Система для проведения анализов текучих сред
Изобретение относится к области средств клинической диагностики, а именно устройству и способу для исследований текучих сред. Устройство для исследований текучих сред содержит корпус со сквозным отверстием, микрофлюидный канал, камеры, которые расположены последовательно по потоку канала и выровнены параллельно друг другу, и закрытую камеру, расположенную на другом терминальном конце канала. Микрофлюидный канал имеет только одно отверстие для введения и извлечения текучей среды. Способ включает перемещение жидкости от отверстия в первом направлении, противоположном действию силы тяжести, до достижения первой камеры, ресуспендирование реагентов в жидкость для образования целевой жидкости, перемещение этой жидкости по каналу во втором направлении, противоположном первому, до достижения второй камеры, вступление в реакцию ресуспендированных реагентов в целевой жидкости с реагентами внутри второй камеры, выведение целевой жидкости из микрофлюидного канала через единственное отверстие микрофлюидного канала. Канал может иметь разветвление на множество каналов, каждый из которых соединен с соответствующими первой и второй камерами. Обеспечена возможность получения количественных показателей исследований путем проведения мультиплексных анализов и серий исследований для объединения достаточного количества данных с целью получения достоверных заключений. 3 н. и 21 з.п. ф-лы, 8 ил.
[001] Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к области средств клинической диагностики.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[002] С учетом сложности автоматизации молекулярного исследования и методов иммуноанализа не хватает продуктов, обеспечивающих надлежащие эксплуатационные характеристики и допускающих применение с клинической точки зрения в условиях проведения исследования по месту лечения. В рамках обычного молекулярного исследования выполняют различные процессы, включающие точное дозирование реагентов, введение образцов, лизис клеток для извлечения ДНК или РНК, этапы очищения и амплификацию для ее последующего обнаружения. Даже несмотря на наличие роботизированных платформ в центральных лабораториях, занимающихся автоматизацией некоторых из этих процессов, в отношении множества исследований, подразумевающих короткое время цикла, центральная лаборатория не может обеспечить получение результатов, удовлетворяющих требованиям по времени.
[003] Однако применение систем, обеспечивающих в клинических условиях точные и достоверные результаты при приемлемых затратах, является затруднительным. С учетом сложности различных методов молекулярных исследований в результаты могут закрадываться ошибки в случае недостаточно жесткого контроля параметров исследования или неидеальных условий окружающей среды.
[004] Тот факт, что методы молекулярных исследований характеризуются высочайшими уровнями чувствительности при концентрациях ниже, чем в известных применяемых стандартных методах, довольно сильно усложняет получение соответствующих с клинической точки зрения заключений при отсутствии ошибочных указаний с ложноположительными результатами. Для устранения этой проблемы, особенно в отношении обнаружения болезнетворных микроорганизмов, должна быть обеспечена возможность получения количественных показателей исследований. Таким образом, растет актуальность проведения мультиплексных анализов и серий исследований для объединения достаточного количества данных с целью получения достоверных заключений. Несмотря на то, что такие методы, как микроматричные иммуноанализы, обеспечивают очень высокую степень мультиплексности, их основным ограничением является низкая скорость получения результатов, что зачастую приводит к отсутствию положительного воздействия на ведение пациента.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[005] Предложены система для исследований текучих сред и способ применения. Одновременный контроль текучих сред каждого места проведения исследований может уменьшить время исследования и повысить вероятность получения повторяемых результатов в различных местах проведения исследований.
[006] В соответствии с вариантом осуществления система для исследований текучих сред содержит микрофлюидный канал, первую камеру и вторую камеру. Микрофлюидный канал имеет только одно отверстие для введения и/или извлечения текучей среды через микрофлюидный канал. Первая камера расположена на терминальном конце микрофлюидного канала. Вторая камера соединена с флюидным каналом и выровнена так, что каждое отверстие второй камеры выполнено с возможностью выравнивания по существу параллельно вектору силы тяжести во время работы.
[007] Описан пример способа. Способ включает перемещение жидкости через единственное отверстие микрофлюидного канала, пока она не достигнет одного или более реагентов, хранящихся в первой камере, соединенной с микрофлюидным каналом. Далее, способ включает ресуспендирование по меньшей мере части одного или более реагентов в жидкости для образования целевой жидкости. Целевую жидкость затем перемещают через микрофлюидный канал и выводят из первой камеры. Способ, далее, включает перемещение целевой жидкости в обратном и прямом направлениях внутри микрофлюидного канала так, что целевая жидкость протекает через вторую камеру, соединенную с микрофлюидным каналом. Способ включает вступление в реакцию по меньшей мере части указанных одного или более ресуспендированных реагентов в целевой жидкости с одним или более реагентами внутри второй камеры и выпускание целевой жидкости из микрофлюидного канала через указанное единственное отверстие микрофлюидного канала.
[008] В соответствии с вариантом осуществления система для исследований текучих сред содержит микрофлюидный канал, множество камер и камеру, расположенную на терминальном конце микрофлюидного канала. Микрофлюидный канал имеет только одно отверстие для введения и/или извлечения текучей среды через микрофлюидный канал. Каждая из множества камер соединена с микрофлюидным каналом с последовательным расположением так, что каждая из множества камер по своей длине выровнена по существу параллельно вектору силы тяжести.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[009] Прилагаемые чертежи, включенные в настоящую заявку и являющиеся частью описания, иллюстрируют варианты осуществления настоящего изобретения и, кроме того, вместе с описанием служат для объяснения принципов изобретения и обеспечения возможности изготовления и применения изобретения специалистом в данной области техники.
[0010] На ФИГ. 1А приведено графическое представление системы картриджа для исследований в соответствии с одним вариантом осуществления.
[ООН] На ФИГ. 1В представлен другой вид системы картриджа для исследований в соответствии с одним вариантом осуществления.
[0012] На ФИГ. 2 проиллюстрировано устройство для исследований текучих сред в соответствии с вариантом осуществления.
[0013] На ФИГ. 3 проиллюстрировано множество устройств для исследований текучих сред в соответствии с вариантом осуществления.
[0014] На ФИГ. 4А, 4В представлены виды устройства для исследований текучих сред в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
[0015] На ФИГ. 5 проиллюстрирована еще одно устройство для исследований текучих сред в соответствии с вариантом осуществления.
[0016] На ФИГ. 6 проиллюстрирован пример способа исследования текучих сред в соответствии с вариантом осуществления.
[0017] Варианты осуществления настоящего изобретения описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0018] Хотя описаны конкретные конфигурации и расположения, следует понимать, что это сделано только в качестве иллюстрации. Специалисту в данной области техники будет понятно, что можно использовать другие конфигурации и расположения без отклонения от сути и объема настоящего изобретения. Специалисту в данной области техники будет ясно, что возможно множество иных вариантов применения изобретения.
[0019] Следует отметить, что в настоящем описании выражения «один вариант осуществления», «вариант осуществления», «пример варианта осуществления» и т.п. указывают на то, что описываемый вариант осуществления может содержать конкретный признак, конкретное приспособление или конкретную характеристику, однако необязательно, что каждый вариант осуществления содержит эти конкретный признак, конкретное приспособление или конкретную характеристику. Более того, такие выражения необязательно относятся к одному и тому же варианту осуществления. Кроме того, когда конкретный признак, конкретное приспособление или конкретная характеристика описаны в связи с одним вариантом осуществления, специалисту в данной области техники известно, как использовать такой признак, такое приспособление или такую характеристику в связи с другими вариантами осуществления, независимо от наличия или отсутствия их явного описания.
[0020] Некоторые варианты осуществления, описанные в настоящем документе, относятся к микрофлюидному устройству, встроенному внутрь системы картриджа для исследований, для выполнения множества молекулярных исследований, таких как иммуноанализы, ПЦР, гибридизации ДНК и т.п. В соответствии с вариантом осуществления в картридже для исследований объединены все компоненты, необходимые для выполнения таких исследований в единой одноразовой упаковке. Картридж для исследований может быть выполнен с возможностью его анализа внешней измерительной системой, обеспечивающей данные, связанные с реакциями, происходящими внутри картриджа для исследований. В соответствии с вариантом осуществления картридж для исследований содержит множество камер для исследований с прозрачным окном для выполнения оптического слежения за каждой камерой для исследований.
[0021] В одном примере для проведения комплекса иммуноанализов с отдельно взятым образцом можно использовать один картридж для исследований. Картридж для исследований содержит все необходимые буферы, реагенты и метки, находящиеся в герметичных камерах, встроенных в картридж, для проведения иммуноанализов.
[0022] Одним из основных ограничений средств молекулярной диагностики является проблема, связанная с загрязнением, таким как перекрестное загрязнение, загрязнение при переносе и т.п. Варианты осуществления, описанные в настоящем документе, позволяют благодаря их конструкции по существу устранить передачу загрязнения от образцов инструменту.
[0023] В соответствии с вариантом осуществления картридж для исследований содержит изолированную жидкость или сухие реагенты, запечатанные во время процесса изготовления. Реагенты и вводимый образец не вступают в контакт с окружающей средой или с какой-либо частью инструмента. Эта особенность картриджа для исследований также важна для множества лабораторий и больниц для безопасной утилизации продуктов после применения.
[0024] Для выполнения комплекса исследований картридж для исследований содержит множество камер для исследований, а также множество флюидных каналов. Флюидные каналы могут быть выполнены с возможностью соединения различных камер для исследований между собой и передачи жидкости в другие участки картриджа для исследований. Флюидные каналы могут быть выполнены с возможностью упрощения проведения иммуноанализов внутри соединенных камер, расположенных вдоль флюидных каналов.
[0025] Некоторые подробности, относящиеся к компонентам системы картриджа для исследований, описаны в настоящем документе со ссылками на фигуры. Следует понимать, что иллюстрации каждого физического компонента не подразумевают ограничений, и специалисту в соответствующей(-их) области(-ях) техники на основе описания, приведенного в настоящем документе, будет понятно, как модифицировать или иным образом изменить какие-либо компоненты без отклонения от объема и сути изобретения. Прочие подробные объяснения касательно системы картриджа для исследований можно найти в одновременно находящейся на рассмотрении заявке на выдачу патента США №13/836845, полное содержание которой включено в настоящую заявку посредством ссылки.
[0026] На ФИГ. 1А проиллюстрирован пример системы 100 картриджа для исследований в соответствии с вариантом осуществления. Система 100 картриджа для исследований содержит корпус 102 картриджа, в котором может быть размещено множество камер, каналов и резервуаров для текучей среды. Образцы можно вводить в корпус 102 картриджа через отверстие 104 для образцов в соответствии с вариантом осуществления. В одном примере отверстие 104 для образцов выполнено с возможностью приема твердых, полутвердых или жидких образцов. Отверстие 104 для образцов также может быть выполнено с возможностью приема иглы шприца для впрыскивания образца в камеру или канал для текучей среды внутри корпуса 102 картриджа. В соответствии с вариантом осуществления корпус 102 картриджа содержит больше одного впускного отверстия для введения образцов. Прочие подробности касательно различных камер и каналов системы 100 картриджа можно найти в одновременно находящейся на рассмотрении заявке на выдачу патента США №13/836845.
[0027] В соответствии с вариантом осуществления система 100 картриджа может содержать передаточную камеру, выполненную с возможностью движения вбок по направляющей 106 внутри корпуса 102 картриджа. Эту передаточную камеру можно использовать для выравнивания различных флюидных отверстий с передаточной камерой и управления движением текучей среды через различные флюидные каналы и камеры системы 100 картриджа.
[0028] Система 100 картриджа содержит одно или более сквозных отверстий 108 в соответствии с вариантом осуществления. Сквозные отверстия 108 могут быть расположены на более тонком участке системы 100 картриджа. В одном примере этот более тонкий участок расположен в отдалении от множества флюидных камер внутри корпуса 102 картриджа. Сквозные отверстия 108 выполнены с возможностью помещения в них различных реагентов для эффективного «закупоривания» этих отверстий. Таким образом, реагенты могут быть расположены в маленьких пробках, которые могут быть плотно посажены в сквозные отверстия 108. К примерам реагентов могут относиться иммобилизированные антитела, белки, ферменты и одноцепочечные или двухцепочечные ДНК или РНК. По краям пробка может быть уплотнена прокладкой для обеспечения герметичной посадки. Дополнительные подробности касательно этих пробок описаны ниже со ссылкой на ФИГ. 4.
[0029] На ФИГ. 1В представлен вид с обратной стороны примера системы 100 картриджа для исследований в соответствии с вариантом осуществления. Внутри корпуса 102 картриджа расположено множество флюидных каналов. В одном примере эти флюидные каналы являются микрофлюидными каналами, через которые текучая среда движется в режиме ламинарного течения. Таким образом, поперечные сечения микрофлюидных каналов могут составлять меньше, например, 5 мм2, меньше 1 мм2, меньше 10000 мкм2, меньше 5000 мкм2, меньше 1000 мкм2 или меньше 500 мкм2.
[0030] В соответствии с вариантом осуществления внутри корпуса 102 картриджа встроены различные области для исследований текучих сред. Например, область 110 для исследований может содержать множество устройств для исследований текучих сред, каждое из которых содержит отверстие 112, выровненное с одним из сквозных отверстий 108 с другой стороны картриджа 100 для исследований. Таким образом, каждое из отверстий 112, будучи закупоренным реагентами, ограничивает камеру для различных биологических и химических исследований. Эти исследования могут включать, кроме прочего, иммуноанализы, взаимодействия ферментов, клеточные реакции или гибридизацию ДНК. Специалисту в данной области техники после ознакомления с настоящим документом будут понятны другие исследования, которые могут быть проведены. Дальнейшие подробности касательно каждого из устройств для исследований, проиллюстрированных в области 110 для исследований, приведены ниже со ссылкой на ФИГ. 2.
[0031] Другая флюидная область 114 содержит множество камер, соединенных с последовательным расположением, в соответствии с вариантом осуществления. Эти камеры можно использовать для разжижения и обеспечения дозирования в точных концентрациях в другие камеры и флюидные каналы внутри системы. Дальнейшие подробности касательно проиллюстрированной флюидной области 114 приведены ниже со ссылкой на ФИГ. 5. Кроме того, показаны и другие различные флюидные каналы 116, которые можно использовать для направления текучей среды между разными камерами внутри корпуса 102 картриджа и текучей среды в разные камеры или из разных камер в любой из каналов, показанных в области 110 для исследований или флюидной области 114.
[0032] На ФИГ. 2 проиллюстрирован пример устройства 200 для исследований текучих сред в соответствии с вариантом осуществления. Кроме того, показан вектор силы тяжести для обеспечения ориентации, при которой достигается максимальная эффективность применения устройства 200 для исследований текучих сред в силу го конструкции в соответствии с одним примером. Кроме того, возможны другие ориентации, хотя другие ориентации могут способствовать нежелательному образованию пузырьков воздуха внутри каналов.
[0033] Устройство 200 для исследований текучих сред содержит микрофлюидный канал 202, содержащий только одно отверстие 204, в соответствии с вариантом осуществления. Второй конец микрофлюидного канала 202 заканчивается закрытой камерой 216. Эта закрытая камера действует как резервуар для воздуха, захваченного внутри микрофлюидного канала 202 при протекании текучей среды, поступающей через отверстие 204, по микрофлюидному каналу 202. Включение закрытой камеры 216 избавляет от необходимости использовать спускной канал для вывода воздуха из системы. Отсутствие спускного канала характеризуется преимуществами, такими как уменьшение вероятности утечки или загрязнения.
[0034] Микрофлюидный канал 202 может содержать одну или более камер или увеличенных областей, расположенных по длине микрофлюидного канала 202. Например, микрофлюидный канал 202 может содержать одно или более расширений 206 канала, такие как 206а и 206b. Расширения 206а и 206b канала могут действовать в качестве областей обнаружения жидкости. Таким образом, расширения 206а и 206b канала можно использовать вместе с одним или более внешними оптическими датчиками для определения наличия жидкости внутри расширений 206а и 206b канала. Это обнаружение можно использовать для активации других функций системы 100 картриджа для измерений. В соответствии с другим вариантом осуществления расширения 206а и 206b канала могут содержать встроенные датчики, такие как структурированный резистивный датчик, для указания на наличие или расход текучей среды.
[0035] Микрофлюидный канал 202 также может быть соединен со смесительной камерой 208. В соответствии с вариантом осуществления поперечное сечение смесительной камеры 208 больше поперечного сечения микрофлюидного канала 202. Это большее поперечное сечение можно выбирать так, чтобы текучая среда внутри смесительной камеры 208 двигалась в режиме не ламинарного, а турбулентного течения. Путем регулирования давления, действующего на отверстии 204, раствор образца внутри смесительной камеры 208 можно перемещать в обратном и прямом направлениях, в результате чего обеспечивается пассивное перемешивание текучей среды. В соответствии с вариантом осуществления смесительная камера 208 выровнена так, что отверстия смесительной камеры 208 по существу выровнены с вектором силы тяжести. Такое выравнивание способствует уменьшению образования воздушных пузырьков внутри камеры во время перемешивания текучей среды.
[0036] Микрофлюидный канал 202 также содержит камеру 210 для исследований. В одном примере камера 210 для исследований расположена внутри микрофлюидного канала 202 ниже по потоку от смесительной камеры 208. Камера 210 для исследований может быть выровнена по одному из сквозных отверстий 108, показанных на ФИГ. 1А. Таким образом, реагенты могут быть помещены в камеру 210 для исследований путем «закупоривания» одной стороны камеры 210 для исследований с использованием закупоривающего вкладыша, как показано на ФИГ. 4. Геометрическая форма камеры 210 для исследований обеспечивает большую площадь поверхности для взаимодействия с различными реагентами в камере 210 для исследований. Например, диаметр камеры 210 для исследований может быть выбран по существу сходным с диаметром одной лунки 96-луночной плашки стандартного размера, 24-луночной плашки, 48-луночной плашки или 384-луночной плашки. Объем текучей среды внутри камеры 210 для исследований может составлять меньше 50 мкл. В одном примере объем текучей среды внутри камеры 210 для исследований составляет от 10 до 30 мкл. Камера 210 для исследований может быть выполнена с объемом, достаточным для полного наполнения раствором образца объемом 50 мкл. В соответствии с вариантом осуществления отверстия камеры 210 для исследований выровнены по существу параллельно вектору силы тяжести. При таком выравнивании указанных отверстий камера может быть расположена вдоль флюидного канала так, что текучая среда может наполнять эту камеру снизу вверх. Наполнение камеры 210 для исследований таким образом может способствовать уменьшению образования воздушных пузырьков. В соответствии с вариантом осуществления камера 210 для исследований может содержать множество гранул для увеличения площади поверхности для взаимодействия с реагентами. Путем изменения давления, действующего на отверстии 204, раствор образца внутри камеры 210 для исследований можно перемещать в обратном и прямом направлениях для максимального увеличения взаимодействия между реагентами, иммобилизированными внутри камеры 210 для исследований, и реагентами в растворе образца.
[0037] Большее поперечное сечение камеры 210 для исследований можно выбирать так, чтобы текучая среда внутри камеры 210 для исследований двигалась в режиме не ламинарного, а турбулентного течения. Турбулентное течение увеличивает кинетику реакций между иммобилизированными реагентами внутри камеры 210 для исследований и реагентами в растворе. В соответствии с вариантом осуществления камера 210 для исследований выровнена так, что отверстия камеры 210 для исследований по существу выровнены с вектором силы тяжести. Такое выравнивание способствует уменьшению образования воздушных пузырьков внутри камеры во время перемещения раствора образца в камере 210 для исследований в обратном и прямом направлениях.
[0038] Обнаружение взаимодействий реагентов внутри камеры 210 для исследований может происходить с использованием внешнего источника света и оптического датчика, соединенного с анализатором, в который помещена система 100 картриджа для исследований. Таким образом, любые стенки или крышки камеры 210 для исследований могут быть прозрачными для обеспечения возможности оптического обнаружения. В одном примере оптический датчик выполнен с возможностью измерения логарифма коэффициента поглощения жидкости внутри камеры 210 для исследований при одной или более длин волн. В другом примере оптический датчик выполнен с возможностью измерения флуоресцентного сигнала, создаваемого флуоресцентной смесью внутри камеры 210 для исследований. В соответствии с вариантом осуществления измерения флуоресцентного сигнала производят с нижней стороны камеры 210 для исследований. Камера 210 для исследований может быть выполнена совместимой с другими средствами обнаружения, например электрохимическими средствами, электромеханическими средствами, средствами поверхностного плазмонного резонанса, средствами флуоресцентных измерений с разрешением по времени и т.д.
[0039] Вдоль микрофлюидного канала 202 и ниже по потоку от камеры 210 для исследований может быть расположена камера 212 хранения. Камера 212 хранения может содержать сухие химикаты, такие как замороженные или лиофилизированные аналиты. В другом примере камера 212 хранения содержит сухие реагенты 214 или биологические образцы. Биологические образцы в камере 212 хранения могут быть лиофилизированными. Такие биологические или химические смеси могут содержаться в камере 212 хранения длительное время перед использованием. Камера 212 хранения может быть выполнена так, чтобы ее размеры соответствовали конкретно размерам сухих реагентов 214 (таких как сухие химические гранулы), обычно составляющим порядка нескольких миллиметров в диаметре, в соответствии с вариантом осуществления. В одном примере текучая среда, перемещаемая к камере 212 хранения, смешивается с сухими реагентами 214, которые ресуспендируются в этой текучей среде. Жидкость, содержащую ресуспендированные реагенты, можно затем перемещать в обратном направлении к камере 210 для исследований на анализ.
[0040] Различные камеры могут быть расположены вдоль микрофлюидного канала 202 по-разному в зависимости от необходимого применения и проводимого исследования. Например, в устройстве, проиллюстрированном на ФИГ. 2, под действием положительного давления буферную жидкость можно закачивать через отверстие 204 до самой камеры 212 хранения для ресуспендирования сухих реагентов 214 в буферном растворе с целью образования исследуемого раствора. Далее, исследуемый раствор можно перемещать в обратном направлении через микрофлюидный канал 202 под действием отрицательного давления на отверстии 204 или путем сброса положительного давления, действовавшего ранее. Исследуемый раствор можно перемещать в обратном направлении до самого расширения 206а канала. После этого текучую среду можно многократно перемещать в обратном и прямом направлениях между расширением 206а канала и камерой 212 хранения как через смесительную камеру 208, так и через камеру 210 для исследований. Таким образом, текучая среда продолжает перемешиваться посредством смесительной камеры 208, взаимодействуя с увлекаемыми реагентами внутри камеры 210 для исследований. В одном примере иммуноанализа к иммобилизированным антителам, находящимся внутри камеры 210 для исследований, вводят белки, содержащиеся в исследуемом растворе. Реакция связывания может указывать на положительный результат исследования (и в результате этой реакции может быть создан флуоресцентный сигнал). После перемещения исследуемого раствора достаточное количество раз через камеру 210 для исследований его можно вывести из отверстия 204, и можно ввести промывочный раствор для вымывания из камеры 210 для исследований всех несвязанных веществ (например, во избежание ложноположительных результатов). Промывочный раствор можно вводить для аналитов внутри камеры 210 для исследований без необходимости перемещения через камеру 212 хранения. Это преимущество позволяет избегать возможного ресуспендирования каких-либо сухих химикатов, оставшихся в камере 212 хранения. Следует понимать, что это лишь один пример применения устройства 200 для исследований текучих сред и что расположение камер может быть изменена в зависимости от применения.
[0041] На ФИГ. 3 проиллюстрировано множество устройств для исследований текучих сред, соединенных с одним и тем же входным флюидным каналом 302, в соответствии с вариантом осуществления. Входной флюидный канал 302 содержит единственное отверстие 304 для введения и выведения жидкости и подачи или сброса давления жидкости. Входной флюидный канал 302 может быть соединен с флюидным разветвлением 306, где единственный флюидный канал разделяется на множество флюидных каналов. В одном примере каждый из множества флюидных каналов ведет к отдельному устройству 308 для исследований. Хотя показано, что с входным флюидным каналов 302 соединены только три устройства 308 для исследований, следует понимать, что с входным флюидным каналом 302 может быть соединено любое количество любых устройств для исследований текучих сред.
[0042] Камера 310 хранения в каждом устройстве 308 для исследований может содержать реагенты в разных концентрациях или реагенты, в общем отличные от реагентов, содержащихся в других камерах 310 хранения. Аналогично, камера 312 для исследований в каждом устройстве 308 для исследований может содержать реагенты в разных концентрациях или реагенты, в общем отличные от реагентов, содержащихся в других камерах 312 для исследований. Таким образом, через один и тот же флюидный канал 302 может быть проведен комплекс мультиплексных экспериментов.
[0043] На ФИГ. 4А и 4В проиллюстрирована процедура помещения вкладыша 402 с реагентами внутрь камеры 210 для исследований, являющейся частью устройства 200 для исследований текучих сред, в соответствии с вариантом осуществления. Следует понимать, что иллюстрации на ФИГ. 4А и 4В не подразумевают каких-либо ограничений касательно конструкции флюидной системы и представлены лишь для демонстрации того, как можно использовать вкладыш 402 с реагентами.
[0044] Вкладыш 402 с реагентами может иметь форму, подходящую для плотной посадки в отверстие 404 на обратной стороне корпуса 401, когда отверстие 404 выровнено с камерой 210 для исследований на передней стороне корпуса 401. По краю вкладыша с реагентами может быть выполнена уплотняющая прокладка для предотвращения каких-либо утечек текучей среды после помещения в отверстие 404. Одна сторона вкладыша 402 с реагентами может содержать множество реагентов для использования внутри камеры 210 для исследований. Например, вкладыш 402 с реагентами может иметь поверхность, содержащую конкретные иммобилизированные антитела для использования в иммуноанализе. Реагенты могут быть лиофилизированными в поверхности вкладыша 402 с реагентами или могут быть нанесены на верхнюю поверхность вкладыша 402 в виде покрытия. Вкладыш 402 может содержать защитное покрытие, растворяющееся при контакте с текучей средой. В соответствии с вариантом осуществления вкладыш 402 с реагентами можно в любой момент извлечь из отверстия 404 для замены на другой вкладыш с реагентами. Специалисту в данной области техники будет понятно, что вкладыш 402 с реагентами может быть прикреплен к картриджу посредством любого удерживающего приспособления или клея.
[0045] На ФИГ. 5 проиллюстрирована еще одно устройство 500 для исследований текучих сред в соответствии с вариантом осуществления. Микрофлюидный канал 502 содержит только одно отверстие 504 и соединен с камерами 506, расположенными вдоль микрофлюидного канала 502 с последовательным расположением. В одном примере микрофлюидный канал 502 проходит по извилистой траектории, на которой камеры 506 выровнены по горизонтали вдоль этой траектории, как показано на ФИГ. 5. Каждая отдельная камера может иметь длину, превышающую ее ширину, и по своей длине может быть выровнена по существу параллельно вектору силы тяжести. Кроме того, отверстия наверху и внизу каждой из камер 506 выровнены с вектором силы тяжести. В соответствии с вариантом осуществления микрофлюидный канал 502 заканчивается соединением с закрытой камерой 510. Закрытая камера 510 может быть выполнена как резервуар для воздуха, перемещающегося через микрофлюидный канал 502 при поступлении жидкости через отверстие 504. Объем текучей среды каждой камеры из множества камер может составлять меньше 250 мкл, меньше 100 мкл или меньше 50 мкл.
[0046] Микрофлюидный канал 502 также может содержать множество расширений 508а-508е канала. Расширения 508а-508е канала могут действовать аналогично тому, как описано выше со ссылкой на ФИГ. 2 и 3. Расширения 508а-508е канала могут быть расположены вдоль микрофлюидного канала 502 так, что количество камер 506 между соседними расширениями каналов может быть разным. В данном случае под соседними расширениями канала подразумеваются два расширения канала, между которыми вдоль траектории микрофлюидного канала 502 нет другого расширения канала. Иными словами, пример схемы расположения расширений 508 канала (СЕ) и камер 506 (СН) на траектории перемещения текучей среды по микрофлюидному каналу 502 к закрытой камере 510 таков: СЕ; СН; СЕ; СН; СН; СЕ; СН; СН; СН; СН; СЕ; СН; СН; СН; СН; СЕ.
[0047] В соответствии с вариантом осуществления устройство 500 для текучих сред можно применять для разжижения, дозирования реагентов или выполнения различных этапов смешивания. Камеры 506 также можно использовать для хранения различных текучих сред для последующего применения. Например, растворы реагентов в разных концентрациях могут храниться в камерах 506 так, чтобы раствор с наименьшей концентрацией хранился в левой крайней камере, с увеличением концентрации в каждой последующей камере слева направо, до достижения наибольшей концентрации раствора в правой крайней камере. В другом варианте в левой крайней камере из камер 506 может храниться раствор с наибольшей концентрацией, со снижением концентрации в каждой последующей камере слева направо, до достижения наименьшей концентрации раствора в крайней правой камере камер 506.
[0048] В одном примере через отверстие 504 подают первую жидкость, пока она не достигнет расширения 508а канала. На расширении 508а канала используют датчик жидкости для определения наличия первой жидкости. После определения того, что первая жидкость достигла расширения 508а канала, могут передавать сигнал для остановки подачи первой жидкости. Далее, через отверстие 504 подают вторую жидкость, пока она не достигнет другого расширения канала, расположенного ниже по потоку (любого из 508b-508е). Эту процедуру могут повторять и в отношении других жидкостей, подаваемых после второй жидкости. Таким образом, внутри камер 506 можно хранить две или более жидкостей с известными концентрациями.
[0049] На ФИГ. 6 представлена структурная схема способа 600 использования устройства для исследований текучих сред в соответствии с вариантом осуществления. Следует понимать, что проиллюстрированные этапы способа 600 не являются исчерпывающими и что также могут быть выполнены другие этапы без отклонения от объема и сути изобретения.
[0050] На этапе 602 через флюидный канал перемещают жидкость (например, под действием подаваемого давления), пока она не достигнет реагентов, хранящихся в камере хранения, в соответствии с вариантом осуществления. Указанная жидкость может поступать в флюидный канал через единственное отверстие, являющееся единственным входным/выходным отверстием флюидного канала. Реагенты могут представлять собой, например, сухие реагенты, лиофилизированные реагенты или реагенты, содержащиеся в грануле для растворения жидкостью. Этот этап может описывать движение указанной жидкости через микрофлюидный канал 202, пока она не достигнет сухих реагентов 214 в камере 212 хранения, как проиллюстрировано на ФИГ. 2.
[0051] На этапе 604 реагенты ресуспендируют в указанной жидкости. В одном примере указанная жидкость может представлять собой буферный раствор, свойства которого позволяют обеспечивать растворение реагентов в буфере и поддерживать их стабильными в буфере. После растворения большей части реагентов указанную жидкость применительно к остальным этапам можно считать целевой жидкостью.
[0052] На этапе 606 целевую жидкость выпускают из камеры хранения. В примере, проиллюстрированном на ФИГ. 2, целевую жидкость выводят из камеры 212 хранения через микрофлюидный канал.
[0053] На этапе 608 целевую жидкость перемещают в обратном и прямом направлениях внутри флюидного канала, чтобы она протекала через камеру для исследований в соответствии с вариантом осуществления. Эта камера для исследований может содержать другой набор реагентов для вступления в реакцию с ресуспендированными реагентами в целевой жидкости. Целевую жидкость могут перемещать в обратном и прямом направлениях только внутри камеры для исследований или еще и через другие участки флюидной системы. Например, со ссылкой на ФИГ. 2, целевую жидкость могут перемещать в обратном и прямом направлениях между расширениями 206а и 206b канала так, чтобы целевая жидкость перемещалась и через камеру 210 для исследований, и через смесительную камеру 208. Многократное перемещение жидкости через смесительную камеру 208 может быть необязательным этапом, предназначенным для улучшения перемешивания ресуспендированных реагентов в целевой жидкости. Жидкость также могут перемещать в обратном и прямом направлениях между расширением 206а канала и камерой 212 хранения.
[0054] На этапе 610 реагенты в целевой жидкости реагируют с реагентами внутри второй камеры. Этот процесс происходит одновременно с перемещением жидкости, описанным выше касательно этапа 608. В случае иммуноанализа во второй камере могут содержаться иммобилизированные антитела или образец антигена, с которыми связываются целевые антитела/антигены. Другие реакции могут включать ферментативные реакции, в результате которых происходит изменение цвета (например, вследствие поглощения), или реакции с биолюминесцентными белками.
[0055] На этапе 612 целевую жидкость выводят из флюидного канала через единственное отверстие в соответствии с вариантом осуществления. Целевую жидкость могут извлекать под действием отрицательного давления на единственном отверстии, в результате чего целевая жидкость выводится наружу. После извлечения целевой жидкости в флюидную систему могут вводить другие жидкости. Например, во вторую камеру могут вводить различные промывочные жидкости, и через вторую камеру могут перемещать различные промывочные жидкости для вымывания всех несвязанных веществ.
[0056] Вышеприведенное описание конкретных вариантов осуществления полностью раскрывает общую суть изобретения, которое с применением знаний в данной области техники можно с легкостью модифицировать и/или изменять для различного применения таких конкретных вариантов осуществления без необходимости ненадлежащего экспериментирования без отклонения от общей концепции настоящего изобретения. Следовательно, подразумевается, что такие изменения и модификации соответствуют смыслу множества эквивалентов раскрытых вариантов осуществления, основанных на идеях и указаниях, изложенных в настоящем документе. Следует понимать, что формулировки или терминология в настоящем документе выбраны только в описательных целях, вследствие чего эти формулировки или терминология настоящего описания будут интерпретироваться специалистами в данной области техники с учетом изложенных идей и указаний.
[0057] Варианты осуществления настоящего изобретения описаны выше с помощью структурно-функциональных блоков, иллюстрирующих реализацию указанных функций и их взаимосвязей. В настоящем документе границы этих структурно-функциональных блоков установлены произвольно для удобства описания. В случае надлежащего выполнения указанных функций и их взаимосвязей могут быть установлены иные границы.
[0058] По замыслу автора (-ов) в разделах «Раскрытие сущности изобретения» и «Реферат» могут быть изложены один или более примерных вариантов осуществления настоящего изобретения, но не все, и, таким образом, указанные разделы не подразумевают какого-либо ограничения настоящего изобретения и формулы настоящего изобретения.
[0059] Объем настоящего изобретения не ограничивается какими-либо вышеописанными примерными вариантами осуществления, а определяется только в соответствии с пунктами нижеприведенной формулы и их эквивалентами.
1. Устройство для исследований текучих сред, содержащее:
корпус со сквозным отверстием,
микрофлюидный канал, расположенный внутри корпуса и имеющий только одно флюидное отверстие на одном терминальном конце;
первую закрытую камеру, расположенную на другом терминальном верхнем конце микрофлюидного канала, причем первая камера и флюидное отверстие расположены на противоположных концах траектории потока микрофлюидного канала, при этом текучая среда протекает от флюидного отверстия в первом направлении вдоль траектории потока микрофлюидного канала в направлении, противоположном действию силы тяжести, для достижения первой камеры; и
вторую камеру, соединенную с микрофлюидным каналом и расположенную на удалении от флюидного отверстия, причем вторая камера последовательно соединена с первой камерой.
2. Устройство для исследований текучих сред по п. 1, дополнительно содержащее одну или более областей обнаружения жидкости, соединенных с микрофлюидным каналом, причем по меньшей мере одна или более областей обнаружения жидкости расположена между флюидным отверстием и второй камерой и выполнена с возможностью дозирования предварительно заданного количества жидкости во вторую камеру.
3. Устройство для исследований текучих сред по п. 1, дополнительно содержащее третью камеру, соединенную с микрофлюидным каналом между первой камерой и второй камерой так, что третья камера расположена выше по потоку относительно первой камеры, но ниже по потоку относительно второй камеры, и выполненную с возможностью содержания одного или более реагентов.
4. Устройство для исследований текучих сред по п. 3, в котором третья камера в силу своих размеров выполнена с возможностью содержания лиофилизированной гранулы, содержащей один или более реагентов, причем третья камера входит в траекторию потока микрофлюидного канала так, что текучая среда, протекающая ниже по потоку от выхода второй камеры в направлении, противоположном действию силы тяжести, протекает в первом направлении к входу в третью камеру для ресуспендирования реагентов, содержащихся в лиофилизированной грануле.
5. Устройство для исследований текучих сред по п. 1, в котором указанные один или более реагентов содержат по меньшей мере одно из иммобилизированных антител или одноцепочечных или двухцепочечных ДНК.
6. Устройство для исследований текучих сред по п. 1, в котором стенка второй камеры содержит извлекаемый элемент, включающий один или более реагентов, нанесенных на поверхность извлекаемого элемента.
7. Устройство для исследований текучих сред по п. 1, в котором вторая камера содержит по меньшей мере одну прозрачную стенку для обеспечения возможности сбора данных оптическими средствами.
8. Устройство для исследований текучих сред по п. 1, в котором вторая камера содержит множество гранул.
9. Устройство для исследований текучих сред по п. 1, в котором микрофлюидный канал выполнен с возможностью разветвления на множество микрофлюидных каналов, каждый из которых соединен с соответствующей первой камерой, соответствующей второй камерой и соответствующей третьей камерой.
10. Устройство для исследований текучих сред по п. 1, дополнительно содержащее третью камеру, соединенную с микрофлюидным каналом между флюидным отверстием и второй камерой, причем траектория потока текучей среды, проходящей от флюидного отверстия через третью камеру, проходит в направлении, параллельном вектору силы тяжести, противоположном первому направлению, и причем третья камера выполнена с возможностью перемешивания текучей среды, перемещаемой через третью камеру во время работы.
11. Устройство для исследований текучих сред по п. 1, в котором вторая камера вмещает текучую среду объемом меньше 50 микролитров.
12. Способ исследования текучих сред, включающий:
перемещение жидкости через единственное отверстие микрофлюидного канала в первом направлении, пока жидкость не достигнет одного или более реагентов, хранящихся в первой камере, соединенной с микрофлюидным каналом;
ресуспендирование по меньшей мере части одного или более реагентов в жидкости для образования целевой жидкости;
перемещение целевой жидкости через микрофлюидный канал во втором направлении, противоположном первому направлению, с выведением ее из первой камеры;
перемещение целевой жидкости в обратном и прямом направлениях внутри микрофлюидного канала так, что целевая жидкость протекает через вторую камеру, соединенную с микрофлюидным каналом, причем текучая среда протекает от первой камеры ко второй камере во втором направлении, при этом вторая камера выровнена со сквозным отверстием корпуса;
вступление в реакцию по меньшей мере части указанных одного или более ресуспендированных реагентов в целевой жидкости с одним или более реагентами, иммобилизированными внутри второй камеры; и
выведение целевой жидкости из микрофлюидного канала далее во втором направлении через указанное единственное отверстие микрофлюидного канала.
13. Способ по п. 12, в котором перемещение целевой жидкости в обратном и прямом направлениях внутри микрофлюидного канала включает протекание целевой жидкости в обратном и прямом направлениях между двумя областями обнаружения жидкости в микрофлюидном канале.
14. Способ по п. 12, дополнительно включающий обнаружение наличия жидкости в каждом из указанных двух областей обнаружения жидкости в микрофлюидном канале, и дозирование предварительно определенного количества текучей среды во вторую камеру с помощью одной из областей обнаружения жидкости, расположенных между флюидным отверстием и второй камерой.
15. Способ по п. 12, в котором перемещение целевой жидкости в обратном и прямом направлениях внутри микрофлюидного канала включает протекание целевой жидкости далее во втором направлении от второй камеры через третью камеру, соединенную с микрофлюидным каналом между флюидным отверстием и второй камерой, и перемешивание целевой жидкости при протекании через третью камеру.
16. Способ по п. 12, дополнительно включающий измерение оптического сигнала от второй камеры, связанного с концентрацией указанных одного или более ресуспендированных реагентов внутри второй камеры.
17. Способ по п. 12, дополнительно включающий:
перемещение второй жидкости через указанное единственное отверстие микрофлюидного канала;
перемещение второй жидкости в обратном и прямом направлениях внутри микрофлюидного канала так, что она протекает через вторую камеру, но не через первую камеру;
выведение второй жидкости из микрофлюидного канала через указанное единственное отверстие микрофлюидного канала.
18. Способ по п. 17, в котором вторая жидкость является промывочным буфером.
19. Способ по п. 12, в котором указанное вступление в реакцию включает связывание по меньшей мере части указанных одного или более ресуспендированных реагентов в целевой жидкости с одним или более реагентами, находящимися внутри второй камеры.
20. Устройство для исследований текучих сред, содержащее:
микрофлюидный канал, имеющий только одно флюидное отверстие;
множество камер, каждая из которых содержит часть микрофлюидного канала, причем указанное множество камер расположено последовательно, параллельно друг другу вдоль единой извилистой траектории потока микрофлюидного канала ниже по потоку от флюидного отверстия так, что линии наибольшей протяженности каждой из множества камер по своей длине выровнены параллельно друг другу и проходят по существу параллельно направлению потока текучей среды через каждую из множества камер;
по меньшей мере одну область обнаружения жидкости, расположенную вдоль микрофлюидного канала между по меньшей мере двух из множества камер; и закрытую камеру, расположенную на терминальном конце микрофлюидного канала.
21. Устройство для исследований текучих сред по п. 20, в котором каждая камера из указанного множества камер вмещает текучую среду объемом меньше 50 микролитров.
22. Устройство для исследований текучих сред по п. 20, в котором по меньшей мере одна область обнаружения жидкости дополнительно содержит множество областей обнаружения жидкости, расположенных вдоль микрофлюидного канала между различными камерами из множества камер.
23. Устройство для исследований текучих сред по п. 22, в котором множество областей обнаружения жидкости расположено вдоль микрофлюидного канала с множеством камер по заданной схеме.
24. Устройство для исследований текучих сред по п. 23, в котором в соответствии с указанной заданной схемой между соседними областями из множества областей обнаружения жидкости расположено разное количество камер из указанного множества камер.
