与用于生物样品的分析器的性能相关的改进

摘要

本发明提供了用于处理样品的设备(11)、适合用在这种设备中的电路板(8008)和处理方法，其中该设备(11)设置有对准特征，该对准特征用于帮助将电路板和样品盒(9)相对于彼此设置在正确的位置。以这种方式，盒(9)中用于处理样品的所述多个部分正确地定位在多个元件上，如用于加热样品盒(9)的加热器(4)或用于向样品盒(9)上的部件供电的电接触件(EP1-EP4)，并且可以彼此独立地运行。

说明书

本申请以作为所有指定国家的申请人的美国公民Stan Smith、美国公 民Brett Duane、法国公民Cedric Hurth、美国公民David Nguyen、印度公 民Amol Surve、德国公民Ralf Lenigk和美国公民Frederic Zenhausern的名 义作为PCT国际专利申请于2011年8月25日递交，并且要求于2010年 8月27日递交的美国专利申请序列No.61/377,831的优先权，通过引用 将该美国专利申请的全部内容结合于此。

技术领域

本发明关注分析及与分析相关的改进，特别地但不排外地，关于生物 样品。

背景技术

例如生物样品的样品分析是已知的。然而，这种分析通常涉及多个处 理步骤，需要熟练技工并且是劳力密集的。希望至少部分地自动进行分析。 还希望减少对熟练技工的需求。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种电路板，用于与样品盒连接，其 中样品盒包括工作表面，所述工作表面限定用于处理样品的多个部分；其 中电路板被构造为在使用中邻近所述工作表面并且包括：

多个元件，所述多个元件中的每一个与所述多个部分中的一个相关 联，并被设置为在使用中邻近所述多个部分中的相关联的一个定位；并且

其中电路板还限定至少一个对准特征，所述至少一个对准特征用于接 合样品盒上的对应的对准特征并确保所述多个元件在使用中邻近所述多 个部分中的相关联的一个定位。

所述元件可以是有源的或无源的。有源部件的示例是用于加热样品盒 的加热器。无源部件的示例是用于向样品盒上的诸如泵之类的部件供电的 电接触件。

根据本发明的该方面，改善处理样品的自动化。样品盒设置多个部分， 并且电路板使得这些部分能够根据需要被激活用于处理样品。所述至少一 个对准特征通过确保电路板上的特征与样品盒上的在所述多个部分中的 对应特征正确地对准。

电路板还可以包括限定开口的边缘，该开口在使用中对应于样品盒上 的样品处理腔。样品处理腔可能需要对在该腔中的处理进行精细的控制。 这可以由与电路板分开的部件提供。开口允许与电路板可能需要的附加部 件进入该腔。

电路板还可以限定窗口，该窗口允许在使用中通过电路板视觉地检查 工作表面的特征。该窗口可以为由电路板的内边缘限定的开口或电路板的 透明部分。在将样品盒安装在设备中时，可以视觉地检查样品盒的工作表 面的邻近窗口的部分。这在诸如条形码之类的标识符印刷在样品盒的邻近 窗口的部分上时是特别有利的。

电路板还可以包括凸起，所述凸起沿使得在使用中所述凸起指向样品 盒的方向从电路板的表面上延伸。所述凸起是导电的以允许通过所述凸起 将电流供给至样品盒。

凸起可以具有尖端。这可以帮助穿透可能已经形成在样品盒的对应部 分上的任何氧化层。

凸起可以被弹性地安装。例如，它们可以被弹簧加载，使得当将样品 盒安装在该设备中时，作用力施加至所述凸起以将所述凸起偏压向样品盒 并改善电接触。在一种实施例中，凸起可以为弹簧针。

在相关方面中，提供了用于分析样品盒中的样品的设备，包括上述电 路板(还具有或不具有上述任选特征中的一个或多个)。用于容纳样品盒的 一段的至少一部分可以安装有弹性元件，该弹性元件用于在使用中提供将 电路板和样品盒的工作表面挤压在一起的作用力。可替换地，该设备可以 包括压板，该压板用于作用在样品盒的非工作表面上，并且该压板可以移 动以将样品盒的工作表面压靠在电路板上。这可以增强电路板和样品盒之 间的电接触。样品盒在插入设备中之前可以被放置在固定器中。

在处理样品时的共同要求是提供样品的可靠的加热。这在采用样品盒 自动进行数个处理步骤时是困难的，因为需要可靠的局部化加热。因此希 望提供可靠的局部化加热器组件。

根据本发明的另一个方面，提供了一种电阻加热器组件，包括：

电路板；和

安装电路板上的在具有大致平坦上表面的电阻加热元件；

其中在使用中，所述大致平坦上表面被设置为基本上与将被加热的物 件接触。

已经发现，该电阻加热元件提供了可靠的加热，并且电阻特性意味着 可以精确地和简单地控制所产生的热量。为了确保将所产生的热量引向将 被加热的具体区域，电阻加热元件具有用于接触将被加热的区域的大致平 坦表面。这允许通过控制大致平坦上表面的面积控制将被加热的区域。

电阻加热元件可以具有表面涂层。表面涂层可以改善所述大致平坦 上表面的物理特性。例如，它可以为加热元件提供保护，或者改善与将被 加热的物件的接触。优选地，表面涂层是柔性的以改善接触，例如，它可 以由硅树脂形成。

电阻加热元件优选地由被构造为具有大于450℃的熔点的焊料焊接至 电路板。优选地，焊料是无铅焊料成分。加热元件可以达到熔化传统焊料 的局部温度。优选地，焊料包括银并具有680℃或更高的熔点。

有利地，电阻加热元件可以包括至少一个表面安装电阻器。已经发现 表面安装电阻器非常适合用作加热器，它们具有合适的大致平坦上表面并 且可以采用已知的技术连接至电路板。电阻器的类型和数量的选择取决于 将被加热区域和将被实现的温度。这将确定表面安装电阻器必须处理的所 需要的功率输入。

该组件还可以包括用于检测电阻加热元件的温度的温度传感器。温度 传感器允许使用反馈控制以确定加热温度。

优选地，温度传感器位于形成在电路板上的凹部中。这允许将它定位 为靠近加热元件，以提供更精确的温度测量。

在相关方面中，提供用于分析在样品盒中提供的样品的设备。该设备 包括上述电阻加热组件(还具有或不具有上述任选特征中的一个或多个)。 加热组件允许样品盒的一部分的可靠的局部化加热。

通过反馈控制可以改善样品的处理期间自动化加热步骤的精度。为了 提供精确的反馈控制，希望具有加热器的精确的温度测量。

因而，在本发明的另一个方面中，提供用于检测电阻加热元件的温度 的温度传感器，该温度传感器包括：

包括第一臂和第二臂的桥接电路；

热敏电阻器，用于检测连接在桥接电路的一个臂中的电阻加热元件的 温度；和

ADC，该ADC连接在桥接电路的第一臂和第二臂之间，用于数字化 电桥的第一臂和第二臂之间的电压差。

热敏电阻器的电阻根据温度变化，改变桥接电路的臂之间的电压平 衡。优选地，ADC是允许桥接电路上的直接测量的差分ADC。热敏电阻 器优选地定位为靠近电阻加热元件，例如在加热表面的中心的数毫米内， 更优选地在5mm内，从而尽可能确保精确的测量。加热表面可以包括设 置成组的多于一个的加热元件，例如，一组表面安装电阻器。在该情况中， 由该组加热元件形成的加热表面的中心给出最有代表性的温度。热敏电阻 器可以定位在形成在PCB中的凹部中，这在该方面的传感器用于上述电 阻加热器组件时是特别有利的。

传感器还可以包括电压源，其被连接为作为桥接电路的参考和用于 ADC的电源。这简化了传感器的结果。

在使用中，热敏电阻器中的功率耗散优选地小于10μA。通过电压和/ 或电桥元件的选择，例如电桥的元件的电阻的选择，可以实现这种功率耗 散。通过将功率耗散保持为低，可以降低来自温度将被测量的热敏电阻器 的任何电阻加热的影响。

优选地，可以使用从ADC输出的预定数量的最高有效位。例如，ADC 可以产生具有预定位数的输出，但可以使用少于预定位数的输出。这可以 改善测量精度，因为忽略了最低有效位中变化，减少了对误差的敏感性。 例如，可以仅使用22位ADC的最高有效位。在可替换实施例中可以采用 其它选择。

在相关方面中，提供了用于分析样品盒中提供的样品的设备，其中该 设备包括上述电阻加热组件和温度传感器(具有或不具有任选特征中的一 个或多个)。

希望的是在样品处理中提供精确的加热控制。特别地，希望控制加热， 以便尽可能快地实现预期温度，但不存在过冲。虽然常规控制技术，包括 比例、积分和微分控制，可以提供良好的响应，但希望的是进一步减少达 到预期温度花费的时间。

因而，在本发明的另一个方面中，提供使用反馈控制产生用于控制电 阻加热元件的温度的信号的方法，其中如果误差信号值的绝对值大于1， 调整在反馈控制中使用的误差信号值。

如果误差信号的绝对值大于1，这指示实际温度仍然有些远离预期温 度。为了尽可能快地达到预期温度，调整误差信号。优选地，例如通过将 增益施加至误差信号而放大误差信号。

优选地，如果误差信号的绝对值大于1，则通过平方误差信号值并将 误差信号值的符号施加至结果，调整误差信号值。这确保误差越大，施加 到它的补偿越大，使得实际温度应当更快地达到预期温度。当温度接近预 期温度时，误差信号减小，并且平方的影响减小，平滑地减小对较小误差 的影响。

该方法的输出可以为PWM信号，该方法还可以包括在确定PWM信 号将饱和时将用于控制温度的信号设置为最大值。在PWM控制中，输出 不能增加到处于100％占空比的信号饱和之外，即，输出是持续接通的。 在该情况中，至最大值的输出避免与PWM产生相关的潜在问题。

反馈控制可以包括比例控制和积分控制，并且该方法还可以包括在基 于比例控制的输出确定PWM信号将饱和时复位积分控制。这避免了积分 饱卷，其中积分部分在比例分量离开饱和之前需要大的值。

该方面的控制方法还可以应用于除加热之外的其它过程的控制，它可 以应用于基于误差信号的任何反馈控制方法。

与典型的表面安装电阻器的表面积相比，可以需要加热相对大的区 域。这可能需要提供不可接受的大量电阻器来加热所需要的区域。在这种 情况中，希望提供可替换的加热器组件。这种加热器组件可以包括任何合 适的热源，包括电磁功率源。

因而，本发明的又一个方面提供一种包括印刷电路板的加热器，其中 印刷电路板包括：

加热层，加热层具有至少一个迹线，所述至少一个迹线用于在电流流 过迹线时提供电阻加热；和

热扩散层，形成加热表面并定位在加热层的上方。

已经发现，印刷电路板的迹线或轨迹可以提供足够的热输出以用作加 热器，例如，如在US-6841739中讨论的那样。然而，简单地使用迹线作 为加热器可能不能给出用于在样品分析中使用的充分均匀的热分布。本发 明的本发明因此提供热扩散层，其提供加热表面并邻近加热层形成，以便 均匀地扩散热量。可以采用用于印刷电路板的已知技术制造热扩散层，或 者可以简单地且成本有效地制造加热器。

优选地，加热层的所述至少一个迹线沿着被构造为基本大致均匀的加 热的路径。尽管存在热扩散层，但加热层的结构对提供均匀的热分布仍然 是重要的。

所述至少一个迹线可以在印刷电路板的大致所有区域内沿着弯曲、蜿 蜒或蛇形路径。

所述至少一个迹线的至少一部分可以沿着具有波峰和波谷的波纹状 路径，包括其中向外的路径的波峰在返回路径的波峰下面延伸，并且返回 路径的波谷包含在向外路径的波谷内。在这里，″向外″和″返回″是相对的 术语，向外路径电力地在返回之前，如果极性反转，则″向外″路径将变为″ 返回″路径，反之亦然。

所述至少一个迹线的至少一部分可以沿着具有波峰和波谷的波纹状 路径，其中向外路径的波峰邻近返回路径的波纹，反之亦然。

加热器还可以包括形成在热扩散层上的保护层。

加热器还可以包括温度传感器。温度传感器可以包括例如根据上述方 面中的一个的热敏电阻器(具有或不具有任选特征中的一个或多个)。加热 器可以由上述方法(具有或不具有任选特征中的一个或多个)控制。

印刷电路板还可以限定其中设置温度传感器的凹部。

加热层可以被电隔离或接地。

在相关方面中，提供用于分析设置在样品盒的样品的设备，其中该设 备包括如上文所述的加热器(具有或不具有任选特征中的一个或多个)。

在样品分析分析期间，可能需要将分析段的不同部分控制到不同的 值。示例是在毛细管电泳，其中不同的元件可能需要处于不同的电压。希 望的是确保所有的元件同时都达到所需要的值，使得相对值保持恒定。

因而，本发明的另一个方面提供了一种高压电源，包括：

用于产生第一输出电压的第一功率变换器；

用于产生第二输出电压的第二功率变换器，第二输出电压不同于第一 输出电压；和

控制器，用于控制第一功率变换器和第二功率变换器，使得在第一和 第二电压同时改变时，基本上同时地，来自第一功率变换器的输出达到第 一输出电压，来自第二功率变换器的输出达到第二输出电压。

该设备还可以包括联锁装置，其用于在壳体打开时将功率从第一功率 变换器和第二功率变换器断开。

在相关方面中，提供了用于采用毛细管电泳分析样品的方法，包括如 上所述的、用于提供在毛细管电泳中使用的电压的高压电源(具有或不具有 所述任选特征)。

在另一个相关方面中，提供了控制功率变换器在预定时间内达到输出 电压的方法，该方法包括：

计算在预定时间内所需要的输出电压变化；

将预定时间分成多个连续步长，所述多个步长中的每一个持续相同的 时间；

计算在所述多个步长中的每一个中需要的输出电压变化；

通过在所述多个步长中的每一个中的输出电压变化调整输出电压。

通过确保在预定时间内达到输出电压，通过将相同的预定时间用于每 个电压，多个电压可以同时达到它们各自的输出电压。上述控制器可以适 于采用这种方法。

在另一个相关方面中，提供了控制第一功率变换器达到第一输出电压 和控制第二功率变换器基本同时地达到第二输出电压的方法，该方法包 括：

确定第一功率变换器将达到第一输出电压和第二功率变换器基本同 时地达到第二输出电压之前的延迟时间；

将预定时间分成多个连续步长，所述多个步长中的每一个持续相同的 时间；

计算在所述多个步长中的每一个中第一功率变换器需要的第一输出 电压变化；

计算在所述多个步长中的每一个中第二功率变换器需要的第二输出 电压变化；

通过在所述多个步长中的每一个中的第一输出电压变化调整第一功 率变换器的输出电压，以及通过在所述多个步长中的每一个中的第二输出 电压变化调整第二功率变换器的输出电压。

上述控制器可以适于采用这种方法。将会理解，该方法不仅限于第一 和第二功率变换器，它可以根据需要扩展至三个、四个或更多个功率变换 器。

在样品处理期间，可能需要将样品暴露至受控磁场。

因此在另一个方面中，本发明提供了用于接口连接样品盒的设备，其 中样品盒包括用于在预定磁场中处理样品的部分；其中该设备包括磁性组 件，该磁性组件用于提供变化的受控磁场强度，并且磁性组件定位成使得 在使用中，当该设备接口连接生物样品盒时，磁性组件邻近用于在预定磁 场中处理生物样品的所述部分。

所述预定磁场的范围可以为300-1200高斯，更优选地350-550高斯， 或800-1200高斯。预定磁场通常与样品盒中的磁珠组合使用。在该情况中， 磁珠的材料和尺寸通常将决定所需要的磁场强度，较小的磁珠需要的磁场 强度比同一材料的较大的磁珠需要的磁场强度高。

优选地，磁性组件包括永磁体和用于控制永磁体的位置的致动器。永 磁体的位置因此控制磁场强度。可替换地，可以使用电磁铁，在该情况中， 至电磁铁的输入决定磁场强度。

磁性组件还可以包括用于沿至少一个预定方向限制磁场的防护罩。这 可以确保磁场指向所需要的位置。

磁性组件还可以包括磁场聚焦装置。这可以为金属膜，例如镍膜。

一些样品处理步骤可能需要使用激光聚焦在特定样品台上。采用样品 盒和对应的分析设备的机械特征将激光器与样品盒对准可能不能可靠地 将它们对准。存在激光可能为正确地聚焦或与样品盒对准的问题。

因而，本发明的又一个方面提供用于采用激光器对准生物样品盒的毛 细管的设备，其中该设备包括：

激光器；

从激光器到生物样品盒的光路，包括用于将来自激光器的发射光聚焦 到生物样品盒上的至少一个透镜；

CCD；

用于调整生物样品盒的位置的盒致动器；和

控制器，用于基于来自CCD的反馈控制盒致动器，以将毛细管与激 光器大致对齐。

该设备还可以包括用于移动所述至少一个透镜的透镜致动器；并且其 中控制器还用于控制透镜致动器。

所述至少一个透镜可以形成在样品盒中。

在相关方面中，本发明还提供采用激光对准生物样品盒的毛细管的方 法，该方法包括：

采用激光照亮生物样品盒；

采用CCD检测反射光；

移动生物样品盒，并采用来自CCD的输出确定生物样品盒的最佳位 置。

反射光源于样品盒中的毛细管的几何形状。激光照亮毛细管，并且毛 细管的几何形状和材料决定向回反射到CCD的光的轮廓。这将根据毛细 管的结构和材料变化，例如，玻璃将具有不同于塑料的响应。

移动生物样品盒的步骤可以包括在样品盒的整个运动范围内移动样 品盒并记录CCD的输出。根据这种输出，例如，通过选择峰值响应，或 者该响应的另一个特征，确定最佳位置。之前可能已经针对样品盒的特定 结构、特定尺寸和材料的这种毛细管测量了该响应，以提供帮助根据CCD 输出选择最佳位置的模板。

该方法还可以包括采用来自CCD的输出调整透镜在激光的光路中的 焦距。例如，可以最大化来自CCD的输出。

该方法还可以包括基于由CCD检测的散射图样调整透镜在激光的光 路中的焦距。

自动分析程序可以在不需要用户输入的情况下产生分析结果。根据该 分析，在给出结果之前可以执行多个中间步骤。在用户已经根据需要访问 中间步骤的结果时，这将是有利的。

因而，本发明的又一个方面提供用于分析样品盒中包含的样品的设 备，包括：

标识符读出器，用于读取插入的样品盒的标识符；

存储装置，用于存储根据样品的分析或的数据，其中存储的数据与来 自标识符读出器的标识符相关联。

因此，在该分析中的多个阶段中获得的数据可以与插入的样品盒的标 识符相关联并且在需要时稍后被调用。

标识符读出器可以为条形码读出器。

标识符读出器可以为RFID读出器。

优选地，存储的数据还可以包括分析条件的信息以及中间和最终分析 结果。例如，存储的数据可以下述数据中的一种或多种：操作该机器的操 作者的信息、在分析过程中使用的试剂的信息、在任何聚焦阶段期间获得 的荧光结果、在样品的处理期间的温度、在样品的处理期间的电压以及在 样品的处理期间的电流。包括这种附加信息中的一个或多个可以改善数据 的可靠性。它还可以允许批量控制系统，避免在每次执行分析时对运行控 制样品的需求。

处理样品的所有方面可以被监测，并且可以形成文件以存储所运行的 样品分析的一个或多个参数。存储的数据还可以包括用户、时间、处于测 试的样品的标识符、来自PCR过程的显示从开始到结束的整个顺序的读 数、用于CE过程中的每一个步骤的电压和温度设定值、来自电压、电流 和四个温度传感器的在整个测试内获得的读数以及采用CCD从CE过程获 取的所有原始数据。该数据被存储并在用户请求时可用于复查。数据复查 可以显示整个PCR热循环，在CE阶段的每一秒处的电压、电流和温度条 件、以及由CCD捕获的所有图像与时间相关的图表。

希望的是该设备自动接收样品盒。为了成功进行这种自动接收，重要 的是该设备的机械特征被控制为允许可靠的插入。

因而，在本发明的另一个方面中，提供了一种设备，其限定有用于接 收样品盒的开口，并包括用于确定与样品盒接口连接的至少一个活动部件 的物理位置的至少一个传感器。使得在样品盒插入所述开口中时能够精确 地确定和控制设备的状态。它可以延长部件的寿命，因为所述至少一个传 感器可以在运动已经完成时提供反馈，而不是依赖没有传感器的预编程操 作时间。位置传感器可以用于其额定元件合适处于特定位置的简单的接触 开关，或者可以为更先进的传感器，例如，在整个运动期间包括相对位置 的传感器，例如距离检测器或位置传感器。

该设备的多个机械方面可以设置有物理位置传感器。例如，可以设置 两个臂，其支承用于根据需要向CE芯片施加高电压的电极接头。这些臂 最初可以处于敞开结构允许插入CE芯片，并且已经插入CE芯片之后移 动至关闭位置。当传感器确定所述臂关闭时停止关闭操作。

样品盒还需要允许它插入系统中的空隙，但必须被压靠在电路板用于 使用，以允许阀和泵控制。再一次，可以采用传感器的输出控制关闭操作。

样品盒的PCR腔还需要具有珀耳帖装置，该珀耳帖装置在两侧被夹 紧以提供良好的热界面。

在相关方面中，用于将样品盒插入该设备中的方法包括：采用至少一 个传感器监测至少一个活动部从打开位置到关闭位置的运动，并在所述至 少一个传感器指示所述至少一个活动部件处于关闭位置时停止所述至少 一个活动部件的运动。

在更详细的示例中，当样品盒(任选地包括CE芯片)插入该设备并且 门关闭时，门的关闭被检测，并且控制伺服电动机以合适的顺序关闭，从 而(i)将所述臂定位在CE芯片上，(ii)将样品盒压靠在电路板上，和d(iii) 将珀耳帖装置闭合在样品盒中的PCR腔上。

附图说明

现在将仅通过举例的方式，并参照附图描述本发明的多个实施例，在 附图中：

图1为样品从收集到结果的考虑中涉及的多个阶段的示意图，并图示 在该背景中本发明的实施例的定位；

图2为在实施本发明的仪器上由实施本发明的仪器提供的关键步骤的 示意图；

图3为该仪器的一种实施例的示意性正视图；

图4a为该仪器的实施例的透视图；

图4b为图4a的仪器的正视图；

图4c为图4a的仪器的侧视图；

图5为另一个仪器实施例的透视图；

图6为示出盒在该仪器中的插入的侧视图；

图7为层叠式珀尔帖效应装置的位置的图示；

图8为托架、盒和CE芯片实施例的图示；

图9为托架至CE芯片的接合的图示；

图10a为该对卡尺的位置的透视图；

图10b为该对卡尺的背面的透视图；

图10c为开口形式的卡尺结构的平面图；

图10d为闭合形式的卡尺结构的平面图；

图11a为实施本发明的盒的一部分的正面视图；

图11b为用于根据本发明的盒及其部件的尺寸和体积表；

图12为图11a的盒的其它部分的正面视图，并实施本发明的其它特 征；

图13a为图11a和12的盒的一部分的侧视图，其中连接电泳盒部分；

图13b为图13a中示出的电泳盒部分的正视图，省略了盒的一部分；

图14为根据实施例的盒的正面视图；

图15a为根据不同的实施例的盒的正面视图；

图15b为用于图15a的盒尺寸和体积的表；

图16a为本发明中使用的隔断阀的图示；

图16b为本发明中使用的开式阀的图示；

图17为用于仪器的电泳部分的光源、光学元件和检测器配置的示意 图；

图18为光学元件的实施例的透视图；

图19为系统示意图的图形表示，描述本发明中使用的电气和电子部 件；

图20为用于样品制备阶段的物理PCB布局的图示；

图21为采用用于本发明的表面安装电阻器的示例性电阻加热器的物 理布局的图示；

图22为描述用于图21的加热器的控制电路的框图；

图23为PCB的一层的图示，描绘用作加热器的极限；

图24为本发明中使用的输出电压的控制方法的流程图；

图25为图示根据本发明的高压电源的电流和电压测量点的示意图；

图26为图示本发明中使用的温度测量电路的示意图；

图27为图示图23的电路中的ADC的输出与测量的温度之间的关系 的曲线；

图28为图示图26的温度测量中的误差的曲线；

图29为用于本发明中使用的加热器的温度的流程图；

图30A和30B分别图示用在本发明的实施例中的光学元件系统组件 的透视图和分解图；

图31A和31B分别图示用在本发明的实施例中的磁性组件的透视图 和分解图；

图32图示高压电源的结构的图形表示。

具体实施方式

在多种情况中，希望能够分析生物样品以获得样品和/或样品的一个或 多个成分的信息。这些情况包括医疗诊断，例如用于寻找病症，以及司法 科学，用于建立DNA分布图。

目前，这种分析由受过高度训练的科学家在实验室环境中进行。这意 味着相当大量的努力和经验用于样品的处理、分析设备的使用和所实现的 结论的公式化。然而，对将样品传输至实验室环境和随后接收从实验室环 境回送的结果的需求，在获取样品和获取样品的结果之间引入潜在的时间 延迟。对使用实验室环境和受过高度训练的科学家的需求潜在地增加所需 要的时间，因为这种人和资源的供给是受限制的。对使用实验室环境和受 过高度训练的科学家的需求增加成本，因为存在于这种工具和科学家相关 联的资金和运行成本。

如果较少实验室类型的环境将用于分析，或所雇佣的职员是非专业 的，则存在分析出现问题的可能，除非提供合适的和可靠的系统。

本发明在其可能的目标中是使得能够在更多个位置和/或非实验室类 型位置进行样品的分析。本发明在其可能的目标中是使得具有较低的训练 和/或经验水平的人能够进行分析。本发明在其可能的目标中是能够实现样 品的更低成本和/或更快的分析。本发明在其可能的目标中是通过执法机构 能够更多使用和/或更成功地使用分析。

通过接下来的示例最佳地理解由本发明提出的多个构思和解决的多 个问题。然而，应当理解，这些示例的真实本质是详细和详尽的，并且即 使在在本发明的其它实施例中仅实施小部分示例，也能够出现受益于本发 明的益处。

多个实施例和示例最初在参考样品的背景中说明本发明；参考样品是 在受控的条件下从已知的个体收集的样品。参考样品的示例是由药签从已 经被逮捕的人的口腔收集的样品，所述样品在警察局中收集。本发明还适 合生活环境调查样品；即在非受控条件下从未知个体的位置收集的样品。 示例是在血源未知的情况下通过药签从犯罪现场收集的血斑。在参考样品 和生活环境调查样品之间的差异对仪器、盒和方法的优选形式存在影响的 情况中，分开地描述生活环境调查样品。

在出现特定情况或问题时，一个或多个部件由一个或多个不同的部件 或不同的部件布置的代替是也可想象的。再一次，在用于仪器的参考样品 和生活环境调查样品背景的讨论之后，描述这些替换物。

作为出发点，有用的是通过举例的方式建立仪器、盒和方法在它们所 使用的整个背景中的背景。因此，在图1中，存在本发明适合的整个过程 的示意图。这整个过程包括在样品收集阶段3中聚集的样品1。在此之后 是样品制备阶段5。在后续的样品装载阶段7中，将收集的制备好的样品 1装载在制备好的盒9中。下一个阶段是将盒9引入至仪器11的盒安装阶 段15。仪器11在样品装载阶段7和/或在盒安装阶段15和/或随后接收各 种输入13。

以下在图2的背景中进一步描述在仪器11和盒9中进行的结构和过 程。

一旦仪器11应完成这些阶段并实现分析，则下一个阶段是结果阶段 17。在此之后是一个或多个输出阶段19，和可能的、将分析结合在司法权 的刑事审判系统中的其它阶段21。各个输出阶段19和其它阶段21之间 的宽范围的可能的联系是可能的，一些仅联系至一个阶段，其它是多个这 种阶段和/或其组合的结果。

输出阶段19可以包括结果从仪器至用于处理的远程位置的传递。在 最终结果返回至仪器11或另一个计算机之前，可以采用负载的软件和/或 硬件工具进行该处理。在远程位置处处理结果在执行该处理所需要的软件 /硬件的尺寸、成本或复杂度方面是优选的，因此仅设置在有限数量的位置 处，而不是设置每个仪器的一部分处。

仪器11的操作的接下来的描述以大致顺序方式提供关键仪器阶段和 它们的相互关系的完整细节。

参照图2，仪器具有样品接收步骤200、样品制备步骤202、样品放大 步骤204、电泳步骤206以及分析步骤208和数据通信步骤210。

在样品接收步骤200中，将样品1从位于盒9和仪器11之外的样品 储存和/或处理台5转移到盒9上的位置。

初始收集装置通常为药签。药签用来从物件或基板上拾取样品1。

在样品制备步骤202中，样品中的关键成分与意图制备样品用于后续 步骤的试剂和/或成分接触。在该实施例中，样品制备步骤202将样品与珠 子接触以保留DNA并回收它，而未被回收的其他成分流过并流走。样品 制备步骤202还包括与清洗剂接触以改善DNA从其它成分中的分离。清 洗剂流过保持珠子和保留的DNA的腔并流动至另一个腔，废物腔。清洗 剂之后是用于从珠子上释放DNA用于后续步骤的洗脱剂。

在样品放大步骤204中，DNA与放大试剂接触并被提供有通过PCR 实现放大所需要的条件。

在电泳步骤206中，将放大的DNA输送至起始点，用于在毛细管内 的基于迁移率的分离。电场随后用来将复杂的DNA放大图符(amplicons) 分成不同尺寸的族。

在分析步骤208中，检查通道以建立在毛细管中检查到的元素的相对 位置和因此尺寸。这是通过激发光源实现的，激发光源是与将被检测的元 素相关联的荧光标记和用于检测所产生的荧光的核实的光学元件。

在数据通信步骤210中，仪器编译用于传输的必要数据包并将它传送 至所考虑的远程位置。数据包包括电泳结果的信息、样品身份和其他信息。 作为数据通信步骤210的一部分，分析过的结果由仪器接收。

在仪器本身上可能进行一些数据处理，例如用于去卷积分析结果以指 示表示等位基因存在的峰值。

仪器可以被设置成一次考虑单个样品的形式，或者可以被设置成一次 考虑多个样品的形式。多个样品中的每一个可以在单独的盒上运行，但处 理多个样品的改进的盒是可行的。多个盒的处理在允许采用单组控制器、 电源、光学元件等来考虑多个样品方面是有益处的，资金成本降低。

仪器性能

上述实施例的结果是提供快速的、可靠的样品分析，同时在多个位置 这样做且有多个人操作的仪器、盒和操作方法的设置。

通过能力是性能，本发明提供了能够进行提取、PCR、电泳和分析， 同时需要用户最少的训练和/或干预的完全集成的仪器。在其最佳形式中， 提供了从开始到结束的全自动系统，用户简单地需要将盒装到仪器中并开 始它。

该仪器的模块化形状允许在不影响其他模块的情况下升级一个或多 个模块。已经仔细地选择数据输出格式以允许由多种现有的分析软件应用 程序输出的数据的分析，如Forensic Science Service Limited的I³或将来的 软件应用程序。

分析的最终结果可以是样品的分布图和/或样品和数据库记录的样品 和/或其他解释基数据之间的匹配的指示。

用于处理来自多个源的多个样品的单个盒类型的使用是有益处的。该 方法能够处理源自口腔药签、棉花和其他软药签的样品、水性样品、衣物 样品、香烟残余部分、口香糖等。

该方法还能够将有用的DNA从残余细胞材料、PCR抑制剂(如酒精， 靛青等)和化学抑制剂中分离出来。

该仪器是完全便携的，并且因此可以用作多个位置。盒的完全密封和 受保护的性质意味着不存在污染风险，即使在实验室标准环境之外使用 时。

仪器脱离采用常规电插头的标准干线电源(110-240V，50Hz)运行。

关于从样品接收步骤202到在数据通信步骤210中离开仪器的传输的 整体时间，所描述的实施例在141分钟的时间周期提供该过程。包括通过 在接下来的段落中提出的选项和变量，可以减小该时间周期。

关于样品接收步骤2002，所描述的实施例在2分钟的时间周期内提供 该步骤。取决于所使用的装载方法和需要装载的试剂或样品的数量，20 秒和5分钟之间的时间周期是能够容易实现的。

关于样品制备步骤202，所描述的实施例在24分钟的时间周期内提供 该步骤。通过缩短在一个或多个腔(例如，培养腔358)中的停留时间，和/ 或通过减小阀启动和启动输出之间的时间间隔，和/或通过建设所使用的清 洗和/或洗脱体积，可以减小该时间周期。15～30分钟的时间周期是能够容 易实现的。

关于样品放大步骤204，所描述的实施例在80分钟的时间周期内提供 该步骤。通过缩减所使用的循环次数、缩短循环的一个或多个部分的持续 时间，以及缩短引入到腔之后和PCR开始之前的时间周期和/或PCR完成 之后和移除样品至下一阶段的时间周期，可以减小该时间周期。再一次， 阀启动和启动输出可靠之间的时间间隔是重要的。60～120分钟的时间周期 是能够容易实现的。

关于电泳步骤206，所描述的实施例在15分钟的时间周期内提供该步 骤。通过在毛细管中使用更高的和/或更快的移动介质和/或减小样品引入 时间，可以减小该时间周期。1～60分钟的时间周期是能够容易实现的。

在重量小于10kg且占据小于0.1m²的覆盖区域的仪器中实现这种功能 性。

仪器使用领域

上文和下文讨论的结构和方法在考虑除法庭样品之外的多种样品时 是有用的。例如，在下述情况下可以使用它们：标记目标、诊断化验、疾 病标记、生物金融应用、移植中的STR剂目标、耐药微生物的识别、验血、 突变检测、DNA排序等的考虑。食品分析、药物遗传学和药物基因学使 用领域。在医疗和/或生物科技领域中的多种用途可以利用本发明。

本发明还适用于其中需要根据DNA确定家庭关系，例如父子关系测 试的情况。动物中的血统测试是另一个示例。

本发明的在边界控制、安全、海关环境和其他政府类型用途中的使用 是有益处的。

仪器结构和外观

在图3中图示仪器11，仪器11设置在壳体8000内。仪器11的中部 8002设置有门8004，门8004设置有门锁8006。在门8004后面是在下文 被更详细地描述的盒在使用中安装的位置。该位置是其中盒的平面平行于 印刷电路板8008的平面的位置；图6。在该位置处，盒和印刷电路板8008 上的元件彼此接触。

在印刷电路板8008后面的是用于操作和控制设置在印刷电路板8008 上的元件的电子元件。这些包括电源、电压控制器、温度控制器等。在下 文更详细描述它们。

仪器11的上部8010设置显示器8012，用户通过显示器8012将信息 输入到仪器11中并接收来自仪器的视觉信息。用于显示器8012的操作的 软件和硬件设置在显示屏8012后面定位在上部8010中的计算机上。

仪器11的下部8014包含用于用在毛细管电泳的检查中的激光器的高 压电源和控制器。同样在该下部8014中的是用来检测荧光的电荷耦合装 置和用于将光传输至毛细管和传输来自毛细管的光的光学元件。

在图4a、4b和4c中示出仪器的另一个实施例。仪器29-11设置在壳 体29-8000内。仪器11的上部29-8002设置有门29-8004。门29-8004是 壳体29-8000的顶部29-8006和前部29-8008的组合。

仪器11的下部29-8010设置显示器29-8012，用户通过显示器29-8012 将信息输入到仪器11中并接收来自仪器11的视觉信息。

窗口29-8014允许视觉检查所使用的盒。一系列光条29-8016用来指 示前进通过所涉及的步骤的程度。亮的光条越多，步骤的进展程度越大。

铁笔29-8018由操作者使用以与显示器29-8012交互作用。

各种控制按钮29-8020设置在屏幕29-8012下面。

仪器的整体尺寸是，宽度W为419mm，整体高度OH为621mm，深 度D为405mm。

侧板29-8022是可拆除的，用于维护目的。

图5的实施例更清楚地示出门30-8004结构，以及通过门进出的工作 空间30-8024。工作空间30-8024包括插入盒托架30-8026的狭槽。在本 文中的其他地方描述盒托架30-8026。工作空间30-8024还包括通路发现 设备30-8028。

通过旋转打开侧板30-8032中的盖30-8030，以允许接近光学元件用 于维护目的。

盒至仪器的接口

一旦向盒中装入样品，则将盒装入仪器11中，用于将执行的处理。

作为第一步骤，释放门锁8004并打开门8002。

为了插入盒9，图6，盒9的支撑PCR腔416的部分插入控制PCR过 程的部件之间的狭槽8023中。这些部件包括热电加热器/冷却器、珀耳帖 装置8025和用于它们的风扇8027。这些部件自由行进至受限制的范围， 以帮助盒9在狭槽8023内的定位，同时在插入之后被强制返回最佳位置， 以给出有效的加热/冷却。

盒9设置有一系列凹部，凹部与延伸穿过印刷电路板8008的销子协 作，以相对于印刷电路板8008精确地寄存盒9。销子布置使得盒9不适合 周围错误的道路。

一旦定位，盒9设置在平行于印刷电路板8008的平面的平面中。两 个部件都具有彼此面对的平坦表面，以帮助它们之间所需要的良好接触。

通过安装在门8002的内表面上的系列弹簧加载销的方式，门8002的 关闭和门锁8004的操作将压缩力施加至盒9。这帮助将盒9保持为与印刷 电路板8008牢固地接触。

印刷电路板8008对本发明成功操作是重要的。它为盒9上的将被驱 动的各种部件提供能量源。实际上，驱动器都设置在盒9中，但能量源设 置在印刷电路板8008上。以这种方式，通过印刷电路板8008的昂贵且专 门编写的电子元件和布置确保所需要的精确操作；仪器的可重复使用的部 件。以这种方式，盒9是简单的且独立的。这降低了二者之间的接口的复 杂性，并且还去除了盒9的内容物的污染风险。仅在印刷电路板8008和 盒9之间进行转移，并且从加热器和由磁体提供的磁场散发热量。

印刷电路板上设置的元件包括：

a)连接至盒9上的电化学泵电极的销的电接触件。在需要时，这些接 触件提供使电化学泵运转的电力。

b)用来将热量施加至盒上的阀以根据它们的类型打开和关闭阀的电加 热器。这些电加热器是通过将糊膏印刷至目标位置而涂敷的电阻加热材料 的方块区域。如果方块相对于受阀控制的通道的轴线旋转45度，则改善 加热效果。

c)当希望保留珠子和防止它们移动时，磁体被推进为靠近盒9。当希 望释放腔内的珠子时，远离盒9缩回磁体。

d)传感器提供由加热器等引起的条件的反馈和/或验证。

盒至仪器接口的替换物

如果需要改变或改善盒和印刷电路板之间的接触，存在多个选择进行 这样做，包括下述选择：

a)由安装在门8002上的弹簧式销提供的负载可以增加。这施加作用 力至盒9并将盒9推靠在印刷电路板8008上。

b)盒9被机械地夹紧至印刷电路板8008，夹子施加压缩力。

c)盒9在意图接触印刷电路板的表面上可以设置有可压缩基板。以这 种方式，当盒9和印刷电路板8008被推在一起时，基板将所有的接触处 都提供良好的接触。基板可以为固体材料、糊膏或者甚至液体。例如，基 板或其一部分的材料被选择为提供最大导热率。可以添加颗粒、纳米颗粒 或其他材料以改变特性。在使用之前可以由可剥离的背衬保护基板。

d)如上所述，部件(如加热器等)被设置在印刷电路板8008上的固定 位置中。这意味着它们与印刷电路板8008一起移动。可行的是为这些部 件中的一个或多个，以及甚至每一个，提供独立运动度。例如，可以以弹 簧安装将它们设置在印刷电路板上。以这种方式，每个部件能够独立地调 整它相对于盒的向前和向后的位置。

e)如图7所示，能够与将控制PCR过程的层叠部件相反地设置盒9的 支撑PCR腔416的部分。在这种示例中，叠层包括与盒9接触并与第二 珀耳帖装置23-03接触和对齐的第一珀耳帖装置23-01。装置的层叠允许 在PCR腔内获得高温，例如大于150℃。这种温度在熔化在本文中的其它 地方描述的高熔点蜡状密封件方面是有益处的。

f)可以使用加热器的替换形式代替珀耳帖装置效应装置。例如可以使 用红外加热装置。PCR腔周围的材料或该材料的一部分能够进行电阻加 热，以将必要的加热给予腔。可以使用定位在盒上的电阻加热器。可以使 用微波加热。

可替换的盒至仪器接口

在上文关于图4a、b、c和图5描述的仪器的可替换实施例中，盒没 有直接装在仪器中。相反，一旦装有样品，则盒31-01装入盒托架31-03 中。

托架31-03的使用意味着可以独立地构造盒31-01和CE芯片。这允 许将不同的材料和/或不同的制造公差用于不同的部件；因此可以在成本和 /或性能和/或它们之间的平衡方面提供有益的效果。

托架31-03还允许容易组装所需要的部件和以整体形式将它们插入仪 器中。同时，托架被设计为允许对盒和CE芯片进行单独的对准检查和调 整，使得二者都位于它们在仪器内的正确的最佳位置。

如果需要，可以检查盒位置，并且可以进行必要的任何对准调整。在 CE开始之前，在CE开始之前需要进行的任何调整之内，可以对CE芯片 的对准进行单独的检查。

在图8中图示盒托架31-03。盒托架31-03包括第一支撑件31-05和 垂直于第一支撑件31-05的第二支撑件31-07。

第一支撑件31-05用来支承盒31-01。第二支撑件31-07用来支承毛细 管电泳、CE、芯片；在下文进一步描述这种交互作用。

以制备好的盒31-01的面31-09面对由第一支撑件31-05限定的面 31-11的方式呈现制备好的盒31-01。设置在第一支撑件31-05的每个角处 的外螺纹螺钉被容纳在设置在盒31-01的每个角处的相对孔中。螺钉的旋 转使它们接合并进入设置在孔中的内螺纹。进一步拧紧将盒31-01安装在 第一支撑件31-05上，并且因此将托架31-03安装在安全的和已知的位置 中。

CE芯片32-31插入托架32-03中，如图9a所示。CE芯片32-31滑入 狭槽中。如图9b所示，第二支撑件32-07在任一端部处提供用于容纳CE 芯片32-31的端部32-35的这种狭槽32-33。CE芯片32-31的前缘32-39 上的斜面32-37与弹簧加载活塞32-43的末端32-41接合并引起它向外移 动，箭头A。一旦凹部32-43被呈现给活塞32-43的末端32-41，则活塞 32-43返回，箭头B，并且因此防止CE芯片32-31越过目标位置向外运动。

一旦盒31-01和CE芯片32-31插入托架31-03，32-03中，则由管在 二者之间提供流体连接。

在将盒31-01和CE芯片32-31插入托架31-03中后，如上所述，托架 31-03准备好插入。

作为第一步骤，打开门30-8004以露出工作空间30-8024。工作空间 30-8024包括插入托架的狭槽。

托架插入狭槽直到第二支撑件搁在工作空间30-8024的表面上。托架 与狭槽的协作在侧向和垂直定位方面确保盒相对于仪器的正确的普通定 位；图5。

以这种方式进行的插入提供盒的在将控制PCR过程的部件之间支撑 PCR腔的部分；如下文进一步描述的那样。

一旦插入，门30-8004关闭。门30-8004的关闭基于关闭的门30-8004 和壳体之间的接触触发多个动作。盒至PCB的夹紧、CE芯片在CE芯片 加热器板上的定位、电接触件至设置在CE芯片上的引脚的引入、电接触 件至提供至电化学泵中的电极的导电路径的引脚的引入都是被以这种方 式触发的。门30-8004的关闭还用于断开用于仪器内的各种安全系统的互 锁。该互锁例如防止激光器在门或仪器的壳体中的任何其他开口打开的情 况下活动。类似的原则适用于仪器内的。

如与其它实施例一样，重要的是在盒和仪器接口之间提供有效的和精 确的接触。

盒和PCB之间的面对面接触提供盒和仪器之间的大部分交互作用， 例如，用于阀控制装置、传感器等的加热。然而，通过其它部件提供PCR 腔及其温度循环控制器之间的接触；参见图36a，b，c和d。

在图10a中，盒36-01被示出为插入设置在仪器中的狭槽中。一旦插 入，盒36-01支撑PCR腔的部分定位在一对卡尺36-100之间。PCB在该 位置处被切掉，从而不阻挡珀耳帖装置效应装置36-102，36-108和该对卡 尺36-100的道路。卡尺36-100是浮动的，使得它们在从插入位置至使用 位置的运动期间不干扰盒36-01和PCB之间寻求的接触。

前测径器36-100a设置有安装在支撑件36-104上的珀耳帖装置效应装 置36-102，支撑件36-104在致动器36-106的控制下能够沿箭头C往复运 动。致动器36-106还安装在该对卡尺36-100上。

后测径器36-100b设置有固定地安装在测径器36-100b上的第二珀耳 帖装置效应装置36-108。第二珀耳帖装置效应装置36-108被设置为与珀 耳帖装置效应装置36-102相对。

在图10c中示出的打开位置中，如设置有位于插入位置的盒，珀耳帖 装置效应装置36-102和第二珀耳帖装置效应装置36-108的相对面36-110， 36-112之间的距离大于盒36-01的该部分的厚度，并大于托架36-03的在 托架36-03的插入期间在该对卡尺36-100之间经过的厚度。

在图10d中示出的关闭位置中，如在放大步骤期间提供，该距离减小。 这是通过致动器36-106将前测径器36-100a上的珀耳帖装置效应装置 36-102移向盒36-01和移向相对的第二珀耳帖装置效应装置36-100b实现 的。这种致动，与该对卡尺36-100的浮动特性组合，使两个珀耳帖装置 效应装置在它们的相对侧都与盒36-01牢固地接触。它们现在位于为PCR 步骤提供必要的加热和/或冷却的位置。

用于检测所施加的温度并且潜在地用于控制所施加的温度的热电偶 被设置为靠近珀耳帖装置效应装置、嵌入铜垫片、结合至珀耳帖装置效应 装置。

在移除托架36-03之前，致动器36-106将珀耳帖装置效应装置36-100 返回至打开位置。

盒

对仪器的操作关键的是可丢弃的一次性盒9。该盒9意图仅在单个场 合处理和提供分析结果。由于将制造、组装或进货成本保持为低的需求， 盒9的可丢弃性质在可使用的材料方面对盒9施加大量限制。

现在描述盒9的详细布局。稍后，提供构成盒的元件的操作顺序的描 述。

图11a为在盒9上提供的样品接收步骤200的一部分、整个样品制备 步骤202和整个样品放大步骤204的图示。后续的步骤和它们各自对盒9 的越过被单独地图示。

图11b提供所使用的各个腔的容积、盒9的各个部件的深度(实际上， 到纸页中)和该部分的整体尺寸的细节。

盒9设置有样品引入腔302，样品引入腔302连接至通向盒300外面 的通道304。这形成在盒9上提供的样品接收步骤200的那些部件。

样品制备步骤204跟随其后。为了提供样品制备步骤204，样品引入 腔302连接至泵送流体通道306并因此连接至第一电化学泵308。样品引 入腔302具有出口通道310，出口通道310经过阀312并提供至提纯缓冲 腔314的进口。阀312最初是打开的。

提纯缓冲腔314经由通道316连接至珠子储存腔318。珠子储存腔318 经由通道320连接至初始混合腔322。来自初始混合腔322的出口通道324 由关闭的阀326阻挡，但通风通道328是打开的，因为阀330最初是打开 的。

出口通道324越过阀326通向第一个另外的混合腔332，并且随后通 过通道334到第二个另外的混合腔336。来自第二个另外的混合腔336的 出口338越过阀340通向培养腔342，在培养腔342中气泡混合帮助DNA 的珠子结合过程。

培养腔342具有设置有阀346的通风通道344和最初由阀350封闭的 出口通道348。培养腔342还设置有泵送流体进口通道352，泵送流体进 口通道352经过阀354并连接至第二电化学泵356。来自培养腔342的出 口通道348通向捕获腔358，在捕获腔358中收集珠子和因此结合的DNA。 捕获腔358设置有经过第一阀362和第二阀364的第一通风通道360。捕 获腔358还设置有经过第一阀368和第二阀370的第二通风通道366。

还连接至捕获腔358的是清洗缓冲通道372。清洗缓冲通道连接至第 一阀374和第二阀376，并且从第二电化学泵356通过清洗缓冲腔378通 向捕获腔358。

还连接至捕获腔358的是洗脱液通道380。洗脱液通道380连接至第 一阀382、洗脱液储存腔384、第二阀386并返回第三电化学泵388。

捕获腔358具有清洗出口通道390，清洗出口通道390分成经过阀394 的第一清洗出口通道段392和经过阀398的第二清洗出口通道段396。在 经过它们各自的阀394，398之后，第一清洗出口通道段392和第二清洗 出口通道段396彼此重新接合以形成另一个清洗通道400。所述另一个清 洗通道400经过阀402通入清洗腔404中。清洗腔404沿着通风通道406 经过阀408向外排出。这些元件提供样品制备步骤202。

为了提供样品放大步骤204，捕获腔358还设置有洗脱出口通道410， 洗脱出口通道410经过阀412并经过阀414且通入PCR腔416中。来自 PCR腔416的出口通道418经过阀420通入储存腔422中。储存腔422通 过通风通道424向外排出。下文进一步描述储存腔422的作用。

设置在PCR腔416中的是装载有试剂珠子，PCR过程需要的多重混 合物。试剂/多重混合物包括初级dNTP和PCR反应混合物，包括Tris缓 冲剂、MgCl₂、NaCI和BSA。这些试剂一旦接触PCR腔416中的珠子就 释放到样品中，并且温度升高到环境温度以上。

上述电路整体上足以接收、保留、清洗、洗脱样品和在样品上进行 PCR，以及储存来自该过程的废弃物和PCR产品的存档文件。

接下来，图12中图示的布置可以用来将现在放大的DNA从PCR腔 416转移到电泳步骤206。

在图12中，PCR腔416是被在图11a中图示并被在上文描述的同一 PCR腔416。从图11a中省略其它特征以改善该图的清楚性。

引自PCR腔416的是连接至放大材料混合腔502的变性输送通道500。 放大材料通过连接至通道506的第四电化学泵504的动作被从PCR腔416 抽取，并被泵送至变性剂储存腔508，通过通道510到达PCR腔416。在 变性剂储存腔提供优选形式的甲酰胺。

这些部件在样品放大步骤204期间通过关闭的阀512和关闭的阀514 与PCR腔416隔离。两个阀512和514是打开的，阀516和518是关闭 的，以输送放大材料远离PCR腔416。

从变性输送通道500开始，放大材料和变性剂进入第一放大材料混合 腔502，通过通道520，进入第二放大材料混合腔522，通过通道524并进 入第三放大材料混合腔526。当第三放大材料混合腔526填满时，阀528 关闭且通风口530打开。提供45∶1的整体体积，5∶1来自PCR腔，40∶ 1来自变性剂储存腔508。

放大材料在必要时间内和必要温度处被保持在第三混合腔526中，以 完成变性过程。一旦这已经实现，则阀528打开，并且通过第四电化学泵 504进行的进一步的泵送将变性材料泵送至电泳步骤进口532。在进口532 处，变性材料从盒9的平面出来并到达后面的电泳盒部分。一旦经过进口 532，阀534关闭以将盒9与电泳盒部分600隔离。

该结构的整体结果是将放大的DNA泵送至用于电泳步骤206的开始 点。

以方式提供从PCR到CE步骤的转移：允许容易集成步骤、不影响 PCR中所需要的温度和压力稳定性并且在转移期间实现最少的样品损失 的。样品的自动转移和转移期间的尺寸标准以及在CE之前预浓缩样品的 可能性也成为可能。

在图13a的侧视图和图13b的正视图中可以看到电泳步骤206的整体 配置。

进口532从盒9的平面出发，通入电泳盒部分600。在这里，进口532 通入电泳输送容器604的顶部602。顶部602是空的，但下部606设置有 凝胶体608，凝胶体608还填充毛细管610。样品由未示出的第四电化学 泵泵送到电泳输送容器604中。

采用电泳作为输送机制实现样品从容器604到毛细管610内的正确的 位置的流动。

在该实施例中，设置在毛细管盒部分600内的喷射器结构是双T喷射 器。这包括第一电极位置612、设置在长毛细管616的另一端处的第二电 极位置614，在长毛细管616中实现基于尺寸的分离。第三电极位置618和 第四电极位置620分别设置在侧臂622和624中。侧臂彼此相对偏移，侧 臂624比侧臂622更朝向第二电极位置614。

最初，通过施加至存在于第三电极位置618的电极的电压，样品被从 容器604中的液相抽吸通过具有设置在容器604中的凝胶体的界面，并因 此进入凝胶体。一旦样品已经被抽吸经过第四电极位置620，则电压还施 加至位于第四电极位置的电极。同样，位于第三电极位置的电极可以位于 600V的电压处，位于第四电极位置的电极可以位于200V的电压处。针对 位于第一电极位置612和第二电极位置614处的电极，电压可以浮动。

这种情况导致样品被抽吸沿着侧臂624，沿着部分626并进入侧臂 622，使得样品存在于两个侧臂622和624以及毛细管616的部分626中。

这在电泳将在部分626中起作用时插入样品。

为了降低所使用的电极的成本，与一次性盒一致，可以使用镀镍、镀 金、镍和其它低成本电极。

一旦定位，施加分离电压：在处于第二电极位置614的电极处为 1500V；在处于第一电极位置612的电极处为0V；以及在存在于第三电极 位置618和第四电极位置620处的电极处为200V。

毛细管616填充有凝胶体基质，凝胶体基质优选地在它们的尺寸增加 时延迟DNA内的成分的进展速度。结果是所述成分的基于尺寸的分离， 更快的成分首先到达检测位置626，最慢的成分最后到达检测位置628。 信号产生和形成电泳图的不同时间指示该信号背后的成分的尺寸。

能够通过在毛细管内采用尺寸标准帮助理解未知的成分尺寸。这是采 用不同的染料颜色提供的或以其它方式呈现不同。在美国专利申请No. 61/096424中提出的方法提供了用于根据尺寸标准确定未知物的尺寸的方 法，通过引用将该美国专利申请的内容结合于此。

下文描述光源、光学元件和检测器的配置和操作。

还已经开发了盒的其它实施例。

如图14所示，通过为电化学泵27-03，27-05，27-07，27-09提供通向 泵中的电极的引线和未示出的Pogo^TM引脚类型的电源之间的连接，修改 盒27-01。引脚27-11被弹簧加载在盒27-01的凹部中，并且在使用中，接 触盒至仪器接口的另一侧的类似的弹簧加载引脚(未示出)。因此提供可靠 的电接触，并且盒在除其中用于电化学泵的引线从盒侧突出的设计之外的 储存、安装和使用期间更加耐用，避免损坏。

图14中示出的形式的特征还在于引导孔27-13，引导孔27-13用在盒 和仪器的对准中，如下文更详细地描述的那样。

在图15a中示出盒的优选实施例。这是样品接收步骤200在盒28-09 上提供的部分、整个样品制备步骤202、整个样品放大步骤204、整个样 品变性步骤至毛细管电泳步骤206的输送的图示。

图15b提供所使用的各个腔的容积、盒28-09的各个部件的深度(实际 上，到纸页中)和该部分的整体尺寸的细节。

盒28-09设置有样品引入腔28-302，样品引入腔28-302连接至通向盒 28-09外面的通道28-304。这形成样品接收步骤200中的在盒28-09上提 供的那些部分。

样品制备步骤204跟随其后。为了提供样品制备步骤204，样品引入 腔28-302连接至泵送流体通道28-306并且因此连接至第一电化学泵 28-308。样品引入腔28-302具有出口通道28-310，出口通道28-310经过 阀28-312并提供至珠子储存腔28-318的进口。阀28-312最初是打开的。

珠子储存腔28-318具有通向结合缓冲储存腔28-314的出口通道 28-316。与图3a实施例相比，这种腔顺序是颠倒的。结合缓冲储存腔28- 314具有通向混合/提纯腔28-322的出口通道28-320。

混合/提纯腔28-322经由通过阀28-326的通道28-324并经由通道 28-500连接至第一附加混合器28-332。来自混合/提纯腔28-322的出口通 道28-324由关闭的阀28-326阻塞，但通风通道28-328是打开的，因为阀 28-330最初是打开的。

出口通道28-324经过阀28-326通向第一附加混合器28-332并且随后 通过通道28-334通向第二附加混合器28-336。来自第二附加混合器28-336 的出口28-338经过阀28-340通向培养腔28-342，在培养腔28-342中气泡 混合帮助DNA的珠子结合过程。培养腔28-342可以被主动加热，或者简 单地提供必要的停留时间和/或所需要的其他结合条件。

培养腔28-342具有设置有阀28-346的通风通道28-344和最初由阀 28-350关闭的出口通道28-348。培养腔28-342还设置有泵送流体进口通 道28-352，泵送流体进口通道28-352经过阀28-354并连接至第二电化学 泵28-356。

来自培养腔28-342的出口通道28-348还通向捕获腔28-358，在捕获 腔28-358中收集珠子并因此收集结合的DNA。捕获腔28-358设置有经过 第一阀28-362和第二阀28-364的第一通风通道28-360。捕获腔28-358还 设置有经过第一阀28-368和第二阀28-370的第二通风通道28-366。

还连接至捕获腔28-358的是清洗缓冲通道28-372。清洗缓冲通道连 接至第一阀28-374和第二阀28-376，并从第二电化学泵28-356通过清洗 缓冲腔28-378同样捕获腔28-358。

还连接至捕获腔28-358的是洗脱液通道28-380。洗脱液通道28-380 连接至第一阀28-382，洗脱液储存腔28-384，第二阀28-386并返回至第 三电化学泵28-388。

捕获腔28-358具有清洗出口通道28-390，清洗出口通道28-390分成 经过阀28-394的第一清洗出口通道段28-392和经过阀28-398的第二清洗 出口通道段28-396。在经过它们各自的阀28-394，28-398之后，第一清洗 出口通道段28-392和第二清洗出口通道段28-396彼此重新接合以形成另 一个清洗通道28-400。所述另一个清洗通道28-400经过阀28-402通入清 洗腔28-404中。清洗腔28-404沿着通风通道28-406经过阀28-408向外排 出。这些元件提供样品制备步骤202。

为了提供样品放大步骤204，捕获腔28-358还设置有洗脱出口通道 28-410，洗脱出口通道28-410经过阀28-412并经过阀28-414且通入 28-PCR腔416中。来自PCR腔28-416的出口通道28-418经过阀28-420 通入储存腔28-422中。储存腔28-422通过通风通道28-424向外排出。如 在上文中进一步描述了储存腔28-422的作用。

设置在PCR腔28-416中的是装载有试剂的珠子，PCR过程需要的多 重混合物。试剂/多重混合物包括初级dNTP和PCR反应混合物，包括Tris 缓冲剂、MgCl₂、NaCI和BSA。这些试剂一旦接触PCR腔28-416中的珠 子就释放到样品中，并且温度升高到环境温度以上。

上述电路整体上足以接收、保留、清洗、洗脱样品和在样品上进行 PCR，以及储存来自该过程的废弃物和PCR产品的存档文件。

与先前的实施例相比，该电路的PCR部分已经移动至盒的上部，以 防止它在实体上更靠近CE芯片。

接下来，图15a中示出的进一步的布置可以用来制备、变性步骤和将 现在放大的DNA从PCR腔28-416转移到电泳步骤206中。

引自PCR腔28-416的是出口通道28-418。出口通道28-418在阀28-420 和28-504之后分成变性输送通道28-550和通向储存腔28-422的通道。变 性输送通道28-550连接至变性腔28-552。放大材料通过连接至通道28-556 的第四电化学泵28-554的动作被从PCR腔28-416抽取，因此被泵送至变 性剂储存腔28-558并通过阀28-560和通道28-562到达PCR腔28-416。 在变性剂储存腔28-558中提供甲酰胺，与尺寸标准结合以用在毛细管电泳 步骤中。

这些部件在样品放大步骤204期间通过关闭的阀28-512和关闭的阀 28-502与PCR腔阀28-420隔离。两个阀28-502和28-420是打开的，阀 28-414和28-506是关闭的，以输送放大材料远离PCR腔28-416到达变 性腔28-552。这通过阀28-564排出，出口通道28-566由阀28-568关闭。

放大材料在必要时间内和必要温度处被保持在变性腔28-552中，以完 成变性过程。一旦这已经实现，则阀28-568打开，并且通过第四电化学泵 28-554进行的进一步的泵送将变性材料泵送至电泳步骤进口28-570。

在进口28-570处，变性材料从盒9的平面出来并通过管到达后面的电 泳盒部分。该结构的整体结果是将放大的DNA泵送至用于电泳步骤206 的开始点。

上文提供了进口28-570至CE芯片的连接的细节。

在上文和接下来的部分中描述的整个操作中，对操作条件、部件性能 和成功的操作进行多种检查，以确保从开始到结束都正确地提供处理。误 差或问题被指示给操作者。

盒部件

在盒内的是大量部件，每个部件在其作用和其与其它部件结合的作用 被优化。

1)阀

为了最小化制造成本并给出一致的操作，盒中的所有阀都是两种类型 中的一种。这两种类型是隔断阀2000；图16a；和开式阀2002；图16b。

在图16a中示意性地示出隔断阀2000。隔断阀2000相对于重力方向 定位在将被关闭的通道2004的上方。隔断阀2000由导管2006形成，导 管2006与通道2004流体连通并与阀容器2008的底部流体连通。阀容器 2008填充有固体石腊，直径为3mm并设置有导管2006。在阀容器2008 的顶部上，气体通道2010提供与阀气体容器2012的流体连通。阀气体容 器2012充满空气。

图16a中的虚线示出隔断阀2000与设置在仪器的邻接印刷电路板上 的未示出的加热器元件接触的位置的部分。

当隔断阀2000将被启动时，引起加热器元件加热。这既熔化阀容器 2008中的固体石蜡又引起阀气体容器2012中的空气膨胀。空气的膨胀提 供驱动力以将熔化的固体石蜡从阀容器2008移动到导管2006中且随后移 动到通道2004中。

所移动的固体石蜡的体积由阀气体容器2012被加热到的温度(压力变 化)和所施加的加热的持续时间(因为固体石蜡在加热断开时立即固化)控 制。

固体石蜡到通道2004中的连续移动引起固体石蜡沿每个方向沿着通 道2004膨胀。

在一些情况中，通道中的流体将不沿一个方向压缩或移动(或者在可能 的范围内受到限制)，并且因此固体石蜡在通道2004内的流动优选沿其它 方向出现。通常，固体石蜡移动到通道2004中，直到填充通道2004的2mm 至10mm长度。在去除热量后，固体石蜡在该新的位置固定，并且可靠地 密封通道2004。

通道2004将被关闭的部分相对于重力方向被故意选择为水平的，因 为这帮助将固体石蜡保持在将被密封的位置处。

为了进一步帮助密封的形成，有利的是设置隔断阀，使得它相对于重 力方向位于一个或两个向上弯曲之间。如图16a所示，弯曲2014帮助密 封在通道2004内的精确形成。

在图16b中示意性地示出开式阀2002。开式阀2002被定位为通道2004 的流体流过的部分。开式阀2004有阀腔2020形成，阀腔2020在第一侧 壁2024中具有来自通道2004的进口2022，并且在相反的侧壁2028中具 有通向通道2004的延续部分的出口2026。

固体石蜡定位在阀腔2020的初始部分2030中。在该初始部分2030 下游的是俘获部分2032。图10b中的虚线示出开式阀2002的与设置在仪 器的邻接印刷电路板上的未示出的加热器元件接触的部分。

当开式阀2002将被启动时，引起加热器元件加热。这熔化初始部分 2030中的固体石蜡。在石蜡熔化时，或紧跟其后，开式阀2002上游的电 化学泵已经被启动足够多的时间，以在开式阀2002的上游引起压力累积。 该压力引起驱动力以将熔化的固体石蜡从初始部分2030移动并向下游移 动到俘获部分2032中。一旦位于俘获部分2032中，固体石蜡上方的通道 2034被清空，允许通过开式阀进行流体连通。

在去除热量后，固体石蜡在该新的位置固定，并且可靠地密封通道 2004和通路2034。

通道2004将被关闭的部分相对于重力方向被故意选择为水平的，因 为这帮助将固体石蜡保持在俘获部分2032中。

在一些应用中，特别是接近在PCR腔中使用的高温的应用中，阀受 益于采用高熔点石蜡。这在大于95℃的温度处熔化并且因此在PCR条件 下不熔化。在一些清空中，通过采用高熔点和低熔点混合，可以进一步改 善阀性能；低熔点石蜡倾向于填充在较高熔点石蜡中形成的任何裂缝。

2)电化学泵

为了简化盒的结构和成本，使用常用方法来将动力提供至盒上的各个 操作；采用气体提供动力的气体射流驱动装置，例如为电化学泵。每个电 化学泵由浸入电解液中的一对电极构成。电流的流动导致废气产生。废气 聚积在电化学泵的顶部中，压力增加，并且经由泵的顶部中的出口离开泵。 这种废气推动它前面的、在通道和腔中遇到的气体流体。该废气有助于在 一些阶段中混合的气泡。

为了给出期望程度的泵送，电化学泵的容积可以变化。泵送程度可以 在一次、两次或更多次运转中呈现，因为关断电流停止泵送动作。

通过改变电解液的摩尔浓度，可以改变所呈现的泵送速率和/或压力。 氯化钠是优选的电解液；以1M使用；并且与铝电极结合使用。

电泳部件

1)光学元件

在电泳步骤206中，在检测位置628处，来自激光器800光被聚焦以 入射在于DNA成分相关联的荧光染料上，从而使得它是可检测的。

不同的染料用于每种不同的DNA成分类型；类型通过与给定的位点 相关联。

为了获得良好的敏感性，对入射光来说重要的是对检测器来说具有足 够的强度，以接收足够多的光，从而对发射的荧光敏感，但强度不要太高 而引起染料的光致褪色。为了提供这种敏感性，使用接下来的布置；图17。

光源是按照在热沉902上的激光器900。激光器900是Cobolt Calypso 激光器(来自Cobolt AB，Kraftriken8，SE-10405，Stockholm，Sweden)， 并在50m W的最大功率下以491nm进行发射。有激光器900发射的光输 送至光纤耦合器904(来自Melles Griot，2051Palomar Airport Road，200， Carlsbad，CA92011，USA的09LFC001，f＝3.5mm)，并且因此发射到接 线电缆组件(M31L01，来自Thorlabs，435Route206North，Newton，New  Jersey，07860，USA)和光纤906(GIF625，直径62.5：m，NA＝0.275，来 自Thorlabs，435Route206North，Newton，New Jersey，07860，USA)中。

光纤906的使用是有益处的，因为它安全地控制激光方向，使得激光 能够容易地输送至使用位置，并且使得能够在整个系统中提供机械稳定 性。在光纤906的末端处，仍观察到高达45.32mW的功率。

激光随后在到达光斑镜910之前通过准直器908(F230FC-A，F＝4。 5mm，NA＝0.55，来自Thorlabs和具有锐利截止波长的记录通过(logpass) 滤波器，EM滤波器(Omega Optical XF3093，T50＝515nm)。光斑镜910 既用来将激光引向毛细管的检测位置628，又各向异性地和没有滤波地将 从它接收到的荧光传递至检测器单元。它与激光束成45度角。为了实现 这种角度，反射器910由传输从80以上到380nm的所有光的25mm的圆 玻璃盘构成。在反射器910的中心处设置有沉积在那里的高度反射镜面层 (99.99％的反射率)构成的2mm×1mm宽的椭圆(从而呈现有效的1mm圆形 镜子)。

在到达检测位置628之前，激光通过聚焦透镜912。这可以为显微镜 光学元件或其它这种可调焦透镜。这种光学元件是有用的，因为它们不向 光引入任何光学像差，对施加至检测位置628的光束进行成形，并且不带 来光色的任何选择性损失。到达检测位置628的功率超过27.40mW。

荧光沿所有方向从毛细管616中的染料选择性地散射。对于到达检测 器单元的荧光，该荧光需要在玻璃部位之外的位置撞击光斑镜910。如果 这样做，则光传输到检测器单元914中。

检测器单元914包括位于分光计前方以获得衍射受到限制的入射光 的狭缝，分光计设置有衍射光栅和透镜918(LA1608A平凸形，f＝50mm， D＝25mm，具有在350-650nm内的抗反射涂层，由BK7玻璃支撑，Thorlabs 公司)，以将光引向电荷耦合装置916。CCD916具有分光镜能力。

在可替换方法中，通过提供开放射束法来将来自激光器的光传递至通 道，可以避免与光纤光学元件的稳定性相关的某些问题。

在图18的剖视透视图中示出光学元件的可替换实施例。仪器壳体 39-01提供用于光学元件的多种支架。由在激光器控制器39-05的控制下 操作的激光头39-03产生光。光进入光学元件39-07并在通道处被引入安 装在CE芯片加热器板39-09中的未示出的CE芯片中。

返回光进入光学元件39-07并被向回引导至分光计39-11和CCD相机 39-13。在CE芯片加热器板39-09上方的是下文被进一步描述的芯片对准 结构39-15。

在图30A中的透视图和图30B中高得分解图中描绘了光学元件组件 的可替换实施例。光学元件叠层包括设置在聚焦台1168上方的物镜1166。 聚焦台1168安装在用于围绕z轴进行调整的Z传送器1170。Z传送器1170 经由杆1174安装在光学元件管1172上。光学元件管1172又安装在用于 围绕x和y轴进行调整的x-y对准装置1176。裂缝壳体1178设置在光学 元件叠层的底部处。

包括激光源的激光头组件1180通过支架1182和螺钉1184安装在光 学元件叠层上。CCD分光计组件1186安装在光学元件叠层下面。CCD安 装支架1188通过螺钉1190固定至CCD分光计组件。还设置光学元件安 装支架1192并其由螺钉1194固定。

聚焦台1168包括压电致动器。在使用中，压电致动器被调整以聚焦 激光。

2)电泳环境控制

为了在电泳步骤206中获得必要的分辨率，毛细管616及其内容物的 温度需要被仔细地控制在最佳温度处。在本实施例中，电泳盒部分与导热 部件接触，一系列电阻加热器设置在该部件的相反侧上。这些电阻加热器 设置有控制器并能够将电泳盒部分的温度维持在最佳温度+/-0.3℃。

此外，电泳盒部分设置在其中的腔被恒温地控制在最佳温度处。仅仍 然降低使用之前、之间和之后的其它温度变化。

CE芯片加热床和围绕它的凸起表面的使用在控制CE芯片内的温度 方面是有益的。如此形成的温床确保一定的定位和良好的接触。

磁体台机械机构

如上所述，一些实施例包括用于相对于样品盒移动磁体以允许控制由 样品盒的一部分经历的磁场的机械机构。该磁场与设置在样品盒中的磁珠 接合使用。

图31A图示在本发明的一种实施例中使用的示例性磁体台的透视图， 图31B为分解图。

稀土磁体1196具有四边近似为13mm(0.5英寸)的立方体形状。这由 夹具1200和螺钉1202夹紧至托架1198。托架1198包括位于其下侧上的 纵向凹部，纵向凹部接合轨道1204以将托架1198(且因此磁体1196)的运 动限制到单个方向。轨道1204设置在安装支架1206上。

为了移动稀土磁体，高转矩伺服电动机1208通过螺钉1210固定至安 装支架。高转矩致动器将旋转运动提供至伺服电动机臂1212。通过由连杆 构件1214以及销钉连接器1216和1218约束轨道1204的动作，将伺服电 动机臂的旋转运动转换成磁体1196的线性运动。

在使用中，高转矩伺服电动机1208被控制以沿z方向(沿着轨道1204 的线)改变磁体的位置。沿垂直于轨道的方向的x和y方向的调整在制造和 组装期间通过机械调整实现。

电子系统概述

图19图示本发明中使用的各种电学和电子子系统和它们之间的连接 的图形表示。主板1000用作主机PC1002和下文描述的各种子系统中的 一些之间的通信中心。主机PC1002假设设置的操作的整体控制如上所述 执行样品盒中的样品的分析。它经由各个RS-232串行接口与主板1000、 条形码读出器1004和激光器1006连接，并经由各个USB串行接口与工 作台伺服电动机1008和CCD1010连接。也可以使用可替换的数据接口。 可以由RFID读出器(未示出)代替或补充条形码读出器1004。

主板(MB)1000直接连接至光条1012、用于装载样品盒的伺服电动机 1014、用于控制磁体的位置的磁体伺服电动机1016和用户启动按钮1017。 RS-485总线1019延迟主板1000与高压电源和加热器控制(HV)板1018、 样品制备(SP)板1020、焦距控制(FC)板1022和珀耳帖装置控制器(TC)1025 之间的指令和数据。

盖开关1024同时为主板1000、高压电源和加热器控制板1018和激光 器1006提供直接输入，以检测设备的盖打开的时间并使安全联锁装置运 行。可替换地，可以设置单独的盖开关。

高压电源和加热器控制板1018提供CE分析阶段以及控制在CE阶段 期间使用的电阻加热器所需要的高电压。为了提供这种功能，它连接至用 于监测CE加热器1028的温度的四个热敏电阻器1026，它还连接至CE 加热器1028。为了在CE芯片的各个点处提供所需要的高电压，电极输出 端1030(在图19中被图示为一个元件)提供三种输出，每种输出可以被独 立地设置为浮动、接地或规定电压。还设置第四个电极输出端1032，其总 是连接至接地。

样品制备板1020控制样品分析的样品制备阶段所有方面，如上所述。 为此目的，它包括用于触发通过条形码读出器1004对条形码(在可替换实 施例中为RFID或其它标识符)的读取的信号线1034。它包括用于多个开 式阀1036和隔断阀1038加热器，用于打开和关闭阀，以在样品盒中的各 个样品制备台之间移动样品。还设置延迟输出端1040。为了控制PCR期 间的温度，热敏电阻输入端1042监测温度，并且腔加热器1044被控制为 实现预期温度。

焦距控制板1022控制CE分析阶段中使用的激光器1006的聚焦。它 连接至光学系统的物镜1046以调整聚焦。

珀耳帖装置控制板1025基于由热敏电阻器1052，1054测量的温度控 制珀耳帖装置1048，1050。

在本概述讨论中，虽然涉及热敏电阻器，但在可替换实施例可以使用 任何合适的温度传感器。同样，主机PC可以为具有任何合适的操作系统 的任何合适的计算机系统。虽然各个部件分成子系统，但在可替换实施例 中这些子系统可以集成为少数子系统或分成更多的子系统。

现在将描述这些部件中的每一个的操作和它们的结构的新颖方面。

主板

本部分描述主板(MB)1000的操作和功能特征。MB1000监控用户启 动按钮1017。当检测到用户启动按钮1017的按钮按压时，MB1000经由 链接1057启动系统电源1011，并在短的延迟时候，通过施加电压至链接 1056，随后释放它，维持至主机PC1002的启动按钮输入。在预定延迟之 后，例如5秒，检查线1058上的_PC_ON信号。如果来自主机PC1002 的_PC_ON输出1058不活动，则MB1000再次维持链接1056上的PC启 动信号。当_PC_ON信号1058活动时，MB1000释放P/S使能信号，它 在链接1057上产生。这是因为主机PC随后维持P/S使能信号(未示出)， 保持电源1011接通。

如果由MB1000检测到另一个用户启动按钮1017按压，则将它发送 至主机PC1012，因此它开始它的停机。当停机完成时，主机PC1002释 放P/S使能信号，允许系统电源1011关闭。在该状态中，仅+5VSB电源 仍向MB1000和主机PC1002的一部分供电。

主机PC1002维持四个板复位信号以复位MB1000、HV1018、SP 1020、和TC1025板，随后全部释放它们，允许所述板启动。(这些信号 线在图19中未示出)。

当检测到盖开关1024打开时，左右CE芯片伺服电动机打开，并且珀 耳帖装置夹具一起打开，随后压力板打开。这些伺服电动机移动至它们的 打开位置，这些打开位置之前存储至MB1000，在闪速存储器中。当盖关 闭时，MB1000关闭压力板，随后一起关闭珀耳帖装置和CE芯片伺服电 动机。关闭位置也存储在MB1002闪速存储器中。不需要主机PC1002 继续任何动作，虽然它可以经由MB1000询问伺服电动机的状态，并命令 它们至任何位置。所有这些动作是采用伺服电动机输出1014执行的。

当伺服电动机由MB1000命令移动时，它们在一秒内接收控制脉冲。 这允许它们有足够的时间到达它们的目标位置。在该时间之后，停用控制 脉冲，并且伺服电动机电源关闭，防止损坏伺服电动机。在此期间可以将 伺服电动机物理地推动至不同的位置。

磁体伺服电动机1016现在由MB1000控制。与其它伺服电动机一样， 它具有预定的打开和关闭位置，这些打开和关闭位置在MB1000上存储在 闪速存储器中。与其它伺服电动机一样，主机PC1002可以询问并命令磁 体伺服电动机。

光条1012是在设备前方的、用于指示分析进展的、用户可见的三段″ 线条″。每一段可以以蓝色或白色稳定地或闪烁地亮起。″交替″模式也可 以用在该段在蓝色和白色之间切换的情况中。单个红色段可以用来指示激 光器的状态，并且可以接通、断开或闪烁。这些光条状态中的每一个由主 机PC经由MB1000控制。

MB1000还负责在RS-485总线1019上延迟主机PC1002和其它电路 板之间的指令和数据。来自主机PC1002的在RS-232上至连接至RS-485 总线1019的任何电路板的指令与电路板一起加有两个代码(″MB″，″SP″， ″HV″，″TC″，或″FC″)的前缀。当MB1000在总线上接收用于电路板的指 令/询问时，原始前缀(两个字母和空间)由单字节电路板地址代替，并且在 RS-485总线1019上发送包。送往MB1000的指令被本地处理而不是被传 送。

在RS-485总线1019上返回的响应由MB1000接收，带有响应的电 路板的单字节地址。地址字节由合适的前缀和空间代替，随后通过RS-232 被转送至主机PC1002。

在正常操作中，仅MB1000可以在RS-485总线1019自发地传输。 所有其它传输是来自所选择的电路板的响应。

MB1000被设计为以便可以容易地将新的装置添加至系统。需要对 MB进行小的改变以添加新的电路板地址和前缀，并且新的装置连接至 RS-485总线1019。FC电路板1022是这样的示例。

可以通过将第二MB连接至总线监测RS-485总线1019上的总线通 信，以将通信记录在另一个计算机系统上，用于调试目的(未示出)。

样品制备板

图20图示样品制备(SP)板1020的物理布置。该板控制样品制备和PCR 分析阶段。SP板1020的物理结构是重要的，因为该板上的特征与样品制 备盒上的特征接合。SP板1020上的特征与样品盒的结构对准。SP板1020 限定两个圆形开口1060，这两个圆形开口1060接合形成在样品盒上的凸 起以将盒与PCB精确对对准，从而确保设置在样品盒中的阀和泵与SP板 1020的正确连接。SP板1020还限定大致十字形开口1062。开口1062对 应于样品盒上的PCR腔，并被设置为允许珀耳帖装置组件接触腔。矩形 开口1064也由SP板1020限定。这允许由条形码读出器1004读取样品 盒上的条形码。

如图19上的总图中所示，SP板1020包括开式阀输出端1036。这些 开式阀输出端的物理布置在图20上由前缀OV(OV1-OV14)指示。SP板 1020还包括在图19中在总图中被示出1038的隔断阀输出端。这些隔断阀 输出端的物理布置在图20中由前缀CV(CV1-CV18)指示。SP板上的开式 阀输出端和隔断阀输出端操作设置在样品盒上的温度受控阀。如图20所 示，开式阀输出端和隔断阀输出端OV1-OV14，CV1-CV18由标准的，商 业上可用的2512个表面安装电阻器实现。这些额定高达155度。2152个 表面安装电阻器是优选的，因为它们呈现平坦表面以给出与盒的良好接 触。它们还提供完全可重复的温度结果。

开式阀输出端和隔断阀输出端OV1-OV14，CV1-CV14具有根据样品 盒中的对应的阀选择的结构。例如，如在图20中可以看到，开式阀 OV1-OV14通常需要比隔断阀CV1-CV14小的被加热区域，因此开式阀输 出端OV1-OV14在SP板1020占据的区域小于隔断阀输出端CV1-CV18。 例如，开式阀输出端包括一个电阻器。典型的隔断阀输出端包括三个电阻 器。

在使用中，可以在已知的预定时间内供给预定的电压/电流来加热表面 安装式电阻器至阀中的石蜡熔化和操作阀所需要的温度，例如，至120℃。 该温度通过测试确定，这采用合适的加热器电压提供合适的电阻器值，以 在电阻器元件中提供设定温度响应。任选地，温度开关还可以用在每个电 阻加热器的后面。温度开关在商业上是可用的并具有内置温度检测装置。 温度开关可以被设置用于任何合适的温度，例如120℃，并且，当启动时， 将电阻加热器控制到120℃。

来自SP板1020的其它输出端包括用于将电力供给至电化学泵的电 极，在图20中以前缀EP示出(EP1-EP4)。电化学泵由SP板1020内的微 控制器控制。微控制器接通SP板上的晶体管，优选地FETs，以施加必要 的电压来启动盒上的泵。电极EP1-EP4优选地为弹簧针以提供良好的电连 接。

设置两个温度受控腔加热器输出端1044(图20中的C4和变性)。与开 式阀输出端OV1-OV14和隔断阀输出端CV1-CV18一样，这些温度受控腔 加热器输出端由表面安装电阻器试样。然而，由于这些温度受控腔加热器 输出端加热样品盒中的样品腔，因此需要更精确的温度控制。

图21为图20中的加热器C4的结构的放大图形表示。加热器C4包 括9个表面安装电阻器R242-R250的阵列。凹槽1066形成在印刷电路板 的材料中，在与加热器C4相同的位置。凹槽1066优选地约1mm深和约 10mm长。热敏电阻器位于凹槽1066中并在底部被焊接至两个焊盘1068。 热敏电阻器提供控制所需的反馈。9个电阻器R242-R250被银焊料焊接在 它们的位置中，它们与凹槽1066中的热敏电阻器电隔离。银焊料是优选 的，因为它具有比其它焊料高的熔点。电阻器优选地被焊接得尽可能靠近 在一起，以减小它们之间的将不被加热的任何间隙。左右侧的接线端1070 提供电压和接地路径以向电阻器供电并控制加热器的温度。

图22图示用于图21的加热器C4的控制器的高层框图。这种布置可 以用在需要温度的反馈控制的任何情况中。通过由晶体管1072将脉宽调 制信号施加到接线端1070之间，控制腔温度。晶体管1072由控制器1074， 控制器1074具有来自读取热敏电阻器1078的值的ADC1076的输入。

在使用中，来自热敏电阻器的温度(其为电阻器1080的温度的测量值) 反馈至控制器1074，控制器1074将该值与预期温度进行比较。微控制器 采用PID控制装置控制温度。为了增加温度，PWM的宽度被加宽并且占 空比增加。为了降低温度，脉冲变窄并且占空比减小。

珀耳帖装置控制器板

珀耳帖装置控制器(TC)板1025本质上是用于珀耳帖装置组件的独立 控制器。它同时管理两个组。商业上可用的控制器仅控制一个珀耳帖装置， 并且为与该板近似相同的尺寸(用于一个珀耳帖装置控制)。TC板1025由 来自系统电源1011的12V输入供电，但驱动珀耳帖装置(每个在8A时需 要2.3V)所需要的电源单独地设置在TC板1025本身上。价格控制电路和 大电流需求中存在损失，则该电源提供具有可用的30安培的3.2V输出。

使用珀耳帖装置，因为根据它们的输入端的极性，它们可以用作加热 器和冷却器二者。照这样，TC板1025需要切换至珀耳帖装置的电压输出 的极性的能力。这是采用如本领域已知的的各个H-电桥电路实现的。这些 装置在设置在TC板1025上的控制器的控制下可以根据需要切换高低输 出。

除了H-电桥电路，以与如上参照图22描述的相同的基本方式控制每 个珀耳帖装置的温度。每个通道使用四个(每个方向两个)大功率晶体管(优 选地FET)，以将脉冲PWM功率输出供给至珀耳帖装置。嵌入每个珀耳帖 装置的顶部上的铜散热器中的热敏电阻器被连接，用于反馈以关闭控制回 路。

高压电源和加热器控制板

高压电源和加热器控制(HV)板1018连接至RS-485总线1019用于通 信，并直接从主机PC1002接收复位信号。

HV板1018支撑用于监测CE芯片加热器1028的温度的四个热敏电 阻器1026。其它实施例尅支撑更少或更多的热敏电阻器。通过采用脉宽调 制(PWM)调制功率输入，控制CE芯片加热器1028。HV板1018还包括输 出端1030，输出端1030用于在三个接线端上产生高达5kV(在一些实施例 中为4kV)的电压，或者将这三个接线端中的任一个/全部接地，或者允许 这三个接线端中的任一个/全部浮接(从所有的电路断开)。为了操作者安 全，盖开关1024提供联锁装置，其在盖打开时停用所有高压源和浮接所 有输出接线端1030。

四个热敏电阻器1024用于在沿着加热器表面的多个点处监测CE芯片 温度。为了简化控制，实际上仅一个热敏电阻器用作至温度控制功能(在下 文被更详细地讨论)的输入端。所有四个热敏电阻器输入1024被测量和记 录。当前温度可以由主机PC1002在任何时间请求。

温度的测量需要80ms，以在可以读出结果之前可以完成转换。下文 更详细描述温度测量。通过优选地约1秒一次测量温度，可以实现精确控 制，虽然根据需要，可以更频繁地测量温度。

如上所述，一个热敏电阻器1024的当前温度用来作为至温度控制器 的输入。温度控制器(未示出)设置在HV板1018上。它确定在PWM信号 中使用的占空比(％接通时间)。优选地，温度控制器1秒一次确定占空比， 并且它保持恒定直到它接下来被更新，这在下文被更详细地描述。

电极1032或者通过继电器接地，或者被允许浮接(高压继电器打开)。 电极1030也可以接地或被允许浮接，但它们也可以在高达100μA的电流 下输出高达5kV的电压，优选地在高达50μA的电流下输出高达4kV的 电压。

HV板1018包括用于提供必要的电压和功率用于它的操作的3V16A 电源。三个高压电源板安装在该HV板上以在电极1030处提供在CE分析 阶段期间使用所需要的电压。这些电源中的每一个可以在50μA处将高达 4000V的电压提供至电极1030。HV板管理这三个电源，包括电压和电流 监控。它还控制CE芯片加热器1028的温度。

板上RAM设置在HV板1018上以根据需要存储三个电极1030的电 压和电流值，以及来自CE芯片加热器的经由热敏电阻器1026获得的高达 四个温度测量值。

三个HV电源采用来自EMCO的商业上可用的功率转换器(优选地 EMCO Q系列(Q40-5)，虽然也可以使用其它功率转换器)，其获得0-5V输 入并将它转换成0～4000V。在固件控制下的控制、输出和反馈电路提供线 性输出以驱动CE过程。电压和电流监测电路设置在HV板1018上。针对 每个单独的HVPS模块校准固件以提供最高的可能输出和反馈特性。

以图形形式在图32中图示HV电源的结构和它们至CE芯片的连接。 图32图示了三个HV电源1220a，1220b，1220c。(在图32中比第二和第 三HV电源1220b，1220c更详细地示出第一HV电源1220a的结果。第 二和第三HV电源1220b，1220c的结构与第一HV电源1220a相同)。三 个HV电源1220a，1220b，1220c的输出端连接至CE芯片1222。在CE 芯片内，每个HV电源1220a，1220b，1220c连接在一起并连接至公共接 地1224。每个HV电源的额定值优选地是相同的，例如4000V或3000V， 以确保对低额定电源不存在损坏的危险。

每个HV电源具有各个的由对应的12位DAC1226a，1226b，1226c 产生的控制输入V_控制a，V_控制b，V_控制c。通过缓存器1230向所有的12位 DAC1226a，1226b，1226c馈送相同精度的参考电压1228，用于一致性。 精度参考电压1228产生4.096V参考值，虽然也可以采用其它值。

如为第一HV电源1220a描述的那样，每个电源包括高压源1232。这 个高压源由预期电压V_控制a和经由由电阻器1106和1108形成的分压器输 出的电压的反馈控制。

电阻器1106和1108形成用于测量电压的分压器。电阻器1234使得 能够测量电流。以下参照图25描述这些电阻器用于测量电流和电压的操 作。这些电阻器使得低压部件能够用在高压环境，通过由电阻器1106，1108 形成的分压器和电流检测电阻器1234保护。

如在图32中图示的HV电源1220a，1220b，1220c的结构，使得它们 能够比现有技术更加紧凑，例如50×27×18mm。与现有技术不同， 不需要反向保护二极管。

CE加热器物理结构

与由表面安装电阻器形成的其它加热器部件不同，CE加热器1028由 多层PCB形成，PCB上的迹线提供加热。CE加热器必须在相对大的区域 上提供尽可能均匀的温度，已经发现这可以由从PCB形成的加热器提供。 在图23中图示PCB的加热层的物理布局。

在图23中图示PCB的内层。它包含被构造从一端到另一端提供均匀 的加热的迹线1082，1084。这种通过使迹线在表面区域上成波纹状实现的。 如在图23中可以看到，在PCB的中心部分中，迹线被构造为具有波纹状 路径，使得波纹的波峰和波谷彼此嵌套。在PCB的其它部分中，迹线被 构造为波纹，其中相邻波纹的波峰和波谷彼此相对，使得波峰邻近波谷， 反之亦然。这种结构已经被确定为给予接近均匀的加热。可替换实施例中 其它结构是可行的。

在图23中图示的内层的上方，固体铜层形成为用作散热器。PCB的 顶层没有导电元件，为用户提供保护。

CE加热器1028限定有开口1086。开口1086是检测区域，允许激光 器1006照亮芯片毛细管并且由CCD1010检测结果。

在板的中间，凹槽1088被切入顶层中。热敏电阻器被放置在该凹槽 中并连接至温度控制器，用于反馈。控制电路可以与上文参照图22描述 的控制电路相同，或者如下文将更加详细地描述的那样。

控制方法和操作的概述

在分析期间，仪器控制各种协议以处理和分析样品盒中的样品并产生 所需要的结果。阀调节、泵送、温度循环、激光、CCD和毛细管电泳都由 仪器控制。

由经由串行通信与主板1000直接连接的主机PC1002运行系统。主 板1000随后将指令和响应分配至系统电路板的剩余部分并将它们反馈至 主机PC1002，用于控制和分析。主机PC1002还控制激光器1006以根据 需要打开和关闭它并监测它的状态，并控制CCD1010以根据需要收集数 据。

在样品制备过程中，需要将磁珠悬浮在溶液中并保持它们避免在各种 循环被冲洗掉。这是采用稀土磁体实现的。磁体由处于固件的直接控制下 的磁体伺服电动机1016根据主机PC1002的指令控制。磁体位置可以被 控制为产生必要的强磁场，以在需要时保持磁珠，并且随后自动去除磁场 以在合适时间处释放磁珠。

虽然机械特征大致将CE芯片与激光器和光学系统对准，但小直径的 激光束意味着进行一些调整以对准和聚焦激光在CE芯片毛细管上是优选 的。提供自动化过程，其将CE芯片毛细管定位在CCD检测器1010上并 聚焦光学元件。CE芯片位于由连接在计算机的精细伺服电动机沿Y方向 控制的工作台上。光学元件叠层包括将调整光学元件的焦距的压电受控机 构。采用CCD的输出，调谐这种两种调整，用于CCD上的峰值输出，用 于通路发现和聚焦，而没有用户的干预。

另一个自动功能是系统中内置的各种移动机构的控制。存在具有根据 需要施加高压至CE芯片的电极触点的两个臂(从来自HV板1018的电极 1032供电)。为了将芯片插入系统中，这些臂需要不挡道。此外，盒在该 布置安装在系统中时需要空隙，但在它运行以获得适合阀控制的热传递和 适合泵控制的良好电极接触时必须被压靠在样品制备板上。PCR腔还需要 具有被紧密地夹紧在两侧上以提供良好的热接口的珀耳帖装置。所有这种 运动由仪器自动控制。当将盒(包括CE芯片)插入单元并且门关闭时，控 制伺服电动机以合适的顺序关闭，以将臂定位在芯片上，将盒压靠在样品 制备板上，并将珀耳帖装置闭合在PCR腔上。

在主机PC1002上运行的软件控制用户访问。它可以根据用户的技能 水平以″专家″和″标准″模式运行。″专家″用户可以方位各个部件用于根据 需要进行维护和故障检修。″标准″用户方位可以单独地运行或与用于自动 运行整个分析顺序的″一键式″方法一起运行的标准过程。

在整个分析顺序的自动运行中，系统将从开始运行到结束。由主机PC 1002的监视器上的显示并经由LED指示器(如光条1012)向用户通知进 展，以显示进程或在需要时向用户报警。所有需要的数据被自动存储，用 于稍后的评估，并与样品盒的由条形码读出器1004或诸如RFID之类的 其它装置读取的标识号相关联。

主机PC1002在每次分析运行期间收集大量数据。该过程的所有方面 被监控，并且形成文件以存储运行参数。存储的数据包括用户和时间以及 被测试的样品的标识符、来自PCR过程的显示从开始到结束的整个顺序 的读数、用于CR过程中的每个步骤的电压和温度设置、来自电压、电流 和四个温度传感器的在整个测试内获得的读数，以及由CCD从CE过程获 得的原始数据。该数据被存储并且在用户请求时用于复查。数据复查可以 显示整个PCR热循环，在CE阶段的每一秒处的电压、电流和温度条件、 以及由CCD捕获的所有图像与时间相关的图表。

用于CE过程的电压控制

HV板1018经由电极1030控制三个HV电源的输出，使得它们大致 同时都达到预期值。现在将参照图24的流程图描述这种方法；同一方法 用于每个电极。在预定时间内改变电压；为每个电极使用相同的预定时间 是指它们大致同时都达到新的值。

该方法在1090处开始，其中用于一个电极上的电压输出中的变化的 参数被设定。如图24所示，在200ms斜阶跃时间内需要从1000V的开始 值到2500V的结束值的变化。当前电压值被初始化至开始值，并且步进计 数被初始化为零。

运行进展至1092，其中通过将斜阶跃时间除以阶跃时间，计算达到结 束值的步进数量。阶跃时间优选地2ms为，假设转变需要100步。所花费 的步进数量取决于1090中的用户配置的斜阶跃时间设置，并且范围可以 为从20ms至5000ms，默认至200ms。

接下来，在1094中，通过开始电压和结束电压之间的差异以及在1092 中计算的步进数量确定步进电压。在该示例中，步进电压为15V。用于每 个通道的步进电压被转换成二进制数据，用于供给至HV电源中的DAC。 DAC又输出用于控制高压转换器的模拟电压。该转换简单地应用y＝mx+ b，其中m是转换增益，b是转换偏差。M和b都是在制造位置处校准板 时确定的。

对于每次阶跃，在1096中，通过将步进电压添加至当前电压，计算 接下来的电压。

运行随后在1098处暂停，等待2ms标志变为设定值。当它变为设定 值时，运行延续至1100，并且随后清除2ms标志。将接下来的电压输出 至硬件，将当前电压设置为下一个电压，并且步进计数器递增。

在1102处，进行步进计数器是否等于从1092所需要的步进数量的检 查，如果是，则运行在1104处终止。如果不是，则运行返回至1096，随 后计算新的步进电压，并且回路重复。当已经完成所有的斜阶跃时，输出 将处于控制电压处，并且斜阶跃完成。

这种方法允许控制任意数量的HV电源，以便大致同时都达到预期电 压。

用于CE过程的电压和电流测量

HV板1018还能够测量每个高压电极1030(电极1032未被监测)处的 电压和电流。这可以验证它们在CE过程中处于所要求的电压处。

图25中的电路用来对每个通道中的电压和电流进行采样。电压和电 流采样被滤波，并且在将信号呈现成ADC用于转换之前，施加一定的偏 移和增益。由图25中的电阻器提供的缓存是需要的，以将信号的高源阻 抗降低至ADC所需要的低阻抗，并且将信号保持在ADC的转换范围内。

测量电流还需要制造负载电压，因此总是一起执行电压和电流测量。 优选的是同时执行针对所有通道的电压和电流测量。

电压由从输出到接地的由电阻器1106和1106形成的电阻分压器测 量。采样电压被滤波且随后被施加至ADC用于转换。

与设置输出电压一样，测量输出电压是采用公式y＝mx+b从ADC 结果转换成电压。在板校准期间通过将如由外部计量器测量的输出电压和 板报告的输出电压进行比较，确定增益(m)和偏移(b)。例如，可以在多个 电压处收集该数据并将该数据标示于图表上。根据该图表确定带有其方程 式的线性趋势线。来自该趋势线的方程式的增益和偏移用作校准常数m和 b。

确定负载电流有时是更困难的，因为将被测量的电流是HV源最大电 流的相当大的部分，并且在幅度上可以由在电阻分压器中流动的电流超 过。

HV电源优选地能够在5000V处输出高达100μA的电流。在5000V 处，具有100MOhm和100kOhm的值的电阻分压器仅吸取50μA的电流 以测量电压。幸运的是，在正常操作中，将被测量的电流通常小于20μA。

通过测量HV源返回支路中的总电流，随后减去分压器中流动的电流， 进行通道电流的测量。剩余的电流是负载电流。

能够测量负载电流还需要知道负载电压，因此电压测量总是在电流测 量之前。

在进行电压测量之后，测量总通道电流。从转换结果中减去偏移以去 除在该电路中引入的偏移。测量的电压乘以常数M1并被从转换结果中减 去。这去除分压器电流。剩余的测量值乘以M2，并被报告为负载电流。

温度测量

如上所述，需要温度测量，用于在样品分析和处理的多个阶段中控制 加热器。在上述多种结构中，热敏电阻器用来测量温度。虽然可以采用常 规技术测量热敏电阻器的电阻以给出温度的指示，但希望使用更精确的温 度测量。

在26中图示示例性温度测量电路的结构。该结构可以应用于CE芯片 加热器1028(在不同的位置高达四个单独的测量)、珀耳帖装置控制器(经由 热敏电阻器输入1052和1054进行高达两个单独的测量)和SP板(经由用 于采用反馈控制控制的加热器的热敏电阻器输入1042进行高达两个单独 的测量)上的温度测量中的一个或多个。

如图26所示，MP-2444热敏电阻器1110用作温度传感器。MP-2444 由于它的小的尺寸和部件之间的一致性而是优选的。已经发现，MP-2444 热敏电阻器可以由另一种代替，对测量结果没有明显的影响。也可以使用 可替换的热敏电阻器。

热敏电阻器1110跨接设置在PCB上的接线端1112(在图19中被指示 为1026，1042，1052和1054)。该电路的剩余部分设置在PCB。接线端 1112将热敏电阻器与桥接电路的一个臂中的第一电阻器1114并联连接。 第二电阻器1116、第三电阻器1118和第四电阻器1120形成该电桥的剩余 部件。第一和第二电阻器1114，1116串联连接以形成该电桥的第一臂， 第三和第四电阻器1118，1120串联连接以形成该电桥的第二臂，第二臂 与该电桥的第一臂并联连接。第一电阻器1114具有值12.1KOhm，第二 和第四电阻器具有47kOhm的值，第三电阻器具有15kOhm的值。0.1％ 公差电阻器的使用是优选的，从而不需要由于电阻器制造变化而校准每个 单独的电桥。

差分ADC1122跨接该电桥。该ADC为22位δ-σ差分转换器，例如 商业上可获得的微芯片部件MCP3551单通道22位δ-σ转换器。δ-σ转 换器是优选的，因为它对电噪声具有高的免疫力。需要差分输入，因为测 量跨过电桥。

电压源1124将功率提供至该电桥并且还用作用于比率计测量的ADC 转换参考。优选地，使用精度2.5V参考，例如商业上可用的微芯片部件 MCP15252.5V电压参考，但在替换中可以使用任何低噪声电压参考。

2.5V电压源1124和该电桥中的部件的选择被选择为将热敏电阻器内 的功率耗散保持到足够低的水平，以便不影响温度测量结果。优选地，热 敏电阻器中的功率耗散小于7μW。

固件

在使用中，当需要温度测量时，相应PCB上的控制器通过将信号线 (/CSn)脉冲调制为低触发转换的开始。为每个单独的温度传感器电路设置 信号线。

约80ms以后，转换完成，并且结果准备被读出。控制器随后拉低信 号线，并记录来自ADC1122的32位数据。从此开始，提取包含所需要的 数据的14个最高有效位。

14位数据随后由控制器处理以将原始数值转换成温度。这种转换是根 据经验确定的，并且已经发现6阶是合适的，虽然也可以使用更高阶或更 低阶二项式。对于图26中的部件，二项式被确定为：y＝7.0007732E-23x⁶-1.0757374E-18x⁵-3.5630874E-14x⁴+1.1479772E-09x³- 1.2597522E-05x²+6.9533980E-02x-1.4784255E+02，其中x是14位数据， y是以摄氏度表示的温度。转换结果在图27中示出。这在-20℃至+100℃ 的范围内允许0.02℃(最小值)的温度分辨率，并且可以返回超过110℃的 有用结果。对于高于30℃的温度，测量误差小于±0。5％(在图28中图示 测量误差与温度之间的关系曲线)。

温度控制方法

反馈控制方法用来在样品制备和分析中的各个阶段控制加热器的温 度。可以采用上述温度传感器电路测量温度。1秒测量一次实际温度。这 被反馈到控制回路中并用来计算更新的PWM(脉宽调制)值。随后使用该 PWM值，直到下一次温度测量。如上所述，实际温度测量需要约80ms。 随后可以在小于1ms内执行下述控制回路。PWM通过改变占空比(输出接 通以向加热元件施加功率的时间周期)有效地以线性输出控制施加至加热 元件(其可以为珀耳帖装置或电阻加热器)的功率。已经发现约2.4kHz的 PWM切换频率是优选的，虽然也可以采用其它切换频率。

现在将参照图29描述控制回路。向控制回路提供预期温度1126输入 和来自温度传感器的测量温度1128。预期温度1126用来步骤1130中以确 定所希望的用于维持预期温度的稳态PWM值。预期温度和稳态PWM之 间的转换是基于实验测量值预定的。通过将系统设置到某个温度并允许它 稳定到稳态，获取该实验测量值。实际温度与PWM值之比被捕捉。在这 整个运行温度范围内在数个点处被重复。随后可以在步骤1130中确定用 于使用的线性趋势线和方程式。该趋势线的方程式常数(增益和偏移)用在 步骤1130中以预测用于任何设定温度的最终PWM将是什么。

随后在步骤1132中将正向增益施加至从步骤1130预测的最终PWM。 这优选地将预测的PWM调整到最终PWM结果的约90％，例如乘以0.9。 对于这方面不需要反馈，它帮助确保回路响应是立即的和稳定的。

控制回路还包括比例和集成条件。预期温度和实际温度之间的误差由 用于大的误差的比例项立即吸收，并且随着时间的过去转移到积分项。

比例和积分项基于预期温度1126和测量温度1128之间的误差。该误 差是在步骤1134中通过从预期温度中键入测量温度计算的。

对于大的误差，希望将PWM输出驱动到饱和(100％占空比)以最大化 用于大的温度变化的温度转换速率，同时为小的温度差维持中等的转换速 率。为了实现这个目标，在步骤1136中检查误差是否在-1至1的范围内。 如果温度在-1至1的范围之外，则它被调整以最大化转换速率。在该情况 中，在步骤1138中对该误差求平方。步骤1140和1142随后运行以将相 同的符号分配到来自步骤1138的作为原始误差的平方结果。步骤1140确 定该误差是否小于0，并且如果是，步骤1142将平方误差乘以-1以恢复负 值。这起作用，从而针对所有的但是小的误差将输出PWM驱动成饱和， 平方的使用意味着较大的误差具有更大的影响。如果该误差的绝对值小于 1，则平方该误差对允许积分项随着时间累积误差产生消极影响，在这些 情况中，步骤1136中的检查确保原始误差用在比例和积分项中。

比例项是通过在步骤1144中施加增益计算的。随后在步骤1146中进 行结果是否大于最大值的检查。最大值是PWM饱和时的值。如果结果大 于最大值，则在步骤1148中将比例项设置为该最大值。

积分项是通过在步骤1150中施加增益计算的，该增益随后在步骤1152 中被添加至运行总数。在步骤1154进行比例项是否饱和(等于上述最大值) 的检查。如果比例项饱和，则在步骤1156中将积分项设置为零。这防止 积分饱卷，或积分项在比例项离开饱和之前累积大的值的效应。

在步骤1158中，添加正向的比例项和积分项。在步骤1160中进行该 总值是否大于PWM饱和时的最大值的另一个检查。如果是，则在步骤1162 中将该值设置为最大值。最后，在步骤1160，输出用于PWM的新的值。 使用该值，直到获得下一个温度测量并且计算新的值。

自动聚焦控制方法

提供自动聚焦以将激光器与CE芯片毛细管精确地对准。小直径聚焦 激光束和毛细管使得在不采用主动调整的某种方法的情况下难以将插入 的CE芯片与激光器对准。

所提供的机械特征将CE芯片毛细管对准靠近激光器，但为了改善对 准，提供自动对准和聚焦方法。在该方法的第一阶段中，打开激光器，并 且在监测CCD的输出的同时相对于激光器移动CE芯片。移动CE芯片以 将激光器从毛细管的一个壁移动到另一个壁，并且确定最大CCD输出的 位置。CCD输出借助于来自CE芯片和CE芯片内的毛细管的反射或荧光。 CE芯片随后移动到对应于正确对准的最大值位置。可替换地，可以使用 对应于对准位置的特定CCD检测图案。在另一种替换中，可以检测毛细 管的壁的位置，并且将对准位置计算为壁之间的中点。

一旦对准，则打开激光器，并在监控用于最大值的CCD的输出的同 时移动物镜。最大值的位置对应于正确聚焦。可替换地，可以使用对应于 聚焦位置的特定的CCD检测图案。