JP2008541098A - 分析装置 - Google Patents

Abstract

特定の物質、例えば、化学種、生物種又は他の有機体にさらされた際に変位を受けるセンサ（２０）及び試験チャンバー（６）を備える回転可能なプラットフォーム（２）を有する分析装置（１）。上記センサは、感度を上げるために多孔質部分（２３）を有するカンチレバービーム（２１）である。

Description

本発明は、分析装置及びカンチレバー型検出器（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｅｄ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）に関する。

化学分析用にコンパクトディスク（ＣＤ）を用いることが知られている。当該ＣＤにより、関連する流路及び流体混合チャンバーと連通して種々の流体入力ポートを規定する微小流体構造が与えられる。試験を実施するために、流体を上記入力ポートに入れ、そして当該流体が、遠心ポンプにより、結合する流路を通って上記混合チャンバーに移動するように、上記ＣＤを回転させる。有意に改良されたＣＤ光学及び取扱い技術を用いて、上記チャンバー内の任意の化学反応の試験結果を定量するために、特有の混合チャンバーのイメージを取り込むことができる。

また、マイクロカンチレバービームが、化学反応の結果を検出するための手段として考えられているが、検討されたビームの限定的な感度により、当該技術の広範囲な適用がもたらされなかった。

本発明により、試験チャンバーと、特定の物質、例えば、化学種、生物種又は他の有機体にさらされた際に変位を受けるセンサとを備える回転可能なプラットフォームを有する分析装置が提供される。
好ましくは、上記センサは、カンチレバービーム（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｂｅａｍ）である。
好ましくは、上記装置には、試験チャンバー又は関連する複数の試験チャンバー及び関連する流路に連通する微小流体通路が含まれる。

好ましくは、上記又は各試験チャンバーには、１つ又は２つ以上のカンチレバービームが含まれる。
好ましくは、上記センサには多孔質部分が含まれる。当該多孔質部分により、上記センサに、検出すべき特定の物質、すなわち、選択された化学種又は有機体の存在を可能とする感度が付与されうる。
好ましくは、上記センサは、検出すべき特定の物質を選択的に誘引し且つそれらと結合する、受容体、抗体、抗原又は酵素で官能化されている。

好ましくは、上記多孔質部分を、上記受容体を上記ビームに付着させる金層でコーティングし、上記試験チャンバーの流体内の事前選択された種又は有機体を結合させるために上記ビームを官能化させる。
好ましくは、上記センサは、当該センサが作動すると変位を受ける、モニターすべき表面を含み、モニターされる表面の位置は、分析装置が載せられている機器によりモニターされる。

好ましくは、上記表面は、反射面である。
好ましくは、上記機器は、上記反射面の位置をコンピュータにより測定し且つ表示させる、コンピュータに接続されたＣＤドライブである。
好ましくは、上記分析装置は、インレットポートから上記カンチレバービームを含む試験チャンバーに、そして廃棄物チャンバーに試験流体を運ぶための微小流体システムを含む。

好ましくは、上記廃棄物チャンバーは、上記装置のしきい値角速度より上で動く微小機械バルブにより上記試験チャンバーから分離されている。
好ましくは、上記装置は、試験すべき流体全体を受け入れることができ、そして試験するために好適な形態で流体を提供するために、インレットポートに導入した後に、流体全体から物質をろ過するためのフィルターを含むことができる。さらに好ましくは、上記フィルターは、多孔質シリコンの形状をなす。
好ましくは、上記システムには、第二のチャンバー及び試験チャンバーの間で流体を循環させることができる、試験チャンバーに接続された第二のチャンバー用の設備が含まれる。

好ましくは、上記装置は、コンパクトディスク（ＣＤ）の形状である。
別の態様では、上記装置を回転させるためのドライブユニットと、上記センサをモニターするための読取りユニットとを含む、上述のような、分析装置を収納するための試験機器が提供される。
好ましくは、上記機器は、上記読取りユニットから引き出した情報を表示するように適合されている。

さらに好ましくは、上記機器は、ＣＤドライブの形状であり、そして上記読取りユニットは、当該ＣＤドライブの既設の光学読取り／書込みヘッドの一部を形成する。
さらに好ましくは、上記機器は直接コンピュータに接続され、当該コンピュータ上に、フィルター処理工程を開始するためのＣＤドライブの操作と、上記センサの変位を測定するための、チャンバー及び光学読取りシステムの間の流体の移動とを制御するコンピュータプログラムがインストールされている。

好ましくは、上記分析方法は、コンピュータを用いて、実施すべき試験を規定するデータをインプットし、そして同一のＩＤ（ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）を有する結果を提示することにより開始される。
別の態様では、回転可能なプラットフォームのセンシングチャンバーに流体を導入し、そしてセンサをモニターして、上記変位を検出することを含む化学分析方法が提供され、ここで、当該センシングチャンバーには、上記チャンバー内の特定の物質、例えば、選択された分子を検出した際の変位のために配置されたセンサが含まれる。
さらに別の態様では、上述のようなカンチレバーセンサが提供される。

分析装置１は、流路８，９，１０でそれぞれ相互接続された、インレットポート４、第二のチャンバー５、試験チャンバー６及び廃棄物チャンバー７を含む微小流体システム３を備えるコンパクトディスク（ＣＤ）の形状の回転可能なプラットフォーム２を含むものとして、図１に具体的に説明されている。フィルター１１は、インレットポート４に導入された試験流体から、物質（例えば、細胞物質）をろ過するために、インレットポート４に近接する、複数の流路８の一つに提供されている。フィルター１１は、多孔質シリコン１２の形状をなすことが好ましい。微小機械バルブ１３はまた、試験チャンバー６及び廃棄物チャンバー７を分離する流路１０内に提供される。バルブ１３は、装置１の角速度が所定のしきい値よりも高い場合に、破線１４により示される閉鎖位置から、矢印１５により示される開放位置まで移動する。

操作中に、流体をインレットポート４に導入し、そして装置１を、当該流体が、流路８を通って第二のチャンバー５に移動し、続いて試験チャンバー６（センサが、流体内の特定の物質（例えば、選択された化学種、生物種、又は他の有機体）の存在を検出する目的で提供される）に移動するように、遠心ポンプを実施するために要求されたスピードで回転させる。次いで、装置１をより速い角速度で回転させ、バルブ１３を開け、そして上記流体を試験チャンバー６から排出する。

ここで図２を参照すると、装置１の試験チャンバー６は、装置１のプラットフォーム２から突出する、カンチレバーセンサ２０を含む拡大部分に示されている。さらに具体的には、多孔質カンチレバーセンサ２０は、シリコンブロック２２から突出するビーム２１の形状をなし、そして多孔質部分２３と、例えば、金２５の一部又は他の好適な金属物質若しくは反射物質から形成される表面２４とを含む。

試験機器３０のドライブユニット２７のスピンドル２６に据え付けられた装置１（ＣＤドライブ２９を備えたコンピュータの状態であることが好ましい）が示され、そしてドライブユニット２７は、読取りユニット３１と共にドライブ２９の一部を形成し、参照表面２４の任意の変位をモニターし、それによりカンチレバーセンサ２０をモニターする。読取りユニット３１は、改良なしで、ＣＤドライブ３１の既設の読取り／書込みヘッド３２の一部を形成することが好ましい。

ここで、カンチレバーセンサ２０の構造を、図３を参照して、さらに詳細に記載する。図３ａは、分子３７（例えば、抗原リガンド）を捕捉するための抗体受容体３６を供給する、金でコーティングされた多孔質層３５及び金でコーティングされたシリコン層３４を含むような、センサ２０の拡大部分３３を示している。分子３７が受容体３６に結合することにより、図３ｂに具体的に説明する様にビーム２１のたわみが生じ、次いで検出することができる。

多孔質物質のカンチレバービームを形成すると、たわみが大きくなる。詳細には、カンチレバーセンサ２０の特徴は、カンチレバービーム３９の活性表面層の表面応力を誘発するための表面工程、例えば、吸着、脱着、表面再構成及び再編成に依存している。ビーム２１の表面３９に対する表面応力を改良することにより、カンチレバーセンサ２０の前後の差異に基づく応力を誘発させ、それを曲げさせる。

ビーム２１の曲率は、当該ビームの前後の差異に基づく応力勾配に比例する。表面４０又は層３４と比較して表面３９の表面応力が増加すると、差異に基づく応力勾配が大きくなる。表面３９における多孔質シリコンを層３５として用いて、表面積を増やし、ひいては感度を上げることができる。我々の知る限りでは、調査又は改良は、ビームの形態又は物質構造を改良することによるカンチレバー系センシング技術の感度を上げることに焦点を合わせてこなかった。ビーム２１は、多孔質層３５を導入し、かつビーム形態を改良することにより、化学系検体により誘発されうる最高表面応力を高くする。

記載されるようにビーム形態及び物質構造を改良することにより、多孔性をした場合の高いビームたわみを、図８に示すように変化させることができることが、分析及び試験により示された。

従って、図５において、センサ２０は、ビーム２１の表面２３上に多孔質部分を製作することにより、同一の厚さ及び長さの一般的なビームと比較して、カンチレバービーム２１の大きなたわみを可能とする。
これは、ビーム２１の機械応答に、３つの影響を有する；
１．ビーム２１が多孔質の場合には、当該ビームの有効厚を薄くし、ビームの第二の慣性モーメントを減らし、そしてビームの剛性を少なくする；
２．ビーム２１が多孔質の場合には、当該ビームのバネ定数がまた小さくなる：そして
３．カンチレバービームの多孔性が増すので、当該ビームの表面積がまた大きくなる。

これらの３つの物理的な影響は、上記ビームのたわみと、現在のカンチレバー系バイオセンサ上の表面結合事象に対する感度とを増す併用効果を有する。上記ビームの層３５及び層３４の間に誘発された差異に基づく応力差が大きくなると、図３ｂでは、たわみが大きくなる。これに加えて、官能化すべき表面積、すなわち、選択した分子と結合するための受容体に与えられる表面積が増加し、当該表面に付着すべき官能化された基の密度がより高くなり、それにより、化学種又は生物種の同一濃度における感度及び誘発される表面応力が増す。

これにより、上記種のより高濃度の結合が可能となり、そして同一の化学物質又は種濃縮物におけるたわみの影響変動値を小さくすることができる。
上記ビームの形態の改良の別の影響は、当該ビームの共振振動数が変化することである。というのは、当該共振振動数は、多孔性の量の直接の尺度だからである。

ビーム形態によると、共振振動数の変化は、次の関係式を有する：

（式中、
ｆｏ＝共振振動数
ｋ＝バネ定数
ｍ＝ビームの質量）。

多孔性の変化が、カンチレバービーム２１の共振振動数を変化させ、そして上記センサの追加のセンシング能力であり、流体により生じた腐食又は化学反応の検出、例えば、船舶の腐食の測定若しくは酸性雨の検出又は環境をモニターするための類似の事象に適用することができる。

多孔性と共に、共振振動数の変化が、図４に具体的に説明され、図４では、多孔性水準の範囲に関する最小共振振動数があることが示されている。しかし、機器３０では、モニターすることが必要なのは、ビーム２１のたわみのみである。上記たわみを検出するための一般的なシステムは、当該たわみを検出するためのレーザー及び位置敏感検出器を用いる。上記検出システムは外部構成物であり、そして上記カンチレバービームに対して光学的に配列するレーザーを必要とする。一方、機器３０で用いられる検出システムは、ＣＤドライブ２９の固有の光学検出システムを用いる。ドライブ２９の読取り／書込みヘッド（ＲＷＨ）３２が用いられ、カンチレバーセンサ２０に応答指令信号を送り、そして参照表面２４の位置をモニターする。さらに、ＲＷＨのレーザーを用いて、当該試験及び第二のチャンバー５、６の温度を制御することができる。

詳細には、センサ２０のたわみを検知するために、図５に具体的に説明するように、ＲＷＨが、多孔質のカンチレバービーム２１の位置の上を移動する。ＣＤ装置１は、たわみを検知しながら回転することができる。ＲＷＨのレーザーは、カンチレバービーム２１に焦点を合わせ、そしてビーム２１の参照表面２４からの反射強度を、較正目的で、試験チャンバー４に試験流体を導入する前に測定する。次いで、試験流体を試験チャンバー６に導入し、続いて廃棄物チャンバー７に排出する。試験流体が試験チャンバー６から除去された後に、カンチレバービーム２１からの反射強度の変化を測定する。反射強度の変化は、センサたわみの尺度である。

これに続いて、上記たわみをまた、焦点の変化として測定することができる。試験流体を試験チャンバー６に導入する前に、上記レーザーは初めにビーム２１に焦点を合わせ、焦点位置を測定することができる。試験流体を試験チャンバーから除去すると、ビーム２１はたわみ、そして反射面２４が焦点から外れるであろう。反射したレーザー光線の強度を測定する際の焦点の変化の影響を具体的に説明するグラフ表示を、図６に具体的に説明する。焦点の変化は、たわみの間接測定であり、そしてＲＷＨからの電流又は電圧出力の変化として測定することができる。

血液の試験への分析装置の適用
分析装置１及び機器２０の使用の詳細な例を、図７を参照して記載する。具体的には、依頼者から血液を抜き取る段階４１、そして段階４２で当該血液を装置１のインレットポート４に導入することを含む診断試験手順４０が示されている。次いで、段階４３でＣＤ装置１をコンピュータに挿入し、そしてディスク情報を当該ＣＤから読取る。次いで、段階４４で、関連性のあるソフトウェアを用いて、較正目的のために測定すべきカンチレバーセンサ２０からの反射強度と共に段階４５で始まる試験を開始する。次いで、段階４６でＣＤを回転させ、上記血液を、細胞物質が除去されるフィルター１１を通して第一の流路８に導入する。次いで、得られる血清を第二のチャンバー５（必要に応じて）に通し、そして試験チャンバー６に通す。次いで、必要に応じて、段階４７で、上記血清をＲＷＨのレーザーにより加熱し、試験チャンバー６及び第二のチャンバー５の間で往復して循環する血清を生じさせ、受容体との相互作用を改良する。

次いで、段階４８で、上記ＣＤをより高い角速度で回転させ、上記血清が試験チャンバー６から排出され且つ段階４９で廃棄物チャンバー７に移動させるように、バルブ１３を移動させる。次いで、段階５０において、ＲＷＨを用いて、変位したカンチレバービーム２１の反射強度を測定し、次いで、段階５１でＲＷＨの出力を、段階５２において分析するためにリターンし、そこでは、測定された強度が読み込み、そして較正されたデータと比較し、関連性のある化学物質又は分子の存在を決定する。次いで、上記試験結果を記録し、段階５３において結果を使用者に通知し、そして段階５４で、上記ＣＤを要求に応じて排出する。次いで、上記試験結果を永久的に記録するために、上記ＣＤを処理又は保管することができる。

他の適用
当該技術は、高価な研究室の装置を用いる必要なく、そして結果の提供に関連する遅延を生ずることなく、実施すべき本物に近い（ｎｅａｒ）患者の健康病理学を可能とする。
適用範囲の例には、下記が含まれる。
・人間の健康病理学
以下の検出
−前立腺特異抗原
−心筋酵素
−感染症（肝炎、ＨＩＶ）
−蛇咬症毒液
・環境病理学
以下の検出
−レイオネラ（Ｌｅｉｏｎｅｌｌａ）バクテリア
−水路内の肝炎
−大腸菌濃度
・動物の健康病理学
−ヨーネ病の検出
・流体の品質測定
−ワイン発酵の検出
・産業測定
電気絶縁材の劣化の検出

本発明は、非限定的な例のみの目的で記載されており、そして記載される特許請求の範囲及び精神から外れることなく、多くの改良及び変形をなすことができる。

ここで、本発明を、添付の図面を参照して、非限定的な例の目的のみで記載する。
図１は、分析装置の平面図の概略描写である。 図２は、試験機器の概略断面図である。 図３ａは、マイクロカンチレバーの概略側面図である。 図３ｂは、たわみを具体的に説明するマイクロカンチレバーの概略側面図である。 図４は、カンチレバーの共振振動数と、多孔性との関係と具体的に説明するグラフである。

図５は、ＣＤドライブの読取り／書込みヘッド及びカンチレバーセンサの斜視図である。 図６は、センサの変位を検出する目的で、強度と時間との関係を具体的に説明するグラフである。 図７は、試験手順のフローチャートである。 図８は、多孔質カンチレバービーム及び非多孔質カンチレバービームのたわみ比較を具体的に説明するグラフである。

Claims (22)

1. 試験チャンバーと、化学種、生物種又は他の有機体等の特定の物質にさらされた際に変位を受けるセンサとを備える、回転可能なプラットフォームを有する分析装置。
2. 前記センサがカンチレバービームである、請求項１に記載の分析装置。
3. 前記装置が、前記試験チャンバー又は関連する複数の試験チャンバー及び関連する流路に連通する微小流体通路を含む、請求項１又は２に記載の分析装置。
4. 前記試験チャンバー又は結合した複数の試験チャンバーが、１つ又は２つ以上のカンチレバービームを含む、請求項３に記載の分析装置。
5. 前記センサが多孔質部分を含む、請求項１又は２に記載の分析装置。
6. 前記センサが、検出すべき特定の物質を選択的に誘引し且つそれらと結合する、受容体、抗体、抗原又は酵素で官能化されている、請求項５に記載の分析装置。
7. 前記多孔質部分を、前記受容体を前記ビームに付着させる金層でコーティングして、前記試験チャンバーの流体内の事前選択された種又は有機体を結合させるために前記ビームを官能化させた、請求項６に記載の分析装置。
8. 前記センサが、当該センサが作動すると変位を受ける、モニターすべき表面を含み、モニターされる表面の位置を、分析装置が載せられている機器によりモニターする、請求項１に記載の分析装置。
9. 前記表面が反射面である、請求項８に記載の分析装置。
10. 前記機器が、反射面の位置をコンピュータにより決定させ且つ表示させる当該コンピュータに接続されたＣＤドライブである、請求項８に記載の分析装置。
11. 前記分析装置が、インレットポートから、前記カンチレバービームを含む試験チャンバー及び廃棄物チャンバーに試験流体を運ぶための微小流体システムを含む、請求項１に記載の分析装置。
12. 前記廃棄物チャンバーが、前記装置のしきい値角速度より上で動く微小機械バルブにより前記試験チャンバーから分離されている、請求項１１に記載の分析装置。
13. 前記装置が、試験すべき流体全体を受け入れることができ、そして試験するために好適な状態で流体を提供するために、インレットポート導入後に、流体全体から物質をろ過するためのフィルターを含む、請求項１１又は１２に記載の分析装置。
14. 前記フィルターが多孔質シリコンの形状をなす、請求項１３に記載の分析装置。
15. 前記システムが、試験チャンバーに接続された第二のチャンバーのための設備を含み、当該第二のチャンバーと試験チャンバーとの間で流体を循環させることができる、請求項１４に記載の分析装置。
16. 前記装置がコンパクトディスク（ＣＤ）の形状である、請求項１〜１５に記載の分析装置。
17. 前記装置を回転させるためのドライブユニットと、前記センサをモニターするための読取りユニットとを含む、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の分析装置を支えるための試験機器。
18. 前記機器が、前記読取りユニットに由来する情報を表示するように適合されている、請求項１７に記載の試験機器。
19. 前記機器がＣＤドライブの形状であり、そして前記読取りユニットが当該ＣＤドライブの既設の光学読取り／書込みヘッドの一部を形成する、請求項１７又は１８に記載の試験機器。
20. 前記機器がコンピュータに直接接続され、フィルター処理工程を開始するためのＣＤドライブの操作と、前記センサの変位を測定するための、チャンバー及び光学読取りシステムの間の流体の移動とを制御するコンピュータプログラムが、当該コンピュータ上にインストールされている、請求項１７〜１９のいずれか一項に記載の試験機器。
21. 回転可能なプラットフォームのセンシングチャンバーに流体を導入する段階、そして
    センサをモニターして前記変位を検出する段階、
    を含む化学分析方法であって、
    前記センシングチャンバーには、前記チャンバー内の選択された分子等の特定の物質を検出した際の変位のために配置されたセンサが含まれる。
22. 請求項１〜２１のいずれか一項に記載のカンチレバーセンサ。

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