核酸检测系统、装置和方法制造方法及图纸

一种使用包括反应室和多个位于所述室的基部中的传感器的装置分析核酸的方法，并且每个传感器优选位于各自的孔内。所述方法包括使含有所述核酸或其片段的流体流动至所述反应室中。在将所述室完全或至少部分密封时，使用一个或多个扩增引物在所述室内进行所述核酸或所述片段的扩增，同时使用所述传感器检测扩增子的产生。之后对扩增子进行测序或杂交，并且使用所述传感器检测测序或杂交。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于处理核酸的系统、仪器和方法。本专利技术有助于仪器/系统的工作流程和组件的控制和操作。处理可以涉及，例如，DNA/RNA测序和/或进行免疫测定。背景在生物测定的开发中已经有重大突破。这样的测定包括免疫测定、DNA测序、分析化学、和库伦分析。这些测定中的一些已经发展为用于诊断的仪器。这些测定中的许多是非常复杂的并且需要专业知识操作和解读。在遗传学领域内，存在用于全基因组测序、从头(denovo)测序、基因表达分析、和检测单核苷酸多态性(SNP)的应用。这些检测中的每一个提供检测的信息和复杂性的不同水平。在某些情况中，将会需要这些检测中的一个以上并且决定如何进行取决于临床医师。大多数检测工作流程具有三个主要方面：样品制备、检测、和结果的解读。对于这些方面中的每一个来说，借助用于遗传学的合成技术的测序是具有许多步骤的复杂过程的实例。制备阶段可以以从所提供的样品中提取模板核酸开始，接着进行纯化，将核酸片段化为可操作的长度，克隆扩增模板片段，与引物/探针杂交/连接，和连接/固定至表面或珠。借助合成步骤的测序本身需要使不同的核苷酸类型(dNTP)在整个模板克隆过程中流动，其中核苷酸与模板核酸结合。检测阶段可以采用各种技术如电泳，化学发光和光学相机，测量电极阻抗/电容变化，测量被固定的DNA固有的电荷变化，或用用离子敏感的场效应晶体管(ISFET)监测质子浓度。解读阶段是从检测结果分析和提取信息。例如，其可以包括：确定从每个片段检测的核苷酸掺入(nucleotideincorporation)的序列；确定它们的比对/重新组装以形成全基因组；或将它们与已知序列比较。结果可以指导互补产物的处理或建议，尽管最终结果可能是最初样品收集之后数天。在以上确定的检测过程中，最令人兴奋的之一包括ISFET和其他化学FET(ChemFET)的使用。例如在WO03/073088中描述了将ISFET用于序列DNA和DNA片段(以及RNA和RNA片段)。该工作已经说明，可以通过使用ISFET测量作为反应副产物的离子浓度的差异来监测在DNA链延伸期间核苷酸(A、T、C、G)的掺入。当核苷酸使DNA链延伸时，其释放焦磷酸盐，其被水解并且产生H+离子的，降低了pH。以相似的方式，ISFET可以用于检测杂交，其中杂交探针与DNA链上匹配的序列连接。使用非常大的规模的FET阵列的该方法的扩展描述于US2009/0026082中并且提供了大量平行分析。通过平行分析大量DNA片段，并且之后将结果比对并且“拼接(stitching)”在一起，可以在相对短的时间内对长段DNA测序。在基于ISFET的测定的情况中，将设计并且制造ISFET芯片以进行一个或一组预定的测定。例如，ISFET芯片将会被配置成检测DNA序列中一组SNP的存在。首先在实验台上制备样品。这可以包括使样品富集以将除细胞外的物质移除，使富集的细胞溶解以释放DNA，并且对一个或多个DNA序列进行扩增。在该过程期间或之后，将扩增的DNA序列连接至微珠。之后将这些珠引入至芯片。这可以包括将珠放置在单个ISFET上方形成的孔中，例如，使用磁珠以将一个珠引入至每个孔中。之后可以将芯片插入至在其中进行测序的仪器中。仪器使得不同的核苷酸(A、T、C、G)循环地流过芯片，在每个核苷酸流动之间有洗涤步骤。检测到表示链延伸的电信号。由仪器提供的结果是每个ISFET的链延伸顺序。之后例如使用与分析仪连接的台式PC分析该数据，以根据其普遍性(prevalence)衡量结果。具有高普遍性的序列将会被记录为有效序列，而具有较低普遍性的序列将会被记录为归因于噪声。之后可以使用有效序列确定被分析的样品中存在或不存在一个或多个SNP。当然，其他工作流程和分析程序是可能的。除了这些基本上限于实验室的测定过程之外，已经开发了护理点(point-of-care)测定步骤和系统。例如，DNAElectronics(英国伦敦)已经开发了允许由基本上非技术人员在护理点或销售点进行的步骤(如上述操作)的基因检测试剂盒。在许多情况中，使用基于ISFET的测定的检测将会仅构成将由技术人员遵循的工作流程的一部分。根据基于ISFET的测定的结果，可能需要作出与另外的检测相关的决定，并且将会需要进行这些检测，例如使用另外的基于ISFET的测定。WO2011/034790和US2012/0109531给出了提供一定程度的自动化和灵活性的示例性的生物和生理测定方案和仪器。然而它们不直接适用于核酸的处理。专利技术概述专利技术人已经设想了能够对核酸样品灵活地进行测定的系统。根据所运行的程序，可以进行不同的功能。这些可以基于所反馈的数据以优化仪器结果。根据本专利技术的第一方面，存在一种使用包括反应室和多个位于所述室的基部中的孔以及位于每个孔内的至少一个传感器的装置分析核酸的方法。所述方法包括使含有所述核酸或其片段的流体流动至所述反应室中。在将所述室完全或至少部分密封时，使用一个或多个扩增引物在所述室内进行所述核酸或所述片段的扩增，同时可以使用所述传感器检测扩增子的产生。之后对扩增子进行测序或杂交，同时使用所述传感器检测测序或杂交。在所附权利要求中给出了本专利技术的其他方面。附图简述图1图示了使用包括检测元件阵列的系统进行的示例性工作流程；图2图示了适合在实施图1的工作流程中使用的基于ISFET的芯片的模块；图3示意性地图示了可以构成图1的工作流程的一部分的各种生物操作；图4示意性地图示了用于实施工作流程(如图1中图示的)的仪器；图5是图4的仪器的概念性元件的框图；图6示意性地图示了用于执行操作系统的硬件和软件组件；图7示意性地图示了“生物”操作系统的组件和用于实施生物工作流程的应用层。图8是图示用于分析核酸或其片段的过程的流程图；并且图9示意性地图示了适用于实施图7的方法的盒。描述通过举例的方式，提出了系统和方法，其允许检测元件(或“单元”)的集成阵列被配置成进行各种测定并且甚至在进行取决于中间结果的测定期间重新配置。换句话说，将中间决定点引入至工作流程中，接着进行测定，并且在决定点中的每一个做出的决定确定了工作流程如何从该点进行，并且相应地配置检测元件。这样的配置可以涉及控制流体向检测元件中的流动，例如从而引入适合的引物和杂交探针和/或将已经放置的引物或杂交探针活化。在典型的系统中，芯片包括检测元件例如ISFET的集成阵列，并且不同组的检测元件被设置为执行不同的任务。例如，可以将第一组ISFET设置为进行杂交以测量被分析的DNA的序列与在检测区域内结合的杂交探针的相似性。可以将另外的组的ISFET设置为对在分析下的DNA的各自的不同区段进行测序。结合至工作流程中的决定点基于基因分型过程的结果关于对哪个DNA区段进行测序做出决定。在示例性的情况中，住院的患者显示出可以表征创伤、心脏病发作、局部感染或脓毒症的症状。医生必须确定这些中哪个是真的并且给予适合的治疗。参照图1，横轴表示在特定样品上所得工作流程的示例性时间轴。将血液样品引入至结合了基于ISFET的测定芯片的检测仪器的样品入口。仪器可以包括与微流体流动通道和流体门连接的、用于将所接收的样品引导至芯片的适合部分的泵和阀。作为工作流程的第一阶段，在病况如脓毒症、局部本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用包括反应室和多个位于所述室的基部中的孔以及位于每个孔内的至少一个传感器的装置分析核酸的方法，所述方法包括：使含有所述核酸或其片段的流体流动至所述反应室中；在将所述室完全或至少部分密封时，使用一个或多个扩增引物在所述室内进行所述核酸或所述片段的扩增，同时使用所述传感器检测扩增子的产生；对所述扩增子进行测序或杂交；和使用所述传感器检测所述测序或杂交。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.04.25 GB 1407334.01.一种使用包括反应室和多个位于所述室的基部中的孔以及位于每个孔内的至少一个传感器的装置分析核酸的方法，所述方法包括：使含有所述核酸或其片段的流体流动至所述反应室中；在将所述室完全或至少部分密封时，使用一个或多个扩增引物在所述室内进行所述核酸或所述片段的扩增，同时使用所述传感器检测扩增子的产生；对所述扩增子进行测序或杂交；和使用所述传感器检测所述测序或杂交。2.根据权利要求1所述的方法，并且所述方法包括在所述流动的步骤之后并且在所述进行扩增的步骤之前将所述反应室完全或至少部分密封。3.根据权利要求2所述的方法，并且所述方法包括在扩增之后并且在进行测序或杂交之前打开所述反应室从而使一种或多种另外的流体流动至所述反应室中。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述反应室的体积小于2μl。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述反应室包括流体入口和流体出口，并且所述方法包括使一种或多种流体通过所述流体入口和所述流体出口之间的所述室流动。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述装置包括加热器并且所述进行扩增的步骤包括使用所述加热器在所述反应室内进行PCR。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中将测序引物固定在每个所述孔中。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中将扩增引物固定在每个所述孔内并且所述进行扩增的步骤引起所述扩增引物的延伸并且对所述延伸的扩增引物进行测序。9.根据权利要求8所述的方法，其中所述装置包括多个各自具有不同的被固定的扩增引物的反应室，所述方法包括基本平行地检测所述反应室中扩增子的产生并且将检测结果与所述被固定的引物的鉴别相关联。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述含有所述核酸或其片段的流体还含有在扩增期间消耗的核苷酸。11.根据权利要求10所述的方法，其中所述含有所述核酸或其片段的流体还含有溶液相扩增引物。12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，并且所述方法包括在开始或进行测序的同时检测杂交事件。13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述传感器是ChemFET，优选ISFET。14.用于分析核酸的装置，并且所述装置包括：提供多个位于各个孔内的传感器的半导体芯片；和与所述芯片连接的结构体，并且所述结构体限定多个反应室，以使得所述孔的子组向各自的反应室中开放，并且使得所述反应室中的每一个与公用流体入口流体连通并且所述反应室中的每一个具有流体出口。15.根据权利要求14所述的装置，其中每个所述反应室具有小于2μl的体积。16.根据权利要求14或15所述的装置，其中所述孔具有一纳升以下的体积。17.根据权利要求14至16所述的装置，并且所述装置包括与每个反应室相连的一个或多个门，所述门可控制以将所述反应室密封。18.根据权利要求14至17中任一项所述的装置，并且所述装置包括固定在所述反应室内的扩增引物。19.根据权利要求14至18中任一项所述的装置，其中所述传感器是ChemFET，优选ISFET。20.根据权利要求14至19中任一项所述的装置，并且所述装置包括固定在所述孔内的测序或杂交引物。21.根据权利要求14至20中任一项所述的装置，并且所述装置包括与每个反应室或一组反应室中的每一个相关联的加热器和温度传感器。22.一种分析核酸的方法，并且所述方法包括：提供具有多个各自有传感器的反应室的设备；控制和/或引导向所述反应室的包括所述核酸或所述核酸的片段的流体的流体输送，从而促进包括所述核酸和/或其片段的扩增、测序、和杂交中的两个或多个的一系列反应；使用所述传感器检测所述反应室中的任何扩增、测序、和杂交；和应用所述控制和/或引导流体输送的步骤中的检测结果从而动态地引导所述一系列用于分析的反应。23.根据权利要求22所述的方法，其中所述控制和/或引导流体输送的步骤包括操作在所述盒内设置的流动输送系统。24.根据权利要求22所述的方法，其中所述控制和/或引导流体输送的步骤包括为使用者提供指导以进行手动流体输送控制步骤。25.根据权利要求22至24中任一项所述的方法，其中所述应用所述检测结果的步骤动态地引导所述一系列反应从而遵循结合一个或多个中间决定的工作流程。26.根据权利要求22至25中任一项所述的方法，其中所述设备是盒。27.根据权利要求22至26中任一项所述的方法，其中所述传感器都是相同的传感器类型。28.根据权利要求27所述的方法，其中所述传感器是ChemFET，更优选ISFET。29.根据权利要求22至28中任一项所述的方法，其中所述控制和/或引导流体输送的步骤包括控制和/或引导流体输送从而引起将要在所述相同的反应室中顺序进行的扩增、测序、和杂交中的两个或多个。30.根据权利要求22至29中任一项所述的方法，其中所述使用所述传感器的步骤包括通过检测高于阈值水平的扩增子的产生来检测扩增。31.根据权利要求22至30中任一项所述的方法，其中所述使用所述传感器的步骤包括检测核酸片段的序列。32.用于分析核酸的装置，并且所述装置包括：具有多个各自有传感器的反应室的盒，所述传感器被配置成或者可以被配置成检测所述反应室中的扩增、测序、和/或杂交；流体输送系统，所述流体输送系统用于控制包括含有所述核酸或所述核酸的片段的...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯特弗·图马佐，戴维·戴维森，山姆·里德，
申请(专利权)人：DNAe集团控股有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB