專利名稱：用于進行和監(jiān)測化學反應的集成裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于進行和監(jiān)測化學反應、尤其是核酸擴增反應的裝置及方法。
背景技術：
C印heid提供了一種以GeneXpert 為商標名稱的用于實時聚合酶鏈反應(PCR) 的集成系統(tǒng)。該系統(tǒng)可自動進行樣品制備，并在一個連接到該系統(tǒng)上的專用樣品盒 (cartridge)中執(zhí)行DNA提取步驟。所述樣品盒包括薄的菱形的反應容器。反應容器的側 壁設置光學窗口，用于從視覺上詢問反應容器中所含的內(nèi)容物。所述系統(tǒng)包括光激勵和探 測組件以及兩個對置的加熱板，所述加熱板用于當反應容器容納在所述加熱板之間時對反 應容器進行加熱。系統(tǒng)中設置有用于冷卻所述加熱板的風扇。所述系統(tǒng)可執(zhí)行實時PCR所 需要的加熱和冷卻循環(huán)，并可探測在同一樣品盒中的多目標核酸的存在。

發(fā)明內(nèi)容
已經(jīng)意識到，可對傳統(tǒng)的用于進行和監(jiān)測化學反應的系統(tǒng)加以改進與簡化。例如， 基座系統(tǒng)的結構可加以簡化。此外，已經(jīng)意識到，可提供一種集成裝置，在該裝置中，樣品 制備、預處理、反應以及探測可全部在原位執(zhí)行。還可取的是，提供一種用于進行和監(jiān)測化 學反應的裝置，其性能提高、結構相對簡單、成本相對低廉或者具有這些特性的組合。根據(jù) 本發(fā)明的一個方案，提供了一種用于進行和監(jiān)測化學反應的裝置。所述裝置包括基座；熱 循環(huán)器，其安裝在所述基座上；多個導熱的接納器，其安裝在所述熱循環(huán)器上并與所述熱循 環(huán)器進行熱傳遞，接納器中的每一個均包括限定具有開口端的內(nèi)腔的不透明主體、第一窗 口和第二窗口 ；樣品盒，其可拆卸地安裝在所述接納器上，所述樣品盒包括多個透光的反應 容器，并包括連接到所述反應容器上用于加工(processing)和輸送流體的導管，所述反應 容器分別通過所述內(nèi)腔的開口端而容納在所述接納器的內(nèi)腔中；光發(fā)射器，其安裝在所述 基座上，用于通過所述反應容器的第一窗口照射所述反應容器；以及光探測器，其安裝在所 述基座上，用于選擇性地接收與探測從所述反應容器通過所述接納器的第二窗口發(fā)射出的 光。所述光探測器可包括單個的光電倍增管(PMT)。所述裝置可包括安裝在所述基座上的透 鏡，該透鏡用于把從所述反應容器發(fā)射出的光聚焦到所述PMT上。所述裝置可包括多個光 發(fā)射器，每一光發(fā)射器被定位為用于將從光發(fā)射器發(fā)射出的光引向相應的一個第一窗口。 可以設置多個光發(fā)射器，這些光發(fā)射器中的每一個被定位為照亮相應的一個反應容器。每一反應容器可具有基本柱形的形狀。所述接納器的內(nèi)腔可大體呈柱形。每一接納器的第一 和第二窗口可被配置為減少從所述第二窗口接收到的光通過所述第一窗口向所述光探測 器的傳輸。所述接納器可包括三個接納器。所述光發(fā)射器可包括發(fā)光二極管。所述熱循環(huán) 器可包括冷卻器和加熱器。所述冷卻器可以是熱電冷卻器。所述加熱器可以是電加熱器。 所述冷卻器和加熱器可以集成為一體。所述裝置可包括安裝在所述基座上的散熱器，并且 所述熱循環(huán)器可安裝在所述散熱器上。所述裝置包括控制器，該控制器與所述熱循環(huán)器通 信以用于控制所述熱循環(huán)器。所述控制器可與所述光探測器通信以響應于由所述光探測器 對光的探測而接收信號。所述控制器可控制所述熱循環(huán)器以響應于接收所述信號而選擇性 地對所述反應容器進行加熱或冷卻。所述裝置可包括多個濾光器，每一濾光器均定位在所 述光發(fā)射器與相應的一個接納器之間。所述裝置可包括定位在所述接納器與所述光探測器 之間的濾光器。所述接納器可由銅或黃銅制成。所述樣品盒的導管可包括被配置用于制備 與處理(treating)待反應或待探測的樣品的導管以及用于將所述樣品輸送到一個或多個 所述反應容器中的導管。所述樣品盒的反應容器中的至少一個可包含反應混合物。所述反 應混合物可以是核酸擴增反應混合物。所述反應混合物可以為聚合酶鏈反應混合物。根據(jù)本發(fā)明的另一方案，提供了一種包括前面段落中描述的裝置和與所述裝置通 信的用戶接口的系統(tǒng)。所述裝置能夠產(chǎn)生輸出，而所述用戶接口能夠接收所述輸出并且基 于該輸出顯示信息。所述輸出可包括反映由所述探測器探測到的光信號的輸出。根據(jù)本發(fā)明的另一方案，提供了一種用于操作在此描述的所述裝置的方法。在這 一方法中，在樣品盒中制備多種反應混合物并將每一種反應混合物置于選定的反應容器 中?？刂扑鰺嵫h(huán)器選擇性地對所述選定的反應容器進行加熱或冷卻，從而對所述選定 的反應容器中的反應混合物進行加熱或冷卻。用光發(fā)射器(一個或多個)相繼地照射在不 同反應容器中的所述反應混合物。用所述光探測器探測從反應混合物發(fā)射出來的光?？身?應于從所述反應混合物發(fā)射出的光的探測來控制所述熱循環(huán)器?？蓪㈨憫谔綔y結果的輸 出顯示給用戶。當結合附圖對本發(fā)明的特定實施例的下列描述進行考察時，本發(fā)明的其他方案及 特性對本領域的普通技術人員來說將變得清晰。


在附圖中僅以示例的方式圖示了本發(fā)明的實施例，其中圖1是本發(fā)明的典型實施例的用于進行和監(jiān)測化學反應的裝置的立體圖；圖2是圖1所示裝置的俯視平面圖；圖3是圖1所示裝置的側視圖；圖4是圖1所示接納器的截面圖；圖5是圖1所示裝置中的光學元件與光通路的示意圖；圖6是用于進行和監(jiān)測化學反應的系統(tǒng)的方塊圖，該系統(tǒng)包括本發(fā)明的典型實施 例的圖1所示的裝置；圖7示出了采用圖1的裝置探測到的熒光強度的線形圖；以及圖8是圖1中示出的樣品盒的后側透視立體圖。
具體實施例方式提供了一種用于進行和監(jiān)測化學反應的集成裝置或系統(tǒng)。所述化學反應可以是核 酸擴增反應，包括聚合酶鏈反應(PCR)，例如基礎PCR或逆轉錄酶PCR (RT-PCR)，或者其他需 要受控地加熱/冷卻以及需要進行實時光學探測的反應。采用這樣的裝置或系統(tǒng)可以例如 方便地進行和監(jiān)測實時PCR。圖1為本發(fā)明的典型實施例的用于進行和監(jiān)測在樣品盒200中發(fā)生的化學反應的 裝置100的分解立體圖。圖2和圖3中示出了裝置100的俯視圖和側視圖，但是圖中未顯 示樣品盒200。裝置100包括基座102。散熱器104安裝在基座102上。熱循環(huán)器106安裝在散 熱器104上。散熱器104是導熱的以與熱循環(huán)器106進行有效的熱交換。散熱器104可由 合適的材料制成，并可具有合適的結構以用于有效地散熱。例如，散熱器104可設置有空氣 冷卻特征。三個導熱的接納器108安裝在熱循環(huán)器106上。三個光發(fā)射器110與接納器 108相鄰地安裝在散熱器104上。支撐件112安裝在基座102上以用于支撐光探測器114。探測器114可以是任何合適的光探測器或傳感器，在使用中，所述探測器用于探 測及分析預期從反應物或反應產(chǎn)物發(fā)射出的光信號。例如，探測器114可包括單個的光電 倍增管(PMT)。就像下文將進一步描述的那樣，探測器114被定位并對準以用于接收從不同 的接納器108中發(fā)射出的光?？梢庾R到的是，使用單個探測器可減少所述裝置的成本及復 雜程度。濾光器116和光學透鏡118可定位在接納器108和探測器114之間的光通路中， 以便聚焦與過濾來自接納器108的光。在使用時，透鏡118可方便地將來自不同接納器108 的光聚焦到同一探測器114上以提高性能。如圖4中最佳所示，每一接納器108均具有不透明主體120。不透明主體120可由 能充分導熱的任意合適的材料形成。例如，銅、黃銅、鋁等材料可用于形成不透明主體120。 不透明主體120限定了用于容納樣品盒202的反應容器202(圖4中未示出，而在圖1中示 出)的具有開口端124的內(nèi)腔122。內(nèi)腔122可大體呈柱形。內(nèi)腔122也可具有大體圓形 的橫截面。內(nèi)腔122的底部端可以是封閉的，并可具有圓形或扁平形狀或者其他形狀。在接納器108朝向相應的光發(fā)射器110的一側設置有第一窗口 126，以允許從光發(fā) 射器110發(fā)射出的光進入內(nèi)腔122從而進入容納在內(nèi)腔112中的反應容器202。在接納器 108朝向探測器114(當設置有透鏡118時朝向透鏡118)的一側設置有第二窗口 128，以允 許探測器114接收并探測從容納在內(nèi)腔122中的反應容器202發(fā)射出的光。第一窗口 126 和第二窗口 128可具有任意的形狀。例如，它們可以大體上成圓形或矩形。如前所述，不透明主體120可單獨地形成，并且每一個均可具有大體管狀的形狀。 在另外的實施例中，不同接納器108的不透明主體120可被集成到一體的單元中。例如，多 于一個的接納器可被形成在具有多個內(nèi)腔的一體的塊中。在一些實施例中，可取的是減少或防止通過窗口 126接收到的入射激發(fā)光(來自 光發(fā)射器110)通過第二窗口 128向探測器114的傳輸。例如，就像在圖4中描繪的那樣， 光發(fā)射器110、第一窗口 126、第二窗口 128以及探測器114可構造成使得激發(fā)光以例如約 45度的向下的角度被引導到第一窗口 126中，而由探測器114從第二窗口 128接收到的發(fā) 射光則沿大體水平的方向行進。這樣的布置可減少被探測的光中的光干涉和信噪比。
如在圖1至圖3和圖8中所示的那樣，在示出的實施例中，三個細長接納器108彼 此相鄰地定位，并被布置為呈大體平行的關系。每一接納器108均以其開口端面朝上的方 式向上地延伸。在一些應用中，這種布置會是便利的。例如，兩個以上大體平行的反應容器 202可設置在相應的樣品盒中，比如圖1中所示的樣品盒200中，這樣，可將多個反應容器 202方便地同時插入到接納器108的內(nèi)腔122中。在基本相似的條件下可方便地同時進行 和監(jiān)測多個反應容器202中的反應。在使用中，樣品盒200可拆卸地安裝在接納器108(見圖8)中。如在圖1和圖8 中所描繪的那樣，樣品盒200具有多個例如三個透光的反應容器202 (在圖1中只有兩個是 可見的)和連接到反應容器202上用于加工反應流體并將流體輸送到反應容器202或從反 應容器202輸送出的導管204。如所描述的那樣，在本實施例中，樣品盒200具有三個反應容器202，這些反應容 器202分別通過開口端124容納在接納器108的三個內(nèi)腔122中。在其他實施例中，可在樣 品盒中設置更多或更少的反應容器，并且不必將所有的反應容器都容納在接納器108中。 當安裝了樣品盒時，每一接納器108也不是必須容納一個反應容器。在一些實施例中，樣品盒200可被配置成提供綜合的原位樣品處理與加工。為此， 樣品盒200可包括不同的流體腔室、連接通道以及內(nèi)置的射流裝置以用于執(zhí)行在特殊應用 中所需的加工任務。在一個實施例中，樣品盒200可被配置成能夠利用氣壓在樣品盒導管204中的不 同加工腔室之間輸送流體。例如在一個實施例中，樣品盒的導管(未示出)可包括多個氣動端口(pneumatic port) 0每一氣動端口可用密封件密封，并被成形為通過所述密封件連接到氣動導管上。 所述導管還可包括多個腔室，每一腔室用于容納液體并具有第一頂部開口和第一底部開 口。每一頂部開口均與相應的一個氣動端口流體連通。底部開口通過設置在腔室的底部 開口之上的連接導管而彼此流體連通。因此，通過氣動導管向腔室選擇性地施加氣壓能 夠?qū)⒁后w通過連接導管從一個腔室輸送到另一腔室。樣品盒的導管可根據(jù)申請?zhí)枮镻CT/ SG2008/000222的PCT申請的公開內(nèi)容來構造，同時基于本說明書進行修改。樣品盒200可包括任何所需的射流輸送及流量控制特征。便利地，樣品盒200可被配置成能夠加工組織樣品，例如設置有用于組織樣品制 備的組織裂解裝置。因此，當樣品盒安裝在裝置100上時，組織制備、加工以及PCR可在同 一樣品盒中執(zhí)行。樣品盒也可預加載不同的制劑，例如冷凍干燥劑。樣品盒可被設計成能 夠承受寬的溫度范圍，例如從大約4°C到大約裝置100°C，或者承受用于進行特殊化學反應 或用于執(zhí)行加工步驟所需的更高的溫度。反應容器202的壁與樣品盒200在反應容器202周圍的主體可以用透光材料制 成，這樣，光就能夠穿過所述壁傳入到其中所含的反應溶液以及從所述反應溶液穿過所述 壁傳出。透光材料可以是透明或半透明的。透光的反應容器202可以是局部透明或半透明的。例如，可提供窗口以用于穿過 該窗口來傳輸光。就像可理解的那樣，在反應容器202中設置有窗口的情況下，當樣品盒 200安裝在接納器108上時，所述窗口應被定位成與接納器108中的窗口 126和128的位置 分別匹配。
代替在反應容器202周圍設置透光主體，樣品盒200可被配置為使得反應容器202 周圍的空間沒有任何阻光壁，以便允許所需的光傳輸。反應容器202的壁也應是充分導熱的，從而使包含在反應容器中的反應混合物的 溫度能夠充分地響應于接納器108中的溫度變化。便利地，三個接納器108足以同時對包含樣品溶液的容器、包含陽性對照溶液的 容器以及包含陰性對照溶液的容器中的反應進行測量。然而，在不同的實施例中，可根據(jù)特 殊的應用情況以及其他諸如成本及靈活性的考慮而增加或減少接納器108的數(shù)量。熱循環(huán)器106用于交替地加熱或冷卻接納器108，從而依次加熱或冷卻容納在接 納器108的內(nèi)腔122中的反應容器以及包含在所述反應容器中的反應混合物或溶液。在一 些實施例中，熱循環(huán)器106可包括單獨的加熱器(未單獨示出)和單獨的冷卻器(未單獨 示出)。所述加熱器可以是任何合適的加熱器。例如，可采用電加熱器。所述冷卻器可以是 任何合適的冷卻器。例如，可采用風扇作為冷卻器。在一些實施例中，加熱器與冷卻器可集 成在熱循環(huán)器106中。例如，在熱循環(huán)器106中可采用熱電冷卻器/加熱器，或者珀耳帖加 熱泵。應當理解，在不同的實施例中，散熱器104、熱循環(huán)器106和接納器108之間的空間 關系不需要像在附圖中示出的那樣。只要它們處于熱交換關系或彼此之間具有良好的熱接 觸，從而使接納器108的溫度可由熱循環(huán)器106來控制即可。在一些實施例中，有利的是， 散熱器104、熱循環(huán)器106和接納器108被布置成使接納器108的溫度以期望循環(huán)率在選定 溫度范圍內(nèi)有效且經(jīng)濟地循環(huán)。在這一點上，例如在采用熱電冷卻器/加熱器時，圖1(和 圖3)繪出的布置可在接納器108和熱循環(huán)器106之間提供有效且經(jīng)濟的熱交換。每一光發(fā)射器110可包括光源和導光件(未單獨示出)，而且可被配置并定位為朝 接納器108之一傳輸和引導發(fā)射出的激發(fā)光?？瑟毩⑻峁┕庠椿蚴构庠磁c光發(fā)射器110集成。取決于特殊的應用情況，可在光 發(fā)射器110中采用一個或多個光源。例如，可采用不同的光源以發(fā)射出不同光譜的光。每 一光發(fā)射器110可包括發(fā)光二極管(LED)以作為光源。對于不同的應用，可對光源進行調(diào) 整或替換以便提供不同的光強度或光譜或不同的光強度和光譜。在一些實施例中，每一光 發(fā)射器110可包括定位在相應的光源與接納器108之間的濾光器(未在圖1至圖3中單獨 示出，但可參見圖5)，該濾光器用于對從光發(fā)射器發(fā)射出的光進行過濾，以便例如通過阻擋 或吸收具有不需要頻率的光而獲得所需的光譜。例如，可以濾去某些光頻率，從而減少與待 由探測器114探測的發(fā)射光產(chǎn)生干涉。圖5示意性地圖示了在本發(fā)明的一個示例性實施例中的光學元件的相互關系。在 該實施例中，采用了 LED作為光發(fā)射器。從光發(fā)射器中發(fā)射出的激發(fā)光通過激發(fā)濾光器傳 輸?shù)綐悠分?。由樣品發(fā)射出的光通過聚焦透鏡118和探測濾光器116傳輸?shù)絇MT中。如圖6所示，可設置控制器130 (未在圖1至圖3中示出)以控制裝置100的操作。 控制器130可與裝置100集成，例如安裝在基座102上，或者也可單獨地設置。在一個實施 例中，控制器130與熱循環(huán)器106通信以便選擇性地加熱或冷卻接納器108?？刂破?30也 可控制光發(fā)射器110或者它們相應的光發(fā)射器(一個或多個)的操作，以便對由內(nèi)腔122 中的反應容器所接收到的光加以調(diào)節(jié)。控制器130也可與探測器114通信以接收響應于所 探測到的光的信號，并可控制熱循環(huán)器106以便響應于接收到的信號對接納器108選擇性地進行加熱或冷卻?？刂破?30也可進一步與用戶接口裝置132通信，用于接收來自該用戶接口裝置 的用戶輸入以及將輸出傳輸?shù)皆撚脩艚涌谘b置上。例如，用戶輸入可包括操作命令或操作 參數(shù)。輸出可包括在化學反應期間得到的數(shù)據(jù)或結果。例如，探測到的光強度可被顯示在 用戶接口 132上。用戶接口 132可包括例如計算機的任何合適的計算接口裝置。用于用戶 接口的計算機可是可攜式計算裝置，例如掌上電腦(PDA)等?？刂破?30可具有任何合適 的結構或硬件和軟件配置?？刹捎玫湫偷赜糜诳刂苹瘜W反應例如實時PCR的控制器。控制 器130也可包括通用或?qū)Ｓ玫奈⑻幚砥?。一些控制功能既可設置在控制器130中，或者也 可設置在其他元件中。例如，可在控制器130中設置某些溫度控制功能，或者也可在熱循環(huán) 器106中設置某些溫度控制功能，或者也可由與控制器130和熱循環(huán)器106 二者均通信的 諸如獨立式熱控制器的附加獨立控制單元來提供某些溫度控制功能。一些控制功能既可由 諸如電路的硬件提供，或者也可由諸如專用或通用控制程序的軟件提供。在一些實施例中，控制器130可包括中央處理單元(CPU)或者具有CPU的計算機。 控制器130可有線或無線地連接以與不同的元件例如熱循環(huán)器106和探測器114以及其他 外部設備(未示出)通信。就像本領域技術人員能夠理解的那樣，也可包括其他用于控制器或計算機的外圍 設備，例如用于輸入/輸出、通信、聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)/信號轉換/傳輸、信號放大/濾波的外圍設 備。為簡化的目的，裝置100的一些元件和特性并未描繪在圖1至圖6中。本領域內(nèi) 的技術人員能夠想到且能夠理解的是，為執(zhí)行某些功能還可以增加另外的元件和特性。例 如，應當設置并連接內(nèi)置或外部電源，以便在使用過程中為適當?shù)牟僮魈峁┧璧碾娏?。?同的元件可利用螺栓、銷釘和螺母、粘合劑或其他緊固件固定在一起?？刹捎秒娋€將不同的 電氣元件電連接在一起?？稍O置傳感器以用于測量溫度?？稍O置殼體以用于包封裝置的一 部分或全部。在使用中，通過將反應容器202插入到接納器108的相應內(nèi)腔122中而把樣品盒 200安裝在接納器108上。就像能夠理解那樣，在一些實施例和應用中，每一內(nèi)腔122均容 納反應容器202是不必要的。可將一個或多個諸如獨立試管的獨立反應容器(未示出)插 入到一個或多個內(nèi)腔122中。此外，在特殊的應用情況中，內(nèi)腔122可以不容納反應容器。每一反應容器202可包含選定的反應混合物。例如，對于三個接納器108，可采用 三個反應容器202，這些反應容器可分別包含樣品溶液、陽性對照溶液與陰性對照溶液。反 應混合物可包括用于核酸擴增反應例如PCR的反應混合物。核酸可以是核糖核酸(RNA)或 者脫氧核糖核酸(DNA)。例如，樣品混合物可包括禽列性感冒病毒RNA。通過控制熱循環(huán)器106的操作以便選擇性地加熱或冷卻接納器108，從而根據(jù)預 先選定的用于進行所需化學反應例如PCR的操作規(guī)程(protocol)對反應容器202和其中 所含的溶液進行加熱/冷卻。根據(jù)在任何給定時間處它們之間的溫度差，接納器108依次對 反應容器202和其中所含的反應混合物進行加熱或冷卻。可由控制器130提供對熱循環(huán)器 106的控制。熱循環(huán)器106的熱循環(huán)使得接納器108的溫度發(fā)生改變，接納器108由于它們 良好的導熱性能夠根據(jù)其與反應容器之間的溫度差而有效地將熱量傳遞給所述反應容器， 或者將熱量從所述反應容器傳出。本領域內(nèi)的技術人員很容易就可確定所需的溫度循環(huán)剖面圖。為更加精確地進行溫度控制，可提供例如熱電偶的一個或多個溫度傳感器(未示 出)，所述溫度傳感器比如嵌入到接納器108中，用于測量接納器108中實際溫度。溫度傳 感器也可放置在其它地方，例如放置在樣品盒200中。溫度傳感器可連接到熱循環(huán)器106 或控制器130上，以便提供用于溫度控制的反饋。當反應容器202處于受控的溫度時，具有選定光譜和強度的激發(fā)光可以從相應的 光發(fā)射器110通過相應的窗口 126順序傳輸?shù)矫總€反應容器202。例如，藍色LED可用于提 供用于激發(fā)光的光源。LED的頻率可根據(jù)特殊的應用情況與所需的激發(fā)光的頻率來選擇。 取決于應用情況，用于不同反應容器的激發(fā)光的光譜可以不同或者相同。LED可被順序激活 以發(fā)射出脈沖光。例如，每一光脈沖可具有大約0. 3秒的脈沖長度。就像能夠理解的那樣，光發(fā)射器110可被配置用于將相應的激發(fā)光引導向相應的 第一窗口 126，以減少不同光發(fā)射器100之間的干涉或者減少來自背景光的干涉。對于后一 目的，光發(fā)射器110可延伸以靠近相應的窗口 126。此外，如有需要，可方便地將濾光器安裝 到光發(fā)射器110中以便提高性能。當反應溶液中發(fā)生某些化學反應時，反應產(chǎn)品會是螢光性的，并在它們被從光發(fā) 射器110接收到的激發(fā)光激發(fā)時能夠發(fā)射出一定頻率的光。由溶液發(fā)射出的光可以具有與 入射光的光譜不同的光譜。由溶液發(fā)射出的光被傳輸穿過窗口 128，并由探測器114探測。 通過探測選定頻率的光的強度，就可確定在反應容器中是否存在某些的目標物質(zhì)。在這一 點上，透鏡118能夠有助于將從窗口 128發(fā)出的光引導并聚焦向探測器114，因此增加探測 靈敏度；并且濾光器116能夠減小背景或噪聲的強度，因而提高了信噪比/信背比。為將來自不同反應容器202的信號區(qū)分開來，可以順序地照射不同的反應容器 202，一次照射一個。對于每一反應容器202的照射時間可以相當?shù)囟?，例如大約0. 3秒，以 便能夠加快循環(huán)時間。但是，照射時間可以充分地長以便獲得可探測信號。控制器130可 以用于控制各個光發(fā)射器110的激活，并將探測到的光信號與相應的反應容器202 (因而與 其中的反應混合物)關聯(lián)起來。就像能夠理解的那樣，在一些應用中，通過探測并監(jiān)測來自熒光試劑的熒光發(fā)射 是否已經(jīng)減少，也能夠確定特定的反應是否已經(jīng)發(fā)生。這樣的減少可指示，在混合物中的試 劑量由于特定的化學反應而減少了。探測到的信號可由控制器130加以分析，或者輸出到用于分析的另一數(shù)據(jù)分析設 備(未示出)。探測到的信號與結果也可顯示在用戶接口 132上。來自探測器114的探測 信號也可利用本領域內(nèi)技術人員所知曉的其他信號處理技術加以放大或預處理。就像能夠理解的那樣，能夠方便地實現(xiàn)對反應容器中的化學反應進行實時控制和 監(jiān)測。對于給定的應用情況，控制器130可設置有特殊的軟件成分，以便執(zhí)行命令及功 能，例如控制系統(tǒng)的起動、檢查任何特定硬件是否在適當?shù)仄鹱饔?、控制用于PCR操作的熱 循環(huán)或者對原位多元熒光信號進行光學探測。例如，裝置可被編程以便在PCR過程的熱循環(huán)期間，對每一退火循環(huán)結束時的光 信號進行探測。便利地，信號探測器可用于探測來自不同反應容器202的發(fā)射光，反應容器202接收來自不同光發(fā)射器110 (或LED)的激發(fā)光?？衫脗鹘y(tǒng)的信號處理計算機程序例如Labview 程序放大或處理來自探測器 114的探測信號。計算機程序可包括用于對所收集到的數(shù)據(jù)求平均值的功能。例如，探測到 的光信號可被轉換成隨時間變化的電壓信號。在對反應容器的每次探測期間(例如在0.3 秒內(nèi))，能夠根據(jù)采樣率收集許多例如數(shù)以千計的數(shù)據(jù)點。計算機程序可提供定時觸發(fā)器以 執(zhí)行求平均值的功能，以便在每一探測期間(0.3秒)內(nèi)計算出平均信號強度。觸發(fā)點可與 用來接通相應LED的觸發(fā)器同步。每一特殊探測期間的平均值可被用作該特殊期間的數(shù)據(jù) 值。因此，可以相對用于每個樣品的循環(huán)數(shù)對信號強度進行繪圖。然后，平均數(shù)據(jù)可通過用 戶接口例如PDA(掌上電腦)顯示并連續(xù)更新。為執(zhí)行PCR例如RT-PCR，反應容器或腔室可預先裝載有PCR混合物例如RT-PCR混 合物。PCR混合物可包括凍干形式的引物和探針。光發(fā)射器110可用于發(fā)射出激發(fā)光以便 從目標產(chǎn)物激發(fā)出熒光發(fā)射，而探測器114可用于探測由反應溶液在原位發(fā)射出的多元熒 光信號。利用例如計算機或控制器230，熒光信號可以與RNA或DNA樣品的初始量在數(shù)量上 相關。數(shù)據(jù)可以被自動獲得、處理并顯示在用戶接口 232上。便利地，接納器具有簡單的結構，而且制作相對不貴，并能夠用于容納不同的反應 容器，這些不同的反應容器包括特別設計的反應樣品盒以及標準反應容器例如標準試管。 在一些實施例中，裝置100可被配置用于特殊應用，從而使所述裝置在使用時不會有運動 或旋轉部分。這能夠提供增加的可靠性與相對簡單的操作。本發(fā)明的另一實施例涉及用于進行和監(jiān)測化學反應的系統(tǒng)，如圖6所示，該系統(tǒng) 包括裝置100與連接到裝置100上的樣品盒，例如樣品盒200。所述樣品盒具有反應容器， 例如反應容器202，反應容器分別同時被容納在至少兩個接納器108的內(nèi)腔122中。至少一 個反應容器包含反應混合物。反應容器具有透明壁或用于使光傳輸通過的窗口。所述系統(tǒng) 也可包括用戶接口，例如與裝置100通信以便從裝置100接收輸出并基于該接收到的輸出 顯示信息的顯示單元。裝置100的輸出可以反映由探測器114探測到的光信號。所述系統(tǒng) 可包括計算機或微處理器(未示出)以用于控制其操作并進行所述系統(tǒng)的內(nèi)部通信以及系 統(tǒng)與外部設備的通信?？梢詫ρb置100作出修改。例如，接納器108不必直接安裝在熱循環(huán)器106的頂 部并與熱循環(huán)器106保持直接接觸。在一些實施例中，接納器108以允許其與熱循環(huán)器106 之間(例如通過導熱媒介)進行熱傳遞的方式安裝在熱循環(huán)器106上就足夠。接納器108的形狀和相對尺寸可根據(jù)特殊的應用情況和樣品盒200的結構加以改變。代替設置在對置側上，窗口 126和窗口 128可設置在相鄰或者相同側。每一窗口 126或每一窗口 128可以是完全敞開的，或者可具有透明板，例如玻璃屏。亦可對基座102作出修改。例如，裝置100的不同組件可安裝在用作基座的框架 上。在另一例子中，基座可包括能夠調(diào)節(jié)的支架(未示出)以用于支撐諸如透鏡、濾光器或 探測器等部件。相鄰的接納器108之間的距離也可進行調(diào)節(jié)，從而允許使用不同的樣品盒?？稍O 置用于內(nèi)腔108的插入件(未示出)，從而允許使用具有不同橫截面尺寸或形狀的不同反應容器。
接納器108的不透明主體120可具有不同的壁厚。接納器108的外部形狀可以改 變。就像上面討論的那樣，在一些實施例中，可在由導熱材料制成的一體塊(未示出)中設 置多個內(nèi)腔122以用于容納多個反應容器。所述塊可具有任意通常的形狀。例如，其可具 有大體呈矩形的形狀。在一些實施例中，接納器108可被包封在封閉的環(huán)境中，例如為了減少不期望的 環(huán)境條件變化或波動或者減少污染的風險。在一些實施例中，樣品盒200也可由三個部分形成頂部、中間部以及底部。所述 三個部分可以是獨立的部分，而且所述中間部可以夾在頂部與底部之間。所述頂部可被成 形為具有螺栓孔的平板?？蛇x地，頂部可由薄膜或薄片形成，例如由具有粘附面的塑料帶形 成。例如，帶的所述粘附面可在其表面上具有橡膠層。所述底部可以大體呈平板形狀，但是 其設置有螺栓孔、用脆密封件密封的氣動端口以及流體導管或流體通道。密封件可由粘附 帶形成。氣動端口可采用所述粘附帶來密封?？蛇x地，底部也可由平板形成，所述平板例如 為具有朝向中間部的粘附面的塑料板。每一氣動端口可被成形為通過密封件連接到一氣 動導管例如針(needle)。中間部可限定許多腔室。每一腔室可具有頂部開口與底部開口。 每一頂部開口均可與一氣動導管或氣動通道相連接，所述氣動導管或氣動通道起初橫向延 伸，接著向下延伸到所述底部中的相應氣動端口，從而使相應的腔室與相應的氣動端口連
ο每一底部開口均可與液體導管或液體通道相連接，所述液體導管或液體通道起初 橫向延伸，接著向上朝著一頂部連接導管延伸，所述頂部連接導管沿著所述中間部的頂部 表面延伸。所述底部開口可通過在所述底部中的導管或通道連接到一貯池(well)中。所 述貯池可與向上延伸到所述連接導管的導管或通道相連接。因此，所述腔室各自通過其頂 部開口而與相應的氣動端口流體連通，并通過它們的底部開口以及所述連接導管彼此流體 連通。當所述三個部分諸如用螺栓和螺母或者以粘附帶或熱熔焊接固定到一起時，所述 通道即被緊緊地密封住，且形成封閉的流體導管，以允許所述腔室之間以及相應的氣動端 口對與腔室之間的流體連通。其中一個腔室可被用作基因提取室，所述基因提取室不必直 接連接到氣動端口上。樣品盒200中的腔室可具有大體細長的柱形形狀并具有傾斜的底部，而且可以在 所述頂部與底部之間垂直地延伸。在不同實施例中，腔室418可具有不同的橫截面形狀，而 且可以更長或更短。樣品盒200可利用任意合適的材料形成。例如，每一部分均可由諸如聚碳酸脂、聚 甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等聚合材料形成。就像本領域內(nèi)的技術人員能夠理解的那樣，樣品 盒主體可采用傳統(tǒng)的加工技術形成，例如顯微注射成型和計算機數(shù)控加工，或者采用塑料 注射成型。在期望或需要時，可對反應容器202和導管204的內(nèi)部表面進行清潔或除菌處理。 在一些情況下，可對所述內(nèi)部表面覆蓋另一材料以改變表面特性。樣品盒200和反應容器202以及導管204的尺寸或大小可根據(jù)應用情況而改變。 對于生物應用，樣品數(shù)量典型地較小，因而反應容器202和導管204可具有微米級的尺寸。 當尺寸太大時，可能難以采用氣壓來輸送少量的流體。另一方面，尺寸應當足夠地大，以允許流體在氣壓下能夠有足夠的傳輸率，并允許產(chǎn)生用于探測的足夠的光信號。在一些實施 例中，流體導管204可具有大約0. 2mm到大約Imm范圍內(nèi)的尺寸。反應容器和流體腔室應 當具有足夠的容積以用于執(zhí)行特殊的所需反應、加工或者處理。導管或腔室可具有數(shù)量級 為1微升到100毫升的容積。在樣品盒200中可設置不同的導管或腔室以分別用于裝載樣品、溶菌緩沖劑、調(diào) 節(jié)劑、清洗緩沖劑以及洗提緩沖劑?；蛱崛∑骺纱娣旁谄渲幸粋€導管中。所述基因提取 器可包括磁基提取器(magnetic-based extractor)，硅薄膜、硅珠或其他能夠依附在具有 高鐵濃度的流體中的基因上的材料。基因可包括脫氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)或者 信使RNA(mRNA)。可基于待提取的特殊基因?qū)蛱崛∑鬟M行選擇。一些導管或腔室可分 別用于存儲反應產(chǎn)物、提取的基因以及反應所產(chǎn)生的廢物。DNA或RNA降解試劑也可被預先 裝載在一個或多個腔室中。在一些情況下，可能需要對基因結合條件進行調(diào)節(jié)。裝載在腔室中的緩沖劑基于 目標基因結合條件可包括用于基因結合的緩沖劑(例如純的或70%的乙醇)?？衫脧臉悠泛兄械牧硪磺皇逸斔偷慕?jīng)預處理的樣品流體在樣品盒200中執(zhí)行 基因提取?？刹捎么鎯υ跇悠泛兄械那逑淳彌_劑來執(zhí)行基因凈化?？刹捎靡环N清洗緩沖劑 或不同的清洗緩沖劑在多個步驟中對基因進行清洗。如果采用多種清洗緩沖劑，可分配兩 個或多個腔室存儲清洗緩沖劑。廢物可與樣品盒一起處置，或者，在樣品盒需要被循環(huán)利用 的情況下可將廢物隨后排出。基因洗提也可在樣品盒中執(zhí)行。洗提緩沖劑可用于釋放依附 在基因提取器上的基因并將基因攜帶至另一導管或腔室中?？墒占繕嘶蛞员阍跇悠泛?200中執(zhí)行進一步的反應。被提取的基因或其他反應產(chǎn)物可被輸送到反應容器202中以用 于擴增或探測。上面討論的修改僅為說明之目的且并不詳盡。其他的修改也是可能的。實例在0. 2ml的PCR管中通過混合下列物質(zhì)制備PCR混合液15 μ 1 Taqman 快速 PCR混合試劑盒[Fast Universal PCR Master Mix] (#435 2042，美國應用生物系統(tǒng)公司 [Applied Biosystem, Inc. ]) ；15 μ 1 Taqman Assays-by-Design (美國應用生物系統(tǒng)公 司)，其包含為綠色熒光蛋白(GFP)基因而編碼的引物和探針；10. 5μ1去離子(DI)水；以 及3 μ 1 cDNA,該cDNA是采用Taqman的逆轉錄(RT)試劑(謝808_0234，美國應用生物系統(tǒng) 公司)以隨機的六聚物的引物，從轉基因GFAP-GFP老鼠的腦組織的全部RNA轉化而來的。 擴增子的長度為82個堿基對。接著，25μ 1的PCR混合液被輸送到聚碳酸脂PCR腔室中，接著加入15μ 1的PCR 油以防止蒸發(fā)。所述PCR腔室被安裝在如圖1至圖3所示的裝置的樣機的接納器中。三個PCR腔 室同時被安裝在三個平行的接納器中，所述接納器分別包含樣品、陽性對照溶液與陰性對 照溶液。通過控制熱循環(huán)器執(zhí)行PCR，以獲得PCR腔室中的如下溫度剖面圖95°C 20秒(聚 合酶激活)，40次擴增循環(huán)(在95°C時變性3秒，在60°C時退火并延伸30秒)。由于DNA復制而出現(xiàn)的熒光被裝置上的探測器實時探測到并被記錄為循環(huán)數(shù)的 函數(shù)。探測到的熒光的強度顯示在圖7中作為時間函數(shù)。圖7中所示的三個數(shù)據(jù)集是相同的樣品在樣品量不同的情況下(15、20或25ul)獲得的。結果顯示，在樣品量改變的情況下， 探測到的信號沒有顯著變化。一些PCR產(chǎn)物被分離出來，并被顯現(xiàn)在以溴化二氨乙苯啡啶 著色的2%的瓊脂膠中。觀察到存在82個堿基對的可分辨帶，這驗證了實時探測結果。測試結果證實，裝置100能夠用于使基于PCR的DNA測試自動化，并能夠適應于執(zhí) 行用于進行和監(jiān)測PCR所需的所有步。利用裝置100，能夠同時進行測試和陽性對照及陰性 對照。因此可獲得更為精確的測試結果。本發(fā)明的實施例可被方便地集成到樣品制備單元中，或者適于與所述樣品制備單 元連接在一起，所述樣品制備單元可以是例如采用氣壓在內(nèi)部流體腔室中輸送流體的樣品 盒。例如，樣品盒可根據(jù)2008年6月23日提交的申請?zhí)枮镻CT/SG2008/000222、題目為 "Fluid Processing and Transfer UsingInter-Connected Multi-Chamber Device，，的PCT 申請來制作，該申請的全部內(nèi)容通過引用合并于此。本發(fā)明的示例性實施例可被用于各種領域和應用情況中。例如，它們可以應用在 診所和看護點的疾病診斷系統(tǒng)中。它們也可以為急救隊所用，可用在機場或郵局，或者其他 的為了防止傳染性疾病的傳播而需要進行即時探測或測試的地方。本領域的技術人員可從此說明書和附圖中理此處所描述的其他未特別提及的實 施例的特性、優(yōu)點和有利之處。當然，上述實施例僅旨在進行說明而絕非限制。上述實施例容許在形式上、部件布 局上、操作細節(jié)以及順序上作出許多修改。當然，本發(fā)明旨在包括在如權利要求所限定其范 圍內(nèi)的所有這種修改。
權利要求
一種用于進行和監(jiān)測化學反應的裝置，包括基座；熱循環(huán)器，其安裝在所述基座上；多個導熱的接納器，其安裝在所述熱循環(huán)器上并與所述熱循環(huán)器進行熱傳遞，每一所述接納器均包括限定具有開口端的內(nèi)腔的不透明主體、第一窗口以及第二窗口；樣品盒，其可拆卸地安裝在所述接納器上，所述樣品盒包括多個透光的反應容器，并包括連接到所述反應容器上用于加工和輸送流體的導管，所述反應容器分別通過所述內(nèi)腔的開口端而被容納在所述接納器的內(nèi)腔中；光發(fā)射器，其安裝在所述基座上，用于通過所述反應容器的第一窗口照射所述反應容器；以及光探測器，其安裝在所述基座上，用于選擇性地接收與探測從所述反應容器通過所述接納器的第二窗口發(fā)射出來的光。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中，所述光探測器包括單個的光電倍增管(PMT)。
3.根據(jù)權利要求2所述的裝置，包括安裝在所述基座上以用于將從所述反應容器發(fā)射 出來的所述光聚焦到所述PMT上的透鏡。
4.根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的裝置，包括多個光發(fā)射器，每一光發(fā)射器均被定 位為用于將從所述光發(fā)射器發(fā)射出來的光引向相應的一個所述第一窗口。
5.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的裝置，其中，所述光發(fā)射器包括多個光發(fā)射器， 每一光發(fā)射器均被定位為照射相應的一個所述反應容器。
6.根據(jù)權利要求1至5中任一項所述的裝置，其中，所述反應容器各自均具有基本呈柱 形的形狀。
7.根據(jù)權利要求1至6中任一項所述的裝置，其中，所述接納器的所述內(nèi)腔基本呈柱形。
8.根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的裝置，其中，每一所述接納器的所述第一窗口和 所述第二窗口被配置為減少從所述第二窗口接收到的光通過所述第一窗口向所述光探測 器的傳輸。
9.根據(jù)權利要求1至8中任一項所述的裝置，其中，所述多個接納器包括三個接納器。
10.根據(jù)權利要求1至9中任一項所述的裝置，其中，所述光發(fā)射器包括發(fā)光二極管。
11.根據(jù)權利要求1至10中任一項所述的裝置，其中，所述熱循環(huán)器包括冷卻器和加熱ο
12.根據(jù)權利要求11所述的裝置，其中，所述冷卻器是熱電冷卻器。
13.根據(jù)權利要求11或12所述的裝置，其中，所述加熱器是電加熱器。
14.根據(jù)權利要求11至13中任一項所述的裝置，其中，所述冷卻器和加熱器集成為一體。
15.根據(jù)權利要求1至14中任一項所述的裝置，包括安裝在所述基座上的散熱器，所述 熱循環(huán)器安裝在所述散熱器上。
16.根據(jù)權利要求1至15中任一項所述的裝置，包括與所述熱循環(huán)器通信以用于控制 所述熱循環(huán)器的控制器。
17.根據(jù)權利要求16所述的裝置，其中，所述控制器與所述光探測器通信以響應于由所述光探測器對光的探測而接收信號。
18.根據(jù)權利要求17所述的裝置，其中，所述控制器控制所述熱循環(huán)器以響應于接收 所述信號而選擇性地對所述反應容器進行加熱或冷卻。
19.根據(jù)權利要求1至18中任一項所述的裝置，包括多個濾光器，每一所述濾光器均定 位在所述光發(fā)射器與相應的一個所述接納器之間。
20.根據(jù)權利要求1至19中任一項所述的裝置，包括定位在所述接納器與所述光探測 器之間的濾光器。
21.根據(jù)權利要求1至20中任一項所述的裝置，其中，所述接納器由銅或黃銅制成。
22.根據(jù)權利要求1至21中任一項所述的裝置，其中，所述樣品盒的所述導管包括被配 置用于制備與處理待反應或待探測的樣品的導管以及用于將所述樣品輸送到一個或多個 所述反應容器中的導管。
23.根據(jù)權利要求1至22中任一項所述的裝置，其中，所述樣品盒的至少一個所述反應 容器包含反應混合物。
24.根據(jù)權利要求23所述的裝置，其中，所述反應混合物是核酸擴增反應混合物。
25.根據(jù)權利要求23所述的裝置，其中，所述反應混合物是聚合酶鏈反應混合物。
26.—種包括如權利要求1至25中任一項所述的裝置和與所述裝置通信的用戶接口的 系統(tǒng)，其中，所述裝置產(chǎn)生輸出，而所述用戶接口接收所述輸出并基于所述輸出顯示信息。
27.根據(jù)權利要求26所述的系統(tǒng)，其中，所述輸出包括反映由所述探測器探測到的光 信號的輸出。
28.一種操作如權利要求1至25中任一項所述的裝置的方法，該方法包括 在所述樣品盒中制備多種反應混合物；將每一所述反應混合物置于所述反應容器中的選定的反應容器之一中； 控制所述熱循環(huán)器以選擇性地加熱或冷卻所述選定的反應容器，因而加熱或冷卻在所 述選定的反應容器中的所述反應混合物；利用所述光發(fā)射器相繼地照射不同反應容器中的所述反應混合物；以及 利用所述光探測器探測從所述反應混合物發(fā)射出來的光。
29.根據(jù)權利要求28所述的方法，其中，所述控制包括響應于從所述反應混合物發(fā)射 出來的所述光的探測來控制所述熱循環(huán)器。
30.根據(jù)權利要求28或29所述的方法，包括將響應于所述探測的結果的輸出顯示給用戶。
全文摘要
一種用于進行和監(jiān)測化學反應的裝置，其包括基座和安裝在所述基座上的熱循環(huán)器。多個導熱的接納器安裝在所述熱循環(huán)器上并與其進行熱傳遞。每一接納器均包括限定了具有開口端的內(nèi)腔的不透明主體、第一窗口以及第二窗口。樣品盒可拆卸地安裝在所述接納器上。所述樣品盒包括多個透光的反應容器以及連接到所述反應容器上用于加工和輸送流體的導管。所述反應容器通過所述內(nèi)腔的開口端而被容納在所述接納器的內(nèi)腔中。光發(fā)射器安裝在所述基座上，用于通過所述反應容器的第一窗口照射所述反應容器。光探測器安裝在所述基座上，用于選擇性地接收與探測從所述反應容器通過所述接納器的第二窗口發(fā)射出來的光。
文檔編號G01N35/00GK101932927SQ200880125925
公開日2010年12月29日 申請日期2008年11月6日 優(yōu)先權日2007年12月6日
發(fā)明者張春燕, 杰里米·明·霍克·羅, 謝曾明, 雅姬·Y·邢 申請人:新加坡科技研究局