本發(fā)明大體上涉及用于使用毛細管電泳簡化生物樣本測序期間的用戶體驗的設備、系統(tǒng)和方法。

背景技術：

本發(fā)明涉及多功能毛細管電泳設備(multi-capillary electrophoresis apparatus)和其組件。本發(fā)明進一步涉及經(jīng)設計以容納多毛細管電泳設備的多個組件的結(jié)構和機構。

毛細管電泳裝置通常提供某些主要組件，其包含例如毛細管陣列、用于將介質(zhì)提供給毛細管的分離介質(zhì)源、樣本注射機構、光學檢測器組件、電極和在毛細管的一端上的陽極緩沖劑源以及在毛細管的另一端上的陰極緩沖劑源。毛細管電泳裝置通常還提供各種加熱組件和區(qū)域以調(diào)節(jié)前述組件中的多個的溫度。調(diào)節(jié)這些組件中的多個的溫度可改善結(jié)果的質(zhì)量。

為了在調(diào)節(jié)這些組件中的多個的溫度時提供毛細管電泳裝置的主要組件，當前毛細管電泳裝置使用多個結(jié)構來容納這些組件，且將這些結(jié)構連接或耦合在一起以提供起作用的毛細管電泳裝置。使用多個結(jié)構具有缺點。舉例來說，互連結(jié)構中的每一個可能需要其自身的溫度調(diào)節(jié)機構，因此創(chuàng)建獨立的溫度控制區(qū)域。這些區(qū)域中的每一者由此將需要相關聯(lián)的個別控制機構。此多結(jié)構設計會增加設備中組件的總數(shù)目，使溫度控制方案變復雜，且增加由于所涉及組件的絕對數(shù)目而導致的組件故障的幾率。圖1展示說明多個溫度控制區(qū)域TCM0到TCM5的一個此類設計。

使用多個互連結(jié)構也不是用戶友好的。舉例來說，將聚合物源附接到毛細管陣列可能復雜，且在每次拆離陣列且將其附接到聚合物源時可能存在引入氣泡或其它人為產(chǎn)物的風險。此外，用戶而不是制造商通常必須將緩沖劑源附接到陣列，且必須在毛細管陣列的壽命期間這樣做很多次。

因此，需要提供一種毛細管電泳設備，其具有減少的數(shù)目個互連結(jié)構以減少必要的加熱區(qū)域的數(shù)目、減少結(jié)構的用戶處置、減小組件故障的可能性且減少氣泡和其它人為產(chǎn)物到設備內(nèi)的引入。

技術實現(xiàn)要素：

揭示用于使用毛細管電泳簡化生物樣本測序期間的用戶體驗的設備和方法

圖2提供常規(guī)毛細管電泳設備的一部分的基本示意性表示。具體來說，圖2說明毛細管陣列、電極組件(陽極和陰極)、聚合物源、緩沖劑源，和聚合物引入機構(說明為注射泵)。如所說明，提供耦合件以將毛細管陣列組合件連接到聚合物/緩沖劑結(jié)構，所述聚合物/緩沖劑結(jié)構包含聚合物源、緩沖劑源、陽極和注射泵。如所提供，溫度受控區(qū)域僅控制所圍封的毛細管陣列組合件和陰極。由此，需要額外溫度控制用于聚合物源和遞送路徑。此外，用戶必須將毛細管陣列組合件耦合到聚合物/緩沖劑結(jié)構。

在一個方面中，生物測序裝置可包括測序儀器以及經(jīng)配置以從如圖3中所示的儀器移除的料筒。所述料筒可包含適合于毛細管電泳的一個或多個毛細管、含有聚合物的儲集器以及用于將所述聚合物引入到所述毛細管中的泵。此項技術中已知，測序儀器可包含含有聚合物的一個容器和含有緩沖劑的第二容器。含于所述料筒的所述儲集器中的所述聚合物還可充當緩沖劑，由此減少所述儀器中的器皿的數(shù)目。將所述料筒配置為可移除式元件可進一步使得用戶能夠快速地替換所述毛細管和所述聚合物以加快另一測序分析的評估。

將所述毛細管陣列、陰極、聚合物/緩沖劑源和聚合物引入機構提供到單個料筒中具有許多優(yōu)勢。舉例來說，此類單個料筒允許將緩沖劑與聚合物組合為陽極緩沖劑，且以小體積提供這一聚合物/緩沖劑封裝以適配于料筒中且因此使其成為低使用項目。聚合物/緩沖劑儲集器可有利地在料筒制造時附接到陣列，以使得客戶僅需要將整個料筒安裝到毛細管電泳設備中。或者，料筒可被設計成使得客戶僅需要在關閉和安裝料筒之前將聚合物/緩沖劑儲集器附接到陣列，以使得為陣列和聚合物的壽命考慮，將聚合物/緩沖儲液槽208和陣列202組合。

在另一方面中，可使用集成式閥組合件。集成式閥組合件可包含用以將集成式閥耦合到毛細管料筒的界面、機載歧管、用于聚合物的安全殼(containment)、印刷電極和兩個線性致動器。在各種實施例中，集成式閥組合件可為可拋棄式的。在其它實施例中，集成式閥組合件可足以運行多個測序?qū)嶒灐?/p>

附圖說明

為了更完整地理解本文所揭示的原理和其優(yōu)點，現(xiàn)在參考下文結(jié)合附圖進行的描述，其中：

圖1為說明當前毛細管電泳裝置的框圖。

圖2為說明另一毛細管電泳裝置的框圖。

圖3為說明根據(jù)各種實施例的測序設備的框圖。

圖4A到4D為說明可拋棄式集成式閥組合件的框圖。

圖5為根據(jù)各種實施例的泡殼封裝的表示。

圖6為類似于圖3中所描繪的元件的聚合物儲集器的另一實施例。

圖7為可用以加熱毛細管中的聚合物的一個實施例的框圖。

圖8為說明用于加熱毛細管的替代例的另一實施例。

具體實施方式

本說明書中描述用于提供核酸測序的簡化工作流程的設備、系統(tǒng)和方法的實施例。本文中所用的章節(jié)標題僅用于組織目的并且不應理解為以任何方式限制所述主題。

將詳細參考本發(fā)明的各種方面，其實例在附圖中得以說明。在可能的情況下，將在整個圖式中使用相同元件符號來指代相同或相似部分。

在各種實施例的此詳細描述中，出于解釋的目的，闡述許多特定細節(jié)以提供所揭示的實施例的透徹理解。然而，所屬領域的技術人員將了解，可以在具有或不具有這些具體細節(jié)的情況下實踐這些各種實施例。在其它情況下，結(jié)構和裝置以框圖形式展示。此外，所屬領域的技術人員可容易地了解，呈現(xiàn)和進行方法的特定順序為說明性的，且預期順序可以改變且仍保持在本文所揭示的各種實施例的精神和范圍內(nèi)。

除非另外定義，否則本文中所用的所有技術和科學術語具有與本文所描述的各種實施例所屬領域的一般技術人員通常所理解相同的含義。當并入的參考文獻中的術語的定義呈現(xiàn)為與本發(fā)明教示中提供的定義不同時，應以本發(fā)明教示中提供的定義為準。

將了解，除非另外明確陳述，否則使用單數(shù)包含復數(shù)。此外，“包括(comprise/comprises/comprising)”、“含有(contain/contains/containing)”和“包含(include/includes/including)”的使用并不打算是限制性的。應理解，以上大體描述和以下詳細描述均僅是示范性和說明性的且并不限制本發(fā)明教示。

雖然結(jié)合各種實施例來描述本教示內(nèi)容，但并不打算將本教示內(nèi)容限制于此類實施例。相反地，如本領域技術人員應了解，本教示內(nèi)容涵蓋各種替代方案、修改以及等效物。

此外，在描述各種實施例時，本說明書可以將方法和/或過程呈現(xiàn)為特定順序的步驟。然而，在方法或過程不依賴于本文中闡述的步驟的特定次序的程度上，所述方法或過程不應限于所描述的步驟的特定順序。如所屬領域的技術人員將了解，步驟的其它順序可以是可能的。因此，在說明書中闡述的步驟的特定次序不應解釋為對權利要求書的限制。另外，針對方法和/或過程的權利要求書不應限于以書寫的次序進行其步驟，且所屬領域的技術人員可以易于了解的是順序可以變化且仍保持在各種實施例的精神和范圍內(nèi)。

一般來說，在將儀器提供給生物實驗室用于生物測序的情況下，不復雜的工作流程至少出于以下原因而可為有益的。首先，實驗室常常會擔心進行實驗的經(jīng)濟性，其可包含由受訓練較少的個人使用儀器。第二，用戶與儀器交互所需的較少時間可增大一日中可運行的實驗數(shù)目。

圖2描繪此項技術中已知的常見測序儀的實施例。儀器200包含射流區(qū)段(fluidics section)210和毛細管區(qū)段220。這些區(qū)段經(jīng)由耦合件205連接，且可獨立于彼此進行熱控制，如短劃線輪廓201和202所指示。毛細管區(qū)段220可包含毛細管222、光學通道(optics access)224和陰極226。射流區(qū)段210可進一步包含緩沖劑容器212、聚合物容器214、泵216、陽極211和閥218。在各種實施例中，毛細管222可為毛細管陣列。盡管儀器200可存在優(yōu)于圖1中所描繪的儀器的改良，但射流區(qū)段210仍可表示復雜的射流設計，在毛細管陣列耦合到射流區(qū)段時尤其如此。

參考圖2，閥218可用以連接毛細管或毛細管陣列的出口、聚合物泵216、緩沖劑容器214與聚合物容器212。本質(zhì)上，閥218可經(jīng)配置以用新制聚合物填充毛細管222，或使料筒為電泳做好準備。在各種實施例中，閥可為定制的精加工透光有機玻璃組件。在各種實施例中，經(jīng)加工透光有機玻璃可稱為“凝膠塊”。此類凝膠塊可見于例如購自加利福尼亞州南舊金山的生命技術公司(Life Technologies)的310型測序儀中。在各種實施例中，閥218可由兩個片件建構而成。每一片件可為定制的精加工透光有機玻璃組件。此類兩件式實施例可見于例如購自加利福尼亞州南舊金山的生命技術公司的3130型測序儀中。

在各種實施例中，可利用較低成本解決方案來提供剛剛描述的功能性。本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，310型和3130型透光有機玻璃組件兩者的射流功能性在很大程度上可由中等壓力4向2位開關閥仿效。在各種實施例中，開關閥可類似于液相層析(且具體來說，例如，在生物HPLC)中使用的開關閥。此類4向2位開關閥可類似于由華盛頓州奧克港的Upchurch科學公司(Upchurch Scientific)制造且由IDEX健康科學公司(IDEX Health and Science)銷售的閥。

除了提供較低成本解決方案之外，4向2位開關閥還可提供額外優(yōu)勢。優(yōu)勢可包含但不限于減小聚合物怠體積、改善來自具有現(xiàn)成組件的多種供應商的可用性。4向2位閥還可免除對于自定義制造的透光有機玻璃組件以及與透光有機玻璃組件相關聯(lián)的非標準針閥和高壓力套管的需要。

另外，還存在圍繞陽極211和陰極226的復雜性。陽極211和陰極226可電連接到高電壓源以提供跨越毛細管222的高電位。因為核酸攜帶電荷，所以此電位勢必會使樣本片段經(jīng)由毛細管遷移以用于分離和檢測。因為陰極處于毛細管區(qū)段220中且陽極處于射流區(qū)段210中，因此從儀器其余部分隔離高電壓以防止用戶的任何電擊危險可能變得具挑戰(zhàn)性。

圖3中所示的實施例提供優(yōu)于圖2的儀器200的相異改良。料筒組合件300可將儀器200的許多元件組合為集成式單元。集成式單元可包含毛細管322、泵324、容器326a、光學通道328、陰極325和到陽極323的通道。在各種實施例中，容器326a可含有分離基質(zhì)326b。在各種實施例中，泵324可為注射泵。在又一實施例中，泵324可涵蓋電動力泵。

如所示，毛細管322、泵324、容器326a、光學通道328、陰極325和到陽極323的通道可全部圍封在單個溫度受控區(qū)域301中，從而進一步簡化儀器的要求。在各種實施例中，分離基質(zhì)326b可包含聚合物和緩沖劑，由此使得不必包含用于緩沖劑的單獨容器且進一步簡化所述系統(tǒng)。在各種實施例中，容器326a可提供足夠的分離基質(zhì)以進行多個測序輪次。在各種實施例中，容器326a可提供足夠分離基質(zhì)以進行100個測序輪次。

在各種實施例中，料筒300可為可容易移除的料筒，其可使得用戶能夠容易地作為單個單元替換毛細管322、容器326a和泵324。料筒300可進一步使得用戶能夠通過消除圖2中呈現(xiàn)的閥、流體線路和多個容器而使測序工作流程簡化。

參考圖4A到4D，展示連接到毛細管460的集成式閥組合件400。集成式閥組合件400可包含歧管410、聚合物容器420、夾捏點430、捏閥440和施配器450。在各種實施例中，集成式閥組合件400可為可拋棄式的。

圖4A描繪適合于執(zhí)行毛細管電泳的捏閥440和施配器450的條件。對于這些條件，捏閥440不接觸夾捏點430，且施配器450不與聚合物容器420接觸。此項技術中已知，在對生物樣本進行測序之前，需要毛細管預先裝載上新制聚合物。

圖4B和4C描繪使用集成式閥組合件400的裝載過程。在圖4B中，捏閥440與夾捏點430接觸。使捏閥440與夾捏點430接觸用以壓縮夾捏點430且使歧管410與毛細管460隔離。圖4C描繪與聚合物容器420接觸以將聚合物從聚合物容器420推動到毛細管460中的施配器450。循環(huán)在圖4D中完成，其中捏閥440和施配器450兩者皆回縮以使集成式閥組合件處于用于進行電泳的合適條件。

在各種實施例中，歧管410可保持足夠聚合物以執(zhí)行多個測序輪次。在一些實施例中，歧管可足夠運行高達四個毛細管陣列十次。

在各種實施例中，可手動地操作捏閥440和施配器450?？山?jīng)由使用機械桿、手柄、按鈕或此項技術中已知的任何其他合適的機構實現(xiàn)手動操作。

在各種實施例中，捏閥440和施配器450的操作可自動化。使捏閥440和施配器450的動作自動化可省去此項技術中已知的昂貴儀器閥?？山?jīng)由使用螺線管、馬達、線性致動器或此項技術中已知的任何其他合適的機構實現(xiàn)自動化。

圖5是泡殼封裝500的表示。泡殼封裝500為圖4中所描繪的集成式閥組合件的模型。在可能的情況下，使用相同參考數(shù)字指代相同或類似的部分。如圖所示，泡殼封裝500可為模制射流裝置，其可將新制聚合物引導到毛細管以如上文所論述在測序之前再裝填或預先裝載毛細管460。在各種實施例中，毛細管460可為毛細管陣列。

如圖所示，泡殼封裝500可包含歧管410、夾捏點430和聚合物容器420。在各種實施例中，歧管410可含有1ml的聚合物。在各種實施例中，1ml的聚合物可足以運行多個測序?qū)嶒?。在各種實施例中，1ml的聚合物可支持高達四個毛細管陣列十個輪次。

此外，泡殼封裝500可進一步包含印刷電極510。印刷電極510可用作如圖3中所描繪的陽極323。陽極323可用作用以將高電壓施加到毛細管以促進核酸片段經(jīng)由毛細管遷移的一個電端子。

在各種實施例中，泡殼封裝500可裝上聚合物且運送給客戶以準備好使用。在此類實施例中，用戶可將泡殼封裝500附接到毛細管460，且不需要手動地在系統(tǒng)中裝載聚合物。在各種實施例中，泡殼封裝500可為可拋棄式元件。

參考圖3，泵324描繪為與326a分離的元件。圖6為類似于圖3中所描繪的元件的聚合物儲集器的另一實施例。在各種實施例中，活塞致動器610可經(jīng)定位以直接作用于聚合物儲集器640上以將新制聚合物640提供到毛細管620。在各種實施例中，電極630可位于聚合物640中。在各種實施例中，電極630可連接到高電壓源(未展示)。在各種實施例中，高電壓源可在電極與聚合物之間的界面650處形成氣體和離子。在各種實施例中，透氣膜或通風口(未展示)可包含為聚合物儲集器的部分以使任何所形成的氣體或離子逸出。

在此項技術中眾所周知，在毛細管中的聚合物加熱到高于環(huán)境溫度的溫度時，可改善毛細管電泳期間的核酸片段的分離。在各種實施例中，聚合物的溫度可在40℃與60℃之間。圖7為可用以加熱毛細管中的聚合物的一個實施例的框圖。加熱圖700可包含溫度控制區(qū)域710。溫度控制區(qū)域710可圍封毛細管740。在測序之前，毛細管740可再裝填或預先裝載從聚合物儲集器750遞送的新制聚合物，如先前論述。

溫度控制區(qū)域710可在區(qū)域710的一個末端連接到出口管道760，且在相對末端連接到入口管道770。出口管道760可進一步連接到吹風機720的入口，而吹風機720的出口可連接到熱源730的入口。熱源730的出口可連接到入口管道770以與溫度控制區(qū)域710形成完整的空氣路徑。在操作中，熱源730可按需要控制在40℃與60℃之間的溫度，且吹風機720可使熱空氣經(jīng)由溫度控制區(qū)域710分散。溫度控制區(qū)域710可接著以熱空氣填充以將毛細管740的溫度升高到最優(yōu)溫度。

在另一實施例中，可根據(jù)圖8中所示的框圖加熱毛細管。加熱圖800可包含環(huán)繞毛細管840的溫度控制區(qū)域810。在此實施例中，溫度控制區(qū)域的一個末端可連接到出口管道860，且溫度控制區(qū)域的相對末端可連接到入口管道870。出口管道860可進一步連接到吹風機820的入口，而吹風機820的出口可連接到氣囊880的入口。氣囊880的出口可連接到入口管道870以與溫度控制區(qū)域810形成完整的空氣路徑。在此實施例中，熱源830熱耦合到溫度控制區(qū)域810下側(cè)。在操作中，熱源830可按需要控制在40℃與60℃之間的溫度，且吹風機820可使熱空氣經(jīng)由溫度控制區(qū)域810分散以為毛細管840中的聚合物提供均勻加熱。

盡管出于清楚和理解的目的已在某些細節(jié)上描述前述實施例，但所屬領域的技術人員將通過閱讀本發(fā)明而清楚，在不脫離本文所公開的實施例的真實范圍的情況下可以進行形式和細節(jié)上的各種改變。例如，可以通過各種組合方式使用上述全部技術、設備、系統(tǒng)和方法。