專利名稱：集成的生物－分析和樣品制備系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及生物-分析，和更具體地集成樣品制備過程(integrating samplepreparation process)的生物-分析系統，而且更具體地涉及集成樣品制備過程的多-通道(multi-channel)生物-分析系統。
背景技術：
生物分析，如DNA分析，正在迅速地從純科學的對于準確度的追求轉變為具有增加的而且被證實的可靠性的常規方法。醫學研究者、藥理學家和法醫調查者在它們從事的工作中全都使用DNA分析。然而由于檢測和測定DNA樣品的設備的復雜性和樣品制備中的困難，現有的DNA分析方法常常是費時而且昂貴的。因此需要減少部件(part)的大小、數量，和設備的成本，以在所述過程中簡化樣品處理，并大體上具有簡單、低成本、高靈敏度的檢測器。
一類DNA分析儀器通過依靠電泳來分離DNA分子。電泳技術可用于分離DNA片段用于基因型分型(genotyping)應用，其包括人身份測試(humanidentity testing)、表達分析、病原體檢測、突變檢測和藥物遺傳學(pharmacogenetics)研究。術語電泳是指帶電的分子在電場影響下的運動。電泳可用于分離具有相等的荷質比(charge-to-mass ratio)但質量不同的分子。DNA片段是上述分子的一個實例。
有多種商業上可得到的采用電泳分析DNA樣品的儀器。其一種類型是毛細管電泳(CE)儀。通過在融合的攜帶緩沖溶液的硅毛細管柱中應用電泳，與板(slab)凝膠-電泳方法相比，樣品大小要求顯著較小而且分離速度和分辨率可提高多倍。在CE中，這些DNA片段常常通過如下方法檢測引導光穿過毛細管壁，到達從樣品分離的組分，所述樣品已用熒光物質標記，并檢測由入射光(incident light)誘導的熒光發射(fluorescence emission)。發射的強度代表樣品組分的濃度、量和/或大小。在過去，已經開發了用于CE儀器的激光-誘導的熒光(LIF)檢測方法。由于與其它檢測方法相比熒光檢測的突出的靈敏度，它常常是基因組學和蛋白質組學的領域中所選擇的檢測方法。
迄今為止，CE儀器被設計為對首先在其它設備制備，然后加載到CE儀器內的樣品架上的樣品起作用。可實際涉及一些樣品制備方法，其需要手動和/或自動程序。已經設計了專用的設備和系統以僅僅處理樣品制備，其包括步驟，如樣品提取、純化、擴增、穩定化等等，以產生適于通過CE儀器分離的樣品。例如，DNA樣品可通過聚合酶鏈式反應(PCR)方法制備，以從痕量的DNA樣品中擴增足量的樣品。可將PCR過程的產品經過CE過程以驗證PCR過程的結果的完整性或狀態。從單獨制備的樣品到CE分離/分析儀器的轉移需要足夠的人工干預，這影響總生產量(overall throughput)。
需要開發全部集成的生物分析系統，其包括內置的樣品制備加工能力(sample preparation process capabilities)，以在樣品制備和分離/分析的過程中避免用戶干預。
發明內容
本發明提供了集成的生物分析系統，其具有內置的樣品制備加工能力。在本發明的一個方面中，提供了具有內置的樣品制備設備的生物-分析儀器。在一個實施方案中，樣品制備過程包括生物-分子反應過程。在具體的實施方案中，所述生物-分子反應過程是基于PCR。在本發明的又一個實施方案中，樣品制備設備中的peltier單元提供多孔盤(multi-well tray)中承載的(supported)樣品的熱循環。
在本發明的另一個方面，提供了具有內置的樣品制備能力的CE儀器，其可包含生物-分子反應過程，例如，基于PCR的樣品制備設備。
在本發明的另一個方面，提供了具有內置的分析設備，如CE設備的生物-分子反應系統，用于驗證反應產物的結果，其可為修飾的生物-分子樣品。在具體的實施方案中，所述生物-分子反應系統基于PCR制備樣品。在本發明的又一個實施方案中，提供了樣品制備設備中的熱循環單元。通過PCR設備制備的樣品可在其它系統中用于其它分析。
為了更全面地理解本發明的性質和優勢，以及使用的優選模式，應該參考與附圖一起閱讀的如下詳述的說明。在如下的附圖中，所有附圖中相同的附圖標記數字表明相同或相似的部件。
圖1是根據本發明的一個實施方案的包含樣品制備設備的毛細管電泳系統的示意圖。
圖2是根據本發明的一個實施方案的包含樣品制備設備的毛細管電泳系統的透視圖。
圖3是根據本發明的一個實施方案的毛細管電泳系統的控制系統的方框圖。
圖4是樣品制備設備的透視圖。
圖5是樣品制備設備沿圖4中線5-5的剖視圖。
圖6是說明不同樣品加工階段的關系的示意方框圖。
發明詳述下面參考附圖根據不同的實施方案描述本發明。當為了實現本發明的目的按照最佳模式描述本發明時，本領域的技術人員將理解的是，鑒于這些教導，在不背離本發明的精神或范圍的前體下可進行改變。
本發明提供了與樣品制備集成的生物-分析系統。在本發明的一個方面中，提供了具有內置的樣品制備設備的生物-分析儀器。在一個實施方案中，樣品制備過程包括生物-分子反應過程。在具體的實施方案中，生物-分子反應過程是基于PCR。在本發明的另一個方面，提供了具有內置的樣品制備能力的CE儀器，其可包含生物-分子反應過程，例如，基于PCR的樣品制備設備。在本發明的另一個方面，提供了具有內置的分析設備，如CE設備的生物-分子反應系統，用于驗證反應產物的結果，其可為修飾的生物-分子樣品。在具體的實施方案中，生物-分子反應系統制備基于PCR的樣品。在本發明的又一個實施方案中，提供了樣品制備設備中的熱循環單元。通過PCR設備(device)制備的樣品可在其它系統中用于其它分析。
為了說明本發明原理并且不用于限制的目的，通過參考涉及CE分析和PCR樣品制備的實施方案描述本發明。在說明的實施方案中，本發明提供了在用于遺傳分析的自動化多-通道CE系統中制備PCR樣品的全部集成的系統。
本發明的受讓人Biocal Technology，Inc.開發了基于CE的自動化儀器(HDA-GT12 DNA Analyzer System)。發明的自動化儀器的說明性的實施方案是基于Biocal的CE儀器，其并入了低成本和靈敏的光學檢測技術，集成的試劑柱體(cartridge)和微-流體的(micro-fluidic)電泳原理用于實時熒光分析，以形成靈敏而準確的生物試劑檢測(遺傳分析)系統。該系統被設計為高處理量、易于使用、便攜、廉價、非常堅固并用于實地操作/應用。
將柱體(cartridge)設計為被所述儀器承載，而所有必需的柱體元件(element)排列并偶聯以承載儀器中的元件。柱體相對于樣品盤固定(held)，該樣品盤可相對于柱體中的毛細管分離通道移動。通過提供基于PCR的站(station)來改進所述儀器以從加載到系統中的原始樣品來制備樣品用于分離和分析，全部位于同一儀器中，由此一旦將原始樣品(例如，提取的DNA)加載到自動化儀器中，在整個樣品制備(DNA擴增/PCR)、分離和分析的過程中使進一步用戶干預最小化。
注意到在本發明的上下文中，原始樣品(例如，提取的DNA)可為中間體狀態或在實地取得的樣品的形式，其在被加載到自動化系統中的樣品制備站中之前，可經過在前的預制備過程(preliminary preparation process)。在本發明的上下文中，所述原始樣品在自動化儀器中經過顯著的樣品制備過程(例如，PCR)，所述自動化儀器將樣品轉化為明顯不同的和/或修飾的形式和/或狀態，而超出簡單地將原始樣品進行稀釋，或僅僅以易于在后續過程中操作的形式提供原始樣品的其它過程。例如，將原始樣品經過樣品制備設備中的生物-分子反應過程。圖6是示意方框圖，其說明本文中討論的加工的各個過程的關系。關于后續的分離和/或分析過程，通過樣品制備設備制備得到的樣品是后續分離和/或分析過程的輸入，而且其為進行分離和/或分析的樣品。原始樣品是輸入樣品制備設備的樣品，其為通過樣品制備設備進行加工的樣品。原始樣品可為在前的預加工的產物。
例如，對于在實地取得的生物樣品，如受試者唾液(saliva)或血液，將其進行預處理，包括而不限于提取和純化，以獲得受試者的DNA試樣樣本。這樣提取的DNA片段是″原始樣品″，連同不可避免的化學品(例如，引物、聚合酶等)，其被加載到本發明的集成的系統200中(如下公開)，和更具體的樣品制備設備，如用于PCR擴增。PCR過程的輸出是用于后續分離和/或分析的樣品。
CE系統的概述為了實地robustness設計并構造該系統，其重量不大于40磅。
該便攜的系統也并入內裝模塊的和集成的PCR熱循環儀，其具有peltier冷卻設備用于DNA擴增。
圖1是根據本發明的實施方案的毛細管電泳(CE)系統200的圖示。該CE系統200通常包含毛細管分離柱22(例如，200-500，μmO.D.)，其限定了分離通道36(例如，25-200μm I.D.)。所述毛細管柱22可由熔融石英(fused silica)、玻璃、聚酰亞胺(polyimide)或其它塑料/陶瓷/玻璃質的材料制成。分離柱22的內壁(即，分離通道36的壁)可用物質涂覆，所述物質能積累靜電荷以促進樣品組分的電泳和/或電動遷移(electrokinetic migration)。分離通道36以分離支持介質(support medium)填充，其簡單地可為本領域已知的電泳緩沖液(running buffer)或篩析凝膠基質(sieving gel matrix)。對于輻射誘導的(radiationinduced)熒光檢測而言，該凝膠基質包括已知的熒光團(fluorophore)，如溴化乙錠(Ethidium Bromide)。
毛細管柱22的一端浸入電泳緩沖液/凝膠34的容器(reservoir)28中。毛細管柱22的另一端與樣品小瓶(vial)26連接。可以理解可將在另一實施方案中顯示的檢測構造(configuration)同樣地在類似于CE系統200的系統中實現。而且，分離通道36可為一個直的毛細管或微-通道，其具有檢測窗口的部分，所述檢測窗口最靠近位于成為檢測區的出口端的凝膠-容器，這是目前本發明的優選模式。將輻射探測器(radiation detector)24置于在檢測區30的毛細管壁的透明部分之外。激發纖維(excitation fiber)16從輻射源18(例如，LED或激光)延伸并定向到柱壁之外檢測區30。電極12和14，其為柱體裝置的部分，與緩沖液容器26和凝膠容器28連接以使電泳通道完整。
根據本發明，系統200包括樣品制備設備250。圖2中說明的實施方案顯示適于通過PCR DNA擴增的樣品制備設備。具體地，該樣品制備設備250包含用于PCR的熱循環儀(其包含加熱/冷卻元件和控制器以實現所需的加熱和冷卻條件)。將從實地(土壤、空氣和水)提取的生物分子/DNA樣品加載到微量滴定板(micro titer plate)72上，連同必需的化學性質和/或方案，并擴增(例如，在樣品制備設備的生物-分子反應過程中)以允許在毛細管電泳的過程中容易的檢測。在PCR過程已完成之后，將微量滴定板72移至毛細管柱140之下并垂直移動柱體100以允許毛細管柱140接近微量滴定板72中的孔。然后自動地操作擴增的DNA樣品(PCR產物)并通過電動注射穿過凝膠-柱體的微-通道導入用于分子的分離和熒光檢測。
CE分離和分析的概述在操作中，將從實地取得的原始樣品制備(例如，提取、純化DNA然后通過PCR擴增)成適用于CE的樣品。例如，將在通過樣品制備設備250(即，所說明的實施方案中的DNA擴增設備)制備的樣品小瓶26中制備好的生物樣品(例如，DNA樣品)，通過許多方式中的任一種導入毛細管柱22遠離檢測區30的遠端(例如，從樣品容器電動注射)。所述樣品與毛細管柱22中支持的凝膠基質中的熒光團結合。
當將直流電位(DC potential)(例如，1-30KV)施加于電極12和14之間時，樣品在施加的電位下沿分離通道36遷移(例如帶負電荷的DNA通過具有集成的染料基質/熒光團的篩析凝膠向正電極行進，如圖1所示)并分離成樣品組分的條帶(DNA片段)。分離的程度和沿分離通道36移動的距離依賴于許多因素，如樣品組分的遷移度(migration mobility)，樣品組分的質量和大小或長度，和分離支持介質。分離通道36中用于樣品分離的驅動力可為電泳的、壓力，或電滲流(electro-osmotic flow)(EOF)方法。
當樣品到達檢測區時，激發輻射經激發纖維16定向到檢測區。樣品組分以與各個樣品組分的濃度成比例(與熒光標記物質的量成比例)的強度發熒光。檢測器24在不同于入射輻射的波長測定發射的熒光的強度。檢測到的發射輻射可通過已知的方法分析。對于自動化系統，控制器32控制CE系統200的操作。
PCR的概述PCR的目的是制備基因的大量拷貝。這是必需的以便于具有足夠的起始模板用于通過CE進行DNA片段分析。下面是PCR熱循環反應的簡單解釋。
1.循環反應在PCR中有三個主要步驟，其被重復30或40個循環。這在自動化循環儀上完成，其能夠在非常短的時間內加熱和冷卻含有反應混合物的樣品小瓶。如將在稍后所述，peltier冷卻/加熱型機構(mechanism)可為集成的作為多-通道毛細管電泳儀的X-Y傳送機構的傳送運輸支架的一部分用于DNA擴增和分析的完全解決。通過PCR的DNA擴增在本領域中是公知的。方案和化學性質的細節(例如，引物、聚合酶等等)從本文的討論中省略掉。可進一步參考本領域中任何充分證明的文獻。根據PCR的一個實施方案，PCR中三個主要步驟包括1.在94℃變性在變性過程中，雙鏈溶解開成為單鏈DNA，所有酶反應停止(例如來自前一個循環的延伸)。
2.在54℃退火由布朗運動(Brownian motion)引起引物在周圍擺動(jiggle)。離子鍵在單鏈引物和單鏈模板之間不斷形成和斷裂。更穩定的鍵維持略微較長(精確配合的引物)并在所述的一片(little)雙鏈DNA(模板和引物)上，聚合酶能結合并開始拷貝模板。一旦有幾個堿基裝入，則模板和引物之間的離子鍵是如此之強以至于其不再斷裂。
3.在72℃延伸這是聚合酶的理想工作溫度。引物，當有幾個堿基裝入時，對于模板具有的離子吸引比切斷這些吸引的力更強。在沒有準確匹配的位置上的引物又變得松散(由于更高的溫度)并且得不到片段的延伸。(與模板互補的)堿基在3′側與引物連接(聚合酶由5′到3′添加dNTP′s，由3′到5′側閱讀模板，加入堿基與模板互補)。可理解在不背離本發明的范圍和精神的前提下可修改前述步驟，但仍然提供PCR或DNA擴增。
基于CE系統的多毛細管柱體根據本發明，為了核酸檢測，將PCR擴增集成在微-流體的電泳系統。將提取自實地的DNA或RNA的原始樣品純化，然后裝入(使用標準的PCR板(plate)制備步驟)自動微-流體電泳系統中的樣品小瓶(例如，96-孔微量滴定板)用于PCR擴增。特定基因標記的引物對將用于PCR分析。此外根據本發明，將樣品小瓶中制成的PCR產品經過電動的樣品注入自動導入多-通道凝膠柱體用于高-分辨率分離和熒光檢測。
圖2顯示CE系統200(例如，DNA分析儀)的總透視圖。根據本發明的一個實施方案，所述CE系統200并入接口(interface)機構300。根據本發明的一個實施方案，該接口機構300支持多-通道柱體100，其提供多-通道分離柱的容易的操作，并允許檢測區與CE系統200的檢測光學器件(optics)容易的光耦合(optical coupling)。接口機構300的細節可參考美國專利申請No.10/823,382，其已被全部并入本文作為參考。全部自動化的DNA分析系統200具有基板(base)74，其支持具有樣品盤支承框架(support frame)81的模塊的X-Z機構80。X-Z機構80使承載96-孔微量滴定板72和緩沖液板70的PCR樣品制備設備250(細節根據圖4和5稍后公開)相對于由接口機構300支承的多-毛細管柱體100移動。具體地，機構80包含X機構82，其用于使支承框架81沿X-方向相對于柱體100移動，和Z機構83，其用于使柱體在Z方向相對于支承框架81移動。該PCR樣品制備設備250受PCR熱電控制器68的控制。
PCR樣品制備設備關于圖4和5，PCR樣品制備設備包括加熱單元如a peltier熱電單元251，其在它的頂部支承熱接口結構252，該結構具有互補的孔255，該孔按尺寸制造以容納孔73的底部。所述peltier熱電單元251可被控制器68控制以加熱或冷卻孔73，以使孔73中的內容物按PCR過程的要求進行熱循環。在peltier熱電單元251的底部，提供了散熱器(heat sink)以在該單元的冷卻循環的過程中從peltier熱電單元251中除去熱量和/或在加熱循環過程中除去余熱。所述PCR樣品制備設備250支承在傳送機構80的傳送框架81上。
自動化系統200的控制該系統200提供多-通道分離柱的容易的操作，并允許檢測區與CE系統200的檢測光學器件容易的光耦合。包括接口機構300的CE系統200的操作受控制器32的控制，所述控制器32與外部用戶控制接口(例如，athe PC 918)連接。該PCR熱電控制器68也可有效地與控制器32和/或PC 918連接，這樣一來，使PCR樣品制備設備與系統200的其余部分的控制協調以獲得本文中描述的功能。
同樣關于圖3，根據本發明的一個實施方案，說明了CE系統200的控制器32的方框圖。控制器32包含處理器作為具有CPU 910的模/數轉換板(A/DBoard)(LED Processor PCBA)912的一部分用于將從檢測器24(例如，PMT)接收的檢測信號轉換為對應的數字信號，其來自LEDScan PCBA接口914用于通過來自CPU 910的指令在CE系統200的各個部分來回地轉移并接收信號。所述A/D(LED Processor PCBA)接口912與接口機構300中不同的執行機構(actuator)連接以控制并連接(使用接口機構300)至少高壓電源(highvoltage power supply)76、氣動裝置(pneumatics)78(在圖2的接口機構300中的視圖隱藏)、馬達控制(motor control)(X-Z樣品/緩沖液盤)80和聯鎖裝置(柱體和傳送門(transport door))61和62(這些細節在圖2的接口機構300中未顯示)。A/D或LED Processor PCBA 912也控制高-壓電源76用于樣品注射和CE系統200的電泳功能，電路914(LEDScan Board)用于調制激發輻射源(例如，LEDs)921和CE系統200的檢測器模塊24。激發輻射源的細節可參考共同未決的(copending)美國專利申請No.10/060,052，其已被全部并入本文作為參考。
所述A/D(LED Processor PCBA)912可進一步與外部個人計算機918連接，其又進行數據處理或CE系統200的附加控制功能，例如，使用BioCal的生物計算器軟件(BioCalculator Software)以控制自動化多-通道CE系統200(包括集成的PCR樣品制備設備)的不同特點和功能。
PCR樣品制備設備250受控制器68的控制以操作上述熱循環反應的序列。設計由X-Z傳送機構80支承的熱電單元251用于96-孔微量滴定板72。該熱電單元251受熱循環控制器模塊68的控制，該模塊直接受模/數轉換(A/D)或微處理器板(microprocessor board)912控制，而且控制固件(firmware)受用戶接口(生物計算器軟件)在PC918通過RS232電纜的控制，如圖3所示。在替換的實施方案中，可將熱電控制器68并入控制器32。
可將控制器32除PC 918以外的組件打包為CE系統200板上的電子板(electronic board)64(圖2)和冷卻風扇(cooling fan)63，并通過串行端口(未顯示)電耦合于PC 918，或它們可為CE系統200之外分離控制器模塊的一部分。編制CPU 210和/或PC 218的程序以實現CE系統200的各種控制功能和特點。在一個實施方案中，可配置PC 218以提供CE系統200的用戶控制接口(例如，接口機構300的連接序列的用戶初始化)。本領域的技術人員將可以執行給出本文中公開的功能和特點的程序代碼。在替換的實施方案中，可將控制器32或其組件并入作為PC 918的一部分。
毛細管柱體所述多-通道毛細管柱體200包括12個檢測區(在圖1中示意性描繪為30)，其由固定在柱體內的毛細管140限定。柱體100包括12-通道熔融石英毛細管陣列，其作為用完即可丟棄的(disposable)和/或便于攜帶的、可互換的柱體裝置100的一部分用于樣品的分離和檢測。顯示在圖2中的柱體100支持多至12個12-18cm長的毛細管140。柱體100與頂部為所有毛細管140所共用的出口緩沖液容器130集成，該容器通過接口機構300直接與模塊的壓縮氣體源(compressed gas source)78連接，所述壓縮氣體源如惰性的、能共存的或不反應的氣體(例如，氮氣、CO2等)的可更換的壓縮氣體柱體或壓力泵。提供了適當的壓力管道設備(plumbing)，包括管道(tubing)、壓力閥(pressurevalve)和螺線管控制(solenoid control)。(將這些管道設備的細節省略，因為本領域的技術人員能夠配置這些管道設備，其給出本文中公開的系統200的功能、特點和操作。)壓力源(pressure source)78提供所需的氣壓以用裝于容器130中的篩析凝膠充滿所有12-毛細管并且在再次充填過程中凈化(purge)先前操作中來自毛細管的凝膠。取決于凝膠的粘度，通過凝膠-填充的容器130可對毛細管140施加多至40PSI的壓力。柱體凝膠-容器130裝備內裝式的所有12-毛細管共同的電極陽極134，當安裝于系統200內時，其通過接口機構300自動連接于高壓電源76(圖2)用于電泳。在鄰近柱體100的結構上可提供風扇或Peltier冷卻器(未顯示)以提供柱體的溫度控制。另外或在替換方案中，柱體可具有通風孔(vent hole)(輸入和輸出)用于空氣循環(控制溫度的空氣由儀器側面導入柱體)。取決于CE分離過程中產生的熱，可簡單地將柱體暴露于環境溫度(ambient temperature)，而沒有輔助的冷卻部件。電源66(圖2)提供CE系統200的直流電源(DC power)。
柱體的其它細節可參考共同未決的申請no.10/059,993，其已被全部并入本文作為參考。
檢測系統美國專利申請No.10/060,052，其已被全部并入本文作為參考，更具體地指向可在CE系統200中采用的時間交錯的/多元的(staggered/multiplexed)檢測方案。
接口機構CE系統200的接口機構的結構和操作可參考共同未決的美國專利申請No.10/823,382，其已被全部并入本文作為參考。柱體接口實現與裝有用后即可丟棄的凝膠的毛細管柱體100迅速而可靠的接口連接。這些接口連接包括氣體加壓連接(gas pressurization connection)、高電壓連接(high Voltageconnections)和精密光學連接(precision optical connection)。接口也提供柱體精確而可重復的機械定位，以準確地相對于CE系統200中支承元件定位柱體的組件，包括相對于例如，存在于96-孔滴定板上的外部樣品或緩沖液容器定位毛細管尖(tip)。此外，接口提供與美國分離通道的不同的電、光和氣動連接，由此提供通道-與-通道隔離而免于電和光的串擾以及儀器的其它部分的高壓絕緣。
CE系統的操作在操作中，具有96-孔板(8×12)72和70的樣品操作盤傳送機構80用于將擴增的DNA樣品(或分析物)導入每個毛細管140。X-Z傳送機構80表明微量滴定板72中一排攜帶樣品的孔73位于該排毛細管尖140的下方并將所述的尖浸入所述的孔。通過施加電壓，電動注射將已知量的DNA樣品移動到分離柱140的開始處。注射后，來自樣品盤72的DNA樣品可用來自盤70的電泳緩沖液代替。可替換地，注射后，傳送機構80可指示將含有緩沖溶液的滴定板72中的一排12孔73移動到柱體下方的位置，以代替含有DNA樣品的12個孔。
通過穿過毛細管140的全長施加高電壓，實現將DNA樣品分離為DNA片段。隨著片段到達毛細管140的末端并進入檢測區，將激發光能(例如，來自通過光纖(optical fiber)輸送的12個LED)集中于檢測區，照亮遷移的DNA片段。檢測方案可為時間-交錯的方式，如在共同未決的美國申請Serial No.10/060,052中公開的。
為了用不同樣品進行下一次操作做準備，將前次操作中的舊的凝膠從毛細管中通過給容器加壓來凈化以用新鮮凝膠再次充填毛細管。盤70和/或72攜帶洗滌液(cleaning solution)、廢物收集(waste collection)和樣品。由盤70和72中的一個通過將毛細管的尖定位于所述盤中的一個之中的成排廢物收集孔來收集凈化的凝膠。可用水或洗滌液通過定位并將毛細管的尖浸入適當盤孔中的上述溶液來清潔毛細管的尖。當毛細管被再次充填并準備好下次操作，通過重新定位盤72來將毛細管的尖浸入樣品。可將上述過程的順序編制程序作為控制器32的自動化功能之一。接口機構300提供CE系統200中支承元件與柱體的接口連接(interfacing)，如高電壓、氣壓、LED輻射源和檢測光學器件(optics)，如上所述。與應用分離PCR機械裝置和電泳(板凝膠或毛細管電泳)儀的常規方法相比，新的便攜式自動化系統被設計為并入樣品制備和分析(例如，PCR和電泳)的組合功能作為一個儀器。發明的便攜式基于微-流體電泳的儀器包含具有多-通道和多-顏色熒光檢測系統的集成的PCR設備，該儀器是可靠的工具用于更快且成本更低的遺傳分析型應用。
發明的系統如圖2所示，可為臺式(bench top)系統，其為高處理量生物試劑(DNA)檢測/分析而設計。12-通道分離/檢測柱體可同時分析多個樣品。與集成的PCR板組合的12-通道分離/檢測柱體可在大大縮短的時間內完成96-孔樣品板擴增和電泳并帶來可預測的結果。該系統是簡單、可靠而且快速的。從PCR到DNA分離的全過程可在2小時內完成。用于12個PCR樣品的分析時間標定在幾分鐘之內。提供的儀器的成本將比目前的多-通道高-端毛細管電泳儀低10倍。平均地，估計每個分析的化學品成本明顯低于現有技術CE系統的成本。
發明的自動化儀器包括具有集成的PCR設備的樣品操作盤機構，用于直接的核酸分子擴增、電泳/分離、熒光檢測，對于用于免疫測定(immunoassay)的任何結合的染料具有改進的檢測。全部自動化而且便攜的系統通過普通的計算機控制。檢測結果的數據分析是自動化的以給出就地的(on-the-spot)擴增(PCR)、峰識別(peak identification)和半定量(semi-quantitative)分析。使用此新的、廉價的而且高-處理量的分析儀，DNA實驗室將具有能力在一個單元(unit)中實施高處理量而且迅速的生物試劑鑒定，其成本低、勞動強度小、準確度高。該系統的檢測能力可為專門檢測一些可能存在的生物試劑和病原體而設計。
在本發明的一個實施方案中，將原始樣品導入熱循環儀中的96-孔滴定板，以在將樣品注入凝膠-柱體之前、過程中或之后經過不同的溫度(熱和冷的熱循環過程)。在生物-分子的分離和分析之前，在樣品制備過程中，熱循環儀具有幾個目的或功能。一個功能是生物-分子的直接PCR擴增而另一個功能則為樣品/生物-分子的不同溫度循環(樣品制備步驟)以在用凝膠-毛細管柱體進行電泳之前改變樣品的狀態/情況。12-通道柱體也可起微-分配器(micro-dispenser)的作用。例如可以在樣品盤的第一個位置(96-孔板上的位置A)施加電動力(electrokinetic)以將帶負電荷的DNA注入毛細管或柱體的微-通道，然后該系統可逆轉HV電源極性以能夠到達96-孔板的位置B以混合來自孔A及孔B的DNA樣品(或生物-分子)(生物-分子反應)。柱體能起樣品分配器(液體分配器)的作用。加熱塊(heat block)可用于加熱或冷卻任何生物-分子，然后通過CE柱體電泳并分析。生物-分子(即DNA、RNA、蛋白質、抗體和抗原)都能用本集成的樣品制備和電泳機構以非常零活的方式來分析。例如可將樣品加熱高至90度C然后將其降至80或70度C，并用CE柱體/設備在溫度循環之間、之前或之后快速分析它，以驗證探針與DNA的結合效應(bindingeffct)。或類似于雜交的微陣列原理(microarray concept)，可操縱樣品溫度以洗去(wash away)點突變，然后進行快速電泳以將其定量或進行簡單的樣品質量檢查。此方法/過程將允許快速檢查測定的峰的位置用于定性的工作，這用于點突變類型的檢測。可通過改進當前熒光檢測機構的光學檢測系統(即從LED激發變為激光激發(Laser excitation))來增加檢測靈敏度，以能夠在電泳過程中通過減少用加熱塊的熱循環(PCR)步驟的數目來獲得較高的檢測靈敏度。使用此熱電的模塊，為了貯存或保存的目的，也可以將PCR得到的樣品貯藏在較低的設定溫度。使用發明的方法，可簡化PCR步驟以檢測由于溫度變化而引起的正確或錯誤檢測的片段(突變分析)或單鏈分析或蛋白質分析。此用于樣品制備的熱循環組(block)/過程系統也可以用作毛細管管內的已注入樣品的PCR步驟/過程。可簡單地從一個樣品孔電動地注射樣品，然后到達另一個其中含有油的孔，將毛細管尖浸入油中并開始微-通道內已注入樣品的溫度循環(在毛細管內PCR)然后進行電泳。與用于樣品制備的樣品板的熱循環部件(樣品板加熱塊)組合的此多-通道毛細管電泳系統將提供與微陣列或實時-PCR型設備類似的靈活性用于完整而且一站式解決(one stop solution)的生物-分子分析。
***當參考優選的實施方案具體地顯示并描述本發明時，本領域的那些技術人員將理解的是，在不背離本發明的精神、范圍和教導的前體下，可以進行形式上和細節上的各種改變。
可配置樣品制備站(station)來承擔除PCR之外的過程從而以適于CE分析的形式產生樣品。可配置自動化系統200來進行不同于CE分離和分析或除CE分離和分析之外的其它類型的分析。例如，對于蛋白質或生物試劑檢測而言，以可以使用與微-流體電泳系統組合的免疫測定。提取自培養物的蛋白質用于免疫測定。通過結合熒光染料的抗原和抗體的相互作用的擴增信號自動地應用于多-通道柱體用于在幾分鐘內的高-分辨率檢測。
可使接口機構適合于接收其它結構設計的毛細管柱體。本領域的技術人員將認識到，并入本發明本質的儀器也可用于除DNA分析之外的生物-分子分析。例如，通過改變分離凝膠或緩沖液，也可改進該儀器來分析生物分子，如蛋白質、碳水化合物和脂質。
作為實例而不是限制，將本發明的檢測方案描述為與毛細管電泳和輻射誘導的熒光檢測有關。可以理解本發明以適用于檢測基于除電泳之外的生物-分離現象，和除熒光發射之外的輻射發射的檢測，以及基于吸光度的檢測而分離的分析物。所述除熒光發射之外的輻射發射包括其它類型的發射輻射(emissive radiation)，如磷光(phosphorescence)、發光(luminescence)和化學發光(chemiluminescence)。
此外，當所述實施方案中的分離通道被圓柱形的柱或管限定時，可以理解本發明的原理同樣適用于由通道限定的分離通道，例如通過基質(substrate)中的腐蝕(etching)(微-流體型設備或生物芯片)限定的微-通道(如正方形、矩形或基本上半圓形的橫截面)。
可配置傳送機構沿水平面移動盤，并且可提供附加的傳送機構來垂直地移動盤以接近盤。
可將來自樣品制備設備的樣品輸出輸入分析設備而無需進行分離。
因此，公開的本發明將被僅僅看作說明性的，并局限于僅僅如所附的權利要求中說明的范圍。
權利要求
1.生物分析系統，其包含樣品制備設備，其接收原始樣品以加工成適于后續分析的形式的樣品；和樣品分析設備，其從樣品制備設備接收有待經受分析的樣品；其中所述的樣品制備設備和樣品分析設備有效偶聯在集成的自動化系統中，由此從所述樣品分析設備輸出的樣品被輸入所述樣品制備設備而無進一步的用戶干預。
2.權利要求1的生物分析系統，其中所述樣品分析設備包含分離能力，其將樣品分離為組分。
3.權利要求2的生物分析系統，其中所述樣品分析設備還包含檢測能力，其提供分離組分的分析。
4.權利要求3的生物分析系統，其中所述樣品分析設備包含毛細管電泳，其提供分離和檢測能力。
5.權利要求1的生物分析系統，其中所述樣品制備設備被構造并配置成以使原始樣品進行生物-分子反應。
6.權利要求5的生物分析系統，其中所述樣品制備設備被構造并配置成以提供原始樣品的熱循環處理以輸出由原始樣品擴增的樣品。
7.權利要求1的生物分析系統，其中所述樣品制備設備包含熱電單元，其為控制器以使原始樣品的溫度循環以引起生物分子反應。
8.權利要求7的生物分析系統，其中所述樣品制備設備被構造并配置成以在生物-分子反應中通過PCR實現DNA擴增。
9.權利要求8的生物分析系統，其中所述分析設備包含毛細管電泳系統。
10.權利要求9的生物分析系統，其中所述毛細管電泳系統包含多通道分離和分析。
11.權利要求10的生物分析系統，其中所述原始樣品包含提取自實地樣品的DNA。
12.權利要求9的生物分析系統，其中將所述原始樣品加載到樣品制備設備中的樣品孔中，而且還包含集成的傳送機構以定位所述樣品孔，使其可被毛細管電泳系統接近。
13.權利要求1的生物分析系統，其中將所述原始樣品加載到樣品制備設備中，而且還包含集成的傳送機構以定位樣品制備設備，使其可被樣品分析系統接近。
14.權利要求1的生物分析系統，其中所述樣品制備設備包含用于實現熱循環的設備。
15.PCR系統，其包含進行PCR的熱循環儀，其接收適于后續分析的形式的原始DNA樣品，該原始DNA樣品有待通過PCR擴增為DNA樣品；和毛細管電泳系統，其從熱循環儀接收DNA樣品，以使之經歷毛細管電泳，以分析PCR的結果；其中所述的毛細管電泳系統和熱循環儀有效偶聯在自動化的集成系統中，由此從所述熱循環儀輸出的DNA樣品被輸入所述毛細管電泳系統而無進一步的用戶干預。
16.分析原始樣品的方法，其包含如下步驟提供樣品制備設備，其接收原始樣品，該原始樣品有待以加工成適于后續分析的形式的樣品；和提供樣品分析設備，其從樣品制備設備接收有待經歷分析的樣品；其中所述的樣品制備設備和樣品分析設備有效偶聯在集成的自動化系統中，由此從所述樣品分析設備輸出的樣品被輸入所述樣品制備設備而無進一步用戶干預。
全文摘要
集成的生物分析系統并入了內置的樣品制備能力。在本發明的一個方面中，提供了具有內置的基于PCR(或熱循環組/模塊)的樣品制備設備的生物分析儀器。在本發明的一個實施方案中，樣品制備設備中的peltier單元提供多孔盤中承載的樣品的熱循環。在本發明的另一個方面，提供了具有內置的樣品制備能力的CE儀器，其可包含基于熱循環儀類型的樣品制備(生物分子反應)設備。在本發明的另一個方面，提供了具有內置的分析設備，如CE設備的PCR設備，用于驗證PCR(生物分子反應)過程的結果。
文檔編號G01N27/447GK1898374SQ200480038989
公開日2007年1月17日 申請日期2004年10月25日 優先權日2003年10月24日
發明者瓦羅杰·阿米爾卡尼安, 劉銘桑 申請人:埃格尼股份有限公司
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