专利名称：快速裂解细胞或病毒的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于快速裂解细胞或病毒的装置和方法。
背景技术：
从细胞或病毒提取核酸是分子生物学和生物医学诊断领域中许多应用的必要任务。一旦从细胞释放，核酸就可以用于遗传分析，例如，定序、病原体识别和量化、核酸突变分析、基因组分析、基因表达研究，药理学监视、用于药物发现的DNA库存储，等等。遗传分析一般涉及到利用已知技术的核酸扩增和检测。例如，已知的多核苷酸扩增反应包括聚合酶链反应(PCR)，连接酶链反应(LCR)，QB复制酶扩增(QBR)，自保真序列复制(3RS)，链置换扩增(SDA)，“支链”DNA扩增，连接活性转录(LAT)，基于核酸序列的扩增(NASBA)，滚轮扩增(RCR)，和循环探针反应(CPR)。
从细胞或病毒提取核酸一般是通过物理或化学方法执行的。化学方法一般使用细胞裂解剂(例如，去污剂、酶、或强有机物)以裂解细胞并释放核酸，然后，用离液盐(chaotropic salt)处理提取物，以改性任何污染或潜在干扰的蛋白质。在Henco等人的美国专利5,652,141和Lipshutz等人的美国专利5,856,174中说明了这种化学方法。将苛性化学制品(harsh chemical)用于裂解细胞的一个缺点是，这种化学制品抑制了核酸的后续扩增。因此，在使用化学制品的裂解方法中，一般需要在继续进行进一步的分析之前，提纯从细胞释放的核酸。提纯步骤是耗时、昂贵的，并且减少了回收用于分析的核酸量。
裂解细胞的物理方法通常不需要抑制核酸扩增(例如，PCR)的苛性化学制品。但是，这些物理方法也具有它们自己的缺点。例如，一种裂解细胞的物理方法涉及将细胞放置在溶液中，并且加热溶液到沸腾，以破开细胞壁。不幸的是，加热通常会改变蛋白质的性质，造成蛋白质粘附到释放的核酸上。从而蛋白质将干扰扩增核酸的后续步骤。另一种物理方法是反复地冻结和融化细胞直到使细胞壁破裂的冻融法。不幸的是，冻融法经常不能打破许多结构，特别是一些具有极端坚固外层的孢子和病毒。
又一种裂解细胞的物理方法是使用压力设备。利用这种方法，在高压下使分支杆菌微生物的溶液通过非常小直径的孔。在穿过孔的过程中，机械力使分支杆菌破裂，并且它们的内部物质溢出到溶液中。但是，这种系统大而昂贵，并且需要冷却系统防止产生过多的热和损坏裂解细胞的内容。此外，需要在运行之间清洁和净化改设备，并且当处理传染性材料时需要大的围护系统。这种系统的另一个缺点是溶液必须仅包含具有实际上相同尺寸的颗粒，从而不能用于处理未处理过的临床或生物样本。
还知道可以通过使细胞经受超声波搅拌来裂解细胞。在Murphy等人的美国专利5,374,522中披露了这种方法。根据这种方法，将细胞的溶液或悬浮液放置于带有小珠体(bead)的容器中。然后，把容器放置到超声波浴槽中，直到细胞裂解并释放出它们的细胞组分为止。这种方法具有严重的缺陷。首先，浴槽中超声能分布不均匀，从而使技术人员必须确定浴槽内的高能区，并且把容器放置到这个区中。不均匀的超声能的分布也会产生不一致的结果。其次，超声波浴槽不能将能量会聚到容器中，这样通常需要数分钟的时间来完成细胞的裂解，本发明的方法相比，这是比较长的时间周期。第三，不能将超声波浴槽携带到现�。栽谙妇郊觳�、法医检定、或环境抽样的现场测试中使用。
Li的美国专利4,983,532中披露了又一种细胞超声裂解方法。根据这种方法，通过非侵入地超声降解盛放在与一个调谐到在40kHz或更高的频率共振的超声波仪的振动元件物理接触的样本容器内的样本，以使核酸从细胞、细菌、和病毒释放出来。样本容器壁与超声波仪的振动元件接触的主要问题在于，紧靠容器壁的超声波仪的振动很可能对容器壁造成严重损坏(一般是使壁熔化或破裂)，从而导致工作区污染、损害操作人员的健康、以及要分析的样本的损失。
发明内容
本发明提供了一种改进的裂解细胞或病毒以释放核酸的装置和方法。
在一个优选实施例中，所述装置包括一个容器，其具有一个用于保持包含待被裂解的细胞或病毒的液体或凝胶体的腔室。所述容器包括至少一个限定出所述腔室的壁，并且所述壁具有处于所述腔室外的表面。所述装置还包括用于以操作频率和幅度进行振动的换能器装置，当把所述换能器装置耦合到所述容器的壁时，所述振动的频率和幅度足以在所述腔室内产生压力波或压力脉冲。所述装置进一步包括用于以足以在所述容器壁内产生应力的预载力将所述换能器装置耦合到所述容器壁的外表面的装置。当通过所述预载力使所述容器壁受到应力时，所述壁的固有频率等于所述换能器装置的操作频率，或者与所述换能器装置的操作频率的差别小于所述换能器装置的操作频率的50％。
根据另一个方面，本发明提供了一种用于裂解细胞或病毒的方法。所述方法包括将包含细胞或病毒的液体或凝胶体保持在容器的腔室内的步骤。所述容器包括至少一个限定出所述腔室的壁，并且所述壁具有处于所述容器外的表面。将一个换能器装置以足以在所述壁内产生应力的预载力耦合到所述壁的外表面。所述换能器装置以足以在所述腔室内产生压力波或压力脉冲的频率和幅度工作。当通过所述预载力使所述壁受到应力时，所述壁的固有频率等于所述换能器装置的操作频率，或者与换能器装置的操作频率的差别小于所述换能器装置的操作频率的50％。
详细描述本发明提供了一种用于裂解细胞或病毒的装置和方法。细胞可以是动物或植物细胞、孢子、细菌或微生物。病毒可以是具有包围RNA或DNA核的蛋白质外层的任何类型的传染物。
本说明书中引用的所有出版物和专利申请被结合在此作为参考，如同将每个单独出版物或专利申请专门和单独地指定结合为参考一样。
图1-2示出了根据本发明的第一实施例所述的用于裂解细胞或病毒的装置10。图1示出了装置10的等视轴图，并且图2示出了装置10的剖面图。如图1-2中所示，装置10包括一个具有用来保持细胞或病毒的腔室40的筒或容器18。容器包括限定出腔室40的壁46。装置10还包括一个诸如超声波喇叭组件的换能器装置38，其具有耦合到壁46的外表面(即，处于腔室40外的壁46的表面)的振动表面。
可以通过将振动表面与壁46直接接触放置，以将换能器装置38耦合到壁46。作为选择，也可以通过诸如材料层之类的另一种元件将换能器装置38的振动表面耦合到壁46。可以通过在换能器装置的振动表面或腔室壁的外表面上提供凝胶体或液体，以改进二者之间的接触。
壁46提供了换能器装置38的振动表面与腔室40的内容物之间的接触面。在本优选实施例中，壁46是圆拱形的并且相对于换能器装置38凸出(即，壁46朝换能器装置向外弯曲)。壁优选地为这样一种结构，即，它可在不受支撑时能够保持其形状(与挠性薄膜或隔膜相反)，但是仍然具有足够的弹性以响应换能器装置的振动运动而挠曲。
在这里使用的术语“换能器装置(transducer device)”是指一种将电能转换成振动能的装置。换能器装置具有一个可使腔室壁46挠曲的振动表面。换能器装置38应当能够在足以使壁46挠曲并在腔室40中产生压力脉冲或压力波的操作频率和振幅下振动。在本优选实施例中，换能器装置38是一个用于对腔室40进行声波处理的超声波喇叭(horn)组件。超声波喇叭组件包括压电材料和具有用于接触壁46的振动尖端50的喇叭。因此，喇叭尖端50提供了换能器装置的振动表面。在本实施例中，换能器装置的操作频率优选地是喇叭的共振频率。
尽管这里优选使用超声波喇叭组件，但是应当知道，在本发明的装置和方法中可以使用各种不同类型的换能器装置。适合的换能器装置包括超声波、压电、磁致伸缩、或静电换能器装置。换能器装置也可以是具有缠绕线圈的电磁装置，例如，音圈电机或螺线管装置。换能器装置的操作频率可以是超声的(即，20kHz以上)或低于超声的(例如，在60至20,000Hz的范围中)。使用较高的频率(例如，超声波)的优点在于，它能够非常迅速地裂解细胞，经常能够在10至20秒内完成。其缺点在于，超声波换能器装置通常比简单的机械振动器(例如，扬声器或电磁线圈装置)更贵。
在一个替代实施例中，换能器装置38包括压电材料，例如，由多个压电材料层制成的压电堆。在压电材料两端施加AC电压可造成压电材料以适当的频率和振幅振动，从而裂解腔室40中的细胞或病毒。在本实施例中，压电装置优选地包括被放置成与腔室壁46的外表面接触的上材料层(例如，金属片或聚酯薄膜)，从而使压电材料能够通过该上材料层耦合到腔室壁。本实施例的优点在于，它能够使压电堆以超声频率振动以快速地裂解细胞，并且比超声波喇叭组件便宜的多。
装置10进一步包括用于以预载力将换能器装置38耦合到壁46的外表面的支撑结构12。该支撑结构12将容器18与换能器装置38相互压在一起，从而使换能器装置38的振动表面耦合到腔室壁46的外表面。在一个实施例中，支撑结构12包括一个具有支架16的基座结构14。换能器装置38通过导向件24可滑动地安装到基座结构14。导向件24与基座结构14整体地形成，或是固定地连接到基座结构。支撑结构12还包括一个连接到基座结构14的用于支撑容器18的支座20。支座20具有U形底部以为腔室壁46提供通路。导向件24和支座20被适当布置以分别保持换能器装置38和容器18，从而使壁46的外表面接触换能器装置38。支撑结构12还包括一个用于容器18的顶部固定器22。固定器22是U形的，以允许通向形成在容器18中的出口44。
支撑结构12进一步包括一个用于向换能器装置38施加力以便将换能器装置38压向壁46的弹性体，例如，弹簧26。因此，换能器装置38的振动表面被用足以在壁46内产生应力的预载力耦合到壁46。弹簧26安装在弹簧导向件32和支撑换能器装置38底部的连接器28的基座之间的位置上。如图1中所示，连接器28优选地具有一个窗口30，通过这个窗口30可以放置换能器装置38的电源线(未示出)。螺栓或螺钉36将弹簧导向件32固定在形成于基座结构14中的调节槽34中。通过放松固定弹簧导向件32的螺栓36、将导向件32移动到新的位置、并且重新拧紧螺栓36以将导向件32固定在新的位置，就可以调节弹簧26提供的力的大小。一旦调节好弹簧26的位置以提供适当的预载力将换能器装置38耦合到壁46时，使装置10在一个使用到下一个使用中保持预载力恒定是所期望的。
图3示出了容器18的剖面图。容器18具有一个包括顶部元件52，中间元件54，和底部元件56的容器体。中间元件54定出了到腔室40的进口42，顶部元件52定出了到腔室的出口44。进口和出口42和44设置在允许流体样本流过腔室40的位置上。利用垫片58、60将壁46固定在中间和底部元件54，56之间。作为选择，可以简单地将壁46热封到中间元件54，或与中间元件54整体地模制，从而可以省略底部元件56和垫片58，60。容器18可选地在腔室40中包括过滤器48之类的固相材料，以便在样本流过腔室40时捕获待要裂解的细胞或病毒。适合的固相材料包括，例如，过滤器，珠体，纤维，膜，玻璃绒，滤纸，聚合物和凝胶体。尽管在图3中仅示出了一个过滤器，但是如2000年12月7日公开的第WO00/73413号国际公开中所述的，容器18也可以包括多个过滤器。
为了保证气泡能够从腔室40选出，最好使用可使液体向上(相对于重力)流过过滤器48和腔室40的方向的容器18。向上流过腔室40有助于空气泡逸出腔室。因此，用于使流体进入到腔室40中的进口42一般应当位于比出口44低的高度。腔室40的容积一般在50至500微升的范围。适当地选择腔室40的容积，以提供从流体样本分离的分析物的适当浓度，而不会由于腔室太小而发生过滤器48堵塞。
形成容器18的容器体的元件52，54，56优选地是模制聚合物部件(例如，聚丙烯，聚碳酸酯，丙烯酸类，等等)。尽管为了批量生产而优选地使用模制方法，但是，也可以机械加工顶部、中间、和底部元件53，53，56。可以用螺钉或紧固件将元件52，54，56固定在一起。作为选择，可以使用超声波焊接、溶剂粘结、或搭扣配合设计来组装容器18。制造容器18的另一种方法是将容器体模制成一个单一的元件，并且将壁46和过滤器48热封到容器体上。
装置可选地在腔室40中包括用于使细胞或病毒破裂以释放细胞内的材料(例如，核酸)的珠体(bead)66。换能器装置38所产生的压力脉冲或压力波搅动珠体66，珠体66的运动使细胞或病毒破裂。破裂细胞或病毒的适当珠体包括硼硅酸盐玻璃，钙玻璃，二氧化硅以及聚苯乙烯珠体。珠体可以是多孔的或没有孔的，并且优选具有5至200微米范围的平均直径。在本优选实施例中，珠体66是具有约106微米的平均直径的聚苯乙烯珠体。
图5示出了适合于与该装置一同使用的流体系统。该系统包括用于保持裂解缓冲液的罐体72、盛放清洗溶液的罐体74以及用于保持流体样本的样本容器76。罐体72，74和样本容器76经过管道连接到注射泵78的阀口。容器10的进口也连接到注射泵78。容器18的出口连接到分配阀80的公共端口。该系统还包括用于接收从样本取出的细胞内材料(例如，核酸)的收集管82，以及用于接收废物的废物容器84。收集管82和废物容器84连接到分配阀80的对应外围接口。
在操作中，注射泵78经过容器18从样本容器76泵送流体样本，并使其进入到废物容器84。在迫使流体样本流过腔室40中的过滤器48时(图3)，样本中的细胞或病毒被过滤器48捕获。在迫使样本流过腔室时，可以对腔室40进行声波处理，以帮助防止过滤器48堵塞。接下来，注射泵78从罐体74泵送清洗溶液通过容器18，并使其进入到废物容器84。清洗溶液从腔室40清洗掉PCR抑制剂和污染物。
在下一个步骤中，注射泵78将裂解缓冲液从罐体72泵送到容器18中，从而使腔室40充满液体。裂解缓冲液应当是一种可以传输动态压力脉冲或压力波的介质。例如，裂解缓冲液可以包括用于将细胞或病毒保持在悬浮液或溶液中的去离子水。作为选择，裂解缓冲液也可以包括一种或更多的细胞裂解剂，以帮助细胞或病毒的裂解。但是，本发明的一个优点是，它不需要用苛性细胞裂解剂来成功地裂解细胞或病毒。尽管如上所述，当前优选地是使用过滤器从流体样本中分离细胞或病毒，但是，应当知道，过滤不是本发明的装置和方法的关键。例如，可以通过简单地用包含细胞或病毒的液体充注腔室40(例如，用包含待要裂解的细胞或病毒的水基样本充注腔室)以将待要裂解的细胞或病毒装入容器的腔室中。在这个实施例中，水基样本本身提供了可传输压力波或压力脉冲的液体介质。
再参考图2，换能器装置38通过在壁46中产生应力的预载力而被耦合到壁46的外表面。为了裂解腔室40中的细胞或病毒，启动换能器装置38(即，感应振动运动)。当换能器装置38的尖端50振动时，它使壁46挠曲。换能器装置38、腔室壁46以及腔室40中的液体的相互作用是壁46的固有频率、换能器装置38的操作频率、换能器装置38与壁46之间的预载力以及换能器装置38的振动运动幅度的函数。这些参数确定了腔室40中产生的压力波或压力脉冲的幅度以及由此引起的腔室中细胞或病毒的裂解结果。
壁46的固有频率是造成壁以其最高幅度振动的频率。施加预载力以保持壁46与换能器装置38之间的耦合。预载力在圆拱形壁46中产生压缩应力，从而将它的固有频率降低到未受应力状态时的固有频率以下。当启动时，换能器装置38成为限制在壁46和弹簧26之间的振动结构。换能器装置38与弹簧26的质量组合成为一个具有取决于弹簧26的硬度的固有频率的质量/弹簧系统。通常选择弹簧26以提供4至35N范围的预载力，导致大约20Hz的质量/弹簧系统的固有频率，这个频率大大低于换能器装置38的优选操作频率(例如，20至120kHz)。如果当通过预载力使壁产生应力时，壁46的固有频率大大高于换能器装置38的操作频率，那么换能器装置(当限制在硬壁和相对弱的弹簧之间时)将使弹簧26受到激励。在这种情况下，换能器装置38将如同气锤一样地运动，以使换能器装置的振动表面反复地撞击壁46。但是，壁46的表现如同一个坚硬的构件，在冲击下仅有轻微的变形。每次撞击将在腔室40中造成轻微的压力升高或脉冲，但是将不会产生压力降，从而限制了气穴现象(cavitation)。因此，当使用这种气锤技术时，换能器装置的振动不会完全传递给腔室40中的液体，并且也会使细胞或病毒的裂解(如果有的话)受到限制。此外，反复的冲击也可能损坏壁(例如，熔化或碎裂)。
如果当通过预载力使壁产生应力时，壁46的固有频率大大低于换能器装置38的操作频率，则壁46将不能以与换能器装置38相同的频率振动。所得到的换能器装置38和壁46的振动将成为异相的，并且壁和换能器装置将物理分离，即，换能器装置38的振动表面在其向前的行程中反复地撞击壁46，并且在其返回行程中与壁分离。这种操作模式可以熔化或损坏腔室壁，并且也会使细胞或病毒的裂解(如果有的话)受到限制。
根据本发明，当通过预载力使壁受到应力时，壁46的固有频率应当接近换能器装置38的操作频率。当是这种情况时，壁46在或接近它的共振频率处受到激励，并且壁46有效地将换能器装置38的振动传递到腔室40，而不会造成其熔化或碎裂。更具体地讲，当通过预载力使壁受到应力时，壁46的固有频率应当等于换能器装置的操作频率，或与换能器装置的操作频率的差别小于换能器装置的操作频率的50％，小于换能器装置的操作频率的25％更好，小于换能器装置的操作频率的10％则最好。例如，如果换能器装置的振动表面以40kHz的操作频率振动，那么当通过预载力使壁受到应力时，壁46的固有频率应当是在20至60kHz的范围，在30至50kHz的范围更好，在36至44kHz的范围则最好。
当通过预载力使壁46受到应力时，如上所述，当壁46的固有频率被调谐到换能器装置38的操作频率时，换能器装置38在腔室40中产生强的压力波或压力脉冲，并且可以在腔室中取得强的压力降。通常在腔室40中会发生气穴现象(微小气泡的产生和破裂)。当这些气泡或气穴增长到共振尺寸时，它们猛烈地崩溃，从而产生极高的局部压力变化。这些压力变化对细胞或病毒提供了机械冲击，导致它们的裂解。换能器装置38的振动产生的急速压力升也会造成细胞或病毒的裂解。此外，腔室40中珠体66的剧烈运动也会造成细胞或病毒的裂解。腔室中动态压力脉冲或波搅动珠体并裂解细胞或病毒。本发明的范围不限于在腔室40中使用珠体66。珠体66有助于迅速地裂解某些具有非常坚硬的细胞壁的类型的细胞(特别是孢子)。其它一些类型的具有较弱细胞壁的细胞，例如，血液细胞，通�？梢圆挥弥樘謇戳呀�。
由于当通过预载力使壁受到应力时腔室壁的固有频率被调谐到换能器装置的操作频率，所以壁有效地将来自换能器装置的振动表面的能量传递到腔室，而实际上不会在界面上产生热。这使得能够有效地将能量传递到腔室，并且迅速地裂解腔室中的细胞或病毒，而不使容器熔化或碎裂。
优选地以20至120kHz范围的操作频率对腔室40超声处理10至20秒。在示例性的原始记录中，腔室被以40kHz的频率超声处理15秒。换能器装置的振动幅度优选地在5至60微米的范围(峰至峰的测量值)。再参考图5，在细胞或病毒裂解之后，注射泵78将释放的细胞内材料(例如，核酸)从容器18泵送到收集管82。
图4示出了壁46的剖面图。壁46是圆拱形的，并且相对于换能器装置凸出(即，壁46向外朝换能器装置弯曲)。将壁46设计成圆拱形的优点在于，圆拱形增大了壁的固有频率(与平面壁相比)，而且不会造成壁太硬以使它不能挠曲以将换能器装置的振动传递到腔室。壁的圆拱形部分优选地是球形的(即，具有球的一部分的形状)。壁46也可以包括平的外边缘70，用于将壁46夹持在容器的其它元件之间(如图3中所示)。作为选择，壁46可以与容器的一个或更多的元件整体模制，以便可以省略平的外边缘70。当通过预载力使壁受到应力时，壁46的固有频率取决于该预载力和以下的壁的参数厚度T，球形半径R，基座半径A，基座高度或升高H，壁材料的密度，弹性模量以及泊松比。
作为第一工作示例，申请人利用具有0.5mm厚度T(整个壁具有均匀的厚度)、12.7mm的球形半径R、5.16mm的基座半径A、和1.5mm的高度H的圆拱形壁获得了成功。壁是由具有3378N/mm2的弹性模量、1.42g/cm3的密度以及0.35的泊松比的乙缩醛(例如，Delrin，Du PontInc.)制造的。换能器装置通过8.9N的预载力耦合到壁。壁具有大约38kHz的固有频率。在本例中，换能器是一个具有接触壁的振动尖端的超声波喇叭组件(可以从Sonics & Material买到)。换能器装置以40kHz的操作频率(喇叭的共振频率)操作10至20秒。振动的幅度(峰至峰测量值)在25至40微米的范围。
作为第二工作示例，申请人利用具有0.5mm厚度T(整个壁具有均匀的厚度)、19mm的球形半径R、5.16mm的基座半径A、和1.2mm的高度H的圆拱形壁获得了成功。壁是由具有3378N/mm2的弹性模量、1.42g/cm3的密度以及0.35的泊松比的乙缩醛(例如，Delrin，Du Pont Inc.)制造的。换能器装置通过4.4N的预载力耦合到壁。壁具有大约38kHz的固有频率。换能器装置是一个具有接触壁的振动尖端的超声波喇叭组件。换能器装置以40kHz的操作频率(喇叭的共振频率)操作10至20秒。振动的幅度(峰至峰测量值)在25至40微米的范围。
上述示例的意图不是要限制本发明的范围。可以选择许多其它参数值，以满足壁46的固有频率等于换能器装置的操作频率或在换能器装置的操作频率的50％内的标准。可以利用市场上到处可以买到的有限元分析软件来选择满足这些标准的适当参数值。例如，可以从StructuralResearch and Analysis Corporation，12121 Wilshire Blvd.7th Floor，LosAngeles，California 90025买到的软件包COSMOS/Works。
在设计适合的腔室壁时，壁厚度T优选地在0.25至1mm的范围。如果壁厚度T小于0.25mm，那么壁46太弱或难于制造。如果壁厚度T大于1mm，那么壁可能太硬而不能响应换能器装置的振动而适当地挠曲。壁46优选地为模制塑料部件。壁46的适当材料包括乙缩醛，聚丙烯，或聚碳酸酯。此外，换能器装置的操作频率优选地在20至120kHz的范围，换能器装置的振动表面的幅度(峰到峰)优选地在5至60微米的范围，并且预载力优选地在2至50N的范围。
替代实施例尽管当前优选地使用圆拱形腔室壁，但是壁可以有替代的形状，例如，包括加强筋的平的或具有不同厚度部分的壁。例如，在一个替代实施例中，腔室壁具有平的圆盘形状。施加到平的壁上的预载力会产生拉伸应力，这个拉伸应力可以把它的固有频率提高到高于未受应力状态下的固有频率。适当地选择壁的尺寸，以便当通过预载力使壁受到应力时，使壁的固有频率等于换能器装置的操作频率，或与换能器装置的操作频率的差别小于换能器装置的操作频率的50％，小于换能器装置的操作频率的25％更好，小于换能器装置的操作频率的10％则最好。在选择平的腔室壁的尺寸时，壁的厚度优选地在0.25至1mm的范围。如果壁厚度小于0.25mm，则平的壁太弱。如果壁厚度大于1mm，那么壁可能太硬而不能响应换能器装置的振动而适当地挠曲。
作为适当的平壁的一个特殊工作示例，壁可以是一个具有4.4mm的半径和0.5mm的厚度(整个壁均匀厚度)的圆盘形状壁。该壁是由具有3378N/mm2的弹性模量、1.42g/cm3的密度以及0.35的泊松比的乙缩醛(例如，Delrin，Du Pont Inc.)制造的。换能器装置通过4.4N的预载力耦合到壁。当通过预载力产生应力时，壁具有大约20kHz的固有频率。换能器装置以20kHz的操作频率操作10到20秒。换能器装置的振动幅度(峰到峰)优选地在5至60微米的范围。这个例子的意图并不是要限制本发明的范围，也可以选择(例如，利用有限元分析软件)许多其它参数值来满足当通过预载力使壁受到应力时使壁的固有频率在换能器装置的操作频率的50％内的标准。
图6A-6B示出了根据本发明所述用于接触换能器装置的振动表面的另一个腔室壁86。如图6A中所示，壁86的一侧具有中心部分88以及多个从中心部分88径向延伸的加强筋90。壁还具有形成在加强筋90之间的凹槽92。如图6B中所示，壁86的另一侧具有平的表面94。图7示出了带有壁86的容器18的局部剖开的等视轴图。适当地确定壁86的位置，使得壁的具有平的表面的一侧处于腔室之内，而壁的具有加强筋90的一侧处于腔室之外。加强筋90的优点在于，它们增大了壁86的固有频率(与平的壁相比)，而不会造成壁太硬以至于不能响应换能器装置的振动运动而挠曲。
图8示出了具有壁86的容器18的底部平面图。中心部分88提供了壁86用于接触换能器装置的外表面。适当选择壁86的尺寸以满足当通过预载力使壁受到应力时使壁的固有频率等于换能器装置的操作频率，或在换能器装置的操作频率的50％之内，在换能器装置的操作频率的25％之内更好，在换能器装置的操作频率的10％之内则最好。可以使用有限元分析软件(例如，可以从Structural Research and Analysis Corporation得到的COSMOS/Works)来选择满足这些标准的适当壁尺寸。壁86优选地为模制塑料部件。壁86的适当材料包括乙缩醛，聚丙烯，或聚碳酸酯。
再参考图7，加筋壁86与换能器装置的相互作用和上述圆拱形壁与换能器装置的相互作用相类似。利用一个可在壁中产生应力(这种应力一般是压缩应力和拉伸应力的混合应力)的预载力将换能器装置的振动表面耦合到壁86的外表面(优选地耦合到壁的中心部分)。为了裂解容器18腔室中的细胞或病毒，启动换能器装置，并且换能器装置的振动表面使壁86挠曲。当通过预载力产生应力，壁86的固有频率被调谐到上述换能器装置的操作频率时，换能器装置在腔室中产生强压力波或压力脉冲，并且可以在腔室中取得强的压力降。通常会发生气穴现象，从而导致腔室中的细胞或病毒的裂解。此外，也可以选择通过腔室中珠体的剧烈运动来造成细胞或病毒的裂解。
优选使腔室以20至120kHz的操作频率受到超声处理10到20秒。在本实例性的原始记录(protocol)中，腔室以40kHz的频率受到15秒的超声处理。换能器装置的振动幅度优选地在5至60微米的范围(峰到峰测量值)。腔室的上壁可选地具有流动筋片(flow ribs)96。流动筋片96用于引导液体和气泡通过出口44流出腔室。
用于保持细胞或病毒的容器不一定必须是以上优选实施例中说明的特定容器。可以使用具有保持细胞或病毒的腔室的任何类型的容器来实现本发明，只要容器具有根据本发明原理的适当腔室壁即可。适当容器包括但不限于，反应容器，试管，盒子以及筒。容器可以具有用于执行多样本制备和分析功能的多个腔室和/或通道，例如，提纯从裂解的细胞或病毒释放的核酸，将核酸与试剂混合，和/或扩增和检测核酸。在2000年5月30日提交的国际申请号PCT/US00/14738、2001年7月26日提交的国际申请号PCT/US01/23776、美国专利6,374,684、美国专利6,391,541以及美国专利6,440,725中披露了多种这样的容器。作为选择，容器可以仅具有一个用于保持待要裂解的细胞或病毒的腔室。
根据本发明的装置和方法，可以有许多种不同的方式来以预载力将换能器装置的振动表面耦合到腔室壁。例如，在一个替代实施例中，耦合装置包括一个用于将换能器装置与容器压在一起的钳子或夹具。在另一个实施例中，耦合装置包括一个其中放置容器以进行样本处理的器械或器具。该器械包括一个用于接收容器的嵌套位置，并且将换能器装置定位在器械中，使得当把容器放置在该嵌套位置上时，换能器装置的振动表面与腔室壁的外表面邻接。该器械可以包括一个用于提供预载力以把换能器装置压向腔室壁的弹性体(例如，弹簧)。作为选择，也可以只是简单地将换能器装置刚性地固定在器械中，并且把容器夹持到换能器装置的表面，以通过例如将一个盖子盖在容器上来提供预载力。
在另一个实施例中，耦合装置包括一个用于施加空气压力将换能器装置和容器压在一起的压力系统。作为选择，可以使用磁力或重力使换能器装置和容器通过预载力耦合。在本发明的每个实施例中，可以把力施加到换能器装置(或放置换能器装置的支座)，施加到容器(或放置容器的支座)，或施加给换能器装置和容器二者。
在使用弹性体在换能器装置与腔室壁之间提供预载力的实施例中，适当的弹性体包括但不限于，螺旋弹簧，波纹弹簧，扭转弹簧，盘簧，叶片弹簧，椭圆弹簧，半椭圆弹簧，橡胶弹簧以及气压弹簧。弹性体优选地为螺旋弹簧。优选地采用螺旋弹簧是由于将它们安装到装置中简单并且便宜。此外，在这些实施例的每个中，可以放置弹性体以把换能器装置和容器推或拉到一起。例如，可以放置一个弹簧以通过推或拉提供预载力。此外，也可以使用多个弹性体施加力。
因此，本发明的范围应当通过以下的权利要求和它们的合法等同物来确定。
权利要求
1.一种用于裂解细胞或病毒的装置，所述装置包括a)具有用于保持细胞或病毒的腔室的容器，其中所述容器包括至少一个限定出所述腔室的壁，并且其中所述壁具有处于所述腔室之外的表面；b)用于以操作频率和振幅进行振动的换能器装置，当把所述换能器装置耦合到所述壁时，所述操作频率和振幅足以在所述腔室中产生压力波或压力脉冲；以及c)用于利用足以在所述壁内产生应力的预载力将所述换能器装置耦合到所述壁的外表面的装置；其中，当通过所述预载力使所述壁受到应力时，所述壁的固有频率等于所述换能器装置的操作频率，或者与所述换能器装置的操作频率的差别小于所述换能器装置的操作频率的50％。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述操作频率是超声频率。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述换能器装置包括具有耦合到所述壁的尖端的超声波喇叭，并且其中所述操作频率是所述喇叭的共振频率。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述换能器装置包含压电堆。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述壁为圆拱形，并且相对于所述换能器装置凸出。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述壁为球形，并且相对于所述换能器装置凸出。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述壁是平的。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述壁包括中心部分以及从所述中心部分径向延伸的加强筋。
9.根据权利要求1所述的装置，进一步包括在所述腔室中的用于裂解细胞或病毒的珠体。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述腔室具有至少两个被定位以允许样本流过所述腔室的端口，并且其中所述装置进一步包括处于所述腔室之中的用于在样本流过所述腔室时使细胞或病毒裂解的固相材料。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当通过所述预载力使所述壁受到应力时，所述壁的固有频率等于所述换能器装置的操作频率，或者与所述换能器装置的操作频率的差别小于所述换能器装置的操作频率的25％。
12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当通过所述预载力使所述壁受到应力时，所述壁的固有频率等于所述换能器装置的操作频率，或者与所述换能器装置的操作频率的差别小于所述换能器装置的操作频率的10％。
13.根据权利要求1、11或12中的任何一个所述的装置，其特征在于，当通过预载使所述壁受到应力时，所述壁的固有频率小于或等于所述换能器装置的操作频率。
14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述换能器装置的操作频率在20至120kHz的范围，所述换能器装置的振动幅度在5至60微米的范围，并且所述预载力在2至50N的范围。
15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述用于将换能器装置耦合到壁的装置包括用于将所述容器和所述换能器装置相互固定在一起以使所述换能器装置的振动表面接触所述壁的外表面的支撑结构，所述支撑结构包括用于提供所述预载力的弹性体。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述弹性体包括弹簧。
17.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述用于将所述换能器装置的振动表面耦合到所述壁的装置包括夹具。
18.一种用于裂解细胞或病毒的方法，所述方法包括以下步骤a)将包含细胞或病毒的液体或凝胶体保持在容器的腔室中，其中所述容器包括至少一个限定出所述腔室的壁，并且其中所述壁具有处于所述腔室之外的表面；b)利用足以在所述壁中产生应力的预载力将所述换能器装置耦合到所述壁的外表面；以及c)使所述换能器装置以足以在所述腔室中产生压力波或压力脉冲的频率和振幅操作；其中，当通过所述预载力使所述壁受到应力时，所述壁的固有频率等于所述换能器装置的操作频率，或者与所述换能器装置的操作频率的差别小于所述换能器装置的操作频率的50％。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述操作频率是超声频率。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述换能器装置包括具有耦合到所述壁的尖端的超声波喇叭，并且其中所述操作频率是所述喇叭的共振频率。
21.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述换能器装置包含压电堆。
22.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述壁为圆拱形，并且相对于所述换能器装置凸出。
23.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述壁为球形，并且相对于所述换能器装置凸出。
24.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述壁是平的。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述壁包括中心部分以及从所述中心部分径向延伸的加强筋。
26.根据权利要求18所述的方法，进一步包括搅拌所述腔室中的珠体以裂解细胞或病毒的步骤。
27.根据权利要求18所述的方法，进一步包括通过迫使包含细胞或病毒的流体样本流过所述腔室以将细胞或病毒捕获在所述腔室中的固相材料上的步骤。
28.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，当通过所述预载力使所述壁受到应力时，所述壁的固有频率等于所述换能器装置的操作频率，或者与所述换能器装置的操作频率的差别小于所述换能器装置的操作频率的25％。
29.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，当通过所述预载力使所述壁受到应力时，所述壁的固有频率等于所述换能器装置的操作频率，或者与所述换能器装置的操作频率的差别小于所述换能器装置的操作频率的10％。
30.根据权利要求18、28或29中的任何一个所述的方法，其特征在于，当通过预载使所述壁受到应力时，所述壁的固有频率小于或等于所述换能器装置的操作频率。
31.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述换能器装置的操作频率在20至120kHz的范围，所述换能器装置的振动幅度在5至60微米的范围，并且所述预载力在2至50N的范围。
全文摘要
一种用于裂解细胞或病毒的装置(10)包括应该具有用于保持细胞或病毒的腔室(40)的容器(18)。所述腔室由至少一个壁(46，86)限定出来，所述壁具有与一个换能装置(38)耦合的外表面。所述换能器装置(38)以足以在腔室(40)内产生压力波或压力脉冲的操作频率和振幅振动。换能器装置(38)通过足以在壁(46，86)中产生应力的预载力耦合到壁(46，86)。当通过预载力使壁受到应力时，壁(46，86)的固有频率等于换能器装置(38)的操作频率，或与操作频率的差别小于操作频率的50％。
文档编号G01N1/28GK1564713SQ02819692
公开日2005年1月12日 申请日期2002年10月3日 优先权日2001年10月4日
发明者迈克尔T·泰勒 申请人:塞弗德公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
