用于細胞、孢子或病毒捕獲和破碎的裝置和方法與流程

相關申請的交叉引用

本申請根據美國專利法35u.s.c.§119(e)款要求2014年11月3日提交的題為“apparatusandmethodforcell，spore，orviruscaptureanddisruption(用于細胞、孢子或病毒捕獲和破碎的裝置和方法)”的美國臨時申請no.62/074,325的優先權，上述申請的內容全文以引用方式并入本文中。

本公開一般涉及用于生物樣品處理和分析的有創新性的裝置和方法。具體地，本公開涉及用于樣品破碎和裂解的方法和裝置。

背景技術：

在資源有限的場景中快速和準確地鑒定致病因子被認為對于控制疾病流行和傳播是關鍵的。在全球高生活負擔地區尤其如此，經濟和技術限制局限了有效的疾病管理。準確的疾病診斷和病原體監測可以涉及從受試者或患者樣品獲得和分離生物材料，例如以痰、血液、組織、尿液或其他樣本的形式。然后可以采用樣品提取技術來分離或富集用于檢測或鑒定樣品中病原體或致病因子的存在的核酸、蛋白質或其他生物指示物。

疾病監測的一個重要領域涉及呼吸道感染，諸如肺結核。受試者的診斷、評估和監測可能涉及收集痰樣品，然后提取和分離樣品中存在的病原體來源的核酸。對于此類樣品，以與下游處理和分析技術兼容的方式進行樣品收集和生物材料分離可能是具挑戰性的。例如，可能需要富集與疑似病原體相關的rna或dna，以促進通過聚合酶鏈反應(pcr)、等溫擴增或其他方法進行檢測。可能難以以安全和有效的方式來有效分解痰、組織分離物和其他生物樣品。此外，低產率的分離方法可能會增加檢測疑似病原體的存在的難度。

當試圖從生物樣品中提取和分析用于鑒定病原體的核酸時，存在的特定問題是樣本的總量或樣品中存在的核酸的量受到限制。在資源有限的場景，如現場應用、農村場景、不發達地區以及實驗室設施和精密實驗室設備可能不易得的國家，此問題進一步加劇。在這些環境中提供進行敏感和精確的生物分子測試和分析技術的途徑仍然是一個待克服的重大挑戰。就此而言，本公開提供了樣品處理和分析技術方面的重大進展，這可以改善世界上資源受限區域中的病原體監測和疾病管理能力。

技術實現要素：

實施例公開了用于捕獲、消毒和/或分離生物樣品的微生物或病原性組分的裝置。提供了樣品容納容器或樣品收集器以從樣品中分離所需組分，并且可以包括整合的過濾器或分離部件。樣品收集器可以被配置為與機械或聲換能器耦接，所述機械或聲換能器能夠將足以攪拌、破碎、裂解和/或使樣品勻化的能量傳遞到樣品中。在各種實施例中，機械換能器提供足以裂解樣品成分以釋放生物分子(諸如核酸和/或蛋白質)的能量，所述生物分子隨后可以通過下游分析技術進行檢測。

樣品收集器和換能器之間的具創新性的耦接機制和配置提供了有效的能量傳輸到樣品收集器中。換能器配置允許使用例如通過將較低頻率的聲能以及較高頻率的超聲能量施加到樣品產生的機械、振動或誘發空化的能量，從而與常規破碎方法相比提供改進的樣品處理性能。在各種實施例中，使用較低頻率的聲能有利地導致有效的樣品均化、生物分子成分的裂解和釋放，同時減少當向樣品施加較高頻率超聲時可能遇到的核酸和/或蛋白質的不期望降解。換能器的至少部分或大致漸縮的、漏斗或圓錐形區段提供有效的能量轉換到樣品收集器中。在將能量施加到樣品的同時，可以加熱和/或冷卻樣品收集器。裂解液還可用于破碎樣品并釋放樣品的生物分子成分。集成到樣品收集器中的過濾器可另外用于捕獲和/或分離所需的生物分子成分。

樣品容納容器或樣品收集器可以包括各種特征以促進自動或半自動化樣品處理。此外，樣品收集器和相關儀器部件可以有利地將樣品保持在隔離環境中，從而避免樣品污染和/或用戶暴露于樣品內容物。集成的過濾器或分離部件可以促進所選樣品組分的分離和濃縮，例如從細胞釋放或分散在樣品中的核酸和/或蛋白質。

本文公開的方法可以結合包括聚合酶鏈反應或等溫擴增方法的下游分析技術來應用。集成到樣品收集器中的可移除貯存器可以用于當樣品已經被捕獲或容納在容器內時，容納可以與樣品一起遞送或混合的材料，諸如反應組分和緩沖液、稀釋液、消毒組分、防腐劑和/或裂解試劑。位于過濾器相對側上的收集器的出口部分可以用于從樣品收集器中釋放分離的樣品成分，而樣品的其他組分保留在樣品收集器中。可以使用閥組件來提供出口部分對分離的樣品成分的可控或選擇性釋放。

在各種實施例中，樣品收集器的一部分包括樣品捕獲部分，樣品捕獲部分可以被配置成大致或部分圓柱形、漸縮或圓錐形。樣品捕獲部分還可以配置有一個或多個至少部分漸縮的、漏斗的或圓錐形的區段，所述區段與被配置用于將能量傳輸到樣品容納容器內的換能器的互補區段耦合或配合。在各種實施例中，換能器將機械、振動或誘發空化的能量(例如，以聲能或超聲能量的形式)傳輸到樣品流體或介質中，并且用于破碎或裂解樣品的各種組分。換能器可以進一步加熱或冷卻樣品收集器并提供已被過濾器捕獲的組分的選擇性釋放。在各種實施例中，樣品被破碎而釋放可能穿過過濾器的樣品內容物或成分的至少一部分。

在各種實施例中，樣品收集器可以容納能夠化學消毒樣品或使樣品不被感染，同時保持生物成分(諸如可以被有利地分離以用于后續下游處理和分析的核酸和/或蛋白質)的完整性的成分。

在各種實施例中，描述了一種裝置，所述裝置允許快速和半自動化消毒、分離和提取生物分子(諸如來自樣品的核酸和/或蛋白質)，而無需大量手動處理或實驗室設備。本公開的樣品制備裝置還可適用于能夠處理和鑒定生物分子(諸如樣品中存在的核酸和蛋白質)的便攜式分析設備和儀器。

在各種實施例中，樣品收集器和系統的各種其他部件可以由低成本和一次性的材料制成，諸如與下游樣品處理方法相容并且可經濟生產的模制塑料。這種部件可以有利地被密封并在無菌包裝中遞送以供單次使用，從而避免在運輸時對樣品內容物的潛在污染或樣品內容物的用戶暴露。在各種實施例中，樣品收集器的試劑提供對樣品成分的消毒，并允許在沒有實質的污染風險或保持剩余的傳染性或危險性的情況下進行樣品處置。樣品收集器可用于簡化的工作流，并且不需要專門的培訓或程序來進行處理和處置。

在各種實施例中，換能器被配置為與樣品收集器耦接并且促進樣品處理的自動化。換能器能夠產生機械、振動或誘發空化的能量(例如，由聲振動或超聲振動引起的)，并以安全和隔離的方式有效地破碎或裂解樣品的組分。樣品收集器提供用于后續以減少交叉污染和潛在感染性物質的傳輸的方式遞送所選樣品成分和試劑。

在各種實施例中，描述了用于樣品處理的裝置。所述裝置包括：換能器，其產生所選頻率的聲能或超聲能量，所述換能器還包括具有至少部分漸縮的圓錐形表面的接口，聲能或超聲能量通過所述接口傳播；以及樣品收集器，其具有與所述換能器的接口至少部分互補的側壁，所述樣品收集器與所述接口耦接并且接收由所述換能器產生的聲能或超聲能量的至少一部分，并且將所述聲能或超聲能量傳播到樣品收集器的內部隔室內，從而誘發樣品空化，所述樣品空化破碎或裂解設置在樣品收集器內的材料。

所述裝置還可以配置有包括凹陷部分的換能器，接口設置在所述凹陷部分中，換能器的凹陷部分的尺寸被設計為接收樣品收集器的至少一部分，從而使接口和側壁緊鄰定位，由此傳播換能器產生的能量進入樣品收集器的內部隔室。這種裝置還可以被配置成具有尺寸被設計為可拆卸地保持在換能器的凹陷部分中的樣品收集器，且樣品收集器側壁的至少一部分抵靠接口以有效地傳播由換能器產生的能量。

在其他實施例中，描述了從樣品中提取生物分子的方法，其中所述方法包括：(a)將樣品和一種或多種流體試劑通過樣品收集器的入口部分引入樣品收集器；(b)將樣品收集器圍繞換能器的至少部分漸縮的圓錐形接口定位；(c)通過所述換能器產生聲能或超聲能量，所述聲能或超聲能量通過所述接口傳播到樣品收集器中，其中所述能量誘發所述一種或多種流體試劑中的空化并導致樣品的至少部分破碎或裂解，從而釋放核酸或蛋白質；以及(d)通過樣品收集器的出口部分收集釋放的核酸或蛋白質的至少一部分。

該裝置具有濃縮所關注的生物材料的進一步益處。例如，可以方便地從原始樣品材料中分離并濃縮與樣品中存在的孢子、病毒或細菌相關的核酸和/或蛋白質。在一些實施例中，可以在與樣品收集器110相關聯的一個或多個過濾器上捕獲樣品的各部分。這樣的濃度可以有利地提高下游測定和分析的效率，從而提高對輸入樣品的檢測靈敏度或提供輸入樣品的檢測下限。

在各種實施例中，系統的自動化和半自動化處理能力簡化了樣品制備和處理方案。與常規樣品處理系統相比，可以實現使所需用戶操作、相互作用或潛在樣品暴露的數量總體減少的實際益處。這可導致降低用戶培訓要求和減少用戶引起的失效點。在其他實施例中，該系統有利地提供樣品的有效分離和消毒，從而提高整體用戶的安全性，同時保持樣品完整性，例如通過減少不期望的樣品降解。

所公開的實施例的附加目的和優點將部分地在以下描述中闡述，并且部分地將從所述描述變得顯而易見，或者可以通過實踐所公開的實施例而習得。所公開的實施例的目的和優點將通過所附權利要求書中特別指出的要素和組合來實現和獲得。應當理解，前面的一般描述和以下詳細描述僅僅是示例性和解釋性的，并不限制如權利要求書所闡述的所公開實施例的范圍。

附圖說明

將參考以下示例性和非限制性說明來論述本公開的這些和其他實施例，其中類似的元件被類似地編號，并且其中：

圖1a示出了根據本公開的各種實施例的樣品處理和分析裝置的橫截面圖。

圖1b示出了根據本公開的各種實施例的樣品處理和分析裝置的另一橫截面圖，示出了樣品收集器和換能器之間的接合。

圖2a示出了根據本公開的各種實施例的以開放配置設計的示例性樣品收集器和換能器的透視圖。

圖2b示出了根據本公開的各種實施例的設計為處于接合或閉合位置的示例性樣品收集器和換能器的另一透視圖。

圖3示出了根據本公開的各種實施例與樣品收集器耦接或接合的示例性換能器的橫截面圖。

圖4a和4b是根據本公開的各種實施例在換能器頻率范圍內在液體中形成的平均氣泡尺寸的代表圖。

圖4c是根據本公開的各種實施例，到流體體積內的能量轉移的相對強度或效率對照換能器振蕩頻率的代表圖。

圖5a-c示出了根據本公開的各種實施例的可以適于與聲換能器一起使用的樣品收集器的示例性實施例。

具體實施方式

圖1a中示出了樣品處理和分析裝置100的示例性橫截面圖。裝置100可以包括適于接收和容納樣本或樣品的樣品收集器110。在各種實施例中，樣本可以包含樣品或生物材料，諸如從受試者或來源獲得的體液、尿液、血液、糞便、痰、細胞、組織、孢子或其他待處理和分析的組分。可以有利地從樣本或樣品中回收各種材料、分析物或分離物，包括例如存在于樣品或樣本中的細菌或其他微生物、蛋白質、核酸、碳水化合物、化學物質、生物化學物質，顆粒或其他組分。

如將在下面更詳細描述的，樣品或生物材料可以包括感染性、毒性或其他有害物質，所述物質需要被隔離在樣品收集器110中以便最小化或消除在使樣品組分變得無活性、惰性或處于降低危害或污染風險的形式之前使樣品收集器的用戶或處理者暴露于樣品成分。如將在下面更詳細描述的那樣，樣品收集器110的設計避免了樣品組分因從樣品收集器110泄漏而意外釋放，包括防止氣溶膠或顆粒的逸出，否則存在時可能對用戶造成污染風險。

樣品或樣本還可以包含固體、半固體、粘性或液體材料。在某些實施例中，可以向樣品或樣本中加入液體或流體試劑(例如緩沖液、水、裂解試劑或其他化學溶液)，來幫助傳播能量以破碎或裂解樣品。類似地，可以將固體材料如珠粒或顆粒添加到樣品或樣本中以幫助破碎或裂解。添加到樣品中的材料還可以包括促進樣品分散、均化、乳化或裂解的各種試劑。這些材料可進一步用于使樣品變成惰性、無活性或無菌。在某些實施例中，所添加的材料可以與釋放的樣品或樣本組分化學或物理地反應，以保留或制備用于下游處理的釋放組分。

裝置100還包括空化誘發致動器或換能器120，其被配置成將樣品收集器110接收并定向在裝置100內的期望位置。換能器120包括換能器接口125，其幾何形狀和尺寸通常配置為有至少一部分與樣品收集器110互補。在各種實施例中，樣品收集器110的外表面輪廓或形狀被配置為與換能器接口125大致對準和/或靠著換能器接口125定位，使得樣品收集器110位于或定位于換能器120的一部分內。如將在下面更詳細描述的，樣品收集器110在換能器120內的配置和定位提供了樣品收集器110和換能器接口125之間的緊密耦接，從而允許有效的能量轉移。

換能器120還可以與加熱器、冷卻器或溫度調節元件130相關聯。在各種實施例中，加熱器被配置為直接或間接地將熱量可調節地傳輸到樣品收集器110。例如，加熱元件130可以包括嵌入在換能器120的電樞135內或抵靠電樞135并且能夠將熱能傳輸到換能器120中的可控電阻加熱器。當換能器電樞135被加熱時，此能量可進一步通過接口125傳輸到樣品收集器110中。除了加熱部件之外，換能器電樞135可以類似地配置成根據需要冷卻樣品。

裝置100還可以包括溫度傳感器140，溫度傳感器140被配置用于監測換能器120和/或樣品收集器110的溫度。一個或多個控制器板145可以接收來自溫度傳感器140的信號并指導加熱器/冷卻器130的操作以實現或維持樣品收集器110內的期望溫度。在各種實施例中，到樣品收集器110中的受控溫度和能量傳輸的組合效應增強了裝置實現所需攪拌、裂解和/或破碎特征以處理樣品收集器中所含樣品成分的能力。

換能器120的能量(例如，聲能或超聲能量)產生可以由一個或多個耦接的壓電設備150提供，從而導致換能器120的可控振動或振蕩，以提供能量傳輸到樣品收集器110中。控制器145還可以指導壓電設備150的操作，控制器145可被配置為指導壓電設備150的操作頻率以實現到樣品收集器110中的期望能量傳輸。在各種實施例中，換能器120可以固定在裝置110內并且具有適當重量或配置的尾料155以產生期望的或特征性的振蕩頻率，從而將聲能或超聲能量施加到樣品收集器110中。

在各種實施例中，樣品收集器110包括入口部分160和出口部分165。入口部分160可以被配置為接收要在樣品收集器110內處理的樣品或樣本，并用帽或蓋170固定，帽或蓋170將樣品或樣本保持在樣品收集器110內，同時防止固體、液體和/或氣態材料從樣品收集器110逸出。在各種實施例中，蓋170以螺旋蓋、卡扣蓋或其他具有足夠接合和保持的固定/鎖定配置固定到收集器110，以防止材料從樣品收集器110逸出，包括避免在樣品收集器110外部形成氣溶膠，否則氣溶膠可能會污染裝置100或釋放樣品成分，從而潛在地將用戶暴露于樣品或樣本中存在的感染性物質或其他危險物質。

在各種實施例中，樣品收集器110和換能器120之間的正向接合由負載構件175保持。負載構件175還可以包括彈簧、按鈕、電樞或其他機械或機電器件，所述器件被配置為在蓋170和樣品收集器110上施加期望的負載或力，所述負載或力促使或提供當樣品收集器110適當地定位或與換能器接口125對準時樣品收集器110和換能器120之間的正向接合或耦接。

在各種實施例中，樣品收集器110可以配置有出口部分165，出口部分165能夠將經處理的樣品部分遞送到裝置100的其他部件，包括例如測定板180。測定板180還可以被配置為接收經處理的樣品并將樣品分配或分離到與測定板180相關聯的一個或多個孔、限制區域或腔室內。根據某些實施例，測定板180可以由能夠移動或旋轉測定板并促進測定板180內的樣品分布的伺服或電機185接合。

根據各種實施例，閥組件167可以提供經處理的樣品部分到樣品收集器110的出口部分165的受控釋放。在各種實施例中，閥組件或致動器167可被配置為處于正常閉合位置，以在換能器120進行能量轉移的持續時間的至少一部分期間使樣品組分保持在樣品收集器110中。然后可以根據期望的處理方案打開閥組件167，以釋放經處理的樣品或所得分離物或成分的至少一部分。在各種實施例中，閥組件167可以基于在樣品收集器110內實現期望或所選的壓力而自動打開。例如，樣品破碎或空化可能在樣品收集器110的內部引起壓差，從而導致閥組件167打開。此外，在樣品收集器內部產生的熱量可使得閥組件167在選定的溫度或溫度范圍內打開。在另一個實施例中，在樣品收集器中產生的氣體或蒸汽可以使得閥組件167在樣品收集器110內實現所選壓力或壓力范圍時打開。在樣品收集器內部產生的氣體或蒸氣可以由添加到樣品收集器中或與樣品混合的試劑產生。例如，可以使用用于產生二氧化碳、氯氣、二氧化氯、氮氣或其他氣體或蒸汽的試劑來致動閥組件167，從而以受控方式釋放經處理的樣品成分。

在各種實施例中，一個或多個過濾器195可以集成到樣品收集器110中。如下面將更詳細描述的那樣，這些過濾器195可有助于樣品分離和/或隔離，以將所選材料保留在樣品收集器110內，同時允許其他材料通過。例如，可以用過濾器195將樣品組分(諸如細胞、組織和裂解的殘留物質)有利地保留在樣品收集器110中，同時允許期望的樣品分離物(諸如細菌、病毒、核酸、碳水化合物和/或蛋白質)選擇性通過。過濾器195還可以具有設置在其上的化學組合物或化學部分，以用于選擇性地保留各種樣品材料，并且可以用于捕獲和/或分離所需的成分，如本領域技術人員將會理解的。

裝置100還可以包括一個或多個測定板加熱/冷卻元件190，以將測定板180保持在期望的溫度范圍。這樣的可配置加熱和/或冷卻可以有助于使用各種試劑和方案進行樣品反應。例如，從樣品收集器110接收的經處理的樣品可以包含濃縮和/或純化的核酸，所述核酸將在測定板180內經受聚合酶鏈反應或基于探針的核酸檢測技術以檢測和/或鑒定所選擇的樣品成分。

可適用于與樣品收集器110和聲換能器120一起進行自動或半自動化樣品處理的示例性樣品處理系統描述于題為“methodforcentrifugemountablfmanifoldforprocessingfluidicassays(用于處理流體測定的離心裝置可安裝歧管的方法)”的共同轉讓給johnnobile的pct申請pct/us2013/075430(公開號wo2014093973)中，其內容據此全文以引用方式并入。本領域的技術人員將理解，本公開的方法和裝置可以適用于進行樣品處理的其他平臺和配置，并且因此其他實施例和修改被認為在本教導內容的范圍內。

圖1b示出了裝置100的另一橫截面圖，其描繪了樣品收集器110和換能器120之間的示例性配置和接合。不同于可包括具有用于將能量傳輸到樣品中的大體上平坦的表面的相對較小變幅桿(horn)或突起的傳統換能器設計，本教導內容的換能器120采用創新結構，包括至少部分或大致上漸縮的、漏斗狀或圓錐形的凹部/空腔205，所述凹部/空腔205與能夠接收樣品收集器110或與樣品收集器110耦接的電樞135相關聯。在各種實施例中，換能器120的凹部或空腔205的尺寸和/或形狀被設計為允許樣品收集器110定位在凹部135內或靠近凹部135，由此樣品收集器110的側壁或部分210在接口125處與換能器120接合。在各種實施例中，換能器120和樣品收集器110之間的緊密耦接是通過以下方式實現的：形成換能器120的凹部135來收納或容納樣品收集器110的一部分，以使得樣品收集器110至少部分地插入或駐留在凹部135內。在各種實施例中，換能器接口135可以包括與樣品收集器110的側壁表面、彎曲部或角(以元件226、227、228例示)對準或互補的多個表面輪廓、彎曲部或角(以元件216、217、218例示)。在各種實施例中，具有至少部分或大致漸縮的、漏斗或圓錐形凹部205的換能器120的構造有利地改善了換能器120和樣品收集器110之間的能量傳輸。

由本教導內容的至少部分或大致漸縮的、漏斗的或圓錐形的換能器設計提供的一個特別的優點是可將較低頻率的能量或振動有效地傳輸到樣品收集器110中。傳統的超聲變幅桿通常被配置成具有相對較小的面積來進行變幅桿和能量傳輸到其中的表面之間的接合。此類配置可能部分地需要確保超聲能量的充分傳播，并且因此提供有限的或高度集中的能量傳輸到樣品中。這種能量傳輸模式可能對樣品可接收多少能量施加顯著的限制。在要混合、破碎或裂解樣品的應用中，超聲變幅桿和樣品收集器之間相對較小或有限的接觸表面導致潛在地減少可以處理的樣品的總體積或總量，并且可能進一步導致不完全或無效的樣品混合、破碎或裂解。

根據本公開，創新的換能器設計克服了常規換能器設計的限制，從而增加了換能器120和樣品收集器110之間的整體表面接合或接觸。在各種實施例中，換能器120與樣品收集器110沿著或圍繞一個或多個表面的緊密耦接(諸如由互補和至少部分或大致漸縮的、漏斗的或圓錐形設計提供的)有利地增加了這兩個部件之間的總體接觸量，并且提供改進的能量傳輸到樣品收集器110中。因此，可以更有效地、以更少的功率和/或更均一地進行包括例如樣品混合、破碎或裂解的操作。

在各種實施例中，至少部分地由于換能器120和樣品收集器110之間的改進或有效能量傳輸，可以實現諸如細胞裂解或破碎分解或分散樣品成分的樣品處理操作，而無需使用珠粒或其他顆粒添加到樣品中來提高這些工藝的效率。避免珠粒和其它顆粒也有利地降低了成本，簡化了處理方案，并避免了對可用于樣品處理的過濾器或膜的潛在堵塞。

盡管不需要使用顆粒來進行樣品處理，但是本公開的換能器120和樣品收集器110的設計可以適應分散在樣品內以幫助裂解的顆粒的使用。具體地，可以根據所需的處理方案來使用各種尺寸和組成的磨料顆粒或珠粒。此類顆粒可以包含聚合物材料，諸如聚苯乙烯、聚丙烯、丙烯酸類材料等。此外，根據樣品的反應性和所需應用，顆粒可以是基于二氧化硅的、基于硅氧烷的、金屬、玻璃或其他材料。顆粒的尺寸或直徑可以根據應用而進一步變化，并且可以例如在以下尺寸范圍內：約0.1至1微米的直徑，1至10微米的直徑，10至100微米的直徑，100至1000微米的直徑，或大于1000微米的直徑。類似地，填充樣品的顆粒的總量可以根據樣品的量或類型而變化。在各種實施例中，顆粒可以包含約1％至10％的樣品體積，10％至25％的樣品體積，25％至50％的樣品體積，或大于50％的樣品體積。

在各種實施例中，換能器120可以配置有多于一個凹部或樣品收集器耦接區域135。例如，換能器120可以被配置為接收能量同時施加到其中的兩個、三個、四個或更多個樣品容器110。另外，換能器120可以被配置為與能夠離散地保持多個樣品的多個樣品容器的其他構造耦合，所述其他構造為例如多孔板，具有多個樣品容納區域的微陣列，或可以針對其輕易地配置換能器120的合適設計的其他容器或耗材。樣品收集器110的形狀和尺寸以及換能器120的相應互補表面可適用于于適應許多不同的應用。例如，樣品容器110可以配置有一個或多個大致圓柱形、圓錐形、長方體、金字塔形或棱柱形的表面。這些表面還可包括至少部分漸縮或變窄的區域或區段。

在各種實施例中，表面的構造和尺寸有助于將樣品收集器110定位在換能器120的凹部或耦接區域135內。例如，至少部分漸縮或圓錐形的樣品收集器110可以近似或大致定位在換能器120上方并且放置在凹部內，使得樣品收集器110和換能器120容易地相對于彼此對準或取向，以提供互補元件之間的改進接觸或接合(例如示出為圖1b中的元件216、217、218和226、227、228之間的接合)，而不必手動進行表面的精確對準。在環境條件或預期使用要求可能不利于用戶進行精確對準的情況下，樣品收集器110相對于換能器120的引導或自對準設計對于在便攜式和現場儀器中使用是特別有利的。

圖2a至圖2b示出了根據本教導內容的示例性樣品收集器110和換能器120設計的透視圖。如圖2a所示，換能器凹部205由接口125形成，接口125具有以類似于樣品收集器110的側壁210的至少一部分(對應于圖1b中的元件226、227、228)的方式互補或相稱的表面輪廓(對應于圖1b中的元件216、217、218)。如上所述，樣品收集器110可以包括大致圓錐形的漸縮部，以有助于圍繞換能器凹部205插入或定位。

換能器凹部205還可以包括開口230、235，以允許將樣品收集器110方便地插入或放置在凹部205內或周圍。在各種實施例中，樣品收集器110的至少一部分可以延伸到換能器開口230、235的外部，使得換能器表面不直接接觸樣品收集器開口160、165。此類配置有利地隔離或減少換能器表面對可能包含在樣品收集器110中的樣品成分的潛在暴露。

另外，換能器120可以被配置為在將樣品成分或試劑放置到樣品收集器110中或從樣品收集器110取出的基本上同時將能量傳遞到樣品收集器110中。在一個示例性實施例中，樣品成分可以從樣品收集器110洗脫并且在換能器120處于操作中時沉積到多壁板、微陣列或其他樣品接收部件中。換能器120的操作和伴隨的到樣品收集器110中的能量傳輸可以進一步誘發、增強或促進樣品成分離開樣品收集器110。在各種實施例中，在至少一部分樣品成分包括粘稠、顆粒狀或粘性材料的情況下，在洗脫或去除樣品成分期間由換能器120轉移到樣品收集器110中的有效能量是期望的。

圖2b示出了樣品收集器110在換能器120的凹部205內的示例性定位，其中樣品收集器110的側壁210的至少一部分駐留為緊鄰換能器接口125或與換能器接口125接觸。如前所述，樣品收集器110的部分可以延伸超過換能器120的開口230、235或延伸到換能器120的開口230、235外部，如圖所示，其中樣品收集器110的出口部分165從凹部205延伸。以這種方式配置，樣品收集器135可以直接或間接地與其他裝置部件耦接，所述其他裝置部件包括例如下游樣品處理耗材，諸如陣列、微孔、樣品接收模塊或其他器件(圖中未示出)，如本領域的技術人員將理解的。在各種實施例中，樣品收集器110與換能器120的接合可以包括閂鎖、彈簧或螺旋構件，所述閂鎖、彈簧或螺旋構件將這些部件固定或定位在期望的取向或具有期望的正壓力或耦接力，以確保將有效的能量分配到樣品收集器110中。固定或定位部件可以集成到樣品收集器110和/或換能器120中，或者替代地由外部構件提供，所述外部構件為例如圖1a所示的先前描述的彈簧或閂鎖175。在裝置是受到震動、外部振動或可能以不期望的方式和/或在樣品處理完成之前使樣品收集器110從換能器120脫離或移位的其他條件的便攜式或現場操作設備的情況下，以這種方式提供固定部件可能是有利的。

圖3示出了具有出于處于耦接或接合位置的樣品收集器110的換能器120的另一橫截面圖。如圖所示，一個或多個換能器接口表面例如成形或配置為一個或多個至少部分漸縮的、漏斗或圓錐形區段，與樣品收集器110的側壁210緊密接近或接合以提供有效的能量轉移到樣品收集器內部和樣品收集器中包含的樣品成分和/或試劑。可以在換能器120內產生各種模式的振動和能量轉移，如運動或力矢量305所示。除了一般的線性運動或振動之外，換能器120可以對樣品收集器110施加環形或其他運動模式或組合運動模式。

超聲能量波的頻率高于20khz。采用探頭或基于變幅桿的探頭進行能量傳輸的超聲破碎儀可以在50khz至500khz的頻率下工作，并且頻率可以延伸到約0.5mhz至約5mhz的范圍內。在各種實施例中，本公開的換能器設計和方法被配置為在次超聲頻率以及超聲頻率兩者下操作。在各種實施例中，聲頻可以是20khz以下，15khz以下，10khz以下，5khz以下，或更小。根據本公開，本文所述的各種換能器配置有利地提供有效的聲能傳輸和傳播特性。常規的探頭或基于變幅桿的設計不能有效傳播較低頻率的聲能，因此聲能尚未得到便利的廣泛應用。這可能部分地由于當通過常規的換能器設計應用時聲能的較低效率破碎和裂解特性。本公開的換能器設計克服了常規換能器設計的限制，并提供了有效的聲能和超聲能傳輸和傳播特性。

使用相對較低頻率的聲能實現的另一個顯著優點在于，可以相對于超聲頻率增大在液體介質中形成的空化氣泡的尺寸。空化氣泡在振動或機械能量通過液體或流體介質傳播的情況下出現。當液體處于顯著的張力狀態下時，空化氣泡形成并生長。從換能器通過能量傳輸而傳輸的聲壓力波導致液體經歷壓縮和稀疏循環。在稀疏期間，液體壓力變為負值，并且當負壓降低到低于流體介質的蒸汽壓力時，能量波可能導致在介質中形成空隙或空化氣泡。形成的氣泡的大小影響樣品破碎或樣品裂解的效率。

在各種實施例中，希望產生相對較大的空化氣泡以增強由換能器傳輸的能量的攪拌、破碎和/或裂解性能。根據本公開，聲能可以有效地傳輸到至少部分液體、粘性或流體樣品中，以產生比常規超聲破碎儀更大的空化氣泡。應當理解，雖然本公開的換能器設計特別適用于聲能產生和傳輸到樣品中，但是這些設計也可以適用于較高頻率的超聲和機械能量范圍，諸如超聲或兆聲應用，而不脫離本教導內容的范圍。

在各種實施例中，換能器的合適頻率參數可以在大約20khz或更小的范圍內。在一些實施例中，換能器可以在約17.5khz的范圍內操作。在其他實施例中，換能器可以在15khz或更小的范圍內操作。對于上述操作頻率，換能器可以在大約400伏特或更低，200伏特或更低，或100伏或更低的條件下操作。可以通過以短時間間隔操作換能器來進一步提供有效的樣品破碎。例如，可以以多個短間隔，例如以大約60秒或更短的1至10個間隔之間施加能量。在其他實施例中，可以使用20至40秒的大約4至8個間隔來操作換能器。在一些實施例中，向樣品施加能量之間可以發生相對較短的間歇。例如，可以在能量施加間隔之間施加約1至5分鐘或更短的間歇，以防止樣品過熱。在一些實施例中，在大約20khz或更小的頻率范圍內，約1分鐘或更短的間歇以及約1分鐘或更短的能量施加間隔可導致對樣品的充分裂解。例如，在約15-20khz下以30秒至1分鐘的4到6個間隔進行的換能器操作循環以及30秒到1分鐘的間歇循環可能導致對細菌樣品(如恥垢分枝桿菌(mycobacteriumsmegmatis)和結核分枝桿菌(tuberculosismycobacterium)的裂解效率超過90％。

在各種實施例中，可以將要處理的樣品插入收集器110的上部或樣品保留區域310中。然后可以使樣品與各種試劑、消毒劑、緩沖液以及其他成分一起經受所需的破碎或裂解方案。換能器120的操作可以各種期望的頻率、溫度和/或時間間隔發生，使得樣品在第一間隔中與其他成分混合，并且在第二間隔中進行裂解或樣品破碎。如前所述，樣品破碎或裂解可將生物分子或其他成分釋放到樣品保留區310的流體體積中。如本領域技術人員將理解的，許多方案和/或方法可以適于與收集器110一起使用，包括多步驟方案，諸如涉及樣品裂解步驟之后進行捕獲和/或洗脫步驟以分離所關注的化合物、化學品或樣品成分的那些方案。

可以將過濾器、尺寸排阻膜、選擇性化學/分子捕獲表面或其他分離部件320集成到樣品收集器110中。在各種實施例中，分離部件320通常可以定位在樣品保留區域310下方，并且提供從樣品中分離、捕獲或選擇性洗脫所需化學品、生物分子或其他成分的能力。某些樣品成分可進一步保留在收集器110中，而其他樣品成分則穿過收集器出口165，從而從樣品中分離，純化和/或濃縮所需材料。如先前所論述并且在各種實施例中，可以將核酸和/或蛋白質成分從生物樣本中分離并從收集器110洗脫到分開的陣列、微孔或其他樣品收集設備中以用于進一步的處理和分析。

與傳統的超聲破碎儀相比，本教導內容的換能器配置有利地提供了改進的能量傳輸特性。在某些配置中，換能器接口125的結構和形狀為低頻聲能振動或機械振蕩和超聲能量兩者提供了增強的能量傳輸特性。換能器設計的創新方面允許將相對低頻率的聲能(例如次超聲范圍)以有效的方式傳輸到收集器110中，從而促進樣品破碎和裂解。

圖4a至圖4c示出了根據本教導內容提供改進的樣品處理的聲能轉移的示例性特征。到液體樣品中的振動或機械傳輸可能導致在所述液體內形成氣泡。當經受所選范圍的能量傳輸時，氣泡的大小還可能影響樣品內的混合、剪切或裂解特性。在各種應用中，希望產生相對較大的氣泡以改善到樣品中的能量傳輸特性和/或產生對樣品成分的所需機械效應(例如，破碎、裂解或剪切)。例如，當破碎或裂解濃稠或粘稠的樣品如痰液、血液或組織時，可能希望保持尺寸大于通常由超聲能量傳輸提供的尺寸的氣泡群。

根據本教導內容，與超聲能量傳輸相比，可以使用較低頻率的聲能傳輸來實現樣品的較大氣泡和/或更有效的混合和/或裂解。聲能傳輸還可以較少破壞或損傷各種樣品成分如核酸和/或蛋白質，從而減少這些分子的總體破碎化并在樣品處理過程中保持它們的完整性。

圖4a和圖4b是在換能器頻率范圍內在液體中形成的平均氣泡尺寸的代表圖。相較于在較低頻率(約在小于100khz的范圍內)下形成的氣泡，在較高頻率(大約在100khz或更大的范圍內)下氣泡的尺寸顯著減小。具體地，在20khz或更小的范圍內形成的氣泡可以是在較高頻率范圍內形成的氣泡的尺寸或體積的若干倍。較大的氣泡可以改善換能器的樣品處理特征和能量傳輸特性，從而避免在樣品或載流體中包含通常用于增強混合和/或裂解的珠粒或其他顆粒。

圖4c是到流體體積內的能量轉移的相對強度或效率對照換能器振蕩頻率的代表圖。相較于較低頻率(例如在聲范圍內)，在較高頻率(例如在超聲范圍內)下，整體能量傳輸相對較低。值得注意的是，與高于100khz的頻率相比，在低于20khz的頻率下整體能量強度可以大若干數量級。本教導內容的創新方面是認識到，當適當地施加到樣品時，較低頻率的能量傳輸可由此導致改進的樣品破碎和裂解特性。因此，通過配置換能器120以適應到樣品收集器110中的有效低頻能量傳輸，可以相對于傳統的超聲能量應用實現增強的樣品破碎和裂解。

圖5a至圖5c示出了可適于與本公開的換能器設計一起使用的樣品收集器110的示例性實施例。帽或蓋170和廢液或液體貯存器505可以與樣品收集器110耦接或接合。在各種實施例中，這些部件形成集成設備，所述集成設備可用于收集、收納和/或存儲待隨后將使用換能器120進行處理的樣品。圖5a示出了具有蓋170和液體貯存器505的封閉或密封布置的樣品收集器110。在此配置中，樣品材料可以有利地容納在樣品收集器110的樣品保留體積中并隔離，以防止樣品成分的污染或泄漏。

如圖5b中的開放樣品收集器布置所示，蓋170還可以包括用于在內部收集器體積內混合或定位樣品成分和/或試劑的柱塞或按鈕510。在某些實施例中，帽或蓋170或收集器110的一部分可適于收納需要與樣品成分混合的一種或多種試劑。例如，蓋170可以包含、存儲或隔離在一個或多個隔室515中包含的一種或多種不同的試劑。或者，這些隔室515可以集成到收集器110中。試劑還可以使用粘合劑或熱密封膜或箔或者通過本領域的技術人員應理解的其他手段分離、保留和/或單獨容納。

在各種實施例中，柱塞510和/或樣品收集器110的其他部件可以包括能夠在將樣品添加到收集器110時釋放試劑的刺穿或打開構件520。當裝配到樣品收集器110時，廢液或液體貯存器505還可提供足夠的支撐作為支架或保持器，并且在各種實施例中封閉收集器開口165、過濾器195和樣品收集器110的其他部件。貯存器505還可扣合或螺紋連接到樣品收集器110上，例如非氣密地配合到樣品收集器的底部開口165，以允許排氣。

一個或多個過濾器195可以組件形式圍繞收集器110布置，并且與蓋170和/或液體貯存器一起形成基本上不透空氣或液體的密封件或封閉件，以防止從收集器110不期望地泄漏。在各種實施例中，所選部件或零件(諸如蓋170或貯存器505)可以使用配合的螺紋與收集器110接合，并且可以例如用精密配對表面或彈性體密封件進行密封。在各種實施例中，過濾器195可以設計成當施加足夠的流體靜壓時，捕獲或保留生物材料(例如具有某一最小尺寸(例如大于2um)的孢子或細菌)，但是允許液體、顆粒和其他試劑通過。這種流體靜壓可以由柱塞510產生，或者通過各種其他手段產生，包括由換能器120對樣品進行空化或加熱。

在各種實施例中，包括一個或多個過濾器組件195的樣品收集設備110可以設計成直接接受來自受試者的痰液或其他生物樣品。如圖5c所示，在各種實施例中，在將樣品捕獲在樣品收集器110中之后，可以將第一試劑供應帽525耦接到樣品收集器110。此類方法有利地允許以安全和非破壞性的方式將試劑加入到樣品或樣本中，從而降低用戶或設備污染的可能性并進一步避免氣溶膠形成。當試劑帽525被固定或定位在收集器110上或收集器110內時，帽525內的一個或多個試劑貯存器可以如先前所述用樣品收集器110中的刺穿特征結構520刺穿或打開。

在各種實施例中，可以將試劑設計成與樣品混合或反應，以保留或進行化學反應。例如，痰樣品可以與經選擇用于稀釋和/或液化痰、中和或裂解樣品中存在的微生物、和/或使樣品不被感染的試劑混合。在各種實施例中，一種或多種試劑的另一個功能可以涉及將形成氣體以在樣品收集器110內產生增大的壓力的化學反應。該增大的壓力可足以將部分或基本上所有的樣品通過一個或多個過濾器195推入或驅動進入液體貯存器或罐505中。在各種實施例中，使樣品通過一個或多個過濾器195可以在過濾器195上捕獲或分離一些或基本上所有的所需微生物或其他材料。使液化樣品通過過濾器195的替代方法是用試劑遞送帽525容納將在反應完全時由用戶致動的柱塞510。

雖然已經關于本文示出的示例性實施例說明了本公開的原理，但是本公開的原理不限于此，并且包括對其的任何修改、變化或置換。