КЛАПАН
VALVE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение относится к клапану для управления прохождением частиц из первой зоны во вторую зону и к многозонному устройству, содержащему этот клапан. Изобретение также относится к способу изготовления клапана и к способу изготовления многозонного устройства.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В документе US 6679729 B1 описан струйный клапан, выполненный с возможностью переключения состояния потока текучей среды в канале сообщения по текучей среде конструкции, направляющей текучую среду. Нагрев двухфазного клапанного элемента вызывает изменение состояния двухфазного клапанного элемента от состояния высокой вязкости к состоянию низкой вязкости. Если клапан закрыт, двухфазный клапанный элемент находится в состоянии высокой вязкости и закупоривает канал сообщения по текучей среде. Чтобы открыть клапан, двухфазный клапанный элемент, который закупоривает канал сообщения по текучей среде, можно втолкнуть в расширенную часть канала сообщения по текучей среде путем приложения давления к текучей среде, а двухфазный клапанный элемент при этом оказывается в состоянии низкой вязкости, откупоривая канал сообщения по текучей среде. Чтобы закрыть клапан, двухфазный клапанный элемент можно вытолкнуть из камеры-источника клапанного элемента в канал сообщения по текучей среде с помощью перекачиваемой текучей среды, попадающей в камеру-источник на входе насоса, а двухфазный клапанный элемент при этом оказывается в состоянии низкой вязкости, причем двухфазный клапанный элемент, вытолкнутый в канал сообщения по текучей среде, переключается в состояние высокой вязкости и закупоривает канал сообщения по текучей среде. Таким образом, требуется относительно сложная конструкция для управления состоянием вязкости двухфазного клапанного элемента, а также для выталкивания двухфазного клапанного элемента из канала сообщения по текучей среде и вталкивания его в канал сообщения по текучей среде с целью открывания и закрывания клапана, соответственно.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача данного изобретения состоит в том, чтобы разработать клапан, позволяющий управлять прохождением частиц из первой зоны во вторую зону с помощью технически менее сложной конструкции. Дополнительная задача данного изобретения состоит в том, чтобы разработать соответствующее многозонное устройство, содержащее такой клапан, и способы изготовления этих клапана и устройства.
В первом аспекте данного изобретения представлен клапан для управления прохождением частиц из первой зоны во вторую зону, причем клапан содержит клапанный материал, имеющий изменяемую степень проницаемости, и клапанную зону, содержащую клапанный материал, при этом клапанная зона выполнена и клапанный материал подготовлен так, что частицам приходится проходить сквозь клапанный материал, если эти частицы проходят через клапан для переноса из первой зоны во вторую зону.
Поскольку степень проницаемости клапанного материала является изменяемой и поскольку клапанный материал подготовлен так, что частицам приходится проходить сквозь клапанный материал, если эти частицы проходят через клапан для переноса из первой зоны во вторую зону, можно легко управлять степенью открывания клапана путем изменения степени проницаемости клапанного материала.
Степенью проницаемости клапанного материала можно легко управлять посредством блока управления клапаном, управляющего клапанным материалом таким образом, что достигается желаемая степень проницаемости клапанного материала. Становится не нужно предусматривать дополнительный блок управления и, например, нажимное средство для выталкивания клапанного элемента из канала сообщения или вталкивания его в канал сообщения для открывания или закрывания клапана, соответственно. Это позволяет разработать клапан, являющийся технически менее сложным.
Кроме того, если в первой зоне присутствует текучая среда, содержащая частицы, степенью проницаемости клапанного материала можно управлять таким образом, что: а) частицы могут проходить сквозь клапанный материал, что обеспечивает перенос частиц из первой зоны во вторую зону; и b) текучая среда может, по существу, не проходить сквозь клапанный материал. Это обеспечивает отделение частиц от текучей среды, присутствующей в первой зоне.
Первая зона, которая может быть первой камерой, и вторая зона, которая может быть второй камерой, которые соединены посредством клапанной зоны, так что оказывается возможным перенос частиц из первой зоны во вторую зону через клапанную зону. Клапанный материал предпочтительно находится внутри клапанной зоны, так что частицам приходится проходить сквозь клапанный материал, если частицы проходят через клапан для переноса из первой зоны во вторую зону.
Клапанный материал предпочтительно подготовлен так, что обеспечивается прохождение магнитных частиц сквозь клапанный материал. Магнитные частицы предпочтительно приводятся в движение магнитным полем, которое приводит к нагнетанию магнитных частиц сквозь клапанный материал, если управление степенью проницаемости клапанного материала осуществляется так, что магнитные частицы могут проходить сквозь клапанный материал. В первой зоне магнитные частицы предпочтительно предусматриваются в текучей среде, причем за счет прохождения через клапан магнитные частицы отделяются от текучей среды. Степень проницаемости предпочтительно является изменяемой по отношению к частицам, имеющим диаметр между 3 нм и 10000 нм, предпочтительнее - между 10 нм и 5000 нм, а еще предпочтительнее - между 50 нм и 3000 нм.
Также предпочтительно, чтобы клапан дополнительно содержал блок управления клапаном для управления степенью проницаемости клапанного материала.
Также предпочтительно, чтобы блок управления клапаном был выполнен с возможностью управления, по меньшей мере, одним параметром из фазы и вязкости клапанного материала с целью управления степенью проницаемости.
Например, блок управления клапаном может быть выполнен с возможностью изменения фазы клапанного материала от твердого состояния к текучему состоянию, причем за счет фазового перехода клапанного материала из твердого состояния в текучее состояние степень проницаемости повышается. Соответственно, если блок управления клапаном преобразует состояние клапанного материала из текучего состояния в твердое состояние, степень проницаемости уменьшается. В дополнительном варианте осуществления, блок управления клапаном может быть выполнен и клапанный материал может быть подготовлен так, что вязкость изменяется от высокой вязкости до низкой вязкости с целью увеличения степени проницаемости клапанного материала, а также так, что можно изменять вязкость от низкой вязкости до высокой вязкости, чтобы уменьшить степень проницаемости. Если клапанный материал обладает вязкоупругими свойствами, то блок управления клапаном может быть выполнен и клапанный материал может быть подготовлен так, что вязкоупругое свойство клапанного материала изменяется для увеличения или уменьшения вязкости клапанного материала с целью уменьшения или увеличения степени проницаемости, соответственно.
Поскольку клапанный материал является материалом, изменяющим свою фазу, и/или материалом, изменяющим свою вязкость, клапанный материал можно поддерживать в стабильном непроницаемом состоянии наибольшую часть времени, например, в процессе хранения, а изменению с переходом в проницаемое состояние подвергать лишь тогда, когда необходим перенос частиц. Перенос может быть быстрым процессом, в ходе которого клапанный материал в его проницаемом состоянии подвергается воздействию (био)химического состава текучей среды лишь в течение очень короткого времени. Таким образом, если этот (био)химический состав способен изменять характеристики клапанного материала и менять стабильность или воспроизводимость клапанного материала, то у (био)химического состава текучей среды есть лишь очень мало времени для изменения клапанного материала. Быстрое переключение между состоянием, в котором клапанный материал является проницаемым, и состоянием, в котором клапанный материал является непроницаемым, позволяет использовать клапан с широкой номенклатурой (био)химических составов, в частности с широкой номенклатурой (био)химических составов текучих сред, и обеспечивает приемлемую стабильность и воспроизводимость клапана. Возможные (био)химические составы, которые могут изменять клапанный материал, представляют собой моющие средства, соли, ферменты и т.д.
В предпочтительном варианте, клапанный материал подготовлен и блок управления клапаном выполнен так, что управление степенью проницаемости осуществляется между непроницаемым состоянием, в котором частицы не могут проходить сквозь клапанный материал, и проницаемым состоянием, в котором клапанный материал является проницаемым. Таким образом, в предпочтительном варианте, блок управления клапаном выполнен и клапанный материал подготовлен так, что происходит переключение клапанного материала между непроницаемым состоянием и проницаемым состоянием.
Также предпочтительно, чтобы клапанный материал был подготовлен и блок управления клапана был выполнен так, что клапанный материал переключается между твердым состоянием, в котором степень проницаемости уменьшается, и жидким состоянием, в котором степень проницаемости увеличивается.
Клапанный материал находится, например, в твердом состоянии при температурах хранения, в частности при комнатной температуре примерно 20°С или около этого.
Также предпочтительно, чтобы клапанный материал был подготовлен так, что степень проницаемости клапанного материала зависит от температуры. Это позволяет легко управлять степенью проницаемости клапанного материала путем управления температурой клапанного материала. Управление температурой клапанного материала предпочтительно осуществляет блок управления клапаном.
Температурой клапанного материала можно управлять путем использования электрических нагревательных элементов, а предпочтительно также путем использования охлаждающих элементов. Температурой клапанного материала можно управлять путем направления света на клапанный материал для поглощения этого света клапанным материалом с целью его нагрева. Клапанный материал может содержать пигменты черного цвета, такие как углеродная сажа, чтобы увеличить поглощение света. В качестве источника света для нагрева клапанного материала можно использовать лазер или не лазерный источник света.
Клапанный материал предпочтительно является плавким. Клапанным материалом предпочтительно является воск, подобный парафину или полиэтиленгликолю. Предпочтительные твердые парафины имеют температуру плавления между 25°C и 50°C, 44°C и 46°C, между 53°C и 57°C, между 58°C и 62°C или между 70°C и 80°C. Предпочтительные твердые парафины являются твердыми парафинами от фирмы Sigma-Aldrich. Их расчетные температуры плавления находятся в диапазоне от 0°C до 100°C.
Также предпочтительно, чтобы клапанный материал был гидрофобным.
Если клапанный материал является гидрофобным, то снижается вероятность смешивания клапанного материала с текучими средами на водной основе. Это увеличивает срок службы клапанного материала, а значит и клапана, если клапан выполнен с возможностью использования с текучими средами на водной основе. Блоком управления клапаном может быть блок управления, который выполнен с возможностью управления степенью проницаемости клапанного материала независимо от других блоков, или блок управления клапаном может быть выполнен с возможностью управления степенью проницаемости во взаимодействии с другими блоками. Например, клапан может содержать нагревательный элемент для нагрева клапанного материала, причем блоком управления, предназначенным для управления нагревательным элементом, может быть внешний блок, который выполнен с возможностью соединения с нагревательным элементом для управления степенью проницаемости клапанного материала.
Блоком управления клапаном также может быть внешний блок, не встроенный в клапан. Например, многозонное устройство, содержащее клапан, может быть введено во внешний держатель, причем этот внешний держатель содержит нагревательные элементы и блок управления нагревательными элементами, образующие блок управления клапаном, предназначенный для управления степенью проницаемости клапанного материала. Внешний блок также может иметь функциональные средства для приведения частиц в движение через клапан и/или для анализа этих частиц.
Также предпочтительно, чтобы клапанный материал был гидрофильным.
Если клапанный материал является гидрофильным, то снижается вероятность смешивания клапанного материала с гидрофобными текучими средами, в частности, на масляной основе. Это увеличивает срок службы клапанного материала, а значит - и клапана, если клапан выполнен с возможностью использования с гидрофобными текучими средами, в частности, на масляной основе.
В состоянии, в котором частицы проходят сквозь клапанный материал, клапанный материал, возможно, имеет межфазное натяжение с водой менее 100 мН/м, предпочтительнее - менее 72 мН/м, предпочтительнее - менее 50 мН/м, предпочтительнее - менее 25 мН/м, а еще предпочтительнее - менее 10 мН/м. В одном варианте осуществления, межфазное натяжение с водой составляет 60 мН/м, если клапанный материал находится в состоянии, в котором он проницаем для частиц. Если межфазное натяжение с водой имеет такое малое значение, то требуется лишь малое воздействие для транспортировки частиц из первой зоны сквозь клапанный материал во вторую зону.
Кроме того, в одном примере межфазное натяжение с водой больше 1 мН/м. В одном варианте осуществления, клапанный материал имеет межфазное натяжение с водой 1,52 мН/м.
Также предпочтительно, чтобы клапанный материал был инертным. Поскольку клапанный материал предпочтительно является химически инертным, он является, по существу, химически неактивным по отношению к элементам, контактирующим с клапанным материалом, в частности проходящим сквозь него, т.е. клапанный материал, по существу, не реагирует с этими элементами, которыми могут быть текучие среды, подобные воде, магнитные частицы и т.д. Это дает длительный срок службы клапанного материала, а значит и самого клапана.
В частности, клапанный материал предпочтительно является несмешиваемым с водой и инертным по отношению к ней. Поэтому клапан можно легко изготавливать, предусматривая гидрофильные зоны и гидрофобные зоны, причем в эти зоны подаются вода и клапанный материал. Вода будет находиться, по существу, только в гидрофильных зонах, позволяя клапанному материалу находиться, по существу, только в гидрофобных зонах. Таким образом, клапан можно легко изготавливать, предусматривая гидрофобные и гидрофильные зоны, путем подачи воды и клапанного материала в текучем состоянии соответственно в гидрофильные и гидрофобные зоны и путем изменения вязкости клапанного материала таким образом, что он становится твердым. После того как клапанный материал стал твердым, воду удаляют, при этом первая и вторая зоны и клапанный материал, образующие клапан, наряду с блоком управления клапаном остаются.
В предпочтительном варианте, для изготовления клапана путем обеспечения гидрофильных зон и гидрофобных зон, при котором в эти зоны подаются вода и клапанный материал, сначала подают воду, а затем текучий среду, в частности жидкий клапанный материал.
В дополнительном аспекте данного изобретения предложено многозонное устройство, причем это многозонное устройство содержит:
первую зону и вторую зону;
клапан по п.1 формулы изобретения, при этом клапан расположен между первой зоной и второй зоной для управления прохождением частиц из первой зоны во вторую зону.
Многозонное устройство предпочтительно является многокамерным диагностическим устройством.
Многозонное устройство предпочтительно является устройством для подготовки проб, например для анализа нуклеиновых кислот, анализа белков или анализа клеток. Например, в устройстве можно вызывать лизис клеток и можно очищать ДНК посредством разных этапов промывки в разных камерах. Эти этапы промывки можно проводить, например, давая частицам проходить сквозь клапанный материал и при этом не давая текучей среде или другим частицам проходить сквозь клапанный материал, чтобы тем самым отделить определенные частицы от текучей среды или от других частиц.
Частицы можно приводить в движение сквозь клапанный материал с помощью любой силы. Например, частицы можно приводить в движение сквозь клапанный материал с помощью магнитных сил, с помощью электрических сил, с помощью капиллярных сил и т.д. Частицы предпочтительно являются магнитными частицами, которые нагнетаются сквозь клапанный материал за счет использования магнитного исполнительного блока, который является блоком генерирования магнитного поля или содержит такой блок для генерирования магнитных сил с целью приведения магнитных частиц в движение сквозь клапанный материал. Блок генерирования магнитного поля представляет собой, например, магнит, подобный постоянному магниту или электрическому магниту, или токоведущий провод.
Предпочтительно, чтобы первая зона и вторая зона содержали гидрофильную поверхность.
Также предпочтительно, чтобы многозонное устройство по п.10 формулы изобретения было содержащим слой, имеющий поверхность с гидрофильными зонами, ограничивающими первую и вторую зоны, при этом клапанная зона, содержащая клапанный материал, находилась между гидрофильными зонами.
Упомянутый слой предпочтительно представляет собой подложку, подобную стеклянной или пластмассовой подложке, имеющую поверхность с гидрофильными зонами, ограничивающими первую и вторую зоны, и гидрофобную зону, находящуюся между гидрофильными зонами, причем гидрофобная зона содержит клапанный материал. Слой, имеющий поверхность с гидрофильными зонами и предпочтительно с гидрофобной зоной, являющейся клапанной зоной, по существу, является частью корпуса, причем первая гидрофильная зона на слое ограничивает первую камеру, вторая гидрофильная зона на слое ограничивает вторую камеру, и при этом гидрофобная зона ограничивает клапанную зону, содержащую клапанный материал.
В дополнительном аспекте данного изобретения, представлено устройство для приведения частиц в движение, причем это устройство для приведения частиц в движение содержит принимающую многозонное устройство зону для приема многозонного устройства по п.9 формулы изобретения, при этом устройство для приведения частиц в движение выполнено с возможностью приведения частиц, находящихся в первой зоне, в движение в направлении второй зоны, если многозонное устройство находится в принимающей многозонное устройство зоне, для переноса частиц из первой зоны во вторую зону через клапан.
Это позволяет разработать многозонное устройство как устройство одноразового использования, а устройство для приведения частиц в движение как устройство многоразового использования. Устройство для приведения частиц в движение может содержать дополнительное функциональное средство, подобное блоку для анализа текучей среды и/или частиц.
Устройство для приведения частиц в движение предпочтительно содержит также блок управления клапаном, предназначенный для управления степенью проницаемости клапана. Например, устройство для приведения частиц в движение содержит нагревательный элемент для изменения температуры клапанного материала и блок управления нагревательным элементом для управления температурой клапанного материала. Устройство для приведения частиц в движение дополнительно содержит датчик температуры для измерения температуры вблизи клапанного материала, так что температурой можно управлять путем управления нагревательным элементом в зависимости от измеряемой температуры. Нагревательный элемент, блок управления нагревательным элементом и предпочтительно датчик температуры образуют блок управления клапаном.
В дополнительном аспекте данного изобретения представлен способ изготовления клапана для управления прохождением частиц из первой зоны во вторую зону, включающий в себя этапы, на которых:
формируют клапанный материал, имеющий изменяемую степень проницаемости;
формируют клапанную зону;
располагают клапанный материал в клапанной зоне и выполняют клапанную зону и подготавливают клапанный материал так, что частицам приходится проходить сквозь клапанный материал, если частицы проходят через клапан для переноса из первой зоны во вторую зону.
В дополнительном аспекте данного изобретения представлен способ изготовления многозонного устройства, включающий в себя этапы, на которых:
формируют первую зону и вторую зону;
формируют клапан по п.1 формулы изобретения;
располагают клапан между первой зоной и второй зоной для управления прохождением частиц из первой зоны во вторую зону.
Также предпочтительно, чтобы этапы формирования первой зоны и второй зоны и расположения клапана между первой зоной и второй зоной осуществлялись путем:
формирования первого слоя, содержащего гидрофильные и гидрофобные зоны на своей поверхности;
формирования воды и клапанного материала на поверхности таким образом, что вода располагается в гидрофильных зонах, а клапанный материал располагается в гидрофобных зонах.
В дополнительном примере заявлен способ изготовления, посредством которого выполняют, по меньшей мере, одно отверстие в первом слое или во втором слое, а клапанный материал подают в клапан через это отверстие.
В дополнительном примере заявлен способ изготовления, посредством которого формируют, по меньшей мере, один канал, перпендикулярный направлению переноса частиц, на конце которого расположено упомянутое отверстие, причем этот канал пересекает направление переноса, а перенос частиц происходит по каналу за счет капиллярных сил.
Оба способа также обеспечивают менее сложное изготовление, особенно за счет загрузки клапанного материала в клапан через упомянутое обеспеченное отверстие.
Следует понять, что клапан по п.1 формулы изобретения, многозонное устройство по п.6 формулы изобретения, устройство для приведения частиц в движение по п.8 формулы изобретения, способ изготовления клапана по п.9 формулы изобретения и способ изготовления многозонного устройства по п.10 формулы изобретения имеют аналогичные и/или идентичные предпочтительные варианты осуществления, охарактеризованные в зависимых пунктах формулы изобретения.
Следует понять, что предпочтительный вариант осуществления изобретения также может представлять собой любую комбинацию зависимых пунктов формулы изобретения с соответствующим независимым пунктом формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 схематически показан возможный вариант осуществления многозонного устройства;
на фиг.2 схематически показан возможный вариант осуществления устройства для приведения частиц в движение, в состав которого включено многозонное устройство;
на фиг.3 схематически показан возможный вид сверху многозонного устройства согласно варианту осуществления;
на фиг.4 схематически показан возможный вид сверху на многозонное устройство в варианте осуществления, содержащее магнитные частицы и текучую среду;
на фиг.5-8 схематически показаны возможные варианты осуществления магнитного исполнительного средства для нагнетания магнитных частиц сквозь клапанный материал клапана;
на фиг.9 схематически показаны возможные разные распределения гидрофильных и гидрофобных зон многозонного устройства;
на фиг.10 схематически показано возможное изображение в изометрии с пространственным разнесением гидрофильных и гидрофобных зон многозонного устройства и магнитного исполнительного средства;
на фиг.11 показана возможная блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая способ изготовления клапана, а
на фиг.12 показана возможная блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая способ изготовления многофазного устройства;
на фиг.13 показан вид сверху снабженного отверстиями слоя многофазного устройства;
на фиг.14 показан вид сверху двухсторонней клейкой ленты для нанесения на слой согласно фиг.13;
на фиг.15 показан вид сбоку клапана с первой зоной и второй зоной и клапанным материалом, подаваемым между этими зонами через отверстие в соответствии с фиг.13, 14;
на фиг.16-18 показаны схематические виды сверху многозонного устройства и множества частиц, переносимых из второй зоны в первую зону сквозь клапанный материал, в соответствии с фиг.13-15;
на фиг.19 показан вид сверху альтернативного слоя многофазного устройства, снабженного отверстиями наверху слоя;
на фиг.20 показан вид сверху альтернативной двухсторонней клейкой ленты для нанесения на слой согласно фиг.19;
на фиг.21 показан вид сбоку клапана с первой зоной и второй зоной и клапанным материалом, подаваемым между этими зонами через отверстие в соответствии с фиг.19-20;
на фиг.22-24 показаны схематические виды сверху многозонного устройства и множества частиц, переносимых из первой зоны во вторую зону сквозь клапанный материал, в соответствии с фиг.19-21;
на фиг.25 показана гистограмма концентрации флуоресцентной индикаторной краски в камерах клапана согласно примеру изобретения в ходе процедуры очистки;
на фиг.26 показана гистограмма сравнения очистки определенного количества копий определенной ДНК от связующего буфера.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 схематически показан возможный вариант осуществления многозонного устройства 1, содержащего первую зону 6 и вторую зону 7. Между первой зоной 6 и второй зоной 7 расположен клапан 2 для управления прохождением частиц между первой зоной 6 и второй зоной 7. Многозонное устройство предпочтительно является многокамерным диагностическим устройством.
Многозонное устройство 1 содержит первый слой 11, представляющий собой стеклянную или пластмассовую подложку, и противоположный второй слой 12, также представляющий собой стеклянную или пластмассовую подложку. Многозонное устройство дополнительно содержит ограничительные элементы 13, образующие стенки для ограничения текучей среды внутри многозонного устройства 1.
В этом варианте осуществления, многозонное устройство 1 дополнительно содержит дополнительный клапан 3, причем слои 11, 12, ограничивающие элементы 13 и клапаны 2, 3 образуют несколько камер, ограничивающих первую зону 6, вторую зону 7 и зону 8 анализа. Второй слой 12 содержит впускное отверстие 26, позволяющее вводить текучую среду в первую зону 6, и выпускное отверстие 27, позволяющее газу, подобному воздуху, и/или введенной текучей среде покидать многозонное устройство.
Клапаны 2, 3 содержат клапанный материал 4, 5, имеющий изменяемую степень проницаемости, причем клапанный материал 4, 5 расположен внутри клапанной зоны 16, 28, так что частицам приходится проходить сквозь клапанный материал 4, 5, если частицы проходят через клапаны 2, 3 для переноса их из первой зоны 6 во вторую зону 7 или из второй зоны 7 в зону 8 анализа, соответственно. Поскольку степень проницаемости клапанного материала 4, 5 является изменяемой и поскольку клапанный материал 4, 5 подготовлен так, что частицам приходится проходить сквозь клапанный материал 4, 5, если частицы проходят через клапан 2, 3 для переноса из первой зоны 6 во вторую зону 7 или из второй зоны 7 в зону 8 анализа, степенью открывания клапана 2, 3 можно легко управлять путем изменения степени проницаемости клапанного материала 4, 5.
В предпочтительном варианте, в первую зону 6 многозонного устройства 1 через впускное отверстие 26 вводят текучую среду, содержащую магнитные частицы. Тогда подготовка клапанного материала 4, а также клапанного материала 5 и управление ими предпочтительно осуществляются так, что a) магнитные частицы могут проходить сквозь клапанный материал для обеспечения переноса магнитных частиц из первой зоны 6 во вторую зону 7 и из второй зоны 7 в зону 8 анализа, соответственно, и так, что b) текучая среда, по существу, не может проходить сквозь клапанный материал 4 или клапанный материал 5. Это позволяет отделять магнитные частицы от текучей среды, присутствующей в первой зоне 6.
Магнитные частицы предпочтительно приводятся в движение магнитным полем, которое нагнетает магнитные частицы сквозь клапанный материал 4, 5, если управление степенью проницаемости клапанного материала 4, 5 таково, что магнитные частицы могут проходить сквозь клапанный материал 4, 5. Приведение магнитных частиц в движение магнитным полем также будет подробнее описано ниже.
Степень проницаемости клапанного материала 4, 5 предпочтительно является изменяемой по отношению к частицам, имеющим диаметр между 3 нм и 10000 нм, предпочтительнее - между 10 нм и 5000 нм, а еще предпочтительнее - между 50 нм 3000 нм.
Клапаны 2, 3 дополнительно содержат блок управления клапаном, предназначенный для управления степенью проницаемости клапанного материала 4, 5. Блок управления клапаном может быть полностью встроен в многозонное устройство или он может быть встроен в другое отдельное устройство, подобное устройству для приведения частиц в движение, при этом другое внешнее устройство и многозонное устройство взаимодействуют для управления степенью проницаемости. Кроме того, первая часть блока управления клапаном может быть встроена в многозонное устройство, а дополнительная часть блока управления клапаном может быть встроена в дополнительное внешнее устройство. Возможный вариант осуществления дополнительного внешнего устройства, являющегося устройством для приведения частиц в движение, которое содержит блок управления клапаном, схематически показан на фиг.2.
Устройство 9 для приведения частиц в движение содержит принимающую многозонное устройство зону 10 для приема многозонного устройства. В варианте, показанном на фиг.9, многозонное устройство 1 введено в принимающую многозонное устройство зону 10 устройства 9 для приведения частиц в движение. Устройство 9 для приведения частиц в движение выполнено с возможностью приведения магнитных частиц, находящихся в первой зоне 6, в движение в направлении второй зоны 7, если многозонное устройство 1 находится в принимающей многозонное устройство зоне 10, для переноса частиц из первой зоны 6 во вторую зону 7 через клапан 2. Устройство 9 для приведения частиц в движение также выполнено с возможностью приведения частиц, находящихся во второй зоне 7, в движение в направлении зоны 8 анализа, если многозонное устройство 1 находится в принимающей многозонное устройство зоне 10, для переноса частиц из второй зоны 7 в зону 8 анализа через клапан 3. Для нагнетания магнитных частиц из первой зоны 6 во вторую зону 7 через клапан 2 и из второй зоны 7 в зону 8 анализа через клапан 3, устройство 9 для приведения частиц в движение содержит магнитное исполнительное средство 19, управляемое блоком 18 управления. Предпочтительные воплощения магнитного исполнительного средства 19 будут дополнительно описаны ниже.
Устройство 9 для приведения частиц в движение дополнительно содержит нагревательные элементы 17, 29 для изменения температуры клапанных материалов 4, 5. Нагревательные элементы 17, 29 управляются блоком 18 управления, так что блок 18 управления и нагревательные элементы 17, 29 образуют блок управления клапаном. Путем управления температурой клапанного материала 4, 5 осуществляется управление, по меньшей мере, одним параметром из фазы и вязкости клапанного материала 4, 5, а значит и управление степенью проницаемости клапанного материала 4, 5 по отношению к магнитным частицам.
В этом варианте осуществления, клапанный материал 4, 5 подготовлен и блок 17, 28, 18 управления клапаном выполнен так, что клапанный материал 4, 5 переключается между твердым состоянием, в котором степень проницаемости по отношению к магнитным частицам уменьшается, и жидким состоянием, в котором степень проницаемости по отношению к магнитным частицам увеличивается. Предпочтительно, в твердом состоянии магнитные частицы, а также предпочтительно текучая среда, в которой могут быть суспендированы эти магнитные частицы, не могут проходить сквозь клапанный материал 4, 5, а в жидком состоянии только магнитные частицы могут проходить сквозь клапанный материал 4, 5, но не текучая среда, в которой могут быть суспендированы эти магнитные частицы.
Клапанный материал 4, 5 находится в твердом состоянии предпочтительно при температурах хранения, в частности при комнатной температуре примерно 20°C или около этого. Клапанный материал 4, 5 предпочтительно является плавким и предпочтительно является воском, подобным парафину или полиэтиленгликолю.
Клапанный материал 4, 5 предпочтительно является гидрофобным, чтобы минимизировать риск того, что жидкость на водной основе сможет смешаться с клапанным материалом 4, 5, если клапанный материал 4, 5 находится в жидком состоянии. В другом варианте осуществления, в котором многозонное устройство выполнено с возможностью использования с гидрофобными жидкостями, в частности, на масляной основе, клапанный материал предпочтительно подготовлен из гидрофильного материала, чтобы минимизировать риск смешивания клапанного материала с гидрофобными жидкостями, в частности, на масляной основе, если клапанный материал 4, 5 находится в жидком состоянии.
Клапанный материал 4, 5 предпочтительно является химически инертным, т.е. клапанный материал 4, 5, по существу, не реагирует с другими элементами, контактирующими с клапанным материалом 4,5, в частности, проходящими сквозь него. Это дает длительный срок службы клапанного материала 4, 5, а значит и клапанов 2, 3.
Устройство 9 для приведения частиц в движение дополнительно содержит блок 21 анализа, предназначенный для анализа частиц, которые достигли зоны 8 анализа многозонного устройства 1. Например, блок 21 анализа может быть выполнен с возможностью определения количества или концентрации магнитных частиц в зоне 8 анализа оптическим или магнитным методом. Кроме того, блоком 21 анализа предпочтительно управляет блок 18 управления.
Снова обратившись к Фиг.1, можно констатировать, что многозонное устройство 1 дополнительно содержит поверхность с гидрофильными зонами 14 на первом слое 11 в первой и второй зонах 6, 7 и в зоне 8 анализа и гидрофобными зонами 15 на первом слое 11 в клапанных зонах 16, 28. Таким образом, первая и вторая зоны 6, 7 и зона 8 анализа ограничены гидрофильными зонами 14, клапанные зоны 16, 28 ограничены гидрофобными зонами 15. Поскольку первый слой 11 содержит гидрофильные и гидрофобные зоны 14, 15 и поскольку клапанный материал предпочтительно является несмешиваемым и инертным по отношению к воде, при изготовлении можно легко получать разные зоны внутри многозонного устройства 1 путем подачи воды и клапанного материала 4, 5 в эти зоны. Вода окажется располагающейся по существу, только в гидрофильных зонах 14, позволяя размещать материал 4, 5, по существу, только в гидрофобных зонах 15. Таким образом, клапан 2, 3 можно легко изготовить, обеспечивая гидрофильные и гидрофобные зоны 14, 15, подавая воду и клапанный материал 2, 3 в текучем состоянии в гидрофильные и гидрофобные зоны 14, 15 и изменяя состояние клапанного материала 4, 5 таким образом, что он становится твердым. После того как клапанный материал 4, 5 стал твердым, воду удаляют, причем первая и вторая зоны 6, 7, а в этом варианте осуществления - и зона 8 анализа, и клапанные зоны 16, 28, содержащие клапанный материал 4, 5, остаются.
Многозонное устройство 1 предпочтительно является диагностическим устройством, предпочтительно, компактным, стойким к внешним воздействиям и выполненным таким образом, что требуются лишь немногие этапы, проводимые с участием пользователя. В предпочтительном варианте, пользователю нужно лишь добавить пробу, подобную пробе крови или слюны, в многозонное устройство, а все остальные реагенты, которые могут понадобиться для анализа этой пробы, уже присутствуют в многозонном устройстве. Многозонное устройство предпочтительно является кассетой одноразового использования, так что многозонное устройство используется только один раз, а устройство для приведения частиц в движения можно использовать несколько раз.
Если в многозонном устройстве должны присутствовать реагенты, то эти реагенты предпочтительно должны присутствовать в сухом виде, потому что жидкие реагенты обуславливают риск утечки и высыхания, а в этом случае трудно управлять концентрациями реагентов при заключительном анализе. Сухие реагенты не движутся или не вытекают и могут быть весьма стабильными в многозонном устройстве.
Клапанный материал может быть текучей средой, подобной газу или жидкости, или твердым веществом. Клапанный материал, являющийся твердым при температурах хранения, подобных комнатной температуре примерно 20°С, и являющийся твердым в состоянии, в котором частицы не могут проходить сквозь этот клапанный материал, обладает преимуществом, заключающимся в том, что все многозонное устройство может быть весьма стабильным, потому что клапанный материал обычно не испаряется, не диффундирует или не ползет. Кроме того, если бы вместо клапанного материала, который обычно является твердым, использовалось, например, масло, предпочтительно - только жидкое, то, если бы магнитные частицы должны были бы проходить сквозь клапанный материал, оказалось бы, что масло изначально смачивает гидрофобные, а также гидрофильные зоны. Поэтому потребовалось бы давление, чтобы наполнить многозонное устройство пробой и/или текучими средами реагентов, так как понадобилось бы вытеснять масло. Более того, автономное наполнение за счет капиллярных сил оказалось бы весьма затрудненным или невозможным.
Если клапанный материал обычно является твердым, то этот клапанный материал может ограничивать капиллярные зоны, в частности, капиллярные каналы, которые позволяют подавать текучую среду пробы внутри многозонного устройства посредством капиллярных сил для обеспечения автономного заполнения. Кроме того, использование клапанного материала, который обычно является твердым, а в жидком состоянии оказывается лишь в случае, если сквозь этот клапанный материал должны пройти магнитные частицы, уменьшает вероятность того, что сухие реагенты, хранящиеся в многозонном устройстве, окажутся загрязненными клапанным материалом. Поэтому клапанный материал предпочтительно представляет собой материал, который является твердым при температурах хранения, например, около 20°С. В частности, клапанный материал предпочтительно представляет собой материал, который всегда является твердым, а жидким - лишь в случае, если сквозь этот клапанный материал должны пройти частицы. Помимо этого клапанный материал предпочтительно является инертным и несмешиваемым по отношению к текучим средам, которые должны вводиться в многозонное устройство, в частности, по отношению к воде.
В жидком состоянии клапанный материал предпочтительно имеет разные значения вязкости, например, клапанный материал может находиться в состоянии высокой вязкости и в состоянии низкой вязкости. Клапанный материал предпочтительно является несмешиваемым и инертным по отношению к воде независимо от текущего значения вязкости клапанного материала. В состоянии низкой вязкости, в котором клапанный материал предпочтительно имеет вязкость примерно 1000 мПа·с (1000 сП), клапанный материал имеет в одном примере низкое межфазное натяжение с водой примерно 0,06 Н/м.
Клапанный материал может быть клапанным материалом, вязкоупругие свойства которого можно модулировать. Клапанный материал предпочтительно обеспечивает материал переключаемого барьера, находящийся в многозонном устройстве, являющемся, например, многокамерным диагностическим устройством. Управление степенью проницаемости клапанного материала приводимыми в движение частицами осуществляется посредством физической модуляции. В частности, как уже упоминалось выше, клапанный материал предпочтительно является плавким веществом, подобным парафину, вязкоупругое свойство которого модулируется путем управления температурой клапанного материала.
Клапанный материал представляет собой, например, воск от фирмы Sigma-Aldrich. Клапанный материал предпочтительно имеет температуру плавления, которая больше 40°C, предпочтительнее - больше 50°C, а еще предпочтительнее - больше 60°C. В одном варианте осуществления, клапанный материал имеет температуру в диапазоне, например, 44-46°C или 53-57°C. В частности, клапанный материал предпочтительно является парафином, имеющим температуру плавления в диапазоне 44-46°C. Вместе с тем, можно также использовать клапанный материал, имеющий более низкую температуру плавления, например, для того, чтобы сделать ее ниже температуры, при которой испаряются реагенты, могущие присутствовать внутри многозонного устройства, или ниже температуры, при которой подвергается негативному воздействию чувствительный материал, могущий присутствовать внутри многозонного устройства и подобный лабильным белкам. В одном варианте осуществления, температура плавления составляет примерно 30°C или менее. Клапанный материал, имеющий малую температуру, позволяет прикладывать нагрев лишь в течение короткого периода времени. Например, если бы пришлось достигать малой температуры плавления, например 30°C, плавления клапанного материала можно было бы достичь, например, за несколько секунд. Таким образом, оказалось бы возможным переключение клапана за очень короткое время.
Первый слой многозонного устройства предпочтительно является нижней частью, представляющей собой пластмассовую или стеклянную подложку. В одном варианте осуществления, первый слой представляет собой предметное стекло микроскопа, на котором нанесен самосборный монослой (ССМ) перфтордецил-три-этоксисилана. ССМ частично удаляют посредством обработки кислородной плазмой, оставляя рисунок гидрофильных зон, которые можно именовать гидрофильными камерами, в виде островков на гидрофобном фоне. Второй слой предпочтительно является верхней частью, предпочтительно представляющей собой пластмассовую или стеклянную подложку. В одном варианте осуществления, верхняя часть представляет собой необработанный планшет из метилметакрилата. Ограничивающие элементы предпочтительно выполнены из двухсторонней клейкой ленты, расположенной между первым слоем и вторым слоем. Эта двухсторонняя клейкая лента предпочтительно имеет толщину примерно 100 мкм. Клапанный материал предпочтительно подан при температуре выше температуры плавления клапанного материала, т.е. клапанный материал предпочтительно подан в жидком состоянии, а гидрофильные камеры заполнены водой. В частности, парафин в качестве клапанного материала предпочтительно подан при температуре примерно 50°C, а гидрофильные камеры заполнены водой. Таким образом, клапанный материал смачивается только вокруг гидрофильных камер. После охлаждения опять до комнатной температуры, клапанный материал твердеет и становится непрозрачным. Получаемое распределение разных зон внутри многозонного устройства схематически показано на возможном виде сверху на фиг.3.
Распределение разных зон внутри многозонного устройства 101, показанное на фиг.3, предусматривает наличие затвердевшего клапанного материала 104 в гидрофобных клапанных зонах 116, которые образуют клапаны 102. Между гидрофобными клапанными зонами 116 присутствуют гидрофильные зоны, т.е. первая зона 106, вторая зона 107 и третья зона 108. Эти зоны 106, 107 и 108 ограничивают гидрофильные камеры, которые разделены клапанным материалом 104 в гидрофобных клапанных зонах 116.
На фиг.4 схематически показан возможный вид сверху распределения разных зон внутри многозонного устройства 101, причем множество магнитных шариков перенесены из первой зоны 106 в третью зону 108. Магнитные шарики, являющиеся магнитными частицами, переносятся, когда клапанный материал, которым предпочтительно является парафин, находился в жидкой фазе, предпочтительно при температуре примерно 50°C. После затвердевания клапанного материала, клапаны оказываются закрытыми, а магнитные шарики больше никогда не смогут покинуть зоны, куда перенесены.
Магнитные шарики перенесены от первой зоны 106 по направлению к третьей зоне 108. Зона 106 содержит раствор 122 суперпарамагнитных шариков, являющихся магнитным частицами, в распылителе с буфером на основе забуференного фосфатом физиологического раствора (ЗФФР). Зона 107 содержит воду, окрашенную веществом косменил (cosmenyl) синего цвета. Зона 108 содержит чистую воду 120 и множество 123 магнитных шариков, которые перенесены.
Нагрев, осуществляемый нагревательными элементами, в частности нагревательными элементами 17, 29, возможный вид которых схематически показан на фиг.2, можно прикладывать несколькими способами. Например, нагрев может быть электрическим резистивным нагревом или нагревом посредством электромагнитного поля, или магнитно-индуктивным нагревом, или нагревом посредством оптического излучения и поглощения, и т.д. Нагрев можно прикладывать к многозонному устройству в целом или к весьма конкретным местам, например, только там и тогда, где и когда магнитные частицы должны проходить сквозь клапанный материал. Нагрев можно прикладывать с помощью внешнего устройства, подобного устройству для приведения частиц в движение, или с помощью источника тепла, встроенного в многозонное устройство. Нагрев с помощью встроенного источника тепла может улучшить пространственное и временное разрешение модуляции или изменения степени проницаемости клапанного материала. Кроме того, нагрев можно прикладывать только один раз или можно применять несколько циклов нагрева и охлаждения.
Хотя в вышеописанных вариантах осуществления в качестве клапанного материала предпочтительно используется парафин, вместо парафина можно использовать любой другой материал, физическое свойство которого можно модулировать или изменять таким образом, что появляется возможность модулировать или изменять степень проницаемости клапанного материала по отношению к частицам, подобным вышеупомянутым магнитным частицам. Клапанный материал может быть одним-единственным веществом или смесью, содержащей более одного вещества. Например, клапанный материал может быть смесью парафина с одним или несколькими другими веществами. В одном варианте осуществления, в парафин может быть добавлено поверхностно-активное вещество, подобное веществу Brij 72, чтобы уменьшить межфазное натяжение по отношению к воде. Кроме того, клапанный материал, подобный парафину, можно смешивать с агентами для подстройки его свойств, например его плотности, его поверхностного натяжения, его теплоемкости, поглощения им света и т.д.
Форме зон, в частности форме рисунка гидрофильных зон многозонного устройства, можно придать такие очертания, которые обеспечат облегчение капиллярного заполнения многозонного устройства и/или облегчение прошивки клапанного материала клапана многозонного устройства частицами.
Степень проницаемости клапанного материала, в частности фазу, и/или вязкость, и/или вязкоупругое свойство клапанного материала можно изменять перед заполнением многозонного устройства текучей средой пробы или после заполнения многозонного устройства текучей средой пробы.
Клапан предпочтительно используется в микроструйном устройстве, которое требует разделения камер клапанообразной структурой, которая предпочтительно является несмешиваемой с водой. Более конкретно, клапан предпочтительно используется в многокамерном микроструйном устройстве для предварительной обработки проб при тестировании нуклеиновых кислот.
Термин «клапан» обозначает элемент для управления движением частиц, подобных магнитным частицам, по меньшей мере, из первой зоны во вторую зону, причем первая зона и вторая зона разделены этим клапаном. Следовательно, клапан - это устройство для регулирования транспортировки из первой зону во вторую зону и/или управления такой транспортировкой. Термин «клапан» не ограничивается устройством для регулирования течения текучей среды.
Фиг.5 иллюстрирует приведение магнитных частиц в движение из первой зоны во вторую зону сквозь клапанный материал. В этом примере, первый слой 211, являющийся первой твердой подложкой, имеет поверхность с рисунком гидрофильных зон 214 и гидрофобных зон 215. Второй слой 212, являющийся второй твердой подложкой, имеет полностью гидрофобную поверхность. Между гидрофильными зонами 214 на первом слое 211 сформирована клапанная зона, содержащая клапанный материал 204. Пространство, ограниченное гидрофильными зонами 214 на первом слое 211, заполнено текучей пробой, подобной жидкости 224 на водной основе, которая поддерживается на своем месте потому, что окружена гидрофобными поверхностями. Текучая среда 224 слева фиг.5 дополнительно содержит рой магнитных частиц 223. Магнитное исполнительное средство в этом примере представляет собой, например, постоянный магнит 225, расположенный ниже границы первой гидрофильной зоны и гидрофобной клапанной зоны 215 на Фиг.5. Присутствие магнитного исполнительного средства заставляет магнитные частицы 223 собираться в этой зоне пробы 224 текучей среды. За счет перемещения магнитного исполнительного средства в направлении, обозначенном стрелкой 50, магнитные частицы 223 нагнетаются, следуя этому движению, и таким образом переносятся сквозь клапанный материал 204, если клапанный материал 204 находится в состоянии, которое обеспечивает прохождение магнитных частиц 223 сквозь клапанный материал 204.
Хотя применительно к фиг.5 приведено описание возможного многозонного устройства, в котором верхний второй слой, являющййся верхней подложкой, содержит гидрофобную поверхность, в другом варианте осуществления второй слой может также содержать гидрофильную поверхность, обращенную к первому слою.
На фиг.6-8 схематически показаны возможные варианты осуществления магнитного исполнительного средства, расположенного ниже многозонного устройства 301. Многозонное устройство 301 аналогично многозонному устройству 201, показанному на Фиг.5, с той разницей, что второй слой, являющийся верхней подложкой 312, содержит гидрофильную поверхность, обращенную к первому слою, т.е. внутреннюю гидрофильную поверхность.
Магнитное исполнительное средство 319, показанное на фиг.6, содержит механизм перемещения, подобный направляющей, который обеспечивает параллельное движение магнита 330 относительно первого и второго слоев многозонного устройства 301, тем самым перемещая магнитное поле 332, а значит и магнитные частицы 223 в текучей среде 224 для нагнетания магнитных частиц 223 сквозь клапанный материал 304.
На фиг.7 схематически показано возможное магнитное исполнительное средство 419, содержащее матрицу электромагнитов 433, которые можно координировано включать и выключать. Таким образом, магнитное поле движется за счет активации и деактивации отдельных электромагнитов 433 в координированной последовательности. Переключатели 434 символизируют механизм переключения, который не ограничивается механическими переключателями, а может также иметь полупроводниковые переключатели, подобные транзисторам, логические переключатели, или любые другие устройства, известные из уровня техники, которые обеспечивают движение магнитного поля в матрице электромагнитов.
На фиг.8 схематически показан возможный дополнительный вариант осуществления магнитного исполнительного средства 519, содержащий матрицу электромагнитных катушек 535, расположенных на печатной плате 536. В отличие от показанной на фиг.8, матрица электромагнитных катушек 535 может быть многослойной. Электромагнитные катушки можно координированно включать и выключать. Таким образом, магнитное поле движется за счет активации и деактивации отдельных катушек в координированной последовательности таким образом, что магнитные частицы 223 нагнетаются сквозь клапанный материал 304 из первой зоны во вторую зону. Более того, электромагнитное поле предпочтительно усиливается постоянным магнитом 537, который создает статическое магнитное поле. Кроме того, постоянный магнит 537 можно заменить электромагнитом. Постоянный магнит 537 может не только использоваться для повышения напряженности движущегося магнитного поля, но и служить также для намагничивания магнитных частиц при необходимости.
Хотя в вышеописанных конкретных вариантах осуществления описаны определенные количества и формы гидрофильных и гидрофобных зон, в частности гидрофильных зон, которые разделены гидрофобными клапанными зонами, изобретение не ограничивается определенной формой и определенным количеством этих зон. Например, многозонное устройство также может иметь форму и количество гидрофильных зон 90, которые разделены гидрофобными клапанными зонами 91, возможный вид которых показан на фиг.9. Ширина, по меньшей мере, одной гидрофобной зоны 91 предпочтительно меньше, чем ширины соседних с ней гидрофильных зон 90.
На фиг.10 схематически показано возможное изображение в изометрии с пространственным разнесением первого слоя 611 и магнитного исполнительного средства 619. Дополнительные варианты осуществления многозонного устройства не показаны на фиг.10 по причинам ясности изображения. Гидрофобные зоны 615 для приема текучей среды пробы отделены друг от друга гидрофобными зонами 614, содержащими клапанный материал. Магнитное исполнительное средство 619 содержит печатную плату 636 с матрицей электромагнитных катушек, которые можно координированно включать и выключать, чтобы создать движущееся магнитное поле.
На фиг.11 показана возможная блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая способ изготовления клапана для управления прохождением частиц из первой зоны во вторую зону. На этапе 701 обеспечивают клапанный материал, причем клапанный материал имеет изменяемую степень проницаемости. На этапе 702 обеспечивают клапанную зону, подобную зоне на подложке, являющейся первым слоем, и на этапе 703 располагают клапанный материал в клапанной зоне, а клапанную зону выполняют и клапанный материал подготавливают так, что когда частицы должны проходить сквозь клапанный материал, эти частицы проходят через клапан для переноса их из первой зоны во вторую зону.
На фиг.12 показана возможная блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая вариант осуществления способа изготовления многофазного устройства.
На этапе 801 обеспечивают первую зону и вторую зону, предпочтительно - на первом слое, предпочтительно являющемся подложкой, выполненной из стекла или пластмассы подобно предметному стеклу микроскопа. Это обеспечение первой зоны и второй зоны предпочтительно осуществляется путем снабжения первого слоя гидрофобными и гидрофильными зонами на его поверхности, причем гидрофильные зоны ограничивают первую и вторую зоны. Это обеспечение гидрофильных и гидрофобных зон предпочтительно осуществляется путем нанесения самосборного монослоя (ССМ) перфтордецил-три-этоксисилана на первый слой. Затем ССМ частично удаляют, например, путем обработки кислородной плазмой, оставляя рисунок гидрофильных зон как островки на гидрофобном фоне и тем самым создавая гидрофильные и гидрофобные зоны, которые также можно именовать гидрофильными и гидрофобными камерами.
На этапе 802 формируют клапан, имеющий клапанный материал с изменяемой степенью проницаемости, причем этот клапан, т.е. клапанный материал, расположен между первой зоной и второй зоной для управления прохождением частиц из первой зоны во вторую зону. Это обеспечение клапана, т.е. клапанного материала, предпочтительно осуществляется путем обеспечения воды и клапанного материала на гидрофобных и гидрофильных зонах таким образом, что вода располагается у гидрофильных зон, а клапанный материал располагается у гидрофобных зон. Это обеспечение воды и клапанного материала осуществляется, когда клапанный материал находится в жидком состоянии. После того как вода расположилась у гидрофильных зон, а клапанный материал в жидком состоянии расположился у гидрофобных зон, дают клапанному материалу затвердеть для обеспечения затвердевшего клапанного материала в гидрофобных зонах для формирования клапана между гидрофильными зонами, огранивающими первую и вторую зоны.
Хотя в вышеуказанных вариантах осуществления описаны определенные количества первых и вторых зон и клапанов, разделяющих первые и вторые зоны, изобретение не ограничивается определенным количеством клапанов и определенным количеством первых и вторых зон.
Хотя в варианте осуществления, описанном выше со ссылками на фиг.2, блок управления клапаном находится внутри устройства для приведения частиц в движение, в других вариантах осуществления, по меньшей мере, части блока управления клапаном, например нагревательные элементы, могут быть встроены в многозонное устройство.
Хотя в варианте осуществления, описанном выше со ссылками на фиг.2, магнитное исполнительное средство, блок управления клапаном и блок анализа встроены в одно-единственное устройство, в других вариантах осуществления эти функциональные блоки могут быть распределены по нескольким устройствам. Например, устройство для приведения частиц в движение может содержать только блок управления клапаном и магнитное исполнительное средство, но не блок анализа.
Хотя в вышеописанных вариантах осуществления силы, приводящие в движение, являются магнитными силами, в других вариантах осуществления можно использовать другие силы для нагнетания частиц сквозь клапанный материал, например электрические силы, капиллярные силы и т.д.
Хотя в вышеописанном варианте осуществления на подложку наносят самосборный монослой перфтордецил-три-этоксисилана, причем после этого нанесения самосборный монослой частично удаляют для формирования рисунка гидрофобных зон и гидрофильных зон, возможны также другие самосборные монослои, например, возможен самосборный монослой перфтордецил-три-хлорсилана. Также можно формировать рисунки на других гидрофобных покрытиях для образования гидрофильных и гидрофобных зон. Вместо гидрофобного покрытия можно также использовать гидрофобный самосборный монослой или покрытие, на котором сформирован рисунок для образования гидрофобных и гидрофильных зон.
Блок анализа может быть любым подходящим датчиком для обнаружения сигнала, который исходит от материалов, транспортируемых частицами. Например, посредством магнитных частиц возможна транспортировка биологического материала (например, облучаемого материала или анализируемого материала). Посредством блока анализа можно обнаруживать биологический материал непосредственно на магнитных частицах, или его можно дополнительно помечать, а потом обнаруживать, или его можно дополнительно обрабатывать, а потом обнаруживать. Примерами дополнительной обработки являются амплификация биологического материала, или маркировка либо мечение биологического материала, или высвобождение материала из частиц в раствор для обработки раствора и/или обнаружения, или использование процесса ферментации для усиления сигнала.
Блок анализа также может быть любым датчиком, приспособленным для обнаружения присутствия и/или концентрации магнитных частиц на поверхности датчика или около нее на основании любого свойства частиц. Например, блок анализа может быть выполнен с возможностью обнаружения частиц посредством магнитных способов (например, магнитно-резистивных, с помощью ячеек Холла, катушек), оптических способов (например, формирования изображений, флуоресценции, хемилюминесценции, поглощения, рассеяния, методов быстроисчезающих полей, поверхностного плазменного резонанса, Рамана и т.д.), акустического обнаружения (например, с помощью поверхностной акустической волны, объемной акустической волны, консоли, кварцевого кристалла и т.д.), электрического обнаружения (например, с помощью проводимости, полного сопротивления и амперометрических окислительно-восстановительных циклов) и их комбинаций. Если обнаружение магнитных частиц осуществляется на основании магнитного свойства частиц, то блок анализа предпочтительно содержит катушку, магниторезистивный датчик, магнитоограничительный датчик, датчик Холла, в частности планарный датчик Холла, датчик для обнаружения неоднородностей магнитного поля Земли, сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик (СКВИД), датчик магнитного резонанса или другой магнитный датчик.
Многозонное устройство, а предпочтительно и блок анализа, могут быть выполнены с возможностью осуществления анализов на молекулярной основе, например, для обнаружения нуклеиновых кислот или белков, но, помимо анализов на молекулярной основе, можно также обнаруживать объекты большего размера, например клетки, вирусы либо доли клеток или вирусов, экстракт ткани, и т.д. Обнаружение может происходить с помощью или без помощи сканирования элемента датчика блока анализа относительно поверхности биодатчика многозонного устройства. Данные измерений можно выводить из замера в одной точке, а также посредством регистрации сигналов кинетически или с прерыванием. Магнитные частицы предпочтительно являются метками, помечающими элементы, которые приходится обнаруживать, причем магнитные частицы можно обнаруживать непосредственно способом измерения, или частицы можно дополнительно обрабатывать перед обнаружением. Пример дополнительной обработки заключается в том, что материалы добавляют в частицы или высвобождают из них, или в том, что изменяют (био)химические или физические свойства частиц или материалов на частицах, чтобы облегчить обнаружение. Многозонное устройство, а предпочтительно и блок анализа, можно использовать применительно к нескольким типам биохимического анализа, например, применительно к анализу связывания или отсутствия связывания, анализу многослойных структур, конкурентному анализу, анализу смещения, ферментному анализу, анализу амплификации и т.д. Многозонное устройство, а предпочтительно и блок анализа, также пригодны для мультиплексирования датчиков (т.е. параллельного использования разных датчиков и поверхностей датчиков), мультиплексирования меток (т.е. параллельного использования меток разных типов) и мультиплексирования камер (т.е. параллельного использования разных реакционных камер). Многозонное устройство и блок анализа можно использовать как быстродействующий, стойкий к внешним воздействиям и простой в применении в месте наблюдения за пациентом биодатчик для малых объемов проб. Зона анализа, которую в одном варианте осуществления можно назвать реакционной камерой, может быть средством одноразового использования, т.е. многозонное устройство можно использовать как средство одноразового использования, применяемое с компактным считывающим устройством, содержащее одно или более средств генерирования магнитных полей и одно или более средств обнаружения, подобных блоку анализа. Устройство считывания представляет собой, например, вышеописанное устройство для приведения частиц в движение. Многозонное устройство, а предпочтительно - и блок анализа, можно использовать в качестве средств автоматизированной высокопроизводительной диагностики в месте наблюдения за пациентом. В этом случае, многозонное устройство содержит зону анализа, и это многозонное устройство устанавливают в считывающее устройство многоразового использования для анализа частиц.
Частицы предпочтительно имеют диаметр между 3 нм и 10000 нм, предпочтительнее - между 10 нм и 5000 нм, а еще предпочтительнее - между 50 нм и 3000 нм.
Ниже, со ссылками на фиг.13-18 и 19-23, соответственно приводится писание двух способов изготовления. На фиг.13 показан вид сверху снабженного отверстиями слоя 101, образующего часть клапана 102. В данном случае, клапан 102 выполнен как многофазное устройство 1 с тремя отверстиями 130 в многозонном устройстве 1. Слой 101 можно выполнить, например, из стекла. На фиг.14 показан вид сверху двухсторонней клейкой ленты 111, которая имеет такие же размеры, как слой 101, и выполнена с возможностью нанесения на слой 101. Лента также может быть клейкой только на одной стороне. Двухсторонняя клейкая лента 111 имеет несколько овальных зон 132-135, вырезы которых служат для подачи гидрофильного материала. Круглые вырезы 131 между зонами 132-135, по существу, сходятся с отверстиями 130 в слое 101. Вырезы 131 и зоны 132-135 в двухсторонней ленте 111 соединены, гарантируя протекание текучей среды между зонами 132-135 и круглым вырезом 131, как показано на фиг.14. Когда слой 101 и двухсторонняя лента 111 собраны друг с другом, гидрофильный клапанный материал 104 подают через отверстия 130 в слое 101 и через вырезы 131 в двухсторонней ленте 111 на дальнейшем этапе изготовления. На схематическом виде сбоку согласно фиг.15 показан клапан 102 после подачи клапанного материала 104 между гидрофобными зонами 132, 133. Клапан 102 заключен в кассете (не показана). В верхнем слое, которым является слой 101, показанный на фиг.13, имеется одно отверстие 130, показанное на фиг.15, через которое выступает клапанный материал 104. Клапанный материал 104, например парафин, подают в форме нагретой жидкости. Клапанный материал 104 твердеет, как только он касается кассеты, что предотвращает течение клапанного материала 104 в капиллярное пространство кассеты, гидрофильные зоны 132, 133. Как следствие, четко ограниченная пробка из клапанного материала 104 осаждается точно в клапанной зоны 131. Следует отметить, что гидрофобность клапанной зоны 131 является несущественной, поскольку клапанный материал 104 в любом случае остается на месте благодаря быстрому твердению. В конкретной конфигурации клапана 102 не обязательно проектировать какой-либо рисунок гидрофобных или гидрофильных зон. Эта определенная конфигурация ведет к простому изготовлению клапана 102 с использованием парафина в качестве клапанного материала 104. Возможно любое средство нагрева, в одном примере обеспечивали нагрев встроенными тонкопленочными нагревателями из AlTi, которые наносились испарением внизу снаружи кассеты. Зоны 132, 133 имеют форму вырезов в двухсторонней ленте 111, в которых заключены вырезы гидрофильного материала. Для формирования рисунка на слое 101 или двухсторонней ленте 111 с получением гидрофильных или гидрофобных зон на одном или нескольких этапах изготовления, предусмотрена маска (не показана).
На фиг.16-18 схематически показан вид сверху на клапан 102 в рабочем режиме. Показаны первая зона 106 слева и вторая зона 107 справа, которые служат в качестве резервуаров для текучих сред и магнитных частиц. Между первой зоной 106 и второй зоной 107 расположен клапанный материал 104. Как описывается ниже, частицы пересекают барьер, состоящий из клапанного материала 104, проходя сквозь него из второй зоны 107 в первую зону 106. Резервуар первой зоны 107 содержит буфер на основе забуференного фосфатом физиологического раствора (ЗФФР), а резервуар второй зоны 106 содержит буфер, содержащий 100-миллимолярный Triton X-100. Сначала множество 123 или рой магнитных частиц заключен во второй зоне 107, а транспортировка подготавливается в другой резервуар, в первую зону 106. Нагреватель, расположенный у клапанного материала 104, нагревает клапанный материал 104 до конечной температуры, при которой тот плавится. Когда клапанный материал 104 частично или полностью расплавлен, он становится проницаемым для множества 123 частиц, тогда как перед этим, в твердой форме, клапанный материал был непроходимым препятствием. Капиллярные силы увлекают множество 123 в направлении клапанного материала 104 справа налево, как показано на фиг.16. На фиг.17 клапанный материал 104 показан частично или полностью расплавленным, и теперь частицы могут начать двигаться сквозь клапанный материал 104, поскольку тот, когда расплавлен, является проницаемым для частиц. Множество 123 частиц движутся сквозь клапанный материал 104 и попадают в первую зону 106, которая является гидрофильной зоной. На фиг.18 показано множество 123, полностью перешедшее в первую зону 106. Применимы и дальнейшие перемещения частиц по соседним зонам, поскольку многозонное устройство 1 не ограничивается двумя зонами 106, 107. Это отображено посредством частей дополнительного клапанного материала 104 после зон 106, 107 на краю фиг.16-18. Отметим, что избыточный объем клапанного материала 104 выступает над клапаном 102, как можно увидеть на фиг.15, Таким образом, не обязательно подавать точно требуемое количество клапанного материала 104. После затвердевания клапанного материала 104 избыточный выступающий клапанный материал 104 можно удалить.
Другая структура клапана, получаемая альтернативным способом изготовления, описана ниже в связи с фиг.19-21, а также в связи с фиг.22-24. Аналогично способу изготовления, описанному выше, предусмотрена верхняя подложка (см. фиг.19), обозначенная как слой 101, который имеет отверстия 130, проходящие сквозь этот слой 101. кроме того, в слое 101, который, в этом примере, выполнен из стекла, предусмотрены вентиляционные отверстия 132. Вентиляционные отверстия 132 дают гарантию, что жидкость на водной основе, находящаяся в резервуарах зон 132-135, будет течь к барьеру в направляющих 136, обеспечиваемых клапанным материалом 104. Вентиляционные отверстия 132 также позволяют избежать ситуации, в которой пузырьки воздуха помешают рою магнитных частиц двигаться. Аналогично вышеописанному способу изготовления, предусмотрена двухсторонняя лента 111 с овальными зонами 132-135, между которыми расположены направляющие 136, частично выполненные в форме каналов, которые расширяются в направлении открывания зон 132-135, как видно на фиг.19-21. Слой 101 и двухсторонняя лента 111, размеры которых соответствуют друг другу, скреплены на одном этапе изготовления, образуя структуру, соответствующую фиг.21. Отверстия 130 в слое 101 для заполнения клапана 102 клапанным материалом располагаются на одном конце направляющих 136 двухсторонней клейкой ленты 111. Клапанный материал 104, поданный через отверстия 130, увлекается капиллярными силами по направляющим 136, по существу, к середине направляющих 136, образуя барьер между зонами 132-135. Аналогично этапу изготовления в вышеуказанном примере, для формирования рисунка с получением гидрофильных или гидрофобных зон на одной из подложек - слое 101 или двухсторонней ленте 111, предусмотрена маска (не показана). И, наконец, на фиг.21 показан вид сбоку, аналогичный фиг.15, после подачи клапанного материала 104, полностью собранного для образования клапана 102. Распределение гидрофобных и гидрофильных зон в примере, согласно фиг.21 является другим по сравнению с примером согласно фиг.15. Зоны 132, 133 на краях являются гидрофильными аналогично фиг.15, а две области между зонами 132, 133 и клапанным материалом 104 являются гидрофобными. Зона в центре клапана 102, содержащая клапанный материал 104, является гидрофобной, в отличие от примера согласно фиг.15. Это означает, что гидрофильная структура предусмотрена в центре в пределах гидрофобных зон 132-135 вокруг гидрофильной зоны. И опять, клапанный материал 104, например жидкий парафин, при повышенной температуре подается через отверстия 130 на одном конце гидрофильной структуры, а кассета, в которой заключен клапан, при этом имеет повышенную температуру. Клапанный материал можно подавать либо в жидкой, либо в твердой фазе, например в форме таблетки, поскольку клапан 102, заключенный в кассете, нагревается в некоторый момент во время изготовления. Нагревать приходится лишь малый объем клапанного материала 104 за короткое время, а транспортировка частиц через клапан 102 поэтому оказывается быстрой, иными словами, время переключения клапана 102 является малым. При нагреве клапанный материал 104 остается ограниченным гидрофобной зоной в пределах гидрофильной зоны и не вытекает из зоны, показанной на фиг.21. Клапанный материал 104 падает в капиллярное пространство, следующее за гидрофильной структурой в середине фиг.21, к вентиляционному отверстию 132. Важно использовать объем клапанного материала 104, который меньше, чем капиллярный объем над гидрофобной зоной, так как эта мера гарантирует, что когда клапанного материала 104 больше не окажется в наличии, течение прекратится. После охлаждения кассеты или клапана 102, поверх гидрофильной зоны в центре направляющих 136, которая существует внутри гидрофобной области вокруг центра, присутствует некоторый объем твердого клапанного материала 104. При хранении кассеты с описанным клапаном 102 температура хранения не является критичной и не оказывает негативное влияние на функционирование клапана 102, поскольку не происходит утечка клапанного материала 104.
На фиг.22-24 показаны схематические виды сверху клапана, аналогичные фиг.16-18, для второго способа изготовления, описанного в связи с фиг.19-21. На фиг.22-24 функционирование клапана 102, согласно фиг.21, показано на виде сверху. Овальные зоны 106, 107 выполнены как резервуары для хранения текучих сред. Между зонами 106, 107 имеется направляющая 136, которая выступает, по существу, параллельно зонам 106, 107. Между зонами 106, 107 направляющей 136 предусмотрены промежуточные зоны 137, как показано на фиг.22-24. Как видно на фиг.22-24, клапанный материал 104 подается через отверстие 130 на одном конце направляющей 136 и движется по всей направляющей 136, при этом клапанный материал 104 функционирует в твердой форме как барьер для текучей среды в зонах 106, 107 и функционирует в жидкой форме как средство транспортировки при работе. Аналогично тому, что происходит при работе клапана 102, описанной выше, сначала множество 123 магнитных частиц заключены в резервуаре в первой зоне 106, см. фиг.22. При работе, когда намереваются осуществить транспортировку множества 123, клапанный материал 104 нагревается и в результате этого плавится. За счет плавления клапанный материал 104 становится проницаемым для множества 123, которое увлекается капиллярными силами или, в альтернативном варианте, магнитными силами в направлении вправо, как происходит в примере согласно фиг.22-24. На фиг.23 показано, что частицы прошли промежуточную зону 137 и попали в направляющую 136. В заключение, частицы множества 123 прибывают во вторую зону 107, как показано на фиг.24.
Ниже, со ссылкой на фиг.25 и 26, описаны результаты возможного теста. Эффективность клапанной работы клапана 2, 102 исследовали путем оперативного контроля концентрации флуоресцентного вещества-индикатора во время процедуры очистки. Раствор с магнитными частицами и высокой концентрацией флуоресцентной краски впрыскивали в первую зону 6, 106 или камеру, а другие зоны 7, 107 или камеры заполняли чистой водой. Происходит магнитный перенос частиц из первой зоны 6, 106 во вторую зону 7, 107, при этом движение с магнитным смешиванием в каждой зоне 6, 106, 7, 107 происходило в течение 30 сек. Концентрацию флуоресцентной краски измеряли извне для каждой зоны 6, 106, 7, 107. На фиг.25 показано, что концентрация краски уменьшается с коэффициентом примерно 100 при каждом пересечении магнитно-капиллярного клапана частицами, и это демонстрирует потенциал для очень эффективной очистки при осуществлении предлагаемой микротехнологии. В данном случае, показанные на фиг.25 слева направо столбики гистограммы отображают концентрацию краски после прохождения еще одного клапана 2, 102. Столбик, обозначенный номером 2, отображает концентрацию после прохождении первого клапана 2, 102, столбик, обозначенный номером 3, отображает концентрацию после прохождении следующего, второго клапана 2, 102, и т.д. Кроме того, на фиг.25 последний столбик справа, обозначенный словом «вода», показывает, что концентрация краски в последней камере или зоне не отличалась от водного фона без краски.
На фиг.26 показана гистограмма сравнения очисток определенного количества копий определенной ДНК от связующего буфера. Тесты проводили на основе 1000 копий ДНК плазмиды S. Aureus из связующего буфера, содержащего GuSCN. Столбик слева на фиг.26 показывает эффективность очистки примерно 22% для стандартной ручной очистки в пробирках. Столбик справа на фиг.26 показывает эффективность очистки примерно 20% в результате применения возможного клапана 2, 102 на основе масла. Доказано, что с помощью описанного клапана 2, 102 достигается очистка, которая сравнима с очисткой ручными стандартными способами.
Изучив чертежи, описание и прилагаемую формулу изобретения, специалисты в области практического осуществления заявляемого изобретения смогут внести другие изменения в описанные варианты осуществления.
В формуле изобретения слово «содержащий(ая, ее)» не исключает другие элементы или этапы, а признак единственного числа не исключает множество.
Одиночный блок или одиночное устройство может выполнять функции нескольких средств, упомянутых в пунктах формулы изобретения. Сам факт, что некоторые меры указаны во взаимно разных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что нельзя с выгодой использовать комбинацию этих мер. Любые ссылочные обозначения в формуле изобретения не следует считать ограничивающими объем притязаний.