专利名称：移液管头、移液管系统和借助该移液管头和系统进行分析的方法
技术领域：
本发明涉及实验室器具、系统和方法的领域，尤其涉及移液管器具、系统和进行检验(测定)的方法的领域。
背景技术：
现已提出多种物质搬运装置(handling device，处理装置)具来协助进行物质的化学、生物、生化、物理分析等过程，包括进行例如酶联免疫吸附测定(ELISA)之类的测试。这些物质搬运装置具通常适于可靠地保持该物质，由此能够运送所关注的(各种)物质，并可以采用设有结合涂层或者包括一个或多个池(well)的板的形式，例如毛细管通道系统或微量滴定板。如下文更详细概述的，物质搬运装置也可被实施为移液管。Zilber 的名称为 “Immunoassay Diagnostic Probe and a Method for UseThereof (免疫诊断探针及其使用方法)”的美国专利申请第2003/119030号公布文本中披露了一种用于在流体样本中定量检测作为分析物的特定生物分子的一次性探针，该检测是通过基于光谱学检测的任何公知的免疫分析过程进行的。该探针包括具有永久附接到其表面的第一免疫反应物分子层的至少一个光电二极管芯片，所述第一免疫反应物特别地结合到分析物，而光电二极管具有将该光电二极管(在接触光时)中产生的电信号传送到信号处理单元的电连接器。根据本发明，信号处理部件的一部分或全部，例如放大器、A/D转换器等，能够与光电二极管封装成一个半导体芯片(光电传感器芯片)。Oberhardt 的名称为 “Apparatus for Performing Assays on Liquid SamplesAccurately, Rapidly and Simply (在液体样本上准确、迅速和简单地进行测定的装置)”的美国专利文献第6197494号中披露了一种器具，该器具包括限定了彼此相通的样本池和反应体积的通道结构。该通道结构具有能够引起放入样本池中的液体样本通过毛细作用而被吸入并充满反应体积的几何尺寸，其中在反应体积被充满后，液体样本保持固定不动。现在更详细地介绍移液管，这种移液管是在实验室环境中用来从例如小瓶、水槽和具有不同数量的池(例如96，384和1536)的微量滴定板运送定量的体积的流体，并将定量的体积的流体运送到上述小瓶、水槽和微量滴定板，进行物理、生物、生化和化学反应分析的器具。更明确而言，移液管适于分别分配以及可选地从移液管头吸取可调节的量的流体以及将可调节的量的流体吸入到移液管头。可通过移液管头运送的流体的体积范围从微升到毫升。这些流体包含液体，这些液体可包括例如样本和反应剂。移液管一般由聚丙烯(PP)和玻璃制成。不太常用的材料是聚四氟乙烯、聚砜、聚醚砜、聚乙烯、含氟聚合物、乙酸纤维素、聚苯乙烯、聚苯乙烯/丙烯腈共聚物、以及聚偏二氟乙烯(PVDF)。与能够使用移液管头的各种应用相对应的是，这些移液管头的设计是不同的。因此，移液管头的长度、直径和形状可以是不同的。移液管头例如可具有圆筒形或圆锥形。此夕卜，使用不同的机构来将流体吸入移液管头并从移液管头分配流体。这些机构包括，例如活塞驱动的排量移液管、正排量移液管和真空助力移液管。移液管头可包括通过涂覆表面形成的内部涂层和外部涂层，这些涂层造成例如导电、亲水或疏水的表面。此外，移液管头可充满例如涂覆的小珠等各种组合物，或者例如Thermo Scientific Proxeon的凝胶。填充组合物的移液管头的用途可以不限于运送流体，而是还可用于另外的应用，例如过滤和/或净化。移液管的进一步发展涉及对移液管头中的流体的液面高度进行分析的能力，如本文以下概括的。Laiho 的名称为 “Pipette Body, Pipette Tip and Method (移液管本体、移液管头和方法)”的美国专利申请第2010/0288058号公布文本披露了一种移液管头，其中管头本体设有第一光栅结构，该第一光栅结构被设置成用以将光从管头本体传送到其内表面一侦U。该管头本体设有接收栅结构，该接收栅结构被设置成用以接收从管头本体通过第一光栅结构引导出的光。管头本体的第一端具有将移液管头紧固到移液管本体的装置以及通过管头本体可选地连接到第一光栅结构的光接收表面。此外，该第一端包括将光引导出并可选地通过管头本体连接到接收光栅结构的表面。在移液管本体中设有光发生装置和用于使光指向移液管头本体的装置。
从以下结合附图的详细描述中，将进一步理解和领会所公开的技术，在附图中:图1A是根据本发明一实施例构建并实施的移液管头的侧截面示意图；图1B是根据本发明一实施例构建并实施的构成移液管头的管头本体的一部分的放大的侧截面示意图，其中管头本体的内侧壁涂有试剂捕获区；图2A是根据本发明的另一实施例构建并实施的移液管头的侧截面示意图，该移液管头被实施为使得在检测之前将光导入移液管头的下段，然后在自由空间中传播；图2B是根据本发明一实施例构建并实施的涂有捕捉剂的移液管头的一部分的侧截面示意图，其中移液管头的下段完全缩回；图3是根据本发明的实施例构建并实施的包括多个腔的移液管头的局部侧截面示意图。应理解的是，为了图示的简洁和清楚起见，图中所示的元件未必是按比例绘制的。例如，为了清楚起见，一些元件的尺寸可能相对于其他元件被夸大。另外，只要被认为合适，在各图中附图标记可以是重复的，以指示相同和相似的元件，但不可参照所有图的描述。
具体实施例方式应理解的是，本实施例是本发明的示例或实施范例。本文出现的各种表达“一个实施例”、“一实施例”或“一些实施例”未必都是指相同的实施例。尽管本发明的各个特征可能不是在单个实施例的背景下描述的，但是这些特征也可被单独地提出或以任何合适的组合方式提出。反过来说，尽管为了清楚起见，在本文中本发明可在多个单独的实施例的背景下描述，但是本发明也可在单个实施例中实施。应理解的是，术语“包括”、“包含”、“由……组成”及其语法学变形不排除增加一个或多个部件、特征、步骤、整体或它们的群组。
在本发明的一些实施例的描述中，任何援引内容的引证或确认不应被解释为承认这些援弓I内容可作为本发明的现有技术来获得。本文所使用术语“上”、“下”、“右”、“左”、“底部”、“之下”、“下降的”、“低”、“顶部”、
“以上”、“升高的”、“高”、“竖直的”和“水平的”及其语法学变形未必表示例如“底部”部件处于“顶部”部件之下，或者“之下”的部件真的在另一部件“之下”，或者“之上”的部件真的在另一部件“之上”，因为这些方向、部件或它们两者可能被翻倒、旋转、在空间内移动、放置在对角的方位或位置、水平或竖直放置或者类似的改变。因此，应理解的是，术语“底部”、“之下”、“顶部”和“之上”在本文仅可被用于示范性目的，以阐示特定部件的相对定位或布置、表示第一和第二部件，或者同时进行这两者。尽管本发明的一些说明实施例不限于这一方面，但是利用例如“处理”、“计算”、“运算”、“确定”、“建立”、“检查”、“识别”之类的术语进行的论述可以指计算机、计算平台、计算系统或其他电子计算设备的一个或多个操作和/或处理，这些电子计算设备将以计算机的寄存器或存储器内的物理(例如电子形式的)量表示的数据处理和/或转换成以计算机的寄存器和/或存储器或者其他可储存执行操作和/或处理和/或应用过程的指令的信息存储介质内的物理量类似地表示的其他数据。应注意的是，若非另外说明，在介绍特征时使用的不定冠词“一(a)”和“一个(an)”绝不应被解释为只有这一个特征。因此，本文所使用的不定冠词“一”和“一个”涵盖短语“至少一个”相同特征的意思。在合适的情况下，尽管状态图、流程图或两者均可用来描述实施例，但本发明不局限于这些图表或对应的描述。例如，流程不需要经过每个所示的框或规定，或正好与所示和所描述的顺序相同。术语“方法”指的是用于实现指定任务的方式、手段、技术和过程，包括但不限于本领域技术人员公知的那些，或者容易从公知的方式、手段、技术和过程得出的那些方式、手段、技术和过程。权利要求书和说明书中给出的描述、示例、方法和材料不应被解释为具有限制性，而应当仅是示例性的。术语“物质”涉及包括至少一种化学和/或生物活性物质，例如化合物之类的物质。术语“分析”、“进行分析”以及这两个术语的任何语法学变形可以是指例如以下任一过程检测器的校准、生物和/或化学和/或物理处理的测量和/或监控等，例如进行测定。相应地，术语“分析”可以是指例如在分子生物学中测试、测量、监控、启动、改变、终止过程使用的任何过程，包括但不限于例如生物鉴定、免疫测定(例如，酶联免疫吸附测定(ELISA)，记忆淋巴细胞免疫刺激试验(MELISA))、细胞毒性检测、DNA检测、RNA检测、蛋白质检测、酶活性检测、抗原捕获试验、干细胞活性检测、细胞计数试验、存活检测、增生检测、确定物质中的目标的响应性、报告分析、迁移试验、趋化分析、检测分析、细胞凋亡检测、药敏试验、四聚物试验、庆大霉素试验、石化检测、病毒滴度测定、放射配体结合试验或前述那些的任何组合。本文使用的术语“捕捉剂”例如可以是指试剂，其例如可以是生物、化学或生化试齐U，例如本领域公知的那些，其他物质的检测和/或测量和/或试验和/或制造。
短语“针对目标物质而调查样本”及其语法学变形指的是确定样品中是否包含特定目标物质的过程，并且如果有的话，则通过例如利用检验来提供样本中所述目标物质的量的数量(例如，是/否)或数量的估算。应注意的是，术语“俘获”和“波导”以及本文针对光的EM波导所使用的这两个术语的语法学变形可在适当的背景下互换使用。应注意的是，术语“从试剂-目标区发射的光”及其语法学变形例如可以是指反射和/或吸收的光的量(吸光率)、荧光(通过光激励)和/或从试剂-目标区中包括的试剂-目标轭合物(conjugate)发出的化学发光(例如，通过基底分裂来发光)，或者是指任何其他技术，例如本领域中公知的能够基于其光学特性来分析试剂-目标轭合物。应注意的是，为简化下文的论述，“试剂-目标轭合物”还可以是指可在应用交替技术时获得的是“交替测定(sandwi ch as say ) ”。应注意的是，本文中使用的术语“管”和“管状”可以是指任何具有腔的细长体，其中管的横截面可以至少近似为圆筒形、椭圆形、多边形和/或具有任何其他合适的横截面几何形状。此外，管状体的宽度沿管状体的长轴可以相同、减小和/或增大。因此，管状例如可以是圆锥形状。本文所使用的术语“标识物”可与术语“检测试剂”互换使用。本文所使用的术语“清洗”和“冲洗”在适当的背景下互换使用。各图中示意性示出的光传播路径的几何尺寸不应被解释为具有限制性。术语“EM波导介质”在适当背景下也可以是指限定边界EM波导介质的结构或介质。因此，EM波导介质既可以指被波导小折射率介质包绕的波导大折射率介质，也可以指具有比小折射率介质更高的折射率的大折射率介质。此外，EM波导介质还可以指包括包绕介电区(例如空气)的反光表面的空心管波导。所述结构的横截面几何形状可以是矩形、椭圆形、圆形、凹形、或任何其他可造成导光效应的合适形状。
发明内容
本发明的实施例涉及一种移液管头,该移液管头包括管头本体,该管头本体具有至少一个内表面和一外表面。至少一个内表面限定内腔的边界，该内腔具有上端和下端。该上端具有上开口，而该下端具有下开口。根据本发明的实施例，至少一个内表面的至少一部分上涂有至少一种捕捉剂，这些捕捉剂在至少一个内表面上形成目标物质的至少一个捕捉剂区。至少一个捕捉剂区能够选择性地结合样本中所包括的至少一种目标物质，以形成限定至少一个试剂-目标区的至少一个试剂-目标轭合物(conjugate)。 根据本发明的实施例，移液管头包括至少一个EM波导介质，该EM波导介质适于并被构造为引导从至少一个捕捉剂区发出的至少一些光。根据本发明的实施例，上述至少一个波导介质是下列之中的至少一个侧壁和移液管头的腔。根据本发明的实施例，上述至少一个EM波导介质包括至少一个介质，此介质是例如下列之中的至少一个具有与其周围介质的折射率不同折射率的介质；被内反光表面包绕的介质，例如用以限制光在介质中的传播；被外反光表面包绕的介质，例如用以屏蔽介质与环境光；具有变化的折射率的至少一个折射层，使得上述至少一个介电层成为EM波导；以及光子晶体光纤。根据本发明的实施例，移液管头包括光罩，该光罩覆盖管头本体的至少某些部分，以为所述至少一个EM波导介质遮蔽外部光。根据本发明的实施例，移液管头的至少一些部分可缩回(可选地是可逆地缩回)到管头本体的被光罩覆盖的部分，使得缩回部分也被光罩遮蔽。根据本发明的实施例，移液管头包括分析系统。根据本发明的实施例，该分析系统包括:至少一个传感器；以及至少一个电源，该电源与至少一个传感器可操作地联接，以为上述至少一个传感器供电。根据本发明的实施例，上述至少一个传感器与移液管头一起被构造并可实施为能够检测在上述至少一个EM波导介质中被引导的光。根据本发明的实施例，分析系统还包括与至少一个电源可操作地联接的至少一个控制器和至少一个存储设备。根据本发明的实施例，上述至少一个控制器适于确定由上述至少一个传感器检测的光的至少一个光学特性。根据本发明的实施例，分析系统包括至少一个辐射源，该辐射源适于从上述至少一个试剂-目标区引发荧光激励。本发明的实施例涉及一种制造适于进行至少一种物质的分析的移液管头的方法。根据本发明的实施例，该方法包括使移液管头的至少一个侧壁的至少一个内表面的至少一部分设有(例如涂有)至少一种捕捉剂，以在至少一个内表面上形成至少一个捕捉剂区的过程，其中上述至少一个内表面限定移液管头的至少一个内腔的边界。根据本发明的实施例，上述捕捉剂被选择为能够选择性地结合至少一种目标物质，以在至少一个内表面上形成试剂-目标轭合物。根据本发明的实施例，制造移液管头的方法包括改变移液管头的至少一个物理属性，使得移液管头获得具有EM波导特性的介质的过程。根据本发明的实施例，上述物理属性涉及例如下列之中的至少一者:折射率η ;移液管头的侧壁的内表面和/或外表面的反射率。本发明还涉及一种用于进行至少一种物质的分析的方法。根据本发明的实施例，上述进行至少一种物质的分析的方法包括:将移液管头的至少一个侧壁的至少一个内表面的至少一部分涂有至少一种捕捉剂，以在至少一个内表面上形成至少一个捕捉剂区的过程。根据本发明的实施例，上述进行分析的方法包括:(a)使至少一个捕捉剂区接受至少一个样本达一预定时段，使得如果至少一个样本中存在所述目标物质，则至少一些目标物质被结合到捕捉剂，以形成限定至少一个试剂-目标区的试剂-目标轭合物的过程。根据本发明的实施例，上述进行分析的方法包括:(b)冲洗所述移液管头的所述内腔，以从内腔中去除未被结合的样本的过程；以及(C)重复过程a)和b)至少一次，以形成交替测定。根据本发明的实施例，上述进行分析的方法包括改变移液管头的至少一个物理属性，使得移液管头获得具有EM波导特性的介质的过程。
根据本发明的实施例，上述进行分析的方法包括借助检测试剂-目标轭合物发出的光来确定试剂-目标区的至少一个光学特性的过程。根据本发明的实施例，上述进行分析的方法包括确定至少一个试剂-目标区的至少一个光学特性的过程，其中确定光学特性的过程是基于下列技术中的至少一种:所述至少一个试剂-目标区的突光、化学发光和吸光。根据本发明的实施例，荧光技术和吸光技术包括用EM辐射(例如光)照耀至少一个试剂-目标区的过程。
_5] 实施方式的详细描述本发明的目的是为物质分析提供一种独特的移液管头、系统和方法。更明确而言，这种移液管头、系统和方法被实施为能够在移液管头中分析物质(例如进行检验)，使得不需要将物质从移液管头分配到诊断器具(例如滴定板)中以进行分析。例如，根据本发明的实施例的方法包括在移液管头中进行研究目标物质的样本的步骤的过程，其包括确定样本中是否包括特定的目标物质的过程，并且如果有的话，提供样本中所述目标物质的量的数量估算，例如通过在移液管头中进行测定。现在参照图1A和图1B。根据本发明的实施例，移液管头100包括管头本体110，管头本体Iio具有内腔120，该内腔处于根据管头本体110的长度L的纵向范围。换言之，管头本体110呈管状。管头本体110还包括分别具有上开口 131的内腔120的上端130和具有下开口 141的内腔120的下端140。内腔120适合经由上开口 131和下开口 141接纳和分配流体。此外，管头本体110包括沿管头本体110的圆轴线Z至少部分地纵向延伸的EM波导介质，该介质可构成管头本体110的外侧壁115,其中所述外侧壁115具有内表面111和外表面112，其中内表面111限定内腔120的边界，其至少局部可呈至少近似的圆锥形和/或圆筒形。此外，管头本体110的外侧壁115具有最小厚度D，该厚度由外侧壁115的内表面111与外表面112之间的距离限定。根据本发明的实施例，移液管头100具有收敛的形状，移液管头100的宽度W从宽度为Wl的上端130向宽度为W2的下端140收敛，其中W1>W2。相应地，移液管头100可至少局部地具有至少近似的圆锥形状。内腔120可被设计成使其容积与进行分析所需的取样体积至少近似地匹配，例如为进行损耗分析(depletion assay)，或者比取样体积小得多以进行浓度均衡免疫测定。内腔120也可被设计成比进行分析所需的取样体积小得多，这种检验是通过使用吸入和分配的循环提供充足的分析体积来进行的。依据直径Wl和W2，内腔120的表面-容积比可介于例如Ix到IOx之间的范围，但目标到达捕捉剂的最长行进距离为数十微米(例如，多达1000 μ m、900 μ m、800 μ m、700 μ m、600 μ m、500 μ m、400 ym、300ym、200ym、100ym、90ym、80ym、70ym、60ym、50ym 或
40 μ m)，例如与96池滴定板的毫米数相比。因此，与例如微量滴定板ELISA基检验的比较系统相比，例如在特定的离散时间内，在目标物质152轭合到捕捉剂151的浓度的方面更迅速地达到分析的均衡。例如可在10、9、8、7、6、5、4、3、2或I分钟内达到均衡。由于上开口131和下开口 141的存在，在内腔120内产生气泡的可能性与具有池的形式的类似面容比的系统中的可能性相比较低。
根据本发明的实施例，管头本体110的上端130可包括紧固件(图中未示)，该紧固件用于将移液管头100可拆卸地联接到移液管搬运装置(图中未示)，该移液管搬运(处理)装置可用于以自动方式或半自动方式执行分析(例如生化检验)，例如本领域所公知的那些，例如pipetman 、机器人、液体搬运站或液体搬运机器人。在一些实施例中，管头本体110可包括多个管头本体段117，例如下段117A、中间段117B和上段117C。下段117A的至少一些内表面111可被设计成涂有至少一种捕捉剂151以形成捕捉剂区150，其可以是一个层。在一些实施例中，检验所需的试剂可被预加载到移液管头100的内腔120中或被吸收到内表面111。为了保存分子活性，所述试剂可被封装和/或冻干，然后直接被预加载到内腔120或吸收到内表面111上。中间段117B可用于充当物质的储存区。包括紧固件的上段117C也可用于充当物质的储存区。管头本体110的内表面111的涂覆可通过使用表面化学技术来完成，例如本领域公知的那些，例如用于捕捉剂共价结合的娃烧成形锚固(Silanes forming anchor)。表面涂覆也可被设计成通过使用三维基质或聚合物来使捕捉剂的密度最大化，例如本领域公知的那些，例如葡聚糖。根据本发明的实施例的移液管头包括至少部分沿移液管头的纵轴线Z延伸的至少一个EM波导介质，该介质适于将光限制为朝向例如检测器传播。这种移液管头例如可包括这样的材料该材料具有比包绕该材料的物质的折射率(nlOT)更大的折射率(nhigh)，其中折射率之差(nhigh_ni =ndiff)影响EM波导介质的属性。另外地或者备选地，EM波导层可包括分级折射层。另外地或者备选地，根据本发明的实施例的移液管头的EM波导介质可包括反光表面，该反光表面的形状被形成为能够将光限制在所述反光表面包绕的介质内。根据本发明的实施例，侧壁(例如外侧壁115)的至少一部分具有电磁(EM)波导特性，该部分由具有比包绕该部分的内表面111和外表面112的物质的折射率(nlOT)更大的折射率(nhigh)的材料制成，其中折射率指数之差(nhigh-nlM=ndiff)导致侧壁的所述部分获得EM波导特性。相应地，例如外侧壁115的EM波导部与包绕内表面111和外表面112的对应部分的物质之间的折射率之差ndiff例如可以为至少O. 2、0. 3、0. 4、0. 5、0. 6、0. 7、0. 8、0. 9、1、1.1、1. 2、1. 3、1. 4、1. 5、1. 6、1. 7、1. 8、1. 9 或至少 2。备选地，侧壁(例如外侧壁115)的至少一部分可由具有比内腔(例如，内腔120)的折射率(nhigh)更小的折射率(nlOT)的材料制成，使得内腔获得EM波导特性。相应地，该腔的EM波导部分与该腔和该侧壁之间的表面的相应部分的折射率之差例如可以是至少O. 2、
O.3,0. 4,0. 5,0. 6,0. 7,0. 8,0. 9、1、1· 1,1. 2,1. 3,1. 4,1. 5,1. 6,1. 7,1. 8,1. 9 或至少 2。另外地或者备选地，根据本发明的实施例的移液管头的侧壁的至少一部分可涂有反射涂层(例如金属涂层)，由此将光限制为在外侧壁的至少一部分内传播。例如，侧壁115的表面可涂有反射金属。可利用另外的或备选的构造和/或属性来获得根据本发明的实施例的移液管的EM波导介质。在本发明的一些实施例中，侧壁，例如外侧壁115可被构造为选择性地获得EM波导特性。例如，内表面111与外表面112之间的空间可以为中空，由此充入流体(具有折射率nhigh)，使得外侧壁115获得EM波导特性。备选地，该方法可包括选择性地导致内腔获得EM波导特性的过程。这一点可通过使内腔120充入具有比包绕内腔120的侧壁更大折射率的流体实现，使内腔获得EM波导特性。为了简化本文的讨论，本文概述的示例指的是移液管头，其中至少一些侧壁而非一个或多个腔具有EM波导特性。然而，这绝不应被解释为具有限制性。因此，本文概述的实施例可以与使腔(例如内腔120)具有EM波导特性的实施例关联地进行随意的组合。根据本发明的实施例，分析系统500被设置成适于并且可联接于移液管头(例如移液管头100)，使其能够分析移液管头中发生的过程。分析系统500的至少一些特征可以为例如可嵌入移液管头100和/或例如本领域公知的pipetman (图中未示)中。例如，分析系统500容置在例如移液管头100的上段117C中。移液管头100、分析系统500和pipetman '可嵌入沿纵向形成的壳体,该壳体例如具有笔形的形状和尺寸。相应地，移液管头100的高度可例如介于5到20cm的范围，其中腔120可例如具有介于O. 5到15mm范围的宽度。分析系统500可包括传感器502 ;控制器504 ;存储设备506 ;电源508 ;以及可选地，辐射源(图中未示)，其例如适于从例如试剂-目标轭合物引发荧光激励；所有部件适于相互联接。传感器502可特别地被实施为光检测器，该光检测器适于并被构造为能够检测可能产生的被引导的光171之中的至少一些光，以将检测到的被捕获的光701转换成电信号(图中未示)。可通过控制器504对这些代表着以光学方式检测到的被引导的光171的电信号进行分析，该分析是通过执行存储设备506中存储的一组指令(图中未示)，从而得到执行该分析的应用过程。这种分析可包括确定所检测到的光的振幅(吸收)和/或颜色。所述分析的结果随后可被提供给输出部(图中未示)，以供移液管头100的操作员(图中未示)进行解释。应注意的是，图1A中示意性地示出的分析系统500的特征的设置绝不应被解释为具有限制性。因此，控制器504例如可设于移液管头100之外。此外，分析系统500可另外地或备选地使用位于管头本体110底端的传感器502，用以检测向所述底部端传播的经引导的光171。分析系统500中的至少一些或所有元件可以是一次性的。相应地，分析系统500可以分别为(完全)一次性或半一次性的。当其为半一次性时，分析系统500的至少一些元件被可分离地彼此联接。例如，可嵌入上段117C的传感器502可与移液管头100 —起被处理，同时控制器504、存储设备506和电源508可与传感器502分离，并通过与嵌入另一移液管头(图中未示)中的传感器(图中未示)重新联接而可被再度使用。如从该移液管头100的构造而容易理解的是，该移液管头可被用作流通单元。借助这样的构造，样本可例如通过移液管头100而被移位，例如通过使用可操作地联接的与移液管头100的上开口 131和下开口 141相通的泵。移液管头100可以选择性地在打开、关闭或组合的打开-关闭环路的构造下使用。在开环构造下，供研究的目标物质的样本始终以新鲜状态被递送到内腔120，而在闭环构造，包括该目标的物质被再循环。根据本发明的实施例，内腔120可被构造为用以选择性地在其中产生至少近似层流或紊流的状态。上段117C和中间段117B的内腔120可被用作储存区，该储存区用于选择性地释放出例如清洗或冲洗溶液，因此允许选择性地冲洗与例如在一个吸入-分配循环中进行分析所需的样本体积相比更大的体积。可选地，上段117C也可用于将移液管头100可拆卸地联接到移液管支架，例如本领域公知的那样。在与移液管设备(图中未示)关联使用时，可以选择性地调整移液管头100的内腔120的容积，例如本领域公知的那样。内腔120的容积例如可通过使用排气技术或正排量技术进行调整。因此，当用作流通单元时，可由操作员连续地调整介质流经内腔120的流速。另外地或者备选地，根据本发明的实施例的方法还包括根据待进行的分析来选择腔的容积。考虑到上述方面，通过使用根据本发明的实施例的移液管设备，例如内表面111涂有捕捉剂区150的移液管头100，内腔120中的液体体积可被连续地控制，能够在与液体自身的特性(例如粘性)无关的环境下进行生化反应分析。另外要说明的是，可通过使用多个过程进行分析，同时避免依赖毛细作用的需求。后一类型的分析在本文中指的是“非毛细分析”。根据内表面111涂覆捕捉剂区150的方法，包括这种捕捉剂区150的移液管头(例如像移液管头100)被用作一次性流通单元，以进行包括确定试剂-目标轭合物的至少一个光学特性的过程的分析，如本文在下面更详细地概述的那样。另外地或者备选地，移液管头100可被实施为使得其中的流体(例如包括目标的物质)的流动参数可按照例如本领域公知的方式而被选择性地控制。例如，可控制相对于例如至少一种其他流体的流向和/或流体的流速和/或流量和/或动态压力。通过控制内腔120 (该内腔中的反应可作为进行的分析的一部分而发生)中的流体的例如流速或流量而变得可以选择性方式加速，由此与反应不被选择性地加速的情况相比，可至少减小生化反应中分子扩散的可能性。此外，控制移液管头100中的至少一个流体的流动参数，能够对内腔120进行冲洗和清洗。移液管头100例如可被实施为使得内腔120内的至少两个流体能够主动地彼此混合，例如通过摇动移液管头100，和/或通过将流体移置到内腔120中并从内腔120移出，和/或通过使流体在移液管头110中交替地向上或向下移动(例如通过摇动移液管头100)，和/或通过在开环或闭环构造下将流体提供或吸入到内腔120并从内腔120中提供或吸入流体(通过供应流体)，如本文上面所概述的，和/或通过例如使用磁体与受相应磁场作用的磁化珠关联地操作来控制颗粒(例如珠)在内腔120中的位置。在一些实施例中，可利用毛细作用来使内腔120中的物质移位。另外地或者备选地，移液管头(例如移液管头100)的腔可以是螺旋形的。通过如此构造，可使捕捉剂与目标之间的反应加速。根据本发明的实施例，管头本体110的内表面111的至少一部分可涂有至少一种捕捉剂(在下文中称捕捉剂区)150的子层或层，捕捉剂150能够选择性地结合在样本(图中未示)中可能包括的目标物质152，以形成可确定至少一个光学特性的试剂-目标轭合物155。所述试剂-目标轭合物155限定了试剂-目标区156。捕捉剂区150可至少部分地沿移液管设备的纵轴线Z延伸，并覆盖相对于轴线Z的至少一特定方位(azimuth)。相应地，捕捉剂区150可覆盖内表面111的具有特定宽度的条形区(图中未示)。可使用多种技术(手段)来确定试剂-目标轭合物155或捕捉剂区150的至少一个光学特性。这些方法通常基于下列技术中的至少一个荧光、化学发光、散射(例如拉曼散射)、吸光率和/或任何气体或备选的光谱技术，例如本领域公知的那些。当使用上述方法之一时，例如检测部分可借助标识物(图中未示)进行标记，例如本领域公知的那样，该标识物具有例如荧光、化学发光和/或吸收特性。基于荧光的方法要求标识物从外部光源照射以激励其(发光)，即使基于突光的标识物来发光。另一方面，可使用基于化学发光的方法而不需要外部光源。更明确而言，检测部分可借助化学发光标识物(图中未示)进行标记，例如碱性磷酸酶的类酶(HRP)。在该过程中，化学发光标识物例如可穿过一基质(例如鲁米诺)而发出化学光。基于吸收的方法确定被至少一个试剂-目标区吸收的光的量，例如通过确定发射和/或反射的光量。应注意的是，附图所示的光170的传播路径绝不应被解释为具有限制性。因此，在引导外侧壁115中被引导的至少一些光170可遵循至少近似线性的传播路径(图中未示)。根据本发明的实施例，从试剂-目标轭合物155发出的光170的至少某一部分可以以超过全内反射(TIR)所需的临界角的幅度的角度辐射到外壁115中(下文中称作:被引导的光)，导致被引导的光171被捕获到外侧壁115和/或在外侧壁115中被引导。这种有向发射的示例是截头锥体发射。通过例如提供EM波导介质(其适合将所发射的光的大部分收集并集中到一点)来限制例如在外侧壁115中引导的光171，有利于对光进行检测，并因此有利于对被引导的光171的分析的准确性，所检测到的被引导的光171的量例如表示着至少一种目标物质152相对于捕捉剂区150的浓度。在本发明的一些实施例中，捕捉剂区150和/或试剂-目标轭合物155可具有与外侧壁115和包绕捕捉剂区150和/或试剂-目标轭合物155的物质关联的EM波导特性。应注意的是，例如内侧壁115的侧壁可具有用于增强移液管头中的光学激励和/或反射和/或发射和/或收集的各种构造和设计。例如，内侧壁115可具有不均匀的折射率，例如向外边界减小的折射率梯度，并可被设计成至少近似地匹配(至少部分地)包绕外侧壁115的小折射率物质的折射率的值，以增大全内反射的可能性。根据本发明的一些实施例，至少移液管头的侧壁的波导部可由任何EM引导介质制成，例如介电材料(例如SiO2，特氟龙AF)、金属(例如Au、Ta2O5, TiO2, Al、Ag)或光子晶体光纤。在本发明的一些实施例中，该方法可包括例如通过将EM波导介质引入移液管头而提供移液管头沿轴线Z的波导的过程。另外地或者备选地，移液管头(例如移液管头100)可设有用于增强或抑制光170的涂层(图中未示)。根据本发明的一些实施例，移液管头(例如移液管头100)的EM波导介质可具有限定EM波导介质的至少一部分表面的衍射光栅，例如使发出的光170中至少一些光(例如荧光)耦合到EM波导介质中，以增强耦合效率。更明确而言，外侧壁115的内表面111的至少一部分可具有衍射光栅116，该衍射光栅具有周期Λ和光栅深度t。为了避免图1C变得不清楚，图中未示出捕捉剂，然而该捕捉剂可以是存在的。现在进一步参照图2A。根据本发明的实施例，移液管头200可被构造为使从试剂-目标轭合物155发出的至少一些光170首先作为被捕获的光171而在移液管头200的EM波导介质中被引导，其中被捕获的光171随后(以在移液管头200的自由空间(例如腔120)中进一步传播的方式)以收敛到焦点(图中未示)的方式离开EM波导介质。被引导的光171的离开EM波导介质到达自由空间的那部分在下文中被称为非被捕获光172。为了使至少一些被捕获的光171能够进入自由空间，构成EM波导介质的至少一些另外的对齐的结构可以是不对齐的。例如，下段117A的外侧壁115可以与中间段117B和上段117C的外侧壁115不对齐，如以下段117A与中间段117B之间的偏移距离S示意性地示出的那样。在一些实施例中，可由检测器502检测在腔120中传播的光。更明确而言，检测器502可被设置为用以检测在腔120中传播的至少一些光，腔120可构成自由空间。相应地，检测器502可被设置为与在腔120中传播的光的焦点对准，即检测器520例如可以位于腔120中的上开口 131之下(参见图2A),或者例如位于开口 131之上,例如在pipetman⑩之中(图中未示)。应注意的是，下段117A可构成为使流体从下段117A的中间开口 132流到下开口141的流通单元，并且也可以反过来，从上段117C并且进入上段117C，这样可以用作储存器。现在另外参照图2B。根据本发明的实施例的移液管头201可被构造成使得其本体段117彼此以机械方式联接，使得至少两个邻接的本体段117从延伸位置可相对于彼此纵向移位(根据箭头H)到缩回位置，并且可选地，也可以反过来，即上述至少两个邻接的本体段117可以(可选地以可逆的方式)相对于彼此缩回。相应地，可以可选择性地调整例如移液管头201的EM波导介质(例如外侧壁115或腔120)的纵向幅度，使得或者具有下段117A的最大长度L1、或者下段117A的长度LI与中间段117B的长度L2的组合，或者分别在三个段117AU17B和117C的组合长度L1、L2和L3上最大程度地延伸。例如,如图2B示意性示出的，下段117A可完全缩回中间段117B和上段117A中，其中下段117A的外表面112滑动地接合中间段117B的内表面111。通过如此构造，EM波导介质可分别在中间段117B的距离L2和上段117C的距离L3上延伸。在一些实施例中，移液管头201在完全缩回位置的总长度(L2+L3)>L1，可使得移液管头比例如标准微量滴定读取仪(microtiter plate reader)(图中未示)的板高度规格更低。通过如此构造，移液管头201可被放置在这种读取仪中进行测量。典型的板高度为20到25mm，这样移液管头201可被构建为例如具有例如L2+L3=25mm的总长度。例如Ll=24mm。根据本发明的实施例，移液管头(例如移液管头201)可包括光罩350,光罩350用于通过吸收和/或反射来屏蔽下外侧壁115的被捕获的光171免受移液管头201外的光的不利影响(例如干涉)。另外地或者备选地，117A能够缩回到光罩350中，以在缩回时避免移液管头117A之外的光的不利影响。另外地或者备选地，光罩350可包括用于将光反射回EM波导介质的反射层。光罩350可包括至少部分地覆盖移液管头201的外表面112的小折射率层351，并具有比下侧外壁115的折射率更小的折射率。小折射率层351的厚度tl可被选择为使得下外侧壁115保持其EM波导特性。此外，光罩350包括覆盖至少大部分小折射率层351的外表面的吸光层352。吸光层352用于吸收移液管头201外的大部分光，以降低对被引导的光171可能的副作用(例如噪声、干涉)。例如，光罩350可以仅至少部分覆盖移液管头201的嵌入传感器502的那一段。相应地，光罩350可以仅覆盖上段117C的一部分。另外地或者备选地，光罩350可覆盖中间段117B和/或下段117A的至少一部分。现进一步参照图3。根据本发明的实施例，移液管头可用于分别进行涉及多个样本的、针对其目标物质的连续和/或同时的分析。移液管头300例如可具有包括内表面111的多个内腔320。内腔320由内侧壁315彼此分隔。外侧壁115和内侧壁315可相对于彼此至少近似同心地设置。内侧壁315和外侧壁115具有比内腔320更大的折射率，使得内侧壁315和外侧壁115的至少一些部分具备EM波导特性，如上文针对例如移液管头100所概述的那样。因此，内侧壁315和外侧壁115用于限制从例如各自试剂-目标轭合物发出的光，试剂-目标轭合物可设置在这些外侧壁115和/或内侧壁315的对应的内表面。此外，每个侧壁(即内侧壁315和外侧壁115)用于引导不同波长的光。通过如此构造，与移液管头300包括的多个侧壁对应地，移液管头300被实施为可用来连续和/或同时地进行各自数量的分析。在本文中，相对于不同侧壁进行例如生化反应的分析是指“多路分析”或“平行多路分析”。在一些实施例中，该移液方法包括进行“混合与匹配”的过程以及“随机存取”测试，该“随机存取”测试包括将来自多个架的不同预涂覆的移液管头以不同的检验配置组装到新的架中的过程。如图3中示意性示出的，下段117A具有至少近似圆筒形的形状。然而，这绝不应被解释为具有限制性。因此，移液管头300的下段可以为至少近似圆锥或任何其他合适的形状。此外，图1A、图2A、图2B和图3示意性示出的下段117A未必必须至少为近似圆锥形，而可以是至少为近似圆筒或任何其它合适形状。应注意的是，尽管针对特定的移液管头仅可概述某些特定实施例，但这绝不应被解释为具有限制性。因此，移液管头100和移液管头201可具有例如光罩350和多个内腔320。此外，本文仅针对例如外侧壁115明确概述的特征(例如折射率梯度、衍射光栅)也可对内侧壁315使用。鉴于前文所述，可采用移液管头，例如移液管头100 (包括例如SiO2、特氟龙AF)和/或金属(例如Au、Ta2O5, TiO2, Al、Ag)来执行一种用于进行例如免疫测定的分析的方法。该方法可首先包括将移液管头(例如移液管头100、201或300)的腔(例如内腔120和/或多个内腔320)的内表面的至少一部分涂覆捕捉剂151的过程。该方法可包括通过例如由移液管头100实施的单元将含有所关注的目标的样本经由上开口 131吸入上段117C的过程。该过程随后可包括利用移液管头(例如移液管头100)中的样本提取(incubate，孵育)捕捉剂151的步骤，例如在稳定状态下和/或停止-流动状态下和/或永久混合(连续的推-拉循环)，以使目标物质(如果存在于样本中)能够与试剂轭合，产生试剂-目标轭合物155。该方法随后可将腔(例如内腔120)内多余的样本洗掉或冲掉。在一些实施例中，提取的过程和冲洗的过程可进行多次。此外，该方法后随可包括将检测剂放入腔中的过程。在一些实施例中，例如在将多余样本从该腔中洗掉之前，目标物质可能已被提供检测剂。在下一步骤，该方法可包括通过使用例如荧光、化学发光或例如本领域公知的其他光学检测方法来获得光学检测信号，确定试剂-目标轭合物的至少一个光学特性的过程。最后，该方法可包括解释光学检测信号的参数(例如像吸光率和/或颜色)以供分析的过程。
权利要求
1.一种移液管头(100，200，201，300)，包括管头本体(110)，所述管头本体(110)包括: 至少一个内表面(111)和一外表面(112)； 其中所述至少一个内表面(111)限定内腔(120，320)的边界； 其中所述内腔(120，320)具有上端和下端； 其中所述上端具有上开口( 131);以及 其中所述下端具有下开口(141)； 其特征在于，所述至少一个内表面(111)的至少一部分上涂覆有至少一种捕捉剂(151 )，所述捕捉剂在所述至少一个内表面(111)上形成至少一个捕捉剂区(150); 其中所述至少一个捕捉剂区(150)能够选择性地结合样本中所包括的至少一种目标物质(152)以至少形成限定至少一个试剂-目标区(156)的试剂-目标轭合物(155)。
2.根据权利要求1所述的移液管头(100，200，201，300)，包括至少一个EM波导介质(115，315，120，320)，所述EM波导介质适于并被构造为引导从所述至少一个试剂-目标区(150)发出的至少一些光。
3.根据权利要求2所述的移液管头(100，200，201，300)，其中所述至少一个波导介质是下列中的至少一者:侧壁(115，315)，以及所述移液管头(100，200，201，300)的腔(120，320)。
4.根据权利要求2或3所述的移液管头(100，200，201，300)，其中所述至少一个EM波导介质包括至少一个介质，所述至少一个介质是以下群组中的至少一者: 具有与其周围介质的折射率不同折射率的介质； 被内反光表面包绕的介质； 被外反光表面包绕的介质； 具有变化的折射率的至少一个折射层，以为所述至少一个介电层提供EM波导；以及 光子晶体光纤。
5.根据前述任一权利要求所述的移液管头(100，200，201，300)，包括光罩(350)，该光罩覆盖所述管头本体(110)的至少某些部分，以为所述至少一个EM波导介质遮蔽外部光。
6.根据权利要求5所述的移液管头(100，200，201，300)，其中所述移液管头(100，201，300)的至少一些部分能缩回到所述管头本体(110)被所述光罩(350)覆盖的所述部分中。
7.根据前述任一权利要求所述的移液管头(100，200，201，300)，包括分析系统(500)，所述分析系统包括: 传感器(502);以及 电源(508 )，与所述传感器(502 )可操作地联接，以为所述传感器(502 )供电； 其中所述传感器与所述移液管头(100, 200，201，300) —起被构造为能够检测在所述至少一个EM波导介质中被引导的光。
8.根据权利要求7所述的移液管头，其中所述分析系统(500)还包括与所述电源(508)可操作地联接的控制器(504)和存储设备(506)， 其中所述控制器(504)适于确定由所述传感器(502)检测的光的至少一个光学特性。
9.根据权利要求7或8所述的移液管头，其中所述分析系统(500)包括辐射源，该辐射源适于从所述至少一个试剂-目标区(156)引发荧光激励。
10.一种制造适于进行物质分析的移液管头的方法，所述方法包括以下过程: 将移液管头(100，200，201，300)的至少一个侧壁(115，315)的至少一个内表面(111)的至少一部分涂有至少一种捕捉剂(151)，以在所述至少一个内表面(111)上形成至少一个捕捉剂区(150)，其中所述至少一个内表面(111)限定内腔(120，320)的边界；以及 其中所述捕捉剂(151)被选择为能够选择性地结合至少一种目标物质(152)，以在所述至少一个内表面(111)上形成试剂-目标轭合物(155)。
11.根据权利要求10所述的适于进行物质分析的制造移液管头的方法，所述方法包括改变所述移液管头(100, 200，201,300)的至少一个物理属性，使得所述移液管头(100，200，201，300)获得具有EM波导特性的介质的过程。
12.根据权利要求11所述的制造移液管头的方法，其中所述物理属性涉及下列中的至少一者:折射率η ;所述侧壁(115，315)的外表面以及所述腔(120，320)的内表面。
13.一种用于进行物质分析的方法，所述方法包括以下过程: a)将移液管头(100，200，201，300)的至少一个侧壁(115，315)的至少一个内表面(111)的至少一部分涂有至少一种捕捉剂(151)，以在所述至少一个内表面(111)上形成至少一个捕捉剂区(150)， 其中所述至少一个内表面(111)限定内腔(120，320)的边界；以及 其中所述捕捉剂(151)被选择为能够选择性地结合至少一种目标物质(152)，以在所述至少一个内表面(111)上形成试剂-目标轭合物(155 )，以及。
14.根据权利要求13所述的进行物质分析的方法，所述方法包括以下过程: b)使至少一个捕捉剂区(150)接受至少一个样本达一预定时段，使得如果所述至少一个样本中存在所述目标物质(152)，则至少一些所述目标物质(152)被结合到所述捕捉剂(151)，以形成限定所述至少一个试剂-目标区(156)的所述试剂-目标轭合物。
15.根据权利要求14所述的进行物质分析的方法，所述方法还包括以下过程: c)冲洗所述移液管头的所述内腔(120，320)，以从所述内腔(120，320)去除未被结合的样本；以及 d)重复过程a)和b)至少一次，以形成交替测定。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的进行物质分析的方法，其中所述方法包括改变所述移液管头(100, 200，201,300)的至少一个物理属性，使得所述移液管头(100，200，201，300)获得具有EM波导特性的介质的过程。
17.根据权利要求16所述的进行物质分析的方法，其中所述物理属性涉及下列中的至少一者:折射率；所述侧壁(115，315)的外表面以及所述腔(120，320)的内表面。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的进行物质分析的方法，包括借助检测从所述试剂-目标轭合物(155)发出的光来确定所述试剂-目标区(156)的至少一个光学特性的过程。
19.根据权利要求18所述 的进行物质分析的方法，其中所述确定所述至少一个试剂-目标区(156)的所述至少一个光学特性的过程是基于下列技术中的至少一种:所述至少一个试剂-目标区(156)的突光、化学发光和吸光。
20.根据权利要求19所述的进行物质分析的方法，其中所述荧光技术和所述吸光技术包括照射所述至少一个试剂-目标区(156)的过程。
全文摘要
本发明涉及一种移液管头(100，200，201，300)，包括具有内表面和外表面(112)的管头本体(110)。内表面(111)限定内腔(120，320)，该内腔具有上端和下端。该上端具有上开口(131)；该下端具有下开口(141)。内表面(111)的至少一部分设有至少一种捕捉剂(151)，所述捕捉剂在至少一个内表面上形成至少一个捕捉剂区(150)。至少一个捕捉剂区(150)能够选择性地结合样本中所包括的至少一种目标物质(152)，以至少形成试剂-目标轭合物(155)，这些试剂-目标轭合物的设置限定了至少一个试剂-目标区(156)。
文档编号B01L3/02GK103079706SQ201180041897
公开日2013年5月1日 申请日期2011年6月30日 优先权日2010年6月30日
发明者斯特凡娜·弗洛尼尔, 林思·范, 皮埃尔·茵德穆勒 申请人:Csem瑞士电子和微技术研究发展中心股份有限公司