JP2015535087A - 統合多重化測光モジュールのためのシステムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2013年11月19日に提出された「INTEGRATED MULTIPLEXED PHOTOMETRY MODULE」と題する米国仮特許出願第61/727,817号に基づき、その優先権を主張し、その全体を参照により本明細書に組み込む。
は、以下のように表現することができる。
微小流体システムの動作の最適化は、少なくとも部分的に、ユーザが制限された体積の試料を利用することができるか否かによって決まることが了解される。そのような最適化された動作を達成するために、キュベットの容積は、試料の物質を充填されるが、測光測定に関与しない「デッドスペース」を含むべきではない。そのような「デッドスペース」をなくすことを促進するキュベットの必要とされる動作フットプリントは、測光測定に使用される光検出器の面積に関係する。言い換えれば、キュベットは、光検出器によって収集される光のすべての部分がキュベットを通過しており、キュベットを通るそのような光の経路長が、収集された光の任意の部分について実質的に同じであるような寸法にされるべきである。この条件が観察されない場合、測定値と関連付けられる背景ノイズが増大し、測定システムは試料濃度範囲の下端において感度が低減することになる。
VSYS=NAL+VC 式(3)
式中、Nはキュベット210の数であり、Aは単一のキュベットの必要とされる面積(フットプリント)であり、Lは単一のキュベットの厚さであり、VCはキュベット210への試料の供給およびキュベットからの廃液の除去を可能にするように適合されているチャネルのネットワーク(単純にするためにフィーダ−廃液チャネルネットワークとも称される)の容積である。希釈試料の濃度は以下によって与えられる。
[X]=[X]S(1+D) 式(4)
ここで、不希釈試料の濃度が[X]Sであり、試料アッセイの希釈比はDとして定義される。式(1)および(4)に基づいて、
となり、キュベット厚さが変化するときに、試料吸光度の値を不変のままにするために、希釈比Dもまた、以下のようにキュベットの厚さの関数として変化しなければならない。
D2=(L2/L1)(l+D1)−1 式(6)
VSYS=VS(1+D) 式(7)
選択される基準測定方法に対応する光の経路長および試料希釈比がそれぞれLRおよびDRであると仮定すると、不希釈試料の必要とされる体積Vsは以下のように、式(3)、式(5A,5B)、式(6)および(7)から、キュベット厚さLの逆数となるように求められる。
VS=LR(NAL+VC)/(L+LDR) 式(8)
本発明の実施形態は、各々が指定の固有タイプの測定に適合されている複数の個々のキュベットを空間多重化様式で組み合わせる再使用可能な微小流体チップまたは要素を利用する。たとえば、同じチップ上の複数の個々のキュベットは、異なるキュベットにおいてはその濃度が異なる同じタイプの試料の同時測定に使用することができる。関連実施例において、同じチップ上の複数の個々のキュベットは、異なるタイプまたは性質の試料(たとえば、異なる被分析物を含む試料)の同時測定に使用することができる。いずれの事例においても、個々のキュベット内に可能な最小体積の試料を使用するために、上述したように、そのようなキュベットの「デッド」体積が最小限に抑えられる。個々の、ただし構造的に多重化されているキュベットが、動作上互いから独立している必要があることによって、異なる個々のキュベット内の異なる試料アリコートが、互いと混合する可能性をどのようになくすかという疑問が生じ、そのような混合によって、測定値に誤差が生じることを当業者は認識しよう。この要件は、直接に連続する測定の間に測光装置から再使用可能な微小流体チップが取り外されないようにするという別の用件が課される場合に、さらにより厳密になる。
試料分離実施形態500は、個々の微小流体要素の多重化の一例を示し、個々の微小流体要素の各々は、対応する入力チャネルまたは入口502(a、b、c、d、e、f、g、h、i、j)と、キュベット504(a、b、c、d、e、f、g、h、i、j)と、対応する個々の出力または出口508(a、b、c、d、e、f、g、h、i、j)とを含む。図解を単純にするために、上述の要素のいくつかのみが図5においてラベリングされている。個々の入口502a〜502jは、個々のキュベット504a〜504j内の異なる試料が互いを汚染しないように、これらのキュベットを動作可能に分離する目的を果たす。試料を分配し、戻す流体マニホルドを単純にするために、個々の出口508a〜508jは、統合されて、共通のチップ出口516を共有する。キュベット504a〜504j内の試料を動作可能に分離するために、個々のキュベット出口508a〜508jの流体抵抗は、主出口チャネル516内の加圧流体が、別のキュベットを通じて上流へ(たとえば、出口508aを通じてキュベット504aに向かって)戻るのではなく、共通の出口を通じて(矢印518に沿って)デバイスから流れ出ることを保証するのに十分でなければならない。個々の出口チャネル508a〜508jに対応する流体経路長は、個々のキュベット504a〜504j内の試料が拡散混合するのを防止するのに十分に長くなければならない。
一実施態様において、また図2、図4A、図4B、および図5をさらに参照すると、IPM200に使用される多重化チップ212、500内の個々のキュベットは、約2mmの直径を有する円によって画定されるフットプリントを有する。図7は、式(8)による、キュベット厚さの関数としての必要とされる不希釈試料の体積および基準希釈比を示すプロットである。図7によれば、約1mmの厚さを有するキュベットが、同時に約0.02mLを下回る不希釈試料体積を維持しながら、微小流体コンポーネントシステム全体の「デッド」容積の低減を最適化する。それゆえ、図7は、多重化微小流体チップ212、500の動作が約1mmの厚さを有するキュベットについて最適化されている一実施形態に対する例示をもたらす。図7の例において、キュベット(404、504a〜504j)の入口チャネル(302、502a〜502j)は各々、約1mmの深さおよび約0.5mmの幅を有する。個々の入口遷移領域406Aに対応する遷移角ATは、図4Bを参照して説明したように、約180°であるように選択される。個々の入口(302、502a〜502j)の各々は、図4Aを参照して説明したように、約32°の角度AWにおいて対応するキュベット(404、504a〜504j)に向かって拡大する。個々のキュベットの壁は、約1mmのキュベット曲率半径408を有する。個々の出口チャネル(308、508a〜508j)は、約0.25mmの幅、約0.05mmの深さ、および約26mmの長さを有する。個々のキュベット領域から対応する出口チャネル(308、508a〜508j)までの遷移領域406Bは約1.9mmの長さT2を有する。出口遷移領域406Bに対応する遷移角ATは、約153°であるように選択される。主出口チャネル516は、約0.25mmの深さおよび約0.5mmの幅を有する。主出口チャネルの長さに沿った個々の出口チャネルの対の間の距離は約5.4mmである。
Claims (25)
- 表面を有する微小流体コンポーネントであって、前記微小流体コンポーネントの表面において、
入口部分、出口部分、および前記入口部分と前記出口部分と流体連通している前記入口部分と前記出口部分との間のキュベット部分、を有する微小流体チャネルを備え、
前記キュベット部分は、流体が前記微小流体チャネルに沿って流れているときに前記キュベット部分の中に気泡が形成することを防止するような寸法にされている、微小流体コンポーネント。 - キュベット部分は、前記表面上への投影で実質的に円形とされる請求項1に記載の微小流体コンポーネント。
- 前記キュベット部分と、前記入口部分および前記出口部分のうちの少なくとも一方とは遷移部分によって接続され、前記遷移部分は第1の底部を含み、前記キュベット部分は第2の底部を含み、前記遷移部分の前記第1の底部は、前記キュベットの前記第2の底部に対して鈍角で傾斜している、請求項1に記載の微小流体コンポーネント。
- 前記鈍角は約144度〜180度である、請求項3に記載の微小流体コンポーネント。
- 前記キュベット部分と、前記入口部分および前記出口部分のうちの少なくとも一方とは、壁を含む遷移部分によって接続されており、前記遷移部分の前記壁は、前記入口部分および前記出口部分のうちの少なくとも一方の軸に対して鋭角で傾斜している、請求項1に記載の微小流体コンポーネント。
- 前記鋭角は36度よりも小さい、請求項5に記載の微小流体コンポーネント。
- 微小流体供給チャネルのネットワークであって、前記チャネルの各々は、
入口部分と、出口部分と、前記入口部分および前記出口部分と流体連通している、前記入口部分と前記出口部分との間のキュベット部分と、
端部を有する主出口チャネルであって、前記主出口チャネルは、入口部分から対応する微小流体供給チャネルを通じて前記端部へと至る第1の向きにおいて試料が流れることを可能にし、前記主出口チャネルから前記対応する微小流体供給チャネルへの第2の向きにおいて前記試料が流れることを妨げるように、各出口部分と流体連通して構成されている、主出口チャネルと
を備える、微小流体供給チャネルのネットワーク。 - 前記主出口チャネルの一面上に配置されている第1の微小流体供給チャネルが、前記主出口チャネルの他方の面上に配置されている対応する第2の微小流体供給チャネルを有するように構築されている、請求項7に記載の微小流体供給チャネルのネットワーク。
- 前記ネットワークは、前記主出口チャネルを中心として実質的に対称に構築されている、請求項7に記載の微小流体供給チャネルのネットワーク。
- 第1の出口部分および第2の出口部分が、主出口チャネルに沿った第1の点および第2の点において主出力チャネルに接続されており、前記第1の出口部分および前記第2の出口部分のいずれかは、前記第1の出口部分および前記第2の出口部分のいずれかを通って前記主出口チャネルに向かって流れる流体に対する第1のレベルの抵抗を規定するように構成されており、前記主出口チャネルの、前記第1の点と前記第2の点との間に画定される一区画が、該区画を通って前記端部に向かって流れる前記流体に対する第2のレベルの抵抗を規定するように構成されており、前記第1のレベルに対応する抵抗の値は、前記第2のレベルに対応する抵抗の値の倍数であり、該倍数は、前記ネットワーク内の出口部分の数以上である、請求項7に記載の微小流体供給チャネルのネットワーク。
- 前記第1のレベルに対応する前記抵抗の値は、前記第2のレベルに対応する前記抵抗の値よりも少なくとも200倍とされる請求項7に記載の微小流体供給チャネルのネットワーク。
- 前記ネットワークのキュベット部分は、前記チップの表面への投影で実質的に円形とされる請求項7に記載の微小流体供給チャネルのネットワーク。
- 前記キュベット部分と、前記入口部分および前記出口部分のうちの少なくとも一方とは遷移部分によって接続されており、前記遷移部分は壁および第1の底部を含み、前記キュベット部分は第2の底部を含み、前記遷移部分の前記第1の底部は、前記キュベットの前記底部に対して約144度〜180度の鈍角で傾斜しており、前記遷移部分の前記壁は、前記入口部分および前記出口部分のうちの少なくとも一方の軸に対して、36度未満の鋭角を形成する、請求項7に記載の微小流体供給チャネルのネットワーク。
- 前記ネットワークは、入口部分と対応するキュベット部分および出口部分と対応するキュベット部分のうちの少なくとも一方を流体接続する遷移部分をさらに備え、前記遷移部分は一定の長さを有し、入口部分および出口部分のうちの少なくとも一方にそれぞれ対応する断面積よりも大きい断面積によって特徴付けられている、請求項7に記載の微小流体供給チャネルのネットワーク。
- 微小流体供給チャネルは、流体が前記微小流体供給チャネルに沿って流れているときに前記チャネルの中に気泡が形成することを防止するような寸法にされている、請求項7に記載の微小流体供給チャネルのネットワーク。
- 流体試料の測光測定のためのシステムであって、前記システムは、
チップを備え、
前記チップは、
微小流体供給チャネルのネットワークであって、各チャネルは、入口部分、出口部分、ならびに、前記入口部分および前記出口部分と流体連通している、前記入口部分と前記出口部分との間のキュベット部分と、
端部を有する主出口チャネルであって、前記主出口チャネルは、入口部分から対応する微小流体供給チャネルを通じて前記端部へと至る第1の向きにおいて試料が流れることを可能にし、前記主出口チャネルから対応する前記微小流体供給チャネルへの第2の向きにおいて前記試料が流れることを妨げるように、各出口部分と流体連通して構成されている、主出口チャネルと、を含む
システム。 - 光検出器のアレイと、前記アレイの間に前記チップを挟むように位置付けられ、各キュベット部分が対応する光源から対応する光検出器へと光を伝達するように向けられている光源のアレイと、をさらに含む請求項15に記載のシステム。
- 前記ネットワークは、前記主出口チャネルを中心として実質的に対称に構築されている、請求項15に記載のシステム。
- 第1の出口部分および第2の出口部分が、主出口チャネルに沿った第1の点および第2の点において主出力チャネルに接続されており、前記第1の出口部分および前記第2の出口部分のいずれかは、前記第1の出口部分および前記第2の出口部分のいずれかを通って前記主出口チャネルに向かって流れる流体に対する第1のレベルの抵抗を規定するように構成されており、前記主出口チャネルの、前記第1の点と前記第2の点との間に画定される一区画が、該区画を通って前記端部に向かって流れる前記流体に対する第2のレベルの抵抗を規定するように構成されており、前記第1のレベルに対応する抵抗の値は、前記第2のレベルに対応する抵抗の値のある倍数であり、前記倍数は、前記ネットワーク内の出口部分の数以上である、請求項15に記載のシステム。
- 前記第1のレベルに対応する前記抵抗の値は、前記第2のレベルに対応する前記抵抗の値よりも少なくとも200倍とされる請求項15に記載の微小流体供給チャネルのネットワーク。
- 前記システムは、前記キュベット部分と、前記入口部分および前記出口部分のうちの少なくとも一方との間の遷移部分と、をさらに備え、前記遷移部分は、壁および第1の底部を含み、前記キュベット部分は第2の底部を含み、前記遷移部分の前記第1の底部は、前記キュベットの前記第2の底部に対して約144度〜180度の鈍角で傾斜しており、前記遷移部分の前記壁は、前記入口部分および前記出口部分のうちの少なくとも一方の軸に対して、36度未満の鋭角において形成する、請求項15に記載のシステム。
- 測光測定を実施するための方法であって、
第1の光源から第1の光検出器へ対応する第1のキュベットを通じて光を伝達するステップであって、該第1のキュベットが対応する第1の入口チャネルから供給される第1の流体試料を含んでいる、光を伝達するステップと、
第2の光源から第2の光検出器へ対応する第2のキュベットを通じて光を伝達するステップであって、該対応する第2のキュベットが対応する第2の入口チャネルから供給される第2の流体試料を含んでいる、光を伝達するステップと、
前記第1の流体および前記第2の流体を表すデータを取得するステップと、
前記対応する第1のキュベットおよび前記第2のキュベットからそれぞれ対応する第1の出口チャネルおよび第2の出口チャネルを通じて主出口チャネルへと前記第1の流体および前記第2の流体を除去するステップと、を含み、
前記第1のキュベットおよび前記第2のキュベットは第1の流体試料および第2の流体試料が前記第1のキュベットおよび前記第2のキュベットを通って流れている間に、前記第1のキュベットおよび前記第2のキュベットの中に空洞部分が形成されることを実質的に防止するような寸法にされている、方法。 - 前記第1のキュベットおよび前記第2のキュベットの各々は、前記キュベットの入口側および出口側のうちの少なくとも一方に遷移チャネル部分を有し、前記遷移部分は、壁および第1の底部を含み、前記キュベット部分は第2の底部を含み、前記遷移部分の前記第1の底部は、前記キュベットの前記第2の底部に対して約144度〜180度の鈍角で傾斜しており、前記遷移部分の前記壁は、前記キュベットを通る流体流の向きに対して、36度未満の鋭角において形成する、請求項20に記載の方法。
- 前記除去するステップは、
前記第1のキュベットから、第1の点において前記主出力チャネルに接続されている前記第1の出口チャネルを通じて流体を除去するステップと、
前記第2のキュベットから、第2の点において前記主出力チャネルに接続されている前記第2の出口チャネルを通じて流体を除去するステップと、を含み、
前記第1の出口チャネルおよび前記第2の出口チャネルのいずれかが、前記第1の出口部分および前記第2の出口部分のいずれかを通って前記主出口チャネルに向かって流れる流体に対する第1のレベルの抵抗を規定するように構成され、前記主出口チャネルの、前記第1の点と前記第2の点との間に画定される一区画が、前記区画を通って前記端部に向かって流れる前記流体に対する第2のレベルの抵抗を規定するような寸法にされ、前記第1のレベルに対応する抵抗の値は、前記第2のレベルに対応する抵抗の値のある倍数であり、前記倍数は少なくとも、前記流体ネットワーク全体内の出口部分の数に等しい、請求項20に記載の方法。 - 前記倍数は200以上である、請求項20に記載の方法。
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