用于进行可变样品制备和分析过程的系统和方法与流程

用于进行可变样品制备和分析过程的系统和方法
[0001]
相关申请的交叉引用
[0002]
本申请要求2018年7月12日提交的美国临时专利申请序列号62/696,961和2018年10月2日提交的美国临时专利申请序列号62/739,982的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
[0003]
本发明的一些实施方案一般地涉及生命科学研究和体外诊断的领域。更特别地，本发明的一些实施方案涉及用于对样品(包括例如包含核酸、抗体和/或抗原的样品)进行分析的设备(apparatus)、系统和方法。


背景技术：

[0004]
出于多种研究、监测或诊断目的而对生物样品进行分析。通常来说，分析特定样品或该样品的一部分中靶核酸序列、靶抗体或靶抗原的存在。当靶标是核酸序列时，该过程通常包括通过一系列数个步骤来分离样品中的核酸，例如：(1)裂解样品中的细胞以暴露其中包含的核酸，(2)使用洗涤剂和/或酶(例如，蛋白酶k)使样品中的蛋白质变性和/或降解；(3)使核酸从样品中沉淀；以及(4)洗涤和/或以其他方式制备用于进一步分析的核酸。如果期望进一步分析，则然后可以扩增分离的核酸。聚合酶链式反应(pcr)过程是用于扩增核酸分子的部分的已知技术。在pcr期间，将包含靶dna的输入样品与包含dna聚合酶(例如，taq聚合酶)的试剂混合。输入样品可以是例如通过上述程序产生的分离的核酸样品。然后将样品在室中进行多次热循环以完成反应。在dna序列充分扩增后，可以使用多种光学技术对其进行分析。如上所述的用于核酸分离和扩增的样品处理与免疫测定不兼容，因为采用的多种试剂和温度会破坏样品中的蛋白质。因此，当制备用于免疫测定的样品时，使用保留靶蛋白的结合表位的不同方法。
[0005]
存在一些用于使样品分析过程基本自动化的系统，但是这些系统通常能够仅分析核酸或仅分析蛋白质。另外，这些系统通常仅能够定量或定性地分析特定样品。因此，用户必须在多种不同的仪器上进行多种测试，以获得例如特定样品的核酸测试结果和免疫测定测试结果二者。或者，作为另一个实例，用户可能必须将样品分开以在相同或不同仪器上进行多次测试，以便检查多个核酸靶序列，尤其是当用户的兴趣在于获得这些靶序列的子集(subset)的定量结果时。
[0006]
因此，需要用于不同测试需求的用于处理和分析样品的系统和方法。尽管不限制本公开内容的范围，但是本发明的多种实施方案解决了现有系统的问题，包括如上所述的效率和灵活性因素。
[0007]
发明概述
[0008]
本公开内容的示例性实施方式涉及用于通过例如聚合酶链式反应(pcr)和/或免疫测定进行样品处理和分析的方法、装置(device)和系统。多种实施方案通过在单个盒中组合样品制备和分析而提供了改进的工作流程和灵活性，包括在需要时在同一盒中容纳多
个样品制备和分析过程的能力(例如，在同一盒中的实时pcr和免疫测定或在同一盒中的实时pcr和终点pcr)。此外，多种实施方案提供了可以容纳多个框架(frame)的壳体(housing)，所述多个框架配置成在一次性盒(disposable cartridge)中进行测定，包括容纳装配有不同组分的框架。这种模块化配置具有多个优点。首先，用户只需要购买满足其测试体积要求所需的框架数即可。其次，如果需要维修一个框架，则可以快速将其卸下以进行维修(任选地同时更换替代框架)，而无需仪器停机。另外，模块化配置使得能够在同一壳体中容纳不同的框架配置，这就同一壳体中可以运行的测定类型而言提供了灵活性。其还允许用户后续添加额外的框架以满足增大的体积，添加不同的框架以用于新测定需求或者升级为更新的框架而无需更换整个系统。
[0009]
一个实施方案提供一种设备，其包含：外壳(enclosure)，其配置成接纳包含生物样品的盒；第一光学装置，其配置成当盒放置在外壳中时对在盒的第一区域中所进行的第一测定进行第一光学分析；第二光学装置，其配置成当盒放置在外壳中时对在盒的第二区域中所进行的第二测定进行第二光学分析，其中第二测定是与第一测定不同类型的测定。在某些实施方案中，该设备还包含接口电路(interface circuit)，其配置成接收电子指令以使用第一光学装置对生物样品的第一子集进行第一光学分析，和/或使用第二光学装置对生物样品的第二子集进行第二光学分析。
[0010]
盒可以是例如图2中所示的盒，或美国专利号9，827,567中描述的盒，该专利通过引用并入本文。当盒放置在设备内时，外壳至少部分地支撑盒。在某些实施方案中，外壳配置成相对于设备的其他部件移动，以便例如有助于将盒插入到设备中，有助于盒从设备弹出，使盒与设备的光学装置(例如，第一光学装置或第二光学装置)光通信，和/或使盒与设备的加热/冷却装置(例如，热循环仪(thermal cycler)、裂解组件加热器(lysis assembly heater)、杂交加热器(hybridization heater))热连通。
[0011]
第一光学装置可以是能够发射和接收适用于第一测定的电磁辐射的任何装置。第一光学装置可以例如包含一个或更多个电磁辐射发射器，例如激光器、发光二极管(light emitting diode，led)或白炽灯泡。第一光学装置可以例如包含一个或更多个电磁辐射检测器，例如电荷耦合装置(charge coupled device，ccd)、互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide semiconductor，cmos)、光电倍增管(photomultiplier tube)、雪崩光电二极管(avalanche photodiode)或硅光电二极管(silicone photodiode)。在一些实施方案中，由第一光学装置发射和/或接收的电磁辐射具有约300nm至900nm的波长。
[0012]
生物样品可以是包含或疑似包含生物组分如核酸(例如，dna或rna)、蛋白质(例如，抗体或抗原)、脂质或碳水化合物的任何样品。在某些实施方案中，样品可以是例如从人、动物、植物或微生物获得或设计的临床或研究样品。在另一些实施方案中，样品可以是例如环境样品，例如水、土壤、食物或空气样品。
[0013]
在某些实施方案中，盒的第一区域是扩增区域，并且第一测定是核酸扩增测定。扩增区域可以是例如图4b中指示的扩增区域。在第一测定是核酸扩增测定的情况下，生物样品是包含或疑似包含核酸的样品。核酸扩增测定可以是例如聚合酶链式反应(pcr)测定或等温扩增反应。在一些实施方案中，pcr测定是实时pcr测定。可以使用多种实时pcr化学，包括例如美国专利号5,538,848、5,804,375和7,422,850中描述的化学，其各自通过引用并入
本文。
[0014]
该设备还可以包含热循环仪组件，其配置成接合(engage)盒的扩增区域中的扩增管组件，使得热循环仪组件可以根据核酸扩增的期望方案(例如，pcr、等温扩增)将扩增管组件的内容物的温度升高、降低和/或保持基本恒定。该设备还可以包含接口电路，其被配制为接收电子指令以升高、降低或保持热循环仪的温度。在某些实施方案中，热循环仪组件包含扩增管块，该扩增管块具有配合于扩增管组件的内部形状，使得扩增管块的内表面与扩增管的外表面之间存在一致的接触。另外，在某些实施方案中，扩增管块具有一个或更多个开口，该开口配置成允许扩增管与第一光学装置之间的光通信。在一些实施方案中，一个或更多个光纤设置在扩增管中的一个或更多个开口中，并且向或从第一光学装置和一个或更多个扩增管传输电磁辐射。在特定实施方案中，第一光学装置包含：荧光计；以及多个光缆，所述光缆配置成当盒放置在外壳中时在荧光计与盒的第一区域之间传输光。
[0015]
为了将核酸扩增测定的温度升高、降低和/或保持基本恒定，热循环仪组件包含加热/冷却元件。加热/冷却元件可以是例如珀耳帖电池(peltier cell)或热电偶(thermoelectric couple，tec)。热循环仪组件可还包含(i)散热器，以有助于热量从热循环仪组件传递出去；(ii)一个或更多个热敏电阻，以对扩增管块的温度进行设定；和/或(iii)扩增处理器，以有助于加热/冷却元件和/或热敏电阻与框架接口电路和/或系统控制电路的电连接(electrical connection)。
[0016]
在某些实施方案中，盒的第二成像区域是杂交成像区域。在一些实施方案中，杂交成像区域包含基本平坦的表面，分析物可以被定位在该平坦的表面上以通过设备的第二成像装置进行成像。可以使用例如斑点阵列(spotted array)或珠将分析物定位在杂交成像区域中。例如，可以使靶dna、rna、抗体或抗原与杂交成像区域内的斑点探针阵列直接或间接杂交，并且使用设备的第二光学装置检测杂交事件。可以通过使用标记(例如荧光团或金属)以有助于检测。可以基于其在杂交成像区域内的x和y坐标同时检测多个不同的靶标。作为另一个实例，可以使靶dna、rna、抗体或抗原与杂交成像区域内的珠直接或间接地杂交，并且使用设备的第二光学装置检测杂交事件。可以例如通过使用多个编码珠(encoded bead)同时检测多个不同的靶标。
[0017]
第二光学装置可以是能够发射和接收适用于第二测定中的标记方案的电磁辐射的任何装置。第二光学装置可以例如包含一个或更多个电磁辐射发射器，例如激光器、发光二极管(led)或白炽灯泡。第二光学装置可以例如包含一个或更多个电磁辐射检测器，例如电荷耦合装置(ccd)、互补金属氧化物半导体(cmos)、光电倍增管、雪崩光电二极管或硅光电二极管。在一些实施方案中，由第二光学装置发射和/或接收的电磁辐射具有约300nm至900nm的波长。检测器感测电磁辐射，将感测到的电磁辐射转换为数据格式，并且将数据发送给处理器。在某些实施方案中，检测器感测可见光谱、红外光带和/或紫外光带中的光。电磁辐射发射器用电磁辐射照射杂交成像表面的全部或一部分。电磁辐射可以在可见光谱、红外光带和/或紫外光带中，但是可以使用其他波长。此外，电磁辐射发射器可以产生特定波长的光或波长谱，例如白光。可以使用多种电磁辐射发射器配置，例如侧面照射、正面照射和后面照射。偏振片(polarizer)和滤光片(filter)也可用于修改入射光。当侧面照射时，电磁辐射发射器可以耦合到杂交成像表面的至少一侧，以便利用形成杂交成像表面的玻璃或其他合适的基底的波导能力。电磁辐射发射器到杂交成像表面的耦合可以以多种方
式来完成，例如通过光纤束、固体波导和/或沿着基板掠射的激光束或led。在特定实施方案中，电磁辐射发射器被定位成侧面照射或正面照射杂交成像表面，并且检测器被定位于杂交成像表面上方或下方，使得检测器检测来自杂交成像表面上样品的散射光，例如来自用于标记样品中的靶分析物的金属纳米颗粒的散射光。在另一个实施方案中，电磁辐射发射器被定位为以第一波长照射杂交成像表面，并且检测器被定位为检测从杂交成像表面发射的第二波长电磁辐射，例如杂交成像表面上用于标记样品中的靶分析物的荧光染料的发射波长，和/或杂交成像表面上用于标记微球的荧光染料的发射波长。
[0018]
该设备还可以包含配置成在盒中的某些位置上施加磁力的一个或更多个磁体。在一个实施方案中，该设备包含配置成在第二成像区域上施加磁力的磁体组件。通过例如使磁体与第二成像区域相对于彼此移动，通过在磁体与第二成像区域之间放置或去除屏蔽材料，或通过采用可以打开和关闭的电磁体，可以向杂交成像表面施加或从杂交成像表面去除磁力。磁体可以与例如第二成像区域中的磁响应性荧光编码的微球一起使用。磁场可用于将荧光编码的微球固定在第二成像区域的表面上，以有助于其检测。
[0019]
另外，该设备还可以包含以下一种或更多种的任意组合：裂解组件(lysis assembly)、杂交加热器、样品转移组件(sample transfer assembly)、提升马达(lift motor)、盒接纳器(cartridge receiver)和/或条形码读取器(barcode reader)。
[0020]
裂解组件配置成接合盒的样品制备区域。在某些实施方案中，裂解组件可包含以下一种或更多种的任意组合：(i)裂解加热器，其配置成传递样品制备区域或其一部分的热；(ii)磁体，其配置成与样品制备区域或其一部分选择性地接合，使得当磁体接合时，盒的样品制备区域中的磁响应性颗粒可以固定在样品制备区域内的期望位置；(iii)声处理喇叭(sonication horn)，其配置成向样品制备区域或其一部分的内容物提供声能；和/或(iv)处理器，以有助于裂解加热器和/或磁体和/或声处理喇叭与接口电路和/或系统控制电路的电连接。
[0021]
杂交加热器配置成当盒存在于设备中时接合盒的杂交区域中的多种特征。在某些实施方案中，杂交加热器可包含以下一种或更多种：(i)加热/冷却元件，例如珀耳帖电池或热电偶(tec)；(ii)散热器；(iii)一个或更多个热敏电阻；和/或(iv)处理器，以有助于加热/冷却元件和/或热敏电阻与接口电路和/或系统控制电路的电连接。
[0022]
样品转移组件配置成当将盒放置在设备中时在盒内转移生物样品。在一个实施方案中，盒包含一个或更多个移液器尖端，并且样品转移组件配置成当盒放置在设备中时选择性地接合一个或更多个移液器尖端。在这样的实施方案中，样品转移组件包含配合于一个或更多个移液器尖端的一个或更多个转移头。在一些实施方案中，样品转移组件可以包含配置成在期望的时间使转移头与移液器尖端脱离的尖端推动器。在一些实施方案中，样品转移组件包含压力调节装置，例如泵，以当与样品转移装置的转移头接合时允许流体被吸进或移出移液器尖端。在某些实施方案中，样品转移组件包含用于沿x、y和z轴中的一个或更多个移动转移头的装置。例如，这可以包括x轨道、y轨道和z轨道，转移头在x马达、y马达和z马达的驱动下沿着其行进。
[0023]
提升马达配置成提供盒与设备的一个或更多个部件之间的相对运动，以有助于盒的插入和/或移除。在一个实施方案中，例如，提升马达配置成升高和降低光学装置，以有助于将盒插入到设备中和/或有助于光学装置与杂交成像区域之间的光通信。在另一实施方
案中，例如，提升马达配置成升高和降低盒接纳器，以有助于将盒插入到盒接纳器中和/或有助于盒与设备的一个或更多个部件之间的相互作用，包括与第一光学装置、第二光学装置、热循环仪、裂解组件、杂交加热器、样品转移组件和/或条形码读取器中的一个或更多个的相互作用。
[0024]
在某些实施方案中，设备还可以包含框架，该框架也可以被称为生物测定框架。框架包含本文公开的各种配置中任一种的设备的部件，并且在结构上直接或间接地支撑这些部件。在一些实施方案中，框架配置成可移除地设置在配置成容纳一个框架或多个框架的壳体中。
[0025]
在一个实施方案中，提供了一种系统，其包含：(a)仪器壳体(instrument housing)，其包含多个仪器舱(instrument bay)，每个仪器舱配置成容纳相应的生物测定框架，所述框架可以包含本文公开的任何设备配置；(b)生物测定控制电路，其配置成：(i)通过用户界面接收对插入到仪器壳体内的特定生物测定框架中的至少一个样品进行生物测定的请求；(ii)指示所述特定生物测定框架进行所述进行生物测定的请求；以及(iii)基于从生物测定框架接收的信息，通过用户界面输出生物测定的结果；(c)多个电连接器(electrical connector)，其配置成将生物测定控制电路连接至容纳在多个仪器舱中的每个内的生物测定框架。
[0026]
在某些实施方案中，该系统还包含(a)设置在多个仪器舱的第一仪器舱内的第一生物测定框架；(b)设置在多个仪器舱的第二仪器舱内的第二生物测定框架；以及(c)设置在多个仪器舱的第三仪器舱内的第三生物测定框架。在一些实施方案中，第一、第二和第三生物测定框架中的每一个包含：外壳，其配置成接纳包含生物样品的盒；第一光学装置，其配置成当盒放置在外壳中时对盒的第一区域进行第一光学测定；第二光学装置，其配置成当盒放置在外壳中时对盒的第二区域进行第二光学测定，其中第二光学测定是与第一光学测定不同类型的光学测定；以及接口电路，其配置成接收电子指令以使用第一光学装置对生物样品的第一子集进行第一光学测定，以及使用第二光学装置对生物样品的第二子集进行第二光学测定。在特定实施方案中，第一、第二和第三生物测定框架中的至少一个包含：外壳，其配置成接纳包含生物样品的盒；第一光学装置，其配置成当盒放置在外壳中时对盒的第一区域进行第一光学测定；第二光学装置，其配置成当盒放置在外壳中时对盒的第二区域进行第二光学测定，其中第二光学测定是与第一光学测定不同类型的光学测定；以及接口电路，其配置成接收电子指令以使用第一光学装置对生物样品的第一子集进行第一光学测定，以及使用第二光学装置对生物样品的第二子集进行第二光学测定。在特定实施方案中，第一、第二和第三生物测定框架中的至少一个包含：外壳，其配置成接纳包含生物样品的盒；第二光学装置，其配置成当盒放置在外壳中时对盒的第二区域进行第二光学测定；以及接口电路，其配置成接收电子指令以使用第二光学装置对盒的第二区域中的生物样品进行光学测定；其中第一、第二和第三生物测定框架中的至少一个不具有第一光学装置，所述第一光学装置配置成当盒放置在外壳中时对盒的第一区域进行第一光学测定。
[0027]
本发明还提供了用于进行测定(包括在本文所述的系统或装置中所进行的测定)的多种方法。在一个实施方案中，提供了用于进行多重生物测定的方法，其包括：将包含生物样品的盒插入到包含第一光学装置和第二光学装置的设备中；使用第一光学装置对盒的第一区域中的生物样品进行第一光学测定；以及使用第二光学装置对生物样品进行第二光
学测定，其中第二光学测定不同于第一光学测定。
[0028]
在另一个实施方案中，提供了用于进行多重生物测定的方法，所述方法包括：将包含含有核酸的生物样品的盒插入到包含第一光学装置、第二光学装置、样品转移装置和热循环仪的设备中；使用设备的样品转移装置将生物样品从盒的样品孔转移至盒的第一区域；使用热循环仪对多个靶核酸序列进行聚合酶链式反应；使用第一光学装置测定靶核酸序列的第一子集的实时聚合酶链式反应；使用设备的样品转移装置将生物样品从盒的第一区域转移至第二区域；以及使用第二光学装置对靶核酸序列的第二子集进行聚合酶链式反应的终点分析。在某些实施方案中，靶核酸序列的第一子集包含1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15或16个或其中可推导的任何子范围的靶核酸序列。在某些实施方案中，靶核酸序列的第二子集包含1至100、1至50、1至30、5至50、5至30或12至30个靶核酸序列。在一个实施方案中，靶核酸序列的第一子集包含1至6个靶核酸序列，并且靶核酸序列的第二子集包含5个或更多个靶核酸序列。在一些实施方案中，所述方法还包括对靶核酸序列的第一子集中的靶核酸序列的量进行定量。在一些实施方案中，所述方法还可以包括在将生物样品转移至盒的第一区域之前，使用样品转移装置将生物样品转移至盒的一个或更多个样品提取孔。附加地或可替代地，在一些实施方案中，所述方法还可以包括在将生物样品转移至盒的第二区域之前，使用样品转移装置将生物样品转移至盒的一个或更多个杂交孔。
[0029]
在另一个实施方案中，提供了用于进行多重生物学测定的方法，所述方法包括：(a)将包含含有蛋白质和核酸的生物样品的盒插入到设备中，所述设备包含配置成接纳所述盒的外壳、样品转移装置、热循环仪、第一光学装置和第二光学装置；(b)使用设备的样品转移装置将生物样品的第一子集从盒的样品孔转移至盒的第一区域；(c)使用设备的样品转移装置将生物样品的第二子集从盒的样品孔转移至盒的第二区域；(d)使用热循环仪和第一光学装置对生物样品的第一子集进行聚合酶链式反应；以及(e)使用第二光学装置对盒的第二区域中的生物样品的第二子集进行免疫测定。
[0030]
在一些实施方案中，进行方法的设备是可移除地设置在仪器壳体内的多个设备之一，所述仪器壳体还包含：(a)生物测定控制电路，其配置成：(i)通过用户界面接收对插入到设置在仪器壳体内的多个设备的特定设备中的至少一个样品进行生物测定的请求；(ii)指示所述特定设备进行所述进行生物测定的请求；以及(iii)基于从所述特定设备接收的信息，通过用户界面输出生物测定的结果；以及(b)多个电连接器，其配置成将生物测定控制电路连接至设置在仪器壳体内的多个装置。
[0031]
在另一个实施方案中，提供了用于进行生物测定的方法，所述方法包括：(a)将包含生物样品的盒插入到设备中，其中所述盒包含：(i)包含生物样品的样品孔；(ii)至少扩增管；(iii)至少一个杂交管；(iv)杂交成像组件(hybridization imaging assembly)；以及(v)至少一个可在x、y和z轴上移动的移液器尖端；并且其中所述设备包含：(i)外壳，其配置成接纳包含生物样品的盒；(ii)样品转移组件，其配置成在盒内转移生物样品；(iii)热循环仪，其配置成当盒放置在外壳中时接纳盒的第一区域；(iv)第一光学装置，其配置成当盒放置在外壳中时对盒的第一区域进行第一光学测定；(v)第二光学装置，其配置成当盒放置在外壳中时对盒的第二区域进行第二光学测定，其中第二光学测定是与第一光学测定不同类型的光学测定；以及(vi)接口电路，其配置成接收电子指令以：使用样品转移组件在盒内转移生物样品；升高、降低或保持热循环仪的温度；使用第一光学装置对生物样品或生物
样品的第一子集进行第一光学测定；以及使用第二光学装置对生物样品或生物样品的第一子集进行第二光学测定；(b)使用样品转移组件和移液器尖端将生物样品的至少一部分从样品孔转移至扩增管；(c)将生物样品的至少一部分从扩增管转移至杂交管；以及(d)使用样品转移组件和移液器尖端将生物样品从杂交管转移至杂交成像组件。在一些实施方案中，所述方法还包括(a)在扩增管中使用第一光学装置对生物样品或生物样品的第一子集进行第一测定；和/或(b)在杂交成像组件中使用第二光学装置对生物样品或生物样品的第二子集进行第二测定。在一些实施方案中，所述方法还包括：(a)使用样品转移组件和移液器尖端将生物样品的第一部分转移至裂解孔；(b)使用样品转移组件和移液器尖端将生物样品的第二部分转移至杂交管；(c)使用样品转移组件和移液器尖端将生物样品的第一部分从裂解孔转移至扩增管；以及(d)使用样品转移组件和移液器尖端将生物样品的第二部分从杂交管转移至杂交成像组件。
[0032]
在某些实施方案中，在将生物样品转移至扩增管之前，使用样品转移组件和移液器尖端将生物样品转移至裂解孔。可以将生物样品与裂解试剂在裂解孔中混合。裂解试剂可包含例如以下的一种或更多种：洗涤剂(例如，triton x、sds)、离液剂(chaotropic agent)、盐(例如，tris-hcl、edta)、二硫苏糖醇(dtt)和/或酶(例如，蛋白酶)。
[0033]
在某些实施方案中，所述方法还包括在扩增管中使用第一光学装置对生物样品或生物样品的第一子集进行测定。所述测定可以是例如pcr或另一种核酸扩增技术。所述测定可以配置成，如果在生物样品中存在靶核酸，则对一个靶核酸序列或多个不同的靶核酸序列进行扩增。在某些实施方案中，所述测定配置成，如果在生物样品中存在靶核酸，则对2至50个不同的靶核酸序列进行扩增。
[0034]
在一些实施方案中，在扩增管中通过实时pcr来测定靶核酸序列的第一子集的扩增，并且在杂交成像组件中使用第二光学装置通过探针杂交测定来测定靶核酸序列的第二子集的扩增。
[0035]
在某些实施方案中，在扩增管中使用第一光学装置通过pcr或其他核酸扩增技术测定生物样品的第一部分；并且在杂交成像组件中使用第二光学装置通过免疫测定来测定生物样品的第二部分。
[0036]
特定实施方案包括光学装置，其包含：(a)具有内部和外部的第一壳体；(b)设置在第一壳体的内部内的多个光源；(c)对于所述多个光源中的每个光源，至少一个反射镜(mirror)设置在第一壳体的内部内并且配置成引导从每个光源发射的光的至少一部分沿着共同的路径通过从第一壳体的内部延伸至第一壳体的外部的至少一个端口；(d)具有内部和外部的第二壳体；(e)从第二壳体的外部延伸至第二壳体的内部的端口；(f)设置在第二壳体的内部内的多个检测器；以及(g)设置在第二壳体的内部内并处于光通过从第二壳体的外部延伸至第二壳体的内部的端口进入第二壳体的内部的路径中的多个反射镜，其中所述多个反射镜配置成将通过从第二壳体的外部延伸至第二壳体的内部的端口进入第二壳体的内部的光的至少一部分引导至多个检测器。
[0037]
某些实施方案包括光学装置，其包含：(a)具有内部和外部的第一壳体；(b)设置在第一壳体的内部内的五个光源；(c)对于所述五个光源中的每一个，至少一个反射镜设置在第一壳体的内部内并且配置成引导从五个光源中的每一个发射的光的至少一部分沿着共同的路径通过从第一壳体的内部延伸至第一壳体的外部的四个端口；(d)具有内部和外部
的第二壳体；(e)从第二壳体的外部延伸至第二壳体的内部的四个端口；(f)设置在第二壳体的内部内的二十个检测器的阵列；以及(g)设置在第二壳体的内部内并处于光通过从第二壳体的外部延伸至第二壳体的内部的四个端口中的每一个进入第二壳体的内部的路径中的至少五个反射镜，其中所述五个反射镜配置成将通过从第二壳体的外部延伸至第二壳体的内部的四个端口进入第二壳体的内部的光的至少一部分引导至检测器的阵列。特定实施方案还包括一个或更多个选自以下的光学元件：准直透镜(collimating lens)、成像透镜(imaging lens)、中继透镜(relay lens)和滤光片。
[0038]
某些实施方案包括光学系统，其包含：(a)多个分叉纤维光缆(bifurcated fiber optic cable)，其中每个分叉纤维光缆包含分叉端部和非分叉端部，其中分叉端部包含第一分叉构件和第二分叉构件；(b)热循环仪组件，多个分叉纤维光缆中每一个的非分叉端部具有至少部分地设置在其中；(c)照明器壳体，第一分叉构件至少部分地设置在其中；以及(d)检测器壳体，第二分叉构件至少部分地设置在其中。
[0039]
在特定实施方案中，照明器壳体包含：(a)设置在照明器壳体的内部内的多个光源；以及(b)对于所述多个光源中的每个光源，至少一个反射镜设置在照明器壳体的内部内并且配置成引导从每个光源发射的光的至少一部分沿着共同的路径通过从照明器壳体的内部延伸至照明器壳体的外部的至少一个端口，其中第一分叉构件至少部分地设置在所述端口内。
[0040]
在特定实施方案中，检测器壳体包含：(a)从检测器壳体的外部延伸至检测器壳体的内部的端口，其中第二分叉构件至少部分地设置在所述端口内；(b)设置在检测器壳体的内部内的多个检测器；以及(c)设置在检测器壳体的内部内并处于光通过从检测器壳体的外部延伸至检测器壳体的内部的端口进入检测器壳体的内部的路径中的多个反射镜，其中所述多个反射镜配置成将通过从检测器壳体的外部延伸至检测器壳体的内部的端口进入检测器壳体的内部的光的至少一部分引导至多个检测器。
[0041]
某些实施方案包含至少4个分叉纤维光缆。特定实施方案包含设置在照明器壳体的内部内的至少5个光源和至少5个反射镜。特定实施方案包含设置在检测器壳体的内部内的至少20个检测器和至少5个反射镜。
[0042]
在本文公开的方法中进行的测定可以是单重或多重测定。本文公开的方法中进行的测定可以是定量的或定性的。在某些实施方案中，使用第一光学装置进行的测定是定量的，并且使用第二光学装置进行的测定是定性的。
[0043]
术语“耦合”被定义为连接，但是不一定是直接连接，并且不一定是机械连接。如果两个物体可以彼此耦合，则它们是“可耦合的”，并且当耦合时仍可以表征为“可耦合的”。除非上下文明确要求，否则可耦合的物体也是可解耦的，反之亦然。第一结构可耦合至第二结构的一种非限制性方式是第一结构被配制为耦合(或配置成可耦合)至第二结构。
[0044]
除非本公开内容明确地另外要求，否则没有数量词修饰的名词表示一个/种或更多个/种。
[0045]
术语“基本上”及其变体(例如，“大约”和“约”)被定义为在很大程度上是但不一定完全是指定值(并且包括完全是指定值)，如本领域普通技术人员所理解的。在任何公开的实施方案中，术语“基本上”、“大约”和“约”可以被替换为指定值的“[百分比内]”，其中该百分比包括0.1％、1％、5％和10％。
[0046]
术语“包含(comprise)”(以及包含的任何形式，例如“comprises”和“comprising”)、“具有(have)”(以及具有的任何形式，例如“has”和“having”)、“包括(include)”(以及包括的任何形式，例如“includes”和“including”)和“含有(contain)”(以及含有的任何形式，例如“contains”和“containing”)都是开放式链接动词。因此，“包含”、“具有”、“包括”或“含有”一个或更多个步骤或元件的方法或装置拥有那些一个或更多个步骤或元件，但不限于仅拥有那些一个或更多个元件。同样地，“包含”、“具有”、“包括”或“含有”一个或更多个特征的方法步骤或装置元件拥有那些一个或更多个特征，但不限于仅拥有那些一个或更多个特征。例如，包含4个通道的系统可具有多于4个通道。
[0047]
此外，以某种方式配置的装置或结构至少以该方式配置，但是也可以以未列出的方式配置。公制单位可以从英制单位通过转换并四舍五入到最接近的毫米来得到。
[0048]
一个实施方案的一个或更多个特征可以被应用于其他实施方案，即使没有被描述或示出，除非被本公开内容或实施方案的性质明确禁止。
[0049]
任何所公开的装置和方法的任何实施方案都可以由或基本上由任何所描述的元件和/或特征和/或步骤组成，而不是包含/包括/含有/具有它们。因此，在任何权利要求中，术语“由
……
组成”或“基本上由
……
组成”可以代替上述任何开放式连接动词，以改变给定权利要求的由使用开放式连接动词限定的范围。
[0050]
参考以下结合附图对具体实施方案的详细描述，其他特征和相关优点将变得明显。
[0051]
附图简述
[0052]
以下附图以示例而非限制的方式示出。为了简洁和清楚起见，给定结构的每个功能可能不会在出现该结构的每个图中都标记出来。相同的附图标记不一定表示相同的结构。相反，与不相同的附图标记一样，相同的附图标记可用于指示相似的特征或具有相似功能的特征。
[0053]
图1是示出了框架的一个实施方案的框图，该框架包含盒接纳器、两个光学装置、热循环仪、裂解组件、杂交加热器和样品转移组件。
[0054]
图2是示出盒的一个实施方案的透视图的图。
[0055]
图3是示出盒的一个实施方案的分解图的图。
[0056]
图4a至图4c是示出盒的一个实施方案的剖切俯视图的图。
[0057]
图5a是示出其门关闭的壳体的一个实施方案的透视图的图。
[0058]
图5b是示出其门打开的壳体的一个实施方案的透视图的图。
[0059]
图6是示出照明器的一个实施方案的分解图的图。
[0060]
图7是示出检测器的一个实施方案的分解图的图。
[0061]
发明详述
[0062]
参照附图中示出且在以下描述中详细描述的非限制性实施方案，更全面地解释了多种特征和有利细节。然而，应当理解，尽管发明详述和具体实施例指示了本发明的实施方案，但是其仅出于说明而非限制的目的。根据本公开内容，各种替换、修改、添加和/或重新布置对于本领域普通技术人员将变得明显。
[0063]
在以下描述中，提供了许多具体细节以提供对一些所公开实施方案的透彻理解。然而，相关领域的普通技术人员将认识到，可以在没有一个或更多个特定细节的情况下或
者利用其他方法、部件、材料等来实践本发明。在另一些情况下，未详细示出或描述公知的结构、材料或操作以避免使本发明的方面不清楚。应当理解，为清楚起见，并未为每个图中可见的每个部件示出所有附图标记。
[0064]
应该理解，本发明的装置和方法并不旨在限于所公开的特定形式。相反，其覆盖落入权利要求范围内的所有修改、等同形式和替代形式。
[0065]
首先参照图1，其示出了框架100的横截面图，框架100配置成通过门110接纳盒200。盒200在图1中未示出，但是虚线101表示当放置在框架100内的盒接纳器113内时盒200将占据的大体位置。框架100可以包含光学装置102或光学装置103，或者如图1所示，其可以包含光学装置102和103二者。在某些实施方案中，框架100包含条形码读取器114，条形码读取器114配置成扫描盒200上的条形码。
[0066]
光学装置102通过多个光缆105与热循环仪组件106光通信。当盒200放置在框架100内时，热循环仪组件106配置成接合盒200的扩增管组件312，使得热循环仪组件106可以根据期望的方案升高和降低扩增管组件312的内容物的温度。当盒200放置在框架100内时，光学装置103配置成与杂交成像区域314光通信。提升马达112配置成升高和降低光学装置103，以有助于将盒200插入框架100的盒接纳区域和/或有助于光学装置103与交成像区域314之间的光通信。或者，提升马达112配置成升高和降低盒接纳器113，以有助于将盒200插入盒接纳器113和/或有助于光学装置103与杂交成像区域314之间的光通信。
[0067]
裂解组件107和杂交加热器108也配置成当盒200放置在框架100内时接合盒200。裂解组件107配置成接合盒200的样品制备区域401中的多种特征。在某些实施方式中，裂解组件107可包含(i)裂解加热器，其配置成接合裂解孔311并有助于从裂解加热器到裂解孔311的内容物的热传递，(ii)磁体，其配置成选择性接合裂解孔311和/或样品制备区域401的其他孔，使得当磁体接合时，盒200中的磁响应性颗粒可被固定在样品制备区域401内的期望位置；以及(iii)声处理喇叭，其配置成向裂解孔311的内容物提供声能。杂交加热器108配置成接合盒200的杂交区域403中的多种特征。杂交加热器108包含加热/冷却元件，例如珀耳帖电池或热电偶(tec)，其配置成当盒200放置在框架200内时与杂交管组件313接触。杂交加热器108还可包含(i)散热器，以有助于热量从杂交加热器108传递出去，(ii)一个或更多个热敏电阻，以对杂交加压器108的温度进行设定，和/或(iii)杂交处理器，以有助于加热/冷却元件和/或热敏电阻与框架100接口电路和/系统控制电路的电连接。
[0068]
如上所述，热循环仪组件106配置成接合盒200的扩增管组件312，使得热循环仪组件106可以根据期望的方案升高和降低扩增管组件312的内容物的温度。在某些实施方案中，热循环仪组件106可包含扩增管块，其具有配合于扩增管组件312的内部形状，使得扩增管块的内表面与扩增管405、406、407的外表面之间存在一致的接触。另外，在某些实施方案中，热循环仪组件106具有配置成接纳光缆105的一个或更多个内腔，使得可以向扩增管405、406、407和408发射以及从扩增管405、406、407和408接收电磁辐射。热循环仪组件106还包含加热/冷却元件，例如珀耳帖电池或热电偶(tec)。热循环仪组件106还可以包含(i)散热器，以有助于热量从热循环仪组件106传递出去，(ii)一个或更多个热敏电阻，以对扩增管块的温度进行设定，和/或(iii)杂交处理器，以有助于加热/冷却元件和/或热敏电阻与框架100接口电路和/或系统控制电路的电连接。
[0069]
样品转移组件109配置成当盒200放置在框架200内时选择性地接合移液器尖端
305、306和307。样品转移组件109包含一个或更多个转移头，其以足够的摩擦与移液器尖端305、306和307配合以防止移液器尖端掉落。尖端推动器连接至转移头，并且配置成在期望的时间使转移头与移液器尖端脱离。在其中样品转移组件109具有单个转移头的实施方案中，样品转移组件109选择性地顺序地接合移液器尖端305、306和307。在其中样品转移组件109具有多个转移头的实施方案中，样品转移组件109可以选择性地同时接合移液器尖端305、306和307中的两个或更多个。转移头耦合到压力调节装置，例如泵，以在与转移头接合时允许流体被吸进或移出移液器尖端305、306和307。在某些实施方案中，样品转移组件109包含用于沿x、y和z轴中的一个或更多个移动转移头的装置。例如，这可以包括x轨道、y轨道和z轨道，转移头在x马达、y马达和z马达的驱动下沿着其行进。
[0070]
图1中还示出了电路板104a-c，其为框架100的多种部件提供电连接和控制电路。
[0071]
图2示出了盒200的透视图，并且图3示出了盒200的分解图。如图3中所示，盒200包含试剂托盘309，其中定位有多种结构特征，包括样品孔302、裂解孔311、扩增管组件312、杂交管组件313和多种其他试剂孔。
[0072]
图4a至图4c是示出盒的一个实施方案的剖切俯视图的图。在该实施方案中，盒具有三个移液器尖端，当不使用时，其可以分别设置移液器存储腔414、415和416。移液器存储腔414和样品制备移液器位于图4a中虚线指示的样品制备区域401内。样品制备区域401还包含样品孔302和裂解孔311。另外，样品制备区域401可以包含一个或更多个另外的孔，例如由404a-h指示的孔，其可以包含样品制备试剂(例如，裂解缓冲液、磁性颗粒)，用于混合或转移样品和试剂，或用于容纳废物。样品制备移液器可在x、y和z轴上移动，使得其可以进入样品制备区域401中的每个孔。样品制备移液器还可以进入pcr管组件312的管，以将样品从样品制备区域401转移至扩增区域402。
[0073]
移液器存储腔415和扩增移液器位于由图4b中的虚线指示的扩增区域402内。扩增区域402还包含pcr管405、406、407和408。此外，扩增区域402可以包含用于容纳或混合扩增试剂的另外的孔。扩增移液器可在x、y和z轴上移动，使得其可以进入扩增区域402中的每个孔。扩增移液器还可以进入样品制备区域410和/或杂交区域403的某些孔，以在区域之间转移样品。
[0074]
移液器存储腔416和杂交移液器位于图4c中的虚线指示的杂交区域403内。杂交区域403还包含杂交孔411、412和413，以及用于将样品转移至杂交成像区域314的开口。此外，杂交区域403可以包含一个或更多个另外的孔，其可以包含杂交试剂(例如，杂交缓冲液、探针)，用于混合或转移样品和试剂，或用于容纳废物。杂交移液器可在x、y和z轴上移动，以使其可以进入杂交区域403中的每个孔。杂交移液器还可以进入扩增区域402中的某些孔，以在样品扩增区域402至杂交区域403转移。
[0075]
现在参照图5a和5b，一个或更多个框架100可设置在壳体500内。壳体可配置成容纳任意数量的框架，例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11或12个框架。图5a和5b中所示的实施方案配置成容纳4个框架。壳体500包含门501。门501包含触摸屏用户界面506和开口502、503、504和504，盒可以通过其插入壳体500内的框架100中。门501安装在铰链511上，使得其可以旋转打开以允许进入壳体500的内部，如5b中所示。图5b示出了在壳体500内的3个框架506、507和508。空托架509和电连接510未使用，但是提供了通过添加第四框架来扩展系统的容量和/或功能的选择。框架506、507和508各自包含门(110a、110b和110c)，盒可以通过其插
入框架中或从框架中取出；以及壳体接合(111a、111b和111c)，其用于使框架与壳体接合和脱离。
[0076]
如图1中所示的光学装置102可包含照明器和检测器。照明器包含一个或更多个光学元件，例如led、滤光片、二向色镜(dichroic mirror)、宽带镜(broadband mirror)、非球面准直器(aspherical collimator)和/或球面中继透镜(spherical relay lens)。检测器包含一个或更多个光学元件，例如滤光片、二向色镜、宽带镜、非球面准直器、球面聚光镜、电荷耦合器件、光电二极管和/或光电倍增管。
[0077]
在某些实施方案中，光学装置包含照明器，如在图6的分解图中示出的照明器601，以及检测器，如在图7的分解图中示出的检测器701。转到图6，该实施方案中示出的照明器包含安装在led板602上的五个发光二极管(led)604a-e的集合。从led 604a-e中每一个发射的光被透射通过准直透镜615a-e的集合中的相应准直透镜，然后通过相应成像透镜606a-e，并且然后通过光谱滤光片608a-e的集合中的相应光谱滤光片。激发滤光片608a-e的集合中的每个滤光片是独特的，因为每个滤光片配置成透射与激发滤光片606a-e的集合中的其他滤光片不同的光波长或波长范围。透镜垫片603设置在led板602与准直透镜615a-e之间。透镜垫片605设置在准直透镜615a-e与成像透镜606a-e之间。
[0078]
在穿过激发滤光片的集合608a-e之后，光被透射至反射镜609a-e的集合。在某些实施方案中，反射镜609a-e的集合中的每个反射镜是二向色镜。然而，在一些实施方案中，反射镜609e可以是宽带镜。激发滤光片608a-e和反射镜609a-e安装在基板607上。从反射镜609a-e反射的光被导向光缆，该光缆将光引导至盒的pcr管。在图6的实施方案中，在前照明器壳体610中有四个端口611a-d，并且每个端口配置成在其中设置有一个光缆。前照明器壳体610在一侧被盖614包围。从led 604a-3中的每一个发射以及由照明器601的其他光学元件透射的光波长被合并并且透射通过设置在前照明器壳体610中的端口611a-d中的四个光缆中的每一条。中继透镜612设置在二向色镜609c与609d之间。中继透镜612沿设置在端口611a-d中的光缆的方向聚焦由位于后照明器壳体613中的反射镜609d和609e反射的光波长。每个光缆的另一端设置在热循环仪组件中的内腔内，使得来自照明器的光可以传输至热循环仪组件和可以布置在其中的扩增管。
[0079]
转到图7，该实施方案中示出的检测器包含四个准直透镜707a-d，每个接收来自光缆705a-d中相应光缆的光。光从准直透镜707a-d透射到反射镜712a-e。在某些实施方案中，反射镜712a-e的集合中的每个反射镜是二向色镜。然而，在一些实施方案中，反射镜712e可以是宽带镜。反射镜712a-e设置在包含框架708、盖718以及端盖709和710的壳体内。通道隔离器713、714、715、716和717有助于保持来自每个光缆的光路隔离。由反射镜712a-e反射的光通过发射滤光片的集合711中的相应发射滤光片。如图7所示，对于四个光缆705a-d中的每一条有五个发射滤光片。因此，发射滤光片的集合711包含20个发射滤光片。接收来自一个光缆的光的每组五个发射滤光片是独特的，因为每个滤光片配置成透射与该组中的其他滤光片不同的光波长或波长范围。穿过发射滤光片的集合711中的每个发射滤光片的波长被透射通过聚焦透镜的集合706中的相应聚焦透镜，并到达包含20个光电二极管检测器的光电二极管检测器板702。聚焦透镜706被安装至透镜块703。
[0080]
在某些实施方案中，使用分叉纤维光缆来使光学装置与热循环仪组件光通信。在这样的实施方案中，光缆的分叉端设置在光学装置中，其中一个分叉端设置在照明器中，并
且另一个分叉端的设置在检测器中。同样在这样的实施方案中，非分叉端可以设置在热循环仪组件中。电磁辐射的激发波长通过分叉纤维光缆从照明器传输至热循环仪组件中的pcr管的内容物，并且电磁辐射的发射波长通过分叉纤维光缆从热循环仪组件中的pcr管的内容物传输至检测器。
[0081]
以上说明书和实例提供了对示例性实施方案的结构和使用的完整描述。尽管上面已经以某种程度的特定性或参考一个或更多个单独的实施方案描述了某些实施方案，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的范围的情况下对所公开的实施方案进行多种改变。这样，本文装置的说明性实施方案不旨在限于所公开的特定形式。相反，其包含落入权利要求书范围内的所有修改和替代，并且除了所示的实施方案之外的实施方案可以包含所描绘的实施方案的一些或全部特征。此外，在适当的情况下，可以将上述任何示例的方面与所描述的任何其他实例的方面组合，以形成具有可比较或不同的性质并解决相同或不同的问题的其他实例。类似地，将理解，上述益处和优点可以涉及一个实施方案或可以涉及多个实施方案。
[0082]
权利要求书不应被解释为包括装置加功能或步骤加功能的限制，除非在给定的权利要求中分别使用短语“用于
……
的装置”或“用于
……
的步骤”明确地叙述了这种限制。
[0083]
参考文献：
[0084]
以下参考文献通过引用并入本文
[0085]
·
美国专利公开2014/0005078
[0086]
·
美国专利公开2014/0038192
[0087]
·
美国专利公开2015/0308958
[0088]
·
美国专利号9,827,567
[0089]
·
美国专利号9,248,422
[0090]
·
美国专利号7,695,952
[0091]
·
美国专利号7,773,790
[0092]
·
美国专利号7,888,107
[0093]
·
美国专利号7,396,677
[0094]
·
美国专利号6,750,016
[0095]
·
美国专利号6,602,669
[0096]
·
美国专利号6,506,564
[0097]
·
美国专利号7,321,829
[0098]
·
美国专利号7,250,499
[0099]
·
美国专利号5,538,848
[0100]
·
美国专利号5,804,375
[0101]
·
美国专利号7,422,850
[0102]
·
美国专利号8,698,101
[0103]
·
美国专利号9,115,393。