专利名称：用于自动分析样本的基于离心力的微流体系统和方法
技术领域：
本发明属于医疗分析领域，并涉及用于自动分析样本的基于离心力的微流体系统 和方法，所述样本包含至少一种分析物，其中涉及使用适于专门与分析物相互作用的磁响 应颗粒。
背景技术：
在医疗诊断中，可看到对自动分析体液的强烈需求，这主要是因为对大量临床分 析持续增加的事实。由于样本消耗低、分析时间快和样本产量高，因而近年来已经进行很多 努力以开发用于自动分析具有低至微升的微小用量的样本的微流体系统，其属于基于离心 力的微流体系统。通常，基于离心力的微流体系统包括用于接纳样本的多个微流体结构。每个微流 体结构能够使个体样本从入口区传送到反应室，以能够进行分析物反应并进行反应产物检 测，从而确定分析物存在与否和可选地确定分析物浓度。基于离心力的微流体系统对于本领域技术人员而言是公知的，并已经在专利文献 中被大量描述，例如在美国专利公开物US2008/0252905 Al、US 2008/02371151 A1和US 2008/0206110 Al 中描述。本发明的目的在于提供用于自动分析样本的改进的基于离心力的微流体系统和 方法。这一目的通过根据独立权利要求的系统和方法得以实现。本发明的优选实施例通过 从属权利要求的特征给出。

发明内容
根据本发明的第一方案，提供一种新的用于自动分析样本的基于离心力的微流体 系统，所述样本包含至少一种分析物，其中，涉及使用适于专门与分析物相互作用的磁响应 颗粒。根据本发明的基于离心力的微流体系统可用于(生物)化学，包括活体外部诊断， 并且适于执行各种测定，通常包括样本与试剂之间的混合以及检测这些反应的结果。所述 系统可例如用于诊断测定，例如化学测定和免疫测定。典型的诊断测定例如包括分析物的 定性和/或定量分析，所述分析物例如为清蛋白，ALP (碱磷酸酶)、ALT (丙胺酸转氨酶)、 氨、淀粉酶、门冬氨酸、转氨酶、碳酸氢盐、胆红素、钙、心脏标记、胆固醇、肌氨酸酐激酶、 D- 二聚物、乙醇、g-谷氨酰转移酶、葡萄糖、HBAlc (血色素Ale)、HDL-胆固醇、铁、乳酸盐、 乳酸脱氢酶、LDL-胆固醇、脂肪酶、镁、无机磷、钾、钠、总蛋白质、甘油三酸酯、UREA和尿酸。 这一名单并未穷尽。根据本发明，样本是液态流体，其中可能存在一种或多种所关注的分析物。样本可 为化学制品，所述系统可适于执行一种或多种化学含量测定，例如药物相互作用筛分，环 境分析，有机物质辨识，等等。样本也可为生物制品，例如体液，如血液、血清、奶、唾液、脑脊 髓流体，等等。
根据本发明，术语“试剂”用于表示任何液体，例如，将与样本和/或其它试剂混合 以例如进行反应或能够实现检测的溶剂或化学溶液。试剂可例如为与第一样本相互作用的 另一样本。试剂也可为诸如水之类的稀释液体。试剂可包括有机溶剂或清洁剂。试剂也可 为缓冲剂。在更严格的术语意义上，试剂可为包含反应物的液态溶液，反应物典型地为例如 能够结合到或转变样本中存在的一种或多种分析物的化合物或药剂。反应物的示例为酶 类，酶底物，成对染色体，蛋白结合分子，核酸结合分子，抗体，螯合剂，促进剂，抑制剂，抗原 决定基，抗原，催化剂，等等。可选地，干性试剂可存在于分析装置中并被样本、另一试剂或 稀释液体溶解。根据本发明，试剂与样本异质地混合，测定为异质测定。异质测定的示例为异质免 疫测定，其中，一些反应物(例如捕获抗体)在固体支撑物上固定不动。根据本发明，固体 支撑物包括磁响应颗粒。磁响应(S卩，可磁吸引或可磁排斥)颗粒可实现为磁珠或由磁材料制成的微球，其 设置有固定不动的反应物，例如分子结合元素(如抗体)，适于专门结合到样本中包含的至 少一种分析物。在下文中，给出一些其它应用示例，其仅用于例示目的异质催化，其中磁响应颗粒形成或包含催化表面；通过磁响应珠、片或颗粒捕获和提纯核酸；利用磁响应颗粒捕获其它生物材料，例如细胞或病毒；化学固相提取。根据本发明的微流体系统包括至少一个可旋转支撑装置，其例如可具有盘状形状 并可利用诸如电动马达之类的致动器驱动而围绕旋转轴线旋转。根据本发明的微流体系统包括至少一个微流体装置，其例如可具有盘状形状并被 固定到可旋转支撑装置以随其旋转。微流体装置设置有至少一个或多个微流体结构，微流 体结构例如可相对于彼此而沿周向布置。在一个实施例中，微流体装置被可拆卸地固定到可旋转支撑装置，使得微流体装 置可安装到支撑装置而随其同步旋转，以自动分析样本；并且另外，微流体装置可在样本分 析之后易于拆下。特别地，微流体装置可实现为一次性装置而仅使用一次。每个微流体结构包括至少一个入口区，用于将所述样本和/或磁响应颗粒和/或 试剂和/或诸如洗涤缓冲剂之类的其它流体供应到与入口区流体连接的至少一个反应室。 反应室包括适于保持磁响应颗粒的至少一个保持区。保持区可实现为在几何上被限定为室 状或通道状的腔，或者实现为在至少一个反应室中包括的空余区，所述保持区被设计为至 少部分地和至少临时地保持磁响应颗粒。反应室可例如用于实现将可包含在样本中的分析物结合到设置有分子结合元素 (其适于选择性地结合到分析物)的磁响应颗粒。反应室可例如用于以诸如荧光标志之类 的可检测示踪剂来示踪颗粒结合分析物。反应室可例如用于洗掉未结合分子可检测示踪 剂。反应室可例如用于接纳具有示踪的结合的分析物的颗粒，以进行检测。特别地，反应室 的至少一个保持区可用于检测示踪的颗粒结合分析物。在一个实施例中，微流体结构包括用于接纳废料流体的至少一个废料区，其流体 连接到至少一个保持区。废料区可包括废料储器，废料储器例如利用虹吸管类通道而流体
5连接到至少一个反应室。上述微流体结构能够使样本利用微流体装置旋转所致的离心力从入口区被传送 到至少一个反应室并最终被至少部分地传送到废料区。入口区可包括流体连接到至少一个 反应室的入口端口和/或入口室。根据本发明的系统进一步包括至少一个磁体，所述磁体对应于反应室的至少一个 保持区而固定到可旋转支撑装置而随其同步旋转，用于产生适于磁操控反应室中包含的磁 响应颗粒的磁场，特别是适于将磁响应颗粒保持在保持区中。至少一个磁体可在旋转固定 到支撑装置的另一微流体装置中重新使用以操控磁响应颗粒，这样有利地允许节省微流体 装置的生产成本。而且，微流体装置的质量(惯量)可减小。至少一个磁体可例如实现为 永磁体或电磁体，电磁体可包括极靴磁体、可切换磁体或螺旋管磁体。根据本发明的实施例，至少一个磁体的磁场可用于混合和/或洗涤和/或保持磁 响应颗粒以进行检测。根据本发明的微流体系统的另一实施例，微流体装置设置有至少一个凹部，适于 容纳至少一个磁体，以减小保持区与磁体之间的距离。通过这种措施，用于操控在反应室中 所包含的磁响应颗粒的磁力(例如拉力)可被有利地增大，而不需要增大磁体的磁强度。此 实施例的进一步的优点是，聚集效应增大，从而形成均勻、均质且可能更小的磁响应颗粒部 位，这可有利于检测目的。根据本发明的微流体系统的另一实施例，微流体结构包括第一保持区和可位于相 同或另一反应室内的第二保持区。第一保持区可位于第一反应室中，第二保持区可位于第 二反应室中。可替代地，第一和第二保持区可位于一个单一反应室中。第二保持区与第一保 持区流体连通，并适于保持磁响应颗粒。在此实施例中，微流体系统包括至少一个第一磁 体，其对应于第一保持区，用于产生适于将磁响应颗粒保持在第一保持区的磁场；和至少一 个第二磁体，其对应于第二保持区，用于产生适于将磁响应颗粒保持在第二保持区的磁场。 至少一个第二磁体被固定到可旋转平台而使其随之(同步)旋转。第一和第二磁体可例如 为永磁体或电磁体，电磁体可包括极靴磁体、可切换磁体或螺旋管磁体。根据本发明的微流体系统的另一实施例，微流体结构包括第一保持区，和与第一 保持区流体连通的第二保持区。所述系统进一步包括至少一个第一磁体，其对应于所述至 少一个第一保持区而固定到支撑装置以随之旋转，用于产生适于将磁响应颗粒保持在第一 保持区中的磁场。所述系统还进一步包括至少一个第二磁体，其对应于所述至少一个第二 保持区而固定到所述支撑装置以随之旋转，用于产生适于将磁响应颗粒保持在第二保持区 中的磁场。所述系统还进一步包括至少一个第三磁体，其与支撑装置分离而使得支撑装置 能够相对于至少一个第三磁体旋转。在一个实施例中，至少一个第三磁体布置为对应于第 二保持区，用于产生适于将磁响应颗粒保持在第二保持区中的磁场。至少一个第三磁体可 例如为永磁体或电磁体，电磁体可包括极靴磁体、可切换磁体或螺旋管磁体。根据本发明的微流体系统的另一实施例，可进一步优选的是，微流体装置设置有 适于容纳第一磁体的至少一个第一凹部和适于容纳第二磁体的至少一个第二凹部，以分别 减小第一磁体与第一保持区之间的距离和第二磁体与第二保持区之间的距离。通过这种措 施，用于操控在第一和第二保持区中所保持的磁响应颗粒的磁力(例如拉力)可被有利地 增大，而不需要增大第一和第二磁体的磁强度。此实施例的进一步的优点是，聚集效应增大，从而形成均勻、均质且可能更小的磁响应颗粒部位，这可有利于检测目的。根据本发明的磁流体系统的另一实施例，系统进一步包括至少一个磁通量集中 机构，适于集中一个以上磁体的磁通量以增大与第一和/或第二保持区中的磁响应颗粒的 磁相互作用，其中所述的一个以上磁体从包括所述至少一个第一磁体、至少一个第二磁体 和至少一个第三磁体的组中选出。特别地，至少一个第二磁体可设置有磁通量集中机构，例 如极靴，适于集中磁通量，使得施加于第二保持区的磁场可以被增大。此实施例的进一步优 点是，聚集效应增大，从而形成均勻、均质且可能更小的磁响应颗粒部位，这可有利于检测 目的。根据本发明的磁流体系统的另一实施例，至少一个第二保持区设置有至少一个引 导面，适于当通过至少一个第二和/或第三磁体而磁操控所述颗粒时将磁响应颗粒局部聚 集(即，集中)在第二保持区内。通过这种措施，用于检测颗粒结合分析物的检测信号强度 可有利地被增大。适于将磁响应颗粒保持在第一保持区中的所述至少一个第一(同步旋转)磁体的 磁场可用于移动反应室中的颗粒，例如通过离心力和磁力的组合进行移动，以在测定或反 应过程中实现更有效的混合和/或洗涤。同样地，适于将磁响应颗粒保持在第二保持区中 的所述至少一个第二(同步旋转)磁体的磁场可用于移动反应室中的磁响应颗粒，例如通 过离心力和磁力的组合进行移动，以在测定或反应过程中实现更有效的混合和/或洗涤。特别地，所述至少一个第一磁体的磁场可用于混合和/或洗涤目的，而所述至少 一个第二磁体的磁场可用于保持磁响应颗粒以进行检测。本发明的微流体系统可进一步包括设置有至少一个移液尖端的移液单元，适于 将流体相对于微流体结构而传送。微流体系统可更进一步包括检测单元，适于检测保持区中包含的颗粒结合分析 物。检测单元可例如实现为荧光检测器，其包括光源，用于产生朝向微流体结构的保持区 发射的光；和荧光传感器，用于感应从荧光标志发射的荧光，其中荧光标志被制成以结合到 磁响应颗粒结合分析物。为了充分地检测颗粒结合分析物，颗粒结合分析物被结合到可检测示踪剂，例如， 能够实现颗粒结合分析物的选择性检测的染料、荧光或辐射性标志。微流体系统可更进一步包括控制器，用于根据预定的处理操作计划控制对样本 的自动分析，控制器例如可实现为运行计算机可读程序的可编程逻辑控制器，所述程序设 置有用于根据过程操作计划执行操作的指令。在现有技术中已知的包括用于发射光的光源和诸如半导体光检测器之类的光传 感器的光学检测单元，其适合作为微流体系统中的光学检测单元。光学检测单元除了包括 用于产生光束的光源以外，还可包括适合的透镜和孔，以照射第一和/或第二保持区。在此 使用的术语“光”意在包括可用于光学构造的波长范围，即除了包括可见光范围以外还包括 紫外光和红外光。根据本发明的第二方案，提供一种新的用于自动分析样本的方法，所述样本包含 至少一种分析物，其中，涉及使用适于专门与分析物相互作用的磁响应颗粒。所述方法包括以下步骤提供微流体系统，微流体系统包括可旋转支撑装置和至少一个微流体装置，微流
7体装置固定到支撑装置以随支撑装置同步旋转，其中微流体装置具有至少一个微流体结 构，微流体结构包括至少一个反应室，反应室包括适于保持磁响应颗粒的至少一个保持 区；将样本中的一个引入反应室中；将磁响应颗粒引入所述反应室中；将适于磁操控磁响应颗粒的磁场施加于保持区。所述方法可进一步包括以下步骤将其它试剂(其例如包含分子可检测示踪剂或 洗涤缓冲剂)引入至少一个反应室中。所述方法可进一步包括以下步骤检测在至少一个保持区中被保持的颗粒结合分 析物。优选地，至少当执行对颗粒的检测时，通过磁场将磁响应颗粒聚集在反应室的保持区 中。本发明的方法可例如包括一个或多个以下步骤通过以下方式将磁响应颗粒提供到微流体结构的至少一个反应室中将颗粒供应 到与反应室流体连接的入口区，并且旋转微流体装置以由此形成足以将颗粒从入口区传送 到反应室中的离心力；通过以下方式将样本提供到反应室中将样本供应到相同或不同的入口区，并且 旋转微流体装置以由此形成足以将样本传送到反应室中的离心力，从而能够在可包含于样 本中的分析物与颗粒的分析物结合元素之间实现反应；通过可检测标志(例如，染料或荧光或辐射性标志)示踪颗粒结合分析物；通过洗涤从颗粒结合分析物中移除未结合示踪剂分子；将磁场施加于至少一个保持区，例如，通过固定到支撑装置的至少一个磁体施 加；移动在至少一个反应室中包含的颗粒结合分析物，例如通过离心力和磁力的组合 进行移动，以在测定或反应过程中实现更有效的混合和/或洗涤；特别地，通过旋转微流体 装置使得所形成的离心力足以超过磁场的磁力，或者通过旋转微流体装置使得所形成的离 心力被磁场的磁力超过，而沿径向往复移动磁响应颗粒；检测在保持区中保持的颗粒结合分析物。本发明的方法可替代地可包括一个或多个以下步骤通过以下方式将磁响应颗粒提供到微流体结构的至少一个反应室中将颗粒供应 到与反应室流体连接的入口区，并且旋转微流体装置以由此形成足以将颗粒从入口区传送 到反应室中的离心力；通过以下方式将样本提供到反应室中将样本供应到相同或不同的入口区，并且 旋转微流体装置以由此形成足以将样本传送到反应室中的离心力，从而在可包含于样本中 的分析物与颗粒的分析物结合元素之间能够实现反应；通过可检测标志(例如，染料或荧光或辐射性标志)示踪颗粒结合分析物；通过洗涤从颗粒结合分析物中移除未结合示踪剂分子；将第一磁场对应于第一保持区施加于反应室，例如，通过固定到支撑装置的第一 磁体施加；移动在反应室中包含的颗粒结合分析物，例如通过离心力和磁力的组合进行移动，以在测定或反应过程中实现更有效的混合和/或洗涤；将颗粒结合分析物传送到至少一个反应室的第二保持区；将第二磁场对应于第二保持区施加于至少一个反应室，例如，通过固定到支撑装 置的第二磁体施加；检测在至少一个第二保持区中保持的颗粒结合分析物。所述方法可更进一步包括以下步骤将保持在至少一个第一保持区(其作为第一 反应室的一部分)中的颗粒结合分析物传送到至少一个第二保持区(其作为第二反应室的 一部分)中。根据本发明的方法的实施例，其包括以下步骤施加相对于微流体系统保持静止 的磁场，所述磁场适于聚集至少一个保持区中包含的磁响应颗粒。在这种情况下，所述方法 优选地包括以下步骤执行可旋转微流体装置相对于磁场的往复旋转运动，以将磁响应颗 粒局部聚集在保持区中，然后检测结合到聚集颗粒的分析物。在这种情况下，优选地，微流 体装置的往复旋转运动的幅度可从最大幅度减小至最小幅度，最小幅度特别地为零，由此 有利地将颗粒集中在中心位置附近。根据本发明的方法另一实施例，包括另一步骤通过执行旋转运动而沿径向往复 移动磁响应颗粒，在所述旋转运动中，微流体装置旋转而使得所形成的离心力足以超过作 用在颗粒上的磁力，或者旋转而使得所形成的离心力被磁力超过。


通过以下描述，本发明的其它和进一步的目的、特征和优点将更全面地显示。各附 图并入申请文件中而构成申请文件的一部分，并例示出本发明的优选实施例，且与以上给 出的概要描述以及以下给出的详细描述一起用于阐释本发明的原理。图1是根据本发明的用于自动分析样本的微流体系统的示例性实施例的示意性 截面图；图2是图1的微流体系统的示意性立体图；图3是图1的微流体系统的示意性截面图，其中例示出所述系统的细节；图4是例示出图1的微流体系统的变例的示意性截面图；图5是例示出用于操作图1的微流体系统的方法的流程图；图6是如图7中所示的本发明的微流体系统的另一示例性实施例的示例性微流体 结构的示意性俯视图；图7是本发明的用于自动分析样本的微流体系统的另一示例性实施例的示意性 截面图；图8是例示出用于操作图7的微流体系统的方法的流程图；图9是图7的本发明的微流体系统的示例性实施例的变例的示意性截面图；图10是图7的本发明的微流体系统的示例性实施例的另一变例的示意性俯视图。
具体实施例方式本发明将在下文中参照附图详细描述。具体参见图1至5，阐释用于自动分析样 本(例如体液)的基于离心力的微流体系统101的示例性实施例。微流体系统101包括盘形微流体装置(以下称为“基片102”)，其由盘形可旋转支撑装置(以下称为“平台103”) 支撑。平台103相对于基片102而同心布置并且联结到电动马达105的可旋转地被动轴 104，使得基片102和平台103围绕共同旋转轴线106而旋转。基片102利用固定元件(未 示出)被可拆卸地固定到平台103，从而使基片102与平台103同步旋转。否则，基片102 可以容易地从平台103拆下，并例如可被实施为在使用后将被弃置的一次性构件。虽然基 片102和平台103均被显示为具有盘状形状，不过，根据自动分析样本的具体需要，基片102 和/或平台103可具有所希望的任何其它形状。如图2中所示，基片102设置有多个微流体结构114，适于接纳沿周向布置并相对 于彼此等距的样本。更具体而言，基片102设置有多个扇形体状的腔111以容纳微流体结 构114。腔111可沿周向规则地布置，例如覆盖整个基片102。虽然显示出七个微流体结构 114，其仅用于例示目的，根据自动分析样本的具体需要，基片102可设置有任意所希望数 量的微流体结构114。每个微流体结构114包括第一入口区(以下称为“样本入口区115”)，其包括入 口端口和流体储器(未进一步详述)。样本入口区115与反应室119利用微毛细流体导管 (以下称为“样本导管116”)而流体连通。样本入口区115例如可用于将流体样本和/或 磁响应颗粒和/或其它试剂供应到微流体结构114。每个微流体结构114包括第二入口区 (以下称为“颗粒入口区117”)，其包括入口端口和流体储器(未进一步详述)。颗粒入口 区117与反应室119利用另一微毛细流体导管(以下称为“颗粒导管118”)而流体连通。 颗粒入口区117例如可用于将流体样本和/或磁响应颗粒和/或其它试剂供应到微流体结 构 114。在每个微流体结构114中，反应室119与废料区121 (例如其形成为室)利用例如 具有虹吸管类结构的另一微毛细流体导管(以下称为“废料导管122)流体连通。在微流体 结构114中，如果反应室119中超过特定流体量，则流体可利用由平台103旋转所致的离心 力而被从样本入口区115传送到废料区121。废料区121例如适于接纳过量的流体，例如用 于洗去未结合分子(可检测)示踪剂的洗涤缓冲剂，而示踪的磁响应颗粒结合分析物保持 在反应室119中用于检测。在微流体系统101中，平台103设置有多个平台固定磁体123，磁体123以一定方 式布置而使其对应于保持区120而位于反应室119下方，用于保持反应室119内的磁响应 颗粒。磁体123作为平台103的集成部分而与平台103同步旋转。微流体系统101进一步包括移液单元112，其设置有至少一个移液尖端113，例如 金属针或一次性尖端，适于将流体从流体储器107传送到微流体结构114。储器107(仅示 出其中一个)包含各种流体，例如样本、磁响应颗粒悬置液、试剂、洗涤溶剂、和类似物。储 器107位于底板110上。移液单元112被可操作地联结到自动定位装置(未示出)以相对 于储器107和基片102传送移液尖端113。由于这样的移液单元112和定位装置对于本领 域技术人员而言是公知的，因而在此不需要对其进行更多说明。微流体系统101进一步包括检测单元108，适于检测反应室119中包含的示踪的 分析物。检测单元108可例如实现为荧光检测器，其包括光源，用于产生朝向微流体结构 114的保持区120发射的光109 ；和荧光传感器，用于感应从荧光标志发射的荧光，其中荧光 标志被制成以结合到反应室119中所包含的颗粒结合分析物。由于诸如荧光检测器之类的检测单元对于本领域技术人员而言是公知的，因而在此不需要对检测单元108进行更多说 明。微流体系统101更进一步包括控制器(未示出)，控制器例如可实现为运行计算机 可读程序的可编程逻辑控制器，所述程序中设置有用于执行自动分析样本操作的指令。控 制器从系统101的不同部件接收信息并产生和发送对应的用于控制部件的控制信号。为了 执行此任务，控制器电连接到需要控制和/或提供信息的系统部件，包括马达105，移液单 元112和检测单元108。如图1中所示，平台103可设置有多个开口 125，以减小其质量(惯量)和/或从 下方提供至基片102的通路，例如用于检测被结合到反应室119的保持区120中保持的磁 响应颗粒126的分析物的目的。而且，如图3和4中所示，基片102被上盖箔127覆盖，以 密封微流体结构114。出于光学原因，此盖箔127有利地为透明的。类似地，基片102的至 少一部分可为透明的。具体参见图4，图4例示出图1所示微流体系统101的详细部分的截面图，其中阐 释其变例。因此，基片102设置有凹部124，凹部124用于容纳朝向基片102突出的磁体 123，从而减小磁体123与反应室119的保持区120之间的距离。具体参见例示出流程图的图5，其中阐释使用微流体系统101自动分析样本的方 法的示例性实施例。步骤I:处理开始。步骤II 将磁响应颗粒126提供到反应室119中。更具体而言，使用移液尖端113 将磁响应颗粒悬置液从包含悬置液的流体储器107之一传送到每个颗粒入口区117，然后 以预定旋转速度旋转平台103以利用离心力将预定量的悬置液从颗粒入口区117通过颗粒 导管118而传送到反应室119。在一个实施例中，磁响应颗粒126承载被附接到其外表面的 固定不动的分子结合元素，分子结合元素可专门结合到分析物，将测试在样本中的此分析 物的存在与否和可选地测试此分析物的浓度。在另一实施例中，分析物可附到磁响应颗粒 的外表面。磁体123当被传送到反应室119时磁吸引在反应室119内的保持区120处的磁 响应颗粒126。步骤III 将包含分析物的样本提供到反应室119中，分析物可专门与颗粒126相 互作用并例如可结合到颗粒126。更具体而言，使用移液尖端113将样本从包含样本的另一 储器107传送到每个样本入口区115，然后以预定旋转速度旋转平台103以利用离心力将样 本从样本入口区115传送到反应室119。在反应室119中的有效混合使其中包含的分析物 能够专门结合到磁响应颗粒126的分子结合元素，这可例如通过磁相互作用和作用在颗粒 126上的离心力的组合而实现。特别地，保持在保持区120中的磁响应颗粒126可通过执行 旋转运动而沿径向往复运动，在所述旋转运动中，基片102可旋转以形成足以超过磁体123 磁力的离心力或者可旋转以形成被磁体123磁力超过的离心力。步骤IV 示踪被保持在反应室119中的颗粒结合分析物。更具体而言，通过使用移 液尖端113将适于专门结合到分析物(在此情况下结合到颗粒结合分析物)的包含可检测 分子示踪剂(例如荧光标志)的流体从包含示踪剂的另一储器107传送到样本入口区115 和/或颗粒入口区117或另一入口区(未示出)中的每一个中，然后以预定旋转速度旋转 平台103以利用离心力将流体从样本入口区115传送通过反应室119而朝向废料区121传
11送。将包含示踪剂的流体供应到反应室119并例如重复前述在步骤III中的混合处理，使 得其中包含的示踪剂能够专门和有效地结合到颗粒结合分析物。步骤V 移除未结合示踪剂。更具体而言，使用移液尖端113将洗涤流体从包含洗 涤流体的另一储器107传送到每个样本入口区115，然后以预定旋转速度旋转平台103以 利用离心力将洗涤流体从样本入口区115传送到反应室119中，从而使包围被保持磁响应 颗粒126的流体能够被冲离至废料区121中并被洗涤流体所替代，由此移除未结合示踪剂。 这样的洗涤步骤可根据需要而重复多次。步骤VI 确定样本中的分析物存在与否和可选地确定分析物浓度。更具体而言， 利用检测单120测量示踪剂强度，例如反应室119的保持区120中保持的示踪的颗粒结合 分析物的荧光强度，并基于所获得的结果确定样本中所含分析物存在与否和可选地确定分 析物浓度。步骤VII:处理停止。在上述方法中，在每个微流体结构114中，不同数量的样本入口区115和/或颗粒 入口区117，例如仅一个单一样本入口区115和/或仅一个单一颗粒入口区117，可用于所 有液体添加物。而且，不同的流体在其同时被传送到反应室119之前可被引入到相同的或 更多个样本入口区115和/或颗粒入口区117中。具体参见图6至8，其中阐释用于自动分析样本的基于离心力的微流体系统201的 另一示例性实施例。类似于图1的微流体系统101，微流体系统201包括盘形基片202，其由盘形可旋 转平台203支撑并被可拆卸地固定到平台203，基片202和平台203相对于彼此而同心布置 并被联结到电动马达205的可旋转地被动轴204，从而围绕共同旋转轴线206而旋转。基片 202设置有多个微流体结构214。每个微流体结构214包括样本入口区215，样本入口区215与第一反应室219利用 微毛细流体导管(以下称为“样本导管216”)而流体连通。样本入口区215例如可用于将 流体样本和/或磁响应颗粒和/或其它试剂供应到微流体结构214。第一反应室219包括 第一保持区220，其可例如用于将承载分子结合元素的磁响应颗粒与包含至少一种分析物 (其结合到分子结合元素)的样本混合，以及示踪和洗涤示踪的颗粒结合分析物。每个微流体结构214进一步包括颗粒入口区217，颗粒入口区217与第一反应室 219利用微毛细流体导管(以下称为“颗粒导管218”)而流体连通。颗粒入口区217例如 可用于将流体样本和/或磁响应颗粒和/或其它试剂供应到微流体结构214。每个微流体结构214更进一步包括第二反应室223，第二反应室223与第一反应室 219利用微毛细流体导管(以下称为“室间导管225”)而流体连通。另外，第二反应室223 与废料区221利用具有虹吸管类结构的废料导管222而流体连通。第二反应室223包括第 二保持区224，其可例如用于检测已经从第一反应室219被传送到第二反应室223中的示踪 的颗粒结合分析物。微流体系统201进一步包括移液单元212，其设置有至少一个移液尖端213，适于 将流体从流体储器207传送到微流体结构214。储器207被设置于底板210上。移液单元 212被可操作地联结到自动定位装置(未示出)以相对于储器207和基片202而传送移液 尖端213。微流体系统201进一步包括检测单元208，适于检测第二反应室223的第二保持区224中所包含的示踪的颗粒结合分析物。检测单元208可例如实现为荧光检测器，其包 括光源，用于产生朝向第二保持区224发射的光209 ；和荧光传感器，用于传感从荧光标志 发射的荧光，其中荧光标志被制成以结合到第一反应室219中所保持的颗粒结合分析物。微流体系统201更进一步包括控制器，控制器从系统201的不同部件接收信息并 产生和发送对应的用于控制部件的控制信号。具体参见图7，在微流体系统201中，平台203设置有多个第一磁体226，第一磁体 226以一定方式沿周向布置而使得第一磁体226对应于第一保持区220而位于第一反应 室219之下，用于将磁响应颗粒保持在第一反应室219内。平台203进一步设置有多个第 二磁体227，第二磁体227以一定方式沿周向布置而使得第二磁体227对应于第二保持区 224而位于第二反应室223之下，用于将磁响应颗粒保持在第二反应室223内。第二磁体 227相对于第一磁体226布置在沿径向向外的位置。第一和第二磁体226、227可例如被实现为永磁体或电磁体。第一磁体226适于产 生具有足够磁强度(例如拉力)的磁场以吸引第一反应室219中包含的磁响应颗粒，从而 至少部分地和至少临时地将这些磁响应颗粒聚集在第一保持区220处。第二磁体227适于 产生具有足够磁强度(例如拉力)的磁场以吸引第二反应室223中包含的磁响应颗粒，从 而至少部分地和至少临时地将这些颗粒聚集在第二保持区224处。由于第一和第二磁体226、227均与基片202同步旋转，因而在基片202的旋转过 程中也将恒定磁场施加于第一和第二反应室219、223中的磁响应颗粒上。具体参见例示流程图的图8，其中阐释使用本发明第二实施例的微流体系统201 自动分析样本的示例性方法。步骤I:处理开始。步骤II 将磁响应颗粒提供到第一反应室219中。更具体而言，使用移液尖端213 将磁响应颗粒悬置液从包含悬置液的流体储器207之一传送到每个颗粒入口区217，然后 以预定旋转速度旋转平台203以利用离心力将预定量的悬置液从颗粒入口区217通过颗粒 导管218而传送到第一反应室219。在一个实施例中，磁响应颗粒承载被附接到其外表面的 固定不动的分子结合元素，分子结合元素可专门结合到分析物，将测试在样本中的此分析 物的存在与否和可选地测试此分析物的浓度。在另一实施例中，分析物可附到磁响应颗粒 的外表面。磁体226当被传送到第一反应室219时磁吸引第一反应室219中的保持区220 处的磁响应颗粒。步骤III 将包含分析物的样本提供到第一反应室219中，分析物可专门与所述颗 粒相互作用并例如可结合到所述颗粒。更具体而言，使用移液尖端213将样本从包含样本 的另一储器207传送到每个样本入口区215，然后以预定旋转速度旋转平台203以利用离心 力将样本从样本入口区215传送到第一反应室219。在第一反应室219中的有效混合使其 中包含的分析物能够专门结合到磁响应颗粒126的分子结合元素，这可例如通过前文中结 合图5的步骤III所述的方式实现。步骤IV 示踪被保持在第一反应室219中的颗粒结合分析物。更具体而言，通过 使用移液尖端213将适于专门结合到分析物(在这种情况下结合到颗粒结合分析物)的包 含可检测分子示踪剂(例如荧光标志)的流体从包含示踪剂的另一储器207传送到样本入 口区215和/或颗粒入口区217或另一入口区(未示出)中的每一个中，然后以预定旋转速度旋转平台203以利用离心力将流体从样本入口区215传送通过第一反应室219和第二 反应室223而朝向废料区221传送。将包含流体的示踪剂供应到第一反应室219并例如重 复前述在步骤III中的混合处理，使得其中包含的示踪剂能够专门和有效地结合到颗粒结 合分析物。步骤V 移除未结合的示踪剂。更具体而言，使用移液尖端213将洗涤流体从包含 洗涤流体的另一储器207传送到每个样本入口区215，然后以预定旋转速度旋转平台203以 利用离心力将洗涤流体从样本入口区215传送到第一反应室中，从而使包围在第一保持区 220中所保持的磁响应颗粒的流体能够被冲离至废料区中并被洗涤流体所替代，由此移除 未结合的示踪剂。这样的洗涤步骤可根据需要而重复多次。步骤VI 将磁响应颗粒结合分析物从第一反应室219传送到第二反应室223并且 在第二反应室223中聚集颗粒结合分析物。更具体而言，平台203以比将颗粒从颗粒入口 区217传送到第一反应室219时使用的旋转速度更高的旋转速度旋转，以将颗粒从第一反 应室219中释放并将其冲入到第二反应室223中。在第二反应室223中，颗粒结合分析物 然后被第二磁体227聚集在第二保持区224中。步骤VII 确定样本中的分析物存在与否和可选地确定分析物浓度。更具体而言， 利用检测单元208测量示踪剂强度，例如第二反应室223的第二保持区224中保持的示踪 的颗粒结合分析物的荧光强度，并基于所获得的结果确定样本中所含分析物存在与否和可 选地确定分析物浓度。步骤VIII:处理停止。具体参见图9，其中阐释图7的基于离心力的微流体系统201的变例。为了避免不 必要的重复，仅阐释相对于图7的微流体系统201的差别，其它情况可参照结合图6至8给 出的描述。因此，在微流体系统201中，一个或多个第三磁体230对应于第二反应室223的第 二保持区224由载架211支撑而设置在底板210上，用于将磁响应颗粒保持在第二反应室 223内。在图9中，仅显示出一个单一第三磁体230，这仅用于例示目的。类似地，以下阐释 适用于多个第三磁体230的情况。定位于底板的第三磁体230相对于固定到平台203的第 一磁体226布置在沿径向向外的位置。第三磁体230适于产生具有足够磁强度(例如拉 力)的磁场以吸引第二反应室223中包含的磁响应颗粒，从而至少部分地和至少临时地将 这些磁响应颗粒聚集在第二保持区224处。相应地，在此变例中，与转动基片202同步旋转的第一磁体226在基片202的旋转 过程中也可施加作用于第一反应室219中磁响应颗粒上的恒定磁场。另一方面，由于第三 磁体230不与基片202同步旋转，因而施加于在第二反应室223的第二保持区224中所保 持的磁响应颗粒上的磁场在基片202的旋转过程中不是恒定的。更具体而言，第三磁体230 对磁响应颗粒的影响在基片202的旋转速度减小时增加，反之亦然。第三磁体230可例如 具有以下功能在检测之前聚集第二保持区224中保持的磁响应颗粒。使用图9中的微流体系统201，在结合图8阐释的用于自动分析样本的前述方法 中，在步骤VI中，在第二保持区224中聚集示踪的颗粒结合分析物可通过以下方式实现相 对于固定于底板的第三磁体230的磁场而双向旋转平台203以执行基片202的往复旋转运 动，其中，往复旋转运动的幅度从预定最大幅度减小至预定最小幅度，例如，零。这样，基片202的往复旋转运动被可操作地结合未旋转的第三磁体230的磁场，以在各第三保持区224 处局部的聚集(即，集中)所述颗粒。虽然在图9中未示出，不过，如图7中所示第二磁体227 (如图7中所示，固定到平 台203)可与第三磁体230 —起存在。具体参见图10，其中阐释图7的基于离心力的微流体系统201的另一变例。为了 避免不必要的重复，仅阐释相对于图7的微流体系统201的差别，其它情况可参照结合图6 至8给出的描述。相应地，基片202设置有多个微流体结构214，图10中部分地图示出其中一个微流 体结构214。微流体结构214与图6的微流体结构的不同之处在于，其仅包括一个单一反应 室219，反应室219通过如图6中所示的微毛细流体导管而流体连接到样本入口区(未示 出)和颗粒入口区(未示出)以及废料区(未示出)。每个微流体结构214的反应室219包括第一保持区220和相对于第一保持区220 独立布置的第二保持区224。第一保持区220可例如用于将承载分子结合元素的磁响应颗 粒228与包含至少一种分析物(其结合到分子结合元素)的样本混合，以及示踪和洗涤示 踪的颗粒结合分析物。第二保持区224可例如用于在示踪的颗粒结合分析物从第一保持区 220被传送到第二保持区224之后进行对其的检测。在微流体系统201中，平台203设置有多个第一磁体226，第一磁体226以一定方 式沿周向布置而使得第一磁体226对应于第一保持区220而位于第一反应室219之下，用 于将磁响应颗粒228保持在第一保持区220内。平台203进一步设置有多个第二磁体227， 第二磁体227以一定方式沿周向布置而使得第二磁体227对应于第二保持区224而位于 反应室219之下，用于将磁响应颗粒228保持在第二保持区224内。第二磁体227相对于 第一磁体226布置在沿径向向外的位置。第一磁体226适于产生具有足够磁强度(例如拉 力)的磁场以吸引磁响应颗粒228，从而至少部分地和至少临时地将这些磁响应颗粒聚集 在第一保持区220处。第二磁体227适于产生具有足够磁强度(例如拉力)的磁场以吸引 磁响应颗粒228，从而至少部分地和至少临时地将这些磁响应颗粒聚集在第二保持区224 处。由于第一和第二磁体226、227均与基片202同步旋转，因而在基片202的旋转过 程中也将恒定磁场施加于第一和第二保持区220、224中的磁响应颗粒上。另外，仅第一磁 体可随基片同步旋转。如图10中所示，为使磁响应颗粒228与反应室219的第一保持区220中的包含分 析物的样本混合，在执行旋转运动中颗粒228可沿径向往复移动，在旋转运动中，平台203 以一定方式交替旋转，使得所形成的离心力足以超过第一磁体226的磁场的磁力，或者使 得所形成的离心力被第一磁体226的磁场的磁力超过。另外，通过调整平台203的旋转速度，颗粒228可保持在第二保持区224处，第二 保持区224设置有引导面229，引导面229与第二磁体227的磁力相结合可用于将颗粒228 局部地聚集在第二保持区224中。如图所示，特别地，引导面229可在反应室219内形成较 小的隔间。根据如前所述的本发明，由于当平台103、203的旋转运动停止时颗粒结合分析物 因扩散和/或流动扰动和/或松弛效应而通常易于重新布置的事实，因而在执行检测时将示踪的颗粒结合分析物固定在保持区内有利地增强测量可靠性。根据如前所述的本发明，由于例如荧光标志的漫射光从包含示踪的颗粒结合分析 物的保持区的内壁散射而由此降低测量的可靠性的事实和/或由于荧光标志也可并非专 门地结合到保持区内壁的事实，因此，对示踪的颗粒结合分析物的磁捕集有利地允许所述 颗粒定位而与保持区内壁具有更大距离，并由此有利地增强测量可靠性。显然，根据以上描述，本发明的许多进一步的修改和变化是可行的。因此，应理解， 在所附权利要求书的范围内，本发明可通过不同于具体描述的方式实现。
0132]附图标记列表0133]101系统0134]102基片0135]103平台0136]104轴0137]105马达0138]106旋转轴线0139]107储器0140]108检测单元0141]109光0142]110底板0143]111腔0144]112移液单元0145]113移液尖端0146]114微流体结构0147]115样本入口区0148]116样本导管0149]117颗粒入口区0150]118颗粒导管0151]119反应室0152]120保持区0153]121废料区0154]122废料导管0155]123磁体0156]124凹部0157]125开口0158]126颗粒0159]127盖箔0160]201系统0161]202基片0162]203平台0163]204轴
205马达
206旋转轴线
207储器
208检测单元
209光
210底板
211载架
212移液单元
213移液尖端
214微流体结构
215样本入口区
216样本导管
217颗粒入口区
218颗粒导管
219第一反应室
220第一保持区
221废料区
222废料导管
223第二反应室
224第二保持区
225室间导管
226第一磁体
227第二磁体
228颗粒
229引导面
230第三磁体
权利要求
一种用于自动分析样本的基于离心力的微流体系统(101；201)，所述样本包含至少一种分析物，其中，涉及使用适于专门与所述分析物相互作用的磁响应颗粒(126；228)，所述系统包括至少一个可旋转的支撑装置(103；203)；至少一个微流体装置(102；202)，其固定到所述支撑装置以随其旋转并设置有至少一个微流体结构(114；214)，所述微流体结构(114；214)具有至少一个入口区(115，117；215，217)，和用于接纳所述样本中的一个样本的与所述至少一个入口区流体连通的至少一个反应室(119；219，223)，至少一个反应室(119；219，223)包括适于保持所述磁响应颗粒(126；228)的至少一个保持区(120；220，224)；至少一个磁体(123；226)，其对应于所述至少一个保持区(120；220，224)而被固定到所述支撑装置(103；203)以随所述支撑装置(103；203)旋转，用于产生适于磁操控容纳在所述至少一个反应室(119；219，223)中的所述磁响应颗粒的磁场。
2.根据权利要求1所述的系统(101；201)，其中，所述微流体装置(102 ；202)设置有至 少一个凹部(124)，适于容纳所述至少一个磁体(123)，以减小所述至少一个保持区(120) 与所述至少一个磁体(123)之间的距离。
3.根据前述权利要求1或2中任一项所述的系统(201)，其中，所述微流体结构(214) 包括第一保持区(220)和与所述第一保持区(220)流体连通的第二保持区(224)，其中，所 述系统进一步包括至少一个第一磁体(226)，所述第一磁体(226)对应于所述至少一个第 一保持区(220)而固定到所述支撑装置(203)以随所述支撑装置(203)旋转，用于产生适 于将所述磁响应颗粒(228)保持在所述第一保持区中的磁场；和至少一个第二磁体(227)， 所述第二磁体(227)对应于所述至少一个第二保持区(224)而固定到所述支撑装置(203) 以随所述支撑装置(203)旋转，用于产生适于将所述磁响应颗粒(228)保持在所述第二保 持区(224)中的磁场。
4.根据前述权利要求1或2中任一项所述的系统(201)，其中，所述微流体结构(214) 包括第一保持区(220)和与所述第一保持区(220)流体连通的第二保持区(224)，其中，所 述系统进一步包括至少一个第一磁体(226)，所述第一磁体(226)对应于所述至少一个第 一保持区(220)而固定到所述支撑装置(203)以随所述支撑装置(203)旋转，用于产生适 于将所述磁响应颗粒(228)保持在所述第一保持区中的磁场；至少一个第二磁体(227)，所 述第二磁体(227)对应于所述至少一个第二保持区(224)而固定到所述支撑装置(203)以 随所述支撑装置(203)旋转，用于产生适于将所述磁响应颗粒(228)保持在所述第二保持 区(224)中的磁场；和至少一个第三磁体(230)，其与所述支撑装置(203)分离而使得所述 支撑装置(203)能够相对于所述至少一个第三磁体(230)旋转。
5.根据前述权利要求3或4中任一项所述的系统(201)，其中，所述微流体装置(214) 设置有至少一个第一凹部，适于容纳所述至少一个第一磁体(226)，以减小所述至少一个第 一磁体(226)与所述至少一个第一保持区(220)之间的距离；并设置有至少一个第二凹部， 适于容纳所述至少一个第二磁体(227)，以减小在所述至少一个第二磁体(227)与所述至 少一个第二保持区(224)之间的距离。
6.根据前述权利要求3至5中任一项所述的系统(201)，进一步包括至少一个磁通量 集中机构，适于集中一个所述磁体的磁通量以增大与所述磁响应颗粒(126;228)的磁相互作用。
7.根据前述权利要求3至6中任一项所述的系统(201)，其中，所述至少一个第二保持 区(224)设置有至少一个引导面(229)，适于将所述磁响应颗粒(228)聚集在所述至少一个 第二保持区(224)内。
8.根据前述权利要求3至7中任一项所述的系统(201)，其中，所述微流体装置(214) 具有第一反应室(219)和第二反应室(223)，所述第一反应室(219)包括所述第一保持区 (220)，所述第二反应室(223)包括所述第二保持区(224)。
9.根据前述权利要求1至8中任一项所述的系统(101；201)，进一步包括至少一个废 料区(121 ；221)，用于接纳废料流体并与所述至少一个反应室(119 ；219,223)流体连通。
10.根据前述权利要求1至9中任一项所述的系统(101；201)，其中，所述微流体装置 (102 ；202)被可拆卸地固定到所述支撑装置(103 ；203)。
11.一种用于自动分析样本的方法，所述样本包含至少一种分析物，其中，涉及使用适 于专门与所述分析物相互作用的磁响应颗粒(126 ；228)，所述方法包括以下步骤提供微流体系统(101，201)，微流体系统(101，201)包括可旋转支撑装置(103 ;203) 和至少一个微流体装置(102 ；202)，所述微流体装置(102 ；202)固定到所述支撑装置以随 所述支撑装置旋转，所述微流体装置具有至少一个微流体结构(114 ；214)，所述微流体结 构(114 ；214)包括至少一个反应室(119 ;219，223)，所述反应室(119 ；219, 223)包括用于 保持所述磁响应颗粒的至少一个保持区(120;220，224)；将所述样本中的一个引入所述反应室(119 ；219,223)中；将所述磁响应颗粒(126 ；228)引入所述反应室(119 ；219，223)中；将适于磁操控所述磁响应颗粒(126;228)的磁场施加于所述保持区(120 ;220，224)。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括以下步骤施加相对于所述微流体系统 (201)保持静止的磁场，所述磁场适于聚集容纳在所述至少一个反应室(223)中的所述磁 响应颗粒(228)。
13.根据权利要求12所述的方法，包括以下步骤执行所述微流体装置(202)相对于 所述磁场的往复旋转运动，以将所述磁响应颗粒(228)局部聚集到所述至少一个保持区 (224)中，然后检测与所述聚集的颗粒(228)相互作用的分析物。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述往复旋转运动的幅度从最大幅度减小至 最小幅度，所述最小幅度特别地为零。
15.根据前述权利要求11至14中任一项所述的方法，进一步包括以下步骤通过执行 旋转运动而沿径向往复移动所述磁响应颗粒(126 ；228)，在所述旋转运动中，所述微流体 装置(102 ；202)旋转而使得所形成的离心力足以超过作用在所述颗粒(126 ；228)上的磁 力，或者旋转而使得所形成的离心力被所述磁力超过。
全文摘要
本发明涉及用于自动分析样本的基于离心力的微流体系统和方法。该系统中，涉及使用磁响应颗粒，系统包括可旋转的支撑装置；至少一个微流体装置，其固定到所述支撑装置以随其旋转并设置有至少一个微流体结构，所述微流体结构具有至少一个入口区，至少一个反应室，与所述入口区流体连通并包括适于保持所述磁响应颗粒的至少一个保持区；至少一个磁体，其对应于所述至少一个保持区而固定到所述支撑装置以随所述支撑装置旋转，用于产生适于磁操控在所述至少一个反应室中包含的所述磁响应颗粒的磁场。本发明进一步涉及一种用于自动分析流体的方法。
文档编号G01N35/00GK101893640SQ20101017949
公开日2010年11月24日 申请日期2010年5月17日 优先权日2009年5月18日
发明者B·尼德伯格, E·乌斯特布罗克, M·库尔西奥, S·科纳 申请人:霍夫曼-拉罗奇有限公司