JP2006504957A - 核酸を分析するためのマイクロ流体システム - Google Patents

核酸を分析するためのマイクロ流体システム Download PDF

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Abstract

核酸及び廃棄物を有するサンプル内の核酸(127)をマイクロ流体処理し、且つ/又は分析するための、装置及び方法を含むシステム(10)を提供する。当該システム(10)は、流体ハンドリング部(42)と検定部(44)を有するマイクロ流体デバイス(14)を備える。流体ハンドリング部(42)は、流体を機械的に移動させるよう構成されており、少なくとも1つの流体区画(54)を画定する。流体ハンドリング部(42)は、サンプルを収容し、当該サンプルを流体区画(54)において予備処理して、核酸(127)を廃棄物から少なくともある程度分離するよう構成されている。検定部(44)は、流体ハンドリング部(42)と接続されており、少なくとも1つの流体チャンバを画定する。流体チャンバは、流体区画(54)と流体連通している。検定部(44)は、流体チャンバ内の核酸(127)を処理するよう構成された電子素子(58)を備える。

Description

ゲノム配列決定及びプロテオミクスの急速な進歩によって、バイオテクノロジ分野における生物学的サンプル内の核酸を分析するための、より高速で、より効率的な装置の開発が押し進められてきている。したがって、バイオテクノロジ分野では、しばしばラボ・オン・ア・チップと呼ばれる、サンプル分析用の小型のマイクロ流体デバイスの開発に向けて大きな力が注がれてきている。そのようなデバイスは、ごく微量の流体のサンプルを分析することができ、試薬及びサンプルをより経済的に利用できるようにするとともに、場合によっては、検定の速度を著しく速めることができる。中でも人体の健康状態の判定、遺伝子検査及び病原体検出は、これらのデバイスのおかげで、将来、臨床環境あるいは現場において非常に速やかに実行されるルーチン化された比較的低コストの手順となる可能性がある。しかしながら、核酸分析用の現在のマイクロ流体デバイスは、電気的サンプル操作、自動化及び/又は感度に欠けている。

マイクロ流体システムのいくつかは、主に、サンプルから核酸を自動的に調製することに重点を置いている。これらのデバイスは通常、細胞懸濁液のような未精製サンプルを受容し、化学的及び/又は物理的な方法を用いて、その懸濁液から核酸を抽出し、精製するよう構成されている。しかしながら、これらのデバイスは、一般的に、ごく少量の精製された核酸を電気的に操作する能力に欠けている。したがって、これらのデバイスは、検定感度が不足しており、検定条件を正確に/柔軟に制御することができない上、電気的な操作によってもたらされる時間スケールで核酸分析を実行することができない。

他のマイクロ流体デバイスは、主に、流体及び核酸の電気的な操作に重点を置いている。これらの他のデバイスは、一般的に、電気的でない方法によってサンプルから核酸を自動的に抽出し、且つ精製する際の柔軟性に欠けている。したがって、核酸の調製を個別に(例えば手作業で)実行することが必要となるが、純度が不十分であるか、又は限られた組のサンプルからしか核酸を得ることができない場合がある。

核酸及び廃棄物を有するサンプル内の核酸をマイクロ流体処理し、且つ/又は分析するための、装置及び方法を含むシステムを提供する。

当該システムは、流体ハンドリング部及び検定部を有するマイクロ流体デバイスを備える。流体ハンドリング部は、流体を機械的に移動させるよう構成されており、少なくとも1つの流体区画を画定する。流体ハンドリング部は、サンプルを受容し、当該サンプルを流体区画において予備処理して、核酸を廃棄物から少なくともある程度分離するように構成される。検定部は、流体ハンドリング部に接続されており、少なくとも1つの流体チャンバを画定する。流体チャンバは、流体区画と流体連通している。検定部は、流体チャンバ内の核酸を処理するよう構成された電子素子を備える。

核酸をマイクロ流体分析するための、方法及び装置を含むシステムを提供する。当該システムは、入力ポートにおいてサンプルを取り込み、当該サンプルを予備処理して核酸を単離し、且つ1つ又は複数の対象となる核酸(核酸化学種)に関して、単離された核酸を検定するよう構成されている、カートリッジを備えることができる。カートリッジの動作は、カートリッジと電気的に、且つ任意に機械的に、且つ/又は任意に音響的に接続されている制御装置によって制御することができる。カートリッジは、別個の部分あるいはデバイス:即ち、巨視的あるいは比較的大きな容積の流体を操作するための流体ハンドリング部と、それに流体連通する、微視的あるいは比較的小さな容積の流体を操作するための電子検定部とを備えることができる。これらの2つの部分は異なる役割を果たす。流体ハンドリング部は、サンプル及び試薬を保持し、移送し、誘導し、且つ/又は受容する貯蔵室を有し、また、サンプルから対象の核酸あるいは他の分析物を単離する予備処理サイトも備える。流体ハンドリング部は、試薬及び単離された核酸(あるいは分析物)を電子検定部に移送し、そこで核酸をさらに処理して、電子的に核酸の検定を完遂することができる。

流体ハンドリング部あるいは流体ハンドリングデバイスは、巨視的世界(すなわち、ユーザ)とカートリッジとの間の種々のインターフェース機構を提供することができる。例えば、流体ハンドリング部は、サンプルを受容するための流体インターフェース、即ち入力ポートと、制御装置に電気的に接続するための電気的インターフェースとを提供する。また流体ハンドリング部は、例えば、バルブ、ポンプを機械的に制御したり、圧力をかけるなどの、制御装置との機械的なインターフェースを提供することもできる。代替的に、あるいはそれに加えて、流体ハンドリング部には、制御装置に対して着脱するために、マイクロ流体デバイスが把持され、容易に取り扱われるようにするためのユーザインターフェースを設けることもできる。機械的インターフェース及びユーザインターフェースはいずれも、流体ハンドリング部の外側領域を形成するハウジングによって設けることができる。

流体ハンドリング部は、流体ハンドリング部及び検定部のうちの選択された区画を介して、時間的及び空間的に制御された状態で、流体、試薬及び/又はサンプルを収容し、特定の方向に流動させるように構成されている。したがって、流体ハンドリング部は、サンプルを予備処理及び/又は処理する際に用いられる流体を保持するための試薬チャンバと、片方あるいは両方の部分から廃棄流体及び副生物を受容するための廃棄物チャンバと、サンプル入力サイトと試薬及び廃棄物チャンバとを流体連通するように相互に接続する中間チャンバ/流路とを含むことができる。中間チャンバには、サンプルを予備処理し、サンプルから核酸を単離するためのサイトが含まれる。

流体ハンドリング部は、流体を操作する際の主な区画を有している。流体ハンドリング部は、機械的に流動させた流体によって、流体ハンドリング部及び検定部を通して、試薬及びサンプルを移動させることができる。さらに、この部分は、電子検定部よりも、流体のためのより大きな容積を有している。したがって、流体ハンドリング部は、任意の必要な分枝及び/又は複合流体ネットワーク構造を提供するプロセス及び材料を用いて形成することができる。例えば、流体ハンドリング部は、射出成形あるいは他の適切な方法を用いて、実質的にプラスチックから形成することができる。さらに、流体ハンドリング部の流体ネットワークを、任意の適切な3次元形状にて延在させることができ、一般的に、平坦な表面に沿って流体ネットワークを画定することは要求されない。それゆえ、流体ハンドリング部は、流体ネットワーク内の種々の次元の代替の経路を通して、流体を柔軟に誘導することができる。いくつかの実施形態では、流体ハンドリング部は、共通の面から2mm以上離れて延在する流路を画定することができる。

検定部あるいは検定デバイスはチップ部とも呼ばれ、流体ハンドリング部に流体連通しており、流体ハンドリング部に固定することができる。検定部は、ユーザが直に流体を扱うインターフェースではない場合があり、即ち検定部は、流体ハンドリング部から直にサンプルあるいは試薬を受容するが、一般的には外部環境から直には受容しない。

検定部は、半導体素子(トランジスタ、ダイオード等)及び薄膜素子(薄膜抵抗器、導体、パッシベーション層等)を含む、電子素子とも呼ばれる電子回路を含むように構成されている。そのような電子素子は、検定部内のベース層あるいは基材上に形成される。本明細書において用いられるような用語、基材「上に形成される」は、半導体素子及び薄膜素子が基材上及び/又は基材内に形成されることを意味する。適切な基材は一般的には平坦であり、半導体(例えば、シリコンあるいはガリウムヒ素)あるいは絶縁体(例えば、ガラス、セラミックあるいはアルミナ)を含む。半導体基材の場合には、半導体素子は基材内に直に、即ち基材の表面に、及び/又は表面の下に形成される。絶縁性基材の場合には、例えば、フラットパネルの応用形態の場合に用いられるように、基材上に半導体層がコーティングされる。

基材は、検定部において組織的な構造を与える役割を果たすことができる。基材は、流体障壁に取り付けることができ、流体障壁は、基材及び電子回路とともに少なくとも1つの流体区画を画定することができる。基材は一般的に平面あるいは平坦な表面を有するので、基材及び関連する電子回路によって部分的に画定される流体区画及び他の流体区画は、平坦な基材構造によって制約される空間形状を有する。電子回路、あるいは少なくともその薄膜部分は、基材の表面上に配置されており、流体区画に対して動作可能に配置され、流体区画内の核酸を処理する電子素子を提供する。それに対して、基材の反対側の表面は流体ハンドリング部に隣接することができる。

検定部は、流体ハンドリング部よりもかなり小さい流体容積を有する。検定部内に形成される処理チャンバは、適切な基材の構造に制限される。したがって、検定部内のチャンバの寸法の少なくともいくつかは、流体ハンドリング部内の流体チャンバの寸法よりも著しく小さく、約50マイクロリットル未満、好ましくは10マイクロリットル未満、さらに好ましくは1マイクロリットル未満の容積を有している。したがって、動作可能に接続されている電子回路を用いることによって、検定部の処理チャンバは、そのチャンバの静的な流体容積の何倍もの量の流体のサンプルを処理することができる。例えば、検定部は、核酸を保持しつつ、大量の流体を流体ハンドリング部に戻すことができるようにすることによって、流体ハンドリング部から受容した流体内の核酸を濃縮することができる。したがって、カートリッジの個別の部分が、個別の流体操作及びサンプル処理ステップを共同して実施する。

以下の(I)一体型カートリッジを用いるマイクロ流体分析、(II)マイクロ流体システム、(III)サンプル及び(IV)検定の各セクションにおいて、さらに他の態様を提供する。

I.一体型カートリッジを用いるマイクロ流体分析
本セクションでは、サンプルを処理し且つ/又は分析するための、カートリッジ形態の、一体型マイクロ流体デバイスを含むマイクロ流体システムを説明する。本セクションはまた、当該デバイスを使用する方法も含む。カートリッジ及び方法に関するさらに別の態様は、後のセクションIIにおいて説明する。さらに、後に説明するカートリッジ及び方法の態様は、セクションIIIにおいて説明する任意のサンプルに関して用いることができ、且つ/又はセクションIVにおいて説明する任意の検定を用いることができる。

図1〜図3は、サンプル、特に核酸を含むサンプルを処理及び分析するためのマイクロ流体システム10の一実施形態を示している。図1及び図2は、それぞれシステムの外面図及び断面図を示している。図3は、システムの選択された形態を示しているシステム10の概略図である。システム10は、制御装置12と、制御装置12に電気的に接続されるように構成されている一体型カートリッジ14とを構成要素として含んでいる。図1及び図2では、制御装置によって収容され、それゆえ制御装置内に設置され、位置決めされたカートリッジ14が示されている。本明細書において用いられるとき、用語「カートリッジ」とは、より大きな制御装置内に設置されるように設計される小型のモジュール式ユニットを意味する。本明細書において用いられるとき、用語「設置される」とは、一般的にカートリッジを制御装置に少なくとも部分的に挿入することにより、カートリッジが制御装置と適切に接続されていることを意味する。したがって、制御装置12は凹部16を有しており、例えば、カートリッジ14上にある電気的な接触パッド18と凹部16内に配置されている対応する接触構造20との間の接触によって形成される電気的インターフェースを介して結合することにより、凹部16はカートリッジ14を接続できるように収容する(図2参照)。代替的に、制御装置12は、任意の他の適切な構造を用いて、導電性結合、容量性結合及び/又は誘導性結合により、カートリッジ14との電気的インターフェースを形成することができる。制御装置12は任意の適切な寸法を有することができ、例えば、手持ちできるほど十分に小さいか、あるいは作業台あるいは床に置いて用いるほど大きい場合がある。

制御装置12は、カートリッジ14内の処理を制御するために、カートリッジ14との間で制御信号を送受信するように構成されている。いくつかの実施形態においては、カートリッジ14は検出用電子素子を構成要素として含んでいる。そのような電子素子を備える場合、制御装置は、検定結果を判定するために制御装置12によって用いられる信号をカートリッジ14から受信する。制御装置は、カートリッジ内の電子素子との電気的リンクを介して、及び/又はカートリッジとのインターフェースを有するセンサを介して、カートリッジ内の状態(例えば、温度、流量、圧力等)を検出し、制御することができる。代替的に、あるいはそれに加えて、制御装置12は、カートリッジ上の情報記憶素子から情報を読み出し、例えばカートリッジによって収容される試薬、カートリッジによって実施される検定、許容範囲のサンプル量あるいは種類などのカートリッジについての情報を確認することができる。したがって、制御装置12は、中でも電源/アース線、データ入力線、発射パルス線、データ出力線及び/又はクロック線を含む、セクションIIにおいて後述する入力線及び出力線のうちのいくつかあるいは全てを一般的にもたらす。

制御装置12は、検定データの最終的な処理に加わるか、あるいは検定データを別の装置に転送することができる。制御装置12は、例えば多数のデータポイント(例えば、テスト核酸とレセプタアレイとの結合から得られる(以下に記載している))の分析、及び/又はデータの数学的及び/又は統計的な分析などの結果を解釈することができる。代替的に、あるいはそれに加えて、制御装置12は、検定データを、例えば、集中管理される装置のような別の装置に転送することができる。したがって、制御装置12は、転送前に検定データを符号化することができる。

制御装置12は、デジタル情報を処理するコントローラ22を構成要素として含んでいる(図3参照)。コントローラは一般的に、24、26、28の双方向の矢印によって示されている、制御装置12及びカートリッジ14が発揮する電気的、機械的及び/又は光学的な機能を調整するための電気信号を送受信する。

制御装置12は、図3の26で示すように、ユーザインターフェース30を介してユーザと通信することができる。ユーザインターフェースは、キーパッド32(図1参照)、画面34、キーボード、タッチパッド、マウス等を含むことができる。通常は、ユーザインターフェースによって、ユーザはデータを入力及び/又は出力できるようになる。入力されるデータは、例えば、サンプル処理の開始を指示するために、サンプル処理を中止するために、種々の処理パラメータ(例えば、回数、温度、実行されることになる検定等)のための値を入力するためなどに用いることができる。処理の段階、カートリッジパラメータ、測定結果のような出力されるデータは、画面34上に表示され、印刷装置(図示せず)に送出され、装置上のメモリに格納され、且つ/又は例えばパーソナルコンピュータのような別のデジタル装置に送信することもできる。

また制御装置12は、カートリッジ14との1つあるいは複数の光学的、機械的及び/又は流体インターフェースを含むことができる(図2及び図3参照)。光学的インターフェース36は、カートリッジ14に光信号を送信し、且つ/又はカートリッジ14から光信号を受信することができる。光学的インターフェース36は、カートリッジが制御装置12と接続される際に、カートリッジ14の光学的に透明な領域38と位置合わせすることができる(図2及び以下に示す説明を参照)。したがって、光学的インターフェース36は、1つあるいは複数の放出器と、カートリッジから光学的な情報を受信するための1つあるいは複数の検出器とを備える検出機構として機能する。そのような光学的情報は、カートリッジ内で処理することにより生成される検定結果に関連付けることができる。代替的に、あるいはそれに加えて、光学的インターフェース36はサンプル処理の態様に関連し、例えば、光触媒化学反応、サンプル破壊、サンプル加熱等のための光源を提供することができる。いずれの場合でも、光学的インターフェース36の動作はコントローラ22によって指示することができ、図3の24に示すように、対応する測定値がコントローラ22によって受信され、それによって光学的インターフェース36からの測定値が電子的に処理され、格納される。制御装置12は、例えば、カートリッジを加圧するか、あるいは圧力を調整するために、1つあるいは複数の電子制御された機械的インターフェース(図示せず)を含むことができる。制御装置12の例示的な機械的インターフェースには、例えば、1つあるいは複数のバルブアクチュエータ、バルブアクチュエータを制御するバルブレギュレータ、シリンジポンプ、ソニケータ及び/又は空気圧力源がある。いくつかの実施形態において、制御装置は、制御装置をカートリッジに流体連通させる1つあるいは複数の流体インターフェースを構成要素として含むことができる。例えば、制御装置は、流体を収容し、その流体をカートリッジに搬送する流体貯蔵室を含むことができる。しかしながら、ここに示す制御装置12は、カートリッジ14と流体連通するように構成されていない。代わりに、本実施形態では、動作中には、閉じたあるいは分離された流体システム、即ちサンプルが受容された後には、流体がネットワークに実質的に追加されたり、ネットワークから除去されたりしない流体ネットワークである。マイクロ流体システム内の光検出、ならびに機械的インターフェース及び流体インターフェースのさらに別の形態は、セクションIIにおいて後述する。

カートリッジ14は必要に応じた構成及び寸法を有することができる。いくつかの実施形態においては、カートリッジ14は使い捨てであり、即ち1つのサンプルあるいは1組のサンプルを(一般的に同時に)分析するために一度だけ使用することを目的とする。カートリッジ14の寸法は、実施すべき検定、操作すべき流体容積、カートリッジの流体以外の容積等によって決定することができる。しかしながら、カートリッジ14は一般的には、片手で容易に掴むことができ、且つ操作することができるほど十分に小さい(あるいはさらに小さい)。

カートリッジ14は通常、少なくとも2つの構造的及び機能的に異なる構成要素、即ち流体ハンドリング部42と検定(あるいはチップ)部44とを構成要素として含んでいる。流体ハンドリング部は、例えばバルブ及びポンプを動作させるために、制御装置との機械的な外部インターフェースを形成するハウジング45を備えることができる。ハウジングは内部流体区画の構造を画定することができる。また、ハウジング45は、カートリッジの外部構造を概ね画定することができ、それゆえ、ユーザが手持ちするための掴み面を与えることができる。検定部44は、流体ハンドリング部42に、例えば、流体ハンドリング部42の外部あるいは内部表面上に固定して取り付けることができる。例えば、光学的インターフェース36を用いる場合のように、結果が光学的に測定されるときには、検定部44を外部に取り付けることが適している。結果が電気的に測定されるとき、あるいは流体ハンドリング部42が透明であるときには、内部及び/又は外部に取り付けることが適している。後に記載するように、検定部44も通常は流体ハンドリング部42に流体連通しており、これら2つの部分間で流体が行き来できる。

このように、流体ハンドリング部42は、カートリッジの外部から流体を受容し、その流体を収容し、例えば、機械的に流体を流動させることにより、流体ハンドリング部42及び検定部44の両方の流体区画にその流体を搬送するように構成することができる。したがって、流体ハンドリング部は、検定部44の対応する流体ネットワーク(あるいは流体空間)48よりも著しく大きな流体容量(容積)を有する流体ネットワーク46を画定することができる。各流体ネットワークは1つの流体区画、より一般的には、複数の流体連通している流体区画、一般的には流体導管によって接続されるチャンバを有することができる。

流体ハンドリング部42は、サンプル入力サイトあるいはポート50を構成要素として含んでいる。サンプル入力サイト50は一般的に外部からアクセス可能であるが、サンプルがそのサイトに導入された後に封止することができる。1つのサンプル入力サイト50を含むカートリッジ14が示されているが、流体ハンドリング部42は、任意の適切な数のサンプル入力サイトを構成要素として含むことができる。

また流体ハンドリング部42は、支援試薬を収容するための1つあるいは複数の試薬貯蔵室(あるいは流体貯蔵チャンバ)52も備える(図3参照)。試薬貯蔵室52はそれぞれ外部からアクセス可能であり、それによって流体ハンドリング部が製造された後に、試薬を取り込むことができる。代替的に、製造中に、試薬貯蔵室52のうちのいくつかあるいは全てが試薬を取り込むこともできる。支援試薬は一般的に、サンプル処理、分析及び/又はカートリッジ14の全般的な動作に関連する任意の流体溶液あるいは混合物を含有している。

また流体ハンドリング部42は、予備処理チャンバ54及び/又は廃棄物チャンバ56のような、1つあるいは複数のさらに別のチャンバを構成要素として含むこともできる。予備処理チャンバ54及び廃棄物チャンバ56は、例えば、サンプル入力サイト50及び/又は試薬貯蔵室52を介して内部だけからアクセス可能であるか、あるいは、その1つあるいは複数が、外部からユーザによってアクセスされる。予備処理チャンバ154は、一般的に流体の流れに応じて、サンプルの組成を幾分変化させるように構成されている流路である。例えば、そのような流路は、分析物(例えば核酸)を、入力されるサンプルから単離することができ、即ち、以下に記載するように、分析物を廃棄物あるいはそのサンプルの廃棄部分から少なくともある程度分離することができる。流体ハンドリング部のさらに別の形態は、セクションIIにおいて後述する。

好ましい実施形態では、流体ハンドリング部42、及び実際にはカートリッジ14の全ての流体区画は、サンプル入力50を除いて、顧客がアクセスできないように封止されている。該封止は、試薬が汚染される可能性を回避し、安全性を確保し、且つ/又は流体ハンドリング部42からの流体の損失を防ぐための役割を果たす。試薬のうちのいくつか、及び/又は予備処理及び/又はさらに別の処理の結果として生成される処理に伴う副生物は有毒であるか、そうでなくても、試薬又は副生成物が漏出し、且つ/又はユーザに触れる場合には、ユーザにとって有害な場合がある。さらに、試薬のいくつかは非常に高価であり、それゆえ、カートリッジ14内における供給量は最小限のものとなっている。したがって、カートリッジ14の好ましい実施形態は、一体型で、封止されており、使い捨てのカートリッジであり、流体インターフェースはサンプル入力50のみであり、電気的インターフェース18と、任意選択の機械的、光学的及び/又は音響的インターフェースとを有するカートリッジである。

検定部44は、流体ハンドリング部42で核酸が単離された後に、流体ネットワーク48内の核酸をさらに処理するように構成されている。したがって、検定部44は電子素子あるいは電子回路58を基礎とし、それは、流体ハンドリング部42から受容する核酸の処理を制御して、処理しやすくするために、薄膜電子素子を含むことができる。それに対して、検定部44内の大量の流体の流れは、流体ハンドリング部42から機械的に流動させた流体によって媒介され、検定部44を通って、流体ハンドリング部42に戻ることができる。

検定部の電子回路58は、流体及び/又は分析物の特性を変化させ、及び/又は検出するための薄膜電子素子を含むことができる。そのような薄膜素子の例示的な役割は、単離された核酸を濃縮すること、その核酸を種々の反応チャンバ及び/又は検定サイトに移動させること、反応条件(例えば、増幅、レセプタへのハイブリダイゼーション、二本鎖核酸の変性などにおいて)を制御することなどを含む(セクションII参照)。薄膜素子は、流体ネットワーク48の任意の領域に動作可能に接続することができる。動作可能な接続とは、例えば、電極で流体と直に接触させるか、あるいは1つあるいは複数の絶縁性薄膜層によって流体から隔置するかがある(以下を参照)。いずれの場合でも、動作可能に配置される素子は、基材の表面付近に配置される(以下を参照)。電子回路、薄膜層及び基材のさらに別の形態は、このセクション及びセクションIIにおいて後述する。

検定部44の電子回路58は、制御装置12と電気的に接続されることによって、少なくとも部分的に制御される。例えば図3に示しているように、コントローラ22は、接触構造20を介して、28に示すように、カートリッジ14の流体ハンドリング部42上に配置されている接触パッド18と接続することができる。接触パッド18はさらに、60で示すように、電子回路58と電気的に接続することができる。回路58をさらに複雑にし、且つ/又はカートリッジ14上にある個別の接触パッド(あるいは部位)の数を最小限に抑えるために、1つあるいは複数の付加的な集積回路あるいはインターフェース回路が、回路58への中間にある接触パッド18に電気的に接続することができる。こうして、接触パッドは単体で、あるいはインターフェース回路と組み合わさって、カートリッジが制御装置内に設置されるときに、電子回路をコントローラに電気的に接続する相互接続回路を形成する。また接触パッドは、カートリッジ14に、例えば図示されるように、流体ハンドリング部42に配設されている電子情報記憶素子62に接続することもできる。情報記憶素子は、流体ネットワーク構成、貯蔵室内容量、検定能力、検定パラメータのような、カートリッジに関連する情報を格納することができる。別の実施形態では、接触パッド18あるいは他の電気的接続構造物を、流体ハンドリング部42内に収容する代わりに、あるいはそれに加えて、検定部44上に配置することができる。

検定部44は通常、少なくとも部分的に回路58の動作によって、流体ネットワーク48において核酸処理を実施するように構成されている。ここでは、流体ネットワーク48は3つの機能的な区画、即ち濃縮器64と、増幅チャンバ66と、検定チャンバ68とを含むように示されている。以下にさらに詳細に記載するように、これらの機能区画はそれぞれ、核酸の保持及び解放(及びこれらによる濃縮)を容易にし、且つ/又は電極のサブセットに向けて核酸を移動させるのを容易にするための電極を構成要素として含むことができる。濃縮器64及びチャンバ66、68は、図示されるように、異なる区画/流路によって、例えば、一連の区画のアレイとして画定することができる。代替的に、これらの機能区画は部分的に、あるいは完全に重なり合うことができ、例えば1つのチャンバによって全てを設けることができる。

濃縮器64は、予備処理チャンバ54から受容する核酸を濃縮するように構成されている。濃縮器64の電極は、電気的に正にバイアスをかけることができ、一方、流体は流体ハンドリング部42から、濃縮器を通って、流体ハンドリング部42内の廃棄物チャンバ56に戻される。したがって、濃縮器64は、複数の個別のサイトにおいて流体ハンドリング部42に流体連通させることができ(図5〜図11参照)、それにより濃縮器は導管としての役割を果たすことができるようになる。導管によって、濃縮器の流体容量よりもはるかに大きな流量を(2つの流体ハンドリング部の貯蔵室間で)移送できるようになる。この処理ステップは流体を除去し、且つ、例えば正に帯電しているか、帯電していないか、あるいは弱く負に帯電している物質を除去することにより、核酸をある程度精製することができる。

増幅反応を用いて検定感度を上げることにより、増幅チャンバ66を用いて濃縮された核酸の中から1つあるいは複数のターゲット核酸(あるいは複数の核酸)を複製することができる。増幅反応は一般的に、ターゲット核酸の分子の全数(あるいはターゲット種内に含まれるある部位)を増加させる任意の反応を含み、結果として一般的に、核酸全体に対してターゲット核酸が濃縮される。DNAを複製する酵素、DNAからRNAを転写する酵素及び/又はテンプレートによって誘導されるプライマーの連結をおこなう酵素は、増幅反応を媒介することができる。方法及び用いられる酵素にもよるが、増幅には、熱サイクル性のもの(例えば、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)あるいはリガーゼ連鎖反応(LCR))、あるいは等温性もの(例えば、鎖置換増幅(SDA)あるいは核酸配列に基づく増幅(NASBA))がある。これらのうちの何れの方法の場合においても、チャンバ66内の温度制御は、回路58に含まれている薄膜ヒータのようなヒータによって行うことができる。例えば、標識化されたプライマーあるいはヌクレオチドを組み込むことにより、核酸は増幅中に標識化され、検出が容易となる。プライマーあるいはヌクレオチドは、セクションIIにおいて後述され、表1に列挙されているように、色素、放射性同位元素あるいは特異結合部材で標識化することができる。代替的に、核酸は、個別の処理ステップにおいて(例えば、末端転移酵素、プライマー伸長、親和試薬、核酸色素等)あるいはサンプルを入力する前に標識化することができる。そのような個別の標識化は、例えば、十分な量のターゲット核酸が、入力されたサンプル内に含有しており、増幅ステップが省略される場合に適している。

検定チャンバ68は、特定の配列、長さ及び/又は配列モチーフの存在によって核酸を分離あるいは識別する処理ステップを実施することができる。いくつかの実施形態において、検定チャンバは、核酸のための1つあるいは複数の特定のレセプタを含んでいる。レセプタは、ターゲット核酸に特異的に結合する任意の試薬を含むことができる。例示的なレセプタとして、一本鎖核酸、ペプチド核酸、抗体、化合物、ポリマー等がある。レセプタはアレイ内に配置されており、一般的には所定の位置に固定化することができ、結果として、ターゲット核酸をレセプタのうちの1つに結合させることで、検定チャンバ内の所定の位置において、検出可能な信号が発生する。したがって、増幅が利用される場合、増幅された核酸(ターゲット)は、結合を検査するために各レセプタと接触する。以下にさらに詳細に記載するように、レセプタアレイは、ターゲットを該レセプタアレイ上に電気的に濃縮させる電極に隣接して、配置することができる。別の実施形態では、検定チャンバは、例えば、電気泳動及び/又はクロマトグラフィを用いて、寸法に応じてターゲット核酸を分離することができる。代替的に、あるいはそれに加えて、検定チャンバは、例えば分子標識プローブなどの固定化されていないレセプタを設けることができ、且つ/又はレセプタを用いない検出用のサイトを設けることができる。

光学的インターフェース36は、検定部44の任意の適切な場所においてサンプル処理を測定することができる。例えば、上記のように、光学的インターフェースは、増幅チャンバ66内の核酸の増幅を測定するための放出器−検出器対と、検定チャンバ68において処理した後の増幅された核酸の結合及び/又は位置を検出するための放出器−検出器対とを別々に含むことができる。代替的に、あるいはそれに加えて、光学的インターフェースは、チップ流体ネットワーク48中の流体の動きを測定することができる。

図3は、70の太い矢印によって示されるように、サンプル処理中に流体ネットワーク46及び48内を流れる流体(試薬及び/又はサンプル)の動きの例示的な方向を示している。一般的に、流体は、試薬貯蔵室52から、サンプル入力サイト50及び予備処理チャンバ54を通って、廃棄物チャンバ56及び検定部44まで流れる(以下を参照)。流体ハンドリング部42から検定部44に入る流体は、廃棄物チャンバ56に戻されるか、検定部内の他の流体区画に移される。

図4に、制御装置12を用いてカートリッジ14を操作し、サンプル内のターゲット核酸(を分析するための例示的な方法80のフローチャートを示す。最初に、82に示すように、例えば注入によって、サンプルをカートリッジ14のサンプル入力サイト50において導入する(取り込む)ことができる。次に、84に示すように、例えば、導電接触させるためにカートリッジを凹部116に接続することにより、サンプルを含むカートリッジを、制御装置14に電気的に接続することができる。86に示すように、そのような取込み及び接続は逆の順序で実行することもでき、即ち、カートリッジを制御装置に接続した後に、サンプルをカートリッジに導入することもできる。その後、カートリッジは、88に示すように、処理を開始するために起動される。カートリッジは、ユーザインターフェース30を介するユーザからの入力、カートリッジの制御装置への接続、サンプルの導入、且つ/又はその他の行為によって起動することができる。起動後、90に示すように、サンプルは予備処理される。予備処理は一般的には、以下にさらに記載するように、サンプルを予備処理チャンバ54に移動させ、必要に応じて、サンプルを処理して核酸を遊離及び単離する。単離された核酸は、一般的に流体を機械的に流動させることにより、検定部44内の濃縮器64に移され、92に示すように、濃縮される。濃縮された核酸は、対象の核酸をターゲットとするプライマーを用いて、94に示すように、必要に応じて選択的に増幅することができる。次に、増幅された核酸は、96に示すように、例えば、レセプタあるいはレセプタアレイを増幅された核酸に接触させることによって、検定することができる。その後、98に示すように、検定結果を光学的に且つ/又は電気的に検出することができる。

図5は、カートリッジ14の流体ハンドリング部42及び検定部44においてそれぞれ相互に接続される流体ネットワーク46及び48によって形成される例示的な自給式流体ネットワーク102のさらに詳細な図を示している。チャンバは長方形、あるいは円として表されている。チャンバを相互に接続するチャネル104は、平行な線によって表される。図に示しているように、チャネル104は、流体ハンドリング部42と検定部44と間の境界部105を横切る場所において、その2つの部分を流体連通させる。バルブ106は、塗り潰した「ボータイ」(閉じたバルブ)あるいは白抜きのボータイ状の印(開いたバルブ:以下を参照)によって表される。バルブは通常は電気的に駆動し、それゆえ、制御装置12に電気的に接続される(図示せず)。代替的に、あるいはそれに加えて、バルブは、制御装置12上の電気作動式のバルブアクチュエータ/レギュレータによって機械的に操作することができる。例示的なバルブとして、ソレノイドバルブ及びシングルユースバルブが挙げられる。ガス選択ベント108は、終端されたチャネル上にある薄い長方形によって表される(例えば、検定チャンバ68上のベントを参照)。適切なバルブ及びベントは、セクションIIにおいてさらに記載する。

図5は、サンプルを受容し、起動する準備がなされたカートリッジを示している。したがって、カートリッジは、流体を表している点描によって示しているように、試薬貯蔵室52内に試薬を予め取り込んでいる。試薬を予め取り込んでいる試薬貯蔵室52は、適切なpH、緩衝性能、イオン強度、溶媒組成等を有している洗浄溶液110、112を収容することができる。また、1つあるいは複数の貯蔵室52は溶解試薬114を収容することもでき、溶解試薬114には、例えば、カオトロピック剤、高いあるいは低いイオン強度の緩衝剤、1つあるいは複数のイオンあるいは非イオン洗浄剤、有機溶媒等が含まれる。さらに、1つあるいは複数の貯蔵室52は、例えばPCR混合物116などの増幅混合物、あるいは1つあるいは複数の増幅試薬を含有している任意の他の混合物を収容するができる。一般的には、対象の核酸に選択的にハイブリダイズする任意の核酸を増幅試薬として用いることができる。

PCR混合物116は一般的に、適切な緩衝剤、Mg2+、ターゲット核酸を選択的に増幅するための特異なプライマー、dNTP、熱安定ポリメラーゼ等を含有している。1つあるいは複数のプライマー及び/又はdNPTは、上記のように、例えば色素あるいはビオチンで標識化される。PCR混合物116の代わりに、カートリッジによって実施される増幅方法に基づいて、任意の他の適切な増幅混合物を用いることもできる。さらに、RNAを分析するために、PCR混合物は逆転写酵素を含有することもできる。代替的に、一般的には増幅前に、RNAをテンプレートとして用いて相補的なDNAの合成を行うための試薬を、個別の貯蔵室によって供給することができる。

試薬貯蔵室52は、流体を機械的に流動させることにより、流体を搬送するように構成することができる。例えば、試薬貯蔵室52は折り畳み式バッグの構造をとることができ、ばねあるいは他の弾性構造体により各バッグに正圧をかけることができる。代替的に、試薬貯蔵室52はガスで加圧することができる。どのような加圧機構であっても、バルブ106を操作して、各貯蔵室からの試薬の搬送を選択的に制御することができる。セクションIIには、機械的に流体を流動させるための、さらに別の例示的な機構が記載されている。

カートリッジ14は、種々の機能を果たす内部チャンバを構成要素として含んでいる。内部チャンバには廃棄物チャンバ56が含まれ、本形態では、A及びBで示される2つの廃棄物チャンバが含まれている。廃棄物チャンバ56は、試薬貯蔵室52(及びサンプル入力50)から流体を受容し、それゆえベント108を含み、ガスを廃棄物チャンバから排気することができる。内部チャンバ(流路)は、サンプルチャンバ118と、フィルタスタック120と、チップチャンバ64、66、68とを構成要素として含むことができる。サンプルチャンバ118及びフィルタスタック120はそれぞれ、以下にさらに記載するように、サンプルを受容し、それを予備処理するように構成されている。検定チャンバ68は、調整ベント122によって、即ちベント108を制御するバルブ106によって排気することができる。内部チャンバ及び/又はチャネル104のうちのいくつかあるいは全てが、例えば、カートリッジ製造の一部として、適切な流体によって下塗りされる。詳細には、検定部44のチャンバ/チャネルが下塗りされる。それに対して、いくつかのチャンバ及び/又はチャネルは、カートリッジ起動前に下塗りされない場合がある。

図6は、サンプルを取り込んでいる段階におけるカートリッジ14内での流体の動きに関する活動領域を示している。この図、及び図7〜図10では、濃い点描は活動領域を示すのに対して、薄い点描はカートリッジ内の他の場所にある貯蔵室内の試薬あるいは廃棄物を示す。液状サンプルのようなサンプルは、サンプル入力サイト50で取り込まれ、124で示される経路に概ね沿って、サンプルチャンバ118によって受容される。取り込むことができるサンプルの量は、ここでは、サンプルチャンバ118上にあるベント108と、サンプルチャンバ118の容量とによって制限される。一旦、サンプルチャンバ118が満たされたなら、ベント108は、それ以上のサンプルの導入を制限する逆圧を与えることができる。代替的に、あるいはそれに加えて、サンプル容量に達した時点を知らせるために、サンプルチャンバ118内に、あるいはその周囲に、電気的あるいは光学的な流体センサを配置することができる(図示せず)。サンプルチャンバ118の下流にあるバルブ126によって、この時点でサンプルがフィルタスタック120に流れるのを防ぐことができるか、あるいは、例えば、廃棄物チャンバAを通して排出することで、サンプルを、サンプル入力サイト50からフィルタスタック上にそのまま取り込むことができる。

サンプルは任意の適切な形態、例えばセクションIIIにおいて後述する任意のサンプルとし得る。しかしながら、ここに示すカートリッジの実施形態は、核酸127を分析するように構成されているので、サンプルは一般的に核酸、即ちDNA及び/又はRNAを含有しており、即ち核酸を搬送するように懸濁している。核酸127は、組織あるいは生物学的粒子において搬送され、それらからの抽出物内に存在し、且つ/又は部分的にあるいは完全に精製されている。細胞128、ウイルス及び細胞小器官が例示的な生物学的粒子である。取り込まれるサンプルの量は、サンプルの利用性、少量を取り扱うことの容易性、サンプル内のターゲット核酸存在量及び/又はカートリッジ容量等に基づき、任意の適切な量にすることができる。

図7は、サンプルを予備処理している段階における、カートリッジ14内の流体の動きに関する活動領域を示している。溶解試薬114は、バルブ130、132、134を開くことにより、経路129に沿って導入することができる。こうして、溶解試薬は通常は、核酸127を含有しているサンプルを、サンプルチャンバ118からフィルタスタック120にまで搬送する。余分な流体は廃棄物チャンバAに搬送することができる。フィルタスタックは一般的に、核酸の単離、即ちサンプル廃棄物からの少なくとも部分的な分離を行うように構成されており、その分離は少なくとも3つの機能、即ち粒子濾過、サンプルからの核酸の遊離及び遊離された核酸の保持のうちの任意の機能あるいは全ての機能によって行われる。ここでは、廃棄物は、対象の核酸に相当しない、任意のサンプル由来の成分、合成物、凝集物あるいは粒子と定義される。例示的な廃棄物として、細胞片あるいはウイルス片、壊れていない細胞あるいはウイルス粒子、細胞膜、細胞質成分、核酸以外の可溶性物質、核酸以外の不溶性物質、対象ではない核酸等が挙げられる。また廃棄物は、核酸を濃縮するために除去される、サンプル由来の流体を含む。

濾過には、細胞、粒子、細片等を機械的に保持するフィルタによって実行される任意の寸法選択プロセスを用いることができる。したがって、フィルタスタックは、分離処理のためにサンプル粒子(細胞、ウイルス等)を局在化させることができ、カートリッジ流体ネットワーク102内の後続の処理及び/又は流体の流れを妨害する恐れがある微粒子を除去することもできる。この最初の目的のために適したフィルタとして、小細孔膜、繊維フィルタ、細幅チャネル等が挙げられる。1つあるいは複数のフィルタをフィルタスタックに含むことができる。いくつかの実施形態において、フィルタスタックは、流体が流れる方向に沿って除去能が向上する一連のフィルタを含むものもある。そのような一連の配列によって、フィルタが粒子で目詰まりを起こす頻度を低減させることができる。

フィルタスタック120上に保持されているサンプルを、サンプル内の未処理、且つ/又は利用しにくい形態から核酸127を遊離する処理にかけることができる。代替的に、あるいはそれに加えて、遊離処理は、フィルタスタック上にサンプルを保持する前に実行される場合がある。その処理によって、細胞表面、核及び/又はミトコンドリア膜の完全性を変化させることができ、且つ/又は、特に細胞以下の構造体を構成要素に分解することができる。例示的な遊離処理として、圧力変化(例えば、音波又は超音波/パルスあるいはフレンチプレスの場合のようなチャネル細幅化によって生じる圧力降下)、温度変化(加熱及び/又は冷却)、例えば電圧パルスなどの電気的処理、例えば洗浄剤、カオトロピック剤、有機溶媒、高塩あるいは低塩などを用いる化学的処理、流体区画内の突起(スパイクあるいは鋭いエッジ等)が挙げられる。ここでは、核酸を搬送する細胞128から遊離された後の核酸127が示されている。

核酸の保持は一般的にフィルタの下流で実施される。核酸保持は、核酸127を可逆的に結合する保持マトリクスによって行われる。この第2の機能のために適した保持マトリクスとして、特にビーズ、粒子及び/又は膜が挙げられる。例示的な保持マトリクスには、正に帯電している樹脂(イオン交換樹脂)、活性シリカ等を含むことができる。一旦、核酸127が保持されたら、さらに別の溶解試薬あるいは洗浄溶液を、保持された核酸127に流し、保持されていない夾雑物を除去することができる。

図8は、フィルタスタック120から核酸127を遊離し、検定部44の濃縮チャンバ64において、解放された核酸127を濃縮する際のカートリッジ14内の流体の動きに関する活動領域を示している。流体は、110で示される洗浄溶液Aから、サンプルチャンバ118及びフィルタスタック120を通って、流体経路136に沿って、もう1つの廃棄物チャンバ、即ち廃棄物チャンバBまで流れる。経路136に沿って流動を開始するために、バルブ130及び134が閉じられ、バルブ132は開いた状態のまま、バルブ138及び140が開かれる。洗浄溶液Aは、フィルタスタック120内に保持された核酸127を解放するように構成することができる(図7参照)。したがって、核酸127がフィルタスタック内の保持マトリクスによって保持される機構に基づいて、洗浄溶液Aは配合されている。保持されている核酸を遊離するための洗浄溶液は、例えば、流体のpH、イオン強度及び/又は誘電率を変化させることができる。例示的な洗浄溶液は、高いあるいは低いpH、高いあるいは低いイオン強度、有機溶媒等を含有している。予備処理によって、サンプルに由来する核酸の第1段階の濃縮及び精製が行われる。

遊離された核酸127は、濃縮チャンバ64においてさらに濃縮(及び精製)することができる。濃縮チャンバ64は通常検定部44内に形成されており、1つあるいは通常複数の電極を備える。その電極のうちの少なくとも1つは、遊離された核酸が濃縮チャンバ64に入る前に、あるいは入る際に、電気的に(正に)バイアスをかけることができる。結果として、濃縮チャンバ64内に流入する核酸127は、正にバイアスをかけられた電極に引き付けられ、それにより保持される。核酸127を搬送する大量の流体と、それに加えられる洗浄溶液Aは、廃棄物チャンバBまで継続して流すことができる。したがって、核酸127は濃縮され、濃縮チャンバ64内に保持されることによってさらに精製される。この核酸127の濃縮によって、検定部44は非常に小さな容積の流体区画、例えば、約1マイクロリットル未満の流体容量を有し、処理が行われる区画を有することができる。電極の構造、数、配置及びコーティングのさらなる態様を以下に記載する。

図9は、濃縮された核酸を検定部44の増幅チャンバ66に移送する段階における、カートリッジ14内の流体の動きに関する活動領域を示している。図示するように、通常流体は、PCR混合物116を保持しているチャンバ52から、流体経路142に沿って、増幅チャンバ66まで流れる。経路142に沿って流体を流動させるために、濃縮チャンバ64において保持用の正のバイアスが電極から除去されたときに、バルブ138及び140が閉じられ、バルブ144及びベントバルブ122が開かれる。PCR混合物116は、流体を流動させることにより核酸127を搬送することができる。代替的に、増幅チャンバ66内の電極に正のバイアスがかけられ(以下を参照)、PCR混合物116が予め取り込まれている増幅チャンバ66に、核酸127を電気泳動によって移送することができる。いずれの場合でも、増幅チャンバ66からの、及び検定チャンバ68への余分な流体の流れは、例えば、接続用のチャネル146内の流体レベルを監視し、ベントバルブ122を閉じる適切な時点を知らせる電気あるいは光センサ(図示せず)によって制限することができる。いくつかの実施形態において、核酸127を増幅チャンバ66に移動させる前には、濃縮チャンバ64は、PCR混合物116によってある液面が保持されている。例えば、濃縮チャンバ64内の保持用の正のバイアスが解除されベントバルブ122が開く前は、PCR混合物116は、開いているバルブ140を通って廃棄物チャンバBに誘導される。増幅チャンバ66内に位置する核酸127は、例えば、核酸127中の対象の核酸ターゲット(あるいはターゲット部位)147の量を選択的に増加させるために、等温インキュベーションあるいは熱サイクルによって増幅するか、場合によっては、増幅されないままとし得る。

図10は、増幅された核酸147を検定部44の検定チャンバ68に移送する段階における、カートリッジ14内の流体の流れに関する活動領域を示している。流体は、洗浄溶液Bを保持するチャンバ52から検定チャンバ68まで流体経路148に沿って流れる。流体経路148は、バルブ150及びベントバルブ122を開くことにより開通させることができる。検定チャンバ68は、例えば、ベントバブル122上のベント108によって、あるいは、特に流体の位置を監視し、バルブ150を閉める信号を発するセンサによって、溢れないように制限することができる。上記のように、核酸127及び増幅されたターゲット核酸147は、流体を流動させることにより、且つ/又は検定チャンバ68内に配置されている電極を用いて電気泳動させることにより移送することができる(以下を参照)。いくつかの実施形態では、ベントバルブ122を閉じ、バルブ140、150を開き、それにより、洗浄溶液Bを増幅チャンバ66及び濃縮チャンバ64を通して廃棄物チャンバBに誘導することにより、増幅チャンバ66は最初に洗浄溶液Bによって液面が保持されている。代替的に、あるいはそれに加えて、増幅された核酸147は、検定溶液が予め取り込まれている検定チャンバ68に電気泳動により移送することができる。

増幅されたターゲット核酸147(及び単離された核酸127)は、検定チャンバ68において検定することができる。例えば、検定チャンバ68は、セクションIIにおいて記載するように、核酸を同定及び/又は定量するために配置されている1つあるいは複数のレセプタ(位置アレイ)を備えることができる。増幅された核酸147のレセプタへのハイブリダイゼーションは、検定チャンバ68内のレセプタ付近に配置されている電極によって促進することができる。この電極は、増幅された核酸をアレイの個々の要素(あるいは小群)に誘導するため、順に正のバイアスをかけることができる。特異的結合あるいはハイブリダイゼーションを可能にするために、増幅されたターゲット核酸147を、アレイの多くの場所あるいは全ての場所に電気泳動により移動させた後に、結合されていない、あるいはハイブリダイズされていない核酸を、電気泳動により、及び/又は流体を流動させることにより除去することができる(ここでは示していない)。

図11及び図12は、検定部44の特定の形態を示しており、それぞれ外部カートリッジ14からみた平面図、及び断面図を示す。検定部44は基材部分158を含んでいる。基材部分158は、検定部の流体区画を少なくとも部分的に画定している。基材部分は基材160を含むことができる。また基材部分は、基材上に形成されており、基材の表面162付近に配置されている電子回路58及び/又は薄膜層を含むこともできる。回路の薄膜電子素子及びネットワーク48の流体区画はそれぞれ、基材の共通の表面付近に配置することができ、それによって電子素子は流体ネットワークの領域に近接して並置され、且つ/又は流体連通させることができる。したがって、薄膜素子は、流体ネットワーク48内の流体(あるいはサンプル/分析物)の特性を変化させ、且つ/又は検出するように構成することができる。基材160のための例示的な材料はシリコンであり、通常単結晶シリコンを用いることができる。他の適切な基材材料及び特性は、セクションIIにおいて後述する。

流体ネットワーク48、あるいは1つあるいは複数の流体区画からなる流体連通している流体空間は、基材の表面162付近に、基材部分158及び流体障壁163を用いて、共に画定することができる。流体空間は、基材部分と流体障壁との間に流体を保持するための全流体容積を決定することができる。用語「共に画定する」は、流体空間あるいはそれら流体区画を、概ね(あるいは完全に)基材部分158と流体障壁163との間に配置することを意味する。流体障壁163には、流体が、流体ネットワーク48あるいはそれら流体区画から障壁を通って装置の外部に実質的に散逸する、あるいは出るのを防ぐ任意の構造を用いることができる。流体が実質的にカートリッジから出るのを防ぐとは、流体の液滴、小滴あるいは液流が流体障壁を通って装置から離れることがないことを意味する。したがって、流体障壁は、流体ネットワーク48を装置の外部領域に流体連通させる開口部を有しない。また流体障壁は、流体障壁と基材部分との間の接合部に画定される境界を流体連通させないように封止して、その接合部において流体が実質的にカートリッジから出るのを防ぐこともできる。通常は、流体障壁は、流体ネットワーク48から流体が蒸発して損失するのも制限する。

流体ネットワーク48は以下のように形成することができる。基材160及び/又は回路58の表面162によって、流体ネットワーク48の底壁164が画定される。パターニングされたチャネル層166が、表面162及び底壁164上に配置され、側壁168を画定することができる。チャネル層166は、限定はしないが、ネガフォトレジストあるいはポジフォトレジスト(例えば、SU−8あるいはPLP)、ポリイミド、ドライフィルム(例えば、デュポン社のRiston)及び/又はガラスをはじめとする、任意の適切な材料から形成することができる。チャネル層166をパターニングするための方法には、フォトリソグラフィ、微細機械加工、成形、スタンピング、レーザーエッチング等が挙げられる。カバー170は、底壁164から離隔してチャネル層166上に配置され、電子回路58から離隔して流体ネットワーク48の上側領域を封止することができる(図12参照)。カバー170は、例えばチャネル層166に結合されているか、さもなければチャネル層166に取り付けられている層などの、チャネル層166から分離している構成要素であるか、又はチャネル層166と一体に形成することができる。いずれの場合でも、流体障壁163は、流体が流れて、カートリッジから散逸しないように封止されている反対側の壁部171も構成要素として含んでいる。カバー170は、検定がカバーを介して光学的に検出されるときには透明であり、例えば、ガラスあるいは透明なプラスチックを用いることができる。代替的に、カバー170は、検定が電気的に検出されるときには、不透明にすることができる。流体ネットワーク48は、上記のように、空間的に個別のチャンバ64、66、68を含み、個別の処理を実行することができ、且つ/又は個別の処理を共用の流体区画において実行することもできる。

回路58の少なくとも1つの薄膜部分は、基材160の表面162上に形成されており、且つその表面によって支持されている。回路は通常は、1つあるいは複数の電子回路を少なくとも部分的に画定する薄膜層を含んでいる。回路は、流体ネットワーク48内の流体と接触する電極172を構成要素として含むことができる。電極及び他の薄膜素子(セクションII参照)は、一般的に、基材上に形成されている、即ち表面162の上及び/又は下に形成されている半導体回路(信号処理回路を含む)を介して、電気的接触パッド174(図11参照)に電気的に接続することができる。所与の数の接触パッド174は、著しく多くの数の電極及び/又は他の薄膜素子を制御することができる。好ましい実施形態では、接触パッド174は、フレキシブル回路の場合のように接触部18に電気的に接続される。

電極172は、任意の適切な組成、分布及びコーティングを有することができる。電極172に適した材料は、金属、金属合金あるいは金属誘導体のような導電性材料である。例示的な電極材料として、金、プラチナ、銅、アルミニウム、チタン、タングステン、金属シリサイド等が挙げられる。回路58は、流体ネットワーク48の底壁164に沿った1つあるいは複数のサイトにおいて電極を備えることができる。例えば、ここで示しているように、電極は、濃縮器64の場合のようにチャネル/チャンバに沿った1つの列にて、及び/又はチャンバ66、68の場合のように2次元のアレイにて、複数の個別ユニットとして配列することができる。代替的に、あるいはそれに加えて、電極172は細長くするか、あるいは任意の他の適切な形状を有することができる。各電極172は、個々に正又は負のいずれかに電気的にバイアスをかけられ、核酸を引き付けるか、反発するようにするか、又は、電気的にバイアスをかけない場合もある。核酸の望ましい保持、且つ/又は核酸の流動方向に基づいて、制御装置12及び/又はカートリッジ14によって任意の適切な空間的、時間的に調整された方法を用いて、電気的にバイアスをかけることができる。電極172は浸透層によって被覆することができ、それによって流体及びイオンは流体区画内の電極に到達できるが、より大きな分子(例えば核酸)は電極と直に接触しないようにすることができる。そのような直接の接触は、核酸に化学的に損傷を与える場合がある。適切な電極被覆物は、例えば、特にヒドロゲル及び/又はゾルゲルを含有し、スパッタリング法、スピンコーティング法のような任意の適切な方法によって適用することができる。被覆物の例示的な材料として、例えば、ポリアクリルアミド、アガロース及び/又は合成ポリマーが挙げられる。

検定部44は、流体ハンドリング部42と流体連通している。この接続のために、任意の適切な境界流路(あるいは単一の流路)を用いて、カートリッジの流体ネットワーク46、48を接続することができる。そのような流体連通させる接続によって、流体区画に関して流体を輸送できる、即ち、流体区画へ輸送したり、及び/又は流体区画から輸送したりすることができる。

流体ネットワーク46、48は、基材160及び/又は流体障壁163によって空間的に分離することができる。基材160によって分離される場合、境界流路は、流体ネットワークを接続させるために、一般的に基材160の表面162から反対側の表面176まで基材160を貫通して延在している。境界流路は、流体が移動する経路を画定する給送構造として図示されている。代替的に、あるいはそれに加えて、1つあるいは複数の境界チャネルは、基材160のエッジ178を迂回して延在し(図11)、流体ネットワーク46に接続することができる(図5〜図10)。例えば、境界チャネルは、チャネル層166及び/又はカバー170を貫通して延在し、カートリッジから大量の流体が流出しないように封止することができる。別の実施形態では、流体ネットワーク46、48は、基材160によってではなく、流体障壁163によって空間的に分離することもでき、いくつかの、あるいは全ての境界チャネルが同様に流体障壁163を貫通して延在し、流体ネットワーク46と流体連通している。

図示する実施形態では、180a〜180eと符号が付された境界流路は、基材の反対側の表面まで基材160を貫通して延在している(図10〜図12参照)。境界流路180は、流体ハンドリング部の任意の流体区画を流体ネットワーク48の流体区画に、一般的にその2つの部分の流体コンジットあるいはチャンバに直に接続することによって、流体連通させる。例えば、境界流路180は、試薬貯蔵室52を検定部44のチャンバ(64〜68)に、検定部のチャンバを廃棄物チャンバに、予備処理チャンバ120を検定部のチャンバに、検定部の2つ以上のチャンバを互いに(図示せず)、サンプル入力サイト50を検定部のチャンバに直に(同様に図示せず)、及び/又は検定部のチャンバをバルブ及び/又はベント(例えばバルブベント122)に接続することができる。検定部の個々の区画は、任意の適切な数の境界流路180に直に接続することができる。本形態では、濃縮チャンバ64は180a〜180cの3つを有し、増幅チャンバ66及び検定チャンバ68の各々が、それぞれ180d及び180eの1つを有している。

図12は、境界流路180eが、検定部44を流体ハンドリング部42に如何に流体連通しているかを示している。境界流路180eは、流体を、流路182に沿って、検定チャンバ68からバルブベント122に搬送するように構成されている(図10参照)。境界流路は、流体を、流体ハンドリング部42の1つの流路(あるいは複数の流路)104に搬送することができる。各流路104は、流体を流体ハンドリング部42内の1つあるいは複数のチャネル104に誘導し、且つ検定部44内の1つあるいは複数の流体区画に誘導する流体マニホルド184を介して、境界流路180に接続することができる。したがって、検定部44は、例えば、接着剤186を用いて、流体マニホルド184に固定して取り付けることができる。

境界流路の直径を、その長さ(一般的に、流体が流れる方向に平行に測定される)に沿って変化させることができる。例えば、境界流路180eの直径は、流体を送出するための開口部188を形成するために、基材160によって画定される中間領域内よりも、基材160の表面162に隣接するチャネルの端部領域においての方が小さい。開口部は、流体区画へ、及び/又は流体区画から流体を誘導することで、流体を輸送することができる。開口部188は通常流体区画に隣接している。流体区画は、流体障壁によって少なくとも部分的に画定され、流体が、その区画から局部的にマイクロ流体デバイスを出ることができないように、即ち流体障壁を通って直に外部に出ることができないように構成されている。流体区画は、基材部分と流体障壁との間で共に画定するができる。開口部は、薄膜層190が基材160と接触しないオーバーハング(あるいは棚状部)192を形成する周辺領域を含むことができる。開口部188は、任意の適切な直径、即ち約1μm〜100μmの直径を有することができる。開口部あるいは穴によって、基材によって画定される境界流路領域そのものによるよりも、より制限された流体の流れを供給することができる。開口部188は、基材160の表面162上に形成されている1つあるいは複数の薄膜層190内に形成される開口部によって画定される。薄膜層190は通常薄く、即ち基材160の厚みよりも著しく薄く、セクションIIにおいて記載するような厚み及び/又は機能的な役割を有することができる。

図13〜図19は、例示的な検定部製造法を用いて、検定部44内の境界流路180e、開口部188及び検定チャンバ68を形成する各段階を示している。当該方法は、薄膜堆積及びパターニングステップを包含する。ここでは、パターニングは、概ね、例えば薄膜層の種々の領域を光に選択的に露出した後の、薄膜層のパターン化された除去処理を意味する。

図13は、検定部に適した開始材料、即ち反対側にある表面162、176が概ね平坦な基材160を示している。ここに示す方法は、例えば約0.1〜2mm、あるいは0.2〜1mmの厚みを有する薄いシリコン基材を用いて実施することができる。基材は、薄膜層190を追加中及び/又は追加後に、通常は追加前に、トランジスタ、FET、バイポーラ素子及び/又は他の半導体電子素子(図示せず)を形成するn及びpドープ領域を含むように変性することができる。

図14は、基材160の表面162上に薄膜層190を適用し、パターニングした後の検定部を示している。薄膜層190は、回路58の導電性部分を形成し、且つ/又は保護するために用いられる任意の適切な薄膜を含有することができる。薄膜層は、導電性材料(例えば、電極、及び素子間の導電性接続を形成するためのもの)、半導体材料(例えば、n及びpドープ材料を用いてトランジスタを形成するためのもの)及び/又は絶縁性材料(例えば、パッシベーション層)から形成することができる。薄膜層は従来法によって適用され、パターニングすることができる。薄膜層190のうちの少なくとも1つは、開口部188の周辺部194を画定するようにパターニングされる。

図15は、パターニングされていないチャネル層196が、薄膜層190及び開口部188上に付着した後の検定部を示している。チャネル層196は、適切な厚み、通常は約1〜200μm、さらに通常は2〜100μm、さらに好ましくは5〜50μmで適用することができる。チャネル層196(及び流体障壁)のための例示的な材料は既に記載している。

図16は、エッチマスク198が基材160の反対側の表面176に加えられた後の検定部を示している。エッチマスクは適切な厚みの層として適用され、局部的な領域において選択的に除去されて、開口部200を画定することができる。開口部200は、任意の適切な直径を有することができるが、通常は開口部188の直径よりも大きい直径を有する。開口部200は開口部188の反対側に配置され、それによって開口部200を薄膜層190に突出させることにより、基材内に、開口部188の周囲を包囲することができる対応するチャネルあるいは貫通孔201が形成される。

図17は、境界流路180eの基材領域が形成され、エッチマスク198が除去された後の検定部を示している。基材160は、開口部200(図16参照)によって画定される容積に沿って面176から概ね直交する方向にエッチングされ、チャネル201を形成することができる。任意の適切なエッチング手順を用いて、境界流路180eの基材部分を形成することができるが、通常は、ディープ反応性イオンエッチング(DRIE)が用いられる。薄膜層190のうちの1つあるいは複数の層がエッチストップとしての役割を果たすことができ、結果として、オーバーハング領域192が形成される。エッチング後、マスクは反対側の表面176から剥離されるか、その表面上に残すことができる。

図18は、パターニングされていないチャネル層196の種々の領域が選択的に除去され、パターニングされたチャネル層166が形成された後の検定部を示している。選択的な除去は任意の適切なプロセス、例えば、層196をフォトパターニングし、その後、フォトパターニングされた層を現像、あるいはレーザーアブレーションすることで実施することができる。

図19は、カバー170を取り付けた後の、しかしながらマニホルド184を介して検定部を流体ハンドリング部42に付加する前の、完成した検定部44を示す。カバー170は、例えば接着、加熱及び加圧、陽極結合、音波溶接及び/又は従来法などの任意の適切な方法によって、流体障壁166に取り付けられることができる。

図20は、検定部204内に形成されているチップ内流路202のやや概略的な図を示している。チップ内流路202は開口部188を通って、基材160に入り、基材160から出ることができ、反対側の表面176までは延在しない。それゆえ、チップ内流路202は、カートリッジの部分42と44との間に延在している境界流路180とは異なる。チップ内流路202を用いて、基材部分158及び流体障壁208によって共に画定されるチャンバ206間で流体を送出することができる。代替的に、あるいはそれに加えて、チップ内流路を用いて、流体を混合し(以下を参照)、反応あるいは検定等を実施することができる。

図21〜図23は、例示的な方法を用いて、検定部204内にチップ内流路202を形成する各段階を示している。材料及び処理ステップは、概ね図12〜図19の場合に記載されたようなものである。図21は、薄膜層190が基材160の表面162上に形成され、パターニングされて、複数の開口部188が形成された後の製造段階を示している。図22は、開口部188の下側にある基材160を異方性エッチングし、基材の窪みあるいは溝210を形成した後の検定部を示している。代替的に、溝210は等方性エッチングによって形成することができる。いずれの場合でも、エッチャントは開口部188を通って基材160に到達し、薄膜層190に切り込みを入れ、それによって各開口部188の下に配される局部的な窪み212を合体して1つにすることによって、溝210を形成することができる。したがって、開口部188は通常は、基材160のエッチング中に窪み212が流体連通できるほど十分に近接して配置される。図23は、流体障壁208を用いてチャンバ206を形成した後の検定部204を示している。本形態では、流体障壁208は、チャンバ側壁を画定するチャネル層166と、チャンバ206の上側を封止するカバー170を構成要素として含んでいる。薄膜層190によって画定され、溝210を形成するために用いられる開口部188のうちの1つあるいは複数の開口部は、チャネル層166によって閉塞することができる。例えば、本形態では、中央の開口部が、214で示すように、チャネル層166によって封止されている。

図24は、マニホルドチャネル218を有している検定部216を示している。マニホルドチャネル218は、薄膜190内の2つ以上の開口部188に流体連通している基材貫通流路である。本形態では、開口部188はマニホルドチャネル218を2つのチャンバ206に流体連通させている。別の形態として、マニホルドチャネル218は、検定部の流体ネットワーク内にある任意の適切な数の区画に流体連通させることができる。マニホルドチャネル218を用いて、例えば、流体ハンドリング部42から(あるいは流体ハンドリング部42へ)流体を受容する(あるいは送出する)ことができ、例えば、チャンバ206の一方あるいは両方に(チャンバ206の一方あるいは両方から)流体を送出する(受容する)ことができる。またマニホルドチャネル218を用いて、図20に示すように、チャンバ206間で流体を誘導することもできる。マニホルドチャネル218を形成するための例示的な方法は、図22において溝210を形成した後の、図15〜図19に概説される手順による。

図25は、混合チャンバ232を含む検定部230の部分的な平面図である。混合チャンバ232は、複数の開口部236(ここでは、6つの入口開口部と1つの出口開口部とが図示されている)において薄膜層の下側に形成される、図22の溝210に類似の溝234を有する。溝234は、複数の入口チャネル238、240によって検定部230の流体ネットワークから流体を供給され、入口チャネルは矢印によって示される経路に沿って流体を入口開口部に搬送する。各チャネルは、流体、一般的には異なる流体を溝234に誘導し、溝に沿った交互配置の形状を用いて、溝内の複数のチャネルからの流体を混合できるようにする。混合された流体は、242で示されるように、出口開口部236において溝234を出て、その流体は検定部230の流体ネットワークの出口チャネル244に戻される。別の実施形態では、任意の適切な数の入口及び出口チャネルを、任意の適切な数の開口部236を介して、混合チャンバ232に接続することができる。

図26は、検定部44の選択された部分、特に薄膜層190をさらに詳細に示している。例示的な薄膜190は、基材160から形成されるフィールド酸化膜(FOX)層252と、FOX層252上に配置されるPSG(phosho−silicate glass)層254とを含むことができる。FOX層252は、加熱作用を断熱するための熱障壁を提供する。PSG層254は、255で示されるように、開口部188から後退しており、流体が、腐蝕作用を有するPSG層と接触するのを避けることができる。したがって、PSG層254は流体と接触する開口部188よりも大きな直径を有する、保護された開口部を画定する。また薄膜は、タンタルアルミニウム(TaAl)のような任意の適切な抵抗性材料から形成されている抵抗層256も含むことができる。電流は、アルミニウムあるいはアルミニウム合金(図示せず)のような任意の適切な導電性材料から形成される、接続された導体から抵抗層256内に流れる。抵抗層は熱を発生し、その熱は、特にFOX層252によって基材160とは断熱することができる。1つあるいは複数のパッシベーション層258がこれらの薄膜を覆うことができる。パッシベーション層に適した材料として、例えば窒化シリコン(Si)あるいはシリコンカーバイド(SiC)が挙げられる。電極、トランジスタ及びダイオードのような、基材表面の上及び/又は下に配置することができる、さらに別の電子回路造作物はここでは示されていない。

II. マイクロ流体システム
サンプルを操作し、且つ/又は分析するためのマイクロ流体システムが提供される。マイクロ流体システムは概して、非常に少量の流体(液体及び/又は気体)のサンプルを受容し、操作し、分析するための装置及び方法を含んでいる。少量の流体は1つあるいは複数の流路によって搬送され、その流路のうちの少なくとも1つは通常は約0.1〜500μm、さらに通常は約100μmあるいは50μm未満の断面寸法あるいは深さを有している。マイクロ流体デバイスは、任意の適切な全流体容積を有することができる。したがって、マイクロ流体デバイス内の1つあるいは複数の領域における流体は、一般的に低レイノルズ数によって特徴付けられる、乱流が最小限の層流となる。

流体区画は、マイクロ流体デバイス内に流体連通して接続されることができる。流体連通している又は流体連通して接続されるとは一般的に、区画間を流体を連絡させる経路がデバイス内に存在することを意味する。その経路は常に開いているか、開閉するバルブによって制御することができる(以下を参照)。

種々の流体区画は、マイクロ流体デバイス内で流体を搬送し、且つ/又は保持することができ、デバイスによって包囲されている。流体を搬送する区画は流路である。流路には、例えばチャネル、処理チャンバ、開口部あるいは表面(例えば、親水性、帯電等)などの、マイクロ流体デバイス内において流体が移動する経路を決定する任意の画定された経路あるいはコンジットが挙げられる。流路へ送出するために、あるいは流路から受容するために、流体を保持する区画は、チャンバあるいは貯蔵室と呼ばれる。多くの場合に、チャンバあるいは貯蔵室は、そこを通して流体を流すことのできる流路でもある。流体連通しているマイクロ流体デバイス内の流体区画は、流体ネットワークあるいは流体空間を形成し、それらは分岐される場合もあり、分岐されない場合もある。ここに示すようなマイクロ流体デバイスは、単一の流体連通している流体ネットワーク、あるいは複数の個別の流体連通していない流体ネットワークを含むことができる。複数の個別の流体ネットワークを用いる場合、その装置は、同時に及び/又は次々に、複数のサンプルを受容し、操作するように構成することができる。

チャンバは、末端チャンバ及び中間チャンバとして大きく分類することができる。末端チャンバは一般的に、流体ネットワークにおいて流体を移動させるための始点あるいは終点と定義することができる。そのようなチャンバは、例えば、装置の製造あるいは準備中に試薬を受容する、外部環境とのインターフェースとして機能するか、あるいはマイクロ流体デバイス内の流路からのみ流体を受容することができる。例示的な末端チャンバは、処理されたサンプル、試薬及び/又は廃棄物を受容し、且つ/又は収容する貯蔵室として機能することができる。末端チャンバは、サンプル分析前に、且つ/又はサンプル分析中に流体を取り込むことができる。中間チャンバは、流体ネットワーク内の中間的な位置にあり、それゆえ、サンプル分析中に処理、反応、測定、混合等のための流路として機能することができる。

マイクロ流体デバイスは、流体ネットワーク内の流体あるいは流体成分を押し出し、且つ/又は吸い込むための1つあるいは複数のポンプを構成要素として含むことができる。各ポンプには、例えば機械駆動式(圧力媒介)ポンプあるいは電磁ポンプを用いることができる。機械駆動式ポンプは、正圧によってネットワークの中に流体を押し出すことができる。その圧力はばね、加圧された気体(システムの内部あるいは外部から供給される)、モータ、シリンジポンプ、空気ポンプ、蠕動ポンプ等によって与えられることができる。代替的に、あるいはそれに加えて、圧力駆動式ポンプは、負圧によって、即ち、減圧された領域に向かって流体を吸い込むことができる。電磁あるいは電気駆動式ポンプは電界を用いて、電気泳動、電子浸透、電気毛管現象等によって流体及び/又は流体成分を流動させることができる。いくつかの実施形態において、微細機械加工によって製造されるマイクロポンプ、例えば、圧電の動力によって流動させるダイアフラムポンプを用いることができる。

ここに示すマイクロ流体デバイスはまた、バルブも含むことができる。バルブは一般的に、流体ネットワーク内を通る流体の流れを調整するための任意の機構を有し、例えば、双方向バルブ、チェックバルブ及び/又はベントがある。例えば、バルブは、流体が流路内に流れるのを阻止したり、可能にしたりする、即ちバイナリスイッチとして、及び/又は流速を調整するために用いることができる。したがって、バルブを操作することによって、例えば、流体ネットワークのアクティブな部分を選択したり、流体ネットワークの1つあるいは複数の部分を離隔することができ、且つ/又は実施される処理ステップを選択することができる。それゆえ、バルブは、流体、試薬及び/又はサンプルを、ある流体区画から流体ネットワークの所望の領域に搬送するように配置され、操作される。適切なバルブは、例えば、可動ダイアフラムあるいは可動薄膜、圧縮することのできる流路壁あるいは可動流路壁、ボールバルブ、スライドバルブ、フラップバルブ、バブルバルブ及び/又は不混和流体を構成要素として含むことができる。そのようなバルブは、ソレノイド、モータ、圧力(上記を参照)、ヒータ等によって操作することができる。

適切なバルブとして、従来の製造方法によって薄膜電子素子(以下を参照)に沿って基材上(あるいは基材内)に形成されるマイクロバルブを用いることができる。マイクロバルブは、例えば、静電力、圧電力及び/又は熱膨張力によって駆動することができ、内部あるいは外部にアクチュエータを有することができる。静電バルブは、例えば、基材内に形成されている穴を覆うように動作することができるポリシリコン膜あるいはポリイミドカンチレバーを構成要素として含んでいる。圧電バルブは、バルブアクチュエータと反対方向に膨張する外部(あるいは内部)の圧電ディスクあるいは圧電ビームを構成要素として含んでいる。熱膨張バルブは、ダイアフラムによって仕切られている封止された圧力チャンバを構成要素として含んでいる。チャンバを加熱することにより、ダイアフラムがバルブシートと反対方向に膨張する。代替的に、熱膨張バルブはバブルバルブを含むことができる。バブルバルブは、流体を加熱するヒータ素子によって形成することができ、流路内に気泡を形成して、その気泡が流路の中を流体が流れないように阻止する。加熱を中断することにより、気泡が減少し、流体が流れるようになる。マイクロバルブは可逆的に、即ち開閉することができるか、実質的に不可逆な、即ち開閉のいずれかのみが可能なシングルユースバルブにすることができる。例示的なシングルユースバルブは、流体流路内の感熱性障害物、例えばポリイミド層である。そのような障害物は、加熱する際に破壊あるいは変性され、流体が流れるようになる。

ベントは、例えば、流体がある流体区画に入る結果として生じる排気ガスを放出できるようにするために用いられる。適切なベントは、ガスは通過できるが、親水性液体の通過を制限する疎水性膜を構成要素として含んでいる。例示的なベントはゴアテックス膜である。

ここに記載しているようなマイクロ流体デバイスは、3つのステップ、即ち入力、処理及び出力を実行あるいは調整するように構成することができる。これらのステップは一般的に、所与のサンプル毎に順番に実行されるが、複数のサンプルが装置に入力される場合には非同期に実行される場合もある。

入力では、マイクロ流体デバイスのユーザは、外界からマイクロ流体デバイスにサンプルを導入できる。したがって、入力は外界とデバイスとの間のインターフェースを必要とする。それゆえ、そのインターフェースは通常はポートとして機能し、インターフェースとしてセプタム、バルブ等を用いることができる。代替的に、あるいはそれに加えて、サンプルを、デバイス内で試薬から合成することができる。試薬は、ユーザによって、あるいは装置の製造中に導入することができる。好ましい実施形態では、試薬は製造中に導入され、デバイスあるいはカートリッジ内に封止される。

その後、入力されたサンプルは処理される。処理は、サンプルの組成、濃度及び/又は温度のようなサンプルの物理的あるいは化学的特性を変性する任意のサンプル操作あるいは処理を含むことができる。処理によって、入力されたサンプルを、サンプル内の分析物の分析に、より適した形態に変性することができ、反応を介してサンプルの形態を照会することができ、サンプルを濃縮させることができ、信号強度を高めることができ、且つ/又はサンプルを検出可能な形態に変換することができる。例えば、処理ステップによって、入力されたサンプルからの1つあるいは複数の分析物を抽出あるいは解放(例えば、細胞あるいはウイルスから)し、分離し、精製し、濃縮し、且つ/又は高濃度化(例えば、増幅による)させることができる。代替的に、あるいはそれに加えて、処理ステップによって、サンプルあるいはその分析物を物理的、化学的及び/又は生物学的に変性するために、サンプルあるいはその分析物を処理することができる。例えば、処理ステップは、色素で標識化することにより、あるいは酵素又は基質、検査試薬あるいは他の反応性物質と反応させることにより、サンプル/分析物を化学的に変性することができる。同様に、あるいは代替的に、処理ステップは生物学的、物理的あるいは化学的条件あるいは媒介物によって、サンプル/分析物を処理することを含むことができる。例示的な条件あるいは媒介物には、例えば、ホルモン、ウイルス、核酸(例えば、トランスフェクションによる)、熱、放射線、超音波、光、電圧パルス、電界、粒子照射、洗浄剤、pH及び/又はイオン強度が挙げられる。代替的に、あるいはそれに加えて、処理ステップは分析物の選択的な配置を含むことができる。分析物を選択的に配置する例示的な処理ステップとして、毛管電気泳動、クロマトグラフィ、親和性基質への吸着、1つあるいは複数の配置されているレセプタへの特異結合(例えば、ハイブリダイゼーション、レセプタ−リガンド相互作用等による)、分類(例えば、測定された信号に基づく)等が挙げられる。

出力はサンプル処理後に実行することができる。マイクロ流体デバイスは、分析及び/又は調製の目的で用いることができる。したがって、出力には、一般的に、マイクロ流体デバイスから任意のサンプル関連信号あるいは物質を得ることが包含される。

サンプル関連信号には、処理されるサンプルに直接的及び/又は間接的に関係しており、且つマイクロ流体デバイスから、あるいはマイクロ流体デバイスによって測定される検出可能な信号が含まれる。検出可能な信号として、例えば、アナログ値及び/又はデジタル値、一価あるいは多価、時間依存値あるいは時間非依存値(例えば、定常値あるいは終点値)及び/又は平均値あるいは分布値(例えば、時間的及び/又は空間的)を用いることができる。

検出可能な信号は、数ある検出方法の中で、光学的及び/又は電気的に検出することができる。検出可能な信号には、例えば、吸光度、ルミネッセンス(蛍光、エレクトロルミネッセンス、生物発光、化学発光)、回折、反射、散乱、円偏光二色性及び/又は旋光度のような光学信号を用いることができる。適切な蛍光方法は、例えば、蛍光共鳴エネルギー転移(FRET)、蛍光寿命(FLT)、蛍光強度(FLINT)、蛍光偏光(FP)、内部全反射蛍光(TIRF)、蛍光相関分光(FCS)、光退色後の蛍光再生(FRAP)及び/又は蛍光標識式細胞分取(FACS)を含むことができる。光学信号は、非位置値、あるいは1組の値として測定することができ、及び/又は、例えば、電荷結合素子の場合のように、イメージング方法を用いて測定されるような空間的情報を有している。いくつかの実施形態において、検出可能な信号として、例えば、搭載されるフォトダイオードが発生する光電子信号を用いることができる。他の検出可能な信号は、表面プラズモン共鳴法、核磁気共鳴法、電子スピン共鳴法、質量分析法等によって測定することができる。代替的に、あるいはそれに加えて、検出可能な信号として、電気信号、即ち測定される電圧、抵抗、コンダクタンス、キャパシタンス、電力等を用いることができる。例示的な電気信号は、例えば、分子結合事象(例えば、核酸二本鎖形成、レセプタ−リガンド相互作用等)として、細胞膜にわたって測定することができる。

いくつかの実施形態において、マイクロ流体デバイスは、サンプルを調製するために用いることができる。出力されるサンプル関連物質として、処理後にデバイスを出る1つあるいは複数の任意の化学的あるいは生物学的化合物、ポリマー、凝集物、混合物、集合物及び/又は生物が挙げられる。そのようなサンプル関連物質は、例えば、化学的に変性(合成)され、生物学的に変性、精製され、且つ/又は選別された、入力サンプルの誘導体であり得る。

マイクロ流体デバイスは、セクションIにおいて例示しているように、流体をハンドリング(且つ収容)するための部分、及び検定を行うための部分として、個別の構造的な部分を構成要素として含むことができる。これらの部分は、個別の処理及び/又は操作ステップを実行するように構成することができる。流体ハンドリング部は、検定部から離隔して形成され、検定部の流体ネットワークあるいは流体空間よりも大きな3次元寸法の流体ネットワークあるいは流体空間を有することができる。流体ハンドリング部は、数十あるいは数百マイクロリットル〜約5ミリリットル以上までの流体容積を有する1つあるいは複数のチャンバを含んでいる任意の適切な容積の流体チャンバを有することができる。

流体ハンドリング部は、サンプルを受容するためのサンプル入力サイト(ポート)と、試薬を保持及び搬送し、且つ/又は廃棄物を受容するための複数の流体貯蔵室とを構成要素として含むことができる。流体ハンドリング部は、いくらか大きな流体容積、場合によっては、1マイクロリットルあるいは1ミリリットルよりも大きな容積、を収容するための寸法を有することができる。さらに、流体ハンドリング部は、廃棄物から対象の分析物を分離するために、例えば1つあるいは複数の細胞を含有するサンプルから分析物(例えば核酸)を単離するために、1つあるいは複数の流路によって形成される予備処理サイトを構成要素として含むことができる。流体ハンドリング部は、一般的に平坦ではない流体ネットワークあるいは流体空間を画定することができる。平坦ではない、即ち3次元の流体ネットワークの場合、流体ネットワークの1つあるいは複数の部分を、任意の共通の平面から2ミリメートル以上離して配置することができる。

検定部は、最終的なサンプル処理が行われ、且つ/又は検定信号が測定されるサイトを提供することができる。検定部は、一般的には約50マイクロリットル未満、好ましくは約10マイクロリットル未満、さらに好ましくは約1マイクロリットル未満の流体チャンバを有し、より小さなサンプル量を操作し、分析するように構成されている。

検定部は、流体ハンドリング部とは個別に、即ち流体ハンドリング部と共有されない個別の構成要素から形成することができる。したがって、検定部は、流体ハンドリング部とは別に形成することができ、その後、流体ハンドリング部の流体区画を流体連通するように流体ハンドリング部に取り付けることができる。

検定部は基材部分と流体障壁とを含んでいる。基材と流体障壁との間に、電子回路を、少なくとも部分的に、あるいは少なくともその大部分を配置することができる。基材部分は、基材部分の表面付近にある流体障壁と共に流体空間を画定することができる。電子回路は薄膜部分あるいは電子回路の層を含むことができ、薄膜層も基材の表面付近に配置される。表面に近接あるいは隣接する構造体は、その基材の反対側の表面よりも、その基材の表面の近くに存在している。

基材の電気的特性によって、電子回路、特に固体電子スイッチング回路が基材及び流体障壁に対して配置される位置が決定される。基材に半導体を用いることができ、それによって、電子回路のいくつかの部分が、例えばnドーピング及びpドーピングによって基材内に形成することができる。代替的に、基材として絶縁体を用いることができる。この場合には、全ての電子回路が基材の外部に支持される。適切な基材は、例えば薄膜の付着を容易に行うことができる、一対の相対する表面が概ね平坦あるいは平面的なものである。基材には、シリコン、ガリウムヒ素、ゲルマニウム、ガラス、セラミック、アルミナ等をはじめとする、少なくとも概ね無機物を用いることができる。

薄膜電子回路は薄膜あるいは薄膜層を含んでいる。電子回路の各薄膜層は、回路の動作において直接的あるいは補助的な役割、即ち、例えば導電性、絶縁性、抵抗性、容量性、ゲーティング及び/又は保護的な役割を果たすことができる。保護的な役割及び/又は絶縁性の役割は、電気的な絶縁、流体が媒介する腐蝕を防ぐための化学的隔離等を提供することができる。薄膜層は、約100μm、50μmあるいは20μm未満の厚みを有することができる。代替的に、あるいはそれに加えて、薄膜層は、約10nm、20nmあるいは50nmよりも厚い厚みを有することができる。そのような薄膜は電子素子を形成する。電子素子と呼ばれる理由は、それらが検定部の電子回路によって電子制御されるためである。電子素子は、検定部の流体区画内の流体の特性を変性し、且つ/又は検出するように構成されている。したがって、電子素子及び薄膜層の種々の部分は、基材と、検定部の流体ネットワークあるいは区画との間に配置することができる。例示的な変性用の素子として、電極、ヒータ(例えば抵抗体)、冷却器、ポンプ、バルブ等が含まれる。したがって、変性される特性は、例えば、流体あるいは流体区画内の分析物の分布あるいは位置、分析物の移動度、分析物の濃度、関連するサンプル成分に対する分析物の組成比、流体の流速、流体の単離、あるいは流体/分析物の温度が挙げられる。代替的に、あるいはそれに加えて、薄膜素子は流体及び/又は分析物の条件あるいは位置をモニタ、あるいは検出することができる。例示的な検出素子として、温度センサ、流速センサ、pHセンサ、圧力センサ、流体センサ、光センサ、電流センサ、電圧センサ、分析物センサ等が挙げられる。変性素子及び検出素子の組み合わせによって、フィードバック制御、例えば、検定部内の流体領域の閉ループ温度制御が可能となる。

検定部に含まれている電子回路は、線形に応答する電気回路とは対照的に、柔軟である。電子回路は、半導体素子(トランジスタ、ダイオード等)及び固体電子スイッチングを用いて、より少ない数の入力−出力配線で非常に多くの電子素子に電気的に接続することができる。したがって、電子回路は、例えば、電源/アース線、データ入力線、発射パルス線、データ出力線及び/又はクロック線を含む、入力及び出力配線の任意の適切な組み合わせに接続され、且つ/又は含むことができる。電源/アース線は、変性素子及び検出素子に電源を供給することができる。データ入力線は、電源投入される素子(例えば、ヒータ、電極)を指示するデータを提供することができる。発射パルス線は、チップの外部あるいは内部に供給することができる。これらの配線は、変性素子及び/又は検出素子を起動するための特定の1組のデータをアクティブにするように構成することができる。データ出力線は、検定部の回路からデータを、例えば検出素子からデジタルデータを、受信することができる。データ入力及び出力の速度に基づいて、単一のデータ入力/出力線あるいは複数のデータ入力/出力線を設けることができる。データ速度が遅い場合、単一のデータ入力/出力線で十分な場合があるが、よりデータ速度が速い場合では、例えば並列に複数の薄膜素子を駆動する場合では、1つあるいは複数のデータ入力線及び個別のデータ入力/出力線が必要になる場合がある。クロック線は、例えばコントローラからのデータを送受信するタイミングなどの、複数の処理のタイミングを提供することができる(以下を参照)。

マイクロ流体デバイスは、制御装置あるいはコントローラによって制御されるように構成することができる。したがって、マイクロ流体デバイスは、例えば導電的、静電容量的及び/又は電気誘導的に、コントローラに電気的に接続される。コントローラは、上記の入力及び/又は出力線のうちの任意の配線を提供することができる。さらに、コントローラは、ユーザインターフェースを提供することができ、データを格納することができ、1つあるいは複数の検出器を提供することができ、且つ/又は機械的インターフェースを提供することができる。コントローラの例示的な機能として、マイクロ流体デバイス内の流体、サンプル及び/又は分析物を変性及び/又は検出するために、バルブ、ポンプ、ソニケータ、光源、ヒータ、冷却器等を操作し、且つ/又は提供することが挙げられる。

特にマイクロ流体デバイス、流体ハンドリング部、検定部及びコントローラのさらに別の形態は、セクションIにおいて既に記載している。

III.サンプル
ここに示すようなマイクロ流体システムは、サンプルを処理するように構成されている。サンプルとして、一般的に、対象の物質(あるいは分析物)を分析するか、あるいは対象の物質を調製するためにそれを変性するか、のいずれかのために、マイクロ流体システムによって受容され、処理される任意の対象の物質が挙げられる。サンプルは一般的に、システムによって測定されるか、あるいはシステムによって有利に変性される(例えば、精製される、選別される、誘導体化される、培養されるなど)対象となる1つあるいは複数の特性を有している。サンプルは、1つあるいは複数の任意の化合物、ポリマー、凝集物、混合物、抽出物、合成物、粒子、ウイルス、細胞及び/又はそれらの組み合わせを含有している。対象の分析物及び/又は物質は、例えばサンプル内の主成分、副成分あるいは微量成分などの、サンプルの任意の部分を形成することができる。

サンプル、及びその中に含まれる分析物は、生物学的なものを用いることができる。生物学的サンプルには、一般的に、細胞、ウイルス、細胞抽出物、細胞生成物質あるいは細胞関連物質、候補となりそうな細胞修飾物あるいは未知の細胞修飾物、及び/又はその人為的な変異体が含まれる。細胞には、任意の単細胞あるいは多細胞生物からの真核細胞及び/又は原核細胞が含まれ、任意の種類の細胞あるいは一群の種類の細胞が含まれる。細胞生成物質あるいは細胞関連物質には、特に、核酸(DNAあるいはRNA)、タンパク質(例えば、酵素、レセプタ、制御因子、リガンド、構造タンパク質等)、ホルモン(例えば、核ホルモン、プロスタグランジン、ロイコトリエン、一酸化窒素、環状ヌクレオチド、ペプチドホルモン等)、炭水化物(例えば、単糖類、二糖類あるいは多糖類、グリカン、糖タンパク質等)、イオン(例えば、カルシウム、ナトリウム、カリウム、塩化物、リチウム、鉄等)及び/又は他の代謝生成物あるいは細胞移入物質が含まれる。

生物学的サンプルには、例えば、臨床サンプル、研究サンプル、環境サンプル、法医学的サンプル及び/又は工業サンプルを用いることができる。臨床サンプルは、診断及び/又は予後徴候を目的として得られた任意のヒトあるいは動物サンプルを含むことができる。例示的な臨床サンプルには、血液(血清、全血あるいは細胞)、リンパ液、尿、大便、胃内容物、胆汁、精液、粘液、膣垢、脳脊髄液、唾液、汗、涙、皮膚、毛、組織診試料、吸引液、外科的サンプル、腫瘍等が含まれる。研究サンプルには、培養された細胞あるいはウイルス(例えば、野生型、遺伝子操作されたもの及び/又は突然変異体)、その抽出物、部分的あるいは完全に精製された細胞物質、細胞から分泌された物質、薬剤スクリーニングに関連する物質等の生物学的及び/又は生物医学的研究に関連する任意のサンプルが含まれる。環境サンプルには、生物学的態様に基づいて分析あるいは操作される土壌、空気、水、植物及び/又は人為的な構造物が含まれる。

サンプルは非生物的な場合もある。非生物学的サンプルには、一般的に、生物学的サンプルと定義されない任意のサンプルが含まれる。任意の適切な無機及び有機化合物、ポリマー及び/又は混合物の、存否、濃度、寸法及び/又は構造を得るために、非生物学的サンプルは分析されることがある。適切な非生物学的サンプルとして、環境サンプル(例えば、土壌、空気、水等からのサンプル)、合成された物質、工業生産により生成された生成物あるいは廃棄物等が挙げられる。

サンプルは固体、液体及び/又は気体の場合がある。サンプルは、マイクロ流体システムに導入される前に予備処理するか、あるいはそのまま導入することができる。システム外部における予備処理には、化学的処理、生物学的処理(培養、ホルモン処理等)及び/又は物理的処理(例えば、熱処理、圧力、放射線、超音波破壊、流体との混合等)が含まれる。固体サンプル(例えば、組織、土壌等)は、マイクロ流体デバイスに導入される前あるいは導入された後に、流体内に溶解あるいは分散させることができ、及び/又は対象の分析物は、固体サンプルからマイクロ流体システム内の流体に遊離させることができる。液体及び/又は気体サンプルは、システムの外部で予備処理することができ、且つ/又はそのまま導入することができる。

IV.検定
マイクロ流体システムを用いて、入力されたサンプルのある性質を検定(分析/検査)することができる。生物学的あるいは非生物学的サンプルの任意の適切な性質を、マイクロ流体システムによって分析することができる。適切な性質は、サンプルによって搬送される1つあるいは複数の分析物の特性に関係している。そのような特性には、存否、濃度(例えば、細胞内に発現したRNAあるいはタンパク質の濃度)、寸法、構造、活性(例えば酵素あるいは生物学的活性)、細胞内の位置、細胞の表現型等が含まれる。構造には、一次構造(例えば、ヌクレオチドあるいはタンパク質の配列、ポリマー構造、異性体構造あるいは化学的修飾)、二次あるいは三次構造(例えば、局部的折畳み構造あるいは高次の折畳み構造)、及び/又は四次構造(例えば、分子間相互作用)が含まれる。細胞の表現型は、細胞状態、電気的活性、細胞形状、細胞移動性、細胞同一性、伝達遺伝子活性等に関係する。

マイクロ流体検定は、1つあるいは複数の核酸の存否あるいは濃度を測定することができる。分析される各核酸は単一の分子として存在することができ、より一般的には複数の分子として存在することができる。複数の分子は同一あるいは概ね同一の場合があり、且つ/又は一般的には、同一である20以上の連続した塩基部位を共有する場合がある。本明細書において用いられるような核酸(核酸種)には、一般的に、共有結合された単量体サブユニットの連鎖として形成されている、核酸ポリマーあるいはポリヌクレオチドが含まれる。単量体サブユニットは、塩基アデニン、シトシン、グアニン、ウラシル、チミン、ヒポキサンチン、キサンチンあるいはイノシンのうちの任意のものあるいは全てを含むポリリボ核酸(RNA)及び/又はポリデオキシリボ核酸(DNA)を形成することができる。代替的に、あるいはそれに加えて、核酸は、例えば、メチル化塩基、ペプチド核酸、硫黄置換型バックボーン等を含む、自然誘導体あるいは合成誘導体の場合がある。核酸は、単鎖、二本鎖及び/又は三本鎖の場合があり、野生型あるいは組換え型、欠失、挿入、反転、再配列及び/又はそれらの点変異体の場合がある。

核酸分析には、サンプル内の1つあるいは複数の核酸種(DNA及び/又はRNA)の存否、量、寸法、一次配列、完全性、変性及び/又は鎖構造を測定するために、サンプルを検査することが含まれる。そのような分析は、遺伝子型同定情報を提供することができ、且つ/又は、例えば、特定の遺伝子あるいは遺伝子部位からの遺伝子発現を測定することができる。

遺伝子型同定情報は、サンプル内の、病原体種のような微生物の同定及び/又は定量のために用いることができる。例示的な病原性生物は、限定はしないが、例えばHIV、肝炎ウイルス、狂犬病ウィルス、インフルエンザ、CMV、ヘルペスウイルス、パピローマウイルス、ライノウイルスなどのウイルスと、例えば黄色ブドウ球菌、ウェルシュ菌、腸炎ビブリオ菌、ネズミチフス菌、炭疽菌、ボツリヌス菌、大腸菌などの細菌と、例えば属名でカンジダ症、コクシジウム症、ブラストミセス症、ヒストプラスマ症、アスペルギルス症、接合菌症、フザリウム症及び毛芽胞菌に含まれる菌などの菌類と、例えばマラリア原虫(例えば、三日熱、熱帯熱、マラリア等)、ランブル鞭毛虫、赤痢アメーバ、クリプトスポリジウム及びアメーバなどの原虫とを含むことができる。その分析によって、例えばヒト、動物、植物、食物、土壌あるいは水が、ある特定の微生物で感染するか、あるいはそれを保有するか否かを判定することができる。場合によっては、その分析は、存在する特定の菌株についての固有の情報を提供することもできる。

遺伝子型同定分析には、例えば、特定の遺伝子部位の存否、コピー数及び/又は配列を判定するために、臨床的あるいは法医学的に分析するための遺伝子スクリーニングが含まれる。遺伝子スクリーニングは、出生欠陥をスクリーニングして遺伝子疾患及び/又は一塩基多型を特定するために、あるいは腫瘍を確認するために、出生前あるいは出生後診断に適している。遺伝子スクリーニングは、患者治療、例えば薬剤選択、患者カウンセリング等、において医師を支援するためにも用いることができる。法医学的分析は、例えば遺伝子型分析を用いることで、例えば人を識別したり、犯行現場における特定の人物の存在を判定したり、あるいは親子を判定したりすることができる。いくつかの実施形態において、核酸は一塩基多型を有しており、且つ/又は一塩基多型に関して分析することができる。

マイクロ流体システムは、遺伝子発現を分析するために、定量的(発現の量)に、あるいは定性的(発現の存否)に用いられることができる。遺伝子発現の分析は、RNA上で直に行われるか、あるいはサンプルRNAをテンプレートとして用いて、例えば逆転写酵素を用いて合成された相補的なDNAにおいて行うことができる。相補的なDNAは、例えば検定部おいて、セクションIに示す実施形態のようなマイクロ流体デバイス内で、あるいはデバイスの外部で、即ちサンプル入力前に合成することができる。

発現分析は、特に医療用あるいは研究用として利益をもたらす。例えば、個々の遺伝子あるいは一群の遺伝子の発現分析(プロファイリング)は、人の健康状態、薬剤あるいは他の処置の選択等を判定あるいは予測するのに用いることができる。他方では、あるいはそれに加えて、発現は、例えば伝達遺伝子分析、スクリーニングライブラリ(例えば、化合物、ペプチド、抗体、ファージ、細菌等のライブラリ)などの研究の応用形態においても有用とされる。

検定は、分析物のある特性を測定できる処理ステップを含むことができる。そのような処理ステップには、標識化、増幅、レセプタへの結合等が含まれる。

標識化は、分析物の検出能を高めるために実施することができる。適切な標識剤は、分析物に共有結合あるいは非共有結合し、且つ光学的に検出可能な色素(蛍光体、発色団、エネルギー移動群等)、特異的な結合対を形成する物質(例えばビオチン、ジゴキシゲニン、エピトープタグなどのSBP、表1参照)等を含有している。標識剤は、例えば核酸テンプレートによる複製(あるいは連結)、タンパク質リン酸化及び/又はメチル化などの酵素反応によって結合されるか、あるいは化学的、生物学的あるいは物理的(例えば、特に光あるいは熱触媒)に結合される。

核酸分析の場合、核酸検出の感度を高めるために増幅を行うことができる。増幅は、ターゲット核酸種の存在量(分子数)あるいはターゲット種内の部位を選択的に増加させる任意の処理法である。増幅には、熱サイクル処理(例えば、ポリメラーゼ連鎖反応、リガーゼ連鎖反応等)、あるいは等温処理(例えば、鎖置換増幅)がある。増幅のさらに詳しい形態は、セクションIにおいて既に記載している。

レセプタ結合は、分析物(又は、分析物の存在によってテンプレートされた、あるいは分析物の存在に由来する反応生成物)を、分析物に特異的に結合するレセプタと接触させるステップを含む。レセプタは、例えばアレイのマイクロ流体区画に取り付けるか、又はマイクロ流体区画内のある位置に固定するか、区画の全体にわたって分布させることができる。「特異的に結合する」とは、混合物内の他の成分に概ね結合せず、混合物内の意図した相手に対して高い選択性で結合することを意味する。特異的な結合は、約10−4M未満の結合係数によって特徴付けることができ、好ましい特異結合係数は、約10−5M、10−7Mあるいは10−9M未満である。レセプタ−分析物相互作用に適している例示的な特異結合対を、以下の表1に列挙する。

サンプル検定、詳細にはサンプル内の核酸分析物の検定のさらに詳しい形態は、セクションIにおいて既に記載している。

上述の開示は、本発明の複数の異なる実施形態を網羅するものと考える。これらの実施形態の各々は特定の形態において開示されてきたが、ここに開示し例示されるような特定の実施形態は、限定するものとみなされるべきではなく、いくつかの変形形態を実施可能である。それゆえ、本開示が対象とするものには、本明細書に開示する種々の要素、機構、機能及び/又は特性の全てのうち、新規で、自明でない組み合わせ、及びその副次的な組み合わせが含まれる。同様に、請求項において、「1つの」あるいは「第1の」要素あるいはそれと同等のものを記載する場合、そのような請求項は、1つあるいは複数のそのような要素を包含するものと理解されるべきであり、2つ以上の当該要素を要求あるいは除外するものではない。

一体型マイクロ流体カートリッジが例示的な制御装置と係合するように位置合わせされ、制御装置がサンプル処理及び/又は分析時に、接続されたカートリッジに電源を供給し且つその動作を制御するように構成されている、本発明の一実施形態によるマイクロ流体システムの等角図 図1記載のカートリッジ及び制御装置の特定の態様を示す部分断面図 本発明の一実施形態による、流体、サンプル、電気、デジタル情報及び検出された信号の動きを示す、図1記載のカートリッジ及び制御装置の概略図 本発明の一実施形態による、図1記載のカートリッジ及び制御装置の動作に関する例示的な方法を示すフローチャート 図4記載の方法を実行するための流体ネットワークを示す、図1及び図3記載のカートリッジのさらに詳細な概略図 サンプルを取り込んでいる最中の、図5記載のカートリッジの活動領域を強調した概略図 フィルタスタック上で核酸を単離するためにサンプルを処理している最中の、図5記載のカートリッジの活動領域を強調した概略図 フィルタスタックから核酸を遊離し、遊離された核酸をカートリッジの検定部において濃縮している最中の、図5記載のカートリッジの活動領域を強調した概略図 濃縮された核酸と増幅試薬とが平衡であり、検定部の増幅チャンバに移送している最中の、図5記載のカートリッジの活動領域を強調した概略図 選択増幅後に、核酸を検定部の検定チャンバに移送している最中の、図5記載のカートリッジの活動領域を強調した概略図 本発明の一実施形態による、検定部の特定の態様を示す、カートリッジの外側から見た、図1及び図5記載のカートリッジに含まれる検定部の平面図 本発明の一実施形態による、図1及び図5記載のカートリッジの流体ハンドリング部に取り付けられた状態を示す、図11の線12−12に沿って見た、図11記載の検定部の部分断面図 図12記載の検定部を製造すべく、変性されている際の、基材の部分断面図 図12記載の検定部を製造すべく、変性されている際の、基材の部分断面図 図12記載の検定部を製造すべく、変性されている際の、基材の部分断面図 図12記載の検定部を製造すべく、変性されている際の、基材の部分断面図 図12記載の検定部を製造すべく、変性されている際の、基材の部分断面図 図12記載の検定部を製造すべく、変性されている際の、基材の部分断面図 図12記載の検定部を製造すべく、変性されている際の、基材の部分断面図 本発明の一実施形態による、基材表面に隣接して形成される2つの流体区画を流体連通させるチャネルを示しており、当該チャネルが基材の反対側の表面と通じることなく、表面において基材に出入りすることを示す概略図 図20記載のチャネルを製造すべく、変性されている際の、基材の部分断面図 図20記載のチャネルを製造すべく、変性されている際の、基材の部分断面図 図20記載のチャネルを製造すべく、変性されている際の、基材の部分断面図 図23記載のチャネルの変更形態の部分断面図 図21〜図23記載の基材の変形形態を用いて検定部内に形成し得る混合チャンバの一実施形態の平面図 本発明の一実施形態による、検定チャンバ及び基材画定チャネルに関する、特定の薄膜層の配置を示している、図12記載の特定の態様のより詳細な図

Claims (20)

  1. 核酸(127)及び廃棄物を有するサンプル内の核酸(127)を分析するためのマイクロ流体デバイス(14)であって:流体を機械的に移動させるように構成されている流体ハンドリング部(42)であって、少なくとも1つの区画(54)を画定し、且つ前記サンプルを取り込み、前記区画において前記サンプルを予備処理して、前記廃棄物から前記核酸(127)を少なくともある程度分離するように構成されている、前記流体ハンドリング部(42)と;前記流体ハンドリング部(42)と接続されており且つ少なくとも1つのチャンバを画定する検定部(44)であって、前記チャンバが前記区画(54)と流体連通しており、前記チャンバ内で前記分離された核酸(127)を処理するように構成されている電子素子(58)を備える、前記検定部(44)とを含んで成る、マイクロ流体デバイス。
  2. 前記マイクロ流体デバイス(14)が、制御装置(12)に対して着脱されるように構成されているカートリッジであり、前記制御装置(12)が、前記カートリッジが前記制御装置(12)内に装填された際に前記カートリッジ内の動作を制御し且つ前記カートリッジからの情報を受信するためのコントローラ(22)を備える、請求項1に記載のマイクロ流体デバイス(14)。
  3. 前記カートリッジが前記制御装置(12)内に装填された際に前記電子素子(58)を前記コントローラ(22)に電気的に接続する相互接続回路(18)をさらに含む、請求項2に記載のマイクロ流体デバイス(14)。
  4. 前記流体ハンドリング部(42)が外部ハウジング(45)を備え、前記外部ハウジングが、前記カートリッジが前記制御装置(12)内に装填された際に前記カートリッジと前記制御装置(12)との間の機械的な接続をもたらす、請求項2又は3に記載のデバイス(14)。
  5. サンプル内の核酸(127)をマイクロ流体分析するためのカートリッジ(14)であって:前記サンプルを受容するための入力サイト(50)を備える流体ハンドリング部(42)であって、前記流体ハンドリング部(42)が複数の区画及び導管を画定し、前記導管が前記サンプル入力サイト(50)を前記区画と流体連通させ、前記区画のうちの少なくとも1つにおいて前記サンプルを予備処理して、前記核酸(127)を前記サンプルの廃棄物から少なくともある程度分離するように構成されている、前記流体ハンドリング部(42)と;前記流体ハンドリング部(42)に取り付けられている検定部(44)であって、電子素子(58)を備え且つ前記少なくとも1つの区画と流体連通している少なくとも1つのチャンバを画定し、前記電子素子(58)が前記チャンバにおいて前記分離された核酸(127)を処理するように構成されている、前記検定部(44)とを含んで成る、カートリッジ。
  6. 前記電子素子(58)が複数の電極(172)及びヒータを備え、前記複数の電極(172)が前記チャンバ内の前記分離された核酸(127)の位置を変更するように動作することができ、前記複数のヒータが前記チャンバ内の前記分離された核酸(127)を加熱するように動作することができる、請求項1〜4の何れか1項に記載のデバイス(14)又は請求項5に記載のカートリッジ(14)。
  7. 前記検定部(44)が、前記流体ハンドリング部(42)から受容した少なくとも1つの増幅試薬を用いて、前記チャンバ内の前記分離された核酸(127)を増幅するように構成されている、請求項1〜4の何れか1項に記載のデバイス(14)又は請求項5又は6に記載のカートリッジ(14)。
  8. 前記チャンバが、流体連通している複数の別個のチャンバを含む、請求項1〜4の何れか1項に記載のデバイス(14)又は請求項5〜7の何れか1項に記載のカートリッジ(14)。
  9. 前記流体ハンドリング部(42)が前記分離された核酸(127)を第1の容積の前記チャンバに移送するように構成されており、前記流体チャンバが第2の容積を有し、前記第1の容積が前記第2の容積よりも十分に大きい、請求項1〜4の何れか1項に記載のデバイス(14)又は請求項5〜8の何れか1項に記載のカートリッジ(14)。
  10. 核酸(127)及び廃棄物を有するサンプル内の核酸(127)をマイクロ流体分析するためのカートリッジ(14)を形成する方法であって:流体ハンドリング部(42)を形成することであって、前記流体ハンドリング部(42)が少なくとも1つの区画(54)を画定し、且つ前記サンプルを受容し、前記区画(54)において前記サンプルを予備処理して、前記廃棄物から前記核酸(127)を少なくともある程度分離するように構成されている、流体ハンドリング部(42)を形成することと;検定部(44)を製造することであって、前記検定部(44)が少なくとも1つのチャンバを画定し、前記検定部(44)が基材(160)とその上に形成された電子素子(58)とを含み、前記電子素子(58)が前記チャンバにおいて前記分離された核酸(127)を処理するように構成されている、検定部(44)を製造することと;前記区画(54)と前記チャンバが流体連通するように、前記検定部(44)を前記流体ハンドリング部(42)に取り付けることとを包含する、方法。
  11. 前記電子素子(58)が、複数の電極(172)を形成する少なくとも1つの薄膜層を含み、前記複数の電極(172)が前記チャンバ内の前記核酸(127)を電気的に処理するように動作し得る、請求項1〜4の何れか1項に記載のデバイス、請求項5〜9の何れか1項に記載のカートリッジ、又は請求項10に記載の方法。
  12. 核酸(127)及び廃棄物を有するサンプル内の核酸(127)を分析する方法であって:少なくとも1つの区画(54)を有するカートリッジ(14)に前記サンプルを導入することと;前記区画(54)において前記サンプルの前記核酸(127)を前記廃棄物から少なくともある程度分離することと;前記カートリッジの少なくとも1つのチャンバにおいて、前記チャンバに接続されている電子素子(58)を用いて前記核酸(127)を処理することとを包含し、前記チャンバが前記区画と流体連通しており且つそれとは別個に形成されている、方法。
  13. 前記分離することが、保持マトリクス上に前記核酸(127)を保持することを含む、請求項12に記載の方法。
  14. 前記処理することが、前記核酸(127)を有する流体の少なくとも大部分が機械的流動によって前記電子素子(58)の電極(172)を通過する際に、前記電極(172)を用いて前記核酸(127)を保持することによって、前記チャンバ内において前記核酸(127)を濃縮することを含む、請求項12に記載の方法。
  15. 核酸(127)及び廃棄物を有するサンプル内の核酸(127)を分析するためのカートリッジ(14)であって:前記サンプルを前記カートリッジの区画(54)に収容するための手段と;前記区画(54)において前記核酸(127)を前記廃棄物から少なくともある程度分離するための手段と;前記分離された核酸(127)を、基材(160)を通して前記カートリッジのチャンバに移動させるための手段と;前記基材(160)上に形成された電子素子(58)を用いて、前記チャンバ内において前記分離された核酸(127)を処理するための手段とを備える、カートリッジ。
  16. 制御装置(12)に装填された際に生物学的サンプルを分析するための取外し可能なカートリッジ(14)であって、前記制御装置(12)が、凹部(16)と、前記装填されたカートリッジ(14)内の動作を制御し且つ前記装填されたカートリッジ(14)からの情報を受信するように構成されているコントローラ(22)とを備えており、前記カートリッジが:前記カートリッジ(14)が前記制御装置(12)内に装填される際に前記凹部(16)によって少なくとも部分的に収容されるように構成されているハウジング(45)と、さらに、流体連通している複数の区画(54)とを含む流体ハンドリング部(42)であって、前記区画(54)のうちの少なくとも1つにおいて前記生物学的サンプルを予備処理するように構成されている、流体ハンドリング部(42)と;基材(160)及び前記基材(160)上に形成された電子素子(58)とを含む検定部(44)であって、前記検定部(44)が前記区画と流体連通する少なくとも1つのチャンバを画定し、前記電子素子(58)が、前記チャンバ内の前記生物学的サンプルをさらに処理するように構成されている、検定部(44)とを備える、カートリッジ。
  17. 前記ハウジング(45)が、前記電子素子(58)を前記制御装置(12)に接続するように構成されている電気的インターフェース(18)を備え、それによって前記コントローラ(22)が前記電子素子(58)を制御し且つ前記電子素子(58)からの情報を受信することができる、請求項16に記載の取外し可能なカートリッジ。
  18. サンプル内の核酸(127)を分析するためのシステム(10)であって:少なくとも1つの区画(54)を画定し且つ前記サンプルを受容し、前記区画(54)内において前記サンプルを予備処理し、前記核酸(127)を前記サンプルの廃棄物から少なくともある程度分離するように構成されている流体ハンドリング部(42)と、前記流体ハンドリング部(42)に接続されており且つ少なくとも1つのチャンバを画定する検定部(44)であって、前記チャンバが前記区画(54)と流体連通しており、前記検定部(44)が前記チャンバ内において前記核酸(127)を処理するように構成されている電子素子(58)を備える、検定部(44)とを含むカートリッジ(14)と;前記カートリッジの前記電子素子(58)に電気的に接続されている電気的インターフェース(20)を有する制御装置(12)であって、前記流体ハンドリング部(42)及び検定部(44)の動作を制御するように構成されているコントローラ(22)を備える制御装置(12)とを含んで成る、システム。
  19. 生物学的サンプル内の核酸(127)を分析するためのカートリッジであって:生物的サンプル入力チャンバ(50)、試薬チャンバ(52)、及び前記生物的サンプル入力チャンバ(50)及び前記試薬チャンバ(52)と流体連通し且つ前記核酸(127)を前記サンプルの廃棄物から少なくともある程度分離するように構成されている予備処理チャンバ(54)、を備える流体ハンドリングデバイス(42)と;基材(160)と前記基材(160)上に形成された電子素子(58)とを備える検定デバイス(44)であって、前記検定デバイス(44)が前記予備処理チャンバ(54)と流体連通している検定チャンバ(68)を画定し、前記電子素子(58)が、前記分離された核酸(127)に関する検定を実行するために前記検定チャンバ(68)に接続されている、検定デバイス(44)とを備える、カートリッジ。
  20. 前記カートリッジ(14)の動作を制御する制御装置(12)に接続するために、前記検定デバイス(44)の前記電子素子(58)に接続されている電気的インターフェース(18)をさらに含む、請求項19に記載のカートリッジ(14)。
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