CN102803147B - 通用样品准备系统以及在一体化分析系统中的用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供可以处理原始生物样品、进行生物化学反应并且提供分析读出的系统。例如，系统可以从拭子提取DNA，扩增来自DNA的STR基因座，并且分析被扩增的基因座和样品中的STR标志物。系统通过使用微流体部件连接可以是宏观流体功能的功能以整合这些功能。在一个实施方案中，系统包括样品提纯模块、反应模块、反应后清除模块、毛细管电泳模块和计算机。在某些实施方案中，系统包括用于进行分析物捕获的一次性暗盒。暗盒可以包括流体歧管，流体歧管具有宏观流体室，宏观流体室与将液体在室之间引导的微流体芯片相匹配。系统装配在不大于10ft³的包围物内，并且可以是封闭系统、便携式系统和/或电池操作的系统。系统可以被用于使原始样品在少于4小时内进行分析。

Description

通用样品准备系统以及在一体化分析系统中的用途

交叉引用

本申请涉及于2009年6月5日提交的USSN61/184,759和于2009年8月20日提交的USSN61/235,664，它们为了所有目的以它们的整体通过引用并入本文。

关于联邦资助的研究的声明

本发明在被中央情报局奖励的合同第2004*H838109*000号下在政府支持下作出。政府可以具有本发明的某些权利。

技术领域

本发明涉及用于处理和分析生物样品的系统和方法。

发明背景

样品准备是生物分析系统中普遍存在的问题。从多种原始样品类型提供被足够地提纯的目标以可靠地进行下游的分析鉴定的问题是普遍的并且覆盖细胞生物学、基因组学、蛋白质组学、代谢组学、食物生物学、分子诊断以及许多其他的生物和医学鉴定。虽然已经作出了样品准备中的许多进步，但是主要的解决方案已经开发出被手动地或在机器人系统中使用的使用直线的阶段或多轴线臂操纵样品的试剂。

微流体核酸提纯可以被进行以准备用于核酸鉴定的样品。对于DNA分析来说，PCR扩增是一个目前的方法。微阵列DNA、RNA和蛋白质分析也需要在样品可以被施用于微阵列以进行反应和读出之前的广泛的样品准备。

样品可以通过多种基材和基质被获得。基质可以含有复杂混合物，包括干扰基于DNA的扩增的抑制性的化合物，例如血红素、靛蓝、腐殖酸、二价阳离子和蛋白质等等。气溶胶可以含有大量的霉菌、金属和土壤腐殖酸以及干扰PCR扩增的其他酸，即金标准。

早期的工作显示，被少达三种接种的生物可以被从土壤提取物的稀释的样品检测到，随后进行两个16S核糖体基因片段的PCR扩增。低熔融温度琼脂糖已经被用于从土壤样品提取DNA以用于使用通用引物的16S和18SrDNAPCR扩增。以柱形式的旋转分离凝胶可以被用于例如葡聚糖凝胶柱。开发了多步骤提纯，例如与葡聚糖凝胶柱组合的有机提取。珠打击被发现是用于准备用于大量的生物以及在液氮中的研磨以检测少量的生物的样品的有效方式。虽然这些方法是有效的，但是它们最适合用于研究实验室环境。

向柱、珠和表面的固相提取可以被用于在DNA分析之前提纯DNA。蛋白酶K，和随后的QiagenQIAAmp硅胶膜柱以及IsoCodeStix（基于浸渍膜技术），和随后的加热、洗涤以及快速离心，被与缓冲剂、血清和全血中的炭疽芽胞杆菌Sterne营养细胞以及缓冲剂中的孢子比较并且被发现良好地工作。

发明概述

微流体和纳米流体允许微型的样品体积被准备以用于分析。优点包括试剂的纳米尺度消耗以减少操作成本，以及全自动化以消除操作者差异。微流体样品准备可以与现有的或未来的检测方法接口连接或是被完全地一体化的系统的一部分。在本申请中，公开将具有多于10mL的体积的全体积样品准备与微升以及更小的体积一体化以用于样品准备和分析的方法和设备。

从样品开始，本发明可以被应用于浓缩以及预分离组分，以进行进一步的处理，以使用通过ELISA、PCR或其他的核酸扩增技术、单一的分子检测、蛋白质阵列、质谱法以及本领域技术人员熟知的其他的分析方法检测和分类包括气溶胶样品、水、液体、血液、粪便、鼻拭子、面颊拭子以及其他的拭子、体液、环境样品的基质中的生物体。

多种分离可以被使用本发明的装置和方法进行。例如，本发明的装置和方法可以被用于进行色谱法、基于相的或基于磁性的分离、电泳、蒸馏、提取和过滤。例如，微流体通道或毛细管可以被用于色谱法或电泳。此外，珠例如磁性珠可以被用于基于相的分离和基于磁性的分离。珠，或本文描述的任何其他的表面，可以被展示向目标的特异性的或非特异性的结合的结合部分官能化。结合可以是基于静电、范德华力、疏水性、亲水性、氢键、离子相互作用、以及部分共价相互作用，例如在金和硫之间展示的共价相互作用。在优选的实施方案中，本发明的装置和方法利用免疫磁性分离。

免疫磁性分离（IMS）是允许目标被在单一的步骤中使用采用顺磁珠和磁场的机械上简化的形式被捕获和浓缩的有效的技术（见GrodzinskiP、LiuR、YangJ、WardMD.Microfluidicsystemintegrationinsamplepreparationmicrochip-sets-asummary（样品准备微芯片集合中的微流体系统一体化--概述）.ConfProcIEEEEngMedBiolSoc.2004；4:2615-8.，PeoplesMC、KarnesHT.Microfluidicimmunoaffmityseparationsforbioanalysis（用于生物分析的微流体免疫亲和分离）.JChromatogrBAnalytTechnolBiomedLifeSci.2007Aug30.,andStevensKA、JaykusLA.Bacterialseparationandconcentrationfromcomplexsamplematrices:areview（从复杂的样品基质的细菌分离和浓缩：综述）.CritRevMicrobiol.2004；30（l）:7-24.）。IMS可以被用于捕获、浓缩并且然后提纯特异性的目标抗原、蛋白质、毒素、核酸、细胞、病毒和孢子。虽然IMS如最初地使用的涉及使用抗体，但是我们将其使用总结为包括其他的特异性的亲合相互作用，包括凝集素、DNA-DNA、DNA-RNA、生物素-链霉抗生素蛋白，以及其他的被偶联于固相的亲合相互作用。IMS通过将特异性的亲合试剂（典型地抗体或DNA）结合于仅在外部磁场的存在下是磁性的顺磁珠起作用。珠可以被加入复杂的样品中，例如气溶胶、液体、体液或食物。在目标向亲合试剂（其本身被结合于顺磁珠）的结合之后，珠通过磁场的施加被捕获。未被结合的或被松弛地结合的材料通过使用相容的缓冲剂洗涤被除去，这将目标从最初的样品中的其他的不想要的材料提纯。因为珠是小的（约1nm至约1μm）并且结合高水平的目标，所以当珠被磁力浓缩时，它们典型地形成在1nL和1μL之间的珠床，因此在目标被提纯的同时浓缩目标。被提纯和浓缩的目标可以在珠上被方便地运输、变性、溶解或分析，或被从珠洗脱以进行进一步的样品准备或分析。

免疫磁性分离被广泛用于许多应用，包括食物、体液和其他基质中的微生物的检测。顺磁珠可以被容易地混合和操纵，以及被适应于微观尺度和微流体应用。这种技术提供了对宏观尺度向微观尺度的界面连接的优良的解决方案：珠是近乎理想的载体，以提纯在宏观尺度的样品并且然后将样品浓缩至纳米尺度（100nL数量级），以引入微流体或纳米流体平台中。免疫磁性分离被在实时PCR、电化学发光和磁力区别之前用作上游提纯步骤。

在微芯片上运动流体的能力是相当重要的。本发明描述在样品捕获和提纯、微分离、微阀、微泵和微路由器、纳米流体控制和纳米尺度生物化学中的技术。技术的关键的组成部分是微机器人芯片上阀（MOVe）技术（其实例在图1中示出）以及其在微型化和自动化复杂的工作流程上的应用。共同地，MOVe阀、泵和路由器以及用于操作它们的仪器可以被称为微芯片流体处理平台。

微芯片流体处理平台技术的核心是运输、处理和使样品的分析能够进行的MOVe泵、阀和路由器。这些新颖的外部致动的气动驱动的芯片上阀、泵和路由器最初地在加州大学伯克利分校（U.C.Berkeley）的Mathies实验室中开发（Grover、W.H.A.M.Skelley、C.N.Liu、E.T.Lagally和R.M.Mathies.2003.SensorsandActuatorsB89315-323；RichardA.Mathies等人，美国专利申请20040209354Al，2004年10月21日；其全部以它们的整体通过引用并入本文），可以以20nL至10μL的操纵体积控制流体流动。

MOVe阀和泵（图1）可以将两个玻璃和/或塑料微流体层与打开和关闭阀的聚二甲基硅氧烷（PDMS）可变形膜层以及变形膜并且致动阀的气动层组合。被在顶部玻璃流体晶片中蚀刻的微流体通道是不连续的并且引导至正常地是关闭的阀座（图1A）。当真空被常规尺度的真空和压力源施用于气动置换室时，正常地是关闭的PDMS膜从阀座提升以打开阀（图1B）。图1C示出了具有与其他的图相似的尺度的阀的俯视图。

三个微型阀可以被用于使在微芯片上的微型泵将流体从输入区运动至微芯片A上的输出区域。流体被三个或更多个阀运动。阀可以产生可变形的结构的致动。在某些实施方案中，阀座被产生，并且在其他实施方案中，没有阀座可以被需要。图2示出了从顶部至底部的MOVe装置：阀、路由器、混合器、珠捕获。自吸MOVe泵（图2，顶部）通过协调三个阀的操作被制造并且可以产生在任一方向的流动。路由器由三个或更多个MOVe阀制造（图2，中上图）。混合已经是微流体的有效方式：MOVe混合器（图2，中下图）迅速地混合样品和试剂。MOVe装置精巧地使用磁性珠工作，以泵送或诱捕珠的集合（图2，下图）。

正常地是关闭的MOVe阀、泵和路由器是耐用的，容易地以低成本制造，可以在高密度的阵列中操作，并且具有低死体积。MOVe阀、泵和路由器的阵列容易地在微芯片上制造。显著地，微芯片上的所有的MOVe阀、泵和路由器在使用PDMS膜的单一的片材的简单的制造工艺中被同时产生，其在制造微芯片上的5个MOVe微型泵时具有与制造500个相同的成本。这种新颖的技术第一次提供了产生在微芯片上的复杂的微流体和纳米流体回路的能力。

讨论微芯片的使用和设计的专利和申请包括于2007年12月25日公布的US7,312,611；于2001年2月20日公布的美国专利6,190,616；于2002年7月23日公布的美国专利6,423,536；美国专利10.633,171，2005年3月22日；于2005年3月22日公布的美国专利6,870,185，于2001年1月25日提交的美国申请第US2001-0007641号；于2002年4月18日提交的美国申请US20020110900；于2005年9月15日提交的美国专利申请20070248958；于2003年12月29日提交的美国专利申请US20040209354；于2003年12月29日提交的美国专利申请US2006/0073484；于2005年5月25日提交的US20050287572；于2007年3月21日提交的美国专利申请US20070237686；于2004年11月24日提交的US20050224352；于2005年9月15日提交的US20070248958；于2007年2月2日提交的US20080014576；以及于2006年7月26日提交的美国申请US20070175756；其全部以它们的整体通过引用并入本文。

本发明提供可以处理原始生物样品、进行生物化学反应并且提供以多路（multiplex）的分析读出的系统。例如，系统可以从拭子提取DNA，扩增来自DNA的STR基因座，并且分析被扩增的基因座和样品中的STR标志物。系统通过使用微流体部件连接可以是宏观流体功能的功能以整合这些功能。在一个实施方案中，系统包括样品提纯模块、反应模块、反应后清除模块、毛细管电泳模块和计算机。在某些实施方案中，系统包括用于进行分析物捕获的一次性暗盒。暗盒可以包括流体歧管，流体歧管具有宏观流体室，宏观流体室与将液体在室之间引导的微流体芯片相匹配。系统装配在不大于10ft³的包围物内，并且可以是封闭系统、便携式系统和/或电池操作的系统。系统可以被用于使样品在少于4小时内进行分析。

在一个方面，本发明提供装配在不大于10ft³的包围物内的系统，所述系统包括：（a）样品准备模块，其被配适为从非微流体体积捕获分析物至捕获颗粒上并且将被捕获的分析物引导经过微流体通道；（b）反应模块，其包括与所述微流体通道流体连通的反应室并被配适为固定化所述被捕获的分析物并且在非微流体体积中进行对所述分析物的生物化学反应，以生成反应产物；（c）以及分析模块，其与所述反应室流体连通并且被配适为进行对所述反应产物的分析。在一个实施方案中，所述系统被配置为在少于4小时内、在少于3小时内或甚至在少于2小时内捕获所述分析物、进行对所述分析物的生物化学反应，并且进行对所述产物的分析。在一个实施方案中，所述系统还包括被配置为从所述分析模块接收关于所述分析的数据的数据分析模块并且包括转换所述数据并且输出所述分析的结果的可执行代码。在另一个实施方案中，所述系统还包括处理模块，所述处理模块与所述反应室和所述分析模块流体连通并且被配适为（1）引导所述反应产物经过第二微流体通道进入非微流体处理室中；（2）处理所述反应产物以及（3）引导所述被处理的反应产物进入所述分析模块中。在一个具体的实施方案中，所述系统装配在不大于8ft³，不大于5ft³或不大于2.5ft³的包围物内。在所述系统的另一个实施方案中，所述样品准备模块被配适为从细胞释放所述分析物。在所述系统的另一个实施方案中，所述捕获颗粒是磁响应捕获颗粒并且反应模块包括被配置为固定化被捕获的分析物的磁力源。在所述系统的另一个实施方案中，所述反应模块被配适为进行热循环。在所述系统的另一个实施方案中，所述系统是封闭系统和/或电池操作的。

在另一个方面，本发明提供系统，包括暗盒覆盖物、暗盒和气动歧管，其中所述暗盒可以被可释放地啮合于所述暗盒覆盖物和所述气动歧管，其中所述暗盒包括一个或多个气动致动阀和一个或多个微流体通道，其中所述气动歧管和所述暗盒覆盖物各自被流体地连接于至少一个压力源，并且其中所述气动歧管和所述暗盒覆盖物各自被配适为控制所述暗盒内的流体流动。在一个实施方案中，所述气动歧管被配适为致动所述气动致动阀并且所述暗盒覆盖物被配适为将压力施加于所述暗盒中的一个或多个室。

在另一个方面，本发明提供系统，包括：（a）一次性暗盒，所述一次性暗盒包括至少一组流体室和试剂卡片，所述至少一组流体室包括彼此流体连通的样品室、混合室和热循环室，所述试剂卡片包括用于进行涉及热循环的化学反应的试剂，其中所述试剂卡片被配置为被以封闭配置承载在所述暗盒上并且被配置为被运动为与所述至少一组流体室流体连通；（b）致动器组件，其被配置为在所述暗盒被啮合于所述致动器组件时将流体在室之间运动；（c）热循环器，其被配置为在所述暗盒被啮合于所述致动器组件时循环所述热循环室中的温度；（d）毛细管电泳组件，其被配置为在所述暗盒被啮合于所述致动器组件时从暗盒接受样品并且被配置为进行对所述样品的毛细管电泳；以及（e）计算机化控制系统，其被配置为控制所述致动器组件、所述热循环器和所述毛细管电泳组件。

在另一个方面，本发明提供暗盒，包括：（a）流体歧管，其包括流体侧和试剂卡片侧，其中所述流体歧管包括：（i）至少一组流体室，每个室包括在所述流体侧上的口；（ii）至少一个热循环室，其包括至少一个口；（iii）至少一个出口；（iv）在所述试剂卡片侧上的槽，其被配适为啮合试剂卡片，其中所述槽包括多个槽通道，所述多个槽通道包括在所述试剂卡片侧上的套管并且在所述两个侧之间连通；b）至少一个微流体芯片，其包括：（i）至少一个流体回路；（ii）与所述流体回路流体连通的多个口；（iii）至少一个气动激活的隔膜阀，其被配置为调节所述流体回路内的流体流动；其中所述至少一个芯片被啮合于所述流体歧管，使得所述至少一个芯片中的口与所述室的口和所述槽通道流体连通，其中每个流体室与至少一个其他的流体室流体连通并且每个套管与流体室连通；以及（c）试剂卡片，其啮合于所述槽，其中所述卡片包括多个包括试剂的试剂室，所述多个包括试剂的试剂室每个与所述套管中的至少一个对准并且被配适为采取第一啮合位置和第二啮合位置，在第一啮合位置中，所述试剂室不被所述套管穿刺，在第二啮合位置中，所述试剂室被所述套管穿刺，由此将所述试剂室置于与所述流体回路流体连通。在一个实施方案中，所述试剂包括用于进行PCR的试剂。在另一个实施方案中，所述试剂包括用于扩增多个短串联重复的引物。在另一个实施方案中，所述至少一组流体室是多组流体室。在又另一个实施方案中，所述暗盒使得所述流体歧管还包括在所述歧管的所述流体侧上的至少一个辅助流体通道，所述至少一个芯片是多个芯片，并且在所述多个芯片中的每个中的流体回路经过所述辅助流体通道与至少一个其他的芯片的流体回路流体连通。在本实施方案中，所述暗盒可以还包括在所述芯片和所述歧管之间的垫片，其中所述垫片密封在所述歧管上的所述通道。在所述暗盒的另一个实施方案中，所述流体室包括分布室、捕获室、样品室和清除室。在所述暗盒的另一个实施方案中，至少一个流体室包括磁响应颗粒。在所述暗盒的另一个实施方案中，所述至少一组流体室是至少4组或至少8组。在所述暗盒的另一个实施方案中，所述芯片包括至少一个隔膜阀。

在另一个方面，本发明提供系统，包括：（a）气动组件，其包括：（i）气动歧管，其被配适为可移除地在所述流体侧上啮合暗盒，其中所述气动歧管包括多个气动口，所述多个气动口被配置为啮合所述至少一个微流体芯片中的气动通道并且激活所述隔膜阀；以及（ii）压力源，其被配置为向所述气动通道供应正压或负压；（b）暗盒激活组件，其被配适为在所述试剂卡片侧上啮合所述暗盒；其中所述暗盒激活组件包括：（i）试剂气动歧管，其包括气动侧和试剂卡片侧，其中所述试剂气动歧管包括试剂气动歧管通道，所述试剂气动歧管通道在所述两个侧之间连通并且包括在所述试剂卡片侧上的套管；（ii）压力源，其被配置为向所述试剂气动歧管通道供应正压或负压；以及（iii）夹具，其被配置为将所述试剂卡片从所述第一啮合位置运动至所述第二啮合位置，其中夹持导致所述试剂气动歧管的所述套管穿刺所述试剂室并且将所述试剂室置于与所述压力源连通；（c）热循环器，其被配置为在所述暗盒被夹持时循环所述至少一个热循环室中的温度；（d）毛细管电泳组件，其包括：（i）至少一个分离通道，其在所述暗盒被夹持时流体地啮合于所述出口；以及（ii）光学子组件，其被配置为检测来自所述至少一个分离通道的信号；以及（e）计算机化控制系统，其被配置为控制气动组件、所述暗盒激活组件、所述热循环器和所述毛细管电泳组件。在本系统的一个实施方案中，夹持使用所述至少一个微流体芯片密封所述室口和所述槽通道。在本系统的另一个实施方案中，所述暗盒激活组件还包括至少一个加热器，所述至少一个加热器被配置为在所述试剂气动歧管被啮合于所述暗盒时加热所述流体室中的至少一个。在本系统的另一个实施方案中，所述暗盒激活组件还包括可运动磁体，所述可运动磁体被配置为运动入其中所述磁体施加对至少一个流体室的磁力的位置中以及从所述位置运动出来。在本系统的另一个实施方案中，所述暗盒激活组件还包括传感器，所述传感器被配置为检测所述流体歧管的样品室中的样品的存在。在本系统的另一个实施方案中，所述热循环器包括珀尔帖装置。在一个实施方案中，所述系统被包括在便携式壳体中。在一个具体的实施方案中，所述壳体具有不大于10ft³或不大于2.5ft³的内部容积。在系统的相关的实施方案中，本发明提供以计算机可读形式的物品，其包括用于所述操作系统的代码。

在另一个方面，本发明提供方法，包括：从包含至少一个包含DNA的细胞的样品产生识别所述DNA中的多个STR标志物的计算机文件，其中所述方法在少于4小时内进行。在一个实施方案中，所述方法在少于3小时内进行。在另一个实施方案中，所述方法在少于2小时内进行。在相关的实施方案中，所述产生包括从所述至少一个细胞提取所述DNA，扩增来自所述DNA的所述STR标志物，进行对被扩增的标志物的毛细管电泳，检测被扩增的标志物，并且进行对被检测的被扩增的标志物的计算机分析以识别所述标志物。在一个实施方案中，所述多个STR标志物是至少5个STR标志物。在另一个实施方案中，所述多个标志物是CODISSTR标志物。在相关的实施方案中，所述多个STR标志物是至少5、10或13个CODISSTR标志物。在这些实施方案中，所述至少一个细胞可以是多个细胞。在某些实施方案中，所述样品是法医样品。在具体的实施方案中，所述方法被在样品收集的地点进行。所述样品可以包括血液，或可以包括脸颊拭子。所述方法可以被任何本文描述的系统进行。

在相关的方面，本发明提供被配置为进行一种方法的系统，其中所述方法包括：从包含至少一个包含DNA的细胞的样品产生识别所述DNA中的多个STR标志物的计算机文件，其中所述方法在少于4小时内进行。

在另一个方面，本发明提供方法，包括：（a）提供包括以下的系统：（i）一次性暗盒，其包括至少一组流体室和试剂卡片，所述至少一组流体室包括彼此流体连通的样品室、混合室和热循环室，所述试剂卡片包括用于进行涉及热循环的化学反应的试剂，其中所述试剂卡片被配置为被以封闭配置承载在所述暗盒上并且被配置为被运动为与所述至少一组流体室流体连通；（ii）致动器组件，其被配置为在所述暗盒被啮合于所述致动器组件时将流体在室之间运动；（iii）热循环器，其被配置为在所述暗盒被啮合于所述致动器组件时循环所述热循环室中的温度；（iv）毛细管电泳组件，其被配置为在所述暗盒被啮合于所述致动器组件时从暗盒接受样品并且被配置为进行对所述样品的毛细管电泳；以及（v）计算机化控制系统，其被配置为控制所述致动器组件、所述热循环器和所述毛细管电泳组件；（b）将所述试剂卡片运动为与至少一组流体室流体连通；（c）向样品室提供包含核酸分子的样品；以及（d）操作所述系统以扩增和检测所述样品中的至少一个核酸序列。在一个实施方案中，所述方法从步骤（b）进行至步骤（d）耗费的时间是少于4小时。在一个实施方案中，所述方法包括将多个样品中的每个提供给不同的样品室。在另一个实施方案中，所述方法包括扩增和检测所述样品中的多个核酸序列。在相关的实施方案中，所述多个核酸序列包括短串联重复（STR）。在具体的实施方案中，所述短串联重复包括多个联合DNA索引系统（CODIS）标志物。在另一个实施方案中，所述CODIS标志物包括选自AMEL、D3S1358、TH01、D21s11、D18s51、D5s818、D13s317、D7s820、D16s539、CSF1PO、vWA、D8S1179、TPOX和FGA的多个标志物。在一个实施方案中，所述系统包括：（a）气动组件，其包括：（i）气动歧管，其被配适为可移除地在所述流体侧上啮合所述暗盒，其中所述气动歧管包括多个气动口，所述多个气动口被配置为啮合所述至少一个微流体芯片中的气动通道并且激活所述隔膜阀；以及（ii）压力源，其被配置为向所述气动通道供应正压或负压；（b）暗盒激活组件，其被配适为在所述试剂卡片侧上啮合所述暗盒；其中所述暗盒激活组件包括：（i）试剂气动歧管，其包括气动侧和试剂卡片侧，其中所述试剂气动歧管包括试剂气动歧管通道，所述试剂气动歧管通道在所述两个侧之间连通并且包括在所述试剂卡片侧上的套管；（ii）压力源，其被配置为向所述试剂气动歧管通道供应正压或负压；以及（iii）夹具，其被配置为将所述试剂卡片从所述第一啮合位置运动至所述第二啮合位置，其中夹持导致所述试剂气动歧管的所述套管穿刺所述试剂室并且将所述试剂室置于与所述压力源连通；（c）热循环器，其被配置为在所述暗盒被夹持时循环所述至少一个热循环室中的温度；（d）毛细管电泳组件，其包括：（i）至少一个分离通道，其在所述暗盒被夹持时流体地啮合于所述出口；以及（ii）光学子组件，其被配置为检测来自所述至少一个分离通道的信号；以及（e）计算机化控制系统，其被配置为控制气动组件、所述暗盒激活组件、所述热循环器和所述毛细管电泳组件。在另一个实施方案中，所述系统是任何本文提出的系统。在一个实施方案中，所述样品是法医样品。在相关的实施方案中，所述样品选自面颊拭子、血液、毛发或精液。在另一个实施方案中，所述样品是原始样品。在某些实施方案中，所述方法还包括将所述系统运输至法医地点。

在另一个方面，本发明提供光学系统，包括：（a）多个光学透明的通道；（b）光源，其被配置为导向所述多个光学透明的通道；（c）分散性元件，其以取决于波长的方式分散经过所述光学透明的通道的光；以及（d）检测器，其被配置为接收被分散的光。在一个实施方案中，所述多个光学透明的通道包括至少八个毛细管。在另一个实施方案中，所述光学透明的通道被排列在第一平面中并且所述分散性元件将光沿着第二平面分散，其中所述第一平面和所述第二平面是不同的。在另一个实施方案中，所述第一平面正交于所述第二平面。

在另一个方面，本发明提供光学系统，包括：（a）激发源，其被配置为将激发光导向物体；（b）用于物体的承载器，其中所述物体在被激发能量激发时发射与激发光不同的光；（c）带阻滤波器，其被配置为滤除激发能量并且被配置为允许被发射的光的透射；（d）成像透镜，其被配置为聚焦被发射的光；（e）分色镜，其对所述激发能量基本上透明并且被配置为将被发射的光反射至检测器；（f）聚焦系统，其包括至少一个透镜并被配置为聚焦被从所述分色镜反射的光；以及（g）光检测器（CCD照像机），其被配置为接收被反射的光。在所述光学系统的一个实施方案中，所述激发光包括具有在0.3微米和1微米之间的波长的光。在另一个实施方案中，所述承载器包括毛细管的阵列并且所述物体包括荧光物类。在另一个实施方案中，所述分色镜偏离入射角约5度和约10度之间的角度反射被发射的光。在另一个实施方案中，所述分色镜还包括透射基本上所有的光的部分。在另一个实施方案中，所述聚焦系统包括至少一个折叠式反射镜。在另一个实施方案中，所述光检测器包括CCD照像机。在相关的实施方案中，所述光学系统可以还包括位于所述物体和所述成像透镜之间的棱镜。

在另一个方面，本发明提供光学系统，包括：（a）基本上平行地并且基本上在一个平面中排列的毛细管的阵列；（b）激发组件，其包括激发源并且被配置为将激发光从所述激发源递送至所述阵列，其中所述光递送组件被配置为（i）递送覆盖所述阵列的光的窄带并且（ii）将所述光以与所述平面成不同于90度的角度递送至所述阵列；（c）收集透镜，其被配置为收集被所述激发光激发的所述阵列中的物体从所述阵列发射的光；其中所述激发组件和所述收集透镜被相对于所述阵列配置，使得经过所述阵列的激发光基本上避免被所述收集透镜收集。在一个实施方案中，所述角度在约10度和约85度之间。

在另一个方面，本发明提供仪器，包括：（a）微流体部件，其包括多个交叉的微流体通道以及被配置为调节所述交叉的通道之间的流体的流动的至少一个可控制阀；以及（b）非微流体部件，其包括多个非微流体室，其中每个非微流体室被流体地连接于所述微流体通道中的至少一个；其中所述仪器被配置为将流体从至少一个非微流体室经过微流体通道流动入另一个非微流体室中并且流动被至少一个阀调节。在所述仪器的一个实施方案中，所述多个非微流体室包括至少三个室并且所述至少一个阀选择性地将流体从一个室导向至少两个其他的室中的任一个。在另一个实施方案中，所述仪器还包括用于将流体从非微流体室泵送入微流体通道中的泵。在所述仪器的一个实施方案中，所述至少一个阀是隔膜阀。在相关的实施方案中，所述泵是包括串联的三个隔膜阀的隔膜泵。在另一个实施方案中，所述微流体部件包括一体装置。在另一个实施方案中，所述微流体部件和所述非微流体部件的组合界定流体回路并且所述仪器包括多个流体回路。在另一个实施方案中，所述非微流体部件还包括颗粒状捕获剂。在另一个实施方案中，所述颗粒是对磁场响应性的并且所述仪器还包括被配置为固定化所述颗粒的磁体。在另一个实施方案中，本发明提供装置，包括被流体地连接于共用的微流体通道的多个非微流体室。

在另一个方面，本发明提供方法，包括：（a）提供包括以下的装置：（i）微流体部件，其包括多个交叉的微流体通道以及被配置为调节所述交叉的通道之间的流体的流动的至少一个可控制阀；以及（ii）非微流体部件，其包括多个非微流体室，其中每个非微流体室被流体地连接于所述微流体通道中的至少一个；其中所述仪器被配置为将流体从至少一个非微流体室经过微流体通道流动入另一个非微流体室中并且流动被至少一个阀调节；并且其中第一非微流体室包括包含分析物的样品的第一体积；（b）在所述第一非微流体室中提供一定量的颗粒状捕获剂以结合选定量的来自所述样品的分析物；（c）将被结合于所述分析物的所述颗粒状捕获剂经过所述微流体装置中的微流体通道运动至第二非微流体室；（d）使被结合于所述分析物的所述颗粒状捕获剂与第二非微流体室中的试剂接触；以及（e）使用所述试剂进行对所述分析物的化学反应。在所述方法的一个实施方案中，所述接触包括将所述试剂从第三非微流体室经过所述微流体装置中的微流体通道流动入所述第二非微流体室中。在所述方法的另一个实施方案中，所述颗粒是对磁力响应性的并且所述方法还包括使用磁力将被结合于所述分析物的所述颗粒状捕获剂固定化在所述仪器中。在另一个实施方案中，所述方法包括将被结合于所述分析物的所述颗粒状捕获剂悬浮在所述仪器中，体积比所述样品体积小至少一个数量级。

在另一个方面，本发明提供方法，包括：（a）在是非微流体室的第一室中进行对分析物的第一化学反应以生成第一反应产物；以及（b）将所述第一反应产物经过微流体通道运动入是非微流体室的第二室中并且进行对所述第一产物的第二化学反应以产生第二反应产物。

在另一个方面，本发明提供方法，包括：（a）在是非微流体室的第一室中进行对分析物的第一化学反应以生成第一反应产物；以及（b）将所述第一反应产物经过微流体通道运动入是微流体室的第二室中并且进行对所述第一产物的第二化学反应以产生第二反应产物。在本发明的相关的方面，本文提供方法，包括：（a）在是微流体室的第一室中进行对分析物的第一化学反应以生成第一反应产物；以及（b）将所述第一反应产物经过微流体通道运动入是非微流体室的第二室中并且进行对所述第一产物的第二化学反应以产生第二反应产物。在一个实施方案中，这些相关的方面的方法包括在将所述第一反应产物运动至所述第二室之前清洁所述第一反应产物。在另一个实施方案中，这些相关的方面的方法包括，至少一次地，将反应产物经过微流体通道运动入后续的非微流体室中并且对所述反应产物进行后续的化学反应以产生后续的反应产物。在另一个实施方案中，这些相关的方面的方法包括，至少一次地并且在将反应产物运动入非微流体室中之前，将反应产物经过微流体通道运动入微流体室中并且对所述反应产物进行后续的化学反应以产生后续的反应产物。

在本发明的另一个方面，本文提供装置，包括：（a）样品通道，其具有通道入口和通道出口；（b）电泳毛细管，其具有毛细管入口和毛细管出口，其中所述毛细管包括导电介质并且与所述样品通道在连接点连通；（c）阳极和阴极，其被配置为跨所述毛细管入口和所述毛细管出口施加电压，其中所述阳极或阴极中的一个包括叉状电极，其中所述叉在所述连接点的不同的侧上与所述样品通道电连通；以及d）第二电极，其和所述连接点基本上对立地与样品通道电连通。在所述装置的一个实施方案中，所述第二电极被作为第三叉包括在所述叉状电极中。

通过引用并入

本说明书中提到的所有的公布和专利申请都通过引用并入本文，至如同每个单独的公布或专利申请被特别地和单独地指示为被通过引用并入的程度。

附图简述

本发明的新颖的特征在所附的权利要求中具体地提出。对本发明的特征和优点的更好的理解将通过参照以下的提出了利用了本发明的原理的示例性的实施方案的详细描述和附图被获得，在附图中：

图1描绘了微观尺度芯片上阀（MOVe）的实例。

图2示出了MOVe微型阀、微路由器、MOVe混合器以及在微芯片上的珠捕获。

图3示出了具有MOVe微型阀的流体暗盒。

图4示出了具有向微流体微芯片的口的具有微型阀的流体暗盒。

图5示出了具有控制暗盒中的流动的MOVe阀的微流体微芯片。

图6示出了被连接于反应室和检测器的暗盒，以及下游的MOVe泵和试剂。

图7示出了温度控制装置，温度控制装置可以进行热循环并且结合有磁性捕获器、弹簧夹以及同时地循环七个反应的能力。

图8示出了温度控制装置，温度控制装置可以进行热循环并且结合有磁性捕获器、弹簧夹以及同时地循环七个反应的能力。

图9示出了在基于特氟隆（PTFE）的被动管反应室中进行的PowerPlex16STR（短串联重复）扩增反应。

图10示出了来自25μL的血液的DNA在69'、23.5'、10.5'和4.5'的提纯；以ng计的产量在条上示出。

图11示出了使用微型阀捕获微芯片上的珠的示意图。

图12示出了使用MOVe微型阀的从微芯片上的暗盒的珠捕获。

图13示出了使用MOVe微型阀的从微芯片上的暗盒的珠捕获。

图14示出了使用MOVe微型阀的捕获和反应微芯片。

图15示出了使用MOVe微型阀的捕获和反应微芯片。

图16示出了四模块组件。

图17示出了在微芯片上的STR反应的实例。

图18示出了用于准备核酸和毒素的通用样品准备工作流程。

图19示出了在暗盒中的样品的使用顺磁珠的提纯。

图20示出了用于操作暗盒中的MOVe微型阀的一体化气动歧管。

图21示出了被安装在计算机控制的设备上的暗盒。

图22示出了被安装在计算机控制的设备上的暗盒。

图23示出了基于MOVe技术的试剂分布歧管，其可以将五个试剂分布于五个提取/分离或其他装置。

图24示出了基于MOVe技术的试剂分布歧管，其可以将五个试剂分布于五个提取/分离或其他装置。

图25示出了具有样品环路和MOVe微型阀的分布歧管。

图26示出了气动歧管，上图示出了顶部侧并且下图示出了底部侧。

图27示出了大肠杆菌的检测，通过免疫磁性分离、随后的碱溶解和被PEG帮助的在磁性珠上的捕获、以及通过实时PCR的分析。

图28示出了具有三个室的暗盒的应用，其可以被用于构建基因组文库和其他的应用。

图29示出了使用暗盒准备基因组文库的工作流程。

图30示出了用于基于微芯片的电泳的叉状注射器。

图31示出了使用叉状注射器的样品堆叠。

图32示出了被偶联于MOVe微型阀的叉状注射器。

图33示出了被偶联于MOVe微芯片的叉状阴极注射器。

图34示出了具有叉状注射器的微芯片的照片。

图35示出了具有叉状注射器的微芯片的照片。

图36示出了来自叉状阴极注射器的来自DNA测序痕迹的单一的颜色的电泳图谱。

图37示出了在叉状阴极注射系统上的STR分离。

图38示出了具有用于往复加载的MOVe微流体的叉状阴极。

图39示出了用于核酸分离、扩增、分离和检测的一体化系统。

图40描绘了具有暗盒、微流体微芯片和磁体的装置。

图41描绘了具有流体层、弹性体层和气动层的微流体微芯片。

图42描绘了由两个层的材料制造的流体层。

图43描绘了由单一的层的材料制造的流体层。

图44描绘了用于扩增mRNA的反应图解。

图45示出了具有控制暗盒中的流动的MOVe阀的微流体微芯片。

图46示出了叉状电极。

图47示出了一个叉状电极、一个具有丝延伸电极（wirerunelectrode）的叉状电极以及一个具有管状电极的叉状电极。

图48示出了向分离通道中的样品注射。

图49示出了用于将分离毛细管与注射管路匹配的装置。

图50示出了用于将分离毛细管与四个注射管路匹配的装置。

图51示出了具有Ultem弹簧夹的热循环器。

图52示出了表示试剂在四通道并联处理装置的部件之间的运动的图表。

图53示出了四通道并联试剂递送装置：芯片C微芯片设计在左上方示出，流体歧管在左下方示出、并且被制造和组装的装置在右方示出。

图54示出了在左方的四通道样品准备装置和在右方的被安装在一体气动歧管上的四通道样品准备装置。

图55示出了四通道样品准备装置的MOVe微芯片设计。

图56示出了在四通道样品准备装置上准备的DNA样品的IdentiFilerSTR曲线，其中STR扩增使用在STR反应子系统热循环器上使用快速协议（1.5小时）进行。

图57示出了与具有流体歧管的芯片A微芯片组合的四通道扩增后装置：芯片A微芯片设计在左方示出，被制造的微芯片在中部示出，并且被组装的流体歧管和微芯片在右方示出。

图58示出了具有扩增后装置的扩增后STR清除子系统。

图59示出了芯片E微芯片设计，其可以被在扩增后装置中使用。

图60示出了混合器的图表。

图61示出了混合器的图表。

图62示出了使用混合器溶解细胞的结果。

图63描绘了一体化分析系统的部件。

图64描绘了一体化分析系统的硬件部件。

图65描绘了一体化分析系统的软件部件。

图66描绘了一体化分析系统的可消耗部件。

图67描绘了一体化分析系统的文件处理部件。

图68示出了被包封的一体化分析系统的图片。

图69示出了被包封的一体化分析系统的示意图。

图70示出了被包封的且便携式的一体化分析系统的示意图。

图71示出了被包封的且便携式的一体化分析系统和聚合物注射系统的示意图。

图72示出了光学检测系统和气动系统的示意图。

图73示出了一体化分析系统的图表。

图74示出了暗盒覆盖物和气动元件的示意图。

图75示出了暗盒覆盖物、暗盒、气动歧管和热循环器的示意图。

图76描绘了具有试剂小盒的暗盒。

图77描绘了具有试剂小盒的暗盒。

图78描绘了具有试剂小盒的暗盒的俯视图。

图79描绘了不具有试剂小盒的暗盒的俯视图。

图80描绘了暗盒的仰视图。

图81描绘了具有管的暗盒的仰视图。

图82描绘了具有管的暗盒的仰视图。

图83描绘了暗盒向被包封的一体化分析系统中的加载。

图84描绘了暗盒向被包封的一体化分析系统中的加载。

图85描绘了暗盒向被包封的一体化分析系统中的加载。

图86示出了样品分析程序的图表。

图87示出了样品分析程序的图表。

图88A示出了样品分析程序的时间线。

图88B示出了样品分析程序的时间线。

图88C示出了样品分析程序的时间线。

图89示出了平台，平台承载微毛细管的阵列并且包括限制被光学收集的杂散光的量的孔。

图90示出了光学组件。

图91示出了光的经过多个毛细管的透射、每个形成分别的图像。

图92示出了光学组件，包括允许来自激发源的光的透射的分色镜（折叠式反射镜1）以及减小组件的足迹的第二折叠式反射镜。

图93示出了激发光在与布置毛细管的阵列的平面成斜角的方向，使得经过毛细管的光不被导向为法向于可以收集被发射的荧光的平面。

图94是图93的配置的俯视图。

图95示出了由携带荧光物类并且已经被光激发的八个毛细管产生的图像。

图96示出了用于将样品注射入电泳毛细管中的注射系统。

图96A示出了在管路的内腔内部的与毛细管相反的三个电极。第三电极不被电连接，但是被独立地通电。

图96B示出了在管路的内腔内部的与毛细管相反的三个电极。所有的电极被电连接。

图97示出了一体化子系统。

图98A和B示出了用于调节电泳毛细管，例如毛细管的阵列，的温度的装置的实施方案。电绝缘的电路板具有用于毛细管的放置的大体上S形的路径。

图99示出了用于检测毛细管的阵列中的分析物的光学系统的一个实施方案。

图100示出了“贵重试剂暗盒”在装置中的放置的一个实施方案的“贵重试剂”递送。

图101示出了微流体芯片的流体和气动架构，其然后被与流体暗盒匹配以形成扩增后模块。

图102示出了尺度为2×2×2ft的系统包围物的一个实施方案。

图103示出了微流体芯片的流体和气动架构，其然后被与流体暗盒匹配以形成试剂递送模块。

图104以分解图示出了其中流体层包括多个亚层的装置的一部分。顶部或外部亚层121被称为“蚀刻”层并且底部或下亚层122被称为“通过”层。在蚀刻层中的通道中行进的流体可以流动入通过层中的面向弹性层的导管中。

本发明的详细描述

本发明包括将阀，例如微型阀（包括但不限于气动致动阀和微观尺度芯片上阀），结合入它们的设计中以控制流体的运动的装置。这些装置可以被用于组分的富集，用于样品准备，和/或用于在样品中或来自样品的一个或多个组分的分析。

本发明还提供用于流体和分析物处理的装置以及用于装置的使用的方法。本发明的装置可以被用于进行对流体和分析物的多种作用。这些作用可以包括运动、混合、分离、加热、冷却和分析。装置可以包括多个部件，例如暗盒、微流体微芯片和气动歧管。

微流体-非微流体一体化

在一个方面，本发明提供使用微流体部件一体化以非微流体尺度进行的功能的仪器。仪器包括非微流体室，非微流体室彼此流体地连接并且通过微流体装置例如微流体芯片中的微流体通道流体地连接于微流体室。微流体装置包括方向控制机构，例如阀和泵，通过方向控制机构流体可以被选择性地在不同的室之间并且沿着不同的通道引导，并且通过方向控制机构单一的室可以与多个其他的室连通。这些连接和引导机构允许功能的自动化。在某些实施方案中，仪器使用可以结合分析物、被固定化、被悬浮或再悬浮在期望的体积的流体中并且被经过微流体通道引导至室和从室引导的颗粒状捕获剂。这简化分析物从非微流体环境向微流体环境的转移以及回至非微流体环境的转移。捕获剂的量可以被选择以从样品捕获期望的量的分析物，例如，以浓缩来自稀样品的分析物，以从样品定量地捕获所有的或基本上所有的分析物或以从浓度更高的样品选择分析物的一部分。这允许人们“调谐”在反应中使用的分析物的量并且进一步减少流体操纵步骤。仪器可以包括多个并联的流体回路，通过多个并联的流体回路流体操作可以被并联地进行。微流体部件和非微流体部件在装置上的一体化简化在化学反应（例如化学反应、生物化学反应和酶反应）的进行期间的样品操纵。其还允许操作的规模减小，减小足迹和被系统占据的总空间。因此，本发明的仪器一体化非微流体环境和微流体环境。

更具体地，本发明提供包括彼此流体连通的微流体部件和非微流体部件的仪器。微流体部件包括至少一个微流体通道。微流体通道通常具有小于1mm²的横截面积或至少一个在约0.1微米至约500微米例如小于约350微米的范围内的横截面尺寸。非微流体部件包括至少一个非微流体室（打开的或关闭的），即容纳例如至少10微升、至少20微升、至少50微升、至少100微升、至少500微升、至少1ml、至少10ml或至少100ml的非微流体体积的室。因此，在本发明的仪器中，非微流体室与微流体通道流体连通。仪器被配适为将流体样品（例如液体）从非微流体室运输入微流体通道中和/或从微流体通道运输入非微流体室中或以其他方式从微流体装置运输出来。在其他实施方案中，微流体装置包括与微流体通道流体连通的微流体室。在这种情况下，仪器被配适为将流体样品经过微流体通道在微流体室和非微流体室之间运输。被从微流体通道运动入非微流体室中的流体可以被从装置除去。

分析物的操纵可以包括多个步骤。这些可以包括例如准备用于化学反应的分析物、以多种次序与一个或多个试剂混合、进行与分析物的化学反应、除去废物以及洗涤。本发明的仪器可以被用于通过将分析物、试剂、废物和洗涤溶液在隔室之间引导进行这些功能。因此，在某些实施方案中，本装置的仪器包括被通过微流体通道彼此连接的多个非微流体室。流体可以被任何合适的运动力，例如连续的压力或不连续的压力（例如正排量泵）、电渗流或离心，从一个室运动至另一个室。压力可以被在内（例如使用芯片上隔膜阀）或在外产生。通道可以包括方向控制机构以选择性地如期望的将流体在室之间引导。这些机构可以是阀，例如在本说明书中其他地方描述的隔膜阀、单一用途阀例如蜡阀门（waxvalve）或其他的阀。通过以合适的次序打开和关闭阀，分析物、试剂和废物可以被引导入合适的地点中。以这种方式，仪器的微流体部分被用于将流体在其中多种功能可以被对分析物进行的非微流体环境之间引导。

非微流体室可以包括捕获剂以结合分析物。捕获剂通常包含固体基材并且能够特异性地或非特异性地结合分析物。基材可以体现结合力，或具有结合性质的分子可以被附着于基材，例如抗体。捕获剂可以是颗粒状捕获剂。可选择地，材料可以是色谱材料（chromatographicmaterial）。在这种情况下，样品可以被通过色谱材料并且被分离的部分可以被引入微流体装置中。可选择地，捕获剂可以是一体的。可选择地，捕获剂可以被附着于室的表面，例如柱，或室表面可以被捕获分子衍生化。

装置还被配适为将颗粒例如珠在微流体通道和非微流体室之间运动。颗粒可以是对磁力、电动力或其他的力响应性的。例如，它们可以是顺磁性的或磁性的颗粒。这允许使用固定的或可运动的磁体包括电磁体通过磁场的施加进一步操纵装置内的颗粒。颗粒可以作为捕获剂以从样品捕获一种或多种分析物。例如，颗粒可以具有对分析物的特异性的或非特异性的亲合力。因为颗粒是固体，所以它们允许人们通过固定化颗粒以及改变容纳它们的流体的体积在非微流体流体体积和微流体流体体积之间转移。颗粒可以被固定化在非微流体室中或在微流体装置中。

本发明的仪器可以被用于从非微流体室中的样品捕获选定量的分析物并且将该量的分析物从室运输入微流体通道中。一旦在微流体通道中，那么颗粒可以被引导入非微流体室以进行储存或处理。例如，样品的非微流体体积被提供至室。样品可以例如在分析物的方面是稀的或浓的。通过合适地校准捕获剂的量和条件，选定量的分析物可以被捕获剂捕获。例如，在浓的样品中，少量的捕获剂可以被选择，使得仅待被在反应中使用的分析物的一部分被捕获。这允许样品体积中的分析物的一部分的取样，例如足以或适合于进行化学反应的量。可选择地，在稀样品中，更大的量的捕获剂可以被使用，使得大多数或基本上所有的存在的分析物被捕获在捕获剂上。这有效地浓缩分析物。洗涤分析物可以除去杂质，有效地从样品的非期望的组分例如抑制剂、其他的分析物等等提纯分析物。捕获的特异性还可以通过调整化学以选择分析物的较宽的或较窄的范围，例如DNA的较长的或短的片段，区分DNA与RNA，或使用具有较宽的或较窄的特异性的亲合试剂被控制。在某些实施方案中，多个分析物可以通过组合亲合试剂或通过使用对一种类型的珠的捕获的多个模式或通过混合多个珠或颗粒类型被捕获。在某些实施方案中，仪器还包括用于检测在过程的某一阶段的分子的检测器，例如光检测器。

多种反应次序被考虑。化学反应可以被对分析物进行。然后，反应产物可以被清洁并且经受不同的化学反应。清洁反应产物和进行后续的不同的反应的这种次序可以被重复。特别地，本发明考虑进行被多个清除步骤分隔的一系列的生物化学反应或酶反应。其一个实例是Eberwine化学，其中第一化学反应即逆转录被第二反应即第二链合成跟随，第二反应即第二链合成被第三反应即转录跟随。在每个后续的反应之前，并且典型地在最后的反应之后，产物在下一个步骤的准备中被从污染物除去。在一个实施方案中，在非微流体室中的反应产物被经过微流体通道运动至另一个非微流体室。在另一个实施方案中，在非微流体室中的反应产物被经过微流体通道运动入微流体室，例如芯片上，中。在另一个实施方案中，在微流体室中的反应产物被经过微流体通道运动入非微流体室中。因此，本发明提供小分析物体积和小试剂体积的使用，由此减少试剂的废物。

例如，仪器可以被用于进行对核酸的化学反应，例如DNA扩增。包含DNA的样品的非微流体体积（例如几百微升）可以被收集在本装置的非微流体室中。顺磁性的捕获颗粒可以被经过微流体回路流动入室中以捕获被校准的量的核酸。顺磁性颗粒可以被磁力保持在室中并且未被捕获的样品可以被作为废物除去，例如经过微流体通道。然后微流体装置中的阀可以被配置为将洗涤溶液的体积，例如非微流体体积，引导入室中。分析物和颗粒可以被洗涤、固定化并且废物可以被除去。然后，具有被捕获的和被提纯的分析物的颗粒可以被再悬浮在体积中并且被从室经过微流体通道运动入热循环室中，热循环室可以是非微流体反应室或微流体反应室。在热循环室中，颗粒可以被固定化并且液体可以被除去。这可以将颗粒浓缩至近似于颗粒体积（例如在纳升范围内）。用于在合适的体积中进行核酸扩增的试剂可以被经过微流体通道引导入热循环室中。在某些条件下，反应混合物将从颗粒洗脱核酸。因此，本发明考虑将用于进行化学反应例如PCR、循环测序、实时PCR、滚环扩增、限制消化、RNA片段化、蛋白质消化等等的试剂与被附着于颗粒的分析物接触，而不首先从颗粒洗脱分析物，并且例如确定浓度和选择一定量的用于使用试剂混合的分析物。这通过合适地校准用于捕获分析物的捕获剂使得合适的量的分析物已经存在而在某种程度上是可能的。在酶反应或热循环之后，产物可以被运动入微流体通道中，以进行净化，例如在微流体室中，或运动入非微流体室中。这可以包括稀释产物以减小盐浓度。其还可以包括将分析物结合于珠，将其固定化，并且将其洗涤。其还可以包括色谱法、固相提取、或其他的以微流体尺度或非微流体尺度的清除方法。在该点，微流体部件可以将产物引导至合适的用于分析的地点，例如用于毛细管电泳的毛细管，或产物可以被输出入非微流体体积中，进行被未整合的系统，例如商业毛细管阵列电泳仪器、质谱仪或其他的分析仪器的分析。微流体装置还可以含有废物封隔区域。

在某些实施方案中，本发明的微流体装置是一体装置。在一体装置中，多个回路被设置在单一的基材上。对于包括隔膜阀的装置的情况，一体装置包括作为对多个阀的隔膜的单一的弹性层。在某些实施方案中，一个致动通道可以操作在一体装置上的多个阀。这允许许多流体回路的并联的激活。一体装置可以具有微流体回路的致密的阵列。这些回路以高可靠性起作用，这部分是因为每个回路中的通道被在单一的基材上同时地制造，而非被独立地制造并且被组装在一起。

这些装置的流体回路可以被致密地堆积。回路包括打开的或关闭的流体导管。在某些实施方案中，装置可以包括至少1个流体回路每1000mm²、至少2个流体回路每1000mm²、至少5个流体回路每1000mm²、至少10个流体回路每1000mm²、至少20个流体回路每1000mm²、至少50个流体回路每1000mm²。可选择地，装置可以包括至少1mm的通道长度每10mm²区域、至少5mm的通道长度每10mm²、至少10mm的通道长度每10mm²或至少20mm的通道长度每10mm²。可选择地，装置可以包括以至少1个阀每cm²、至少4个阀每cm²或至少10个阀每cm²的密度的阀（有座的或无座的）。可选择地，装置可以包括不多于5mm边缘至边缘间隔、不多于2mm间隔、不多于1mm间隔、不多于500微米间隔或不多于250微米间隔的特征，例如通道。

通用样品准备系统

本发明提供通用样品准备系统。系统被配置为接受包含未提纯的形式的分析物的生物样品，提纯分析物，进行对分析物的至少一个生物化学反应，并且分析生物化学反应的产物。

通用样品准备系统可以被配置为装配在不大于6ft³、不大于7ft³、不大于8ft³、不大于97ft³或不大于10ft³的体积内部。在一个具体的实施方案中，通用样品准备系统被配置为装配在约8ft³的体积内部。在另一个具体的实施方案中，通用样品准备系统被配置为装配在约10ft³的体积内部。

通用样品准备系统可以包括以下的模块：样品准备模块、反应模块、反应后模块、分析模块和/或计算机模块。样品准备模块可以被配置为从具有非微流体体积的样品捕获分析物例如DNA，并且将被捕获的分析物运动入第一微流体通道中。这可以通过使用例如磁响应捕获颗粒浓缩分析物被实现。反应模块被流体地连接于第一微流体通道并且被配置为在反应室中进行对分析物的至少一个生物化学反应以生成反应产物。典型地，反应室中的分析物被在样品准备模块中在其浓度的方面浓缩。反应后模块与反应模块流体连通并且被配置为处理反应产物以进行分析。反应后模块可以被配置为将反应产物在反应后模块中经过第二微流体通道运动入非微流体室中。分析模块被流体地连接于反应模块或反应后模块并且被配置为进行对反应产物的分析，例如毛细管电泳。分析模块生成关于反应产物的数据。计算机模块包括用于处理和/或分析数据，包括将数据格式化为通用格式，的计算机可执行代码。系统可以被进一步配置为访问国际互联网，将数据传输至现场外服务器并且从服务器接收信息。

示例性的装置在图6中示出。图6示出了具有一体化微芯片的暗盒（1）、温度调节装置（400）和下游分析装置（500）。在某些实施方案中，装置包括流体准备模块，流体准备模块包括被匹配于或以其他方式流体地连接于微芯片的暗盒；芯片下热调节模块，芯片下热调节模块被通过具有经过暗盒的流体通道例如管的流体运输器连接于流体准备模块，并且被配置为调节流体运输器中的温度，其中流体运输器还被可以选择性地将流体引导至一个或多个后续的装置的阀和流体通道流体地连接于第二微芯片。本装置可以被用于热循环或等温反应。

在一个应用中，系统被配置为从生物样品准备用于搜索CODIS数据库的与CODIS兼容的文件。CODIS是目前使用十三个STR（短串联重复）基因座作为基因识别标志物的法医系统，见例如www.fbi.gov/hq/lab/html/codisl.htm。可以使用来自少于或多于13个标志物的信息提供识别的证据。样品准备模块从法医材料提取DNA，将预确定的量的DNA捕获在捕获颗粒上例如磁响应颗粒中，并且将DNA递送至反应模块的非微流体反应室，在非微流体反应室中颗粒被例如磁力固定化。在此，用于PCR的试剂被递送至反应室，并且在CODIS中使用的STR标志物被使用PCR扩增。扩增可以使用可商购获得的试剂进行，例如可从Promega获得的那些（例如PowerPlex产品系列）。本产品使用四种有不同的颜色的荧光的标志物。PCR产品被引导至反应后模块并且被稀释至对于毛细管电泳合适的浓度。新产物被导向分析模块，在分析模块中进行毛细管电泳。产物中的分析物通过荧光检测被检测。被生成的数据然后经受生成对每个荧光物类的痕迹的算法。然后这些痕迹可以被计算机分析，以识别在CODIS中使用的STR基因座处的标志物。这样的软件可从例如LifeTechnologies商购获得，例如GeneMapper^TMID-X软件或NIST软件工具（www.cstl.nist.gov/biotech/strbase/softwarehtm）。软件可以将该数据转换为与CODIS兼容的文件格式。见例如www.ncjrs.gov/pdffilesl/nij/sl413apfpdf与CODIS兼容的文件可以被用于查询法医数据库，例如CODIS数据库。系统可以被配置为访问国际互联网并且将文件递送至合适的数据库以进行分析并且被配置为从数据库接收表示初始的样品和个人之间的可能的匹配的报告。

I.样品准备模块

样品准备模块被配置为将分析物从非微流体体积捕获至固体基材上并且将被捕获的分析物经过微流体通道引导入反应模块的反应室中。分析物可以被从其中分析物以非分离的形式的样品捕获。如果分析物与其天然伴随的其他细胞或生物分子组分一起存在，则分析物是非分离的。这些可以包括例如细胞质组分或病毒组分。样品准备模块可以被配置为从原始样品捕获分析物。原始样品是其中分析物被容纳在细胞或病毒内的样品。例如，血液、脸颊拭子和精液是含有分析物DNA的原始样品。在这种情况下，样品准备模块可以包括用于溶解细胞并且从溶解物（lysate）提取DNA的材料。

在一个方面，样品准备装置，如图16中所示的，图21和图22和图54中的装置1000，包括与微流体微芯片一体化的暗盒，微流体微芯片控制暗盒中的流体的经过微型阀和组分的运动以操作暗盒。暗盒和/或其中的隔室可以具有足以处理自动化装置中的一个或多个毫升的输入样品的尺寸。暗盒可以处理样品以输出可以被使用压力驱动的流运动或被微型阀真空调节的组分。暗盒可以提供与包括宏观尺度样品例如血液、气溶胶、液体、拭子、体液、刷子（swipe）和其他的液体、固体和气体样品的递送装置的接口。暗盒可以使用微观尺度样品准备和分析处理宏观尺度样品体积。暗盒可以允许使用微流体装置的对宏观尺度或大体积样品的处理，并且组分具有允许材料的减少的损失的减少的空隙体积。

A.暗盒

暗盒在本文中也被称为流体歧管，可以被用于多个目的。通常，暗盒可以具有被控制尺寸以与大尺度装置以及微流体装置接口连接的口。暗盒或流体歧管已经在美国专利公布US20090253181中描述。暗盒可以被用于从源接收材料，例如样品、试剂或固体颗粒，并且将它们递送至微流体微芯片。材料可以被经过暗盒和微流体微芯片的匹配的开口在暗盒和微流体微芯片之间转移。例如，移液管可以被用于将材料转移至暗盒，暗盒进而可以然后将材料递送至微流体装置。在另一个实施方案中，管路可以将材料转移至暗盒。在另一个实施方案中，注射器可以将材料转移至暗盒。此外，暗盒可以具有具有能够容纳纳升、微升、毫升或升的流体的容积的储器。储器可以被用作容纳室、反应室（例如包括用于进行反应的试剂）、用于提供加热或冷却的室（例如含有热控制元件或被热连接于热控制装置）或分离室（例如顺磁珠分离、亲合捕获基质和色谱法）。任何类型的室都可以在本文描述的装置中被使用，例如在美国专利公布第2007/0248958号中描述的那些，其在此通过引用并入。储器可以被用于通过具有用于温度受控的流体运动进出暗盒的入口和出口提供加热或冷却，这然后可以向微流体微芯片提供温度控制。可选择地，储器可以容纳peltier元件，或提供散热器或热源的本领域技术人员已知的任何其他的加热或冷却元件。暗盒储器或室可以具有至少约0.1、0.5、1、5、10、50、100、150、200、250、300、400、500、750、1000、2000、3000、4000、5000或更多μL的容积。室或储器的相对容积可以是约1、2、5、10、20、50、100、200、500、1000、2000、5000、10000或更多地大于微流体微芯片内的通道或阀。可以与微流体微芯片匹配的暗盒的室和储器的尺寸可以被选择使得大体积的样品，例如大于约1、5、10、50、100、500、1000、5000、10000、50000或更多μL，可以被处理，其中用于处理样品的流体的流被微流体微芯片中的阀控制。这可以允许减少的量的样品和试剂损失，这是由于微流体微芯片中的与其他的流动控制装置例如移液管和大尺度阀相比的减少的空隙体积。微流体微芯片内的空隙体积可以小于1000、500、100、50、10、5、1、0.5、0.1或0.05μL。这可以允许在样品的处理期间的样品或试剂损失的量小于百分之20、15、10、7、5、3、2、1、0.5、0.05。

暗盒可以由任何本领域技术人员已知的材料构建。例如，暗盒可以由塑料、玻璃或金属构建。塑料材料可以包括任何本领域技术人员已知的塑料，例如聚丙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酯、聚酰胺、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚氨酯、聚二氯乙烯、环状烯烃共聚物或其任何组合。暗盒可以被使用任何本领域技术人员已知的技术形成，例如软光刻、硬光刻、铣削、压花、烧蚀、钻孔、蚀刻、注射成型或其任何组合。

如在图3和图4中示例的，暗盒（1）可以包括具有平坦侧的直线的配置。在另一个实施方案中，暗盒包括弯曲的、圆形的、锯齿状的或包括突出部的表面。在一个实施方案中，暗盒具有至少一个毗邻于微流体微芯片的基本上平坦的表面。暗盒被配适为被流体地连接于微毛细管中的口。例如，暗盒的表面中的开口可以被与微芯片中的口对准。当暗盒和微芯片彼此匹配时，开口对准，以产生流体连接，允许液体从暗盒经过进入微芯片的口，微芯片的口被连接于典型地具有形成流体回路的阀的通道。

在一个实施方案中，暗盒容纳一个或多个特征，包括但不限于室、口、通道或磁体。在一个实施方案中，微型阀例如气动致动阀被与微流体暗盒组合。在某些实施方案中，微型阀是主动机械微型阀（例如磁的、电的或压电的热的微型阀）、非机械微型阀（例如双稳态机电相变或流变微型阀）、外部微型阀（例如叠加阀或气动阀）、被动机械微型阀（例如截止微型阀）或被动非机械微型阀（例如毛细管微型阀）（Oh等人，Areviewofmicrovalves（微型阀综述），J.MicromechMicroeng.16（2006）13-R39））。

在另一个实施方案中，气动致动阀例如MOVe阀调节微流体微芯片2或多个微流体微芯片中的空气压力、真空或流体的流动。MOVe阀可以是微观尺度芯片上阀、微流体芯片上阀或微机器人芯片上阀。在一个实施方案中，空气压力、真空或流体的流动被一个或多个变压泵例如电磁阀或电磁泵调节。在一个实施方案中，微流体微芯片是含有微通道和/或微通道的结构，其中微通道是封闭结构并且微沟槽是开放结构。在一个实施方案中，微流体微芯片是平面结构。在相关的实施方案中，微流体装置包括具有在暗盒的一个侧上成簇的微型阀的微流体微芯片。在一个实施方案（图3和图4）中，暗盒（1）可以包括向外部流体、空气或真空的一个或多个口（4、5、6、7、8、9）。口的功能可以是用于废物（4）、试剂进入（5）、通风（6）、样品输入（7）、产物输出（8）。暗盒（1）可以含有一个或多个样品输入或反应室（7）和（3）。

在暗盒内的单一的室，例如反应室，可以具有一个或多个、或至少一个、两个或三个向微芯片的流体连接。例如，在图3和图4中，反应室（3）可以具有通过在室的基部处的连接120的向微芯片的流体连接，以及通过口（9）的向微芯片的另一个流体连接，口（9）被经过位于室的顶部处的通路连接于室（3）。室（3）的顶部、口（9）以及室（3）和口（9）之间的通路可以被从外部环境封闭，使得室（3）中的流体必需地在室（3）充满时被泵送入口（9）中并且反之亦然。这样的室或室和口的组合可以被称为封闭室。流体连接的定位不一定需要在室的基部和顶部处、然而在室的基部和顶部部分处的流体连接允许气体在室中的减少的截留。可选择地，反应室（3）可以被视为被在顶部位置处彼此流体地连接的两个室的组合，顶部位置可以在暗盒内，并且其中每个室还具有在基部地点处的开口。在基部地点处的开口也被称为室孔，可以被流体地连接于微芯片上的口孔。两个流体连接可以允许流体被经过微流体微芯片导向入室中以及从室导向出来。

在另一个实施方案中，装置包括暗盒，暗盒包括以非线性的方式位于一个或多个表面或结构上的至少一个气动致动阀，例如MOVe阀。暗盒可以包括位于暗盒内的在除了暗盒的基部之外的地点中的一个或多个气动致动阀。

暗盒的功能元件可以包括口、通道、室、过滤器、磁体或通风，室可以共同地被称为功能元件。在一个实施方案中，图4，功能元件连接于含有在接合部100、120、140、160和230处的微型阀的微流体微芯片。功能元件可以通过齐平连接或通过装配件连接于被插入口中的管路或毛细管。在一个实施方案中，齐平连接可以包括暗盒的口直接地与微流体微芯片的孔对准。在一个实施方案中，暗盒和微流体微芯片形成一体化模块。在另一个实施方案中，暗盒和微流体微芯片是两个分离的节段，其在使用之前被附接在一起。

暗盒可以包括至少一个室、样品输入口、试剂口、出口、废物口和磁体。磁体可以位于毗邻于室，使得由磁体产生的磁力可以将所述室中的顺磁性颗粒吸引至室的壁。在一个实施方案中，顺磁性颗粒是被导致为磁响应的珠或池（例如被硝酸钠处理的包含血红蛋白的池）。磁体可以是电磁铁或永磁体，例如稀土金属磁体。

在一个实施方案中，如在图4中示例的，连接部或口（4、5、6、7、8和9）分别引导至暗盒中的通道（14、15、16、17、18和19）。口（4、5、6、7和8）显示出锯齿状以可靠地将连接器或管路附接于锯齿，例如对于连接部（7）示出的锯齿（见连接部（7）与通道（17）的直径的差异）。在一个实施方案中，一个或多个口可以与多种连接器或管，例如在美国专利6,190,616、美国专利6,423,536、美国申请第09/770,412、1-25-01号、美国申请第60/402,959号中描述的毛细管，或一个或多个具有模块化的微流体口的微芯片，如在美国专利6,870,185和美国申请11/229,065描述的，接口连接；其全部以它们的整体通过引用并入本文。在一个实施方案中，模块化的微流体口使微芯片或毛细管能够被可逆地接合而没有死体积或渗漏。

在另一个实施方案中，室（3）被连接于通路（9）并且连接于圆锥体（13），导致接合部（120）。室（3）可以被用于在通道中的任何中的反应。在图4中，暗盒通道直接地引导至微芯片（2）上的口的孔。暗盒的通道可以如需要的彼此互相连接。在某些实施方案中，暗盒中的至少一个通道不物理地连接于微流体微芯片。在另一个实施方案中，暗盒中的至少一个通道被流体地连接于微流体微芯片中的至少一个微通道。连接可以或可以不利用微流体微芯片上的孔。孔可以是开口或被设计以在微芯片和暗盒之间匹配的装配件。在本发明的某些实施方案中，装配件包括密封件，例如垫片或O型环。

B.微流体装置

在一个实施方案中，暗盒和微流体微芯片被一体化在一起以形成单一的模块化装置。暗盒和微流体微芯片可以通过流体或通过固体粘合剂或机械地被附接。在一个实施方案中，粘合剂是聚丙烯酸酯、粘合剂带、双面胶带、或任何其他的本领域技术人员已知的粘合剂。暗盒可以包括能够将基于流体的粘合剂芯吸入微流体微芯片和暗盒之间的接合部中的特征（12），如图4中示例的。作为示例，在另一个实施方案中，暗盒被非流体粘合剂层附接于微流体微芯片。可选择地，暗盒和微芯片可以被夹子、夹具或另一种保持装置保持在一起。暗盒和微芯片可以在一体化之前通过使用或不使用显微镜的视觉线索或通过物理导向特征被对准。视觉线索可以包括被画出、蚀刻或以其他方式存在于暗盒、微芯片或二者上的线或特征。物理导向特征包括可以被“锁定”以辅助或确保合适的组装的压痕、突出部和边缘。

在某些情况下，微流体微芯片具有用于流体流动的控制的隔膜阀。具有控制流体流动的隔膜阀的微流体装置已经在美国专利第7,445,926号、美国专利公布第2006/0073484、2006/0073484、2007/0248958和2008/0014576号和PCT公布第WO2008/115626号中描述。阀可以通过将正压或负压通过气动歧管施加于微芯片的气动层被控制。

在一个实施方案中，微芯片是“MOVe”微芯片。这样的微芯片包括三个功能层，即包括微流体通道的流体层；包括气动通道的气动层、以及被夹在两个其他的层之间的致动层。在某些实施方案中，流体层包括两个层。一个层可以包括提供微流体通道的凹槽，以及从外部表面经过至流体通道的通径或洞。第二层可以包括从与致动层接触的表面经过至与在另一个层上的气动通道接触的表面的通径。当被接触在一起时，来自包括内通道的单一的流体层的这两个层和通径向外打开以将通道连接于流体歧管或将通道连接于激活层，至形成阀，室或其他的功能项目。致动层典型地由可以在真空或压力被施加在其上时变形的可变形物质，例如弹性体物质。在其中流体通道或气动通道打开至致动层上或以其他方式与致动层接触的点，功能装置，例如阀，例如隔膜阀，可以被形成。这样的阀在图1中被以横截面描绘。流体层和气动层二者都可以包括作为口将通道连接于外部表面的口。这样的口可以被配适为啮合流体歧管，例如暗盒，或气动歧管。

如图40中所示的，微流体微芯片（103）可以被与暗盒（101）接口连接。微流体微芯片可以具有带有与暗盒（101）的开口（117）匹配的开口的室（105）。室可以被用于多种目的。例如，室可以被用作反应室、混合室或捕获室。室可以被用于捕获磁性颗粒例如磁性珠、顺磁珠、固相萃取材料、整体结构（monoliths）或色谱法基质。

磁性部件（109）可以被定位为使得暗盒储器（107）和/或微流体室（105）中的磁性颗粒被捕获紧贴微流体室（105）的表面。磁性部件可以使用永磁体和/或电磁体产生磁场和/或电磁场。如果使用永磁体，那么磁体可以被在一个或多个方向致动以使磁体到达紧邻微流体微芯片以将磁场施加于微流体室。在本发明的某些实施方案中，磁体被在图40中表示的方向（111）致动。

可选择地，多种装置中的任何一个可以被与微流体微芯片接口连接。例如，检测器、分离装置（例如气相色谱仪、液相色谱仪、毛细管电泳、质谱仪等等）、光源或温度控制装置可以被定位为邻近微流体微芯片或与微流体微芯片共同使用。这些装置可以允许通过检测电阻、电容、吸光度或发射、荧光、或温度或其他的化学或物理度量检测分析物。可选择地，这些装置可以允许光被引入微流体微芯片的区域或区域。

微流体装置可以被设计为具有多个被配置为用于磁性颗粒的捕获的室。多个室和磁性部件可以被布置使得磁场可以被同时地施加于所有的室，或被独立于其他的室地施加于每个或某些室。室和磁性部件的布置可以帮助磁性颗粒的更快的或更高效率的回收。特别地，布置可以帮助在多个室中的磁性颗粒的回收。

如图41中所示的，微流体微芯片（103）可以由流体层（203）、弹性体层（205）和气动层（207）形成。流体层可以含有诸如室（105）以及通道、阀和口的特征。通道可以是用于流体的在室和/或口之间的转移的微流体通道。阀可以是任何类型的在微流体装置中使用的阀。在本发明的优选的实施方案中，阀包括微观尺度芯片上阀（MOVe），在本文中也被称为微流体隔膜阀。三个MOVe的串联可以形成MOVe泵。MOVe和MOVe泵可以使用气动被致动。气动源可以在微流体微芯片的内部或外部。

MOVe阀的实例在图1中示出。MOVe阀的折视图在图1A中示出。关闭的MOVe阀的横截面图在图1B中示出。图1C示出了MOVe阀的俯视图。从流体层起始的通道（251）可以被一个或多个通径（257）与弹性体层（259）接口连接。通道可以具有一个或多个机座（255），以在弹性体层（259）与机座（255）接触时阻碍经过通道的流动。弹性体层可以正常地与机座接触，或正常地不与机座接触。通过气动管线（261）施加正压或负压以相对于流体通道（251）增加或减小气动室（253）中的压力可以使弹性体层变形，使得弹性体层被顶着机座推动或被远离机座地拉动。

在本发明的某些实施方案中，MOVe不具有阀座，并且经过流体通道的流体流动在正压或负压的施加下不被完全地阻碍。这种类型的阀被用作流体储器并且作为泵送室并且可以被称为泵送阀。可以被施加的真空包括极高真空、中真空、低真空、室内真空以及诸如5psi、10psi、15psi、25psi、30psi、40psi、45psi和50psi的压力。

三个串联的MOVe阀可以通过作为进口阀的第一MOVe、作为泵送阀的第二MOVe以及作为出口阀的第三MOVe的使用形成泵。流体可以通过MOVe的顺序的打开和关闭运动经过MOVe的串联。对于正在被向进口阀供应的流体来说，示例性的次序可以包括，从其中所有三个MOVe都被关闭的状态开始，（a）打开进口阀，（b）打开泵送阀，（c）关闭进口阀并且打开出口阀，（d）关闭泵送阀，并且（e）关闭出口阀。因为进口阀和出口阀可以具有相同的结构，所以MOVe泵可以通过重编程打开进口阀和出口阀的次序将流体在任一方向运动。

流体层（203）可以由一层或多层材料构建。如图42中所示的，流体层（203）可以由两层材料构建。通道（301、303、305）可以被形成在两层材料之间的界面处，并且室（105）可以通过一层材料的一部分的完全除去被形成。通道可以具有任何形状，例如圆形并且在一个侧（301）上矩形（303）或圆形（305）。通道可以被在仅一层（301、303）中的凹陷部或被在两层（305）中的凹陷部形成。通道和室可以被所示的横贯通道和室的流体通道连接。多维度微芯片也在本发明的范围内，其中流体通道和连接部被在多个流体层之间作出。

第二层材料的厚度（307）可以是任何厚度。在本发明的某些实施方案中，第二层具有最小化室（105）中的被从外部磁性部件施加跨越第二层的磁场的减小或最小化热传递的减小的厚度。

如图43中所示的，流体层（203）可以由单层材料构建。单层被与弹性体层（205）界面连接，使得通道（305、303）和室（305）被形成在流体层和弹性体层之间。

微流体微芯片可以由任何本领域技术人员已知的材料构建。在本发明的某些实施方案中，流体层和气动层由玻璃构建并且弹性体层由PDMS形成。在可选择的实施方案中，弹性体可以被可变形材料例如特氟隆（PTFE）、硅或其他膜的薄膜代替。流体层和气动层的特征可以使用任何本领域技术人员已知的微组装技术被形成，例如制定模式（patterning）、蚀刻、铣削、模塑、压花、丝网印刷、激光烧蚀、基材沉积、化学气相沉积或其任何组合。

微流体装置可以被配置为使得阀是较不粘滞的。这可以通过使用低能材料，例如贵金属（例如金）或全氟化聚合物（例如特氟隆），包覆阀座和其他的可能与弹性层接触的流体在其上流动的表面被实现。这样的装置在美国专利申请12/789,186中更详细地描述。

在一个实施方案中，微通道回路被形成在微流体微芯片2上，如图5中所示的，使用微通道联接多组的微型阀。在一个实施方案中，微型阀是气动致动阀。在一个实施方案中，气动致动阀是MOVe微型阀。在一个实施方案中，在暗盒和微流体微芯片之间，例如在室、口、通道、微通道和其他的功能元件之间，的流体通路可以通过打开或关闭至少一个微型阀被控制。在一个实施方案中，微型阀被微处理器控制例如计算机控制。计算机可以包括输入/输出控制器，或任何其他的本领域技术人员已知的部件，例如存储器和处理器。在一个实施方案中，微型阀是被气动源致动，例如通过气动口10、20、30、40、50、60或70的MOVe阀。在一个实施方案中，气动源被至少一个螺线管控制。在一个实施方案中，螺线管是微型的并且可以被连接于真空或压力源。在一个实施方案中，气动源被使用诸如夹持、弹簧、气动或螺旋力的力连接于气动口，可选择地使用被O型环提供的密封。

在一个实施方案中，图5示出了微流体微芯片（2）的顶部的视图，这侧与暗盒（1）的底部接触。微型阀110控制微通道101和121之间的流体路径。微型阀130控制微通道131和141之间的流体路径。微型阀（150）控制微通道151和152之间的流体路径。微型阀180控制微通道181和191之间的流体路径。微型阀200控制微通道201和212之间的流体路径。微型阀220控制微通道221和231之间的流体路径。

在一个实施方案中，接合部可以连接一个或多个微通道。图5示出了可以与在图4中示出的暗盒匹配的微芯片的示意图。在图5中，接合部100连接于单一的微通道101，接合部140连接于单一的微通道141，接合部160连接于单一的微通道161，并且接合部230连接于单一的微通道231。接合部190连接于两个微通道191和201。接合部120连接于三个微通道121、131和151。在一个实施方案中，多于三个微通道可以被连接于单一的接合部。

微通道可以通过一种或多种技术被制造，例如照相平版法（photolithography）、模塑、压花、铸造或铣削。微通道可以由诸如玻璃、塑料、聚合物、陶瓷、凝胶、金属或另一种合适的固体的材料制造。

在一个实施方案中，暗盒被在样品富集的方法中使用，方法包括：使用样品口将样品递送至室并且使用试剂口将顺磁性颗粒递送至室。顺磁性颗粒（例如顺磁珠）结合于样品中的至少一个组分（例如DNA、RNA、微RNA、蛋白质、脂质、多糖或其他的配体）。顺磁性颗粒借助于被位于室的外部的磁体施加的磁力被吸引至室的壁。顺磁性颗粒被通过试剂口被递送至包括顺磁性颗粒的室的洗涤溶液洗涤，并且洗涤溶液被通过废物口除去。试剂可以被加入以从顺磁性颗粒洗脱样品的组分并且将样品组分输出至另一个装置以进行进一步的处理或分析。优选的实施方案是输出在顺磁性颗粒上的样品的组分。

在一个实施方案中，包括微流体微芯片的装置被在诊断的方法中使用。在一个实施方案中，诊断包括检测样品中的传染剂。在一个实施方案中，传染剂是细菌、病毒、真菌、支原体或朊病毒。在另一个实施方案中，包括微流体微芯片的装置被在遗传疾病的诊断的方法中使用。在一个实施方案中，遗传疾病被一种或多种DNA变异导致，这样的变异包括但不限于三联体碱基扩展、碱基置换突变、缺失突变、插入突变、无义突变、提早形成终止密码、染色体缺失、染色体复制、非整倍性、部分非整倍性或单体性。在另一个实施方案中，包括微流体微芯片的装置在用于诊断癌症或癌症的素因的方法中使用。在另一个实施方案中，包括微流体微芯片的装置在用于诊断遗传疾病，例如自闭症、唐氏综合症、三体性、戴萨克斯症或其他的遗传疾病，的方法中使用。在某些实施方案中，用于在包括微流体微芯片的装置中的诊断的样品是血液样品、粘液样品、全肺灌洗样品、尿液样品、粪便样品、皮肤样品、毛发样品，精液样品、阴道样品或羊膜样品。

在另一个实施方案中，包括微流体微芯片的装置被用于识别剂的环境污染的存在。在一个实施方案中，剂是环境样品中的生物剂，例如细菌、病毒、真菌或支原体。在另一个实施方案中，剂是污染剂，例如杀虫剂、除草剂或肥料。在一个实施方案中，环境样品是土壤样品、水样品、空气样品、肉样品、植物样品或水果样品。在另一个实施方案中，剂是基因修饰生物。

在另一个实施方案中，包括微流体微芯片的装置用于基因分型、个体哺乳动物（例如人类）的识别、法医学、基因表达、基因修饰、微RNA分析或核糖核酸分型。

在另一个实施方案中，包括微流体微芯片的装置被在包括分子生物分析的方法中使用，分子生物分析包括但不限于样品中的核酸的聚合酶链反应（PCR）扩增（例如等位基因特异性PCR、组装PCR、不对称PCR、菌落PCR、解链酶依赖性扩增、热启动PCR、中间序列特异性（ISSR）PCR、反向PCR、连接介导的PCR、甲基化特异性PCR、多重连接依赖性探针扩增、多重PCR、嵌套式PCR、重叠延伸PCR、定量PCR逆转录PCR-PCR、热不对称交错PCR、递降PCR或PAN-ACPCR）、等温核酸扩增（例如环介导等温扩增（LAMP）；切口置换扩增；解链酶依赖性扩增平台（HDA）；和基于引发酶的完整基因组扩增平台（pWGA）；单一引物等温扩增（SPIA）和对于RNA的Ribo-SPIA；链置换扩增（SDA）；EXPAR[VanNessJ，VanNessLK，GalasDJ.(2003)Isothermalreactionsfortheamplificationofoligonucleotides（用于寡核苷酸的扩增的等温反应）.ProcNatlAcadSciUSA.100:4504-9.]；滚环扩增（RCA）；基于转录的扩增系统（TAS）和其衍生物，包括自动维持序列扩增（3SR）、基于核酸序列的等温扩增（NASBA）、和转录介导的扩增（TMA）；连接酶链反应（LCR)）、DNA或RNA的测序反应（例如马克萨姆-吉尔伯特测序、Sanger链终止法、染料终止测序、乳液PCR测序、大规模平行测序、聚合酶克隆测序、通过连接的测序、通过合成的测序、或通过杂交的测序）、限制性片段长度多态性（RFLP）分析、单核苷酸多态性（SNP）分析、短串联重复（STR）分析、微卫星分析、DNA指纹分析、DNA足迹分析或DNA甲基化分析。

在一个实施方案中，暗盒采用偶联于结合部分的珠，结合部分包括但不限于结合受体、铁传递蛋白、抗体或其片段（例如Fc片段或Fab片段）、凝集素、或DNA或RNA序列。在另一个实施方案中，暗盒包括诸如抗凝剂、固定剂、稳定化试剂、防腐剂或沉淀试剂的试剂。

C.气动歧管

气动歧管可以被与本文描述的任何微芯片和/或暗盒一体化以帮助空气压力或真空的分布。空气压力或真空可以被用于致动微芯片上的阀。可选择地，空气压力或真空可以被供应至暗盒，使得空气压力或真空被提供至在微芯片的流体层内的微通道，其可以被用于将流体或气体在流体层内运动。气动歧管提供空气压力或真空以操作在图3的暗盒（1）上的微芯片（2）上的微型阀或操作在其他的装置中的微型阀。

气动歧管可以被用于将微流体微芯片的气动管线匹配于外部压力源。气动歧管可以具有与微流体微芯片的气动层上的口对准的口以及可以被连接于连接于外部压力源的管路的口。口可以被允许液体或气体或其他材料在口之间的流体连通的一个或多个通道连接。

气动歧管可以与微流体微芯片在微芯片的任何表面上界面连接。气动歧管可以在微流体微芯片的与暗盒相同的或不同的侧上。如图40中所示的，气动歧管（113）可以被放置在微流体微芯片的与暗盒相反的表面上。此外，气动歧管可以被设计为使得其仅占据微流体微芯片的表面的一部分。气动歧管的定位、设计和/或形状可以允许其他的部件到达微流体微芯片。气动歧管可以具有允许其他的部件被定位为毗邻于或紧邻微流体微芯片的切口部或环形空间。这可以允许例如磁性部件（109）被放置为紧邻微流体微芯片内的室。

气动歧管可以由任何本领域技术人员已知的材料构建。例如，暗盒可以由塑料、玻璃或金属构建。塑料材料包括任何本领域技术人员已知的塑料，例如聚丙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酯、聚酰胺、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚氨酯、聚二氯乙烯、环状烯烃共聚物或其任何组合。气动歧管可以被使用任何本领域技术人员已知的技术形成，例如软光刻、常规光刻、铣削、模塑、压花、钻孔、蚀刻或其任何组合。

在图21和图22中示出的设备可以结合有气动歧管。设备可以被用于样品准备，如本文描述的，并且可以结合有暗盒。标记“立方体”的暗盒（1）被螺线管（1819）附接于歧管（370）。暗盒和歧管的组件被安装在设备的基板上。气动歧管可以被输入输出控制器（1803）控制。

气体供应部，例如可以被保持在期望的压力或真空的储器，可以向歧管供应气体。气体供应部可以被连接于外部压力或真空源。供入气体供应歧管的气体供应部可以具有用于监测入口压力的压力计。气体供应部可以通过气体供应歧管（1821）向系统的多个部件供应气体。气体供应歧管可以向气动歧管（370）以及向分别的试剂容器（1809）和（1807）供应气体。向分布阀（390）供应气体的管线可以被调节器（1815）调节。

试剂和/或样品还可以通过被连接于在试剂储存区域（380）中的容器（1809）以及被安装在珠混合器（1805）上的珠溶液容器（1807）的试剂分布阀（390）被向暗盒供应。衔接器（1817）可以被安装和/或与暗盒对准，使得递送装置例如注射器可以将材料递送至暗盒。衔接器（1817）可以被加热器控制（1801）热调节。衔接器可以具有导热体，例如黄铜，以分布被加热器线圈或Peltier装置产生的热。衔接器可以保持在约20至100、20至75或50至60摄氏度之间的温度。

磁体组件（1811）可以被定位为毗邻于暗盒。磁体组件的磁体（300）可以被定位为毗邻于暗盒（1）并且被致动器运动，使得磁体可以施加在暗盒或与暗盒一体化、匹配或界面连接的微芯片内的磁场。磁场可以用于捕获暗盒或微芯片内的顺磁颗粒或磁性颗粒，例如珠，并且从废材料分离被结合于颗粒的材料。来自暗盒和/或微芯片的废物可以被递送至废物容器（1813）。

在图21和图22中示出的设备可以使用七个电磁阀操作暗盒（1）。设备的尺寸和复杂性可以通过使用MOVe微型阀被进一步减小。图23和图24示出了含有约两英寸宽的微流体微芯片600的试剂分布装置。螺线管组件（Solenoidbank）680和684提供通过连接器681、682、685和686的与全标度外部真空和压力的连接。螺线管被通过电接合部689和687控制。微流体微芯片600具有MOVe阀，被使用夹具710的附接部711保持为与歧管700接触。本领域技术人员已知的其他的方法可以被用于将微芯片连接于气动歧管700。

D.样品的并行处理

在本发明的某些实施方案中，一个或多个暗盒可以被同时地操作以允许样品的并行处理。图16图示了多个具有微型阀的暗盒在拭子提取组件（800）中的单一的气动歧管上的并联的或成组的操作。使用螺线管（680），歧管（370）分布被调节的真空和压力以操作在图中表示的四个暗盒（1）。螺线管（680）通过气动歧管（370、380、390）控制向与每个暗盒一体化的微芯片的气动层的压力。气动歧管由顶板（370）、垫片（380）和底板（390）形成。顶板可以具有被蚀刻入其中的通道。通道可以被垫片密封，垫片被紧贴顶板和底板（390）夹住。致动器310运动杆810以将磁体（320）运动朝向或远离暗盒（1）。夹具805将暗盒（1）保持就位。

在本发明的其他实施方案中，与微芯片一体化的单一的暗盒可以使用并联通道一次处理多个样品。例如，装置可以被配置为具有4、8或甚至12个通道。图14和图15示出了具有毛细管供入和磁体的被组装的捕获和反应微芯片。该微芯片可以捕获珠溶液并且同时地进行例如四个STR-PCR反应。图14示出了具有被附着于微芯片的暗盒（1203）以及引导入微芯片和引导出来的管（1205、1207、1209、1211、1213、1215、1217和1219）的微芯片（1201）。示出了总共八个管并且每个并行的反应使用两个管。例如，并行处理装置的一个单元被管1205和1213供给。

在示例性的实施方案中，四通道样品准备装置组合四通道并联试剂递送装置（图53），四通道并联试剂递送装置计量试剂并且同时地将试剂递送至单一的一体化暗盒（图54）的全部四个通道，使四个样品能够被同时地且迅速地处理。

四通道并联试剂递送装置组合具有被安装在气动控制歧管的流体歧管的微芯片（见图53）。图53示出了样品提取模块，样品提取模块包括被匹配至微流体芯片的暗盒。暗盒包括用于注射器的孔（6701）以及用于分析物的珠捕获的隔室（6702）。这些隔室被通过被匹配至暗盒的下表面的微流体芯片中的通道（6703）流体地连接。试剂分布暗盒可以包括被与图3中的那些相似地配置的隔室。二者可以被例如管流体地连接，并且试剂可以被从试剂储器泵送入在试剂暗盒上的室中并且然后被泵送入样品提取模块中。考虑4、8、12个通道以及具有更多通道的装置。试剂被使用可以相似于本文描述的样品环路的两个不同尺寸的试剂环路中的一个对于每个通道计量，并且被并联地递送至样品准备装置的全部四个通道。使用并联试剂递送装置将试剂同时地递送至样品准备装置的全部四个通道可以耗费<4分钟，这代表与每四个被处理的样品耗费～15分钟的第一代串联试剂递送装置相比的>11分钟的处理时间节约。

被联结的气动歧管可以被用于通过使用粘合剂联结途径制造歧管来控制试剂递送装置和样品准备装置二者；然而，它们可以趋向于随时间推移分层，这是由于在子系统中使用的气动压力以及歧管的尺寸和复杂性。被热联结的歧管可以解决分层问题，但是可以仅是对于相对小的和低复杂性的歧管设计例如试剂递送装置的可行的途径。由单一的块的聚碳酸酯制造的具有连接气动口和螺线管控制阀的管路的一体歧管可以操作四通道样品准备暗盒并且已经被证明是对被联结的气动歧管的可行的替代形式。这种气动歧管设计构思也正在被用于在扩增后STR（短串联重复）清除子系统上的芯片A微芯片的控制。

四通道样品准备暗盒的微芯片和流体歧管的组装过程也已经被改进。历史上，硅环氧（siliconepoxy）可以被用于通过在微芯片和立方体之间芯吸粘合剂将暗盒附接于其相关联的MOVe微芯片。对环氧化物的运动的控制的固有的缺乏可以允许其偶而芯吸入在微芯片或立方体上的口中，产生流体路径中的堵塞，使装置不可用。这种过程已经通过使用双面粘合剂带（AdhesivesResearchARcare90106）组装流体立方体和微芯片被改进；这现在是用于下文描述的扩增后STR清除子系统中的四通道试剂递送暗盒、样品准备装置和扩增后装置的优选的组装方法。

具有069微芯片的一体化四通道样品准备暗盒（见图55）被测试。069微芯片设计被与样品提取暗盒共同使用。其他的芯片例如070芯片被与扩增后暗盒共同使用。

由纤维向本文描述的系统和装置中的非故意的引入导致的微芯片堵塞可能在微流体中是成问题的。为了最小化堵塞，除顺磁珠溶液外的全部试剂可以在加载之前被过滤并且在线过滤器可以被用于最小化微芯片堵塞。

E.分离和清除

多种分离可以被使用本文描述的装置进行。这些分离包括色谱的、亲合力、静电的、疏水的、离子交换、磁性的、基于阻力的以及基于密度的分离。在本发明的某些实施方案中，亲合力或离子交换相互作用被用于将材料结合于固相材料，例如珠。珠可以使用任何本领域技术人员已知的方法被从流体溶液分离。

磁性分离可以被用于使用采用顺磁珠和磁场的机械上简化的形式在单一的步骤中捕获和浓缩材料。珠可以被用于捕获、浓缩并且然后提纯特异性的目标抗原、蛋白质、碳水化合物、毒素、核酸、细胞、病毒和孢子。珠可以具有特异性的亲合试剂，典型地是结合于目标的抗体、适体或DNA。可选择地，静电的或离子配对的或盐桥相互作用可以结合于目标。珠可以是仅在外部磁场存在时是磁性的顺磁珠。可选择地，珠可以含有永磁体。珠可以被加入复杂的样品中，例如气溶胶、液体、体液、提取物或食物。在目标材料例如DNA的结合之后（或之前），珠可以通过磁场的施加被捕获。未被结合的或被松弛地结合的材料通过使用相容的缓冲剂洗涤被除去，这将目标从最初的样品中的其他的不想要的材料提纯。珠可以是小的（nm至μm）并且可以结合大量的目标。当珠被磁力浓缩时，它们可以形成仅nL-μL体积的珠床，从而在目标被提纯的同时浓缩目标。被提纯和浓缩的目标可以在在珠上时被方便地运输、变性、溶解或分析，或被从珠洗脱以进行进一步的样品准备或分析。

分离被广泛用于许多应用，包括食物、体液和其他基质中的微生物的检测。顺磁珠可以被容易地混合和操纵，以及被适应于微观尺度和微流体应用。这种技术提供了对宏观尺度向微观尺度的界面连接的优良的解决方案：珠可以提纯在宏观尺度的样品并且然后将样品浓缩至纳米尺度（100nL数量级），以引入微流体或纳米流体平台中。磁性分离可以被在实时PCR、电化学发光、磁力区别、磁泳、毛细管电泳、场-流分离或其他的本领域技术人员熟知的分离方法之前用作上游提纯步骤。

本发明的装置可以适应磁性珠的使用。例如，珠或珠浆料可以被供应至暗盒的口。珠可以通过使用泵送、磁场或外部混合器被混合或悬浮在暗盒内的溶液中。然后珠可以被泵送至微流体装置或暗盒内的期望的室或储器。珠可以通过使用磁场被捕获在室内。溶液中的珠可以在溶液行进经过磁场时被捕获，或珠可以被捕获在停滞的溶液中。

为了示例说明暗盒的使用的方法，考虑多个实例。第一实例是，使用顺磁珠处理来自面颊拭子的核酸，以提纯样品，随后进行PCR产物的PCR扩增和珠提纯。第二实例描述通过使用被偶联于珠的结合部分进行免疫磁性分离以提纯细胞、蛋白质或其他的抗原材料。第三实例描述进行分子生物学以准备用于测序技术的样品，例如通过合成的测序、通过杂交的测序或通过连接的测序。本领域技术人员将已知的是，许多不同的化学和生物化学可以被与本发明共同使用。这些包括但不限于酶反应、凝胶纯化、整体结构、珠、填充床、表面反应、分子生物学以及其他的化学和生物化学反应。

具有一体化微芯片的暗盒可以由任何本文描述的暗盒和微芯片形成。例如，暗盒和微芯片在图3、图4和图5中示出。可活动磁体（300）可以被定位为毗邻于暗盒。可活动磁体可以被致动器（310）运动。可活动磁体可以用于施加在暗盒或微芯片内的磁场。在某些实施方案中，可活动磁体可以被用于帮助珠的紧贴暗盒或微芯片内的室的壁的集合或收集。

II.反应模块

反应模块典型地将包括被流体地连接于微流体通道的反应室以及分析物经过的样品准备室。反应模块可以被配适为将分析物放置在小于最初的样品体积的体积例如非微流体体积中。例如，反应模块可以包括与被配适为固定化分析物被捕获在其上的磁响应颗粒的磁力连通的室。珠床典型地具有小于最初的样品体积的体积。分析物可以被在反应室中释放至颗粒，并且生物化学反应例如PCR可对分析物进行。反应室中的液体体积可以是例如在10至50微升之间的非微流体体积。因此，可流动和可固定化的分析物捕获材料的使用允许分析物的捕获、转移和浓缩。

如图6中所示的，温度调节器可以被经过反应通道（250）流体地连接于暗盒和微芯片。反应室（250）可以被在端（251）连接于暗盒。温度调节器可以被用于热循环容纳反应混合物和被从样品富集的核酸（统称为PCR反应样品）的反应通道（250）的温度。控制机构可以被用于控制温度调节器的操作。光学组件可以被用于监测或控制反应。光学组件可以引入或检测光。例如，光学组件410可以被用于进行实时PCR或其他的实时或终点测量。在某些实施方案中，温度调节器采用热偶联Peltier热电模块、常规的热电模块、热空气、红外光或微波。在一个实施方案中，温度调节器使用在反应通道的外部的Peltier热电模块如期望的加热和冷却PCR反应样品。热电模块的加热和冷却在区域350上分布。温度调节器400的另外的视图在图7和图8中示出。图7示出了与温度受控区域350接触的反应通道250。温度调节器还可以包括被致动器330定位的可活动磁体320。可活动磁体可以被用于将磁性颗粒捕获在位置340处，如图6中所示的。在本发明的某些实施方案中，温度受控区域包括两个部分。两个部分可以是蛤壳状的部分，被夹持、锁定或保持在一起以保持与反应通道250的热接触。温度受控区域的一个部分，即图8的部分711，可以被铰链连接至温度受控区域的第二部分。温度受控区域可以具有用于一个或多个反应通道的定位的凹槽状通道，如在图7的右侧和在图8中所示的。图7的左侧示出了温度受控区域以封闭配置。此外，温度受控区域可以包括一个或多个颈缩部件，如在图8中作为709和701示出的。颈缩点可以夹捏反应通道，使得反应通道的一部分被与反应通道的另一个部分分离。在本发明的某些实施方案中，反应通道被在两个地点中夹捏，使得流体例如反应混合物的主体被分离。颈缩部件709和701可以与另外的颈缩部件707和705匹配，以帮助反应通道的夹捏。

可选择地，温度调节器可以使用夹捏夹具颈缩反应管路，如图51中所示的。夹捏夹具可以由塑料例如Ultem形成，夹捏夹具的使用可以减少向反应通道的热传递。热传递的减少可以减少反应通道在热循环或温度调节期间被焊接关闭的可能性。可选择地，可以使用不同材料的管路作为反应通道，以确保反应通道可以在热循环或温度调节过程之前和之后保持其形状。不同材料的管路还可以用于减少在温度调节过程期间的蒸发速度。实例材料包括乙基醋酸乙烯酯、硅氧烷和硅烷化c形折曲管路。

温度调节装置可以以0.5至高于3摄氏度每秒的速率调节温度。加热器可以利用约25至100瓦特，并且可以被用于冷却温度调节装置的风扇可以产生至少约75、100、130、150、200、250或300cfm的空气流速。

在一个实施方案中，样品准备装置包括与微流体微芯片一体化的暗盒，微流体微芯片可以被用于控制暗盒中的流体的运动，样品准备装置可以被与作为流经式PCR热循环器的温度调节器400共同使用。用于运动流体的驱动力可以是外部压力源或内部压力源，例如在微芯片内的MOVe阀。在高灵敏度的或高流通量的PCR是期望的时，可以使用流经式PCR热循环器。有许多其中人们在灵敏PCR鉴定中可能需要样品空气、血液、水、唾液、细胞样品或其他介质的情况。这可以用于检测多种生物污染物，包括流行性感冒、细菌性病原体以及任何数量的病毒性或细菌性病原体。流经式PCR可以允许PCR被以自动化的方式实施，而不需要人类交互。流经式PCR系统还可以作为建筑物、飞机、公共汽车和其他的交通工具的HVAC系统中的早期警报系统，并且可以被用于监测血液、水或其他的样品源的传染剂或污染物的存在。

如图6中所示的，流经式PCR装置从收集装置，例如面颊拭子、注射器、空气取样器、流体取样器或其他的取样器，取得样品并且将其递送至样品准备装置1（图6不一定按比例绘制）。样品被在准备装置1中准备，这在某些实施方案中可以包括细胞溶解、DNA、RNA或微RNA富集或提纯、过滤或逆转录。在一个实施方案中，至少一种核酸被富集。在另一个实施方案中，至少一种被富集的核酸通过将核酸加入PCR试剂（例如至少一种DNA聚合酶、RNA聚合酶、dNTP、缓冲剂或盐）和引物（例如对鉴定特异性的引物或用于多个目标病原体的广泛适用的引物集合）被为了PCR准备。这些引物可以被选择以选择性地扩增至少一种被从特异性的病原体（例如霉菌、病毒、细菌、寄生虫或变形虫）分离的核酸、基因、其他的期望的核酸或其任何组合。包含至少一种被从样品富集的核酸、PCR试剂和引物的组合物被称为PCR反应样品。在一个实施方案中，流经式PCR可以被用作连续流装置，而在其他实施方案中样品被运动入热循环区域中并且被停止。

然后PCR反应样品经过反应通道（250）流动至温度受控装置或区域（350）。在某些实施方案中，反应通道是清澈的或透明的。在另一个实施方案中，反应通道是不透明的。在一个实施方案中，反应通道是圆柱体。在另一个实施方案中，反应通道的横截面包括形成诸如三角形、正方形、矩形、五边形、六边形、七边形、八边形、九边形、十边形或其他的多边形的形状的一个或多个平面。在一个实施方案中，PCR反应样品的体积使得其占据反应通道中的空间的小的分立的长度，其其余部分被空气、气体或非反应性液体例如矿物油占据。空气、气体或非反应性液体可以被用于将分别的PCR反应样品彼此分离。在一个实施方案中，温度受控区域（350）被一个或多个模块热调节，包括但不限于热偶联Peltier热电模块、常规的热电模块、热空气、微波或红外光。在一个实施方案中，热循环器使用在管的外部的Peltier热电模块如期望的加热和冷却样品。在一个实施方案中，检测模块（410）测量荧光、发光、吸光度或其他的光学性质，以检测在PCR反应样品位于温度控制区域中或在PCR反应样品已经离开温度控制区域之后被从PCR反应样品发射的信号。检测模块可以包括用于激发PCR反应样品中的荧光染料（例如插入染料，包括但不限于溴化乙锭或Syber绿）的光源（例如相干光源或非相干光源），并且激发光被光检测器（例如CCD、CMOS、PMT或其他的光学检测器）感应。检测电子设备可以评价从检测模块（410）发送的信号。

在一个实施方案中，在期望的数量的热循环被完成之后，PCR反应样品被使用压力或真空沿反应通道泵送或推动，离开温度受控区域并且穿入第二微流体微芯片（500）中。第二微芯片（500）可以被在端（252）附接于反应通道（250）。微流体微芯片（500）可以包括微型阀（510、520、530和545）。任何三个微型阀例如510、520和530或510、520和545可以形成泵。微通道505、515、525和540可以连接在微芯片上的泵。下游装置535和550可以被连接于微芯片。材料向装置（535和550）的流动可以被微型阀控制，例如通过在泵送或运动流体时保持阀530或545关闭。在一个优选的实施方案中，下游装置是可以用于进行电泳、质谱法或其他的本领域技术人员已知的分析技术的分析装置。

III.反应后模块

在某些实施方案中，在生物化学反应被完成之后，反应产物在分析之前被处理。系统可以包括被配适为处理反应产物的反应后模块。反应后模块可以包括微流体装置，微流体装置包括被配适为将包含反应产物的流体经过微流体通道引导入处理室例如非微流体室中的装置上阀和泵。例如，如果生物化学反应是DNA扩增例如PCR并且分析涉及例如毛细管电泳，那么处理可以涉及调整含有产物的体积的盐浓度。这可以涉及例如稀释反应产物体积。

在另一个实施方案中，多个反应通道可以被并联地使用以增加样品处理量。在又另一个实施方案中，系统可以在扩增已经发生（阳性结果）时警告使用者，指示目标序列存在。在一个实施方案中，反应通道被仅为了单一的用途使用，然后被废弃。在可选择的实施方案中，反应通道可以用于扩增和检测PCR扩增产物在多个样品中的存在或不存在。多于一个PCR反应样品可以被每隔一定时间间隔加载并且被气体或液体的阻挡物丸间隔，以防止混合。在一个实施方案中，样品以使得当一个正在经历热循环时另一个样品在检测区域中正在经历询问的方式被间隔开。将对于本领域技术人员明显的是，PCR扩增可以被其他的可以使用热循环或可以是等温反应的核酸扩增技术代替。

在其他实施方案中，装置可以使用亲合试剂例如抗体或适体进行等温反应例如夹心法鉴定以使用提供对存在的目标的量的读取的检测模块（图6，410）确定细胞、蛋白质、毒素或其他的目标是否存在。在这些应用中，暗盒1可以进行亲合提纯，例如IMS提纯，然后加入可以具有附接的荧光标记物的二级抗体。然后样品可以运动入区域350中，在区域350中热控制被设置以优化反应。然后检测模块（410）可以监测反应。在一个实施方案中，多个暗盒被结合于反应通道（250），并且一串丸可以被检测器410读出。

IV.用于产物分析（例如毛细管电泳）的装置

在一个实施方案中，完整的样品-回答系统被提供，其可以包含微流体，要求将所有的步骤偶联在一起以匹配体积和浓度。使用毛细管电泳的样品分析是可以被与如上文描述的微流体样品准备方法共同使用的标准分析方法。毛细管电泳容易地可适应于微流体微芯片。在本发明中，在微芯片上的毛细管电泳被与MOVe阀组合，以提供对样品的控制，处理珠以浓缩样品，并且改进加载和分离。

图48示出了被连接于样品通道6005的样品源6009，样品通道6005也被称为加载通道，样品源6009与分离通道6011匹配。两个电极6003和6001可以被用于将电场施加于分离通道。在本发明的某些实施方案中，样品源可以经过用于驱动样品通道内的流体流动的微芯片中的MOVe泵。样品通道可以是微流体通道或注射管路。注射管路可以是柔性管路或另一个柔性连接器。柔性管路的实例包括聚四氟乙烯管路或硅管路。柔性连接器还可以连接于与微芯片接口连接的另一个暗盒。可选择地，柔性连接器可以返回至其来自的暗盒。分离通道可以是微流体通道、毛细管管路或毛细管电泳管路。毛细管管路可以具有约150至500微米的外径和约10至100微米的内径。毛细管可以是被聚酰亚胺或聚四氟乙烯包层的。毛细管可以是约2至100cm长。毛细管可以通过首先在注射管路中钻出洞并且然后将毛细管插入柔性管路中被匹配于注射管路或柔性管路。可选择地，毛细管可以被插入柔性管路中而不必须预钻孔柔性管路。

两个电极中的一个例如电极6003可以是阴极并且另一个电极例如6001可以是阳极。阴极可以是任何阴极，例如叉状阴极，如本文描述的。阳极可以通过使用任何本领域技术人员已知的装置被连接于分离通道。例如，分离通道可以被Upchurch装配件接合于储器，Upchurch装配件与阳极电接触，阳极可以是金属电极。

在本发明的某些实施方案中，稳定化部件，如在图49中被示出为在分离毛细管和注射管路的交叉处的，可以被用于对准、密封和/或保护分离毛细管和注射管路之间的连接。在本发明的某些实施方案中，多个注射管路被使用稳定化部件与多个分离毛细管对准。如图50中所示的，稳定化部件可以保持在图中被示出为是竖直管路的四个注射管路，并且稳定化与四个分离毛细管（未示出）的连接。

图48的图1-6示出了用于将样品注射入分离通道中的工艺。在图1中，没有样品在样品通道6005中存在。在图2中，示出了正在从样品源（6009）进入样品通道的样品。当样品被沿样品通道运动时，样品与分离毛细管交叉，如图3中所示的。样品可以被在样品的上游和下游的气体的丸剂分离。一旦样品毗邻于分离通道，那么可以在25至500V/cm之间的电场被施加在可以是阴极或叉状阴极的第一电极6003和可以是阳极的第二电极6001之间。电泳缓冲剂，如被示出为正在从样品源进入样品通道中的，也可以进入样品通道，如图3中所示的。阳极和阴极之间的电压电势和/或电流可以在空气丸剂通过样品通道和分离通道之间的接合部经过时下降，减少或防止空气的向分离通道中的注射。电压电势和/或电流下降可以被检测，以确定样品和/或电泳缓冲剂何时毗邻于分离通道。一旦电泳缓冲剂毗邻于分离通道，如图5中所示的，那么阳极和阴极之间的电流和/或电压降可以被增加。这可以允许分离通道中的分析物的分离，如图6中所示的，因为电泳缓冲剂提供用于高性能分离的离子。

在STR分析的一个实施方案中，注射过程如下：

A.微流体通道可以被缓冲剂填充。

B.分离通道可以在缓冲剂被拉动经过样品通道时被凝胶填充，从而从由分离通道和样品通道形成的横截面扫除分离聚合物。

C.被STR扩增的样品（被脱盐和被捕获在珠上）可以被捕获在微芯片500上，被在含有尺寸标准的低电导率流体（水）中洗脱，并且被使用MOVe技术泵送入样品通道中。

D.场可以使用在样品和废物臂上的“撤回（pullback）”电压被施加在阴极和阳极上，以将样品驱动入分离通道中，在分离通道中样品堆叠在分离聚合物的头部。当样品被注射时，样品通道的电导率可以迅速地用阴极臂中的缓冲剂平衡，提供单一步骤注射。

叉状电极或阴极可以是两个金属导体，如图46中所示的。用于待被分析的样品的流体路径，如图46中所示的，可以沿着加载通道。当样品的地点毗邻于分离通道时，叉状电极可以用于将样品注射入分离通道中，如本文描述的。样品通道中的材料的电导可以小于分离通道中的材料的电导，分离通道中的材料可以是分离聚合物。当电场被经过可以是阴极的叉状电极和可以是阳极的下游电极施加时，电导的差异可以导致样品堆叠。叉状电极和下游电极的极性可以被逆转，使得叉状阴极是阳极并且下游电极是阴极。

在本发明的某些实施方案中，另外的电极可以被用于减少气体向分离通道中的注射或气泡在样品加载通道内的形成，这些可以导致在分离通道上的外加场的损失。气体向分离通道中的注射或气泡在样品加载通道内的形成可以导致分析物的不一致的分离，并且可以被用于将电场施加于分离通道的在阳极和阴极之间的不一致的电流检测。另外的电极的用于避免或减少气体或气泡向分离通道中的注射的用途在图47中示出。另外的电极可以是单线运行电极或管状运行电极。管状运行电极的增加的表面积和/或较大的内径可以允许气泡形成或堵塞的显著的减少和/或向分离通道中的注射。在本发明的某些实施方案中，套管被用于管状运行电极并且具有至少约1/64、1/32、1/16、1/8或1/4英寸的内径。

在图96A和B中示出的另一个实施方案中，三尖电极布置可以被用于在注射之前预浓缩分析物。在本方法中，外部电极被给予与分析物的电荷相同的电荷，并且在外部电极之间的并且与电泳毛细管相反的电极被给予与分析物的电荷相反的电荷。例如，对于带负电荷的核酸的情况，外部电极被给予负电荷并且中间电极被给予正电荷。这使分析物在侧面相接的电极之间并且朝向中间电极被浓缩。然后，中间电极上的电荷被逆转并且电压被置于电泳毛细管上。这将分析物运动经过毛细管。所示的用于毛细管电泳注射器的电极配置可以包括叉状电极和另一个电极。所示的两个配置都包括具有位于与电泳毛细管的连接的远端的两个接触点的叉状电极，一个电极直接地从毛细管的内腔经过。在一个实施方案中，第二电极是叉状电极中的第三叉。在第二实施方案中，第二电极不在与另一个电极相同的回路上。这允许两个回路路径被在注射器处采用。在使用三电极布置的一个方法中，样品被使用流体系统运动入与毛细管相反的地点中。然后，样品被仅使用与毛细管相反的中间电极注射入毛细管中。然后，中间电极被关闭，侧面相接电极被开启并且被用于使经过毛细管的分析物电泳。

本发明提供用于调节电泳毛细管例如毛细管的阵列的温度的装置。一个实施方案在图98B中示出。电绝缘的电路板具有用于毛细管的放置的大体上S形的路径。大体上S形的路径被分为6个不同的节段12、14、16、18、20和22。这6个不同的节段12、14、16、18、20和22分别地调节毛细管的与特定的节段热接触的部分中的温度。不同的节段12、14、16、18、20和22中的每个被往复移动的电路径填充，例如在该节段的区域中的蛇形的形状中，以填充该节段的区域。该往复移动的电路径被在节段22中详细显示。虽然为了图示的清楚性的目的未示出，但是其他的节段12、14、16、18和20也被在该节段的区域中往复移动的电路径填充以填充该节段的区域。

电路板还具有一行沿着大体上S形的路径的两个侧布置的用于毛细管的放置的孔10。孔减少在电路板的大体上S形的路径和电路板的其余部分之间的热传递。因为空气是良好的绝热体，所以电路板的两个部分之间的热传递被减少。电路板本身也是弱导热体。在另一个实施方案中，代替孔的行，弱导热性材料被定位在电路板的这两个部分之间。热传递的这样的减少帮助大体上S形的路径以及被放置在大体上S形的路径上的毛细管的热调节。孔起作用以减少被热调节的区域的向基本上大体上S形的路径以及被放置在大体上S形的路径上的毛细管的热质量。由于较少的热质量，大体上S形的路径以及被放置在大体上S形的路径上的毛细管的期望的温度被更迅速地达到。

电路板还包括沿着大体上S形的路径的朝向大体上S形的路径的出口端的孔8。因为不存在电路板材料，所以孔8帮助与被放置在孔8上的毛细管的光学相互作用。孔8允许使用诸如落射荧光的光学配置的荧光激发和检测，以及多种倾斜照明方案。

在多个实施方案中，电路径是被联结至电绝缘的电路板上的有图案的或被蚀刻的导热痕迹。有图案的电路径可以通过除去不想要的导电性材料以留下期望的导电性路径的“负”构形，或通过加入另外的导电性材料以形成期望的导电性路径的“正”构形被定义。电路板可以具有在单层电路板上的导电性路径或作为多层电路板的一部分。

电路径中的导电性材料的多种实例是金属材料，例如铜、铝、硅，或非金属导电性材料，例如石墨或导电油墨，但是可以是任何其他的导电性材料。

与电路径的导电性材料不同，电路板材料是非导电性的，通常是绝缘材料。

每个电路径产生和界定热区域。在一个示例性的实施方案中，六个加热区域每个包括约1m的150μm宽铜痕迹，其被折叠为产生下文示出的加热器形状所需要的形状。多个实施方案将痕迹的长度改变为比1m短或长，取决于足以进行分析物的电泳分离的长度。多个实施方案使电路径的宽度更宽或更窄，取决于电路径的足以产生足够的用于热偶联的毛细管的热调节的热的电阻。多个实施方案增加或减少加热区域的数量。

在某些实施方案中，电路径例如痕迹具有在0.0001至0.5英寸之间的范围内的宽度，以及在0.25至750英寸之间的范围内的长度。

进行在毛细管中的电泳允许热被有效地经过毛细管壁消散。这允许高电压被用于以实现快速的分离。

图2是具有电路板、在电路板上的电路径、一束毛细管以及温度传感器的热组件的俯视图。

在电路板例如在图98A中示出的电路板上，电泳毛细管被附接于大体上S形的路径，例如通过粘合性材料。在所示的实施方案中，一束8个毛细管被附接。其他的实施方案具有范围在1至更高数量的任何其他数量的毛细管，取决于具体的电泳应用的对分析物的并行处理的需要。毛细管的进入端54具有扇形分散端（fannedoutend），以帮助分析物的向不同的毛细管中的注射。毛细管的出口端56在图中保持束在一起。

在大体上S形的路径的被分别地热调节的区域或节段中的每个中，温度传感器热接触。所示的温度传感器是32、34、36、38、40和42。温度传感器42不与毛细管热接触但是与电路板本身热接触，或可选择地与环境空气热接触。温度传感器的实例是热敏电阻或其他的随温度改变的电阻，或热电偶或其他的随温度改变的电压源。在另一个实施方案中，被分别地热调节的节段的温度数据不被分立的温度传感器收集，而是被电路径本身例如被电路径的电阻收集。

在所示的实施方案中，温度传感器是被附接于在热绝缘孔的阵列的外部的一部分电路板上终结的痕迹的热敏电阻。热敏电阻被向下折叠经过毛细管阵列并且被嵌入将毛细管阵列联结至板的粘合剂中，以确保热敏电阻和毛细管之间的良好的热接触，同时最小化从加热器的热损失。

被这样的温度传感器产生的温度数据帮助热调节与电路径热接触的毛细管的温度。经过电路径的电流通过焦耳加热将热能沉积在电路径中。被沉积的热能的量随电流的量以及电路径的电阻变化。

在一个实施方案中，本发明提供便携式八通道一体化自动化样品-回答DNA法医装置。这样的装置接受面颊拭子样品或血液样品；进行STR分析；并且输出可用于对数据库的询问的CODIS文件。

在另一个实施方案中，本发明提供对样品中的短期重复（shorttermrepeat）的自动化分析，其中方法包括提取和提纯包含包含短期重复核酸序列的分析物的样品；扩增短期重复核酸序列；提纯短期重复核酸序列；并且进行对被提纯的短期重复核酸序列的毛细管电泳以确定短期重复核酸序列的尺寸。

通过使用标准技术，从生物样品（例如脸颊拭子）至CODIS文件的数据输出的过程需要多于六个小时。这包括DNA提取、qPCR、DNA归一化、使用被标记的引物的STR扩增、反应后样品准备、CE分析和数据分析。本发明的系统可以在少于5小时、少于4小时、少于3小时或甚至少于2小时内进行这整个过程。

在另一个实施方案中，本发明提供对短期重复的自动化分析，其中从原始的或以其他方式未提纯的样品得到正确的STR的成功率是至少60%、至少65%、至少70%、至少75%、至少80%、至少85%、至少90%、至少95%、至少96%、至少97%或至少98%。

A.检测器

在一个方面，本发明提供用于检测在毛细管的阵列例如4个毛细管的阵列、8个毛细管的阵列或高至12个毛细管的阵列中的分析物的光学系统。在本系统中，物镜相对于毛细管、激发源以及收集光学器（optics）运动。当物镜运动时，激发光经过透镜的不同的部分并且被聚焦在毛细管的区域内的不同的点处。物镜的运动导致聚焦的点的平移，使得每个毛细管可以进而被扫描。

在图99中，激发束170的激发源是固态激光器，其输出被使用被以45度角度放置在光程中在物镜160正上方的光束组合器162投射入毛细管174中。在多个实施方案中，光束组合器包括波长敏感性反射器或空间光束分离器，例如被放置在玻璃的透明片材上的小反射点。光束组合器是与波长相关的，其比空间光束组合器更容易对准。

高数值孔径物镜被在其向毛细管174的路径上的激发束170以及被从毛细管174发射的荧光的光信号二者使用。

从毛细管174的分析物发射的荧光的光信号被物镜160准直。光信号经过波长敏感性反射器162并且撞击在排斥光信号的包括激发束170的部分的长通滤波器164上。

荧光检测方案是基于棱镜分光仪的。然后光信号被投射至色散棱镜166上，色散棱镜166起作用以根据波长改变射线的角度。然后这种被分散的光信号被使用图像形成透镜168聚焦在检测器170的平面上，使被分散的光信号的不同的波长聚焦在检测器170的平面中的不同的地点处。检测器170的实例是CCD照像机。一个替代形式是CMOS照像机或其他的光学传感器。

在使用包括30μm直径毛细管的阵列时，检测装置的扫描范围覆盖八通道阵列的+/-0.8mm。这种有限的扫描范围最小化运动的零件的数量。其他的实施方案使扫描范围更宽或更窄，以适应毛细管的不同的数量和/或毛细管的不同的数量。当仅物镜160运动时，激发激光束170保持与物镜160的中心非常接近，即使当束170位于阵列中的端毛细管的顶部处时。激发束170以不同的角度撞击在毛细管上，取决于毛细管在阵列中的地点。

V.具有一次性暗盒的一体化分析系统

本发明提供一体化分析系统，一体化分析系统可以与将系统的多个功能一体化的一次性暗盒接口连接，多个功能包括样品提取、热循环和扩增后处理。一体化分析系统和一次性暗盒可以被用于分析从源获得的样品并且提供有关源的信息。例如，系统和暗盒可以被用于从多个样品提取核酸并且分析被提取的核酸以进行短串联重复以获得有关源的遗传信息。

一体化分析系统和一次性暗盒的概括在图63中示出。一体化分析系统可以包括硬件、耗材、软件和文件处理部。如图64中所示的，一体化分析系统的硬件部件可以包括一个或多个包围物、电子设备、气动、光学器、热循环器、电泳系统和暗盒覆盖物。硬件的另外的部件在图64中示出。一体化分析系统还可以包括一个或多个控制系统、动力系统、计算机和显示器。如图65中所示的，一体化分析系统的软件部件可以包括提供图形用户界面的软件、数据分析、核和脚本。核可以被用于硬件的控制。脚本可以是被运行的程序。程序可以相应于具体的分析过程。

如图66中所示的，耗材可以包括一个或多个毛细管阵列、试剂卡片、暗盒和分离聚合物暗盒。试剂卡片可以包括用于进行分析反应的试剂。暗盒可以包括用于接收样品的室以及具有一个或多个用于控制流体运输的气动致动阀的芯片。其他的耗材部件在图66中示出。

图67示出了可以被包括在一体化分析系统中的文件处理部。文件处理部可以包括测试文件处理部、手册、项目文件处理部、要求和规格、产品文件处理部以及风险管理。

一体化分析系统和一次性暗盒可以被包围在具有小于约10ft³、小于约5ft³、小于约3ft³、小于约2ft³或高至约1ft³的总体积的容器中，例如Pelican模型1610壳体。pelican壳体#16102.2ft³可以被用于容纳所有的系统零件，包括使用者控制和备用的暗盒。容器的尺度可以是高至约22×17×11英寸。容器可以具有用于帮助系统的运输的轮和把手。容器可以被填补或加强，使得系统在运输或使用期间被保护不受破环。容器可以被固定地关闭或具有一个或多个用于防止和/或阻碍非意图的进入和/或盗窃的警报器。被包封的和一体化分析系统的实例在图68中示出。因此，本系统结合有用于接受生物样品并且产生该样品的基因内容物的分析的手提箱尺寸容器仪器。系统被多路复用并且可以并行地一次进行多个操作，例如至少2、至少4、至少6、至少8、至少10或甚至至少12或更多样品。在具体的实施方案中，系统可以并行地进行2、4、6或8个样品。

壳体负荷可以是<50kg并且可以被不受保护地运输。可以不需要另外的包装，使能够进行装置的快速的展开。盖子可以被打开，并且装置可以在到达时被插入。小尺寸以及两个人的提升负荷可以使能够在不需要提升设备的情况下进行设置和转移。在本发明的某些实施方案中，系统包括内部电源或发电机。内部电源可以是用于在电源不存在时向系统供能的电池。电池可以是可充电电池或可以是不可充电电池。发电机可以是燃料电池、太阳能电池或任何其他的类型的本领域技术人员已知的发电机。

容器或壳体还可以具有一个或多个内部包围物。内部包围物可以保护硬件不受破环或溢出（spill）。内部包围物的实例在图68中示出。内部包围物具有两个具有用于允许气流的径向切口的通风部。图69示出了系统的内部包围物（1.0，右下部）被从容器除去，暴露一体化分析系统的硬件。图69还表示光学器（4.0）、气动（3.0）、暗盒（10.0）、热循环器（5.0）、暗盒覆盖物（7.0）、试剂卡片（9.0）和电子设备（2.0）的定位。

在操作下，系统可以牵引可能需要被从底盘排放的几百瓦特。两个旋转风扇可以将空气牵引经过过滤器的集合并且提供足以将内部底盘空气温度使用两个风扇保持在环境的5℃内以及使用单一的风扇保持在<10℃的冷却。风扇可以是无刷类型，以将使用寿命增加至>25k-hr。

空气和温度控制子系统管理手提箱包围物、热循环器和CAE内的热流。布局采用具有在Apollo200系统的侧处的强迫空气内部风室并且将被过滤的空气在暗盒的前部和后部输出以帮助足够的热管理并且最小化颗粒引入。

被包围的一体化分析系统的另一个图表在图70中示出。图70示出了用于进行分离的毛细管电泳环、用于检测分析物的CCD基检测器、一体化小盒（具有试剂卡片的组合的一次性暗盒）、气动螺线管、小盒夹具和接口（组合的气动歧管和暗盒覆盖物）、具有触摸屏界面的嵌入的平板PC、排气风扇、气动压力源和压载物、以及电子设备。

计算机和控制软件可以一体化系统并且提供电子设备界面、计时和控制。计算机可以是运行MicrosoftXP的工业PC。软件可以是Software软件控制软件。主要的用户界面可以是触摸屏板，辅助的界面是可以不被包括在包围物中的监视器（VGA或更高的分辨率）、外部键盘（USB）和鼠标（USB）。条形码读取器（例如KeyenceBL-180）和GPS单元（例如基于Sirf-Stariii芯片组的OEM模块）可以通过USB被连接于计算机。

图71示出了被包围的一体化分析系统的视图。图71示出了触摸屏（1.5.1）、条型码读取器（1.5.2）、GPS（1.5.3）、壳体（1.1）、动力供应（1.7）、底盘和结构（1.2）、内部隔板和挡板（1.3）、电子设备（2.1-2.5）、分离和聚合物填充装置（6.2）以及分离聚合物暗盒（11.0）。电子设备包括通信控制器（2.1）、电磁阀控制器（2.2）、温度控制（2.3）、马达控制（2.4）和传感器板（2.5）。

图72示出了被包围的和一体化分析系统的光学器和气动系统的近视图。光学器包括对准部件和基部（4.1）、激发源（4.2）、检测器（4.3）。气动包括真空供应（3.1）和压力供应（3.2）。

工业级动力供应可以被用于改进系统的使用寿命。动力供应的额定可以不大于500W。可以使用满足振动标准并且被证明满足长使用寿命的互相连接。

用于安装子组件的底盘设计可以包括可以利用铝铸件减少大体积零件的重量和成本的多个结构。铝结构可以支持子系统2、3、4、5、6和11（图64）。利用片材金属零件的结构可以支持子系统1.5和2。设计可以允许减少的重量和成本，同时保持刚性和耐用性以满足用于运输的振动规格。结构可以包括在包围物和系统/子系统之间的内部分离部。

用于将被使用者操纵的节段例如暗盒加载从电子设备和光学器分离以避免溢出的隔板以及用于防止杂散光进入光学器的挡板可以由塑料或铝零件制造。

底盘可以被设计为具有暗盒操纵子系统。暗盒操纵子系统与具有对应用特异性的暗盒的底盘接口连接并且位于底盘的前部中心处（图39）。暗盒操纵子系统可以在使用者按下软按钮“加载”时被激活。暗盒操纵子系统可以将来自使用者的暗盒接受在相似于VCR机构的吊架中，然后吊架可以被致动以将暗盒运动入底盘。

暗盒将首先运动远离使用者并且然后向下运动。顶板可以密封吊架的顶部。流体和气动连接可以是在弹簧力下经过暗盒的顶部和底部经过顶板和底板。所有的连接可以在处理期间以及在被储存时被顶板保护不接触环境。暗盒操纵子系统和第一暗盒是工程中有最高的风险的项目。

当暗盒操纵子系统完成暗盒输入时，当暗盒在弹簧压力下坐落至底板上的微型“O型环”密封件上时气动和流体二者都被密封。

单元可以被构建为满足运输振动和环境极端条件的标准。单元可以被以多种壳体取向使用。单元可以被设计以极端温度和湿度规格起作用。单元可以被设计以防止光泄露。

一体化分析系统和一次性暗盒的部件在图73中描绘。

试剂气动组件啮合暗盒并且可以进行多个功能。被连接于空气供应的暗盒覆盖物在图73上示出的示意图的左上部分上示出。暗盒覆盖物的描绘在图74中示出。图74示出了用于真空源（3.4真空）和压力源（3.4压力）的空气供应口。暗盒覆盖物还包括磁体组件（7.1）、试剂操纵接口（7.4）和加热器组件（7.2）。

暗盒覆盖物与暗盒的顶部和试剂卡片接口连接。其可以包括多个功能：用于样品提取过程中的磁性颗粒捕获的磁体定位、用于样品提取溶解过程的加热器定位、用于供入稀产物的阴极管路的向电泳系统的连接、压力和真空与试剂卡片的一体化、用于样品加载过程的控制的照射以及在试剂卡片激活之前的磁性颗粒再悬浮。

A.暗盒覆盖物的主要功能性是与暗盒对准，激活试剂卡片并且与暗盒接口连接以提供延伸的功能性。功能可以包括以下的，参照图74。

A.磁体组件（7.1）：在溶解之后，来自样品的DNA可以被捕获在磁性颗粒并且通过洗涤以除去污染物和PCR抑制剂被准备以用于进一步的处理。为了提供在暗盒内的颗粒的捕获和某种程度的释放，暗盒覆盖物含有用于帮助稀土磁铁的阵列的相对于暗盒上的捕获室的运动和定位的组件。本组件由磁体阵列和机构组成。磁体可以被运动入位置中和从位置运动出来，以将磁力施加在暗盒中的可以容纳顺磁珠的隔室上。

B.加热器组件（7.2）：细胞溶解被在升高的温度进行，典型地是60-80℃。溶解在被加热器组件加热的样品室内发生。暗盒覆盖物将电阻加热器围绕样品室定位并且提供向电子设备的热管理部件的互相连接。温度反馈被加热器中的热电偶供应。

C.阴极管路连接（7.3）：在PCR和稀释之后，样品（现在是稀产物）被运动至阴极管路以注射至毛细管上。阴极管路被经过暗盒覆盖物连接并且被低压密封件例如面密封或套圈类型连接与暗盒接口连接。这种连接是无泄露的、清洁的并且低死体积的。

D.试剂操纵（7.4）：为了最大化MOVe阀性能，有时有用的是使用加压试剂供入阀。在暗盒覆盖物内，有在试剂卡片在系统设置期间被激活时加压特定的试剂井的多个口。以同样的方式，废物材料的最好的清扫经常使用真空辅助被实现。再次地，在试剂卡片激活时，特定的废物井可以被排空以实现这一点。与试剂卡片的接口连接是通过被安装在暗盒覆盖物中的刺穿试剂卡片上的顶部密封件的套管。

E.样品加载（7.5）：为了帮助样品、阳性对照、阴性对照和等位基因分型标准物的合适的且受控的加载，暗盒覆盖物可以装配有与监测和控制活动的软件以闭合回路方式工作的传感器和照明器。取决于暗盒类型和运行设置参数，系统可以“激活”样品室中的一个或多个，例如五个至全部八个。室可以通过使用内置于暗盒覆盖物中的LED或其他的光源照明室被激活。当拭子、FTA束或对照被插入室中时，其被内置于暗盒覆盖物中的光学传感器检测。然后系统关闭照明，有效地去激活室。如果样品被放置入被去激活的室中，那么系统进入错误模式。照明器和传感器被与电子设备中的传感器板接口连接。

F.热循环器接口（7.6）：在暗盒上的反应管路被暗盒覆盖物机械地与热循环器部件对准。

G.磁性颗粒再悬浮（7.7）：在试剂卡片被激活之前，磁性颗粒可以被再悬浮，因为它们可能已经在运输和储存期间沉降。暗盒覆盖物可以将再悬浮装置例如超声波探头、压电振动探头或混合机构与试剂卡片的磁性颗粒井接口连接。

暗盒覆盖物可以与在图73上被示出为在暗盒覆盖物下方在虚线内的暗盒接口连接。暗盒覆盖物可以将气动压力施加于暗盒和/或被配置为将磁场和/或热施加于暗盒的一个或多个部件。与暗盒覆盖物和气动歧管接口连接的暗盒的描绘在图75中示出。图75还示出了风扇和风管（5.3）以及热循环部件：热板（5.1）、热电（5.2）和控制部（5.4）。

暗盒，如在图73上以虚线示出的，可以包括一个或多个室、流体连接部、微芯片和/或气动致动阀。暗盒的俯视图在图76、图77、图78和图79中示出。图79示出了试剂分布室、捕获室、样品室和扩增后室。暗盒还可以具有用于接收试剂卡片上的试剂室的储器。试剂卡片可以具有多种室，包括试剂室（图76，9.0）、反应室和废物室。试剂卡片（也被称为可移除试剂小盒）可以被与暗盒分离地制造。试剂卡片可以被插入试剂卡片槽或与试剂卡片槽接口连接（在图79中示出）。暗盒可以由注射成型塑料的块制造。室例如样品室、捕获室和扩增后室的体积可以是约或高至约0.1、0.2、0.5、0.75、1、2、3、5或7mL。暗盒可以具有在宽度或高度上约或高至约1、2、5、7、10、15或20cm以及在厚度上约或高至约0.2、0.5、0.75、1、2、3、4或5cm的尺寸。

暗盒元件由多个一体化零件组成。这些包括含有反应室并且作为流体歧管的节段。在节段的一个侧上的室通过口与节段的相反的侧连通。相反的侧或流体侧啮合于包括将液体在反应室和反应管路之间运动的通道和隔膜阀和泵的流体芯片。芯片可以被经过垫片附接于流体侧。在某些实施方案中，暗盒包括多个芯片。在这种情况下，流体歧管节段可以包括将一个芯片流体地连接于另一个的通道。这样的通道在例如图94中描绘。它们可以是在该节段的表面中的被在节段的下侧和微流体芯片之间的垫片密封的凹槽、沟或其他的凹陷部。试剂递送流体、样品提取器流体、扩增后流体、顶部节段、底部节段以及反应管路。顶部节段也被称为流体歧管，是塑料组件，并且流体是导向和控制试剂的经过系统的流动的三层玻璃MOVe芯片。组件连接于气动歧管并且与暗盒覆盖物接口连接。暗盒帮助所有的样品处理，直至被扩增的被标记的产物的向分离柱上的加载。暗盒容纳其产生的所有的废物并且在每次运行之后被更换以避免污染。

顶部节段可以是模塑塑料零件，具有用于试剂填充、样品提取颗粒捕获、样品插入/溶解和产物稀释的室。其还可以具有用于反应的硅管路的节段以及用于与阴极管路的连接的接口节段以及用于与试剂卡片接口连接的区域。例如，硅管路可以被用作在热循环期间被在两个端夹持的热循环反应室。节段由多个零件组成。流体部件被双面粘合剂附接于顶部节段的底部。

底部节段可以作为被模塑入顶部节段中的通道的垫片和密封件并且向MOVe流体部件提供安装表面和通路，被称为通径。

试剂递送流体可以将预设置的体积的试剂递送至样品提取器节段，帮助样品处理。这种递送依赖于供入试剂分布流体MOVe装置的试剂卡片井的加压。MOVe装置控制在顶部节段中的试剂室的填充和处置。压缩空气也可用于向暗盒的样品提取器区段的递送。区段包括被附接于一体化暗盒底部节段的底部的一个或多个MOVe芯片。相关联的歧管和室特征被经过顶部节段连接于下游的区段。

样品提取器可以包括一个或多个注射器室，一个或多个注射器室可以被配置为接收一个或多个样品，例如面颊样品或拭子。在图76中，注射器室是一列从左依次变低的竖直的圆柱体。注射器室也被称为捕获室（在图79中示出）。注射器可以被暗盒上的部件或被暗盒覆盖物上的部件加热。

在样品提取器内，拭子/刷子/圆盘被清洗，细胞被溶解，DNA被捕获在颗粒上，颗粒被清洁并且递送至反应管路以进行捕获。流体是被附接于一体化暗盒底部节段的三层玻璃MOVe芯片。MOVe装置将来自试剂分布区段的试剂的流分布至：溶解/样品插入室、捕获室或扩增后流体。

扩增后流体与样品提取器区段、稀释室、反应管路和阴极管路接口连接。这些流体由被附接于底部节段的一个或多个三层玻璃MOVe装置组成。扩增后流体控制从样品提取器区段的颗粒捕获、计量和将预混合物从试剂卡片运动至反应管路、将产物从反应管路运动至稀释室，并且计量从试剂卡片至稀释室的稀释剂。其还计量并且将缓冲剂、水和样品运动至阴极管路。

暗盒可以包括反应管路（在图77中示出）。管可以被与温度控制器温度控制器例如热循环器接口连接（在图73中示出）。管还可以被与磁体接口连接（在图73中示出）。

热循环器模块温度循环在反应管路中的PCR-STR反应。其具有多个分别的部件。反应管路被包围在一个二部分壳中，二部分壳提供热接触并且在被完全封闭时夹捏密封硅管路。壳的底部节段是暗盒的一部分。壳的顶部节段和热控制元件被暗盒覆盖物对准至底部节段和管路。在颗粒捕获和预混合物加载期间，壳在“打开”位置中；在循环之前，壳被运动至“关闭”位置。在关闭位置中，顶部节段和底部节段彼此接触，这可以帮助管路的热连通和夹捏，这限制了反应塞子蒸发和运动。组件的加热和冷却由热电装置提供。在循环期间的热控制被由电子设备管理的控制器驱动。反馈被永久地结合于壳的顶部节段的热电偶提供。

热循环器温度控制可以使用软件对象以及被升级至12通道的热控制板。对DNA鉴定暗盒的BeadStorm样品提取部分以及对CAE暗盒的毛细管的加热可以使用被热电偶监测的电阻加热。STR反应可以使用电阻加热以及风扇冷却作为基础。Peltier/热电加热和冷却还可以如需要的对极端温度范围应用；MBI在与战略性伙伴的项目中使用热电与MOVe微芯片。来自热循环器的空气可以被输出至风室。温度的控制可以通过被现有的软件控制的MBI温度控制板被施加。

室可以被流体地连接于暗盒歧管。暗盒歧管在图80中示出。歧管可以包括一个或多个通道。这些通道可以被用于拭子提取器输出、试剂分布、对热循环器通道、溶解通道、乙醇通道、废物通道和珠通道的扩增后。

暗盒歧管可以具有将在芯片的顶部层上的室流体地连接于一个或多个微芯片的一个或多个通道。暗盒歧管还可以将一个或多个微芯片彼此流体地连接，允许一个微芯片中的流体被运输至第二微芯片。例如，试剂室（在图73中示出）中的材料可以通过经过以下的部件的运输被运输至拭子注射器（在图73中示出）：试剂分布歧管区段、试剂分布芯片、试剂分布歧管区段、拭子提取器歧管区段、拭子提取器芯片和拭子提取器歧管区段。

微芯片在图81和图82中被作为正方形轮廓示出，图81和图82是暗盒的基部的视图。芯片可以是扩增后芯片、样品提取器芯片和试剂分布芯片。芯片在本文中还被称为微芯片，可以具有一个或多个气动致动阀。阀可以被用于通过阻挡或打开流体通路或提供对于流体运动的驱动力控制流体流动。阀可以被气动歧管（在图73中示出）控制。气动歧管（在图73中示出）可以相似于本文描述的任何其他的气动歧管。气动歧管可以被连接于空气和真空源。

芯片可以通过暗盒中的通道彼此流体地连接。暗盒中的通道可以是流体地连接微芯片的管的替代形式，如本文其它地方描述的。这可以减少一体化分析系统所需要的空间以及进行分析反应所需要的时间。

如图73中所示的，试剂卡片可以包括用于例如溶解、乙醇、珠、废物、注射器、水、梯状物、预混合物、稀释剂、缓冲剂的试剂室和废物室。预混合物可以是任何本文描述的预混合物。在某些实施方案中，预混合物是用于进行核酸扩增反应的预混合物。试剂室可以具有约或高至约0.1、0.2、0.5、0.75、1、2、5、7或10mL的体积。室可以包括用于保持试剂被冷却、加热或混合的特征或机构。例如，室可以包括搅拌器或混合器。试剂室可以在啮合暗盒之前被密封。将试剂卡片与暗盒啮合可以可逆地或不可逆地将试剂室置于与暗盒流体连接。在某些实施方案中，暗盒具有穿刺包围试剂室的密封件的一个或多个套管。密封件可以是塑料密封件或橡胶密封件。在本发明的某些实施方案中，橡胶密封件可以在脱啮合之后有效地再密封室。因此，卡片可以被以非活性的配置啮合于暗盒。当暗盒被啮合于气动歧管时，覆盖物可以将卡片压入其中套管在一个侧穿刺试剂室并且覆盖物从另一个侧穿刺试剂室的活动位置中。这将试剂室置于经过被微流体芯片连接的通道与反应室流体连通。这还允许正压被施加于芯片上存在的试剂，这将试剂泵送至被导向的地点，并且允许真空被施加以将被芯片呈现的废物拉动入卡片上的废物室中。

卡片被设计为具有用于适应特定的填充体积而不诱捕空气的室。室的两个侧被弹性体膜密封。这消除了在使用之前离心的需要。卡片被固定于暗盒并且被锁定入被抬升的“安全”位置中。以上是卡片被暗盒运输的方式。在本位置中，底部密封件被与在暗盒的顶部的套管对准。安全性机构确保卡片不运动至其中暗盒上的套管刺穿试剂卡片密封件的较低的“活动”位置。

以下是试剂卡片的部件，参照图66。

A.试剂组（9.2）：试剂组和试剂卡片加载工艺和设备被适合于进行期望的具体的化学反应的试剂加载。例如，它们可以包括用于进行对一个或多个CODIS标志物的STR分析的试剂。卡片可以含有以下的试剂：

B.稀释剂（9.2.1）：稀释剂被用于降低PCR反应产物的盐浓度以及引入尺寸标准。稀释剂中的尺寸标准可以具有约60至600bp的片段。

C.洗涤溶液（9.2.2）：洗涤溶液被用于清洁磁体颗粒以及帮助向反应管路的转移。

D.溶解缓冲剂（9.2.3）：溶解缓冲剂被用于溶解样品中的细胞。

E.等位基因分型标准物（9.2.4）：等位基因分型标准物被包括在一个类型的暗盒上。等位基因分型标准物被用于建立对所有可能的基因座尺寸的标准位置。当被使用时，等位基因分型标准物代替一个通道，在样品加载过程期间，该通道可以不被标准或样品加载。

F.捕获颗粒（9.2.5）：捕获颗粒被用于帮助样品DNA的分离、提纯和体积减小。

G.运行缓冲液（9.2.6）：运行缓冲液被用作电泳过程中的电解质。

H.预混合物（9.2.7）：预混合物供应引物、缓冲剂和酶以运行PCR反应。

I.水（9.2.8）：水被用于准备用于反应产物的阴极管路。

单一的或成组的小的静音泵可以被与压载物和精确的调节器共同地使用以供应所需要的压力和真空。调节器可以是被系统通过电子压力变换器设置和监测以始终确保精确的且可预测的气动性能的设备。MOVe阀具有非常低的流量但是需要被良好地调节的压力。暗盒流体歧管主要地提供MOVe阀。暗盒覆盖物/试剂歧管供应暗盒的压力供入试剂和内部压缩空气要求以及用于废物井的真空。其是比MOVe阀略微更高的流量。机构歧管是更高的流量但是通常可以不需要相同的调节精确度。

气动歧管提供向MOVe流体的暗盒和控制接口的安装。歧管具有具有在真空和压力之间切换的递送口的3向螺线管。螺线管被电子子系统的电磁阀控制器部件解决（address）。螺线管被安装在将气动分布至与在是暗盒的一部分的MOVe微流体芯片的底部上的输入部对准的口的歧管中。该歧管还作为向暗盒的对准和接口连接部件。

气动歧管可以被一体化入壳体的底盘中，使得气动歧管可以被远离暗盒覆盖物的下方地运动。这可以帮助暗盒向一体化分析系统中的加载。图83、图84和图85示出了暗盒向一体化的和被包封的分析系统中的加载。图83示出了气动歧管在不在暗盒覆盖物下方的位置中。在图83中，暗盒被定位在气动歧管上方。图84示出了暗盒被啮合于气动歧管。然后气动歧管可以被运动或滑动至使得暗盒可以被啮合于暗盒覆盖物的位置，如图85中所示的。图69示出了暗盒在使得暗盒被啮合和流体地连接于暗盒覆盖物和气动歧管的位置中。

为了最大化MOVe阀性能，有时可以是有用的是使用加压试剂供入阀。在暗盒覆盖物内，有在试剂卡片在系统设置期间被激活时加压特定的试剂井的多个口。以同样的方式，废物材料的最好的清扫经常使用真空辅助被实现。再次地，在试剂卡片激活时，特定的废物井可以被排空以实现这一点。该歧管是将压力或真空递送至输出口的3向螺线管的混合歧管。第三口被通常向大气通风。螺线管与电子设备的电磁阀控制器部件接口连接。

气动汽缸被用于运动和设置系统内的多种机构。这些包括热循环器、暗盒覆盖物和覆盖物内的部件。机构歧管是仅使用压力的，利用3向螺线管将压力递送至输出口并且通风至第三口的大气。螺线管与电子设备的电磁阀控制器部件接口连接。

暗盒覆盖物、暗盒和气动歧管可以被用于提取核酸以及进行扩增反应，如本文其它地方描述的。被扩增的核酸可以被经过流体连接器（在图73中示出）递送至一个或多个电泳通道（在图73中示出）。电泳通道可以被电连接于阴极和阳极。阴极和阳极可以被电连接于高电压控制器（在图73中示出）。电泳通道可以使用分离聚合物模块被分离聚合物填充（在图73中示出）。

电泳硬件由高电压供应和控制、分离聚合物填充装置以及毛细管阵列热控制组成。其还帮助毛细管阵列的安装。热控制提供在电泳期间的对毛细管的精确的加热。

阴极是毛细管阵列的一部分并且被电泳系统硬件保持就位。阳极是分离聚合物填充模块的一部分并且被连接于电泳系统硬件。高电压控制是切换OEM高电压源的MBIHV板。这种动作被电子设备管理和监测。高电压被供应至阳极电极，同时十六个阴极电极（每通道两个）被保持接地。电流监测被在阴极和接地之间进行并且被对于MBIHV板上的分别的通道监测。阴极电极是毛细管阵列的一部分并且被在阵列安装期间连接于HV系统。阳极电极是分离聚合物填充模块的一部分，并且向阴极的电连接是通过在分离聚合物中的电极沉浸。

分离聚合物填充通过在阳极处界面向毛细管提供分离聚合物。其连接于用于阳极高电压供应和控制的电泳系统硬件。分离聚合物填充暗盒附接于模块并且供应用于每次运行的压力和试剂。系统是压力驱动的并且被由电子设备管理的螺线管控制。压力可以被由电子设备监测的电子换能器监测。安全性可以被被动和主动压力释放路径提供。

分离聚合物暗盒含有分离聚合物、压力罐以及废物储器。组件在运行之前被安装在系统中。在运行期间，系统使用压力冲洗阳极并且使用新鲜的聚合物再填充阳极，然后强迫聚合物进入毛细管阵列中。

用于毛细管阵列电泳（CAE）的高电压产生大量的热负荷，热负荷可以被管理以消除由焦耳加热导致的热逃逸干扰电泳过程的可能性。CAE通常在升高的温度40-80℃运行，产生在产生热的电泳过程期间的对毛细管的均一的热特征的要求。焦耳加热的有效的转移以及热均匀性被需要，以产生可预测的高分辨率的电泳图谱。毛细管的加热和物理热管理驻留在毛细管阵列组件中。温度的界面连接和控制是通过电泳系统的毛细管热控制部件以及电子设备的温度控制部件。

毛细管阵列包括阳极端连接部、阴极管路和电连接部、窗保持器、加热器、保持器和八个毛细管；其提供被标记的产物的分离以及与电泳系统（6.0）和光学器（4.0）的接口连接。组件是可再次使用的并且需要被训练有素的技术人员在预定的间隔更换，一般在定期维修期间。更换包括除去旧的组件，连接新的组件并且将毛细管与光学器组件对准。阳极节段将毛细管与分离聚合物填充装置（6.2）和阳极电极（6.1内）接口连接。其还连接于废物。阴极管路提供在毛细管和暗盒（10.0）之间的接口。其还连接于废物。流经式TREKI注射系统利用被与组件永久地固定和移除的两个阴极注射电极。窗保持器将检测窗置于和保持在光程中并且与光学器组件上的对准系统接口连接。八个被熔合的石英聚酰胺包覆的毛细管在被分离聚合物填充时帮助被标记的产物以尺寸调节的分离。聚酰胺中的窗允许产物的在它们运动经过系统时的激发和检测。毛细管热控制被与具有高热传递的材料紧密接触。组件的温度控制是通过电阻元件并且被温度控制电子设备（2.3）驱动。反馈被热电偶提供。

用于毛细管阵列电泳（CAE）的高电压产生大量的热负荷，热负荷可以被管理以消除由焦耳加热导致的热逃逸干扰电泳过程的可能性。CAE通常在升高的温度40-80℃运行，产生在产生热的电泳过程期间的对毛细管的均一的热特征的要求。焦耳加热的有效的转移以及热均匀性被需要，以产生可预测的高分辨率的电泳图谱。系统可以利用被偶联于高功率柔性电阻加热器的具有高热传递特征和良好的热均匀性的材料，例如铝和石墨，以及精细分辨率热控制和监测以保持窄的热公差。

检测器（在图73中示出）可以被用于观察或监测电泳通道中的材料。检测器可以是基于CCD照像机的系统，或任何其他的本文描述的检测系统。

光学检测器组件检测被分离的被标记的产物并且将数据发送至软件。组件由激发和收集光学器、激发源、棱镜和照像机组成。激发源是经过将束成形为线的专门的光学器的DPSS激光。线被聚焦在毛细管窗上。在荧光剂经过窗区域时被荧光剂的激发产生的发射被物镜收集并且经过将光分离为其组分波长的棱镜。棱镜的输出被聚焦在收集数据的照像机上，其中毛细管阵列在一个轴线中并且发射光谱在另一个轴线中。基于被倾斜的试剂盒，发射光谱可以初始地被分离为五个谱带。分立的谱带的数量可以增加至多于七个，而不改变物理设计。

电泳通道和光学检测组件，包括检测器和光源，可以占据约或小于约0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.75、1、1.25、2或5ft³的容积。

在本发明的某些实施方案中，一体化分析系统可以包括其他类型的分析装置。这些分析装置可以包括用于进行质谱法、气相色谱法、液相色谱法或任何其他的本文描述的类型的分析的装置。

控制系统，包括计算机和软件，可以允许使用者选择分析参数、控制硬件和获得数据。仪器的电子设备被使用被分布的微控制器以高度模块化的方式构建，以操纵外设控制和管理任务，例如温度控制、螺线管的切换以及其他的在系统中使用的致动器的控制。主要的“应用处理器”负责与运行用户界面的计算机通信，以及控制和协调系统的活动。

主要的用户界面可以是被安装在包围物的盖子中的13"凸台风格的被嵌入的触摸屏。具有剧烈地减少的光发射的夜间模式可以是显示器的一个选项。对应用特定的GUI可以使软件仪器控制和分析软件重叠。

使用者可以启动开/闭开关，扫描它们的指纹或通过触摸屏输入。对于标准使用者，四个按钮可以被显示：插入暗盒、加载样品、开始和停止。GUI可以被设计为也提供向用于CAE暗盒的更换以及仪器校准和服务的专家用户模式以及管理员模式的网关。在专家模式中，GUI还可以向使用者提供多种用于数据分析的选项，并且显示器和输出部、USB口和即插即用键盘也可以被使用，根据具体的用途方案和装置配置。

每个外设子系统被设计为具有硬件反馈和安全性机构，以确保负责模块的操作的固件可以确定子系统从电子学观点是否正在合适地操作。例如，经过螺线管和马达的电流被监测以使能够确定致动器被连接并且其正在牵引合适的量的电流。（可能的是，例如，确定直流马达是被安装并且正在合适地运行还是通过将经过马达的电流与被施加以驱动其电压相关简单地从其负荷断开连接）。

相似地，关键的流体路径被使用光学传感器监测，以确定它们是否含有流体、气泡或空气。

在某些关键的系统例如温度控制中，对温度保护的冗余的传感器和硬件被一体化，以确保固件错误不能够导致对系统破环。此外，用于对控制固件的反馈的温度传感器被偏移至被严密控制的电压，被严密控制的电压使能够确定传感器是否被附接。

冗余的联锁电路被采用，以确保对于高电压、向荧光激发光的暴露以及其他的潜在危害的操作者安全性。

系统使用CAN总线进行在分布式网络中的微控制器之间的通信。（CAN是机器人串行网络。）其能够导致信息在模块之间的快速的且可靠的通信，并且可以被设置为能够导致对仪器中的实时事件高度响应性的主-从控制方案。

仪器的控制可以是分级的。用户界面计算机向主要的“应用处理器”发送高级命令，应用处理器将高级命令转换为对于分别的微控制器的命令的次序。这样的次序的每个步骤通过将信息发送至合适的控制器被执行。命令始终被确认，通过返回被请求的数据或使用表示命令的接收的特定的响应。当模块已经完成以上后一类型的命令时，其可以向“应用处理器”发送指示完成是成功还是不成功的信息。（具有被定义为使“应用处理器”查询可以解释任何故障的详细的状态的命令。）

CAN网络上的任何节点可以在任何时间向任何其他的节点发送信息。系统使用以上方式处置正常操作之外的例外。例如，如果温度控制模块不能够将温度保持在给定的限制内，那么其可以向“应用处理器”发送自发的错误信息，以“告知”其该问题。相似地，监测空气或气泡的流体线的控制器将发送自发的信息，以使系统（或使用者）能够响应于问题采取合适的行动。取决于问题的特异性，控制应用可以选择放弃运行、请求使用者动作或简单地记录和忽略问题。

当系统被开始时，所有的子系统运行经过基本的置信度测试，以确保仪器的所有部分正在合适地操作。应用还可以选择在每个实验的开始调用该测试的全部或部分。在操作期间，每个模块监测其硬件反馈的错误的迹象。如果错误被检测到，那么对该效应的信息被发送至“应用处理器”，应用处理器可以采取合适的行动以迁移该问题（这可以使被通过GUI升级至使用者）。所有的错误和其他有意义的事件被记录在非易失性存储器中，以用于之后的检索，以辅助仪器的故障检修和维护。

参照图64，电子器件可以包括以下：通信控制器（2.1），其与计算机通信并且进而与其他的电子设备模块通信，以中继和监测命令的执行；电磁阀控制器（2.3），其负责操作MOVe阀实施多种泵送和阀控制模式。控制器还可以操作螺线管以进行试剂和废物处理，以及机构操作；温度控制器（2.3），其运行热电装置以实施热循环和试剂温度控制，以及电阻加热元件，其保持被加热的区域（例如分离子系统）；马达控制器（2.4），其操作磁体运动器和其他的运动元件；传感器板（2.5），其是监测系统内的多种传感器的状态的模拟和数字输入装置。

软件运行所有的应用，控制HW并且提供GUI功能性。软件被设计为用于仪器和自动化部件的接口连接和控制。这种架构是简单的、灵活的，并且被设计为允许实验室协议的快速的实施。软件利用使用XML文件、脚本代码以及标准程序库描述为进行给定的过程所需要的装置的标准化状态机模型。状态机定义用于硬件部件或软件服务的操作逻辑，定义外部可用的方法，并且提供关于当前状态和数据的细节。初始的数据分析被MBI软件进行，并且最终的数据调用被第三方专家系统进行。数据被扣除背景和过滤，然后被以光谱分离入其四个或五个染料通道中。另外的过滤在数据被形成为AB兼容的文件以及专家软件分析和调用被开始化之前进行。

软件由如下的四个主要的代码集合组成，参照图65：

A.核（12.1）：窗口服务以及实施状态机的集合的程序库的集合（每个用于一个硬件模块）。状态机定义用于硬件部件或软件服务的操作逻辑，定义外部可用的方法，并且提供关于当前状态和数据的细节。

B.GUI（12.2）：简单的图形用户界面与核通信以允许操作者运行和监测过程脚本。

C.脚本（12.3）：过程脚本组成控制硬件以进行被定义的协议的逻辑的操作逻辑。脚本被动态地编译和运行，从而提供修改系统的逻辑的大的灵活性。

D.数据分析（12.4）：初始的数据分析被MBI软件进行，并且最终的数据调用被第三方专家系统进行。数据被扣除背景和过滤，然后被以光谱分离入其四个或五个染料通道中。另外的过滤在数据被形成为AB兼容的文件以及专家软件分析和调用被开始之前进行。

VI.操作的实例

操作被包封的和一体化系统的实例在图86和图87中示出。

在通电系统并且通过指纹识别或密码登录之后，使用者可以按下触摸屏显示器上的“加载”。暗盒操纵机构可以打开并且使用者可以将暗盒插入可以然后坐落并且自动地连接所有的液体接口和气动接口的机构中。

然后使用者可以被提示加入每个样品。光学条型码可以提供用于样品识别的监管链（chain-of-custody）以及向相关联的生物计量信息例如照片、指纹或虹膜扫描的连接。RFID标签可以被用于转移任何相关联的信息。一旦样品被加载并且使用者触摸“进行”，那么使用者的交互可以结束，直到系统报告结果。

暗盒然后使用暗盒上的试剂被底盘处理。暗盒可以容纳所有的试剂以及阳性的和阴性的对照。样品在DNA鉴定中的处理可以耗费约1/4小时。任何生物反应都可以在一体化和被包围的分析系统中进行。例如，SNP分析或任何其他的本文描述的分析反应可以被进行。

DNA鉴定（Profiling）暗盒可以具有被保持在框架中的四个主要的功能区域：

A.使用基于BeadStorm的装置的预处理和核酸提取，

B.在管路中的STR反应室，

C.使用MOVe微型泵操纵以前的试剂和后处理微观尺度样品的微流体操纵，以及

D.试剂和废物储存

被控制子系统驱动的底盘气动子系统控制暗盒上的所有的流体操作，包括试剂计量和分布、混合以及基于珠的提纯。样品被运动入“基于BeadStorm”的区域中，从大体积的原始的和/或以其他方式未处理的样品（包括拭子和几毫升的液体）提取核酸，使用MOVe微型阀控制被压力驱动的流量。

热子系统进行用于暗盒中的STR扩增的热循环。在珠上的被预处理的样品被运动入热子系统中并且样品在STR混合中被从珠洗脱，并且被热循环。热循环器可以基于现有的MBI热循环器。被热循环的STR产物然后被稀释为尺寸标准并且被MOVe微型泵泵送至CAE子系统。

CAE子系统使用在可再次使用的CAE暗盒上的在约45min内的毛细管阵列电泳（CAE）进行STR产物的自动化分离。在底盘上的CAE子系统可以具有高电压供应和控制、热控制器以及激光诱导荧光检测器，激光诱导荧光检测器具有能够进行被分离的STR产物或其他的被荧光标记物的生物分子的高灵敏度检测和数据收集的成像系统。

CAE暗盒进行在12个分离毛细管的阵列中的被标记的产物的实际的电泳分离。CAE暗盒具有毛细管阵列、阳极和阴极组件、窗保持器以及检测窗，其被附接于容纳嵌入的加热部分的框架。分离聚合物填充装置到达在单次使用的DNA鉴定暗盒上的聚合物和缓冲剂以及通过在阳极处的界面更换分离聚合物。

当单基的拆分分离完成时，数字数据被处理以除去背景和噪音，并且使用MBI的痕迹分析器进行光谱分离。然后，基于FSS的IQ3的专家系统将数据处理为CODIS图元文件。图元文件被在本地数据库和远程数据库内查询并且回答样品的识别是否被在加载之后2小时内在屏幕上产生。

与MBI一体化的单一通道ANDE装置可以具有三至三个半小时的运行时间，取决于运行条件。这包括样品进入、溶解、提取、提纯、转移、洗脱、16重反应的热循环、转移、稀释、注射、产物的分离和检测（见图88A）。时间的最大的单一的部分，即100分钟的热循环，可以被显著地减少。例如，热循环时间可以被减少至45分钟或更少。系统下测试已经显示出在使用小于一个小时的循环时间时的良好的结果。将PowerPlex的智能引物设计以及先进的缓冲剂、酶和染料化学以及流体和分离过程中的效率组合，可以允许少于两个半小时的处理时间（见图88B）。少于1小时的处理时间可以被实现（见图88C）。

VII.光学检测系统

本发明提供用于八通道毛细管荧光检测和激发子系统的实施的系统途径。

被荧光标记物的分子被运输经过毛细管中的筛选基质（200μm内径和50-75μm外径）。四个或更多个不同的染料在毛细管中存在，并且系统的检测器部分必须能够区别它们的分别的光谱特征。所有的染料的激发被使用在488nm操作的固态激光器实现。

如图89中所示的，这些毛细管中的八个被环氧粘合剂保持为在玻璃（或其他的具有相似的热膨胀性质的基材）上平行。基材具有允许光学系统不受限制地到达毛细管的顶部和底部的孔。

孔的主要的目的是限制被激发束撞击的材料的量，这最小化系统的背景荧光。

检测系统可以包括五个元件：

A.物镜，其具有高数值孔径（NA=0.65），具有大至足以成像八个毛细管（1.6mm）的视野，

B.激光带阻滤波器，其能够将激发激光压制至少五个数量级。

C.分散性元件（棱镜），其根据波长分离毛细管的图像。

D.成像光学器，其将来自分散性元件的被光谱地分散的光的图像投射至检测器上。

E.区域检测器，其能够以五至十个图像每秒的速率捕获毛细管的八个并行的被光谱地分离的图像。

能够分离八个毛细管的图像并且产生毛细管的内容物的光谱的软件也是系统的一体的部分。

光学系统的主要部分的实施方案在图90中示出。配置相似于现代的显微镜的配置，具有“无限校正”设计。物镜收集来自毛细管的发射光并且将它在其后孔处准直。棱镜被插入被准直的路径中，以将毛细管的图像分离为其光谱分量。然后成像光学器（在显微镜中被称为“管透镜”）将该被光谱地分离的图像投射至检测器的前焦平面上。

如图91中所示的，每个毛细管形成其自己的被光谱地分离的图像，如在以下的图像中示出的。其示出了将毛细管图像中的每个投射至主要图像平面上的光程的“端视图”。

虽然在检测系统的光程中使用的部件被选择为是低噪音的，但是仍然有对本系统的选择，以产生、收集和将杂散光递送至主要的前焦平面。这样的光的大部分可以以基本上不同于期望的信号的角度的角度到达该焦平面。

可选择的光学配置通过插入前焦平面中的孔利用以上的。然后其使用有效地压制来自毛细管的期望的图像的外部的光的中继光学器将该平面成像至检测器。使用孔的构思的另外的精细之处是，将分色镜（图像的尺寸）置于前焦平面中。通过对用于覆层的波长的合适地选择的切断，这可以排斥可以已经使其经过激光带阻滤波器的激光的大于90%。分色镜被成角度地定位以将光导向朝向检测器。图92将分色镜示出为折叠式反射镜#1。

折叠式反射镜#2的目的主要是减少光程的足迹，以及提供用于对准检测器上的图像的容易的路径。然而，该分色镜上的覆层可以也是与折叠式反射镜#1的类型相同的类型，在这种情况下另外的激光排斥将是可能的。

用于系统的检测器可以包括任何光检测器。在一个实施方案中，光检测器是科学级的被适度地冷却的二维CCD照像机。

毛细管中的荧光染料的激发可以被使用488nm固态激光器进行。激光被从与检测系统相反的方向投射至毛细管上，如图93中所示的。毛细管被基本上在平面中形成阵列。如果光被正交地导向平面，那么激发光经过毛细管并且被光学器检测到，干扰检测的灵敏度。为了避免将激光的主要部分捕获在收集系统中，激发被以相对于法向取向的斜角投射至毛细管上。以这种方式，经过毛细管的光避免和不被收集光学器收集。

光学模型示出了激光束如何被在毛细管中散射，产生在收集光学器的捕获孔的外部的散射的“热柱（plume）”。（其将是在上文的图像中在激光束和毛细管之间的交叉处笔直向上看到的。）

图94示出了从以上的激发路径。其示出了激光束略微从其源发散。这是因为系统使用“工程扩散器”或Powell透镜将激光的高斯强度谱转换为均一地照明的光线。然后这种线被直接地投射（被柱面透镜）至毛细管上，毛细管作为非常短的焦距的柱面透镜，有效地将照明能量聚焦在其本身内部。

图95示出了毛细管的模拟图像，示出了以伪彩色的照明强度。

实施例

实施例1：用于核酸提纯的暗盒的操作

本实施例涉及包括被匹配于微芯片的暗盒的装置的使用。数字指被匹配于具有图5的电路架构的微芯片的图3和图4的暗盒。这种子组件也可以被流体地连接于图6的仪器中的其他的子组件。为了参照，与微芯片匹配的暗盒也在图40和图45中示出。

核酸可以被从多种基质提纯，用于许多目的，包括但不限于基因分型、识别、法医、基因表达、基因修饰、微RNA分析、核糖核酸分型、诊断或疗法。被输入的样品可以是固体、拭子、液体、浆料、气溶胶或气体。

对于分子诊断和法医，拭子被普遍地使用。面颊拭子可以被使用具有可喷射末端的拭子取得，并且拭子可以被喷射入被附接于图4的连接部7的注射器中。图4的连接部5被管路或毛细管引导至试剂歧管，试剂歧管可以通过打开全尺度阀或通过打开MOVe阀使试剂在压力下或被真空运动从多个试剂选择单一的试剂。在图4的微芯片2上的MOVe或其他的微型泵还可以运动流体或气体。

在一个实施方案中，在拭子中的人类和其他细胞被首先使用具有在被插入口7中的注射器中的被加热的离液序列高的和/或其他的商业成品（COTS）化学物溶解。溶解物被运输至DNA分离室（图4#3），顺磁珠已经被从储器加入DNA分离室中，以将核酸吸附至珠上。然后可运动磁体被致动以将珠捕获至分离室的侧上，在分离室的侧上它们被使用缓冲剂自动地洗涤。然后，仍然被结合于珠的被提纯的DNA被泵送经过小直径管250，在小直径管250中多重PCR被进行。被预设计脚本的软件自动化完全的过程。软件定义在标准化的自动化架构中的通信和命令协议的集合，其比其他的软件开发途径更简单、更灵活的并且更快速地实施。软件实现构架基于跨越多个操作系统、开发语言和通信协议的核心技术。软件驱动程序打包系统的分别的智能组成部分，很大地减少典型的重新的系统软件开发所需要的时间。这使对多个基于COM-或.NET的系统模块（泵、阀、温度控制器、I/O控制器等等）的操作的一体化相对地更直接。软件提供用于原型设计通过产品释放和维护的专业的质量软件开发系统。

当DNA扩增被用于微生物的阳性识别时，样品可以被从多种含有对DNA扩增反应抑制性的化合物的基材和基质获得。原始样品经常是可以包括诸如血红素、金属离子、腐植酸和富里酸、螯合剂、脱氧核糖核酸酶、蛋白酶和霉菌的抑制剂的复杂的混合物。虽然目标生物和毒素的通过EvIS从样品基质的初始的分离可以除去这些抑制剂的大多数，但是被溶解的细胞成分和溶解剂可能还需要被从核酸样品除去或稀释，使得它们不干扰成功的扩增。原始样品是未处理的样品，并且可以是环境样品、生物样品、和类似物。

在一个实施方案中，使用小体积核酸提纯。这些提纯方法可以用于宽范围的样品，例如血液、气溶胶、面颊拭子。顺磁珠可以被在所公开的装置中使用以从多种样品源提纯DNA。在一个实施方案中，微流体微芯片可以被用于测序核酸，使用磁性珠和试剂以提纯用于在微观尺度反应中的测序的核酸产物。在一个实施方案中，微流体微芯片是24通道微流体微芯片。

在一个实施方案中，基于聚乙二醇（PEG）的核酸提纯被在羧化磁性珠上使用。这种被PEG帮助过程可以产生从被上游免疫磁性分离（IMS）捕获的样品的多于80%的产率。通用样品准备模块（USPM）的开发可以部分地涉及将基于PEG的核酸提纯好偶联至含有暗盒的装置上，例如在图21或图16中示出的装置。在另一个实施方案中，AgencourtOrapure或PromegaDNAIQ化学被与本发明的装置共同使用。

珠分配和递送。

为了提纯核酸，具有不同的表面化学的顺磁珠可以被在试剂容器中混合。然后压力被施加以将试剂送至连接部5。MOVe微型阀或其他的阀可以是关闭的，除非被提到是打开的。为了将顺磁珠运动入反应室（3）中，微型阀180和150被打开。珠被经过连接部5运动入引导至接合部190和微通道191的通道15中。因为微型阀180和150被打开并且微型阀200和170以及其他的微型阀被关闭的，所以打开的微流体连接是从微通道191经过微型阀180到达微通道181，经过微芯片152以打开微型阀150和微芯片151，到达接合部120。接合部120引导至圆锥体13和室3，其可以被珠填充。被供应至室3的珠的体积可以通过计时试剂阀和微型阀的打开或通过填充和排空被连接于微芯片或暗盒的样品环路被控制。

商业的基于珠的化学物可以在所公开的系统中使用，包括但不限于来自Agencourt（沃尔瑟姆，马萨诸塞州）的Orapure和来自Promega（麦迪逊，威斯康辛州）的DNAIQ。Orapure使用羧化的珠表面和SPRI化学物，而DNAIQ是二氧化硅珠和离液序列高的化学物的实例。用于处理核酸的顺磁珠或化学物的其他的实施方案可以与所公开的系统共同使用，包括但不限于具有寡核苷酸的珠、锁核酸、简并碱基（degeneratebase）、合成碱基、构象、核酸结构或其他的杂交以及特异性的捕获方法。

使用珠填充室（3）。

对于Orapure或DNAIQ珠，450微升可以被使用150微升样品环路630或631的三次填充运动入室（3）中。被附接于致动器310的可活动磁体300可以然后被邻近3的侧地朝向暗盒（1）运动，以将珠拉动至室（3）的侧。磁体尺寸和取向可以被调整以产生适合于具体的应用的磁场。然后压缩空气可以通过打开微型阀180、150和110被施加经过试剂歧管。微型阀110的打开连接从经过接合部120和微通道121和101连接于试剂歧管的接合部190至经过通道14引导至连接部（4）以及引导至废物的连接部100。空气可以将任何剩余的液体运动经过电路。空气或其他气体还可以被用于干燥珠、挥发溶剂，或用于被气泡导致的混合（本文描述的）。

经过室（3）的气体的起泡

如果微型阀180、150和220是打开的并且所有其他的微型阀都被关闭，那么压力可以强迫空气经过室（3）到达通道9并且沿通道19经过微通道211和221到达接合部210，经过打开的微型阀220和微通道231到达接合部230，经过通道16到达可以是通风的连接部6。这种次序可以使经过室（3）的空气或其他的气体起泡并且可以被用于在室（3）中混合反应或用于改变气相。

将液体和珠从室（3）运动至废物

液体和珠可以被从反应室（3）或任何其他的地点运动至废物。这可以被用于洗涤珠、冲洗通道、将液体或珠运动至废物。当压力在微型阀220和110打开时被施加于连接部6并且所有其他的微型阀关闭时，压力可以强迫空气经过通道16到达接合部230，到达微通道231，经过打开的微型阀220和微通道222和221，经过接合部210以及通道19和9进入反应室（3）中并且经过接合部120，经过微通道121，打开微型阀110、微通道101、通道14并且到达连接部4。

如果连接部6是通风部而没有空气压力的任何另外的控制，等同的效果可以通过将真空施加于连接部（4）被获得。空气压力或真空可以将室（3）中的任何液体运动至废物连接部4。当磁体300接近室（3）时，顺磁珠可以保持在室（3）的侧上并且结果是液体被除去。当磁体300距室（3）足够远时，顺磁珠不能够保持在室（3）的侧上并且结果是液体和珠被除去。

为了清洁顺磁珠，珠被磁体300拉动至室（3）的侧（见图6）并且液体被移除至废物。450微升的缓冲剂可以通过打开微型阀180和150被从试剂歧管分配并且被加入室（3）中。珠可以被释放，如果期望的话，并且然后通过运动磁体300被再捕获，并且然后液体可以被移除。这被重复总共三次，以产生可立即用于处理样品的珠。

核酸从拭子上的细胞的溶解和提取

拭子可以被加载入被插入连接部7中的注射器筒中，并且然后通过在微型阀180和170被打开时经过试剂连接部5加入溶解缓冲剂被溶解。在某些实施方案中，Orapure或DNAIQ化学物被使用。

被溶解的细胞材料向室（3）运动以及与珠混合

在被连接于连接部7的注射器中的材料可以通过将压力施加于注射器或通过将真空施加于通风部6被运动入室（3）中。当真空被使用时，微型阀170、150和220被打开。真空连接经过微通道231、221、211，以及通道9和19，经过室（3）、微通道151、152、171和161，以将材料从连接部7拉动入室（3）中。当顺磁珠被在室（3）中加载和清洁时，被溶解的样品材料与室（3）中的珠混合，其中磁体在远位置。

珠上的核酸的提纯

然后顺磁珠与溶解的样品一起孵育。持续的空气或气体流可以辅助混合。然后磁体300被运动至关闭位置，并且珠被捕获在室（3）的壁上。然后样品溶解物可以被从室（3）移除至废物，并且多个体积的洗涤溶液可以被加入，根据制造商的对Orapure化学物或DNAIQ化学物的说明书。珠上的样品组分现在已经被提纯并且可以立即用于在暗盒中的反应或输出至样品产物连接部。在一个实施方案中，珠被用于从样品富集核酸组分。

经过样品产物连接部8输出样品

珠上的被提纯的样品组分可以通过在微型阀180、150和130打开时将压力施加于试剂连接部5被运动至连接部8。在一个实施方案中，连接部8被连接于反应通道250，例如c形折曲管路（ColeParmer），并且另外的反应在反应通道中进行。

STR标志物的多重PCR扩增

DNA扩增可以通过PCR扩增被进行。本发明使PCR反应以及许多其他的DNA扩增和修饰反应能够进行。反应可以在室（3）中进行，在被附接于可以是管250的连接部8的反应通道250中进行（图3、图4、图6），或在另一个被连接于管250的装置或微装置中进行。这表明样品准备在包括热循环的DNA反应上的用途。

含有核酸的珠在反应通道中的捕获

被经过样品产物连接部8输出的被提纯的DNA通过外加压力或可选择地通过被施加于端252的真空被在端251运动入反应通道250中。致动器330在软件控制下将磁体320运动入邻近珠捕获区域340的位置中。具有不同的尺寸和形状的固定磁体（例如稀土磁铁）以及电磁体或超导磁体可以被使用。当含有珠的溶液运动经过区域340时，磁场将珠吸引至反应通道的侧并且将它们保持就位。在流体之后是经过试剂连接部5的空气压力，使珠区域340在空气中。

试剂的加入以及样品向反应区域中的运动

试剂可以被从试剂歧管加入，如描述的。在一个实施方案中，试剂被从反应通道250的端252加入。端252被附接于包括微型阀510、520、530和540的微流体微芯片500。任何三个微型阀例如510、520和530或510、520和540可以形成泵。微型阀530经过微通道连接至下游装置535，下游装置535可以连接至引导至试剂储器的管路。微型阀540经过微通道连接至下游装置545，下游装置545可以连接至引导至试剂储器的管路。

试剂储器600中的反应混合物（例如至少一种DNA聚合酶、dNTP、缓冲剂和盐），包括但不限于主混合物和引物（例如对鉴定特异性的引物或对于多个目标病原体广泛适用的引物组）或完全的PCR主混合物例如来自Promega（麦迪逊，威斯康辛州）的PowerPlex16或来自AppliedBiosystems（福斯特市，加利福尼亚州）的IdentiFiler或MiniFiler，可以被由微型阀530、520和510形成的微泵递送经过管路610和微通道531、521、511和512，进入反应通道250的端252中，如图6中所示的。MOVe微型阀可以精确地定位流体并且将流体运动至其中反应混合物接触包含核酸的珠的区域340。磁体320被致动器330远离反应通道250地运动，这将珠从反应通道250的内表面释放。微芯片500上的MOVe微型阀将珠泵送入装置400中，其中反应通道250的一个区域形成温度受控区域350。区域350可以被保持在等温的温度或被热循环或经受其他变化，如本领域技术人员熟知的。区域350可以是温度调节器或被热偶联于温度调节器。

图7示出了能够使用用于加热和冷却以热循环反应通道的温度调节器进行热调节的温度控制装置400。在一个实施方案中，温度调节器包括Peltier模块、红外模块、微波模块、热空气模块或光模块。在另一个实施方案中，PCR反应样品被在反应通道内部运动经过一个或多个恒温区域。

图9示出了已经被从面颊拭子样品在暗盒（1）中准备并且在反应通道250中使用图7中的温度控制装置400处理的PowerPlex16STR反应的扩增。STR标志物被从标准条件扩增，使Mg对于设备1000被优化。

温度控制装置400还可以具有检测器410。检测器可以检测光学检测，例如吸光度、荧光、化学发光、成像以及其他的本领域技术人员熟知的形式，或诸如红外、NMR或拉曼光谱的测量。检测器可以包括用于激发PCR反应样品中的荧光或发光染料的光源，并且激发光被光检测器（例如CCD、CMOS、PMT或其他的光学检测器）感应。在一个实施方案中，光源是相干光源，例如激光器或激光二极管。在另一个实施方案中，光源不是相干光源，例如发光二极管（LED）或卤素光源或水银灯。

对于核酸扩增来说，实时PCR是可以被在管250中在温度受控区域350中进行并且被检测器410检测的核酸鉴定方法的一个实施例。

实施例2：通用样品准备

之前的实施例示例说明了其中所公开的设备可以被用于准备用于分析的样品的一个实施方案并且示出了STR扩增的一个实施例。另一个实施方案涉及通用样品准备模块（USPM）的使用。USPM装置可以由以下组成：样品处理暗盒（1），伴随有用于操作暗盒的设备、微处理器、以及可以被容易地接口连接于下游的分析装置的软件。在一个实施方案中，USPM可以被紧密地与分析装置一体化，以形成模块化的样品-回答系统。暗盒可以被配置作为可以处理拭子或液体（包括气溶胶样品）以进行现场监测过程的一次性的单一用途的装置，或作为用于具有弱阳性的远程操作的可再次使用的流经格式。通过被附着于顺磁珠的特异性的抗体（结合被选择的目标）的使用，赋予USPM的目标特异性；不同的暗盒可以被目标的多种混合物供应。

可以使用多步骤全自动过程准备用于下游的分析的生物样品。图18中的一个实施例可以使用拭子或液体；操作者可以选择样品类型并且然后将样品插入输入口中。第一步骤可以应用免疫磁性分离（IMS）以将目标分子从溶液捕获、浓缩和提纯至顺磁珠上。已经被测试的目标包括细胞、孢子、病毒、蛋白质或毒素。对于毒素和蛋白质检测，或对于作为触发装置的使用来说，从EVIS被捕获的目标可以被直接地输出至下游的分析装置。对于核酸检测来说，第二步骤可以使用机械的或其他的溶解技术溶解细胞或孢子以释放DNA和/或RNA。第三步骤，即核酸提纯，可以将核酸吸附、浓缩和提纯至第二组的顺磁珠上并且输出具有核酸的珠或被提纯的被解吸的核酸以进行下游的分析。

关于暗盒（1），免疫磁性分离可以通过使用具有抗体的试剂珠或其他的免疫磁性分离、亲合磁性分离或表面化学磁性分离被进行。例如，具有抗体的免疫磁性珠可以被加入暗盒（1）中，以将细胞、病毒、孢子、毒素和其他的生物分子捕获、提纯和浓缩至珠上。

对USPM的上游样品处理可以被在样品准备装置中进行，样品准备装置可以处理在微流体暗盒（1）中的多于0.6mL的样品（图21）。样品处理暗盒，约1英寸立方体尺度（图3、图21），被开发以自动地从拭子移除所收集的颊细胞，溶解细胞，以及在磁性珠上提纯被释放的细胞的DNA。珠床典型地是100nL并且可以被用于使用微流体装置或全尺度qPCR反应的下游的STR分析。

样品准备装置使用与立方体的底部接口连接的MOVe微型阀微芯片（图3，被标为2的箭头），以将包含流体、珠和样品的被压力驱动的流动在试剂和反应储器之间导向。MOVe微型阀代替在储器之间的常规的阀和管路，由此提供不可泄漏的可导向的流体运输并且使整个立方体和样品准备装置的微型化能够进行。

这种样品准备装置技术已经被用于自动化从面颊拭子的DNA提取，如上文描述的。图10示出了在自动化样品准备装置中从25μL的血液准备DNA，使用压力驱动的流动、振动混合、MOVe阀、被致动的磁体和磁性珠。全自动过程在少于五分钟内产生可立即用于STR分析的DNA。

已经开发用于使用被对感兴趣的目标特异性的抗体包覆的磁性珠从液体样品（1-10mL）捕获、浓缩和提纯细胞、病毒和毒素的自动化系统。因此，多种目标已经被这种自动化系统浓缩和提纯。通过使用这种方法，大肠杆菌细胞被以低至15个细胞/mL/样品的细胞浓度捕获和检测（图27）。相似的大于90%捕获效率的结果通过使用杆菌孢子、Gm+和Gm^-营养细胞、模型病毒（噬菌体fd）、SEB和卵清蛋白作为目标被获得。被提纯的样品可以被进一步在样品准备装置中处理（例如溶解和核酸提纯）、运动至用于分析的微芯片上、或与芯片下PCR/qPCR装置共同使用。

EVIS捕获已经被显示出在复杂的样品例如气溶胶中以及在生物杂乱的存在下良好地起作用（见美国专利公布第20080014576号，其以其整体通过引用并入本文）。对于杂乱（clutter），我们显示出被加入的细菌的高至105倍水平产生捕获效率的仅两倍的减小。对于复杂的样品，使用许多不同的气溶胶样品的回添（add-back）实验表明气溶胶样品将仙人掌杆菌孢子向IMS珠的结合减少了少于50%。因此，在复杂的现实样品中有灵敏度的少于两倍的损失。

IMS已经被用于捕获、浓缩和检测毒素。我们已经开发了用于卵清蛋白和SEB的IMS鉴定，多路复用这种鉴定，并且开发了两代的自动化IMS鉴定的完全一体化的微流体系统。少于10ng的SEB可以可靠地在1mL样品中被检测到，而没有来自密切相关的葡萄球菌肠毒素的干扰。

IMS能够：

A.从具有干扰物的高背景的样品选择目标生物（选择性），

B.在两个不同的细菌的菌种或物种之间进行辨别（特异性），

C.从多种样品有效地捕获在宽范围的浓度内的细胞和毒素（灵敏性、有效性）

D.显著地减少目标样品体积，从mL体积级减少至nL体积级。

本发明和设备和方法能够实施IMS并且将其偶联于核酸提取。

在USPM中下一个步骤是在被捕获的目标是细胞、病毒、朊病毒或孢子时的被捕获的目标的溶解。孢子的溶解是特别困难的。MagMill或被磁性驱动的溶解或均质装置已经被开发，以用于杆菌和其他的孢子以及营养细胞的高效率的溶解。MagMill包括被马达2001致动的快速旋转的磁体2000（图60），马达2001驱动被容纳在样品容纳容器2003或隔室内的另一个磁体2002的旋转（图61）。被容纳在样品容纳容器内的磁体2002可以具有任何形状。例如，磁体可以具有棒、球形、圆柱形、矩形、椭圆形、六角形或螺旋桨形状。可选择地，磁体可以具有穿过其的洞，使得液体可以被强迫经过洞并且增加在磁体被磁场旋转时被施加于样品的剪切力。相同的基本部件可以被微型化、结合有微流体格式、或被连接于微流体格式。总体效果类似于磁性的搅拌板，使样品被在样品管内迅速地涡旋。通过使用被MagMil处理的被磁性驱动的样品搅拌，孢子溶解在不使用二氧化硅、氧化锆或其他的珠的情况下被实现。溶解可以通过在孢子经过磁体和容器壁之间时被产生的剪切力被实现。磁体可以以大于约10、50、100、150、200、250、500、750、1000、1500、2000、2500、5000或10000rpm的速率旋转。

这种装置以与传统的采用二氧化硅/氧化锆珠的珠打击（beating）相似的效率破裂孢子（图62）。孢子（3.2×10⁷）被溶解在1ml的体积中，其中生活力通过涂布在胰蛋白酶大豆琼脂被测定；结果是两个各自使用双份样品运行的单独实验的平均值（总共n=4）。被磁性驱动的孢子溶解物的非生活力与传统的珠打击（BioSpec打击器）溶解物相比是93%，传统的珠打击溶解物的非生活力在使用氧化锆/二氧化硅时是96%或在使用二氧化硅珠时是80%。相同的模式被qPCR确认。

使用MagMill的优点（相对于传统的珠打击）是，设计是在机械上更高效的并且因此能够抵抗许多使用循环而不发生故障，并且样品可以仅使用样品中的磁体的搅拌被溶解，而不需要包括已经被显示出结合被释放的DNA并且导致后继的检测灵敏度的损失的二氧化硅/氧化锆珠。MagMill的基本特征可以被以可以被一体化入样品准备装置中的微型化格式再配置。系统可以潜在地被缩减尺寸以装配入微流体微芯片中。然而，虽然有配置的改变，但是基本的驱动溶解，即被容纳在样品容器内的迅速地旋转磁体的驱动溶解，保持不变。

实施例3：样品准备装置与基于微芯片的样品清除和分离的偶联

图34和图35示出了具有暗盒（2907）和微芯片（2901）的装置，其被设计为整合如图32中所示的叉状注射器设计、凝胶填充歧管（2903）以及相关联的部件。暗盒被流体地连接于气动歧管和管路（2905）。注射器设计、分离通道长度和分离聚合物的不同的配置被测试。图36示出了被使用叉状阴极注射器在微芯片通道上注射和分离的M13T痕迹的电泳图谱，其中样品检测在共焦的显微镜模拟板系统上。样品被均一地注射有被相等地代表的短的和长的DNA片段。结果示出了M13T示踪DNA分子量标准可以被均一地注射，并且单一的碱基对拆分可以被以少于20分钟内约330个碱基对获得。相比使用常规的双T设计的注射，更高的样品信号强度被获得。当被与检测系统一体化时，微芯片被保持在恒定的50℃，以获得具有良好分辨率的分离。

通过使用这些工艺，获得了液体样品的MOVe一体化的场扩增的叠加注射的优良的结果（图37）。对于在使用MOVe微型阀的软件控制下进行的所有的样品加载、操纵和注射工艺，都产生这种数据。数据已经被最低限度地处理，从使用八个二极管通道的检测器颜色校正至四个染料痕迹。

将叉状阴极与MOVe样品准备装置组合的微芯片的一个实施方案在图38中示出。本装置包括另外的能够导致与系统的其余部分的一体化的过程，系统的其余部分即样品准备装置（在图22中示出的1000）、反应通道（在图6中示出的250）、以及STR提纯的输出部，如在STR实施例中描述的。图38示出了具有用于与扩增后STR提纯系统的一体化的MOVe流体和穿梭样品加载的叉状阴极。零件是：1-试剂输入口、2-试剂泵压头、3-样品输入口、4-尺寸标准/洗脱液输入口、5-捕获阀、6-废物口、7-洗脱阀、8-样品废物口、9-阴极、10-阴极口、11-样品阀、12-样品口以及13-分离通道。在通道的下游的阳极口未示出。

待被分离的样品被作为乙醇中的珠溶液引入。这可以是在珠输出部上的被提纯的反应产物，如上文描述的。在一个实施方案中，样品是STR反应。在另一个实施方案中，样品可以是被其他的反应化学，包括通过Sanger化学的DNA测序，产生的具有不同的长度的核酸片段。含有样品的溶液在捕获阀和另一个居间的阀被打开时被从样品输入口流动至样品废物口。被打开的捕获阀帮助流动的减慢以及被放置在阀的上方或下方的固定的磁体的珠捕获。乙醇溶液被完全地移动经过系统，随后是空气，获得在阀中的相对干燥和清洁的珠床，具有被提纯的产物。在该点，阀被关闭和再打开（与另一个阀协调地），以使用来自相关联的口的洗脱液溶液填充阀。对于其中内部尺寸标准被需要的STR分析或另一个分析来说，洗脱液可以含有尺寸标准。溶液被在洗脱阀和捕获阀之间运动，以帮助混合，以溶液在洗脱阀中结束。然后样品阀被与洗脱阀关闭协调地打开，以将样品“穿梭”经过样品通道，使样品通道被填充。样品FASS注射被如上文描述的进行。装置的另外的显著的功能是，在一个实施方案中试剂输入口和试剂泵被用于在样品准备装置上的DNA的拭子提取之后向反应通道（在图6中示出的250）提供被计量的STR反应预混合物；在其他实施方案中，装置可以提供其他的核酸反应试剂例如循环测序混合物或提供PCR试剂，以进行PCR扩增，随后提供循环测序试剂以进行如需要的使用基于珠的清除反应的循环测序。其他的化学将是对于本领域技术人员明显的。

虽然本文已经示出和描述了本发明的优选的实施方案，但是对于本领域技术人员将是明显的是这样的实施方案仅以例子的方式被提供。现在本领域技术人员将想到多种变体、变化和代替，而不背离本发明。例如，本文描述的任何MOVe阀、泵、路由器或其他的MOVe装置可以被任何气动致动阀、泵路由器或其他的装置代替。应当理解，对本文描述的本发明的实施方案的多种替代形式可以在实施本发明时被采用。意图的是，以下的权利要求限定本发明的范围并且在这些权利要求和它们的等同替代的范围内的方法和结构被其覆盖。

Claims (32)

1.一种配置用于样品准备和分析的系统，所述系统包括：

(a)样品准备模块，所述样品准备模块被配适为从至少100微升的非微流体体积中的生物样品捕获分析物至捕获颗粒上并且将结合了分析物的捕获颗粒引导经过第一微流体通道，其中所述第一微流体通道具有小于1mm²的横截面积；

(b)反应模块，所述反应模块包括与所述第一微流体通道流体连通的反应室并被配适为固定化所述结合了分析物的捕获颗粒并且在非微流体体积中进行对所述分析物的化学或生物化学反应，以生成反应产物；以及

(c)分析模块，所述分析模块与所述反应室流体连通并且被配适为进行对所述反应产物的分析；

其中所述系统被配置为捕获所述分析物，对所述分析物进行化学或生物化学反应，并且在少于4小时内对所述反应产物进行分析，并且

其中所述样品准备模块和所述反应模块被集成在一次性暗盒中，所述一次性暗盒包括：

(i)至少一组流体室，所述至少一组流体室包括样品室、混合室和适合用于热循环的反应室，其中所述至少一组流体室彼此流体连通；和

(ii)试剂卡片或试剂暗盒，所述试剂卡片或试剂暗盒包括用于进行涉及热循环的化学或生物化学反应的试剂，其中所述试剂卡片或试剂暗盒被配置为被以封闭配置承载在所述一次性暗盒上并且被配置为放置成与所述至少一组流体室流体连通。

2.根据权利要求1所述的系统，所述系统被配置为在少于3或2小时内捕获所述分析物、进行对所述分析物的化学或生物化学反应并且进行对所述反应产物的分析。

3.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括被配置为从所述分析模块接收关于所述分析的数据的数据分析模块并且包括转换所述数据并且输出所述分析的结果的计算机可执行代码。

4.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括处理模块，所述处理模块与所述反应室和所述分析模块流体连通并且被配适为：

(1)引导所述反应产物经过第二微流体通道进入非微流体处理室中，所述第二微流体通道具有小于1mm²的横截面积，所述非微流体处理室配置为容纳至少10微升的非微流体体积；

(2)处理所述反应产物；以及

(3)引导被处理的反应产物进入所述分析模块中。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统装配在不大于10ft³的包围物内。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统装配在不大于8ft³的包围物内。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统装配在不大于5ft³的包围物内。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统装配在不大于2.5ft³的包围物内。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述分析物包括核酸。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述样品准备模块被配适为从所述生物样品中的细胞释放或提取所述分析物。

11.根据权利要求1所述的系统，其中所述捕获颗粒是磁响应捕获颗粒并且所述反应模块包括被配置为固定化所述结合了分析物的捕获颗粒的磁力源。

12.根据权利要求1所述的系统，其中所述反应模块被配适为进行热循环。

13.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统是封闭系统。

14.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统是便携的或电池操作的。

15.根据权利要求1所述的系统，其中所述化学或生物化学反应包括核酸扩增。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述核酸扩增包括聚合酶链反应(PCR)。

17.根据权利要求15所述的系统，其中所述化学或生物化学反应包括扩增所述分析物的多个短串联重复(STR)标志物。

18.根据权利要求17所述的系统，其中所述STR标志物包括至少5个STR标志物。

19.根据权利要求17所述的系统，其中所述STR标志物包括至少5或10个联合DNA索引系统(CODIS)STR标志物。

20.根据权利要求19所述的系统，其中所述CODISSTR标志物选自D3S1358、TH01、D21S11、D18S51、D5S818、D13S317、D7S820、D16S539、CSF1PO、vWA、D8S1179、TPOX和FGA。

21.根据权利要求1所述的系统，其中对所述反应产物的所述分析包括对所述反应产物的电泳和检测。

22.根据权利要求3所述的系统，其中所述数据分析模块被配置为对所述分析物的多个被扩增、电泳和检测的STR标志物进行计算机分析以产生识别多个被检测的STR标志物的计算机文件。

23.根据权利要求4所述的系统，其中处理所述反应产物包括稀释所述反应产物或减小所述反应产物的盐浓度。

24.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统还包括：

(d)致动器组件，所述致动器组件被配置为在所述一次性暗盒被啮合于所述致动器组件时使流体在所述至少一组流体室的室之间运动；

(e)热循环器，所述热循环器被配置为在所述一次性暗盒被啮合于所述致动器组件时循环所述反应室中的温度；

(f)毛细管电泳组件，所述毛细管电泳组件在所述分析模块中并被配置为在所述一次性暗盒被啮合于所述致动器组件时从所述一次性暗盒接受电泳样品并且被配置为对所述电泳样品进行电泳；和

(g)计算机化控制系统，所述计算机化控制系统被配置为控制所述系统。

25.根据权利要求24所述的系统，其中所述至少一组流体室还包括洗涤室和废物室。

26.根据权利要求24所述的系统，其中所述至少一组流体室的室是通过微流体通道彼此连接的非微流体室，其中每个所述非微流体室配置为容纳至少10微升的非微流体体积，并且其中每个所述微流体通道具有小于1mm²的横截面积。

27.根据权利要求24所述的系统，其中使用隔膜阀使所述流体在所述至少一组流体室的室之间选择性运动。

28.根据权利要求24所述的系统，所述系统被配置为对两个或更多个生物样品并行地进行多种操作。

29.根据权利要求1所述的系统，其中所述分析模块包括电泳系统，所述电泳系统包括：

(i)至少一个电泳样品通道，所述至少一个电泳样品通道具有通道入口和通道出口；

(ii)至少一个电泳毛细管，所述至少一个电泳毛细管具有毛细管入口和毛细管出口，其中所述至少一个电泳毛细管包括导电介质并且与所述至少一个电泳样品通道在连接点连通；

(iii)阳极和阴极，所述阳极和阴极被配置为跨所述至少一个电泳毛细管的所述毛细管入口和所述毛细管出口施加电压，其中所述阳极或阴极中的一个包括含有至少两个叉的第一电极，且其中所述第一电极的所述至少两个叉在所述连接点的不同的侧上与所述至少一个电泳样品通道电连通；以及

(iv)第二电极，所述第二电极和所述至少一个电泳样品通道电连通并且在所述连接点处与所述至少一个电泳毛细管的所述毛细管入口基本上对立。

30.根据权利要求1所述的系统，其中所述分析模块包括光学系统，所述光学系统包括：

(i)激发源，所述激发源被配置为将激发光导向至少一个荧光分子，其中所述至少一个荧光分子当被所述激发光激发时发射与所述激发光不同的光；

(ii)带阻滤波器，所述带阻滤波器被配置为滤除所述激发光并且被配置为允许被发射的光的透射；

(iii)成像透镜，所述成像透镜被配置为聚焦被发射的光；

(iv)分色镜，所述分色镜对所述激发光是基本上透明的并且被配置为将被发射的光反射至检测器；

(v)聚焦系统，所述聚焦系统包括至少一个透镜，所述聚焦系统被配置为聚焦被从所述分色镜反射的光；以及

(vi)光检测器，所述光检测器被配置为接收被聚焦的光。

31.根据权利要求1所述的系统，其中所述生物样品是法医样品或环境样品。

32.根据权利要求1所述的系统，其中所述生物样品包括细胞、血液、面颊样品、唾液、鼻部样品、粘液、全肺灌洗液、精液、尿液、阴道样品、羊膜样品、粪便样品、皮肤、毛发、朊病毒、细菌、真菌、支原体或病毒。