КАРТРИДЖ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ОБРАЗЦА И СПОСОБ ОБРАБОТКИ И/ИЛИ АНАЛИЗА ОБРАЗЦА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СИЛЫ Российский патент 2015 года по МПК B01L3/00 

Настоящее изобретение относится к картриджу или контейнеру для обработки образца. Настоящее изобретение также относится к способу обработки и/или анализа образца под действием центробежной силы.

Центрифугирование в качестве средства для ускорения седиментации клеток, частиц и преципитатов, а также для разделения жидкостей или клеток с различной плотностью в течение продолжительного времени является составной частью химических и биохимических протоколов.

Двухмерное центрифугирование, как правило, получают в устройстве, которое осуществляет вращение индивидуальных картриджей вокруг одной оси, в то время как эти картриджи вращаются с помощью отдельных средств вокруг другой удаленной оси.

Патент США № 4883763 (Holen et al.) описывает адаптер для обработки образца, сформированный из по существу закрытой камеры, который содержит средства для подачи в него реагента. Адаптер содержит средства входа для подачи образца в адаптер, капиллярные средства, сообщающиеся со средствами входа для приема образца, подаваемого в адаптер, и средства перетекания, сообщающиеся с капиллярными средствами для приема избытка образца, который перемещается от средств входа через капиллярные средства под действием центробежной силы, приложенной к адаптеру в первом направлении. Адаптер также содержит средства камеры для удерживания, адаптируемые для приема реагента из средств подачи реагента и образца из капиллярных средств в ответ на центробежную силу, действующую на адаптер во втором направлении, и средства кюветы, сообщающиеся со средствами камеры для удерживания, адаптируемые, чтобы сделать возможным измерение химической реакции между реагентом и образцом. Посредством использования адаптера для обработки образца поток реагента и образец внутри адаптера предположительно получают только под действием центробежной силы, действующей на адаптер в двух или более направлениях, когда адаптер подвергают воздействию больших центробежных сил в центрифуге.

Задачей настоящего изобретения является создание улучшенного картриджа и способа обработки образца.

Эта цель и другие цели, которые станут ясны из следующего далее описания, достигаются с помощью настоящего изобретения, как определено в прилагаемых независимых пунктах формулы изобретения. Дополнительные варианты осуществления приводятся в прилагаемых зависимых пунктах.

В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения предусматривается картридж для обработки образца, для осуществления обработки под действием центробежной силы, действующей, по меньшей мере, в двух направлениях, когда ориентация картриджа по отношению к направлению действия центробежной силы изменяется, картридж содержит: первую полость, адаптированную для удерживания образца; и вторую полость в сообщении текучих сред с первой полостью, где первая и вторая полости расположены так, что образец в первой полости перемещается из нее во вторую полость, когда направление действия центробежной силы, действующей на картридж, изменяется от первого направления до второго направления, (a) первая полость является продолговатой (в плоскости картриджа) перпендикулярно направлению действия центробежной силы, действующей в первом направлении, а (b) вторая полость имеет меньшую глубину, чем первая полость, и имеет большую протяженность в направлении действия центробежной силы, действующей во втором направлении, чем протяженность первой полости в направлении действия центробежной силы, действующей в первом направлении.

Техническое воздействие, возникающее в результате (a), заключается в том, что материал с более высокой плотностью, чем у остальной части образца, в каждой точке продолговатого образца имеет более короткий путь до "дна" первой полости. Техническое воздействие, возникающее в результате (b), заключается в том, что образец во второй полости с меньшей глубиной становится более широко размытым в направлении действия центробежной силы, что облегчает удаление из образца, например, плазмы. В целом, картридж делает возможным очень быстрое и точное микроразделение элементов текучей среды (например, плазмы и клеток или нано-/микрочастиц и жидкости) с различной плотностью, когда они экспонируются для достаточно больших центробежных сил. Это делает возможным отделение не только частиц (включая клетки) от жидкостей, но также и разделение жидкостей с различной плотностью (например, липидов от плазмы) или разделение частиц (включая клетки) с различной плотностью.

В указанной плоскости или в плоскости, параллельной указанной плоскости, вторая полость может иметь меньшую протяженность, перпендикулярно направлению действия центробежной силы, действующей во втором направлении, чем протяженность первой полости в направлении, перпендикулярном направлению действия центробежной силы, действующей в первом направлении.

Картридж может дополнительно содержать, по меньшей мере, один объект из лежащего выше слоя и лежащего ниже слоя, по меньшей мере, с одной дополнительной полостью и/или каналом, в который может перемещаться образец или материал, происходящий из него. Это делает возможным обработку или исследование, или анализ в трех измерениях. Жидкость может перемещаться взад и вперед между множеством слоев, обеспечивая увеличение функциональных возможностей в компактном картридже.

Картридж может дополнительно содержать по существу V-образный или U-образный микроканал для отмеривания образца или материала, происходящего из него. Посредством воздействия на картридж центробежной силы, превышающей капиллярную силу V-образного или U-образного микроканала, мениски жидкости в V- или U-образном микроканале могут всегда быть сделаны абсолютно перпендикулярными направлению действия центробежной силы, тем самым улучшая точность определения объема жидкости, содержащейся в мерном канале картриджа.

Картридж может дополнительно содержать, по меньшей мере, одну ловушку, адаптируемую для удерживания частиц текучей среды с более высокой плотностью, но дающую возможность для прохождения жидкостей и/или частиц текучей среды с более низкой плотностью. Ловушка, служащая в качестве примера, содержит входную камеру, промежуточный U-образный канал, выходную камеру, первый двухканальный делитель потока между входной камерой и одним краем промежуточного канала и второй двухканальный делитель потока между противоположным краем промежуточного канала и выходной камерой. Другая ловушка, служащая в качестве примера, содержит петлю овально-изогнутой формы с входом и выходом в ее вогнутой части. При наличии этих ловушек, нет необходимости во введении пористых барьеров для удерживания частиц. Кроме того, частицы текучей среды с более низкой плотностью могут эффективно и периодически проходить к частицам текучей среды с более высокой плотностью и взаимодействовать с ними.

Кроме того, первая полость может быть продолговатой в некоторой плоскости картриджа и иметь некоторую глубину, перпендикулярную к указанной плоскости, где вторая полость имеет меньшую глубину, чем первая полость, и простирается в указанной плоскости в другом направлении и на большее расстояние, чем ширина первой полости.

Кроме того, вторая полость может конфигурироваться как система каналов.

Кроме того, картридж может содержать, по меньшей мере, один пористый материал, расположенный в полости или канале картриджа, так что другой материал (например, образец или материал, происходящий из него, и/или, по меньшей мере, один реагент или что-то подобное) может проходить (как поперечный и/или латеральный поток) через пористый материал посредством изменения ориентации картриджа по отношению к направлению действия центробежной силы. Например, пористый материал может располагаться в канале между уровнями, направленном к слою, лежащему выше, и/или слою, лежащему ниже. Также, картридж может содержать вход в канал между уровнями, этот вход предусматривается на одном краю канала между уровнями в одном слое картриджа, где вход располагается по существу в том же направлении, что и выход из канала между уровнями, этот выход предусматривается на другом краю канала между уровнями в другом слое картриджа, обеспечивая протекание жидкости через весь объем канала между уровнями.

Пористый материал может представлять собой, например, фильтр, пористую мембрану, фильтр с поперечным потоком, каналы или полости с колонками, одну или несколько пористых пробок для удерживания шариков или материала в виде частиц, каналы, заполненные материалом в виде частиц или волокнистыми материалами, или сферическими шариками и тому подобное. Фильтр или пористая мембрана может позиционироваться под любым углом в пределах между 0 градусов и 90 градусов в плоскости дискообразного картриджа. Пористый материал может функционировать в качестве фильтров по размерам для удерживания молекул и частиц с различными молекулярными массами, как используется для целей концентрирования, разделения и фракционирования или замены среды, но также и на основе химических и/или электрохимических характеристик.

Кроме того, пористый материал может также представлять собой любой тип сенсоров, реакторов или исполнительных механизмов, через которые протекает текучая среда/жидкость, как правило, сенсор на основе фотонного кристалла. Кроме того, поверхности указанного пористого материала могут химически функционализироваться с помощью положительно или отрицательно заряженных групп, полярных групп, гидрофобных групп или химических групп с другими типами химических параметров или активностей, которые могут взаимодействовать с молекулами в текучей среде. Как правило, могут представлять собой различные типы хроматографических сред, такие как диоксид кремния, ионообменные материалы, и так далее. Кроме того, поверхности указанного пористого материала могут быть химически функционализированными с помощью молекул с конкретными параметрами захвата, химических активностей, таких как ферменты или другие типы каталитических материалов. Эти молекулы могут представлять собой специфичные антитела, зонды на основе нуклеиновых кислот, лектины или любой элемент системы лигандов и рецепторов, например (стрепт)авидин и биотин, фермент и субстрат этого фермента.

Сочетание потока жидкости, как контролируется посредством ориентации картриджа по отношению к направлению действия центробежной силы, через пористые материалы, демонстрирующие большое отношение площади поверхности к объему, делает возможными экстенсивные взаимодействия между молекулами в растворе и химически активными группами на поверхности пористых материалов и поэтому будут значительно увеличивать скорость любого химического или физического взаимодействия, такого как связывание, захват, ферментативный перенос и тому подобное. Изменение ориентации картриджа по отношению к направлению действия центробежной силы может быть использовано для протекания жидкости взад и вперед через пористый материал, исполнительный механизм, реактор или сенсор и повышения тем самым вероятности взаимодействия молекул в растворе с иммобилизированными группами на поверхности пористого материала.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предусматривается способ обработки и/или анализа образца под действием центробежной силы, способ включает: получение образца в первой полости картриджа для обработки образца, как описано выше; воздействие на картридж центробежной силы, действующей в первом направлении; и изменение направления действия центробежной силы с первого направления на второе направление. Этот аспект может демонстрировать сходные особенности и технические воздействия, как и ранее описанный аспект.

Картридж может подвергаться воздействию центробежной силы посредством вращения картриджа вокруг внешней оси, где направление действия центробежной силы изменяется посредством вращения картриджа вокруг некоторой оси внутри картриджа.

Кроме того, картридж может подвергаться воздействию центробежной силы, превышающей капиллярную силу (упоминаемого выше) V-образного или U-образного микроканала.

Кроме того, образец или материал, происходящий из него, может получать возможность поступления во (вторую) систему каналов и полостей, которые простираются латерально в плоскости картриджа, параллельно первой системе каналов и полостей, содержащей указанную первую и вторую полость.

Способ может дополнительно включать: изменение ориентации картриджа по отношению к направлению действия центробежной силы, так что другой материал текучей среды проходит сквозь (упоминаемый выше) пористый материал.

В соответствии с настоящим изобретением также предусматривается картридж для обработки образца, для осуществления обработки или чего-либо подобного под действием центробежной силы, действующей, по меньшей мере, в двух направлениях, картридж содержит: первую полость, адаптированную для удерживания образца; и вторую систему полостей или каналов в сообщении текучих сред с первой полостью, где первая полость является продолговатой в некоторой плоскости картриджа и имеет глубину, перпендикулярную к указанной плоскости, и где вторая система полостей или каналов имеет меньшую глубину, чем первая полость, и простирается в указанной плоскости (или в плоскости, параллельной указанной плоскости) в другом направлении и на большее расстояние, чем ширина первой полости. Этот картридж может демонстрировать сходные особенности и технические воздействия, как и ранее описанные аспекты. В частности, он делает возможность для быстрого микроразделения элементов текучей среды (например, плазмы от клеток или нано-/микрочастиц от жидкости) с различной плотностью.

Эти и другие аспекты настоящего изобретения теперь будут описаны более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, показывающие варианты осуществления настоящего изобретения.

Фигуры 1a-1c представляют собой виды сверху картриджа для обработки образца в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2 представляет собой схематический вид поперечного сечения картриджа на Фигурах 1a-1c.

Фигуры 3a-3e представляют собой виды сверху ловушки в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.

Фиг.4 представляет собой вид сверху ловушки в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.5 представляет собой схематический вид сбоку поперечного сечения вида картриджа для обработки образца в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.

Фиг.6 представляет собой частичный вид сверху другого картриджа для обработки образца в соответствии с вариантом или вариантами осуществления настоящего изобретения.

Фиг.7 представляет собой вид сверху другого картриджа для обработки образца в соответствии с вариантом или вариантами осуществления настоящего изобретения.

Фиг.8 представляет собой вид сверху другого картриджа для обработки образца в соответствии с вариантом или вариантами осуществления настоящего изобретения.

Фиг.9 представляет собой увеличенный вид сверху, показывающий пористую мембрану фильтра в картридже на Фиг.8.

Фиг.10 представляет собой поперечное сечение по линии B-B' отмеченной области на Фиг.9.

В целом, настоящее изобретение пытается предусмотреть устройства (картриджи) и способы обработки аналитических образцов и реагентов, где устройства могут снабжаться реагентами, хранимыми в них, и в которых последовательности химических анализов могут осуществляться в двух или трех измерениях посредством подачи в них образца, а затем приложения центробежных сил, действующих на них в двух или более направлениях, посредством изменения ориентации картриджа по отношению к направлению действия центробежной силы контролируемым путем, для эффективного переноса жидкости из одной полости или камеры в них в одну или несколько других камер (разделения), смешивания реагентов и образца и предоставления возможности для эффективного взаимодействия между растворимыми реагентами и функционализированными поверхностями и для измерения химического отклика.

Кроме того, настоящее изобретение дополнительно направлено на обеспечение новых функциональных возможностей для текучих сред, которые могут использоваться как для эффективного разделения элементов текучих сред (жидкостей, клеток, растворенных нано- и микрочастиц, волокон и их обломков) с различной плотностью, так и для обработки и транспортировки как нл-количеств, мкл-количеств, так и мл-количеств различных жидкостей внутри микроканалов и полостей разнообразных форм внутри картриджа и для принуждения этих жидкостей к взаимодействию с очень большими функционализированными поверхностями, такими как получают в каналах или полостях, удерживающих нано- и/или микрочастицы, в пористых структурах (например, в пористой мембране и/или фильтрах) и в структурах в виде колонок. Эти функциональные возможности не требуют никаких исполнительных механизмов вроде наносов, клапанов или модификации поверхности для контроля потоков внутри картриджа и не должны обязательно основываться на капиллярных силах для направленного протекания жидкости. Все это может быть достигнуто с помощью только лишь изменения ориентации картриджа (микрожидкостного устройства) по отношению к направлению действия центробежной силы, действующей на элементы, протекающие в картридже, и конструкции по настоящему изобретению полостей и микроканалов, в которых делается возможным протекание элементов текучих сред.

Контейнер или картридж 10 для обработки образца в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения будет теперь описываться со ссылками на фигуры 1a-1c и 2.

Картридж 10 содержит верхнюю лицевую сторону 12 и нижнюю лицевую сторону 14, которые вместе с боковыми стенками 16 определяют корпус, имеющий в целом форму пластинки или диска. Верхняя и нижняя лицевые стороны 12, 14 могут представлять собой крышки из фольги. В корпусе картриджа предусматривается множество взаимосвязанных камер или полостей и каналов, и тому подобное, покрываемых с помощью верхней и нижней лицевых сторон 12, 14. Картридж может необязательно быть прозрачным или полупрозрачным. Картридж может, например, быть изготовлен из пластиков, таких как сополимер на основе циклических олефинов (COC), полистирол или поликарбонат. Картридж может быть одноразовым и герметизируемым. Кроме того, полости и каналы в картридже могут быть получены посредством формования, горячей штамповки, фрезерования и тому подобное.

В частности, картридж 10 содержит первую разделительную полость 18. Первая полость 18 является продолговатой (вдоль прерывистой линии на Фиг.1a) в плоскости P картриджа, параллельной лицевым сторонам 12 и 14. Ширина первой полости 18 обозначается как W₁₈, а длина первой полости обозначается как L₁₈. Кроме того, картридж содержит средства 20 входа для подачи образца в первую полость 18 или находится в сообщении текучих сред с ними.

Первая полость 18 находится в сообщении текучих сред со второй полостью 22 картриджа 10. В варианте осуществления, показанном на Фигурах 1a-1c и 2, первая и вторая полости 18 и 22 являются в основном различными частями одной полости, но альтернативно они могут быть отдельными и соединяться, например, с помощью канала (не показано).

Вторая полость 22 простирается в направлении (показанном с помощью прерывистой линии на Фигурах 1a и 1b) в указанной плоскости, параллельной лицевым сторонам 12 и 14 на расстояние L₂₂, это расстояние или длина L₂₂>W₁₈. Это направление отличается от направления по ширине первой полости, как видно из вида сверху на Фигурах 1a-1c. Кроме того, вторая полость 22, в целом, уже (W₂₂), чем длина первой полости 18 (L₁₈). Также, вторая полость 22 имеет меньшую глубину, чем (более глубокая) первая полость 18, как видно из вида сбоку на Фиг.2. Глубина первой полости 18 обозначается D₁₈, а глубина второй полости 22 обозначается D₂₂. Реальное различие по глубине может составлять, например, от 2:1 до 10:1. Переход между первой полостью 18 и второй полостью 22 может быть несколько закругленным или наклонным.

Во время использования картридж 10, как правило, располагается горизонтально и предусмотрен в устройстве центрифуги (не показано). Пример устройства центрифуги, которое может использоваться, описан в ожидающей совместного решения заявки на патент того же автора, озаглавленной "Centrifugation apparatus, use of such an apparatus, and centrifugation method", содержание которой тем самым включается в настоящий документ в качестве ссылки. Другой пример устройства центрифуги, которое может использоваться, описан в патенте США № 4814282 (Holen et al.), содержание которого включается в настоящий документ в качестве ссылки.

В устройстве центрифуги картридж 10 может вращаться вокруг дальней вертикальной оси 24 для воздействия центробежной силы на картридж 10 и на любой образец или реагент (реагенты) в нем. Кроме того, картридж 10 может также вращаться вокруг вертикальной оси 26, пересекающей картридж, с тем, чтобы изменять ориентацию картриджа по отношению к направлению действия центробежной силы. Это может обозначаться как двухмерное центрифугирование.

В примере способа обработки или анализа образца под действием центробежной силы сначала подают образец 28 в первую полость 18 через средства входа 20. Образец 28 может, например, представлять собой образец крови, и, как правило, он составляет примерно 10 мкл (микролитров), но в принципе, он может находиться в диапазоне от долей микролитра до нескольких мл.

Затем картридж подвергают воздействию центробежной силы 30, как правило, находящейся в пределах между 100×G и 2000×G (где G представляет собой силу тяжести на поверхности Земли). Центробежная сила 30 действует в направлении, которое по существу перпендикулярно первой полости 18 (первая полость 18 является продолговатой в направлении, перпендикулярном направлению действия центробежной силы 30), как видно из вида на Фиг. 1а. На этой стадии, плазма 32 в образце 28 крови, эта плазма имеет более низкую плотность, чем клетки 34 в образце крови, отделяется от более тяжелых клеток 34 крови.

Затем во время вращения вокруг оси 24 картридж 10 также вращается вокруг внутренней оси 26 так, что направление действия центробежной силы по отношению к микроканалам и полости картриджа изменяется. "Новое" направление действия центробежной силы, действующей на картридж, обозначается 36 и иллюстрируется на Фиг. 1b. Когда картридж вращается таким образом, образец переносится из более глубокой первой полости 18 во вторую полость 22 с меньшей глубиной. Кроме того, вторая полость 22 имеет большую протяженность в направлении действия "новой" центробежной силы 36, чем первая полость в направлении действия предыдущей центробежной силы 30. То есть длина L₂₂ второй полости 22 больше, чем ширина W₁₈ первой полости 18.

Во второй полости 22 с меньшей глубиной, при воздействии центробежной силы 36, разделенный образец сильнее размывается в направлении действия центробежной силы. Это облегчает удаление плазмы 32 посредством дополнительного вращения картриджа 10 вокруг внутренней оси 26, как также иллюстрируется на Фиг. 1b, и общее время для разделения уменьшается. Затем отделенная плазма 32 может подвергаться дополнительной обработке или анализу, или исследованиям в других частях картриджа 10.

Картридж 10 может дополнительно содержать микроканал 38 V-образной или U-образной формы, смотри, например, Фиг.1c. Этот канал может иметь разнообразные формы. Для получения прецизионного отмеривания, должна присутствовать определенная микрожидкостная петля между двумя взаимно соединенными трубками 38a, 38b, между которыми жидкость будут уравновешиваться (доходить до одинакового уровня) благодаря центрифугированию. Микроканал 38 U-образной (или V-образной) формы, как правило, лежит в плоскости, параллельной лицевым сторонам 12 и 14, такой как плоскость P. Микроканал 38 U-образной формы, как правило, имеет ширину примерно 50-200 мкм. Микроканал 38 U-образной формы может располагаться после второй полости 22, для приема и отмеривания из него, например, плазмы 32, но альтернативно, он может располагаться где-либо еще в картридже 10 для других целей измерения.

Центробежная сила, непрерывно действующая на жидкость (например, плазму 32) в микроканале 38 U-образной формы, может модулироваться, чтобы она намного превышала капиллярную силу микроканала 38 в любой момент времени. Для микроканала 38 U-образной формы шириной 100 мкм центробежная сила, превышающая капиллярную силу, как правило, будет превышать примерно 100×G. Когда поверхностное натяжение и капиллярная сила превышаются и искривленная часть U-образной формы располагается по существу в направлении действия центробежной силы, мениски 40 жидкости становятся абсолютно перпендикулярными направлению действия центробежной силы 41, действующей на жидкость. Это улучшит точность при измерении объема жидкости, содержащейся в картридже. С помощью дополнительного вращения картриджа по отношению к направлению действия центробежной силы (то есть вокруг внутренней оси 26) мениски 40 поддерживают перпендикулярно к направлению действия центробежной силы, делая возможным прецизионное и контролируемое декантирование жидкости.

Картридж для обработки образца, подобный картриджу 10, может дополнительно содержать, по меньшей мере, одну ловушку для удерживания частиц текучей среды с более высокой плотностью (как правило, частиц и клеток), в то время как элементы текучей среды с более низкой плотностью (жидкости и частицы в суспензии) будут вытесняться элементами с более высокой плотностью и, следовательно, элементы с более низкой плотностью получат возможность для прохождения через ловушку и для выхода из нее в соответствии с принципом декантирования. G-сила (центробежная сила), действующая на картридж, может изменяться для модулирования седиментации в соответствии с плотностью рассматриваемых элементов текучей среды. По меньшей мере, одна ловушка может быть использована для изолирования и отмывки агрегатов, как правило, получаемых с помощью иммуноагрегации (как правило, иммунологических анализов с использованием латексных частиц) и/или установления колонок, как получают из функционализированных микро- или наночастиц, действующих как твердая фаза, для захвата или других типов химических или физических взаимодействий, связанных с поверхностью.

При использовании, по меньшей мере, одной ловушки нет необходимости включения пористых барьеров, удерживающих частицы с более высокой плотностью, чем жидкость. Частицы могут распределяться соответствующим образом внутри картриджа, а затем суспензия может переноситься с помощью двухмерного центрифугирования, по меньшей мере, в одну ловушку, где образуется "колонка" из частиц или пористый слой благодаря плотности частиц и дизайну полостей и каналов, ограничивающих протекание жидкости по отношению к направлению действия центробежной силы, действующей на картридж.

Жидкости с более низкой плотностью, чем частицы пористой колонки/слоя, могут затем принуждаться под действием двухмерного центрифугирования к быстрому прохождению через одну или пористых колонок/слоев. При условии, что эти частицы несут химические функциональные группы, такие как положительно или отрицательно заряженные группы, полярные группы, гидрофобные группы или химические группы с другими типами химических особенностей или активностей, которые могут взаимодействовать с молекулами в текучей среде, иммобилизованные биологические молекулы, как правило, ферменты или биоспецифичные захватывающие молекулы, такие как моноклональные антитела или их фрагменты, стрептавидин, фрагменты/зонды однонитевой нуклеиновой кислоты (N.A.) или другие рецепторные молекулы, субстраты для соответствующих ферментов, антигены, эпитопы, авидин-несущие молекулы, одинарные нити нуклеиновых кислот или лиганды в растворе, будут принуждаться к взаимодействию с иммобилизованными рецепторными молекулами. С помощью таких средств могут быть получены очень быстрые и эффективные взаимодействия и захват на частицах всех типов молекул-лигандов, а также очень эффективное отделение жидкости с более низкой плотностью от частиц с более высокой плотностью, как обычно используется в процессах отмывки. Это, как правило, будет соответствовать хроматографическим процессам, где поток текучей среды в любой момент времени осторожно контролируется с помощью направления действия центробежной силы. Эти типы конструкций ловушки также улучшают и упрощают очень точное разделение жидкостей и/или частиц с различной плотностью в соответствии с декантированием, как описано по отношению к Фиг.1.

Пример ловушки иллюстрируется на Фигурах 3a-3e и обозначен 42. Ловушка 42 содержит входную камеру 44, промежуточный канал 46 U-образной формы, выходную камеру 48, первый двухканальный делитель потока 50 между входной камерой 44 и одним краем 52 промежуточного канала 46 и второй двухканальный делитель потока 54 между противоположным краем 56 промежуточного канала 46 и выходной камерой 48. Ловушка 42, как правило, располагается как лежащая в плоскости картриджа 10, параллельной лицевым сторонам 12 и 14, такой как плоскость P.

Во время работы или использования ловушка 42 в картридже сначала экспонируется для центробежной силы 58, как иллюстрируется на Фиг.3a. Суспензия, содержащая жидкость 60 и частицы 62, поступающая во входную камеру 44, распределяется в ловушке 42 благодаря центробежной силе 58.

Частицы 62 суспензии начнут седименировать в канале 46 U-образной формы благодаря более высокой плотности, чем у окружающей жидкости 60, и центробежная сила 58 по существу осуществит набивку частиц 62 в пористый слой или колонку, как иллюстрируется на Фиг.3b.

Наклон ловушки 42, как показано искривленной стрелкой на Фиг.3b (например, посредством вращения картриджа вокруг внутренней оси, когда он вращается вокруг внешней оси), будет эффективно промывать жидкость 60 через колонку, сформированную с помощью частиц 62. Жидкость 60 и частицы 62 могут перемещаться в любой момент времени благодаря центробежной силе, действующей в этот момент времени, но частицы 62 с более высокой плотностью, чем жидкость 60 будут занимать части ловушки 42, наиболее удаленные от центра центрифугирования, как дополнительно иллюстрируется на Фигурах 3c и 3d. Как видно на Фигурах 3c и 3d, двухканальные делители потока 50 и 54, каждый, имеют изгиб 64 под острым углом (< 90 градусов) для захвата частиц 62, в то время как жидкость 60 может проходить.

Периодический контролируемый наклон картриджа (а, следовательно, и ловушки 42) может удерживать частицы 62 внутри ловушки 42, в то время как жидкость 60 протекает взад и вперед через слой или колонку, сформированную с помощью частиц 62, принуждая молекулы в жидкости 60 к взаимодействию с молекулами на поверхности частиц 62. Это делает возможным эффективное взаимодействие в различных системах рецепторов и лигандов, а также эффективную промывку.

Большая часть жидкости 60 может быть отделена от частиц 62, за исключением малой доли, окружающей частицы 62 (мертвый объем), и высвобождена из ловушки 42 через выход выходной камеры 48, как иллюстрируется на Фиг.3e.

Другой пример ловушки иллюстрируется на Фиг.4 и обозначен 66. Ловушка 66 содержит петлевой канал 68 овально-изогнутой формы с входом 70 и выходом 72 в ее вогнутой части. Ловушка 66, как правило, располагается как лежащая в плоскости картриджа 10, параллельной лицевым сторонам 12 и 14 (например, плоскость P), и функционирование ловушки 66 является сходным с ловушкой 42, иллюстрируемой на Фигурах 3a-3e.

Сочетания конструкций на Фиг.3 и Фиг.4 и их вариантов, могут конструироваться в соответствии со способом и материалами, вовлеченными в анализ.

Картридж для обработки образца, подобный картриджу 10, может дополнительно содержать один или несколько слоев, лежащих выше, и/или слоев, лежащих ниже, по меньшей мере, с одним дополнительным каналом и/или полостью, другими словами, картридж может содержать одну или несколько систем каналов и полостей, которые простираются латерально в плоскости, параллельной рассматриваемому ранее набору каналов и полостей. Один из примеров такого картриджа схематически иллюстрируется на Фиг.5, а другой пример иллюстрируется на Фигурах 8-10. Картридж на Фиг.5 содержит уровень или слой 74 с различными полостями и каналами, включая полость 76. Различные полости и каналы в слое 74 могут находиться, например, выше рассмотренных первой и второй полостей микроканала U-образной формы и тому подобное.

На Фиг.5 картридж дополнительно содержит слой 78 с полостью 80, лежащий выше. Слой 78, лежащий выше, располагается над слоем 74. Полость 80 в слое 78, лежащим выше, находится в сообщении текучих сред с полостью 76 в слое 74 с помощью средств канала 82 между уровнями. Канал 82 между уровнями может простираться наискосок или диагонально между ними. С помощью соответствующего расположения полостей 76, 80 и канала 82 между уровнями в картридже материал текучей среды, подобный жидкостям и суспензиям, может эффективно переноситься с помощью канала 82 между уровнями, между полостями 76 и 80, когда направление действия центробежной силы, действующей на материал текучей среды в картридже, изменяется (например, при вращении картриджа вокруг внутренней оси, когда он вращается вокруг внешней оси). В случае переноса жидкости из нижней полости 76 вверх, в полость 80, центробежная сила примерно от 10×G примерно до 1000×G, действующая на картридж, как правило, будет достаточно большой для превышения гравитационной силы, когда жидкость перемещается вверх из полости 76 в полость 80.

Вместо лежащего выше слоя (слоев) 78 или в дополнение к ним картридж может содержать один или несколько слоев 84, лежащих ниже. Слой 84, лежащий ниже, может быть сходным со слоем 78, лежащим выше, но располагаться по противоположную сторону от слоя 74, по сравнению со слоем, лежащим выше, как показано на Фиг.5.

Следовательно, обработка или исследование, или анализ в трех измерениях может быть осуществлен посредством предоставления возможности для прохождения жидкости или элементов текучих сред в слои 78, 84, лежащие выше или лежащие ниже. Когда элементы достигают слоя, лежащего выше или лежащего ниже, элементы под действием вращения картриджа по отношению к направлению действия центробежной силы могут обрабатываться и переноситься латерально в соответствии с конструкцией микроканалов и полостей в этой плоскости, до того момента, когда они смогут переноситься назад в исходную плоскость или в другую плоскость. Жидкость может перемещаться взад и вперед между множеством слоев, давая возможность для увеличения функциональных возможностей в компактных устройствах, то есть без необходимости в увеличении площади картриджа в форме пластинки.

Как правило, поглощающий материал, такой как поглощающий слой для впитывания и захвата любого избытка жидкости или отходов, может помещаться в дополнительной плоскости картриджа.

Также фильтр или пористая мембрана, либо для фильтрования частиц, либо для химических взаимодействий, либо для захвата конкретных молекул, может размещаться в проходе от одного слоя до другого, например, в канале 82 между уровнями. Этот тип пористых фильтров может быть использован в прямом сочетании с поглощающим материалом или в сопряжении с новыми полостями и каналами, простирающимися в слоях картриджа, лежащих ниже или лежащих выше. Пример такого фильтра или пористой мембраны показан на Фиг.1a и обозначен 85.

Фиг.6 представляет собой вид сверху части другого картриджа для обработки образца в соответствии с вариантом или вариантами осуществления настоящего изобретения. Картридж, иллюстрируемый на Фиг.6, сконструирован для отделения двух заданных аликвот плазмы от клеток образцов цельной крови в двухмерной системе центрифугирования, использующей как перенос из глубокого канала, простирающегося перпендикулярно действию g-силы (центробежной силы) в систему каналов малой глубины, простирающуюся радиально во втором положении центрифугирования, так и конструкцию этой системы каналов малой глубины в качестве ловушки для удерживания клеток (частиц) с более высокой плотностью, в то время как фракция плазмы с более низкой плотностью, чем клетки получает возможность для прохождения. Такой способ может отслеживаться и контролироваться с помощью стробоскопической системы с камерой, как описано в ожидающей совместного решения заявке на патент того же автора, озаглавленной "Centrifugation apparatus, use of such an apparatus, and centrifugation, and centrifugation method". Система каналов малой глубины дополнительно соединяется с системой разделения жидкости, делающей возможным индивидуальное точное отмеривание каждой фракции (a и b, соответственно).

В частности, картридж на Фиг.6 содержит вход 20 для цельной крови и выход 86 для отходов, расположенные на одном краю глубокой ("первой") полости 18. Глубокая полость 18 служит для отделения плазмы от клеток крови в образце цельной крови, поступающем через вход 20, как описано, само по себе, выше. На другом краю глубокой полости 18 присоединяется система 22' каналов малой глубины для захвата элементов жидкости (клеток/частиц) в соответствии с их плотностями. Система 22' каналов малой глубины в целом простирается в направлении действия центробежной силы 34 и представляет собой некоторый вариант второй полости 22, описанной выше. Система 22' каналов малой глубины содержит входной канал 88 на одном краю в сообщении текучих сред с глубокой полостью 18 и присоединенный на другом краю к петлевому каналу 90 системы 22' каналов малой глубины с острым углом. Система 22' каналов малой глубины дополнительно содержит выходной канал 92, также соединенный с петлевым каналом 90, но в соединении Y-образной формы, как показано на Фиг.6.

Картридж на Фиг.6 дополнительно содержит второй вход 94 для буфера для анализов, который промывает петлевой канал, обеспечивая, чтобы отмеренные фракции образца полностью переносились из мерной петли в любую следующую далее реакционную камеру (например, кюветы, колонки из частиц или фильтры), второй выход 96 для отходов, для избытка плазмы, и систему 98 для разделения и отмеривания изолированных фракций (например, плазмы). Указанная система 98 может содержать два микроканала 38a, 38b U-образной формы, расположенных друг за другом, по одному для каждой фракции плазмы a и b. Микроканалы 38a, 38b U-образной формы могут быть сформированы и работать как микроканал 38 U-образной формы, как описано выше, и тем самым отмерять идентичные или различные, но точные объемы жидкости, как определяется ориентацией картриджа по отношению к направлению действия центробежной силы. Разделенные фракции плазмы могут быть подвергнуты воздействию одинаковых реагентов или различных типов реагентов, делая возможными либо параллельные опыты одного и того же анализа, либо различные диапазоны чувствительности анализируемого вещества, либо различные анализы.

Посредством последующего изменения ориентации картриджа на Фиг.6 по отношению к направлению действия центробежной силы взад и вперед на определенных стадиях могут быть осуществлены разделение, захват, фракционирование, растворение сухих реагентов, смешивание и измерение образца или другого материала в картридже.

Фиг.7 представляет собой вид сверху еще одного картриджа для обработки образца в соответствии с вариантом или вариантами осуществления настоящего изобретения. Картридж, иллюстрируемый на Фиг.7, содержит разделительную полость для отделения, например, плазмы от клеток крови в образцах цельной крови. Разделительная полость содержит глубокую область 18 и область 22" малой глубины. Глубокая область 18 подобна первой полости 18, описанной выше, а область 22" малой глубины представляет собой некоторый вариант второй полости 22, описанной выше. Разделительная полость находится на одном ее краю в сообщении текучих сред с входом или полостью 20' для приема образца (например, образца цельной крови) из внешнего устройства 108 для распределения образца при центрифугировании. Разделительная полость может на указанном ее краю также находиться в сообщении текучих сред с отверстием или каналом 82', делая возможным поступление жидкости в жидкостные системы, лежащие ниже или лежащие выше, как, само по себе, описано выше. На противоположном краю разделительной полости она находится в сообщении текучих сред с микроканалом U-образной формы 38 для целей отмеривания, как также, само по себе, описано выше.

Картридж на Фиг.7 может дополнительно содержать системы 100 каналов и полостей для разделения буфера и системы 102 каналов и полостей для удерживания сухих реагентов, которые должны растворяться и смешиваться с буфером, и обрабатываться в соответствии с запрограммированной последовательностью, как иллюстрируется.

Также картридж на Фиг.7 может дополнительно содержать ловушку 104. Ловушку 104 адаптируют для удерживания частиц текучей среды с более высокой плотностью, в то время как элементы жидкости с более низкой плотностью получают возможность для прохождения, и она может быть сходной с ловушками 42 и 66 на Фигурах 3a-3e и 4, соответственно. Один вход ловушки 104 осуществляется через полость 106, соединенную с системой каналов, подающих отмеренный образец из микроканала 38 U-образной формы и реагенты из системы 102. Другой край ловушки 104 находится в сообщении текучих сред с выходом 82", как правило, с камерой для отходов или со слоем для отходов, в другой плоскости картриджа.

Посредством воздействия на картридж на Фиг.7 центробежной силы, а затем изменения ориентации картриджа по отношению к направлению действия центробежной силы соответствующим образом, перенос, разделение, фракционирование, промывка, растворение сухих реагентов, смешивание, захват, отмывка, измерение и тому подобное, образца или другого материала в картридже могут осуществляться последовательно и/или отчасти параллельно.

Устройство 108 для распределения образца может быть установлено на картридже с помощью защелки. Устройство для распределения образца содержит полость 110 для введения образца (как правило, 10 мкл цельной крови, как получают с помощью прокола пальца) и полость 112 для буфера, которая открывается, когда устройство 108 для распределения образца присоединяют к картриджу.

Фигуры 8-10 иллюстрируют еще один картридж для обработки образца в соответствии с вариантом или вариантами осуществления настоящего изобретения. Картридж может, как иллюстрируется на Фиг.8 и описывается дополнительно в связи с фигурами 9 и 10, содержать промежуточный пористый материал. Пористый материал может, как правило, представлять собой фильтр или пористую мембрану, на которой окрашенные, флюориметрические или другие типы оптически активных соединений генерируют с помощью любой последовательности реакций, имеющих место, когда образцы и реагенты проходят в потоке через пористый материал. Чтобы видеть окрашенную поверхность с помощью оптического сенсора (то есть, цифровой камеры), помещаемого либо под вращающимся картриджем, либо над ним, главная поверхность пористой мембраны предпочтительно должна находиться в плоскости вращающегося диска (не показано), удерживающего картридж. Конструкция, как иллюстрируется на Фигурах 8-10, даст возможность для прохождения жидкости перпендикулярно направлению действия центробежной силы, через всю площадь пористой мембраны 85, расположенной параллельно плоскости вращающегося диска. Жидкость под действием центробежной силы будет протекать из полости 106' для смешивания через (входной) канал 80 в канал 82 между уровнями. Затем жидкость будет заполнять канал 82 между уровнями перед тем, как она сможет протекать далее в (выходной) канал 76 в лежащем ниже слое картриджа. Затем посредством изменения ориентации картриджа по отношению к направлению действия центробежной силы жидкость будет протекать в полость 107 вдоль длины канала 76. Жидкость может протекать взад и вперед между полостями 106' и 107 через пористую мембрану 85 по пути 82 между уровнями посредством периодического изменения ориентации картриджа по отношению к направлению действия центробежной силы. Кроме того, жидкость может быть введена непосредственно в полость для отходов, как правило, это поглощающий слой, или получать возможность для протекания через другой канал 82''' между уровнями для дополнительной обработки, через канал 80'.

В дальнейшем, технические воздействия и преимущества настоящего изобретения иллюстрируются с помощью примера конструкции, показанного на Фиг.8. Картридж будут предпочтительно использовать в сочетании с устройством центрифуги в соответствии с ожидающей совместного решения заявкой на патент того же автора, озаглавленной "Centrifugation apparatus, use of such an apparatus, and centrifugation, and centrifugation method", но он также может использоваться в сочетании с устройством в соответствии с патентом США № 4814282 (Holen et al.). В этом конкретном примере описывается картридж, используемый для измерения количества конкретного белка плазмы (антигена) в малом образце на основе системы для иммунометрического проточного анализа с помощью мембраны.

Устройство 108 для распределения образца используют для введения малого объема цельной крови от прокола пальца с использованием капиллярных сил открытой полости 110. Объем вводимой цельной крови определяется объемом полости 110, но обычно он будет находиться в пределах между 0,1 мкл и 10-100 мкл, а, как правило, он составляет 10 мкл. Конкретный объем цельной крови может не быть критичным на этой стадии процедуры, поскольку конструкция жидкостной системы и автоматическое вращение и поворот картриджа дадут точное отмеривание одной или нескольких фракций плазмы образца на более поздней стадии автоматизированного аналитического анализа.

Затем оператор соединит устройство 108 для распределения образца с основным элементом картриджа 10, они удерживаются вместе с помощью соответствующей системы, такой как защелка или что-либо подобное. При этом картридж может в предпочтительной ситуации быть полностью герметизированным, за исключением малых скрытых вентиляционных отверстий (не показано).

При этом объединении полость 112, удерживающая жидкий реагент, будет открываться, например, посредством разрезания фольги. Полость 112, содержащая жидкие реагенты, не должна составлять часть устройства для распределения образца, но может помещаться где-то еще в картридже, например в слоях, лежащих выше или ниже. Кроме того, картридж или устройство для распределения образца может содержать несколько полостей с различными жидкими и/или сухими реагентами. После соединения устройства 108 для распределения образца и основного элемента 10 картриджа картридж помещают в устройство центрифуги с помощью оператора устройства. За исключением любого механизма, удерживающего картридж на месте в устройстве центрифуги, нет необходимости в каких-либо интерфейсах между картриджем и устройством, таких как соединения наносов, клапанные контроллеры, электрические контактные слои или другие типы интерфейсов. Устройство центрифуги конструируют для приведения картриджа в заданную первую ориентацию, упоминаемую как 0 градусов, на главной центрифужной чашке устройства центрифуги перед экспонированием картриджа для действия центробежных сил посредством вращения этой центрифужной чашки.

Средства в устройстве центрифуги, как правило, будут в течение начальных стадий считывать штрихкод или что-то подобное на картридже, этот штрихкод или что-то подобное будет идентифицировать картридж и выбирать соответствующую программу для вращения центрифуги и вращений картриджа, которая должна выполняться автоматически с помощью устройства в следующей далее процедуре.

При вращении (как правило, при 40 Гц) картридж 10 находится в ориентации, где направление действия центробежной силы 30=0 градусов, как показано на Фиг.8, реагент жидкого буфера из полости 112 будет перемещаться под действием центробежной силы в полость 100 и дополнительно разделяться между полостями 100, 105 и 107, в то время как образец цельной крови будет перемещаться через средства 20 входа в первую полость 18. Образец цельной крови под действием центробежной силы (как правило, 500×G) будет принудительно размываться в части полости 18, расположенной дальше всего от оси центрифуги. Поскольку эта полость 18 (будучи продолговатой и глубокой) простирается в плоскости, перпендикулярной направлению действия центробежной силы, образец крови будет размываться в тонком слое вблизи края ("дна") 19 полости. Клетки крови в образце крови будут благодаря плотности, более высокой, чем у плазмы, перемещаться в область, самую дальнюю от оси центрифугирования, и занимать область, ближайшую к стенке 19, и тем самым устанавливать тонкий, но отличный от плазмы слой, расположенный ближе к оси центрифугирования. Тонкий слой плазмы, не содержащий клеток крови, как правило, устанавливается в пределах 20-120 секунд, в зависимости от радиуса центрифужной пластины и скорости центрифуги.

Когда картридж, иллюстрируемый на Фиг.8, вращают по часовой стрелке (<56 градусов), плазма и клетки крови будут перемещаться в двух различных слоях во вторую полость 22. В этой второй полости 22, которая имеет большую протяженность в направлении действия центробежной силы, но имеет меньшую глубину и является более узкой в плоскости, перпендикулярной направлению действия центробежной силы, чем первая полость 18, поддерживается отделение плазмы от клеток крови. Это предполагает, что расстояние от поверхности плазмы до клеток крови существенно больше, чем в предыдущей полости 18.

Посредством вращения по часовой стрелке картриджа на 56 градусов фракция плазмы, не содержащая клеток, будет протекать в мерную полость 38. Во время этого вращения жидкий реагент в полостях 100, 105 и 107 будет, под действием центробежной силы, протекать, соответственно, в полость 102, 103 и 101. В любой из этих полостей жидкий реагент может растворять сухие реагенты. При конкретном иммунометрическом анализе, как описано в качестве примера, полость 102 будет содержать высушенные или лиофилизированные меченые моноклональные антитела со специфичностью к целевому антигену. Метка антитела будет, как правило, представлять собой сильный краситель, такой как коллоидное золото, флюрофор, фермент или любая другая метка, пригодная для детектирования.

Вращение центрифуги в течение остальной части анализа может быть замедлено до более низкой скорости (как правило, 10 Гц), чем используют во время отделения плазмы от клеток крови. Затем картридж на Фиг.8 вращают против часовой стрелки на 83 градуса. Заданная отмеренная фракция плазмы будет захватываться в полости 38. Избыток плазмы и клеток крови в полости 22 будет протекать через полость 18 и канал 82' между уровнями и далее в слой 87 поглотителя, этот слой поглотителя может располагаться в лежащем ниже слое 84 картриджа. В то же время часть жидкого реагента из полости 101 будет протекать в полость 109.

Затем картридж вращают по часовой стрелке на 60 градусов, давая возможность жидкости в полости 109 для протекания в полость 22, в то время как другие жидкости в полостях 38, 101, 102 и 103 будут оставаться внутри своих соответствующих полостей. При вращении картриджа на 60 градусов против часовой стрелки жидкость в полости 22 будет протекать из этой полости в слой 87 поглотителя, и при этом отмывать полости 22 и 18 от остатков образца крови.

Затем картридж вращают по часовой стрелке на 108 градусов, при этом плазма и жидкость в полости 101 будут протекать через канал 38 в полость 106'. Затем картридж наклоняют взад и вперед, давая возможность плазме и получаемой в результате разбавленной жидкости перетекать через высокие места внутри полости 106' и тем самым перемешивать плазму и разбавленную жидкость, в то время как жидкие реагенты в полости 102 и 103 по-прежнему остаются в соответствующих своих полостях. Затем посредством соответствующего вращения против часовой стрелки разбавленная плазма получает возможность для протекания в канал 82 между уровнями, содержащий пористый материал 85, как правило, пористую мембрану, покрытую антителами. При следующем вращении по часовой стрелке разбавленную плазму принуждают к протеканию через эту мембрану 85 в соответствии с предыдущим описанием на Фиг.9. Иммобилизованные антитела на пористой мембране будут специфично захватывать соответствующие им антигены, в то время как все другие молекулы в разбавленном образце останутся растворенными. Дополнительное вращение картриджа по часовой стрелке заставит всю жидкость разбавленного образца перемещаться в лежащую ниже полость 76 и, возможно, поступать в канал 82' между уровнями. При этом вращении по часовой стрелке жидкий реагент, содержащий меченые антиген-специфичные антитела, в полости 102 будет протекать в полость 106', в то время как жидкость в полости 103 останется внутри этой полости 103. Последовательность вращений, как описано для промывочной жидкости из полости 106' через пористую мембрану 85 и далее в лежащую ниже полость 76, затем повторяют. Любая молекула антигена, захваченная на пористой мембране, затем будет связываться с соответствующим меченым антителом. В это время разбавленная плазма, обедненная антигеном, должна протекать через канал 80' и канал 82" между уровнями в слой 87 поглотителя.

При этом картридж затем вращается в направлении по часовой стрелке, заставляя жидкость из полости 103 протекать в полость 106'. Затем такую же последовательность вращений, как описано для промывочной жидкости из полости 106' через пористую мембрану 85 и далее в лежащую ниже полость 76, повторяют третий раз. При этом промывочная жидкость удалит неспецифично связанное меченое антитело с пористой мембраны. В конечном счете, все жидкие реагенты окажутся в слое 87 поглотителя.

Меченое антитело, захваченное на пористой мембране, затем может быть измерено с помощью оптических или других средств. Как правило, антитела, меченые коллоидным золотом, дадут красный цвет на мембране, в то время как антитела, меченые флюорофорами, будут испускать флюоресцентный свет при возбуждении светом.

Хотя описанная последовательность анализов включает множество стадий, такая последовательность реакций может, как результат настоящего изобретения, осуществляться в течение нескольких минут, как правило, двух-пяти минут.

Конкретная конструкция картриджа, как описано на Фигурах 8-10, представляет собой пример, используемый для демонстрации преимуществ настоящего изобретения, как применяется к измерению белка плазмы с помощью иммунометрического мембранного проточного анализа. Настоящее изобретение дает дополнительный выигрыш в различных областях применения и будет функционировать даже в открытом пространстве. Могут быть использованы разнообразные образцы, происходящие от любого типа органического или неорганического материала, от вирусов, бактериальных, грибковых или эукариотических видов, тканей и телесных жидкостей. Изменяемые параметры могут принадлежать любому типу неорганического, органического или биологического материала, включая низкомолекулярные и высокомолекулярные материалы, белки, липиды, питательные вещества, нуклеиновые кислоты, клетки, вирусы, бактерии и так далее. Разнообразные последовательности реагентов и анализов, включая различные иммунохимические анализы, экстракцию нуклеиновых кислот, анализы очистки и амплификации, ферментативные анализы и другие, могут быть осуществлены быстро и эффективно, используя преимущества настоящего изобретения и объединяя модификации жидкостных элементов, описанных на Фигурах 1-10.

Специалист в данной области понимает, что настоящее изобретение ни в коем случае не является ограниченным предпочтительными вариантами осуществления, описанными выше. В противоположность этому, множество модификаций и вариантов являются возможными в рамках прилагаемой формулы изобретения.

Кроме того, различные признаки, описанные в настоящей заявке, могут воплощаться по-отдельности или в сочетании, по потребности.

Для этого предусматривается картридж для обработки образца (для осуществления обработки под действием центробежной силы, действующей, по меньшей мере, в двух направлениях), картридж содержит лежащий выше или лежащий ниже слой, по меньшей мере, с одной дополнительной полостью, в которую может перемещаться образец или материал, происходящий из него (но не обязательно, более глубокую первую полость и вторую полость меньшей глубины или какую-либо ловушку для частиц, или микроканал U-образной формы).

Также предусматривается картридж для обработки образца (для осуществления обработки под действием центробежной силы, действующей, по меньшей мере, в двух направлениях), картридж содержит один или несколько микроканалов по существу U-образной формы для отмеривания образца и/или реагентов, или материала, происходящего из них (но не обязательно, более глубокую первую полость и вторую полость меньшей глубины или какой-либо лежащий выше/лежащий ниже слой).

Также предусматривается картридж для обработки образца (для осуществления обработки под действием центробежной силы, действующей, по меньшей мере, в двух направлениях), картридж содержит, по меньшей мере, одну ловушку, адаптируемую для удерживания частиц текучей среды с более высокой плотностью, но для пропускания частиц текучей среды с более низкой плотностью (но не обязательно, более глубокую первую полость и вторую полость меньшей глубины или любой лежащий выше/лежащий ниже слой, или микроканал U-образной формы).

Также предусматривается картридж для обработки образца (для осуществления обработки под действием центробежной силы, действующей, по меньшей мере, в двух направлениях), картридж содержит, по меньшей мере, одну единицу пористого материала, расположенного в полости или канале (например, в канале между слоями) картриджа, так что другой материал может проходить через пористый материал посредством изменения ориентации картриджа по отношению к направлению действия центробежной силы. По меньшей мере, одна единица пористого материала может представлять собой фильтры, пористые мембраны, сенсоры, реакторы или исполнительные механизмы, которые могут нести функциональные группы, адаптируемые для того, чтобы дать возможность для экстенсивного взаимодействия между молекулами в растворе с химически активными группами, иммобилизованными на поверхности пористого материала.

Другие аспекты настоящего описания определяются в следующих далее пунктах, представленных римскими числами.

I. Картридж (10) для обработки образца, для осуществления обработки под действием центробежной силы, по меньшей мере, в двух направлениях, когда изменяют ориентацию картриджа по отношению к направлению действия центробежной силы;

где картридж содержит первую полость (18), адаптированную для удерживания образца,

где первая полость является продолговатой в плоскости (P) картриджа, перпендикулярной направлению действия центробежной силы, действующей в первом направлении из указанных, по меньшей мере, двух направлений,

где первая полость в первой крайней части ее продолговатой формы снабжена входом (20) для образца,

где картридж содержит вторую полость (22) в сообщении текучих сред со второй крайней частью на противоположном краю продолговатой формы первой полости, где первую и вторую полость располагают так, что образец перемещается из первой во вторую полость, когда направление действия центробежной силы, действующей на картридж, изменяют с первого направления (30) на второе направление (36) из указанных двух направлений,

где вторая полость имеет меньшую глубину, чем первая полость, и где вторая полость имеет большую протяженность в направлении действия центробежной силы, действующей во втором направлении, чем протяженность первой полости в направлении действия центробежной силы, действующей в первом направлении.

II. Картридж по п.I, где в указанной плоскости или в плоскости, параллельной указанной плоскости, протяженность второй полости перпендикулярна направлению действия центробежной силы, действующей во втором направлении, меньше, чем протяженность первой полости перпендикулярна направлению действия центробежной силы, действующей в первом направлении.

III. Картридж по любому из п.I или II, дополнительно содержащий, по меньшей мере, один слой из слоя (78), лежащего выше, и слоя (84), лежащего ниже, по меньшей мере, с одной дополнительной полостью и/или каналом, в которые можно перемещать образец или материал, происходящий из него.

IV. Картридж по любому из пп.I-III, дополнительно содержащий микроканал (38) V-образной или U-образной формы для отмеривания образца или материала, происходящего из него, в сообщении текучих сред со второй полостью, но не с первой полостью.

V. Картридж по любому из пп.I-III, дополнительно содержащий по меньшей мере, одну ловушку (42, 66), адаптированную для удерживания частиц текучей среды с более высокой плотностью, но для пропускания жидкостей и/или частиц текучей среды с более низкой плотностью.

VI. Картридж по п.V, где указанная ловушка содержит: входную камеру (44), промежуточный канал (46) U-образной формы, выходную камеру (48), первый двухканальный делитель потока (50) между входной камерой и одним краем промежуточного канала и второй двухканальный делитель потока (54) между противоположным краем промежуточного канала и выходной камерой.

VII. Картридж по п.V, где указанная ловушка содержит петлю (68) овально-изогнутой формы с входом (70) и выходом (72) в ее вогнутой части.

VIII. Картридж по любому из пп.I-VII, где первая полость является продолговатой в плоскости картриджа и имеет глубину, перпендикулярную указанной плоскости, и где вторая полость имеет меньшую глубину, чем первая полость, и простирается в указанной плоскости в другом направлении и на большее расстояние, чем ширина первой полости.

IX. Картридж по любому из пп.I-VIII, где вторую полость конфигурируют как систему каналов.

X. Картридж по любому из пп.I-IX, дополнительно содержащий по меньшей мере, один пористый материал, располагаемый в полости или канале картриджа, так что другой материал может проходить через пористый материал благодаря изменению ориентации картриджа по отношению к направлению действия центробежной силы.

XI. Картридж по любому из пп.III и X, где пористый материал (85) располагают в канале (82) между уровнями, направленном к слою, лежащему выше, и/или к слою, лежащему ниже.

XII. Картридж по п.IX, где вход (80) в канал (82) между уровнями предусматривают на одном краю канала (82) между уровнями в одном слое (74) картриджа, вход располагают по существу в таком же направлении как и выход (76) из канала (82) между уровнями, этот выход предусматривают на другом краю канала (82) между уровнями в другом слое (84) картриджа.

Группа изобретений относится к способу и картриджу для обработки и/или анализа образца под действием центробежной силы. Способ включает обеспечение картриджа для обработки образца, имеющего первую разделительную полость, адаптированную для удерживания образца, и вторую полость в сообщении по текучей среде с первой полостью, а также обеспечение образца в первой разделительной полости картриджа для обработки образца. Затем осуществляют воздействие на картридж центробежной силы, действующей в первом направлении, причем первая полость является продолговатой в плоскости картриджа, перпендикулярной направлению действия центробежной силы, действующей в первом направлении. После осуществляют изменение действия направления центробежной силы с первого направления на второе направление так, что образец в первой разделительной полости перемещается из нее во вторую полость. При этом вторая полость имеет меньшую глубину, чем первая полость, и имеет большую протяженность в направлении действия центробежной силы, действующей во втором направлении, чем протяженность первой разделительной полости в направлении действия центробежной силы, действующей в первом направлении. Картридж подвергают воздействию центробежной силы посредством вращения картриджа вокруг внешней оси, а направление действия центробежной силы изменяют посредством вращения картриджа вокруг оси внутри картриджа. Картридж содержит также верхнюю лицевую сторону и нижнюю лицевую сторону, которые вместе с боковыми стенками определяют форму пластинки или диска. Достигаемый технический результат заключается в обеспечении быстрого микроразделения элементов текучей среды с различной плотностью. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Способ обработки и/или анализа образца (32, 34) под действием центробежной силы, при этом способ включает:
обеспечение картриджа (10) для обработки образца, имеющего первую разделительную полость (18), адаптированную для удерживания образца, и вторую полость (22) в сообщении по текучей среде с первой полостью;
обеспечение образца в первой разделительной полости картриджа для обработки образца;
воздействие на картридж центробежной силы, действующей в первом направлении (30), где первая полость является продолговатой в плоскости картриджа, перпендикулярной направлению действия центробежной силы, действующей в первом направлении; и
изменение действия направления центробежной силы с первого направления на второе направление (36), так что образец в первой разделительной полости перемещается из нее во вторую полость, где вторая полость имеет меньшую глубину, чем первая полость, и имеет большую протяженность (L22) в направлении действия центробежной силы, действующей во втором направлении, чем протяженность (W18) первой разделительной полости в направлении действия центробежной силы, действующей в первом направлении,
где картридж подвергают воздействию центробежной силы посредством вращения картриджа вокруг внешней оси (24) и где направление действия центробежной силы изменяют посредством вращения картриджа вокруг оси (26) внутри картриджа.

2. Способ по п.1, дополнительно включающий:
предоставление возможности для поступления образца или материала, происходящего из него, в систему каналов и полостей (80), которые проходят в боковом направлении в плоскости картриджа, параллельной первой системе каналов и полостей, содержащей указанную первую и вторую полость.

3. Способ по п.1 или 2, где картридж для обработки образца дополнительно содержит микроканал (38) V-образной или U-образной формы для отмеривания образца или материала, происходящего из него, и где способ дополнительно включает:
воздействие на картридж центробежной силы, превышающей капиллярную силу микроканала V-образной или U-образной формы.

4. Способ по п.1, где картридж для обработки образца дополнительно содержит, по меньшей мере, одну ловушку (42, 66), адаптированную для удерживания частиц текучей среды с более высокой плотностью, но для разрешения пропускания жидкостей и/или частиц текучей среды с более низкой плотностью.

5. Способ по п.4, где указанная ловушка содержит: входную камеру (44), промежуточный канал (46) U-образной формы, выходную камеру (48), первый двухканальный делитель (50) потока между входной камерой и одним краем промежуточного канала и второй двухканальный делитель потока (54) между противоположным краем промежуточного канала и выходной камерой.

6. Способ по п.4, где указанная ловушка содержит петлю овально-изогнутой формы (68) с входом (70) и выходом (72) в ее вогнутой части.

7. Способ по п.1, где первая полость является продолговатой в плоскости картриджа и имеет глубину, перпендикулярную указанной плоскости, и где вторая полость имеет меньшую глубину, чем первая полость, и проходит в указанной плоскости в другом направлении и на большее расстояние, чем ширина первой полости.

8. Способ по п.1, где вторую полость конфигурируют как систему каналов.

9. Способ по п.1, где картридж для обработки образца дополнительно содержит, по меньшей мере, один пористый материал, располагающийся в полости или канале картриджа, и где способ дополнительно включает:
изменение ориентации картриджа по отношению к направлению действия центробежной силы, так что указанный другой материал проходит через пористый материал.

10. Способ по п.2 или 9, где пористый материал (85) располагают в канале (82) между уровнями, направленном к слою, лежащему выше, и/или к слою, лежащему ниже.

11. Способ по п.10, где вход (80) в канал (82) между уровнями предусматривают на одном краю канала (82) между уровнями в одном слое (74) картриджа, причем вход располагают в таком же направлении, как и выход (76) из канала (82) между уровнями, этот выход предусматривают на другом краю канала (82) между уровнями в другом слое (84) картриджа.

12. Картридж (10) для обработки образца для осуществления способа по любому из пп. 1-11, где картридж содержит:
верхнюю лицевую сторону (12) и нижнюю лицевую сторону (14), которые вместе с боковыми стенками (16) определяют форму пластинки или диска;
первую разделительную полость (18), адаптированную для удерживания образца; и
вторую полость (22) или систему каналов в сообщении по текучей среде с первой полостью,
где первая разделительная полость является продолговатой в плоскости (Р), параллельной верхней и нижней лицевым сторонам, и имеет глубину (D18), перпендикулярную к указанной плоскости, и где вторая полость или система каналов имеет меньшую глубину (D22), чем первая разделительная полость, и проходит в указанной плоскости или в плоскости, параллельной указанной плоскости, в другом направлении и на большее расстояние (L22), чем ширина (W18) первой разделительной полости.

13. Картридж для обработки образца по п.12, где первая разделительная полость имеет секцию с постоянной глубиной (D18), большей, чем глубина (D22) второй полости, и где переход между первой разделительной полостью и второй полостью является наклонным.