СИСТЕМА И СПОСОБЫ СМЕШИВАНИЯ РЕАКТИВОВ
SYSTEM AND METHODS OF MIXING REACTANTS

Перекрестная ссылка на родственные заявки
Настоящая заявка испрашивает приоритет согласно предварительной патентной заявки США №62/442647, поданной 5 января 2017 г., и согласно патентной заявки Великобритании №1704747.3, поданной 24 марта 2017 г., которая сама испрашивает приоритет согласно предварительной патентной заявки США №62/442647, поданной 5 января 2017 г., причем содержание каждой из этих заявок в полном объеме включено в настоящий документ посредством ссылки.
Уровень техники
В рассматриваемой области техники были разработаны и продолжают появляться многочисленные инструменты для секвенирования изучаемых молекул, в частности, дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК), рибонуклеиновых кислот (РНК) и других биологических образцов. До выполнения операций секвенирования, осуществляют приготовление образцов изучаемых молекул для формирования библиотеки или матрицы, которая затем будет смешана с реактивами и, в конечном итоге, введена в проточную кювету, где будет происходить прикрепление отдельных молекул на участках и их амплификация для повышения обнаружительной способности. Операция секвенирования включает повторение цикла этапов для связывания молекул на указанных участках, мечения связанных компонентов, получения изображения компонентов на указанных участках и обработки результирующих данных изображения.
В таких системах секвенирования, реактивы могут быть вручную смешаны друг с другом для создания смеси реактивов, после чего смесь реактивов вручную смешивают с матрицей образцов и загружают в кластерную станцию для перетекания через проточную кювету. На показатели операции секвенирования могут влиять различные факторы, связанные с реактивами, в частности: количество каждого из реактивов в смеси реактивов; порядок, в котором смешиваются реактивы; то, насколько хорошо реактивы смешиваются друг с другом и с матрицей образцов; температура смеси реактивов; время, которое проходит с момента начала смешивания реактивов и до момента, когда комбинация смеси реактивов и матрицы образцов загружается в кластерную станцию, и т.д. Использование ручного переноса и смешивания реактивов может привести к изменчивости факторов, связанных с реактивами, что может оказать неблагоприятное влияние на показатели операции секвенирования. Например, недостаточное смешивание реактивов и матрицы образцов может вызвать снижение показателей, которое характеризуется низким выходом качественных кластеров молекул в проточной кювете, используемых для секвенирования.
Раскрытие изобретения
В одном из примеров предложен способ (например, для смешивания реактивов), который, включающий, под контролем схемы управления, реализующей протокол смешивания, всасывание реактивов из нескольких различных резервуаров для реактивов в накопительный канал. Заданные количества реактивов автоматически всасывают из соответствующих резервуаров для реактивов через соответствующие трубки на основании протокола смешивания, реализованного схемой управления. Способ также включает сброс реактивов из накопительного канала в резервуар для смешивания и смешивание реактивов в резервуаре для смешивания для формирования смеси реактивов.
В одном из примеров способ дополнительно включает подачу смеси реактивов в проточную кювету, причем смесь реактивов вступает в реакцию с матрицей образцов на проточной кювете для создания клональных популяций молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) на проточной кювете.
В одном из примеров предлагаемого способа матрицу образцов помещают в резервуар для смешивания до сброса реактивов из накопительного канала в резервуар для смешивания.
В другом примере реактивы в резервуаре для смешивания смешивают путем всасывания некоторого объема смеси реактивов в сопловую трубку, проходящую в резервуар для смешивания, и последующего сброса указанного объема смеси реактивов из сопловой трубки обратно в резервуар для смешивания. В данном примере сопловая трубка вмещает в себя буферную текучую среду, причем способ дополнительно предусматривает введение воздуха в сопловую трубку до всасывания указанного объема смеси реактивов в сопловую трубку для образования воздушного зазора между буферной текучей средой и смесью реактивов, всасываемой в сопловую трубку, для предотвращения смешивания буферной текучей среды и смеси реактивов.
В одном из примеров предлагаемого способа реактивы всасываются в накопительный канал поочередно в упорядоченной последовательности. В данном примере накопительный канал содержит изменяющийся шаблон заданных количеств различных реактивов вдоль длины накопительного канала в зависимости от всасывания реактивов в накопительный канал.
В другом примере предлагаемого способа реактивы всасываются в накопительный канал из разных резервуаров для реактивов поочередно в упорядоченной последовательности, повторяющейся по меньшей мере один раз перед тем, как реактивы в накопительном канале будут сброшены в резервуар для смешивания.
В одном из примеров первый объем реактивов всасывается в накопительный канал, а второй, меньший объем реактивов сбрасывается в резервуар для смешивания так, что остаточный объем реактивов, задающий верхнюю по потоку буферную зону, остается в накопительном канале после сброса реактивов в резервуар для смешивания.
В одном из примеров предлагаемого способа реактивы всасываются из соответствующих резервуаров для реактивов с использованием трубок, которые проходят в соответствующие резервуары для реактивов, причем трубки соединены по текучей среде с накопительным каналом через соответствующие отверстия и каналы для текучих сред в коллекторе для текучей среды.
В одном из примеров способ дополнительно включает введение поверхностно-активного вещества к реактивам для уменьшения разницы в смешиваемости между реактивами.
В одном из примеров по меньшей мере некоторые из реактивов имеют разные относительные плотности по сравнению друг с другом.
В другом примере способ дополнительно включает введение уплотняющего агента, имеющего молекулярный вес менее 10000 Дальтон, к реактивам для уменьшения вязкости реактивов.
Следует понимать, что любые признаки способа могут быть объединены любым желаемым образом и/или с получением любой конфигурации.
В другом примере предложена система (например, для смешивания реактивов), содержащая множество трубок, накопительный канал и схему управления. Множество трубок включает в себя сопловую трубку и несколько трубок для реактивов. Трубки для реактивов проходят в различные соответствующие резервуары для реактивов, вмещающие в себя различные реактивы, так что соответствующие дистальные наконечники трубок для реактивов контактируют с реактивами в резервуарах для реактивов. Сопловая трубка проходит в резервуар для смешивания. Накопительный канал проходит между концом со стороны насоса и концом со стороны резервуара. Конец накопительного канала со стороны насоса функционально соединен с насосом. Конец накопительного канала со стороны резервуара соединен по текучей среде с трубками через селекторный клапан для реактивов и соответствующие каналы для текучих сред. Схема управления функционально соединена с насосом и селекторным клапаном для реактивов. Схема управления реализует протокол смешивания путем управления насосом и селекторным клапаном для реактивов для автоматического всасывания реактивов через соответствующие трубки для реактивов в накопительный канал с заданными количествами соответствующих реактивов на основании протокола смешивания. Схема управления далее управляет насосом и селекторным клапаном для реактивов для сброса реактивов из накопительного канала через сопловую трубку в резервуар для смешивания и для смешивания реактивов внутри резервуара для смешивания для формирования смеси реактивов.
В одном из примеров предлагаемой системы схема управления управляет насосом для обеспечения смешивания реактивов внутри резервуара для смешивания посредством всасывания некоторого объема смеси реактивов в сопловую трубку и последующего сброса указанного объема смеси реактивов из сопловой трубки обратно в резервуар для смешивания. В данном примере схема управления управляет насосом и селекторным клапаном для реактивов для обеспечения всасывания и последующего сброса смеси реактивов внутри резервуара для смешивания несколько раз для смешивания реактивов. В данном примере сопловая трубка вмещает в себя буферную текучую среду, причем схема управления управляет насосом для введения воздуха в сопловую трубку до всасывания смеси реактивов в сопловую трубку для образования воздушного зазора между буферной текучей средой и смесью реактивов, всасываемой в сопловую трубку, для предотвращения смешивания буферной текучей среды и смеси реактивов.
В одном из примеров предлагаемой системы внутренний диаметр сопловой трубки меньше соответствующих внутренних диаметров трубок для реактивов.
В одном из примеров предлагаемой системы схема управления дополнительно управляет насосом и селекторным клапаном для реактивов для подачи смеси реактивов в проточную кювету, которая соединена по текучей среде с резервуаром для смешивания, через сопловую трубку и селекторный клапан для реактивов, причем смесь реактивов вступает в реакцию с матрицей образцов на проточной кювете для создания клональных популяций молекул ДНК на проточной кювете.
В одном из примеров предлагаемой системы схема управления управляет насосом и селекторным клапаном для реактивов для всасывания различных реактивов в накопительный канал поочередно в упорядоченной последовательности и для повторения упорядоченной последовательности по меньшей мере один раз перед тем, как реактивы в накопительном канале будут сброшены в резервуар для смешивания.
В другом примере предлагаемой системы схема управления управляет насосом и селекторным клапаном для реактивов для всасывания первого объема реактивов в накопительный канал и для последующего сброса второго, меньшего объема реактивов из накопительного канала в резервуар для смешивания так, что остаточный объем реактивов, задающий верхнюю по потоку буферную зону, остается в накопительном канале после сброса реактивов в резервуар для смешивания.
Следует понимать, что любые признаки системы могут быть объединены друг с другом любым желаемым образом. Кроме того, следует понимать, что любая комбинация признаков системы и/или способа может быть использована совместно, и/или что любые признаки из одного или обоих из этих аспектов могут быть объединены с любым из примеров, раскрытых в настоящем документе.
В другом примере предложена система (например, для смешивания реактивов), содержащая коллектор для текучей среды, селекторный клапан для реактивов и насос. Коллектор для текучей среды содержит множество трубок и накопительный канал. Трубки включают в себя несколько трубок для реактивов и сопловую трубку. Трубки для реактивов проходят в различные соответствующие резервуары для реактивов, вмещающие в себя различные реактивы, так что дистальные наконечники трубок для реактивов контактируют с реактивами. Сопловая трубка проходит в резервуар для смешивания. Накопительный канал проходит между концом со стороны насоса и концом со стороны резервуара. Конец со стороны резервуара соединен по текучей среде с трубками через соответствующие каналы для текучих сред вдоль коллектора для текучей среды. Селекторный клапан для реактивов функционально соединен между накопительным каналом и трубками. Насос функционально соединен с концом накопительного канала со стороны насоса. При этом обеспечена возможность автоматического управления насосом и селекторным клапаном для реактивов в соответствии с протоколом смешивания для всасывания реактивов из резервуаров для реактивов через соответствующие трубки для реактивов в накопительный канал с заданными количествами соответствующих реактивов на основании протокола смешивания. При этом также обеспечена возможность автоматического управления насосом и селекторным клапаном для реактивов для последующего сброса реактивов из накопительного канала через сопловую трубку в резервуар для смешивания и для смешивания реактивов внутри резервуара для смешивания для формирования смеси реактивов посредством всасывания некоторого объема смеси реактивов из резервуара для смешивания в сопловую трубку и последующего сброса указанного объема смеси реактивов из сопловой трубки обратно в резервуар для смешивания.
В одном из примеров данной системы обеспечена возможность автоматического управления насосом и селекторным клапаном для реактивов для всасывания реактивов из резервуаров для реактивов в накопительный канал поочередно в упорядоченной последовательности и для повторения упорядоченной последовательности по меньшей мере один раз перед сбросом реактивов из накопительного канала в резервуар для смешивания.
В одном из примеров данной системы коллектор для текучей среды, селекторный клапан для реактивов и насос обычно располагаются внутри корпуса инструмента.
Следует понимать, что любые признаки данной примерной системы могут быть объединены друг с другом любым желаемым образом. Кроме того, следует понимать, что любая комбинация признаков данной примерной системы и/или другой примерной системы и/или способа может быть использована совместно, и/или что любые признаки из одного или любого из этих аспектов могут быть объединены с любым из примеров, раскрытых в настоящем документе.
В другом примере предложен инструмент (например, для смешивания реактивов), содержащий корпус, коллектор для текучей среды, насос, селекторный клапан для реактивов и проточную кювету. Коллектор для текучей среды расположен внутри корпуса и содержит несколько каналов, соединенных по текучей среде с трубками, которые проходят в различные соответствующие резервуары. Насос расположен внутри корпуса и функционально соединен по меньшей мере с одним из каналов коллектора для текучей среды. Селекторный клапан для реактивов расположен внутри корпуса и функционально соединен по меньшей мере с двумя из каналов коллектора для текучей среды. Проточная кювета расположена внутри корпуса и соединена по текучей среде по меньшей мере с одним из каналов коллектора для текучей среды. При этом обеспечена возможность автоматического управления насосом и селекторным клапаном для реактивов в соответствии с протоколом смешивания для переноса реактивов, находящихся внутри по меньшей мере некоторых их резервуаров, из соответствующих резервуаров через трубки в каналы коллектора для текучей среды с заданными количествами соответствующих реактивов на основании протокола смешивания. При этом также обеспечена возможность автоматического управления насосом и селекторным клапаном для реактивов для смешивания реактивов, перенесенных в коллектор для текучей среды, для формирования смеси реактивов и последующей подачи смеси реактивов из коллектора для текучей среды в проточную кювету.
Следует понимать, что любые признаки инструмента могут быть объединены друг с другом любым желаемым образом. Кроме того, следует понимать, что любая комбинация признаков инструмента и/или примерных систем и/или способа может быть использована совместно, и/или что любые признаки из одного или любого из этих аспектов могут быть объединены с любым из примеров, раскрытых в настоящем документе.
Краткое описание чертежей
Признаки примеров настоящего изобретения станут понятными из нижеследующего подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых подобные номера позиций относятся к схожим, хотя, возможно, не идентичным, компонентам. Для ясности, номера позиций или признаки, имеющие ранее раскрытое функциональное назначение, могут быть не описаны в отношении других чертежей, на которых они присутствуют.
На фиг. 1 представлена общая схема примерной системы секвенирования, в которой могут быть применены раскрытые в настоящем изобретении технологии.
На фиг. 2 представлена общая схема примерной системы с текучей средой, предусмотренной в системе секвенирования с фиг. 1.
На фиг. 3 представлена общая схема примерной системы обработки и управления, предусмотренной в системе секвенирования с фиг. 1.
На фиг. 4 показан клапанный узел системы с текучей средой, представленной на фиг. 2, согласно одному из примеров.
На фиг. 5 на виде сверху показан клапанный узел с фиг. 4.
На фиг. 6 показана система смешивания реактивов согласно одному из примеров.
На фиг. 7 схематично показана система смешивания реактивов согласно одному из примеров.
На фиг. 8 схематично показана система смешивания реактивов, представленная на фиг. 7, после сброса некоторой части смеси реактивов в резервуар для матрицы образцов.
На фиг. 9 схематично показана система смешивания реактивов во время этапа смешивания согласно одному из примеров.
На фиг. 10 в увеличенном масштабе показана часть сопловой трубки внутри резервуара для смешивания согласно одному из примеров.
На фиг. 11 представлен график примерных циклов при всасывании и смешивании реактивов и матрицы образцов согласно одному из примеров.
На фиг. 12 показана блок-схема, иллюстрирующая способ и примерную логическую часть для всасывания и смешивания реактивов и матрицы образцов согласно одному из примеров.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показан пример системы 10 секвенирования, предназначенной для обработки молекулярных образцов, которые могут быть подвержены секвенированию для определения их компонентов, порядка следования компонентов и, в целом, структуры образца. Система 10 содержит инструмент 12, который принимает и обрабатывает образец 16, содержащий изучаемые молекулы в последовательности, которую следует определить. Образец 16 может содержать органические молекулы, взятые у некоторого организма, или синтезированные молекулы, созданные в лаборатории. Изучаемые молекулы могут включать в себя молекулы ДНК, РНК или другие молекулы, имеющие пары оснований, последовательность которых может задавать гены и их варианты, имеющие конкретные функции, составляющие наибольший интерес. Образец 16 предоставляется или поступает от источника 14 образцов. Источник 14 образцов может представлять собой, например, физическое лицо или субъект, такой как человек, животное, микроорганизм, растение, или другой донор (в том числе, образцы окружающей среды).
Образец 16 вводят в систему 18 приготовления образцов/библиотеки. Данная система 18 подготавливает образец 16 для анализа. Подготовка может включать в себя изоляцию, расщепление и иной вид подготовки образца 16 для анализа. Результирующая библиотека содержит представляющие интерес молекулы с длинами, которые способствуют операции секвенирования. Результирующую библиотеку подают в инструмент 12, где осуществляется операция секвенирования. Библиотеку, которая в данном описании именуется также матрицей образцов, связывают с реактивами в ходе автоматического или полуавтоматического процесса, после чего ее вводят в проточную кювету 20 до секвенирования. В некоторых таких примерах, библиотеку можно предварительно смешать с реактивами до ее направления в проточную кювету, например, библиотека может быть направлена через систему селекторного клапана, такую, которая будет раскрыта далее, и смешана с реактивами в целевом приемнике перед ее переносом в проточную кювету.
В примере, проиллюстрированном на фиг. 1, инструмент 12 содержит проточную кювету 20, куда помещается матрица образцов. Проточная кювета 20 имеет один или несколько каналов или дорожек для текучей среды, обеспечивающих возможность осуществления химического секвенирования, в том числе крепление молекул библиотеки и амплификацию на местах или участках, которые могут быть обнаружены во время операции секвенирования. Например, проточная кювета 20 может содержать матрицы секвенирования, иммобилизованные на одной или нескольких поверхностях в указанных местах или на указанных участках амплификации. Проточная кювета 20 может содержать структурированный массив, например, микрорешетку, нанорешетку и т.д., участков амплификации. На практике, участки амплификации могут быть расположены в виде регулярного, повторяющегося рисунка, сложного неповторяющегося рисунка или случайной структуры на одной или нескольких поверхностях основы. Для обеспечения возможности осуществления химического секвенирования, в проточную кювету 20 также могут быть введены различные вещества, в том числе, различные реактивы, буферы и другие реакционные среды, используемые для реакций, промывки и т.д. Вещества протекают через проточную кювету 20 и могут контактировать с представляющими интерес молекулами на отдельных участках амплификации.
В инструменте 12 проточная кювета 20 может быть установлена на подвижном столе 22, который, в данном примере, выполнен с возможностью движения в одном или нескольких направлениях, обозначенных номером позиции 24. Проточная кювета 20 может, например, быть предусмотрена в виде съемного и сменного картриджа, который может взаимодействовать с отверстиями на подвижном столе 22 или с другими компонентами системы 10 для обеспечения возможности подачи реактивов и других текучих сред в или из проточной кюветы 20. Указанный стол 22 сопряжен с оптической системой 26 обнаружения, которая может направлять излучение или свет 28 в проточную кювету 20 во время секвенирования. Оптическая система 26 обнаружения может применять различные способы, такие как способы флуоресцентной микроскопии, для обнаружения анализируемого вещества, находящегося на участках проточной кюветы 20. В качестве примера, оптическая система 26 обнаружения может применять конфокальное строчное сканирование для создания данных прогрессивного пиксельного изображения, которые можно проанализировать для определения местоположения отдельных участков в проточной кювете 20 и определения типа нуклеотида, который недавно прикрепился или связался с каждым участком. Также возможно применение других подходящих технологий получения изображений, например, технологий, в которых выполняют сканирование одной или нескольких точек излучения вдоль образца, или технологий, применяющих метод пошагового получения изображения «step-and-shoot». Оптическая система 26 обнаружения и стол 22 могут взаимодействовать друг с другом для удержания проточной кюветы 20 и системы 26 обнаружения в статическом отношении с получением при этом изображения области, или, как отмечено, проточная кювета 20 может быть отсканирована в любом подходящем режиме (например, в ходе точечного сканирования, строчного сканирования, пошагового сканирования «step-and-shoot»).
Хотя для получения изображений, или в более общем смысле, для обнаружения молекул на участках, могут быть использованы различные технологии, в предлагаемых в настоящем изобретении примерах возможно применение технологии конфокального формирования оптических изображений при длинах волн, которые обеспечивают возбуждение флуоресцентных меток. Метки, возбуждаемые в соответствии с их спектром поглощения, возвращают флуоресцентные сигналы согласно их спектру излучения. Оптическая система 26 обнаружения выполнена с возможностью перехвата таких сигналов, обработки данных пиксельного изображения при разрешении, которое позволяет анализировать излучающие сигналы участки, и обрабатывать и сохранять результирующие данные изображения (или данные, полученные на его основе).
В ходе операции секвенирования, циклические операции или процессы реализуются автоматически или полуавтоматически, когда реакции ускоряются, например, с единичными нуклеотидами или с олигонуклеотидами, после чего происходит промывка, получение изображений и разблокировка при подготовке к следующему циклу. Матрица образцов, приготовленная для секвенирования и иммобилизованная на проточной кювете 20, может претерпеть целый ряд таких циклов перед тем, как вся полезная информация будет извлечена из матрицы образцов. Оптическая система 26 обнаружения может создавать данные изображения на основании сканов проточной кюветы 20 (и ее участков) во время каждого цикла операции секвенирования с использованием электронных схем обнаружения (например, съемочных камер или электронных схем или чипов для формирования изображений). Далее, результирующие данные изображения могут быть проанализированы для определения местоположений отдельных участков в данных изображения, и для анализа и получения характеристик молекул, присутствующих на указанных участках, например, в отношении конкретного цвета или длины волны света (характеристического спектра излучения конкретной флуоресцентной метки), обнаруженных для конкретного местоположения, на что указывает группа или кластер пикселей в данных изображения в указанном месте. В случае секвенирования ДНК или РНК, например, четыре обычных нуклеотида могут быть представлены в виде различаемого спектра флуоресцентного излучения (длин волн или диапазонов длин волн света). Затем, каждому спектру излучения может быть присвоено значение, соответствующее тому нуклеотиду. На основании этого анализа и за счет отслеживания циклических значений, определенных для каждого участка, можно определить для каждого участка отдельные нуклеотиды и их порядок. Далее эти последовательности могут быть дополнительно обработаны для сбора более длинных сегментов, в том числе, генов, хромосом и т.д. Используемые в данном описании понятия «автоматический» и «полуавтоматический» означают, что операции осуществляются посредством программирования системы или за счет конфигурации системы с незначительным взаимодействием или при отсутствии взаимодействия с человеком после запуска операций, или после запуска процессов, включающих в себя такие операции.
В проиллюстрированном примере, реактивы 30 втягиваются или всасываются в проточную кювету 20 через клапанную систему 32. Клапанная система 32 может получить доступ к реактивам 30 из резервуаров или сосудов, в которых они хранятся, например, через пипетки или трубки (англ. sippers) (не показаны на фиг. 1). Клапанная система 32 может обеспечить возможность выбора реактивов 30 на основании заданной последовательности осуществляемых операций в протоколе, который сохранен в памяти. Клапанная система 32 может дополнительно принимать команды для направления реактивов 30 через проточные каналы 34 в проточную кювету 20. Выходные или отходящие проточные каналы 36 направляют использованные реактивы 30 из проточной кюветы 20. В проиллюстрированном примере, насос 38 предназначен для обеспечения движения реактивов 30 через систему 10. Насос 38 может также выполнять другие полезные функции, например, измерение потока реактивов 30 или других текучих сред через систему 10, всасывание воздуха или других текучих сред, и т.д. Дополнительная клапанная система 40 ниже по потоку от насоса 38 обеспечивает возможность надлежащего направления использованных реактивов 30 в сосуды или резервуары 42 для сбора отходов.
Инструмент 12 дополнительно содержит разные электронные схемы, которые способствуют управлению работой различных компонентов системы, мониторингу их функционирования за счет обратной связи от датчиков, сбору данных изображения, и по меньшей мере обработке данных изображения. В примере, проиллюстрированном на фиг. 1, система 44 управления/контроля содержит схему 46 управления, систему 48 получения и анализа данных, схему 50 памяти и интерфейс 52. И схема 46 управления, и система 48 получения и анализа данных содержит один или более процессоров (например, процессоров 100, показанных на фиг. 3, примерами которых являются схемы цифровой обработки данных, такие как микропроцессоры, многоядерные процессоры, программируемые пользователем вентильные матрицы, или любые другие подходящие схемы обработки), которые функционально соединены со схемой 50 памяти, (например, полупроводниковыми запоминающими устройствами, динамическими запоминающими устройствами, внутриплатными и/или внеплатными запоминающими устройствами, и т.д.), которые могут хранить исполняемые машиной инструкции для управления, например, одним или несколькими компьютерами, процессорами или другими похожими логическими устройствами для обеспечения конкретных функциональных возможностей. Специализированные или универсальные компьютеры могут по меньшей мере частично составлять схему 46 управления и систему 48 получения и анализа данных. Схема 46 управления может содержать, например, схему, предназначенную для (например, запрограммированную на) обработки команд для струйной автоматики, оптических приборов, управления столом и выполнения любых других полезных функций инструмента 12. Система 48 получения и анализа данных взаимодействует с оптической системой 26 обнаружения для управления движением оптической системы 26 обнаружения или указанного стола 24, излучением света для циклического обнаружения, приемом и обработкой отраженных сигналов, и т.д. Инструмент 12 также может содержать различные интерфейсы 52 (например, интерфейсные устройства), такие как интерфейс оператора, который позволяет управлять и контролировать инструмент 12, переносить образцы, запускать автоматические или полуавтоматические операции секвенирования, составлять отчеты, и т.д. И наконец, в примере, показанном на фиг. 1, к инструменту 12 могут быть подключены и с ним могут взаимодействовать внешние сети или системы 54, например, для анализа, управления, мониторинга, обслуживания и/или других операций.
В одном или нескольких из раскрытых в настоящем документе примеров, инструмент 12 обеспечивает автономный, автоматический перенос и смешивание реактивов 30 перед вливанием объединенной смеси реактивов и матрицы образцов в проточную кювету 20 для создания кластера. Инструмент 12 управляет различными факторами, связанными с реактивами, в том числе количеством реактивов 30, которые смешиваются друг с другом, порядком, в котором реактивы 30 выводятся из соответствующих резервуаров для реактивов, температурой и временем (например, продолжительностью времени, в течение которого реактивы 30 находятся в состоянии предварительного смешивания, до смешивания с матрицей образцов), с более высокой точностью и повторяемостью, по сравнению с тем, что можно обеспечить в ходе ручного переноса и смешивания реактивов 30. Кроме того, инструмент 12 смешивает реактивы 30 и матрицу образцов так, что результирующая смесь, именуемая в данном описании также кластерной смесью, является по существу однородной для обеспечения порогового уровня качества и количества молекулярных кластеров на проточной кювете 20 для получения желаемых показателей операции секвенирования.
Следует отметить, что хотя на фиг. 1 показана единственная проточная кювета 20 и каналы для текучих сред, а также единственная оптическая система 26 обнаружения, в некоторых инструментах 12 может быть предусмотрено несколько проточных кювет 20 и каналов для текучих сред. Например, может быть предусмотрено две или боле таких компоновок, для улучшения процесса секвенирования и повышения производительности. На практике, может быть предусмотрено любое количество проточных кювет 20 и проточных каналов. Они могут использовать одни и те же или разные приемники для реактивов, приемники для сбора отходов, управляющие системы, системы анализа изображений, и т.д. Множеством проточных кювет 20 и путями движения текучих сред можно управлять индивидуально или можно управлять согласованно. Следует понимать, что выражение «соединенный по текучей среде» может быть использовано в данном документе для описания соединений между двумя или несколькими компонентами, которые обеспечивают жидкостное сообщение между такими компонентами, в принципе так же, как и выражение «электрически соединенный» может быть использовано для описания электрического соединения между двумя или несколькими компонентами. Выражение «расположенный по текучей среде между» может быть использовано, например, для описания конкретного порядка следования компонентов. Например, если компонент В расположен по текучей среде между компонентами А и С, то текучая среда, протекающая от компонента А к компоненту С, будет протекать через компонент В перед достижением компонента С.
На фиг. 2 показан пример системы 55 с текучей средой, предусмотренной в системе 10 секвенирования с фиг. 1. Система 55 с текучей средой может быть встроена в инструмент 12, показанный на фиг. 1. В проиллюстрированном примере проточная кювета 20 содержит группу путей или дорожек 56А и 56В, которые могут быть сгруппированы парами для приема текучих веществ (например, реактивов, буферов, реакционных сред) во время операций секвенирования. Дорожки 56А соединены с первой общей линией 58, а дорожки 56В соединены со второй общей линий 60. Также предусмотрена обводная линия 62, обеспечивающая возможность перепуска текучих сред в обход проточной кюветы 20 без вхождения в нее. В проиллюстрированном примере, обводная линия 62 содержит накопительный канал 118 вдоль длины обводной линии 62, который может быть использован для временного хранения реактивов и начального смешивания реактивов, что будет более подробно раскрыто в настоящем документе. Как упомянуто выше, группа сосудов или резервуаров 64 обеспечивают возможность хранения реактивов (например, реактивов 30 на фиг. 1) и других текучих сред, которые могут быть использованы во время операции секвенирования.
Селекторный/избирательный клапан 66 для реактивов соединен с двигателем или исполнительным механизмом (не показан) для обеспечения возможности выбора одного или нескольких реактивов в соответствующих резервуарах 64 для их введения в проточную кювету 20. Далее, выбранные реактивы направляются в селекторный/избирательный клапан 68 общей линии, который по аналогии содержит двигатель (не показан). В селекторный клапан 68 общей линии может быть подана команда на выбор одной или обеих общих линий 58 и 60 для обеспечения течения реактивов в дорожки 56А и/или 56В управляемым образом. В селекторный клапан 68 общей линии может быть подана команда на обеспечение течения реактивов через обводную линию 62 в накопительный канал 118. Следует отметить, что обводная линия 62 также может быть использована для выполнения других полезных операций, например, для обеспечения возможности заправки всех реактивов (и жидкостей) в селекторный клапан 66 для реактивов (или селекторный клапан 68 общей линии) без пропускания воздуха через проточную кювету 20, обеспечения возможности осуществления промывки (например, автоматической или полуавтоматической промывки) различных проточных каналов 34 независимо от проточной кюветы 20, и обеспечения возможности выполнения диагностических функций (например, испытаний на подвод давления и объем подачи) в системе 55.
По меньшей мере некоторые из компонентов системы 55 с текучей средой могут находиться или могут быть расположены на структурном коллекторе 104. Например, коллектор 104 может содержать или вмещать в себя селекторный клапан 66 для реактивов, селекторный клапан 68 общей линии, общие линии 58, 60, обводную линию 62, в том числе накопительный канал 118, и т.д. Коллектор 104 согласно одному из примеров показан на фиг. 4 и 5.
Использованные реактивы выходят из проточной кюветы 20 через проточные линии 36, соединенные между проточной кюветой 20 и насосом 38. В проиллюстрированном примере, насос 38 представляет собой шприцевой насос, имеющий пару шприцев 70, управляемых и совершающих движение посредством исполнительного механизма 72 для всасывания реактивов и других текучих сред и для выброса реактивов и текучих сред во время различных испытаний, циклов верификации и секвенирования. Насос 38 может содержать различные другие части и компоненты, в том числе клапанную систему, контрольно-измерительные приборы, исполнительные механизмы и т.д. (не показаны). В проиллюстрированном примере, датчики 74А и 74В давления измеряют давление на входных линиях насоса 38, а датчик 74С давления предназначен для измерения давлений на выходе насоса 38.
Использованные в системе 55 текучие среды попадают из насоса в селекторный/избирательный клапан 76 для использованных реактивов. Этот клапан 76 обеспечивает возможность выбора одного из множества проточных каналов для использованных реактивов и других текучих сред. В проиллюстрированном примере, первый проточный канал ведет к первому приемнику 78 для использованных реактивов, а второй проточный канал ведет через расходомер 80 во второй приемник 82 для использованных реактивов. В зависимости от использованных реактивов, целесообразно предусмотреть сбор реактивов, или конкретных из реактивов, в отдельные сосуды для сбора отходов, при этом селекторный клапан 76 для использованных реактивов обеспечивает возможность такого управления.
Следует отметить, что клапанная система внутри насоса 38 может обеспечить возможность всасывания, посредством насоса 38, различных текучих сред, в том числе, реактивов, растворителей, очистителей, воздуха и т.д., и их впрыскивания или циркуляции через одну или несколько общих линий 58, 60, обводную линию 62 и проточную кювету 20.
Система 55 с текучей средой работает под контролем схемы 46 управления, которая реализует предписанные протоколы для смешивания, испытания, верификации, секвенирования и т.д. Предписанные протоколы создаются заранее и содержат ряд событий или операций для осуществления таких различных действий, как всасывание реактивов, перенос реактивов в резервуар для смешивания, смешивание реактивов, течение смеси реактивов в проточную кювету 20, секвенирование молекул на проточной кювете 20, получение данных, относящихся к секвенированию, анализ данных и т.д. Протоколы хранятся в схеме 50 памяти (показанной на фиг. 1) и обеспечивают возможность согласования операций с текучими средами, например, перенос и смешивание реактивов, с другими операциями инструмента 12, такими как развитие реакций в проточной кювете 20, получение изображений проточной кюветы 20 и ее участков, и т.д. В проиллюстрированном примере, схема 46 управления содержит один или несколько интерфейсов 84 клапанов, которые выполнены с возможностью выдачи командных сигналов для клапанов 66, 68, а также интерфейс 86 насоса, предназначенный для управления работой насоса 38 (например, посредством исполнительного механизма 72). Командные сигналы, созданные посредством интерфейса(ов) 84 клапанов и интерфейса(ов) 86 насоса, создаются в соответствии с конкретными протоколами из схемы 50 памяти, которые реализуются посредством схемы 46 управления. Также могут быть предусмотрены различные схемы 88 ввода/вывода для приема сигналов обратной связи и обработки таких сигналов обратной связи, например, от датчиков 74А-74С давления и расходомера 80.
На фиг. 3 показаны конкретные функциональные компоненты системы 44 управления/контроля. Как показано на чертеже, схема 50 памяти хранит протоколы, которые представляют собой предписанные маршруты, исполняемые во время операций смешивания, испытания, подготовки к эксплуатации, диагностики неисправностей, обслуживания и секвенирования. Многие такие протоколы могут быть реализованы и сохранены в схеме 50 памяти, причем эти протоколы могут обновляться или меняться время от времени. Как показано на фиг. 3, протоколы могут включать в себя протоколы 90 управления струйной автоматикой для автоматического управления различными клапанами (например, клапанами 66 и 68), насосами (например, насосом 38) или любыми другими исполнительными механизмами струйной автоматики в инструменте 12. Протоколы 90 управления струйной автоматикой могут представлять собой различные маршруты для автоматического управления всасыванием реактивов в накопительный канал, сбросом реактивов в резервуар для смешивания, смешиванием реактивов с матрицей образцов в резервуаре для смешивания и течением объединенной смеси реактивов и матрицы образцов в проточную кювету 20. Протоколы 90 управления струйной автоматикой направляют работу клапанов 66 и 68 и насоса 38 для управления переносом и смешиванием реактивов. Протокол 90 управления струйной автоматикой может включать в себя несколько протоколов 90А-С (именуемых протоколами смешивания) для управления выбором, всасыванием, переносом и смешиванием реактивов в соответствии с различными предварительно установленными маршрутами. Например, протоколы 90А-С могут содержать маршруты для всасывания реактивов из нескольких различных резервуаров для реактивов в накопительный канал с заданными количествами и/или в заданной последовательности; с дальнейшим сбросом реактивов из накопительного канала в резервуар для смешивания; и смешиванием реактивов с матрицей образцов внутри резервуара для смешивания для формирования кластерной смеси.
Многочисленные протоколы 90А-С могут задавать конкретные реактивы для всасывания, конкретные количества реактивов, всасываемых во время каждого цикла всасывания, конкретную упорядоченную последовательность, в которой реактивы всасываются из различных соответствующих резервуаров для реактивов, конкретное количество циклов всасывания, подлежащих осуществлению до сброса всасываемых реактивов в резервуар для смешивания, конкретный резервуар, в который необходимо сбросить реактивы для смешивания (например, резервуар для матрицы образцов или другой резервуар), конкретное количество времени, истекшее с момента всасывания до момента сброса реактивов, конкретное количество циклов всасывания/смешивания для смешивания реактивов с матрицей образцов, конкретное давление на выходе насоса 38 во время операций переноса и смешивания реактивов, и т.д. Первый протокол 90А смешивания может отличаться от второго и третьего протоколов 90В, 90С смешивания в одном или нескольких из перечисленных выше аспектов, например, типами всасываемых реактивов, временем и/или давлением на выходе насоса. Исполняемый протокол 90 управления струйной автоматикой может быть выбран вместо других протоколов, хранящихся в схеме 50 памяти, на основании типа матрицы образцов, подлежащей использованию, типа используемой проточной кюветы 20, конкретной смеси реактивов и матрицы образцов (именуемой в данном описании кластерной смесью), которую требуется получить, и т.д. Хотя на фиг. 3 проиллюстрировано три протокола 90А-С управления струйной автоматикой, схема 50 памяти может хранить больше или меньше трех протоколов смешивания. Протоколы 90 управления струйной автоматикой могут также включать в себя маршруты или операции для приема и обработки сигналов обратной связи от датчиков струйной автоматики, таких как датчики клапанов, датчики потока и/или датчики давления (например, 74А-С).
Протокол 92 управления столом обеспечивает возможность движения проточной кюветы 20 по желанию, например, во время получения изображения. Протокол 94 управления оптической системой обеспечивает возможность выдачи команд в формирующие изображение компоненты для освещения частей проточной кюветы 20 и приема отраженных сигналов для обработки. Протокол 96 получения и обработки изображений обеспечивает возможность по меньшей мере частичной обработки данных изображения для извлечения полезной информации для секвенирования. Другие протоколы 98 могут быть предусмотрены в одной и той же или в разных схемах 50 памяти. Схема 50 памяти может быть выполнена в виде, может содержать или может находиться внутри одного или нескольких цифровых запоминающих устройств, таких как жесткий диск, устройство флэш-памяти или другие энергонезависимые, машиночитаемые носители информации. Это цифровое запоминающее устройство может содержать схему энергозависимой памяти и схему энергонезависимой памяти. Хотя схема 50 памяти показана в виде схемы, встроенной в инструмент 12 с фиг. 1, в альтернативных вариантах по меньшей мере часть схемы 50 может быть внешней и сообщаться с возможностью связи с встроенной схемой 46 управления для предоставления протоколов в схему 46 управления.
Один или несколько процессоров 100 схемы 46 управления получают доступ к сохраненным протоколам в схеме 50 памяти и исполняют протоколы в инструменте 12. Как отмечено выше, схема 46 управления может являться частью специализированных компьютеров, универсальных компьютеров или любой подходящей аппаратной, программно-аппаратной и программной платформы. Процессорами 100 и работой инструмента 12 может управлять человек-оператор посредством интерфейса 101 оператора. Интерфейс 101 оператора может обеспечить возможность осуществления испытаний, подготовки к эксплуатации, диагностики неисправностей и обслуживания, а также составления отчетов о любых проблемах, которые могут возникнуть в инструменте 12. Интерфейс 101 оператора может также обеспечить возможность запуска и мониторинга операций секвенирования, осуществляемых автоматически посредством схемы 46 управления, которая управляет компонентами инструмента 12 в соответствии с одним или несколькими выбранными протоколами, хранящимися в схеме 50 памяти.
На фиг. 4 показан клапанный узел 102 системы 55 с текучей средой, представленной на фиг. 2, согласно одному из примеров. Клапанный узел 102 выводит реактивы и другие текучие среды (например, буферные текучие среды, матрицу образцов, и т.д.) из резервуаров и подает реактивы и другие текучие среды в проточную кювету 20 (показанную на фиг. 2). Клапанный узел 102 содержит коллектор 104, который задает каналы 114 для текучих сред, обеспечивающие пути движения для реактивов и других текучих сред. Селекторный клапан 66 для реактивов и селекторный клапан 68 общей линии соединены с (встроены в) коллектором 104 и сообщаются по текучей среде с каналами 114 для текучих сред. Как можно видеть на фиг. 4, селекторный клапан 66 для реактивов и селекторный клапан 68 общей линии приводятся в действие и управляются посредством соответствующих двигателей 108 и 106, соответственно. Один или несколько интерфейсов двигателя или соединений 110 подают питание и, при необходимости, выдают сигналы в или из двигателей 106, 108. Как отмечено выше, двигателями 106, 108 (и, соответственно, клапанами 68, 66) управляют посредством схемы 46 управления во время испытания, подготовки к эксплуатации, обслуживания и операции секвенирования (например, для переноса реактивов и смешивания реактивов).
Каналы 114 для текучих сред внутри коллектора 104 соединены по текучей среде с трубками 112. Каналы 114 для текучих сред проходят между трубками 112 и клапанами 66, 68. Трубки 112 вытянуты от коллектора 104 к соответствующим дистальным наконечникам 105. Трубки 112 выполнены так, что они проходят в различные соответствующие резервуары (например, резервуары 64, показанные на фиг. 2), как более подробно будет раскрыто ниже, причем дистальные наконечники 105 контактируют с реактивами и другими текучими средами в резервуарах. Во время функционирования, трубки 112 выводят реактивы и другие текучие среды из соответствующих резервуаров в каналы 114 для текучих сред коллектора 104. Каналы 114 для текучих сред могут быть получены в ходе литья под давлением, травления или любого другого подходящего процесса для обеспечения возможности движения реактивов и других текучих сред из трубок 112 в клапаны 66, 68, когда в насос 38 (показанный на фиг. 2) поступает команда (посредством схемы 46 управления) на всасывание реактивов и других текучих сред. По меньшей мере один из трубок 112 выполнен в виде сопловой трубки 116, что способствует смешиванию реактивов и матрицы образцов (которые вместе задают кластерную смесь) до втекания кластерной смеси в проточную кювету 20. Сопловая трубка 116 выровнена и проходит в резервуар для смешивания. По меньшей мере некоторые из остальных трубок 112 выполнены в виде трубок 115 для реактивов, которые выровнены и проходят в соответствующие резервуары для реактивов (например, резервуары 124, 126 и 128 для реактивов, показанные на фиг. 6), в которые предварительно загружены различные реактивы.
Резервуар для смешивания может представлять собой резервуар 136 для матрицы образцов (как показано на фиг. 6), в который предварительно загружают матрицу образцов, или может представлять собой другой резервуар, выполненный отдельно от резервуара 136 для матрицы образцов и резервуаров для реактивов (и в который предварительно не загружают матрицу образцов или реактивы). В некоторых примерах, резервуар или объем для смешивания может представлять собой часть или всю обводную линию 62. Например, реактивы могут всасываться в обводную линию 62 в требуемой последовательности, но так, чтобы реактивы не пересекали всю длину обводной линии (что может привести к тому, что они будут направлены в сосуд для сбора отходов). После загрузки в обводную линию 62 (или ее часть, служащую в качестве резервуара или объема для смешивания) требуемой последовательности реактивов, конец обводной линии 62, через который были введены реактивы, может быть переключен, с использованием некоторого клапана, для соединения его по текучей среде с проточным каналом, ведущим, например, в целевой приемник, так что весь набор реактивов, загруженных в обводную линию 62, может быть далее вытеснен из обводной линии в целевой приемник. В других вариантах реализации, резервуар или объем для смешивания может, например, представлять собой целевой приемник, например, целевой приемник, в который подаются предварительно смешанные текучие среды, или отдельный целевой приемник, например, приемник, который является полностью пустым до подачи в него выбранных реактивов.
Коллектор 104 также имеет накопительный канал 118, который соединен по текучей среде с каналами 114 для текучих сред через клапаны 66, 68. Накопительный канал 118 расположен вдоль обводной линии 62, показанной на фиг. 2, и может быть использован для временного хранения и/или по меньшей мере частичного смешивания реактивов, выводимых и перемещаемых в накопительный канал 118 посредством клапанов 66, 68 и насоса 38 (показанного на фиг. 2).
На фиг. 5 на виде сверху показан клапанный узел 102 с фиг. 4. Во время функционирования, селекторный клапан 66 для реактивов принимает реактивы, всасываемые (или выводимые) из соответствующих резервуаров через трубки 112 (показаны на фиг. 4), и направляет всасываемые текучие среды в селекторный клапан 68 общей линии. Накопительный канал 118 соединен по текучей среде с селекторным клапаном 68 общей линии для обеспечения возможности хранения и/или смешивания в нем реактивов. Накопительный канал 118 может быть расположен между селекторным клапаном 38 общей линии и насосом 38 (показан на фиг. 2). Коллектор 104 также имеет отверстия 120, которые соединяют коллектор 104 (например, его каналы 114 для текучих сред) с трубками 112. Одно из отверстий 120 (обозначенное номером позиции 122) соединено с сопловой трубкой 116 для обеспечения возможности впрыскивания реактивов в целевой приемник (например, резервуар для смешивания, накопительный канал 118, и т.д.), и для выведения реактивов из целевого приемника для смешивания. Целевой приемник, например, может представлять собой контейнер, трубку, или другой сосуд, предназначенный для вмещения реактивов. Целевой приемник может, например, быть использован в качестве временного рабочего объема, в который реактивы и/или другие материалы могут быть перенесены для подготовки их к подаче, например, путем смешивания, в проточную кювету. Таким образом, реактивы и другие текучие среды, после их подготовки в целевом приемнике, могут быть перенесены из целевого приемника в проточные кюветы 20.
На фиг. 6 схематично показана часть системы 55 с текучей средой согласно одному из примеров. На фиг. 6 показаны трубки 112, каналы 114 для текучих сред, накопительный канал 118, селекторный клапан 66 для реактивов, селекторный клапан 68 общей линии, насос 38 и схема 46 управления. Система 55 с текучей средой также содержит несколько резервуаров или сосудов, которые могут быть добавлены в инструмент 12 (показан на фиг. 1), например, на картридж (не показан), вставленный в инструмент 12 посредством оператора.
Накопительный канал 118 проходит между концом 250 со стороны насоса и концом 252 со стороны резервуара. Конец 250 со стороны насоса функционально соединен с насосом 38. Например, конец 250 со стороны насоса соединен по текучей среде с насосом 38 так, что насос 38 способен пневматически прикладывать положительное и отрицательное давление через накопительный канал 118 для движения реактивов и других текучих сред через накопительный канал 118. Конец 252 со стороны резервуара соединен по текучей среде с трубками 112 через клапаны 66, 68 и каналы 114 для текучих сред. В проиллюстрированной компоновке, конец 252 со стороны резервуара соединен непосредственно с селекторным клапаном 68 общей линии, который соединен с выходом селекторного клапана 66 для реактивов, так что селекторный клапан 68 общей линии расположен между накопительным каналом 118 и селекторным клапаном 66 для реактивов.
Накопительный канал 118 выполнен так, что он имеет больший диаметр по сравнению с каналами 114 для текучих сред для обеспечения возможности хранения больших объемов текучих сред. В одном из примеров, накопительный канал 118 имеет объем или емкость примерно в 2 мл, но может иметь другие объемы в других примерах. Благодаря большому диаметру накопительного канала реактивы, находящиеся в указанном канале, могут начать смешиваться друг с другом до их сброса в резервуар для смешивания. Однако, диаметр является достаточно маленьким, чтобы обеспечить возможность создания буфера для текучей среды, который позволит предотвратить смешивание буферной текучей среды в системе 55 с реактивами и их разбавление в накопительном канале 118, как раскрыто более подробно в настоящем описании. В проиллюстрированном примере, накопительный канал 118 имеет змеевидную форму с несколькими петлями с поворотом на 180 градусов или переключателями 144 в обратное направление. Змеевидная форма может обеспечить возможность хранения относительно большого объема реактивов на относительно компактной площади, в то время как диаметр остается достаточно маленьким для ограничения процесса разбавления с буферной текучей средой и сохранения возможности измерения точных количеств реактивов в канале 118. В других примерах накопительный канал 118 может иметь другие формы.
В проиллюстрированном примере, резервуары включают в себя три резервуара (или сосуда) 124, 126 и 128 для реактивов, в которых находятся реактивы 130, 132 и 134, соответственно, и один резервуар 136 для матрицы образцов, в котором находится подготовленная матрица образцов (или генетическая библиотека) 138. Резервуары 124, 126, 128 и 136 показаны в виде отдельных трубок, имеющих соединенные крышки, однако в других примерах резервуары 124, 126, 128 и 136 могут быть выполнены иначе. Например, вместо закрываемых крышек, трубки могут быть закупорены фольгой или материалом, подобным фольге, который выполнен с возможностью прохождения через него трубок 112. Резервуары 124, 126, 128 и 136 могут быть вставлены в картридж (не показан) для удержания резервуаров 124, 126, 128 и 136 в заданных положениях, которые выровнены с трубками 112 коллектора 104 (показаны на фиг. 4), когда картридж соединен с коллектором 104. Опционально, вместо отдельных трубок или других сосудов, по меньшей мере некоторые из резервуаров 124, 126, 128 и 136 могут быть заданы в виде полостей, встроенных в структуру, такую как картридж. Хотя на чертеже показано, что указанные резервуары имеют приблизительно одни и те же размеры и предварительно заполнены одним и тем же количество текучих сред (например, реактивов и матрицы образцов), по меньшей мере некоторые из резервуаров 124, 126, 128 и 136 могут иметь разные размеры, формы и/или количества находящихся в них текучих сред (до извлечения текучих сред из резервуаров). Кроме того, хотя в проиллюстрированном примере предусмотрено три реактива 130, 132 и 134, в других примерах может быть предусмотрено только два реактива или по меньшей мере четыре реактива, которые смешиваются для формирования смеси реактивов.
Разные реактивы 130, 132 и 134 содержат по меньшей мере некоторые различные компоненты реактивов по сравнению друг с другом. Из-за проблем с устойчивостью, которые обусловлены длительным воздействием других реактивов, хранение реактивов отдельно в различных резервуарах 124, 126 и 128 для реактивов до тех пор, пока они не будут готовы к использованию, может увеличить приемлемый срок эксплуатации смеси реактивов и/или достигаемые показатели операции секвенирования. В одном из примеров, реактивы могут представлять собой любые пригодные материалы. Например, первый реактив может представлять собой любую смесь, имеющую относительную плотность от примерно 1,01 до примерно 1,1. Второй реактив может представлять собой любую смесь, имеющую относительную плотность от примерно 1,05 до примерно 1,15. Третий реактив может представлять собой любую смесь, имеющую относительную плотность от примерно 1,01 до примерно 1,1. В другом примере, реактивы могут представлять собой любые пригодные материалы. Например, первый реактив может представлять собой любую смесь, имеющую вязкость от примерно 1,5 сП до примерно 4 сП при температуре 25°С. Второй реактив может представлять собой любую смесь, имеющую относительную вязкость от примерно 5 сП до примерно 10 сП при температуре 25°С. Третий реактив может представлять собой любую смесь, имеющую вязкость от примерно 10 сП до примерно 50 сП при температуре 25°С.
В качестве примера, первый реактив 130 в резервуаре 124 может содержать по меньшей мере одну биохимическую молекулу. Биомолекула может содержать нуклеотид (например, нуклеозид трифосфат (NTP)) и/или белок. Белок может содержать полимеразу, однонитевой связывающий белок, геликазу, топоизомеразу, праймазу, теломеразу, лигазу, рекомбиназу, и т.д. Белок может выступать в качестве энзима. Как пример, второй реактив 132 в резервуаре 126 может содержать биомолекулу, например, белок. Белок во втором реактиве 132 может представлять собой один или несколько из упомянутых выше белков. Как пример, третий реактив 134 в резервуаре 128 может содержать магний и уплотняющий агент. Уплотняющий агент может представлять собой декстран, Фиколл (нейтральный, широко разветвленный, с большой массой, гидрофильный полисахарид, предлагаемый компаний GE Healthcare Life Sciences), полиэтилен-гликоль (PEG), поливиниловый спирт (PVA) или белок, такой как гемоглобин или овальбумин. Уплотняющие агенты меняют свойства молекул в растворе, поскольку, из-за размера и/или концентрации уплотняющих агентов, объем растворителя, имеющийся для других молекул в растворе, уменьшается. В других примерах реактивы 130, 132 и 134 могут представлять собой любую комбинацию любых из упомянутых выше молекул и могут содержать различные компоненты и/или другие варианты распределения перечисленных компонентов. Три реактива 130, 132 и 134 могут иметь один или несколько компонентов одновременно, например, воду, поверхностно-активное вещество и/или другие вещества.
Из-за разных составов компонентов, реактивы 130, 132 и 134 могут иметь разные свойства текучей среды, что создает проблему для автоматического переноса и смешивания реактивов. Например, реактивы 130, 132 и 134 могут иметь разную плотность, вязкость и поверхностное натяжение на границе с маслом, так что смешиваемость реактивов становится проблематичной. В качестве примера, вязкости различных реактивов могут различаться примерно в диапазоне от приблизительно 1,5 сП до приблизительно 50 сП, при температуре 25°С, а поверхностные натяжения на границе с маслом могут варьироваться от примерно 5,0 дин/см до примерно 19,2 дин/см. Таким образом, при объединении реактивов и матрицы образцов без смешивания, различные реактивы и матрица образцов будут различаться в резервуаре 136 для смешивания в виде отдельных слоев.
Реактивы, которые имеют относительно высокую вязкость, создают проблему для автоматического переноса реактивов, поскольку реактивы с более высокой вязкостью увеличивают давление внутри системы или инструмента 12 (показан на фиг. 1). Более высокое давление может привести к увеличению мощности насоса для обеспечения движения реактивов через систему, что может привести к повышению энергопотребления, а также увеличению риска утечки или разрушения в замкнутой системе (по сравнению с низкими давлениями, характерными для реактивов с низкой вязкостью). В одном из примеров, по меньшей мере некоторые из реактивов 130, 132, 134 имеют рецептуру с уменьшенной вязкостью по сравнению с традиционными реактивами. Например, один или несколько реактивов 130, 132, 134 могут содержать уплотняющий агент с низким молекулярным весом, в отличие от уплотняющего агента с более высоким молекулярным весом. Уплотняющий агент с низким молекулярным весом может представлять собой молекулу, имеющую молекулярный вес менее 11000 Да (Дальтон), например, примерно 10000 Да, а именно, примерно 9000 Да, а именно примерно 8000 Да, а именно примерно 7000 Да. Уплотняющий агент, используемый в одном или нескольких реактивах 130, 132, 134, согласно одному или более примерам, раскрытым в настоящем описании, может представлять собой декстран Фиколл, полиэтилен-гликоль или белок, такой как гемоглобин или овальбумин. Уплотняющий агент с низким молекулярным весом имеет молекулярный вес, который значительно ниже молекулярного веса уплотняющих агентов, используемых в некоторых известных реактивах, который может составлять более 30000 Да. Использование уплотняющего агента с низким молекулярным весом может уменьшить вязкость соответствующих реактивов по сравнению с известными реактивами с уплотняющими агентами, имеющими более высокий молекулярный вес. Уменьшенная вязкость может снизить давление системы в инструменте 12 и позволит улучшить перенос и смешивание реактивов 130, 132, 134.
В одном из примеров, в один или более реактивов 130, 132 и 134 вводят поверхностно-активное вещество для увеличения смешиваемости реактивов, имеющих разные свойства текучих сред. Поверхностно-активное вещество может быть добавлено в или находиться внутри всех резервуаров 124, 126 и 128 для реактивов. Поверхностно-активное вещество может представлять собой полисорбат 20, который принято называть Твин (TWEEN) 20 (что является зарегистрированным товарным знаком компании Croda Americas), и/или другие имеющиеся в продаже поверхностно-активные вещества или детергенты. Использование поверхностно-активного вещества в реактивах может повысить эффективность смешивания реактивов, так что можно получить по существу однородную смесь при менее интенсивном смешивании (например, меньше циклов смешивания, меньшая сила смешивания, меньшее время смешивания, меньшее улавливание белка, и т.д.) по сравнению со смешиванием реактивов без поверхностно-активных веществ. Использование поверхностно-активного вещества в реактивах также может снизить трение между молекулами реактивов и различными поверхностями в системах по сравнению с созданием реактивов без поверхностно-активных веществ, что может улучшить процесс транспортировки текучих сред и снизить взаимодействие между молекулами и поверхностями.
Во время этапа переноса, система 55 с текучей средой обеспечивает перенос реактивов 130, 132 и 134 из резервуаров 124, 126 и 128 для реактивов во временный накопительный сосуд для предварительного смешивания и задания, тем самым, смеси реактивов, и далее переносит смесь реактивов в резервуар для смешивания, где смесь реактивов смешивается с матрицей 138 образцов.
Схема 46 управления выдает команды или сигналы управления в клапаны 66, 68 и насос 38 для автоматического управления переносом и смешиванием реактивов 130, 132 и 134 посредством системы 55 согласно выбранному протоколу из протоколов 90 смешивания (показано на фиг. 3), которые хранятся в схеме 50 памяти (фиг. 3).
В одном из примеров, временный накопительный сосуд, используемый для предварительного смешивания реактивов 130, 132 и 134, представляет собой накопительный канал 118. Например, реактивы 130, 132 и 134 всасываются (выводятся) из соответствующих резервуаров 124, 126 и 128 в накопительный канал 118 через соответствующие трубки 115, которые проходят в резервуары. Насосом 38 и селекторным клапаном 66 для реактивов управляют для всасывания каждого реактива через соответствующую трубку 115 вдоль соответствующего канала 114 для текучей среды в накопительный канал 118 через конец 252 со стороны резервуара. Как более подробно раскрыто ниже, реактивы 130, 132 и 134 всасываются с заданными количествами реактивов, которые могут быть одинаковыми для разных реактивов. Реактивы 130, 132 и 134 могут всасываться поочередно в упорядоченной последовательности, которая опционально может повторяться один или более раз, до или после сброса реактивов из накопительного канала 118 (согласно реализуемому протоколу). В результате, накопительный канал 118 может иметь изменяющийся шаблон реактивов 130, 132, 134 вдоль длины накопительного канала 118.
После всасывания заданного объема каждого из реактивов 130, 132, 134 в накопительный канал 118, по меньшей мере часть смеси реактивов сбрасывается из накопительного канала 118 в резервуар для смешивания, в котором смесь реактивов смешивается с матрицей образцов. В проиллюстрированном примере, резервуар для смешивания представляет собой резервуар 136 для матрицы образцов, в который предварительно загружена матрица образцов. В альтернативном примере, однако, резервуар для смешивания может отличаться от резервуара 136 для матрицы образцов. Например, резервуар для смешивания может представлять собой один из резервуаров 124, 126 или 128 для реактивов так, что смесь реактивов сбрасывается из накопительного канала 118 в один из резервуаров для реактивов для смешивания. В другом альтернативном примере, резервуар для смешивания может представлять собой предназначенный для этого резервуар для смешивания, отличный от резервуаров для реактивов и резервуара для матрицы образцов. В таком примере, матрица образцов может всасываться из резервуара 136 для матрицы образцов подобно тому, как происходит всасывание реактивов 130, 132, 134, и впоследствии сбрасываться в предназначенный для этого резервуар для смешивания до или после сброса смеси реактивов в резервуар для смешивания.
Смесь реактивов сбрасывается в резервуар для смешивания за счет управления насосом 38 и селекторным клапаном 66 для реактивов для проталкивания смеси реактивов к сопловой трубке 116 через канал 142 для текучей среды, который соединяет сопловую трубку 116 с концом 252 накопительного канала 118 со стороны резервуара. Во время этапа смешивания, смесь реактивов смешивается с матрицей образцов внутри резервуара для смешивания для формирования кластерной смеси, которая далее перетекает в проточную кювету 20 (показана на фиг. 2). Таким образом, система 55 с текучей средой обеспечивает возможность автоматического выборочного всасывания реактивов поочередно в накопительный канал 118, впрыскивания в резервуар для смешивания, и смешивания с матрицей образцов, до перетекания в проточную кювету 20.
На фиг. 7 представлена схема системы 55 с текучей средой согласно одному из примеров. В целях ясности изложения змеевидный накопительный канал 118 показан в виде линейного канала на принципиальной схеме. В одном из примеров, во время этапа переноса (или транспортировки), система 55 с текучей средой является влажной, так что накопительный канал 118 заполняется жидкой буферной текучей средой 256, используемой для пневматического манипулирования (например, проталкивания) реактивами, и также может быть использован для заправки, промывки и т.д. Насосом 38 и селекторным клапаном 66 для реактивов управляют посредством схемы 46 управления и, в частности, посредством ее интерфейса 86 насоса и интерфейса 84 клапана, которые показаны на фиг. 2.
Во время операции всасывания схема 46 управления управляет селекторным клапаном 68 общей линии (показанным на фиг. 6) для направления реактивов 130, 132, 134 в накопительный канал 118. Схема 46 управления управляет селекторным клапаном 66 для реактивов для выбора одного или нескольких различных реактивов 130, 132, 134 за раз в упорядоченной последовательности, обозначенной реализуемым выбранным протоколом 90 смешивания. Насосом 38 управляют для обеспечения отрицательного давления, которое приводит к забору или вытягиванию выбранного реактива или реактивов в соответствующие трубки 115. В проиллюстрированном примере, селекторным клапаном 66 управляют для всасывания конкретных, измеренных объемов реактивов поочередно в последовательности, которая содержит первый реактив 130, далее второй реактив 132 и затем третий реактив 134. Всасывание реактивов в указанной последовательности приводит к получению некоторого набора объемов реактивов в накопительном канале 118.
В одном из примеров, насосом 38 и селекторным клапаном 66 управляют для повторения всасывания реактивов в упорядоченной последовательности по меньшей мере один раз, что приводит к получению одновременно нескольких наборов реактивов в накопительном канале 118. Например, в проиллюстрированном примере, последовательность повторяют дополнительно четыре раза так, что накопительный канал 118 содержит пять наборов реактивов, как обозначено номерами позиций 146, 148, 150, 152 и 154. Набор 146 представляет собой первый всасываемый набор, расположенный между буферной текучей средой 256 и набором 148. Хотя согласно примерному протоколу смешивания, проиллюстрированному на фиг. 7, реактивы всасываются в ходе пяти периодов или циклов, насосом 38 и селекторным клапаном 66 можно управлять в соответствии с другими протоколами для осуществления большего или меньшего количества циклов всасывания. Например, согласно другому протоколу, реактивы могут всасываться в ходе семи рабочих периодов так, что накопительный канал 118 одновременно удерживает семь наборов реактивов до сброса реактивов. Насосом 38 и селекторным клапаном 66 для реактивов управляют для втягивания заданных количеств реактивов, которые могут быть равны друг другу. Например, заданное количество первого реактива 130 может превышать заданное количество второго реактива 132 в каждом наборе, как обозначено большей длиной сегмента, отражающего реактив 130 (отмечен как «1»), по сравнению с длиной сегмента, отражающего реактив 132 (отмечен как «2») в наборах 146, 148, 150, 152 и 154.
Благодаря нескольким циклам всасывания, накопительный канал 118 содержит изменяющийся шаблон реактивов 130, 132, 134 вдоль длины накопительного канала 118. Реактивы 130, 132 и 134 могут начать смешиваться друг с другом внутри накопительного канала 118 на границах между различными реактивами 130, 132 и 134. Таким образом, реактивы 130, 132 и 134 могут предварительно смешиваться внутри накопительного канала 118 до смешивания в резервуаре для смешивания. В период времени, в течение которого реактивы 130, 132 и 134 всасываются и удерживаются в накопительном канале 118, резервуар для смешивания (который в проиллюстрированном примере представляют собой резервуар 136 для матрицы образцов) содержит только матрицу 138 образцов. Как раскрыто выше, матрица 138 образцов содержит нуклеиновые кислоты библиотеки ДНК или другой генетический материал. В резервуар 136 для матрицы образцов может быть предварительно загружена матрица 138 образцов. Как показано на фиг. 7, после всасывания, селекторным клапаном 66 для реактивов можно управлять посредством схемы 46 управления в соответствии с протоколом 90 смешивания для обеспечения возможности впрыскивания или сброса насосом 38 реактивов 130, 132 и 134 из накопительного канала 118 в резервуар 136 для матрицы образцов для смешивания с матрицей 138 образцов.
На фиг. 8 показана принципиальная схема системы 55 с текучей средой с фиг. 7 после сброса части смеси реактивов в резервуар 136 для матрицы образцов. Для сброса смеси реактивов из накопительного канала 118 в резервуар 136 для смешивания в соответствии с выбранным протоколом 90 смешивания, насосом 38 управляют посредством схемы 46 управления для создания положительного давления, которое проталкивает смесь реактивов к селекторному клапану 66 для реактивов. Селекторный клапан 66 для реактивов приводится в действие для направления смеси реактивов вдоль канала 142 для текучей среды. Смесь реактивов сбрасывается через сопловую трубку 116 в резервуар 136 для матрицы образцов и смешивается с матрицей 138 образцов в резервуаре 136. Реактивы 130, 132 и 134 объединяются с матрицей 138 образцов для формирования кластерной смеси 262, которая является полностью перемешанной и по меньшей мере по существу однородной после последующего процесса смешивания.
В проиллюстрированном примере, в резервуар 136 для матрицы образцов из накопительного канала 118 сбрасывается количество, которое меньше полностью всасываемого количества реактивов 130, 132 и 134. Например, хотя в накопительный канал 118 втягивается пять наборов 146, 148, 150, 152 и 154 реактивов 130, 132 и 134, не все из пяти наборов сбрасываются в резервуар 136. Как показано на фиг. 8, два набора 146 и 148 остаются в накопительном канале 118 после сброса наборов 150, 152 и 154 в резервуар 136, и, таким образом, они задают остаточный объем реактивов 130, 132 и 134. Наборы 146 и 148 удерживаются в накопительном канале 118 для предотвращения риска разбавления реактивов 130, 132 и 134, которые сбрасываются в резервуар 136 для матрицы образцов. Поскольку набор 146 контактирует с буферной текучей средой 256 на границе 258 текучих сред, существует опасность, что буферная текучая среда 256 может смешаться с реактивами 130, 132 и 134, тем самым, вызывая разбавления реактивов 130, 132 и 134. Для сохранения заданных концентраций реактивов 130, 132 и 134 в смеси реактивов, впрыскиваемой в резервуар 136, набором 146 на границе 258 текучих сред и набором 148, примыкающим к набору 146, поступаются и используют их для создания верхней по потоку буферной зоны, которая разделяет буферную текучую среду 256 от объема смеси реактивов (например, наборов 150, 152 и 154), выбрасываемых в резервуар 136. В альтернативном примере, для формирования верхней по потоку буферной зоны пожертвовать могут одним или по меньшей мере тремя наборами реактивов 130, 132 и 134. Количество реактивов 130, 132 и 134, которыми пожертвовали ради формирования верхней по потоку буферной зоны, может не зависеть от общего количества наборов реактивов 130, 132 и 134, всасываемых в накопительный канал 118. Например, если в накопительный канал 118 всасывается семь наборов реактивов 130, 132 и 134, то пять из семи наборов могут быть сброшены в резервуар для смешивания, а формирование верхней по потоку буферной зоны происходит с использованием двух оставшихся наборов.
Опционально, процесс всасывания реактивов из различных резервуаров для реактивов и дальнейшего сброса по меньшей мере части всасываемого объема реактивов в резервуар для смешивания можно повторять в соответствии с выбранным протоколом 90 смешивания. Например, в одном из примеров, после сброса объема реактивов 130, 132 и 134 в наборах 150, 152 и 154 в резервуар 136 для матрицы образцов, насосом 38 и селекторным клапаном 66 для реактивов можно управлять для всасывания одного или более дополнительных наборов реактивов в той же самой упорядоченной последовательности, которая показана на фиг. 7. В одном из примеров, еще два набора (не показаны) втягиваются в накопительный канал 118, так что канал 118 удерживает четыре набора реактивов (например, в том числе, наборы 146 и 148, использованные для верхней по потоку буферной зоны). Впоследствии, насосом 38 и селекторным клапаном 66 для реактивов управляют так, чтобы обеспечить сброс двух дополнительных наборов реактивов в резервуар 136 для матрицы образцов (без сброса реактивов, используемых в качестве буферной зоны). В одном альтернативном примере, процесс всасывания реактивов осуществляется лишь раз, так что общее количество наборов реактивов, сбрасываемых в резервуар для смешивания, всасывается в накопительный канал 118 во время одного периода времени до этого. Например, семь наборов реактивов всасываются в накопительный канал 118 для сброса пяти из семи наборов в резервуар для смешивания вместо всасывания пяти наборов и дальнейшего сброса трех наборов перед всасыванием и сбросом двух дополнительных наборов.
Объемными количествами реактивов, всасываемых в каждом наборе, и количеством всасываемых наборов можно управлять для получения в результате предварительно заданного объема смеси реактивов внутри резервуара 136 для матрицы образцов. Предварительно заданный объем смеси реактивов имеет предварительно заданное объемное соотношение различных реактивов, входящих в нее. Благодаря всасыванию реактивов из резервуаров для реактивов вместо выгрузки содержимого резервуаров для реактивов в резервуар для смешивания, можно обеспечить более точный объем и соотношение реактивов в смеси реактивов по сравнению со случаем, когда в основе лежит предварительная загрузка конкретных объемов реактивов в резервуары для реактивов.
На фиг. 9 представлена структурная схема системы 55 с текучей средой во время этапа смешивания согласно одному из примеров. Из-за разных свойств текучей среды реактивов и матрицы образцов, кластерную смесь 262 активно перемешивают внутри резервуара 136 для матрицы образцов в соответствии с выбранным протоколом 90 смешивания для обеспечения однородности (или по существу однородности) кластерной смеси 262. В одном из примеров, кластерную смесь 262 перемешивают путем всасывания некоторого объема или количества 264 кластерной смеси 262 в накопительный канал 118 через сопловую трубку 116 и последующего сброса объема 264 кластерной смеси 262 обратно в резервуар 136 для матрицы образцов. Процесс всасывания и сброса способствует вихреобразованию в резервуаре 136 для матрицы образцов, что обеспечивает эффективное перемешивание кластерной смеси 262.
Перед всасыванием кластерной смеси 262, насосом 39 и клапаном (или клапанами) 66 управляют для опустошения системы 55 с текучей средой с помощью воздуха. Процесс опустошения может предусматривать использование насоса 38 для втягивания воздуха в линии для текучих сред, например, накопительный канал 118, канал 142 для текучей среды и/или сопловую трубку 116. Как показано на фиг. 9, при втягивании кластерной смеси 262 в накопительный канал 118, кластерная смесь 262 отделяется от буферной текучей среды 256 воздушным зазором 260. Воздушный зазор 260 отделяет буферную текучую среду 256 от кластерной смеси 262, предотвращая смешивание буферной текучей среды 256 с кластерной смесью 262 и разбавление кластерной смеси 262. Этап опустошения для введения воздуха в систему может ограничить возможность системы точным образом всасывать конкретные объемы текучих сред, но такое точное измерение не является обязательным во время этапа смешивания. Например, объем 264 кластерной смеси 262 не обязательно должен представлять собой конкретное, точное измеренное количество, поскольку объем 264 по существу вспрыскивается обратно в резервуар 136. Таким образом, в одном из примеров, система может быть заправлена (или без воздуха) во время этапа переноса, на котором происходит всасывание реактивов, после чего система может быть опустошена (для введения воздуха) во время этапа смешивания. Воздух используется для обеспечения буфера у воздушного зазора 260, что препятствует разбавлению кластерной смеси 262. Во время сброса объема 264 кластерной смеси 262 обратно в резервуар 136, весь объем 264 выбрасывается через сопловую трубку 116, а также происходит выброс некоторой части воздуха из воздушного зазора 260. Воздух, вводимый в резервуар 136, может усилить завихрение в резервуаре 136 в большей степени, чем это происходит при сбросе жидкой смеси 262. Воздух используется для обеспечения буфера для процесса смешивания, взамен создания верхней по потоку буферной зоны за счет уменьшения части смеси реактивов, используемой во время переноса реактивов, из-за относительно высоких скоростей текучих сред, которые задействуются для обеспечения смешивания. Например, при использовании воздуха в качестве буфера вместо использования в качестве буфера некоторой части смеси реактивов могут быть получены более высокие скорости текучих сред.
В другой технологии, в которой три или более реактивов могут быть выбраны для смешивания в целевом приемнике (например, резервуаре для смешивания или накопительном канале 118), по меньшей мере два из реактивов, выбранных для смешивания, могут неоднократно вводиться поочередно в канал для смешивания, причем по меньшей мере один другой реактив, выбранный для смешивания, находиться в резерве, до тех пор пока реактивы, неоднократно вводимые поочередно в канал для смешивания, не будут полностью поданы в канал для смешивания. Далее, находящийся в резерве реактив может быть добавлен весь сразу в канал для смешивания. Например, если реактивы А и В подлежат неоднократному введению поочередно в резервуар для смешивания, с последующим введением реактива С, то реактивы в резервуаре для смешивания будут, в целом, наслаиваться в виде АВАВАВАВАВС, в отличие от последовательности АВСАВСАВСАВСАВС (которая будет получена, например, с помощью технологии, аналогичной той, что была рассмотрена со ссылкой на фиг. 7). Полагают, что такая технология является предпочтительной, поскольку она предотвращает или снижает вероятность образования для некоторых реактивов нежелательных побочных продуктов реакции. Например, находящийся в резерве реактив может конкретным образом вступать в реакцию с одним из остальных реактивов по-отдельности, но может иначе реагировать с двумя или несколькими из остальных реактивов в сочетании. Последняя реакция может оказаться желательной и может возникнуть после тщательного смешивания реактивов, а первая реакция может происходить во время предварительного смешивания, когда реактивы могут быть по-прежнему относительно разделены на слои и способны смешиваться только с непосредственно примыкающим соседним реактивом. В другом примере, находящийся в резерве реактив может вступать в реакцию с материалом, который образует структуру резервуара для смешивания с образованием при этом нежелательного побочного продукта. Поскольку повторяющееся поочередное введение реактивов в резервуар для смешивания может потребовать несколько минут, например, 5 минут, 10 минут, 15 минут и больше, в зависимости от числа и количества каждого требуемого реактива, перенос на более поздний срок введения потенциально проблематичных реактивов до тех пор, пока остальные реактивы не будут поочередно введены в резервуар для смешивания, может существенно снизить количество времени, в течение которого находящийся в резерве реактив контактирует с другими реактивами и со структурой канала для смешивания, что, в свою очередь, уменьшает вероятность образования нежелательных побочных продуктов реакции. Очевидно, что в таких вариантах реализации, находящийся в резерве реактив может не получить тех преимуществ, которые обеспечивает предварительное смешивание для других реактивов, но снижение вероятности образования нежелательных побочных продуктов реакции может оказаться важнее отсутствия процесса предварительного смешивания в отношении находящегося в резерве реактива. В частности, если находящийся в резерве реактив представляет собой жидкость с низкой вязкостью, то отсутствие предварительного смешивания в отношении находящегося в резерве реактива может, по сути, оказать незначительное влияние.
Использование объема для смешивания в виде канала, например, объема, который намного больше в длину, чем в ширину (например, его длина по меньшей мере в 10, 100, от 150 до 170, 160, 200 или 500 раз больше, чем его ширина), может обеспечить возможность сохранения относительно слоистой структуры периодически подаваемых реактивов относительно другу друга внутри канала за счет уменьшения площади межповерхностного контактного сопряжения между каждым слоем реактивов (реактивы представляют собой жидкости и, в связи с этим, вероятно, что с течением времени они будут в некоторой степени диффундировать друг в друга через эту границу, так что понятия «граница/площади контактного сопряжения», упомянутые в настоящем документе, следует рассматривать как теоретические по своей природе; однако, уменьшение таких теоретических площадей приведет к замедлению скорости диффузии). Более того, для реактивов, до некоторой степени являющихся неспособными к смешиванию друг с другом, объем для смешивания, который, например, имеет сферическую форму или который имеет большее отношение ширина/длина, может способствовать тому, что разные дозы реактивов, подаваемые в объем для смешивания, смогут свободно плавать внутри объема для смешивания и потенциально воссоединяться с ранее введенными дозами того же самого реактива, в результате чего они теряют слоистость, которая может быть получена в объеме для смешивания в виде канала. Например, канал для смешивания с диаметром приблизительно 2,25 мм или шириной приблизительно 360 мм его длины, может обеспечить предпочтительную слоистость в поданных реактивах во время процесса предварительного смешивания. После загрузки в объем для смешивания требуемых количеств многочисленных наборов реактивов, содержимое объема для смешивания может быть подано в целевой приемник (некоторая часть текучих сред в объеме для смешивания может быть потеряна в мертвом пространстве системы с текучей средой; общий объем реактивов, поданных в объем для смешивания, может быть отрегулирован с учетом такой потери). После подачи в целевой приемник, поданные предварительно смешанные реактивы могут неоднократно всасываться из и выбрасываться обратно в целевой приемник для содействия дальнейшему смешиванию. В некоторых вариантах реализации, предварительно смешанные (или предварительно смешанные впоследствии) реактивы могут всасываться из целевого приемника и выталкиваться обратно в объем для смешивания до их выбрасывания обратно в целевой приемник. В результате, в таких вариантах реализации, предварительно смешанные реактивы имеют возможность многократного движения в и из объема для смешивания во время операции смешивания при всасывании/выбрасывании.
Было обнаружено, что использование объема/канала для смешивания с сопловой трубкой 116 способствует вихреобразованию в целевом приемнике и обеспечивает отличное смешивание реактивов и матрицы образцов, несмотря на существенные различия в свойствах текучих сред реактивов. Кроме того, такие структуры и технологии обеспечивают возможность автоматического смешивания при незначительном взаимодействии с человеком или при его отсутствии. На фиг. 10 в увеличенном масштабе показана часть сопловой трубки 116 внутри резервуара 172 для смешивания согласно одному из примеров. Сопловая трубка 116 может иметь вытянутое тело с центральным просветом (полостью, каналом), проходящим вдоль ее длины. Сопловая трубка 116 может быть выполнена с возможностью сброса кластерной смеси в резервуар 172 для смешивания со скоростью, которая способствует улучшенному смешиванию кластерной смеси. Например, сопловая трубка 116 может иметь меньший внутренний диаметр по сравнению с внутренними диаметрами трубок 115 для реактивов, что обеспечивает увеличение скорости потока через сопловую трубку 116 (по сравнению с трубками 115 для реактивов). В одном из примеров, уменьшенный внутренний диаметр может быть обеспечен за счет наличия соплового вкладыша 158, вставленного в центральный просвет сопловой трубки 116 на дистальном конце 105 для уменьшения размера просвета/канала через трубку 116. Например, сопловая трубка 116 может иметь номинальный внутренний диаметр 162, равный 0,02 дюйма (0,508 мм), при этом сопловый вкладыш 158 имеет номинальный внутренний диаметр 164, равный 0,01 дюйма (0,254 мм). В некоторых примерах сопловая трубка 116 имеет номинальный наружный диаметр, равный примерно 0,125 дюйма (3,175 мм), и номинальный внутренний диаметр 162, равный 0,02 дюйма ±0,001 дюйма, а то время как сопловый вкладыш 158 имеет номинальный внутренний диаметр 164, равный 0,01 дюйма ±0,001 дюйма (0,254 мм, хотя в некоторых вариантах реализации внутренний диаметр 164 сопла может быть в диапазоне от 0,2 мм до 0,28 мм). Очевидно, что для обеспечения требуемого смешивания могут быть использованы другие размеры и габариты. В альтернативном примере, сопловая трубка 116 не содержит сопловый вкладыш 158 внутри.
Сопловый вкладыш 158 может иметь любую подходящую форму, которая согласуется с формой дистального конца 105 сопловой трубки 116.
В проиллюстрированном варианте реализации, сопловая трубка 116 расположена на высоте над дном резервуара 172 (равной приблизительно 2 мм от дна). При впрыскивании кластерной смеси в резервуар 172 в направлении 168, завихрение смеси внутри резервуара 172 усиливается за счет повышения скорости движения смеси через сопло 158, что способствует процессу смешивания, как обозначено стрелкой 170.
На фиг. 11 приведено графическое представление 180 примерного цикла при всасывании и смешивании реактивов и матрицы образцов согласно одному из примеров. На фиг. 12 показана блок-схема, иллюстрирующая способ и логику 204 управления для всасывания и смешивания реактивов и матрицы образцов согласно одному из примеров. На фиг. 11, ось у 182 отражает давления в фунтах на квадратный дюйм, созданные насосом 38, а ось х 184 отражает время в секундах. Отрицательные давления указывают на всасывание одного или более реактивов, а положительные давления указывают на выбрасывание. Можно считать, что цикл 180 включает в себя последовательность 186 «переноса», за которой идет последовательность 196 «смешивания», как будет рассмотрено ниже. Способ 204, проиллюстрированный на фиг. 12, может соответствовать маршрутизации протокола 90 смешивания, который сохранен в схеме 50 памяти. Схема 46 управления инструмента 12 может получить доступ и извлечь протокол 90 смешивания из схемы 50 памяти. Схема 46 управления может автоматически реализовать протокол 90 смешивания для осуществления способа 204 в инструменте 12 путем управления операциями насоса 38, селекторного клапана 66 для реактивов и селекторного клапана 68 общей линии, наряду с другими компонентами инструмента 12.
Исходя из блок-схемы с фиг. 12, способ и логика 204 управления могут начаться с всасывания воздуха на этапе 206 для удаления имеющейся жидкости из проточных каналов, через которые могли быть направлены предыдущие смеси реактивов. Например, любая оставшаяся жидкость, находящаяся в проточном канале 142, связывающем селекторный клапан 66 для реактивов с целевым приемником (например, резервуаром 136 для смешивания или для матрицы образцов), может всасываться в присутствии воздуха (то есть, в результате этого жидкость заменяется воздухом), так что любая новая смесь реактивов, которая впоследствии вводится в целевой приемник через проточный канал 142, не смешивается с оставшейся жидкостью.
Далее осуществляется последовательность переноса, которая начинается с последовательности заправки на этапе 208. На эту последовательность заправки указывает серия отрицательных давлений или событий всасывания, обозначенных совместно номером позиции 188 на фиг. 11. В целом, последовательность заправки обеспечивают возможность изначального втягивания текучих сред, таких как буферные текучие среды, реактивы и другие текучие среды, в систему. На этапе 210 возможно всасывание буфера. Этот буфер может содержать жидкость, выбранную так, чтобы она была нереактивной или относительно инертной в отношении реактивов, и могла быть использована в качестве несжимаемой рабочей текучей среды, проходящей, по меньшей мере частично, между насосом и реактивами, для обеспечения возможности более точного измерения реактивов в объеме для смешивания на следующих этапах, в случае если это требуется. Далее, на этапе 212, возможно всасывание первого реактива во время события заправки, с последующим всасыванием любого количества других реактивов, до всасывания последнего реактива на этапе 214. В одном из примеров, во время последовательности заправки осуществляется всасывание трех реактивов, но в других примерах во время последовательности заправки возможно всасывание других количеств реактивов.
После последовательности 208 заправки осуществляется оставшаяся часть последовательности переноса на этапе 218, во время которого реактивы, подлежащие смешиванию, всасываются в систему. Последовательность переноса проиллюстрирована событиями с отрицательным давлением, обозначенными совместно номером позиции 190 на фиг. 11. Реактивы всасываются в упорядоченной последовательности. Например (на фиг. 12), первый реактив всасывается на этапе 220, после чего, поочередно, происходит всасывание каждого из дополнительных реактивов в определенной последовательности до тех пор, пока не произойдет всасывание последнего реактива, что обозначено номером позиции 222. Количества всасываемых реактивов в каждой последовательности образуют набор. В одном из примеров, происходит всасывание трех реактивов, но в других примерах возможно всасывание другого количества реактивов. Реактивы всасываются в накопительный канал (например, накопительный канал 118). Как отмечено выше, реактивы могут всасываться относительно небольшими количествами или объемами для создания некоторого изменяющегося шаблона реактивов в накопительном канале, содействия, тем самым, предварительному смешиванию. На этапе 214 определяют, произошло ли всасывание всех наборов реактивов. Например, системой можно управлять для всасывания множества наборов реактивов, например, пяти наборов. После всасывания наборов с первого по четвертый, определяют, что произошло всасывание не всех наборов, в результате чего способ 204 возвращается на этап 220 для продолжения всасывания одного или более дополнительных наборов. Все наборы могут содержать все реактивы или альтернативно, по меньшей мере некоторые из наборов могут не содержать все реактивы. Кроме того, в разных наборах реактивы могут всасываться в различных объемах или количествах. После всасывания всех наборов реактивов, способ 204 переходит дальше на этап 226. Как показано на фиг. 12, и как продемонстрировано отдельными событиями с отрицательным (и положительным) давлением на фиг. 11, каждое последовательное всасывание (или выбрасывание) реактивов предусматривает управление одним или более клапанами, раскрытыми выше, а также насосом. То есть, для всасывания отдельных реактивов, селекторный клапан для реактивов будет переключен для направления отрицательного давления в трубку для соответствующего резервуара выбранного реактива. Насосом будут управлять по аналогии, для втягивания реактива (или воздуха или буфера или матрицы образцов), и отправки всасываемых текучих сред в соответствии с предписанным протоколом. Протокол смешивания будет предварительно определен и сохранен в схеме памяти, раскрытой выше, и исполнен автоматически или полуавтоматически на основании операции секвенирования, также заданной в схеме памяти. Эти протоколы исполняются посредством схемы обработки и управления, которая, посредством подходящей интерфейсной схемы, управляет работой клапанов и насоса.
На этапе 226 с фиг. 12, смесь реактивов выбрасывается или сбрасывается из накопительного канала в резервуар для смешивания. Выбрасывание в резервуар для смешивания обозначено событием 192 с положительным давлением на фиг. 11. Резервуар для смешивания может вмещать в себя матрицу образцов до сброса в него смеси реактивов. Например, резервуар для смешивания может опционально представлять собой резервуар для матрицы образцов, в который предварительно загружается матрица образцов, или альтернативно, может представлять собой другой резервуар, в который переносится матрица образцов. В конкретных примерах, всасывание может быть осуществлено дополнительно, что обозначено номером позиции 228 на фиг. 12. Например, после сброса некоторых из наборов всасываемых реактивов в резервуар для смешивания, один или несколько дополнительных наборов реактивов могут быть втянуты в накопительный канал и далее сброшены в резервуар для смешивания.
После завершения всасываний, способ/логическая часть 204 переходит на этап 230, на котором возможно всасывание воздуха в систему. Всасывание воздуха (или опустошение) проиллюстрировано событием 194 с отрицательным давлением на фиг. 11. Опустошение осуществляется для удаления по меньшей мере части жидкости из линий для текучих сред, например, обводной линии, накопительного канала, и сопловой трубки. Вводимый воздух может формировать воздушный зазор, которые препятствует разбавлению реактивов и матрицы образцов с буферной текучей средой внутри линий.
После всасывания и частичного предварительного смешивания в накопительном канале посредством раскрытых выше операций, осуществляют последовательность смешивания на этапе 234 путем неоднократного перемещения реактивов и матрицы образцов в резервуаре для смешивания через сопловую трубку. В ходе этой последовательности 234 смешивания связанные реактивы и матрица образцов, которые задают кластерную смесь, всасываются на этапе 236 путем втягивания кластерной смеси через сопловую трубку в линии для текучих сред, например, накопительный канал. Как раскрыто выше, воздушный зазор может обеспечить буфер, который препятствует разбавлению кластерной смеси в буферной текучей среде в системе. На этапе 238, всасываемый объем кластерной смеси выбрасывается обратно в резервуар для смешивания. На этапе 240 определяют, следует ли осуществить другой цикл смешивания, который включает в себя этапы всасывания и выбрасывания. Например, несколько циклов смешивания может быть осуществлено для обеспечения однородной кластерной смеси. В другом примере, смешивание повторяют три раза в общей сложности за четыре цикла смешивания до завершения смешивания. На графике, представленном на фиг. 11, эти циклы совместно обозначены номером позиции 198. Каждый цикл смешивания включает в себя относительно короткое событие с отрицательным давлением, с последующим относительно коротким циклом с положительным давлением. В ходе каждого цикла процесса смешивания может быть вытеснен любой требуемый объем, при этом в одном из примеров, примерно 2 мл (2000 мкл) кластерной смеси всасывается из и выбрасывается в резервуар для смешивания в каждом цикле смешивания, хотя в других вариантах реализации возможно перекачивание примерно 500 мкл или 1500 мкл, в зависимости от размера используемых проточных кювет. В конце процесса смешивания, перемешанная кластерная смесь может быть вытеснена или доставлена в целевой приемник на этапе 242 для возобновления операции секвенирования. Например, кластерная смесь может быть подана в проточную кювету 20 (показанную на фиг. 2) для создания клоновых популяций молекул ДНК на проточной кювете, которые возникают из нуклеиновых кислот в матрице образцов.
В альтернативном примере, реактивы перемешиваются внутри резервуара для смешивания в отсутствие матрицы образцов в резервуаре для смешивания. Таким образом, смесь реактивов может всасываться и выбрасываться по меньшей мере один раз в резервуар для смешивания. Матрица образцов может быть введена к смешанным реактивам последовательно, например, на проточную кювету или внутри другого целевого приемника.
Дополнительные примечания
Понятия «содержать», «включать в себя», «состоять из» и т.д., и их вариации, которые используются в настоящем описании и формуле изобретения, ничем не ограничены и включают в себя не только перечисленные элементы, но также охватывают любые дополнительные элементы. Встречающиеся по всему тексту описания ссылки на «один из примеров», «другой пример», «пример» и т.д. означают, что конкретный элемент (например, признак, структура и/или характеристика), описанный в отношении данного примера, относится к по меньшей мере одному примеру, раскрытому в настоящем описании, и может присутствовать в других примерах. Кроме того, следует понимать, что раскрытые элементы для любого примера могут быть объединены любым подходящим образом в различных примерах, если из контекста явным образом не следует иное.
Также следует понимать, что использование предлога «для», например, «клапан для переключения между двумя проточными каналами», можно заменить таким выражением как «предназначенный для», например, «клапан, предназначенный для переключения между двумя проточными каналами», и т.д.
Следует понимать, что все комбинации приведенных выше концепций и дополнительных концепций, рассмотренных более подробно ниже (при условии, что такие концепции не являются взаимно несовместимыми) рассматриваются как часть объекта настоящего изобретения, раскрытого в данном описании. В частности, все комбинации заявленных объектов, фигурирующих в конце данного описания, рассматриваются как часть заявленного объекта настоящего изобретения, раскрытого в данном описании. Следует также понимать, что в термины, используемые в явном виде в данном описании, которые могут также фигурировать в любом описании, входящем в данный документ посредством ссылки, вкладывается значение, согласующееся с конкретными концепциями, раскрытыми в настоящем описании.
Следует понимать, что диапазоны, приведенные в настоящем описании, включают в себя указанные диапазоны и любое значение или поддиапазон внутри указанного диапазона. Например, диапазон от примерно 10 сП до примерно 50 сП, следует понимать, как включающий в себя не только точно перечисленные пределы от примерно 10 сП до примерно 50 сП, но также содержащий отдельные значения, такие как примерно 16 сП, 37,5 сП, 49 сП, и т.д., а также поддиапазоны, такие как от примерно 25 сП до примерно 30 сП, и т.д. Кроме того, следует понимать, что такие понятия как «примерно», «приблизительно», и/или «по существу», в случае их применения в отношении некоторой величины, охватывают незначительные изменения (до ±10%) от приведенных значений.
Следует понимать, что хотя выше приведено подробное описание нескольких конкретных примеров, раскрытые примеры могут быть модифицированы. Таким образом, приведенное выше описание следует рассматривать как неограничивающее настоящее изобретение.