УПРАВЛЕНИЕ ТЕКУЧЕЙ СРЕДОЙ
CONTROL OF FLUID MEDIUM

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к микрожидкостной системе анализа и связанному устройству считывателя, а также самим индивидуальным компонентам. Настоящее изобретение также относится к способам проведения анализа с использованием одноразовой системы и связанного устройства считывателя, а также наборам для проведения анализа.
Предпосылки изобретения
Микрожидкостные картриджи обычно используют для осуществления различных анализов, биологических и химических и/или физико-химических, и результаты анализов часто определяют с использованием связанного устройства считывателя, в которое вставлен картридж.
Движение текучей среды внутри картриджа часто необходимо для того, чтобы гарантировать, что образец способен контактировать с реактивами, которые осаждены внутри картриджа и которые способны вступать в реакцию с одним или более целевыми аналитами, которые могут присутствовать в образце. После реакции с одним или более реактивами часто желательно удалять образец из области, где реакция имела место, для того, чтобы могла проходить дополнительная реакция, или просто для того, чтобы сделать возможным обнаружение любого продукта реакции, чего может быть сложным достичь, когда образец остается на месте, например, из-за оптической интерференции.
Движение текучей среды внутри картриджа может происходить посредством только капиллярного эффекта или управление текучей средой внутри картриджа можно осуществлять посредством действующего усилия, обеспечиваемого, например, с помощью микронасосов и клапанов, которые могут присутствовать в картридже, или с помощью механизмов, присутствующих в устройстве считывателя, которые выполнены с возможностью взаимодействовать с картриджем и перекачивать текучую среду в картридж и/или из него, чтобы управлять движением текучей среды внутри самого картриджа - см., например, EP2613881. Альтернативно можно использовать комбинацию капиллярного эффекта и действующего усилия.
В US7238324, например, описано микрожидкостное устройство, в котором используют и капиллярный эффект и применение внешнего насоса. Образцу позволяют проходить в микрожидкостной картридж через первое отверстие посредством капиллярного эффекта и течь в воспринимающую камеру, где происходит анализ. После аналитической реакции, жидкость вводят в чип через второе отверстие с использованием внешнего насоса. Задача этой жидкости состоит в том, чтобы смывать исходный образец, оставляя только продукты реакции, которые можно обнаруживать. Однако это обозначает, что нужно вводить отдельную жидкость в чип извне и через дополнительное отверстие, которое может засоряться и/или подвергаться контаминации. Кроме того, жидкость может быть контаминированной или разлагаться с течением времени. Таким образом, существует необходимость в обеспечении микрожидкостных картриджей, у которых нет необходимости вводить текучие среды, отличные от образца, извне картриджа и/или иметь отверстия, отличные от отверстия для образца, через которое должен вводиться образец. Известны некоторые конструкции, которые содержат заполненные жидкостью пакеты внутри самого картриджа, чтобы предоставлять подходящие промывающие реактивы/буферы и т. п., но это значительно увеличивает сложность и стоимость картриджей, и жидкие реактивы также могут быть подвержены разложению.
В US5821399 описана система и картридж, в которых используют электрическую проводимость для того, чтобы измерять образцы и текучую среду между образцами. Споласкивающая текучая среда предусмотрена в заполненном текучей средой пакете внутри картриджа, которую можно транспортировать внутри картриджа и обнаруживать по ее электрической проводимости с помощью считывателя. Разность в электрической проводимости между образцом и споласкивающей текучей средой или воздушным сегментом можно легко определять.
В WO2013154946 описана микрожидкостная система, в которой используют комбинацию капиллярного эффекта и давления газа для того, чтобы управлять движением жидких образцов внутри микрожидкостного устройства. Изначально жидкий образец, который вводят в устройство, транспортируют посредством капиллярного эффекта частично вдоль капиллярного канала. По мере продвижения жидкости, давление газа на дистальной поверхность контакта газа и жидкости возрастает на достаточное количество, чтобы останавливать движение жидкости. Для того чтобы инициировать дополнительное движение жидкого образца, насос, соединенный с дистальной частью капиллярного канала, снижает давление газа, действующего на дистальную поверхность контакта газа и жидкости из жидкого образца на количество, достаточное для того, чтобы позволять жидкому образцу перемещаться посредством капиллярного эффекта дальше вдоль капиллярного канала микрожидкостного устройства.
В US5096669 описано одноразовое устройство для использования в сочетании с устройством считывателя. Образец можно изначально вводить в одноразовое устройство посредством капиллярного эффекта и дополнительное движение образца внутри устройства можно вызывать с помощью считывателя, который автоматически понижает давление газового пузыря, содержащего гибкую мембрану, внутри устройства, с тем, чтобы вызывать течение текучей среды по датчикам и определение концентрации химических частиц.
В WO2013/096801 описана система обнаружения латерального течения, которая может содержать гидравлические элементы. В одном из вариантов осуществления описан картридж, который содержит устройство латерального течения, которое содержит хроматографические среды и иммобилизованные антитела, но дополнительно содержит газовый пузырь, который приводят в действие с помощью насоса внутри считывателя. Понижение давление газового пузыря служит для того, чтобы перемещать текучий образец внутри гидравлических каналов картриджа и в зону захвата. После подходящего захвата, текучий образец толкают дальше посредством действия на газовый пузырь, в промывочную камеру. Описано использование промывающей текучей среды для того, чтобы смывать компоненты текучего образца, такого как красные клетки крови, которые могут мешать обнаружению. Однако объединение элементов латерального течения с микрожидкостными элементами предусматривает определенную степень сложности и тесты латерального течения в целом примеряют для качественного или полуколичественного измерения, вместо количественного.
В EP2613881, которая является более ранней заявкой заявителя, описан микрожидкостной картридж и связанный считыватель. Проходное отверстие для текучей среды внутри картриджа выполнено с возможностью формировать герметичное уплотнение со считывателем так, чтобы газ можно было транспортировать внутри и на всем протяжении картриджа с помощью считывателя.
В WO03/049860 описано сложное устройство для химического или биохимического анализа, которое содержит первый и второй слои, отделенные хрупким третьим слоем. При разрушении хрупкого третьего слоя текучая среда, присутствующая во втором слое, может проникать в гидравлическую сеть первого слоя. Предусмотрено множество камер, которые следует последовательно сдавливать для того, чтобы подавать различные реактивы и проводить любой конкретный анализ.
В US2015/0004680 описаны биосенсорные картриджи для обнаружения одного или более компонентов в образце. Каждый картридж содержит также микрожидкостные каналы, камеру воздушного насоса и камеру насоса реактивов, которые содержат поры на своей верхней поверхности. Когда в связанном датчике используют оптическое обнаружение, в картридже также предусматривают буферы для промывания. Камеры описаны как отдельные пакеты, которые вставляют в выемки в картридже. Пакеты с реактивами и буферами заполняют подходящей жидкостью.
Также существует потребность в возможности тестировать текучую среду, такую как образцы крови, от субъектов более быстро и с меньшей сложностью. Также существует потребность в том, чтобы субъекты могли тестировать себя дома.
Обычно когда субъект присутствует в местной медицинской клинике или даже в больнице, относительно большие образцы текучей среды или крови берут для анализа, и, в зависимости от проводимых тестов, может требоваться большое число отдельных флаконов или образцов. Также, когда тест не осуществляют в момент отбора образца, часто необходимо для того, чтобы хранить образец, таким образом, который минимизирует разложение или потерю конкретного подлежащего обнаружению аналита. Некоторые тесты чувствительны ко времени, и время, потраченное на проведение теста, может нежелательно вести к прогрессированию заболевания, когда субъекта могли лечить.
Также существуют заболевания и состояния, в которых будет желательно, чтобы субъект мог тестировать себя на регулярной основе и мог лечить себя медикаментозно на основе результатов теста. Таким образом, субъекта можно направлять, на основе результата теста, возможно с участием со стороны работника здравоохранения, в отношении медикаментозного лечения, которое может быть предпринято.
Кроме того, клинический анализ образцов традиционно проводили с использованием клинических способов анализа, которые требуют использования специальных лабораторий с крупномасштабными машинами для проведения анализов. За последние несколько лет возникло движение в сторону разработки устройств настольного размера или даже ручных устройств, которые способны проводить такие тесты. Однако способность таких устройств обращаться только с небольшими объемами образцов и/или осуществлять анализы множества различных типов ограничена. Кроме того, желательно, чтобы один считыватель мог осуществлять множество различных панелей тестов так, чтобы пользователь не должен был иметь множество различных считывателей для того, чтобы иметь возможность проводить тесты различных типов.
В US8435738, например, описана модульная система, которая способна проводить множество анализов по одному образцу крови. Однако ясно, что предусмотрены индивидуальные и отдельные модули для того, чтобы осуществлять различные функции, и образец транспортируют в каждый модуль с помощью системы подачи образцов. Также похоже, что система содержит корпус, который разработан для того, чтобы проводить подготовку образца, а также осуществлять различные анализы, но не ясно, что происходит с каждым образцом, когда его анализ выполнен.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение основано отчасти на исследованиях авторов настоящего изобретения по управлению движением жидкого образца внутри микрожидкостного картриджа и также по эффективному удалению образца и/или вымыванию связанных компонентов из зоны обнаружения аналита внутри картриджа, без необходимости вводить текучую среду снаружи картриджа или использовать промывающую или другую жидкость(и), которая будет присутствовать в картридже или связанном считывателе. Авторы изобретения разработали «сухой» микрожидкостной картридж, который содержит газонаполненную камеру, которую можно использовать для того, чтобы содействовать очень точному управляемому движению жидкого образца внутри картриджа и удалять образец и несвязанный материал из зоны обнаружения аналита внутри картриджа так, что любые поддающиеся обнаружению элементы, которые могут включать комплексы, которые содержат аналит или продукт реакции аналита, можно обнаруживать в газовой среде. Важно, что для картриджей по настоящему изобретению не требуется, чтобы дополнительные жидкости, отличные от самого образца, присутствовали в картридже и/или были введены в картридж. Кроме того, предусмотрено связанное устройство считывателя для использования с картриджем.
В одной области настоящее изобретение относится к способам и картриджам, в которых используют только газ, такой как воздух, внутри камеры, которая присутствует в микрожидкостном картридже, чтобы управлять движением жидкого образца внутри картриджа и также, необязательно, чтобы удалять жидкий образец и несвязанный материал из области обнаружения перед осуществлением обнаружения.
В другой альтернативной и/или добавочной области настоящее изобретение предусматривает картриджи, считыватели и способы выполнения множества различных анализов с использованием одного картриджа и связанного считывателя.
В первом аспекте предусмотрена автономная микрожидкостная система для использования при проведении анализа жидкого образца, микрожидкостная система содержит:
отверстие для введения образца для приема жидкого образца, соединенное по меньшей мере с одним микрожидкостным каналом, причем каждый/упомянутый микрожидкостной канал(ы) содержит один или более осажденных в нем реактивов для использования при проведении анализа и зону обнаружения для использования при обнаружении любого аналита, который может присутствовать в образце, или продукта реакции этого аналита; и
каждый/упомянутый микрожидкостной канал(ы) дополнительно проточно соединен со сдавливаемой газонаполненной камерой ниже по потоку от каждой/ упомянутой зоны обнаружения, и
причем система сформирована из трех слоев, которые расположены стопкой вместе, образуя каждый/упомянутый микрожидкостной канал(ы) и упомянутую газонаполненную камеру, и причем сдавливание или уменьшение сдавливания упомянутой камеры газ вызывает выталкивание газа из камеры или всасывание в нее, что, в свою очередь, вызывает движение жидкого образца в упомянутом/каждом микрожидкостном канале.
Обычно, хотя и не исключительно, система может быть в форме картриджа, который разрабатывают для того, чтобы вставлять в связанное устройство считывателя. Для краткости, далее в настоящем описании отсылают к системе в форме картриджа, но это не следует толковать в качестве ограничения.
Во избежание сомнений настоящее изобретение не требует использования заполненных жидкостью пакетов, присутствующих внутри или предоставляемых с картриджем, и/или возможности переносить текучую среду (жидкость или газ) из связанного считывателя в картридж. В связи с этим, картридж по настоящему изобретению следует рассматривать как автономный. Картриджи по настоящему изобретению перед внесением образца практически не содержат жидкость, и их можно рассматривать в качестве сухих. Единственной текучей средой перед внесением жидкого образца, которое может иметь место или присутствовать в картридже, является газ, обычно воздух. Предпочтительно единственной жидкостью, необходимой для анализов по настоящему изобретению, является сам жидкий образец.
В определенных вариантах осуществления упомянутые один или более реактивов могут быть осаждены в первом местоположении внутри каждого/упомянутого микрожидкостного канала(ов). В других вариантах осуществления упомянутые один или более реактивов могут быть осаждены более чем в одном местоположении внутри каждого/упомянутого микрожидкостного канала(ов). По меньшей мере один из упомянутых одного или более реактивов моет быть осажден внутри зоны обнаружения или, альтернативно, реактивы не осаждены внутри зоны обнаружения. Реактивы изначально можно предоставлять в жидкой форме, которую оставляют сохнуть посредством испарения или других средств. В терминах по настоящему изобретению, когда эти/упомянутые реактивы изначально присутствуют в жидкой форме, которую впоследствии сушат, термин «сухой» следует понимать как обозначающий, что меньше чем 10%, 5%, или 1% начальной жидкости остается после сушки.
В конкретных вариантах осуществления зона обнаружения может быть ниже по потоку от места, где расположены упомянутые один или более реактивов.
Термин «ниже по потоку» в контексте настоящего изобретения относится к месту, где образец вносят в систему, и направлению потока образца.
Необязательно после реакции жидкого образца с упомянутыми одним или более реактивами, осажденными внутри упомянутого/каждого микрожидкостного канала(ов), и переноса образца и других реактивов в зону обнаружения, газ, выталкиваемый из камеры, необязательно служит для того, чтобы удалять жидкость из зоны обнаружения внутри микрожидкостного канала, чтобы любой захваченный аналит или продукты реакции аналита в зоне обнаружения можно было обнаруживать в практически безжидкостной среде. Таким образом, в одном из вариантов осуществления настоящее изобретение предусматривает картридж и способ, в которых обнаружение имеет место в практически безжидкостной среде. Кроме того, авторы изобретения наблюдали, что необходимо только перемещать жидкость из зоны обнаружения, используя соответствующий объем газа из камеры. Таким образом, нет необходимости использовать стандартный этап промывания, который может использовать значимые объемы текучей среды или текучих сред, которые выполнена с возможностью предотвращать и/или минимизировать интерференцию сигналов. Таким образом, преимущественно в настоящем изобретении используют газ в значительно меньшем объеме, чтобы удалять жидкость и материал внутри жидкости из зоны обнаружения аналита. Это полностью отличается от того, что понимают в отношении выполнения стандартного этапа промывания.
Микрожидкостной картридж может содержать множество микрожидкостных каналов, где все из этого множества микрожидкостных каналов находятся в проточном соединении с одним отверстием для введения образца. Отверстие для образца может быть в соединении с микрожидкостным каналом, который разделяется на упомянутое множество микрожидкостных каналов в соответствии с настоящим изобретением. Каждый из упомянутого множества микрожидкостных каналов может быть в проточном соединении с соответствующей газонаполненной камерой или два или более микрожидкостных каналов могут быть в проточном соединении с одной газонаполненной камерой. В соответствии с настоящим изобретением каждой камерой можно управлять отдельно или независимо, тем самым делая возможным независимое управление движением образца внутри индивидуального микрожидкостного канала, или можно управлять движением образца в множестве упомянутых микрожидкостных каналов одновременно. В отличие от пребывания в проточном соединении с одним или более микрожидкостными каналами в картридже в некоторых вариантах осуществления упомянутая газонаполненная камера(ы) не соединена с любыми другими элементами, которые могут присутствовать в микрожидкостном картридже или связанном считывателе. Например, единственное отверстие/выход из газонаполненной камеры может представлять собой отверстие в упомянутый микрожидкостной канал(ы). Таким образом, упомянутая газонаполненная камера(ы) может быть уплотнена с учетом отсутствия клапана, отверстия или иным образом в связи с окружением картриджа. В одном из вариантов осуществления отверстием для введения образца соединяют с первым концом каждого/упомянутого микрожидкостного канала(ов), а второй конец каждого/упомянутого микрожидкостного канала(ов) соединяют с этим/упомянутым отверстием(ями) в одной или более из упомянутых газонаполненных камер. В таком варианте осуществления газонаполненную камеру(ы) можно считать находящейся ниже по потоку от отверстием для введения образца и на противоположном конце каждого/упомянутого микрожидкостного канала(ов) от отверстия для введения образца.
Пока контекст не диктует иное, термин «проточное соединение» понимают как обозначение того, что текучая среда, в том числе газ или жидкость, может транспортироваться между релевантными частями.
Необязательно, микрожидкостной картридж дополнительно может содержать один или более сточных элементов, разработанных для того, чтобы принимать отходы текучей среды и/или избыток жидкого образца. Во избежание сомнений некоторые варианты осуществления настоящего изобретения, в частности, исключают один или более сточных элементов, что может быть полезно.
Схему картриджа по настоящему изобретению можно легко адаптировать для того, чтобы осуществлять множество различных анализов и, таким образом, можно рассматривать как платформу для анализа для множества схожих и/или различных анализов. Картридж и канал(ы), расположенные в нем, можно формировать любыми путями, известными опытному адресату, которые могут включать способы фотолитографии, влажного химического травления, лазерной абляции, инъекционного формования, вырубки пуансоном, тиснения и печати. В соответствии с первым аспектом изобретения, картридж и каналы и другие элементы, расположенные в нем, формируют с расположением стопкой трех отдельных подложек - первой, второй и третей подложки, таких как верхняя и нижняя подложка со средней подложкой, расположенной между верхней и нижней подложками. Три слоя можно герметизировать вместе посредством подведения тепла или использования адгезива. Кроме того, сам средний слой может быть в форме адгезивного слоя, который способен прилипать к верхней и нижней подложкам.
В одном из вариантов осуществления три подложки являются плоскими. Обычно первая и третья (например, верхняя и нижняя и необязательно вторая (например, средняя) подложка практически однородны по природе. То есть, толщина упомянутой подложки является однородной и не меняется по поверхности подложки.
В конкретном варианте осуществления нижнюю подложку приклеивают к средней подложке, которая имеет каналы, уже расположенные в ней. Реактивы, необходимые для осуществления анализа, осаждены в их конкретных зонах осаждения на нижней подложке и удерживаются в месте, когда восстанавливаются образцом, стенками каналов (сформированными с помощью среднего адгезивного слоя), их распространение по всему сформированному каналу предотвращается с помощью элементов, напечатанных на нижней подложке, например, гидрофобных чернил. Таким образом, предотвращают распространение реактивов за пределы их зоны расположения с помощью элементов на всех четырех сторонах. Затем реактивы сушат и финальный верхний слой подложки приклеивают к среднему слою для получения полностью сформированных картриджей. Специалисты в данной области могут представить себе многие другие способы расположения реактивов для анализа в картридже.
Картриджи по настоящему изобретению можно сформировать посредством процесса обработки полотна или процесса обработки с рулона на рулон, которые известны в данной области по рулонам гибкой полимерной пленки, пластмассы или металлической фольги.
Преимущественно авторы изобретения обнаружили, что, когда картридж формируют из расположенных стопкой трех отдельных плоских подложек, нет необходимости, чтобы верхняя и нижняя подложки картриджа имели различные толщины и/или части различной толщины или сформированные из других материалов. Таким образом, верхний и нижний слои могут иметь однородную толщину и быть сформированы из одного материала. Это упрощает изготовление картриджей и связанные расходы. Материал, используемый для того, чтобы сформировать верхний и необязательно нижний слои, может быть гибким, но при размерах каналов и камер газа он является достаточно жестким, но более упругим. К удивлению, подложка, которая формирует верхнюю и нижнюю поверхности, в частности, верхнюю внешнюю поверхность этой/каждой газонаполненной камеры, может быть упругой, даже несмотря на то, что толщина верхней поверхности является однородной по поверхности подложки.
Адгезив, который можно использовать для того, чтобы герметизировать слои вместе, также можно комбинировать для того, чтобы содействовать сдавливаемости каждой/упомянутой камеры. Таким образом, сдавливаемая природа камеры отчасти может быть обусловлена адгезивом, который упруг, а также верхней и необязательно нижней подложкой, которая упруга. В отличие от известного уровня техники газонаполненные камеры по настоящему изобретению не должны содержать гибкую мембрану или лист, формирующие внешнюю поверхность камеры, которую выполняют из другого материала и/или которая имеет другую толщину или гибкость по сравнению с подложкой, используемой для того, чтобы сформировать остальной верхний и необязательно нижний слой. Таким образом, верхний слой и необязательно нижний слой представляет собой/выполняют из одного материала однородной толщины по слою. В идеале верхний и нижний слои выполняют из одного и того же материала, и они имеют однородную толщину. Это упрощает изготовление картриджей, что является важным соображением в отношении стоимости.
Картридж можно формировать из любого подходящего материала, такого как поликарбонат, полиолефины, такие как сополимеры циклических олефинов (COC), полиэфир, полистирол, PMMA и т. д., и конкретную/каждую подложку можно формировать из одного или множества материалов. В варианте осуществления, содержащем три подложки, средняя подложка содержит фигурную прорезь сквозь подложку, соответствующую определенным элементам картриджа, таким как упомянутый канал(ы), газонаполненная камера(ы), сток отходов и т. п. Посредством наложения и формирования стопки (например, посредством термосварки, склеивания, соединения скобами и т. п.) надлежащим образом вырезанных верхней и нижней подложек, чтобы располагать среднюю подложку между верхней и нижней подложками, можно обеспечить картридж, в котором располагают каналы и другие элементы. Каждый слой можно обеспечить отдельно и укладывать в стопку вместе или три слоя можно соединять друг с другом и формировать стопку посредством складывания слоев друг поверх друга для того, чтобы формировать картридж. Верхние и/или нижние подложки можно формировать из или покрывать с использованием материала, который отличается от средней подложки и/или адгезивного материала, наносимого на любые из подложек для того, чтобы содействовать слипанию вместе трех подложек. Элементы в верхней и/или нижней подложке можно разрабатывать для совмещения с элементами в устройстве считывателя (как рассмотрено далее в настоящем описании), что может облегчать правильное размещение картриджа в считывателе.
В удобном варианте осуществления разрабатывают считывание анализов по настоящему изобретению через оптическое обнаружение. В связи с этим связанный считыватель содержит средство оптического обнаружения, такое как спектрометр или флюориметр, который выполнен с возможностью обнаруживать электромагнитное излучение, испускаемое областью обнаружения в картридже. Для флуоресцентного обнаружения спектрометр или флюориметр внутри считывателя обнаруживает флуоресценцию, испускаемую материалом внутри зоны обнаружения. Таким образом, по меньшей мере часть первого или третьего слоев (например, верхнего или нижнего слоев) картриджа, которые выполнены обращенными к спектрометру или флюориметру в считывателе, должны быть оптически пропускающими в подходящем диапазоне спектра электромагнитного излучения. В случае обнаружения флуоресценции, по меньшей мере часть первого или третьего (например, верхнего или нижнего) слоя картриджа должна быть оптически пропускающей в диапазоне, охватывающем длину волны возбуждения и длину волны обнаружения. Например, по меньшей мере часть первого и третьего (например, верхнего или нижнего) слоя картриджа должна быть оптически пропускающей в диапазоне 200-1200 нм.
Когда первый и третий (например, верхний и/или нижний) слои выполняют из одного материала, следует принимать во внимание, что весь первый и третий (например, верхний и/или нижний) слой будет оптически пропускающим, а не только его часть. Однако чернила и/или маски можно использовать для того, чтобы предотвращать или минимизировать выщелачивание или рассеивание электромагнитного излучения подходящей длины волны за пределы зоны обнаружения. В одном из вариантов осуществления часть третьего (например, нижнего) слоя, которая охватывает зону или часть обнаружения, следовательно, можно покрывать материалом, который выполнен с возможностью максимизировать испускание любого флуоресцентного сигнала в сторону средства оптического обнаружения в считывателе.
Первую и третью (например, верхнюю и нижнюю) подложки можно соединять с помощью шарнира, который позволяет смежно складывать две подложки друг с другом со средней подложкой, расположенной между. Альтернативно шарниры можно предусмотреть между первой и второй (например, верхней и средней) подложками и второй и третьей (например, средней и нижней) подложками с тем, чтобы первую, вторую и третью (например, верхнюю, среднюю и нижнюю) подложки складывать друг смежно с другом и можно было формировать их из одного листа подложки.
Важно, что упомянутая газонаполненная камера(ы) выполнена с возможностью совместного размещения с элементом или элементами в считывателе, которые выполнены с возможностью контакта с внешней поверхностью упомянутой газонаполненной камеры(камер) (т. е. с верхней и/или нижней подложками, когда они в форме стопки из трех подложек, которую следует обеспечить в считывателе практически горизонтальным образом) и которые способны управлять усилием, например, сдавливанием, подлежащим приложению к/снятию с внешней поверхности камеры. Приложение усилия к внешней поверхности конкретной/каждой камеры вызывает деформацию камеры и выталкивание газа внутри камеры из камеры в микрожидкостной канал. Наоборот, последующее снижение усилия например, уменьшение сдавливания, прикладываемого к конкретной/каждой камере, вызывает меньшую деформацию камеры и, необязательно, возвращение к недеформированному состоянию так, что газ всасывают обратно в камеру из микрожидкостного канала.
Следует принимать во внимание, что без приложения усилия, газонаполненная камера обычно содержит максимальный объем газа. При приложении усилия газ вытесняют из газонаполненной камеры, уменьшая, таким образом, объем газа внутри камеры. Последующее снижение усилия, прикладываемого к камере, позволяет газу всасываться обратно в камеру, с последующим увеличением объема газа внутри газонаполненной камеры.
Газ внутри каждой камеры обычно представляет собой воздух, несмотря на то, что можно вводить другие газы или смеси газов. Например, если любой из реактивов, которые расположены внутри каждого/упомянутого микрожидкостного канала(ов), подвержен окислению или иным образом обладает более коротким временем жизни, когда присутствует на воздухе, картридж и связанные каналы и камеры можно наполнять инертным газом, таким как азот или тому подобное. В целом, отсылают к газу, который представляет собой воздух, но это не следует толковать в качестве ограничения.
Обычно при использовании картридж можно предоставлять или вставлять в считыватель перед внесением образца и усилием, прикладываемым к упомянутой/каждой камере, чтобы выталкивать газ из упомянутой/каждой камеры и в упомянутый/каждый микрожидкостной канал. Картридж можно рассматривать как «заряженный» для внесения образца.
Образец, такой как образец крови или любой другой жидкий образец, можно вводить в картридж через отверстие для введения образца. Образец можно вводить непосредственно через контакт образца с отверстием для введения. Альтернативно, образец можно сначала собирать с использованием средства отбора образца, и такое средство отбора образца, такое как градуированная полоска, микропипетка, капиллярная трубка или тому подобное, приводить в контакт с или вставлять в отверстие для введения образца для того, чтобы образец можно было вводить в картридж и микрожидкостной канал. В некоторых вариантах осуществления, например, при проведении анализа нуклеиновой кислоты, может быть желательныь осуществлять любой анализ в закрытой системе. Таким образом, средство отбора образца, разрабатываемое для введения образца в микрожидкостной картридж, может служить двойной цели введения образца и герметизации отверстия для введения образца, когда средство отбора образца вставляют в/приводят в контакт с отверстием для введения образца.
После того, как образец привели в контакт с/ввели в отверстие для введения образца в картридже, образец можно сначала всасывать в микрожидкостной канал посредством капиллярного эффекта. Альтернативно образец можно активно всасывать в микрожидкостной канал посредством снижения усилия, прикладываемого к упомянутой/каждой камере так, что газ всасывают в камеру, чем, в свою очередь, всасывают жидкий образец в и вдоль упомянутого/каждого микрожидкостного канала(ов).
В одном из вариантов осуществления жидкий образец сначала всасывают по одному микрожидкостному каналу, который делится на множество микрожидкостных каналов, каждый из упомянутого множества каналов способен осуществлять один или более анализов. Таким образом, можно обеспечивать один образец, который, в свою очередь, делят на множество частей или аликвот.
Когда образец введен в картридж и упомянутый/каждый микрожидкостной канал(ы), например, посредством капиллярного эффекта и/или активного всасывания образца через картридж, дальнейшей транспортировкой текучей среды внутри и на всем протяжении картриджа и связанного канала(ов) тщательно управляют/содействуют ему с помощью управляемого давления, приложенного к упомянутой/каждой камере газа, что вызывает введение и/или выталкивание газа из упомянутой/каждой газонаполненной камеры(камер). Газ, который всасывают обратно в упомянутую/каждую камеру, обычно служит всасыванию жидкого образца по упомянутому/каждому микрожидкостному каналу(ам) в направлении к упомянутой/каждой камере по причине вакуумного эффекта, и газ, выталкиваемый из упомянутой/каждой камеры, толкает жидкость внутри упомянутого/каждого микрожидкостного канала в направлении от упомянутой/каждой камеры, в направлении к отверстию для введения и необязательно в сток отходов текучей среды, когда присутствует.
Как указано выше, сточный элемент является полностью необязательным. В соответствии с настоящим изобретением возможно через подходящее управление текучей средой и управление камерой газа гарантировать, что, когда образец вводят в картридж, образец или другую жидкость нельзя вытолкнуть из отверстия для образца. Перед внесением образца каждую/упомянутую камеру можно сдавливать до максимальной степени так, что невозможно вытолкнуть образец из отверстия для введения образца. Преимущественно сдавливание каждой/упомянутой газонаполненной камеры перед внесением образца обозначает, что после проведения любого анализа и снятия любого давления сдавливания на каждой/упомянутой газонаполненной камере, жидкий образец всасывают дальше в картридж и, возможно, в газонаполненную камеру, вдали от отверстия для введения образца. Это можно рассматривать как полезный элемент безопасности, в отношении изоляции любого образца, после анализа, от пользователя.
Движение текучей среды можно очень точно контролировать с помощью средства управления усилием в считывателе. Кроме того, положение текучей среды внутри каждого канала можно необязательно обнаруживать считывателем с помощью такого средства, как электроды, располагаемые вдоль микрожидкостных каналов, которые находятся в контакте со считывателем и могут сообщать посредством обратной связи положение любой жидкости и/или текучей среды в каждом/упомянутом микрожидкостном канале, тем самым позволяя считывателю очень тщательно определять положение и/или скорость движения текучей среды через приложение усилия/давление на газонаполненную/наполненную воздухом камеру.
Как идентифицировано, при использовании, образец вносят в картридж через отверстие для введения образца, например, через непосредственный контакт с субъектом/пациентом или другим средством, например, пипеткой, капиллярной трубкой или тому подобным. В предпочтительном варианте осуществления отверстия для введения образца представляет собой проем в стороне или грани (например, верхней грани) картриджа. Желательно картридж может быть в форме в целом тонкого плоского устройства, содержащего верхнюю и нижнюю грани и четыре края. В этой компоновке отверстия для введения образца можно формировать в одном из краев картриджа или на верхней грани с тем, чтобы пользователю только нужно было привести образец в контакт с отверстием, сформированным в крае или на верхней грани, чтобы сделать возможным захват образца картриджем. При использовании, пользователь приводит текучий образец в контакт с отверстием/проемом и, в определенных вариантах осуществления из-за размеров упомянутого канала(ов) внутри картриджа, текучую среду всасывают в картридж посредством капиллярного эффекта. Размеры отверстия для образца/проема могут быть меньше размеров канала(ов). Таким образом, при выталкивании текучей среды из упомянутого/каждого микрожидкостного канала, необязательный сток отходов текучей среды предусматривает большую пустую область, в которой отходы текучего образца и любых не прореагировавших реактивов/метку можно направлять к и в сток отходов, а не наружу через отверстие для введения образца.
В определенных вариантах осуществления сток отходов не предусмотрен. Поскольку нет необходимости удалять образец или только необходимо удалять образец и не прореагировавшие реактивы/метку из зоны обнаружения внутри упомянутого/каждого микрожидкостного канала. Тщательное управление движением текучей среды можно реализовать так, что газа, выталкиваемого из упомянутой/каждой газонаполненной камеры, достаточно для того, чтобы просто удалить образец и любые не прореагировавшие/нежелательные реактивы/метку из зоны обнаружения. Начальное максимальное сдавливание конкретной/упомянутой газонаполненной камеры перед внесением жидкого образца гарантирует, что невозможно толкать образец за пределы отверстия для введения образца. Такое тщательное управление движением текучей среды внутри микрожидкостного канала обозначает, что сток отходов и/или большие объемы промывающей текучей среды могут не потребоваться, что ведет к упрощению изготовления/использования и экономической эффективности.
Упомянутый микрожидкостной канал(ы) в картридж также может содержать один или более стопорных элементов текучей среды, которые выполнены с возможностью предотвращать прохождение образца через стопорный элемент, посредством только капиллярного эффекта. То есть образец нужно активно толкать за упомянутый стопорный элемент(и) и/или дополнительно по упомянутому микрожидкостному каналу(ам) под действием усилия, такого как усилие сдавливания и/или уменьшения сдавливания, которое действует на газонаполненную камеру, что служит для всасывания или выталкивания жидкого образца внутри картриджа. Стопорный элемент может представлять собой гидрофобный материал (например, печатаемые проводящие или непроводящие чернила) или процесс или материал, который меняет поверхностные свойства поверхности канала и, следовательно, создает гидрофильный/гидрофобный дифференциал (например, посредством лазерной абляции, модификации поверхности, удаления материала поверхности, испаренных металлических материалов и т. п.), который выполнен так, чтобы он упирался/представлял собой элемент стенки, или наносят на стенку (например, верх, сторону(ы) и/или низ) канала. В одном из вариантов осуществления, где каналы формируют с помощью трех подложек, укладываемых стопкой вместе, тем самым формируя каналы, гидрофобный материал можно наносить на верхнюю и/или нижнюю подложки так, что, когда три подложки располагают стопкой вместе, гидрофобный останавливающий материал формирует элемент на верхней и/или нижней поверхности упомянутого канала (стенки которого формируют с помощью среднего слоя). Альтернативно или дополнительно небольшой однонаправленный проход может быть предусмотрен рядом с каналом или внутри него, этот проход может позволять вентиляцию воздухом снаружи картриджа или избегать внутри картриджа, но не позволяет воздуху или жидкостям проходить в упомянутый микрожидкостной канал(ы). Жидкость, проходящая в картридж посредством капиллярного эффекта, будет заполнять проход, но не то, что за ним, без приложения дополнительного усилия.
В одном из вариантов осуществления, где предусмотрено множество каналов, чтобы выполнять отдельные и/или повторяемые анализы, стопорный элемент текучей среды можно предусмотреть в каждом канале ниже по потоку от отверстие для введения образца. Таким образом, образец сначала поступает в картридж через отверстие для введения образца, но не может заполнять отрезок каждого микрожидкостного канала из-за стопорного элемента текучей среды. Для того чтобы начинать каждый анализ, образец нужно активно всасывать за стопор текучей среды и по каждому микрожидкостному каналу для того, чтобы приводить в контакт упомянутые один или более реактивов, посредством всасывания газа назад в упомянутую/каждую камеру газа. Преимущественно это гарантирует, что каждый анализ можно начинать одновременно или в различные моменты времени при необходимости, а также служит тому, чтобы минимизировать проблемы, которые могут возникнуть из-за различий образцов, например, таких как значения гематокрита крови и, таким образом, различие в вязкости.
Также предпочтительно стопорный элемент располагают выше по потоку от стока отходов текучей среды, когда он присутствует, чтобы образец при начальном внесении не тек в камеру отходов. Когда достаточное усилие прикладывают к упомянутой/каждой газонаполненной камере для того, чтобы активно толкать жидкий образец внутри упомянутого/каждого канала(ов), жидкость может проходить стопорный элемент выше по потоку от стока отходов текучей среды и попадать в сток отходов. Этот стопорный элемент также может быть выполнен таким образом, что несмотря на то, что он предотвращает попадание текучей среды в сток при начальном контакте, образец может в конечном итоге просочиться через этот стопорный элемент и течь в сток, но только когда образец заполнил каналы образца. Когда эти каналы полны, капиллярная сила на стопорном элементе возрастает, и избыток образца может течь через стопорный элемент и в сток. Таким образом, сток может действовать в качестве перелива для избыточного внесения образца, а стопорный элемент текучей среды может действовать в качестве синхронизирующего клапана, управляющего этим движением жидкости. В других вариантах осуществления этот стопорный элемент не требуется. Сток может быть заполнен образцом и действовать в качестве резервуара, из которого образец можно всасывать посредством снижения усилия на газонаполненной камере(ах) для того, чтобы переносить этот образец из стока в канал(ы) образца.
В одном из вариантов осуществления сток отходов выполнен так, чтобы он представлял собой пустую область картриджа, в которую можно откачивать расходуемую текучую среду/образец или текучие среды, которые не требуются или которые полагают нежелательными. Например, цельная кровь содержит множество белков и других агентов, которые могут мешать аналитическим реакциям и/или обнаружению захваченного аналита посредством обнаружения флуоресценции, например. Настоящее изобретение позволяет проводить начальное связывание и/или реакцию любого аналита в образце (например, цельной крови), но все или практически все несвязанные материалы, присутствующие в жидком образце и жидкости, остающейся после реакции, впоследствии можно откачивать из зоны обнаружения, необязательно в камеру отходов, что делает возможными проведение дополнительных реакций и/или обнаружения в практически безжидкостной или газообразной среде.
Однако, как показано выше, может не быть необходимым включать сток отходов. Преимущественно авторы настоящего изобретения наблюдали, что газ, который выталкивают из упомянутой/каждой камеры газа при приложении усилия к упомянутой/каждой камере газа, является достаточным для того, чтобы толкать/транспортировать жидкий образец и несвязанный/не прореагировавший материал из зоны обнаружения. Таким образом, только захваченный, связанный или иммобилизованный материал удерживают в зоне обнаружения в практически безжидкостной среде, и преимущественно легко проводят обнаружение любого такого материала.
Также как и каждый/упомянутый микрожидкостной канал(ы), картридж по настоящему изобретению может содержать один или более электродных элементов, которые образуют контакт с упомянутым каналом(ами) и, таким образом, образцом после введения в картридж. Электроды выполнены с образованием контакта с электрическими контактами внутри считывателя, что позволяет выполнять различные считывания, где это применимо. Например, один или более электродов в картридже можно выполнить с возможностью обнаруживать правильную загрузку картриджа, а считыватель может сигнализировать пользователю о том, a) правильно или нет картридж вставлен в считыватель и/или b) правильно ли загружен образец в картридж, например, до стопорного элемента текучей среды. Электрод(ы) также могут выполнять одно или более электрических измерений в самом образце. Например, когда образец представляет собой образец цельной крови, электрод(ы) могут проводить измерение гематокрита образца, который может быть важен при определении точной концентрации подлежащего обнаружению аналита. Измерения проводимости и/или импеданса можно определять в зависимости от исследуемого образца. Таким образом, картриджи по настоящему изобретению могут не только обнаруживать, присутствует ли аналит в образце или нет посредством связывания/реакции с любым аналитом, но также можно проводить электрические измерения образца. Электрод(ы) также можно использовать для того, чтобы подтверждать, что удаление образца из области обнаружения, с помощью газа, выталкиваемого из газонаполненной камеры, произошло правильно, поскольку будет иметь место значимое изменение проводимости, обнаруживаемое, когда жидкость присутствует или отсутствует. Также можно предусматривать электроды для газонаполненной камеры, чтобы сигнализировать о степени сдавливания каждой/упомянутой камеры.
Образец, подлежащий внесению в картридж, может представлять собой любой подходящий жидкий образец. Например, он может представлять собой образец текучей среды, получаемый у субъекта, такой как цельная кровь, плазма, слюна, семя, пот, сыворотка, месячные, амниотическая жидкость, слеза, тканевой мазок, моча, цереброспинальная жидкость, образец слизи и т. п. Следует принимать во внимание, что системы анализа по настоящему изобретению можно применять в области здоровья человека, в том числе на больших и растущих IVD рынках (например, онкология, кардиология, обнаружение средств, вызывающих лекарственную зависимость, и инфекционные заболевания, в том числе бактериальные, грибковые и вирусные инфекции). Анализы также можно использовать для того, чтобы тестировать лекарственные средства и действие лекарственных средств. Однако систему также можно применять к экологической обстановке, где желательно обнаруживать, например, токсичные средства или инфекционные агенты, такие как бактерии, грибы или вирусы. Таким образом, образцы из рек или озер или мазки с твердых поверхностей можно брать для того, чтобы получать жидкий образец для предоставления в картридж. Системы анализа также можно использовать для ветеринарных применений. Практически любой анализ, в котором образец можно предоставлять в жидкой форме или превращать в жидкую форму, можно использовать в настоящем изобретении, например, образец выдоха можно получать, подув в жидкость, и использовать жидкость в соответствии с изобретением. Мазки также можно брать с поверхностей и помещать в жидкость для того, чтобы предоставлять жидкий образец
Образец, например, может содержать материалы, получаемые непосредственно из источника, такие как образец цельной крови, а также материалы, предварительно обработанные с использованием способов, таких как фильтрование, преципитация, разведение, дистилляция, смешивание, концентрирование, инактивация мешающих средств и т. д. Эти этапы можно осуществлять перед введением образца в картридж или можно осуществлять с помощью самого картриджа.
Образец можно вводить перед тем, как вставлять картридж в устройство считывателя, или после того, как картридж вставляют в считыватель. В некоторых вариантах осуществления картридж вставляют в устройство считывателя перед внесением образца и приложением усилия к газонаполненной камере для того, чтобы выталкивать газ из упомянутой/каждой камеры. Так можно эффективно заряжать картридж, чтобы он был готов ко внесению образца. Уменьшение усилия, прикладываемого к упомянутой/каждой камере, будет всасывать газ обратно в камеру и, в свою очередь, всасывать образец в и по упомянутому/каждому микрожидкостному каналу(ам). Картридж также можно выполнить так, что образец можно изначально вводить посредством капиллярного эффекта. Таким образом, можно предусматривать стопорный элемент, как описано выше, чтобы ограничивать проникновение образца в упомянутый микрожидкостной канал(ы). Дальнейшая транспортировка образца является результатом выталкивания или введения газа из/в упомянутую/каждую газонаполненную камеру(ы). Для того чтобы образец можно было изначально вводить посредством капиллярного эффекта, необходимо вытеснять газ, который присутствует в упомянутом микрожидкостном канале(ах), с помощью образца. Этого можно достигать посредством клапана или тому подобного, выходящего из микрожидкостного канала вовне картриджа. В одном из вариантов осуществления клапан представляет собой односторонний клапан, который разрабатывают только для того, чтобы позволять газу выходить из картриджа и не позволять вводить газ или жидкость в картридж.
Клапан может представлять собой небольшое отверстие или щель, например, расположенные рядом с или в непосредственной близости от гидрофобного стопорного элемента, разработанного для того, чтобы предотвращать дальнейшую транспортировку образца внутри упомянутого/каждого микрожидкостного канала(ов) посредством только капиллярного эффекта. Каждый клапан может быть в проточном соединении с упомянутым/каждым микрожидкостным каналом с помощью канала меньших размеров, чем сам упомянутый/каждый микрожидкостной канал (например, меньше 50%, 25% или 20% ширины упомянутого/каждого микрожидкостного канала). При использовании, когда образец удаляют из зоны обнаружения, по упомянутому/каждому микрожидкостному каналу, после протекания процесса реакции, образец преимущественно направляют к отверстию для введения образца и/или стоку отходов текучей среды, когда присутствует, а не к клапану, из-за того, что размеры упомянутого/каждого микрожидкостного канала больше канала, который соединяет микрожидкостной канал с клапаном. Кроме того, при начальном внесении образца, небольшое количество образца может заполнять канал меньших размеров и действовать в качестве барьера для дальнейшего течения текучей среды между клапаном и микрожидкостным каналом после внесения образца. Не ограничиваясь теорией, ожидают, что барьер обусловлен относительно более высокой капиллярностью меньшего канала по сравнению с конкретным/упомянутым более крупным основным микрожидкостным каналом. Небольшое количество образца может оставаться в меньшем канале и фактически закупоривать клапан после заполнения капилляра. Таким образом, клапан оказывает эффект только во время начального заполнения капилляра и после этого транспорт жидкости внутри картриджа осуществляют или контролируют с помощью газа, всасываемого в или выталкиваемого из упомянутой/каждой камеры.
В дополнительном аспекте предусмотрена клапанная система для использования в соответствии с настоящим изобретением, содержащая:
выпускное или щелевое отверстие в верхней или нижней поверхности системы анализа в соответствии с настоящим изобретением; и
микрожидкостной канал меньших размеров в этом/упомянутом микрожидкостном канале системы анализа, при этом этот микрожидкостной канал меньших размеров находится в проточном соединении с выпускное или щелевым отверстием и этим/упомянутым микрожидкостным каналом системы анализа.
В целях удобства клапанную систему располагают так, чтобы она была рядом с капиллярным стопором этого/упомянутого микрожидкостного канала, так что при введении образца в систему анализа с помощью капиллярного эффекта образцом заполняют до капиллярного стопора, и часть образца также по меньшей мере частично заполняет микроканал меньших размеров. Часть образца, по меньшей мере частично заполняющая микроканал меньших размеров, выполняет функцию барьера для дальнейшей транспортировки текучей среды по микроканалу меньших размеров и экспорта текучей среды через капан или щель.
Желательно картридж по настоящему изобретению может быть выполнен с возможностью проведения множества анализов (повторений одного и того же анализа и/или различных анализов) в одном жидком образце. Размеры картриджа и связанных каналов являются такими, что все такие анализы идеально осуществляют в жидком образце, таком как образец крови, получаемый посредством прокола пальца, который составляет меньше чем 100 мкл, 50 мкл, например, меньше чем 40 мкл, 30 мкл или даже 20 мкл или меньше. Таким образом, возможно проводить анализ или анализ внутри одного канала картриджа с использованием меньше чем 10 мкл, например, меньше чем 7 мкл, 5 мкл или даже 2 мкл или меньше жидкого образца, такого как кровь. Это значительно меньше, чем необходимо для анализа, который осуществляют в больнице с использованием более крупных настольных анализаторов или других известных платформах для мест предоставления медицинских услуг.
Подлежащий обнаружению аналит может представлять собой любой требуемый аналит и может включать белки, пептиды, антитела, нуклеиновую кислоту, микроорганизмы (такие как бактерии, грибы и вирусы), химические агенты, биохимические агенты, токсины, фармацевтические агенты, ферменты, метаболиты, клеточные фрагменты, антигены и т. п. Например, данную систему можно адаптировать для того, чтобы обнаруживать аналит любого типа, который может связывать подходящее связующее или вступать в реакцию с подходящим реактивом(ами), продукт которого может быть обнаружен и необязательно связан подходящим связующим. Связующее может представлять собой любое подходящее связующее, которое способно связываться специфически с аналитом или продуктом реакции, подлежащим обнаружению. Например, если аналит представляет собой белок или пептид, связующее может представлять собой рецептор или антитело, которые способны к специфическому связыванию с белком/пептидом. Наоборот, антитело можно связывать с помощью белка/пептида, это антитело разрабатывают для специфического связывания с белком/пептидом. Нуклеиновые кислоты можно связывать с помощью других нуклеиновых кислот, которые способны к специфической гибридизации с нуклеиновой кислотой аналита. Микроорганизмы можно связывать с помощью антител, которые специфически связываются с белками на поверхности микроорганизма. Химические агенты, токсины, фармацевтические агенты, метаболиты можно связывать с помощью химических фрагментов, которые способны к реакции или связыванию с упомянутыми выше химическими аналитами через подходящие реакции связывания или аффинности. Способы связывания многих типов хорошо известны специалистам в данной области.
Кроме того, этот/упомянутый реактив может представлять собой фермент или ферментативный субстрат. Например, аналиты, такие как глюкоза, можно обнаруживать подробно описанными ферментативными способами в виде продукта реакции, образуемого после ферментативной реакции глюкозы, что можно обнаруживать с использованием электрохимических или оптических способов обнаружения, известных опытному адресату. Такие измерения можно выполнять в виде отдельных измерений или в комбинации с другими аналитами, подлежащими обнаружению в образце.
Следует принимать во внимание, что отсылка в настоящем описании к комплексам аналита/связующего аналита включает комплексы, в которых аналит является не модифицированным относительно его формы, встречаемой в жидком образце, или где аналит модифицирован через реакцию с дополнительным реактивом и, таким образом, его можно рассматривать в качестве продукта реакции аналита.
Само связующее можно прикреплять непосредственно или опосредованно к стенке или поверхности упомянутого микрожидкостного канала(ов) внутри картриджа, посредством подходящего связывания со стенкой или поверхностью, например, посредством физической адсорбции, ковалентного химического связывания, нековалентного химического связывания (например, биотин-авидин) или комбинации любых упомянутых выше. В предпочтительном варианте осуществления связующее имеет форму магнитной или парамагнитной частицы, которая содержит связывающий фрагмент, и связывающий фрагмент можно связывать непосредственно или опосредованно, например, с помощью нековалентного химического связывания (например, биотин-авидин) с поверхностью частицы. Дополнительные варианты осуществления также могут включать физическую адсорбцию, ковалентное химическое связывание, нековалентное химическое связывание (например, биотин-авидин) или любую их комбинацию на поверхности магнитного средства, такого как магнитная частица. Магнитные средства/частицы, которые функционализируют, чтобы они содержали связующее, связанное с ними, можно просто осадить внутри упомянутого микрожидкостного канала(ов) картриджа так, что при внесении образца в картридж и всасывании в и по упомянутому/каждому каналу(ам), функционализированные магнитные средства/частицы ресуспендируют с помощью жидкого образца и, таким образом, вводят в контакт с любым аналитом в образце. Область или области расположения для связывающих и/или других реактивов можно определять конкретно с использованием гидрофобного стопора или других элементов на любом или обоих концах области осаждения, с помощью способов, описанных ранее, чтобы необязательно отделять эту область или области от области/зоны обнаружения. Где это применимо, это может гарантировать, что высокие фоновые показания не получают из-за того, что компоненты реактивов (например, флуоресцентные латексные частицы) высушены в области/зоне измерения/обнаружения.
Как указано выше, также как и связующие картридж может содержать и/или альтернативно содержит один или более реактивов, осажденных внутри упомянутого микрожидкостного канала(ов), эти реактивы могут облегчать обнаружение аналита или захваченного аналита. Например, упомянутые один или более реактивов могут включать метку, которая выполнена с возможностью специфического связывания с аналитом, таким образом облегчая его обнаружение, или ферментом, который осуществляет реакцию с аналитом для того, чтобы создавать продукт реакции аналита. Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением, анализы, описанные в настоящем описании, можно использовать для того, чтобы обнаруживать аналит или продукт реакции этого аналита.
Связанный аналит можно обнаруживать непосредственно, при условии, что связанный аналит способен генерировать обнаруживаемый сигнал, или что при связывании аналита может иметь место реакция с тем, чтобы создавать продукт реакции, а продукт реакции можно обнаруживать. Однако в предпочтительном варианте осуществления связанный аналит приводят в контакт с меткой, которая способна связывать связанный аналит, и впоследствии обнаруживают комплекс метки/связующего/аналита. Саму метку можно связывать с дополнительным связывающим фрагментом, который также способен к специфическому связыванию с комплексом связующего/аналита. Обычно метка способна связываться с другой частью аналита, а не с той, которую связывает первое связывающее средство, или способна связываться с областью комплекса связующего/аналита, которую формируют только при образовании такого комплекса.
Связанный аналит можно транспортировать к метке внутри другой области микрожидкостного канала посредством газа, всасываемого обратно в заполненную текучей средой камеру, чем, следовательно, всасывают текучий образец дальше по микрожидкостному каналу в направлении упомянутой/каждой газонаполненной камеры.
Желательно связующее и любое средство обнаружения/метка находятся в сухом состоянии, когда осаждены в микрожидкостном канале(ах) картриджа, с тем, чтобы они допускали длительное хранение и восстановление с помощью жидкого образца при течении жидкого образца в и по микрожидкостному каналу(ам).
В одном из вариантов осуществления связующее и/или средство обнаружения/метку, которая предусмотрена для того, чтобы содействовать обнаружению аналита, изначально располагают ниже по потоку (в отношении направления потоков образцов в картридже после введения) от первого стопорного элемента . Таким образом, упомянутое связующее и/или средство обнаружения изначально не вводят в контакт с образцом при начальном внесении образца и заполнении капилляра внутри картриджа. Только когда снижают усилие, прикладываемое к упомянутой/каждой газонаполненной камере, и газ всасывают обратно в газонаполненную камеру, образец дальше всасывают по упомянутому/каждому микрожидкостному каналу и приводят в контакт со связующим и/или средством обнаружения.
В одном из вариантов осуществления транспортировка образца по микрожидкостному каналу может происходить в несколько этапов. Например, после начального внесения образца и заполнения капилляра, образец можно всасывать по первой части упомянутого/каждого микрожидкостного канала с помощью управляемого снижения усилия, прикладываемого к упомянутой/каждой камере газа, и газа, всасываемого обратно в упомянутую/каждую газонаполненную камеру управляемым и точным образом. Первая часть упомянутого/каждого микрожидкостного канала может содержать, например, упомянутое связующее. Таким образом, введение текучего образца в первую часть позволяет связующему вступать в реакцию с любым аналитом, который может присутствовать в жидком образце. После этого образец и связующее можно всасывать во вторую часть упомянутого/каждого микрожидкостного канала, посредством дополнительного управляемого снижения усилия, прикладываемого к упомянутой/каждой камере газа, с тем, чтобы всасывать больше газа в упомянутую/каждую газонаполненную камеру, чем, в свою очередь, всасывают образец и связующее во вторую часть упомянутого/каждого канала. Дополнительные реактив или метка, например, могут присутствовать во второй части, а образец и связующее приводят в контакт с ними. Таким образом, можно легко реализовать множество отдельных стадий или этапов в отношении конкретного анализа, и каждая стадия/этап может требовать периода времени, который отличается от других. Следует принимать во внимание, что можно легко вообразить больше чем два этапа, например, три, четыре или больше этапов, причем каждый этап осуществляют посредством дополнительного управляемого снижения усилия, прикладываемого к конкретной/каждой газонаполненной камере. Преимущественно каждой камерой газа можно управлять независимо. Таким образом, также возможно проводить множество анализов различных типов с использованием одного картриджа по изобретению. Таким образом в каждом отдельном канале предоставляют необходимый реактив(ы) для проведения конкретного анализа или анализов, а считыватель программируют на осуществление необходимого числа этапов сдавливания/уменьшение сдавливания камер газа для каждого конкретного анализа. Соответственно, картриджи и связанный считыватель по настоящему изобретению способны проводить, практически одновременно, множество дискретных и различных анализов, которые могут требовать различных реактивов, периодов времени реакции, числа этапов и т. д.
Несмотря на то, что в приведенном выше описании рассмотрено всасывание или толкание жидкого образца на ступенчатым образом, следует принимать во внимание, что благодаря управляемой природе средства управления усилием возможно обратимое сдавливание и уменьшение сдавливания газонаполненной камеры в небольшой или переменной степени, например, чтобы позволять толкать и тянуть жидких образец в любой момент времени и допускать эффект смешивания. Таким образом, например, когда жидкий образец транспортируют в область микрожидкостного канала, которая содержит один или более реактивов, которые подлежат восстановлению с помощью жидкого образца, при достижении области, в которой располагают упомянутые один или более реактивов, жидкий образец можно толкать и тянуть назад и вперед с использованием небольших сдавливаний/уменьшений сдавливания каждой/упомянутой газонаполненной камеры в течение определенного периода времени, чтобы содействовать восстановлению и/или смешиванию упомянутого одного или более реактивов внутри жидкого образца.
Необходимое управление и реализацию способов и анализов по настоящему изобретению можно облегчать с использованием подходящего микропроцессорного устройства и связанного программного обеспечения в считывателе.
В другом варианте осуществления после фазы начального связывания между образцом и связующим, таким как магнитная частица, комплексы связующее-аналит, формируемые в жидкости образца, можно транспортировать ниже по потоку в область канала, где располагают метку в сухой форме внутри микрожидкостного канала. Жидкость образца ресуспендирует/регидратирует метку и делает возможным связывание метки с комплексами связующее-аналит. Эта транспортировка жидкого образца и любого восстановленного материала происходит из-за уменьшения сдавливания на каждой/упомянутой газонаполненной камере, всасывающей газ обратно в каждую/упомянутую газонаполненную камеру. Всасывание газа/воздуха обратно в каждую/упомянутую газонаполненную камеру вызывает вакуумный эффект, который служит для всасывания жидкого образца по упомянутому/каждому микрожидкостному каналу. Этот способ может допускать более точное управление регидратацией размещенных реактивов и однородностью дисперсии реактивов.
В другом варианте осуществления связующее и метку осаждают в одной и той же области упомянутого/каждого микрожидкостного канала. Образец регидратирует эти реактивы практически одновременно, делая возможным одновременное протекание реакций связывания и мечения. В этом варианте осуществления все реактивы могут контактировать с образцом, затем считыватель накапливает комплексы магнитная частица-аналит-метка внутри области обнаружения через применение магнита/электромагнита. В отличие от других устройств известного уровня техники магнит/магнитное усилие можно выполнить так, чтобы просто накапливать или концентрировать магнитные частицы внутри зоны обнаружения. Таким образом, магнит/магнитное усилие может служить не для всасывания или перемещения магнитных частиц продольно по упомянутому/каждому микрожидкостному каналу, но скорее для концентрирования и удержания любых комплексов в области зоны обнаружения. В одном из вариантов осуществления магнитные частицы можно изначально осадить внутри микрожидкостного канала в местоположении, которое противоположно тому, где применяют магнитное усилие. Например, магнитные частицы можно осадить на или по дну канала и магнит или магнитное усилие подлежит приведению в контакт/приложению к верхней поверхности картриджа. Таким образом, магнитные частицы будут двигаться латерально (или перпендикулярно потоку жидкого образца внутри канала) через канал при приложении магнитного усилия. Ожидают, что процесс активного перемещения магнитных частиц через жидкий образец увеличивает число возможных событий захвата, которые могут происходить между функционализированными магнитными частицами и аналитом, который может присутствовать в жидком образце.
В одном из вариантов осуществления предусмотрен электромагнит, который располагают в линию с зоной обнаружения картриджа, когда он правильно вставлен внутри считывателя. Комплексы частица-аналит-метка можно всасывать в зону обнаружения посредством управляемого движения текучей среды, и, только когда в зоне обнаружения, прикладывают электромагнитное усилие. Дополнительно электромагнит можно выполнить с тем, чтобы обеспечивать сфокусированное магнитное поле внутри зоны обнаружения. Это может служить для того, чтобы концентрировать комплексы частица-аналит-метка внутри определенной части зоны обнаружения, а не по всей зоне обнаружения. Альтернативно магниту, присутствующему в считывателе, возможно предоставлять магнит или подходящую схему, генерирующую электромагнитное поле, внутри самого картриджа. Например, генерирующая электромагнитное поле схема может быть расположена рядом с зоной обнаружения и содержать электрические соединители или тому подобное, которые выполнены с возможностью контакта с соответствующими соединителями внутри считывателя. После соединения вместе, считыватель может предоставлять необходимые электрические сигналы для генерации электромагнитного усилия.
Для того чтобы облегчать обнаружение связанного аналита, может быть желательным удалять расходуемый жидкий образец из упомянутой/каждой области обнаружения, в которой связанный аналит подлежит обнаружению. Когда необходимо, в настоящем изобретении достигают этого с использованием газа, который присутствует в упомянутой/каждой газонаполненной камере, удаляя/толкая прореагировавший или израсходованный жидкий образец из упомянутой/каждой зоны обнаружения микрожидкостного канала и, когда присутствует, к и в камеру отходов. Связанный аналит, такой как магнитный комплекс частица-аналит-метка, затем можно обнаруживать и/или определять количественно в практически безжидкостной или практически газообразной среде. Следует понимать, что связанный аналит все еще может быть «влажным», то есть может иметь место некоторая остаточная жидкость, покрывающая, окружающая или иным образом связанная со связанным аналитом, но связанный аналит, как понимает опытный читатель, не присутствует в объеме жидкости. Например, связанный аналит может оставаться гидратированным (например, это не рассматривают как «сухое» состояние) во время обнаружения, даже несмотря на то, что оно не присутствует в объеме жидкости.
Преимущественно настоящее изобретение через тщательное управление движением газа в и из упомянутой/каждой камеры газа, позволяет точно управлять скоростью движения жидкости по каждому каналу, в любом направлении. Например, может быть желательным, чтобы восстановление высушенных реактивов, которые осаждены внутри упомянутого/каждого канала, происходило быстро, но удаление жидкого образца и несвязанного материала после любой необходимой реакции(реакций), имеющей место, происходило относительно медленно. Таким образом, считыватель и связанное средство управления усилием способны варьировать или изменять скорость изгнания газа из/проникновения в упомянутую/каждую камеру газа, что оказывает соответствующий эффект на скорость/быстроту движения жидкости в упомянутом/каждом канале. Различные анализы могут требовать различных скоростей восстановления и/или удаления жидкости, и ими также можно независимо управлять с помощью средства управления усилием в комбинации с связанным программированием или программным обеспечением.
Кроме того, через тонкое управление средством управления усилием можно тщательно управлять очень малыми объемами изгнания из/проникновения газа в упомянутую/каждую камеру газа, с соответствующим небольшим движением жидкого образца. Например, возможно, что объем газа, который выталкивают или вводят в упомянутую/каждую газонаполненную камеру, имеет приращения меньше чем или равные 500 нл, например, меньше чем или равные 200 нл, 100 нл или даже 50 нл, 25 нл или 15 нл, 10 нл или даже меньше. Такие небольшие объемы движения газа ведут к очень небольшим соответствующим линейным движениям жидкости в упомянутом/каждом канале. В вариантах осуществления изобретения, где обнаружение осуществляют в практически безжидкостной среде, авторы изобретения наблюдали, что возможно использовать такие очень небольшие объемы газа для того, чтобы удалять жидкий образец и/или не захваченный материал прямо из зоны обнаружения или даже ее части и, таким образом, предоставлять захваченный аналит или продукт реакции аналита в практически безжидкостной среде, из которой объем жидкости и не захваченный материал удалены с помощью газа. Это очень сильно отличается от того, что обычно считают стандартным этапом промывания в данной области, на которой используют большие объемы текучей среды, обычно жидкости, для промывания зоны обнаружения образца/связанного аналита и т. п. перед осуществлением этапа обнаружения. Фактически, использование воздуха в настоящем изобретении можно рассматривать не как промывание, а скорее просто как удаление жидкого образца и не захваченного материала внутри него. Таким образом, когда жидкий образец и/или не захваченный материал нужно удалять из зоны обнаружения, настоящее изобретение позволяет использовать объем газа, который практически эквивалентен по объему (или лишь немного больше, например, 15 нл, 25 нл, 50 нл, 100 нл или 200 нл) объему зоны обнаружения или ее части, где происходит обнаружение, поскольку этого достаточно для того, чтобы удалять жидкий образец из зоны обнаружения или части, оставляя аналит или продукт реакции аналита в практически безжидкостной среде. Обычно на стандартном этапе промывания необходимо множество объемов для промывания по сравнению с объемом образца.
Кроме того, в общем, только небольшая доля, например, меньше 50%, 40% или 25% объема упомянутой/каждой камеры(камер) газа, может требоваться для управления транспортировкой жидкого образца в упомянутый/каждый канал и/или удалением жидкого образца из каждой/упомянутой зоны обнаружения, когда необходимо.
Каждый картридж может быть выполнен с возможностью осуществлять обнаружение одного аналита или обнаружение множества аналитов. Кроме того, каждый картридж может содержать больше чем одну систему микрожидкостных каналов, с тем, чтобы можно было осуществлять больше чем один анализ с использованием одного картриджа. Также возможно осуществлять больше чем один анализ на микрожидкостной канал. Таким образом, каждый картридж может быть способен осуществлять множество повторений и/или существенно различных анализов в одном жидком образце, поскольку упомянутая/каждая камера газа имеет независимое управление.
Желательно картриджи могут допускать легкое массовое производство. Картридж можно предоставлять в полоске, в которой множество картриджей изначально соединяют вместе, например, через перфорированную перемычку. Таким образом, пользователь может легко удалять картридж из полоски перед использованием.
Когда в картридж загружен образец, любой захваченный аналит можно обнаруживать посредством подходящих оптических или других средств, присутствующих в устройстве считывателя. Настоящее изобретение предусматривает такой считыватель, и важный аспект настоящего изобретения состоит в предоставлении по меньшей мере одного средства управления усилием, которое присутствует в считывателе и которое выполнено для того, чтобы управлять усилием, прикладываемым ко внешней поверхности упомянутых одной или более газонаполненных камер, с тем, чтобы выталкивать/вводить газ из/в упомянутую/каждую газонаполненную камеру. Снижение усилия, прикладываемого с помощью средства управления усилием, будет вести к всасыванию газа обратно в упомянутую/каждую газонаполненную камеру. Одно преимущество настоящего изобретения состоит в том, что сами картриджи могут быть изначально «сухими», то есть содержать небольшой или нулевой объем жидкости внутри картриджа перед внесением образца. Это не только упрощает изготовление самих картриджей, но также усовершенствует срок хранения и позволяет много картриджей по настоящему изобретению хранить при комнатной температуре, при небольшом разложении химических или биологических компонентов внутри картриджа, перед использованием.
В дополнительном аспекте предусмотрено устройство считывателя для использования с микрожидкостной системой по настоящему изобретению, устройство считывателя содержит:
средство управления усилием для управления сдавливанием или уменьшением сдавливания газонаполненной камеры микрожидкостной системы; и средство обнаружения для того, чтобы делать возможным обнаружение требуемого аналита в жидком образце, вводимом в микрожидкостной картридж, или продукта реакции этого аналита;
причем средство управления усилием содержит пьезоэлектрический изгибаемый исполнительный механизм, который выполнен с возможностью непосредственного или опосредованного осуществления сдавливания или уменьшения сдавливания газонаполненной камеры через смещение исполнительного механизма.
Пьер Кюри обнаружил пьезоэлектрический эффект в 1883. Он заметил, что определенные материалы, такие как кристаллы кварца, создают напряжение, когда на них оказывают механическое воздействие. Наоборот, деформация геометрической формы таких материалов происходит при подаче напряжения на них. Как результат, их можно использовать в качестве преобразователей, преобразующих электрический сигнал в механическую вибрацию.
Различные материалы обладают пьезоэлектрическими свойствами; наиболее широко используемым является цирконат-титанат свинца (PZT). Модифицируя химическую композицию и процесс изготовления керамики, можно менять эффективность изгибаемого пьезоэлемента. Когда PZT-слой соединяют с листом правильной подложки (например, тонкой металлической пластиной), любая электрическая активация PZT пластины ведет к планарному движению пластины относительно подложки и вызывает тем самым внутреннее механическое напряжение, ведущее к изгибающему движению композитной структуры подобно термобиметаллическому элементу
Изгибаемые пьезоэлементы хорошо известны в данной области. Обычно, пьезокерамический кристалл можно покрывать серебром с обеих сторон и приклеивать к латуни, никелевому сплаву или полоске нержавеющей стали.
Керамику можно выполнять с возможностью обратной связи или без нее. Обратную связь можно использовать в сочетании с внешней схемой для того, чтобы осуществлять мониторинг работы изгибаемого пьезоэлемента и корректировать входной сигнал для того, чтобы поддерживать согласованную выходную частоту.
Изгибаемые элементы можно выполнять с многими различными геометрическими формами, которые вырезают из PZT бислоя или многослойной структуры. Изгибаемые пьезоэлементы по настоящему изобретению могут принимать форму полосочных изгибаемых элементов. Для полосочных изгибаемых элементов один конец полоски монтируют фиксировано, тогда как другой конец двигается свободно: Для этого монтажа достигают максимального смещения полосочного изгибаемого элемента, и к этой ситуации относятся конкретные данные о смещении, жесткости и резонансе. Смещение зависит от длины свободного движения полоски. Обычно для целей монтажа предусматривают приблизительно 5-10% от общей длины изгибаемого элемента. Монтаж можно осуществлять посредством зажимания или с использованием адгезивов, таких как эпоксидные смолы, цианоакрилаты и т. д.
Пьезоэлектрический изгибаемый элемент может быть изначально смещенным или обуславливать контакт связанной ножки или пальца с внешней поверхностью газонаполненной камеры. Таким образом, изначально можно обеспечивать максимальное усилие, прикладываемое к камере газа, что заставляет газ выходить из камеры газа. При подходящем электрическом сигнале пьезоэлектрический изгибаемый элемент можно побуждать к изгибанию в сторону от внешней поверхности камеры газа, ведущему к снижению усилия, прикладываемого к камере, и результирующему всасыванию газа в камеру. Поскольку каждая камера газа находится в проточном соединении с упомянутым/каждым микрожидкостным каналом(ами), опытному читателю легко понять, как газ, который выталкивают или всасывают в соответствующую камеру газа, вызывает движение жидкого образца в соответствующем направлении в соответствующем микрожидкостном канале.
Считыватель может содержать принимающее отверстие, в которое следует вставлять картридж. Считыватель можно выполнить так, чтобы гарантировать правильную установку картриджа, и это может принимать различные формы. Например, картридж можно изначально располагать на несущем механизме, который входит в считыватель, такой как можно найти в компьютерах для загрузки CD и т. п. Альтернативно принимающему отверстию можно придавать размеры для того, чтобы сделать возможным прием картриджа, и внутри считывателя можно найти внутренний стопорный элемент, в который картридж упирается при правильной установке. Дополнительно, или альтернативно, элементы, находящиеся на или вырезанные в поверхности картриджа, можно выполнить с возможностью совмещения с элементами, находящимися внутри считывателя, и только когда картридж правильно располагают в считывателе, картриджем можно будет управлять с помощью считывателя. Например, можно предусмотреть принимающие отверстия для различных размеров или одно принимающее отверстие, имеющее надлежащую геометрическую форму, чтобы принимать картриджи различных размеров, которые выполняют так, чтобы осуществлять конкретное число анализов.
Считыватель можно выполнять, возможно через подходящее программное обеспечение, с возможностью осуществлять анализы многих различных типов. Пользователю можно предоставлять набор, содержащий картриджи для анализа и необязательно устройства отбора образца. Картриджи могут содержать штриховой код или другие элементы поверхности, которые устройство считывателя способно определять, что может служить для информирования считывателя о типе картриджа, который вставлен в считыватель, и, таким образом, какой анализ или анализы подлежат проведению и, таким образом, например, как считыватель должен функционировать и/или предоставлять пациенту подробности. Таким образом, можно предоставлять считыватель одного типа, который способен принимать множество различных картриджей, которые позволяют проводить различные анализы и/или панели анализов.
В варианте осуществления, где связующее связывают с поверхностью магнитных средств, таких как магнитные бусы, понятно, что считыватель содержит постоянный магнит или электромагнит. Магнит выполнен приводимым в непосредственную близость с магнитными средствами или электромагнит индуцируют для наложения магнитного поля, чтобы концентрировать и удерживать магнитные частицы в конкретной области упомянутого микрожидкостного канала картриджа. Эта область может представлять собой область обнаружения. В одном из вариантов осуществления используют электромагнит, который включают только тогда, когда магнитные частицы транспортированы в зону обнаружения. Через подходящую конструкцию также возможно управлять магнитным полем электромагнита или фокусировать его для того, чтобы гарантировать, что магнитные частицы сосредоточены и удерживаются внутри небольшой области в зоне обнаружения. Это может служить для накопления магнитных частиц в небольшой области и увеличения сигнала, который можно обнаруживать.
Концентрирование магнитных частиц в конкретной области может служить для того, чтобы содействовать обнаружению любого захваченного аналита и/или увеличению чувствительности обнаружения. Кроме того, удерживая частицы магнитным полем, также можно удалять нежелательный/израсходованный текучий образец, окружающий связанный аналит, с помощью газа, выталкиваемого из упомянутой/каждой газонаполненной камеры(камер), тем самым оставляя захваченный аналит свободным от потенциально мешающих средств/контаминантов, которые могут присутствовать в начальном образце. Постоянное магнитное или электромагнитное поле можно уменьшать или увеличивать, например, перемещая постоянный магнит ближе картриджу к или дальше от него или увеличивая или уменьшая интенсивность накладываемого поля. Это может служить для того, чтобы сделать возможной «релаксацию» магнитных частиц или снижать их концентрацию в конкретном местоположении, при этом все еще удерживая их в определенной мере с помощью магнитного поля или нет. Это может облегчать проведение дальнейших реакций с частицами, которые можно проводить более эффективно по сравнению с более высоко концентрированными магнитными частицами. Также может быть предпочтительно в определенных применениях осуществлять обнаружение, когда частицы менее «концентрированы» или релаксированы.
При использовании, магнит можно использовать для удержания любого связанного средства, когда магнитное поле наложено на образец. Газ можно выталкивать из упомянутой/каждой газонаполненной камеры для того, чтобы транспортировать жидкий образец и любые несвязанные компоненты, присутствующие в образце, из упомянутой/каждой области обнаружения и/или позволять другим реактивам, таким как средство обнаружения, входить в контакт с захваченным аналитом. Тщательное управление скоростью движения газа и соответствующего жидкого образца и удаление любого несвязанного компонента необходимо для того, чтобы гарантировать, что усилия газа недостаточно для отсоединения магнитно связанного материала. Таким образом, можно тщательно управлять скоростью газа, выталкиваемого из упомянутой/каждой газонаполненной камеры. В определенных вариантах осуществления может быть желательным всасывать жидкий образец и реактивы и т. п. за зону обнаружения до приложения магнитного поля/усилия. Таким образом, любой захват магнитных частиц происходит только когда жидкий образец толкают назад через зону обнаружения с помощью газа, выталкиваемого из камеры газа.
В другом варианте осуществления магнитные частицы можно покрывать связывающим реактивом, выполненным с возможностью устранять помехи со стороны образца. Магнитные частицы связывают этот интерферент, присутствующий в образце, и затем магнитные частицы можно удерживать в конкретном местоположении отдельно от специфических реактивов захвата/обнаружения и/или зоны обнаружения для того, чтобы сделать возможном протекание и измерение реакции в отсутствие конкретного интерферента(ов).
Считыватель по настоящему изобретению дополнительно содержит средство обнаружения для обнаружения любого захваченного аналита внутри картриджа образца. Средство обнаружения может представлять собой любое подходящее средство, в зависимости от конкретного анализа. Например, средство обнаружения может представлять собой флюориметр или спектрофотометр, который можно использовать для того, чтобы обнаруживать флуоресцентный сигнал, после надлежащего возбуждения, от меченного или не меченного связанного аналита или продукта реакции. Связанный аналит/продукт реакции может естественно флуоресцировать, когда свет подходящей длины волны используют для возбуждения аналита/продукта, или дополнительную метку можно использовать для связывания отдельно со связанным аналитом и обнаруживать метку с помощью флуоресцентного средства. Другие метки, которые можно использовать и, таким образом, средство обнаружения, выполненное соответствующим образом, включает радиоактивные метки, фосфоресцентные метки, коллоидные металлические частицы, биолюминесцентные метки, колориметрические метки, электрохимические метки и т. п. Кроме того, как указано выше, аналит или продукт его реакции или связанный аналит или продукт его реакции можно обнаруживать непосредственно с использованием таких способов, как рамановская спектроскопия и т. п. В некоторых вариантах осуществления средство обнаружения разрабатывают для оптического обнаружения аналита или продукта реакции аналита или захваченного аналита/продукта реакции аналита и/или метки, прикрепленной к любым из упомянутых выше частиц.
Поддающиеся обнаружению метки можно использовать отдельно или в сочетании с микрочастицами или бусинами, такими как оксид металла, полисахарид или латексная частица. Латексные и другие частицы многих типов известны в данной области
Считыватель содержит средство управления усилием, содержащее один или более изгибаемых пьезоэлементов, рассмотренных выше, для контакта с упомянутой/каждой газонаполненной камерой картриджа и уменьшения или увеличения усилия, прикладываемого к упомянутой/каждой газонаполненной камере(ам), посредством увеличения или снижения изгиба, формируемого изгибаемым элементом. Когда предусмотрена более чем одна газонаполненная камера, отдельный независимо управляемый изгибаемый пьезоэлемент может быть предусмотрен для каждой газонаполненной камеры. Средство управления усилием может содержать палец или ножку, которые выполняют с возможностью контакта и приложения усилия ко внешней поверхности упомянутой/каждой камеры. Таким образом, изгибаемый пьезоэлемент действует на палец или ножку так, что палец/ножка действует на газонаполненную камеру. При использовании перед контактом средства управления усилием со внешней поверхностью упомянутой/каждой камеры, камера имеет газонаполненное состояние максимального объема. При контакте с поверхностью упомянутой/каждой газонаполненной камеры и приложении усилия газ внутри упомянутой/каждой камеры выталкивают. Увеличение прикладываемого усилия ведет к дальнейшему выталкиванию газа из упомянутой/каждой камеры. Наоборот, снижение усилия, прикладываемого к упомянутой/каждой газонаполненной камере, с помощью средства управления усилием, ведет к всасыванию газа назад в упомянутую/каждую камеру.
Палец/ножку можно выполнить с возможностью контакта с центральной частью внешней поверхности упомянутой/каждой камеры. Обычно палец/ножка может контактировать только с частью всей внешней поверхность упомянутой/каждой газонаполненной камеры. Например, при использовании, палец/ножка может контактировать с верхней поверхностью картриджа и имеет размеры для контакта с 10-50% от площади верхней поверхности, лежащей над камерой газа. Палец/ножка, которые находятся в контакте с поверхностью картриджа, подняты и опущены или с усилием приводятся в контакт и возвращать в исходное состояние от поверхности камеры газа с использованием изгибаемого пьезоэлемента, как описано. Скоростью и степенью изгибания и, таким образом, воздействием средства управления усилием можно тщательно управлять для того, чтобы иметь возможность управлять скоростью и количеством газа, который выталкивают из или всасывают в упомянутую/каждую газонаполненную камеру.
Считыватель может содержать другие элементы, такие как нагревательное устройство, чтобы сделать возможным проведение анализов при конкретной температуре, а также подходящую электрическую схему и программное обеспечение для того, чтобы сделать возможным программирование считывателя для того, чтобы осуществлять один или более различных анализов.
В дополнительном аспекте предусмотрена система анализа, которая содержит автономную микрожидкостную систему и связанное устройство считывателя, в которой:
автономная микрожидкостная система содержит:
отверстие для введения образца для приема подлежащего анализу жидкого образца, причем отверстие для введения образца соединено с по меньшей мере одним микрожидкостным каналом, причем каждый/упомянутый микрожидкостной канал(ы) содержит один или более реактивов, осажденных в нем для использования при проведении анализа, и зону обнаружения для использования при обнаружении любого аналита, который может присутствовать в образце, или продукта реакции аналита; и
каждый/упомянутый микрожидкостной канал(ы) находится в проточном соединении со сдавливаемой газонаполненной камерой ниже по потоку от каждой/упомянутой зоны обнаружения,
причем микрожидкостную систему формируют из трех слоев, которые расположены стопкой вместе, образуя каждый/упомянутый микрожидкостной канал(ы) и упомянутую газонаполненную камеру, и причем сдавливание или уменьшение сдавливания упомянутой камеры вызывает выталкивание газа из и всасывание газа в камеру, что, в свою очередь, вызывает движение жидкого образца внутри упомянутого/каждого микрожидкостного канала; и
устройство считывателя для использования с микрожидкостной системой, содержащее:
средство управления усилием для управления сдавливанием или уменьшением сдавливания газонаполненной камеры микрожидкостной системы; и средство обнаружения для обеспечения возможности обнаружения требуемого аналита в жидком образце, введенном в микрожидкостной картридж, или продукта реакции этого аналита;
причем средство управления усилием содержит пьезоэлектрический изгибаемый исполнительный механизм, который выполнен с возможностью непосредственно или опосредованно сдавливать или уменьшать сдавливание газонаполненной камеры через смещение исполнительного механизма.
В дополнительном аспекте предусмотрен способ проведения анализа в жидком образце, включающий:
a) обеспечение описанной здесь микрожидкостной системы в описанном здесь устройстве считывателя;
b) сдавливание некоторой/упомянутой газонаполненной камеры(камер) микрожидкостной системы с тем, чтобы выталкивать газ из упомянутой/каждой газонаполненной камеры(камер);
c) введение жидкого образца в микрожидкостную систему и предоставление образцу возможности всасывания в упомянутый/каждый микрожидкостной канал(ы) посредством капиллярного эффекта и/или частичного снижения сдавливания упомянутой/каждой газонаполненной камеры(камер) так, что газ всасывают в упомянутую/каждую камеру(ы), вызывая, тем самым, всасывание жидкого образца в упомянутый/каждый микрожидкостной канал(ы);
d) предоставление одному или более реактивам возможности реагировать с любым аналитом, присутствующим в жидком образце;
e) необязательное частичное дополнительное частичное уменьшение сдавливания упомянутой/каждой газонаполненной камеры(камер) микрожидкостной системы так, что жидкий образец всасывают дальше по упомянутому/каждому микрожидкостному каналу(ам) к упомянутой/каждой газонаполненной камере(ам) и, необязательно, приведение жидкого образца в контакт со связующим аналита и/или одним или более дополнительными реактивами;
f) необязательно, захват любого аналита или продукта реакции аналита и сдавливание упомянутой/каждой газонаполненной камеры(камер) так, что газ, выталкиваемый из упомянутой/каждой камеры(камер), вызывает выталкивание жидкого образца и незахваченного материала из любого захваченного аналита или продукта реакции аналита; и
g) обнаружение любого аналита или продукта реакции аналита или захваченного аналита или продукта реакции аналита.
Следует принимать во внимание, что этап e) вышеприведенного способа можно осуществлять в виде одного или более этапов. Таким образом, в зависимости от анализа, подлежащего осуществлению, этап e) может представлять собой один этап так, что снижение усилия, прикладываемого к упомянутой/каждой газонаполненной камере, представляет собой одно снижение усилия и образец всасывают в одно местоположение в упомянутом/каждом микрожидкостном канале. Альтернативно, могут иметь место несколько этапов, например, 2, 3 или 4 этапы, где последовательные снижения усилия применяют к упомянутой/каждой камере, что ведет к всасыванию образца в любое число последовательных местоположений внутри упомянутого/каждого микрожидкостного канала в зависимости от числа раз осуществления снижения усилия. Таким образом, настоящее изобретение предусматривает проведение анализов, где необходимы один этап или несколько этапов.
Усилие, прикладываемое к газонаполненной камере, можно предоставлять с помощью средства управления усилием, как рассмотрено выше в настоящем описании, которое содержит изгибаемый пьезоэлемент и необязательно палец или ножку в связи с ним.
Скорость, с которой увеличивают или уменьшают приложение усилия к упомянутым/каждым газонаполненным камерам, можно варьировать для того, чтобы увеличивать или уменьшать скорость движения жидкости в упомянутом/каждом канале. Например, снижение усилия, прикладываемого на этапе e), может быть более быстрым, чем скорость увеличения усилия, как прикладывают на этапе f), когда необходимо.
Захват комплексов аналит/связующее аналита может быть обусловлен, например, связующим аналита, связанным с поверхностью микрожидкостного канала или захваченным с помощью магнитных свойств и приложения магнитного усилия к формируемым комплексам. Магнитные частицы, которые используют для того, чтобы формировать комплексы, изначально можно осаждать на поверхности упомянутого микрожидкостного канала(ов), которая противоположна поверхности картриджа, где магнит приводят в тесный контакт или прикладывают магнитное усилие. Эффект этого состоит в том, что магнитные частицы перемещают латерально через упомянутый микрожидкостной канал(ы) перпендикулярно потоку жидкости через упомянутый канал(ы), что увеличивает и/или усиливает контакт магнитных частиц с аналитом или продуктом реакции аналита, тем самым увеличивая чувствительность анализа.
Возможно, осуществлять более чем один из вариантов осуществления вышеупомянутых способов с использованием одного картриджа. Таким образом, например, способ, который включает вышеупомянутый этап f), можно осуществлять в одном канале внутри картриджа по настоящему изобретению, а способ, который не включает этап f), можно осуществлять в отдельном канале. Дополнительно, или альтернативно, этап e) можно осуществлять по отдельности или несколько раз в упомянутых выше каналах и/или дополнительных каналах. Таким образом, анализы многих различных типов можно проводить, используя один картридж, который содержит множество каналов для анализа.
Настоящее изобретение, кроме того, основано на развитии системы анализа, которая содержит одноразовый микрожидкостной картридж, который позволяет проводить множество различных анализов в одном образце, и связанного считывателя, который способен обнаруживать и/или определять уровни множества аналитов в одном образце и предоставлять пользователю вывод. Настоящее изобретение также позволяет считывателю принимать различные одноразовые картриджи, каждый из упомянутых различных одноразовых картриджей позволяет проводить конкретную панель различных анализов. Таким образом, можно предоставлять один считыватель, который можно использовать для предоставления результатов от множества конкретных панелей различных анализов. В связи с этим, каждый картридж можно конкретно адаптировать для определенного числа и типов анализов, которые можно осуществлять. Например, различные объемы образца могут быть необходимы для конкретных анализов, и это можно решать независимо через подходящие размеры каждого канала и/или камеры. Таким образом, увеличивая или уменьшая размер любого конкретного канала, можно увеличивать или уменьшать объем образца, который вводят в каждый конкретный канал. Кроме того, размер любой камеры, которую соединяют с одним или более каналами, можно увеличивать или уменьшать по мере необходимости, в зависимости от типа анализа, числа этапов и/или объема образца, вводимого в упомянутые каналы. Это легко может определить опытный адресат.
Таким образом, в дополнительном аспекте предусмотрена автономная одноразовая микрожидкостная система для использования при проведении множества различных анализов, причем микрожидкостной картридж содержит:
отверстие для введения образца для введения жидкого образца в микрожидкостной картридж;
множество микрожидкостных каналов; причем каждый из упомянутых микрожидкостных каналов выполнен с возможностью принимать часть жидкого образца и способен проводить один или более анализов в упомянутой части образца с использованием одного или более реактивов, которые присутствуют внутри каждого из упомянутых микрожидкостных каналов перед введением жидкого образца; и
причем движение текучей среды внутри каждого микрожидкостного канала является независимо управляемым посредством сдавливания или уменьшения сдавливания двух или более газонаполненных камер микрожидкостной системы, причем каждая из этих камер находится в проточном соединении с одним или более из упомянутых микрожидкостных каналов.
Следует принимать во внимание, что вышеупомянутый дополнительный аспект изобретения может быть в дополнение к или в качестве альтернативы для аспектов и вариантов осуществления, описанных выше. Таким образом, все элементы, описанные по отношению к более ранним аспектам изобретения, можно в равной мере применять к непосредственно упомянутому выше аспекту и, таким образом, можно включать в качестве ограничивающих или необязательных элементов.
Также возможно осуществлять анализы с использованием картриджей по настоящему изобретению, которые в дополнение к наличию каналов, которые находятся в проточном соединении с камерой или камерами, дополнительно содержат один или более каналов, которые не находятся в проточном соединении с любой камерой или камерами газа. Неограничивающий пример такого анализа описан далее в настоящем описании в разделе с примерами.
Микрожидкостной картридж по настоящему изобретению является автономным в том смысле, что в отличие от самого образца, все другие физические реактивы, необходимые для проведения каждого анализа, присутствуют в микрожидкостном картридже перед осуществлением каждого процесса анализа. Таким образом, другие реактивы, такие как реакционноспособные частицы, буферы, промывающие жидкости и т. п., не вводят в картридж во время процесса анализа. Обычно единственной жидкостью, которая попадает в картридж, является сам жидкий образец. Любые реактивы, которые могут быть осаждены в упомянутом/каждом канале, можно изначально наносить с помощью жидкости, но их следует высушивать, и картридж, перед проведением любого конкретного анализа, можно рассматривать как сухой, в котором жидкость отсутствует или практически отсутствует.
Нагревание/охлаждение и/или приложение магнитного усилия можно обеспечивать в картридже с помощью связанного считывателя, как рассмотрено далее, но это не подлежит толкованию в качестве физического реактива.
Мультиплексный анализ в контексте настоящего изобретения следует понимать в том значении, что каждый микрожидкостной картридж способен не только осуществлять множество анализов в одном образце, введенном в картридж, но что картридж способен осуществлять множество анализов сильно различных типов. Например, каждый микрожидкостной картридж по настоящему изобретению способен осуществлять по меньшей мере два, три, четыре, пять или больше анализов следующих типов: иммунологический анализ, анализ нуклеиновой кислоты, анализ на основе рецептора, конкурентный анализ, цитометрический анализ, колориметрический анализ, ферментативный анализ, электрофоретический анализ, электрохимический анализ, спектроскопический анализ, хроматографический анализ, микроскопический анализ, топографический анализ, калориметрический анализ, турбидиметрический анализ, анализ агглютинации, вискозиметрический анализ, анализ коагуляции, анализ времени свертывания, анализ синтеза белка, гистологический анализ, анализ культуры, осмолярность, химия, биохимия, ионы, газ или анализ абсорбции. В определенных вариантах осуществления анализ конкретного типа можно осуществлять для того, чтобы обнаруживать различные аналиты. Например, больше чем один иммунологический анализ можно осуществлять для того, чтобы обнаруживать различные аналиты. Упомянутый больше чем один иммунологический анализ можно осуществлять в одном и/или более микрожидкостных каналах.
В одном из вариантов осуществления микрожидкостной картридж по настоящему изобретению разрабатывают для того, чтобы проводить панель анализов, относящихся к конкретному заболеванию или состоянию. Примерные тестовые панели могут включать панели анализов для сердечных состояний, надпочечникового состояния, функции печени, функции почек, неврологической функции, диабета, беременности и состояний при беременности, метаболического состояния и средств, вызывающих лекарственную зависимость.
Например, микрожидкостной картридж, который разрабатывают для анализа маркеров, связанных с сердечными состояниями, может содержать анализ или анализы, разработанные для того, чтобы обнаруживать и/или определять уровень одного или более из следующего:
липидный профиль - можно обнаруживать, например, липопротеин низкой плотности (LDL), липопротеин (высокой плотности HDL), триглицериды и/или общий холестерин;
аполипопротеины - белковый компонент липопротеинов - не включен в стандартный липидный профиль, но можно тестировать отдельно. Аномальные уровни могут способствовать атеросклерозу и могут увеличивать риск болезни коронарных артерий (CAD) и инсульта;
гомоцистеин - аминокислота (строительный блок белков). Повышенные уровни в крови могут способствовать атеросклерозу и CAD, а также кровяным сгусткам, которые могут вести к сердечному приступу или инсульту;
тропонин; BNP;
C-реактивный белок (CRP) представляет собой вещество, которое отражает низкие уровни системного воспаления и повышено у людей с риском CAD; и
сердечные маркеры, такие как исследования ферментов сердца, измеряют определенные ферменты, такие как CK-MB или тропонины, или гормоны сердца, такие как натрийуретический пептид головного мозга, высвобождение которых происходит, когда сердце находится в стрессе или больно или повреждено, как при сердечном приступе.
Субъектов, испытывающих стресс или другие состояния, можно подвергать панели функции надпочечников, которая может включать одно или более из следующего:
альдостерон контролирует баланс солей, калия и воды в организме и помогает регулировать кровяное давление. Чрезмерное образование (гиперальдостеронизм) или недостаточное образование (гипоальдостеронизм) этого гормона может быть обусловлено опухолями или другими аномалиями в надпочечниках (первичные; например, злокачественная опухоль надпочечника) или могут быть результатом проблем вне надпочечников (вторичные);
кортизол представляет собой глюкокортикоидный гормон, который помогает управлять метаболизмом углеводов, белков и жиров; опосредует отклик организма на стресс; и регулирует иммунную систему. Чрезмерная секреция кортизола, наиболее часто обусловленная доброкачественной опухолью надпочечников, ведет к синдрому Кушинга. Недостаточная секреция может указывать на форму недостаточности надпочечников, известную как болезнь Аддисона. Обычно измеряют и уровни в крови и уровни в моче (известен как свободный кортизол);
18-гидроксикортизол, продукт метаболизма кортизола, представляет собой нестандартный стероид, продуцируемый в чрезмерных количествах у пациентов с первичным гиперальдостеронизмом. Измерение уровней этого гормона в крови может помогать определять, обусловлен ли первичный гиперальдостеронизм опухолью, называемой аденомой надпочечников, или чрезмерным ростом (гиперплазией) ткани надпочечников; уровни значительно выше у людей с аденомой; и
DHEA-S, или дегидроэпиандростерон-сульфат, - половой гормон (андроген), синтезируемый надпочечником - является предшественником тестостерона. У женщин надпочечники являются основным и, иногда, единственным источником андрогенов. Повышенные уровни DHEA-S связаны с вирилизмом (мужские характеристики тела), гирсутизмом (чрезмерный рост волос), аменореей (отсутствие менструации) и бесплодием. Аномалии надпочечников, такие как опухоли, могут вести к аномально высоким уровням DHEA-S.
Тесты функции печени используют, чтобы помогать определять причину симптомов, таких как желтуха, которые могут быть обусловлены заболеванием печени. Также их используют для скрининга потенциального повреждения печени, например, у алкоголиков или людей, подвергшихся вирусу гепатита, и также для того, чтобы осуществлять мониторинг изменений аномальной функции печени. Таким образом, микрожидкостной картридж для функции печени по настоящему изобретению может включать одно или более из следующего:
тесты на ферменты: печень является местом многих биохимических реакций, которыми управляют многие ферменты, в том числе аланинаминотрансфераза (ALT), аспартатаминотрансфераза (AST), щелочная фосфатаза (ALP) и γ-глутамилтрансфераза (GGT). Повышенные уровни ферментов печени в кровотоке могут указывать на повреждение печени; однако они не обязательно указывают на конкретное заболевание печени. Несмотря на то, что тесты на ферменты можно назначать индивидуально, они предоставляют больше информации при выполнении в комбинации, поскольку уровни многих ферментов печени могут быть повышены при заболеваниях, затрагивающих другие органы;
билирубин, основной пигмент желчи, представляет собой продукт разрушения гемоглобина, железосодержащего вещества в красных клетках крови. Обычно только небольшое количество билирубина циркулирует в крови. Повышенные уровни в крове могут быть результатом многих форм заболеваний печени и желчных путей, в том числе гепатита и обструкции желчных протоков. Присутствие избытка билирубина в крови вызывает желтоватую окраску кожи и глаз, называемую желтухой;
альбумин является основным белком, который, подобно большинству белков в кровотоке, синтезирует печень. Сниженный уровень альбумина в сыворотке (жидкой части крови, которая остается после цельных кровяных сгустков) является показателем хронического заболевания печени;
протромбиновое время (PT) представляет собой исследование свертывания крови, которое можно осуществлять для того, чтобы оценивать функцию печени. Поскольку протромбин является одним из белков свертывания, который синтезирует печень, аномальное PT может отражать дисфункцию печени;
тесты на вирусные гепатиты можно осуществлять у людей с аномальными ферментами печени, медицинский анамнез и/или симптомы которых вызывают подозрение на заболевание. (Симптомы включают субфебрильную лихорадку, чувство дискомфорта, потерю аппетита и утомление, но не всегда присутствуют.) Тремя наиболее распространенными типами вируса, встречающимися в США, являются гепатит A, B и C (известные как HAV, HBV и HCV); всех их обнаруживают с помощью теста на присутствие конкретных антигенов или антител, находящихся только в крови инфицированных индивидуумов. Различные тесты антител/антигенов можно осуществлять в зависимости от того, гепатит какого типа предполагают. Кроме того, присутствие конкретных антител может говорить о том, находится ли инфекция на остром или хроническом этапе.
Панели тестов часто используют для оценки у субъекта риска развития диабета или подтверждения того, что субъект имеет диабет I или II типа. Также как липидную панель, описанную выше, микрожидкостной картридж с панелью диабета можно разрабатывать для того, чтобы проводить один или более из следующих анализов:
тесты клинического анализа крови (CBC) для таких нарушений крови, как инфекция или анемия;
глюкозу натощак используют для того, чтобы обнаруживать гипергликемию и гипогликемию, чтобы помогать диагностировать диабет и осуществлять мониторинг уровней глюкозы у людей с диабетом;
гемоглобин A1c может указывать на преддиабет, диагностировать его или видеть, если диабет находится под контролем;
диабетический анализ мочи позволяет определять, если альбумин (белок) находится в моче (если да, то возможно, что почки субъекта не работают должным образом).
Также возможно для того, чтобы тестировать средства, вызывающие лекарственную зависимость, или лекарственные средства, которые считают запрещенными для использования спортсменами и женщинами. Микрожидкостной картридж по настоящему изобретению, разработанный для того, чтобы обнаруживать и/или определять уровень средства, вызывающего лекарственную зависимость, у субъекта, можно разрабатывать для анализа одного или более из следующего:
амфетамины; барбитураты; бупренорфин; бензодиазепины; кокаин; экстази; метамфетамины; героин (опиаты/морфин); метадон; трициклические антидепрессанты; марихуана и/или другие психоактивные средства
Следует принимать во внимание, что описанные выше панели анализов являются лишь примерными, и их не следует толковать в качестве ограничения. В соответствии с настоящим изобретением можно предусматривать конкретные панели анализов и предоставлять картридж в соответствии с настоящим изобретением для того, чтобы выполнять конкретную панель анализов.
Несмотря на то, что каждую панель анализов выполняют внутри микрожидкостного картриджа по настоящему изобретению, результаты каждого анализа должны быть обнаружены и/или определены. Это осуществляют посредством описанного здесь считывателя.
Считыватель может содержать средство определения картриджа, которое может представлять собой считыватель штрихового кода/QR кода или тому подобное, присутствующий в считывателе, который разрабатывают для считывания штрихового кода/QR кода или кода другого типа на микрожидкостном картридже. Код несет для считывателя информацию касательно типа микрожидкостного картриджа и анализов, подлежащих выполнению, чтобы подготавливать считыватель для того, чтобы осуществлять и обнаруживать/определять результаты от конкретного микрожидкостного картриджа. В более простом варианте осуществления упомянутые принимающие отверстия считывателя можно разрабатывать для того, чтобы принимать микрожидкостной картридж только конкретного типа по типу ключ-замок. Таким образом, каждое принимающее отверстие может принимать только картридж конкретного типа, в соответствии с чем при введении картриджа в конкретное принимающее отверстие инструктируют считыватель о том, какой тип картриджа вставлен и анализов подлежит проведению. Пользователь также может вводить подробности в считыватель с тем, чтобы инструктировать считыватель в отношении осуществления анализа, но это может быть менее желательно, поскольку это может вести к ошибке пользователя.
Считыватель по настоящему изобретению выполнен так, что он способен принимать множество различных микрожидкостных картриджей. «Различные» следует понимать как обозначение того, что картриджи по настоящему изобретению можно адаптировать для того, чтобы проводить конкретную панель анализов, а не того, что картриджи имеют явные внешние визуальные различия. То есть, два картриджа, когда их размещают рядом, могут визуально выглядеть достаточно сходно, но один картридж можно адаптировать для того, чтобы осуществлять панель анализов, подходящую для обнаружения заболевания сердца, а другой картридж можно адаптировать для того, чтобы осуществлять панель анализов, подходящую, например, для обнаружения диабета.
Таким образом, в дополнительном аспекте предусмотрена мультиплексная платформа для анализа для использования при проведении множества панелей анализов, содержащая множество микрожидкостных картриджей, причем каждый картридж способен проводить определенную панель анализов в образце, и считыватель, выполненный с возможностью принимать и верифицировать каждый из упомянутого множества микрожидкостных картриджей, посредством чего считыватель является конфигурируемым для обнаружения и/или определения уровней для панели аналитов, которые могут присутствовать в образце.
При использовании предварительно определяют субъекта для тестирования с использованием конкретной панели анализов или пациент должен посетить поставщика медицинских услуг, например, врача, медицинскую сестру или другого профессионального медика, и поставщик медицинских услуг должен идентифицировать субъекта как нуждающегося в проведении подходящей панели тестов. Пациент или поставщик медицинских услуг выбирает картридж, который выполнен с возможностью осуществлять требуемую панель анализов, и вставляет этот выбранный картридж в считыватель. Считыватель определяет по элементам, присутствующим на картридже, для проведения какой панели анализов разработан картридж, и считыватель конфигурирует себя надлежащим образом для того, чтобы иметь возможность выполнять анализы и обнаруживать и/или определять уровни для конкретной панели аналитов, присутствующих в образце от субъекта. Образец предоставляют или получают от субъекта, и вводят образец в отверстие для введения картриджа. В образце проводят панель анализов, с помощью считывателя и картриджа, работающих вместе, и по завершению анализов считыватель обнаруживает и/или определяет уровни аналита, которые присутствуют в образце. Затем считыватель предоставляет результаты панели анализов субъекту и/или поставщику медицинских услуг.
Помимо поставщика медицинских услуг пользователь может быть сотрудником правоохранительных органов или официальным лицом по тестированию спортивных лекарственных средств, например, где субъект является индивидуумом, которого, например, тестируют на ненадлежащее использование лекарственных средств.
Настоящее изобретение далее дополнительно определено со ссылкой на следующие нумерованные пункты:
1. Микрожидкостной картридж для использования при проведении анализа жидкого образца, содержащий отверстие для введения образца, соединенное с по меньшей мере одним микрожидкостным каналом, причем каждый/упомянутый микрожидкостной канал(ы) содержит один или более реактивов, осажденных в нем, для использования при проведении анализа, и зону обнаружения, каждый/упомянутый микрожидкостной канал(ы) дополнительно проточно соединен со сдавливаемой газонаполненной камерой, причем сдавливание или уменьшение сдавливания внешней поверхности камеры вызывает выталкивание газа из камеры или всасывание в нее, соответственно, что, в свою очередь, вызывает ответное движение жидкого образца внутри упомянутого/каждого микрожидкостного канала.
2. Микрожидкостной картридж по п. 1, причем после реакции жидкого образца с упомянутыми одним или более реактивами, осажденными внутри упомянутого/каждого микрожидкостного канала, выталкиваемый из камеры газ служит для удаления жидкости из зоны обнаружения внутри упомянутого/каждого микрожидкостного канала, чтобы любой аналит или продукт реакции аналита внутри упомянутой/каждой зоны обнаружения мог обнаруживаться в практически безжидкостной среде.
3. Микрожидкостной картридж по пп. 1 или 2, содержащий множество микрожидкостных каналов, причем каждый из упомянутого множества микрожидкостных каналов находится в проточном соединении с отверстием для введения образца.
4. Микрожидкостной картридж в соответствии с п. 3, причем каждый из упомянутого множества микрожидкостных каналов соединен с соответствующей газонаполненной камерой и/или два или более микрожидкостных каналов соединено с газонаполненной камерой.
5. Микрожидкостной картридж по любому предшествующему пункту, причем отверстие для образца соединено с первым концом упомянутого/каждого микрожидкостного канала(ов), а второй конец упомянутого/каждого микрожидкостного канала(ов) соединен с одной или более из упомянутых газонаполненных камерам.
6. Микрожидкостной картридж по любому предшествующему пункту, дополнительно содержащий один или более сточных элементов, выполненных с возможностью приема отходов текучей среды и/или избытка жидкого образца.
7. Микрожидкостной картридж по любому предшествующему пункту, причем картридж и каналы и другие элементы, расположенные в нем, сформированы посредством стопки из трех отдельных плоских подложек, содержащих верхнюю подложку, нижнюю подложку и среднюю подложку, расположенную между верхней и нижней подложками.
8. Микрожидкостной картридж по п. 7, причем каждый слой имеет однородную толщину и сформирован из одного и того же материала, необязательно, каждый слой имеет одну и ту же однородную толщину.
9. Микрожидкостной картридж по любому из пп. 7 или 8, причем картридж сформирован с помощью процесса обработки полотна или процесса обработки с рулона на рулон
10. Микрожидкостной картридж по любому из пп. 7-9, причем плоские подложки скреплены вместе посредством подведения тепла и/или использования адгезива.
11. Микрожидкостной картридж в соответствии с п. 10, причем плоские подложки скреплены вместе с использованием адгезива, который является упругим и способствует сдавливаемости каждой/упомянутой камеры.
12. Микрожидкостной картридж по любому предшествующему пункту, причем упомянутый/каждый микрожидкостной канал(ы) в картридже содержит один или более стопорных элементов текучей среды, которые выполнены с возможностью предотвращать прохождение образца и/или других текучих сред через упомянутый стопорный элемент(ы) стопора посредством только капиллярного эффекта.
13. Микрожидкостной картридж по любому предшествующему пункту, содержащий однонаправленный клапан, который выполнен с возможностью позволять только газу выходить из картриджа при введении жидкого образца в картридж посредством капиллярного эффекта, при этом не позволяя введение текучей среды в картридж через клапан.
14. Микрожидкостной картридж по п. 13, причем клапан расположен ряжом со стопорным элементом, который выполнен с возможностью предотвращать дальнейшую транспортировку образца внутри микрожидкостного канала посредством только капиллярного эффекта.
15. Микрожидкостной картридж по п. 14, причем клапан расположен внутри микрожидкостного канала меньшего размера, чем упомянутый/каждый микрожидкостной канал, и который находится в проточном соединении с одним из упомянутых микрожидкостных каналов.
16. Микрожидкостной картридж по любому предшествующему пункту, содержащий один или более электродных элементов в контакте с упомянутым/каждым каналом(ами) для использования в измерении или обнаружении жидкости, присутствующей в упомянутом/каждом канале(ах).
17. Микрожидкостной картридж по любому предшествующему пункту, дополнительно содержащий связующее аналита, осажденное внутри упомянутого канала(ов), причем, необязательно, связующее аналита связано с поверхностью упомянутого канала(ов).
18. Микрожидкостной картридж по п. 17, причем связующее прикреплено к магнитной или парамагнитной частице.
19. Микрожидкостной картридж по с пп. 17 или 18, причем связующее или магнитная/парамагнитная частица осаждены внутри упомянутого/каждого микрожидкостного канала(ов) картриджа так, что при внесении образца в картридж и всасывании в упомянутый/каждый канал(ы), связующие или магнитные/парамагнитные частицы ресуспендируют с помощью жидкого образца.
20. Микрожидкостной картридж по любому из пп. 17-19, причем связующее или магнитные/парамагнитные частицы осаждены внутри области упомянутого/каждого микрожидкостного канала(ов), образованной элементами на любом конце области осаждения, выполненными с возможностью ограничивать движение магнитных/парамагнитных частиц, будучи изначально расположенными в упомянутом/каждом канале.
21. Микрожидкостной картридж по любому из пп. 19 или 20, причем магнитные/парамагнитные частицы осаждены на поверхности упомянутого/каждого канала, которая противоположна поверхности картриджа, с которой приводят в непосредственную близость магнит или магнитное усилие.
22. Микрожидкостной картридж по любому предшествующему пункту, причем картридж дополнительно содержит один или более дополнительных реактивов, осажденных внутри упомянутого/каждого микрожидкостного канала(ов), причем эти дополнительные реактивы облегчают обнаружение аналита, присутствующего в образце.
23. Микрожидкостной картридж по п. 22, причем упомянутые один или более дополнительных реактивов содержат метку, которая выполнена с возможностью специфического связывания с подлежащим обнаружению аналитом для облегчения обнаружения аналита.
24. Микрожидкостной картридж по пп. 22 или 23, причем аналит связывается со связующим аналита в первой области упомянутого/каждого микрожидкостного канала(ов) перед транспортировкой в дополнительную область или области упомянутого/каждого микрожидкостного канала(ов), где осаждены упомянутые один или более дополнительных реактивов и/или метка, посредством газа, всасываемого обратно в упомянутую/каждую газонаполненную камеру.
25. Микрожидкостной картридж по любому предшествующему пункту, причем упомянутый картридж способен осуществлять множество (например, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 или больше) одинаковых и/или различных анализов в одном образце.
26. Микрожидкостной картридж по любому предшествующему пункту, причем объем образца, вносимого в картридже, меньше 50 мкл, например, меньше 40 мкл, 30 мкл или 20 мкл.
27. Набор, содержащий микрожидкостной картридж по любому предшествующему пункту вместе с устройством отбора образца.
28. Набор по п. 26, причем устройство отбора образца выполнено вставляемым в отверстие для введения образца в картридже и после этого обеспечивает уплотнение в отверстии для введения.
29. Набор по п. 27 для использования при проведении анализа обнаружения нуклеиновой кислоты.
30. Устройство считывателя для использования с микрожидкостным картриджем по любому из пп. 1-26 или набором по пп. 26-29, содержащее:
принимающее отверстие для введения микрожидкостного картриджа в устройство считывателя;
средство приложения усилия для контакта с внешней поверхностью упомянутой/каждой газонаполненной камеры картриджа, способное прикладывать переменное усилие к упомянутой/каждой газонаполненной камере, посредством чего начальное приложение усилия к поверхности упомянутой/каждой газонаполненной камеры ведет к выталкиванию газа из упомянутой/каждой газонаполненной камеры и по упомянутому/каждому микрожидкостному каналу в направлении от упомянутой/каждой камеры; а снижение усилия, прикладываемого к упомянутой/каждой газонаполненной камере, ведет ко всасыванию газа внутри упомянутого/каждого микрожидкостного канала обратно к и в газонаполненную камеру; и
средство обнаружения для обеспечения возможности обнаружения требуемого аналита или продукта реакции аналита, присутствующего внутри жидкого образца, вводимого в микрожидкостной картридж.
31. Устройство считывателя по п. 30, содержащее принимающее отверстие, выполненное с возможностью приема картриджей различных размеров, причем каждый картридж отличающегося размера выполнен с возможностью осуществлять определенное число анализов.
32. Устройство считывателя по п. 31, причем принимающее отверстие выполнено так, чтобы гарантировать правильное вставление и идентификацию каждого картриджа отличающегося размера.
33. Устройство считывателя по пп. 30-32, дополнительно содержащее постоянный магнит, приводимый в непосредственную близость с (или электромагнит, который выполнен с возможностью наложения магнитного поля на) картриджем по пп. 18-26, который введен в считыватель, чтобы концентрировать и удерживать магнитные/парамагнитные частицы в зоне обнаружения упомянутого/каждого микрожидкостного канала картриджа.
34. Устройство считывателя по пп. 30-33, причем средство приложения усилия имеет форму пальца или ножки, которые выполнены с возможностью контакта и приложения усилия к внешней поверхности камеры картриджа.
35. Устройство считывателя по п. 34, причем упомянутый палец/ножка выполнены с возможностью контакта только с частью всей внешней поверхности газонаполненной камеры.
36. Устройство считывателя по п. 35, причем каждый палец/ножка имеет размеры для контакта с 10-50% внешней поверхности каждой камеры.
37. Устройство считывателя по любому из пп. 30-36, причем средство приложения усилия выполнено поднимаемым и опускаемым в контакт с поверхностью картриджа с использованием двигателя, присутствующего внутри считывателя.
38. Устройство считывателя по п. 37, причем двигатель способен поднимать и опускать средство приложения усилия с переменной скоростью так, что газ внутри картриджа может всасываться в и/или выталкиваться из упомянутой/каждой газонаполненной камеры с различными скоростями.
39. Устройство считывателя в соответствии с пп. 30-38, причем средство обнаружения представляет собой устройство оптического обнаружения, такое как флюориметр или спектрофотометр.
40. Устройство считывателя по любому из пп. 30-39, дополнительно содержащее нагревающее и/или охлаждающее средство для обеспечения проведения анализов при конкретной температуре или множестве температур.
41. Способ проведения анализа жидкого образца, включающий:
a) введение микрожидкостного картриджа по любому из пп. 1-26 в устройство считывателя по любому из пп. 30-40;
b) приложение усилия к некоторой/упомянутой газонаполненной камере микрожидкостного картриджа так, чтобы выталкивать часть газа из этой/упомянутой камеры;
c) введение жидкого образца в микрожидкостной картридж и предоставление возможности образцу всасываться в микрожидкостной канал(ы) посредством капиллярного эффекта или снижения усилия, прикладываемого к этой/упомянутой газонаполненной камере(ам) так, что воздух всасывают в эту/упомянутую камеру(ы), вызывая всасывание жидкого образца в микрожидкостной канал(ы);
d) снижение усилия, прикладываемого к этой/упомянутой камере(ам) микрожидкостного картриджа так, что воздух всасывают в эту/упомянутую камеру(ы), вызывая всасывание жидкого образца дальше в этот/упомянутый микрожидкостной канал(ы) для того, чтобы сделать возможным контакт со связующим аналита и, необязательно, одним или более дополнительными реактивами;
e) предоставление возможности формирования и захвата любых комплексов аналит/связующее аналита или комплексов продукт реакции аналита/связующее аналита в зоне обнаружения этого/упомянутого микрожидкостного канала(ов);
f) необязательно, увеличение усилия, прикладываемого к этой/упомянутой газонаполненной камере(ам) микрожидкостного картриджа так, что газ выталкивают из этой/упомянутой камеры(камер), вызывая выталкивание жидкости из по меньшей мере части этого/упомянутого микрожидкостного канала(ов), где захватывают комплексы аналит/связующее аналита, так, что захваченные комплексы аналит/связующее аналита присутствуют в практически безжидкостной среде; и
g) обнаружение любого захваченного аналита или продукта реакции аналита, необязательно, в упомянутой практически безжидкостной среде.
42. Способ по п. 41, причем этап d) осуществляют в виде одного или множества этапов, посредством чего образец всасывают в дополнительное или определенное число последовательных местоположений, соответственно, внутри упомянутого/каждого микрожидкостного канала, которые соответствуют упомянутому числу раз осуществления снижения усилия.
43. Способ проведения анализа жидкого образца, включающий:
a) введение микрожидкостного картриджа, который содержит сдавливаемую газонаполненную камеру или камеры, в устройство считывателя, которое содержит средство для сдавливания/уменьшения сдавливания упомянутой камеры(камер);
b) приложение усилия к некоторой/упомянутой газонаполненной камере(ам) микрожидкостного картриджа так, чтобы выталкивать часть газа из этой/упомянутой камеры(камер);
c) введение жидкого образца в микрожидкостной картридж и предоставление возможности всасывания образца в микрожидкостной канал или каналы микрожидкостного картриджа посредством капиллярного эффекта или снижения усилия, прикладываемого к этой/упомянутой газонаполненной камере(ам), так, что воздух всасывают в эту/упомянутую камеру(ы), вызывая всасывание жидкого образца в микрожидкостной канал(ы);
d) снижение усилия, прикладываемого к этой/упомянутой камере(ам) микрожидкостного картриджа так, что воздух всасывают в эту/упомянутую камеру(ы), вызывая всасывание жидкого образца дальше в этот/упомянутый микрожидкостной канал(ы) для того, чтобы сделать возможным контакт со связующим аналита и, необязательно, одним или более дополнительными реактивами, которые присутствуют в этом/упомянутом канале(ах);
e) предоставление возможности формирования и захвата любых комплексов аналит/связующее аналита или комплексов продукт реакции аналита/связующее аналита в зоне обнаружения этого/упомянутого микрожидкостного канала(ов);
f) необязательно, увеличение усилия, прикладываемого к этой/упомянутой газонаполненной камере(ам) микрожидкостного картриджа так, что газ выталкивают из этой/упомянутой камеры(камер), вызывая выталкивание жидкости из по меньшей мере части этого/упомянутого микрожидкостного канала(ов), где захватывают комплексы аналит/связующее аналита, так что захваченные комплексы аналит/связующее аналита присутствуют в практически безжидкостной среде; и
g) обнаружение любого захваченного аналита или продукта реакции аналита в практически безжидкостной среде.
44. Способ по пп. 41 или 43, причем комплексы аналит/связующее аналита или комплексы продукт реакции аналита/связующее аналита, подлежащие формированию, содержат магнитные или парамагнитные частицы
45. Способ по п. 44, причем магнитные частицы, которые используют для формирования комплексов, изначально осаждают на поверхности упомянутого микрожидкостного канала(ов), которая противоположна поверхности картриджа, с которой магнит приводят в тесный контакт или прикладывают магнитное усилие, чтобы перемещать магнитные частицы латерально через упомянутый микрожидкостной канал(ы).
46. Способ по пп. 43-45, причем этап d) осуществляют в виде одного или более этапов, посредством чего образец всасывают в дополнительное или некоторое число последовательных местоположений, соответственно, внутри упомянутого/каждого микрожидкостного канала, которые соответствуют упомянутому числу раз осуществления снижения усилия.
47. Способ по любому из пп. 41-46, причем объем газа, который выталкивают из этой/упомянутой камеры(камер), вызывая выталкивание жидкости из по меньшей мере части этого/упомянутого микрожидкостного канала(ов), где захватывают комплексы аналит/связующее аналита, является достаточным для того, чтобы вызывать удаление жидкости из зоны обнаружения, но не дальше по микрожидкостному каналу(ам).
48. Автономный одноразовый микрожидкостной картридж для использования при проведении мультиплексных анализов, то есть множества различных анализов, причем микрожидкостной картридж содержит:
отверстие для введения образца для введения образца в микрожидкостной картридж и множество микрожидкостных каналов, причем каждый из упомянутых микрожидкостных каналов выполнен с возможностью принимать часть образца и способен проводить один или более анализов в упомянутой части образца, так что микрожидкостной картридж способен обнаруживать и/или определять уровни множества различных аналитов в образце и проводить анализ множество различных типов анализа в образце с использованием реактивов, которые присутствуют в картридже перед введением образца.
49. Автономный одноразовый микрожидкостной картридж по п. 44 для использования в способе по любому из пп. 41-46.
50. Автономный одноразовый микрожидкостной картридж по п. 48, дополнительно содержащий элементы, охарактеризованные в пп. 1-26.
51. Автономный одноразовый микрожидкостной картридж по любому из пп. 48-50, который способен осуществлять по меньшей мере два, три, четыре, пять или больше анализов следующих типов: иммунологический анализ, анализ нуклеиновой кислоты, анализ на основе рецептора, цитометрический анализ, колориметрический анализ, ферментативный анализ, электрофоретический анализ, электрохимический анализ, спектроскопический анализ, хроматографический анализ, микроскопический анализ, топографический анализ, калориметрический анализ, турбидиметрический анализ, анализ агглютинации, вискозиметрический анализ, анализ коагуляции, анализ времени свертывания, анализ синтеза белка, гистологический анализ, анализ культуры или анализ осмолярности.
52. Автономный одноразовый микрожидкостной картридж по любому из пп. 48-51, который позволяет проводить панель отдельных анализов, которые предназначены для проведения тестов на сердечное состояние, состояние надпочечников, состояние печени, диабет или средства, вызывающие лекарственную зависимость.
53. Автономный одноразовый микрожидкостной картридж по п. 52 для использования при обнаружении сердечного состояния, и причем панель отдельных анализов выполнена с возможностью обнаружения уровней липидов, аполипопротеина; гомоцистеина; C-реактивного белка (CRP); и/или сердечных ферментов.
54. Автономный одноразовый микрожидкостной картридж по п. 52 для использования при обнаружении состояния надпочечников, и причем панель отдельных анализов выполнена с возможностью обнаружения альдостерона, кортизола, 18-гидроксикортизола и/или DHEA-S.
55. Автономный одноразовый микрожидкостной картридж по п. 52 для использования при обнаружении состояния печени, и причем панель отдельных анализов выполнена с возможностью обнаружения уровня одного или более ферментов печени, билирубина, альбумина, протромбина и/или присутствия вируса или вирусов.
56. Автономный одноразовый микрожидкостной картридж по п. 52 для использования при обнаружении субъектов с риском развития диабета или подтверждении субъектов с диабетом, и причем панель отдельных анализов выполнена с возможностью обнаружения уровней липидов, клинического анализа крови, уровней глюкозы натощак, гемоглобина A1c и/или альбумина.
57. Автономный одноразовый микрожидкостной картридж по п. 52 для использования при обнаружении средств, вызывающих лекарственную зависимость, и причем панель анализов выполнена с возможностью обнаружения амфетаминов; барбитуратов; бупренорфина; бензодиазепинов; кокаина; экстази; метамфетаминов; героина (опиатов/морфина); метадона; трициклических антидепрессантов; и/или марихуаны.
58. Мультиплексная платформа для анализа для использования при выполнении множества панелей анализов, содержащая множество микрожидкостных картриджей по любому из пп. 48-57, причем каждый картридж способен проводить определенную панель анализов в образце, а считыватель, выполнен с возможностью принимать и верифицировать каждый из упомянутого множества микрожидкостных картриджей, посредством чего считыватель является конфигурируемым для обнаружения и/или определения уровней панели аналитов, которые могут присутствовать в образце.
59. Мультиплексная платформа для анализа для использования при выполнении множества панелей анализов по п. 58 для использования с устройством считывателя по любому из пп. 30-40.
Настоящее изобретение далее дополнительно описано в качестве примера и со ссылкой на следующие фигуры, на которых представлено:
на фиг. 1 представлен микрожидкостной картридж в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 2 представлена подробно часть A, как идентифицировано на фиг. 1;
на фиг. 3 представлен считыватель в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 4 представлены внутренние механизмы считывателя, представленного на фиг. 3;
на фиг. 5 представлен вид в плоскости внутренней части считывателя, содержащего средство управления усилием, по изобретению;
на фиг. 6 представлен вид в разрезе по линии A-A с фиг. 5;
на фиг. 7: представлена схема примерных форматов картриджей, которые способны проводить различное число анализов на картридж;
на фиг. 8: представлен график сравнения обнаружения C-пептида в соответствии с настоящим изобретением и в анализе C-пептида Siemens Centaur, N=350;
на фиг. 9: представлено сравнение на графике смещения для обнаружения C-пептида в соответствии с настоящим изобретением в сравнении с анализом C-пептида Siemens Centaur, N=294;
на фиг. 10: представлен график сравнения для обнаружения D-димера в соответствии с настоящим изобретением и в тесте клинического анализатора HemoIL D-dimer HS 500;
на фиг. 11: представлен график сравнения для обнаружения CRP в соответствии с настоящим изобретением и в тесте клинического анализатора Siemens Dimension CRP;
на фиг. 12: представлен график сравнения для обнаружения hsCRP в соответствии с настоящим изобретением и в тесте клинического анализатора Siemens Dimension hsCRP;
на фиг. 13: представлена кривая дозовой зависимости для аналита HRP2 Plasmodium falciparum (P.f), который вводили в кровь и запускали в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 14: представлена схема реактивов, используемых в многоэтапном анализе тропонина I;
на фиг. 15: приведено схематическое представление этапов, вовлеченных в мноэтапный анализ тропонина I;
на фиг. 16(a) и (b): представлены графики для тропонина I, измеренного у здоровых индивидуумов с использованием многоэтапного анализа в соответствии с настоящим изобретением, по сравнению с тестом Siemens Centaur Troponin Ultra;
на фиг. 17 представлено сравнение отклика анализа C-пептида, проводимого в соответствии с настоящим изобретением, до и после удаления буфера с помощью воздуха;
на фиг. 18 представлено сравнение отклика анализа C-пептида, проводимого в соответствии с настоящим изобретением в образце крови, до и после удаления жидкого образца с помощью воздуха; и
на фиг. 19 представлен график сравнения способа с использованием картриджа по настоящему изобретению, который содержит канал без камеры газа для того, чтобы управлять заполнением и/или удалением жидкости, чтобы осуществлять тест INR и тест Roche CoaguCheck INR.
На фиг. 1 представлен микрожидкостной картридж (1) в соответствии с настоящим изобретением, для выполнения 4 отдельных анализов в одном образце. Картридж (1) содержит отверстие (3) для введения жидкого образца, соединенное с микрожидкостным каналом (4), который делится на множество отдельных каналов (5 и 7). Каждый канал (5) простирается внутри картриджа (1) и проточно соединен с газонаполненными камерами (10). Дополнительный канал (7), который не соединен с газонаполненной камерой, представляет собой контрольный канал для использования в множестве контрольных измерений. При использовании, образец текучей среды заполняет каналы (5 и 7), и это можно обнаруживать с помощью электродов (не показаны), которые находятся в электрическом контакте с соответствующими электрическими контактами внутри считывателя. Когда считыватель обнаруживает подходящий сигнал о том, что образец загружен в картридж (1), считыватель может начинать анализы. Также предусмотрен сток (13) для приема жидкости. Непосредственно выше по потоку от стока имеет место стопор (15) жидкости, который предотвращает попадание жидкости в сток непосредственно (13) с помощью только капиллярного эффекта. Таким образом, при начальном внесении образца с использованием капиллярного внесения, жидкий образец не проходит стопор (15) жидкости.
Если описывать каждый канал (5) более подробно, имеют место печатные элементы (20, 22, 24, 26), которые выполнены с возможностью ограничивать движение любого реактива, который осажден внутри каждого канала (5) во время процесса изготовления. Рядом с печатным элементом (20) и как представлено в секции A, которая показана более подробно на фиг. 2, имеет место канал (50) меньших размеров (например, 0,1-0,2 мм), простирающийся перпендикулярно от канала (5) для анализа (например, 0,75-1 мм). Внутри каждого канала (50) присутствует односторонний клапан (52) (0,1 мм на 0,9 мм), который выполнен с возможностью позволять газу или воздуху, присутствующему в каждом канале (5), выходить из картриджа (1) при внесении жидкого образца. Таким образом, при внесении образца в картридж посредством капиллярного внесения образец заполняет канал (4), вытесняя воздух, который присутствует в каналах (5), который выходит из картриджа через однонаправленные клапаны (52). Образец заполняет посредством капиллярного эффекта до тех пор, пока образец не будет приблизительно рядом с каждым боковым каналом (50). Расположенный выше печатный элемент (20) представляет собой первую реакционную зону (28) каждого канала (5) для анализа, в которой расположены одно или более связывающих и/или реакционных средств, разработанных для реакции и связывания с конкретным аналитом или его продуктом реакции, которые могут присутствовать в жидком подлежащему анализу образце. Например, в первых зонах (28) упомянутых каналов (5) могут быть осаждены магнитные частицы, функционализированные антителом, предназначенным для специфического связывания первого эпитопа аналита, подлежащего обнаружению. Во второй зоне (30) каждого канала могут быть осаждены флуоресцентно меченные латексные частицы, функционализированные дополнительным антителом, предназначенным для специфического связывания с другим эпитопом аналита, подлежащего обнаружению. Дистально/проксимально от зон (28, 30) располагают зону (32) обнаружения, где можно обнаруживать комплексы метка/аналит/магнитная частица.
Дистально/проксимально от зон (32) обнаружения располагают газонаполненные камеры (10), которые выполнены с возможностью совмещения с элементом приложения усилия, присутствующим внутри устройства считывателя (как описано далее) по настоящему изобретению, с тем, чтобы элемент приложения усилия мог прикладывать усилие к газонаполненным камерам (10) с тем, чтобы вызывать выталкивание газа внутри камер (10) из камер (10) и в каналы (5) для анализа. Снижение усилия, прикладываемого к камерам (10), вызывает всасывание воздуха обратно в камеры (10) из каналов (5) для анализа.
При использовании, картридж (1) вставляют в считыватель (100), как показано на фиг. 3. Считыватель имеет закрываемую дверцу (102), которую можно открывать для того, чтобы получать доступ к принимающему картридж отверстию (103) считывателя. Когда картридж вставлен в считыватель (100) и образец внесен в картридж (1), дверцу (102) можно закрывать. Считыватель вмещает некоторое число элементов, которые выполнены с возможностью контакта с картриджем (1) и/или облегчения выполнения анализа по настоящему изобретению, как описано более подробно. Верхняя поверхность считывателя (100) содержит сенсорный дисплей (104), который позволяет пользователю взаимодействовать со считывателем (100), а также принимать информацию, касающуюся эффективности любых анализов.
На фиг. 4 представлены внутренние элементы считывателя (100). Считыватель содержит перезаряжаемую батарею (110) для питания считывателя и его различных функций, как описано. Мощность для зарядки батареи (110) предоставляют через разъем (106) постоянного тока. Считыватель (100) дополнительно содержит нагреватель (111) для нагрева картриджа (1), когда необходимо; оптический блок (112), содержащий необходимые оптические элементы для обнаружения флуоресцентного сигнала от картриджа (1); перемещаемый магнит (113), который выполнен с возможностью иммобилизации магнитных частиц внутри зоны (32) обнаружения в картридже; и рычажный механизм (114), который выполнен с возможностью контакта с камерами (10) в картридже (1) и приложения усилия с тем, чтобы вызывать выталкивание воздуха из камеры (10).
При использовании, картридж (1) вставляют в считыватель (100) до тех пор, пока картридж не образует контакт с элементом (122) выставления внутри считывателя (100). Правильную установку картриджа (1) обнаруживают с помощью электродов, которые присутствуют на картридже, с использованием соответствующих контактов, которые присутствуют на считывателе. Это сигнализирует считывателю, что картридж (1) вставлен правильно и можно приступать к старту процесса анализа. Двигатель (120) получает сигнал о том, чтобы активировать реечно-шестереночный механизм. Зубчатое колесо (124) поворачивают в направлении по часовой стрелке с тем, чтобы заставлять реечный механизм (126) рычага (128) перемещаться вертикально вверх. Это движение вызывает перемещение другого конца (132) рычага (128), в форме пальца, вниз и в контакт с камерами (10) картриджа (1). Продолжение работы двигателя поднимает реечный механизм (126) вверх, с соответствующим движением другого конца (132) рычага (128) вниз так, что возрастающее усилие прикладывают к камерам (10) картриджа (1), выталкивая газ из камер (10). Когда требуемое количество газа вытолкнуто из камер (10), конец (132) рычага (128) остается в контакте с газонаполненными камерами (10) для того, чтобы предотвращать всасывание газа обратно в камеры (10). В этот момент пользователь получает извещение в виде сообщения на дисплее (104) о том, что теперь образец может быть внесен в картридж (1).
Образец приводят в контакт с картриджем (1) и вводят в него посредством отверстия (3) для введения. Образец заполняет каналы (4, 5 и 7) посредством капиллярного эффекта, как описано ранее, при этом воздух выходит через клапаны (52). После заполнения капилляров, часть жидкого образца электрически обнаруживают в каналах (5 и 7), что сигнализирует считывателю о продолжении. Затем двигатель может получать команду поворачивать зубчатый механизм (124) в направлении против часовой стрелки, что, в свою очередь, вызывает перемещение реечного механизма (126) в направлении вниз и другого конца (132) рычага (128) вверх так, что снижают усилие, которое прикладывают к камерам (10) картриджа (1). Это снижение усилия, которое прикладывают к камерам (10), вызывает всасывание воздуха обратно в камеры (10), чем, в свою очередь, всасывают образец в первые зоны (28) каналов (5). Двигатель (120) и связанное движение рычага позволяют тщательно управлять снижением усилия, прикладываемого к камерам (10), посредством чего управляют тем, насколько жидкий образец всасывают в первые зоны (28). Также этим можно управлять через воспринимаемую электродами обратную связь. Жидкий образец, попадающий в первые зоны (28) каналов (5), вызывает ресуспендирование функциональных производных магнитных частиц, присутствующих в первой зоне (28), с помощью образца. Двигатель (120) останавливают на определенный период времени для того, чтобы позволять любому требуемому аналиту, который может присутствовать в жидком образце, связываться с функциональными связывающими аналит фрагментами на поверхности магнитных частиц, чтобы формировать комплексы аналит/магнитная частица. После определенного периода времени, двигатель активируют снова и дополнительное снижение усилия применяют к камерам (10), вызывая всасывание большего количества воздуха обратно в камеры (10), чем, в свою очередь, всасывают образец и комплексы аналит/магнитная частица во вторую зону (30) каналов (5). Вторая зона (30) каждого канала (5) содержит функциональные производные флуоресцентно меченных латексных частиц, которые способны к связыванию с комплексами аналит/магнитная частица для того, чтобы формировать «многослойный» комплекс латексная частица/аналит/магнитная частица. После дополнительного периода времени, усилие, прикладываемое к камерам (10), дополнительно снижают, и жидкость и связанные комплексы, присутствующие в ней, всасывают в зону (32) обнаружения.
Когда жидкий образец и связанные комплексы всосаны в зону (32) обнаружения, магнит (113) приводят в движение с помощью двигателя (150) и связанного зубчатого колеса (152) и рейки (154) так, что магнит приводят в непосредственную близость с зонами (32) обнаружения картриджа так, что магнитные комплексы притягивают к магниту и удерживают на месте внутри зоны (32) обнаружения посредством магнитного усилия магнита (113). После этого двигатель (120) повторно применяют с тем, чтобы рычажный механизм (114) увеличивал усилие, прикладываемое к газонаполненным камерам (10), вызывая выталкивание воздуха еще раз из камер (10), результатом чего является то, что жидкий образец и немагнитно связанный материал, который присутствует в зоне (32) обнаружения, выталкиваются из зоны (32) обнаружения и по каналу (5), причем часть жидкости выходит в сток (13). Может не требоваться выталкивать всю жидкость в сток (13) и фактически может быть необходимым только удалять жидкость из зоны (32) обнаружения так, чтобы получаемые магнитно связанные комплексы присутствовали в практически воздушной среде. В частности, это может быть преимущественным в отношении отсутствия использования дополнительного объема образца для того, чтобы осуществлять промывание, как происходит в продуктах латерального течения и отсутствия потребности в пакете буфера на полоске или системе доставки буфера в измерителе.
Двигатель (120) способен работать с переменной скоростью, и поэтому без труда можно всасывать воздух в камеры (10) и выталкивать воздух из камер (10) с различными скоростями при соответствующей переменной скорости потока жидкости, присутствующей в канале (5) и связанных зонах (28, 30 и 32).
После удаления жидкости из зон (32) обнаружения захваченные комплексы присутствуют в практически безжидкостной среде, и их можно обнаруживать с использованием детектора, который присутствует в оптическом блоке (112). Детектор может быть в форме спектрофотометра, например, который способен обнаруживать флуоресцентную метку, присутствующую на захваченных комплексах латексная частица/аналит/магнитная частица.
В альтернативном варианте осуществления для того, что показано и описано по отношению к фиг. 4, пьезоэлектрические изгибаемые элементы можно использовать для того, чтобы управлять усилием, прикладываемым к газонаполненным камерам картриджа. На фиг. 5 представлено средство (200) управления усилием. Средство (200) управления усилием содержит серию пьезоэлектрических изгибаемых элементов (202), которые фиксированы на первом конце (201) с помощью фиксирующего блока (204). Каждый пьезоэлектрический изгибаемый элемент также электрически сопрягают на первом конце с электрическими соединениями (206), которые управляют электрическим сигналом, предоставляемым на каждый изгибаемый элемент (202). Как можно видеть, каждый изгибаемый элемент (202) соединяют с его собственным набором электрических соединений (206) так, что каждым изгибаемым элементом можно управлять независимо. Как показано на фиг. 6, другой конец (208) каждого изгибаемого элемента (202) покоится на верхней поверхности (209) ножки (210), которую выполняют с возможностью контактировать с внешней поверхностью камеры газа микрожидкостного картриджа (220) по настоящему изобретению.
На фиг. 6 представлен вид в разрезе по линии A-A с фиг. 5, так что различные части средства (200) управления усилием и то, как они функционируют, можно понять лучше. На фиг. 6 средство (200) управления усилием представлено вместе с микрожидкостным картриджем (220), когда он правильно вставлен внутрь считывателя так, что газонаполненная камера микрожидкостного картриджа расположена непосредственно под ножкой (210) средства (200) управления усилием. Нижняя поверхность (212) ножки (210) имеет геометрическую форму для контакта с частью камеры газа микрожидкостного картриджа (220), на которую через подходящее управление накладывают ножку (210) с помощью изгибаемого пьезоэлемента (202), ножка (210) способна прикладывать переменное усилие к камере газа микрожидкостного картриджа (220).
Как показано на фиг. 6, изгибаемый пьезоэлемент (202) находится в своем несформированном жестком состоянии. В этом варианте осуществления средство (200) управления усилием выполнено так, что изгибаемый пьезоэлемент (202) способен передавать максимальное усилие на ножку (210) так, что нижняя поверхность (212) ножки (210) давит вниз и сдавливает газонаполненную камеру, вызывая выталкивание газа внутри камеры из камеры.
Несмотря на то, что не показано, подача электрического заряда на изгибаемый пьезоэлемент (202) вызывает изгибание изгибаемого пьезоэлемента (202) и изгибание конца (208) изгибаемого пьезоэлемента (202) вверх. Это изгибание изгибаемого пьезоэлемента (202) вверх снижает усилие, прикладываемое к ножке (210), что, в свою очередь, вызывает снижение усилие ножки (210), прикладываемое к газонаполненной камере картриджа (220). Снижение усилия, прикладываемого к газонаполненной камере, обеспечивает снижение сдавливания газонаполненной камеры и соответствующее попадание газа обратно в камеру. Через подходящие электрические сигналы можно изгибать и возвращать в исходное состояние изгибаемый пьезоэлемент (202), что ведет к уменьшению сдавливания или сдавливанию газонаполненной камеры, соответственно, и выталкиванию или всасыванию газа в камеру.
Многие изгибаемые пьезоэлементы известны в данной области и могут быть пригодны для использования в настоящем изобретении. Опытный адресат выберет изгибаемый элемент, который подходит для конкретной цели. Авторы настоящего изобретения использовали такие различные изгибаемые пьезоэлементы со смещением вплоть до нескольких миллиметров и временем отклика в миллисекундном диапазоне. Программируемый усилитель напряжения можно использовать для того, чтобы управлять каждым изгибаемым пьезоэлементом. Подходящий усилитель содержит 32-канальный 14-битный DAC с программируемым напряжением максимального выходного сигнала от 50 В до 200 В (AD5535) или высоковольтный четырехканальный 12-битный DAC выходного напряжения (AD5504), доступный в Analog Devices (Norwood, MA 02062, USA). Можно достигать усилий в 1-2 Н.
Выше приведено описание конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения, но настоящее изобретение разработано в форме платформы, которую можно легко адаптировать. Например, положение клапана можно менять для того, чтобы сделать возможным заполнение капилляров до других положений внутри канала (5), или клапан можно опускать вовсе, и заполнение образцом происходит посредством активного заполнения после выталкивания газа из камеры (10) и всасывания образца в картридж (1) и каналы (5, 7) с помощью возвращения воздуха в камеры газа после снятия давления, прикладываемого к камерам (10)
Кроме того, считыватель можно выполнить с возможностью использования множества форматов тестов с семейством размеров полосок, определяемых требованиями продукта. Полоску можно предусмотреть изготавливаемой в форматах 2, 4 и 10 каналов, например, для конкретных конфигураций продуктов и панельных тестов (см. фиг. 5, где представлены различные размеры полосок). Доступность различных размеров полосок позволяет данной системе выдавать мультиплексные тесты среди смешанных технологий, чтобы отвечать конкретным требованиям пользователей на рынке предоставления медицинских услуг с увеличенной эффективностью и сниженной структурой издержек по сравнению с общепринятыми продуктами на целевых рынках.
Со ссылкой на фиг. 7, где представлены различные полоски различных размеров, 2-канальный картридж выполнен для отдельных анализов с контролями, 4-канальный картридж для панелей из 2-3 аналитов с контролями и 10-канальный картридж делает возможными комплексные анализы смешанных технологий и продуктов, которые требуют высокой мультиплексной способности (например, средства, вызывающие лекарственную зависимость), подлежащей осуществлению. Описанная платформа обладает очень гибкой архитектурой образцов и анализов, а также управлением считывателем и способностью к измерениям, которые делают возможной передовую совместимость для новых возможностей, подлежащих использованию в качестве новых тестовых панелей или типов тестов идентифицируют или перемещать к месту предоставления медицинских услуг.
Несмотря на то, что основной технологией измерения является флуоресценция, платформа также включает электрохимические измерения, а другие способы можно легко встраивать. Это рассмотрено более подробно ниже.
Для того чтобы выдавать множество типов и форматов тестов в одной платформе, разработан набор гибких центральных технологических возможностей и контролей, которые можно использовать при необходимости и в последовательностях, которые доставляют этапы различных форматов анализов. Принципы проектирования архитектуры системы представляют собой:
Фаза захвата магнитных частиц
Управление движением жидкости
Удаление жидкости из зоны обнаружения
Обнаружение метки на воздухе
Многоканальное мультиплексирование
Внутриканальное мультиплексирование
Динамический диапазон
Встроенные контроли
Электрохимические измерения
Управление нагревом и температурой
Предварительная обработка образца
Эта архитектура платформы делает возможными многие различные типы тестов и технологии, подлежащие форматированию в системе. Каждый основной технологический принцип рассмотрен далее.
Захват магнитных частиц и управление жидкостью
Известно, что использование захвата частиц улучшает кинетику захвата. Для иммунологических анализов платформа по настоящему изобретению использует парамагнитные частицы в качестве поверхности захвата. Парамагнитные частицы различных размеров можно использовать для того, чтобы оптимизировать эффективность каждого типа теста. Парамагнитные частицы в диапазоне от 100 до 1000 нм использовали во время разработки анализа. Фазу захвата частиц объединяют с фазой метки флуоресцентных частиц. Аналогичным образом, фазу флуоресцентных частиц можно варьировать по размеру в зависимости от чувствительности анализа и требований к диапазону. Типичные размеры флуоресцентных частиц могут находиться в диапазоне 40-4000 нм
Некоторые анализы, такие как C-реактивный белок (CRP), требуют относительно высоких концентраций подлежащего измерению аналита, и используют непосредственно меченный флуорофором антительный конъюгат в комбинации с магнитными частицами, тогда как высокочувствительные анализы в целом используют метки флуоресцентных частиц в комбинации с магнитными частицами. Важно, что обе фазы захвата и метки подвижны в образце, чтобы поддерживать события захвата. Этому дополнительно помогает тог факт, что нежелательный поток внутри полоски минимизирован. Во время заполнения канала образец течет по высушенным тестовым реактивам. Эффекты растворения реактивов и, следовательно, фронта потока минимизируют посредством использования составов, которые делают возможным хорошее заполнение канала, но ведут к контролируемому более медленному растворению. После начального события заполнения образцом, поток останавливают так, что предотвращают дальнейшее течение образца в течение определенного периода времени. Это допускает возникновение очень согласованных растворения и эффективности последующего связывания, поскольку отсутствуют ошибки скорости потока, зависящие от матрикса, которые влияют на опрашиваемый объем образца или кинетику связывания.
Выполнение растворения реактивов и захвата аналитов в необязательно смешанном статическом фиксированном объеме в противоположность системе с переменным потоком (например, Lateral flow, Triage) значительно усовершенствует воспроизводимость и точность анализа.
Для более сложных анализов, таких как тропонин (как описано в другом месте), анализ более эффективно выполняют в виде многоэтапной процедуры с использованием множества зон реактивов. В этом случае функциональность измерителя, способного сдавливать камеры (10) газа для того, чтобы выталкивать газ и выполнять удаление жидкости из зоны обнаружения, также используют для выполнения точного управления движением жидкости внутри картриджа (1) и связанных каналов. Перед внесением образца в картридж (1), газонаполненные камеры (10) сдавливают с помощью измерителя, выталкивая газ из камер (10) и каналов для анализа. Камеры (10) остаются сдавленными измерителем во время внесения образца, и заполнение образцом опосредованном капиллярным эффектом или полностью находится под движимым газом гидравлическим управлением. Двигатель или изгибаемый пьезоэлемент высокого разрешения внутри измерителя делает возможным точно контролируемое пошаговое уменьшение или увеличение давления на камеры (10) газа с изменением скорости и количества давления, специфичным для конкретного теста. Этот элемент обеспечивает множество важных преимуществ, включая способность к смешиванию с использованием точного положительного и отрицательного изгибания любых изгибаемых пьезоэлементов.
Время заполнения образцом может оказывать достоверный эффект на эффективность продукта посредством введения вариабельности растворения реактива, эффектов фронта текучей среды и опрашиваемого объема образца. Гидравлическое управление снижает вариацию времени заполнения через непосредственное управление скоростью заполнения образцом. Гидравлическое управление позволяет перемещать образец за контролируемое время в другие зоны внутри каждого канала, что делает возможными предварительные обработки образца и многоэтапные анализы, подлежащие осуществлению (описано в настоящем описании). Гидравлическое управление и выделение также необходимы для закрытых систем, как необходимо для NAT анализов (см. далее).
Удаление жидкости из зоны обнаружения
Движение жидкости и управление осуществляют посредством сдавливания или высвобождения камер (10) газа в тестовом картридже с использованием двигателя и аппликатора усилия, или механизма пьезоэлектрического изгибаемого элемента, который контактирует с камерами (10) текучей среды. Результирующее движение газа из каждой камеры (10) делает возможным точное управление движением образца и реактивов, включая удаление несвязанной метки из зоны (32) обнаружения тестового канала и необязательно в область (13) стока.
Встроенная функция управления текучей средой внутри каждого картриджа дает множество важных отличительных преимуществ.
Во-первых, описанная система обеспечивает очень эффективное разделение связанных и несвязанных компонентов анализа с использованием газового управления движением жидкости. Это важно, поскольку она полностью избегает сложности и издержек, связанных с пакетом жидкого реактива на полоске или заменяемых упаковок жидкого промывающего реактива в измерителе.
Во-вторых, настоящее изобретение, кроме того, делает возможным использование ламинированной технологии изготовления с очень низкой стоимостью картриджа и возможностью изготовления с использованием высокопроизводительных систем получения полотна с точным управлением.
В-третьих, удаление образца и несвязанной метки из зоны (32) обнаружения с помощью газа обозначает, что измерение флуоресцентных меток можно выполнять в практически безжидкостной газовой среде.
Обнаружение метки на воздухе
Измерение метки в газе ведет к более значимым техническим преимуществам для проведения флуоресцентных измерений по сравнению со стандартными протоколами анализа продуктов известного уровня техники.
Использование по существу газовой среды значительно снижает эффект гашения жидкого образца, тем самым удаляя первичный источник вариации анализа и эффект матрикса. Например, присутствие клеток крови и белков плазмы гасит сигнал флуоресценции, снижая чувствительность и повышая вариабельность измерения флуоресценции. Измерение флуорофоров в газовой или воздушной среде делает возможным использование флуорофоров, которые не обязательно выбраны из-за гашения образца. Это допускает более простые оптические конструкции, оптимизацию флуорофоров для каждого анализа и мультиплексирование внутри одного канала. Как описано в примере далее и со ссылкой на фиг. 15 и 16, обнаружение в воздухе обеспечивает значимое усовершенствование чувствительности по сравнению с обнаружением буфере или цельной крови.
Вкратце, подход с использованием газа для того, чтобы удалять образец и несвязанную метку, снижает вариацию анализа посредством снижения эффектов гашения матрикса образца и дает доступ к более широкому диапазону флуорофоров для оптимизации анализа. Это переходит в гибкость постановки анализа, скорость анализа и беспрецедентную эффективность.
Многоканальное мультиплексирование
Платформа по настоящему изобретению обладает способностью к многоканальному и внутриканальному мультиплексированию. Панельные тесты можно осуществлять через множество каналов внутри одной полоски в комбинации со сканирующей оптической головкой для того, чтобы измерять метку, например, интенсивность флуоресценции в каждом канале. Число каналов может варьировать в зависимости от требований продукта.
Это допускает разработку панельных тестов, причем каждый канал содержит отличающийся анализ, например, сердечную панель, метаболическую панель и т. д. Поскольку индивидуальные анализы пространственно не совпадают внутри отдельных каналов, каждый анализ можно выполнять с возможностью уникальных реактивов внутри многоканальной полоски. Это дает множество ключевых преимуществ:
Во-первых, каждый анализ может использовать оптимальный состав, включая реактивы, буферы, pH и т. д. для: растворения реактивов, антикоагуляции, нейтрализации эффектов матрикса (HAMA и т. д.), оптимальной чувствительности, линейности, диапазона и стабильности анализа. Нет необходимости искать совместимую оптимизацию для более наборов реактивов для анализа или жертвовать эффективностью анализа для того, чтобы разрабатывать панельные продукты. Каждый анализ может существовать внутри своего собственного оптимального состава внутри индивидуального канала и сохранять соответствующую ему высокую эффективность анализа.
В отличие от этого, мультиплексированные тесты внутри одного канала неотъемлемо жертвуют эффективностью индивидуальных тестов, поскольку состав реактивов должен быть совместимым со всеми анализами. Требования индивидуальных анализов часто конфликтуют, например, что-то фундаментальное, такое как pH, будет значительно влиять на эффективность анализа.
Многоканальное мультиплексирование переходит в гибкость разработки панельных тестов, простоту и скорость разработки панельного анализа и сохранение эффективности одного анализа по всем панелям.
Во-вторых, многоканальный подход позволяет для данной платформы выпускать новые панельные продукты, которые объединяют различные технологии анализа и различные способы преобразования в одной полоске.
Все больше свидетельств о том, что измерение семейств молекул может быть полезнее измерения одной молекулы из этого семейства. Например, натрийуретические пептиды, используемые в стратификации по застойной сердечной недостаточности, в целом разделяют на BNP и NT-proBNP тесты. Многоканальное мультиплексирование допускает измерение proBNP, BNP, NT-proBNP и других форм натрийуретических пептидов в одной полоске и избегает перекрестных эпитопов антител внутри пептидного семейства. В отличие от этого, внутриканальное мультиплексирование ведет к увеличенной неспецифичности измерений семейств молекул. Описанный сейчас многоканальный подход можно применять на рынке тестов тропонина, в соответствии с чем различные изоформы тропонина можно измерять в отдельных каналах, чтобы усовершенствовать диагностику инфаркта миокарда.
Внутриканальное мультиплексирование
Когда необходимо измерение соотношений, например, измерение HbA1c и ионов крови, внутриканальное мультиплексирование необходимо для того, чтобы достигать наиболее точной эффективности анализа. В данной платформе этого достигают посредством измерения больше чем одного флуорофора в одном канале.
Комбинация много- и внутриканального мультиплексирования делает возможными гибкие и мощные комбинации продуктов со встроенными контролями, что усовершенствует точность и достоверность.
Динамический диапазон
Большой динамический диапазон подлежащих измерению аналитов часто может быть ограничением эффективности анализа. Например, тест тропонина должен быть очень чувствительным, но одновременно должен быть способен измерять высокие концентрации для того, чтобы осуществлять мониторинг изменений, наблюдаемых у пациентов с инфарктом миокарда. Динамический диапазон часто ведет к нелинейности в необходимом поддающемся измерению диапазоне, что влияет на воспроизводимость и точность.
Многоканальная схема позволяет делить сложные тесты с большими динамическими диапазонами на множество каналов в полоске, которые охватывают высокую чувствительность и высокие концентрации в требуемом поддающемся измерению диапазоне линейным образом.
Для тропонина (форм I и/или T) один канал может содержать реактивы, оптимизированные для измерения 0-100 пг/мл, тогда как другой канал может содержать реактивы, оптимизированные для того, чтобы измерять 50-1000 пг/мл, и дополнительный канал, оптимизированный для 500-50000 пг/мл. Каждое из чувствительности и диапазона имеет свои собственные калибровочные параметры с концентрацией образца, присваиваемой из доверительной области для двух результатов.
Встроенные контроли
Данная платформа содержит элементы встроенного контроля для того, чтобы верифицировать достоверность получаемых результатов теста. Тест каждого типа требует уникальных встроенных контролей анализов, а также более общих признаков. Все тесты могут обладать обнаружением заполнения, чтобы обеспечивать достаточное внесение образца, а использованные картриджи нельзя тестировать повторно. Когда необходимо, картридж содержит измерение гематокрита для того, чтобы корректировать те тесты, на которые влияют вариации гематокрита. Контроли конкретных каналов можно реализовать для того, чтобы встраивать низкие и высокие контроли, которые используют для того, чтобы калибровать остающиеся переменные матрикса крови и/или независимо верифицировать результат теста. Контроли истощения можно использовать для проверки человеческих антител против мыши (HAMA) или других переменных, зависимых от образца.
Микропроцессор и связанное программное обеспечение могут управлять синхронизацией, температурой, управлением текучей средой и т. д. для каждого конкретного анализа, поскольку они могут иметь различные требования в пределах одного картриджа.
Электрохимические измерения
Несмотря на то, что описанным основным способом обнаружения является флуоресценция, можно создавать другие оптические измерения и/или электрохимические измерения также можно выполнять на данной платформе, чтобы встраивать традиционные электрохимические форматы тестов (например, тест глюкозы). Кроме того, и электрохимические и флуоресцентные измерения можно выполнять в одной и той же полоске, например, панель диабета из флуоресцентного иммуноанализа C-пептида, сопряженного с электрохимическим измерением глюкозы. Стандартные подходы измерения ионоселективными электродами (ISE) к ионам и газам крови также можно переносить на данную платформу. Комбинация оптических, например, флуоресцентных, технологий и технологий электрохимического преобразования позволяет обеспечивать широкий спектр различных панельных тестов.
Управление нагревом и температурой
Температура является значимой переменной в большинстве тестов. Для некоторых анализов эффекты температуры можно компенсировать с использованием алгоритм температурной коррекции. Однако часто это проблематично определять для индивидуальных партий картриджей и сама фиксированная компенсация может стать источником ошибки. Определение температурных профилей по всем переменным процессов и матрикса может значительно влиять на цикл разработки продукта. В некоторых продуктах, таких как PT/INR и молекулярные тесты, адекватное управление температурой критично для функциональности и эффективности теста. Данная платформа позволяет встраивать интегрированную возможность нагрева, которая обеспечивает требования к оптимальной температуре для теста каждого типа. Типичные рабочие температуры используют для иммунологических анализов (34°C), PT/INR (37°C) и обнаружения нуклеиновой кислоты (>37°C) и т. д. Возможность нагрева можно оптимизировать для того, чтобы обеспечивать диапазон управляемых температур для полосок и предварительной обработки ради максимальной гибкости в протоколе теста.
Предварительная обработка образца
Управление движением образца по полоске допускает предварительную обработку образца перед представлением образца конкретным реактивам для анализа. Этот подход можно применять в иммунологических анализах, например, чтобы удалять вмешивающиеся компоненты, такие как HAMA частицы или липидные панели для того, чтобы удалять нежелательные фракции для измерений конкретных липидов (например, HDL). Этапы, связанные с текучими средами, в полоске имитируют возможности, используемые клиническими анализаторами для оптимизации эффективности продукта, что позволяет быстро разбираться с матриксом образца и взаимными влияниями во время разработки продукта.
Описания примерных тестов и тестовые данные
Одноэтапные иммунологические анализы
Краткая последовательность теста:
1. Установка картриджа в считыватель
2. Сдавливание камеры газа картриджа с помощью считывателя
3. Внесение образца в картридж, заполнение посредством капиллярного эффекта или через управляемое считывателем заполнение.
4. Смачивание электродов обнаружения заполнения картриджа определяет время начала теста
5. Образец регидратирует высушенные реактивы, которые содержат:
a. фазу парамагнитных частиц, функционализированных антителом против аналита (эпитоп 1)
b. фазу флуоресцентных меток/частиц, функционализированных антителом против аналита (эпитоп 2)
6. Реактивы смешиваются и связывают аналит, содержащееся в образце, образуя сэндвич-комплекс иммунологического анализа (флуоресцентная метка/частица-аналит-парамагнитная частица).
7. Реакция связывания протекает в течение определенного количества времени (обычно 2 минуты).
8. Магнитное поле накладывают на полоску, локализованную в зоне оптического обнаружения, аккумулируя парамагнитные частицы в этом местоположении, формируя полосу комплекса частица-аналит-метка в каждом канале.
9. Затем осуществляют этап удаления жидкого образца и несвязанной метки посредством инициируемого считывателем усилия, которое прикладывают к камерам газа в картридже. Это усилие сдавливания выталкивает газ из камер газа через тестовый канал, что ведет к выталкиванию жидкости образца и несвязанной флуоресцентной метки/частиц из зоны обнаружения и необязательно канала и в сток отходов образца. Магнитное поле накладывают для полноты этого этапа, удерживая комплексы парамагнитная частица-аналит-метка в местоположении зоны обнаружения с помощью магнитного поля, в то время как образец выталкивают из этой области.
10. Оптическая головка измерителя сканирует полоску и измеряется интенсивность флуоресценции для каждого канала. Интенсивность флуоресценции пропорциональна концентрации аналита. Каждую партию полосок и канал аналита калибруют отдельно, так что интенсивность флуоресценции преобразуют в концентрацию аналита.
Наборы данных по эффективности примера для одноэтапных иммунологических анализов приведены на фиг. 8-13:
C-пептид
C-пептид представляет собой короткий полипептид из 31 аминокислоты, который соединяет A-цепь инсулина с его B-цепью в молекуле проинсулина. Расщепление проинсулина на инсулин и C-пептид происходит в эквимолярных концентрациях. В контексте диагностики C-пептид используют в качестве косвенного биомаркера инсулина и для того, чтобы осуществлять мониторинг функции β-клеток (продуцирование инсулина) у пациентов с диабетом. Авторы настоящего изобретения проводили сравнение данного анализа с коммерчески доступной настольной системой ADVIA Siemens Centaur (см. фиг. 8).
Далее в таблице 1 приведена процентная доля результатов, которые находятся внутри заданного смещения эталонной системы для диапазона C-пептида, как показано. Это показывает, что данный анализ достигает обычно приблизительно 95% результатов внутри 20% эталонной системы.
В пределах 10%
В пределах 15%
В пределах 20%
Выше 0,5 нг/мл
73,1
89,2
98,9
Выше 0,25 нг/мл
70,9
87,6
94,7
Выше 0,1 нг/мл
69,7
86,2
93,4
Таблица 1. Точность анализа C-пептида
Анализ смещения в данной системе в сравнении с эталонной системой Siemens Centaur осуществляли для образцов выше 0,5 нг/мл (294 точек), это нанесено на график (фиг. 9) в сравнении с общепринятым коммерчески доступным клиническим анализатором. Процент смещения каждой точки относительно значения эталонной системы наносили на график в зависимости от эталонного значения. График показывает, что данная система анализа обладает сравнимой клинической точностью с общепринятой лабораторной системой.
D-димер
D-димер представляет собой продукт разложения фибрина (FDP), небольшой белковый фрагмент, присутствующий в крови после разрушения кровяного сгустка посредством фибринолиза. Молекула D-димера содержит два сшитых фрагмента D белка фибрина.
Концентрацию D-димера используют для помощи в диагностике тромбозов. Этот важный тест выполняют у пациентов с подозрением на тромботические нарушения. Хотя отрицательный результат на практике исключает тромбоз, положительный результат может указывать на тромбоз, но не исключает другие потенциальные причины. Следовательно, его основное использование состоит в том, чтобы исключать тромбоэмболическое заболевание, когда вероятность низка.
Авторы изобретения осуществляли анализ дозовой зависимости с использованием способа, описанного в сейчас, и сравнивали результаты с таковыми для HemoIL D-dimer HS 500 (коммерчески доступный клинический анализатор) (см. фиг. 10)
C-реактивный белок (CRP)
C-реактивный белок (CRP) представляет собой кольцеобразный (в форме кольца), пентамерный белок, встречающийся в плазме крови, уровни которого возрастают в ответ на воспаление. Он представляет собой белок острой фазы, происходящий из печени, который увеличивается после секреции интерлейкина-6 макрофагами и T-клетками.
CRP обладает диагностической полезностью для заболеваний многих типов, что можно резюмировать следующим образом:
1. Воспалительный статус у пациентов с диабетом 1 типа
2. Разумное руководство для антибиотиков при контроле инфекций и общего инфекционного статуса
3. Сердечнососудистое заболевание
4. Определенные злокачественные опухоли
График сравнения способов представлен на фиг. 11. Необходимый диапазон, подлежащий сообщению, составляет 5-200 мкг/мл.
Высокочувствительный CRP (hs-CRP)
Высокочувствительный CRP (hs-CRP) используют при оценке риска развития сердечнососудистого заболевания. Общие принципы представляют собой следующее:
1. низкий: уровень hs-CRP ниже 1,0 мг/л
2. средний: между 1,0 и 3,0 мг/л
3. высокий: выше 3,0 мг/л
График сравнения способов представлен на фиг. 12. Данные демонстрируют, что данная платформа позволяет хорошо измерять необходимые концентрации hs-CRP.
HRP2 Plasmodium falciparum при малярии
Малярийный паразит Plasmodium falciparum секретирует богатый гистидином белок II (HRP2), используемый в качестве биомаркера для того, чтобы обнаруживать присутствие малярийного паразита Plasmodium falciparum (Pf). Данную платформу использовали для того, чтобы демонстрировать измерение HRP2 в образцах крови. Белок HRP2 вносили в кровь и измеряли на данной платформе и в стандартном диагностическом (SD) быстром тесте на малярийный Pf.
Наименьшая концентрация HRP2, измеряемая на данной платформе, составляла 0,25 нг/мл. Для сравнения, используя SD тест, наблюдали очень слабую полосу для 5 нг/мл. Более низкие концентрации не могут быть измерены. Результат теста 0,25 нг/мл на данной платформе занял 7 минут против рекомендованного времени теста 30 минут для SD теста, чтобы измерять концентрацию 5 нг/мл. Время анализа 30 мин необходимо для конкурентных тестов, чтобы вымывать несвязанную метку золя золота и любую лизированную кровь, чтобы разрешить очень низкие концентрации. Также здесь имеют место дополнительные действия пользователя, чтобы наносить буфер на полоску для того, чтобы осуществлять этот этап промывания.
Анализировали данные, и результаты сведены на фиг. 13. Данный анализ позволяет измерять значительно более низкие концентрации HRP2, чем SD тест, при более коротком времени теста. Этот анализ обладает чувствительностью, которая отвечает требованиям к быстрому тесту для того, чтобы осуществлять мониторинг остаточной инфекции в программе популяционной эрадикации малярии.
Многоэтапный иммунологический анализ, например, тропонин
Данную платформу можно выполнять с возможностью осуществлять многоэтапные анализы, допускающие протекание ступенчатых реакций связывания для того, чтобы оптимизировать кинетику связывания, время теста и чувствительность.
В высокочувствительном анализе тропонина, этапы связывания антительных парамагнитных частиц и этапы связывания метки/частиц разобщены для того, чтобы значительно усовершенствовать скорость связывания и эффективность захвата на этапе связывания аналита-антительных парамагнитных частиц для очень низких концентраций тропонина. Последующее ступенчатое связывание частицы метки и парамагнитной частицы с использованием высокоаффинных антифлуоресцеинизотиоцианатных и биотин-стрептавидиновых функционализированных частиц, соответственно, делает возможным более высокий захват и преобразование связанного тропонинового комплекса.
Краткая последовательность теста:
1. Установка картриджа в считыватель
2. Сдавливание камеры газа с помощью считывателя
3. Внесение образца в картридж, заполнение посредством капиллярного эффекта до первого элемента клапана-стопора, где располагают первые реактивы (меченные антитела)
4. Повторная солюбилизация реактивов и инкубация антитела-аналита и время связывания.
5. Небольшое уменьшение сдавливания камеры ведет ко всасыванию жидкого образца дальше по каналу, располагая смесь образца и реактивов над вторичным реактивом.
6. Повторная солюбилизация реактивов и инкубация антитела-аналита-частицы метки и время связывания.
7. Второе небольшое уменьшение сдавливания камеры ведет к перемещению образца дальше вдоль канала, располагая смесь образца и реактивов над третьим реактивом
8. Повторная солюбилизация реактивов и инкубация антитела-аналита-частицы метки-парамагнитной частицы и время связывания.
9. Магнитное поле накладывают на картридж, расположенный в зоне оптического обнаружения, накапливая парамагнитные частицы в этом местоположении, формируя полосу комплекса антитело-аналит-частица метки-парамагнитная частица в каждом канале.
10. Жидкость образца и несвязанную метку удаляют из зоны обнаружения посредством повторного сдавливания камер, выталкивая образец и несвязанную метку из зоны оптического обнаружения
11. Оптическая головка считывателя сканирует полоску и для каждого канала измеряют интенсивность флуоресценции. Интенсивность флуоресценции пропорциональна концентрации аналита тропонина.
Анализ тропонина I (TnI) - реактивы идентифицированы на фиг. 14
Этап 1:
флуоресцеинизотиоцианата
это пассивное заполнение капилляра. В анализе TnI используют два захватывающих антитела, каждое из которых метят группой биотина. Меченное антитело метят группой  (FITC). Группы биотина и молекула FITC служат в качестве иммуногенных меток для второй и третьего этапа.
Этап 2:
образец с этапа один перемещают в область расположения вторичного реактива с помощью гидравлического управления считывателя (уменьшение сдавливания камеры). Это расположение содержит латексные частицы, покрытые антителом против FITC. Латексные частицы против FITC связывают FTIC-меченное антитело (которое связано с комплексом TnI). Эта реакция быстрая.
Этап 3:
образец перемещают в третью зону расположения посредством гидравлического управления считывателя. Третья область расположения содержит покрытые стрептавидином магнитные частицы. Стрептавидиновые парамагнитные частицы быстро связывают меченные биотином антитела, которые связаны с комплексом TnI. За накоплением парамагнитных частиц следует удаление образца/несвязанной метки. Затем осуществляют флуоресцентное оптическое сканирование. Интенсивность флуоресценции пропорциональна концентрации TnI.
Схема вышеупомянутого способа представлена на фиг. 15
Этап 1 представляет собой заполнение капилляра, этапы 2 и 3 происходят под управлением считывателя текучей средой.
Этот подход является очень привлекательным, поскольку он имеет общее применение и значительно упрощает реактивы для анализа, а также очень важно, что он ведет к превосходной эффективности анализа (см. примерные результаты, представленные на фиг. 16(a) и (b)), чувствительность данного способа имеет место в широком диапазоне концентраций. Например, анти-FITC латекс представляет собой общую метку для других анализов (например, BNP), аналогичным образом стрептавидиновые парамагнитные частицы также являются общими между анализами. Производство реактивов от партии к партии будет значительно проще для сложных анализов, таких как TnI.
Чтобы показать значимость осуществления оптического обнаружения, такого как флуоресцентное обнаружение, в воздухе, авторы изобретения осуществляли дополнительные анализы C-пептида для того, чтобы показать отклик при проведении в буфере или цельной крови по сравнению с воздухом. На фиг. 17 представлен отклик анализа C-пептида в буфере с использованием данной системы до (белые круги) и после (черные треугольники) удаления с помощью воздуха. Можно видеть, что без удаления жидкости с помощью воздуха имеет место высокий фон из-за несвязанной метки, все еще присутствующей в области обнаружения. Это ведет к низкой воспроизводимости и чувствительности при низких концентрациях аналита. После удаления жидкости с помощью воздуха эту несвязанную метку эффективно удаляют, оставляя лишь очень низкий фон, что позволяет выполнять очень чувствительные измерения. На фиг. 18 представлен отклик анализа C-пептида в цельной крови с использованием данной системы до (черные круги) и после (белые треугольники) удаления жидкости с помощью воздуха. Можно видеть, что без удаления жидкости с помощью воздуха имеет место высокий фон из-за несвязанной метки, все еще присутствующей в области обнаружения, и отсутствует видимый наклон из-за взаимного влияния с образцом крови, гасящим флуоресцентное измерение. После удаления жидкости с помощью воздуха, эту несвязанную метку и весь образец крови эффективно удаляют, оставляя связующие реактивы в практически безжидкостной среде без взаимного влияния с клетками крови или несвязанной меткой. Это создает очень низкий фон и позволяет проводить очень чувствительные измерения.
Для данных картриджей также возможно проводить анализы, которые не требуют пузыря для выполнения анализ, например, при определении протромбинового времени (PT) и международного нормализованного соотношения (INR) для образца крови. PT и INR представляют собой анализы для оценки внешнего пути коагуляции (PT/INR). Их используют для того, чтобы определять склонность крови к свертыванию, в качестве меры дозы варфарина, повреждение печени и статус витамина K.
График сравнения способов для измерения PT/INR представлен на фиг. 19, которую создавали с использованием канала, который не имеет какого-либо управления текучей средой, обеспечиваемого с помощью камеры газа. В связи с этим заполнение образцом происходит только капиллярного эффекта. Во избежание сомнений измерения PT/INR также можно выполнять с использованием канала со связанной камерой газа, которая делает возможным гидравлическое управление образцом, допуская нормализацию скоростей заполнения. В сравнении с ранее описанными примерами иммунологических анализов, канал расширен в области обнаружения в полоске для того, чтобы позволять анализировать увеличенный объем образца. Кроме того, конкретные реактивы для INR/PT располагают в этой области. Реактивы содержат все необходимые компоненты для того, чтобы инициировать внешний путь свертывания, и специфичный тромбиновый флуорофорный субстрат, который превращают из нефлуоресцентной формы во флуоресцентную форму посредством тромбина. Заполнением капилляра ресуспендируют реактивы и делают возможным обнаружение активности тромбина. Измеряемую активность тромбина (интенсивность флуоресценции) используют для того, чтобы определять результат PT/INR.