升的已純化的A/波多黎各流行性感冒RNA、或濃度等於500 TCID50/毫升的已純化的B/布里斯班流行性感冒RNA、或分子級水(無樣板對照樣本)。當進入樣本埠口時，40微升樣本當其流到測試卡匣的第一腔室時與凍乾珠粒交混。凍乾珠粒包含MS2噬菌體病毒粒子作為陽性內部對照及DTT。於卡匣的第一腔室中，樣本被加熱至90℃歷時1分鐘以促進病毒溶解，然後在開啟連結第二腔室的通風口之前冷卻至50℃。開啟連結第二腔室的通風口藉由使得第二腔室內空氣位移至膨脹腔室而允許樣本流進第二腔室。當樣本移動至第二腔室時，樣本與至流行性感冒A、流行性感冒B、及MS2噬菌體的寡核苷酸擴增引子交混，及反錄與核酸擴增試劑及酶呈凍乾丸粒存在於第一腔室與第二腔室間之流徑的凹部。
擴增腔室被加熱至47℃歷時6分鐘，於該期間RNA樣板被反錄成cDNA。反錄完成後，於第二腔室內進行40週期的熱循環擴增。於熱循環完成後，連結到第三腔室的通風口開啟，允許反應溶液流進第三腔室內。第三腔室包含測試條及凍乾珠粒，其包含採用作為檢測粒子的三種 藍染色聚苯乙烯微球軛合物。軛合物包含300奈米聚苯乙烯微球，其共價鏈接至與流行性感冒A、或流行性感冒B、或MS2噬菌體的已擴增序列互補的寡核苷酸探針。當已凍乾的檢測粒子流進第三腔室內時，該溶液重新調製之。三道捕獲線制動在側流膜上，自裝置底算起分別為：不與任何接受分析試驗的目標互補的陰性對照寡核苷酸；與流行性感冒B之擴增產物互補的捕獲探針；與流行性感冒A之擴增產物互補的捕獲探針；與MS2噬菌體之擴增產物互補的捕獲探針。在視覺解釋結果之前，讓側流條發展6分鐘。如圖34顯示，當側流條發展時，流行性感冒A陽性樣本在流行性感冒A及MS2噬菌體位置顯示形成藍測試線，流行性感冒B陽性樣本在流行性感冒B及MS2噬菌體位置顯示形成藍測試線，陰性樣本只在MS2噬菌體位置顯示形成藍測試線。
實例2：病毒溶解產物於緩衝液及內部陽性對照病毒的多工擴增及檢測方法
流行性感冒A及B測試卡匣置於對接單元內。40微升樣本溶液添加至樣本埠口。樣本溶液包含濃度等於5000 TCID50/毫升的A/波多黎各流行性感冒病毒、或濃度等於500 TCID50/毫升的B/布里斯班流行性感冒病毒、或分子級水(無樣板對照樣本)。當進入樣本埠口時，40微升樣本當其流到測試卡匣的第一腔室時與凍乾珠粒交混。凍乾珠粒包含MS2噬菌體病毒粒子作為陽性內部對照及DTT。於卡匣的第一腔室中，樣本被加熱至90℃歷時1分鐘以促進病毒溶解，然後在開啟連結第二腔室的通風口之前冷卻至50℃。 開啟連結第二腔室的通風口藉由使得第二腔室內空氣位移至膨脹腔室而允許樣本流進第二腔室。當樣本移動至第二腔室時，樣本與至流行性感冒A、流行性感冒B、及MS2噬菌體的寡核苷酸擴增引子交混，及反錄與核酸擴增試劑及酶呈凍乾丸粒存在於第一腔室與第二腔室間之流徑的凹部。
擴增腔室被加熱至47℃歷時6分鐘，於該期間RNA樣板被反錄成cDNA。反錄完成後，於第二腔室內進行40週期的熱循環擴增。於熱循環完成後，連結到第三腔室的通風口開啟，允許反應溶液流進第三腔室內。第三腔室包含測試條及凍乾珠粒，其包含採用作為檢測粒子的三種藍染色聚苯乙烯微球軛合物。軛合物包含300奈米聚苯乙烯微球，其共價鏈接至與流行性感冒A、或流行性感冒B、或MS2噬菌體的已擴增序列互補的寡核苷酸探針。當已凍乾的檢測粒子流進第三腔室內時，該溶液重新調製之。三道捕獲線制動在側流膜上，自裝置底算起分別為：不與任何接受分析試驗的目標互補的陰性對照寡核苷酸；與流行性感冒B之擴增產物互補的捕獲探針；與流行性感冒A之擴增產物互補的捕獲探針；與MS2噬菌體之擴增產物互補的捕獲探針。在視覺解釋結果之前，讓側流條發展6分鐘。如圖35顯示，當側流條發展時，流行性感冒A陽性樣本在流行性感冒A及MS2噬菌體位置顯示形成藍測試線，流行性感冒B陽性樣本在流行性感冒B及MS2噬菌體位置顯示形成藍測試線，陰性樣本只在MS2噬菌體位置顯示形成藍測試線。
實例3：流行性感冒病毒(已純化)刺激陰性臨床鼻樣本及內部陽性對照病毒的多工擴增及檢測方法
收集自人體的鼻拭子樣本置於3毫升0.025%崔頓(Triton)X-100，10mM Tris，pH 8.3溶液內，及使用FDA核准的即時RT-PCR測試來測試流行性感冒A及流行性感冒B的存在。在用於本研究之前，樣本經確認為流行性感冒A及流行性感冒B陰性。已確認的流行性感冒陰性鼻樣本使用濃度等於5000 TCID50/毫升的A/波多黎各流行性感冒病毒刺激，或未添加病毒而採用作為陰性對照。40微升所得經刺激的樣本或陰性對照樣本添加至流行性感冒A及B測試卡匣的樣本埠口。當進入樣本埠口時，40微升樣本當其流到測試卡匣的第一腔室時與凍乾珠粒交混。凍乾珠粒包含MS2噬菌體病毒粒子作為陽性內部對照及DTT。於卡匣的第一腔室中，樣本被加熱至90℃歷時1分鐘以促進病毒溶解，然後在開啟連結第二腔室的通風口之前冷卻至50℃。開啟連結第二腔室的通風口藉由使得第二腔室內空氣位移至膨脹腔室而允許樣本流進第二腔室。當樣本移動至第二腔室時，樣本與至流行性感冒A、流行性感冒B、及MS2噬菌體的寡核苷酸擴增引子交混，及反錄與核酸擴增試劑及酶呈凍乾丸粒存在於第一腔室與第二腔室間之流徑的凹部。
擴增腔室被加熱至47℃歷時6分鐘，於該期間RNA樣板被反錄成cDNA。反錄完成後，於第二腔室內進行40週期的熱循環擴增。於熱循環完成後，連結到第三腔室的通風口開啟，允許反應溶液流進第三腔室內。第三腔室 包含測試條及凍乾珠粒，其包含採用作為檢測粒子的三種藍染色聚苯乙烯微球軛合物。軛合物包含300奈米聚苯乙烯微球，其共價鏈接至與流行性感冒A、或流行性感冒B、或MS2噬菌體的已擴增序列互補的寡核苷酸探針。當已凍乾的檢測粒子流進第三腔室內時，該溶液重新調製之。三道捕獲線制動在側流膜上，自裝置底算起分別為：不與任何接受分析試驗的目標互補的陰性對照寡核苷酸；與流行性感冒B之擴增產物互補的捕獲探針；與流行性感冒A之擴增產物互補的捕獲探針；與MS2噬菌體之擴增產物互補的捕獲探針。在視覺解釋結果之前，讓側流條發展6分鐘。如圖36顯示，當側流條發展時，流行性感冒A陽性樣本在流行性感冒A及MS2噬菌體位置顯示形成藍測試線，陰性對照樣本只在MS2噬菌體位置顯示形成藍測試線。
雖然已經特別參考所揭示的實施例以細節描述本發明，但其它實施例能達成相同結果。本發明之變化及修改將為熟諳技藝人士顯然易知，及其意圖涵蓋全部此等修改例及相當例。前文引述之全部專利案及公告案之全部揭示內容係爰引於此並融入本說明書之揭示。
5:流體組件
25:外蓋
91:滑動密封件
799:可撓性電路
805:背襯
806:窗
807:不耐熱材料
808:間隔物或墊片
810:連接器

Claims (9)

  1. 一種用於檢測目標核酸的卡匣，該卡匣包含：一檢測腔室；一側流檢測條，其被配置於該檢測腔室內且被定向致使該檢測條的一樣本接收端係在該檢測條的底端；及於該檢測腔室內延伸超過該側流檢測條之該樣本接收端的一空間，其中該空間是組配為用於接收包含已擴增的目標核酸之流體；該空間包含在接收該流體之前分散於其中的檢測粒子；該空間包含足夠的容量以容納具有一高度的該流體的體積，該高度使得該流體接觸該檢測條並藉毛細作用流上該檢測條，且該空間提供該等檢測粒子及該流體經改良的混合及分散，以利於該等檢測粒子與該核酸交混，並增加在檢測條上粒子遷移的一致性。
  2. 如請求項1之卡匣，其中該卡匣包含與該檢測腔室流體連通的一第一腔室，且其中該卡匣包含一第二腔室，該第二腔室與該第一腔室流體連通。
  3. 如請求項1之卡匣，其中該等檢測粒子係選自於由下列所組成之群組：染料聚苯乙烯微球、乳膠、膠體金、膠體纖維素、奈米金及半導體奈米晶體。
  4. 如請求項1之卡匣，其中該等檢測粒子包含複數個與該已擴增的目標核酸之一序列互補的寡核苷酸，或複數個 能夠結合至該已擴增的目標核酸的配位子。
  5. 如請求項4之卡匣，其中該等配位子係選自於由生物素、鏈絲菌抗生物素、一半抗原、或一抗體所組成的群組。
  6. 如請求項1之卡匣，其中該等檢測粒子已經乾燥、凍乾或存在於該內表面的至少一部分上，作為於一載體中的檢測粒子之乾燥混合物，以利於再懸浮該等檢測粒子。
  7. 如請求項6之卡匣，其中該載體包含一多醣、一清潔劑、或一蛋白質。
  8. 如請求項1之卡匣，其係用於進行具有少於約200微升之一體積的一分析試驗。
  9. 如請求項8之卡匣，其中該分析試驗具有少於約60微升的一體積。
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