JP2008519978A - 液体検出および信頼度判定 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明者は、液体の取扱が常に予めプログラムされたプロトコル(protocol)に従い行われるように確保される微小流体システムを構成することが困難で費用がかかることを認識していた。これは、液体の微小流体装置への分配、および装置の個々のマイクロチャネル構造内での液体の移送にも当てはまる。
−機器の遠隔モニタリング、
−機器特有でない機能(開発方法、処理データの評価など)の実行
である。
この第3のソリューションでは、遠隔で、すなわち、コンピュータに接続される非機器からの処理(開始、休止、中止)を制御することができる。
a)コントローラ110としても示される制御ユニットと、
b)1つ又はそれ以上の以下のアイテムと、
i)サンプルおよび試薬ステーション130、
ii)液体移送または分配器を洗浄する洗浄ステーション140、
iii)液体サンプルを微小流体装置に移送する液体移送ステーション150、
iv)微小流体装置内の液体の移送を実行する、少なくとも1つのステーション160、例えばスピナステーション(spinner station)、
v)セグメントを含むマイクロチャネル構造内での適切な液体の取扱の表示として、液体相および/または気体相の存在/不在を検出する液体検出器ステーション175、ならびに
vi)マイクロチャネル構造と関連付けられる検出領域を介して微小流体装置のマイクロチャネル構造で実行される実験の結果を反映する信号を回収する検出器ステーション170、
を有する機器120と、を備える微小流体システム100の概略を示すブロック図である。
ステーションのいくつかは互いに一体化させることができる。たとえば、液体検出器ステーション175は通常、装置内で液体移送を実行するステーションおよび/または検出器ステーション170と一体化させることができる。本発明による機器は少なくとも、液体検出器ステーション175と液体移送実行ステーション160とを備える。円形および/または回転可能な微小流体装置の場合、液体検出器ステーション175および/または検出器ステーション170はスピナ/回転機能を組み込むことができる。
(i)上述の液体検出器セグメントにおいて液体相および/または気体相の存在または不在を検出すること、および/または
(ii)上記検出領域を介して実験結果を表す信号を収集すること、
を制御するために使用される検出器アレンジメントに割り当てることができる。
a)利用される検出原理が放射を必要とする場合に放射する、および/もしくは所望の信号を収集するために1つまたはそれ以上の開始/停止位置の対(装置が回転可能および/または円形である場合、角度および/もしくは半径)を認識する、
b)液体取扱の失敗を検出するために使用される上記セグメントの場合のように、検出領域内の個々の副領域またはディスク面内の別の場所を特定する、
c)微小流体装置と検出ヘッドとの間の相対的運動、たとえば、微小流体装置の同時回転や、上述の2つの検出器アレンジメントのいずれかと関連付けられる検出ヘッドの増分横方向/放射方向移動(装置が回転可能および/もしくは円形である場合)を制御する、
d)検出領域/検出マイクロキャビティ/液体検出セグメントから信号データを収集する、
e)収集データを処理し表示する、ならびに/または
f)特定の角度位置が、検出ヘッドの対物レンズの前にある時間を回転速度(装置が回転可能な場合)から判定する
際に利用することができる。
(a)焦点領域を有する検出ヘッドと、ディスクホルダ上にディスクが置かれたときに、検出ヘッド、すなわち、焦点領域がディスク面を横断することを可能にする手段に連結されるディスクホルダと、
(b)特定の時間、焦点領域によって覆われる部分領域の位置を認識し、円形および/または回転可能な微小流体ディスクのために角度調整の部分を備える調整システムと、特定の時間、焦点領域によって覆われる部分領域の半径位置を認識する任意の半径調整システムと、および
(c)以下を制御するコントローラ、たとえば、ソフトウェアを有するコンピュータと
を備える。
(i)微小流体ディスク/装置の検出領域を含む区域、たとえば、円形および/または回転可能なディスクの環状区域に焦点領域を横断させる装置と、
(ii)区域の検出領域のうち少なくとも1つ内で、焦点領域とほぼ同寸法の個々の小領域から予め選択された方法で信号を連続的に回収する検出ヘッド。
−液体の移送の実行、たとえば、装置が液体の流れを促すためにスピンさせることが可能なディスク状である場合は装置のスピン、
−特定の共通分配チャネルまたは特定の微小構造へのサンプルの移送、
−特定の共通分配チャネルまたは特定の微小構造への試薬の移送、
−微小流体装置の位置決め、
−特定の期間における微小構造内の特定位置での液体の培養、
−検出、すなわち、微小流体装置内で実行される方法の結果、あるいは上述されるように1つまたはそれ以上の予め選択された液体検出セグメント内の液体相および/または気体相の存在および/または不在の検出。
1)実験プロトコルの所定のステージで特定の微小チャネルセグメントとの調整および/または該微小チャネルセグメント内での測定の制御。所定のステージは、液体が上流位置からセグメントに入る直前、途中、直後、および/または液体移送がセグメントから実行される直前、途中、直後のいずれであってもよい。
2)実験プロトコルから予想されるものと測定結果との(液体相/気体相の存在もしくは不在および/またはセグメント内の液体メニスカス)との関係付け。
3)液体の取扱に失敗した場合、実験を低品質実験としてフラグを立てる。この制御機能部分は、当該実験の結果が破棄される、および/または低信頼度を割り当てられることを含んでもよい。
a)流入機能(構造101aに関しては102+105a+105b+103a)、
b)反応マイクロキャビティ(104a)、
c)検出マイクロキャビティ(104a)、および
d)流出機能(113a+115a+112)
を備える。
i)少なくとも1つの量測定マイクロキャビティ(121a、106a)と、
ii)上流方向で流入口(105a〜b、107a)と連通し、下流方向で量測定マイクロキャビティ(121a、106a)と連通する少なくとも1つの流入マイクロコンジット(122a〜b、123a)と、
iii)量測定マイクロキャビティの流出端に接続される流出マイクロコンジット(122a〜b、126a)と、
iv)典型的には、廃棄機能に余分な液体を排出するマイクロコンジット(122a〜b、124a)(溢れマイクロコンジット=超過マイクロコンジット)と
を備える。
1.1つまたはそれ以上の液状アリコート(アリコート1、アリコート2など)を流入機能(102+105a+105b+103)に導入するステップと、
2.マイクロチャネル構造(101a)内の1つまたはそれ以上のアリコートを移送し処理するステップと、
3.検出マイクロキャビティ(104)内の実験結果を判定するステップと
を備える。
処理とは、1つまたはそれ以上の化学的および/または生物学的反応が、本明細書の他の部分で定義されるように、少なくとも1つの反応マイクロキャビティ(104)で実行されることを意図する。液体取扱(ステップ(1)および(2))は通常、異なるおよび/または等しい量および/または組成の1つまたはそれ以上の液状アリコートが、同じおよび/または異なる実験のステージで導入されることを含む。移送と処理との間、1つまたはそれ以上のアリコートは、別の量および/または別の組成のアリコートに変換することができる。これは通常、液体アリコート(アリコート1)を、マイクロチャネル構造の流入開口部に分配し、たとえば上述の量規定ユニット/分配マニホルドを用いて1つまたはそれ以上の規定されたサブパート(サブアリコート1、2...)に分けることにより、下流に、たとえば停止または処理される第1の弁位置に移送することを意味する。次に、一部の量(サブアリコート1、2...)を、下流に、たとえば、各マイクロチャネル構造への一部の量とともに、量規定ユニットと連結するマイクロチャネル構造に移送することができる。マイクロチャネル構造内でのさらなる移送は、本明細書の他の部分に記載されるように、マイクロキャビティ内またはマイクロキャビティ下流のいわゆる制限手段によって、液体保持マイクロキャビティの流出口端の弁位置で移送を停止すること、あるいは移送を遅延させることを意味する場合がある。アリコートの移送が停止するたび、固定上側(上流)を、非閉鎖弁で停止している場合は下側(下流)メニスカスも観察することができる。メニスカスの存在および/または不在は、停止が生じる構造ユニットへ、および/または構造ユニットからの移送の失敗または成功の表示として使用することができる。これらの移送停止は工程実験プロトコルによって制御されるため、メニスカスの存在および/または不在は実験の遂行の成功または失敗も示す。これは、液体の存在/不在自体が検出され、本明細書に記載される実験の実行の質の表示として利用されることを排除するものではない。
a)洗浄液、
b)調整液、
c)1つまたはそれ以上の反応物を含む液体を希釈する希釈液、
d)当該実験の反応を実行するために使用される1つまたはそれ以上の反応物を含む液体。反応物は分析物と試薬とを含む。したがって、液体検出セグメントで検出されるアリコートは、洗浄アリコート、調整アリコート、希釈アリコート、たとえば分析物(アリコート=分析物サンプル)や試薬(アリコート=試薬サンプル)等の反応物を含むアリコートの中から選択することができる。
「物理パラメータ値」という用語は一般的には、液体相および/または気体相が液体検出セグメントに存在するかどうかを検出するために使用される検出原理に従い測定される信号の大きさ(不在または存在を含む)を指す。
a)まず、2つの結合された溢れ/流入マイクロコンジット(122a、b)内の余分な液体を2つの結合された流入口/流出口(105a、b)を通じて強制的に排出するには十分だが、出口弁(110a〜h)を通じて量測定マイクロキャビティ(106a〜h)を空にさせるには不十分である遠心力に調整される速度でディスクをスピンさせ、次に
b)量測定マイクロキャビティ(106a〜h)内の液体を出口弁(109a〜h)を通じて強制的に排出するのに十分な速度まで、たとえば短パルスによってスピンを増大させる
ことによって行われる。
cv=ds・ΔA
V=n・cv=n・ds・ΔA
Vliquid1=nliquid・cv1=nliquid・ds1・ΔA;
Vgas1=ngas・cv1=ngas・ds1・ΔA
Claims (43)
- 1つまたはそれ以上の生物学的および/または化学的反応を備え、微小流体装置のマイクロチャネル構造(101a)で実行される実験の結果の信頼度を格付けする方法であって、
実験が
a)1つまたはそれ以上の液状アリコートをマイクロチャネル構造(101)の流入機能(102+105a+105b+103)に導入し、
b)マイクロチャネル構造(101a)内での処理中にそこから取り出されたこれらのアリコートおよび/または1つもしくはそれ以上のアリコート(=取り出されたアリコート)を移送して処理し、
c)マイクロチャネル構造(101a)の検出区域(104a)での実験結果を判定する
液体処理ステップを備え、
信頼度判定が
i)液体および/または気体がセグメント内に存在および/または不在であるかどうかが認識される期間に、マイクロチャネル構造(101a)の少なくとも1つの液体検出器セグメントの各々において液体および/または気体の存在または不在を判定し、
ii)ステップ(i)で分かった液体および/または気体の存在および/または不在があるべき姿から外れている場合、その結果に低い信頼度を割り当てる
ステップを備えることを特徴とする方法。 - ステップ(ii)が
−ステップ(i)で検出された液体および/または気体の存在および/または不在を表す物理パラメータ値を、適切なデータ記憶媒体の1つまたはそれ以上のセグメント指標の各々に記憶し、各セグメント指標が特定の液体検出器セグメントに関係するステップと、
−セグメント指標の1つまたはそれ以上から信頼度を判定するステップと
を備えることを特徴とする、請求項1に記載の方法。 - ステップ(ii)が、少なくとも1つのセグメント指標が液体および/もしくは気体の存在を示す1つもしくはそれ以上の物理パラメータ値を有し、ならびに/または液体および/もしくは気体の不在を示す1つもしくはそれ以上の物理パラメータ値を有する信頼度判定を備えることを特徴とする、請求項2に記載の方法。
- 信頼度判定が、
−1つまたはそれ以上のパラメータ値を有する1つまたはそれ以上のセグメント指標から信頼度を判定するステップであって、セグメント指標が液体−気体境界面(メニスカス)の存在を示す、たとえば、少なくとも1つのセグメント指標が、対応する液体検出器セグメントにおいて気体の存在を示す物理パラメータ値と液体の存在を示す物理パラメータ値との両方を備えるステップを含むことを特徴とする、請求項2ないし3のいずれかに記載の方法。 - 信頼度判定が、
−液体および/もしくは気体の存在を示す1つもしくはそれ以上の量の値、Vliquidおよび/もしくはVgas、ならびに/または液体および/もしくは気体の不在を示す1つもしくはそれ以上の物理パラメータ値を有する1つもしくはそれ以上のセグメント指標から信頼度を判定するステップを備えることを特徴とする、請求項2ないし3のいずれかに記載の方法。 - 信頼度判定が、
−1つまたはそれ以上の信頼度を用いて最終実験信頼度を判定するステップであって、請求項1ないし5のいずれかにおけるステップに従い判定された信頼度が少なくとも、使用された信頼度のうちの1つであるステップを備えることを特徴とする、請求項1ないし5のいずれかに記載の方法。 - 物理パラメータ値が強度値/レベルであることを特徴とする、請求項2ないし6のいずれかに記載の方法。
- 信頼度判定が、
−各セグメント指標の寸法、位置、および解像度を判定するマスクフィルタ機能を用いるステップを備えることを特徴とする、請求項2ないし7のいずれかに記載の方法。 - マイクロチャネル構造が下流方向に、
a)流入機能(102+105a+105b+103)と、
b)生物学的および/または化学的である反応を実行する区域(反応区域)(104a)と、
c)反応/実験の結果が検出される区域(検出区域)(104a)と、
d)流出機能(113a+115a+112)と
を備え、検出区域および反応区域が完全に、または部分的に一致することができることを特徴とする、請求項1ないし8のいずれかに記載の方法。 - 少なくとも1つの各セグメントが流入機能(102+105a+105b+103)の一部であることを特徴とする、請求項9に記載の方法。
- a)流入機能が流入アレンジメント(IA)(105a+105b+102または103a)を備え、
b)各セグメントの少なくとも1つがIAに存在する
ことを特徴とする、請求項9ないし10のいずれかに記載の方法。 - セグメントの少なくとも1つが、
a)流入機能と反応区域との間、
b)反応区域内、
c)反応区域と検出区域との間、
d)検出区域内、
e)検出区域と流出機能との間、あるいは
f)流出機能内
に配置されることを特徴とする、請求項9ないし11のいずれかに記載の方法。 - a)微小流体装置が、マイクロチャネル構造のサブセットに通常分割される複数のマイクロチャネル構造を備え、1つのサブセット内のマイクロチャネル構造は流入機能および/または流出機能の共通部分、たとえば、共通IA、および/または共通廃棄機能によって連結され、
b)少なくとも1回の実験とステップ(i)および(ii)とを、2つまたはそれ以上のマイクロチャネル構造、たとえば少なくとも1つのサブセットのマイクロチャネル構造において並行して実行する
ことを特徴とする、請求項9ないし12のいずれかに記載の方法。 - 不在および/または存在がステップ(ii)で検出される液体は、
a)洗浄液、
b)調整液、および
c)反応区域で反応する1つまたはそれ以上の反応物を含む液体
から選択されることを特徴とする、請求項1ないし13のいずれかに記載の方法。 - a)ステップ(ii)の液体が1つまたはそれ以上の反応物を含むこと、
b)少なくとも1つのセグメントが流入機能の一部であること、および
c)少なくとも1つの反応物は、実験間の変動が±30%の精度の実験で任意に必要とされること
を特徴とする、請求項1ないし14のいずれかに記載の方法。 - 少なくとも1つの反応物が試薬であることを特徴とする、請求項14ないし15のいずれかに記載の方法。
- (a)少なくとも1つの反応物が、特徴付けられる実体、たとえば、分析物であること、および
(b)実験が分析物を特徴付けるための評価であること
を特徴とする、請求項14ないし16のいずれかに記載の方法。 - a)微小流体装置、および微小流体装置を処理する装置と、
b)検出区域での結果を検出する検出器ユニット(170)と、
c)ステップ(i)を実行するセンサユニット(175)と、
d)ステップ(ii)を実行するソフトウェアおよびコンピュータと
を備えるシステムで実行することを特徴とする、請求項1ないし14のいずれかに記載の方法。 - センサユニット(175)が、たとえば、画像分析による、液体と気体との境界面あるいは気体および/または液体の存在および/または不在の検出に基づくことを特徴とする、請求項18に記載の方法。
- センサユニット(175)は気体および液体に対する反射率の差異に基づくことを特徴とする、請求項18に記載の方法。
- センサユニット(175)が、ビデオ信号、テレビ信号、またはデジタル画像信号を生成することのできる画像検出ユニットであることを特徴とする、請求項18に記載の方法。
- 1つまたはそれ以上の生物学的および/または化学的反応を備え、微小流体装置のマイクロチャネル構造(101a)で実行される実験の結果の信頼度を格付けするシステムであって、
信頼度判定のシステムが
i)液体および/または気体がセグメント内に存在および/または不在であるかどうかが認識される期間に、各セグメントにおいて液体および/または気体の存在または不在を判定する手段と、
ii)ステップ(i)で分かった液体および/または気体の存在および/または不在があるべき姿から外れている場合、その結果に低い信頼度を割り当てる手段と
を備えることを特徴とするシステム。 - 1つまたはそれ以上の物理パラメータ値を有する1つまたはそれ以上のセグメント指標から信頼度を判定する手段を備えることを特徴とする、請求項22に記載のシステム。
- 1つまたはそれ以上のセグメント指標から信頼度を判定する手段を備え、各セグメント指標が、液体および/もしくは気体がセグメントに存在するはずと予想される期間に、液体および/もしくは気体の存在を示す1つもしくはそれ以上のパラメータ値、ならびに/または、液体および/もしくは気体がセグメントに存在するはずと予想される期間に、液体および/もしくは気体の不在を示す1つもしくはそれ以上のパラメータ値を含むことを特徴とする、請求項23に記載のシステム。
- 1つまたはそれ以上のパラメータ値を有する1つまたはそれ以上のセグメント指標から信頼度を判定する手段であって、セグメント指標が液体−気体境界面(メニスカス)の存在を示す、たとえば、少なくとも1つのセグメント指標が、対応する液体検出器セグメントにおいて気体の存在を示す物理パラメータ値と液体の存在を示す物理パラメータ値との両方を有する手段を備えることを特徴とする、請求項23ないし24のいずれかに記載のシステム。
- 液体および/もしくは気体の存在を示す1つもしくはそれ以上の量の値、Vliquidおよび/もしくはVgas、ならびに/または液体および/もしくは気体の不在を示す1つもしくはそれ以上の物理パラメータ値を有する1つまたはそれ以上のセグメント指標から信頼度を判定する手段を備えることを特徴とする、請求項23に記載のシステム。
- 1つまたはそれ以上の信頼度を用いて最終実験信頼度を判定する手段であって、請求項1ないし5のいずれかにおけるステップに従い判定された信頼度が少なくとも、使用された信頼度のうちの1つである手段を備えることを特徴とする、請求項22ないし26のいずれかに記載のシステム。
- 物理パラメータ値が強度値/レベルであることを特徴とする、請求項23ないし27のいずれかに記載のシステム。
- 各セグメント指標の寸法、位置、および解像度を判定するマスクフィルタ機能を備えることを特徴とする、請求項23ないし28のいずれかに記載のシステム。
- マイクロチャネル構造が下流方向に、
a)流入機能(102+105a+105b+103)と、
b)生物学的および/または化学的である反応を実行する区域(反応区域)(104a)と、
c)反応/実験の結果が検出される区域(検出区域)(104a)と、
d)流出機能(113a+115a+112)と
を備え、検出区域および反応区域が完全に、または部分的に一致することができることを特徴とする、請求項22ないし29のいずれかに記載のシステム。 - 少なくとも1つのセグメントが流入機能(102+105a+105b+103)の一部であることを特徴とする、請求項30に記載のシステム。
- a)流入機能が流入アレンジメント(IA)(105a+105b+102または103a)を備え、
b)少なくとも1つのセグメントがIAに存在する
ことを特徴とする、請求項30に記載のシステム。 - セグメントの少なくとも1つが、
a)流入機能と反応区域との間、
b)反応区域内、
c)反応区域と検出区域との間、
d)検出区域内、
e)検出区域と流出機能との間、あるいは
f)流出機能内
に配置されることを特徴とする、請求項30に記載のシステム。 - a)微小流体装置が、マイクロチャネル構造のサブセットに通常分割される複数のマイクロチャネル構造を備え、1つのサブセット内のマイクロチャネル構造は流入機能および/または流出機能の共通部分、たとえば、共通IA、および/または共通廃棄機能によって連結され、
b)少なくとも1回の実験とステップ(i)および(ii)とを2つまたはそれ以上のマイクロチャネル構造、たとえば少なくとも1つのサブセットにおいて並行して実行する
ことを特徴とする、請求項29ないし33のいずれかに記載のシステム。 - a)微小流体装置、および微小流体装置を処理する装置と、
b)検出区域での結果を検出する検出器ユニット(170)と、
c)マイクロチャネル構造(101a)のセグメント内で液体および/または気体の存在または不在を検出する手段であって、ステップ(i)を実行するセンサユニット(175)である手段と、
d)発見された液体および/または気体の存在および/または不在が、請求項1のステップ(ii)を実行するコンピュータ手段に記憶されるソフトウェアコード手段として実行される場合、その結果に信頼度を割り当てる手段と
を備えることを特徴とする、請求項28ないし34のいずれかに記載のシステム。 - センサユニットが、たとえば、画像分析による液体と気体との境界面の検出に基づくことを特徴とする、請求項35に記載のシステム。
- センサユニットが、コンピュータ手段およびソフトウェアコード手段によるさらなる処理のために、画像記憶装置/メモリ内のセグメント指標に記憶される物理パラメータ値を生成することができる画像検出装置(202)であることを特徴とする、請求項35に記載のシステム。
- 検出器ユニットが、気体および液体に関する反射率の差異に基づくことを特徴とする、請求項35ないし37のいずれかに記載のシステム。
- 検出器ユニットが分光(SPR)検出器であることを特徴とする、請求項35ないし37のいずれかに記載のシステム。
- センサユニット(175)および/または検出器ユニット(170)が、ビデオ信号、テレビ信号、またはデジタル画像信号を生成することができる画像検出ユニットであることを特徴とする、請求項35ないし37のいずれかに記載のシステム。
- コンピュータ使用可能媒体と、微小流体システムのコントローラ内のデータ処理ユニットの内部記憶装置に搭載可能なソフトウェアコード手段とを備えるコンピュータプログラム製品であって、ソフトウェアコード手段が微小流体システムのコントローラ内のデータ処理ユニットにより実行される際に、請求項1ないし21のいずれかのステップを遂行することができるコンピュータプログラム製品。
- コンピュータ使用可能媒体に記憶されるソフトウェアコード手段を備えるコンピュータプログラムであって、コンピュータ手段によってソフトウェアコード手段をコンピュータ使用可能媒体から読み出すことができ、ソフトウェアコード手段は、微小流体システムのコンピュータ手段のデータ処理ユニットに、請求項1ないし21のいずれかのステップの実行を制御し遂行させることができることを特徴とするコンピュータプログラム。
- コンピュータ使用可能媒体が、記録媒体、ハードディスク、フロッピーディスク、フロッピーディスクドライブ、光学ディスクドライブ、コンピュータメモリ、読出し専用メモリ、磁気カセット、フラッシュメモリカード、デジタルビデオディスク、ランダムアクセスメモリ、または電気搬送波信号のいずれかであることを特徴とする、請求項42に記載のコンピュータプログラム。
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