用于过敏原检测的系统和方法
阅读说明：本技术 用于过敏原检测的系统和方法 (Systems and methods for allergen detection ) 是由 A·吉尔博-格芬 A·L·威克斯 V·维拉里尔 P·墨菲 E·A·罗伯森 D·卡彭特 D 于 2019-02-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及用于食物样品中的过敏原检测的装置和系统。过敏原检测系统包括一次性分析盒和具有优化的光学系统的检测装置。(The present invention relates to a device and a system for allergen detection in a food sample. The allergen detection system comprises a disposable cartridge and a detection device with an optimized optical system.)
技术领域
本发明涉及用于在样品(诸如食物样品)中检测过敏原的便携式装置和系统。本发明还提供了用于检测样品中是否存在过敏原的方法。
背景技术
过敏(例如，食物过敏)是常见的医学病症。据估计，在美国，多达2％的成年人和多达8％的儿童(特别是三岁以下的儿童)患有食物过敏(大约1500万人)，且据信该患病率正在增加。使具有食物过敏的人能够测试其食物并且准确且立即地确定过敏原含量的便携式装置对于提供关于是否食用的明智决定将大有裨益。
研究人员已经尝试开发合适的装置和方法来满足这种需要，诸如以下申请中公开的装置和方法：McKay的美国专利No.:5,824,554；Jung等人的美国专利申请公开No.:2008/0182339和美国专利No.:8,617,903；Scott等人的美国专利申请公开No.:2010/0210033；Royds的美国专利No.:7,527,765；Suni等人的美国专利No.:9,201,068；以及Khattak和Sever的美国专利No.:9,034,168。仍然存在对于改善的分子检测技术的需求。还存在对于与当今使用的装置相比，能够以更少的时间、更高的灵敏度和特异性以及更少的技术专长来检测所关注的过敏原的装置和系统的需求。
本发明提供了一种便携式检测装置，用于通过使用基于适体的信号多核苷酸(SPN)快速且准确地检测样品中的过敏原。作为检测剂的SPN特异性结合到所关注的过敏原上，形成SPN:蛋白质复合物。捕获SPN的传感器可以包括印有与SPN杂交的核酸分子的芯片(例如，DNA芯片)。检测系统可以包括单独的采样器、用于处理样品并实施检测测定的一次性盒/器皿、以及检测仪，所述检测仪包括用于操作检测并检测反应信号的光学系统。可以将检测剂(例如，SPN)和传感器(例如，DNA芯片)整合到本发明的一次性盒中。盒、检测剂和检测传感器也可以用在其他检测系统中。在本发明的检测系统中也可以使用其他捕获剂，诸如对过敏原蛋白质具有特异性的抗体。消费者可以在非临床环境中(例如在家庭中、餐馆中和提供食物的任何其他设施中)使用所述装置。
发明内容
本发明提供了用于在各种类型的样品(特别是食物样品中的过敏原)中进行分子检测的系统、装置、一次性器皿/盒、光学系统和方法。过敏原检测装置和系统是便携式和手持式的。
本发明的一个方案是一种用于检测样品中的所关注的分子的组件。所述组件包括样品处理盒，所述样品处理盒被配置为用于接收样品，以用于处理到允许所关注的分子与检测剂进行相互作用的状态。所述组件包括检测器单元，所述检测器单元被配置为以允许检测器单元所容纳的检测机构检测所关注的分子与检测剂的相互作用(interaction，相互反应)的配置接收样品处理盒。所述相互作用在检测器单元上触发关于样品中是否存在所关注的分子的视觉指示。
所关注的分子可以是蛋白质或其功能片段、核酸分子、或者多糖或其功能片段。在一些实施例中，所关注的分子可以是过敏原(诸如食物过敏原)。过敏原是引发导致过敏状况的免疫响应的抗原(诸如蛋白质和多糖的分子的部分或功能片段)。
在一些实施例中，检测剂是抗体或其变体、核酸分子或小分子。在一些实施例中，其中检测剂是包括与所关注的分子结合的核酸序列的核酸分子。基于核酸的检测剂可以是信号多核苷酸，该信号多核苷酸从包括与待检测的分子结合的核酸序列的适体中衍生出来。
在一些实施例中，样品处理盒包括均质化器，所述均质化器被配置为产生均质化的样品，从而在存在检测剂的情况下将所关注的分子从样品的基质中释放到提取缓冲液中。样品处理盒还包括：第一导管，用于将均质化的样品和检测剂转移通过过滤系统，以提供包含所关注的分子和检测剂的滤液；第二导管，将滤液转移到具有窗口的检测室。检测器单元的检测机构通过窗口对检测室进行分析，以识别检测室中的所关注的分子与检测剂的相互作用。
均质化器可以由位于检测器单元中的马达供电，当样品处理盒被检测器单元接收时，所述马达在功能上联接到均质化器。
样品处理盒还可以包括：容纳用于洗涤检测室的洗涤缓冲液的室；以及废物室，用于接收洗涤之后检测室的流出内容物。
在一些实施例中，样品处理盒还包括旋转阀切换系统，所述旋转阀切换系统提供多个流体流动路径和通道，用于将均质化的样品转移到过滤系统，用于将滤液转移到检测室，用于将洗涤缓冲液转移到检测室，以及用于将检测室的内容物转移到废物室。旋转阀切换系统还可以被配置为提供关闭位置，以防止样品处理盒中的流体移动。在一些实施例中，旋转阀切换系统可以由位于检测器单元中的马达供电，当样品处理盒被检测器单元接收时，马达在功能上联接到旋转阀系统。
在一些实施例中，检测室包括透明基底，所述透明基底上固定有检测探针分子。检测探针被配置为与检测剂进行探针相互作用。所关注的分子与检测剂的相互作用阻止检测剂与检测探针进行探针相互作用。透明基底还可以包括固定在其上的能光学检测的控制探针分子，用于归一化由检测机构测量的信号输出。在一些实施例中，透明基底包括固定在其上的两个不同的能光学检测的控制探针分子，用于归一化由检测机构测量的信号输出。控制探针分子是既不与所关注的分子结合也不与检测剂结合的核酸分子。在一些实施例中，基底可以是玻璃芯片。
在一些实施例中，检测剂包括能光学检测的基团，所述能光学检测的基团在进行探针相互作用时被激活。能光学检测的基团可以是荧光基团。
在一些实施例中，由检测器单元容纳的检测机构是具有用于激发荧光的激光(laser，激光器)的荧光检测系统，所述荧光检测系统被配置为当进行探针相互作用并受到激光激发时检测荧光发射信号和/或荧光散射信号。检测机构可以包括以直线或折叠布置放置在检测器单元中的阶梯膛孔(stepped bore)内的多个光学元件。
在一些实施例中，检测器单元还包括信号处理器，所述信号处理器用于分析荧光发射信号和/或荧光散射信号，以识别探针相互作用并将对于所关注的分子或所关注的分子源的识别传输到视觉指示，以便告知组件的操作者在样品中是否存在所关注的分子或所关注的分子源。
在一些实施例中，透明基底包括用于检测多种不同的检测剂的多个不同的检测探针，所述多种不同的检测剂被配置为提供与多种不同的所关注的分子的多种不同的相互作用。
在一些实施例中，样品处理盒还包括样品浓缩器，所述样品浓缩器用于在将滤液转移到检测室之前浓缩滤液。
在一些实施例中，组件还包括采样器。采样器包括中空管，所述中空管具有切割边缘，用于对源进行切割以在中空管内产生并保持作为取样(core)的样品。采样器的该实施例还具有柱塞，所述柱塞用于将样品推出中空管并进入样品处理盒中的端口中。
本发明的另一方案涉及一种用于检测样品中是否存在一种或多种所关注的过敏原的检测系统和装置。在各种实施例中，检测系统包括：至少一个一次性处理盒，被配置为接收测试样品并将样品处理到允许样品中的所关注的过敏原与检测剂进行相互作用的状态；以及一体形成的检测器单元，被配置为接收一次性盒并操作样品处理以检测一次性盒内的所关注的过敏原与检测剂之间的相互作用。检测器单元可以可移除地连接到一次性盒。在一些实施例中，所述系统还可以包括采样器，用于收集测试样品并将收集到的样品转移到样品处理盒。
在一些实施例中，用于收集测试样品的采样器是食物取样器，其包括：中空管，所述中空管具有切割边缘，所述切割边缘用于对源进行切割以在中空管内产生并保持作为取样的样品；以及柱塞，用于将样品推出中空管并进入样品处理盒中的端口中。取样器可以操作性地连接到一次性盒，用于将收集到的测试样品转移到盒。
在一些实施例中，一次性处理盒可以包括：(i)具有均质化器的样品接收室，所述均质化器被配置为在存在检测剂的情况下用提取缓冲液均质化样品，从而允许样品中的所关注的过敏原与检测剂进行相互作用，(ii)过滤系统，被配置为提供包含所关注的过敏原和检测剂的滤液，(iii)具有窗口的检测室，其中，检测室包括具有固定在其上的检测探针分子的单独的基底，(iv)容纳用于洗涤检测室的洗涤缓冲液的室，(v)废物室，用于接收并储存洗涤之后检测室的流出内容物，(vi)旋转阀切换系统和导管，被配置为将均质化的样品和检测剂转移通过过滤系统，将滤液转移到检测室，以及将洗涤缓冲液转移到检测室并将流出内容物从检测室转移到废物室，以及(vii)空气流动系统，被配置为调节盒中的空气压力和流速。
在一些示例中，一次性处理盒被配置为检测一种特定的过敏原。在其他示例中，样品处理盒被配置为检测多于一种过敏原。
在一些实施例中，检测器单元可以包括外部壳体，所述外部壳体具有用于一次性处理盒的接收器和用于执行处理的执行按钮。检测器单元由此被配置为驱动检测处理。在一些实施例中，检测器单元可以包括：(i)被配置为驱动盒的均质化器的马达，(ii)被配置为驱动盒的旋转阀切换系统的马达，(iii)泵，被配置为驱动盒中的流体的流动，(iv)检测机构，用于检测所关注的过敏原与检测剂之间的相互作用，其中，所述相互作用在检测器单元的显示器上触发关于所关注的过敏原是否存在的视觉指示，以及(v)显示器窗口，允许操作者观看检测结果。
在一些实施例中，样品处理盒的过滤系统是包括主体过滤器(bulk filter)和薄膜过滤器的过滤器组件。主体过滤器可以包括粗过滤器和深度过滤器，其具有用于过滤来自处理后的样品的粗碎屑的棉体(cotton volume，棉卷)。薄膜具有1μm至2μm的孔尺寸。在一些实施例中，过滤器组件还可以包括可锁定旋转阀的过滤器帽。
在一些实施例中，样品处理盒包括检测剂，所述检测剂与所关注的过敏原特异性地结合。在一些实施例中，检测剂预储存在提取缓冲液中。检测剂为核酸分子，所述核酸分子包括与所关注的过敏原结合的核酸序列，以及附接到核酸序列的一端的荧光基团。基于核酸的检测剂可以储存在包括MgCl2的缓冲液中。在一些示例中，检测剂是衍生自与目标过敏原特异性结合并具有高亲和力的适体的信号多核苷酸(SPN)。
在一些实施例中，盒中的检测室包括其上固定有检测探针分子的单独的基底。检测探针分子被配置为与检测剂进行相互作用，其中，所关注的过敏原与检测剂的相互作用阻止检测剂与探针分子进行相互作用。在一些实施例中，检测探针是包括短核酸序列的核酸分子，所述短核酸序列与检测剂的核酸序列互补。在一些实施例中，其中检测探针分子固定在基底的被称为反应面板的特定局部区域中。
在一些实施例中，基底还包括固定在其上的能光学检测的控制探针分子，用于归一化由检测机构测量的信号输出。在一些示例中，控制探针固定在基底的被称为控制面板的特定局部区域中。在一些实施例中，基底包括至少一个反应面板和至少两个控制面板。在一个优选的实施例中，基底是玻璃芯片。检测室可以包括与基底对准的至少一个光学窗口。在一个实施例中，光学窗口被配置为用于通过检测器单元的检测机构来测量来自检测探针与检测剂的相互作用的信号输出。在其他实施例中，检测室可以包括单独的窗口，所述单独的窗口被配置为用于通过检测机构测量来自基底的散射光。
在一些实施例中，一次性处理盒可以包括数据芯片，所述数据芯片被配置为提供盒信息。
在一些实施例中，所述检测机构是荧光检测系统，所述荧光检测系统被配置为检测来自检测室的荧光发射信号和/或荧光散射信号。在一些实施例中，荧光检测系统包括：(i)用于激发荧光的激光器，(ii)多个光学部件，用于将激光激发引导到检测室内的基底，(iii)多个收集透镜，被配置为收集从基底发射的荧光，(iv)荧光检测器，用于测量从基底发射的光，(v)信号处理器，用于分析荧光发射信号和/或荧光散射信号，以识别探针相互作用并将所关注的过敏原的识别传输到视觉指示，以告知操作者样品中是否存在所关注的过敏原。
在一些实施例中，荧光检测系统的光学元件以直线或折叠布置放置在检测器单元中的阶梯膛孔内。
在一些实施例中，印刷电路板(PCB)可以直接或间接地连接到荧光检测系统，以用于显示测试读数。结果可以显示为数字、图标、颜色和/或字母或其他等效形式。
在本发明的一个方案中，样品处理盒被配置为一次性测试杯或杯状容器。所述一次性测试杯或杯状容器可以被构造为分析模块，在所述分析模块中处理样品并且通过与检测剂的相互作用来检测出测试样品中的所关注的过敏原。在一些实施例中，一次性测试杯或杯状容器包括：(i)顶盖，被配置为接收样品并密封杯或杯状容器，其中，顶盖包括用于接收样品的端口和允许空气进入的至少一个通气过滤器，(ii)本体部分，被配置为将样品处理到允许所关注的过敏原与检测剂进行相互作用的状态，(iii)底盖，被配置为连接到杯本体部分，从而在组装的测试杯的底部处形成具有窗口的检测室，并且被配置为提供与检测器单元的连接表面。底盖的外部包括多个端口，所述多个端口用于连接位于检测单元中的多个马达，以操作均质化器、旋转阀系统和流体的流动。检测室的窗口连接到检测器单元中的检测机构。
在一些实施例中，底盖内部中的检测室包括：(i)单独的基底，包括固定在其上的能光学检测的检测探针分子，所述能光学检测的检测探针分子与检测剂进行相互作用，(ii)多个流体路径，以及(iii)窗口，其中，检测器单元的检测机构分析均质化的样品与检测探针分子之间的相互作用并识别样品中的所关注的过敏原。
在一些实施例中，杯本体部分可以被划分为专门用于各种功能(包括样品收集和均质化、缓冲液和试剂存储、滤液收集、洗涤和废物收集)的多个隔间(例如，室)。在一个实施例中，杯本体部分可以包括：(i)具有均质化器的室，所述均质化器用于在提取缓冲液中均质化样品，从而将所关注的分子从样品的基质中释放到提取缓冲液中并与提取缓冲液中存在的检测剂进行相互作用，(ii)导管，用于将均质化的样品转移通过本体部分中包含的过滤系统，以提供包含所关注的分子和检测剂的滤液，(iii)单独的室，用于容纳洗涤缓冲液，所述洗涤缓冲液用于洗涤所关注的分子和检测剂，(iv)单独的室，用于接收和储存从洗涤所关注的分子和检测剂而得到的结果，(v)导管，用于将滤液转移到检测室，以及(vi)盒内的隔间中的流体流动所需的旋转阀切换系统、流体路径和通风孔。
在本发明的一个方案中，一种用于检测荧光信号的荧光检测系统，包括：(i)激光源，被配置为提供光激发能；(ii)多个光学部件，被配置为将激光激发源引导到基底的固定有可检测的探针分子的作用区域以形成覆盖所述作用区域的点，并且将激光激发源引导到同一基底的固定有控制探针的控制区域，从而激发固定在其上的检测探针分子和控制探针，(iii)多个光收集部件，被配置为收集分别从基底的作用区域和控制区域发射的光能；(iv)荧光检测器，用于测量从基底的作用区域和/或从基底的控制区域发射的光；以及(v)处理器，用于处理来自荧光检测器的测量值。
本发明的另一个方案涉及一种用于检测样品中是否存在过敏原的系统，所述系统包括：(a)包括光学系统的检测器单元，被配置为测量荧光信号输出，从而检测是否存在过敏原；以及(b)一次性盒，被配置为处理样品，所述一次性盒与检测器单元的接收器对接，所述盒包括：(1)上部模块，包括彼此隔离的多个室，所述多个室中的每个室包括下部端口以允许流体的进入和/或离开，所述多个室包括：(i)均质化室，包括用于均质化样品并提取过敏原的均质化器；(ii)洗涤缓冲液室；(iii)废物室，被配置为接收液体废物；及(iv)与光学系统光学通信的反应室，用于检测过敏原；以及(2)基部，被配置为连接到上部模块，所述基部包括：(i)多个流体路径，当将盒被***到接收器中时，所述多个流体路径连接每个室的下部端口；和(ii)阀，被配置为在所述多个流体路径的各个流体路径之间形成多个桥接流体连接，从而允许选择性的流体移动进入和/或离开所述多个室。
在系统的一些实施例中，多个桥接流体连接包括：(a)在洗涤缓冲液室与反应室之间的第一流体连接；以及(b)在均质化室与反应室之间的第二流体连接。
在系统的一些实施例中，盒还包括：(3)过滤器组件和位于均质化室与过滤器组件之间的过滤器流体路径，以在均质化室中将样品均质化之后获得过滤后的样品；(4)滤液室，用于容纳过滤后的样品。
本发明的另一方案涉及一种用于检测样品中是否存在所关注的分子的方法，所述方法包括以下步骤：(a)收集怀疑包含所关注的过敏原的样品，(b)在存在检测剂的情况下在提取缓冲液中均质化所述样品，从而将所关注的分子从样品中释放以与包括荧光基团的检测剂进行相互作用，(c)过滤包含所关注的分子和检测剂的均质化的样品；(d)将包含所关注的分子和检测剂的滤液与检测探针分子接触，所述检测探针分子与检测剂进行探针相互作用，其中，所关注的分子与检测剂的相互作用阻止检测剂与检测探针进行探针相互作用；(e)用洗涤缓冲液洗去步骤(d)的接触；(f)测量来自检测探针分子与检测剂的探针相互作用的信号输出；以及(g)处理和数字化检测信号，并可视化检测探针与检测剂之间的相互作用。
在一些实施例中，检测剂是抗体或其变体、核酸分子或小分子。在一个优选的实施例中，检测剂是包括与所关注的分子结合的核酸序列和附接到该序列的一端的荧光基团的核酸分子。在一些实施例中，基于核酸的检测剂可以储存在包含MgCl2的缓冲液中。
在一些实施例中，所述检测探针分子为包括与检测剂的序列互补的短核酸序列的核酸分子，其中，探针分子与检测剂进行探针相互作用，并且所关注的分子与检测剂的相互作用阻止检测剂进行探针相互作用。
在本发明的另一个方案中涉及一种套件，包括：样品处理盒(例如，本文描述的测试杯)，以及在测试样品中过敏原的存在时处理盒的使用说明。在一些实施例中，所述套件还可以包括用于收集样品的采样器。
在一些实施例中，检测系统可以包括可由软件应用访问和控制的用户界面。该软件可以由软件应用程序在诸如智能电话、平板计算机、个人计算机、膝上型计算机、智能手表和/或其他装置等个人装置上运行。在某些情况下，软件可以由互联网浏览器运行。在一些实施例中，软件可以连接到称为“云”的远程和本地化服务器。
附图说明
图1是根据本发明的检测系统的实施例的立体图，所述检测系统包括：检测装置100，具有外部壳体101和被配置为用于容纳一次性盒300的端口或接收器102；单独的食物取样器200，作为采样器的示例；以及一次性测试杯300，作为检测盒的示例。可选地，盖103覆盖接收器102。系统100的该实施例具有允许用户执行过敏原检测测试的执行/动作按钮104，并且可以包括USB端口105。
图2A是作为采样器的示例的食物取样器200的一个实施例的分解立体图。
图2B是食物取样器200的立体图。
图3A是包括杯顶部310、杯本体320和杯底部330的一次性测试杯300的实施例的立体图。
图3B是测试杯300的剖视图，示出了杯300内部的特征。
图3C是一次性测试杯300的实施例的分解图。
图3D是顶盖312的俯视立体图(左图)和仰视立体图(右图)。
图3E是杯本体320的俯视立体图(左图)和仰视立体图(右图)。
图3F是图3C所示的上部壳体320a的底部的俯视立体图(上图)和图3C所示的外部壳体320b的内部的仰视立体图(下图)。
图3G是图3C所示的杯底盖337的仰视立体图(左图)和俯视立体图(右图)。
图3H是在组装底部330和杯本体320之后的杯底部表面的仰视立体图。
图3I是杯顶盖311的分解图。
图4A是过滤器组件325的一个实施例的分解图。
图4B是滤液室322的一个实施例的剖视立体图，所述滤液室包括用于放置过滤器组件325、收集槽432和滤液收集室433的过滤器床室431。
图5A是测试杯300的替代实施例的立体图。
图5B是图5A的一次性测试杯300的分解图(未示出过滤器325)。
图5C是图5A的杯300的剖视正视图。
图5D是测试杯300的替代实施例的分解立体图。
图5E是图5D所示的杯本体320的仰视立体图(上图)和俯视立体图(下图)。
图5F是图5D所示的杯底部337和杯本体320的底部的仰视立体图。
图5G是过滤器组件525的替代实施例。
图5H是当与阀350组装在一起时的过滤器组件525的过滤器帽541的剖视图。
图5I包括旋转阀350的立体图(上图)，旋转阀350的侧视图(左下图)，以及旋转阀350的底部的仰视图(右下图)。
图5J是图5D所示的杯底盖337的仰视图(上图)和杯底盖337的附视图(下图)。
图5K是图5D所示的芯片面板532的俯视图。
图6A是上部杯本体510的俯视图，示出与均质化、过滤(F)、洗涤(W1和W2)和废物有关的特征。
图6B是示出在样品制备与样品洗涤期间旋转阀350的位置的示意图。
图6C是显示杯300内部的流体流动的图。
图7A是装置100的立体图。
图7B是在没有盖103的情况下的装置100的俯视图。
图8A是装置100的纵向剖视立体图。
图8B是装置100的侧向(lateral，横向)剖视立体图。
图9A是用于控制旋转阀350的操作的阀马达820和关联部件。
图9B是与马达关联的输出联接920的俯视立体图。
图10A是光学系统830的一个实施例的俯视立体图。
图10B是图10A的光学系统830的侧视图。
图11A是显示测试区域和控制区域的芯片传感器333的图示。
图11B是光学系统830和芯片333的俯视图，示出了提供芯片333的荧光测量的反射。
图12A示出处于直线模式的光学组件830。
图12B示出处于折叠模式的光学组件830。
图12C是装置100的一端(图8B的右侧)的剖视立体图，示出了发射光学器件1210，所述发射光学器件包括放置在装置100中的阶梯膛孔1224中的透镜1221、1223以及过滤器1222a和1222b。
图13A是显示了与没有MgCl2和MgCl2溶液的缓冲液相比，MgCl2冻干制剂中的SPN强度的柱状图。
图13B示出了从MgCl2制剂中回收的沉积在支撑于1μm筛网上的棉过滤器上的镁的百分比。
具体实施方式
为了可以更好地理解以下对本发明的详细描述，前面已经相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点。在下文中将描述形成本发明的权利要求主题的本发明的附加特征和优点。本领域技术人员应理解，所公开的概念和具体实施例可以容易地用作修改或设计用于实现本发明相同目的的其他结构的基础。本领域技术人员还应认识到，这样的等同构造不脱离所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围。将从以下结合附图考虑的描述中更好地理解就其组织和操作方法而言被认为是本发明的特征的新颖特征，以及进一步的目的和优点。然而，应明确地理解，提供每幅附图仅是出于说明和描述的目的，并且不旨在作为对本发明的限制的定义。除非另有定义，否则本文使用的所有技术术语和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义。在有冲突的情况下，将以本说明书为准。
使用分析装置确保食品安全尚未达到实现其诺言的程度。特别地，尚未开发出基于简单又准确、灵敏且快速的检测方案的便携式装置来检测多种已知的过敏原。在食品安全控制方面对基于适体分析的最新评论之一表明，尽管已经开发出多种商业上的分析工具来检测过敏原，但是其中大多数依赖于免疫测定。进一步表明，针对该组成分的适体的选择正在出现(Amaya-González等人，Sensors(传感器)2013,13,16292-16311，其通过全文引用并入本文)。
本发明提供了可特异性地检测多种食物样品中的低浓度过敏原的检测系统和装置。本发明的检测系统和/或装置是小型的、便携式和手持式产品，其旨在具有紧凑的尺寸，从而增强其便携性和谨慎的操作。用户可以携带本发明的检测系统和装置，并在食用食物之前，实施对食物样品中是否存在一种或多种过敏原的快速且实时的测试。根据本发明的检测系统和装置可由用户在任何位置处(诸如在家庭中或餐馆中)使用。检测系统和/或装置将测试结果显示为标准读数，并且任何用户都可以按照遵照如何操作检测系统和装置的简单说明来实施检测。
在一些实施例中，检测系统和装置被构造为用于简单、快速和灵敏的一步执行。系统可以在少于5分钟、或少于4分钟、或少于3分钟、或少于2分钟、或少于1分钟的时间内完成过敏原检测测试。在一些示例中，可以在近似60秒、55秒、50秒、45秒、40秒、35秒、30秒、25秒、20秒或15秒内完成过敏原检测。
根据本发明，用于生产检测系统和装置的构造工艺可以是机电工程构造工艺，其整合了电气工程、机械工程和计算机工程来实施并控制过敏原检测测试的工艺。检测系统和装置的实施例具有以下特征，包括但不限于：可再充电或可更换的电池，用于处理测试样品的马达驱动器，用于控制处理后的样品溶液和盒中的缓冲液的流量的泵，印刷电路板和联接并整合用于快速的过敏原测试的不同部件的连接器。本发明的检测装置的实施例还包括：光学系统，被配置为用于检测测试样品中的所关注的过敏原的存在和浓度，并且将检测信号转换为可读信号；壳体，为检测装置的其他部分提供支撑并且将不同部分一起整合为功能产品。
在一些实施例中，检测系统和/或装置被构造为使得对一种或多种特定过敏原专用的一次性检测盒(例如，一次性测试杯或杯状容器)被构造为用于接收并处理测试样品以及实施检测测试，其中容纳所有溶液。因此，所有溶液可以被限定在一次性杯或杯状容器中。作为非限制性示例，用户可以用一次性花生测试杯来检测任何食物样品中的花生并在测试之后丢弃。这防止当使用同一装置执行不同的过敏原测试时的交叉污染。
在一些实施例中，提供了可测量和定型(size)测试样品的单独的采样器。在一个方案中，采样器可进一步对测试样品进行预处理，诸如将样品切成小块，混合、刮擦和/或研磨，以使样品适于过敏原蛋白质提取。
根据本发明，与样品中的所关注的过敏原特异性地结合的核酸分子(即，适体)用作检测剂。核酸剂可以是能够识别目标过敏原的适体和衍生自适体的信号多核苷酸(SPN)。在一些实施例中，SPN捕获样品中的过敏原蛋白质以形成SPN:蛋白质复合物。另一检测探针，诸如与SPN序列互补的短核酸序列，可以用于将SPN锚定到固体基底以用于信号检测。在其他实施例中，检测剂可以附着到固体基底，诸如磁性颗粒、二氧化硅、琼脂糖颗粒、聚苯乙烯珠、玻璃表面、微孔、芯片(例如，微芯片)等的表面。在本发明的范围内，出于类似的目的，这样的检测剂和传感器也可被整合到任何合适的检测系统和仪器中。
与目标过敏原特异性结合的适体和SPN可以是在共同拥有的以下申请中公开的那些：2016年11月8日提交的美国临时申请序列号62/418,984；2016年12月16日提交的美国临时申请序列号62/435,106；2017年5月30日提交的美国临时申请序列号62/512,299；以及2017年11月8日提交的PCT专利申请公布号WO/2018/089391；每个所述申请的内容通过全文引用并入本文。
检测系统
根据本发明，本发明的过敏原检测系统可以包括：至少一个一次性检测盒，用于实施过敏原检测测试；检测装置，用于检测并使检测测试的结果可视化。可选地，检测系统还可以包括用于收集测试样品的至少一个采样器。采样器可以是可用于收集一部分测试样品的任何工具，例如，勺子或筷子。在一些方面，如下文所讨论的，可以将特别设计的采样器包括到本检测系统中。
如图1所示，本发明的检测系统的实施例包括：检测装置100，被配置为用于处理测试样品，实施过敏原检测测试，并检测该检测测试的结果；单独的食物取样器200，作为采样器的示例；以及一次性测试杯300，作为检测盒的示例。检测装置100包括外部壳体101，为检测装置100的部件提供支撑。检测装置100的端口或接收器102被构造为用于对接一次性测试杯300，并且还包括盖103以打开和关闭仪器。外部壳体101还为按钮提供了表面空间，用户可通过按钮操作该装置。可以包括允许用户执行过敏原检测测试的执行/动作按钮104和USB端口105。可选地，还可以包括电源插头(未示出)。在实施过敏原检测测试过程期间，将其中容纳有样品的食物取样器200***一次性测试杯300中，并将一次性测试杯300***检测装置100的端口102中以用于检测。
采样器
收集适当尺寸的样品是实施过敏原检测测试的重要步骤。在本发明的一些实施例中，提供了用于拾取和收集测试样品(例如，食物样品)的单独的采样器。在一个方案中，本文公开了一种用于拾取和收集食物样品的取样-包装-柱塞(coring-packer-plunger)概念。这样的机构可以测量并收集测试样品的一种或若干种尺寸部分，并且提供诸如切割、研磨、刮擦和/或混合的预处理步骤，以促进均质化和提取或从测试样品中释放过敏原蛋白质。根据本发明，单独的食物取样器200被构造为用于获取不同类型的食物样品并收集测试样品的适当尺寸的部分。
如图2A所示，食物取样器200可以包括三个部分：位于远端处的柱塞210；手柄220，被配置为用于联接取样器；以及近端处的该取样器230。柱塞210具有：位于远端处的设置有取样器顶部握柄211的远端部分(图2A)，所述取样器顶部握柄有助于上下操纵柱塞210；柱塞本体的中间中的柱塞止动件212；以及柱塞本体的近端处的密封件213。手柄220可以包括位于远端处的卡扣配合(snap fit)221和位于近端处的连接到取样器230的裙部222。取样器230可以包括在最近端处设置有切割边缘231的近端部分(图2A)。取样器230被配置为用于切割并保持待排入一次性测试杯300中的收集的样品。
在一个实施例中，柱塞210可以***取样器230内，其中柱塞210的近端可以从取样器230突出，以用于直接接触测试样品，并且与取样器230的切割边缘231一起，拾取测试样品的具有特定尺寸的部分(图2B)。根据本发明，柱塞210用于将采样的食物从取样器230排出到一次性测试杯300中，以及也将特定的食物(诸如液体和乳状食物)拉入取样器230中。通过与卡扣配合221的相互作用，柱塞止动件212的特征可以防止柱塞210在采样期间被拉回太远或从取样器本体230中被拉出。为了通过拉回柱塞210将液体抽入取样器230中，位于柱塞210的最近端处的密封件213可以保持气密密封。在一些实施例中，柱塞210可以设置有其他类型的密封件，包括模制特征或机械密封件。手柄220被构造为供用户握持采样器200的取样部件。例如，裙部222为用户提供了用于操作食物采样器200、向下推动取样器230以及驱动取样器230进入待收集的食物样品中的装置。
在一些实施例中，切割边缘231可以被配置为用于预处理收集的样品，从而允许以推动、扭曲和/或切割的方式将采样的食物取样。作为一些非限制性示例，切割边缘231可以为平坦边缘、锋利边缘、具有各种数量的齿的锯齿状边缘、锋利的锯齿状边缘和薄壁边缘。在其他方案中，取样器230的内径在大约5.5mm至7.5mm的范围内变化。优选地，取样器230的内径可以在大约6.0mm至大约6.5mm的范围内变化。取样器230的内径可以为6.0mm、6.1mm、6.2mm、6.3mm、6.4mm、6.5mm、6.6mm、6.7mm、6.8mm、6.9mm或7.0mm。取样器230的尺寸被优化以使用户收集适量的测试样品(例如，1.0g至0.5g)。
食物取样器200的部件可以被构造为易于处理的任何形状，诸如三角形、正方形、八边形、圆形、椭圆形等。
在其他实施例中，食物取样器200还可以设置有用于称量正在拾取的测试样品的装置，诸如弹簧、刻度秤或其等同物。作为非限制性示例，食物取样器200可以设置有称重张力模块。
食物取样器200可以由塑料材料制成，塑料材料包括但不限于，聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚酯(PET)、聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚氯乙烯(PVC)、热塑性弹性体(TPE)、热塑性聚氨酯(TPU)、缩醛(POM)、聚四氟乙烯(PTFE)或任何聚合物、以及它们的组合。
采样器(例如，取样器200)可以与分析盒(例如，一次性杯300)和/或检测装置(例如，装置100)操作性地关联。可选地，采样器可以包括用于连接到盒的接口。可选地，帽可以定位在采样器的近端。采样器200还可以包括与采样器200一起定位的传感器，以检测采样器中样品的存在。
一次性处理盒
在一些实施例中，本发明提供了检测盒或器皿。如本文所使用的，术语“盒”和“器皿”可互换使用。盒被构造为用于实施检测测试。检测盒是一次性的并用于特定的过敏原。一次性检测盒被构造为用于：食物样品的离解和过敏原蛋白质提取、食物颗粒的过滤、反应溶液/试剂和检测剂的储存，以及使用检测剂进行的所关注的过敏原的捕获，所述检测剂诸如为与过敏原蛋白质特异性地结合的抗体和核酸分子。在一个方案中，检测剂是核酸分子，诸如适体和/或源自适体的SPN。在其他实施例中，检测剂可以是对过敏原蛋白质具有特异性的抗体，诸如对花生过敏原蛋白质Ara H1具有特异性的抗体。根据本发明，提供至少一个单独的检测盒作为检测系统的一部分。在其他实施例中，检测盒可以被构造为用于任何其他检测系统中。
在一些实施例中，检测盒可以被构造为包括一个或多个单独的室，每个室被构造为用于单独的功能，诸如用于样品接收、蛋白质提取、过滤、以及用于缓冲液、试剂和废液的储存。检测盒还可以包括：用于处理样品的装置(例如，均质化器)；用于滤出大颗粒的过滤器；以及用于控制盒内的流体流动的通道和端口。
在一些实施例中，一次性检测盒旨在对样品中的过敏原测试仅使用一次，因此可以由低成本塑料材料制成，例如，丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、COC(环烯烃共聚物)、COP(环烯烃聚合物)、透明高密度聚乙烯(HDPE)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚酯(PET)或其他热塑性塑料。因此，一次性检测盒可以被构造为用于任何特定的所关注的过敏原。在一些实施例中，这些一次性盒可以被构造为仅用于一种特定的过敏原，这可以避免与其他过敏原反应的交叉污染。
在一些实施例中，一次性盒由聚丙烯(PP)、COC(环烯烃共聚物)、COP(环烯烃聚合物)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)或丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)制成。
在其他实施例中，这些一次性盒可以被构造为并行检测测试样品中的两种或更多种不同的过敏原。在一些方案中，一次性盒可以被配置为用于并行检测两种、三种、四种、五种、六种、七种或八种不同的过敏原。在一个方案中，同时检测多种(例如两种、三种、四种、五种或更多种)过敏原的存在，可以产生指示存在哪种过敏原的肯定信号。在另一个方案中，提供系统以检测是否存在例如花生或树坚果的过敏原，并且产生信号以指示存在这种过敏原。
在一些实施例中，一次性检测盒可以是一次性测试杯或杯状容器。根据测试杯的一个实施例，如图3A所示，组装的一次性测试杯300包括三个部分：杯顶部310、杯本体320和杯底部330。杯300还包括：均质化转子340，其在两个方向上旋转以使样品均质；和旋转阀350，用于杯内的流体流动(图3B)。
在一些实施例中，测试杯本体320可以包括多个室。在一个实施例中，如图3B所示，测试杯本体320包括：一个均质化室321，包括食物处理储器601(如图6C所示)；滤液室322，用于收集通过过滤器(例如，2状态过滤器325)过滤之后的样品溶液；废物室323，包括废物储器603(如图6C所示)；以及可选地，洗涤缓冲液储存室324，包括洗涤缓冲液储存储器602(如图6C所示)。图3E和图3H中示出了杯底部320处的反应室331(本文也称为信号检测室)。所有的分析反应发生在反应室331中，并且在其中产生可检测信号(例如，荧光信号)。在一些实施例中，例如预储存在均质化室321中的检测剂(例如，SPN)可以与均质化室321中的测试样品预混合，测试样品在均质化室中被均质化并且提取的过敏原蛋白质与检测剂反应。混合的反应复合物在被输送到反应室331之前可被输送到过滤器325，其中，测量了检测信号。
在替代的实施例中，在缓冲液和试剂储存室324中可以包括不止一个缓冲液和试剂储存储器。作为非限制性示例，提取缓冲液和洗涤缓冲液可以分别地储存在缓冲液储存室324内的储器中。
图3C示出一次性测试杯300的分解视图，所述一次性测试杯被配置为包含三个主要部件，顶部310、壳体或本体320和底部330。在一个实施例中，杯顶部310可以包括：杯盖311；顶盖312，具有用于接纳食物取样器200的食物取样器端口313(在图3B和图3D中)；两个或更多个通气过滤器314，包含所述通气过滤器是为了确保仅引入空气并且流体不会从测试杯300中逸出。顶部部分可以具有两个盖311。如图3I所示，底部处的第二盖311b被构造为用于在操作期间重新密封和保留液体。顶盖311a可以被揭开以***由取样器200收集的测试样品，然后在测定完成之后将其重新关闭。顶盖312还可以包括用于吸入空气以使流体流动的至少一个小孔(图3C)。杯本体320由两个单独的部分组成：上部壳体320a和外部壳体320b。过滤器或过滤器组件325包括在杯本体中以用于处理样品。过滤器325可以通过垫片326附接到杯本体。杯底部组件330包括底盖337，所述底盖夹持包括反应室331(图3E和图3G中)、检测传感器(即玻璃芯片333)和芯片垫片334的其他部件，所述芯片垫片有助于将玻璃芯片333附接到反应室331的底部。底盖337还包括用于保持均质化转子340的端口/钻孔(bit)340a和用于保持旋转阀350的端口/钻孔350a(如图3G所示)。这些钻孔提供了用于将均质化转子340和旋转阀350连接到检测装置100的马达的装置。例如，转子垫片可以被配置到上部壳体320a以将转子340密封到壳体320，以避免流体的泄漏。
在一些实施例中，杯还可以被构造为包括可存储批次特定参数的条形码。在一个示例中，条形码可以是存储杯300的特定参数的数据芯片335，所述特定参数包括SPN的信息(例如，荧光团标签、目标过敏原和SPN的强度等)、有效期、制造信息等。
图3D还展示了图3A所示的杯的顶盖312的特征。包含取样器端口313是为了接纳采样器并将采集的测试样品转移到样品处理室321。作为非限制性示例，端口313可以被构造为用于接纳图2B所示的食物取样器200。图3E是杯壳体本体320的俯视立体图。在该视图中图3C所示的上部壳体320a和外部壳体320b被组装在一起。上部壳体320a可以包括操作性地连接的一个或多个室。在该实施例中，可以看见均质化室321、过滤室322和废物室323(左图)。杯本体320的底部包括具有用于流体流动的入口和出口336的反应室331(右图)。转子340和旋转阀350可以在杯300中组装以形成功能检测盒(右图)。
图3F还示出上部壳体(图3C所示的320a)的底部的外部界面(上图)和图3C所示的外部壳体320b的底部的内部界面(下图)。在上部壳体320a的外部界面处的两个能量导向器面361(面1)和362(面2)与在外部壳体320b的底部的内部界面处的两个焊接配合面(即，面363(面1)和364(面2))相互作用，以将壳体部件320a和320b保持在一起而形成杯本体320。还包含流体路径370以使液体在杯底部330中流动。转子340和旋转阀350分别通过转子端口340a和旋转阀端口350a被组装到杯300中。
图3G还示出图3A和图3C所示的杯300的底盖337。在部件被组装在一起以形成功能测试杯300之后，反应室331内的专门区域332可以包括检测传感器，所述检测传感器包括检测剂，诸如对待检测的过敏原具有特异性的SPN。在一个实施例中，检测传感器是通过玻璃垫片334(如图3C所示)定位到作用区域332的玻璃芯片333。可以包括玻璃垫片334以将玻璃芯片333密封在反应室331的作用区域332的底部处的适当位置并防止流体泄漏。替代地，可以使用粘合剂或超声粘合将层配合在一起。在本发明的一些方案中，玻璃芯片333可以作为杯底盖337的部件直接被配置在反应室331的底部(例如，传感器区域332的底表面)处并作为一个整体整合到杯本体320。整个单元可以由PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)(也称作丙烯酸或丙烯酸玻璃)构成。这种透明的PMMA丙烯酸玻璃可以用作信号检测的光学窗口。
如图3H所示，底部330与杯本体320组装在一起。从该仰视立体图来看，杯的底表面包括用于流体路径的多个接口(例如，射流(fluidic，流体)入口/出口336)和泵端口380以及将图3C所示的转子340和旋转阀350连接到检测装置100的接口。
在杯300中可以包括用于阻挡流体在杯300的部件之间流动的装置。在一个实施例中，在杯壳体320a中包括倾泄阀315(图3C中)以阻挡均质化室321中的流体流到配置在杯300的底部处的旋转阀350。在运输及寿命终止时倾泄阀315由旋转阀350保持在适当的位置。在运输期间旋转阀350将倾泄阀315锁定在过滤器(例如，过滤器组件325)上方以及在完成检测测定之后阻止流体流动。在一些实施例中，旋转阀350可以包括操作性地连接到倾泄阀315并锁定倾泄阀的阀轴(如图3C所示)。旋转阀350可以通过本领域已知的任何可用的装置附接到杯300。在一个实施例中，可以使用阀垫片(例如，图5A所示的垫片504)。替代地，旋转阀350可以通过波形盘簧附接到杯。旋转阀350可以以若干步骤被致动以将流引导至杯300内的适当室。作为非限制性示例，在检测测试期间旋转阀350的位置在图6B中示出。
在一些实施例中，在盒中包括过滤器组件(例如，图3C和图4A所示的过滤器325)，用于在处理后的样品被转移到反应室331中之前，从样品中去除大颗粒和其他干扰成分，诸如来自食物基质的脂肪。
在一些实施例中，过滤器机构可以是过滤器组件。过滤器组件可以是简单的薄膜过滤器420。薄膜420可以是尼龙、PE、PET、PES(聚醚砜)、PorexTM、玻璃纤维或薄膜聚合物，诸如混合纤维素酯(MCE)、醋酸纤维素、PTFE、聚碳酸酯、PCTE(聚碳酸酯)或PVDF(聚偏二氟乙烯)等。它可以是具有高孔隙率的薄膜(例如，150μm厚)。在一些实施例中，过滤器薄膜420的孔尺寸可以在0.01μm至600μm的范围内、或0.1μm至100μm的范围内、或0.1μm至50μm的范围内、或1μm至20μm的范围内、或20μm至100μm的范围内、或20μm至300μm的范围内、或100μm至600μm的范围内，或位于之间的任何尺寸。例如，孔尺寸可以为约0.02μm、大约0.05μm、大约0.1μm、大约0.2μm、大约0.5μm、大约1.0μm、大约1.5μm、大约2.0μm、大约2.5μm、大约3μm、大约3.5μm、大约4.0μm、大约4.5μm、大约5.0μm、大约10μm、大约15μm、大约20μm、大约25μm、大约30μm、大约35μm、大约40μm、大约45μm、大约50μm、大约55μm、大约60μm、大约65μm、大约70μm、大约75μm、大约80μm、大约85μm、大约90μm、大约100μm、大约150μm、大约200μm、大约250μm、大约300μm、大约350μm、大约400μm、大约450μm、大约500μm、大约550μm、或大约600μm。
在一些替代的实施例中，过滤器组件可以是包括多层过滤器材料的复杂的过滤器组件325(如图4A所示)。在一个示例中，过滤器组件325可以包括由粗过滤器411、深度过滤器412和薄膜过滤器420组成的主体过滤器410(图4A)。在一个实施例中，粗过滤器411和深度过滤器412可以由保持器环413固定以形成位于薄膜过滤器420上的主体过滤器410。在其他实施例中，主体过滤器410还可以包括位于过滤器内部或过滤器顶部的粉末。粉末可以选自纤维素、PVPP、树脂等。在一些示例中，粉末不与核酸和蛋白质结合。
在一些实施例中，可以优化过滤器组件325以从高脂肪样品中去除油，而不去除蛋白质和核酸，从而实现优异的样品清洁。在其他实施例中，可以优化过滤器组件325的深度和宽度的比例以使过滤效率最大化。
在一些实施例中，过滤器组件325可以被放置在一次性杯本体320中的过滤器床室431(图4B)内。过滤器床室431可以连接到均质化室321。均化产物可以被供应到过滤器床室431内的过滤器组件325。滤液由收集槽432(本文也称作滤液室)收集。然后收集的滤液可以离开射流以流到反应室331(图3B)。在一个示例中，收集的滤液可以从收集槽432直接被运输到反应室331。在另一示例中，滤液在通过入口/出口336(图3G)被输送到反应室331之前，可以首先被输送到滤液收集室433。可以通过杯320的底部处的流体路径370(如图3F所示)将流体递送到反应室331。
在一些实施例中，滤液收集室433还可以包括滤液浓缩器，所述滤液浓缩器被配置为在样品滤液流到反应室331以进行信号检测之前浓缩该样品滤液。浓缩器可以是半球形的，或锥形式浓缩器，或高的管。
根据该实施例，处理后的样品(例如，来自室321的均化产物)顺序地通过粗过滤器411、深度过滤器412和薄膜过滤器420被过滤。粗过滤器411可以从样品中过滤出大颗粒悬浮物，例如，大于1mm的颗粒。深度过滤器412可以从样品(诸如食物样品)中去除小颗粒收集物和油成分。深度过滤器412的孔尺寸可以在大约1μm至大约500μm的范围内、或大约1μm至大约100μm的范围内、或大约1μm至大约50μm的范围内、或大约1μm至大约20μm的范围内、或大约4μm至大约20μm的范围内、或大约4μm至大约15μm的范围内。例如，深度过滤器412的孔尺寸可以为大约2μm、或大约3μm、或大约4μm、或大约5μm、或大约6μm、或大约7μm、或大约8μm、或大约9μm、或大约10μm、或大约11μm、或大约12μm、或大约13μm、或大约14μm、或大约15μm、或大约16μm、或大约17μm、或大约18μm、或大约19μm、或大约20μm、或大约25μm、或大约30μm、或大约35μm、或大约40μm、或大约45μm、或大约50μm。
深度过滤器412可以由例如棉(包括但不限于原棉和漂白棉)、聚酯网(单丝聚酯纤维)或沙(二氧化硅)组成。在一些实施例中，过滤器材料可以是疏水的、亲水的或疏油的。在一些示例中，该材料不与核酸和蛋白质结合。在一个实施例中，深度过滤器是棉深度过滤器。棉深度过滤器的尺寸可以变化。例如，棉深度过滤器可以具有在大约1:5至大约1:20的范围内的宽度与高度比。棉深度过滤器412可以被配置为使总过滤器体积和被过滤的食物量相关。
薄膜过滤器420可以去除小于10μm的尺寸、或小于5μm的尺寸、或小于1μm的尺寸的小颗粒。薄膜的孔尺寸可以在大约0.001μm至大约20μm的范围内，或0.01μm至大约10μm的范围内。优选地，过滤器薄膜的孔尺寸可以为大约0.001μm、或大约0.01、或大约0.015μm、或大约0.02μm、或大约0.025μm、或大约0.03μm、或大约0.035μm、或大约0.04μm、或大约0.045μm、或大约0.05μm、或大约0.055μm、或大约0.06μm、或大约0.065μm、或大约0.07μm、或大约0.075μm、或大约0.08μm、或大约0.085μm、或大约0.09μm、或大约0.095μm、或大约0.1μm、或大约0.15μm、或大约0.2μm、或大约0.2μm、或大约0.25μm、或大约0.3μm、或大约0.35μm、或大约0.4μm、或大约0.45μm、或大约0.5μm、或大约0.55μm、或大约0.6μm、或大约0.65μm、或大约0.7μm、或大约0.75μm、或大约0.8μm、或大约0.85μm、或大约0.9μm、或大约1.0μm、或大约1.5μm、或大约2.0μm、或大约3.0μm、或大约3.5μm、或大约4.0μm、或大约4.5μm、或大约5.0μm、或大约6.0μm、或大约7.0μm、或大约8.0μm、或大约9.0μm、或大约10μm。如所讨论的，薄膜可以是尼龙薄膜、PE、PET、PES(聚醚砜)薄膜、玻璃纤维薄膜、诸如混合纤维素酯(MCE)薄膜的聚合物薄膜、醋酸纤维素薄膜、硝酸纤维素薄膜、PTFE薄膜、聚碳酸酯薄膜、径迹蚀刻聚碳酸酯薄膜、PCTE(聚碳酸酯)薄膜、聚丙烯薄膜、PVDF(聚偏二氟乙烯)薄膜或尼龙和聚酰胺薄膜。
在一个实施例中，薄膜过滤器是孔尺寸为1μm的PET薄膜过滤器。小的孔尺寸可以阻止大于1μm的颗粒进入反应室中。在另一个实施例中，过滤器组件可以包括与孔尺寸为1μm的PET网结合的棉过滤器。
在一些实施例中，过滤机构具有低蛋白质结合、低核酸结合或无核酸结合。过滤器可以用作主体过滤器，以去除脂肪和乳化剂以及大颗粒，从而获得粘度与缓冲液的粘度相当的滤液。
在一些实施例中，包括粗过滤器411、深度过滤器412和薄膜过滤器420的过滤器组件325可以提供信号多核苷酸(SPN)和其他检测剂的最大回收。
在一些实施例中，过滤机构可以在少于1分钟内，优选地在大约30秒内完成过滤过程。在一个示例中，过滤机构可能够在小于10psi的压力下在35秒、或30秒、或25秒、或20秒内收集样品。在一些实施例中，压力可以小于9psi、或小于8psi、或小于7psi、或小于6psi、或小于5psi。
在一些替代的实施例中，过滤室322可以包括被配置为用于过滤处理后的样品的一个或多个附加的室。如图4B所示，过滤室322还可以包括单独的过滤器床室431，其中，过滤器组件325(如图4A所示)被***并连接到收集槽432。收集槽432被配置为收集流过过滤器组件325的滤液，槽432可以直接连接到流动池射流，以使滤液流至反应室331以用于信号检测。可选地，另外的收集/浓缩室433可以被包括在过滤室322中，所述过滤室被配置为用于在滤液被输送到反应室331以用于信号检测之前收集和/或浓缩通过收集槽432收集的滤液。收集/浓缩室433通过收集槽432被收集到过滤器床室431。
图5A至图5C示出一次性盒300(图5A)的替代的实施例。类似地，如图5B所示，杯包括三个部分：杯顶盖310、杯罐320、以及杯底盖330，它们操作性地连接以形成分析模块。杯的顶部是顶盖310，其中测试样品从顶盖放置在杯中以用于测试。可以包含顶部垫片501以将顶部310密封到杯本体。上部杯本体510包括均质化室、废物室、用于洗涤的室(例如，图6A所示的洗涤1室(W1)、洗涤2室(W2))和用于控制空气并由此控制流体流动的空气通风口组。在均质化室中配置有转子340，以用于使测试样品在均质化缓冲液中均质化。在组装期间可以调整转子的形状以适配杯。中间垫片502定位在上部杯本体510的底部处以将本体510密封到具有孔以用于流体流动的歧管520。歧管520被配置为保持过滤器325和用于流体流动的流体路径370。添加另一个中间垫片503以将歧管520密封到底盖330，其中反应室、玻璃芯片、玻璃垫片和存储芯片(例如，EPROM)定位在底盖处。转子340通过O形环505(如图5C所示)被密封到底部。旋转阀350通过阀垫片504被配置到底部330。图5B所示的杯的每个部件的构造也在图5C的剖视图中示出。
根据本发明，在图5D中示出一次性杯300的另外的替代的实施例。图5E至图5K还示出图5D的一次性杯300的部件。如图5D所示，盒包括顶部分310、本体部分320和底部分330。转子340通过垫片533密封到杯本体。旋转阀350通过盘簧535组装到盒。当实施检测测定时，旋转阀350可以旋转并且移动密封件533以释放转子340，从而使测试样品均质化。在该实施例中，单独的射流面板532设置在杯本体320的底部与底盖337之间，其中包括射流通道。当测试杯的部件被组装在一起时，反应室331形成在射流面板532与底盖337之间。DNA芯片333可以通过芯片PSA 534操作性地连接到射流面板532和反应室331的传感器区域332。板532的射流路径将处理后的样品引导到反应室331以用于信号检测。
杯顶部310可以包括具有如图3I所示的两个标签311a和311b的顶盖311。杯本体320可以被配置为提供若干单独的室，包括均质化室321、过滤室322、废物室323、两个或更多个洗涤空间(W1和W2)，如图5E所示(上图)。在一些示例中，过滤室322具有通风口531。通风口531的湿润可以向电子器件的压力传感器发送信号，表明室322已充满(图5D)。类似于其他设计，在杯本体320的底部处，设计了若干端口，包括用于转子340的端口和用于旋转阀350(例如，图5I所示的旋转阀350)的端口，以用于组装功能盒。当将杯底盖337密封到杯本体320并密封杯时，这些端口与底盖337的端口(例如，图5J所示的340a和350a)对准。
在该实施例中，射流面板532被***杯本体320的底部；该面板被配置为通过芯片PSA 534保持DNA芯片333，并且提供必要的流体路径(例如，370)，以使处理后的样品流到DNA芯片333。图5K示出射流面板532的示例性配置，其中，DNA芯片333可以附接到反应室331并且入口和出口通道336将使样品流到DNA芯片以用于检测反应。
在一些示例中，过滤器组件325被***均质化室321中，以过滤处理后的样品。在一个示例中，过滤器组件325可以是图4A所示的过滤器。在另一示例中，替代的过滤器组件525可以被配置为包括***过滤器垫片543中的过滤器544(例如，网状过滤器)、主体过滤器542和过滤器帽541(图5G)。过滤器组件525可以由旋转阀350紧固并由阀350控制(图5H)。
在一些实施例中，反应室331可以包括专门感测区域332，所述感测区域被配置为用于保持检测传感器以用于信号检测。在本发明的一些方案中，检测传感器可以是固体基底(例如，玻璃表面、芯片和微孔)，其表面被捕获探针覆盖诸如与结合到目标过敏原的SPN互补的短核酸序列。在一些实施例中，反应室331内的感测区域332可以是玻璃芯片333(图3C和图5D)。
在一些实施例中，反应室331包括至少一个光学窗口。在一个实施例中，室包括两个光学窗口，即，一个主光学窗口和一个次光学窗口。在一些实施例中，主光学窗口用作反应室331与检测装置100(特别是与检测装置100的光学系统830(如图10A、图10B和图12A-图12C所示)的接口。检测传感器(例如，玻璃芯片333)可以定位在光学窗口与光学系统的接口之间。可选的次光学窗口可以位于反应室331的一侧。次光学窗口允许检测背景信号。在本发明的一些方案中，次光学窗口可以被配置为用于测量散射光。
在一些实施例中，印刷有核酸分子的玻璃芯片333(即，DNA芯片)与光学窗口对准。在一些实施例中，DNA芯片包括至少一个反应面板和至少两个控制面板。在本发明的一些方案中，芯片的反应面板面对反应室331，所述反应室的侧面是盒300的入口和出口通道336。在一些实施例中，玻璃芯片333的反应面板可以涂覆/印刷有短核酸探针，所述短核酸探针与对所关注的过敏原具有高特异性和结合亲和力的SPN杂交。然后，当SPN与核酸探针杂交时，其可以锚固到芯片。
在一个优选的实施例中，传感器DNA芯片(例如，图3C中的333)可以包括：印刷有短互补序列的反应面板，所述短互补序列与对所关注的过敏原具有特异性的SPN杂交；以及两个或更多个控制区域(控制面板)，其共价连接至不与SPN或过敏原反应的核酸分子(作为控制核酸分子)。仅当SPN不与目标过敏原蛋白质结合时，互补探针序列才能与SPN结合。在本发明的一些方案中，控制面板中印刷的核酸分子用探针(例如，荧光团)标记。控制面板为光学装置提供了用于相对于反应面板规范化信号输出并确认正常的操作程序的机制。在图11A中示出了芯片333的示例性配置。
在一些实施例中，DNA涂覆的芯片333可以被预包装到盒的反应室331中。在其他实施例中，DNA涂覆的芯片333可以与一次性盒(例如，图1中的杯300)分开包装。
在一些实施例中，用于制造传感器芯片的固体基底可以是具有高光学透明度的玻璃，诸如硼硅酸盐玻璃和钠玻璃。
在一些实施例中，用于印刷DNA的固体基底可以由具有高光学透明度的塑料材料制成。作为非限制性示例，基质可以选自由以下构成的组：聚二甲基硅氧烷(PDMS)、环烯烃共聚物(COC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、环烯烃聚合物(COP)、聚酰胺(PA)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯醚(PPE)、聚苯乙烯(PS)、聚甲醛(POM)、聚醚醚酮(PEEK)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇、聚酰化物、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、氟化乙烯丙烯(FEP)、全氟烷氧基烷烃(PFA)、聚碳酸亚丙酯(PPC)、聚醚砜(PES)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、纤维素、聚(4-乙烯基苄基氯)(PVBC)、水凝胶、聚酰亚胺(PI)、1,2-聚丁二烯(PB)、含氟聚合物和共聚物(例如，聚四氟乙烯(PTFE)、全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)、乙烯四氟乙烯(ETFE))、含降冰片烯基团的聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸类聚合物或共聚物、聚苯乙烯、取代聚苯乙烯、聚酰亚胺、硅树脂弹性体、含氟聚合物、聚烯烃、环氧树脂、聚氨酯、聚酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚砜(polypersulfone)和聚醚酮、或它们的组合。
杯底部330被配置为闭合一次性测试杯300并且提供用于将测试杯300联接到检测装置100的装置。在一些实施例中，图3G中所示的杯300的底部组件330的底侧包括用于将杯300连接到检测装置100以进行操作的多个接口，包括：均质化转子接口340a，可以将均质化转子340联接到装置100中的用于控制均质化的马达；阀接口350a，可以将旋转阀350联接到装置100中的用于控制阀旋转的马达；泵接口380，用于连接到检测装置100中的泵。
在一些实施例中，提供阀系统以控制样品、检测剂、缓冲液和其他试剂通过盒的不同部分的流体流动。除了本文讨论的柔性薄膜、箔密封件和夹管阀外，还可以包括其他阀来控制在检测测定过程期间的流体流动，包括摆动式止回阀、闸阀、球阀、截止阀(globevalve，球心阀)、旋转阀、定制阀或其他市售阀。例如，压盖密封件(gland seal，轴封)或旋转阀350可以用于控制杯300内的处理后的样品溶液的流动。在一些示例中，夹管阀或旋转阀用于将流体与其他内部阀部件完全隔离。在其他示例中，可以使用气动阀(例如，气动夹管阀)来控制流体流动，所述流体流动由加压空气供应来操作。
在一个实施例中，用于控制杯室内的流体流动的装置可以包含在例如杯底部组件330中。所述装置可以包括流动通道、隧道、阀、垫片、通风口和空气连接。在一个实施例中，射流通道可以被配置于射流面板532，如图5D所示的。
在其他实施例中，本发明的阀系统可以包括包含在测试杯300中的附加空气通风口，以当DNA涂覆的玻璃芯片用作检测传感器时控制气流。在过敏原检测测定过程期间，可以用空气吹扫DNA芯片。可以基于系统的要求来打开单个空气进入口。本文讨论的阀系统可以用于在直到使用之前都使空气通风口单元保持不活动。当流体被添加到室或从室中去除时，空气端口允许空气进入盒(例如，杯300)并且空气通风口允许空气进入各个室。空气通风口还可以具有并入其中的薄膜以防止溢出，并且通过闭塞通风口薄膜以防止进一步的流动和填充功能而作为控制流体填充量的机构。
在一个优选的实施例中，旋转阀350(图3C和图5B所示)可以用于控制和调节测试杯300中的流体流动和速率。旋转阀350可以包括可由关联的检测装置(例如，装置100)操作的阀轴和阀盘。在一些实施例中，在检测测定的过程期间，在重复洗涤和空气吹扫循环的每个步骤中，通过逆时针(CCW)或顺时针(CW)旋转阀部件，可以将旋转阀350定位在特定角度。气孔允许空气进入。经由真空压力将空气吸入系统，以执行空气吹扫功能。所述角度可以在大约2°至大约75°的范围内。
作为非限制性示例，阀可以相对于气孔定位在大约38.5°，其中，泵840被关闭并且反应室331是干燥的(称为原始位置)。在对测试样品进行处理和均质化之后，泵被接通并且使所述阀350CCW旋转且以大约68.5°的角度停放，从而允许处理后的样品被输送到过滤室322。接下来，可以使阀部件在不同的方向再次旋转以在不同的角度停放，诸如在大约57°停放，以使洗涤缓冲液流到反应室331，以及在大约72°停放以用空气吹扫DNA芯片。在DNA芯片的预洗涤之后，可以将阀部件旋转到大约38.5°处的原始位置。将处理后的样品溶液拉过过滤器组件325。在过滤之后，可以使阀部件旋转并以大约2°的角度停放，从而允许收集的滤液流入反应室331中，在其中发生化学反应。阀350将旋转并且以大约57°停放，以使洗涤缓冲液流到反应室331，并且以大约72°停放以用空气吹扫DNA芯片。洗涤和空气吹扫步骤可以重复一次或多次，直到光学测量结果指示干净的背景为止。
在一个实施例中，阀系统可以是如图6B所示操作的旋转阀。在该实施例中，旋转阀350被定位成控制系统中的空气和流体流动。旋转阀350驱动均质化室321中的均质化、滤液(F)的过滤和收集、样品洗涤(例如，洗涤1(W1)和洗涤2(W2))、以及废物收集(图6A)。在图6B的步骤1中，旋转阀350处于关闭位置中，在任何室之间没有形成连接。在图6B的步骤2中，旋转阀350将洗涤1室W1连接到反应室331以用洗涤缓冲液冲洗反应室331，随后将洗涤缓冲液推出到废物室323。在图6B的步骤3中，旋转阀350将均质化室321连接到滤液室F以进行过滤步骤。在图6B的步骤4中，旋转阀350将滤液室F连接到反应室331以将滤液送至反应室331以进行反应和分析。在图6B的步骤5中，旋转阀350将洗涤2室W2连接到反应室以再次冲洗反应室331。
在一些实施例中，提取缓冲液可以预储存在均质化室321中，例如，预储存在箔密封的储器(例如食物处理储器601(图6C))中。替代地，提取缓冲液可以单独地储存在杯本体320中的单独的缓冲液储器中，类似于洗涤缓冲液储存储器602的储器(图6C所示的缓冲液储存室324(可选的))。样品均质化之后的提取缓冲液和洗涤废物可以储存在废物室323内的单独的废物储器603中。废物室323具有足够的体积以储存比在检测测定期间使用的流体的量大的体积。
根据本发明，均质化转子340可以被构造为足够小，以装配至一次性测试杯300中，且特别是装配至均质化室321中，在均质化室中均质化器处理要测试的样品。另外，均质化转子340可以被优化以增加样品均质化和蛋白质提取的功效。在一个实施例中，均质化转子340可以在近端处包括一个或多个叶片或其等同物。在一些示例中，转子340可以包括一个、两个、三个或更多个叶片。均质化转子340被配置为将测试样品从食物取样器200拉到均质化室321的底部中。
替代地，均质化转子340还可以包括穿过转子延伸的中心杆，所述中心杆通过杯本体320连接到第二接口钻孔。中心杆可以用作附加的支承表面，或用于将旋转运动传递到转子340。当转子340通过杯底部处的端口(例如340a)安装到杯本体320时，叶片尖端可以在操作期间保持浸没在提取缓冲液中。在另一替代的实施例中，均质化转子340可以具有延伸部以提供穿过杯的底部的通道；该通道可以用作第二支承支撑件和/或用于动力传递的附加定位。在该实施例中，转子的下部具有锥度以装配至轴，从而形成一件式转子。根据本发明，在具有或不具有中心杆的情况下，均质化转子340的叶片的深度水平被定位成确保在样品处理期间叶片尖端保留在流体中。
与其他均质化器(例如，美国专利No.:6,398,402；通过全文引用将其并入本文)相比，本发明的定制叶片芯取得食物并在叶片旋转时迫使食物进入定制帽的带齿表面中。均质化器转子可以由任何热塑性材料制成，包括但不限于聚酰胺(PA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯(PC)、高抗冲聚苯乙烯(HIPS)和缩醛(POM)。
一次性盒可以是任何形状的，例如，圆形、椭圆形、矩形或卵形。这些形状中的任何一个都可以设置有手指切口或缺口。一次性盒可以是不对称的或对称的。
可选地，可以在杯盖311的顶部上包括标签或箔密封件，以提供最终的流体密封和对测试杯300的标识。例如，花生的标记指示一次性测试杯300用于检测食物样品中的花生过敏原。
检测装置
在一些实施例中，检测装置100可以被配置为具有：外部壳体101，为检测装置100的部件提供支撑表面；盖103，打开检测装置100以用于***一次性测试杯300并在操作期间覆盖杯。小盖103可以位于装置的一侧(如图1和图7A所示)，或位于中心(未示出)。在本发明的一些方案中，盖可以是透明的，从而允许所有的操作通过盖103可见。装置还可以包括用于传输数据的USB端口105。
图1和图7A中描绘了根据本发明的过敏原检测装置100的一个实施例。如图1所示，包括外部壳体101的检测装置100提供了用于将检测装置100的部件保持在一起的支撑。外部壳体101可以由塑料或其他合适的支撑材料形成。装置还具有用于对接测试杯300的端口或接收器102(图1和图7A)。
为了执行过敏原检测测试，检测装置100设置有用于操作均质化组件的装置(例如，马达)和将马达连接到均质化组件的必要连接器；用于控制旋转阀的装置(例如，马达)；用于在过敏原检测测试的过程期间驱动和控制处理后的样品溶液的流动的装置；光学系统；用于从测试样品中的过敏原与检测剂之间的检测反应中检测荧光信号的装置；用于使检测信号可视化的装置，包括对检测到的信号进行转换和数字化；显示测试结果的用户界面；以及电源。
如从透明盖103(图7A)所见，装置100具有接口，所述接口包括用于联接盒300(当***时)的部件以用于操作所述反应的区域(图7B)。这些区域包括：均质化钻孔710，用于将转子340联接到马达；真空钻孔720，用于将杯与真空泵联接；旋转阀驱动钻孔730，用于将旋转阀350联接到阀马达；以及保护玻璃740，通过反应室331的光学窗口与玻璃芯片333对准。还包括数据芯片读取器750以读取数据芯片335。引脚760用于帮助将杯300放置在装置100的接收器中。
在本发明的一个实施例中，如图8A所示，被整合以提供用于操作检测测试的所有运动和致动的检测装置100的部件包括马达810，所述马达可以连接到杯本体320内的均质化室321内的均质化转子340。马达810可以通过多部件联接组件连接，所述多部件联接组件包括用于在过敏原检测测试中的均质化期间驱动转子的齿轮系/驱动压板；阀马达820，用于驱动旋转阀350；光学系统830，连接到一次性测试杯300的反应室331(未示出)；真空泵840，用于控制并调节空气和流体流动(图8A未示出)；PCB显示器850；以及电源860(图8B)。包含用于保持测试杯的装置(即，杯保持器870)以用于保持测试杯300。下面详细描述每个部件。
1.均质化组件
在一个实施例中，马达810可以通过多部件转子联接组件连接到测试杯300内的均质化转子340。转子联接组件可以包括：联接器，直接与转子340的远端帽连接；以及齿轮头，作为齿轮系或驱动器(未示出)的一部分，用于连接到马达810。在一些实施例中，联接器在每一端可以具有不同的尺寸，或在联接器的每一端具有相同的尺寸。联接组件的远端可以通过杯底部330处的转子端口340a连接到转子340。可以使用用于将马达810连接到均质化转子340的其他替代装置来形成功能均质化组件也落在本发明的范围内。
在一些实施例中，马达810可以是市售马达，例如，Maxon RE-max和/或Maxon A-max(Maxon Motor ag,圣马特奥，加州，美国)。
可选地，可以提供加热系统(例如，电阻加热或Peltier加热器)以提高均质化的温度，因此，提高样品离解的效率并缩短处理时间。温度可以提高到60℃至95℃之间，但应保持在95℃或更低。温度提高还可以促进检测分子与被检测的过敏原之间的结合。可选地，可以提供风扇或Peltier冷却器，以在执行测试之后快速降低温度。
马达810驱动均质化组件以使测试样品在提取缓冲液中均质化并离解/提取过敏原蛋白质。可以将处理后的样品溶液泵送或压制通过流管到达下一个室以进行分析，例如，到达反应室331，在反应室中处理后的样品溶液与预装载的检测分子(例如，信号多核苷酸)混合以进行检测测试。替代地，在处理后的样品溶液被输送到反应室331以进行分析之前，可以首先将处理后的样品溶液泵送或压制通过流管到达过滤器组件325，然后到达滤液室322。
2.过滤
在一些实施例中，用于控制处理后的测试样品的过滤的装置可以被包括在检测装置中。在将提取溶液递送到反应室331和/或其他室以用于进一步处理(诸如洗涤)之前，食物样品将被压制通过过滤器薄膜或过滤组件。一个示例是过滤器薄膜。薄膜提供了从处理后的蛋白质溶液中过滤特定颗粒的功能。例如，过滤器薄膜可以过滤大约0.1μm至大约1000μm、或大约1μm至大约600μm、或大约1μm至大约100μm、或大约1μm至大约20μm的颗粒。在一些示例中，过滤器薄膜可以去除高达大约20μm、或大约19μm、或大约18μm、或大约17μm、或大约16μm、或大约15μm、或大约14μm、或大约13μm、或大约12μm、或大约11μm、或大约10μm、或大约9μm、或大约8μm、或大约7μm、或大约6μm、或大约5μm、或大约4μm、或大约3μm、或大约2μm、或大约1μm、或大约0.5μm、或大约0.1μm的颗粒。在一个示例中，过滤器薄膜可以从处理后的样品中去除高达大约1μm的颗粒。在一些方案中，过滤器薄膜可以组合使用以从测定中过滤特定颗粒以用于分析。该过滤器薄膜可以包括多级过滤器。过滤器薄膜和/或过滤器组件相对于流量阀可以处于任何构造。例如，流量阀可以在过滤的任何级的上方、下方或之间。
在一些实施例中，过滤器组件可以是如图4A所示的复杂的过滤器组件325，其中处理后的样品顺序地通过粗过滤器411、深度过滤器412和薄膜过滤器420被过滤。
3.泵和流体运动
根据本发明，提供了用于驱动和控制处理后的样品溶液的流动的装置。在一些实施例中，所述装置可以是真空系统或外部压力。作为非限制性示例，所述装置可以是被配置为多功能的压板(例如，焊接的塑料翻盖(clamshell，蛤壳状物))，因为它可以支撑齿轮系的轴线并且可以为真空提供泵送(密封的空气通道)以从泵840施加到测试杯300。泵840可以通过位于底部处的泵端口720(图7B)连接到测试杯300，当杯***装置中时，所述泵端口连接到测试杯300的底部330上的泵接口380(图3G)。
泵840可以是压电微型泵(例如，Takasago Electric，Inc.，名古屋，日本)或蠕动泵，其可以用于控制流动并将其自动调节至目标流速。能通过改变驱动器电压或驱动频率来调节泵的流速。作为非限制性示例，泵840可以是蠕动泵。在另一实施例中，泵840可以是当前市场上的压电泵，其具有适于供过滤后的样品溶液流到测试杯300内的不同室所需的等分功能的规格。泵840可以是真空泵或其他被构造为实验室用的小型泵，诸如KBF泵(例如，KNF Neuberger，特伦顿，新泽西州，美国)。
替代地，可以使用注射泵、隔膜和/或微蠕动泵来控制在检测测定和/或支持射流的操作过程期间的流体运动。在一个示例中，可以使用气动隔膜泵。
4.旋转阀控制
在一些实施例中，用于控制流体流动的旋转阀350(例如，如图5I所示)需要处于精确位置。提供了用于控制旋转阀的装置，并且控制机构能够使阀在两个方向上旋转并精确地停在期望的位置处。在一些实施例中，装置100包括阀马达820(图7B中)。如图9A所示，阀马达820可以是具有两个低成本光学传感器(931、932)和微控制器的低成本DC齿轮马达910。输出联接器920与旋转阀350接合。在一些实施例中，输出联接器920具有如图9B所示的半月形的架子970，所述架子以突出的半部中断输出光学传感器931。取决于突出的架子是否中断传感器，输出光学传感器信号在高与低之间切换。微控制器(MCU)检测这些转变并从该信号获得输出的绝对位置。这些转变的位置很重要并且针对特定应用，因为在方向改变期间会用这些转变来解决齿轮间隙。
直接马达轴940具有桨轮，所述桨轮中断直接轴光学传感器932，从而允许直接轴光学传感器932输出一系列脉冲，每转的脉冲数由轮950上的桨数确定。MCU读取这一系列脉冲并确定输出联接器的角度移动。分辨率取决于直轴编码器轮950的桨数，以及齿轮箱960的齿轮减速比。
MCU解释这两个光学传感器的输出，并且可以将输出驱动到期望的位置，只要输出联接器架子的位置转变、直接编码器轮920上的桨轮数以及齿轮比率是已知的。在改变方向期间，在看到输出转变之前，马达必须旋转固定量。固定量被选择为克服齿轮的齿隙。一旦克服了固定量，在下一个输出信号转变时，MCU就可以开始对直接信号脉冲进行计数，并确信它们对应于位置和移动的精确输出。
5.光学系统
本发明的检测装置100包括光学系统，所述光学系统检测由样品中的过敏原与检测剂(例如，适体和SPN)之间的相互作用产生的光学信号(例如，荧光信号)。取决于要检测的荧光信号的类型，光学系统可以包括不同的部件和可变的配置。光学系统靠近检测盒并与检测盒对准，例如，如上所述的测试杯300的反应室331的主光学窗口和可选的次光学窗口。
在一些实施例中，光学系统830可以包括激发光学器件1010和发射光学器件1020(图10A和10B)。在一个实施例中，如图10A所示，激发光学器件1010可以包括：激光二极管1011，被配置为将激发光学信号传输到反应室331中的感测区域(例如，332)；准直透镜1012，被配置为聚焦来自光源的光；滤波器1013(例如，带通滤波器)；聚焦透镜1014；以及可选的LED功率监控光电二极管。发射光学器件1020可以包括：聚焦透镜1015，被配置为将过敏原相关的光学信号的至少一部分聚焦到检测器(光电二极管)上；两个滤波器，包括长通滤波器1016和带通滤波器1017；收集透镜1018，被配置为收集从反应室发射的光；以及孔口1019。发射光学器件收集从检测室331中的固体表面(例如，DNA芯片)发射的光，并且该信号由检测器1030检测，所述检测器被配置为检测从感测区域332发射的过敏原相关的光学信号。在一些方案中，激发功率监控可以整合到激光二极管1011(图10A中未示出)中。
光源1011被布置为透射激发波长范围内的激发光。合适的光源包括但不限于激光、半导体激光、发光二极管(LED)和有机LED。
光学透镜1012可以与光源1011一起使用，以将激发源光提供给荧光团。光学透镜1014可以用于限制激发光波长的范围。在一些方案中，该滤波器可以是带通滤波器。
对目标过敏原具有特异性的荧光团标记的SPN能够响应于至少一个激发波长范围内的激发光而发射至少一个发射波长范围内的过敏原结合相关的光学信号(例如荧光)。
在一些实施例中，发射光学器件1020是可操作的，以在来自反应室331的测试样品中的目标过敏原与检测剂之间相互作用时收集发射。可选地，镜子可以***在发射光学器件1020与检测器1030之间。镜子可以在大角度范围(例如，1°至90°)内旋转，这可以促进在小型便携式检测装置内形成紧凑的光学单元。
在一些实施例中，在检测装置中可以包括不止一个发射光学系统1020。作为非限制性示例，可以提供三个光电二极管光学系统以测量来自玻璃芯片上的未知测试区域和两个控制区域的荧光信号(例如，参见图11B)。在另外的方案中，在发射光学器件1020中还可以包括附加的收集透镜1018。该收集透镜可以被配置为检测来自芯片333的若干不同的信号。例如，当使用DNA玻璃芯片实施检测测定时，除了用于过敏原检测的检测区域之外，还可以在固体表面上构造不止两个控制区域。当测量到源自过敏原的信号时，可以同时检测来自每个控制区域的内部控制信号。在这种情况下，光学系统830中可以包括不止两个收集透镜1018，一个透镜1018用于来自检测区域的信号，其余的收集透镜1018用于来自控制区域的信号。
检测器(例如，光电二极管)1030被布置为检测处于发射波长范围内的从射流芯片发射的光。合适的检测器包括但不限于光电二极管、互补金属氧化物半导体(CMOS)检测器、光电倍增管(PMT)、微通道板检测器、量子点光电导体、光电晶体管、光敏电阻器、有源像素传感器(APS)、气态电离检测器或电荷耦合器件(CCD)检测器。在一些方案中，可以使用单个和/或通用检测器。
在一些实施例中，光学系统830可以被配置为检测来自固体基底(例如，图11A中示出的DNA芯片333)的荧光信号。DNA芯片可以被配置为包含中心反应面板，其在芯片(图11A)上标记为“未知”信号区域，以及在芯片(图11A)上的各个位置处的至少两个控制区域。在这种情况下，光学系统830被配置为同时测量检测信号和内部控制信号(图11B)。
在一个示例中，光学系统830包括两个收集透镜1018和对应的光学部件，诸如用于每个透镜1018的控制阵列光电二极管。图10B示出检测装置100内的图10A所示的光学系统830的侧视图。在该实施例中，光学系统中包括两个收集透镜1018，一个用于收集来自DNA芯片的控制阵列信号(例如，图11B所示的两个信号1101和1102)，一个专用于来自DNA芯片的未知检测信号(例如，如图11B所示的检测信号1102)。包括用于每个光路的信号阵列二极管1021(例如，图10A所示的激光二极管1011)和两个控制测定光电二极管1022。另外，可以将两个棱镜1023添加到被配置为从两个控制区域收集信号的两个收集透镜(1018)。棱镜1023可以将控制阵列光弯曲到光电二极管传感器区域。
在一些实施例中，光学系统830可以被配置为直线模式，如图12A所示的。激发光学器件1210被配置为将激发光学信号传输到反应室331中的玻璃芯片333(例如，DNA涂覆的芯片)，所述激发光学器件可以包括激光二极管1211、准直透镜1212、带通滤波器1213和柱面透镜1214。柱面透镜1214可以使得激发光形成一条线以覆盖玻璃芯片上的反应面板和控制面板(例如，图11B)。与玻璃芯片333对准的发射光学器件1220可以包括：收集透镜1221，被配置为收集从玻璃芯片333发射的光；带通滤波器1222a；长通滤波器1222b；以及聚焦透镜1223，被配置为将过敏原相关的光学信号的至少一部分聚焦到芯片读取器1230上。芯片读取器1230包括：三个光电二极管透镜1231、两个控制阵列光电二极管1232、信号阵列光电二极管1233和收集PCB 1234(图12A)。在一些实施例中，收集透镜1221可以被成形为包含凹形的第一表面，以优化成像并使杂散光最小化。
作为非限制性示例，激发光学器件1210和发射光学器件1220可以被折叠并被配置到装置100中的阶梯膛孔1224中(参见图12C)。激发折叠镜1240和收集折叠镜1250可以被配置为分别使来自激发光学器件1210和发射光学器件1220的光路最小化(图12B中)。最小化的体积可以以使来自环境光源的干扰最小化的频率调制激光。可以添加光电二极管屏蔽件1260以覆盖并保护芯片读取器1230(图12B)。然后读取器1230定位为靠近收集透镜1221以使散射光最小化。图12C示出装置中用于保持发射光学器件1220的阶梯膛孔1224的示例。图12C示出收集透镜1221的孔口1270。
激光源(例如，1211)可以被调制和/或偏振和定向成使来自玻璃芯片的反射最小化。因此，芯片读取器可以被同步以测量调制光。
上述的光学系统830是某些实施例的说明性示例。替代的实施例可以具有不同的配置和/或不同的部件。
在其他实施例中，计算机或其他数字控制系统可以用于与滤光器、荧光检测器、吸收检测器和散射检测器通信。计算机或其他数字控制系统控制滤光器以随后用多个波长中的每个波长照射样品，同时基于从荧光和吸收检测器接收的信号来测量样品的吸收和荧光。
6.显示器
如图8B中的剖切侧视图所示，印刷电路板(PCB)850连接到光学系统830。PCB 850可以被配置为关于检测装置100的尺寸而紧凑的并且同时可以提供足够的空间来显示测试结果。
因此，可以用背光图标、LED或LCD屏幕、OLED、分段显示器或在附接的移动电话应用上显示测试结果。用户可以看到样品正被处理、样品已完全处理(总蛋白质指示剂)和测试结果的指示。用户还能够查看电池的状态以及装置中放置了哪种类型的盒(盒或LED组件上的条形码)。例如，测试结果将显示为，(1)实际数字ppm或mg；或(2)二进制结果是/否；或(3)风险分析-高/中/低或高/低、存在风险；或(4)小于1ppm/1-10ppm/大于10ppm的ppm范围；或(5)小于1mg/1-10mg之间/大于10mg的mg范围。结果也可能显示为数字、颜色、图标和/或字母。
根据本发明，检测装置100还可以包括其他特征，诸如用于提供电源的装置和用于提供过程控制的装置。在一些实施例中，提供一个或多个开关以将马达、微型泵和/或齿轮系或驱动器连接到电源。这些开关可以是简单的微型开关，所述微型开关可以通过连接和断开电池来接通和关闭检测装置。
电源860可以是锂离子AA格式电池或适于支持小型医疗装置的任何市售电池，诸如Rhino 610电池，Turtigtigy Nanotech高可充放电Li Po电池，或Pentax D-L163电池。
在本文的描述中，应理解的是，部件之间的所有列举的连接可以是直接操作连接或间接操作连接。其他部件也可以包括申请人的PCT专利公布NO.WO/2018/156535中公开的那些；其内容通过全文引用并入本文。
检测测定
在本发明的另一个方案中，提供了使用本检测系统和装置实施的过敏原检测测试。
在一些实施例中，过敏原检测测试包括以下步骤：(a)收集特定量的怀疑包含所关注的过敏原的测试样品；(b)使用提取/均质化缓冲液将样品均质化并提取过敏原蛋白质；(c)使处理后的样品与特异性结合目标过敏原的检测剂接触；(d)使(c)中的混合物与检测传感器接触，所述检测传感器包括印刷有核酸探针的固体基底；(e)测量来自反应的荧光信号；以及(f)处理并数字化检测到的信号，并可视化检测剂与过敏原之间的相互作用。
在本发明的一些方案中，所述方法还包括以下步骤：从检测传感器洗去未结合的化合物以去除任何非特异性结合相互作用。
在本发明的一些方案中，所述方法还包括以下步骤：在使处理后的样品与检测传感器(例如，DNA芯片)接触之前过滤处理后的样品。
在一些实施例中，收集适当尺寸的测试样品用于检测测定，以提供来自测定的可靠和灵敏的结果。在一些示例中，使用了能有效且无损地收集测试样品以快速有效地提取过敏原蛋白质以进行检测的采样机构。
可以使用例如图2B所示的食物取样器200收集测试样品的一定尺寸部分。食物取样器200可以收集适当尺寸的样品，可以从中提取足够的蛋白质以用于检测测试。所述尺寸部分的质量范围可以为0.1g至1g，优选地0.5g。此外，食物取样器200可以通过切割、研磨、混合、刮擦和/或过滤对收集到的测试样品进行预处理。预处理的测试样品将被引入均质化室321中以用于处理和过敏原蛋白质提取。
在提取/均质化缓冲液中处理收集到的测试样品。在一些方案中，将提取缓冲液储存在均质化室321中，并且可以通过均质化转子340将提取缓冲液与测试样品混合。在其他方案中，可以从另一单独的储存室将提取缓冲液释放到均质化室321中。测试样品和提取缓冲液将通过均质化转子340混合在一起并且样品被均质化。
提取缓冲液可以是通用目标提取缓冲液，其可以从任何测试样品中取得足够的目标蛋白质，并且被优化以使蛋白质提取最大化。在一些实施例中，通用蛋白质提取缓冲液的制剂可以在室温下并且在最短时间(少于1分钟)提取蛋白质。在食品采样、均质化和过滤期间可以使用相同的缓冲液。提取缓冲液可以是包含10％、20％或40％乙醇的基于PBS的缓冲液，或包含Tris碱pH 8.0、5mM MEDTA和20％乙醇的基于Tris的缓冲液，或改性的PBS或Tris缓冲液。在一些示例中，缓冲液可以是基于HEPES的缓冲液。改性的PBS缓冲液的一些示例可以包括：P+缓冲液和K缓冲液。基于Tris的缓冲液的一些示例可以包括缓冲液A+，缓冲液A、B、C、D、E，以及缓冲液T。在一些实施例中，可以优化提取缓冲液以用于增加蛋白质提取。在PCT专利公布No.:WO/2015/066027中公开了每种改性的缓冲液的详细描述；其内容通过全文引用并入本文。
根据本发明，在将样品均质化之后添加MgCl2。在一些实施例中，在将样品均质化之后，将MgCl2溶液(例如，30μL的1M MgCl2溶液)添加到均质化室(例如，图3中的321)。
在其他实施例中，在反应期间，可以使用固体MgCl2制剂来取代MgCl2溶液。固体制剂可以提供为：均质化室(例如，图3中的321)中的MgCl2冻干小丸，其在过滤之后通过均化产物溶解；或者沉积或分层在过滤器(例如，图4A中的过滤器薄膜420和图4A中的过滤器组件325，或图5G中的过滤器组件525)中的过滤成分，其在过滤期间通过均化产物溶解；或沉积在均质化室321的内表面上或单独支撑件上的MgCl2薄膜。无论制剂如何，MgCl2都将在少于1分钟(优选地少于30秒内)溶解，以与处理后的样品均化产物接触。MgCl2可以在大约10秒、或大约15秒、或大约20秒、或大约25秒、或大约30秒内溶解。固体制剂将在此短时间段内释放MgCl2以达到30mM的最终浓度。在一些方案中，固体MgCl2制剂可以不打碎成粉末。
提取缓冲液的体积可以为0.5mL至3.0mL。在一些实施例中，提取缓冲液的体积可以为0.5mL、1.0mL、1.5mL、2.0mL、2.5mL或3.0mL。随时间的推移并在不同的食物基质中，所述体积已被确定为是有效且可重复的。
根据本发明，使用均质化组件对测试样品进行均质化和处理，所述均质化组件已通过高速均质化进行了优化，以最大程度地处理测试样品。
在本发明的一些方案中，可以将过滤机构连接至均质化器。然后，在过程中驱动均质化的样品溶液流过过滤器，以进一步提取过敏原蛋白质并去除可能在测试期间干扰流动和光学测量的颗粒，从而降低从测试样品中提取的其他分子的量。过滤步骤可以进一步实现样品的均匀粘度以在测定期间控制射流。在使用DNA玻璃芯片为检测传感器的情况下，过滤可以去除可能粘附到芯片并在测试期间干扰光学测量的脂肪和乳化剂。在一些实施例中，可以将过滤薄膜(诸如来自CORNING(CORNING，纽约，美国)或类似定制实施例的细胞过滤器)连接到均质化器。过滤过程可以是从第一过滤器到第二过滤器或到第三过滤器具有不同孔尺寸的多级布置。可以根据要测试的食物基质来调节并优化过滤过程。作为非限制性示例，在处理干食物时，可以使用具有小孔尺寸的过滤器组件捕获颗粒并吸收大量液体，因此，在过滤期间可使用更长的时间和更高的压力。在另一个示例中，当处理油腻食物时，可以实施粗过滤(bulk filtration)以吸收脂肪和乳化剂。过滤可以进一步促进从荧光食物中去除荧光雾或颗粒，这将干扰光学测量。
过滤器可以是简单的薄膜过滤器，或由诸如PET、棉和沙等的过滤材料的组合组成的组件。在一些实施例中，可以通过过滤器薄膜，或过滤器组件(例如图4A中的过滤器组件325)来过滤均质化后的样品。
在本发明的一些方案中，采样过程可以在少于1分钟内实现有效的蛋白质提取。在一个方案中，消化的速度可以少于2分钟，包括食物拾取、消化和读出。近似地，该过程可以持续15秒、30秒、45秒、50秒、55秒、1分钟或2分钟。
可以将提取的过敏原蛋白质与对一种或多种所关注的过敏原具有特异性的一种或多种检测剂混合。过敏原蛋白质提取与检测剂之间的相互作用将产生可检测信号，所述可检测信号指示测试样品中的一种或多种过敏原是否存在或指示过敏原的量。如本文所使用的，术语“检测剂”或“过敏原检测剂”是指与一种或多种过敏原相互作用和/或结合的任何分子，以允许在样品中检测出所述过敏原。检测剂可以是基于蛋白质的试剂(诸如抗体)、基于核酸的试剂或小分子。
在一些实施例中，检测剂是基于信号多核苷酸(SPN)的核酸分子。SPN包括以高特异性和亲和力与目标过敏原蛋白质结合的核心核酸序列。核心核酸序列的长度可以为5-100个核酸，或长度为10-80个核酸，或长度为10-50个核酸。SPN可以源自通过SELEX方法选择的适体。如本文所使用的，术语“适体”是指通过反复轮的体外选择或等效地SELEX(指数富集配体系统进化)而工程化以结合到各种分子目标(诸如小分子、蛋白质、核酸、以及甚至细胞、组织和有机体)的核酸物种。对目标分子的结合特异性和高亲和力、在环境温度下的灵敏度和再现性、相对低的生产成本、以及开发出能够识别任何蛋白质的适体核心序列的可能性，确保了有效但简单的检测测定。
根据本发明，可用作检测剂的SPN可以是对诸如花生、树坚果、鱼、麸质、牛奶和蛋等常见过敏原具有特异性的适体。例如，检测剂可以是申请人相关的以下文献中描述的适体或SPN：于2016年11月8日提交的美国临时申请序列号:62/418,984、于2016年12月16日提交的62/435,106、于2017年5月30日提交的62/512,299；以及于2017年11月8日提交的PCT公布No.:WO/2018/089391；其内容通过全文引用并入本文。
在一些实施例中，检测剂(例如，SPN)可以用荧光标记物标记。荧光标记物可以是具有在200nm至700nm的范围内的合适激发最大值，同时发射最大值可以在300nm至800nm的范围内的荧光团。荧光团可以进一步具有在1纳秒-7纳秒，优选地3纳秒-5纳秒的范围内的荧光弛豫时间。作为非限制性实例，可在SPN的一个末端处探查的荧光团可以包括硼-二吡咯亚甲烷的衍生物(BODIPY，例如BODIPY TMR染料；BODIPY FL染料)、荧光素(fluorescein)及其衍生物、罗丹明(rhodamine)及其衍生物、丹酰(dansyl)及其衍生物(例如丹酰尸胺)、德克萨斯红(Texas red)、曙红、花青染料、吲哚菁、氧杂菁、噻碳菁(thiacarbocyaine)、部花青(merocyanine)、方酸菁和衍生物Seta、Setau和方形染料(Square dyes)、萘及其衍生物、香豆素及其衍生物、吡啶基恶唑、硝基苯并恶二唑、苯并恶二唑、蒽醌、芘及其衍生物、恶嗪和衍生物、尼罗红(Nile red)、尼罗蓝(Nile blue)、甲酚紫、恶嗪170、黄嘌呤、吖啶橙、吖啶黄、金胺、结晶紫、孔雀石绿、卟吩、酞菁、胆红素、四甲基罗丹明、羟基香豆素、氨基香豆素；甲氧基香豆素、级联蓝(cascade Blue)、太平洋蓝(pacific blue)、太平洋橙(pacificorgane)、NBD、R-藻红蛋白(PE)、红613(Red613)；PerCP、trured；fluorX、Cy2、Cy3、Cy5和Cy7、TRITC、X-罗丹明(X-Rhodamine)、丽丝胺罗丹明B(Lissamine Rhodamine B)、别藻蓝蛋白(APC)和Alexa 染料(例如，Alexa 488、Alexa 500、Alexa514、Alexa
在一个示例中，SPN在SPN核酸序列的5'端处用Cy5标记。在另一示例中，SPN在SPN核酸序列的一端处用Alexa 647标记。
在一些实施例中，对所关注的过敏原具有特异性的SPN可以预储存在均质化室321(图3B和图3E)中的提取/均质化缓冲液中。提取的过敏原蛋白质(如果在测试样品中存在的话)将与SPN结合，从而形成蛋白质:SPN复合物。这种蛋白质:SPN复合物可以在测试过程期间由检测传感器检测。
在一些实施例中，可以将用于八种主要食物过敏原(即小麦、蛋、牛奶、花生、树坚果、鱼、甲壳类和大豆)的检测剂作为一次性用品提供。在一个方案中，检测剂的结构体可以与MgCl2或掺杂有KCl的缓冲液一起储存。MgCl2使结构体紧密闭合，而KCl稍微打开它们以进行结合。
在一些实施例中，检测传感器是印刷有核酸的固体基底。如本文所使用的，术语“检测传感器”是指可以捕获反应信号(即源自过敏原蛋白质与检测剂的结合的反应信号)，测量目标的数量和/或质量，并将测量转化为可被数字测量的信号的仪器。
在一些实施例中，检测传感器是涂覆有核酸分子的固体基底，诸如玻璃芯片(如本文称为核酸芯片或DNA芯片)。例如，检测传感器可以是***本发明的反应室331中的玻璃芯片333。检测传感器还可以是例如由以下材料制备的单独的玻璃芯片：玻璃晶片和钠玻璃、或微孔、或丙烯酸玻璃、或微芯片、或由COC(环烯烃共聚物)和COP(环烯烃聚合物)制成的塑料芯片、或薄膜类基底(例如，硝化纤维素)，其表面涂覆有核酸分子。
在一些实施例中，涂覆有核酸的芯片可以包括至少一个反应面板和至少两个控制面板。反应面板印刷有与SPN杂交的核酸探针。如本文所使用的，术语“核酸探针”是指短寡核苷酸，其包括与SPN的核酸序列互补的核酸序列。探针的短互补序列可以与游离SPN杂交。当SPN未与目标过敏原结合时，可以通过杂交将SPN锚定到探针。当SPN与目标过敏原结合而形成蛋白质:SPN复合物时，所述蛋白质:SPN复合物阻止SPN与其核酸探针之间的杂交。
在一些示例中，探针包括与跟目标过敏原蛋白质特异性结合的SPN的3'端的序列互补的短核酸序列。在这种情况下，在提取/均质化缓冲液中提供对目标过敏原蛋白质具有特异性的SPN。当在均质室321中处理样品时，目标过敏原(如果在测试样品中存在的话)将与SPN结合，并形成蛋白质:SPN复合物。当样品溶液流到检测传感器(例如反应室331(图3B)中的DNA芯片333)时，结合的过敏原蛋白质阻止SPN与芯片表面上的互补SPN探针杂交。蛋白质:SPN复合物被洗掉，并且未检测到荧光信号。在测试样品中不存在目标过敏原蛋白质的情况下，游离SPN将与芯片表面上的互补SPN探针结合。将从反应面板检测到荧光信号(如图11A和图11B所示)。
在一些实施例中，检测传感器(例如印刷有核酸的芯片)还包括至少两个控制面板。控制面板印刷有不与SPN或蛋白质结合的核酸分子(本文称为“控制核酸分子”)。在一些示例中，控制核酸分子用荧光标记物标记。
在一些实施例中，可以将核酸探针印刷到玻璃芯片中心处的反应面板(“未知”)，并且可以将控制核酸分子印刷到玻璃芯片上的反应面板每侧处的两个控制面板，如图11A所示。
在一些实施例中，可以通过本领域已知的任何已知的DNA印刷技术来制备核酸芯片(DNA芯片)。在一些实施例中，可通过使用单点移液将核酸溶液移液到玻璃芯片上、或通过用包括核酸探针溶液的湿PDMS压模压印制后将压模压在载玻片上、或通过与微流体培养室一起流动来制备DNA芯片。
作为非限制性示例，可以对玻璃晶片进行激光切割以产生10x 10mm的玻璃“芯片”。每个芯片包含三个面板：一个反应面板(即，图11A所示的芯片中的“未知”区域)，其两侧是两个控制面板(图11A)。反应面板包含共价结合的短互补核酸探针，所述探针与对过敏原蛋白质具有特异性的SPN结合。SPN源自适体，并经改性以包含CY5荧光团。在不存在目标过敏原蛋白质的情况下，SPN可以自由结合到反应面板中的探针，从而产生高荧光信号。在存在目标过敏原蛋白质下，SPN:探针杂交界面被目标蛋白质与SPN的结合所阻塞，从而导致反应面板上荧光信号的减少。在检测测定中，芯片的反应面板面对小反应室(例如反应室331)，该小反应室的两侧是盒(例如，杯300)的入口和出口通道(例如，图3G中的336)。在食物均质化期间，如果样品中存在目标过敏原，则提取缓冲液中的SPN与目标过敏原结合，形成蛋白质:SPN复合物。包括蛋白质:SPN复合物的处理后的样品溶液通过由真空泵驱动的射流运动，经由入口进入反应室331。然后溶液经由出口通道排出到废物室323中。在暴露于样品之后，然后洗涤反应面板，以显示具有与目标过敏原浓度相关的强度的荧光信号。
根据本发明，两个控制面板是芯片传感器上的恒定亮区域，其产生恒定信号作为背景信号1101和1102(图11B)。另外，这两个控制面板补偿激光照明和/或一次性盒未对准。如果盒被完全对准，则荧光背景信号1101和1102将相等(如图11B所示)。如果测得的控制信号不相等，则将使用校正因子查找表来根据盒/激光未对准而校正未知信号。最终测量是未知测试区域的信号1103与控制区域的信号级别的比较。比较级别可以是用于测试的批次特定参数之一。
具有来自作用区域的具有高背景荧光测量值的食物样品可能产生假否定结果。可以提供验证方法来调整过程。
在与控制面板以及任何批次特定的参数比较之后，可以分析反应面板的最终荧光测量结果，并且可以提供结果报告。
因此，也可以在处理后的食物样品的注入之前和/或之后，在基线水平测量光吸收和光散射信号。这些测量将提供附加参数来调整检测测定。例如，这样的信号可以用于在洗涤步骤之后在反应室331中寻找残留食物。
除了以上讨论的参数，还可以测量一个或多个其他批次特定的参数。参数的优化例如可以使芯片的控制和未知信号级别的差异最小化。
在一些实施例中，监控过程可以是自动的，并且可以由软件应用程序控制。可以在检测测定期间监控DNA芯片和测试样品的评估，洗涤过程和最终信号测量。
可以使用本文所述的检测系统和装置检测的过敏原家族包括来自食物、环境或来自非人类蛋白质(诸如家养宠物皮屑)的过敏原。食物过敏原包括但不限于以下物质中的蛋白质：豆科作物，诸如花生、豌豆、小扁豆和菜豆，以及与豆科作物有关的植物羽扇豆；树坚果诸如杏仁、腰果、核桃、巴西坚果、榛子/榛果、山核桃、开心果、山毛榉坚果、灰胡桃、栗子、毛枝栗、椰子、银杏果、荔枝坚果、澳洲坚果、爪哇橄榄籽(nangai nut，南盖坚果)和松子；蛋、鱼、甲壳类(诸如螃蟹、小龙虾、龙虾、虾和对虾)、软体动物(诸如蛤蛎、牡蛎、贻贝和扇贝)；牛奶、大豆、小麦、麸质、玉米、肉类(诸如牛肉、猪肉、羊肉和鸡肉)；明胶；亚硫酸盐；种子(诸如芝麻、向日葵和罂粟种子)；以及香料(诸如香菜、大蒜和芥末；水果；诸如芹菜的蔬菜；和稻子。过敏原可以存在于面粉或谷物中，或以任何形式的产品存在。例如，来自植物(诸如羽扇豆、向日葵或罂粟)的种子可以用于食品(诸如有籽面包)中，或者可以被研磨以制成用于制造面包或糕点的面粉。
应用
本文所述的检测系统、装置和方法预期使用基于核酸的检测剂分子(诸如适体)来检测食品样品中的过敏原。便携式装置允许用户测试食物样品中一种或多种过敏原的存在与否。可以使用本文所述的装置检测的过敏原家族包括来自：豆科作物(诸如花生)、树坚果、蛋、牛奶、大豆、香料、种子、鱼、甲壳类、小麦麸质、稻子、水果和蔬菜的过敏原。过敏原可能存在于面粉或谷物中。该装置能够确认这些过敏原的存在与否，并能够量化这些过敏原的数量。
在广义的概念中，本文所述的检测系统、设备和方法除了用于检测食品安全之外，还可用于在多种不同的应用中检测样本中的任何蛋白质含量，诸如，例如公民的疾病医疗诊断以及战场背景、环境监测/控制和用于检测生物武器的军事应用。在甚至广泛的应用中，本发明的检测系统、设备和方法可用于检测与基于核酸的检测分子结合的任何生物分子。作为非限制性实例，检测系统、设备和方法可用于恶性肿瘤标志物的现场检测、现场诊断(暴露于化学试剂、创伤性头部损伤等)、第三世界应用(TB，HTV测试等)、紧急护理(中风标志物、头部损伤等)和许多其他应用。
作为另一个非限制性实例，本发明的检测系统、设备和方法可以检测和识别样本中的致病微生物。能被检测的病原体包括细菌、酵母、真菌、病毒和病毒样生物。病原体引起动物和植物的疾病；污染食品、水、土壤或其他来源；或用作军事领域的生物制剂。该器件能够检测和识别病原体。
另一个重要的应用包括将本发明的检测系统、设备和方法用于医疗护理，例如诊断疾病、给疾病进展分期以及监测对某种治疗的反应。作为非限制性实例，本发明的检测设备可用于测试与疾病(例如恶性肿瘤)相关的生物标志物的存在与否或量，以预测疾病或疾病进展。本发明的检测系统、设备和方法被构造成用于分析少量测试样本，并且能够由用户实施而无需大量的实验室培训。
食品安全领域以外的其他扩展应用包括军事组织的现场使用、抗生素和生物药物的测试、农药和化肥等产品的环境测试、膳食补充剂和各种食品成分及散装制备的添加剂(诸如咖啡因和尼古丁)的测试、以及临床样本(唾液、皮肤和血液等)的测试，以确定个体是否暴露于显著水平的个体过敏原。
等同形式和范围
本领域技术人员将仅使用常规实验就将认识到或能够确定根据本文所述发明的具体实施例的许多等同形式。本发明的范围不旨在限于以上描述，而是如所附权利要求中所述。
在本说明书的过程期间引入了许多可能的替代特征。应理解的是，根据本领域技术人员的知识和判断，可以以各种组合替换这样的替代特征，以得到本发明的不同实施例。
所说的通过引用并入本文的任何专利、出版物、因特网站点或其他公开材料整体或部分地并入本文的程度仅为：所并入的材料与本公开中阐述的现有定义、陈述或其他公开材料不冲突。因此，并且在必要的程度上，本文明确阐述的公开内容会取代通过引用并入本文的任何冲突材料。所说的通过引用并入本文但与现有定义、陈述或本文所述的其他公开材料相冲突的任何材料或其部分仅以如下程度并入本文：在所并入的材料与现有公开材料之间不发生冲突。
在权利要求中，除非相反地指出或者从上下文中明显看出，否则诸如“一”、“一个”和“该”的物品可以表示一个或不止一个。除非相反地指出或者从上下文中明显看出，否则如果在给定产品或工艺中存在、使用或相关于一个组的一个或多个构件，则认为满足了在所述一个或多个构件之间包括“或”的权利要求或描述。本发明包括这样的实施例，其中该组的刚好一个构件存在于、使用于或相关于给定产品或过程中。本发明包括其中不止一个或全部的组构件存在于、使用于或相关于给定产品或过程中的实施例。
还应注意，术语“包括”旨在是开放的并且允许但不要求包括额外的元件或步骤。当在本文中使用术语“包括”时，也包括和公开了术语“由......组成”。
在给出范围的情况下，包括端点。此外，应理解，除非另外指出或从上下文和本领域普通技术人员的理解中另外显而易见的，否则表示为范围的值在本发明不同实施例中可以采取所述范围内的任何特定值或子范围，达所述范围的下限的单位的十分之一，除非上下文另有明确规定。
另外，应该理解，落入现有技术内的本发明的任何特定实施例可以从任何一个或多个权利要求中明确地排除。由于这些实施例被认为是本领域普通技术人员已知的，因此即使在此未明确阐述排除，也可排除它们。本发明组合物的任何特定实施例(例如，任何抗生素、治疗或活性成分；任何生产方法；任何使用方法等)均可以出于任何原因从任何一个或多个权利要求中排除，无论是否与现有技术的存在有关。
应当理解，已使用的词语是描述性词语而不是限制性词语，并且在所附权利要求的范围内在不背离本发明更广泛方面的真实范围和精神的情况下可进行改变。
虽然已经相对于所描述的若干实施例以一定的长度和一些特殊性描述了本发明，但是并不旨在将本发明限制于任何这样的细节或实施例或任何特定的实施例，而是应该参考它们，以便结合考虑现有技术所附权利要求中提供对这些权利要求的尽可能广泛的解释，并因此有效地包含本发明的预期范围。
示例
示例1：测试过滤器材料和过滤效率
测试各种过滤器材料及其组合的过滤效率和对信号测量的影响，例如，检测剂(SPN)的损失。测试了市售的过滤器材料，诸如薄膜(PES、玻璃纤维、PET、PVDF等)、棉、沙、网和二氧化硅。
组装包括不同过滤器材料的组合的过滤器。在一个示例中，过滤器组件由孔尺寸为1μm的棉和玻璃过滤器组成。棉深度过滤器和纸过滤器被构造为顺序地过滤样品。针对过滤不同的食物基质对过滤器组件进行测试。测量在过滤过程期间蛋白质和SPN的回收率。各种棉体用于构造深度过滤器，并且棉深度过滤器与薄膜过滤器组合。针对过滤效率和SPN回收率对这些过滤器组件进行测试。在一项研究中，收集了0.5g的食物样品，并在5mL EPPS缓冲液(pH 8.4)(Tween 0.1％)中进行了均质化，然后将均质化的食物样品与对过敏原蛋白质具有特异性的标有Cy5的5nM SPN(信号化多核苷酸)一起温育。在温育之后，一部分混合物流过过滤器组件，并测量蛋白质和SPN的回收率，并将其与过滤前的测量值进行比较。
对过滤器进行进一步测试和优化，以确保过滤效率并避免显著的SPN损失。除了测试不同的过滤器材料及其组合之外，还对诸如孔尺寸、过滤面积(例如，深度过滤器的表面积/直径、高度)、过滤体积、驱动过滤过程所需的过滤时间和压力等其他参数进行了测试和优化，以用于各种食物基质。
在一项研究中，使用漂白棉球组装具有不同过滤器体积的深度过滤器。构造具有不同的宽度(即直径)与高度比的棉过滤器；每个模型的宽度与高度比在大约1:30至大约1:5的范围内。然后测试棉深度过滤器在不同的食物质量和缓冲液体积下的过滤效率。在另一项研究中，这些型号的棉过滤器与孔尺寸为1μm且过滤面积为大约20mm2的PET薄膜过滤器组装在一起。将各种食物样品均质化，并使用不同体积的缓冲液通过每个过滤器组件进行过滤。收集滤液并比较每种条件的回收率。
在另一项研究中，食物样品加有或不加50ppm花生。例如使用转子340(例如，如图3B和图3C所示)将加料的样品均质化，将提取物与特异性结合到花生过敏原的SPN混合。SPN包含在序列的5'端处的Cy5标记。混合物通过深度过滤器(例如，由棉制成的深度过滤器)和薄膜过滤器(孔尺寸：1μm)进行过滤。测量荧光信号并将其与过滤前的混合物的测量值进行比较。
在单独的研究中，测试和测量每个过滤器组件的若干参数，包括过滤所需的压力和时间、蛋白质和核酸结合、洗涤效率以及测定相容性和灵敏度。测定相容性作为基线强度测量。
示例2：MgCl2制剂
在样品在提取缓冲液中均质化之后，测试若干固体MgCl2制剂以代替添加MgCl2溶液。评价测试的每种制剂的以下特征：(1)溶解时间；(2)溶解的MgCl2的最终浓度；(3)制剂中添加剂对检测测定的影响；(4)无需搅拌即可溶解；(5)不破碎成粉末，也不阻塞均质化室的出口。
冻干的MgCl2制剂
在1.5mL艾本德(Eppendorf)管中冻干总共34种MgCl2制剂，并测试在没有搅拌的情况下暴露于提取缓冲液10秒的溶解时间、机械稳定性以及其他特征。在这些制剂中有2种制剂迅速溶解且不形成粉末。将若干MgCl2制剂在不搅拌的情况下暴露于提取缓冲液10秒，并通过BioVision镁测定法和本文所述的测定法确定回收的缓冲液中的镁含量。测定结果表明，包括麦芽糊精和羟乙基纤维素(HEC)的冻干的MgCl2制剂(表1)给出了缓冲液中SPN的最高强度信号，如图13A所示。
MgCl2作为过滤器成分
将MgCl2制剂(表1)沉积在棉过滤器上，并在60℃下干燥。将提取缓冲液以1psi真空拉过棉过滤器。通过BioVision比色镁测定法测量滤液中回收的镁的百分比。将包括麦芽糊精和羟乙基纤维素(HEC)的MgCl2制剂(表1)与MgCl2溶液和过滤器上的MgCl2中所回收的进行比较(图13B)。
MgCl2作为薄膜
将总共10种不同的MgCl2制剂沉积在聚苯乙烯支撑物上并固化。测量溶解时间，并且所有制剂在10秒内溶解。结果表明，没有一种制剂对聚苯乙烯支撑物具有很强的粘附力。
表1：MgCl2制剂的成分
基于测试结果，选择了若干快速溶解的固体MgCl2制剂(如表2所示)。过滤器沉积的溶解时间取决于流速。当测试最快的流速时，固体制剂在10秒内溶解(如表2所示)。
表2.快速溶解和机械坚固的固体MgCl2制剂
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