CN101218511A - 模块化试样处理设备套件和模块 - Google Patents

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Abstract

公开了模块化试样处理设备套件,它能够鉴于各种因素为用户提供定制基于转盘的分析的灵活性。本发明的试样处理设备套件包括可被保持在框架中的开口内的一个或多个处理模块。试样处理设备套件的框架和处理模块优选地适用于压缩该设备的试样处理系统。该处理模块可含有不同试剂以在相同试样材料或者各种试样材料上执行不同测试。结果,单独的试样处理设备可被用于执行各种不同测试并且可包括质量控制模块,该质量控制模块能够向用户提供使用该试样处理设备进行的处理的精确度的反馈。也公开了一种使用包括使处理模块和框架变形的试样处理设备的方法。

Description

模块化试样处理设备套件和模块
技术领域
本发明涉及一种可用于处理可能含有一种或多种受关注的分析物的试样的模块化试样处理设备套件。
背景技术
很多不同的化学、生化以及其它反应对于温度变化是敏感的。基因扩增领域中的热过程的实例包括但不限于聚合酶链反应(PCR)、Sanger定序等。可以基于所涉及材料的温度增强或者抑制该反应。虽然能够单独地处理试样并且获得准确的试样到试样的结果,单独处理是耗时的并且昂贵的。
已经研制出各种试样处理装置和设备以快速地和高效地处理试样。在例如共同受让的题目为“ENHANCED SAMPLE PROCESSINGDEVICES SYSTEMS AND METHODS”(Bedingham等人)的美国专利No.6,734,401中可找到一些特别有用的试样处理设备的实例。
虽然这些试样处理设备是有用的,但在很多情形中,它们提供比具体分析所需数目(其中可能需要少至一个处理腔室和有关试剂)显著更多的处理腔室(例如,96个、384个或者更多处理腔室)。而且,很多的这些试样处理设备含有到目前为止为试样处理设备的成本最高的构件的试剂。结果,仅仅使用处理腔室和试样处理设备中含有的试剂的一部分在成本方面可能是令人望而却步的。
发明内容
本发明提供一种模块化试样处理设备套件,考虑到各种因素,它能够为用户提供定制基于转盘的分析的灵活性。通常,本发明的试样处理设备套件包括能够被保持于框架中的开口内的一个或多个处理模块。
试样处理设备套件的框架和处理模块优选地适用于压缩例如在2005年7月5日提交的题目为“SAMPLE PROCESSING DEVICECOMPRESSION SYSTEMS AND METHODS”的美国专利申请No.11/174,757中公开的压缩系统的设备的试样处理系统。
在本发明可能的优点中存在如下优点,用户能够在本发明的试样处理设备的框架中组装不同处理模块。不同处理模块可含有不同试剂以在相同试样材料或者各种试样材料上执行不同测试。结果,单独的试样处理设备可被用于执行各种不同测试并且可包括质量控制模块,该质量控制模块能够在使用该试样处理设备进行的处理的精确度方面向用户提供反馈。
而且,可以使用仅仅需要的处理模块,从而用户可实现重大的节约,特别当处理模块被预印有昂贵试剂时,否则该试剂如果设于传统设备中则将被浪费掉。如果与给定框架可含有的数目相比需要更少的处理模块,则可用空白处理模块装载框架中的剩余开口以提供完整的处理设备,以便给定系统(例如在2005年7月5日提交的题目为“SAMPLEP ROCESSING DEVICE COMPRESSION SYSTEMS ANDMETHODS”的美国专利申请No.11/174,757,中描述的系统)中的适当处理所需的处理。
虽然在这里被描述成“套件”,但能够以组装或者未组装的方式将处理模块和框架提供给用户。在一些情形中,该套件可包括如在这里所述的那样使用的一个或多个空白模块。
本发明的一些试样处理设备的另一可能优点可包括,例如,布置于适于在压力下顺应于下面的热传递表面的形状的柔顺环形处理圈中的处理腔室。可通过例如将处理腔室定位于环形处理圈中而在本发明的设备中提供柔顺性,在该环形处理圈中,大部分体积被处理腔室所占据,优选地通过延伸穿过设备中的处理模块本体的空穴形成处理腔室。在这种构造中,形成模块结构的有限大小的本体位于环形处理圈中,从而在环形处理圈中改进了设备灵活性。
可改进环形处理圈中的柔顺性的其它可选特征可包括环形处理圈中的复合结构,该复合结构包括使用呈现粘弹性性能的压力敏感粘合剂连接到处理模块本体的外盖。压力敏感粘合剂的粘弹性性能允许外盖和处理模块本体在变形或者热膨胀/收缩期间相对运动,同时保持本发明试样处理设备中的流体结构的流体完整性。
如关于本发明的试样处理设备描述的,使用连接到处理模块本体的外盖也可提供以下优点,即可以选择用于不同外盖和处理模块本体的材料的特性以增强设备性能。
例如,一些外盖可优选地由相对不可延展的材料构造以抵制响应于由处理腔室和/或任何流体结构的其它特征中的试样材料产生的作用力而发生的隆起或者变形。例如,在试样处理设备旋转以输送和/或处理处理腔室中的试样材料的情况下,这些作用力可能是显著的。相对不可延展的一些材料的实例可包括,例如,聚酯、金属薄片、聚碳酸酯等。然而,应该理解并非必须要求不可延展性。例如,在一些实施例中,可以选择一个或多个外盖,因为它们提供一定的延展性。
可由用于本发明的一些外盖优选地呈现的另一性能是热传导性。例如,在处理腔室中的试样材料温度优选地被快速地加热或者冷却到选定温度或者需要准确温度控制的情况下,使用增强热传导性的外盖材料可改进热性能。可提供理想的热传导性能的材料的实例可包括,例如金属层(例如,金属薄片)、薄聚合物层等。
在用于本发明的外盖中另一可能有用的性能是它们能够透射选定波长的电磁能量的能力。例如,在一些设备中,电磁能量可被输送到处理腔室中以加热材料、激发材料(例如,发射荧光等)、可视地监视处理腔室中的材料等。
如上所述,如果用于外盖的材料过于具有延展性,则在例如转盘旋转、在处理腔室中加热材料等期间它们可能以不希望的水平隆起或者以其它方式扭曲。被用于构造本发明的处理腔室的外盖中的一种可能理想的性能组合可包括相对不可延展性、选定波长的电磁能量的透射性以及热传导性。当每一个处理腔室由处理模块本体中的空穴和在本体每一侧上的一对外盖构造时,一个外盖可被选择用于提供所需的透射性和不可延展性而另一外盖可被选择以提供热传导性和不可延展性。外盖的一种适当组合可包括,例如,提供透射性和相对不可延展性的聚酯外盖以及在处理腔室相对侧上提供热传导性和不可延展性的金属薄片外盖。使用压力敏感粘合剂将相对不可延展的外盖连接到处理模块本体可以优选地通过允许可能不存在于其它构造中的外盖和处理模块本体之间的相对运动而改进柔顺性和灵活性。
本发明的试样处理设备被设计用于处理包括至少一部分为液体组分形式的化学和/或生物混合物的试样材料。如果试样材料包括生物混合物,则生物混合物可优选地包括生物材料,例如含有缩氨酸和/或核苷的材料。还优选的是,生物混合物包括核酸扩增反应混合物(例如,PCR反应混合物或者核酸定序反应混合物)。
而且,流体结构(如果存在的话)可优选地不通气的,从而进出流体结构的唯一开口定位成靠近可向其中引入试样材料的输入井。在不通气流体结构中,终端,即远离旋转轴线和/或输入井的部分被密封以防止流体离开处理腔室。
在一个方面,本发明提供一种模块化试样处理设备套件,包括具有围绕框架的中心布置成环形阵列的多个开口的框架以及适于被保持在框架中的多个开口的一个开口中的一个或多个处理模块。装载到相邻开口中的相邻处理模块利用框架的径向支柱相互分离。每一个处理模块包括具有第一和第二主要表面的模块本体;连接到模块本体第二主要表面的金属薄片层;处理模块中的流体结构,该流体结构包括与处理腔室流体连通的输入井,其中该输入井定位成相对于框架的中心从处理腔室径向向内。该处理腔室包括由穿过模块本体的第一和第二主要表面形成的空穴和在第二主要表面中的空穴的上方连接到第二主要表面的金属薄片层限定的体积。当该一个或多个处理模块被保持在框架中的多个开口内时,该一个或多个处理模块的处理腔室形成模块化试样处理设备的环形处理圈。每一个处理模块具有沿着垂直于模块本体的第一和第二主要表面的方向测量的z轴厚度,该z轴厚度大于位于环形处理圈中的框架的每一个径向支柱部分的z轴厚度。
在另一方面,本发明提供一种适用于模块化试样处理设备的处理模块,该模块化试样处理设备具有框架,该框架具有绕该框架的中心布置成环形阵列的多个开口,该开口由径向支柱相互分离。该处理模块包括具有第一和第二主要表面的模块本体;连接到模块本体第二主要表面的金属薄片层;处理模块中的流体结构,该流体结构包括与处理腔室流体连通的输入井,其中该输入井定位成相对于框架的中心从处理腔室径向向内。该处理腔室包括由穿过模块本体的第一和第二主要表面形成的空穴和在第二主要表面中的空穴的上方连接到第二主要表面的金属薄片层限定的体积。该处理模块具有沿着垂直于模块本体的第一和第二主要表面的方向测量的z轴厚度,该z轴厚度大于位于环形处理圈中的框架的每一个径向支柱部分的z轴厚度。
在另一方面,本发明提供一种处理试样材料的方法,该方法包括提供模块化试样处理设备,该模块化试样处理设备包括:框架,该框架具有绕该框架的中心布置成环形阵列的多个开口;和一个或多个处理模块,它适于被保持在框架中的多个开口的一个开口中,其中装载到相邻开口中的相邻处理模块由框架的径向支柱相互分离。每一个处理模块还包括具有第一和第二主要表面的模块本体;连接到模块本体第二主要表面的金属薄片层;至少一个处理腔室,具有由穿过模块本体的第一和第二主要表面形成的空穴和在第二主要表面中的空穴的上方连接到第二主要表面的金属薄片层限定的体积。当该一个或多个处理模块被保持在框架中的多个开口内时,该一个或多个处理模块的处理腔室形成模块化试样处理设备的环形处理圈。该方法还包括在该一个或多个处理模块的至少一个处理腔室中提供试样材料并且在热结构的凸形传递表面上使试样处理设备的环形处理圈变形,其中该一个或多个处理模块和框架的一部分被偏斜以与凸形传递表面相一致。当在凸形传递表面上使环形处理圈变形时,该试样处理设备绕旋转轴线旋转。
下面结合本发明的各种示例性实施例讨论本发明的这些和其它特征以及优点。
附图说明
图1是根据本发明的示例性模块化试样处理设备套件的顶表面的透视图,其中处理模块被装载到框架中;
图2是图1的模块化试样处理设备的框架的透视图,其中处理模块被移除;
图3是图1的试样处理设备的一部分沿着图1中的线3-3截取的放大截面视图;
图3A是替代试样处理设备的一部分的截面视图;
图4是图1设备的一个处理模块的顶表面的放大透视图;
图5是图4的处理模块的底表面的放大透视图;
图6是图1试样处理设备的一部分沿着图1中的线3-3截取的放大截面视图;
图7描绘根据本发明的另一示例性模块化试样处理设备套件;
图8描绘根据本发明的一种示例性方法的一个试样处理设备的一部分的变形。
具体实施方式
在下面对本发明示例性实施例的描述中,参考形成本描述的一个部分的附图,并且在附图中以示例的方式示出可实施本发明的具体实施例。应该理解,可以使用其它实施例并且结构可以改变而不背离本发明的范围。
本发明提供模块化试样处理设备套件及其使用方法,它们涉及热处理,例如敏感化学处理(例如PCR扩增)、连接酶链反应(LCR)、自维持性序列复制、酶动力学研究、匀质配体结合分析以及要求精确热控制和/或快速热变化的更复杂的生化或者其它处理。该模块化试样处理设备套件(当组装时)优选地能够在控制该设备中的处理腔室中的试样材料的温度的同时旋转。在例如,共同受让的题目为ENHANCED SAMPLE PROCESSING DEVICES SYSTEMS ANDMETHODS(Bedingham等人)的美国专利No.6,734,401和题目为SAMPLE PROCESSING DEVICES的美国专利申请公开No.US2002/0064885中描述了可适用于本发明处理模块的适当构造技术/材料的一些实例。在例如2000年6月28日提交的并且题目为THERMALPROCESSING DEVICES AND METHODS的美国临时专利申请No.60/214,508;2000年6月28日提交的并且题目为SAMPLEPROCESSING DEVICES,SYSTEMS AND METHODS的美国临时专利申请No.60/214,642;2000年10月2日提交的并且题目为SAMPLEPROCESSING DEVICES,SYSTEMS AND METHODS的美国临时专利申请No.60/237,072;2001年1月6日提交的并且题目为SAMPLEPROCESSING DEVICES,SYSTEMS AND METHODS的美国临时专利申请No.60/260,063;2001年4月18日提交的并且题目为ENHANCEDSAMPLE PROCESSING DEVICES SYSTEMS AND METHODS的美国临时专利申请No.60/284,637;以及题目为SAMPLE PROCESSINGDEVICES AND CARRIERS的美国专利申请公开No.US 2002/0048533中可找到其它可用设备构造。例如在题目为CENTRIFUGAL FILLINGOF SAMPLE PROCESSING DEVICES(Bedingham等人)的美国专利No.6,627,159中可找到其它可能的设备构造。
虽然例如“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”等的相对位置术语可被用于本发明,但应该理解,这些术语仅仅以其相对意义被使用。例如,当用于本发明的设备时,“顶部”和“底部”可用于表示设备及其模块的相对的主要侧面。在实际使用中,描述成“顶部”或者“底部”的要素可在任何定向或者位置中找到并且不应被理解成将设备和方法限制到任何特定的定向或者位置。例如,在处理期间,试样处理设备或者模块的顶表面可能实际上位于试样处理设备或者模块的底表面下方(虽然仍可在试样处理设备或者模块的与底表面相对的侧面上找到顶表面)。
在图1中示出了模块化试样处理设备10的一个实施例的一个主要表面。设备10包括框架20,并且处理模块30位于框架20的开口中,即,套件处于装配构造中。在图2中单独示出框架20,在图2中示出了每一个开口22。开口22由从中央芯部26向外延伸到外部支撑圈28的一系列支柱24限定。
设备10还包括位于框架中央芯部26中的心轴孔12。心轴孔12可优选地具有适于接收心轴的尺寸和形状,该心轴可被用于绕沿着通过心轴孔12的中心的z轴方向延伸的旋转轴线旋转试样处理设备10。
本发明的任一试样处理设备的框架20中的开口22的准确数目可以改变。所示设备10包括在框架20的八个开口22中的八个处理模块30,但是本发明的设备的框架可具有少至两个的开口到多达所需数目的开口,即,可以设置多于八个的开口。
而且,虽然处理模块30位于所示框架20的每一个开口22中,框架20中的每一个开口22可以不必装有处理模块30。例如,如果框架20和适于使用设备10处理试样材料的任何处理系统被设计成处理框架20中的一个或多个开口保持空闲的设备10,则一些开口22可以保持空闲。
可替代地,未被处理模块30占据的框架中的开口22可由例如不包括要被处理的任何试剂和/或试样材料的空白模块占据。如在这里使用的,“空白模块”可包括真正空白的模块(即,适于布置在框架开口中的无特征本体)、未装载预印试剂的处理模块、装载有预印试剂但是无试样材料的处理模块、不再需要的用过的处理模块(但是在其它处理模块被处理时可用于填充框架中的开口)等。
如果用于处理该设备的系统被设计成最佳地用于完全装载的框架(例如在2005年7月5日提交的题目为SAMPLEP ROCESSINGDEVICE COMPRESSION SYSTEMS AND METHODS的美国专利申请No.11/174,757中描述的系统),则可以提供空白模块。在并非所有开口被具有试样材料的处理模块占据的框架中装载空白模块的另一可能原因在于为旋转目的而平衡框架,空白模块用作处理模块的平衡重。在这种应用中,如果对于位于框架相对侧上的处理模块而言无需平衡重,则框架中的一些开口可以保持空闲。
处理模块30可利用任何适当技术或者结构被保持在框架20中的开口22内。在所示实施例中,限定框架开口22的边缘的支柱24包括凸缘25,当处理模块30在开口22中时,处理模块30的互补边缘31停靠在该凸缘上(见,例如图2和3)。可能优选的是,凸缘25沿着支柱24的整个长度延伸,如图2所示。还可能优选的是,凸缘25向外延伸至外部支撑圈28的至少一部分并且沿着外部支撑圈28的至少一部分延伸(如图2所示)。
处理模块的凸缘25和边缘31优选地协作以在框架的开口22中支撑处理模块30。如图3所示,可能优选的是支柱24的底表面23相对于处理模块30的底表面32沿着z方向升高。在这种布置中,可能更加易于保证处理模块30的底表面32能够停靠在如将在这里在其它地方描述的热传递表面上或者与之物理接触。例如,在试样处理设备的给定框架20中的处理模块30的底表面32可以优选地限定接触平面,并且支柱24的表面23位于由处理模块30的最低表面32限定的接触平面的上方。也结合下面的图6描述了这个构思。
也可设置沿着外部支撑圈28定位的凹部27以便在开口22中保持处理模块30。凹部27可优选地适于容纳处理模块30上的互补突出部33(见,例如图4)。突出部33和凹部27可优选地便于将处理模块30在开口22中对准以及在开口22中保持模块30。此外,模块30的凸缘25和边缘31防止模块30在沿着z轴的一个方向中移动,而凹部27和互补突出部33可优选地相互配合以防止模块30相对于框架20在沿着z轴的两个方向中运动。
在处理模块30与突出部33的相对的端部处,夹持结构35优选地被用于进一步便于在框架20的开口22中保持处理模块30。该夹持结构35可优选地包括狭缝36,该狭缝可优选地设计成适当的尺寸和形状以容纳沿着中央芯部26延伸的开口22的边缘上的互补框架突出部29(见图2)。类似于开口22的相对外部边缘上的凹部27和突出部33,狭缝36和框架突出部29可优选地在沿着z轴的两个方向上限制模块30的运动。
狭缝36定位于其中的夹持结构35可优选地包括手柄37,可操纵该手柄以移动狭缝36使之脱离与框架突出部29的接合从而处理模块30可从框架20中的开口22被移除。可能优选的是,夹持结构35构造成使得含有狭缝36的部分被弹性地安装以压在框架突出部29上直至操纵或迫使手柄37沿着朝向模块突出部33的方向以释放狭缝36与框架突出部29的接合。夹持结构35可由聚合物材料与处理模块30的本体一起模制,或者夹持结构可由不同于处理模块30的本体的材料(例如,金属等)构造。
框架突出部29和夹持结构35中的互补狭缝36与模块突出部33和框架凹部27一起可优选地组合以在框架20的开口22中保持处理模块30。这些特征一起代表可用于在框架20的开口22中保持处理模块的机械互锁结构的一个示例性实施例。其它变型对于本领域技术人员而言是已知的。例如,突出部和狭缝/凹部的位置可被颠倒等。
应该理解,可以使用替代的保持技术来代替机械互锁结构。一种这样的替代技术示于图3A中,其中粘合剂121示出在支柱124的凸缘125和处理模块130的互补边缘131之间。粘合剂121可优选地为允许从框架(未示出)非破坏性移除处理模块130的压力敏感粘合剂。在其它情形中,粘合剂可以为永久性的,即,适于永久地保持处理模块130,模块130和框架(支柱124是它的一部分)在使用后被废弃。
用于本发明的试样处理设备中的框架可由任何适当的一种材料或者多种材料构造。然而,优选的是,框架由具有较低热传导性的材料构造,例如,可能优选的是,框架由聚合物材料制造,而不是由非金属制造。在一些实施例中,框架可基本由聚合物材料(例如,聚碳酸酯、聚丙烯、聚乙烯等)构成,虽然这种框架可在其中心处包括插入模制到聚合物结构中的金属毂(如果有助于与例如心轴等配合)。
在一些情形中,框架可被设计成重新用于不同处理模块。在其它情形中,框架可被设计成在一次使用之后被丢弃。处理模块在一次性框架中的连接在一些情形中可以是永久性的,即需要破坏框架和/或处理模块的一些部分以在使用之后将其分离。如果设计成多次使用,则框架在一些情形中甚至可被连接到处理系统的基板,例如在题目为ENHANCED SAMPLE PROCESSING DEVICES,SYSTEMS ANDMETHODS(Bedingham等人)的美国专利No.6,734,401或者2005年7月5日提交的题目为SAMPLEP ROCESSING DEVICECOMPRESSION SYSTEMS AND METHODS的美国专利申请No.11/174,757中描述的那些。
如在这里讨论的,用于本发明的试样处理设备的每一个处理模块优选地包括处理腔室,当在试样材料上或者使用试样材料执行一个或多个处理时,该处理腔室适于保持试样材料。可被执行的一些可能处理的实例包括例如PCR、Sanger定序等。
可能优选的是,当处理模块30被保持在试样处理设备10的框架20中的开口22中时,处理模块30中的处理腔室40限定环形处理圈。这个构思可能在附图中参考图1最好地示出,其中处理腔室40被布置成在该设备上限定环形处理圈。
如图1所示,可能优选的是,在每一个处理模块30上的多个处理腔室40被布置成形成圆弧的一部分,虽然这种布置不是需要的。例如,可以在任何一个处理模块30上以直线形式布置处理腔室40,使得处理腔室40在实际上将限定八边形的、六边形的、五边形的等的圈的边。其它布置也是可能的。
与处理腔室40的准确布置无关,它们优选地位于环形处理圈的边界内,并且在给定处理模块中或者在给定试样处理设备中从模块到模块的某些变型是可能的。在另一变型中,应该理解,在一些实施例中,并非框架20中的所有开口22将装有包括处理腔室40的处理模块30。如用于本发明的,设置一个处理模块可能是足够的,该处理模块包括可用于限定环形处理圈的处理腔室。例如,从图1可见,一个处理模块30及其相关处理腔室40将足以限定与本发明有关的环形处理圈。
图4和5是连同图1的试样处理设备10示出的处理模块30的一个的放大视图。图4是处理模块30的顶表面34的视图,并且更加详细地示出处理腔室40的构造。处理腔室40可优选地构造成穿过处理模块30的本体的顶表面34和底表面32(见图5)形成的空穴42。第一外盖44可优选地连接处理模块的顶表面34以限定处理腔室40的顶部。在处理模块30的相对侧上(见图5),第二外盖46可连接到底表面32以限定处理腔室40的底部。
可能优选的是,在如图4和5所示的处理模块30的所示实施例中用来与空穴42相结合而限定处理腔室40的外盖44和46被限制到大致上环形处理圈的区域,但它们不必受到如此限制。例如,可能的是,外盖44和46中的一个或者两个可在处理模块30的基本上整个表面上延伸。
连接到处理模块30的表面32和34的多个外盖44和46的一个可能优点在于外盖44和46可由提供不同性能的不同材料构造。可能优选的是,限定处理腔室40的外盖44和46的至少一个由基本透射选定波长的电磁能量的一种材料或者多种材料构造。例如,可能优选的是,外盖44和46的一个由允许肉眼监视或机器监视处理腔室40中的荧光或者颜色变化、将电磁能量输送到处理腔室中等的材料构造。
还可能优选的是,外盖44和46的至少一个包括金属层,例如金属薄片。如果设置为金属薄片,则外盖可优选地在面向流体结构内部的表面上包括钝化层,以防止试样材料和金属之间的接触。这种钝化层也可用作粘合结构,其中它可用于例如聚合物的热熔粘合。作为独立的钝化层的替代,用于将外盖连接到处理模块30的任何粘合剂层也可用作钝化层,以防止试样材料和外盖中的任何金属之间的接触。
在图4和5所示的处理模块的说明性实施例中,第一外盖44可优选地由聚合物薄膜(例如,聚丙烯、聚酯、聚乙烯等)制造,而处理模块30的相对侧上的外盖46可优选地包括金属层(例如,铝的金属薄片层等)。在这种实施例中,第一外盖44优选地将例如可见光谱、紫外光谱等的选定波长的电磁辐射透射进和/或出处理腔室40,而第二外盖46的金属层有助于使用热结构/表面将热能传递进和/或出处理腔室40,例如,在题目为ENHANCED SAMPLE PROCESSING DEVICES,SYSTEMS AND METHODS(Bedingham等人)的美国专利No.6,734,401或者2005年7月5日提交的题目为SAMPLE ROCESSING DEVICECOMPRESSION SYSTEMS AND METHODS的美国专利申请No.11/174,757中描述了这种热结构/表面。
可能优选的是,在为其热传导性而选择第二外盖46的情况下,限制第二外盖的尺寸使它基本对应于由处理腔室40限定的环形处理圈的面积。限制热传导外盖的尺寸的可能益处在于可限制传递到除环形处理圈之外的区域的热能的量。因此,可以限制热能传递到未被处理腔室占据的区域。相比起来,虽然第一外盖44也示出为基本被限制到环形处理圈的区域,但它可以替代地进一步延伸而不显著降低处理模块在热处理中的性能。
虽然在上面描述了用于外盖的材料的一些实例,但应该理解,处理模块的本体和与之连接的任何外盖可由任何适当的一种材料或者多种材料制造。适当材料的实例可包括,例如聚合物材料(例如,聚丙烯、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯等)、金属(例如,金属薄片)等。外盖可优选地但非必须地设置为例如金属薄片、聚合物材料、多层复合物等的基本平坦的片状零件。可能优选的是,为该本体和转盘的外盖选择的材料展示优良的防水性能。
外盖44和46可利用任何适当的一种技术或者多种技术(例如熔结、粘合剂、熔结和粘合剂的组合等)连接到处理模块30的表面32和34。如果被熔结,则可能优选的是,外盖和其所连接的表面包括例如聚丙烯或者某些其它可熔结材料以便进行熔结。然而,可能优选的是,可使用压力敏感粘合剂连接外盖。压力敏感粘合剂可设置为压力敏感粘合剂层的形式,该压力敏感粘合剂层可优选地被设置成外盖44或者46以及相对表面32或者34或者本体39之间的连续的、不间断的层45或者47,如图6所示。在例如题目为ENHANCED SAMPLEPROCESSING DEVICES,SYSTEMS AND METHODS(Bedingham等人)的美国专利No.6,734,401和题目为SAMPLE PROCESSINGDEVICES(Bedingham等人)的美国专利申请公开No.US 2002/0064885中描述了一些可能的适当连接技术、粘合剂等的实例。
压力敏感粘合剂通常呈现可优选地允许外盖相对于外盖所连接的下面的本体产生一些运动的粘弹性性能。该运动可能是环形处理圈变形的结果,以例如顺应于如在2005年7月5日提交的题目为SAMPLEROCESSING DEVICE COMPRESSION SYSTEMS AND METHODS的美国专利申请No.11/174,757和2005年7月5日提交的题目为COMPLIANT MICROFLUIDIC SAMPLE PROCESSING DISKS的美国专利申请No.11/174,680中描述的热传递结构的形状。在本发明的试样处理设备中,处理模块和框架的一些部分均可响应于压缩作用力变形。
所述相对运动也可为外盖和本体之间的不同热膨胀率的结果。无论本发明处理模块中的外盖和本体之间的相对运动的原因如何,可能优选的是压力敏感粘合剂的粘弹性性能允许处理腔室(以及任何流体结构的其它流体特征-如果存在的话)优选地保持它们的流体完整性(即,它们不泄漏)而与发生变形无关。
很多不同的压力敏感粘合剂可能被用于本发明。用于鉴别压力敏感粘合剂的一种公知技术是Dahlquist准则。如在Handbook of PressureSensitive Adhesive Technology,Donatas Satas(Ed.),2nd Edition,p.172,Van Nostrand Reinhold,New York,NY 1989中描述的,该准则将压力敏感粘合剂定义为具有高于1×10-6cm2/dyne的1秒蠕变柔量的粘合剂。可替代地,因为模量是一级近似的蠕变柔量的倒数,压力敏感粘合剂可被定义为具有低于1×106dynes/cm2的杨氏模量的粘合剂。如在TestMethods for Pressure Sensitive Adhesive Tapes,Pressure Sensitive TapeCouncil,(1996)中描述的,用于鉴别压力敏感粘合剂的另一种公知技术是,在室温下它具有高度和永久黏性并且在仅仅接触的情况下牢固地附着到各种不相类似的表面而不需要高于手指或者手压力的压力,并且可从光滑表面被移除而无残留。适当的压力敏感粘合剂的另一适当定义是,它优选地在由如在25℃下在模量对频率曲线图上绘制的下面的点限定的区域中的具有室温存储模量:在大致0.1弧度/秒(0.017Hz)的频率下大致2×105到4×105dynes/cm2的一系列模量,以及在大致100弧度/秒(17Hz)的频率下大致2×106到8×106dynes/cm2的一系列模量(例如见Handbook of Pressure Sensitive AdhesiveTechnology,Donatas Satas(Ed.),2nd Edition,Van Nostrand Rheinhold,New York,1989的173页的图8-16)。鉴别压力敏感粘合剂的这些方法的任何一种可被用于鉴别用于本发明的方法中的可能适当的压力敏感粘合剂。
可能优选的是,用于本发明的试样处理设备中的压力敏感粘合剂包括保证压力敏感粘合剂的性能不受水的不利影响的材料。例如,在试样装载和处理期间,压力敏感粘合剂优选地不会由于暴露于水而损失黏附力、损失粘着强度、软化、膨胀或者变得不透明。而且,压力敏感粘合剂优选地不含有在试样处理期间可被吸取到水中因此可能影响性能的任何组分。
鉴于这些考虑,可能优选的是,压力敏感粘合剂由憎水材料构成。因此,可能优选的是压力敏感粘合剂由硅树脂材料构成。即,压力敏感粘合剂可选自基于硅树脂聚合物和增粘树脂的组合的硅树脂压力敏感粘合剂材料的类,例如,在“Silicone Pressure Sensitive Adhesives”,Handbook of Pressure Sensitive Adhesive Technology,3rd Edition,pp.508-517中所述的。硅树脂压力敏感粘合剂由于其憎水性、其承受高温的能力及其粘附到各种不相类似表面的能力而知名。
优选地选择压力敏感粘合剂的组分以满足本发明的严格要求。在题目为SILICONE ADHESIVES,ARTICLES,AND METHODS(Ko等人)的国际公开WO00/68336中描述了一些适当的组分。
其它适当组分可基于硅树脂-聚脲基压力敏感粘合剂系列。在美国专利5,461,134(Leir等人);美国专利6,007,914(Joseph等人);国际公开No.WO96/35458(及其相关美国专利申请No.08/427,788(1995年4月25日提交);No.08/428,934(1995年4月25日提交);No.08/588,157(1996年1月17日提交);以及No.08/588,159(1996年1月17日提交);国际公开No.WO 96/34028(及其有关美国专利申请No.08/428,299(1995年4月25日提交);No.08/428,936(1995年4月25日提交);No.08/569,909(1995年12月8日提交);以及No.08/569,877(1995年12月8日提交));以及国际公开No.WO96/34029(及其有关美国专利申请No.08/428,735(1995年4月25日提交)和No.08/591,205(1996年1月17日提交))中描述了这种组分。
这种压力敏感粘合剂是基于硅树脂-聚脲聚合物和增粘试剂的组合。可根据需要从功能性(活性)和非功能性增粘剂中选择增粘试剂。一种或多种增粘试剂的水平可根据需要被改变从而向粘合剂成分赋予希望的粘性。例如,可能优选的是,压力敏感粘合剂组分为增粘polydiorganosiloxane oligurea嵌段共聚物,包括(a)软polydiorganosiloxane单元,硬聚亚安酯残余单元,其中聚亚安酯残余为聚亚安酯减去-NCO基团,可任选地,软和/或硬有机聚胺单元,其中异氰酸盐单元和胺单元的残余由尿素链接相连接;和(b)一种或多种增粘试剂(例如,硅酸盐树脂等)。
而且,用于本发明的压力敏感粘合剂层可以是单独的压力敏感粘合剂或者两种或更多种压力敏感粘合剂的组合或混合。例如,可通过溶剂涂覆、丝网印刷、辊筒印花、熔体挤出涂覆、熔喷、纹式涂布或者层压处理形成压力敏感层。粘合剂层可具有很多种厚度,只要它展示以上特征和性能。为了实现最大粘附可靠性并且在希望的情况下用作钝化层,粘合剂层可优选地是连续的并且不含针孔或者孔隙。
即使利用压力敏感粘合剂将例如外盖、本体等的各种构件连接到一起而制造试样处理设备,优选的是在提高的热和/或压力下通过将其层压到一起而增加构件之间的粘附力以保证构件的牢固连接。
优选的是使用展示压力敏感性能的粘合剂。这种粘合剂更加有利于大量生产试样处理设备,因为它们通常不涉及用于熔结中的高温粘合处理,并且它们也不存在使用液体粘合剂、溶剂粘合、超声波粘合等中固有的操作问题。
优选地由于以下能力而选择粘合剂:例如,良好地附着于用于构造外盖和外盖所连接的本体的材料、在高温和低温存储(例如,大约-80℃到大约150℃)期间保持粘附力,同时有效阻碍试样蒸发、耐受在水中的溶解、与用于转盘中的试样材料的组分发生反应等。因此,粘合剂的类型不是关键性的,只要它并不妨碍(例如,粘合DNA、溶解等)试样处理设备10中执行的任何处理。优选的粘合剂可包括在其中进行生物反应的分析设备的外盖薄膜上通常使用的那些。这些包括,例如,在国际公开Nos.WO 00/45180(Ko等人)和WO 00/68336(Ko等人)中描述的聚-α烯烃和硅树脂。
而且,本发明的试样处理转盘的压力敏感粘合剂层可以是一种粘合剂或者两种或更多种粘合剂的组合或者混合。例如可通过溶剂涂覆、丝网印刷、辊筒印花、熔体挤出涂覆、熔喷、纹式涂布或者层压处理形成粘合剂层。粘合剂层可具有很多种厚度,只要它展示以上特征和性能。为了实现最大粘附可靠性,并且在希望的情况下用作钝化层,粘合剂层可优选地是连续的并且不含针孔或者空隙。
优选的是,处理模块30和框架20位于环形处理圈中的部分呈现足够的柔顺性使得环形处理圈中的构件能够在压力下与下面的热传递表面的形状相一致。优选地利用环形处理圈中的构件的一些变形实现柔顺性,同时保持处理腔室40的流体完整性(即,不引起泄漏)。当用于例如在2005年7月5日提交的题目为SAMPLE PROCESSINGDEVICE COMPRESSION SYSTEMS AND METHODS的美国专利申请No.11/174,757中描述的方法和系统时,这种柔顺环形处理圈是有用的。
图6是图1的试样处理设备沿着图1中的线6-6截取的放大剖视图,并且可用于讨论有助于柔顺性和进和/或出处理腔室的热传递的某些特征。
如图2和6所示,可通过限制位于环形处理圈中的框架材料的量而增强环形处理圈的柔顺性。例如,支柱24可包括从中央芯部26向外延伸但是在未达到环形处理圈处终止的肋条21,如图2和6所示。
此外,也可通过提供具有比环形处理圈中的支柱24的厚度更大的复合厚度的处理模块30而增强框架20中的处理模块30的柔顺性(其中沿着z轴线测量厚度)。如在这里讨论的,限制环形处理圈中的支柱24的厚度也可提供以下优点,即外盖46成为试样处理设备的最低构件。例如,在试样处理设备的给定框架20中的处理模块30的外盖46可优选地限定接触平面,并且位于该接触平面上方的支柱24的表面23由外盖46的最低表面限定。
虽然使用粘弹性压力敏感粘合剂形成的将外盖连接到处理模块本体的用于处理模块的复合结构可用于提供含有处理腔室的环形处理圈的柔顺性,但通过使用孔穴形成处理腔室可以实现环形处理圈的柔顺性的进一步增强,该空穴穿过处理模块本体形成。在一些实施例中,优选的是,处理腔室40的空穴占据位于由处理腔室40限定的环形处理圈中的处理模块本体的50%或者更多体积。
参考图1的设备,在处理腔室40中没有设置供应材料的结构。在这种实施例中,优选的是在制造处理模块30期间,将试剂置于处理腔室40中。然后可通过例如刺破外盖44和46中的一个、通过在处理腔室装载试样材料之后连接外盖中的一个等将试样材料输送到处理腔室40中。在2003年6月26日公开的题目为SAMPLE PROCESSINGDEVICE WITH RESEALABLE PROCESS CHAMBER的美国专利申请公开No.2003/0118804(Bedingham等人)描述了可通过刺破可重密封的外盖而被装载的可重新密封的处理腔室。
然而,在其它实施例中,优选的是提供包括例如输入井、输送通道、装载腔室、多个处理腔室、导孔、阀门、过滤器等特征的流体结构。在例如题目为ENHANCED SAMPLE PROCESSING DEVICES,SYSTEMS AND METHODS的美国专利No.6,734,401(Bedingham等人);题目为SAMPLE PROCESSING DEVICES的美国专利申请公开No.US 2002/0064885(Bedingham等人);和2005年7月5日提交的题目为COMPLIANT MICROFLUIDIC SAMPLE PROCESSINGDISKS的美国专利申请No.11/174,680中可找到这种流体结构(有时也被称为处理阵列)的实例。
图7示出根据本发明的替代试样处理设备,其中在设于试样处理设备210中的每一个处理模块230上除了处理腔室240外还设置输入井250。每一个输入井250可优选地通过输送通道260而被连接到一个处理腔室240。因此,每一组输入井250、输送通道260和处理腔室240可被表征为如在前面段落中指定的文献中描述的流体结构或者处理阵列。
示于图7的试样处理设备中的另一变型在于位于框架220中的处理模块210的数目。由图可见,与示于图1的试样处理设备10中的八个模块30不同,设备210包括仅仅六个处理模块230。
如在这里讨论的,优选的是,本发明的试样处理设备包括限定环形处理圈的处理腔室,该环形处理圈呈现柔顺性以改进对处理模块的处理腔室中的材料的热控制。如何将柔顺环形处理圈用于本发明的一个实例被示于图8中。根据本发明的框架320中的试样处理模块330的一个部分在图8中被示为接触形成于热结构308上的成形的传递表面306。
在例如2005年7月5日提交的题目为SAMPLE PROCESSINGDEVICE COMPRESSION SYSTEMS AND METHODS的美国专利申请No.11/174,757中更加详细地描述了热结构及其传递表面。然而,简要地,优选地利用任何适当的技术来控制热结构308的温度,其中传递表面306便于传递热能进或者出热结构308以控制例如设置成接触传递表面306的处理模块的温度。
在要被热控制的部件是试样处理设备中的处理模块的情况下,可通过使模块330与传递表面306的形状相一致而增强热结构和模块330之间的热能传递。在仅仅处理模块330的一部分,例如环形处理圈,接触传递表面306的情况下,优选的是仅仅模块330的这个部分变形使得它与传递表面306的形状相一致。
图8示出这种情况的一个实例,其中试样处理模块330包括本体350,外盖370和380分别使用粘合剂(优选地压力敏感粘合剂)层371和381连接到该本体。外盖370和380可优选地被基本限制到如在这里描述的环形处理圈的区域。如也在这里被描述的,将粘弹性压力敏感粘合剂用于层371和381可改进处理模块330的环形处理圈的柔顺性。
如所示那样通过变形模块330以与传递表面306的形状相一致,能够提高热结构308和处理模块330之间的热耦合效率。处理模块330的这种变形可用于促进接触,即便面向传递表面306的处理模块330的表面或者传递表面306自身包括不规则性,该不规则性在没有变形的情况下将妨碍均匀接触。
为了进一步促进处理模块330的变形以与传递表面306的形状相一致,优选的是在外盖300中包括压缩圈302和304,该压缩圈用于结合传递表面306在处理模块330上提供压缩作用力,使得圈302和304接触处理模块330,基本跨越面向传递表面306的处理模块330的环形处理圈。通过将外盖300和模块330的环形处理圈之间的接触限制到圈302和304,可实现增强的热控制,因为更少的热能将通过外盖300和处理模块330之间的有限接触区域传递。
如图8所示,处理模块330的变形可优选地包括环形处理沿着垂直于处理模块330的主要表面、即沿着如图8所示的z轴线的方向(也可被描述为垂直于处理模块330的主要表面的方向)的偏斜。
除了处理模块330的环形处理圈部分的偏斜或者变形之外,还优选的是跨越环形处理圈的框架320的一个或多个部分也由于使处理模块330变形的压缩作用力而变形。优选的是框架变形基本为弹性变形,即,在移除变形力之后,框架基本恢复到其变形前的形状。通过终止加强肋条(见例如图2中的参考标记21)使得它们不延伸到环形处理圈中而限制框架和位于其中的处理模块的变形,从而可增强环形处理圈的区域中的框架320的有限变形。
如在这里以及在所附权利要求中使用的,单数形式“一”、“和”和“该”包括多个所指对象,除非上下文另外明确指出。因此,例如,对“一“或者“该”构件的引用可包括本领域技术人员已知的一个或多个构件及其等同物。
在这里引用的所有参考和出版物通过参考在此明确地整体并入本公开。讨论了本发明的示例性实施例并且已经参考了本发明的范围中的一些可能的变型。在本发明中的这些和其它变型以及改进对本领域技术人员而言是明显的,而不背离本发明的范围,并且应该理解,本发明不限于在这里阐述的示例性实施例。因此,本发明仅由在下面提供的权利要求及其等同物限制。

Claims (20)

1.一种模块化试样处理设备套件,包括:
框架,包括围绕所述框架的中心布置成环形阵列的多个开口;
一个或多个处理模块,适于被保持在所述框架中的所述多个开口的一个开口中,其中被装载到相邻开口中的相邻处理模块由所述框架的径向支柱相互分离,并且其中每一个处理模块还包括:
模块本体,包括第一和第二主要表面;
金属薄片层,连接到所述模块本体的所述第二主要表面;
所述处理模块中的流体结构,该流体结构包括与处理腔室流体连通的输入井,其中该输入井定位成相对于所述框架的中心径向向内于所述处理腔室,
其中所述处理腔室包括由穿过所述模块本体的所述第一和第二主要表面形成的空穴和在所述第二主要表面中的所述空穴的上方连接到所述第二主要表面的所述金属薄片层限定的体积;
其中当该一个或多个处理模块被保持于所述框架中的所述多个开口中时,该一个或多个处理模块的所述处理腔室限定所述模块化试样处理设备的环形处理圈;
并且其中每一个处理模块包括沿着垂直于所述模块本体的所述第一和第二主要表面的方向测量的z轴厚度,该z轴厚度大于位于所述环形处理圈中的所述框架的每一个径向支柱的部分的z轴厚度。
2.根据权利要求1所述的套件,其中,对于每个所述处理模块,所述处理腔室占据所述环形处理圈中的所述模块本体的部分的体积的50%或者更多。
3.根据权利要求1所述的套件,其中,对于每一个处理模块,所述金属薄片层利用压力敏感粘合剂连接到所述处理模块的所述第二主要表面。
4.根据权利要求1所述的套件,其中,当所述处理模块被保持在所述框架中的所述多个开口中时,该一个或多个处理模块的所述金属薄片层占据所述模块化试样处理设备的所述环形处理圈。
5.根据权利要求1所述的套件,其中每一个处理模块包括机械互锁结构,所述机械互锁结构与所述框架中的所述多个开口的每一个开口中的互补结构相配合。
6.根据权利要求1所述的套件,其中每一个处理模块以粘合的方式被保持在所述框架中的所述多个开口的每一个开口中。
7.根据权利要求1所述的套件,其中在每一个处理模块中的所述处理腔室包括将选定波长的电磁能量透射进或者透射出所述处理腔室的窗口。
8.根据权利要求7所述的套件,其中该窗口包括聚合物层,所述聚合物层在所述第一主要表面中的所述空穴的上方以粘合的方式连接到所述模块本体的所述第一主要表面。
9.根据权利要求1所述的套件,其中该一个或多个处理模块的每一个处理模块中的所述处理腔室含有试剂,并且其中至少两个处理模块的所述处理腔室中的所述试剂是不同的。
10.根据权利要求1所述的套件,还包括一个或多个空白模块,所述空白模块的每一个适于被保持在所述框架中的所述多个开口的一个开口中,其中所述空白模块基本没有试剂。
11.一种适用于模块化试样处理设备的处理模块,该模块化试样处理设备包括框架,所述框架具有围绕所述框架的中心布置成环形阵列的多个开口,所述开口由径向支柱相互分离,其中该处理模块包括:
模块本体,包括第一和第二主要表面;
金属薄片层,连接到所述模块本体的所述第二主要表面;
所述处理模块中的流体结构,该流体结构包括与处理腔室流体连通的输入井,其中该输入井定位成相对于所述框架的所述中心径向向内于所述处理腔室,
其中所述处理腔室包括由穿过所述模块本体的所述第一和第二主要表面形成的空穴和在所述第二主要表面中的所述空穴的上方连接到所述第二主要表面的所述金属薄片层限定的体积;
其中该处理模块包括沿着垂直于所述模块本体的所述第一和第二主要表面的方向测量的z轴厚度,该z轴厚度大于位于所述环形处理圈中的所述框架的每一个径向支柱的部分的z轴厚度。
12.根据权利要求11所述的处理模块,其中所述处理腔室占据位于所述环形处理圈内的所述模块本体的部分的体积的50%或者更多。
13.根据权利要求11所述的处理模块,其中所述金属薄片层利用压力敏感粘合剂连接到所述处理模块的所述第二主要表面。
14.根据权利要求11所述的处理模块,其中所述处理模块包括机械互锁结构,所述机械互锁结构与所述框架中的所述多个开口的每一个开口中的互补结构相配合。
15.根据权利要求11所述的处理模块,其中所述处理模块以粘合的方式被保持在所述框架中的所述多个开口的开口中。
16.根据权利要求11所述的处理模块,其中所述处理腔室包括将选定波长的电磁能量透射进或者透射出所述处理腔室的窗口。
17.根据权利要求16所述的处理模块,其中该窗口包括聚合物层,所述聚合物层在所述第一主要表面中的所述空穴的上方以粘合的方式连接到所述模块本体的所述第一主要表面。
18.根据权利要求11所述的处理模块,其中所述处理模块中的所述处理腔室含有试剂。
19.根据权利要求11所述的处理模块,其中该处理模块包括多个处理腔室,其中该多个处理腔室的每一个处理腔室包括位于其中的试剂。
20.一种处理试样材料的方法,该方法包括:
提供模块化试样处理设备,该模块化试样处理设备包括:框架,所述框架包括围绕该框架的中心布置成环形阵列的多个开口;和一个或多个处理模块,适于被保持在所述框架中的所述多个开口的一个开口中,其中装载到相邻开口中的相邻处理模块由所述框架的径向支柱相互分离,其中每一个处理模块还包括:模块本体,包括第一和第二主要表面;金属薄片层,连接到所述模块本体的所述第二主要表面;至少一个处理腔室,包括由穿过所述模块本体的所述第一和第二主要表面形成的空穴和在所述第二主要表面中的所述空穴的上方连接到所述第二主要表面的所述金属薄片层限定的体积,其中当该一个或多个处理模块被保持在所述框架中的所述多个开口内时,该一个或多个处理模块的所述处理腔室限定所述模块化试样处理设备的环形处理圈;
在该一个或多个处理模块的所述至少一个处理腔室中提供试样材料;
在热结构的凸形传递表面上使所述试样处理设备的所述环形处理圈变形,其中该一个或多个处理模块和所述框架的一部分被偏斜,以与所述凸形传递表面相一致;并且
在所述凸形传递表面上使所述环形处理圈变形的同时,绕旋转轴线旋转该试样处理设备。
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