УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ АНАЛИЗА
ANALYSIS DEVICE

Настоящее изобретение относится к устройству для проведения анализа и, в частности, к устройству, которое регулирует условия, которым подвергаются так называемые системы «лаборатории на диске».
В системах «лаборатории на диске» или «лаборатории на CD» используют обычно дискообразные реакционные емкости, содержащие каналы, полости и другие элементы, такие как клапаны и зоны измененной гидрофобности. Они особенно пригодны для проведения биологических анализов, включающих микрожидкостные передачи и реакции на дисках. Диски для анализов используются с устройством, которое совершает вращательное движение для регулирования потока реакционных жидкостей при помощи центробежных сил.
Некоторые известные устройства для проведения анализов на дисках для анализа содержат средства для нагревания среды вокруг диска для анализа так, что весь диск для анализа и его содержимое могут подвергаться действию конкретной температуры. Также известны диски для анализа, которые содержат нагревательные элементы, которые могут осуществлять изменения температуры в конкретных местах дисков для анализа.
Авторы настоящего изобретения признали недостатки известных устройств и разработали новую систему, которая обеспечивает более регулируемые процедуры для дисков для анализа и приводит к дополнительным преимуществам.
В первом аспекте настоящее изобретение обеспечивает поворотную плиту для приема диска для анализа и для регулирования анализа на указанном диске для анализа путем вращательного движения указанной поворотной плиты, причем указанная поворотная плита содержит один или несколько модулей нагревательных устройств для приложения тепла к одной или нескольким конкретным частям указанного диска для анализа при вращении; контроллер нагревательных устройств для выбора требуемого нагревательного устройства и для регулирования его температуры и ИК-приемопередатчик для обеспечения передачи инструкций и/или параметров нагревания в контроллер нагревательных устройств беспроводным образом.
Настоящее изобретение обеспечивает намного более точное регулирование нагревания, чем устройства уровня техники, которые нагревают среду вокруг диска для анализа и переносят тепло конвекцией на весь диск. В настоящем изобретении регулирование специфично не только относительно места, к которому прикладывают тепло путем теплопроводности, но также касательно времени постепенного увеличения/снижения, т.е. скорости изменения температуры реакционной среды в конкретном месте на диске.
Устройство настоящего изобретения может быть сконструировано так, чтобы проводить изотермические анализы (например, когда нагревательный элемент расположен по существу сплошным образом по всей области анализа, так что весь анализ проводят при по существу одинаковой температуре, или, альтернативно, если не прикладывают тепло). Однако устройство настоящего изобретения, возможно, еще более полезно, когда сконструировано для проведения неизотермических анализов, т.е. если различные части диска для анализа и, таким образом, различные части реакционной среды подвергаются или могут подвергаться различным температурам. Комбинация центробежной силы и специфического нагревания обеспечивает эффективную и адаптивную работу. В отличие от некоторых устройств уровня техники, содержащих нагревательные элементы в дисках для анализа, тепло поступает от поворотной плиты. Требуются небольшие величины мощности, поскольку тепло подводится прямо при помощи теплопроводности к конкретным частям диска для анализа, и температуру можно быстро регулировать, что может придавать эффективность не только касательно длительности анализа, но также касательно количества времени, которое необходимо для использования нагревательных элементов.
Во время анализа диск для анализа остается зафиксированным относительно поворотной плиты. При помещении на поворотную плиту в зафиксированном положении один или более нагревателей на поворотной плите могут выравниваться с одной или несколькими областями диска, которые могут требовать регулируемого, локализованного нагрева.
Средства могут быть обеспечены для облегчения правильного расположения диска для анализа относительно поворотной плиты. Например, поворотная плита может содержать центральную ось, соответствующую отверстию для оси в диске для анализа. Продольная прорезь на оси и соответствующий продольный выступ на втулке диска для анализа облегчают фиксирование наклонного положения диска для анализа относительно поворотной плиты. Направляющие средства могут быть обеспечены для направления диска для анализа в правильном наклонном положении. Например, горизонтальный размер прорези оси и горизонтальный размер дополняющего выступа на диске могут уменьшаться вниз в продольном направлении: это означает, что когда диск находится сразу над поворотной плитой, существует некоторый допуск в наклонном положении диска для анализа относительно поворотной плиты, причем допуск уменьшается, когда диск для анализа спускается к поворотной плите.
Дополнительные средства могут обеспечиваться для установки диска для анализа относительно поворотной плиты. Например, установочный выступ (например, шпилька или утолщение) и соответствующая установочная выемка (например, отверстие или вырезанная часть) могут обеспечиваться на поворотной плите и диске для анализа, соответственно, или наоборот. Эти установочные элементы могут находиться на периметре диска для анализа или вблизи него.
Таким образом, может быть два или более средств для установки диска для анализа в наклонное положение относительно поворотной плиты. Например, установочные средства центральной оси могут выступать в качестве первичных установочных и направляющих средств, а выступающие элементы и элементы-прорези на периметре диска для анализа или вблизи него могут выступать в качестве более точных средств установки.
Фиксирующие средства могут обеспечиваться для закрепления диска для анализа на поворотной плите.
Эти фиксирующие средства могут содержать механический шарикоподшипниковый фиксирующий механизм для удерживания диска для анализа на поворотной плите, например, на центральной втулке.
Альтернативно или дополнительно, фиксирующие средства могут содержать магнитные средства для удерживания диска для анализа в фиксированном положении относительно поворотной плиты. Магнитные средства можно также использовать для выравнивания и направления диска в правильном положении. Таким образом, например, пользователь может помещать диск выше поворотной плиты, и устройство будет затем автоматически выравнивать диск и надежно удерживать его на поворотной плите в правильном положении.
Магнитные средства могут содержать дисковые магниты, расположенные в направлениях разноименных полюсов на поворотной плите (например, во втулке поворотной плиты), и дисковые магниты, расположенные в направлениях разноименных полюсов на диске для анализа (например, во втулке диска для анализа).
Беспроводные средства передачи мощности можно использовать для передачи мощности нагревательным элементам в поворотной плите и/или контроллеру нагревательных элементов. Один возможный механизм передачи мощности может содержать плоские катушки, расположенные концентрическим образом. Устройство может содержать первичную плоскую катушку и вторичную плоскую катушку. Например, первичная плоская катушка (которая может быть зафиксирована под поворотной плитой) может приводиться в движение для создания изменяющегося электромагнитного поля, которое будет затем индуцировать ток во вторичной плоской катушке (которая может быть зафиксирована на поворотной плите и над первичной плоской катушкой с небольшим зазором).
Устройство может также содержать ИК (инфракрасный) приемопередатчик для двусторонней связи. ИК двустороннюю связь можно использовать для обеспечения передачи инструкций и параметров нагревания контроллеру нагревательных устройств беспроводным образом, и она может также обеспечивать связь между контроллером нагревательных устройств и главным компьютером путем установления связи между главным компьютером и контроллером нагревательных элементов. Каждый приемопередатчик может необязательно содержать четыре ИК-передатчика и один ИК-приемник. Четыре ИК-передатчика могут быть расположены на равном расстоянии вокруг центральной втулки поворотной плиты. Общее поле излучения от четырех ИК-передатчиков позволяет ИК-приемнику на противоположном конце принимать сигнал, излучаемый в ИК диапазоне, во всем 360° диапазоне, так что связь можно осуществлять, несмотря на положение поворотной плиты.
Главный компьютер может связываться с контроллером нагревательных устройств на поворотной плите посредством ИК двусторонней связи. Следовательно, главный компьютер может давать команду контроллеру нагревательных устройств выбирать требуемый нагревательный элемент и сообщать целевую температуру контроллеру нагревательных устройств. Контроллер нагревательных устройств может затем активировать нагревательное устройство.
Необязательно регулируемое нагревательное устройство может быть способно непрерывно контролировать температуру, используя датчик температуры. Следовательно, контроллер нагревательных устройств может быть способен достигать, а затем поддерживать, целевую температуру. Необязательно измерение, достижение и поддержание целевой температуры может достигаться при помощи контроллера нагревательных устройств без приема дополнительных инструкций от главного компьютера.
Температура нагревательного устройства может регулироваться изменением мощности на нагревательном устройстве. Это может достигаться при помощи любых подходящих средств, включая, помимо прочего, включение или выключение мощности, широтно-импульсную модуляцию мощности или аналогового напряжения, регулирование аналогового тока или любую их комбинацию.
Необязательно главный компьютер может быть способен выбирать более одного нагревательного устройства и устанавливать различные целевые температуры для каждого нагревательного устройства, таким образом обеспечивая то, что различные области анализа поддерживаются при различных температурах. Альтернативно или в дополнение, главный компьютер может быть способен выбирать более одного нагревательного устройства и устанавливать различные скорости нагревания или охлаждения для каждого нагревательного устройства.
Необязательно главный компьютер может быть способен выбирать более одного нагревательного устройства и устанавливать различные программы нагревания или охлаждения для каждого нагревательного устройства, так что различные области анализа могут иметь свои различные температуры согласно различным профилям нагревания.
Следовательно, скорость повышения (или падения) температуры, т.е. время увеличения (и снижения) может регулироваться главным компьютером. Этого можно достичь установкой целевой температуры контроллера на температуре выше (или ниже), чем существующая температура. Необязательно целевую температуру можно устанавливать на уровне температуры на 1 градус выше (или ниже), чем существующая температура. Альтернативно, целевую температуру можно устанавливать на уровне больше или меньше чем на один градус выше (или ниже), чем целевая существующая температура. После конкретной задержки времени целевую температуру можно постепенно повышать (или снижать), причем эти стадии повторяют, пока не будет достигнута желаемая конечная температура.
Альтернативно, главный компьютер может инструктировать контроллер нагревательных устройств выполнять такую же задачу путем сообщения контроллеру нагревательных устройств одного или более из величины начальной температуры, конечной температуры, приращения температуры, снижения температуры и скорости повышения.
В другом варианте главный компьютер может инструктировать контроллер нагревательных устройств выполнять такую же задачу путем сообщения контроллеру ряда возрастающих или убывающих целевых температур с фиксированными интервалами.
Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает тепло для диска для анализа при его вращении. Это тепло можно обеспечивать непрерывным образом и/или нагревание может быть настроено.
Известная проблема, которая может возникать в дисках для анализа, касается состояния жидкости, когда ее нагревают. Могут возникать пузырьки, и/или может происходить расширение воздуха, и/или разница давлений между камерами может иметь нежелательные последствия, например, вызывая обратное течение жидкости. Измененное состояние жидкости может влиять на анализ, например, путем воздействия на считывание оптических показаний. Настоящее изобретение вносит преимущества, заключающиеся в сохранении исходного состояния жидкости в реакционных лунках посредством центробежного вращения при нагревании жидкости. Таким образом, настоящее изобретение избегает ухудшения нагревания жидкости, и можно получать соответствующее считывание оптических показаний.
Модули нагревательных элементов могут, например, представлять собой пленочные нагреватели.
Поворотная плита может быть оснащена одним или несколькими модулями нагревательных элементов, необязательно двумя или более модулями нагревательных элементов.
Могут быть обеспечены средства для переноса магнита. Процесс экстракции, проводимый в образце на диске для анализа, может требовать экстракции нуклеиновых кислот (например, ДНК или РНК), используя перенос магнитных шариков для получения чистой нуклеиновой кислоты. Например, это можно осуществлять при помощи магнитов (например, двух магнитов), расположенных на некотором расстоянии под поворотной плитой, которые могут подниматься вертикально, или при помощи магнита, подъем которого можно регулировать в радиальном и вертикальном направлении. Когда требуется процесс переноса, магниты можно поднимать для контакта с диском для анализа, или чтобы они стали ближе к диску для анализа, для притягивания магнитных шариков. Щель в поворотной плите можно обеспечивать для того, чтобы два магнита можно было поднимать без какого-либо препятствия между диском для анализа и магнитами. Щель можно размещать так, чтобы она выравнивалась с положением двух магнитов путем вращения поворотной плиты. Что касается магнита, регулируемого относительно радиального перемещения, магнит может перемещаться вдоль пути, по которому магнитные шарики необходимо перемещать.
Устройство содержит схему для регулирования числа модулей нагревательных элементов, которые можно регулировать независимо для нагревания до целевой температуры. Нагревательные устройства могут состоять из тонкой алюминиевой пластины для равномерно распределяемого нагревания по конкретной области(ям) дисков для анализа. RTD (термометр сопротивления) можно устанавливать на тонкой алюминиевой пластине для контроля температуры алюминиевой пластины. RTD можно соединять с цепью контроллера нагревательных устройств для обеспечения обратной связи для регулирования того, что нагревательное устройство достигает стабильной температуры с течением времени.
Беспроводные функциональные возможности могут присутствовать в отношении получения энергии для питания цепи и нагревательных устройств, и беспроводную связь можно также использовать с конструкцией 360° ИК-приемопередатчика. Беспроводные элементы обеспечивают свободное вращение поворотной плиты; в то же время мощность можно подавать для работы нагревательных устройств и ИК-связей.
Модули нагревательных элементов могут быть сконструированы выступающими из поверхности поворотной плиты при помощи легкого надавливания, чтобы находиться в контакте с диском для анализа, чтобы тепло можно было переносить эффективно.
Необязательно изоляторы можно использовать под модулями нагревательных элементов для предотвращения потери тепла снизу. В результате они могут улучшать эффективность теплопереноса и регулировать скорость нагревания.
В одном варианте осуществления присутствуют два модуля нагревательных элементов на поворотной плите: один можно использовать для нагревания образца в камере для образцов; а другой можно использовать для реакционных лунок для анализа. Дополнительные модули нагревательных элементов можно добавлять для других потребностей в нагреве: например, дополнительное нагревательное устройство можно использовать для содействия переносу жидкости путем создания разности давлений, которая будет обеспечивать перенос жидкости из нагретой области в холодную область.
Первичная катушка в сборе может содержать первичную катушку, прикрепленную к ферритовому листу, находящемуся между двумя держателями, которые обычно могут быть изготовлены из пластика. Такая же конструкция может быть использована для вторичной катушки в сборе. Конструкции первичной и вторичной катушки можно использовать для обеспечения питания нагревательных устройств. Генерируемую мощность (например, 5 Ватт и выше) можно получать согласно потребностям заявки путем изменения конструкций первичной и вторичной катушки и/или частоты сигнала, подаваемого в первичную катушку. Например, мощность, генерируемая и подаваемая на нагревательное устройство и контроллер, может быть доведена до уровня от 5 Ватт до 7 Ватт путем регулирования частоты сигналов, подаваемых на первичную катушку. Мощность можно использовать для запуска нагревательных устройств и связанной схемы, включая ИК-приемопередатчик и контроллер нагревательных устройств. В дополнительном примере мощность можно сконфигурировать как распределяемую между нагревательными устройствами, например, на 4-Ваттное нагревательное устройство и 2-Ваттое нагревательное устройство, работающие одновременно.
Вся поворотная плита в сборе может быть прикреплена к ротору двигателя для обеспечения вращательного движения на поворотной плите для регулирования движения жидкости. В этом примере можно использовать BLDC (двигатель постоянного тока без щеток) двигатель. Двигатель можно устанавливать на металлической подставке (подвеске двигателя), которую фиксируют на шасси. Сверху подвески двигателя можно устанавливать плату первичного ИК (инфракрасного) приемопередатчика, а затем первичную катушку. Оба компонента можно устанавливать так, что они находятся неподвижно. Над первичной катушкой находится вторичная катушка и плата для вторичного ИК-приемопередатчика и контроллера нагревательных устройств. Они могут быть установлены на поворотной плите. Они могут вращаться вместе с поворотной плитой без прерывания подвода энергии и ИК-связи между главным компьютером и контроллером нагревательного устройства.
Необязательно устройство настоящего изобретения может содержать, помимо модуля(ей) нагревательных элементов на поворотной плите, средства для нагревания и/или охлаждения температуры окружающей среды камеры, в которой во время анализа располагается диск для анализа. Таким образом, тогда как первичная нагревательная система обеспечивает местное нагревание от поворотной плиты, необязательная вторичная нагревательная система обеспечивает изменение температуры среды вокруг диска для анализа (и, следовательно, диска для анализа и его содержимого). Необязательно можно использовать вертиляторное нагревательное устройство или охлаждающее устройство. Например, воздуходувку, использующую вентилятор, можно использовать.
Настоящее изобретение будет теперь описано с дополнительными, неограничивающими подробностями со ссылкой на следующие примеры и фигуры, на которых:
фиг. 1 показывает схематическое изображение одного примера платформы поворотной плиты согласно настоящему изобретению;
фиг. 2 показывает как магнитные размещающие и фиксирующие средства можно использовать в настоящем изобретении;
фиг. 3 показывает вид сбоку поворотной плиты согласно настоящему изобретению;
фиг. 4 показывает вид в перспективе поворотной плиты согласно настоящему изобретению;
фиг. 5 показывает, на покомпонентном схематическом изображении, некоторые возможные элементы поворотной плиты согласно настоящему изобретению; и
фиг. 6-11 показывают некоторые компоненты поворотной плиты согласно настоящему изобретению.
Со ссылкой на фиг. 1, платформа 2 поворотной плиты содержит нагревательные устройства 4 и изоляторы 6. Изоляторы 6 вставлены между нагревательными устройствами 4 и поворотной плитой и снижают потерю тепла вследствие теплопроводности. В результате они улучшают тепловой коэффициент полезного действия и скорость нагрева.
Платформа 2 поворотной плиты содержит центральную ось 8, которая сама содержит продольную прорезь 10, которая работает в качестве внутреннего направляющего элемента для обеспечения грубого выравнивания диска 100 для анализа на оси 8. Платформа 2 поворотной плиты содержит утолщение 12, которое работает в качестве элемента более тонкого выравнивания.
Магнитные средства установки и закрепления диска 100 для анализа на платформе 2 поворотной плиты показаны наиболее ясно на фиг. 2. Большинство элементов платформы 2 поворотной плиты и диска 100 для анализа изъяты с этой фигуры для ясности. Диск 100 для анализа содержит отверстие 102 для оси для размещения оси 18 платформы 2 поворотной плиты. Поворотная плита содержит дисковый магнит 14 в сборе с северным полюсом 16 и южным полюсом 18. Диск 100 для анализа содержит соответствующий дисковый магнит 104 в сборе, состоящий из дискового магнита 108 северного полюса и дискового магнита 110 южного полюса, который для ясности показан отдельно от диска 100 для анализа на фиг. 2, хотя при использовании он зафиксирован на диске 100 для анализа, например, при помощи неопренового листа. Неопреновый лист может быть предварительно нарезан в форме, показанной на фиг. 2, которая обеспечивает только установку диска 100 для анализа на поворотной плите в определенной ориентации. Неопреновый лист также обеспечивает фрикционное сцепление, которое предотвращает скольжение диска 100 для анализа, когда он вращается с высокой скоростью.
Магниты 14 и 104 в сборе обычно располагаются на втулке устройства, и согласно показанному варианту осуществления этот магнит 104 в сборе имеет отверстие 106, соответствующее отверстию 102 для оси диска для анализа.
Вид сбоку и вид в перспективе поворотной плиты согласно настоящему изобретению показаны на фиг. 3 и 4, соответственно.
Со ссылкой на фиг. 5, поворотная плита 1 может содержать первичный инфракрасный приемопередатчик 30, нижний держатель 32 первичной катушки, ферритовый лист 34, первичную катушку 36, верхний держатель 38 первичной катушки, нижний держатель 40 вторичной катушки, вторичную катушку 42, ферритовый лист 44, верхний держатель 46 вторичной катушки и сборку 48, содержащую контроллер нагревательных устройств и вторичный инфракрасный приемопередатчик. Нижний и верхний держатели как для первичной катушки, так и вторичной катушки выступают в качестве зажимов и могут обычно быть изготовлены из пластического материала.
Некоторые компоненты поворотной плиты показаны на фиг. 6-11. Схематический вид в перспективе первичной катушки 50 в сборе показан на покомпонентном изображении относительно некоторых компонентов фиг. 7, а фиг. 8 показывает вторичную катушку 52 в сборе, расположенную сверху первичной катушки 50 в сборе. Первичные и вторичные компоненты ИК-приемопередатчика 30, 55 показаны на фиг. 9 и 10, соответственно. Вид сбоку, показывающий всю конструкцию поворотной плиты 1 в сборе, показан на фиг. 11. Он начинается с установочного компонента 3 BLDC двигателя в качестве подставки. Первый компонент, находящийся сверху основания BLDC, представляет собой компонент 30 первичного ИК-приемопередатчика. За ним следует компонент 50 первичной катушки. Под компонентом 2 поворотной плиты в сборе находятся компонент 55 вторичного ИК-приемопередатчика и компонент 54 схемы контроллера нагревательных устройств. Компоненты 55 и 54 находятся на одной и той же печатной плате.