БЕЗГАЗОВАЯ КАМЕРА ДЛЯ ТЕКУЧИХ СРЕД
GAS-FREE CHAMBER FOR FLUID MEDIA

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к устройству с камерой для текучих сред, которое подходит, например, для осуществления полимеразной цепной реакции. Такие устройства можно использовать, например, в области молекулярной диагностики.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящее время в области молекулярной диагностики принято использовать микрофлюидальные устройства. Такие микрофлюидальные устройства или микрофлюидальные системы типично содержат сеть камер, которые соединены каналами, которые обеспечивают соединение между различными камерами для текучих сред. Камеры для текучих сред, а также каналы типично имеют микромасштабные размеры, например, размеры каналов типично находят в диапазоне от 0,1 мкм приблизительно до 1 мм. Такие микрофлюидальные устройства описаны, среди прочего, в US 6843281 B1.
В области молекулярной диагностики повсеместно применяют процесс так называемой полимеразной цепной реакции (ПЦР). Во время этой реакции малое количество жидкости (типично 100 мкл или менее), содержащей ДНК, подвергают термической обработке для того, чтобы амплифицировать конкретную часть ДНК.
n
С этой целью набор праймеров добавляют в жидкость, содержащую ДНК вместе с ферментами и дезоксирибонуклеотидами (dNTP). Затем жидкость подвергают последовательным стадиям денатурации, ренатурации и элонгации. Во время стадий денатурации двухцепочечную ДНК разделяют на одноцепочечные молекулы ДНК. Во время стадии ренатурации, праймеры, обладающие специфичностью к определенному участку ДНК, в жидкости гибридизуют с разделенными отдельными цепями. Затем во время стадии элонгации ферменты, такие как ДНК полимераза, достраивают праймеры. Типично температура элонгации выше температуры ренатурации, и температура денатурации выше температуры элонгации. Выполняя стадии денатурации, ренатурации и элонгации в виде последовательных циклов, можно амплифицировать малые количества в 2 раз, где n означает число циклов, и один цикл содержит и стадию элонгации, денатурации и ренатурации. Приведенное выше описание относится к основному принципу ПЦР, и существует множество специфических подходов, позволяющих специфически использовать ПЦР.
Один общеупотребительный способ ПЦР представляет собой так называемый флуоресцентной ПЦР в реальном времени. Этот способ относится к использованию праймеров с различными метками во время ПЦР. Такие праймеры можно предоставить в форме, которая, когда она не гибридизована с другой нуклеиновой кислотой, не испускает какую-либо флуоресценцию, но которая после ренатурации и элонгации испускает флуоресцентный сигнал после возбуждения соответствующей длиной волны.
Следовательно, этот подход допускает мониторинг эффективности реакции ПЦР в реальном времени при условии, что соответствующие эталонные и контрольные эксперименты выполняют параллельно, и даже допускает определение в реальном времени концентрации исходной концентрации ДНК, присутствующей в образце.
Реакции ПЦР типично осуществляют в камерах для текучих сред, которые также называют реакционными камерам, в которых предусмотрены нагрев и охлаждение камеры для текучих сред с очень большой скоростью, например, до температуры денатурации, ренатурации и элонгации. В настоящем изобретении термин «реакционная камера» является подвидом термина «камера для текучих сред», а именно камеры для текучих сред, в которой может протекать реакция, например ПЦР. Однако общая идея настоящего изобретения относится к безгазовому заполнению камеры для текучих сред, которая может представлять собой реакционную камеру.
Одна выявленная в настоящее время проблема во время реакций ПЦР и, в частности, во время определения в реальном времени в ПЦР реальном времени состоит в том, что в камере для текучих сред происходит захват пузырьков газа, такого как воздух.
Ввиду размеров камеры для текучих сред такие захваченные пузырьки газа могут снижать эффективность реакций ПЦР, а также определения (в реальном времени) амплифицированных молекул нуклеиновой кислоты.
Следовательно, существует постоянный интерес к новым системам ПЦР с камерами для текучих сред, которые предусматривают безгазовое заполнение для того, чтобы усовершенствовать как эффективность ПЦР, так и определение продуктов амплификации нуклеиновых кислот. Существует общих интерес к камерам для текучих сред, поскольку их можно использовать в микрофлюидальных устройствах, которые предусматривают безгазовое заполнение.
Микрофлюидальное устройство для контроля образования пузырьков в указанных микрофлюидальных устройствах описано в US 2007/0280856 A1. Микрофлюидальное устройство содержит по меньшей мере одну камеру образца, которая связана по текучей среде с двумя каналами, которые расположены на противоположных участках камеры образца. Поверхность камеры образца может содержать выступающие элементы в форме зубцов, которые идут от латерального участка поверхности, определяющей камеру образца, близко к выпускному каналу. Зубцы выступают внутрь к центру камеры и расположены на любой стороне выпускного канала при по существу симметричном расположении.
В WO 2006/098696 описано устройство для передачи, вмещения и анализа образца текучих сред, где устройство содержит по меньшей мере один канал передачи, по меньшей мере один многофункциональный канал и по меньшей мере один реакционный модуль. Реакционный модуль соединен по текучей среде по меньшей мере с одним каналом передачи образца и по меньшей мере одним многофункциональным каналом, которые расположены на противоположных участках реакционной камеры. Реакционный модуль содержит реакционную камеру, которая соединена по текучей среде с по меньшей мере одним каналом передачи образца и по меньшей мере одним многофункциональным каналом, где участок стенки реакционной камеры может принимать выгнутую конфигурацию, так что выгнутая стенка реакционной камеры выступает внутрь реакционной камеры.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одна цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить камеру для текучих сред, которую можно использовать в микрофлюидальном устройстве и которая предусматривает безгазовое заполнение.
Дополнительная цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить камеру для текучих сред, которая подходит для ПЦР и предусматривает безгазовое заполнение.
Эти и другие цели, как их можно увидеть в нижеследующем описании, приведенном далее в настоящем документе, образуют объект независимого пункта формулы изобретения. Некоторые предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения образуют объект зависимых пунктов формулы изобретения.
Таким образом, в одном из вариантов осуществления настоящее изобретение относится к камере (1) для текучих сред, сообщающейся с
первым каналом (2), выполненным с возможностью осуществления функции впуска для текучих сред в камеру для текучих сред;
вторым каналом (3), выполненным с возможностью осуществления функции выпуска для текучих сред из камеры для текучих сред;
при этом в камеру для текучих сред выступает выступ (4),
причем выступ (4) расположен между первым и вторым каналом.
В одном из вариантов осуществления поверхность указанного выступа (4) в камере для текучих сред (1) выполнена гладкой.
Гладкая обозначает, что выступ не имеет острых краев, возможно, за исключением своего основания, где он соединен со стенкой камеры для текучих сред. В случае острых краев угол с фронтом текучего вещества не определен, что ведет к снижению контроля распространения текучей среды.
Например, полукруглый выступ обладает тем преимуществом относительно прямоугольного выступа, что распространяющийся фронт текучей среды может легче повторять гладкую поверхность полукруглого выступа, чем в случае прямоугольного выступа, который содержит острый край, на котором угол между фронтом текучей среды и выступом не определен точно.
Примерами гладких форм являются эллиптические и круглые формы.
В принципе камера для текучих сред может иметь любую трехмерную форму с гладко искривленными стенками, если смотреть сверху.
Таким образом, она может иметь круглую или эллиптическую форму поперечного сечения (5), если смотреть сверху.
Предпочтительно камера для текучих сред имеет цилиндрическую форму с круглой или эллиптической формой поперечного сечения (5), если смотреть сверху.
В одном из вариантов осуществления камера для текучих сред выполнена цилиндрической формы (5) с круглой или эллиптической формой поперечного сечения (5), если смотреть сверху, а первый канал (2) и второй канал (3) соединены с боковыми стенками камеры для текучих сред цилиндрической формы. Камера для текучих сред в отношении ее размеров и материала типично будет выполнена с возможностью внедрения в микрофлюидальное устройство. Предпочтительно, камера для текучих сред будет выполнена с возможностью осуществления ПЦР внутри камеры для текучих сред.
Таким образом, в одном из вариантов осуществления диаметр D камеры (1) для текучих сред будет находиться в диапазоне от 100 мкм до 2 см, а высота H камеры (1) для текучих сред будет находиться в диапазоне от 100 мкм до 1 см.
Диаметр или глубина d (7) выступа (4) круглой или эллиптической формы, который расположен в месте, где второй (выпускной) канал (3) соединен с камерой для текучих сред, выдается внутрь камеры для текучих сред на расстояние от 20 мкм до 1 см. Предпочтительно диаметр d (7) выступа (4) круглой или эллиптической формы типично будет находиться в диапазоне приблизительно от 50 мкм приблизительно до 500 мкм.
Как правило, диаметр D (6) камеры для текучих сред должен быть больше или равен приблизительно 10 диаметрам d (7) выступа. В предпочтительном варианте осуществления изобретения диаметр D (6) камеры для текучих сред цилиндрической формы с круглой или эллиптической формой поперечного сечения (5) на виде сверху находится в диапазоне от 1 мм до 10 мм, высота H находится в диапазоне от 0,2 мм до 5 мм, а диаметр d (7) находится в диапазоне от 0,1 до 1 мм.
Первый (впускной) канал (2) и третий (выпускной) канал (3) расположены рядом друг с другом (см., например, фиг. 4).
Как указано выше, камера для текучих сред (1) выполнена так, чтобы быть пригодной для осуществления ПЦР в камере для текучих сред. Таким образом, в одном из вариантов осуществления камера для текучих сред может быть связана, например соединена, со средствами контроля температуры внутри камеры для текучих сред. Таким образом, средства контроля температуры могут позволять повышать или понижать температуру жидкости внутри камеры для текучих сред до тех температур, которые необходимы, например, для стадии денатурации, ренатурации и элонгации.
В одном из вариантов осуществления камеру для текучих сред можно дополнительно модифицировать для того, чтобы она содержала по меньшей мере одну прозрачную часть. Такая прозрачная часть может допускать мониторинг реакции в реальном времени внутри камеры для текучих сред. В одном из вариантов осуществления по меньшей мере одна прозрачная часть внутри камеры для текучих сред может допускать оптический мониторинг в реальном времени амплифицированных нуклеиновых кислот во время ПЦР в реальном времени.
В одном из вариантов осуществления камера для текучих сред может быть целиком прозрачной.
Другой вариант осуществления относится к устройству, такому как картридж, содержащему камеру для текучих сред в соответствии с настоящим изобретением.
Другие варианты осуществления настоящего изобретения станут понятны из подробного описания, приведенного далее в настоящем документе.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 представлен вид сверху камеры (1) для текучих сред, которая соединена с первым каналом (2), выполненным с возможностью выполнения функции впуска для текучих веществ в камеру для текучих сред, и со вторым каналом (3), выполненным с возможностью выполнения функции выпуска для текучих веществ из камеры для текучих сред. В местах, где второй канал (3) соединен с камерой для текучих сред (1), на фиг. 1 представлен дополнительный выступ (4) круглой или эллиптической формы, который выступает внутрь камеры для текучих сред.
На фиг. 2a-i представлены различные стадии заполнения камеры для текучих сред с фиг. 1 жидкостью. На фиг. 2a жидкость движется через первый (впускной) канал (2). На фиг. 2b жидкость входит внутрь камеры (1) для текучих сред. На фиг. 2c-2e показано, как жидкость асимметрично проходит далее внутрь камеры для текучих сред. На фиг. 2f жидкость останавливается у первого выступа, который она встречает. На фиг. 2g-2h происходит заполнение остальной части камеры для текучих сред жидкостью до тех пор, пока жидкость не остановится у второго выступа. На фиг. 2i жидкость выталкивают из второго (выпускного) канала (3).
На фиг. 3 представлена камера для текучих сред (1), где первый (впускной) канал (2) и второй (выпускной) канал (3) расположены не напротив друг друга.
На фиг. 4 представлена камера для текучих сред (1), где первый (впускной) канал (2) и второй (выпускной) канал (3) входят в камеру для текучих сред (1) и выходят из нее в одном и том же месте, и где выступ (4) расположен между первым и вторым каналом.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Обнаружено, что размещение выступа круглой или эллиптической формы в месте, где выпускной канал соединен с камерой для текучих сред, делает возможным безгазовое заполнение камеры для текучих сред.
Перед тем, как подробно описать изобретение в отношении некоторых его предпочтительных вариантов осуществления, приведены следующие общие определения.
Настоящее изобретение, как иллюстративно описано в дальнейшем, можно надлежаще осуществлять на практике в отсутствие любого элемента или элементов, ограничения или ограничений, которые описаны в настоящем документе неконкретно.
Настоящее изобретение описано в отношении конкретных вариантов осуществления и со ссылкой на определенные чертежи, но изобретение ограничено не ими, а только формулой изобретения. Чертежи, как описано, являются лишь схематическими и неограничивающими. На чертежах размер некоторых элементов может быть увеличен и в иллюстративных целях они могут быть не изображены в масштабе.
Когда термин «содержит» используют в настоящем описании и формуле изобретения, он не исключает другие элементы. Для целей настоящего изобретения термин «состоит из» рассматривают в качестве предпочтительного варианта термина «содержит». Если далее в настоящем документе определяют, что группа содержит по меньшей мере определенное число вариантов осуществления, то также подразумевают описание группы, которая предпочтительно состоит только из этих вариантов осуществления.
Формы единственного числа включают формы множественного числа, если иное не указано конкретно. Термин «приблизительно» в контексте настоящего изобретения обозначает интервал точности, который, как понятно специалисту в данной области, все еще обеспечивает технический эффект рассматриваемого признака. Термин обычно указывает отклонение от указанного числового значения в пределах ±10% и предпочтительно в пределах ±5%.
Дополнительные определения терминов приведены далее в контексте, в котором используют термины.
Как указано выше, настоящее изобретение в одном из вариантов осуществления относится к камере (1) для текучих сред, сообщающейся с:
первым каналом (2), выполненным с возможностью осуществления функции впуска для текучих веществ в указанную камеру для текучих сред;
вторым каналом (3), выполненным с возможностью осуществления функции выпуска для текучих веществ из камеры для текучих сред;
причем выступ (4) выступает внутрь камеры для текучих сред; и
при этом указанный по меньшей мере один выступ (4) расположен между первым каналом (2) и вторым каналом (3).
Принцип, лежащий в основе настоящего изобретения, изображен на фиг. 1. На фиг. 1 представлен вид сверху камеры для текучих сред. Камера для текучих сред (1) имеет круглую форму поперечного сечения (5) на виде сверху и соединена с первым каналом (2) и вторым каналом (3).
Когда камеру частично заполняют жидкостью во время процесса заполнения жидкостью (как изображено на фиг. 2b-2e), положение поверхности раздела жидкость-газ достаточно часто не определено вследствие вращательной симметрии камеры. Таким образом, жидкость присутствует по левую сторону этой поверхности раздела, а газ - по правую сторону. Форма этой поверхности раздела зависит от угла контакта между поверхностью раздела и твердой стенкой.
Как показано на фиг. 1, в положении, где второй канал (3) входит в камеру для текучих сред, выступ (4) круглой формы выступает внутрь камеры для текучих сред. Этот выступ круглой или эллиптической формы, который также можно обозначить, как выступ полуцилиндрической формы, типично имеет малый размер по сравнению с другими размерами камеры. Когда поверхность раздела жидкость-газ достигает одной из этих выступающих структур, распространение поверхности раздела временно остановится там до тех пор, пока поверхность раздела также не достигнет выступающей структуры на другой стороне канала (см. фиг. 2f-2h). Посредством этого процесса наибольшая часть, если не весь газ, будет вытеснена из камеры для текучих сред и жидкость течет в канал (3), выполняющий функцию выпускного канала. Этот процесс изображен на фиг. 2.
В основном, камера для текучих сред указанного выше варианта осуществления может принимать любую форму. Предпочтительно такая камера для текучих сред на виде сверху может иметь поперечное сечение круглой формы или эллиптической формы (5).
Предпочтительно, чтобы камеры для текучих сред по настоящему изобретению имели цилиндрическую форму с поперечным сечением круглой или эллиптической формы на виде сверху.
Диаметр D (6) камеры для текучих сред (1) будет находиться в диапазоне от 100 мкм до 2 см. Предпочтительно D (6) будет находиться в диапазоне от приблизительно 100 мкм приблизительно до 10 см, приблизительно от 200 мкм приблизительно до 9 см, приблизительно от 300 мкм приблизительно до 8 см, приблизительно от 400 мкм приблизительно до 7 см, приблизительно от 500 мкм приблизительно до 6 см, приблизительно от 600 мкм приблизительно до 5 см, приблизительно от 700 мкм приблизительно до 4 см, приблизительно от 800 мкм приблизительно до 3 см, приблизительно от 900 мкм приблизительно до 2 см, приблизительно от 1 мм приблизительно до 1 см, например, предпочтительно приблизительно 0,2 мм, предпочтительно приблизительно 0,3 мм, предпочтительно приблизительно 0,4 мм, предпочтительно приблизительно 0,5 мм, предпочтительно приблизительно 0,6 мм, предпочтительно приблизительно 0,7 мм, предпочтительно приблизительно 0,8 мм или предпочтительно приблизительно 0,9 мм.
Высота H камеры для текучих сред (1) типично будет находиться в диапазоне приблизительно от 100 мкм приблизительно до 1 см, приблизительно от 200 мкм приблизительно до 9 мм, приблизительно от 300 мкм приблизительно до 8 мм, приблизительно от 400 мкм приблизительно до 7 мм, приблизительно от 500 мкм приблизительно до 6 мм, приблизительно от 600 мкм приблизительно до 5 мм, приблизительно от 700 мкм приблизительно до 4 мм, приблизительно от 800 мкм приблизительно до 3 мм, приблизительно от 900 мкм приблизительно до 2 мм или предпочтительно приблизительно 1 мм.
Термин «диаметр» D (6), пока он относится к цилиндрическим камерам для текучих сред с поперечным сечением круглой формы, используют в форме его практического значения. Пока термин «диаметр» относится к цилиндрическим камерам для текучих сред с поперечным сечением эллиптической формы, он относится к большой оси эллипса.
Как уже указано выше, выступ круглой или эллиптической формы (4) типично меньше диаметра камеры для текучих сред. Типично диаметр d (7) выступа круглой или эллиптической формы меньше диаметра камеры для текучих сред приблизительно в 10 или более раз, например, по меньшей мере приблизительно в 15 раз, по меньшей мере приблизительно в 20 раз или предпочтительно по меньшей мере приблизительно в 25 раз.
Диаметр или глубина d (7) по меньшей мере одного выступа (4) круглой или эллиптической формы, который расположен в месте соединения второго (выпускного) канала (3) с камерой для текучих сред выступает внутрь камеры для текучих сред на расстояние приблизительно от 20 мкм приблизительно до 1 см. Предпочтительно диаметр d (7) выступа (4) круглой или эллиптической формы типично будет находиться в диапазоне приблизительно от 30 мкм приблизительно до 1 мм, приблизительно от 40 мкм приблизительно до 900 мкм, приблизительно от 50 мкм приблизительно до 800 мкм, приблизительно от 60 мкм приблизительно до 700 мкм, приблизительно от 70 мкм приблизительно до 600 мкм, приблизительно от 80 мкм приблизительно до 500 мкм, приблизительно от 90 мкм приблизительно до 300 мкм, например, предпочтительно приблизительно 100 мкм или приблизительно 200 мкм.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения диаметр D (6) камеры для текучих сред цилиндрической формы с круглой или эллиптической формой поперечного сечения (5) на виде сверху находится в диапазоне от 1 мм до 10 мм, например 5 мм, высота H находится в диапазоне от 0,2 мм до 2 мм, например 1 мм, и диаметр d (7) находится в диапазоне от 0,1 до 0,5 мм, например 200 мкм.
Термин «диаметр» d (7) в контексте выступа является общеупотребительным, поскольку он относится к выступу круглой формы. Когда рассматривают выступ эллиптической формы, термин относится к большой оси.
Типично камеры для текучих сред по настоящему изобретению могут иметь внутренние объемы приблизительно от 1 мкл приблизительно до 200 микролитров, причем предпочтительны объемы приблизительно от 10 приблизительно до 100 микролитров, например 25 микролитров.
Каналы, соединяемые с камерой для текучих сред, типично будут иметь диаметр приблизительно от 10 мкм приблизительно до 5 мм, например приблизительно от 100 мкм приблизительно до 500 мкм. Каналы могут иметь любую форму, такую как круглая форма или прямоугольная форма. В том случае, когда используют некруглую форму, указанные выше размеры могут относиться, например, к ширине и высоте прямоугольного канала. Таким образом, ширина может составлять, например, 500 мкм, а высота может составлять 100 мкм.
Кроме того, в одном из вариантов осуществления камеры для текучих сред в соответствии с настоящим изобретением можно выполнить так, чтобы они были пригодны для осуществления ПЦР внутри камеры для текучих сред. Таким образом, камеру для текучих сред можно соединить с элементами контроля температуры, такими как нагревающие и охлаждающие элементы, как их типично используют в микрофлюидальных устройствах, чтобы сделать возможным осуществление реакций ПЦР.
Кроме того, в одном предпочтительном варианте осуществления камеры для текучих сред в соответствии с настоящим изобретением могут содержать по меньшей мере одну прозрачную часть. Такую прозрачную часть можно разместить, например, в верхней части камеры для текучих сред, чтобы сделать возможным оптическое определение продуктов реакции, которые образованы внутри камеры для текучих сред. В типичном варианте осуществления можно использовать прозрачную часть, которая делает возможным оптический мониторинг в реальном времени реакции ПЦР в реальном времени, протекающей внутри камеры для текучих сред.
Типично камеру для текучих сред выполняют из материалов, которые подходят для того, чтобы выдерживать в условиях, которые необходимы для осуществления реакции внутри камеры для текучих сред. Таким образом, в случае реакции ПЦР выбирают материалы, общеупотребительные для ПЦР камер для текучих сред. Такие материалы могут включать, например, полимеры, пластмассы, смолы, металлы, включая металлические сплавы, оксиды металлов, неорганическое стекло и т.д., при условии, что угол контакта между жидкостью и поверхностью больше 90 градусов (указывает на гидрофобные свойства). Конкретные полимерные материалы могут включать, например, полиэтилен, полипропилен, такой как полипропилен высокой плотности, политетрафторэтилен, полиметилметакрилат, поликарбонат, полиэтилентерефталат, полистирол и стирол и т.д. Полипропилен может быть предпочтителен.
Прозрачную часть, если ее, например, используют для определения реакции ПЦР в реальном времени, можно выполнить, например, из прозрачного гидрофобного материала, например, из полипропилена.
Настоящее изобретение дополнительно относится к способу по существу полного заполнения камеры для текучих сред жидкостью, содержащей по меньшей мере следующие стадии:
a) предоставление камеры для текучих сред как описано выше;
b) введение жидкости в первый канал (2) камеры для текучих сред, как описано выше;
c) заполнение камеры для текучих сред так, что жидкость покидает заполненную камеру для текучих сред через второй канал (2) камеры для текучих сред, как описано выше.
Термин «по существу полностью» обозначает, что жидкостью заполняют камеру для текучих сред, не содержащую пузырьков газа в камере для текучих сред.
Аналогичным образом, изобретение относится к использованию камеры для текучих сред, как описано выше, для безгазового заполнения жидкостью.
Настоящее изобретение описано в отношении некоторых конкретных вариантов осуществления, которые, однако, не расцениваются в качестве ограничения.
НОМЕРА ПОЗИЦИЙ
(1) камера для текучих сред
(2) первый канал, пригодный в качестве впуска
(3) второй канал, пригодный в качестве выпуска
(4) выступ в камеру для текучих сред, который расположен у второго канала
(5) поперечное сечение круглой или эллиптической формы камеры для текучих сред на виде сверху
(6) диаметр D камеры для текучих сред
(7) диаметр d выступа