專利名稱：綜合和自動化的dna或蛋白質(zhì)分析系統(tǒng)及其運(yùn)行方法
綜合和自動化的DNA或蛋白質(zhì)分析系統(tǒng) 及其運(yùn)4于方法本發(fā)明涉及一種綜合和自動化的DNA或蛋白質(zhì)分析系統(tǒng)，包括一個可 一次性使用的卡盒(卡片)、 一個分析儀以及包括一些用于信號記錄和處理的 裝置。本發(fā)明尤其涉及一種作為分析儀組成部分的控制器，用于借助一次性 卡盒(Lab-on-a-chip:芯片實驗室)進(jìn)行分子診斷學(xué)分析的全自動過程和數(shù)據(jù) 分析。此外本發(fā)明還涉及一種這種系統(tǒng)的運(yùn)行方法。分散的分析器("Point of Care (重點照護(hù)檢驗)"、"Near Patient Testing (床 旁檢測)")在分子診斷學(xué)或普通醫(yī)療技術(shù)方面的意義日益重要。此外，在食 品監(jiān)測和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域內(nèi)快速測試也越來越重要。一般而言，但尤其在專利文獻(xiàn)中，提供了許多有關(guān)上述議題的出版物 由WO02/072262A1和WO02/073153A1已知一些應(yīng)用于生物醫(yī)療技術(shù)中的 系統(tǒng)，其中分散地借助一種必要時移動式閱讀器評估分散提取的試樣。在這 里尤其試樣收集在一個可一次性使用的信用卡形式的卡盒("卡片")內(nèi)。在 未在先公開的WO2006/042838A1中詳細(xì)揭示了這種在由全血試樣作DNA 分析時使用的卡盒。在這里卡盒的下列特征對于在此卡盒內(nèi)自動實施所有根 據(jù)各個局部過程針對一種過程解析學(xué)所必要的措施認(rèn)為是重要的-在卡盒內(nèi)存在一個用于微流體過程技術(shù)的微通道和/微空穴系統(tǒng)， -微通道和/微空穴有預(yù)定的幾何結(jié)構(gòu)，以便容納試劑，其中， -試劑以穩(wěn)定的方式存放在卡盒微通道和/微空穴內(nèi)規(guī)定的地點， -存在一些裝置，用于將貯存的干試劑針對各自的局部過程制備成恰當(dāng) 的形式，尤其作為液態(tài)試劑。在這里明確指出，參見上述更早的申請中所揭示的這些特征。 此外，在US2002/0179444A1和在US2003/0148530A1中已知用于血診 斷法和相關(guān)的信號處理的一些個別方案。在本申請人早先的尚未公開的申請 中介紹了一些實現(xiàn)前言所迷類型由上述卡片和適用的相關(guān)的數(shù)據(jù)分析裝置 組成的系統(tǒng)專用的解決辦法。從上面的先有技術(shù)出發(fā)，本發(fā)明的目的是創(chuàng)造一種前言所述類型的系統(tǒng)，它尤其在分析儀方面能滿足實際需要，以及，此外還應(yīng)提供一種用于在 由卡盒和分析儀組成的系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的相關(guān)控制方法。在這里對分析 儀提出下列要求-低的價格-小型結(jié)構(gòu)形式-操作簡單("一鍵"式運(yùn)行)-快速實施分析-綜合的微流體裝置-可靠防沾染，亦即避免污染和傳染-高運(yùn)行可靠性-可與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通訊。迄今未見任何符合實際需要的方案，用于從試樣(例如血)的提取直至結(jié)果顯示的全自動核酸分析，尤其包括細(xì)胞破裂、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)和檢測。因為目前建議的用于生物化學(xué)分析的設(shè)備還不能滿足實際工作中的所有 要求，所以本發(fā)明的目的尤其是，改進(jìn)所述的系統(tǒng)，使之能基本上自動化并 能重現(xiàn)地實施數(shù)據(jù)分析。在這方面尤其應(yīng)保證在顯示器上直接指示結(jié)果或?qū)?數(shù)據(jù)傳送到計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)。為此應(yīng)提供一種適用的工作方法。此目的在一種前言所述類型的系統(tǒng)中通過權(quán)利要求1特征的總體達(dá)到。 在從屬權(quán)利要求中說明進(jìn)一步發(fā)展。在權(quán)利要求32中說明在前言所述類型的系統(tǒng)中借助控制器在可一次性 使用的卡盒內(nèi)實施試樣數(shù)據(jù)分析的工作方法。特別是用于實施DNA分析， 以及尤其單核苷酸多態(tài)性(SNP)分析，或與之不同的蛋白質(zhì)分析的實現(xiàn)，是 其他從屬的方法權(quán)利要求的內(nèi)容。因此本發(fā)明的基礎(chǔ)是一種與先有技術(shù)相比經(jīng)改進(jìn)的方案按此方案設(shè)計 的設(shè)備結(jié)構(gòu)，按本發(fā)明用于借助一次性使用的卡盒(Lab-on-a-Chip)進(jìn)行分子 診斷學(xué)分析的全自動過程和數(shù)據(jù)分析，尤其用于控制和讀出經(jīng)改變的信用卡 形式的卡盒內(nèi)部的分析過程。本發(fā)明的控制器尤其有下列特征- 一個卡盒安裝座用于承接、鎖止、去鎖并釋放卡盒， -一個用于校正卡盒在閱讀器內(nèi)定位的裝置，- 一些用于識別卡盒，尤其一個正確的卡盒的傳感器，例如終端開關(guān)、條形碼，- 一個水罐用于稀釋試樣、溶解卡盒的干試劑，實施沖洗過程，其中， 氷罐借助尖的插管刺穿中隔流體接通，-一個滅菌濾通風(fēng)閥用于在取水時水箱通風(fēng)，- 一個電源，- 一臺泵用于輸送最小的例如在微升范圍內(nèi)的液體量，- 一個用于通過一些閥例如導(dǎo)水》茲閥來分配水的裝置， -一個在供水裝置內(nèi)的壓力傳感器用于監(jiān)控流動過程， -至少一個接口用于將水供入卡盒內(nèi)，- 一些傳感器用于識別在卡盒上流動通道的充填狀況，例如有處于卡盒 上方和下方的電極的電容傳感器，- 一個用于關(guān)閉和打開卡盒通風(fēng)口的裝置，例如導(dǎo)氣磁閥，- 一個用于關(guān)閉和打開卡盒上小室尤其聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)室的裝 置，例如壓在薄膜上的推桿，- 一個組合裝置，它包括一個用于捕集磁珠的磁珠收集器和一個用于實施聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)熱循環(huán)化的恒溫裝置，-一種帶有兩個上述用于快速熱循環(huán)化裝置的夾層結(jié)構(gòu)， -一個用于例如借助一個由彈簧決定的壓緊力確保恒溫調(diào)節(jié)裝置與卡 盒之間最佳熱傳導(dǎo)的裝置，- 一個用于電檢測模件的電觸點接通的裝置，例如觸針， -一個綜合的用于檢測模件的恒溫調(diào)節(jié)裝置，-一個控制、測量和調(diào)整所有功能的電子設(shè)備， -一個微控制器用于控制和數(shù)據(jù)檢測，以及 -一個顯示器用于顯示分析結(jié)果。在相關(guān)的用于運(yùn)行控制和閱讀器為加注了 一種試樣的卡盒進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的方法中，尤其針對DNA分析實施方法的下列步驟 -打開卡盒安裝座以及在恰當(dāng)?shù)拈y位時泵從水罐取水， -控制器指示運(yùn)行準(zhǔn)備， -使用者插入帶有試樣例如血的卡盒，-通過一個"一鍵"式動作或例如借助卡盒終端開關(guān)自動起動分析， -在恰當(dāng)?shù)拈y位時水經(jīng)水口泵入卡盒內(nèi)洗去多余的試樣物料，-以恰當(dāng)?shù)姆绞讲倏v通風(fēng)閥，為的是通過允許或避免通風(fēng)準(zhǔn)許或防止充 填卡盒通道，-通過注水稀釋試樣并泵入細(xì)胞破裂通道內(nèi)，此時溶解干試劑，-經(jīng)過細(xì)胞破裂所需的停留時間，此時釋出的DNA結(jié)合在磁珠上，-緊接著充填兩個酶聯(lián)免疫(ELISA)試劑通道，此時溶解干的酶聯(lián)免疫 (ELISA)試劑(酶標(biāo)記物和底物)，-細(xì)胞破裂通道的內(nèi)容物被水繼續(xù)泵送沖過聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)小 室，此時帶有DNA的磁珠被磁場滯留，殘物沖入廢料通道內(nèi)，-關(guān)閉聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)小室的閥，-起動熱循環(huán)化，此時溶解干的聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)試劑，-在結(jié)束聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)后打開聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)小室的閥， -在恰當(dāng)?shù)拈y位時水經(jīng)另 一 個水口泵入卡盒以及將聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)制品從聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)小室沖洗到一檢測室內(nèi)，-該檢測室被恒溫調(diào)節(jié)，此時DNA與捕捉器分子進(jìn)行雜交，-可能存在于聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)制品與溶解的酶聯(lián)免疫(ELISA)試劑之間的空氣通過水口閥和通風(fēng)閥的適當(dāng)位置泵入廢料通道內(nèi)，-溶解的酶標(biāo)記物通過水口閥和通風(fēng)閥的適當(dāng)位置經(jīng)4企測室泵入另一個廢料通道內(nèi)，-溶解的底物通過水口閥和通風(fēng)閥的適當(dāng)位置經(jīng)纟僉測室泵入另 一個廢 料通道內(nèi)，-起動電纟全測，-通過記錄熔化曲線實行例如單核香酸多態(tài)性(SNP)分析。與方法的上述流程不同也可以實施蛋白質(zhì)分析，此時無需細(xì)胞破裂和聚 合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)。在這種情況下從試樣內(nèi)找到的蛋白質(zhì)借助磁珠隔離并 在才全測室內(nèi)4全定。類似地可以才企定半抗原?，F(xiàn)在采用按本發(fā)明的方法可以實施一種連續(xù)、綜合的分析過程。在這里 指的是一種無需人工干預(yù)的全自動工藝流程。在控制器內(nèi)插入帶有試樣的卡 盒后，試樣處理和分析過程直至在實際上檢定找到的物質(zhì)均自動進(jìn)行。這樣 帶來的實出優(yōu)點是，有高的可再現(xiàn)性和低的差錯率。在按本發(fā)明的系統(tǒng)中特別有利的是，控制器可以設(shè)計為結(jié)構(gòu)緊湊的以及不僅有內(nèi)部的流體接口而且有電接口 。此外存在一些用于與外部計算機(jī)系統(tǒng) 連接的接口。這些例如可以是串行和/或無線接口。按一種優(yōu)選的實施形式，控制器包括一種與市場上常見的PDA(個人數(shù)字助理；亦稱掌上電腦)的連接可能性。因此可以簡單的方式將顯示綜合在控制器內(nèi)。按一種特別優(yōu)選的實 施形式將顯示和操作裝置固定綜合在控制器內(nèi)。采用按本發(fā)明的系統(tǒng)與迄今建議的設(shè)備相比達(dá)到一種相當(dāng)重大的進(jìn)展。 例如從現(xiàn)在起可以將測得的數(shù)據(jù)直接顯示或提供用于進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析。借助下面說明的實施例并結(jié)合附圖闡明本發(fā)明的其他詳情和優(yōu)點。其中

圖1示意表示分析器簡圖；圖2示意表示卡盒簡圖；圖3示意表示分析方法流程框圖；圖4示意表示控制器功能部件簡圖；圖5示意表示控制器流體部件簡圖；圖6和圖7示意表示充填水平測量裝置；圖8示意表示卡盒與控制器之間的流體接口 ；圖9示意表示卡盒與控制器之間的通風(fēng)接口；圖IO示意表示卡盒的一個聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)小室；以及圖11示意表示卡盒的檢測室。下面作為本發(fā)明的實施例說明一個分析器。此分析器分為控制器和卡 盒。在其上進(jìn)行真正的分析過程的卡盒優(yōu)選地作為一次性-使用的物品，控制 器則可以多次使用并用于控制分析過程。此卡盒僅包含無源部件，所有的控 制均從控制器出發(fā)。圖1表示分析器的結(jié)構(gòu)。它由一個可插入控制器105卡盒安裝座103內(nèi) 的卡盒101組成。卡盒安裝座103與電源107連接，由它向卡盒安裝座103 供電。此外，為了傳輸分析過程的數(shù)據(jù)，卡盒安裝座103還與一個電子裝置 109連接。數(shù)據(jù)可以從電子裝置109經(jīng)接口 111輸出。接口 lll例如設(shè)計為 RS-232接口。電子裝置109為了供電與電源107連接。為了實施分析過程，在卡盒內(nèi)需要水。水存放在一個貯水器113內(nèi)。貯 水器113例如是裝有無菌蒸餾水的標(biāo)準(zhǔn)瓶子，它通過中隔封閉。在控制器內(nèi) 用于此瓶子的相應(yīng)的安裝座有一個插管，在瓶子裝入時插管刺穿中隔。由此可進(jìn)入水中并可以借助連接的泵115從瓶子取水。泵115可以提取規(guī)定的水量并經(jīng)連接裝置泵入卡盒安裝座103內(nèi)。水經(jīng)卡盒安裝座103進(jìn)入卡盒101 內(nèi)并供分析過程使用。為了供電泵115與電源107連接。圖2示意表示卡盒101,在未在先/>開的WO2006/042838A1中已經(jīng)詳 細(xì)披露了這種卡盒，該在先文件披露的內(nèi)容也是本專利申請的技術(shù)主題。卡盒101按信用卡的尺寸以塑料卡片201的形式存在并包括一些通道。 試樣可以通過試樣口 203滴入卡盒101內(nèi)。水可以通過水口 205、 205'、 205" 和205〃'加入卡盒101內(nèi)。此外卡盒101有四個通風(fēng)口 207、207'、207〃和207〃', 在通道充填時空氣可通過它們逸出。計量段209有1升的容量并分流出這樣 多量的已吸入的試樣。試樣廢料通道211用于容納多余的試樣。通風(fēng)口 207〃' 處于試樣廢料通道211端部。細(xì)胞破裂通道213與計量線段209連接，用于 細(xì)胞破裂處于干燥狀態(tài)的試劑存放在其中。只有通過加入經(jīng)稀釋的試樣才溶 解試劑以及發(fā)生細(xì)胞破裂。通過細(xì)胞破裂釋出包含在細(xì)胞內(nèi)的DNA，它結(jié) 合在同樣存在于細(xì)胞石皮裂通道213中的磁5朱上。細(xì)胞破裂通道213與可以在其中實施聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)的PCR小室 215連接。PCR小室215可借助兩個閥217關(guān)閉。必要的同樣為干燥狀態(tài)的 試樣處于PCR小室215內(nèi)。在PCR小室215后面i殳與通風(fēng)口 207〃連接的聚 合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)廢料通道219。與水口 205"連接的水通道221與細(xì)胞破 裂通道213的端部連通。PCR小室215與檢測室223連接，在檢測室內(nèi)可借 助傳感器組檢定DNA。檢測室223與兩個終止在通風(fēng)口 207或207內(nèi)的廢 料通道225和227連接。附加地，檢測室223與兩個酶聯(lián)免疫(ELISA)試劑 通道229和23 l(ELISA(酶聯(lián)免疫)Enzym linked immunosorbent assay)連摟， 它們本身與水口 205'或205連接。在ELISA試劑通道229和231內(nèi)存》丈干燥 狀態(tài)的ELISA試劑232，它們在溶解于水中后可以被沖入檢測室223內(nèi)。圖3示意表示分析過程的流程框圖。在方法的第一步Sl內(nèi)卡盒作準(zhǔn)備。 此時試樣滴入卡盒內(nèi)以及在控制器內(nèi)準(zhǔn)備好可能要的水待用。在滴入時試樣 集中在卡盒的試樣廢料通道211內(nèi)(見圖2)，此時同樣充填了計量線段209。 在方法的第二步S3將卡盒插入控制器中。通過插入卡盒，處于閱讀器中的 閥與水口 205至205〃'和通風(fēng)口 207至207'〃連接，所以水可被加入卡盒內(nèi)以 及空氣可以逸出。此外，操縱閱讀器內(nèi)的開關(guān)，此后自動起動分析過程。在 這里借助已知的功能元件保證卡盒處于正確的位置并有正確的定向。此外還識別它是否涉及一種與控制器相配的卡盒。在卡盒101內(nèi)部分析過程的一開始，水通道221注水，此時水通道221同樣經(jīng)PCR廢料通道219通風(fēng)。這 就簡化了方法流程，因為在后繼的流程中存在于水通道221內(nèi)的空氣將不能 逸出。在方法的第三步S5將水泵入水口 205"'內(nèi)，從而隔離處于計量線段209 內(nèi)的試樣部分。為此打開要不然通過閥關(guān)閉的通風(fēng)口 207'〃。 一旦充填了試 樣廢料通道211,便在方法的第四步S7重新關(guān)閉通風(fēng)口 207〃'。試樣廢料通 道211的充填水平借助設(shè)在控制器內(nèi)的充填水平傳感器測量。借助圖6和7 可以說明這種工作方式。由于通風(fēng)口 207〃'關(guān)閉，當(dāng)水繼續(xù)泵入時壓力開始升高，從而將處于計 量線段209內(nèi)的試樣部分沖入細(xì)胞破裂通道213內(nèi)。為此，打開控制器內(nèi)為 通風(fēng)口 207"配設(shè)的閥。進(jìn)行將試樣用水稀孝奪。通過加入稀釋后的試樣，在細(xì) 胞破裂通道213內(nèi)干的試劑溶解，之后，在方法的第五步S9發(fā)生細(xì)胞破裂。 此時釋放處于試樣細(xì)胞內(nèi)的DNA。被釋放的DNA結(jié)合在存放在細(xì)胞破裂通 道213內(nèi)的義茲i朱上。在方法的第六步Sll中與細(xì)胞破裂的同時ELISA試劑通道229和2" 用水充填。為此打開控制器內(nèi)為通風(fēng)口 207'和207配設(shè)的閥。ELISA試劑通 道229和231的充填水平借助設(shè)在控制器內(nèi)的充填水平傳感器測量。在細(xì)胞破裂結(jié)束后，在方法的第七步S13經(jīng)稀釋的試樣與磁珠DNA復(fù) 合物沖過PCR小室215。為此事先已通過水口 205〃'泵水以及打開通風(fēng)口 207〃。在控制器內(nèi)PCR小室215的上方設(shè)磁鐵，它將磁珠DNA復(fù)合物滯留 在PCR小室內(nèi)。稀釋的試樣殘余沖入PCR廢料通道219內(nèi)。在方法的第八 步S15再次通過PCR小室215泵水，從而清洗磁珠DNA復(fù)合物。在方法的 第九步S17關(guān)閉PCR小室215的閥217。在方法的第十步S19磁珠DNA復(fù) 合物的DNA通過聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)復(fù)制。為此相應(yīng)的干燥狀態(tài)的試劑處 于PCR小室215內(nèi)，它通過添加水溶解。為了沖喿縱PCR小室215內(nèi)的溫度， 在控制器內(nèi)有兩個珀爾帖裝置。在聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)結(jié)束后，在方法的 第十一步S21打開PCR小室215的閥217。在方法的第十二步S23水經(jīng)水口 205〃泵入通道22.1內(nèi)，所以事先處于通道221中的水被沖入PCR小室215 中。通道221含有存放的干燥鹽，它因而添加到PCR制品內(nèi)，亦即復(fù)制的 DNA內(nèi)。與此同時復(fù)制的DNA從PCR小室215沖入才全測室223內(nèi)。在這種情況下關(guān)閉通風(fēng)口 207〃和207',打開通風(fēng)口 207。在方法的第十三步S25,在檢測室223內(nèi)PCR產(chǎn)物與設(shè)在^r測室223 內(nèi)的捕捉分子之間發(fā)生雜交。為了支持雜交，按規(guī)定借助設(shè)在控制器內(nèi)的珀 爾帖元件調(diào)整4全測室215內(nèi)的溫度。在方法的第十四步S27， /人ELISA試劑 通道231將與偶聯(lián)分子結(jié)合的酶標(biāo)記物(例如堿性磷酸酶標(biāo)記的鏈親和素、 鏈親和素-酯酶或寡核苷酸-偶聯(lián)的酯酶)泵過4全測室213。為此目的，通過水 口 205泵水以及打開通風(fēng)口 207'。與捕捉分子結(jié)合的DNA通過酶標(biāo)記物進(jìn) 行標(biāo)記。在方法的第十五步S29，從ELISA試劑通道229將溶解的酶底物泵 過檢測室25。在經(jīng)通道227充滿檢測室231前，對酶標(biāo)記物以及酶底物通道 通風(fēng)，以避免空氣被帶入到檢測室223內(nèi)。在檢測室內(nèi)通過利用底物導(dǎo)致所 謂的氧化還原循環(huán)過程，通過這種過程可以4全定結(jié)合的DNA。相應(yīng)地，在 方法的第十六步S31進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的評估分析。圖4表示控制器105核心部件的框圖。微控制器401用于整個分析過程 的中央控制，它通過串行式RS232接口 402與計算裝置403連接。計算裝置 403例如是一個標(biāo)準(zhǔn)的PDA以及用于接收來自分析過程的測量數(shù)據(jù)。計算裝 置403配備有一個無線電模件404,測量數(shù)據(jù)可通過它傳輸給數(shù)據(jù)分析裝置 405。無線電^t件404例如通過紅外、藍(lán)牙或無線局域網(wǎng)(WLAN)與運(yùn)算服務(wù) 器405通信聯(lián)絡(luò)。微控制器401控制所有參與分析過程的控制器105的部件?？ê邪惭b座 103包括一個步進(jìn)電動機(jī)407,當(dāng)卡盒插入時它運(yùn)動一部分卡盒安裝座103， 從而精確地安裝卡盒。此時使珀爾帖元件就位。當(dāng)卡盒完全插入時終端開關(guān) 409切斷此過程。通過插入過程，水口和通風(fēng)口與控制器內(nèi)相應(yīng)的通道連接。 在這些通道內(nèi)設(shè)置閥413,它們受微控制器401控制。信號處理裝置415用 于傳輸控制信號。借助圖5說明通道與閥的配置和工作方式。為了使水在通道內(nèi)運(yùn)動，通過微控制器401控制泵115。它的活塞通過 步進(jìn)電動才/L 417運(yùn)動，而步進(jìn)電動機(jī)又借助輸出級419和終端開關(guān)421控制。 泵115內(nèi)的壓力借助壓力傳感器423測量并通過信號處理裝置425由微控制 器401讀出。在卡盒內(nèi)水的運(yùn)動借助充填水平傳感器427監(jiān)測，它們通過信號處理裝 置429由微控制器401讀出。PCR小室的閥借助伺服電動機(jī)431和信號處理裝置433控制。三個珀爾帖元件435和溫度傳感器437用于PCR小室和4全測室的恒溫調(diào)節(jié)，它們借 助PID調(diào)節(jié)器439和輸出級441控制和讀出。PID調(diào)節(jié)器439通過信號處理 裝置443由微控制器401控制。通過氧化還原循環(huán)在傳感器組上產(chǎn)生的信號借助觸點接通模件445測 量，'以及借助閱讀電路447和乘法器449進(jìn)一步傳給信號處理裝置451。信 號處理裝置451與微控制器連接。通過觸點接通模件445將必要的控制電壓， 例如穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)電壓或反向電壓供給傳感器組。傳感器組例如設(shè)計為 CMOS傳感器芯片。觸點接通模件445在這種情況下有利地具有象在市場上 常見的智能卡(Smart-Card)閱讀器中那樣的配置。圖5示意表示控制器流體部件簡圖。卡盒安裝座103包括四個水口 503、 503'、 503〃和503〃'，在卡盒插入時它們與卡盒的水口連4妻。同沖羊設(shè)四個通風(fēng) 口 505、 505'、 505〃和505〃'，它們與卡盒對應(yīng)的通風(fēng)口連接。此外卡盒安裝 座103包括三個充填水平傳感器507、 507'、 507"，它們的工作方式借助圖6 和7說明。它們電容式工作并由兩個電容器極片組成。為保證卡盒安裝座103 結(jié)構(gòu)簡單，電容器極片509設(shè)計成大面積的并為所有充填水平傳感器507、 507'和507〃共同使用。另一些電容器極片511、 511'和511'湘應(yīng)地設(shè)計為分 開的。充填水平傳感器507和507'設(shè)計用于分別監(jiān)測卡盒的兩個通道并裝設(shè) 在卡盒安裝座103相應(yīng)的位置上。充填水平傳感器507用于監(jiān)測兩個ELISA 試劑通道229和231，而充填水平傳感器507'用于監(jiān)測試樣廢料通道211和 PCR廢料通道219。充填水平傳感器507〃用于監(jiān)測廢料通道227。在卡盒安裝座103內(nèi)還設(shè)有兩臺電動機(jī)513用于控制兩個致動器515。 致動器515用于打開和關(guān)閉在卡盒上的PCR小室的閥。分析過程所需的水來自標(biāo)準(zhǔn)瓶子517,它們用中隔519封閉。瓶子517 由控制器安裝座521固定，其中設(shè)兩根插管523和525。當(dāng)瓶子517放入安 裝座521內(nèi)時中隔519用兩根插管523和525刺穿并導(dǎo)致進(jìn)入瓶子517的水 中。插管523經(jīng)管道527和三通閥529與泵115連接。借助泵115可以從瓶 子517提取規(guī)定的容積可調(diào)的水。泵115包括一個空心圓筒533和一個運(yùn)動 活塞535。活塞535可借助步進(jìn)電動機(jī)537按規(guī)定運(yùn)動。在管道527內(nèi)設(shè)壓 力傳感器539,借助它可以確定管道527內(nèi)的壓力。插管525用于瓶子通風(fēng)，因為要不然在取水時會形成負(fù)壓。此插管與滅 菌過濾器541連接，空氣可以通過它進(jìn)入瓶內(nèi)。三通閥529可通過管道系統(tǒng)543與所述的四個水口 503、 503'、 503"和 503'"連接。為此設(shè)多個管道527'和另外三個三通閥529',三通閥529可以通 過它們按選擇分別與水口 503、 503'、 503〃和503〃'連接。因此通過恰當(dāng)?shù)亟?通三通閥529',可以將水從空心圓筒533泵入水口 503、 503'、 503"和503"' 之一中。在這里由壓力傳感器539檢測管道系統(tǒng)543和管道527內(nèi)出現(xiàn)的壓 力。分析過程開始前在用水充填時必須能從卡盒導(dǎo)出卡盒通道內(nèi)存在的空 氣。為此在卡盒安裝座內(nèi)i殳四個通風(fēng)口 505、 505'、 505〃和505'〃。它們通過 管道545與可按選擇關(guān)或開的三通閥547連接。當(dāng)水加入其中一個通道時打 開相應(yīng)的閥，從而可使空氣從卡盒逸出。在圖6和7中表示了充填水平傳感器的工作方式。圖6所示的剖視圖表 示控制器105?？ê?01已插入卡盒安裝座103中。在卡盒安裝座103內(nèi)卡 盒101的上方和下方設(shè)兩個電容器極片607和609。電容器極片607和609 與測量裝置611連接，借助它可以確定由電容器極片607和609構(gòu)成的電容 器的電容量。在圖6中一個成形在卡盒101內(nèi)部的通道613部分用水615充填。在圖 7中通道613已充填至使水613'處于電容器極片607與609之間。由此與圖 6所示的狀態(tài)相比改變了電容器的電容量。這一改變借助測量裝置611測定 并以此方式確定通道內(nèi)的液位。圖S表示在卡盒101插入時通過部分卡盒安裝座103的剖面圖。圖中表 示了控制器103與卡盒101水口之間的接觸連通。在卡盒101的塑料體705 內(nèi)銑出一個通道707。此通道707借助粘貼片709覆蓋，在這里粘貼片709 粘結(jié)在塑料體705上。粘貼片709是標(biāo)準(zhǔn)的并與在卡盒101內(nèi)要進(jìn)行的所有 過程相容。在卡盒101的水口上固定另一個粘貼片711。它可以被一根裝在 卡盒安裝座103內(nèi)的插管713刺穿并因而在卡盒安裝座103與卡盒101之間 造成流體接觸。在卡盒安裝座103內(nèi)安裝防止液體泄出的密封件715。密封 件715優(yōu)選地用生物化學(xué)兼容的硅酮材料組成，以避免污染水口 。在將卡盒101插入卡盒安裝座103前，卡盒安裝座103上部717和下部 719彼此的距離比圖8所示的遠(yuǎn)。這就允許卡盒101舒適地插入。 一旦卡盒 101完全插入，這兩個部分717和719合攏并將卡盒101鎖止在卡盒安裝座 103內(nèi)。與此同時粘貼片711被插管713刺穿。圖9表示在卡盒101插入時通過部分卡盒安裝座103的剖面圖。類似于圖8,在卡盒101的塑料體705內(nèi)銑出一個通道707'，它被粘貼片709覆蓋。 在塑料體705內(nèi)圍繞卡盒IOI的通風(fēng)口 721銑出一個槽。在膠層723上固定 一個聚四氟乙烯膜725。在卡盒安裝座103的下部719內(nèi)安裝一個密封件715。 此外設(shè)通道727，它穿過密封件715延伸并因而與聚四氟乙烯膜725接觸。 在通道727內(nèi)設(shè)軟管729，它與控制器的通風(fēng)閥連接。通過聚四氟乙烯膜725確保不會有液體從卡盒泄出。這用于避免污染應(yīng) 可使用于多種分析過程的控制器。加入卡盒IOI內(nèi)的試樣往往包含感染的生 物質(zhì)，控制器在接觸時將被它污染并因而為了實施其他分析過程必須清洗或 替換。聚四氟乙烯膜725可透蒸汽和氣體，但不透液體。借助控制器的壓力 傳感器533保證卡盒101內(nèi)的壓力不會過大以及不會損壞或撕裂聚四氟乙烯 膜725或粘貼片709。圖IO表示在卡盒101插入時通過部分卡盒安裝座103的剖面圖。類似 于圖8和9，在塑泮十體705內(nèi)^t出一個通道707〃。通道707"有一個用作PCR 小室731的加寬段。通道707"和PCR小室731被粘貼片709覆蓋。為保證在聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)熱循環(huán)化時快速傳熱，PCR小室731的 幾何尺寸應(yīng)設(shè)計得盡可能小(約lmm或容積〈Ojul)以及在一種"夾層"式恒 溫結(jié)構(gòu)內(nèi)的熱傳導(dǎo)應(yīng)如此實現(xiàn)，即為了熱平ff只須小的液體層(幾個100pm)。 PCR小室731優(yōu)選地處于一個有平行外表面的外殼內(nèi)(有槽和粘貼片709的 塑料體70》。在卡盒安裝座103內(nèi)，卡盒101的PCR小室731上方和下方設(shè)兩塊例 如鋁制的熱耦合板733和733'。這兩塊熱耦合板733和733'壓靠在粘貼片709 或塑料體705上，以及用于在實施聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)時將兩個珀爾帖裝 置735和735'的熱能傳入PCR小室731內(nèi)。珀爾帖裝置735和735'與兩個 冷卻體737和737'熱接觸，它們用于在聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)循環(huán)的冷卻過 程中排出熱量。它們有盡可能大的表面，以便必要時借助鼓風(fēng)機(jī)能向周圍空 氣有效地?zé)醾鲗?dǎo)。在熱耦合板733內(nèi)成形一個槽739。粘貼片709在可能的負(fù)壓狀態(tài)時， 例如在PCR循環(huán)中溫度升高期間，可以通過此槽739曲拱。在冷卻體737和737'上方或下方中央設(shè)兩塊磁鐵741和741'。由磁鐵 741和741'產(chǎn)生的磁場用于當(dāng)磁珠通過通道707"沖入PCR小室731時滯留磁珠。因此滯留了結(jié)合在磁珠上的DNA，用于以后在PCR小室731內(nèi)通過聚 合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)復(fù)制。不過由》茲鐵741和741'產(chǎn)生的》茲場梯度對于有效地滯留》茲珠過小。為了 盡管如此仍能在PCR小室731內(nèi)沿含有磁珠的液體流動方向達(dá)到高的磁場 梯度，導(dǎo)熱的但磁中性的熱耦合板733和733'配備有用一種在有更佳熱導(dǎo)率 的同時滲透系數(shù)p(r)高的材料，優(yōu)選坡莫合金(Ni-Fe)或軟磁合金 (Ni/Fe/Cu/Mo)制的小體積實體743和743'(約5mm3)。小體積實體743和743'分別構(gòu)成一個直接在PCR小室731表面的》茲芯。 現(xiàn)在PCR小室731直接處于磁芯之間。這些磁芯^皮永久石茲鐵741和741'的 磁場磁化。磁力線通過磁芯聚束，由此造成高的磁場梯度。在此平行于PCR小室731外壁和含磁珠的溶液的流動方向布置的磁場 梯度內(nèi)吸入、固定并因而集中浪b朱。PCR小室731可借助兩才艮推桿745和745'關(guān)閉。在這里推桿745和745' 可借助圖中未表示的彈簧和凸輪壓靠在粘貼片709上，從而關(guān)閉PCR小室 731。冷卻體737和737'通過彈簧759與螺釘761連接。螺釘761旋入卡盒安 裝座103內(nèi)。通過彈簧759將與冷卻體737和737'連接的熱耦合板7:33和733' 壓靠在粘貼片709或塑料體705上，從而形成良好的熱接觸。與此同時基本 上避免在熱耦合板733和733'與卡盒安裝座103之間的熱接觸。圖11表示在卡盒101插入時通過部分卡盒安裝座103的剖面圖。在此 塑料體705內(nèi)銑出另一個通道707'〃，它用粘貼片709覆蓋。在塑料體705 內(nèi)裝一個芯片模件747，通過它可以檢定在試樣內(nèi)所含有的DNA。為了檢定 DNA，在芯片模件747上可例如進(jìn)行一種氧化還原循環(huán)過程。為了支持在芯片模件747表面進(jìn)行的DNA與相應(yīng)的捕捉器分子之間的 雜交，芯片模件747通過熱耦合板751與珀爾帖元件753熱耦合。珀爾帖元 件753與冷卻裝置755熱耦合。借助一個設(shè)在熱耦合板751內(nèi)的溫度傳感器 757可以控制芯片模件747周圍的溫度。例如可以通過確定熔化曲線實施單 核苷酸多態(tài)性(SNP)分析。在圖紙平面之外，由熱耦合板751、珀爾帖元件753和冷卻裝置755構(gòu) 成的組件與卡盒安裝座下部719連接。在這里所述組件彈性地支承，所以它 壓靠在卡盒101上'并在熱耦合板751與芯片模件747之間建立良好的熱接觸。此外，在圖紙平面之外，在卡盒安裝座下部719的內(nèi)部設(shè)彈簧彈性的觸針，它引出芯片模件747的電信號用于數(shù)據(jù)分析?，F(xiàn)在，采用所述由用于存放試樣的芯片卡和具有控制器用于試樣處理和 數(shù)據(jù)分析的分析儀組成的系統(tǒng)，當(dāng)在分析儀內(nèi)插入卡盒時，可以符合實際需 要地確定DNA、蛋白質(zhì)和半抗原。
權(quán)利要求
1.一種用于綜合和自動化地進(jìn)行DNA或蛋白質(zhì)分析的系統(tǒng)，包括卡盒和分析儀，其中-卡盒(101)設(shè)計用于以干燥和長期穩(wěn)定的方式存放試樣和各種適用于分析的試劑，以及-分析儀包含控制器(105)，用于在卡盒(101)插入分析儀內(nèi)時實施分析過程，以及包括一些用于處理在卡盒(101)內(nèi)部的試樣的裝置，為此從液體容器(113)將液體供給卡盒(101)內(nèi)至少干燥的試劑，為的是溶解和接著檢測要檢定的試樣組分，其中存在-第一裝置(103-113)用于控制卡盒(101)在分析儀內(nèi)的插入和接著在卡盒(101)內(nèi)進(jìn)行的分析過程包括引入卡盒(101)內(nèi)的液體的運(yùn)動和恒溫調(diào)節(jié)，以及-第二裝置(401、403、405)用于處理通過分析過程獲得的信號，以及其中-在控制器(105)內(nèi)第一和第二裝置彼此協(xié)調(diào)為，使試樣的分析過程可以完全綜合地實施以及信號可以直接輸出。
2. 按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征為，在卡盒(101)與控制器(105) 之間存在一些一方面用于流體裝置和另一方面用于電子設(shè)備的接口(IOI)。
3. 按照權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征為，控制器(105)包括至少一個 串行的和/或無線的接口(111)，信號和/或至少部分經(jīng)處理的信號可通過它傳 輸。
4. 按照權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征為，無線的接口設(shè)計為藍(lán)牙系統(tǒng)。
5. 按照權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征為，存在一個運(yùn)算服務(wù)器 (405)。
6. 按照上述諸權(quán)利要求之一所述的系統(tǒng)，其特征為，存在一個個人數(shù) 字助理PDA(403)。
7. 按照上迷諸權(quán)利要求之一所述的系統(tǒng)，其特征為，存在一個卡盒安 裝座(103)用于承接、鎖止、去鎖并釋放卡盒(IOI)。
8. 按照權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征為，存在一些傳感器用于識別 卡盒在卡盒安裝座(103)內(nèi)的正確定位。
9. 按照權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征為，存在一些傳感器用于識別 在卡盒安裝座(103)內(nèi)卡盒的正確類型。
10. 按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征為，存在一個水罐(113)用于稀 釋試樣、用于溶解存放在卡盒(101)內(nèi)的干試劑以及用于在控制器(105)內(nèi)實 施沖洗過程。
11. 按照權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征為，水罐(113)借助插管(523) 刺穿中隔(519)流體接通。
12. 按照權(quán)利要求10或11所述的系統(tǒng)，其特征為，存在一個過濾器(541) 用于在取水時給水罐通風(fēng)。
13. 按照前列諸權(quán)利要求之一所述的系統(tǒng)，其特征為，存在一個電源 (107)。
14. 按照前列諸權(quán)利要求之一所述的系統(tǒng)，其特征為，存在一臺泵(115)。
15. 按照前列諸權(quán)利要求之一所述的系統(tǒng)，其特征為，控制器(105)包括 一個有一些閥(529、 529')的管道系統(tǒng)(543)，借助它可以將水引入卡盒內(nèi)。
16. 按照權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征為，在管道系統(tǒng)(543)內(nèi)存在 一個壓力傳感器(539)。
17. 按照權(quán)利要求15或16所述的系統(tǒng)，其特征為，存在至少一個接口 用于將水供入卡盒(101)。
18. 按照權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征為，所述至少一個接口設(shè)計 為插管(713)。
19. 按照權(quán)利要求1所迷的系統(tǒng)，其特征為，存在一些裝置(507、 507'、 507")用于識別在卡盒(101)上那些通道(211、 219、 229、 231)的充填狀況。
20. 按照權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征為，所述用于識別充填狀況 的裝置設(shè)計為帶有電極的電容傳感器，其中，電極設(shè)置為使它們在卡盒(101) 插入控制器(105)內(nèi)時處于卡盒(101)的上方和下方。
21. 按照前列諸權(quán)利要求之一所述的系統(tǒng)，其特征為，存在一些閥(547) 用于關(guān)閉和打開卡盒(101)的通風(fēng)口(207、 207'、 207〃、 207〃')。
22. 按照前列諸權(quán)利要求之一所述的系統(tǒng)，其特征為，存在一些裝置(217) 用于關(guān)閉和打開卡盒(101)上的小室(215)。
23. 按照權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其特征為，用于關(guān)閉和打開小室(215) 的裝置(217)設(shè)計為可運(yùn)動的推桿。
24. 按照前列諸權(quán)利要求之一所述的系統(tǒng)，其特征為，存在一個組合裝 置，它包括一個用于捕集磁珠的磁珠聚集器和一個恒溫調(diào)節(jié)裝置用于在控制 器(105)內(nèi)實行聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)時實施熱循環(huán)化。
25. 按照權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其特征為，所述恒溫調(diào)節(jié)裝置包括 兩個設(shè)在一夾層結(jié)構(gòu)內(nèi)的恒溫調(diào)節(jié)模件，其中，卡盒在插入狀態(tài)處于這兩個 恒溫調(diào)節(jié)模件之間。
26. 按照權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其特征為，存在一些裝置(759)用于 在恒溫調(diào)節(jié)模件與卡盒(101)之間產(chǎn)生規(guī)定的壓緊力。
27. 按照前列諸權(quán)利要求之一所述的系統(tǒng)，其特征為，存在一些裝置用 于一 電芯片模件(747)的電觸點接通。
28. 按照權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其特征為，存在一個用于所述芯片 模件(747)的恒溫調(diào)節(jié)單元。
29. 按照前列諸權(quán)利要求之一所述的系統(tǒng)，其特征為，存在一些功能控 制、測量和調(diào)整的電子設(shè)備。
30. 按照前列諸權(quán)利要求之一所述的系統(tǒng)，其特征為，存在一個微控制 器(401)用于控制和數(shù)據(jù)檢測。
31. 按照前列諸權(quán)利要求之一所述的系統(tǒng)，其特征為，存在一個顯示器 用于顯示分析結(jié)果。
32. —種在按照權(quán)利要求1至31之一所述系統(tǒng)中的控制器的工作方法， 包括下列步驟-將試樣加入卡盒內(nèi)，-在一個綜合過程中對試樣內(nèi)要檢定的組分實施分析， -對于由分析過程得到的測量信號進(jìn)行分析。
33. 按照權(quán)利要求32所述的方法，其特征為，為DNA分析實行細(xì)胞破 裂和聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
34. 按照權(quán)利要求33所述的方法，還包括下列步驟_打開卡盒安裝座以及在恰當(dāng)?shù)拈y位置令所述泵從水罐泵取水，-使用者插入帶有試樣的卡盒， -自動起動分片斤，-水經(jīng)水口泵入卡盒內(nèi)，以洗去多余的試樣物料，-通過注水稀釋試樣并將其泵入細(xì)胞破裂通道內(nèi)，此時溶解千試劑，-經(jīng)過細(xì)胞破裂所需的停留時間，此時釋出的DNA結(jié)合在磁珠上， -緊接著充填兩個酶聯(lián)免疫(ELISA)試劑通道，此時溶解干的酶聯(lián)免疫 (ELISA)試劑，-細(xì)胞破裂通道內(nèi)的內(nèi)容物被水繼續(xù)泵送沖過聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)小 室，此時帶有DNA的磁珠被磁場滯留，殘余物則被沖入廢料通道內(nèi)， -關(guān)閉聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)小室的閥門， -起動熱循環(huán)化，此時溶解干的聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)試劑， -在規(guī)定的溫度下實施預(yù)定次數(shù)的熱循環(huán)(PCR),-在結(jié)束聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)后打開聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)小室的閥門，-水經(jīng)另一個水口泵入卡盒并將聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)制品從聚合酶鏈 式反應(yīng)(PCR)小室沖刷到 一檢測室內(nèi)，-該檢測室被恒溫調(diào)節(jié)，此時DNA與捕捉分子進(jìn)行雜交，-將可能存在于聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)制品與溶解的酶聯(lián)免疫(ELISA) 試劑之間的空氣泵入廢料通道內(nèi)，-溶解的酶標(biāo)記物經(jīng)檢測室泵入另一個廢料通道內(nèi)，-溶解的底物經(jīng)檢測室泵入另一個廢料通道內(nèi)，-起動電4全測。
35. 按照權(quán)利要求33或34所述的方法，其特征為，通過記錄熔化曲線 實施單核香酸多態(tài)性(SNP)分析。
36. 按照權(quán)利要求32所述的方法，其特征為，實施蛋白質(zhì)分析。
37. 按照權(quán)利要求32所述的方法，其特征為，實施半抗原分析。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種綜合和自動化DNA或蛋白質(zhì)分析系統(tǒng)，包括一個可一次性使用的卡盒、一個具有控制器的分析儀以及包括一些用于信號記錄和處理的裝置。本發(fā)明尤其涉及所述控制器，用于借助一次性使用的卡盒(“Lab-on-a-chip”)進(jìn)行分子診斷學(xué)分析的全自動過程和數(shù)據(jù)分析。存在的第一裝置(103-113)用于控制在卡盒(101、201)內(nèi)進(jìn)行的分析過程包括液體的運(yùn)動和恒溫調(diào)節(jié)，以及存在的第二裝置(401、403、405)用于處理分析時獲得的信號，其中，第一和第二裝置彼此協(xié)調(diào)為，使試樣的分析過程可以完全綜合地實施以及結(jié)果可以直接輸出。
文檔編號B01L9/00GK101218032SQ200680025237
公開日2008年7月9日 申請日期2006年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月25日
發(fā)明者彼得·波利卡, 沃爾特·岡布里希特 申請人:西門子公司