JP2002536962A - Integrated portable biological detection system - Google Patents

Integrated portable biological detection system

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JP2002536962A
JP2002536962A JP2000589268A JP2000589268A JP2002536962A JP 2002536962 A JP2002536962 A JP 2002536962A JP 2000589268 A JP2000589268 A JP 2000589268A JP 2000589268 A JP2000589268 A JP 2000589268A JP 2002536962 A JP2002536962 A JP 2002536962A
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integrated system
integrated
flow cell
sample
electronic
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チェン・ジン
ウー・レイ
マイケル・ヘラー
エド・シェルドン
ジョナサン・ダイバー
ジェイムズ・ピー・オコネル
ダン・スモルコ
シラ・ジャラリ
デイビッド・ウィロービー
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Abstract

(57)【要約】 本発明者らは、誘電泳動による微細加工電子チップ中のヒト末梢血液から細菌および癌細胞の分離を行った。単離した細胞は、核を蛍光色素で標識し、つづいてレーザー誘導蛍光イメージングによって検査した。本発明者らは、DNAおよびRNAを単離した細胞から電子的に放出させ、DNA増幅によって特異的マーカー配列を検出し、つづいて電子的ハイブリダイゼーションによって捕捉プローブを固定化した。“ラボラトリー・オン・ア・チップ”の構築に向けた努力を示し、これにはDNAプローブ、色素、試薬の選択および十分に集積化した携帯機器の試作モデル製作が含まれる。 (57) [Summary] The present inventors have separated bacteria and cancer cells from human peripheral blood in a microfabricated electronic chip by dielectrophoresis. The isolated cells were labeled with a fluorescent dye in the nucleus and subsequently examined by laser-induced fluorescence imaging. We have released DNA and RNA electronically from isolated cells, detected specific marker sequences by DNA amplification, and then immobilized the capture probe by electronic hybridization. We demonstrate our efforts to build a "laboratory-on-a-chip", including the selection of DNA probes, dyes, and reagents, and the production of prototypes of fully integrated portable devices.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】 政府援助 政府は、Advanced Technology Program社により授与された基金番号ATP:70NA
NB7H3001に従って本発明における権利を有する。
GOVERNMENT ASSISTANCE The government has a fund number ATP: 70NA awarded by Advanced Technology Program.
Has rights in the present invention according to NB7H3001.

【0002】 発明の分野 本発明は、生物材料の能動的な多段階の試料調製および分子診断分析を行うた
めのデバイスおよび方法に関する。より詳細には、本発明は、それ自体が含有す
る試料を系に応答させるための、集積化され、コンパクトな携帯デバイスに関す
る。詳細には、本発明は、2または単一でさえあるいずれかのマイクロチップ上
で多段階の試料調製およびアッセイを行うためのデバイスおよび方法に関する。
この集積系に関する適用例には、食品および/または品質の監視、感染性疾患お
よび癌、骨髄プラステシス(plastesis)(例えば、幹細胞の分離および分析)
の診断、ならびに法廷目的の個人の遺伝学ベースの同定が含まれる。
FIELD OF THE INVENTION [0002] The present invention relates to devices and methods for performing active, multi-step sample preparation of biological material and molecular diagnostic analysis. More particularly, the present invention relates to an integrated, compact, portable device for causing a sample contained therein to respond to a system. In particular, the invention relates to devices and methods for performing multi-stage sample preparation and assays on either two or even a single microchip.
Applications for this collection system include food and / or quality monitoring, infectious diseases and cancer, bone marrow plastesis (eg, stem cell isolation and analysis)
Diagnosis, as well as genetics-based identification of individuals for forensic purposes.

【0003】 関連出願 本願は、“Fluorescent Imaging of Cells and Nucleic Acids in Bioelectro
nic Chips”なる発明の名称で1998年12月23日に出願された仮特許出願番号60/1
13,730号の利益を主張し、“Apparatus and Methods for Active Biological Sa
mple Preparation”なる発明の名称で1996年9月6日に出願された同時係属出願番
号08/709,358号の一部継続出願であって、“Methods for Electronic Stringen
cy Control for Molecular Biological Analysis and Diagnostics”なる発明の
名称で1994年7月7日に出願され、現在では特許されている出願番号08/271,882
号の一部継続出願である、“Automated Molecular Biological Diagnostic Syst
em”なる発明の名称で1994年9月9日に出願され、現在では米国特許第5,632,957
号として発行されている出願番号08/304,657号の一部継続出願である、“Appar
atus and Methods for Active Programmable Matrix Devices”なる発明の名称
で1995年9月27日に出願され、現在では米国特許第5,849,486号として発行されて
いる出願番号08/534,454号の一部継続出願である、“Self-Addressable Self-A
ssembling Microelectronic Integrated Systems, Component Devices, Mechani
sms, Methods, and Procedures for Molecular Biological Analysis and Diagn
ostics”なる発明の名称で1997年12月5日に出願された同時係属出願番号08/986
,065号の一部継続出願でもある“Channel-Less Separation of Bioparticles on
a Bioelectronic Chip by Dielectrophoresis”なる発明の名称で1998年1月30
日に出願された同時係属出願番号09/016,596号の一部継続出願である。これら
の明細書は出典明示して本明細書の一部とみなす。
Related Application The present application discloses “Fluorescent Imaging of Cells and Nucleic Acids in Bioelectro
Provisional Patent Application No. 60/1 filed on December 23, 1998 under the title of "nic Chips"
Claiming the benefit of issue 13,730, “Apparatus and Methods for Active Biological Sa
A simple continuation of copending application Ser. No. 08 / 709,358, filed Sep. 6, 1996, entitled "Methods for Electronic Stringen,"
cy Control for Molecular Biological Analysis and Diagnostics ", filed on July 7, 1994 and now patented application No. 08 / 271,882
Of the Automated Molecular Biological Diagnostic Syst
filed on September 9, 1994 under the title "em", and is now US Pat. No. 5,632,957.
"Appar, a continuation-in-part of application no. 08 / 304,657, issued as
atus and Methods for Active Programmable Matrix Devices ”, which was filed on September 27, 1995 and is a continuation-in-part of application number 08 / 534,454, now issued as U.S. Patent No. 5,849,486. “Self-Addressable Self-A
ssembling Microelectronic Integrated Systems, Component Devices, Mechani
sms, Methods, and Procedures for Molecular Biological Analysis and Diagn
co-pending application Ser. No. 08/986, filed Dec. 5, 1997, entitled "Ostics"
“Channel-Less Separation of Bioparticles on
a Bioelectronic Chip by Dielectrophoresis ”January 30, 1998
It is a continuation-in-part of co-pending application Ser. These specifications are hereby incorporated by reference.

【0004】 発明の背景 以下の説明は、本発明に関連する情報の要約を提供する。本明細書中に提供す
るいずれかの情報がここに特許請求する発明に対して先行技術となることも、特
異的または暗黙に参照したいずれかの刊行物が本発明に対して先行技術となるこ
とも許されない。 一般的に、生物由来の試料材料の分析は、試料を多くの前分析段階を通してプ
ロセシングするまで生じ得ない。しばしば、調製プロセスは時間がかかり、面倒
である。例えば、血液および組織細胞のごとき臨床試料に対する多くの免疫およ
び分子−生物学的な診断アッセイは、該細胞を破裂または溶解して目的のタンパ
ク質および核酸(すなわち、DNAおよびRNA)を含むかかる分子を放出させ
、つづいてかかるタンパク質および/または核酸を精製することによって粗製試
料から目的の分子を分離することが必要である。プロセシング段階を行った後に
のみ、目的の分子の分析を開始し得る。加えて、試料の実際の分析に用いるプロ
トコールは、有用なデータを得る前に膨大なより多くの段階を必要とする。
BACKGROUND OF THE INVENTION The following description provides a summary of information relevant to the invention. Any information provided herein will be prior art to the claimed invention, or any publication specifically or implicitly referred to will be prior art to the present invention. Nothing is allowed. Generally, the analysis of biologically derived sample material cannot occur until the sample has been processed through many pre-analytical steps. Often, the preparation process is time consuming and cumbersome. For example, many immunological and molecular-biological diagnostic assays on clinical samples, such as blood and tissue cells, rupture or lyse the cells to remove such molecules, including proteins and nucleic acids of interest (ie, DNA and RNA). It is necessary to separate the molecule of interest from the crude sample by release and subsequent purification of such proteins and / or nucleic acids. Only after performing the processing steps can the analysis of the molecule of interest begin. In addition, the protocols used for actual analysis of the sample require a huge number of steps before obtaining useful data.

【0005】 例えば、(細胞材料またはそのタンパク質もしくは核酸の粗製抽出物のごとき
)溶液中の荷電および非荷電の微細粒子は、誘電泳動によって分離し得る。マイ
クロスケールにおいては、誘電泳動は、スライドの表面にプレートされた暴露さ
れた、すなわち裸の交互嵌合電極を有し、数百マイクロリットルの容積を有する
フローチャンバーを有するスライドガラスベースのデバイスを用いて行い得る。
かかるデバイスを用いれば、適当な誘電率を有する分離緩衝液および好適な振幅
および周波数を有するAC信号を用いることによって、細胞、タンパク質および
核酸をそれらの個々の誘電特性に基づいて分離し得る。しかしながら、かかるデ
バイスは、ガラス表面および電極の暴露部分への分離されたおよび非分離の双方
の細胞の非特異的結合を含む幾つかの問題を有する。かかるデバイスは、フロー
チャンバー容積(数百マイクロリットル)が、熱的対流が乱され、電極に最初に
誘引されたおよび電極によって保持された細胞および大きな分子のごとき材料を
電極から取り去るほど大きいという点においても問題がある。さらに、望ましく
ない細胞および分子は、かかる細胞および分子が流体流動を妨害し、したがって
洗浄段階の間の流動を遮断し得るため、目的の細胞を乱し、遊離することなく、
表面から簡単に洗い流されない。
[0005] For example, charged and uncharged fine particles in a solution (such as a crude extract of cellular material or its proteins or nucleic acids) can be separated by dielectrophoresis. At the microscale, dielectrophoresis uses a glass slide-based device with exposed, ie, bare, interdigitated electrodes plated on the surface of the slide and having a flow chamber with a volume of several hundred microliters. Can be done.
With such a device, cells, proteins and nucleic acids can be separated based on their individual dielectric properties by using a separation buffer with an appropriate dielectric constant and an AC signal with suitable amplitude and frequency. However, such devices have several problems, including the non-specific binding of both isolated and non-separated cells to the glass surface and exposed portions of the electrodes. Such a device has the disadvantage that the flow chamber volume (several hundred microliters) is large enough to disturb thermal convection and remove material such as cells and large molecules initially attracted to and retained by the electrode from the electrode. There is also a problem. In addition, undesired cells and molecules do not disturb and liberate the cells of interest, since such cells and molecules can interfere with fluid flow and thus block flow during the washing step.
Not easily washed off the surface.

【0006】 タンパク質および核酸を放出するために全細胞を破裂する従来の方法は、マイ
クロチップベースのデバイスとは反対に、巨視的デバイスにおいて一連の高電圧
DCパルスを使用することを利用していた。かかる従来の電気溶解技術は幾つか
の問題を有する。例えば、幾つかの商業的な巨視的デバイスは、高分子量(20
Kbよりも大きい)の核酸は放出しない溶解条件を用いる。なぜなら、高分子量
の分子はかかる方法を用いて細胞膜に創り出したポアを通して適合し得ないから
である。さらに、放出された核酸は、溶解チャンバーの表面へのその非特異的結
合に起因してしばしば消失する。材料のかかる損失、特に目的の分子が低濃度で
存在する場合の損失は、誘電泳動細胞分離巨視的デバイス系が、試料調製物が前
方に運搬されるにつれて、1のデバイスから他のデバイスへの材料の移動におい
て試料の損失を許容する孤立した系であるという事実によっていっそう大きくな
る。
[0006] Conventional methods of ruptured whole cells to release proteins and nucleic acids have utilized the use of a series of high-voltage DC pulses in macroscopic devices, as opposed to microchip-based devices. . Such conventional electrolysis techniques have several problems. For example, some commercial macroscopic devices have high molecular weight (20
Dissolution conditions are used that do not release nucleic acids (greater than Kb). This is because high molecular weight molecules cannot be fitted through the pores created in the cell membrane using such methods. In addition, released nucleic acids are often lost due to their non-specific binding to the surface of the lysis chamber. Such a loss of material, especially when the molecule of interest is present at low concentrations, can cause the dielectrophoretic cell separation macroscopic device system to transfer from one device to another as the sample preparation is transported forward. This is exacerbated by the fact that it is an isolated system that allows for sample loss in material transfer.

【0007】 粗製ライゼートのプロセシングは、しばしば、化学反応を必要として、特異的
に望ましい細胞成分から望ましくない細胞成分を除去する。これらの反応は、典
型的には、ライゼートを、プロテイナーゼKおよび制限酵素またはヌクレアーゼ
のごとき酵素反応に付すことが含まれる。プロセシングは、鎖置換増幅(SDA
)またはポリメラーゼ連鎖反応(PCR)法のごときによる増幅反応を行うこと
によって、目的の分子、詳細には核酸の存在を高めることも含み得る。これらの
反応は、独立型のプロセスでも行われる。これらの試料の調製およびプロセシン
グ段階後にのみデータ検索用のアッセイを開始し得る。試料の収集とアッセイと
の間には膨大な段階が存在するために、多くの技術が感度、特異性または再現性
の不足によってその適用において制限される。
[0007] Processing of crude lysates often requires chemical reactions to remove unwanted cellular components from specifically desired cellular components. These reactions typically involve subjecting the lysate to an enzymatic reaction such as proteinase K and a restriction enzyme or nuclease. Processing consists of strand displacement amplification (SDA
) Or by performing an amplification reaction, such as the polymerase chain reaction (PCR) method, to enhance the presence of the molecule of interest, particularly a nucleic acid. These reactions are also performed in a stand-alone process. Assays for data retrieval can be started only after the preparation and processing steps of these samples. Due to the vast number of steps between sample collection and assay, many techniques are limited in their application by lack of sensitivity, specificity or reproducibility.

【0008】 全細胞を分離し、同定するために誘電泳動を用いる試行がなされている。例え
ば、Pohlに対する米国特許第4,326,934号は、連続誘電泳動による細胞分類用の
方法および装置を開示している。かかる方法を用いれば、細胞粒子の正および負
の双方の誘電泳動運動を用いることによって細胞が分離する。分離した細胞は、
正および負の電極を通しての細胞運動の特徴的な偏向(deflection)距離を考察
することによって特徴付けおよび/または分類することが許容される。
[0008] Attempts have been made to use dielectrophoresis to separate and identify whole cells. For example, U.S. Pat. No. 4,326,934 to Pohl discloses a method and apparatus for cell sorting by continuous dielectrophoresis. Using such a method, cells are separated by using both positive and negative dielectrophoretic movements of cell particles. The separated cells
Characterization and / or classification is allowed by considering the characteristic deflection distance of cell movement through the positive and negative electrodes.

【0009】 もう1の例において、Beltsらに対する米国特許第5,344,535号は、誘電泳動に
よる微生物および他の粒子の特徴付け用の方法および装置を開示している。この
系においては、細胞は、その特徴誘電泳動収集速度を合致させることによって特
徴付ける。
[0009] In another example, US Pat. No. 5,344,535 to Belts et al. Discloses a method and apparatus for the characterization of microorganisms and other particles by dielectrophoresis. In this system, cells are characterized by matching their characteristic dielectrophoretic collection rates.

【0010】 なおもう1の例において、Beltsらに対する米国特許第5,569,367号は、装置を
通しての細胞の流動を妨害し、不均一な交流場を印加することによって画分への
細胞型の相異を生じさせるように配された混交グリッド様構造よりなる一対の電
圧印加交互嵌合電極を用いる細胞の混合物を分離するための方法および装置を開
示している。
[0010] In yet another example, US Pat. No. 5,569,367 to Belts et al. Disturbs the flow of cells through the device and reduces cell type differences into fractions by applying a non-uniform alternating field. A method and apparatus for separating a mixture of cells using a pair of energized interdigitated electrodes consisting of a mixed grid-like structure arranged to produce is disclosed.

【0011】 さらに、ある種のプロセシング段階または準段階を一緒に合するための他の試
行もなされている。例えば、支持材料上でDNAプローブのアレイを調製するた
めに、種々の微細自動装置系が提唱されている。1992年11月、“The 1992 San D
iego Conference: Genetic Recognition”の中で、Beattieらは、特異的なDN
A配列を含有する微小-液滴をガラス基板上の個々の微細加工試料ウェルに置く
ための微細自動装置系の使用を開示している。
In addition, other attempts have been made to combine certain processing or sub-steps together. For example, various automated systems have been proposed to prepare arrays of DNA probes on a support material. November 1992, “The 1992 San D
In the iego Conference: Genetic Recognition, Beattie et al.
Discloses the use of a micro-automated instrument system to deposit micro-droplets containing an A-array into individual micro-machined sample wells on a glass substrate.

【0012】 単一のチップまたは基板上に形成された集積系を説明するために種々の他の試
行がなされており、ここには全体にわたる試料調製および診断系の多段階も含ま
れるであろう。A. Manzらは、“Miniaturized Total Chemical Analysis System
: A Novel Concept For Chemical Sensing”, Sensers And Actuators, B1 (199
0), pp. 244-248の中で、小型化“全化学分析系”(TAS)のモジュール調整
構築を含むTASを記載している。その系においては、試料輸送、化学反応、ク
ロマトグラフィー分離および検出は自動的に行われた。
Various other attempts have been made to describe an integrated system formed on a single chip or substrate, which may include multiple stages of sample preparation and diagnostic systems throughout. . A. Manz et al., “Miniaturized Total Chemical Analysis System
: A Novel Concept For Chemical Sensing ”, Sensers And Actuators, B1 (199
0), pp. 244-248, describes a TAS including a module adjustment construction of a miniaturized “all chemical analysis system” (TAS). In that system, sample transport, chemical reactions, chromatographic separation and detection were performed automatically.

【0013】 Stapleton、米国特許第5,451,500号によるいまだもう1の提唱集積系は、標的
核酸配列を自動化検出用の系を記載している。この系においては、多数の生物試
料が二次元形式で担体を含むマトリクスに個々に入れられる。 種々の複数電極系も開示されており、これらは生物試料の調製または分析の多
重態様を行うことを目的とする。“Silicon Semiconductor Wafer for Analyzin
g Micronic Biological Samples”なる発明の名称のPace、米国特許第4,908,112
号は、分析分離デバイスを記載しており、ここにおいては半導体デバイス中のチ
ャネルによって毛細管サイズ化された導管が形成され、電極はチャネル中に位置
して導管を通した液体の運動を活性化する。さらに、“Method and Device for
Moving Molecules by the Application of a Plurality of Electrical Fields
”なる発明の名称の米国特許第5,126,022号において、Soaneらは、現存する物理
学的または化学的かのいずれかである種々の変換のごとき多くの目的のために、
電位の印加によって材料が溝を通って電極に運動し、そこで選択された成分を、
媒体中で運動させるか、または相補的成分、色素、蛍光タグ、放射性標識、酵素
−特異的タグまたは他のタイプの化学物質と接触するように運動させる所定の荷
電粒子と反応性である抗原−抗体で満たされた種々の溝に案内し得る系を記載し
ている。 さらに、Clarkらは、“Sensor Devices”なる発明の名称の米国特許第5,194,133
号において、流体がチャネルに沿って通過するに従い、試料流体の分離を引起す
ために、デンプン、アガロース、アルギン酸塩、カラギーナンまたはポリアクリ
ルアミド・ポリマーのごとき材料を含有する縦長微細加工チャネルが形成された
表面を有する基板を含む、試料流体を分析するためのセンサー・デバイスを開示
している。生物材料には、例えば、結合タンパク質、抗体、レクチン、酵素、一
連の酵素、または脂質が含まれ得る。
Still another proposed integration system according to Stapleton, US Pat. No. 5,451,500, describes a system for automated detection of target nucleic acid sequences. In this system, multiple biological samples are individually placed in a two-dimensional format into a matrix containing a carrier. Various multi-electrode systems are also disclosed, which are intended to perform multiple aspects of biological sample preparation or analysis. “Silicon Semiconductor Wafer for Analyzin
g Micronic Biological Samples ", Pace, US Pat. No. 4,908,112
No. 1 describes an analytical separation device, wherein a channel in a semiconductor device forms a capillary-sized conduit, and the electrodes are located in the channel to activate the movement of liquid through the conduit. . In addition, “Method and Device for
Moving Molecules by the Application of a Plurality of Electrical Fields
In US Patent No. 5,126,022 entitled "Invention," Soane et al., For many purposes, such as various transformations that are either physical or chemical in existence,
The application of an electric potential causes the material to move through the groove to the electrode, where the selected component is
An antigen that is reactive with a given charged particle that is moved in a medium or is brought into contact with a complementary component, dye, fluorescent tag, radiolabel, enzyme-specific tag or other type of chemical. A system is described that can guide into various grooves filled with antibodies. Further, Clark et al., US Pat. No. 5,194,133 entitled "Sensor Devices"
In this article, an elongated microfabricated channel containing a material such as starch, agarose, alginate, carrageenan or a polyacrylamide polymer was formed to cause separation of the sample fluid as the fluid passed along the channel. A sensor device for analyzing a sample fluid, including a substrate having a surface, is disclosed. Biological materials can include, for example, binding proteins, antibodies, lectins, enzymes, a range of enzymes, or lipids.

【0014】 種々の表面からDNAを溶出するための種々のデバイスが知られている。例え
ば、“Apparatus for Electroelution”なる発明の名称のShukla、米国特許第5,
340,449号は、電場の中で、ポリアクリルアミド、アガロースおよびPVDFの
ごとき膜のごとき固相マトリクス材料からタンパク質および核酸のごとき巨大分
子を溶出するための系および方法を記載している。材料は、分子量排除膜によっ
て一部画定された容積に固相から溶出される。また、Okanoらは、“Separation
of Polynucleotides Using Supports Having a Plurality of Electrode-Contai
ning Cells”なる発明の名称の米国特許第5,434,049号において、試料中の複数
の標的ポリヌクレオチドを検出するための方法を開示しており、該方法は、捕捉
した標的ポリヌクレオチドを溶出するように電極に作用するように個々のチャン
バーの電位を印加する段階を含み、この場合の溶出された材料は収集に利用可能
である。
Various devices are known for eluting DNA from various surfaces. For example, Shukla, entitled "Apparatus for Electroelution", U.S. Pat.
No. 340,449 describes a system and method for eluting macromolecules such as proteins and nucleic acids from solid matrix materials such as membranes such as polyacrylamide, agarose and PVDF in an electric field. The material is eluted from the solid phase to a volume partially defined by the molecular weight exclusion membrane. Okano et al., “Separation
of Polynucleotides Using Supports Having a Plurality of Electrode-Contai
US Patent No. 5,434,049 entitled "ning cells" discloses a method for detecting a plurality of target polynucleotides in a sample, the method comprising the steps of eluting the captured target polynucleotides. Applying the potential of the individual chambers to act on the eluted material, where the eluted material is available for collection.

【0015】 核酸診断を行うための他のデバイスがデザインされており、そこでは、R. Lip
shutzら、“Integrated Nucleic Acid Diagnostic Device”(米国特許第5,856,
174号)なる発明の名称およびR. Andersonら、“Integrated Nucleic Acid Diag
nostic Device”(米国特許第5,922,591号)のごとく、試料の調製および分析を
行うために少なくとも2の反応チャンバーが必要である。
[0015] Other devices for performing nucleic acid diagnostics have been designed, where R. Lip
shutz et al., “Integrated Nucleic Acid Diagnostic Device” (US Pat. No. 5,856,
No. 174) and R. Anderson et al., “Integrated Nucleic Acid Diag.
Nostic Device "(US Pat. No. 5,922,591) requires at least two reaction chambers for sample preparation and analysis.

【0016】 P. Wildingら、“Integrated cell isolation and PCR analysis using silic
on microfilter-chambers”, Anal. Biochem. 257, pp.95-100, 1998;およびP.
C. H. LiおよびD. J. Harrison、“Transport, manipulation, and reaction o
f biological cells on-chip using electrokinetic effects”, Anal. Chem.,
69, pp. 1564-1568, 1997のごとく、完全試料取扱い系の部分的集積に向けたい
まだ他の業績がなされている。
[0016] P. Wilding et al., "Integrated cell isolation and PCR analysis using silic
on microfilter-chambers ”, Anal. Biochem. 257, pp. 95-100, 1998;
CH Li and DJ Harrison, “Transport, manipulation, and reaction o
f biological cells on-chip using electrokinetic effects ”, Anal. Chem.,
69, pp. 1564-1568, 1997, there are still other achievements aimed at the partial integration of complete sample handling systems.

【0017】 M. A. Burnsら、“An integrated nanoliter DNA analysis device”, Scienc
e, 282, pp. 484-487, 1998;S. C. JacobsonおよびJ. M. Ramsey、“Integrate
d microdevice for DNA restriction fragment analysis”, Anal. Chem., 68,
pp. 720-723, 1996;L. C. Watersら、“Microchip device for cell lysis, mu
ltiplex PCR amplification, and electrophoretic sizing”, Anal. Chem., 70
, pp. 158-162, 1998;およびA. T. Woolleyら、“Functional integration of
PCR amplification and capillary electrophoresis in a microfabricated DNA
analysis device”, Anal. Chem., 68, pp. 4081-4086, 1996のごとき、化学反
応と検出とを集積させるいまだ他の試行がなされている。
MA Burns et al., “An integrated nanoliter DNA analysis device”, Scienc
e, 282, pp. 484-487, 1998; SC Jacobson and JM Ramsey, "Integrate
d microdevice for DNA restriction fragment analysis ”, Anal. Chem., 68,
pp. 720-723, 1996; LC Waters et al., “Microchip device for cell lysis, mu.
ltiplex PCR amplification, and electrophoretic sizing ”, Anal. Chem., 70
pp. 158-162, 1998; and AT Woolley et al., "Functional integration of
PCR amplification and capillary electrophoresis in a microfabricated DNA
Other attempts have been made to integrate chemical reactions and detections, such as the analysis device ", Anal. Chem., 68, pp. 4081-4086, 1996.

【0018】 一般的に、前記の例から理解され得るように、系および方法が記載されており
、それらは、電子的に活性なマイクロチップを用いる系に応答する完全集積自己
含有試料については十分に提供していない。さらに膨大な記載されている系は、
プロセス中もしくはプロセス間のいずれかに複数の段階およびヒトの介在を要す
る極めて労働集約的かつ時間集約的であり、これらは一緒になって最適状態では
なく、試料の損失、コンタミネーションおよび操作者のエラーを許容する。さら
に、個々のプロセスを行うために複数の機械または複雑な自動装置系を用いる複
数のプロセシング段階を用いることは、支出および物理的空間要件の双方の観点
より、最大規模の研究所を除いて妨げられることがある。前述した理由のため、
これらの技術は限定され、不足している。それらは、簡単に合して、単一の電子
的にアドレス指定可能なマイクロチップ上で、完全自己含有集積診断アッセイ、
詳細には核酸およびタンパク質−由来情報に関するデータ検索用のアッセイを行
うことができる系を形成しない。複雑な流体工学および不適当なバルブ系を有さ
ないかかる集積系に対する長い間認識されてきた要望にもかかわらず、以前に満
足のゆく解決は全く提唱されていない。したがって、生物細胞の改善された誘電
泳動分離ならびに分離した細胞の改善された生物学的安定性に通じる方法および
デバイスに対して引き続き要望が存在し、さらに、複雑な流体工学なしに、細胞
の調製および分析を改善し、細胞の分離、調製、精製および分析を単一の自己含
有系に集積化し得る方法およびデバイスに対して引き続き要望が存在する。
In general, as can be understood from the above examples, systems and methods have been described which are sufficient for fully integrated self-contained samples responsive to systems using electronically active microchips. Not offered to. A further vast system has been described as
It is extremely labor intensive and time intensive, requiring multiple steps and human intervention either during or between processes, which together are not optimal and result in sample loss, contamination and operator intervention. Allow errors. In addition, the use of multiple processing steps using multiple machines or complex automated equipment systems to perform individual processes is impeded except for the largest laboratories, both in terms of spending and physical space requirements. May be used. For the reasons mentioned above,
These techniques are limited and lacking. They can be easily combined into a fully self-contained integrated diagnostic assay, on a single electronically addressable microchip,
In particular, it does not form a system that can perform assays for data retrieval for nucleic acid and protein-derived information. Despite the long recognized need for such integrated systems without complex fluidics and unsuitable valve systems, no satisfactory solution has been proposed before. Therefore, there is a continuing need for methods and devices that lead to improved dielectrophoretic separation of biological cells and improved biological stability of the separated cells, and furthermore, the preparation of cells without complex fluidics. There is a continuing need for methods and devices that can improve analysis and integrate cell separation, preparation, purification and analysis into a single self-contained system.

【0019】 発明の概要 したがって、本明細書中に提供するのは、最小数の電子的にアドレス指定可能
なマイクロチップを用いて生物試料の能動的な集積化多段階試料調製および分子
診断分析を行うための集積化された携帯の系およびデバイスである。 好ましい具体例において、該系およびデバイスは、細胞の混合集団から予め選
択した真核生物細胞および/または原核生物細胞の分離、調製および分析を行う
ための単一フローセル・エレメントを有する。この単一フローセル・エレメント
には、その中に、個々の電極のグリッドを有する電子的にアドレス指定可能なマ
イクロチップが含まれる。グリッドは、多数の個々の電極を含み得、エレクトロ
ニクス技術でよく理解されるように、シリコンウエハー上に製作し得る。一般的
に、かかるグリッドは、4ないし25から100もしくは10,000ものある
いはそれを超える個々の電極を含み得る。この単一フローセルの具体例は、電子
グリッドを包含するフローセルが、それらのそれぞれの分離、溶解、目的の細胞
由来の材料の清掃、およびかかる材料の分析について細胞の単純な流体操作を行
い得ることを意図する。予め選択した真核生物細胞または原核生物細胞はいずれ
のタイプ(例えば、血球、癌細胞、幹細胞、細菌、他)であってもよく、いずれ
かの起源(例えば、動物、バイオプシ、血液、器官、法廷試料、便、水、他)か
ら得ることができる。例えば、全血から分離し得る細胞の特異的な例には、エス
シェリキア・コリ(Escherichia coli)、サルモネラ・チフィムリウム(Salmon
ella typhimurium)、スタフィロコッカス・エピダーマス(Staphylococuus epi
dermus)、マイクロコッカス・リソデイクチカス(Micrococcus lysodeikticus
)および培養頚管癌腫細胞が含まれる。
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, provided herein is an active integrated multi-step sample preparation of biological samples and molecular diagnostic analysis using a minimum number of electronically addressable microchips. An integrated portable system and device for performing. In a preferred embodiment, the systems and devices have a single flow cell element for separating, preparing and analyzing pre-selected eukaryotic and / or prokaryotic cells from a mixed population of cells. The single flow cell element includes an electronically addressable microchip having a grid of individual electrodes therein. The grid may include a number of individual electrodes and may be fabricated on a silicon wafer, as is well understood in electronics technology. Generally, such a grid may include from 4 to 25 to as many as 100 or 10,000 or more individual electrodes. An example of this single flow cell is that the flow cells, including the electronic grid, can perform simple fluid manipulations of the cells for their respective separation, lysis, cleaning of material from the cell of interest, and analysis of such material. Intended. The preselected eukaryotic or prokaryotic cell may be of any type (eg, blood cells, cancer cells, stem cells, bacteria, etc.) and of any origin (eg, animals, biopsies, blood, organs, Forensic samples, stool, water, etc.). For example, specific examples of cells that can be separated from whole blood include Escherichia coli, Salmonella typhimurium,
ella typhimurium, Staphylococuus epidermas
dermus), Micrococcus lysodeikticus
) And cultured cervical carcinoma cells.

【0020】 別の具体例において、本発明のデバイスは、種々の試料調製段階または調製し
た試料の分析のいずれかを行うための少なくとも1のさらなるフローチャンバー
を含み得る。例えば、1の別の具体例において、該系は、各々が電子的にアドレ
ス指定可能なマイクロチップを有する第1および第2のフローセル・チャンバー
を含む。この別の具体例においては、該第1のチャンバーを用いて細胞を分離お
よび溶解し、ならびに試料調製段階を行い得、一方第2のチャンバーを用いて、
第2のフローセル・マイクロチップ上で試料材料を直接的に分析し得る。
In another embodiment, the device of the present invention may include at least one additional flow chamber for performing either various sample preparation steps or analysis of the prepared sample. For example, in one alternative embodiment, the system includes first and second flow cell chambers each having an electronically addressable microchip. In this alternative embodiment, the first chamber may be used to separate and lyse cells and perform a sample preparation step, while using the second chamber,
Sample material can be analyzed directly on the second flow cell microchip.

【0021】 もう1の別の具体例において、少なくとも2のフローセルを含み、第1のフロ
ーセルは電子的にアドレス指定可能なグリッドを有していないが、それに結合し
た少なくとも加熱エレメントを有し、それを用いて、該セル内の材料の温度を調
整し得る。第2のフローセルは、試料材料の分析を行うのに用いる電子的にアド
レス指定可能なマイクロアレイを有することが意図される。
In another alternative embodiment, the method includes at least two flow cells, wherein the first flow cell does not have an electronically addressable grid but has at least a heating element coupled thereto, Can be used to adjust the temperature of the material in the cell. The second flow cell is intended to have an electronically addressable microarray used to perform the analysis of the sample material.

【0022】 利用する具体例にかかわらず、本発明の系は、(1)互いから真核生物細胞型
を分離し、ならびに原核生物細胞型から真核生物細胞型を分離する、(2)粗製
状態からより精製された状態に試料材料を直接的にプロセシングする、および(
3)マイクロチップ・グリッド上で試料材料を直接的に分析する、能力を提供す
る。かかる能力は、誘電電流の形態で電圧の1のレベルで電子的バイアスを新規
に使用して細胞の誘電泳動を引起し、つづいて電圧を上げて捕捉した細胞を溶解
し、つづいて、ついで、フローセル(群)のアレイ上の特異的電極をアドレス指
定するためにバイアスの様式を交流モードから直流モードに変化させて、電極ア
レイに以前に結合させたプローブへの捕捉/ハイブリダイゼーションのために目
的の分子の輸送を引起すことによって可能である。本発明の系は、管系ならびに
ソレノイド作動バルブおよびポンプの単純化された配置によって、他の適当な試
料調製試薬を、フローセル(群)におよびフローセル(群)から離して輸送し得
ることもさらに意図する。加えて、マイクロチップを有さない第1のフローチャ
ンバーを有する具体例においては、該系は、細胞型を分離する必要なしに、試料
中の細胞を直接的に溶解し、目的の材料を分析する能力を意図する。かかる具体
例においては、フローセルは、試料中の細胞を直接的に溶解する温度まで上昇す
るために用い得る加熱エレメントを有する。かかる溶解の後に、プロテアーゼ処
理または核酸増幅のごとき試料調製段階を行い、つづいて電子的にアドレス指定
可能なマイクロチップを含む第2のフローセルに増幅した種を輸送し得る。
Regardless of the embodiment utilized, the system of the present invention comprises: (1) separating eukaryotic cell types from each other and eukaryotic cell types from prokaryotic cell types; Processing the sample material directly from the state to a more purified state, and (
3) Provides the ability to analyze sample material directly on a microchip grid. Such an ability would cause a new use of an electronic bias at one level of voltage in the form of a dielectric current to cause dielectrophoresis of the cells, then increase the voltage to lyse the captured cells, and then Changing the bias mode from AC mode to DC mode to address specific electrodes on the array of flow cell (s), for capture / hybridization to probes previously bound to the electrode array This is possible by causing the transport of the molecule. The system of the present invention further provides that tubing and a simplified arrangement of solenoid operated valves and pumps can transport other suitable sample preparation reagents to and away from the flow cell (s). Intend. In addition, in embodiments having a first flow chamber without a microchip, the system directly lyses cells in a sample and analyzes the material of interest without having to separate cell types. Intended to be able to. In such embodiments, the flow cell has a heating element that can be used to raise the temperature to directly lyse the cells in the sample. Following such lysis, a sample preparation step, such as protease treatment or nucleic acid amplification, may be performed, followed by transport of the amplified species to a second flow cell containing an electronically addressable microchip.

【0023】 もう1の具体例において、集積系は、第1のチャンバーで選択的に分離または
溶解した細胞の直接的なプロセシングを行って、かかる細胞から目的のいずれか
の材料を得ることを意図する。かかるプロセシングは、一般的に、細胞の夾雑物
からタンパク質および核酸を単離および精製することに指向される。膨大な技術
を目的の分子の調製において行い得、それには限定されるものではないが、プロ
テアーゼKを用いて目的の核酸からタンパク質材料を除去する酵素処理、ヌクレ
アーゼを用いてタンパク質から核酸を除去する酵素処理、消化残渣吸着、核酸増
幅(例えば、PCRおよびSDAによる)、イン・サイチュ(in situ)緩衝液
交換(buffer exchange)ならびに抗体の結合または目的のタンパク質に結合さ
せるための受容体−リガンドもしくは酵素−基質のごとき他のタンパク質−タン
パク質結合反応が含まれる。
In another embodiment, the collection system is intended for direct processing of cells selectively separated or lysed in a first chamber to obtain any material of interest from such cells. I do. Such processing is generally directed to isolating and purifying proteins and nucleic acids from cellular contaminants. A vast array of techniques can be performed in the preparation of the molecule of interest, including, but not limited to, enzymatic treatment to remove protein material from the nucleic acid of interest using protease K, and removal of nucleic acid from protein using nucleases Enzyme treatment, digestion residue adsorption, nucleic acid amplification (eg, by PCR and SDA), in situ buffer exchange, and receptor-ligand or antibody binding or binding to the protein of interest Other protein-protein binding reactions, such as enzyme-substrates, are included.

【0024】 もう1の具体例において、調製した試料材料の分析には、多数の予め選択した
ハイブリダイゼーション形式を含み得る。好ましい形式において、目的の核酸は
、電子的にアドレス指定可能なマイクロチップの当業者に知られているごとく、
電子的に指向されたプロセスを介して選択的にハイブリダイズする。かかるハイ
ブリダイゼーション形式には、マイクロアレイに係留したプローブへの核酸(R
NA、DNA、pNA)の結合が含まれる。系で用いることが意図される他の形
式には、電子グリッドに結合した抗体または他のタンパク質結合プローブによる
ごとき目的のタンパク質の選択的捕捉が含まれる。これらには、受容体−リガン
ドおよび酵素−基質結合のごとき他のタンパク質−タンパク質相互作用が含まれ
得る。
[0024] In another embodiment, the analysis of the prepared sample material may involve a number of preselected hybridization formats. In a preferred format, the nucleic acid of interest is, as is known to those skilled in the art of electronically addressable microchips,
Selectively hybridizes via an electronically-directed process. Such hybridization formats include nucleic acids (R
NA, DNA, pNA). Other formats contemplated for use in the system include the selective capture of a protein of interest, such as by an antibody or other protein binding probe attached to an electron grid. These can include other protein-protein interactions such as receptor-ligand and enzyme-substrate binding.

【0025】 いまだ他の具体例において、該デバイスは、該フローセル(群)へおよびフロ
ーセル(群)から試料、緩衝液、酵素および試薬を運搬および輸送するためのエ
レメント(例えば、緩衝液バイアル、管系、小型ソレノイド・バルブおよび少な
くとも1のポンプ)を意図する。さらに、なお他の具体例は、アッセイすべき目
的の分析物および分子を検出するために供される。好ましい具体例において、か
かるエレメントには、バッテリー駆動ダイオード・レーザー(好ましくは635
nmの波長を有する)ならびに第1および/または第2のフローセル・チャンバ
ー(群)のマイクロチップ・グリッド(群)の個々の電極の天文学用のフィルタ
ーおよびズーム・レンズと結合したCCDカメラが含まれる。いまだ他の検出方
法は、P. RoppおよびH. Holden Thorp, Chemistry & Biology, 1999, Vol. 6, N
o. 9, pp. 599-605に記載されている検出のごとき当業者によく知られている直
接電気化学検出のごとき発光デバイスを用いた発光を必要としないことも意図す
る。これらの各電子コンポーネントは、エレクトロニクス技術の当業者によって
よく理解されるごときコンピュータおよび適当なプログラミング・ソフトウェア
を介して調和することもさらに意図される。
In still other embodiments, the device comprises elements (eg, buffer vials, tubes, etc.) for transporting and transporting samples, buffers, enzymes and reagents to and from the flow cell (s). System, small solenoid valve and at least one pump). Still other embodiments are provided for detecting analytes and molecules of interest to be assayed. In a preferred embodiment, such elements include a battery powered diode laser (preferably 635).
nm) and a CCD camera coupled with astronomical filters and zoom lenses of the individual electrodes of the microchip grid (s) of the first and / or second flow cell chamber (s). . Still other detection methods are described in P. Ropp and H. Holden Thorp, Chemistry & Biology, 1999, Vol. 6, N
It is also contemplated that light emission using a light emitting device, such as direct electrochemical detection, well known to those skilled in the art, such as the detection described in o. 9, pp. 599-605, is not required. It is further intended that each of these electronic components be coordinated via a computer and appropriate programming software, as is well understood by those skilled in the electronics arts.

【0026】 好ましい具体例の詳細な説明 ここに本発明の特異的な具体例に参照して、携帯ラボラトリー・オン・ア・チ
ップ系を提供し、ここでは、電子的にアドレス指定可能なマイクロチップを含む
少なくとも単一のフローセル中で試料をプロセシングおよび分析し得る。デバイ
スのエレメントは、試料調製および分析フローチャンバー、流体取扱い系、およ
び発光源(バッテリー駆動635nmダイオード・レーザーのごとき)ならびに
検出エレクトロニクス(一連のフィルターおよびマイクロチップの天文学用ズー
ムレンズを結合したCCDカメラのごとき)を含む携帯ケーシングまたはハウジ
ングに収容される。携帯ケーシングの外部は、ケーブルによって携帯ハウジング
に連結したパーソナル・コンピュータのごとき、コンピュータである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Referring now to specific embodiments of the present invention, there is provided a portable laboratory-on-a-chip system, wherein an electronically addressable microchip is provided. The sample may be processed and analyzed in at least a single flow cell containing The elements of the device are a sample preparation and analysis flow chamber, a fluid handling system, and a luminescence source (such as a battery-powered 635 nm diode laser) and detection electronics (a series of filters and a CCD camera coupled with a microchip astronomical zoom lens). Is contained in a portable casing or housing. Outside the portable casing is a computer, such as a personal computer connected to the portable housing by a cable.

【0027】 ここに図1に参照して、フローチャートは、本発明のラボラトリー・オン・ア
・チップ系を用いることを意図する、バイオアッセイを行うための3の異なる試
料取扱いステージを図示している。これらは:(1)試料プロセシング、(2)
化学反応、および(3)分析物検出である。
Referring now to FIG. 1, a flow chart illustrates three different sample handling stages for performing a bioassay intended to use the laboratory-on-a-chip system of the present invention. . These are: (1) sample processing, (2)
Chemical reaction, and (3) analyte detection.

【0028】 ステージ(1)のプロセシングにおける試料取扱いには、一般的に、核酸およ
びタンパク質のごとき目的の分子を単離する目的で、粗製生物試料(例えば、血
液、尿、便、混合細胞集団、他からの細胞)をプロセシングすることが含まれる
。化学反応ステージ(2)における試料取扱いには、清掃し、さらには目的の分
子を単離、精製または増幅するための多くのタイプの分子生物学的反応が潜在的
に含まれ、これらは、限定されるものではないが、プロテアーゼ、ヌクレアーゼ
および制限酵素消化を用いる処理の酵素ベースの反応、PCRおよびSDA−ベ
ースの核酸増幅、イン・サイチュ緩衝液交換、ラジオアイソトープおよび蛍光マ
ーカーによるごとき化学標識、ならびに抗体−抗原反応、リガンド−受容体反応
および酵素−基質反応のごとき免疫ベースおよびタンパク質−タンパク質の反応
が含まれる。分析物検出ステージ(3)における試料取扱いは、蛍光放射の光学
的検出、電気化学的検出およびラジオアイソトープ検出を含む膨大な形式を介し
て成し得る。好ましい具体例において、この検出には、核酸のハイブリダイゼー
ションまたは電子グリッドへの捕捉タンパク質、および蛍光イメージングを用い
た検出が含まれる。
Sample handling in stage (1) processing generally involves the preparation of crude biological samples (eg, blood, urine, stool, mixed cell populations, etc.) in order to isolate molecules of interest such as nucleic acids and proteins. Processing cells from others). Sample handling in chemical reaction stage (2) potentially involves many types of molecular biological reactions to clean and even isolate, purify or amplify the molecule of interest, But not limited to, enzyme-based reactions of treatment with proteases, nucleases and restriction digestion, PCR and SDA-based nucleic acid amplification, in situ buffer exchange, chemical labeling such as with radioisotopes and fluorescent markers, and Includes immune-based and protein-protein reactions such as antibody-antigen reactions, ligand-receptor reactions and enzyme-substrate reactions. Sample handling in the analyte detection stage (3) can be done via a large number of formats, including optical, electrochemical and radioisotope detection of fluorescent emission. In a preferred embodiment, the detection includes hybridization using nucleic acids or capture proteins on an electronic grid, and detection using fluorescence imaging.

【0029】 図2においては、基本コンポーネントの上−下または斜視図を示す概略形態で
系を図示する。この図においては、支持体10を用いてフローセル11をマウン
トしている。支持体にマウントされているフローセル11の裏面には、加熱エレ
メント12が存在する。加えて、該フローセルは、精製し、脱塩し、および流動
の流れに異なる緩衝液を導入するために、中空ファイバーを介してポートおよび
脱塩カラム13に連結し得る。チャンバーにおける細胞の直接的熱−誘導溶解の
ためか、または酵素阻害および核酸増幅用の温度サイクルのごときステージ2の
プロセス反応において用いるためかのいずれかのために、加熱エレメントを用い
てフローセルを加熱し得る。
In FIG. 2, the system is illustrated in a schematic form showing a top-down or perspective view of the basic components. In this figure, a flow cell 11 is mounted using a support 10. On the back side of the flow cell 11 mounted on the support, there is a heating element 12. In addition, the flow cell may be connected to a port and a desalting column 13 via hollow fibers to purify, desalinate, and introduce different buffers to the flow stream. The heating element is used to heat the flow cell, either for direct thermo-induced lysis of cells in the chamber or for use in stage 2 process reactions such as temperature cycling for enzyme inhibition and nucleic acid amplification. I can do it.

【0030】 当業者により理解されるであろうごとく、フローセル、ならびにソレノイド作
動のバルブおよびポンプ、レーザーおよび検出カメラのごとき他の電子作動コン
ポーネントは、全プログラミングおよび制御目的で、ハウジング18へのケーブ
ル19によって、コンピュータ20と電子的に相互連結されている、例えば、電
源およびコンピュータは、プログラミングおよび操作のためにフローセル11の
電極に連結されている。好ましい具体例において、系と共に用いるコンピュータ
・ソフトウェアによって生成し得る電子信号には、ACコンポーネントが正弦波
であってそれを誘電泳動で用いる場合、およびDCコンポーネントが四角形であ
ってそれをハイブリダイゼーションで用いる場合のごとき、ACコンポーネント
が含まれる。いまださらなる態様において、系において用いる時間変化電子信号
には、オフセット信号がDC信号である場合のごときオフセット信号が含まれる
ことが好ましい。
As will be appreciated by those skilled in the art, the flow cell and other electronically actuated components such as solenoid operated valves and pumps, lasers and detection cameras are provided with cables 19 to housing 18 for all programming and control purposes. For example, a power supply and a computer, which are electronically interconnected with the computer 20, are coupled to the electrodes of the flow cell 11 for programming and operation. In a preferred embodiment, the electronic signals that can be generated by the computer software used with the system include a sinusoidal AC component and its use in dielectrophoresis, and a square DC component and its use in hybridization. In some cases, AC components are included. In a still further aspect, the time-varying electronic signal used in the system preferably includes an offset signal, such as when the offset signal is a DC signal.

【0031】 さらに、図2はレーザービーム15を放射する発光源14を示す。好ましくは
、発光源14はダイオード・レーザーである。ビーム15は、好ましくは試料分
析用のフローセル11マイクロチップに向けてビーム15の少なくとも一部を指
向させるビーム・スプリッター16上での入射である。マイクロチップ・グリッ
ド電極から放射された放射は入射路を戻り、その放射の少なくとも一部はビーム
・スプリッター16を通過して検出器17に至る。好ましい具体例において、該
検出器17には、電荷結合素子(CCD)検出器が含まれる。また、他の検出器
も利用し得る。しかしながら、かさばらないため、その深さ(放射された放射の
方向における)に対して比較的より大きな範囲のカバレッジを一般的に有する検
出器を有することが好ましい。
FIG. 2 shows a light emitting source 14 that emits a laser beam 15. Preferably, the light source 14 is a diode laser. The beam 15 is preferably incident on a beam splitter 16 that directs at least a portion of the beam 15 toward a flow cell 11 microtip for sample analysis. The radiation emitted from the microtip grid electrode returns on the entrance path, at least a part of which passes through a beam splitter 16 to a detector 17. In a preferred embodiment, the detector 17 includes a charge-coupled device (CCD) detector. Other detectors may also be used. However, because it is not bulky, it is preferable to have a detector that generally has a relatively larger range of coverage relative to its depth (in the direction of emitted radiation).

【0032】 図3は、全体的な携帯性の集積化ラボラトリー・オン・ア・チップ系の1のデ
ザインまたはスタイルの斜視図を示す。コンピュータ20、好ましくは携帯型ノ
ートブック・パーソナルコンピュータには、キーボード、ファンクション・キー
、モニターならびに例えばトラックボールおよびマウスのような入力デバイスの
ごとき従来のエレメントが含まれる。ハウジング18は、フローセルを含む調製
、反応および分析のプラットフォームのみならず、系を操作するためにコンピュ
ータ20と結合して利用するさらなる装備も含むように作用する。例えば、ハウ
ジング18は、給電機構、波形発生器、レーザー、フローセル(群)、CCDカ
メラ、および他のエレクトロニクス、流体系、ならびに系の操作および制御に必
要な試薬を含み得る(図4)。
FIG. 3 shows a perspective view of one design or style of the integrated portable laboratory on a chip system for overall portability. The computer 20, preferably a portable notebook personal computer, includes conventional elements such as keyboards, function keys, monitors and input devices such as trackballs and mice. The housing 18 serves to include not only a preparation, reaction and analysis platform including a flow cell, but also additional equipment utilized in conjunction with a computer 20 to operate the system. For example, the housing 18 may include a power supply, waveform generator, laser, flow cell (s), CCD camera, and other electronics, fluid systems, and reagents necessary for operation and control of the system (FIG. 4).

【0033】 フローセルのデザインの一例として、図5は、かかるセルの断面図を示す。電
子的にアドレス指定可能なマイクロアレイ23は、1.0インチ四方のピン・グ
リッド・アレイ(PGA)(068 PPGA、400 Square Cavity、Spectrum
Semiconductor Materials社製,San Jose,CA)を含む基板10上にマウントさ
れている。基板10の裏面に結合しているには、セラミックチップ・ヒーター・
エレメント12(Dawn505、Dawn Electronics社製,Carson City,Nevad
a)である。該加熱エレメント12は、多くの方法のいずれかによって結合し得
る。好ましい具体例において、結合は、電子マイクロチップの裏面とセラミック
ヒーターとの間に熱伝導性フレキシブル接着剤22を設置し、適当な温度および
時間インキュベートして該接着剤を固着させることによって行い得る。さらに、
当該技術分野においてよく理解されるごとく、これらのマイクロチップは、ハイ
ドロゲル、アガロース、アクリルアミドのポリマー、またはゾル−ゲル・マトリ
クス等のごとき薄浸透層25でコートする。この浸透層25は、セルおよび目的
の分子(すなわち、生体材料)を、生体材料が電極に直接的に暴露されればそれ
を損傷するであろう電極表面で発生する電気化学から保護する。
As an example of a flow cell design, FIG. 5 shows a cross-sectional view of such a cell. The electronically addressable microarray 23 is a 1.0 inch square pin grid array (PGA) (068 PPGA, 400 Square Cavity, Spectrum).
It is mounted on a substrate 10 containing Semiconductor Materials (San Jose, CA). The ceramic chip, heater,
Element 12 (Dawn 505, Dawn Electronics, Carson City, Nevad)
a). The heating element 12 may be joined in any of a number of ways. In a preferred embodiment, the bonding may be performed by placing a thermally conductive flexible adhesive 22 between the backside of the electronic microchip and the ceramic heater and incubating the adhesive at an appropriate temperature and time. further,
As is well understood in the art, these microchips are coated with a thin osmotic layer 25, such as a hydrogel, agarose, a polymer of acrylamide, or a sol-gel matrix. This osmotic layer 25 protects the cell and the molecule of interest (ie, biomaterial) from the electrochemistry that occurs on the electrode surface that would damage the biomaterial if it were directly exposed to the electrode.

【0034】 ついで、マイクロチップは、電子マイクロアレイ23がフローチャンバー内の
ウェルの内側底面を構成するように、成型または機械加工された医療等級のプラ
スチック・セル27に結合し得る。フローセル27は、マイクロチップの上面に
層状に重ねられる生物試料材料および緩衝液を含有するためのコンパートメント
29を提供する。フローセルは、さらに、試料の分配および抽出用の少なくとも
2ないし4のポート30を有するように設計し得る。フローセル27は、さらに
、外部の流体の分配および除去系とインターフェースで連結し、ならびに脱塩す
るための管系を受容するように構成し得る。さらに、フローセル・コンパートメ
ントは、マイクロアレイ分析部位または捕捉パッドへの視覚アクセス用の溶融石
英のウインドウまたはリッド28によってカバーし、封止される。このウインド
ウ28はいずれの厚さの石英をも含み得るが、一般的には約0.015インチ厚
である。
The microchip can then be bonded to a molded or machined medical grade plastic cell 27 such that the electronic microarray 23 constitutes the inside bottom surface of the well in the flow chamber. The flow cell 27 provides a compartment 29 for containing a biological sample material and a buffer that is layered on top of the microchip. The flow cell may be further designed to have at least two to four ports 30 for sample distribution and extraction. The flow cell 27 may further be configured to interface with an external fluid distribution and removal system and to receive a tubing for desalination. In addition, the flow cell compartment is covered and sealed by a fused quartz window or lid 28 for visual access to the microarray analysis site or capture pad. The window 28 can include any thickness of quartz, but is typically about 0.015 inches thick.

【0035】 ウインドウ28は、多くの方法のいずれかによって、フローセルに結合し得、
かつ、フローセルをチップに結合し得る。そのうち、好ましい方法は、光学機械
構成部品のアセンブリ用に開発された紫外線(UV)硬化性接着剤26を用いる
。フローセルのチップへの結合は、接着剤26も用いる、チップの露出表面また
はマイクロアレイをオーバーレイする浸透層かへのいずれかの直接的なものとし
得る。管系は、管系のサイズ、寸法合わせおよび管系基本材料に依存して、種々
の方法を用いて投入ポートおよび産出ポートに結合する。
Window 28 may be coupled to the flow cell in any of a number of ways,
And the flow cell can be coupled to the chip. The preferred method uses an ultraviolet (UV) curable adhesive 26 developed for the assembly of optomechanical components. The coupling of the flow cell to the chip can be either directly to the exposed surface of the chip or to a permeable layer overlaying the microarray, also using an adhesive 26. The tubing is coupled to the input and output ports using various methods, depending on the size, sizing and tubing base material of the tubing.

【0036】 別の具体例において、集積系は2のフローセルを用い、そのうちの1は試料調
製用とし、第2のものは分析用とし得る。図6はかかる具体例を概略形態で示し
ている。第1のフローチャンバー31は、加熱エレメント12に結合し、所望に
より、電子的にアドレス指定可能なマイクロチップ31aを有していても、また
はかかるマイクロチップを有していなくてもよい(31b)。いずれの形式にお
いても、すなわち電子マイクロチップを有していても有していなくても、フロー
セル31を用いて、ステップワイズ様式の細胞分離および/または細胞溶解を行
い、ならびに清掃および溶解した細胞から回収した目的の分子のさらなる調製を
行う。目的の分子のさらなる調製は、目的の特定のタンパク質の単離、プロテア
ーゼを用いた処理によって核酸からタンパク質材料を除去するごとき目的の核酸
の単離、ならびにPCRおよびSDAによるごとき目的の核酸の増幅のごとき前
述した多くの化学反応および段階を含むことを意図する。
In another embodiment, the integration system may use two flow cells, one for sample preparation and a second for analysis. FIG. 6 shows such a specific example in a schematic form. The first flow chamber 31 is coupled to the heating element 12 and may or may not have an electronically addressable microchip 31a, if desired (31b). . In either format, ie, with or without an electronic microchip, flow cell 31 is used to perform stepwise cell separation and / or cell lysis, and to clean and lyse cells. Further preparation of the recovered target molecule is performed. Further preparation of the molecule of interest can include isolation of the specific protein of interest, isolation of the nucleic acid of interest, such as removing protein material from the nucleic acid by treatment with a protease, and amplification of the nucleic acid of interest, such as by PCR and SDA. It is intended to include many of the chemical reactions and steps described above.

【0037】 第2のフローセル32は試料分析用に用いる。好ましい具体例において、フロ
ーセル31および32は双方とも、支持体10の同じ側に配される。しかしなが
ら、これらのフローセルは、裏面接触または積重ね立体構造を含む、別の配置で
配し得る。さらに、これらの2のフローセルは、精製し、脱塩し、異なる緩衝液
を流動系に導入するために、中空ファイバーを介して連結し得る。さらに、各フ
ローセルは、所望により、独立温度制御エレメントを有するように設計し得る。
当業者により理解されるであろうごとく、フローセル内の各電子的にアドレス指
定可能なマイクロチップならびにソレノイド作動のバルブおよびポンプのごとき
他の電子作動コンポーネントは、単一フローセル配置におけるのと同様に、全プ
ログラミングおよび制御目的のため、ケーブルによってコンピュータ20と電子
的に相互連結される。 さらに、図6は、前述のごとくレーザービーム15を放射し、同じ様式で作動
する発光源14も示している。フローセルの電子グリッドの天文学用ズームレン
ズを有するカメラ17も、第1および第2の双方のフローセル電子マイクロアレ
イ・グリッドを調べ得るように、運動可能なトラック33上に一体化される。
The second flow cell 32 is used for sample analysis. In a preferred embodiment, both flow cells 31 and 32 are located on the same side of support 10. However, these flow cells can be arranged in other arrangements, including back contact or stacked configurations. Furthermore, these two flow cells can be connected via hollow fibers to purify, desalinate and introduce different buffers into the flow system. Further, each flow cell can be designed to have independent temperature control elements, if desired.
As will be appreciated by those skilled in the art, each electronically addressable microchip in the flow cell and other electronically actuated components such as solenoid operated valves and pumps, as in a single flow cell arrangement, It is electronically interconnected with the computer 20 by cables for all programming and control purposes. FIG. 6 also shows a light emitting source 14 that emits a laser beam 15 as described above and operates in the same manner. A camera 17 with an astronomical zoom lens on the flow cell electronic grid is also integrated on the movable track 33 so that both the first and second flow cell electronic microarray grids can be examined.

【0038】 図7は、試料調製用31a(電極を含むフローセルとして示す)および分析用
32(25の電極グリッドとして示す)のフローセルを含む支持体10を示す別
の系の概略図である。各フローセルは、好ましくは、電気作動三方向バルブ45
に通じる管系または中空ファイバー44に連結する複数のポート42を含む。調
製フローセル31aに関しては、セルは、少なくとも2のポート42、所望によ
り少なくとも3のポート、および好ましい具体例において4のポートを有するこ
とが意図される。分析フローセル32に関しては、このセルは好ましくは2のポ
ートを有する。これらのポート42およびそれらの個々の管系44は、異なる時
点における種々の機能に利用し得る。例えば、三方向バルブ45およびポンプ4
6の方向性の設定によって指向されるフローセル31および32に入るまたはそ
れらから出る流動の方向性に基づいて、ある時点においては、ポートは投入ポー
トとして考え得る一方、別の時点においては、それは産出ポートを含み得る。チ
ャンバー中の流動は、ポートを通る種々の順序で液体を“押す”および“引く”
ことによって混合し得る。かかる混合は、例えば増幅操作の間に、有利となり得
る。
FIG. 7 is a schematic diagram of another system showing a support 10 including a sample preparation 31 a (shown as a flow cell including electrodes) and an analysis 32 (shown as 25 electrode grids) flow cells. Each flow cell preferably has an electrically operated three-way valve 45.
And a plurality of ports 42 that connect to a tubing or hollow fiber 44 that leads to the. With respect to the preparation flow cell 31a, the cell is intended to have at least two ports 42, optionally at least three ports, and in a preferred embodiment four ports. For the analysis flow cell 32, this cell preferably has two ports. These ports 42 and their individual tubing 44 may be used for various functions at different times. For example, the three-way valve 45 and the pump 4
Based on the direction of flow entering or exiting flow cells 31 and 32 directed by the directional setting of 6, at one point the port may be considered as an input port, while at another point it may be May include ports. Flow in the chamber "pushes" and "pulls" the liquid in various orders through the ports
By mixing. Such mixing can be advantageous, for example, during the amplification operation.

【0039】 さらに、図7は、自己含有系の他のコンポーネントも図示する。1の具体例に
おいて、貯蔵部21a−eは、洗浄、増幅、ハイブリダイゼーションおよび廃棄
用のごとき試料および試薬を運搬するために提供される。もう1の具体例におい
て、支持体10は、小さい試料体積を脱塩するための、それに結合した、小型脱
塩カラムまたは中空ファイバー・イオン交換ユニット13を有する。マイクロア
レイの特異的捕捉パッドに増幅した核酸を電子的にアドレス指定する試行の前に
、試料のイオン強度を低下させる脱塩段階を行うことが必要な場合もある。これ
は、増幅段階で用いる試薬が、電子的にアドレス指定するプロトコール下で目的
の分子の移動を妨害するイオン強度を有するためである。増幅した試料を脱塩し
たら、それをマイクロアレイ上の分析用にフローセル32に指向し得る。
FIG. 7 also illustrates other components of the self-contained system. In one embodiment, reservoirs 21a-e are provided for carrying samples and reagents, such as for washing, amplification, hybridization, and disposal. In another embodiment, the support 10 has a small desalting column or hollow fiber ion exchange unit 13 attached thereto for desalting small sample volumes. Prior to attempting to electronically address the amplified nucleic acids to the specific capture pad of the microarray, it may be necessary to perform a desalting step to reduce the ionic strength of the sample. This is because the reagents used in the amplification step have an ionic strength that prevents movement of the molecule of interest under an electronically addressed protocol. Once the amplified sample has been desalted, it can be directed to the flow cell 32 for analysis on the microarray.

【0040】 本発明の単一または複数のフローセルの集積系のいずれを用いるかにかかわり
なく、細胞分離は誘電泳動技術によって行う。かかる方法においては、正味電荷
を有さないものを含む分極可能な粒子(例えば、真核生物および原核生物の細胞
)を、不均一な電場の“誘電”力に付す。粒子の有効分極率が取囲む媒体のもと
は異なる限り、細胞は誘電力に付されたままであろう。異なる細胞型の移動の方
向は:(1)細胞壁または細胞脂質二重膜の膜の表面電荷、(2)かかる細胞膜
および細胞壁の導電率および誘電率、および(3)細胞の形態学的および構造構
成、によって判定する。最新の発明において実施されているごとく誘電泳動を用
いて、混合細胞集団(例えば、血球)から、エスシェリキア・コリ(Escherichi
a coli)、サルモネラ・チフィムリウム(Salmonella typhimurium)、マイクロ
コッカス・リソデイクチカス(Micrococcus lysodeikticus)およびスタフィロ
コッカス・エピダーミディス(Staphylococcus epidermidis)を含む幾つかの型
の細菌、ならびに培養頚管癌腫細胞のごとき癌細胞を選択的に単離する。
Regardless of whether a single or multiple flow cell integrated system of the present invention is used, cell separation is performed by dielectrophoresis. In such methods, polarizable particles, including those with no net charge (eg, eukaryotic and prokaryotic cells) are subjected to a "dielectric" force of a non-uniform electric field. As long as the effective polarizability of the particles is different under the surrounding medium, the cells will remain subjected to the dielectric force. The directions of migration of the different cell types are: (1) the surface charge of the cell wall or cell lipid bilayer membrane, (2) the conductivity and permittivity of such cell membranes and cell walls, and (3) cell morphology and structure. Configuration. Escherichia coli (Escherichia coli) can be obtained from a mixed cell population (eg, blood cells) using dielectrophoresis as practiced in the latest invention.
coli, Salmonella typhimurium, Micrococcus lysodeikticus and Staphylococcus epidermidis, as well as cancer cells such as cultured cervical carcinoma cells. Selectively isolate.

【0041】 好ましい具体例において、本発明において実施するごとく細胞を分離するのに
有用なフローセルは、マイクロチップの電子グリッドを横切って誘電力パターン
が生成し得るように、個別にバイアスし得る少なくとも100の個別にアドレス
指定可能な微小電極を有する電子的にアドレス指定可能なマイクロチップを含む
ように設計し得る。例えば、図8は、2のかかる力のパターンを示す。図8Aに
おいては、四角形壁パターンであり、一方8Bはチェッカーボード・パターンを
示す。これらの各パターンは、異なる細胞型を分離するのに十分な誘電力を提供
するユニークな強および弱イオン場を供する。さらに、力のパターンは、各々、
四角形壁およびチェッカーボードについて図9および10に示すコンピュータ生
成場パターンにおいても図示する。
In a preferred embodiment, a flow cell useful for separating cells, as practiced in the present invention, has at least 100 individually biasable so that a dielectric force pattern can be generated across the electronic grid of the microchip. May be designed to include electronically addressable microchips having individually addressable microelectrodes. For example, FIG. 8 shows a pattern of two applied forces. In FIG. 8A, a square wall pattern is shown, while 8B shows a checkerboard pattern. Each of these patterns provides unique strong and weak ionic fields that provide sufficient dielectric force to separate different cell types. In addition, each of the force patterns
The square wall and checkerboard are also illustrated in the computer generated field pattern shown in FIGS.

【0042】 さらに、フローセル(群)中のマイクロアレイの電極は、細胞の分離、溶解お
よび分析を行うための単一アレイとしてすべて一緒にバイアスするか、あるいは
、プログラムして分離、溶解および分析段階を行うための多くのパターンのうち
のいずれかでサブアレイを形成させることができる。他言すれば、1のサブセッ
トをバイアスして細胞を分離し、別のセットをバイアスして細胞溶解を引起させ
、およびなお他のセットを分析に用い得る。
In addition, the electrodes of the microarray in the flow cell (s) may be biased all together as a single array for performing cell separation, lysis and analysis, or may be programmed to perform the separation, lysis and analysis steps. The sub-array can be formed in any of a number of patterns to perform. In other words, one subset may be biased to separate cells, another set to bias cell lysis, and yet another set used for analysis.

【0043】 細胞分離の例において、図11は全血からのマイクロコッカス・リソデイクチ
カス(Micrococcus lysodeikticus)の分離を示す。細菌は電極の上方に濃縮さ
れる一方、望ましくない血球、赤血球および白血球の双方は、電極間の暗い領域
に存在する。細胞は、10kHzにて10Vピーク−ピークの正弦波信号を含む
バイアス・プロトコールを用いて分離させた。この信号値をこの例において用い
たが、一般的に、細胞分離は、正弦波信号を用いて行い得、ここにボルトは2な
いし20ピーク−ピークである一方、周波数は5ないし50kHzである。
In the example of cell separation, FIG. 11 shows the separation of Micrococcus lysodeikticus from whole blood. Bacteria are concentrated above the electrodes, while unwanted blood cells, both red and white blood cells, are present in the dark areas between the electrodes. Cells were dissociated using a bias protocol that included a 10 V peak-to-peak sinusoidal signal at 10 kHz. Although this signal value was used in this example, in general, cell separation can be performed using a sinusoidal signal, where the volts are 2-20 peak-peak, while the frequency is 5-50 kHz.

【0044】 望ましくない細胞はフローチャンバーから洗浄され、一方目的の細胞は保持さ
れる。これは、目的の細胞について誘引バイアスを維持し、フローチャンバーを
通して洗浄緩衝液の流動を生成することによってなされる。目的の細胞がフロー
チャンバー中に単離されたら、さらなるプロセシングのために多くの方法のうち
のいずれかでそれを処理し得る。1の具体例において、J. Chengら、“Preparat
ion and hybridization analysis of DNA/RNA from E. coli on microfabricate
d bioelectronic chips”, Nature Biotechnol., 16, pp. 541-546, 1998に記載
されているごとく、10μsないし50μsのパルス幅を有する450ボルトに
のぼる高電圧パルスを印加することによって細胞を溶解する。もう1の例におい
て、図14−17に示すごとく、血球からイー・コリ(E.coli)細胞を分離した
。図14においては四角形壁の誘電力パターンを用い、一方図15においてはチ
ェッカーボード・パターンを用いた。例えば、チェッカーボード・パターンにつ
いての分離は10kHzの10Vピーク−ピークの正弦波信号のバイアス形式を
用いた。図16および17は、四角形壁およびチェッカーボード・パターンの分
離の洗浄後に細菌細胞がいかにすっきりと単離されたかを示す。
Undesired cells are washed from the flow chamber, while cells of interest are retained. This is done by maintaining an attractive bias for the cells of interest and creating a flow of wash buffer through the flow chamber. Once the cells of interest have been isolated in the flow chamber, they can be processed in any of a number of ways for further processing. In one embodiment, J. Cheng et al., "Preparat
ion and hybridization analysis of DNA / RNA from E. coli on microfabricate
d bioelectronic chips ", Nature Biotechnol., 16, pp. 541-546, 1998, lysing the cells by applying a high voltage pulse of up to 450 volts with a pulse width of 10 μs to 50 μs. In another example, E. coli cells were separated from blood cells, as shown in Figures 14-17, using a square wall dielectric force pattern in Figure 14, while using a checkerboard in Figure 15. For example, the separation for the checkerboard pattern used a biased form of a 10 kHz 10V peak-to-peak sinusoidal signal at 10 kHz, Figures 16 and 17 show the results after washing the square wall and checkerboard pattern separation. Shows how neatly the bacterial cells were isolated.

【0045】 もう1の例において、哺乳動物細胞を、フローチャンバーの電子グリッド上で
分離する。図12、13Aおよび13Bは、頚管癌腫細胞の分離を示す。図12
は最初の分離を示し、ここでは細胞はグリッドの電極上に運動し、そこは細胞を
正の誘電泳動力に付すことによって場は最高値である。癌腫細胞と混合した正常
なヒトの白血球および赤血球の混合物は電極間の空間に押し出され、そこはピン
クダイアモンド形のスポットによって反映されるごとく場は最小値である。洗浄
した後に、癌腫細胞は電極によって保持され(図13A)、一方全ての正常血球
は洗い出される。図13Bは、ヨウ化プロピジウムで染色した後の細胞を示す。
例えば、哺乳動物細胞はチェッカーボード形式を用いて分離し、30kHzの6
Vピーク−ピークの正弦波信号を3分間印加して分離し得る。J. Chengら、“Is
olation of Cultured Cervical Carcinoma Cells Mixed With Peripheral Blood
Cells on a Bioelectronic Chip”, Anal. Chem. v. 70, pp2321-26, 1998.
In another example, mammalian cells are separated on an electronic grid in a flow chamber. Figures 12, 13A and 13B show the separation of cervical carcinoma cells. FIG.
Shows the first separation, where the cells move on the electrodes of the grid, where the field is at its highest value by subjecting the cells to a positive dielectrophoretic force. A mixture of normal human leukocytes and erythrocytes mixed with carcinoma cells is extruded into the space between the electrodes, where the field is at a minimum as reflected by the pink diamond shaped spot. After washing, the carcinoma cells are retained by the electrodes (FIG. 13A), while all normal blood cells are washed out. FIG. 13B shows cells after staining with propidium iodide.
For example, mammalian cells can be separated using a checkerboard format and run at 30 kHz
A V peak-to-peak sinusoidal signal may be applied for 3 minutes to separate. J. Cheng et al., “Is
olation of Cultured Cervical Carcinoma Cells Mixed With Peripheral Blood
Cells on a Bioelectronic Chip ”, Anal. Chem. V. 70, pp2321-26, 1998.

【0046】 溶解後に、細胞のタンパク質および核酸の双方は分析用に保持し得る。核酸を
溶解細胞から保持し得ることを示す例を図18に供する。そこでは、イー・コリ
(E.coli)DNAをPAGEゲル上で流し、染色体DNAおよびプラスミドDN
Aの双方が保持されることを示している。 核酸が分析に望ましい場合には、さらなる清掃および精製には、プロテイナー
ゼKのごときプロテアーゼでの処理が含まれる。かかる処理の後に、ライゼート
をすぐに分析するか、あるいは増幅させてついで分析するかのいずれかを行い得
る。別の具体例を用いる場合には、試料はフローチャンバー中でさらに処理する
か、あるいはかかるプロテアーゼ処理、増幅および分析用の第2のチャンバーに
運び得る。一般的に、プロテアーゼ処理は、適当な緩衝液中、60℃にて15分
間行い得る。温度制御は、マイクロチップの裏面に結合したセラミックヒーター
・エレメントを用いることによって行い得る。プロテイナーゼKの不活性化は、
試料を95℃にて2分間加熱することによって行い得る。全体として、細胞の分
離、溶解、およびプロテアーゼ処理のプロセスは15−25分間かかり得る。
After lysis, both cellular proteins and nucleic acids can be retained for analysis. An example showing that nucleic acids can be retained from lysed cells is provided in FIG. There, E. coli DNA was run on a PAGE gel, chromosomal DNA and plasmid DN.
A indicates that both are held. If nucleic acids are desired for analysis, further cleaning and purification may include treatment with a protease such as proteinase K. Following such treatment, the lysate may be either analyzed immediately or amplified and subsequently analyzed. If another embodiment is used, the sample may be further processed in a flow chamber or transported to a second chamber for such protease treatment, amplification and analysis. In general, protease treatment can be performed in a suitable buffer at 60 ° C. for 15 minutes. Temperature control can be achieved by using a ceramic heater element bonded to the backside of the microchip. Inactivation of proteinase K
This can be done by heating the sample at 95 ° C. for 2 minutes. Overall, the process of cell separation, lysis, and protease treatment can take 15-25 minutes.

【0047】 タンパク質が望ましい場合には、試料を制限酵素およびヌクレアーゼで処理す
ることによって核酸を除去し得る。さらに、タンパク質は、種々の酵素および部
分プロテアーゼ処理で処理して、細胞膜および他の細胞コンポーネントから目的
の特定のタンパク質を放出させ得る。上記の試料プロセシング段階の後に、増幅
(例えば、PCRおよびSDAによる)およびラジオアイソトープまたは蛍光マ
ーカーでの標識を含むさらなるプロセシングを行い得る。
If proteins are desired, nucleic acids can be removed by treating the sample with restriction enzymes and nucleases. In addition, proteins can be treated with various enzymes and partial protease treatments to release specific proteins of interest from cell membranes and other cellular components. Following the sample processing steps described above, further processing can be performed including amplification (eg, by PCR and SDA) and labeling with radioisotopes or fluorescent markers.

【0048】 化学反応ステージのプロセシングの例において、特定の核酸配列(すなわち、
サルモネラ・エンテリカ(Salmonella enterica)のinvAおよびspaQ遺
伝子)はSDAを用いて増幅させた。SDAは、増幅を50℃ないし60℃の等
温条件下で行い、それによってPCRと関連する高温変性サイクルを排除し得る
ため、この携帯系に好ましい。しかしながら、1の具体例において、携帯系は、
フローチャンバーが反復高温サイクルを行う能力を有する前記の加熱エレメント
を備える場合には、PCR増幅を行うことができる。
In an example of processing of a chemical reaction stage, a particular nucleic acid sequence (ie,
Salmonella enterica invA and spaQ genes were amplified using SDA. SDA is preferred for this portable system because amplification can be performed under isothermal conditions of 50-60 ° C., thereby eliminating the high temperature denaturation cycle associated with PCR. However, in one embodiment, the portable system is:
If the flow chamber is equipped with the above-described heating element capable of performing repeated high temperature cycles, PCR amplification can be performed.

【0049】 図19および20に示すごとく、SDAは従来の反応チューブで行ったポジテ
ィブ・コントロールに匹敵する生成物収率で、デバイスで有効に行い得る。この
例においては、50μlの容積中で、サルモネラ・エンテリカ(Salmonella ent
erica)および血球を混合し、10,000の部位の電極アレイを含むフローセル
に注入した。細菌細胞は、チェッカーボード・パターンを用いる10ないし15
kHZの周波数を有する正弦波波形を有する10Vピーク−ピーク信号のバイア
ス・プロトコールを用いる誘電泳動によって、血球から分離した。細胞混合物は
、フローチャンバーが満たされるまで1分間当たり31μlの速度でフローセル
にポンプ送輸され、ついで合計50μlの体積がチャンバーを通過するまで12
.4μl/分に流速を調整した。細胞は、プロトコールによって確立された正の
誘電泳動力の影響によって電極の上方に保持された。ついで、114μl/分の
速度で10分間逆方向で緩衝液をポンプ送輸することによってフローセルを水洗
して、正のバイアスによって保持されなかった細胞を除去した。ついで、フロー
セルの流体内容物を、spaQまたはinvA遺伝子配列のいずれかを増幅させ
るためのSDA試薬の溶液と交換した。
As shown in FIGS. 19 and 20, SDA can be effectively performed on the device with product yields comparable to the positive control performed in conventional reaction tubes. In this example, Salmonella enterica in a volume of 50 μl was used.
erica) and blood cells were mixed and injected into a flow cell containing an electrode array at 10,000 sites. Bacterial cells can be generated using a checkerboard pattern of 10-15.
Blood cells were separated by dielectrophoresis using a 10V peak-to-peak signal bias protocol with a sinusoidal waveform having a frequency of kHz. The cell mixture is pumped into the flow cell at a rate of 31 μl per minute until the flow chamber is filled and then 12 μl until a total volume of 50 μl has passed through the chamber.
The flow rate was adjusted to 0.4 μl / min. Cells were held above the electrodes by the effect of the positive dielectrophoretic force established by the protocol. The flow cell was then washed with water by pumping the buffer in the reverse direction at a rate of 114 μl / min for 10 minutes to remove cells that were not retained by the positive bias. The fluid contents of the flow cell were then replaced with a solution of SDA reagent to amplify either the spaQ or the invA gene sequence.

【0050】 10ms持続時間および合計40の分離パルスの四角形波形を有する200V
のパルス化直流で電極を電圧印加することにより細胞を最初に溶解することによ
って、細菌細胞から全核酸を単離した。(別法として、細胞はチャンバーを95
℃に5分間加熱することによっても溶解し得る)。濃縮したSDA試薬および緩
衝液ストックの混合物をフローセルに導入し、変性した標的核酸と混合して、以
下の最終濃度のSDA反応成分を得た:500nMの増幅プライマー、50nM
の“バンパー”プライマー、9.5mMの酢酸マグネシウム、35mMのリン酸
カリウム緩衝液、pH7.6、80μg/mlの牛血清アルブミンおよび1.4m
Mの各dATP、dGTP、TTPおよびアルファ−チオレート化dCTP。増
幅プライマーは、invAおよびspaQ遺伝子の81塩基対を増幅するように
設計され、以下の核酸配列を含んでいた:
200V with a square waveform of 10 ms duration and a total of 40 separate pulses
Total nucleic acids were isolated from bacterial cells by first lysing the cells by applying voltage to the electrodes with a pulsed direct current. (Alternatively, cells can be stored in 95 chambers.
Can also be dissolved by heating to 5 ° C. for 5 minutes). The mixture of concentrated SDA reagent and buffer stock was introduced into the flow cell and mixed with the denatured target nucleic acid to give the following final concentrations of SDA reaction components: 500 nM amplification primer, 50 nM
"Bumper" primer, 9.5 mM magnesium acetate, 35 mM potassium phosphate buffer, pH 7.6, 80 μg / ml bovine serum albumin and 1.4 m
M of each dATP, dGTP, TTP and alpha-thiolated dCTP. Amplification primers were designed to amplify 81 base pairs of the invA and spaQ genes and contained the following nucleic acid sequences:

【0051】[0051]

【表1】 [Table 1]

【0052】 バンパープライマーは以下の配列を含んでいた:The bumper primer contained the following sequence:

【0053】[0053]

【表2】 [Table 2]

【0054】 ついで、チャンバーを90℃に5分間加熱することによって、放出された核酸
を変性させた。ついで、チャンバーを60℃とし、酵素を含有する10μlのS
DA試薬緩衝液をチャンバーに導入して増幅を開始させた(すなわち、40単位
のBsoB1制限エンドヌクレアーゼおよび16単位のエキソBstDNAポ
リメラーゼ)。 本発明の系においては、SDAを用いる増幅は25ないし35分間で行い得る
。本実施例においては、反応の30分後に、5μlアリコットの反応体積をPA
GE分析用に取出した(図19および20)。
The released nucleic acid was then denatured by heating the chamber to 90 ° C. for 5 minutes. The chamber was then brought to 60 ° C. and 10 μl of S containing enzyme
DA reagent buffer was introduced into the chamber to initiate amplification (ie, 40 units of BsoB1 restriction endonuclease and 16 units of exo - Bst DNA polymerase). In the system of the present invention, amplification using SDA can be performed in 25 to 35 minutes. In this example, a reaction volume of 5 μl aliquot was added 30 min after the reaction to PA
Removed for GE analysis (FIGS. 19 and 20).

【0055】 目的の分子の検出を含む試料取扱いの第3のステージは、好ましくは、目的の
タンパク質および核酸について行う。かかる検出は、マイクロアレイに以前に結
合させたプローブへの種々の形態のハイブリダイゼーションを用い得る。例えば
、核酸(例えば、RNA、DNAおよびpRN)を、ハイブリダイゼーションに
よる試料由来の核酸分析物(例えば、増幅または非増幅の標的核酸)の結合に用
い得る。タンパク質を、アレイに結合した捕捉分子に結合させることもできる(
すなわち、タンパク質−リガンド結合相互作用)。かかる捕捉分子には、タンパ
ク質または他の分子が含まれ得、結合相互作用には抗原−抗体、酵素−基質およ
び受容体−リガンドの結合のごとき相互作用が含まれ得る。
The third stage of sample handling, including detection of the molecule of interest, is preferably performed on proteins and nucleic acids of interest. Such detection may employ various forms of hybridization to probes previously bound to the microarray. For example, nucleic acids (eg, RNA, DNA and pRN) can be used to bind nucleic acid analytes (eg, amplified or unamplified target nucleic acids) from a sample by hybridization. Proteins can also be attached to capture molecules attached to the array (
Ie protein-ligand binding interaction). Such capture molecules can include proteins or other molecules, and binding interactions can include interactions such as antigen-antibody, enzyme-substrate, and receptor-ligand binding.

【0056】 核酸、標的種に関しては、増幅したものであろうとなかろうと、それに係留さ
れたオリゴヌクレオチド・プローブによって捕捉するために、単一(または二次
)フローチャンバーのいずれかのマイクロアレイの特定の捕捉パッドに電子的に
アドレス指定される。好ましくは、フローセル(すなわち、用いる具体例および
プロトコールに依存してフローセル11、31aまたは32)の電極アレイは、
浸透層(例えば、アクリルアミド・ベースのハイドロゲル)でコートされた少な
くとも25の個別にアドレス指定可能な電極を有する。標的核酸は、関数発生器
/不定波形発生器(33120A,Hewlett Packard社製,Santa Clara,CA)を用い
て発生させた正の正弦波信号を用いてバイアスする。ついで、捕捉プローブ−標
的ハイブリッドを、図2に示した携帯装置に用いた蛍光−標識レポータープロー
ブおよびCCDベースの光学イメージング系を用いて検出する。この配置を用い
た検出は、完了するまでにほぼ5分間かかる。
For nucleic acids, target species, whether amplified or not, specific microarrays in either a single (or secondary) flow chamber for capture by oligonucleotide probes tethered to it. The capture pad is electronically addressed. Preferably, the electrode array of the flow cell (ie, flow cell 11, 31a or 32 depending on the specific example and protocol used) comprises:
It has at least 25 individually addressable electrodes coated with a permeable layer (eg, an acrylamide-based hydrogel). The target nucleic acid is biased with a positive sine wave signal generated using a function generator / irregular waveform generator (33120A, Hewlett Packard, Santa Clara, CA). The capture probe-target hybrid is then detected using the fluorescence-labeled reporter probe used in the portable device shown in FIG. 2 and a CCD-based optical imaging system. Detection using this arrangement takes approximately 5 minutes to complete.

【0057】 上記の例につづいて、spaQおよびinvA遺伝子の増幅産物は捕捉および
分析に利用可能であった。捕捉の前に、SDA反応溶液および増幅産物を約75
μlの体積の脱塩カラムに通過させ、つづいて緩衝液を50mMのヒスチジン緩
衝液と交換した。ついで、増幅産物を電極の特定のパッドにアドレス指定し、そ
れは、電極をオーバーレイする浸透層に結合した遺伝子特異的プローブを含んで
いた。これにつづいて、200mMのNaCl、10mMのトリス、pH8.0
、1mMのEDTAでチャンバーを洗浄し、ついで200mMのNaCl、10
mMのトリス、pH8.0、1mMのEDTAおよび100μg/mlの子ウシ
胸腺DNA中の0.5μM濃度の増幅産物に対して特異的なボジピー630−標
識プローブ・オリゴヌクレオチドを導入した。レポーター・プローブ溶液をアッ
セイセルに10分間放置し、ついで7−800μlの50mMのヒスチジン緩衝
液で洗浄した。ついで、630nMのヘリウム−ネオン・レーザーおよびコンピ
ュータ制御CCDカメラを用いてチャンバーを視覚化した。図21は、フローチ
ャンバー中の電極の個々のパッドへのspaQ遺伝子増幅産物の結合の結果を示
す。結合は、反応チューブ中で対照として生成し、ついで画分1および2をアド
レス指定した後にフローセル・チャンバーに導入した増幅産物のアニーリングと
比較して、フローセル中で生成した増幅産物が捕捉パッド(画分1および2)に
満足にアニーリングしたことを示している。対照増幅産物についての結合のレベ
ルは、対照反応において得た増幅のより高いレベルに起因して、より高かった。
本発明者らは、非特異的捕捉プローブを有する捕捉部位に結合したフローセル反
応からの増幅産物の非特異的な結合がほとんど存在しないことを注記する。
Continuing from the above example, amplification products of the spaQ and invA genes were available for capture and analysis. Prior to capture, the SDA reaction solution and amplification products are
It was passed through a desalting column with a volume of μl and the buffer was subsequently exchanged for 50 mM histidine buffer. The amplification product was then addressed to a specific pad of the electrode, which included a gene-specific probe bound to a permeable layer overlaying the electrode. This was followed by 200 mM NaCl, 10 mM Tris, pH 8.0.
Wash the chamber with 1 mM EDTA, then 200 mM NaCl, 10
A bodipy 630-labeled probe oligonucleotide specific for the amplified product at a concentration of 0.5 μM in mM Tris, pH 8.0, 1 mM EDTA and 100 μg / ml calf thymus DNA was introduced. The reporter probe solution was left in the assay cell for 10 minutes and then washed with 7-800 μl of 50 mM histidine buffer. The chamber was then visualized using a 630 nM helium-neon laser and a computer controlled CCD camera. FIG. 21 shows the results of binding of the spaQ gene amplification product to the individual pads of the electrodes in the flow chamber. Binding was generated as a control in the reaction tube and then compared to the annealing of the amplification product introduced into the flow cell chamber after addressing fractions 1 and 2 and the amplification product generated in the flow cell was captured by the capture pad. It shows that annealing was performed satisfactorily in minutes 1 and 2). The level of binding for the control amplification product was higher due to the higher level of amplification obtained in the control reaction.
We note that there is little non-specific binding of amplification products from flow cell reactions bound to capture sites with non-specific capture probes.

【0058】 図22においては、spaQ遺伝子についての増幅SDA産物も、2の交互バ
イアス形式を用いてマイクロアレイ上の特異的パッドにアドレス指定した。1の
バイアス・プロトコールにおいて、1kHzの3.5Vのピーク−ピークの正弦
波バイアスAC形式を用いてアンプリコンをアドレス指定した。このプロトコー
ルは、5分間の+2.3VのDCオフセット電圧をも用いた。他のプロトコール
においては、2分間の+2.5Vを含む直流(DC)形式を用いた。理解される
ごとく、DCプロトコールは、DCバイアス・パッドがより大きな結合信号を示
すに従って、より高い効率で捕捉部位まで目的の分子を輸送し得る。この結果は
、試料材料(細胞および分子)のプロセシングをこの電子ベースのラボラトリー
・オン・ア・チップ系を用いて可能である広範囲の調整で操作し得る点において
、系の融通をさらに示している。例えば、特異的配列により低い輸送移動度しか
供さないと前記の例において示したが、AC形式の使用を行い得、ここでは電圧
範囲は2.0ないし5.0のピーク−ピークであり、周波数範囲は1ないし10k
Hzであって、DCオフセットは1−5ボルトの範囲に存在する。この範囲の融
通性は、変化する緩衝液条件下の分子の輸送を提供する。
In FIG. 22, the amplified SDA product for the spaQ gene was also addressed to a specific pad on the microarray using a two alternating bias format. In one bias protocol, the amplicon was addressed using a 1 kHz 3.5 V peak-to-peak sinusoidal biased AC format. This protocol also used a DC offset voltage of + 2.3V for 5 minutes. In another protocol, a direct current (DC) format containing +2.5 V for 2 minutes was used. As will be appreciated, the DC protocol can transport the molecule of interest to the capture site with greater efficiency as the DC bias pad shows a larger binding signal. The results further demonstrate the flexibility of the system in that the processing of sample materials (cells and molecules) can be manipulated with the wide range of adjustments possible using this electronic-based laboratory-on-a-chip system. . For example, although shown in the above examples as providing lower transport mobilities for specific sequences, the use of an AC format may be used, where the voltage range is 2.0-5.0 peak-to-peak, Frequency range 1 to 10k
Hz, and the DC offset is in the range of 1-5 volts. This range of flexibility provides for the transport of molecules under changing buffer conditions.

【0059】 プローブ・ハイブリダイゼーションによる増幅反応産物の視覚検出は、635
nmの発光波長を有する少なくともほぼ2mWのレーザー電力を発生する能力を
有するバッテリー駆動ダイオード・レーザーを指向することによって行い得る。
レーザーを用いて、蛍光色素−標識レポータープローブ(BODIPY−630
のごとき)を励起する。発光フィルターの波長は670nmである。二色性ミラ
ーは645nmの波長カットオフを有する。別法として、当業者によって理解さ
れるごとく、光ベースの検出の代わりに直接電気化学ボルタンメトリー検出系も
用い得る。
Visual detection of amplification reaction products by probe hybridization is 635
This can be done by pointing a battery powered diode laser capable of generating at least approximately 2 mW of laser power with an emission wavelength of nm.
Using a laser, a fluorescent dye-labeled reporter probe (BODIPY-630) was used.
To excite). The wavelength of the emission filter is 670 nm. The dichroic mirror has a wavelength cutoff of 645 nm. Alternatively, as will be appreciated by those skilled in the art, direct electrochemical voltammetric detection systems may be used instead of light-based detection.

【0060】 前記発明は明白性および理解の目的で図面および例の双方によって幾分詳細に
説明してきたが、添付する請求の範囲の趣旨または範囲から逸脱することなく、
ある種の変化および修飾をそれに対してなし得ることは、本発明の教示の見地で
当業者に容易に明らかであろう。
While the foregoing invention has been described in some detail by both drawings and examples for purposes of clarity and understanding, without departing from the spirit or scope of the appended claims,
It will be readily apparent to one skilled in the art in light of the teachings of the present invention that certain changes and modifications may be made thereto.

【0061】 本特許のファイルには、明暗で仕上げた少なくとも1の図面が含まれる。カラ
ー図面(群)を有する本特許のコピーは、要求し必要な経費を支払えば、特許商
標庁によって提供されるであろう。本発明を添付図面に参照してさらに説明する
The file of this patent contains at least one drawing executed in light and dark. Copies of this patent with color drawing (s) will be provided by the Office upon request and payment of the necessary fee. The present invention will be further described with reference to the accompanying drawings.

【配列表】 [Sequence list]

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 図1は、試料調製、化学反応および分析物検出を含む系の3の基本
ステージを示す系の単純化したフローチャートである。
FIG. 1 is a simplified flow chart of the system showing three basic stages of the system including sample preparation, chemical reaction and analyte detection.

【図2】 図2は、系の単純な全体ハードウェアを示す模式図であり、それに
は、加熱エレメント12を有するフローチャンバー11、小型脱塩カラム13、
光路15を有するレーザー14、およびCCDカメラ17のごとき検出器が含ま
れる。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the simple overall hardware of the system, including a flow chamber 11 with a heating element 12, a small desalting column 13,
A laser 14 having an optical path 15 and a detector such as a CCD camera 17 are included.

【図3】 図3は、本発明の携帯系に関する外部デザインの1の例を示す斜視
図である。携帯系は、ケーブル19を介してコンピュータおよびモニター20と
統合されるハウジング18を含む。
FIG. 3 is a perspective view showing one example of an external design relating to the portable system of the present invention. The portable system includes a housing 18 that is integrated with a computer and a monitor 20 via a cable 19.

【図4】 図4は、試料および試薬バイアル21a−e、加熱エレメント12
、CCDカメラ17、レーザー14、各試薬バイアル用の一連のポンプ46、な
らびに焦点調整つまみ4および電子コンポーネント用のエリア5のごとき他の特
徴のごときその種々のコンポーネントを示す、集積系の内部図である。
FIG. 4 shows sample and reagent vials 21a-e, heating element 12
, A CCD camera 17, a laser 14, a series of pumps 46 for each reagent vial, and various components such as the focus knob 4 and other features such as the area 5 for electronic components. is there.

【図5】 図5は、マイクロチップ・グリッドを有するフローセルの断面図で
ある。フローセルは全体で、フローセル・チャンバー29の内部底表面上にマイ
クロチップ・グリッド23を含む。フローセルは、石英ウインドウ28によって
カバーされている。マイクロチップ基板の下側は、それに結合した加熱エレメン
ト12を有する。フローセルは、少なくとも2の投入ポート30を有する。
FIG. 5 is a cross-sectional view of a flow cell having a microtip grid. The flow cell generally includes a microtip grid 23 on the inner bottom surface of the flow cell chamber 29. The flow cell is covered by a quartz window 28. The underside of the microchip substrate has a heating element 12 coupled thereto. The flow cell has at least two input ports 30.

【図6】 図6は、2のフローセルを有する別の具体例を示す概略図である。
この具体例においては、第1のフローセルは、電子的にアドレス指定可能なマイ
クロチップを有するセル31aか、またはかかるマイクロチップを有していない
セル31bかのいずれかを含み得る。いずれの場合においても、フローセル31
a、bはそれに結合した加熱エレメント12を有する。この具体例において、第
2のフローセル32は、加熱エレメント12に結合した電子的にアドレス指定可
能なマイクロチップを有する。図2に図示した好ましい具体例のごとく、集積系
は、脱塩カラム13、光路15を有するレーザー14、およびいずれかのフロー
セルの天文学用検出器を位置決定する運動可能なトラック33上に位置する検出
器17をさらに含む。
FIG. 6 is a schematic diagram showing another specific example having two flow cells.
In this embodiment, the first flow cell may include either a cell 31a with an electronically addressable microchip or a cell 31b without such a microchip. In any case, the flow cell 31
a, b have a heating element 12 associated therewith. In this embodiment, second flow cell 32 has an electronically addressable microchip coupled to heating element 12. As in the preferred embodiment illustrated in FIG. 2, the integrated system is located on a movable track 33 that locates the desalination column 13, the laser 14 with the optical path 15, and the astronomical detector of any flow cell. It further includes a detector 17.

【図7】 図7は、2のフローチャンバーの具体例を示す概略図であり、ここ
では、第1のフローセル31aおよび第2のフローセル32が互いに近接して配
されている。また、系のフローセルおよび脱塩カラムを介して緩衝液、試薬およ
び分析物を導くための流動系も図示する。
FIG. 7 is a schematic diagram showing a specific example of two flow chambers, in which a first flow cell 31a and a second flow cell 32 are arranged close to each other. Also shown is a flow system for directing buffers, reagents and analytes through the system flow cell and desalting column.

【図8】 図8は、真核生物または原核生物の細胞を分離する誘電力のパター
ンを作るために用い得るバイアス・パターン形式を示す。(A)に図示するのは
四角形壁の誘電力パターンである。(B)に図示するのはチェッカーボードの力
パターンである。
FIG. 8 illustrates a bias pattern format that can be used to create a pattern of dielectric forces separating eukaryotic or prokaryotic cells. (A) shows a dielectric pattern of a square wall. (B) shows the checkerboard force pattern.

【図9】 図9は、四角形壁の力パターンに対応する誘電場分布のコンピュー
タ表示である。
FIG. 9 is a computer display of a dielectric field distribution corresponding to a square wall force pattern.

【図10】 図10は、チェッカーボードの力パターンに対応する誘電場分布
のコンピュータ表示である。
FIG. 10 is a computer display of a dielectric field distribution corresponding to a checkerboard force pattern.

【図11】 図11は、細胞分離の間のフローセル中の電子的にアドレス指定
可能なマイクロアレイの写真を示す。写真は、フローチャンバーの電極に印加し
たチェッカーボードの誘電力パターンを用いた全血から分離される細菌種を特異
的に図示している。細菌はアレイの電極のまっすぐ上方の場電荷最大における明
るく着色した濃度であり、一方、血球は場電荷の最小エリアにおける電極間に存
在する。
FIG. 11 shows a photograph of an electronically addressable microarray in a flow cell during cell separation. The photo specifically illustrates bacterial species separated from whole blood using a checkerboard dielectric force pattern applied to the electrodes of the flow chamber. Bacteria are brightly colored concentrations at the field charge maximum directly above the electrodes of the array, while blood cells are present between the electrodes in the minimum area of the field charge.

【図12】 図12は、血球から分離される真核生物細胞(培養HeLa細胞
)を示す。正常なヒトの白血球および赤血球の混合物は電極間の空間に押し出さ
れ、そこでは、ピンク・ダイアモンド形のスポットによって反映されるように場
は最小である。
FIG. 12 shows eukaryotic cells (cultured HeLa cells) separated from blood cells. The mixture of normal human white and red blood cells is pushed into the space between the electrodes, where the field is minimal as reflected by the pink diamond-shaped spot.

【図13】 図13AおよびBは、洗浄後(図13A)およびヨウ化プロピジ
ウムで染色した後(図13B)の、血球から分離される真核生物細胞(培養He
La細胞)を示す。
FIGS. 13A and B show eukaryotic cells separated from blood cells (culture He) after washing (FIG. 13A) and after staining with propidium iodide (FIG. 13B).
La cells).

【図14】 図14は、四角形壁の誘電力場パターンを用いて血球から細菌細
胞を分離する一連の写真を示す。
FIG. 14 shows a series of photographs of separating bacterial cells from blood cells using a square wall dielectric force field pattern.

【図15】 図15は、チェッカーボードの誘電力場パターンを用いて血球か
ら細菌細胞を分離する一連の写真を示す。
FIG. 15 shows a series of photographs of separating bacterial cells from blood cells using a checkerboard dielectric force field pattern.

【図16】 図16は、四角形壁のパターンを洗浄した後の分離された細菌を
示す。
FIG. 16 shows the isolated bacteria after washing the square wall pattern.

【図17】 図17は、チェッカーボードのパターンを洗浄した後の分離され
た細菌を示す。
FIG. 17 shows the isolated bacteria after washing the checkerboard pattern.

【図18】 図18は、電子溶解によって細菌から放出された核酸の分析を示
すPAGEの写真である。レーン1および6はマーカーであり、レーン4および
5は、各々、RNアーゼ処理および無処理の全細菌DNAであり、レーン2およ
び3は細菌から放出されたスーパーコイル形成および線状のプラスミドpCR2
.1 DNAである。
FIG. 18 is a PAGE photograph showing the analysis of nucleic acids released from bacteria by electrolysis. Lanes 1 and 6 are markers; lanes 4 and 5 are RNase-treated and untreated whole bacterial DNA, respectively; lanes 2 and 3 are supercoiled and linear plasmid pCR2 released from bacteria.
.1 DNA.

【図19】 図19は、本発明のフローセル中のSDAによる2のエス・エン
テリカ(S. enterica)遺伝子、spaQおよびinvAの増幅を示すPAGE
写真である。左側から右側に、レーン1および6は分子量マーカーであり、レー
ン2および3は各々ネガティブおよびポジティブ・コントロールであり、レーン
5は本発明のデバイスを用いて増幅したinvA遺伝子特異的DNA配列の増幅
結果である。
FIG. 19 is a PAGE showing amplification of two S. enterica genes, spaQ and invA by SDA in a flow cell of the invention.
It is a photograph. From left to right, lanes 1 and 6 are molecular weight markers, lanes 2 and 3 are negative and positive controls, respectively, and lane 5 is the result of amplification of the invA gene-specific DNA sequence amplified using the device of the present invention. It is.

【図20】 図20は、本発明のフローセル中のSDAによる2のエス・エン
テリカ(S. enterica)遺伝子、spaQおよびinvAの増幅を示すPAGE
写真である。レーン2は分子量マーカーであり、レーン1および4は各々ネガテ
ィブおよびポジティブ・コントロールであり、レーン3はspaQ遺伝子に関す
る増幅結果である。
FIG. 20 is a PAGE showing amplification of two S. enterica genes, spaQ and invA by SDA in a flow cell of the invention.
It is a photograph. Lane 2 is the molecular weight marker, lanes 1 and 4 are negative and positive controls, respectively, and lane 3 is the amplification result for the spaQ gene.

【図21】 図21は、spaQ遺伝子に関するハイブリダイゼーション結果
を示す写真であり、ここではspaQ遺伝子に対して特異的なプローブを備えた
2の電極パッドをハイブリダイゼーションについて2回試験し、遺伝子に特異的
な第3のパッドをポジティブの管反応からの増幅材料とハイブリダイズさせ、非
特異的プローブを備えた第4のパッドをフローセル中で生成した増幅産物へのハ
イブリダイゼーションについて試験した。
FIG. 21 is a photograph showing the hybridization results for the spaQ gene. Here, two electrode pads with probes specific for the spaQ gene were tested twice for hybridization and found to be specific for the gene. A typical third pad was hybridized with the amplified material from a positive tube reaction, and a fourth pad with a non-specific probe was tested for hybridization to the amplification product generated in the flow cell.

【図22】 図22は、2の異なるバイアス条件を用いたマイクロアレイの電
極の捕捉部位にアドレス指定された増幅spaQ遺伝子産物を示す写真である。
上列は、spaQ配列に対して特異的な捕捉プローブを有するパッドへの2回ア
ドレス指定であり(レーン3および4)、一方レーン1および5は非特異的プロ
ーブを有する。上列においては正弦波波AC形式を用い、一方下列においては直
流(DC)形式を用いた。結果は、DCプロトコールはより高い度合いのアンプ
リコンを結合するため、核酸を電極に輸送することにおいては、AC形式よりも
DC形式を用いることが僅かに優れることを示している。
FIG. 22 is a photograph showing an amplified spaQ gene product addressed to the capture site of a microarray electrode using two different bias conditions.
The top row is twice addressing the pad with capture probes specific for the spaQ sequence (lanes 3 and 4), while lanes 1 and 5 have non-specific probes. The upper row used a sine wave AC format, while the lower row used a direct current (DC) format. The results show that the DC protocol binds a higher degree of amplicon, so using the DC format over the AC format is slightly better at transporting nucleic acids to the electrodes.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G01N 33/48 G01N 33/48 M 4B063 33/53 33/53 D 4D054 M 33/566 33/566 37/00 101 37/00 101 103 103 ZCC ZCC // C12N 15/09 ZNA C12Q 1/68 A C12Q 1/68 C12R 1:19 G01N 27/447 1:42 (C12Q 1/68 C12R 1:45 C12R 1:19) 1:285 (C12Q 1/68 G01N 27/26 331K C12R 1:42) C12N 15/00 ZNAA (C12Q 1/68 C12R 1:45) (C12Q 1/68 C12R 1:285) (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SL,SZ,TZ,UG,ZW ),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU, TJ,TM),AL,AM,AT,AU,AZ,BA, BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,CU,C Z,DE,DK,EE,ES,FI,GB,GD,GE ,GH,GM,HR,HU,ID,IL,IN,IS, JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LC,LK,L R,LS,LT,LU,LV,MD,MG,MK,MN ,MW,MX,NO,NZ,PL,PT,RO,RU, SD,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,TM,T R,TT,UA,UG,US,UZ,VN,YU,ZW (72)発明者 ウー・レイ アメリカ合衆国92128カリフォルニア州サ ンディエゴ、ケープウッド・レイン14021 番 (72)発明者 マイケル・ヘラー アメリカ合衆国92024カリフォルニア州エ ンシニタス、ホーク・ビュー・ドライブ 1614番 (72)発明者 エド・シェルドン アメリカ合衆国92131カリフォルニア州サ ンディエゴ、バーチ・ブラフ・プレイス 12515番 (72)発明者 ジョナサン・ダイバー アメリカ合衆国92131カリフォルニア州サ ンディエゴ、サンシャイン・ピーク・コー ト11909番 (72)発明者 ジェイムズ・ピー・オコネル アメリカ合衆国92075カリフォルニア州ソ ラナ・ビーチ、ソラナ・ポイント・サーク ル166番 (72)発明者 ダン・スモルコ アメリカ合衆国91935カリフォルニア州ジ ャムル、ビー・バレー・ロード20555番 (72)発明者 シラ・ジャラリ アメリカ合衆国92122カリフォルニア州サ ンディエゴ、コスタ・ベルデ・ブールバー ド8510番 (72)発明者 デイビッド・ウィロービー アメリカ合衆国92102カリフォルニア州サ ンディエゴ、トゥエンティフォース・スト リート1311番 Fターム(参考) 2G043 AA03 BA16 CA03 DA02 EA01 GA07 KA02 LA01 2G045 BB24 CB01 CB21 DA13 DA36 FA19 FB01 FB02 FB03 FB12 2G054 AA08 AB03 AB04 BB08 CA21 CA22 CA23 EA03 EA06 FA44 GA05 4B024 AA20 CA01 CA09 HA14 HA19 4B029 AA07 FA12 4B063 QA01 QA08 QA19 QQ01 QQ05 QQ43 QR16 QR32 QR56 QR62 QR84 QS03 QS25 QS34 QX02 QX07 4D054 FA10 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI Theme coat ゛ (Reference) G01N 33/48 G01N 33/48 M 4B063 33/53 33/53 D 4D054 M 33/566 33/566 37 / 00 101 37/00 101 103 103 ZCC ZCC // C12N 15/09 ZNA C12Q 1/68 A C12Q 1/68 C12R 1:19 G01N 27/447 1:42 (C12Q 1/68 C12R 1:45 C12R 1:19 ) 1: 285 (C12Q 1/68 G01N 27/26 331K C12R 1:42) C12N 15/00 ZNAA (C12Q 1/68 C12R 1:45) (C12Q 1/68 C12R 1: 285) (81) Designated country EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE), OA (BF BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, KE, LS, MW, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, CA, CH, CN, CU, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KP, KR, KZ , LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM, TR, TT, UA, UG, US, UZ, VN, YU, ZW (72) United States 92128 Capewood Lane 14021, San Diego, California, USA Inventor Michael Heller United States 92024 Hawk View Drive, Encinitas, CA No. 1614, 7214 Inventor Ed Sheldon United States 92131 Birch Bluff Place, San Diego, California No. 12515 (72) Inventor Jonathan Diver United States 92131 Sunshine Peak Coat, San Diego, California 11909 (72) James P. O'Connell, Inventor United States 92075 Lana Beach, Solana Point Circle, No. 166 (72) Inventor Dan Smolco United States 91935 Bee Valley Road, Jamal, California No. 20555 (72) Inventor Shira Jalari United States 92122 8510 Costa Verde Boulevard, San Diego, California David Willowby, Inventor David Willowby, 92102 San Diego, California 1312 Twenty-Force Street 1311 F-term (reference) 2G043 AA03 BA16 CA03 DA02 EA01 GA07 KA02 LA01 2G045 BB24 CB01 CB21 DA13 DA36 FA19 FB01 FB02 FB03 FB12 2G054 AA08 AB03 AB04 BB08 CA21 CA22 CA23 EA03 EA06 FA44 GA05 4B024 AA20 CA01 CA09 HA14 HA19 4B029 AA07 FA12 4B063 QA01 QA08 QA19 QA08 QA19 QA08 4D054 FA10

Claims (139)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 a.さらに、フローセルに連結した少なくとも1の投入ポー
トおよび少なくとも1の産出ポート、該フローセル内に位置する複数の個別にア
ドレス指定可能な電極、および該フローセルに連結した加熱エレメントを含み、
ここに該フローセルが投入ポートを介して該試料を受容するように適合され、該
電極が該試料内の細胞膜を電子的に破裂するように適合された電源に作動可能に
結合され、該電極が該分子の分析用の該試料内の目的の所定の分子に結合するよ
うに適合された能動マトリクス・アレイをさらに含むことを特徴とする細胞分離
、細胞溶解、試料調製および試料分析用の電子系; b.検出可能な信号によって能動(active)マトリクス・アレイに結合した分
子を検出するように作動可能に位置する検出器;および c.電源 を含む、生物試料中の真核生物細胞および/または原核生物細胞の分析用の集積
系。
1. A method comprising: a. And further comprising at least one input port and at least one output port coupled to the flow cell, a plurality of individually addressable electrodes located within the flow cell, and a heating element coupled to the flow cell;
Wherein the flow cell is adapted to receive the sample via an input port, the electrode is operably coupled to a power source adapted to electronically rupture cell membranes in the sample, and wherein the electrode is An electronic system for cell separation, cell lysis, sample preparation and sample analysis, further comprising an active matrix array adapted to bind to a predetermined molecule of interest in the sample for analysis of the molecule. B. A detector operably positioned to detect a molecule bound to the active matrix array by a detectable signal; and c. An integrated system for analysis of eukaryotic and / or prokaryotic cells in a biological sample, including a power supply.
【請求項2】 さらに、試料調製が細胞分離の段階を含む請求項1記載の集
積系。
2. The integrated system according to claim 1, wherein the sample preparation further comprises a cell separation step.
【請求項3】 細胞分離を電子的に行う請求項2記載の集積系。3. The integrated system according to claim 2, wherein the cell separation is performed electronically. 【請求項4】 さらに、能動マトリクス・アレイに放射を供給するように作
動可能に位置する発光源を含む請求項1記載の集積系。
4. The integrated system according to claim 1, further comprising a light emitting source operably positioned to provide radiation to the active matrix array.
【請求項5】 発光源がレーザーである請求項4記載の集積系。5. The integrated system according to claim 4, wherein the light emitting source is a laser. 【請求項6】 レーザーがダイオード・レーザーである請求項5記載の集積
系。
6. The integrated system according to claim 5, wherein the laser is a diode laser.
【請求項7】 ビーム・スプリッターを含む請求項5記載の集積系。7. The integrated system according to claim 5, including a beam splitter. 【請求項8】 ビーム・スプリッターが、発光を受けて少なくともその一部
を能動マトリクス・アレイに反射し、ついで能動マトリクス・アレイからの放射
の少なくとも一部を通すように位置する請求項7記載の集積系。
8. The beam splitter of claim 7, wherein the beam splitter is positioned to receive the light emission, reflect at least a portion thereof to the active matrix array, and then pass at least a portion of the radiation from the active matrix array. Integrated system.
【請求項9】 能動マトリクス・アレイを含む該複数の個別にアドレス指定
可能な電極を、各細胞分離、細胞溶解および試料分析用のユニットとして用いる
請求項1記載の集積系。
9. The integrated system according to claim 1, wherein said plurality of individually addressable electrodes comprising an active matrix array are used as a unit for each cell separation, cell lysis and sample analysis.
【請求項10】 能動マトリクス・アレイを含む該複数の個別にアドレス指
定可能な電極を、細胞分離、細胞溶解および試料分析用の電極のサブセットの構
成において互いに独立して用いる請求項1記載の集積系。
10. The integration of claim 1 wherein said plurality of individually addressable electrodes including an active matrix array are used independently of each other in the construction of a subset of electrodes for cell separation, cell lysis and sample analysis. system.
【請求項11】 試料調製が電子溶解後のさらなる反応段階を含む請求項1
記載の集積系。
11. The method of claim 1, wherein the sample preparation comprises a further reaction step after electrolysis.
An integrated system as described.
【請求項12】 さらなる反応が酵素反応を含む請求項11記載の集積系。12. The integrated system according to claim 11, wherein the further reaction comprises an enzymatic reaction. 【請求項13】 さらなる反応が化学反応を含む請求項11記載の集積系。13. The integrated system according to claim 11, wherein the further reaction comprises a chemical reaction. 【請求項14】 さらなる反応がプロテアーゼ反応を含む請求項11記載の
集積系。
14. The integrated system according to claim 11, wherein the further reaction comprises a protease reaction.
【請求項15】 プロテアーゼ反応がプロテアーゼ−K反応を含む請求項1
4記載の集積系。
15. The method of claim 1, wherein the protease reaction comprises a protease-K reaction.
4. The integrated system according to 4.
【請求項16】 さらなる反応が増幅反応を含む請求項1記載の集積系。16. The integrated system according to claim 1, wherein the further reaction comprises an amplification reaction. 【請求項17】 増幅がSDAを含む請求項16記載の集積系。17. The integrated system according to claim 16, wherein the amplification includes SDA. 【請求項18】 増幅がPCRを含む請求項16記載の集積系。18. The integrated system according to claim 16, wherein the amplification comprises PCR. 【請求項19】 増幅が線形増幅を含む請求項16記載の集積系。19. The integrated system according to claim 16, wherein the amplification comprises a linear amplification. 【請求項20】 増幅が指数関数的増幅を含む請求項16記載の集積系。20. The integrated system according to claim 16, wherein the amplification comprises exponential amplification. 【請求項21】 電源が少なくともある種の電極に時間変化信号を供給する
請求項1記載の集積系。
21. The integrated system according to claim 1, wherein the power supply supplies a time-varying signal to at least certain electrodes.
【請求項22】 時間変化信号がACコンポーネントを含む請求項21記載
の集積系。
22. The integrated system according to claim 21, wherein the time-varying signal includes an AC component.
【請求項23】 ACコンポーネントが正弦波である請求項22記載の集積
系。
23. The integrated system according to claim 22, wherein the AC component is a sine wave.
【請求項24】 時間変化信号がオフセット信号を含む請求項21記載の集
積系。
24. The integrated system according to claim 21, wherein the time-varying signal includes an offset signal.
【請求項25】 オフセットがDCオフセットである請求項24記載の集積
系。
25. The integrated system according to claim 24, wherein the offset is a DC offset.
【請求項26】 さらに、制御系を含む請求項1記載の集積系。26. The integrated system according to claim 1, further comprising a control system. 【請求項27】 制御系がコンピュータである請求項26記載の集積系。27. The integrated system according to claim 26, wherein the control system is a computer. 【請求項28】 コンピュータがパーソナル・コンピュータである請求項2
7記載の集積系。
28. The computer of claim 2, wherein the computer is a personal computer.
7. The integrated system according to 7.
【請求項29】 パーソナル・コンピュータがノートブック・コンピュータ
である請求項28記載の集積系。
29. The integrated system according to claim 28, wherein the personal computer is a notebook computer.
【請求項30】 電子系のフローセルが投入ポートおよび産出ポートに加え
て少なくとも1のポートを含む請求項1記載の集積系。
30. The integrated system according to claim 1, wherein the electronic flow cell includes at least one port in addition to the input port and the output port.
【請求項31】 電子系のフローセルが投入ポートおよび産出ポートに加え
て少なくとも2のポートを含む請求項30記載の集積系。
31. The integrated system according to claim 30, wherein the electronic flow cell includes at least two ports in addition to the input port and the output port.
【請求項32】 ポートが他の1のポートに対して実質的に90°で存在す
る請求項31記載の集積系。
32. The integrated system of claim 31, wherein the port is at substantially 90 ° to another port.
【請求項33】 少なくとも2のポートが互いに向い合わせで存在する請求
項30記載の集積系。
33. The integrated system according to claim 30, wherein at least two ports are facing each other.
【請求項34】 検出器がCCD検出器である請求項1記載の集積系。34. The integrated system according to claim 1, wherein the detector is a CCD detector. 【請求項35】 閉鎖系である請求項1記載の集積系。35. The integrated system according to claim 1, which is a closed system. 【請求項36】 自己含有(self contained)系である請求項1記載の集積
系。
36. The integrated system according to claim 1, which is a self contained system.
【請求項37】 さらに、流体系を含む請求項1記載の集積系。37. The integrated system according to claim 1, further comprising a fluid system. 【請求項38】 流体系がポンプを含む請求項37記載の集積系。38. The integrated system according to claim 37, wherein the fluid system includes a pump. 【請求項39】 流体系が複数のバルブを含む請求項37記載の集積系。39. The integrated system according to claim 37, wherein the fluid system includes a plurality of valves. 【請求項40】 試料分析が、ハイブリダイゼーションおよびタンパク質−
リガンド結合相互作用よりなる群から選択されるアレイへの分子の結合を含む請
求項1記載の集積系。
40. The method according to claim 1, wherein the sample analysis comprises hybridization and protein-
2. The integrated system according to claim 1, comprising binding of molecules to an array selected from the group consisting of ligand binding interactions.
【請求項41】 ハイブリダイゼーションがDNA−DNAハイブリダイゼ
ーションである請求項40記載の集積系。
41. The integrated system according to claim 40, wherein the hybridization is DNA-DNA hybridization.
【請求項42】 ハイブリダイゼーションがDNA/RNAハイブリダイゼ
ーションである請求項40記載の集積系。
42. The integration system according to claim 40, wherein the hybridization is DNA / RNA hybridization.
【請求項43】 ハイブリダイゼーションがpNA/核酸ハイブリダイゼー
ションである請求項40記載の集積系。
43. The integrated system according to claim 40, wherein the hybridization is pNA / nucleic acid hybridization.
【請求項44】 タンパク質−リガンド結合が受容体−リガンド、抗原−抗
体および酵素−基質の結合よりなる群から選択される請求項40記載の集積系。
44. The integration system of claim 40, wherein the protein-ligand binding is selected from the group consisting of receptor-ligand, antigen-antibody and enzyme-substrate binding.
【請求項45】 a.さらに、少なくとも1の投入ポート、該投入ポートに
連結した第1のフローセル、該フローセル内に位置する複数の電極、および少な
くとも1の産出ポートを含み、ここに該第1のフローセルが投入ポートを介して
該試料を受容するように適合され、該電極が該試料内の細胞膜を電子的に破裂す
るように適合された電源に作動可能に結合していることを特徴とする試料調製用
の第1の電子系; b.さらに、少なくとも1の投入ポート、該投入ポートに連結した第2のフロ
ーセル、該第2のフローセル内に位置する複数の電極、および少なくとも1の産
出ポートを含み、ここに該電極が該分子の分析用の該試料内の目的の所定の分子
に結合するように適合された能動マトリクス・アレイを含み、該第2の電子系の
投入ポートが第1の電子系の少なくとも1の産出ポートに結合していることを特
徴とする試料分析用の第2の電子系; c.検出可能な信号によって能動マトリクス・アレイに結合した分子を検出す
るように作動可能に位置する検出器;および d.電源 を含む、真核生物細胞および/または原核生物細胞を含有する生物試料の分析用
の集積系。
45. a. Further, the apparatus includes at least one input port, a first flow cell coupled to the input port, a plurality of electrodes located within the flow cell, and at least one output port, wherein the first flow cell is connected via the input port. A first source for sample preparation, the electrode being operably coupled to a power source adapted to electronically rupture cell membranes in the sample. An electronic system of b. Additionally, the method includes at least one input port, a second flow cell coupled to the input port, a plurality of electrodes located within the second flow cell, and at least one output port, wherein the electrode is configured to analyze the molecule. An active matrix array adapted to bind to a predetermined molecule of interest in the sample for use with an input port of the second electronic system coupled to at least one output port of the first electronic system. A second electronic system for sample analysis, characterized in that: c. A detector operably positioned to detect a molecule bound to the active matrix array by a detectable signal; and d. An integrated system for the analysis of biological samples containing eukaryotic and / or prokaryotic cells, including a power source.
【請求項46】 さらに、試料調製が細胞分離の段階を含む請求項45記載
の集積系。
46. The collection system of claim 45, wherein the sample preparation further comprises a cell separation step.
【請求項47】 細胞分離を電子的に行う請求項46記載の集積系。47. The integration system according to claim 46, wherein the cell separation is performed electronically. 【請求項48】 さらに、能動マトリクス・アレイに放射を供給するように
作動可能に位置する発光源を含む請求項45記載の集積系。
48. The integrated system of claim 45, further comprising a light emitting source operably positioned to provide radiation to the active matrix array.
【請求項49】 発光源がレーザーである請求項48記載の集積系。49. The integrated system according to claim 48, wherein the light emitting source is a laser. 【請求項50】 レーザーがダイオード・レーザーである請求項49記載の
集積系。
50. The integrated system according to claim 49, wherein the laser is a diode laser.
【請求項51】 ビーム・スプリッターを含む請求項48記載の集積系。51. The integrated system according to claim 48, comprising a beam splitter. 【請求項52】 ビーム・スプリッターが、発光を受けて少なくともその一
部を能動マトリクス・アレイに反射し、ついで能動マトリクス・アレイからの放
射の少なくとも一部を通すように位置する請求項51記載の集積系。
52. The beam splitter of claim 51, wherein the beam splitter is positioned to receive the light and reflect at least a portion thereof to the active matrix array, and then pass at least a portion of the radiation from the active matrix array. Integrated system.
【請求項53】 該第1の電子系の該複数の個別にアドレス指定可能な電極
を、該細胞分離および細胞溶解の各々のユニットとして用いる請求項45記載の
集積系。
53. The integrated system of claim 45, wherein said plurality of individually addressable electrodes of said first electronic system are used as respective units of said cell separation and cell lysis.
【請求項54】 該第2の電子系の該複数の個別にアドレス指定可能な電極
を該分析用のユニットとして用いる請求項45記載の集積系。
54. The integrated system according to claim 45, wherein the plurality of individually addressable electrodes of the second electronic system are used as a unit for the analysis.
【請求項55】 該第1の電子系の該複数の個別にアドレス指定可能な電極
を、細胞分離および細胞溶解用の電極のサブセットの構成において互いに独立し
て用いる請求項45記載の集積系。
55. The integrated system of claim 45, wherein said plurality of individually addressable electrodes of said first electronic system are used independently of each other in a configuration of a subset of electrodes for cell separation and cell lysis.
【請求項56】 該第2の電子系の該複数の個別にアドレス指定可能な電極
を、該分析用の電極のサブセットの構成において互いに独立して用いる請求項4
5記載の集積系。
56. The plurality of individually addressable electrodes of the second electronic system are used independently of one another in a configuration of the subset of electrodes for the analysis.
5. The integrated system according to 5.
【請求項57】 試料調製が該電子溶解後のさらなる反応段階を含む請求項
45記載の集積系。
57. The integrated system of claim 45, wherein sample preparation comprises a further reaction step after said electrolysis.
【請求項58】 さらなる反応が酵素反応を含む請求項57記載の集積系。58. The integrated system according to claim 57, wherein the further reaction comprises an enzymatic reaction. 【請求項59】 さらなる反応が化学反応を含む請求項57記載の集積系。59. The integrated system according to claim 57, wherein the further reaction comprises a chemical reaction. 【請求項60】 さらなる反応がプロテアーゼ反応を含む請求項57記載の
集積系。
60. The integrated system of claim 57, wherein the further reaction comprises a protease reaction.
【請求項61】 プロテアーゼ反応がプロテアーゼ−K反応を含む請求項6
0記載の集積系。
61. The protease reaction comprises a protease-K reaction.
0 integrated system.
【請求項62】 さらなる反応が増幅反応を含む請求項57記載の集積系。62. The integrated system according to claim 57, wherein the further reaction comprises an amplification reaction. 【請求項63】 増幅がSDAを含む請求項62記載の集積系。63. The integrated system according to claim 62, wherein the amplification comprises SDA. 【請求項64】 増幅がPCRを含む請求項62記載の集積系。64. The integrated system according to claim 62, wherein the amplification comprises PCR. 【請求項65】 増幅が線形増幅を含む請求項62記載の集積系。65. The integrated system according to claim 62, wherein the amplification comprises a linear amplification. 【請求項66】 増幅が指数関数的増幅を含む請求項62記載の集積系。66. The integrated system of claim 62, wherein the amplification comprises exponential amplification. 【請求項67】 電源が少なくともある種の電極に時間変化信号を供給する
請求項45記載の集積系。
67. The integrated system according to claim 45, wherein the power supply supplies a time-varying signal to at least certain electrodes.
【請求項68】 時間変化信号がACコンポーネントを含む請求項67記載
の集積系。
68. The integrated system according to claim 67, wherein the time-varying signal comprises an AC component.
【請求項69】 ACコンポーネントが正弦波である請求項68記載の集積
系。
69. The integrated system according to claim 68, wherein the AC component is a sine wave.
【請求項70】 時間変化信号がオフセット信号を含む請求項67記載の集
積系。
70. The integrated system according to claim 67, wherein the time-varying signal includes an offset signal.
【請求項71】 オフセットがDCオフセットである請求項70記載の集積
系。
71. The integrated system according to claim 70, wherein the offset is a DC offset.
【請求項72】 さらに、制御系を含む請求項45記載の集積系。72. The integrated system according to claim 45, further comprising a control system. 【請求項73】 制御系がコンピュータである請求項72記載の集積系。73. The integrated system according to claim 72, wherein the control system is a computer. 【請求項74】 コンピュータがパーソナル・コンピュータである請求項7
3記載の集積系。
74. The computer according to claim 7, wherein the computer is a personal computer.
3. The integrated system according to 3.
【請求項75】 パーソナル・コンピュータがノートブック・コンピュータ
である請求項74記載の集積系。
75. The integrated system according to claim 74, wherein the personal computer is a notebook computer.
【請求項76】 第1の電子系の第1のフローセルが、投入ポートおよび産
出ポートに加えて少なくとも1のポートを含む請求項45記載の集積系。
76. The integrated system of claim 45, wherein the first flow cell of the first electronic system includes at least one port in addition to the input port and the output port.
【請求項77】 第1の電子系の第1のフローセルが、投入ポートおよび産
出ポートに加えて少なくとも2のポートを含む請求項76記載の集積系。
77. The integrated system of claim 76, wherein the first flow cell of the first electronic system includes at least two ports in addition to the input port and the output port.
【請求項78】 ポートが他の1のポートに対して実質的に90°で存在す
る請求項77の集積系。
78. The integrated system of claim 77, wherein the port is at substantially 90 ° to another port.
【請求項79】 少なくとも2のポートが互いに向い合わせで存在する請求
項76記載の集積系。
79. The integrated system of claim 76, wherein at least two ports are present facing each other.
【請求項80】 さらに、少なくとも1のヒーター・エレメントを含む請求
項45記載の集積系。
80. The integrated system according to claim 45, further comprising at least one heater element.
【請求項81】 ヒーターが第1の電子系上に配された請求項80記載の集
積系。
81. The integrated system according to claim 80, wherein the heater is disposed on the first electronic system.
【請求項82】 ヒーターが第2の電子系上に配された請求項80記載の集
積系。
82. The integrated system according to claim 80, wherein the heater is disposed on the second electronic system.
【請求項83】 ヒーター・エレメントが第1または第2の電子系のいずれ
かと熱接触して存在する請求項80記載の集積系。
83. The integrated system of claim 80, wherein the heater element is in thermal contact with either the first or second electronic system.
【請求項84】 検出器がCCD検出器である請求項45記載の集積系。84. The integrated system according to claim 45, wherein said detector is a CCD detector. 【請求項85】 閉鎖系である請求項45記載の集積系。85. The integrated system according to claim 45, which is a closed system. 【請求項86】 自己含有系である請求項45記載の集積系。86. The integrated system according to claim 45, which is a self-contained system. 【請求項87】 さらに、流体系を含む請求項45記載の集積系。87. The integrated system according to claim 45, further comprising a fluid system. 【請求項88】 流体系がポンプを含む請求項87記載の集積系。88. The integrated system of claim 87, wherein said fluid system comprises a pump. 【請求項89】 流体系が複数のバルブを含む請求項87記載の集積系。89. The integrated system according to claim 87, wherein the fluid system includes a plurality of valves. 【請求項90】 試料分析が、ハイブリダイゼーションおよびタンパク質−
リガンド結合相互作用よりなる群から選択されるアレイへの分子の結合を含む請
求項45記載の集積系。
90. Sample analysis comprising hybridization and protein-
46. The integrated system according to claim 45, comprising binding molecules to an array selected from the group consisting of ligand binding interactions.
【請求項91】 ハイブリダイゼーションがDNA−DNAハイブリダイゼ
ーションである請求項90記載の集積系。
91. The integration system according to claim 90, wherein the hybridization is DNA-DNA hybridization.
【請求項92】 ハイブリダイゼーションがDNA/RNAハイブリダイゼ
ーションである請求項90記載の集積系。
92. The integration system according to claim 90, wherein the hybridization is DNA / RNA hybridization.
【請求項93】 ハイブリダイゼーションがpNA/核酸ハイブリダイゼー
ションである請求項90記載の集積系。
93. The integrated system according to claim 90, wherein the hybridization is pNA / nucleic acid hybridization.
【請求項94】 タンパク質−リガンド結合が、受容体−リガンド、抗原−
抗体および酵素−基質結合よりなる群から選択される請求項90記載の集積系。
94. The protein-ligand binding may be a receptor-ligand, an antigen-
90. The integrated system of claim 90, wherein the integrated system is selected from the group consisting of an antibody and an enzyme-substrate bond.
【請求項95】 a.さらに、少なくとも1の投入ポート、該投入ポートに
連結した第1のフローセル、ヒーター・エレメント、および少なくとも1の産出
ポートを含み、ここにフローセルが投入ポートを介して該試料を受容するように
適合され、該ヒーターが試料内の細胞膜の破裂を誘導するのに十分な温度まで該
第1のフローセルを加熱するように結合されていることを特徴とする試料調製用
の第1の非電子系; b.さらに、少なくとも1の投入ポート、該投入ポートに連結した第2のフロ
ーセル、該第2のフローセル内に位置する複数の電極、および少なくとも1の産
出ポートを含み、ここに該電極が分子の分析用の試料内の目的の所定の分子に結
合するように適合された能動マトリクス・アレイを含み、第2の電子系の投入ポ
ートが第1の非電子系の少なくとも1の産出ポートに結合されていることを特徴
とする試料分析用の第2の電子系; c.検出可能な信号によって能動マトリクス・アレイに結合した分子を検出す
るように作動可能に位置する検出器;および d.電源 を含む、真核生物細胞および/または原核生物細胞を含有する生物試料の分析用
の集積系。
95. a. Additionally, the flow cell includes at least one input port, a first flow cell coupled to the input port, a heater element, and at least one output port, wherein the flow cell is adapted to receive the sample via the input port. A first non-electronic system for preparing a sample, wherein the heater is coupled to heat the first flow cell to a temperature sufficient to induce rupture of a cell membrane in the sample; b. . Additionally, the apparatus includes at least one input port, a second flow cell coupled to the input port, a plurality of electrodes located within the second flow cell, and at least one output port, wherein the electrodes are for analyzing a molecule. An active matrix array adapted to bind to a predetermined molecule of interest in the sample of the first, wherein the input port of the second electronic system is coupled to at least one output port of the first non-electronic system. A second electronic system for analyzing a sample, characterized by: c. A detector operably positioned to detect a molecule bound to the active matrix array by a detectable signal; and d. An integrated system for the analysis of biological samples containing eukaryotic and / or prokaryotic cells, including a power source.
【請求項96】 さらに、能動マトリクス・アレイに放射を供給するように
作動可能に位置する発光源を含む請求項95の集積系。
96. The integrated system of claim 95, further comprising a light emitting source operably positioned to provide radiation to the active matrix array.
【請求項97】 発光源がレーザーである請求項96記載の集積系。97. The integrated system according to claim 96, wherein the light emitting source is a laser. 【請求項98】 レーザーがダイオード・レーザーである請求項97記載の
集積系。
98. The integrated system according to claim 97, wherein said laser is a diode laser.
【請求項99】 ビーム・スプリッターを含む請求項96記載の集積系。99. The integrated system according to claim 96, comprising a beam splitter. 【請求項100】 ビーム・スプリッターが、発光を受容して少なくともそ
の一部を能動マトリクス・アレイに反射し、能動マトリクス・アレイからの放射
の少なくとも一部を通すように位置する請求項99記載の集積系。
100. The beam splitter of claim 99, wherein the beam splitter is positioned to receive the emission and reflect at least a portion thereof to the active matrix array and to pass at least a portion of the radiation from the active matrix array. Integrated system.
【請求項101】 該電子系の該複数の個別にアドレス指定可能な電極を該
分析用のユニットとして用いる請求項95記載の集積系。
101. The integrated system according to claim 95, wherein said plurality of individually addressable electrodes of said electronic system are used as said analysis unit.
【請求項102】 該電子系の該複数の個別にアドレス指定可能な電極を、
該分析用のサブセットの電極の構成において互いに独立して用いる請求項95記
載の集積系。
102. The plurality of individually addressable electrodes of the electronic system,
97. The integrated system according to claim 95, wherein the integrated systems are used independently of each other in the configuration of the electrodes of the analysis subset.
【請求項103】 試料調製が該ヒーター誘導溶解後のさらなる反応段階を
含む請求項95記載の集積系。
103. The integrated system of claim 95, wherein sample preparation comprises a further reaction step after said heater induced lysis.
【請求項104】 さらなる反応が酵素反応を含む請求項103記載の集積
系。
104. An integrated system according to claim 103, wherein the further reaction comprises an enzymatic reaction.
【請求項105】 さらなる反応が化学反応を含む請求項103記載の集積
系。
105. The integrated system of claim 103, wherein said further reaction comprises a chemical reaction.
【請求項106】 さらなる反応がプロテアーゼ反応を含む請求項103記
載の集積系。
106. The integrated system of claim 103, wherein the additional reaction comprises a protease reaction.
【請求項107】 プロテアーゼ反応がプロテアーゼ−K反応を含む請求項
106記載の集積系。
107. The integrated system according to claim 106, wherein the protease reaction includes a protease-K reaction.
【請求項108】 さらなる反応が増幅反応を含む請求項103記載の集積
系。
108. The integrated system of claim 103, wherein said further reaction comprises an amplification reaction.
【請求項109】 増幅がSDAを含む請求項108記載の集積系。109. The integrated system according to claim 108, wherein said amplification comprises SDA. 【請求項110】 増幅がPCRを含む請求項108記載の集積系。110. The integrated system of claim 108, wherein said amplification comprises PCR. 【請求項111】 増幅が線形増幅を含む請求項108記載の集積系。111. The integrated system of claim 108, wherein said amplification comprises linear amplification. 【請求項112】 増幅が指数関数的増幅を含む請求項108記載の集積系
112. The integrated system of claim 108, wherein said amplification comprises exponential amplification.
【請求項113】 電源が少なくともある種の電極に時間変化信号を供給す
る請求項95記載の集積系。
113. The integrated system of claim 95, wherein the power supply supplies a time varying signal to at least certain electrodes.
【請求項114】 時間変化信号がACコンポーネントを含む請求項113
記載の集積系。
114. The time varying signal includes an AC component.
An integrated system as described.
【請求項115】 ACコンポーネントが正弦波である請求項114記載の
集積系。
115. The integrated system according to claim 114, wherein the AC component is a sine wave.
【請求項116】 時間変化信号がオフセット信号を含む請求項113記載
の集積系。
116. The integrated system according to claim 113, wherein the time-varying signal includes an offset signal.
【請求項117】 オフセットがDCオフセットである請求項116記載の
集積系。
117. The integrated system according to claim 116, wherein said offset is a DC offset.
【請求項118】 さらに、制御系を含む請求項95記載の集積系。118. The integrated system according to claim 95, further comprising a control system. 【請求項119】 制御系がコンピュータである請求項118記載の集積系
119. The integrated system according to claim 118, wherein said control system is a computer.
【請求項120】 コンピュータがパーソナル・コンピュータである請求項
119記載の集積系。
120. The integrated system according to claim 119, wherein the computer is a personal computer.
【請求項121】 パーソナル・コンピュータがノートブック・コンピュー
タである請求項120記載の集積系。
121. The integrated system according to claim 120, wherein the personal computer is a notebook computer.
【請求項122】 非電子系の第1のフローセルが投入ポートおよび産出ポ
ートに加えて少なくとも1のポートを含む請求項95記載の集積系。
122. The integrated system of claim 95, wherein the non-electronic first flow cell includes at least one port in addition to the input port and the output port.
【請求項123】 非電子系の第1のフローセルが投入ポートおよび産出ポ
ートに加えて少なくとも2のポートを含む請求項122記載の集積系。
123. The integrated system of claim 122, wherein the non-electronic first flow cell includes at least two ports in addition to the input and output ports.
【請求項124】 ポートが他の1のポートに対して実質的に90°で存在
する請求項123記載の集積系。
124. The integrated system of claim 123, wherein the port is at substantially 90 ° to another port.
【請求項125】 少なくとも2のポートが互いに向い合わせで存在する請
求項122記載の集積系。
125. The integrated system of claim 122, wherein at least two ports are facing each other.
【請求項126】 さらに、少なくとも2のヒーター・エレメントを含む請
求項95記載の集積系。
126. The integrated system according to claim 95, further comprising at least two heater elements.
【請求項127】 ヒーターが電子系上に配されている請求項126記載の
集積系。
127. The integrated system according to claim 126, wherein the heater is disposed on the electronic system.
【請求項128】 ヒーター・エレメントが非電子系または電子系のいずれ
かと熱接触して存在する請求項126記載の集積系。
128. The integrated system of claim 126, wherein the heater element is in thermal contact with either the non-electronic or electronic system.
【請求項129】 検出器がCCD検出器である請求項95記載の集積系。129. The integrated system according to claim 95, wherein said detector is a CCD detector. 【請求項130】 閉鎖系である請求項95記載の集積系。130. The integrated system according to claim 95 which is a closed system. 【請求項131】 自己含有系である請求項95記載の集積系。131. The integrated system according to claim 95, which is a self-contained system. 【請求項132】 さらに、流体系を含む請求項95記載の集積系。132. The integrated system according to claim 95, further comprising a fluid system. 【請求項133】 流体系がポンプを含む請求項132記載の集積系。133. The integrated system of claim 132, wherein said fluid system comprises a pump. 【請求項134】 流体系が複数のバルブを含む請求項132記載の集積系
134. The integrated system of claim 132, wherein the fluid system includes a plurality of valves.
【請求項135】 試料分析が、ハイブリダイゼーションおよびタンパク質
−リガンド結合相互作用よりなる群から選択されるアレイへの分子の結合を含む
請求項95記載の集積系。
135. The integrated system of claim 95, wherein the sample analysis comprises binding of the molecules to an array selected from the group consisting of hybridization and protein-ligand binding interactions.
【請求項136】 ハイブリダイゼーションがDNA−DNAハイブリダイ
ゼーションである請求項135記載の集積系。
136. The integrated system according to claim 135, wherein the hybridization is DNA-DNA hybridization.
【請求項137】 ハイブリダイゼーションがDNA/RNAハイブリダイ
ゼーションである請求項135記載の集積系。
137. The integrated system according to claim 135, wherein the hybridization is DNA / RNA hybridization.
【請求項138】 ハイブリダイゼーションがpNA/核酸ハイブリダイゼ
ーションである請求項135記載の集積系。
138. The integrated system according to claim 135, wherein the hybridization is pNA / nucleic acid hybridization.
【請求項139】 タンパク質−リガンド結合が、受容体−リガンド、抗原
−抗体および酵素−基質の結合よりなる群から選択される請求項135記載の集
積系。
139. The integrated system of claim 135, wherein said protein-ligand binding is selected from the group consisting of receptor-ligand, antigen-antibody and enzyme-substrate binding.
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