CN101454653B - 用于分析荧光标记颗粒的基于芯片的流式细胞器类系统 - Google Patents

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Abstract

提供了用于处理和分析生物或环境样品的便携系统以及不同配置的基于芯片的流式细胞器。这些便携系统包括：自动化试样制备模块，其被配置成将样品处理成含荧光标记颗粒的流体试样；以及耦合于流体试样模块的微流体分析模块，其中微流体分析模块包括基于芯片的流式细胞器。

Description

用于分析荧光标记颗粒的基于芯片的流式细胞器类系统
发明背景
1.发明领域
本发明一般涉及用于处理和分析流体样品的系统。某些实施例涉及配置成对包含荧光标记颗粒的样品进行测量的基于芯片的流式细胞器类系统。
2.相关技术描述
以下描述和示例并不因为其包括在本节中就承认其是现有技术。
一般而言，流式细胞器是配置成采用光学技术测量流过其中的流体中颗粒或细胞的一种或多种特性的设备。出于诸如测定各种化学和生物分子等多种目的，可采用这种颗粒或细胞询问。尽管流式细胞器提供许多优点，但该设备也有多个缺点。例如，流式细胞器一般利用对其环境敏感的光学组件。此外，流式细胞器通常制造耗时、操作复杂且昂贵。这些特征通常使流式细胞器的使用限于受过高级培训的技术人员。此外，一些样品需要流穿过流式细胞器之前处理，因此，常常需要相当多的实验室资源和其它装置来进行测定分析。
因此，开发能测量流体中颗粒或细胞的特性且操作相对简单的系统是有利的。此外，对这些系统而言能在不需将相当多实验室资源用于预处理样品流体的情况下进行测量是有益的。另外，系统包括对其环境基本上敏感的组件会是有利的。此外，对这些系统而言相对便宜且制造不耗时是有益的。
发明概述
以下对系统和基于芯片的流式细胞器的各个实施例的描述决不应解释为限制所附权利要求的主题。
用于处理和分析生物或环境样品的系统的一个实施例包括：配置将样品处理成含荧光标记颗粒的流体试样的自动化试样制备模块(automated assaypreparation module)，以及与自动化试样制备模块相耦合的微流体分析模块(microfluidic analysis module)，其中该微流体分析模块包括基于芯片的流式细胞器。
用于分析流体样品的系统的一个实施例包括：使含磁性颗粒的流体样品通过该系统的通道；以及用于沿该通道的至少一部分感生一磁场以使磁性颗粒在流体样品的预定区域内流动的装置。
用于分析流体样品的系统的另一实施例包括：使具有荧光标记颗粒的流体样品通过系统的通道；以及包括光源系统和光学系统的照明子系统，该光源系统和光学系统一起配置成将光线导向通道的询问区。该系统还包括：具有非球面镜的测量子系统，该非球面镜配置成采集从磁性颗粒发射的荧光；以及用于分析所采集荧光的检查系统。
基于芯片的流式细胞器的一个实施例包括：用于接收含荧光标记颗粒的液体样品的第一输入导管、用于接收鞘液(sheath fluid)的第二不同导管、以及与第一和第二输入导管耦合的流体流动室(fluid flow chamber)。可将流体流动室配置成能产生样品流体局限于鞘液内的流体流，所述样品流体在与流体流的流动方向垂直的竖直方向上具有最多约80微米的第一尺寸和在与流体流的流动方向垂直的水平方向上具有最多约25微米的第二尺寸。
基于芯片的流式细胞器的另一实施例包括用于使具有荧光标记颗粒的流体样品通过流式细胞器的通道。此外，该基于芯片的流式细胞器包括具有光源系统和光学系统的照明子系统，光源系统和光学系统一起配置从而使得光源系统内的各个光源将光导向询问区内的不同点。此外，基于芯片的流式细胞器包括测量子系统，其具有：采集系统，其配置成能利用采集系统的不同检测器采集从各个不同点上的磁性颗粒发射的荧光；以及用于分析所采集荧光的检查系统。
附图简述
得益于以下对优选实施例的详细描述并参考附图，本发明的其它优点可变得对本领域技术人员显而易见，在附图中：
图1是配置成处理和测量流体样品的便携系统的示意图；
图2是可包括在图1所示便携系统中的微流体分析模块的一示例性实施例的等轴视图；
图3是可包括在图2所示微流体分析模块中的流体聚焦子系统的一示例性实施例的等轴视图；
图4是包括在图2所示微流体分析模块中的光源、采集光学器件和检测器的一示例性采集(系统)的侧视图；
图5示出配置用于制备流体试样的示例性系统的横截面视图；
图6示出配置用于制备流体试样的一不同示例性系统的示意图；
图7示出符合图6示意性布置的示例性系统的透视图；
图8示出包括在图7所示系统中的反应容器的放大透视图；
图9示出在用于制备流体试样的一系列处理步骤期间图8所示反应容器的反应容积的横截面视图；
图10示出图7所示系统的试剂包接收器以及试剂包的放大透视图；
图11示出图10所示的试剂包接收器的横截面视图，且试剂包置于其内并处于各种位置以描绘试剂包的振动；
图12示出用于制备流体试样的一示例性方法的流程图；
图13示出将流体样品处理成适合预定试样的形式的示例性方法的流程图；
图14示出用于制备核酸试样的一示例性方法的流程图；
图15示出用于制备免疫测定试样的一示例性方法的流程图；
图16是可包括在本文所述系统实施例内的反应药筒的一示例性实施例的等轴俯视图；
图17示出可包括在本文所述系统实施例内的反应药筒的另一示例性实施例在其操作期间的不同时间的不同等轴视图；
图18是可包括在本文所述便携系统内的试剂贮存模块的等轴侧视图和俯视图。
尽管本发明容许有许多修改和替换形式，但在附图中仅示出其特定实施例作为示例并在本文中进行详细描述。这些附图不一定按比例绘制。然而，应当理解，附图及其详细描述并不旨在将本发明限制于所公开的特定形式，而是相反，本发明旨在涵盖落在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等效和替换方案。
优选实施方式的详细描述
现在参看附图，提供了用于处理和分析流体样品的系统。一般而言，本文中所述的系统可用来处理和/或分析样品，包括但不限于，体液、环境样品、和/或生物组织和物质。此外，如以下更详细描述地，可将本文所述的系统配置成能处理其中注入有荧光标记颗粒的样品。在一些实施例中，这些颗粒可以是磁性的。注意，这些附图不必按比例绘制。特别地，部分附图中一些元件的比例可大大放大以强调这些元件的特征。此外，还要注意，附图并不按同一比例绘制。在一个以上附图中示出的可能类似地配置的元件使用相同附图标记表示。
图1示出用于处理和分析流体样品的一示例性便携系统。一般而言，本文中所述的便携系统可包括处理模块、分析模块和多个支持模块，这些支持模块包括但不限于流质喷管、流体贮存(装置)、电源、计算机硬件(和软件)、显示器和人机接口。图1示出打开的便携系统12，示出了模块在系统基部和盖内的示例性分类和放置。然而，注意本文中所述的便携系统并非必然局限于此。具体地，可考虑具有比参照图1所述的更少或更多模块的其它便携系统。此外或替换地，参照便携系统12所述的一个或多个模块可相对其它模块在不同位置排列。例如，在一些情形中，便携系统12可在系统的盖内包括不同模块，或者在盖内没有模块。在其它情形中，便携系统12可不包括盖。在任一情形中，本文中所述的系统的“便携性”可指能由用户运送的系统。
如图1所示，便携系统12可包括计算机1、显示器2、电池3和人机接口9，所有这些可包括用于相应设备的本领域公知的任何适当组件。在一些情形中，计算机1可用于将微流体分析模块5取得的测量值(例如荧光测量值、光散射测量值等)转换成反映样品中存在的分析物的量的值。此外或替换地，计算机1可用于控制便携系统12内其它组件的操作，诸如但不限于处理模块6和微流体分析模块5内的组件。在任一情形中，显示器2可用于向用户呈现测量值和/或经转换的值。除了或替换包括电池3，便携系统12可装有AC/DC转换器。可将人机接口9配置成能诸如：控制处理或分析流体的开始、和/或处理在分析期间获取的测量值。如在图1中进一步示出地，便携系统12可包括：试剂药筒贮存室4、处理模块6、微流体分析模块5、鞘液模块7、以及泵模块(pump module)8，它们各自可如本文中所进一步描述地配置。在一些实施例中，本文中所述的系统可包括一个或多个可互换模块，它们可替换以使系统能针对不同应用使用。本文中所述实施例的可能应用包括但不限于医疗诊断设备或环境生物取样器。这些实施例的模块化性质容许从一种应用简单和便宜地重新配置成另一种应用。
在一些实施例中，微流体分析模块5可包括高度集成的基于芯片的流式细胞器。更具体地，微流体分析模块5可包括制造为半导体器件的以下组件的部分或全部的固定配置：微流体通道、光电倍增管、雪崩光电二极管、PIN光敏二极管、磁换能器、滤光器、透镜、反射镜、谐振器、光学增益介质、以及激发源，诸如发光二极管、谐振腔发光二极管、二极管激光器、垂直空腔表面发射激光器、发磷光物质、放射性材料、等离子体和声学源。微流体分析模块5的组件的示例性配置在图2中示出。具体地，图2示出微流体分析模块5的一个实施例，其中在半导体衬底10内固定排列了流体通道、流体聚焦组件、以及采集光学器件。在一些实施例中，微流体分析模块5还可包括相对彼此固定排列的光源(例如图2中的光源14和16)和光学组件(例如，图2中的分束器18)以及半导体衬底10。在替换情形中，光源14和16和/或分束器18可被集成在半导体衬底10内。
一般而言，可将微流体分析模块5的基于芯片的流式细胞器配置成能测量注入流过该流式细胞器的流体内的荧光标记颗粒的一种或多种特征。更具体地，可将基于芯片的流式细胞器配置成能测量由样品内颗粒发出的荧光，并使用测量值来确定颗粒相关反应物的存在。基于该反应物的存在与否，该系统可确定样品中一种或多种分析物存在与否，还可确定该一种或多种分析物的其它特征，诸如样品内的浓度。在一些情形中，还可通过基于芯片的流式细胞器测量颗粒的光散射特性以确定分析物在样品内的存在与否和/或颗粒的分类。
一般而言，术语“颗粒”在本文中使用时可指用于分析化学、生物和环境试验的任何基片，特别是指用于提供和/或支持分子反应以定性和/或定量测定包括但不限于激酶活性在内的感兴趣分析物的物品。此外，术语“颗粒”可指各种大小的物品，诸如但不限于尺寸在约1nm到约300μm之间的物品。因此，术语“颗粒”可指许多不同的材料和配置，包括但不限于：颗粒、珠、聚苯乙烯珠、微粒、金纳米颗粒、量子点(quantum dot)、纳米点(nanodot)、纳米颗粒、复合粒子(例如金属-聚合颗粒或磁石-聚合颗粒)、纳米球壳、纳米棒、纳米管、微珠、乳胶颗粒、乳胶珠、荧光珠、荧光颗粒、着色颗粒、着色珠、组织、细胞、微生物、孢子、有机物、任何无机物、或其任意组合。因此，这些术语的任一个可与本文中所使用的术语“颗粒”互换。
近来的改进已允许通过使用可分辨的载体颗粒来同步分析多个试样。这种测定系统的一个示例是可从美国得克萨斯州奥斯汀的Luminex Corporation购买的xMAP技术。该xMAP技术使用其上可施加一种或多种测定专用试剂(例如，通过偶联到颗粒表面上一个或多个功能基团)的一系列染色颗粒。颗粒平台采用可通过荧光分辨的不同组颗粒。例如，各组颗粒可根据荧光的波长、荧光的强度、不同波长的荧光强度的比率等分辨。一般而言，荧光的变化可通过掺入颗粒和/或偶联于颗粒表面的不同染料和/或荧光团来整合。在一些实施例中，颗粒组还可根据大小和/或形状来分辨。在任一情形中，具有可分辨载体颗粒的颗粒平台通常是有利的，因为它采用基于流体的动力特性将数种不同分析物结合于测定专用试剂。具体地，颗粒可用来测试样品中100种以上的不同分析物。
一般而言，不同组颗粒可各自具有偶联于这些颗粒的不同试剂。不同试剂可选择性地与流体样品中的不同分析物反应。换言之，不同试剂各自与样品中的一种分析物反应，但基本上不与该样品中的任何其它分析物反应。在一些情形中，可允许一种或多种附加的可检测试剂与一种或多种分析物反应。该一种或多种附加试剂可通过荧光(例如荧光的波长、荧光的强度等)检测(以及可能可分辨)。除了增强的反应动力特性之外，使用多重颗粒平台使得用户能简单地向或从样品所接触颗粒群体中添加或去除一个或多个颗粒亚组，从而改变在一组对象中所执行的测试。
再参看图2，流式细胞器的操作可包括将进行测定的样品引入输入导管22。在被照射前，在一些实施例中，样品可在如图2所示的流体流动室24内与鞘液混合。鞘液可由泵模块8从鞘液模块7中抽吸，通过输入导管26进入分析模块，并可通过鞘液通道28流到流体流动室24。因此，样品和鞘液通过单独的输入端口注入流式细胞器。这两种流体在流体流动室24内会合，将该室配置成能产生包括含有样品流体的鞘液的流体流。流体流动室24的示例性配置在图3中示出。然而，注意，其它流体混合技术可用于本文中所述的系统，包括但不限于流体力学聚焦、电动力聚焦、声波聚焦和磁性聚焦。因此，本文所述系统并不必然限于图2和图3的描绘。例如，可附加或替换地与微流体分析模块5的流式细胞器一起使用的流体混合设备可以是在通道20和28的结合接口处排列的流体力学聚焦比色皿。该比色皿可在与该比色皿的轴垂直的所有方向上执行样品流的高度均匀聚焦和约束。
如图3所示，可将流体流动室24配置成在垂直和水平方向上都将样品流限制在鞘液内。用此方式，鞘液可从所有侧面包围样品流体。该物理约束技术将样品流体大致约束在从流体流动室24产生的流体流的中心，在一些情形中，将样品流体收缩成其先前直径的几分之一。通过减小该样品流体的直径，流体流中的颗粒被沿着流体通道拉开得更远，从而能进行更容易的询问。然而，已经发现流式细胞器内纳入固定的基于芯片的组件甚至对相对较宽的流体流也能提供明显的测量精度。因而，可将流体流动室24配置成将样品流体直径收缩至比常规系统更小的程度。例如，可将流体流动室24配置成能将通道25内样品流体的直径从其在通道20内的直径减小不到10倍，或者更具体地为从其在通道20内的直径减小约5倍。将该样品流体收缩至更小的程度可有利地减少所需鞘液的量，从而降低成本和浪费。
描述流体流动室24的约束调整的另一方式是指定配置产生的流体流内样品流的示例性尺寸。例如，可将流体流动室24配置成样品流体在与流体流的流动方向垂直的垂直方向上具有最高约80微米的第一尺寸(即，当流体以x方向流动时，z方向上的第一尺寸最高约80微米)。此外，可将流体流动室24配置成样品流体在与流体流的流动方向垂直的水平方向上具有最高约25微米的第二尺寸(即，当流体以x方向流动时，y方向上的第二尺寸最高约25微米)。然而，取决于流式细胞器的设计规格，也可考虑样品流体的更大或更小的尺寸。
在任一情形中，从流体流动室24产生的流体流可流过如图2和3所示的通道25。更具体地，从流体流动室24产生的流体流可流到流式细胞器的光学询问区，其被标示为沿图2中通道25的采集光学器件30。在通过该光学询问区之后，混合的样品和鞘液可通过出口32流出分析模块。在一些实施例中，可将流体通道25配置成是不可拆卸的。换言之，便携系统25可包括非一次性的流体通道。相反，现有芯片缩放技术中的流体通道被设计成在可拆卸衬底中形成，从而这些流体通道可以是一次性的。因此，本文所述实施例的一区别特征是该流体通道既非可拆卸的也不是一次性的。在一些实施例中，在流体通道25的预定位置排列所产生流体流的样品流体可能是有利的。更具体地，使样品流体内的颗粒排列在通道25内的相对可预测位置(例如，大约在流体通道的中心)可能是有利的，从而可预测将光导向颗粒的角度和从颗粒采集的射线以优化流式细胞器的操作。
为便于将颗粒的排列容纳于通道25的预定位置内，本文所述系统在一些实施例中可包括用于沿如图2所示的通道25的至少一部分感生磁场的装置27。例如，微流体分析模块5的流式细胞器可包括缠绕在流体通道25周围的螺线管线圈。注意，本文所述系统并非必然限于这种磁场感生机制。具体地，沿着通道25的至少一部分可附加或替换地使用用于感生磁场的其它装置。在任一情形中，装置27可在一些实施例中沿着整个流体通道25(即流体流动室24与输出32之间)扩展。在另外的实施例中，装置27可沿着流体通道25的有限部分扩展。例如，在一些实施例中，装置27可受限于在流体流动室24和由采集光学器件30标示的询问区之间扩展的流体通道25的一部分。在其它实施例中，装置27可在一些实施例中可受限于诸如靠近询问区并包括询问区的流体通道25的较短部分。在任一情形中，装置27可在一些实施例中被配置成围绕流体通道25产生磁场。或者，可将装置27配置成沿少于流体通道25的圆周表面产生磁场。
如上所述，鞘液所包围的样品流体从流体流动室24流到流体通道25的光学询问区。在该光学询问区中，光源14和16照射样品流体。由样品流体内颗粒发射的荧光由采集光学器件30采集并导向流式细胞器的一个或多个检测器，该流式细胞器可以射线预期角度相对衬底10固定地排列。因此，流体通道25的光学询问区由沿流体通道的被光束照射的位置和沿流体通道的采集光学器件采集光线(例如荧光光线、散射光线或其某些组合)的位置限定。如图2所示，来自光源14和16的光线可被导向沿流体通道25的彼此分隔开的不同位置。这种位置在本文中被称为询问点。取决于流式细胞器的设计规范，询问点可包括任何适当间隔。
为便于多个询问点，在一些实施例中流式细胞器可在光源14和16的一个或多个与流体通道25之间包括分束器，诸如图2所示包括分束器18。一般而言，分束器18可包括配置成将光线分成两束或多束不同的光线的任何适当光学元件。由此，分束器18不限于如图2所示将光线分成三束的表示。此外，图2所示的细胞器不限于相关于光源14使用分束器18。具体地，流式细胞器可附加或替换地包括放置的分束器，从而能分裂导自光源16的光线。在一些实施例，将多个光源包括在流式细胞器内，特别是每个询问点一个光源是有利的。这样，在一些情形中，流式细胞器可能不包括分束器。特别地，由于基于芯片的流式细胞器内设备组件的小型化，流式细胞器的检测器可能需要采集来自一询问点的全部射线，以便于充分地测量特定通道的荧光。因此，除了针对每个询问点包括一不同光源之外，针对每个询问点流式细胞器可包括一不同的检测器。此外，流式细胞器可针对每个询问点包括不同的一组光学组件，包括但不限于反射镜、透镜和/或滤光器。用于本文所述流式细胞器的光源、光学元件和检测器的一示例性排列如图4所示，并在以下更详细地描述。
在任一情形中，尽管图2示出其中所描述的流式细胞器包括有两个光源，但可以理解，流式细胞器可在其照射子系统内包括任何数目的光源。可在流式细胞器内采用任何适当光源，诸如但不限于发光二极管(LED)、激光器、弧光灯、光纤照明器、灯泡、白炽灯或本领域中公知的任何其它适当光源。此外，可将该一个或多个光源配置成发射单色光、多色光、宽带光、或其某些组合。此外，可将来自一个或多个光源的光线以任何适当的方向导向流体通道25(例如，通过光源的适当定位和/或通过使用适当的光导光学元件)。这样，尽管图2示出了以基本相反的方向将光导向流体通道25的光源14和16，但本文所述系统并非必然如此受限。
如上所述，图4示出了用于本文所述的流式细胞器的光源、光学元件和检测器的示例性排列。该示例性排列包括四个光源38，它们实质上与四个不同的采集光学器件42和四个不同的检测器44垂直对齐。换言之，采集光学器件42被排列成沿基本上与引导来自光源38的光线的方向垂直的方向采集从样品流体内颗粒发射的光线。采集光学器件42可包括一个或多个折射光学元件，其各自配置成采集从沿流体通道的相应位置发荧光和/或散射的光。检测器44可包括任何适当检测器，诸如但不限于硅雪崩光电二极管。在一些情形中，可将光源38各自配置成发射波长基本相同的光线。然而，在其它实施例中，可将一个或多个光源38配置成发射与其它光源38所发射光线不同波长的光线。
在一些实施例中，本文所述系统可包括置于采集光学器件42与检测器44之间的滤光器48。滤光器48可包括本领域已知的任何适当光学元件，诸如但不限于被配置成限制由检测器44所检测光的波长的光谱滤光器。如图4进一步所示，该示例性安排可包括照射光学器件50。照射光学器件50可包括多个折射光学元件，其可包括本领域中已知的任何适当折射光学元件。可将照射光学器件50的折射光学元件各自配置成准直由半导体发光器的光源38所产生的光束52之一。以此方式，光束可沿基本彼此平行的方向被导向通道25。尽管图4显示包括四个组件集，但可以理解，本文所述系统可包括任何适当数目的组件集。
图5示出用于本文所述流式细胞器的光源、光学元件和检测器的一不同示例性排列，其采用本文中称为90度离轴照射的配置。在这种配置中，系统可包括被配置成以某种角度将光导向流体通道25的光学元件，该角度与配置光源38将光导向流体通道25的角度成90度。或者，可将光源38安排成以与流体通道25成90度的角度引导光。更具体地，可将反射镜或其它适当光学元件安排成使来自光源38的光以与流体通道和光学层叠件(optical stack)基本上垂直的方向撞击流体通道25，该光学层叠件包括采集光学器件42和检测器44以使该光的90°侧散射分量得以为光学询问方法采集和检测。为例示这种配置，图5描绘组件沿x-z平面的示例性安排，其中通道25内的流体在x方向上流动，且光学元件和检测器的位置相对于通道25处于z方向。在这种实施例中，光源相对于通道25在y方向上排列，因此未在图5中示出。相反，来自光源的光束54被示为从表示90度离轴照射的页面穿出。尽管图5示出了单个组件集，但可以理解，本文所述系统可包括任何适当数量的不同组件集，如类似地对图4所示配置所述。
在一些实施例中，本文所述的流式细胞器可包括用于采集发荧光和/或散射的光的非球面镜。具体地，非球面镜可有利地将所采集的光扭歪到检测器可能能够检测的光线范围内的程度。更具体地，检测器的检测范围一般不能以基于芯片的流式细胞器中其它器件一样的方式按比例缩小，由此纳入非球面镜以将所采集光变到在检测器能力内的范围可能是有利的。在一些实施例中，非球面镜可涂覆有抗反射涂层(ARC)以有助于排斥非期望波长，从而增大所采集光的信噪比。在一些实施例中，可采用配置成反射荧光射线而非散射光的ARC。在其它实施例中，可采用被配置成除反射荧光射线外还反射散射光的ARC。这种配置可由ARC配置反射的波长范围促成。如图5所示，非球面镜56可被排列在流体通道25的与采集光学器件42、滤光器48和检测器44相对的一侧。以此方式，非球面镜56可增加流式细胞器所采集光的量。注意，参照图4所述组件的配置也可包括非球面镜。
响应于激发，样品流中的颗粒可发荧光，由此发出样品流体中存在至少一种以下材料的信号，这些材料包括但不限于：颗粒标识染料、酶、蛋白质、氨基酸、DNA、RNA、抗体和抗原。除引导被用作指示符的荧光外，磁场的存在可用来进一步调制颗粒的激发或来自颗粒的射线。分析模块的一个有利特征是使用由分析模块的多个通道产生的输出实时测量或“读取”以及归类荧光颗粒的能力。
在一些实施例中，可将系统配置成在样品流过流体通道25内的询问区时门控颗粒对照射的响应来执行测量。例如，当样品流过分析模块的光学询问区时，可通过用采集光学器件和一个或多个检测器采集和检测荧光和/或散射光并将一个或多个检测器的输出与预定阈值作比较来门选颗粒对照射的响应。如果输出在预定阈值之上，则系统可确定微球引起荧光和/或散射光，且因此确定微球正在通过询问区。这样，与微球相对应的荧光和/或散射光可由系统记录或以其它方式处理(例如，针对实时归类的处理)。
在另一实施例中，可将系统配置成通过辨别流过流体通道25的询问区的单个颗粒和基本同时流过询问区的多个颗粒来执行测量。例如，由分析模块的一个或多个检测器检测的散射光一般可与被一个或多个光源照射的颗粒的体积成比例。因此，该一个或多个检测器的输出可用来确定处于光学询问区的颗粒的直径和/或体积。此外，一个或多个检测器的输出与颗粒的已知大小或体积可用来标识一个以上的微球，这些微球粘在一起或者几乎同时通过光学询问区。因此，可区分这种颗粒与其它样品颗粒和校准颗粒。此外，如果样品颗粒和校准颗粒的大小不同，可利用一个或多个检测器的输出来区分样品颗粒和校准颗粒。
如上所述，便携系统12在一些实施例中可包括处理模块6。这种模块通常可配置成在样品被引入微流体分析模块5之前处理样品。该处理可包括粒径过滤、离心、分析物分离、分析物扩增、样品洗涤、细胞裂解、凝血因子中和、pH调节、温度循环、试剂混合以及测定反应的任一个或多个。也可考虑其它处理步骤。可用作处理模块6的系统的示例性配置在图6-9中示出并在以下更详细地描述。可用于支持这种系统的示例性组件在图10-11c和16-18中示出。此外，用于操作这种处理模块的方法在图12-15的流程图中示出。在其它实施例中，便携系统12可不包括处理模块6。在这种情形中，可将便携系统12配置成能分析原始样品(即未曾预处理的样品)或已被独立于便携系统12预处理的样品。
图6示出流体试样制备系统51的示意图，而图7示出流体试样制备系统51的示例性配置的透视图。如图6和7所示，流体试样制备系统51可包括用于将流体样品引入系统51的样品入口53。在一些实施例中，流体试样制备系统51可包括用于在引入入口53之前处理样品的样品预处理系统54。可将该预处理系统配置成能执行以下参照图13所述的任一步骤或任何状态变换步骤。例如，可考虑采用湿壁气旋(wetted wall cyclone)将气体样品冷凝成液体。流体试样制备系统51还包括试剂包(reagent pack)56，其包括各自填充有不同试剂的多个容器。试剂包56还可包括用于容纳由系统51执行的流体试样制备而产生的废液流的一个或多个容器。注意，图6所示的试剂是示例性的，且流体试样制备系统51并非必然受限于此。为了处理样本，可将试剂包56排列在试剂包容器64(如图7所示)内并耦合于多端口阀58，该多端口阀58又可通过流控管线耦合于反应容器60。此外，输入53可耦合于多端口阀58。在一可选实施例中，流体试样制备系统51可包括分别与试剂包56的容器和/或输入53耦合的一个或多个单独的阀。在任一情形中，在由处理模块6使用之前试剂包56可贮存于便携系统12的试剂储存模块4中。
如图6和7所示，流体试样制备系统51还可包括与多端口阀58耦合的控制电器66和泵62。或者，流体试样制备系统51可使用便携系统12的泵模块8。在任一情形中，控制电器66、泵62或泵模块8、以及多端口阀58可共同配置成使得引入输入53内的样品和试剂包56内的试剂可被引入反应容器以及从中抽取，优选在流体试样制备过程中的不同阶段。试剂进入和离开反应容器60的示例性路径的更详细描述将在以下参照图12-15提供。
如图7所示，流体试样制备系统51还可包括耦合于控制电器66的存储介质68。一般而言，存储介质68可包括可由处理器执行的程序指令，用以自动制备流体试样，诸如但不限于以下参照图12-15所示的流程图描述的步骤。该存储介质可包括但不限于只读存储器、随机存取存储器、磁盘或光盘、或者磁带。程序指令可用各种方法的任一种实现，包括基于过程的技术、基于组件的技术、和/或面向对象的技术等等。例如，程序指令可按需使用ActiveX控件、C++对象、JavaBeans、微软基础类(“MFC”)或其它技术或方法。在一些实施例中，存储介质246可包括用于执行程序指令的处理器。然而，在其它实施例中，可将存储介质246配置成耦合于处理器(例如通过传输介质)。在任一情形中，处理器可采取各种形式，包括个人计算机系统、大型计算机系统、工作站、网络装置、因特网装置、个人数字助理(PDA)、数字信号处理器(DSP)、场可编程门阵列(FPGA)、或其它设备。一般而言，术语“计算机系统”可被宽泛地定义为包括具有一个或多个处理器的任何设备，其执行来自存储介质的指令。注意，图7中通过虚线显示存储介质68耦合于控制电器66，从而指示该连接可以是固定的或者是可拆卸的。
在一些实施例，可将流体试样制备系统51配置用于多用途操作，因此可重复使用。具体地，可将流体试样制备系统51配置成能制备多个流体试样，包括组成相同或不同的流体试样。在其它实施例中，可将流体试样制备系统51配置用于单用途操作，因此可配置成一次性的。在任一情形中，可将试剂包56配置成用于单用途或多用途操作。这样，可将试剂包56配置成一次性的(即在已制备了单个流体试样后丢弃)，或者可重复使用的(即包括足以制备多个试样的试剂量)。在后一情形中，可将试剂包56的容器配置成在消耗了一种或多种试剂后丢弃，或者可配置成重新填充。在任一实施例中，试剂包56容许简便的替换，并且一般而言维护和制造是便宜的。
反应容器60的示例性配置在图8中示出。如图8所示，反应容器60可包括注射/抽吸针头，其可用来从反应容器60接收溶液和向反应容器60分派溶液，诸如从/向流体试样制备模块50的试剂包56和输入53。反应容器60还包括分析模块抽吸针头，其可用来向微流体分析模块5分派溶液。如图8所示，反应容器60还可包括通风口、磁铁致动器以及磁铁70。在一些实施例中，反应容器60还可包括声裂系统，或者更一般地，流体试样制备系统51可包括靠近反应容器60的声裂系统。将磁铁致动器和磁铁用于制备流体试样的示例性方式如图9所示。具体地，图9包括其中反应容器容积为空的快照I，因此没有流体样品或试剂被引入其中。图9进一步示出快照II，其中反应容器容积充满流体样品、磁性颗粒、以及在一些情形中的一种或多种试剂。图9的快照III示出磁铁70在反应容器容积附近致动以固定磁性颗粒，而图9的快照IV示出在磁性颗粒被固定时将液体去除的反应容器容积。流体试样制备过程期间这种操作的可能分期的更详细描述在以下参照图12-15提供。图10示出试剂包容器64的示例性配置。具体地，图10示出包括容纳试剂包56的槽的试剂包容器64。如图10所示，该槽可包括隔膜穿刺针头，用以穿刺试剂包56的容器并使试剂能被路由传送到多端口阀58和/或分别与之耦合的任何阀。该槽和穿刺针头允许简便的拆卸和安装，同时不需要操作人员进行流体连接。在一些实施例中，可优选将试剂包容器64配置成前后倾斜。具体地，在一些实施例中，可优选摇动试剂包56内的一种或多种试剂。例如，可优选摇动溶液内的颗粒以减少试剂包容器内的凝集。可通过倾斜机构72将这种摇动引入试剂包容器64内，其各个位置在图11a-11c中试剂包容器64的横截面视图中示出。在一些实施例中，在振荡倾斜机构72期间，试剂包56可将一个或多个试剂容器内的小气泡包括到相应试剂内的主要悬浮成分中。对于包括颗粒的试剂，气泡的存在特别有利于其维持悬浮在伴随浆液内。一般而言，倾斜机构72的操作可以是连续的、周期性的或零星发生的。
参看图12-15，示出了用于制备流体试样的示例性方法的流程图。如上所述，本文所述系统的存储介质可包括可由处理器执行的程序指令，用以自动制备流体试样，诸如但不限于以下参照图12-15所示的流程图描述的步骤。因此，参照图12-15所述的方法可称为“计算机实现的方法”。注意，术语“方法”和“计算机实现的方法”在本文中可互换使用。还要注意，在一些情形中可将计算机实现的方法和本文所述系统的程序指令配置成执行除流体试样制备相关的那些之外的过程，并且因此计算机实现的方法和本文所述系统的程序指令并非必须限制于图12-15的描绘。
如图12所示，用于制备流体试样的方法可包括框80，其中流体样品与第一组磁性颗粒相混合。参照图12的系统51，框80的过程可包括将流体样品注入输入53，并将流体通过多端口阀58路由传送到反应容器60。随后或同时，来自试剂包56的第一组磁性颗粒可通过多端口阀58路由传送到反应容器60以与流体样品混合。在一些实施例中，流体样品可诸如通过以下参照图13所述的处理步骤预处理(即在引入系统之前处理)。另外或替换地，样品的状态可在引入系统之前变换。例如，可将诸如生物组织等固体样品悬浮在缓冲液内，或者可将气体样品冷凝成液体。在其它实施例中，流体样品可在引入系统之前不进行处理。在这种情形中，系统51可在一些实施例中配置成进行以下参照图13所述的一些步骤。例如，在一些情形中，输入53可包括滤光器。此外或替换地，试剂包56可包括用于裂解流体样品内细胞的裂解试剂。在这种情形中，对系统51而言包括声裂系统以确保细胞在特定培育时间后裂解是特别有利的。
注意，已知用于处理流体样品的其它试剂可另外或替换地包括在试剂包56内，从而能在框80期间与磁性颗粒和流体样品混合，诸如但不限于那些专用于处理组织或流体样品的。因此，本文所述的方法和系统并非必然限于前述过程。在任一情形中，将前述处理步骤纳入系统51可扩展处理模块6的功能以执行两个过程：样品处理的自动化和试样制备的自动化。样品处理是将原始样品转换成与所需试样相容的形式。试样制备取得经转换的样品并形成基于颗粒的试样。
一般而言，框80中引用的用于与流体样品混合的第一组磁性颗粒可被配置成与该流体样品反应以依据磁性颗粒捕获期望物质。例如，在一些情形中，可将该第一组磁性颗粒配置成捕获流体样品中的核酸。这种过程在图14中所示的核酸测定流程图中示出，并在下面更详细地描述。或者，可将该第一组磁性颗粒配置成捕获位于生物样品(诸如组织或体液)内的抗原。这种过程在图15中所示的免疫测定流程图中示出，并在下面更详细地描述。注意，磁性颗粒在本文中被称为试剂，因此可构成可为其配置试剂包56来储存以供制备流体试样的试剂。更具体地，如本文中使用的术语“试剂”通常可被称为因其化学或生物活性而用于制备产物的物质。
在针对框80所述过程进行预定温育(其可以是试样特异性的)之后，该方法可继续到框81，其中第一组磁性颗粒以磁场来固定。这种过程可包括将系统51的一个或多个磁铁与之耦合的致动器移至靠近反应容器60。随后，该方法可继续到框82，其中将该流体与第一组磁性颗粒分开。具体地，可操作系统51从反应容器60中去除未经反应的流体样品。在一些实施例中，该方法可在将磁性颗粒与流体样品分开后继续将不同流体试剂与第一组磁性颗粒混合，如框84所示。在这种情形中，在与磁性颗粒混合后，该方法可重复固定磁性颗粒的步骤以将不同的流体试剂与之分开。例如，在一些情形中，洗涤液可与第一组磁性颗粒混合以去除先前与磁性颗粒混合的流体样品中任何未经反应的成分。此外或替换地，其它试剂可与第一组磁性颗粒混合以去除分析所需成分，比如用于核酸测定的核酸。在其它实施例中，试剂可与第一组磁性颗粒混合以将成分添加到磁性颗粒中以供后续分析，比如免疫测定。
在任一情形中，第一组磁性颗粒在一些实施例中可依框82与89之间的路径所示进行分析。在这种情形中，框89的过程可包括将第一组磁性颗粒移至微流体分析模块5。在其它实施例中，该方法可替换地将与第一组磁性颗粒分开(参照框82所述)的溶液与第二组不同的磁性颗粒混合，如图12所示流程图的框86所示。例如，在一些实施例中，核酸测定时可将与第一组磁性颗粒分开的核酸(如参照框82所述)与PCR试剂混合以启动PCR方法，该PCR方法在以下参照图14更详细地描述。在这种情形中，该方法可继续到框87，其中流体与第二组磁性颗粒分开，包括固定第二组磁性颗粒和去除残余液。在一些情形中，固定第二组磁性颗粒可由用来固定第一组磁性颗粒的同一磁铁进行。然而，在其它实施例中，该第二组磁性颗粒可由系统51内的不同磁铁固定。随后，该第二组磁性颗粒可依框52与89之间的路径所示进行分析。用于分析第二组磁性颗粒的程序一般可在分析第一组磁性颗粒所述的范围内。
如上所述，图13示出可用来在引入系统51之前或之后处理流体样品的示例性步骤的流程图。具体地，图13勾画出可视为如何处理流体样品的某种决定。例如，流程图包括框90，其中决定所采集样品是否需要浓缩。样品可能需要浓缩的实施例的示例是样品体积需要减小和/或估计样品内分析物的浓度太低时。图13还包括框92，其中决定所采集样品是否需要过滤。过滤处理对去除不感兴趣或者可能干扰样品分析的颗粒是有利的。除这些处理之外，图13包括框94，其中判定要制备的试样是否需要裂解所采集样品的细胞从而可取得细胞内的物质以供分析。如以上参照图12所述，裂解过程可在将流体样品与一组磁性颗粒混合之前或之后执行。在框90、92和94的决定之后，流程图包括框96，其中决定进行哪类测定。图13所示的流程图勾画了可准备核酸测定或免疫测定(基于蛋白质的)。勾画出这两类测定的示例性方法的流程图分别在图14和15中示出，并在以下更详细地描述。注意，参照图14和15所述的方法可由本文中所述的任一系统配置执行。
如图14中的框100所示，准备核酸测定可包括将核酸捕获到诸如磁性颗粒等载体上，该载体(或可)被固定。然后，可固定核酸载体而弃去其余样品，如框102所示。在一些情形中，丢弃样品后可洗涤核酸载体。尽管该过程未在图14中示出，但并非必须要省去。在框104和106，决定核酸是否需要与载体分开，并且如果适用则将核酸与之分开。在这种情形中，也可加热溶液以从颗粒中去除核酸，因此在一些实施例中系统51包括辅助加热器。框100、102、104和106的处理一般可由系统51执行，如以上参照反应容器60中的处理所述。在框104和106之后，该方法继续到框108和110，其中决定是否需要进行将RNA逆转录成DNA，如果适用则执行框110中的。
然后，决定是否对DNA扩增进行实时监测(分析)，如框112所示。如果决定要进行实时监测，则用可由美国得克萨斯州Luminex公司提供的PCR溶液进行PCR处理。框114概述了该PCR方法，并与多个步骤116同时进行以扩增DNA、将报道标记(例如PE)引到颗粒上、以及分析颗粒。如果要在实时监测之前作出决定，则不实施PCR方法，但执行多个步骤116，并且在颗粒准备好作分析时，由微流体分析模块5对其进行分析。在任一情形中，分析结果可在显示器2上显示，如框119所示。一般而言，前述的RNA到DNA逆转录过程、PCR方法以及多个步骤116可由系统51执行，如以上参照反应容器60中的处理所述。在系统51被配置用于多用途操作的情形中，该方法可继续到框118以为新样品复位流体试样制备系统/模块(APM)。
图15示出用于准备免疫测定的一示例性过程的流程图。如图15所示，该方法包括框120，其中流体样品与附着有抗体的磁性颗粒混合。在测定特异性温育期之后，如框122所述，磁性颗粒被固定和洗涤，随后如框124所述，附加抗体被添加到磁性颗粒。随后，该方法继续到框126，其中磁性颗粒被再次固定和洗涤。决定抗体是否需要标记如框128所示，如果适用则其后尚有适当步骤。然后，颗粒被分送至微流体分析模块5，如框130所示。一般而言，直至框130的每一个处理步骤(即框120、122、124、126和128)可由系统51执行，如以上参照反应容器60中的处理所述。在系统51被配置用于多用途操作的情形中，该方法可包括在框130之后为新样品复位流体试样制备系统/模块(APM)。
除了与处理模块6一起使用之外，参照图6-10所述的试剂药筒也可用于获取样品。例如，图16示出允许直接用药筒采样的反应药筒的变体。图16所示的药筒配置成通过将微型针头阵列98压向患者皮肤从而经血液采集体96获取样品。鞘液可通过鞘液入口100被引入反应容器，而样品可通过样品出口102从反应容器中去除。鞘液入口100和样品出口102可具有本领域中已知的任何适当构造。反应药筒还可包括可拆卸密封104，其可如本文所述地配置。样品从微型针头阵列流入维持室以供通过试剂药筒容器抽取，其一个实施例在图17中示出。具体地，图17示出带有微型针头的反应药筒的操作。具体地，微型针头药筒开始时可如微型药筒106所示密封。将微型药筒的顶部密封108去除以露出微型针头110。然后将该药筒的微型针头区域压在患者的皮肤上。在获取样品之后重新密封该微型针头药筒，如微型药筒112所示。然后，微型针头药筒被置于容器模块114内以供分析。将药筒置入容器致动两个针头116和118，它们刺破该药筒的密封。一个针头将鞘液注入药筒，而另一针头接收样品和鞘液的混合流体。图16所示的药筒可仅仅是采样组件，其将样品呈递给如上所述的反应药筒或可包含试剂以在内部处理样品。
生物检测使用的试剂在储存时常常必须冷藏或冰冻。如果使用这些试剂，本文所述的实施例可包括用于试剂储存模块4的便携系统12机载制冷单元。试剂储存模块的一个实施例如图18所示，其可储存和冷藏试剂并提供互锁和指示系统以使所使用的试剂不会因疏忽而被使用一次以上。例如，如图18所示，试剂储存模块可包括检测器试剂储存120，其可具有本领域所知的任何适当配置。在图18中，显示的试剂储存模块是去除药筒122(左侧)和插入药筒122(右侧)的。此外，试剂储存模块可包括指示面板124，其包括针对每个反应药筒的一个或多个指示器。例如，指示面板可包括用于每个反应药筒的指示器126。指示器可依据试剂储存模块中试剂药筒的状态而变化。例如，红灯可指示已使用药筒，未亮指示器可指示没有试剂药筒，而绿色指示器可指示新的试剂药筒。尽管图18所示的试剂储存模块被配置用于储存特定数量的反应药筒，但可以理解，该试剂储存模块可被配置成储存任何适当数量的反应药筒。
本文中实施例提供胜过被配置成执行样品测量的其它系统的多个优点。例如，本文所述的实施例基本上对其环境不敏感。此外，本文所述实施例的制造并不耗时。此外，本文所述实施例相对易于操作并可由未受培训的用户使用。此外，本文所述实施例相对便宜且能执行测量而无需大量的实验室资源来预处理一个或多个样品。此外，本文所述实施例在设计上比较灵活，从而单个系统可用于实质上不同的应用。
根据本说明书，本发明各个方面的其它修改和替换实施例对本领域技术人员是显而易见的。因此，本说明书应解释为仅仅是例示性的，是出于指导本领域技术人员实践本发明的通用方式的目的。可以理解，本文中所示和所述的本发明的形式视作目前优选的实施例。对本文中所示和所述的要素和材料可作替换，部分和过程可颠倒，并且本发明的特定特征可独立地使用，这些在受益于本发明的说明书之后对本领域技术人员是显而易见的。可对本文中所述的要素作出改变而不背离本发明的如所附权利要求所述的精神和范围。

Claims (12)

1.一种用于处理和分析生物或环境样品的便携系统，包括：
自动化试样制备模块，其被配置成将样品处理成含荧光标记颗粒的流体试样；以及
耦合于所述自动化试样制备模块的微流体分析模块，其中所述微流体分析模块包括基于芯片的流式细胞器，所述基于芯片的流式细胞器具有：
用于接收所述流体试样的第一输入导管；
用于接收鞘液的第二输入导管；以及
与所述第一输入导管和第二输入导管耦合的流体流动室，其中所述流体流动室被配置成通过将所述流体试样限于所述鞘液内产生流体流；
与所述流体流动室耦合的通道，用于通过所述流式细胞器路由传送所述流体流；
照射子系统，包括光源系统和光学系统，其共同配置成将光导向所述通道的询问区；以及
测量子系统，包括：
包括采集光学器件的采集系统，所述采集光学器件被配置成采集从
所述荧光标记颗粒发出的荧光；以及
用于分析所采集荧光的检查系统。
2.如权利要求1所述的便携系统，其特征在于，所述流体流动室被配置成产生含流体试样的流体流，其中所述流体试样在与所述流体流的流动方向垂直的竖直方向上具有最多80微米的第一尺寸和在与所述流体流的流动方向垂直的水平方向上具有最多25微米的第二尺寸。
3.如权利要求1的便携系统，其特征在于，所述第一输入导管、第二输入导管、流体流动室、通道以及所述采集系统的至少一些光学器件被固定排列在衬底内。
4.如权利要求3所述的便携系统，其特征在于，所述照射子系统和所述测量子系统被相对于彼此和所述衬底固定排列。
5.如权利要求1的便携系统，其特征在于，所述采集系统包括用以将从所述荧光标记颗粒发出的光导向所述采集系统的检测器的非球面镜。
6.如权利要求1所述的便携系统，其特征在于，所述试样制备模块被配置成将样品处理成含荧光标记磁性颗粒的流体试样，且其中所述流式细胞器包括用于沿所述通道的至少一部分感生磁场以使所述荧光标记磁性颗粒在所述流体流的预定区域内流动的装置。
7.如权利要求1所述的便携系统，其特征在于，所述通道、光源系统和光学系统互相垂直地排列。
8.如权利要求1所述的便携系统，其特征在于，所述光源系统被配置成使所述光源系统内的单个光源引导所述询问区内不同点上的光，且其中所述采集系统被配置成使所述不同点的每一个上的所述荧光标记颗粒发出的光由所述采集系统的不同检测器采集。
9.如权利要求8所述的便携系统，其特征在于，所述单个光源的至少之一发射在与所述单个光源的另一个不同的波长范围内的光。
10.如权利要求8所述的便携系统，其特征在于，所述采集系统包括一组不同的采集光学器件，以将所述不同点的每一个上发出的光导向所述采集系统的不同检测器。
11.一种基于芯片的流式细胞器，包括：
用于接收含荧光标记颗粒的流体样品的第一输入导管；
用于接收鞘液的第二输入导管；以及
与所述第一输入导管和第二输入导管耦合的流体流动室，其中所述流体流动室被配置成产生所述流体样品限于所述鞘液内的流体流，并且其中受限的所述流体样品包括一直径，其第一尺寸在与所述流体流的流动方向垂直的竖直方向上最多80微米且其第二尺寸在与所述流体流的流动方向垂直的水平方向上最多25微米；
与所述流体流动室耦合的通道，用于通过所述流式细胞器路由传送所述流体流；
照射子系统，包括光源系统和光学系统，其共同配置成将光导向所述通道的询问区；以及
测量子系统，包括：
包括采集光学器件的采集系统，所述采集光学器件被配置成采集从所述荧光标记颗粒发出的荧光，并且还包括用于分析所采集荧光的检查系统；并且
其中所述第一输入导管、第二输入导管、流体流动室、通道以及所述采集系统的至少一些光学器件被固定排列在衬底内。
12.如权利要求11所述的基于芯片的流式细胞器，其特征在于，所述照射子系统和所述测量子系统被相对于彼此和所述衬底固定排列。
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