JP2016101166A - ユニバーサルサンプル調製システムおよび統合解析システムの使用方法 - Google Patents

ユニバーサルサンプル調製システムおよび統合解析システムの使用方法 Download PDF

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B Jovanovich Stevan
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s cohen David
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Recknor Michael
ヴァンボ，マティアス
Vangbo Mattias
ゲルダー，エズラ ヴァン
Van Gelder Ezra
ゲルダー，エズラ ヴァン
マイロフ，ラーシュ
Majlof Lars
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Abstract

【課題】生の生物学サンプルを処理し、生物化学反応を実施し、読み出した核酸（ＤＮＡ）配列の解析を提供することができる、ユニバーサルサンプル調製システムおよび統合解析システムの提供。【解決手段】熱サイクル容器を含む少なくとも１つの流体容器を具えるマイクロ流体チップ、試薬カード、前記試薬カードと前記マイクロ流体チップ間で流体を移動させるべく圧力を与えるように構成されたアクチュエータ、熱サイクル容器内のサンプルを熱サイクルにかけて前記サンプル中の少なくとも１つの核酸配列を増幅させる工程とを具えるシステム。【選択図】なし

Description

（クロスリファレンス）
本出願は、２００９年６月５日提出のＵＳＳＮ６１／１８４，７５９および２００９年８月２０日に提出の６１／２３５，６６４に関連し、全ての目的のためにその全体を参照することにより本明細書に組み込まれる。
（連邦政府の委託研究に関する記述）
本発明は、中央情報局が授与する契約番号２００４＊Ｈ８３８１０９＊０００の下に政府の支援で作製された。政府は本発明において一定の権利を有する。
サンプル調製は生物学的な分析システムにおけるユビキタスの問題である。確実に下流の分析アッセイを行うために、多様なサンプルタイプの原料から十分に精製されたターゲットを提供する問題は、普及しており、細胞生物学、ゲノミクス、プロテオミクス、メタボロミクス、食品の生物学、分子診断、および他の多くの生物学的および医学的アッセイをカバーしている。サンプル調製における多くの進歩がなされているが、主要なソリューションは、マニュアルで、または、サンプルを操作する直線ステージや多軸のアームを使用するロボットシステムで使用される試薬を開発することであった。
マイクロフルイディクスとナノフルイディクスは、微小サンプル量を分析のために準備することができる。利点は、運用コストを減らすための試薬のナノスケールの消費量と、オペレータの差異を排除するフルオートメーションを含んでいる。マイクロフルイディクスのサンプル調製は、既存または将来の検出方法とのインタフェースまたは完全に統合されたシステムの一部のいずれかである。本出願では、サンプル調製および分析のためにマイクロリットルおよびそれよりも少量で１０ｍｌ以上の量で全量のサンプル調製を統合する方法および装置が開示されている。
サンプルから始めて、本発明は、濃縮物、および、ＥＬＩＳＡ、ＰＣＲまたは他の核酸増幅技術、単一分子の検出、タンパク質アレイ、質量分析、および当業者に公知の他の分析方法による分析で、エアロゾルのサンプル、水、液体、血液、便、鼻腔、口腔および他の粘膜、体液、環境サンプルを備えるマトリックス中の有機物をを検出および分類するさらなる処理のための個別のコンポーネント、に適用される。
マイクロフルイディックス核酸の精製は、核酸アッセイ用サンプルを準備するために実行することができる。ＤＮＡ分析のために、ＰＣＲ増幅は一つの現在使用されている方法である。サンプルが反応および読み出しのためのマイクロアレイに適用される前に、マイクロアレイＤＮＡ、ＲＮＡおよびタンパク質の分析は、また、広範なサンプル調製を必要とする。
サンプルは基板とマトリックスの様々な変更によって得ることができる。マトリックスは、ＤＮＡベースの増幅を妨げる、ヘム、藍、フミン酸、二価の陽イオン、およびタンパク質などのような、阻害化合物を含む複雑な混合物を含むことがある。 エアロゾルは、判断基準となるＰＣＲ増幅を妨げる、金型、金属、および土壌フミンや他の酸を大量に含むことができる。
初期の研究は、わずか３つの種のある有機体が、土壌抽出液の希釈したサンプルから検出できその後２つの１６Ｓリボソーム遺伝子断片のＰＣＲ増幅が行われることを示した。低融点温度アガロースは、ユニバーサルプライマーを用いて１６Ｓと１８ＳｒＤＮＡのＰＣＲ増幅のための土壌サンプルからＤＮＡを抽出するために使用される。セファデックスカラムのようなカラム形式のスパン分離ゲルが使用される。このようなセファデックスカラムと組み合わせた有機抽出のような多段階の精製が開発された。ビーズビーティングは、沢山の有機体のためのサンプルを準備するための効果的な方法であることが分かっており、また、液体窒素中でのグラインディングは少量の有機体を検知するために効果的である。これらの方法は有効であるが、これらの方法は研究室の環境に最も適していた。
カラム、ビーズ、表面に対する固層抽出は、ＤＮＡ分析の前にＤＮＡを精製するために使用することができる。キアゲンＱＩＡアンプシリカゲルメンブレンのカラムおよびＩｓｏＣｏｄｅスティックスに続くプロテイナーゼＫ、および、加熱、洗浄および短い遠心分離に続く含浸膜ベースの技術は、バッファ、血清、バッファ中の全血および胞子中での炭疽菌スターン栄養細胞とを比較され、うまく動作することがわかった。
多様な分離は本発明の装置および方法を用いて実行することができる。例えば、本発明の装置および方法は、クロマトグラフィー、相ベースまたは磁気ベースの分離、電気泳動、蒸留、抽出、およびろ過を実行するために使用することがでる。例えば、マイクロ流体チャンネルや毛細管は、クロマトグラフィーや電気泳動に使用することができる。同様に、磁気ビーズのようなビーズは、相ベースの分離および磁気ベースの分離に使用できる。ビーズ、または、ここに記載された他の表面は、ターゲットに対し特異的または非特異的な結合を示す結合部分で官能化することができる。バインディングが、金と硫黄との間に現れるような部分的な共有結合相互作用と同様に、静電気、ファンデルワール壁相互作用、疎水性、親水性、水素結合、イオン相互作用に基づいている。好ましい実施形態において、本発明の装置および方法は、免疫磁気分離を利用する。
免疫磁気分離（ＩＭＳ）は、ターゲットを、常磁性ビーズと磁場を採用して機械的に単純化された形式を使用した単一のステップでキャプチャして濃縮することができる強力な技術である（Grodzinski P, Liu R, Yang J, Ward MDらによる「サンプル調製マイクロチップセットのマイクロフルイディックシステムの統合（サマリー）」Conf Proc IEEE Eng Med Bio Soc. 2004;4:261508、Peoples MC、Karnes HTによる「バイオ分析用マイクロフルイディティの免疫親和性分離」J Chromatogr B Analyt Technol Biomed Life Sci. 2007 Aug 30および、Stevens KA, Jaykus LAによる「複雑なサンプルマトリックスからの最近の分離と濃縮（レビュー）」Crit Rev Microbiol. 2004; 30(1):7-24.を参照のこと）。ＩＭＳは、特定の標的抗原、蛋白質、毒素、核酸、細胞、および胞子をキャプチャし、濃縮し、精製するために使用することができる。ＩＭＳはもともと抗体を使用を参照に使用されており、我々は、レクチン、ＤＮＡ−ＤＮＡ、ＤＮＡ−ＲＮＡ、ビオチン−ストレプトアビジン、および、固相に結合されている他の親和性の相互作用を含む、他の特異的親和性の相互作用を含むようにその使用を一般化している。ＩＭＳは、通常抗体またはＤＮＡである特異的親和性試薬を、外部磁界の存在下でのみ磁性である常磁性ビーズと結合することによって動作する。ビーズは、エアロゾル、液体、体液、または食品のような複雑なサンプルに添加することができる。親和性試薬（自体は常磁性ビーズに結合されている）にターゲットを結合した後、ビーズは磁場の印加によってキャプチャされる。未結合または疎結合した物質は、元のサンプル中の他の不要な物質からターゲットを精製する、互換性のあるバッファを洗浄することによって除去される。ビーズは小さく（約１ｎｍから約１μｍ）てターゲットと高いレベルで結合しているので、ビーズが磁力によって濃縮されると、ビーズは通常１ｎＬから１μＬの間のビーズベッドを形成し、それにより、ターゲットを精製すると同時に濃縮する。精製し、濃縮されたターゲットは、さらなる調整または分析のために、都合よく、輸送され、変性され、オンビーズで溶解または分析され、または、オフビードで溶出される。
免疫磁気分離は、広く食品中の微生物の検出、体液、および他のマトリックスを含む多くのアプリケーションに使用される。常磁性ビーズは、容易に混合および操作され、マイクロスケール及びマイクロフルイディクスのアプリケーションに適応可能である。この技術は、マクロスケールからマイクロスケールのインターフェイスに優れたソリューションを提供する：ビーズは、マクロスケールでサンプルを精製し、マイクロフルイディティやナノフルイディティのプラットフォームへの導入のためナノスケール（数１００ｎＬ）に濃縮するために、ほぼ理想的な媒体である。免疫磁気分離は、リアルタイムＰＣＲ、電気化学発光、磁力の識別の前の上流の精製ステップとして一般的に使用されている。
マイクロチップで液体を移動する機能は非常に重要である。この発明は、サンプルのキャプチャと精製の技術、マイクロ分離、マイクロバルブ、−ポンプ、および−ルーター、ナノフルイディック制御、およびナノスケールの生化学を記載する。技術の主要なコンポーネントは、マイクロロボットのオンチップバルブ（ＭＯＶｅ）技術（その一例を図１に示す）、および、複雑なワークフローを小型化し自動化するためのその応用である。ＭＯＶｅバルブ、ポンプ、およびルーターやそれらを操作する器具を総称して、マイクロチップの流体処理プラットフォームと呼ぶことができる。
マイクロチップの流体処理プラットフォーム技術の中心は、搬送、処理およびサンプルの解析を可能とする、ＭＯＶｅのポンプ、バルブ、および、ルーターである。もともとはカリフォルニア大学バークレー校（ＵＣバークレー）でMathiesの研究室で開発された、これらの新規で外部から駆動され、空気圧駆動される、オンチップバルブ、ポンプ、および、ルーター（Grover, W.H., A.M. Skelley, C.N. Liu, E.T. Lagally, R.M. Mathies., 2003. Sensors and Actuators B89:315-323; Richard A. Mathies et al., United States Patent Application, 20040209354A1 October 21, 2004; これらの全てはここに参照されることにより組み込まれる）は、２０ｎＬから１０ｎＬの操作量で流体の流れを制御することができる。
ＭＯＶｅのバルブとポンプ（図１）は、２つのガラスおよび／またはプラスチックのマイクロ流体層を、バルブを開閉するポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）の変形可能な膜の層、および、膜を変形させてバルブを駆動するための空気層、と組み合わせることができる。トップガラスのフルイディックウエハにエッチングされたマイクロフルイディックスチャンネルは不連続であり、通常は閉じているバルブシート（図１Ａ）につながっている。吸引が、従来のスケールの吸引および圧力源によって、空気変位容器に適用されると、通常は閉じられているＰＤＭＳ膜が、バルブを開くためにバルブシートから持ち上がる（図１Ｂ）。図１Ｃは、他のパネルと同じスケールのバルブの上面図を示している。
流体をマイクロチップＡ上で入力領域から出力領域へと移動させるために、３つのマイクロバルブがマイクロチップ上のマイクロポンプを形成するために使用されている。流体は３つ以上のバルブによって移動される。バルブは、変形可能な構造のアクチュエータを作製することができる。いくつかの実装では、バルブシートが作製され、他の実施形態では、バルブシートは必要ないことがあり。図２は、最上部から最下部までのＭＯＶｅ装置である：バルブ、ルーター、ミキサー、ビーズキャプチャを示している。自吸式ＭＯＶｅポンプ（図２、上部）は、３つのバルブの動作をコーディネートし、どちらかの方向に流れを作製している。ルーターは、３つ以上のＭＯＶｅバルブ（図２、上部中央のパネル）から作られている。ミキシングは、マイクロ流体工学のための至高の目標となっており：ＭＯＶｅミキサー（図２、底部中央のパネル）が急速にサンプルと試薬を混ぜる。ＭＯＶｅデバイスは、磁気ビーズと絶妙に動作して、ビーズのセットをポンプまたはトラップする（図２、下部パネル）。
通常は閉じられているＭＯＶｅバルブ、ポンプ、およびルーターは、耐久性に優れており、簡単に低コストで製造でき、密な配列で動作することができ、低デッドボリュームを持っている。ＭＯＶｅのバルブ、ポンプ、およびルータの配列は、マイクロチップ上に容易に製造できる。重要なことは、マイクロチップ上のすべてのＭＯＶｅバルブ、ポンプ、およびルーターは、ＰＤＭＳ膜の単一シートを使用して、単純な製造工程で同時に作製される−それはマイクロチップ上に５個のＭＯＶｅマイクロポンプを作るのと５００個を作製するのと同じコストがかかる。この革新的な技術は、初めてマイクロチップ上に複雑なマイクロ及びナノフルイディックスの回路を作製する機能を提供する。
マイクロチップの使用および設計を議論する特許および特許出願は、２００７年１２月２５日に発行された米国特許第７，３１２，６１１号；２００１年２月２０日に発行された米国特許第６，１９０，６１６号；２００２年７月２３日に発行された米国特許第６，４２３，５３６号；２００５年３月２２日に発行された米国特許第１０，６３３，１７１号；２００５年３月２２日に発行された米国特許第６，４２３，５３６号；２００１年１月２５日に出願された米国出願Ｎｏ．ＵＳ２００１−０００７６４１；２００２年４月１８日に出願された米国出願Ｎｏ．ＵＳ２００２０１１０９００；２００５年９月１５日に出願された米国特許出願Ｎｏ．２００７０２４８９５８；２００３年１２月２９日に出願された米国特許出願Ｎｏ．ＵＳ２００４０２０９３５４；２００３年１２月２９日に出願された米国特許出願Ｎｏ．ＵＳ２００６／００７３４８４；２００５年５月２５日に出願された米国特許出願Ｎｏ．ＵＳ２００５０２８７５７２；２００７年３月２１日に出願された米国特許出願Ｎｏ．ＵＳ２００７０２３７６８６；２００４年１１月２４日に出願された米国特許出願Ｎｏ．ＵＳ２００５０２２４３５２；２００５年９月１５日に出願された米国特許出願Ｎｏ．ＵＳ２００７０２４８９５８；２００７年２月２日に出願された米国特許出願Ｎｏ．ＵＳ２００８００１４５７６；および２００６年７月２６日に出願された米国特許出願Ｎｏ．ＵＳ２００７０１７５７５６を含み；そのすべてがここにその全体が参考として援用される。
本発明は、生の生物学的サンプルを処理し、生化学反応を行い、マルチプレックスに読み出された解析を提供できるシステムを提供する。例えば、システムは、綿棒からＤＮＡを抽出し、ＤＮＡからＳＴＲ遺伝子座を増幅し、増幅された遺伝子座とサンプルのＳＴＲマーカーを分析することができる。システムは、マクロフルイディティの機能となりうるものを接続するため、マイクロフルイディティのコンポーネントを使用することで、これらの機能を統合している。一実施形態では、システムは、サンプルの精製モジュール、反応モジュール、反応後のクリーンアップモジュール、毛細管電気泳動モジュールとコンピュータを含む。ある実施形態では、システムは、分析対象化合物の取り込みを行うための使い捨てカートリッジを含む。カートリッジは、容器間の液体の経路となる、マイクロフルイディティチップと結合するマクロフルイディティ容器をもつ流体マニホールドを含む。システムは、１０立方フィート以下のエンクロージャ内に収まり、閉鎖、ポータブル、および／またはバッテリー駆動のシステムとすることができる。システムは、サンプルから分析に４時間未満の時間で移るために使用される。
一態様において、本発明は、１０立方フィート以下のエンクロージャ内に収まるシステムであって：（ａ）キャプチャ粒子上の非マイクロ流体容積から検体を捕捉し、捕捉した検体をマイクロ流体チャンネルを介して通すように構成されたサンプルの準備モジュールと；（ｂ）捕捉された検体を固定化し、反応生成物を精製するために、非マイクロ流体容積内で検体の生化学反応を行うよう構成された、マイクロ流体チャンネルと流体連通している反応容器を具える反応モジュールと；（ｃ）反応生成物の分析を実行するために適応された、反応容器と流体連通している解析モジュールと；を具えるシステムを提供する。一実施形態において、システムは、検体を捕捉し、検体の生化学反応を行い、４時間未満に生成物の解析を行うよう構成されている。一実施形態では、システムは、さらに、解析モジュールから解析についてのデータを受信するよう構成されたデータ解析モジュール、および、データと出力の解析結果を変換する実行コード、を具える。他の実施形態において、システムは、さらに、反応容器および解析モジュールと流体連通している処理モジュールであって、（１）反応生成物を第２のマイクロ流体チャンネルを介して非マイクロ流体処理容器中へ通し；（２）反応生成物を処理し；（３）処理された反応生成物を解析モジュールへ通すよう構成された処理モジュールを具える。他の具体的な実施形態において、システムは、８立方フィート以下、４立方フィート以下、２と１／２立方フィート以下のエンクロージャ内に収まる。システムの他の実施形態では、サンプル調製モジュールが検体をセルから解放するように構成されている。システムの別の実施形態において、キャプチャ粒子は、磁気応答性のキャプチャ粒子であり、反応モジュールは、捕捉された検体を固定化するように構成された磁力源を具える。システムの別の実施形態において、反応モジュールは熱サイクルを実行するように構成されている。システムの別の実施形態において、システムがクローズドシステムである。システムの別の実施形態において、システムがバッテリー駆動である。
他の態様において、本発明は、カートリッジカバー、カートリッジおよび空気マニホールドを具え、カートリッジが解放可能にカートリッジカバーおよび空気マニホールドと係合するシステムであって、カートリッジが、１つ以上の空気的に作動可能なバルブおよび１つ以上のマイクロ流体チャンネルを具え、空気マニホールドおよびカートリッジカバーが、少なくとも１つの圧力源とそれぞれがフルイディックに接続され、空気マニホールドおよびカートリッジカバーが、カートリッジ内の流体の流れをコントロールするようそれぞれが構成されているシステムを提供する。一実施形態において、空気マニホールドが空気作動式バルブを作動させるよう構成され、カートリッジカバーがカートリッジ内の１つ以上の容器に圧力を与えるよう構成されている。
他の態様において、本発明は、システムであって：ａ）サンプル容器、混合容器および互いに流体連通している熱サイクル容器を含む、少なくとも１セットのフルイディック容器を具える使い捨てのカートリッジ、および、熱サイクル処理を含む化学反応を実行するための試薬を具える試薬カード、からなり、試薬カードが、閉じた構成のカートリッジに運ばれ、少なくとも１セットのフルイディック容器と流体連通状態に移動するよう構成され；ｂ）カートリッジがアクチュエータアセンブリと係合するとき、容器間に流体を移動させるよう構成されたアクチュエータアセンブリと；ｃ）カートリッジがアクチュエータアセンブリと係合するとき、温度サイクル容器内の温度を循環するよう構成された熱サイクラーと；ｄ）カートリッジがアクチュエータアセンブリと係合するとき、カートリッジからサンプルを受け取るよう構成され、サンプルの毛細管電気泳動を行うよう構成された、毛細管電気泳動アセンブリと；ｅ）アクチュエータアセンブリ、熱サイクラーおよび毛細管電気泳動アセンブリをコントロールするよう構成された、コンピュータ化されたコントロールシステムと、を具えるシステムを提供する。
他の態様において、本発明は、カートリッジであって：ａ）フルイディック側および試薬カード側を具えるフルイディックマニホールドであって、フルイディックマニホールドが：（ｉ）各容器がフルイディック側にポートを具える、少なくとも１セットのフルイディック容器と；（ｉｉ）少なくとも１つのポートを具える少なくとも１つの熱サイクル容器と；（ｉｉｉ）少なくとも１つの出口ポートと；（ｉｖ）試薬カードと係合するよう構成された試薬カード側のスロットであって、スロットが、試薬カード側にカニューレを具え、２つの側の間が連通する複数のスロットチャンネルを具えるスロットと；を具え、ｂ）少なくとも１つのマイクロ流体チップであって、マイクロ流体チップが：（ｉ）少なくとも１つのフルイディック回路と；（ｉｉ）フルイディック回路と流体連通している複数のポートと；（ｉｉｉ）フルイディック回路内の流体流れを規制するよう構成された少なくとも１つの空気で作動するダイアフラムバルブと；を具え、少なくとも１つのチップがフルイディックマニホールドと係合し、少なくとも１つのチップのポートが容器およびスロットチャンネルのポートと流体連通し、各不意類ディック容器が少なくとも１つの他のフルイディック容器と流体連通し、各カニューレがフルイディック容器と連通する、マイクロ流体チップと；ｃ）スロットと係合した試薬カードであって、カードが、試薬を収納する複数の試薬容器を具え、それぞれの試薬容器が、少なくとも１つのカニューレと整列し、試薬容器がカニューレによって孔を開けることがない第１の係合位置と試薬容器がカニューレによって孔を開けられる第２の係合位置とをとるよう構成されており、それによって、試薬容器をフルイディック回路と流体連通させているカートリッジを提供する。一実施形態において、試薬がＰＣＲを行うための試薬を具える。別の実施形態において、試薬が複数の短いタンデムリピートを増幅するプライマーを具える。別の実施形態において、フルイディック容器の少なくとも１つのセットが、フルイディック容器の複数のセットである。さらに別の実施形態において、カートリッジは、フルイディックマニホールドが、さらに、マニホールドのフルイディック側に少なくとも１つの予備のフルイディックチャンネルを具え、少なくとも１つのチップは複数のチップであり、複数のチップにおけるそれぞれのフルイディック回路は、予備のフルイディックチャンネルを介して少なくとも他のチップのフルイディック回路と流体連通するよう構成されている。本実施形態において、カートリッジは、さらに、チップとマニホールドとの間にガスケットを具え、ガスケットがマニホールドのチャンネルをシールする。カートリッジの別の実施形態において、フルイディック容器は、ディストリビューション容器、キャプチャ容器、サンプル容器、および、クリーンアップ容器、を具える。カートリッジの別の実施形態において、少なくとも１つのフルイディック容器が磁気応答性の粒子を具える。カートリッジの別の実施形態において、フルイディック容器の少なくとも１セットは、少なくとも４セットまたは少なくとも８セットである。カートリッジの別の実施形態において、チップが少なくとも１つのダイヤフラムバルブを具える。
別の形態において、本発明は、システムであって：ａ）空気アセンブリが、（ｉ）フルイディック側において請求項１５のカートリッジを着脱自在に係合するよう構成された空気マニホールドであって、少なくとも１つのマイクロ流体チップに空気チャンネルを係合させ、ダイヤフラムバルブをアクティブにするように構成された複数の空気ポートを具える空気マニホールドと；（ｉｉ）空気チャンネルに正または負圧を供給するよう構成された圧力源と；を具え、ｂ）試薬カード側のカートリッジを係合するよう構成されたカートリッジ活性化アセンブリが：（ｉ）空気側および試薬カード側を具える試薬空気マニホールドであって、両側の間を連通する試薬空気マニホールドチャンネルと試薬カード側にカニューレを具える試薬空気マニホールドと；（ｉｉ）試薬空気マニホールドチャンネルに正または負圧を供給するよう構成された圧力源と；（ｉｉｉ）試薬カードを第１の係合位置から第２の係合位置へ移動させるよう構成されたクランプであって、クランプの結果、試薬空気マニホールドのカニューレが、試薬容器に孔を開け、試薬容器を圧力源と連通させるクランプと；を具え、ｃ）カートリッジがクランプされると、少なくとも１つの熱サイクル容器中の温度を循環させるよう構成された熱サイクラーと；ｄ）毛細管電気泳動アセンブリであって、（ｉ）カートリッジがクランプされると、出口ポートと流体的に係合する少なくとも１つの分離チャンネルと；（ｉｉ）少なくとも１つの分離チャンネルからの信号を検知するよう構成された光学サブアセンブリと：を具え、ｅ）空気アセンブリ、カートリッジ活性化アセンブリ、熱サイクラーおよび毛細管電気泳動アセンブリをコントロールするよう構成されたコンピュータ化された制御システムと；を具えるシステムを提供する。本システムの一実施形態において、クランピングで、容器ポートおよび少なくとも１つのマイクロ流体チップを有するスロットチャンネルをシールする。本システムの別の実施形態において、カートリッジ活性のアセンブリは、さらに、試薬空気マニホールドがカートリッジと係合すると、少なくとも１つのフルイディック容器を加熱するよう構成された少なくとも１つのヒーターを具える。本システムの別の実施形態において、カートリッジ活性化アセンブリは、さらに、磁石が少なくとも１つのフルイディック容器へ磁力を発揮する位置の内部へあるいはその位置から移動するよう構成された移動可能な磁石を具える。本システムの別の実施形態において、カートリッジ活性化アセンブリは、さらに、フルイディックマニホールドのサンプル容器中のサンプルの存在を検出するよう構成されたセンサを具える。本システムの別の実施形態において、熱サイクラーがペルチェ素子を具える。一実施形態において、システムは、ポータブルなケースで構成される。一実施形態において、ケースが１０立方フィート以下または２と１／２立方フィート以下の内容積を有する。システムの関連する実施形態において、本発明は、システムを動作させるためのコードを具える、コンピュータ読み取り可能な形式の物品を提供する。
別の実施形態において、本発明は、ＤＮＡを具える少なくとも１つのセルを具えるサンプルから、ＤＮＡ中の複数のＳＴＲマーカーを識別するコンピュータファイルを作成する工程を具え、４時間未満で実行される方法を提供する。関連する実施形態において、方法が３時間未満で実行される。別の実施形態において、方法が２時間未満で実行される。関連する実施形態において、作成工程が、少なくとも１つのセルからＤＮＡを抽出し、ＤＮＡからＳＴＲマーカーを増幅し、増幅されたマーカーに毛細管電気泳動を実施し、増幅されたマーカーを検知し、マーカーを識別するために検出された増幅されたマーカーにコンピュータ解析を実施することを具える。一実施形態において、複数のＳＴＲマーカーが少なくとも５ＳＴＲマーカーである。別の実施形態において、複数のマーカーがＣＯＤＩＳのＳＴＲマーカーである。関連する実施形態において、複数のＳＴＲマーカーが少なくとも５、１０または１３のＣＯＤＩＳのＳＴＲマーカーである。これらの実施形態において、少なくとも１つのセルが複数のセルである。ある実施形態において、サンプルが法医学サンプルである。特定の実施形態において、方法は、サンプルコレクションのサイトで実行される。サンプルが血液を含むか、口腔粘膜を含む。方法は、上述したいずれかのシステムによって実行される。
関連する態様において、本発明は、ＤＮＡを具える少なくとも１つのセルを具えるサンプルからＤＮＡ中の複数のＳＴＲマーカーを識別するコンピュータファイルを作成する工程を具え、４時間未満で実行される方法を実行するよう構成されたシステムを提供する。
別の態様において、本発明は、方法であって：ａ）以下のｉ）−ｖ）の構成を具えるシステムを提供する工程と：ｉ）サンプル容器、混合容器および互いに流体連通している熱サイクル容器を含む、少なくとも１セットのフルイディック容器を具える使い捨てのカートリッジ、および、熱サイクル処理を含む化学反応を実行するための試薬を具える試薬カード、からなり、試薬カードが、閉じた構成のカートリッジに運ばれ、少なくとも１セットのフルイディック容器と流体連通状態に移動するよう構成され；ｉｉ）カートリッジがアクチュエータアセンブリと係合するとき、容器間に流体を移動させるよう構成されたアクチュエータアセンブリと；ｉｉｉ）カートリッジがアクチュエータアセンブリと係合するとき、温度サイクル容器内の温度を循環するよう構成された熱サイクラーと；ｉｖ）カートリッジがアクチュエータアセンブリと係合するとき、カートリッジからサンプルを受け取るよう構成され、サンプルの毛細管電気泳動を行うよう構成された、毛細管電気泳動アセンブリと；ｖ）アクチュエータアセンブリ、熱サイクラーおよび毛細管電気泳動アセンブリをコントロールするよう構成された、コンピュータ化されたコントロールシステム；ｂ）試薬カードを少なくとも１セットのフルイディック容器と流体連通させる工程と；ｃ）核酸分子を含むサンプルをサンプル容器に供給する工程と；ｄ）サンプル中の核酸シークエンスを増幅して検知するためにシステムを操作する工程と；を具える方法を提供する。一実施形態において、ｂ）工程からｄ）工程までに要する時間が４時間未満である。一実施形態において、方法は、別のサンプル容器に複数のサンプルのそれぞれを供給する工程を具える。別の実施形態において、方法は、サンプル中の複数の核酸シークエンスを増幅して検知する工程を具える。関連する実施形態において、複数の核酸シークエンスが短いタンデムリピート（ＳＴＲｓ）を具える。特定の実施形態において、短いタンデムリピートが複数の統合ＤＮＡインデックスシステム（ＣＯＤＩＳ）のマーカーを具える。他の実施形態において、ＣＯＤＩＳマーカーが、ＡＭＥＬ、Ｄ３Ｓ１３５８、ＴＨＯ１、Ｄ２１ｓ１１、Ｄ１８ｓ５１、Ｄ５ｓ８１８、Ｄ１３ｓ３１７、Ｄ７ｓ８２０、Ｄ１６ｓ５３９、ＣＳＦ１ＰＯ、ｖＷＡ、Ｄ８Ｓ１１７９、ＴＰＯＸおよびＦＧＡから選択された複数のマーカーを含む。一実施態様において、システムは、ａ）空気アセンブリが、（ｉ）フルイディック側において請求項１５のカートリッジを着脱自在に係合するよう構成された空気マニホールドであって、少なくとも１つのマイクロ流体チップに空気チャンネルを係合させ、ダイヤフラムバルブをアクティブにするように構成された複数の空気ポートを具える空気マニホールドと；（ｉｉ）空気チャンネルに正または負圧を供給するよう構成された圧力源と；を具え、ｂ）試薬カード側のカートリッジを係合するよう構成されたカートリッジ活性化アセンブリが：（ｉ）空気側および試薬カード側を具える試薬空気マニホールドであって、両側の間を連通する試薬空気マニホールドチャンネルと試薬カード側にカニューレを具える試薬空気マニホールドと；（ｉｉ）試薬空気マニホールドチャンネルに正または負圧を供給するよう構成された圧力源と；（ｉｉｉ）試薬カードを第１の係合位置から第２の係合位置へ移動させるよう構成されたクランプであって、クランプの結果、試薬空気マニホールドのカニューレが、試薬容器に孔を開け、試薬容器を圧力源と連通させるクランプと；を具え、ｃ）カートリッジがクランプされると、少なくとも１つの熱サイクル容器中の温度を循環させるよう構成された熱サイクラーと；ｄ）毛細管電気泳動アセンブリであって、（ｉ）カートリッジがクランプされると、出口ポートと流体的に係合する少なくとも１つの分離チャンネルと；（ｉｉ）少なくとも１つの分離チャンネルからの信号を検知するよう構成された光学サブアセンブリと：を具え、ｅ）空気アセンブリ、カートリッジ活性化アセンブリ、熱サイクラーおよび毛細管電気泳動アセンブリをコントロールするよう構成されたコンピュータ化された制御システムと；を具えるシステムである。一実施例において、システムが上述したシステムである。一実施例において、サンプルが法医学サンプルである。関連する実施形態において、サンプルが、口腔粘膜、血液、髪または精液から選択される。別の実施形態において、サンプルが生のサンプルである。ある実施形態において、方法は、さらに、法医学のサイトにシステムを輸送する工程を具える。
別の形態において、本発明は、光学システムであって：ａ）複数の光学的に透明なチャンネルと；ｂ）複数の透明なチャンネルに向くよう構成された光源と；ｃ）波長に依存して光学的に透明なチャンネルを介して通過する光を分散させる分散要素と；ｄ）分散された光を受け取るよう構成された検知器と；を具える光学システムを提供する。一実施形態において、複数の光学的に透明チャンネルが、少なくとも８つの毛細管を具える。別の実施形態において、光学的に透明なチャンネルが第１の平面に整列し、分散要素が第２の平面に沿って光を分散し、第１の平面と第２の平面とが異なる。別の実施形態において、第１の平面が第２の平面に直交している。
別の態様において、本発明は、光学システムであって：ａ）励起された光を対象物へ向けるよう構成された励起源と；ｂ）対象物のためのキャリアであって、励起エネルギーによって励起されたとき対象物が励起された光以外の光を放出するキャリアと；ｃ）励起されたエネルギーを除外し、放出された光の透過を可能にするよう構成された素子フィルターと；ｄ）放出された光の焦点を合わすよう構成された結像レンズと；ｅ）励起エネルギーに対し実質的に透明で、放出された光を検知器へ反射するよう構成されたダイクロイックミラーと；ｆ）ダイクロイックミラーから反射された光の焦点を合わすよう構成された少なくとも１つのレンズを具える合焦システムと；ｇ）反射された光を受け取るよう構成された光検出器（ＣＣＤカメラ）と；を具える光学システムを提供する。光学システムの一実施形態において、励起された光が０．３ミクロンから１ミクロンの間の波長の光を具える。別の実施形態において、キャリアが毛細管チューブの配列を含み、対象物が蛍光種を含む。別の実施形態において、ミラーが、入射角に対し約５度から約１０度傾いた角度で、放出された光を反射する。別の実施形態において、ダイクロイックミラーは、さらに、すべての光を実質的に透過する部分を具える。別の実施形態において、合焦システムは、少なくとも１つの折り畳みミラーを具える。別の実施形態において、光検出器はＣＣＤカメラを具える。関連する実施形態において、光学システムは、さらに、対象物と結像レンズの間に位置するプリズムを具える。
別の形態において、本発明は、光学システムであって：ａ）実質的に平面内において実質的に配向に整列した毛細管チューブのアレイと；ｂ）励起源を具え、励起源からの励起された光をアレイに供給するよう構成された励起アセンブリであって、光去球アセンブリが、（ｉ）アレイをカバーする薄い光を供給し、（ｉｉ）平面に対し９０度以外の角度でアレイに光を供給するよう構成された、励起アセンブリと；ｃ）励起源によって励起されたアレイ中の対象物によってアレイから放出された光を集光するよう構成された集光レンズと；を具え、励起アセンブリおよび集光レンズがアレイに対して構成され、アレイを介して通過する励起された光が集光レンズによる集光を実質的に避ける光学システムを提供する。一実施形態において、角度が約１０度と約８５度の間である。
別の形態において、本発明は、機器であって：ａ）複数の互いに交差するマイクロ流体チャンネルと、交差したチャンネル間の流体の流れを調節するよう構成された少なくとも１つの制御可能なバルブと、を具えるマイクロ流体コンポーネントと；ｂ）複数の非マイクロ流体容器を具える非マイクロ流体コンポーネントであって、各非マイクロ流体容器が少なくとも１つのマイクロ流体チャンネルに流体接続されている非マイクロ流体コンポーネントと；を具え、機器が、少なくとも１つの非マイクロ流体容器から他の非マイクロ流体容器へマイクロ流体チャンネルを介して流体を流すよう構成され、流れが少なくとも１つのバルブで調節されている機器を提供する。機器の一実施形態において、複数の非マイクロ流体容器が少なくとも３つの容器を具え、少なくとも１つのバルブが選択的に１つの容器から少なくとも２つの他の容器のいずれかに流体を向ける。別の実施形態において、機器は、さらに、非マイクロ流体容器からマイクロ流体チャンネルへ流体を圧送するポンプを具える。機器の別の実施形態において、少なくとも１つのバルブがダイアフラムバルブである。関連する実施形態において、ポンプが、３つのダイヤフラムバルブを直列して構成されるダイヤフラムポンプである。別の実施形態において、マイクロ流体コンポーネントがモノリシックデバイスを具える。別の実施形態において、マイクロ流体コンポーネントと非マイクロ流体コンポーネントとの組み合わせがフルイディック回路を定義し、機器が複数のフルイディック回路を具える。別の実施形態において、非マイクロ流体コンポーネントが、さらに、粒子捕捉剤を具える。別の実施形態において、粒子が磁場に応答し、機器がさらに粒子を固定化するよう構成された磁石を具える。別の実施形態において、本発明は、共通のマイクロ流体チャンネルに流体的に接続された複数の非マイクロ流体容器を具える装置を提供する。
別の実施形態において、本発明は、方法であって：ａ）以下のｉ）−ｉｉ）の構成を具える装置を提供する工程と：ｉ）複数の交差するマイクロ流体チャンネルと、交差するマイクロ流体チャンネル間の流体の流れを調節するよう構成された少なくとも１つのコントロール可能なバルブと；ｉｉ）複数の非マイクロ流体容器を具える非マイクロ流体コンポーネントであって、各非マイクロ流体容器が少なくとも１つのマイクロ流体チャンネルに流体接続されており；機器が、少なくとも１つの非マイクロ流体容器から他の非マイクロ流体容器へマイクロ流体チャンネルを介して流体を流すよう構成され、流れは少なくとも１つのバルブによって調節されており；第１の非マイクロ流体容器が検体を含むアンプルの第１の容量を具えている；ｂ）サンプルから所定量の検体を拘束するために、第１の非マイクロ流体容器中に所定量の粒子捕捉剤を供給する工程と；ｃ）第２の非マイクロ流体容器へのマイクロ流体装置中のマイクロ流体チャンネルを介して検体を結合した粒子捕捉剤を移動するする工程と；ｄ）第２の非マイクロ流体容器内において検体を結合した粒子捕捉剤を試薬と接触させる工程と；ｅ）試薬を使用して検体の化学反応を実行する工程と；を具える方法を提供する。方法の一実施形態において、接触工程が、試薬を、第３の非マイクロ流体容器からマイクロ流体装置のマイクロ流体チャンネルを介して第２の非マイクロ流体容器へ流す工程を具える。方法の別の実施形態において、粒子が磁力に反応し、方法は、さらに、磁力を有する機器中で検体と結合した粒子捕捉剤を固定化する工程を具える。別の実施形態において、方法は、少なくともサンプルの量よりも小さい容量で、機器中で検体と結合した粒子捕捉剤を浮遊させる工程を具える。
別の形態において、本発明は、方法であって：ａ）第１の反応生成物を生成するために、非マイクロ流体容器である第１の容器内で検体の第１の化学反応を実施する工程と；ｂ）第１の反応生成物をマイクロ流体チャンネルを介して非マイクロ流体容器である第２の容器へ移動させ、第２の反応生成物を精製するために、第１の生成物の第２の化学反応を実施する工程と；を具える方法を提供する。
別の形態において、本発明は、方法であって：ａ）第１の反応生成物を生成するために、非マイクロ流体容器である第１の容器内で検体の第１の化学反応を実施する工程と；ｂ）第１の反応生成物をマイクロ流体チャンネルを介してマイクロ流体容器である第２の容器へ移動させ、第２の反応生成物を精製するために、第１の生成物の第２の化学反応を実施する工程と；を具える方法を提供する。本発明の関連する形態において、本発明は、方法であって：ａ）第１の反応生成物を生成するために、マイクロ流体容器である第１の容器内で検体の第１の化学反応を実施する工程と；ｂ）第１の反応生成物をマイクロ流体チャンネルを介して非マイクロ流体容器である第２の容器へ移動させ、第２の反応生成物を精製するために、第１の生成物の第２の化学反応を実施する工程と；を具える方法を提供する。一実施形態において、関連する形態の方法は、第２の容器それを移動する前に、第１の反応生成物を洗浄する工程を具える。別の実施形態において、これらに関連する形態の方法は、さらに、少なくとも１回、後続の非マイクロ流体容器にマイクロ流体チャンネルを介して反応生成物を移動させる工程と、後続の反応生成物を作成するために、反応生成物にその後の化学反応を行う工程と、を具える。別の実施形態において、これらに関連する形態の方法は、さらに、非マイクロ流体容器に反応生成物を移動する前に少なくとも１回、マイクロ流体容器内にマイクロ流体チャンネルを介して反応生成物を移動させる工程と、後続の反応生成物を作成するために、反応生成物にその後の化学反応を行う工程と、を具える。
本発明の別の形態において、装置であって：ａ）チャンネル入口とチャンネル出口とを有するサンプルチャンネルと；ｂ）毛細管入口と毛細管出口とを有する電気泳動毛細管であって、毛細管が、電気的に導電性の媒体を具え、接続点でサンプルチャンネルと連通している電気泳動毛細管と；ｃ）毛細管入口と毛細管出口とを横切って電圧を印加するよう構成されたアノードおよびカソードであって、アノードまたはカソードのいずれかがフォーク状の電極を具え、フォーク電極が接続点の異なる側でサンプルチャンネルと電気的に接続されているアノードおよびカソードと；ｄ）接続点と実質的に対向しているサンプルチャンネルと電気的に接続されている第２の電極と；を具える装置を提供する。装置の位置実施形態において、第２の電極が、フォーク状の電極の第３のフォークとして構成されている。
（参考文献の援用）
個々の刊行物または特許出願が具体的かつ個別に参考として援用することが示された、この明細書に記載されている全ての刊行物および特許出願は、本明細書と同程度に参考として援用される。
本発明の新規な特徴は添付の特許請求に規定されています。本発明の特徴および利点のより良い理解は、本発明の原理が利用されるなどの例示的な実施形態を、設定する以下の詳細な説明、および添付の図面を参照することによって取得される。
図１は、マイクロスケールオンチップバルブ（ＭＯＶｅ）の例を示している。 図２は、ＭＯＶｅマイクロバルブ、マイクロルーター、ＭＯＶｅミキサー、および、マイクロチップ上でのビーズの捕捉を示している。 図３は、ＭＯＶｅマイクロバルブを有するフルイディックカートリッジを示している。 図４は、マイクロバルブを具えるマイクロ流体マイクロチップへのポートを有するフルイディックカートリッジを示している。 図５は、カートリッジ内の流れをコントロールするＭＯＶｅバルブを有するマイクロ流体マイクロチップを示している。 図６は、下流のＭＯＶｅポンプと試薬とを有する反応容器と検出器に接続されているカートリッジを示している。 図７は、熱サイクルが可能で、磁気捕捉、ピンチクランプおよび同時に７反応をサイクリングする能力を組み込んだ、温度制御装置を示している。 図８は、熱サイクルが可能で、磁気捕捉、ピンチクランプおよび同時に７反応をサイクリングする能力を組み込んだ、温度制御装置を示している。 図９は、受動的なテフロン（ＰＴＦＥ）ベースのチューブ反応容器内で実行される、ＰｏｗｅｒＰｌｅｘ１６ＳＴＲ（短いタンデムリピート）増幅反応を示している。 図１０は、６９’、２３．５’、１０．５’および４．５’での２５ｕＬの血液からのＤＮＡの精製を示しており；ｎｇの集率はバーに示されている。 図１１は、マイクロチップ上でビーズを捕捉するためにマイクロバルブを使用する際の図を示している。 図１２は、ＭＯＶｅマイクロバルブを用いたマイクロチップ上のカートリッジからのビーズ捕捉を示している。 図１３は、ＭＯＶｅマイクロバルブを用いたマイクロチップ上のカートリッジからのビーズ捕捉を示している。 図１４は、ＭＯＶｅマイクロバルブを使用した捕捉および反応マイクロチップを示している。 図１５は、ＭＯＶｅマイクロバルブを使用した捕捉および反応マイクロチップを示している。 図１６は、４つのモジュールアセンブリを示している。 図１７は、マイクロチップ上でのＳＴＲ反応の例を示している。 図１８は、核酸や毒素を準備するためのユニバーサルサンプル調製のワークフローを示している。 図１９は、常磁性ビーズを使用したカートリッジ中のサンプルの精製を示している。 図２０は、カートリッジ中のＭＯＶｅマイクロバルブを操作するために統合された空気マニホールドを示している。 図２１は、コンピュータ制御の装置に搭載されたカートリッジを示している。 図２２は、コンピュータ制御の装置に搭載されたカートリッジを示している。 図２３は、５つの抽出／分離または他の装置に５つの試薬を配布することができる、ＭＯＶｅ技術に基づく試薬の分配マニホールドを示している。 図２４は、５つの抽出／分離または他の装置に５つの試薬を配布することができる、ＭＯＶｅ技術に基づく試薬の分配マニホールドを示している。 図２５は、サンプルループとＭＯＶｅマイクロバルブを有する分配マニホールドを示している。 図２６は、空気マニホールドを示し、上部パネルが上部側を示し、下部パネルが底部側を示している。 図２７は、免疫磁気分離法による大腸菌の検出を示しており、その後、磁気ビーズ上でのアルカリ溶菌法およびＰＥＧ促進捕捉、および、リアルタイムＰＣＲによる解析に続く。 図２８は、ゲノムライブラリーを構成するために使用される３つの容器を有するカートリッジのアプリケーション、および、その他のアプリケーションを示している。 図２９は、カートリッジを使用したゲノムライブラリーを準備するためのワークフローを示している。 図３０は、マイクロチップに基づく電気泳動のためのフォーク状のインジェクタを示している。 図３１は、フォーク状のインジェクタを有するサンプルスタッキングを示している。 図３２は、ＭＯＶｅマイクロバルブと結合したフォーク状のインジェクタを示している。 図３３は、ＭＯＶｅマイクロチップと結合したフォーク状のカソードインジェクタを示している。 図３４は、フォーク状のインジェクタを有するマイクロチップの写真を示している。 図３５は、フォーク状のインジェクタを有するマイクロチップの写真を示している。 図３６は、フォーク状のカソードインジェクタからのＤＮＡ配列のトレースからの単一の色の電気泳動図を示している。 図３７は、フォーク状のカソードインジェクションシステムにおけるＳＴＲ分離を示している。 図３８は、シャトルのローディングのためのＭＯＶｅマイクロルフルイディティを有するフォーク状のカソードを示している。 図３９は、核酸の分離、増幅、分離および検出のための統合されたシステムを示している。 図４０は、カートリッジ、マイクロ流体マイクロチップ、および、磁石を有する装置を示している。 図４１は、フルイディック層、エラストマー層、および、空気層を有するマイクロ流体マイクロチップを示している。 図４２は、材料の２つの層からなるフルイディック層を示している。 図４３は、材料の単層からなるフルイディック層を示している。 図４４は、ｍＲＮＡを増幅するための反応スキームを示している。 図４５は、カートリッジ内の流れを制御するＭＯＶｅバルブを有するマイクロ流体マイクロチップを示している。 図４６は、フォーク状の電極を示している。 図４７は、フォーク状の電極、ワイヤーの実行電極を有するフォーク状の電極、および、管状の電極を有するフォーク状の電極を示している。 図４８は、分離チャンネルへのサンプル注入を示している。 図４９は、注入チューブと分離毛細管とを結合させるための装置を示している。 図５０は、４つの注入チューブと分離毛細管とを結合させるための装置を示している。 図５１は、ウルテムピンチクランプ付きサーマルサイクラーを示している。 図５２は、４チャンネルの並列処理装置のコンポーネント間の試薬の移動を示す図を表している。 図５３は、４チャンネルのパラレル試薬分配装置を示しており：チップＣマイクロチップの設計は左上に表示され、フルイディックマニホールドが左下に表示され、そして、作製され組み立てられた装置が右側に表示されている。 図５４は、左の４チャンネルサンプル調整装置、および、右のモノリシック空気マニホールドに搭載された４チャンネルのサンプル調整装置を示している。 図５５は、４チャンネルサンプル調整装置のＭＯＶｅマイクロチップの設計を示している。 図５６は、４チャンネルサンプル調整装置で調整されたＤＮＡサンプルのＩｄｅｎｔｉＦｉｌｅｒのＳＴＲプロファイルを示しており、ＳＴＲ増幅が、ＳＴＲサブシステムであるサーモサイクラーで高速プロトコルをしようして実行される。 図５７は、フルイディックマニホールドを有するチップＡマイクロチップを組み合わせた４チャンネルポスト増幅装置を示しており：チップＡマイクロチップの設計が左側に表示され、作製されたマイクロチップが中央に表示され、組み立てられたフルイディックマニホールドおよびマイクロチップが右側に表示されている。 図５８は、ポスト増幅装置を有するポスト増幅ＳＴＲクリーンアップサブシステムを示している。 図５９は、ポスト増幅装置で使用可能なチップＥマイクロチップの設計を示している。 図６０は、ミキサーの図を示している。 図６１は、ミキサーの図を示している。 図６２は、細胞溶解のためのミキサーを使用した結果を示している。 図６３は、統合解析システムのコンポーネントを示している。 図６４は、統合解析システムのハードウェアコンポーネントを示している。 図６５は、統合解析システムのソフトウェアコンポーネントを示してる。 図６６は、統合解析システムの消耗コンポーネントを示している。 図６７は、統合解析システムのドキュメントコンポーネントを示している。 図６８は、ケースに入れられた統合解析システムの画像を示している。 図６９は、ケースに入れられた統合解析システムの図を示している。 図７０は、ケースに入れられたポータブルな統合解析システムの図を示している。 図７１は、ケースに入れられたポータブルな統合解析システムとポリマー注入システムの図を示している。 図７２は、光学検出システムと空気システムの図を示している。 図７３は、統合解析システムの図を示している。 図７４は、カートリッジカバーと空気コンポーネントの図を示している。 図７５は、カートリッジカバー、カートリッジ、空気マニホールド、および、サーマルサイクラーの図を示している。 図７６は、試薬カセットを有するカートリッジを示している。 図７７は、試薬カセットを有するカートリッジを示している。 図７８は、試薬カセットを有するカートリッジの上面図を示している。 図７９は、試薬カセットを有さないカートリッジの上面図を示している。 図８０は、カートリッジの底面図を示している。 図８１は、チューブを有するカートリッジの底面図を示している。 図８２は、チューブを有するカートリッジの底面図を示している。 図８３は、ケースに入れられた統合解析システムへのカートリッジのロードを示している。 図８４は、ケースに入れられた統合解析システムへのカートリッジのロードを示している。 図８５は、ケースに入れられた統合解析システムへのカートリッジのロードを示している。 図８６は、サンプル解析手順の図を示している。 図８７は、サンプル解析手順の図を示している。 図８８Ａ乃至Ｃは、サンプル解析手順のタイムラインを示している。 図８９は、微小毛細管の配列を運び、光学系によって収集された迷光の量を制限する開口を備えるプラットフォームを示している。 図９０は、光学アセンブリを示している。 図９１は、それぞれが別々のイメージを形成する複数の毛細管を通る光の透過を示している。 図９２は、励起源からの光の透過を可能にするダイクロイックミラー（折りたたみミラー１）およびアセンブリのフットプリントを減少させる第２の折りたたみ式のミラーを具える光学アセンブリを示している。 図９３は、毛細管の配列が配置されている平面に対して斜めの角度の励起光の方向を示し、毛細管を通過する光が放射される蛍光灯を集めることができる平面に通常の誘導されていない。 図９４は、図９３の構成の上面図である。 図９５は、蛍光種を運び光によって励起される８つの毛細管が生成するイメージを示している。 図９６は、電気泳動毛細管にサンプルを注入するための注入システムを示している。図９６Ａは、チューブの内腔内の毛細管と対向する３つの電極を示している。第３の電極は電気的に接続されていないが、独立して電化されている。図９６Ｂは、チューブの内腔内の毛細管と対向する３つの電極を示している。全ての電極は電気的に接続されている。 図９７は、統合されたサブシステムを示している。 図９８ＡとＢは、例えば毛細管の配列などの、電気泳動毛細管の温度を調節するための装置の実施形態を示している。電気絶縁性回路基板は、毛細管の配置のため一般的にＳ字型のパスを持っている。 図９９は、毛細管の配列における検体を検出するための光学システムの一実施形態を示している。 図１００は、装置における「貴重な試薬カートリッジ」の配置の「貴重な試薬」の分配の一実施形態を示している。 図１０１は、ポスト増幅モジュールを形成するためにフルイディックカートリッジと結合させたマイクロ流体チップの流路と空気のアーキテクチャを示している。 図１０２は、２×２×２フィートの大きさのシステム筐体の一実施形態を示している。 図１０３は、試薬の分配モジュールを形成するためにフルイディックカートリッジと結合させたマイクロ流体チップの流路と空気のアーキテクチャを示している。 図１０４は、フルイディック層が複数のサブ層を具える装置の一部を分解した図として示している。上部または外部のサブ層１２１は「エッチ」層と呼ばれ、底部または下部のサブ層１２２は「ビア」層と呼ばれている。エッチ層のチャンネルにおける流体移動は、弾性層に面したビア層の導管に流れる。
本発明は、流体の動きを制御するために、マイクロバルブ（空気作動式バルブとマイクロスケールオンチップバルブとを含むがこれに限定されない）などのバルブを組み込んだ装置を設計することを含んでいる。これらのデバイスは、コンポーネントの濃縮のため、サンプル調製のため、および／または、サンプル中にまたはから１つ以上のコンポーネントの分析のため、に使用することができる。
また、本発明は、流体及び検体処理とその使用方法のためのデバイスを提供する。本発明の装置は、流体及び検体に対するさまざまなアクションを実行するために使用することができる。これらのアクションは、移動、混合、分離、加熱、冷却、および、分析を含むことができる。デバイスは、カートリッジ、マイクロ流体マイクロチップ、および、空気マニホールドなどの複数のコンポーネントを含むことができる。
マイクロ流体−非マイクロ流体の統合
一形態において、本発明は、非マイクロフルイディックスケールで実行される機能を統合するためにマイクロ流体コンポーネントを使用する機器を提供する。機器は、マイクロ流体デバイス、例えば、マイクロ流体チップ内のマイクロ流体チャンネルを介して相互におよびマイクロ流体容器に流体的に接続された非マイクロ流体容器を含んでいる。マイクロ流体デバイスは、バルブやポンプなどの方向制御機構を含み、それにより、流体を選択的に異なる容器間および異なるチャンネルに沿ってルーティングすることができ、単一の容器は、多数の他の容器と連通することができる。これらの接続とルーティングメカニズムは機能の自動化を可能にする。ある実施形態では、機器は、検体を拘束し、固定化され、任意の量の流体に懸濁または再懸濁され、容器からマイクロ流体チャンネルを介してルーティングされる、粒子捕捉剤を使用する。これは、非マイクロ流体環境からマイクロ流体環境への遷移、および、その後の非マイクロ流体環境へ戻る遷移を簡素化する。捕捉剤の量は、例えば、希釈されたサンプルから検体を濃縮すること、サンプルから全てまたは実質的に全ての検体を定量的に捕捉すること、または、より濃縮されたサンプルから検体の部分を選択すること、などの、サンプルから所定量の検体を捕捉するために選択される。これは、人が、反応に使用される検体の量を「調整」することを可能にし、さらに流体ハンドリングステップを減少させる。機器は、流体の操作を並列で実行できるようにするための、複数の並列流体回路を備えることができる。デバイス上のマイクロ流体と非マイクロ流体コンポーネントの統合は、化学反応（例えば、化学反応、生化学反応および酵素反応）のパフォーマンス中におけるサンプルのハンドリングを簡略化する。また、それは、操作や、フットプリントの現象や、システムが占有する合計領域などの、小型化を可能とする。従って、本発明の機器は、非マイクロ流体およびマイクロ流体環境を統合する。
具体的には、本発明は、互いに流体連通するマイクロ流体コンポーネントおよび非マイクロ流体コンポーネントを具える機器を提供する。マイクロ流体コンポーネントは、少なくとも１つのマイクロ流体チャンネルを具えている。マイクロ流体チャンネルは、一般的に、１平方ｍｍ未満の断面積を有するか、約０．１ミクロンから約５００ミクロン、例えば、約３５０ミクロン以下の範囲の少なくとも１つの断面寸法を有している。非マイクロ流体コンポーネントは、少なくとも１つの非マイクロ流体容器（開または閉）、すなわち、例えば、少なくとも１０マイクロリットル、少なくとも２０マイクロリットル、少なくとも５０マイクロリットル、少なくとも１００マイクロリットル、少なくとも５００マイクロリットル、少なくとも１ミリリットル、少なくとも１０ミリリットルまたは少なくとも１００ミリリットルの非マイクロ流体容積を保持する容器、を具えている。従って、本発明の機器において、非マイクロ流体容器は、マイクロ流体チャンネルと流体連通している。機器は、非マイクロ流体容器からマイクロ流体チャンネルへ、および／または、マイクロ流体チャンネルから非マイクロ流体容器へまたはマイクロ流体デバイスから、流体サンプル（例えば、液体）を輸送するよう構成されている。他の実施形態において、マイクロ流体デバイスは、マイクロ流体チャンネルと流体連通してマイクロ流体容器を備える。この場合、機器は、マイクロ流体チャンネルを介して、マイクロ流体容器と非マイクロ流体容器との間の流体サンプルを輸送するよう構成されている。非マイクロ流体容器内にマイクロ流体チャンネルから移動した流体は、デバイスから除去することができる。
検体のマニピュレーションは、様々なステップを含むことができる。これらは、例えば、化学反応のための検体を準備、様々な配列の１つ以上の試薬と混合、検体との化学反応の実施、廃棄物の除去および洗浄、を含む。本発明の機器は、区画間の検体、試薬、廃棄物および洗浄溶液をルーティングすることにより、これらの機能を実行するために使用される。したがって、ある実施形態では、このデバイスの機器は、マイクロ流体チャンネルを介して互いに接続された複数の非マイクロ流体容器を具える。流体は、任意の適切な駆動力、例えば、連続的な圧力または非連続的な圧力（例えば、容積式ポンプ）、電気浸透流や遠心分離によって、１つの容器から別の容器に移動できる。圧力は、内部的に（例えば、オンチップダイヤフラムバルブ付き）または外部的に生成することができる。チャンネルは、必要に応じて、容器の間に流体を選択的にルーティングするよう方向制御機構を含むことができる。これらのメカニズムは、この明細書の別の場所で記載されているダイヤフラムバルブなどのバルブ、ワックスバルブのような単一使用のバルブや他のバルブなどのバルブにすることができる。適切な順序でバルブを開閉することにより、検体、試薬や廃棄物を適切な場所にルーティングすることができる。このように、機器のマイクロ流体部分は、様々な機能が検体に対して実行できる、非マイクロ流体環境の間の流体を導くために使用される。
非マイクロ流体容器は、検体をバインドするために捕捉剤を含むことができる。捕捉剤は、一般的に固体基質を含み、特異的にあるいは非特異的に検体と結合することができる。基質は結合力を発揮することができ、あるいは、結合特性は、基質、例えば、抗体に取り付けることができる。捕捉剤は粒子の捕捉剤とすることができる。また、材料は、クロマトグラフィー材料とすることができる。この場合、サンプルはクロマトグラフ材料を通過し、マイクロ流体デバイスに導入された分画を分離できる。また、捕捉剤はモノリスとすることができる。また、捕捉剤は、ポストなどの容器の表面に付着することができ、または、容器の表面は、捕捉分子で誘導体化することができる。
デバイスは、さらに、マイクロ流体チャンネルと非マイクロ流体容器との間に、ビーズなどの粒子を移動するように構成されている。粒子は、磁力、電気力、または、他の力に応答することができる。例えば、それらは常磁性または磁性の粒子とすることができる。これは、電磁石を含む固定または可動磁石を用いた磁場の適用によって、デバイス内の粒子のさらなる操作を可能とする。粒子は、サンプルから１つ以上の検体を捕捉するための捕捉剤として機能することができる。例えば、粒子は、検体に対し特異的または非特異的な親和性を持つことができる。粒子が固体であるため、粒子を固定化し、それらが含まれている流体の体積を変化させることにより、非マイクロ流体ボリュームとマイクロ流体ボリュームの間の遷移を可能とする。粒子は、非マイクロ流体容器内にまたはマイクロ流体デバイスに固定化することができる。
本発明の機器は、非マイクロ流体容器内のサンプルからの所定量の検体を捕捉し、容器からマイクロ流体チャンネルに所定量の検体を輸送するために使用される。マイクロ流体チャンネル内において一度、粒子はストレージや処理のための非マイクロ流体容器ないに導入される。たとえば、サンプルの非マイクロ流体ボリュームが容器に提供される。サンプルは、例えば、検体に関して希釈または濃縮されることができる。適切に捕捉剤の量と条件を較正することによって、選択された量の検体が、捕捉剤で捕捉される。例えば、濃縮サンプルでは、少量の捕捉剤が選択され、反応使用される検体の一部のみが捕捉される。これは、サンプルボリューム、例えば、化学反応を行うのに十分なまたは適切なサンプル量で、検体の部分のサンプリングを可能にする。また、希釈サンプルでは、大量の捕捉剤が使用され、ほとんどまたは実質的にすべての存在する検体が捕捉剤に捕捉される。これは効果的に検体を濃縮する。検体の洗浄は、不純物を除去し、阻害剤や他の検体などのサンプルの望ましくないコンポーネントから検体を効果的に精製する。捕捉の選択性は、例えば、検体のより広いまたは狭い範囲、例えば、ＤＮＡの長いまたは短い種を選択するように化学反応を調整し、ＲＮＡからＤＮＡを区別し、または、より広いまたは狭い特異性を有する親和性の試薬を使用することにによって、制御することができる。いくつかの実施形態では、複数の検体は、親和性の試薬を組み合わせることにより、または、ビーズの１種類または複数のビーズまたは粒子の種類を混合して、複数の捕捉モードを使用することにより、捕捉することができる。ある実施形態では、機器はさらに検出器、例えば、プロセスのいくつかの段階で分子を検出するための光学検出器、を具えている。
各種の反応シーケンスが企図されるている。化学反応は検体に行うことができる。その後、反応生成物は、洗浄され、さまざまな化学反応に供することができる。反応生成物を洗浄し、その後のさまざまな反応を行うこのシーケンスは、繰り返すことができる。特に、本発明は、洗浄ステップで区切られた一連の生化学的または酵素反応の実行を意図している。その一例は、第１の化学反応、逆転写の後に、第２の反応、第２の鎖合成が起こり、その後に第３の反応、転写が続く、エーベルワイン化学である。後続の各反応の前、通常は最後の反応の後、生成物は、次のステップの準備中に汚染物質から除外される。一実施形態において、非マイクロ流体容器内での反応生成物は、別の非マイクロ流体容器にマイクロ流体チャンネルを通して移動する。別の実施形態において、非マイクロ容器内で反応生成物は、マイクロ流体容器、例えば、オンチップ内にマイクロ流体チャンネルを通して移動する。別の実施形態において、マイクロ流体容器内の反応生成物は、非マイクロ流体容器内にマイクロ流体チャンネルを通して移動する。従って、本発明は、少量の検体と少ない試薬ボリュームの使用を提供し、これにより試薬の無駄を削減している。
例えば、機器は、ＤＮＡ増幅などの核酸上での化学反応を行うために使用することができる。ＤＮＡを含むサンプルの非マイクロ流体容積（例えば、数百マイクロリットル）は、このデバイスの非マイクロ流体容器に集めることができる。常磁性捕捉粒子を、核酸のキャリブレーション量を捕捉するために、容器内にマイクロ流体回路を介して流すことができる。常磁性粒子は磁力で容器内に保持でき、捕捉されなかったサンプルは、例えばマイクロ流体チャンネルを介して、廃棄物として除去することができる。マイクロ流体デバイスのバルブは、洗浄溶液のボリューム、例えば、非マイクロ流体のボリュームを、容器内に導くよう構成されている。検体と粒子は、洗浄され固定化され、廃棄物を除去することができる。次に、捕捉され精製された検体を有する粒子は、ボリューム中で再懸濁され、非マイクロ流体反応容器またはマイクロ流体反応容器である熱サイクル容器内にマイクロ流体チャンネルを介して容器から移動される。そこで、粒子が固定化し、液体を除去する。これは、約粒子のボリューム（例えば、ナノリットルの範囲で）に粒子を濃縮することができる。適切なボリューム中で核酸増幅を行うための試薬は、熱サイクルの容器内にマイクロ流体チャンネルを経由して導入される。ある条件下で、反応混合物は、粒子から核酸を溶出する。従って、本発明は、最初に粒子から検体を溶出し、例えば、濃度を決定して試薬と混合する検体の量を選択することなしに、粒子に付着した検体と、ＰＣＲ、サイクルシークエンシング、リアルタイムＰＣＲ、ローリングサークル増幅、制限酵素処理、ＲＮＡの断片化、タンパク質の消化等の化学反応を行うための試薬に接触することを企図している。これは、適切に検体を捕捉するために使用される捕捉剤を較正することによって、部分的に、可能性があり、その結果、適切な量の検体が既に存在する。酵素反応や熱サイクル後、製品は、洗浄のためマイクロ流体チャンネル内へ、例えば、マイクロ流体容器内または非マイクロ流体容器内へ、移動する。これは、塩濃度を減少させるために製品を希釈する工程を含むことができる。また、ビーズに検体を結合し、それらを固定化し、それらを洗浄する工程を含むことができる。また、クロマトグラフィー、固相抽出、または、マイクロ流体スケールでの、あるいは、非マイクロ流体スケールでの、その他の洗浄方法を含むことができる。この時点で、マイクロ流体コンポーネントは、製品を分析のために適切な場所、例えば、毛細管電気泳動のための毛細管に導入され、または、製品は、市販の毛細管アレイ電気泳動機器、質量分析計、または他の分析機器などの未統合システムによって、解析のための非マイクロ流体ボリューム内へ出力される。マイクロ流体デバイスは、また、廃棄物の閉じ込め領域を含むことができる。
ある実施形態において、本発明のマイクロ流体デバイスは、モノリシックデバイスである。モノリシックデバイスにおいて、複数の回路が単一の基板上に提供されている。ダイヤフラムバルブを具えるデバイスの場合には、モノリシックデバイスは、複数のバルブのためのダイアフラムとして機能する単一の弾性層を具えている。ある実施形態において、１つの作動チャンネルは、モノリシックデバイスの複数のバルブを動作させることができる。これは、多くの流体回路の並列化を可能とする。モノリシックデバイスは、マイクロ流体回路の高密度配列を持つことができる。これらの回路は、各回路のチャンネルが、独立して作製されて一緒に組み立てられるというよりは、単一の基板上に同時に形成されているため、高い信頼性で機能する。
流体回路およびこれらのデバイスの回路は、密にパックすることができる。回路は、オープンまたはクローズの流体導管を具えている。ある実施形態において、デバイスは、１０００平方ｍｍ当たり少なくとも１つの流体回路、１０００平方ｍｍ当たり少なくとも２つの流体回路、１０００平方ｍｍ当たり少なくとも５つの流体回路、１０００平方ｍｍ当たり少なくとも１０個の流体回路、１０００平方ｍｍ当たり少なくとも２０個の流体回路、１０００平方ｍｍ当たり少なくとも５０個の流体回路、を具えることができる。また、デバイスは、１０平方ｍｍ当たり少なくとも１ｍｍのチャンネル長さ、１０平方ｍｍ当たり少なくとも５ｍｍのチャンネル長さ、１０平方ｍｍ当たり少なくとも１０ｍｍのチャンネル長さ、または、１０平方ｍｍ当たり少なくとも２０ｍｍのチャンネル長さ、を具えることができる。また、デバイスは、平方ｃｍ当たり１バルブ、平方ｃｍ当たり４バルブ、または、平方ｃｍ当たり１０バルブの密度で、バルブ（シーテッドまたはアンシーテッドのいずれか）を具えることができる。また、デバイスは、エッジからエッジまで５ｍｍ以下である、２ｍｍ以下離れている、１ｍｍ以下離れている、５００ミクロン以下離れている、あるいは、２５０ミクロン以下離れている、チャンネルのような特徴を備えることができる。
ユニバーサルサンプル調製システム
本発明は、ユニバーサルサンプル調製システムを提供する。システムは、精製されていない形式で検体に含まれる生物学的サンプルを受け入れ、検体を精製し、検体上で少なくとも１つの生化学反応を行い、生化学反応の生成物を分析するよう構成されている。
ユニバーサルサンプル調製システムは、６立方フィート以下、７立方フィート以下、８立方フィート以下、９立方フィート以下、または、１０立方フィート以下のボリューム内に収納できるよう構成されている。ある具体的な実施形態において、ユニバーサルサンプル調製システムは、約８立方フィートのボリューム内に収納できるよう構成されている。他の具体的な実施形態において、ユニバーサルサンプル調製システムは、約１０立方フィートのボリューム内に収納できるよう構成されている。
ユニバーサル調製システムは、以下のモジュール：サンプル調製モジュール、反応モジュール、ポースト反応モジュール、解析モジュール、および／またはコンピュータモジュールを具える。サンプル調製モジュールは、非マイクロ流体ボリュームを有するサンプルから、検体中の例えばＤＮＡを捕捉し、第１のマイクロ流体チャンネル内に捕捉された検体を移動するよう構成することができる。これは、検体を濃縮するために、例えば、磁気応答捕捉粒子を使用して達成することができる。反応モジュールは、流動的に第１のマイクロ流体チャンネルに接続され、反応生成物を生成する反応容器内の検体に少なくとも１つの生化学反応を実行するよう構成することができる。通常は、反応容器中の検体は、サンプル調製モジュール中での濃度に対して濃縮されている。ポースト反応モジュールは、反応モジュールと流体連通しており、解析のための反応生成物を処理するように構成されている。ポースト反応モジュールは、ポースト反応モジュールの非マイクロ流体容器に第２のマイクロ流体チャンネルを介して反応生成物を移動するよう構成することができる。解析モジュールは、反応モジュールまたはポースト反応モジュールに流動的に接続され、反応生成物に毛細管電気泳動などの分析を実行するよう構成することができる。解析モジュールは、反応生成物に関するデータを生成する。コンピュータモジュールは、データをユニバーサル形式にフォーマッティングする工程を含む、データの処理および／または解析のためのコンピュータで実行可能なコードを具えている。システムは、さらに、インターネットにアクセスし、オフサイトサーバーにデータを送信し、サーバーから情報を受信するように構成することができる。
典型的な装置を図６に示す。図６は、統合されたマイクロチップ（１）、温度調節デバイス（４００）、および、下流の解析装置（５００）を有するカートリッジを示している。ある実施形態において、デバイスは、結合カートリッジを具えるかあるいはマイクロチップに流動的に接続された流体調製モジュールと、カートリッジを介するチューブのような、流体チャンネルを有する流体トランスポーターを介して流体調製モジュールに接続され、流体トランスポーター中の温度を調節するよう構成されたオフチップ熱調節モジュールと、を具え、流体トランスポーターが、さらに、バルブを有する第２のマイクロチップおよび１つ以上のそれに続くデバイスへ流体を選択的に導入できる流体チャンネルに流動的に接続されている。この装置は、熱サイクルまたは等温反応に使用することができる。
あるアプリケーションにおいて、システムは、生物学的サンプルから、ＣＯＤＩＳデータベースを検索するためのＣＯＤＩＳ互換性のあるファイルを調製するよう構成されている。ＣＯＳＤＩＳは、遺伝的同一性マーカーとして現在１３のＳＴＲ（ショートタンデムリピート）遺伝子座を使用する法医学のシステムであり、例えばｗｗｗ．ｆｂｉ．ｇｏｖ／ｈｑ／ｌａｂ／ｈｔｍｌ／ｃｏｄｉｓ１．ｈｔｍを参照のこと。１３マーカーより少ないまたは多いマーカーからの情報は、同一性の証拠を提供するために使用することができる。サンプル調製モジュールは、法医学的材料からＤＮＡを抽出し、例えば磁気応答性の粒子などの捕捉された粒子に所定量のＤＮＡを捕捉し、反応モジュールの非マイクロ流体反応容器へＤＮＡを供給し、ここで、粒子は例えば磁力で固定化される。そこで、ＰＣＲ用試薬は反応容器に供給され、ＣＯＤＩＳで使用されているＳＴＲマーカーは、ＰＣＲを用いて増幅される。増幅は、Ｐｒｏｍｅｇａ（例えば、ＰｏｗｅｒＰｌｅｘ製品シリーズ）から入手可能な市販の試薬を使用して実行することができる。この製品は、４つの異なる色の蛍光マーカーを使用する。ＰＣＲ生成物は、ポースト反応モジュールに導入され、毛細管電気泳動のために適切な濃度へ希釈される。新しい生成物は、毛細管電気泳動が実行さえる、解析モジュールに導かれる。生成物中の検体は蛍光検出によって検知される。生成されたデータは各蛍光種のトレースを生成するアルゴリズムに供される。これらのトレースは、その後、ＣＯＤＩＳで使用されるＳＴＲ遺伝子座でマーカーを識別するために、コンピュータによって解析される。そのようなソフトウェアは、ＧｅｎｅＭａｐｐｅｒ（商標）ＩＤ−ＸソフトウェアまたはＮＩＳＴソフトウェアツール（ｗｗｗ．ｃｓｔｌ．ｎｉｓｔ．ｇｏｖ／ｂｉｏｔｅｃｈ／ｓｔｒｂａｓｅ／ｓｏｆｔｗａｒｅ．ｈｔｍ）として、例えばライフテクノロジー社から市販されている。ソフトウェアは、ＣＯＤＩＳと互換性のあるファイル形式にこのデータを変換することができる。例えば、ｗｗｗ．ｎｃｊｒｓ．ｇｏｖ／ｐｄｆｆｉｌｅｓ１／ｎｉｊ／ｓ１４１３ａｐｆ．ｐｄｆを参照のこと。ＣＯＤＩＳ互換性のファイルは、ＣＯＤＩＳデータベースなどの法医学データベースを照会するために使用することができる。システムは、インターネットにアクセスし、解析のための適切なデータベースにファイルを配信し、最初のサンプルと個人との間の可能性のある一致を示すデータベースからレポートを受信するよう構成することができる。
Ｉ．サンプル調製モジュール
サンプル調製モジュールは、固体基質上の非マイクロ流体ボリュームから検体を捕捉し、反応モジュールの反応室にマイクロ流体チャンネルを介して捕捉された検体を導入するよう構成されている。検体は、検体が非分離形になっているサンプルから捕捉することができる。それが自然に関連付けられている他の細胞や生体分子コンポーネントと存在する場合、検体は非分離形である。これらは、例えば、細胞質コンポーネントやウイルスコンポーネントを含めることができる。サンプル調製モジュールは、生のサンプルから検体を捕捉するよう構成することもできる。生のサンプルは、検体が細胞またはウイルス内に含まれているものである。例えば、血液、口腔粘膜と精液が、検体としてのＤＮＡを含む生サンプルである。この場合、サンプル調製モジュールは、細胞を溶解し、溶解物からＤＮＡを抽出する材料を含むことができる。
一態様において、サンプル調製装置は、図１６、図２１と図２２の装置１０００、および、図５４に示されているように、マイクロバルブを介してカートリッジ内の流体の動きを制御するマイクロ流体マイクロチップに統合されたカートリッジと、カートリッジを操作するコンポーネントとを備えている。カートリッジおよび／またはその内部の区画は、自動化されたデバイスでの入力サンプルの数ミリリットルを処理するのに十分な大きさにすることができる。カートリッジは、圧力駆動流やマイクロバルブで調製された吸引を使用して移動することができるコンポーネントを出力するサンプルを処理することができる。カートリッジは、血液、エアロゾル液、粘膜、体液、スワイプ、および他の液体、固体、および気体サンプルなどのマクロスケールのサンプルを具える分配装置とのインタフェースを提供することができる。カートリッジは、マイクロスケールのサンプル調製と分析を用いて、マクロスケールのサンプルボリュームを処理することができる。カートリッジは、マイクロ流体デバイスを使用してマクロスケールまたは大容量のサンプルの処理を可能とし、コンポーネントは、材料の損失を減らすことができるボイドボリュームを減少させている。
Ａ．カートリッジ
また、流体マニホールドとして参照されるカートリッジは、さまざまな目的のために使用することができる。一般的に、カートリッジは、マイクロ流体デバイスと同様に、大規模なデバイスとのインタフェースとなるサイズのポートを持つことができる。カートリッジまたは流体マニホールドは、米国特許出願公開ＵＳ２００９０２５３１８１に記載されている。カートリッジは、ソースからサンプル、試薬、または固体粒子などの材料を受け取り、それらをマイクロ流体マイクロチップに供給するために使用することができる。材料は、カートリッジとマイクロ流体マイクロチップの結合する開口部を介して、カートリッジとマイクロ流体マイクロチップとの間で転送することができる。例えば、ピペットは、カートリッジに材料を転送し、その後、マイクロ流体デバイスに材料を供給するために使用することができる。別の実施形態において、チュービングは材料をカートリッジに転送できる。別の実施形態おいて、注射器はカートリッジに材料を転送できる。また、カートリッジは、ナノリットル、マイクロリットル、ミリリットル、またはリットルの流体を保持できるボリュームと貯留槽を持つことができる。貯留槽は、容器、反応容器（例えば、反応を行うための試薬を含む）、加熱または冷却を提供するための容器（例えば、熱制御要素を含むが、または、熱的に熱制御装置に接続されている）、または、分離容器（例えば、常磁性ビーズ分離、アフィニティー捕捉マトリックス、およびクロマトグラフィー）を保持するために使用することができる。いかなるタイプの容器が、ここに記載されたデバイス、例えば、米国特許公開番号２００７／０２４８９５８に記載されたデバイスにおいて使用することができる。貯留槽は、マイクロ流体マイクロチップに温度制御を提供することができる、カートリッジの内と外とに温度制御された流体を動かすために入口と出口を持つことによって、加熱または冷却を提供するために使用することができる。また、貯留槽は、ペルチェ素子、または、ヒートシンクまたは熱源を提供する、当業者に公知の任意の他の加熱または冷却要素、を収容することができる。カートリッジ貯留槽または容器は、少なくとも約０．１、０．５、１．５、１０、５０、１００、１５０、２００、２５０、３００、４００、５００、７５０、１０００、２０００、３０００、４０００、５０００あるいはそれ以上のμＬのボリュームを持つことができる。容器または貯留槽の相対的なボリュームは、約１、２、５、１０、２０、５０、１００、２００、５００、１０００、２０００、５０００、１００００またはマイクロ流体マイクロチップ内のチャンネルまたはバルブよりも大きくすることができる。マイクロ流体マイクロチップと結合するカートリッジの容器と貯留槽のサイズは、約１、５、１０、５０、１００、５００、１０００、５０００、１００００、５００００またはそれ以上のμＬよりも大きいサンプルなどの大容量のサンプルが処理されるよう選択することができ、サンプルを処理するための流体の流れは、マイクロ流体マイクロチップのバルブによって制御される。これは、ピペットや大規模なバルブなどの他の流れ制御装置に比べて、マイクロ流体マイクロチップの減少されたボイドボリュームによる、サンプルおよび試薬の損失の量の削減を可能にすることができる。マイクロ流体マイクロチップ内のボイドボリュームは、１０００、５００、１００、５０、１０、５、１，０．５、０．１あるいは０．０５μＬ未満とすることができる。これは、サンプルの処理中のサンプルまたは試薬の損失量を、２０、１５、１０、７、５、３、２、１、０．５、０．０５パーセント未満とすることができる。
カートリッジは、当業者に公知の任意の材料から構成することができる。例えば、カートリッジは、プラスチック、ガラス、または金属で構成することができる。プラスチック材料は、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエステル、ポリアミド、ポリ（塩化ビニル）、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリビニルジエン塩化物、環状オレフィン共重合体、またはそれらの任意の組合せとして、当業者に公知の任意のプラスチックを含むことができる。カートリッジは、ソフトリソグラフィー、ハードリソグラフィ、フライス加工、エンボス加工、アブレーション、ドリル加工、エッチング、射出成形、またはその任意の組み合わせとして、当業者に公知の任意の技術を用いて形成することができる。
図３と図４に例示されるように、カートリッジ（１）は、平らな面を持つ直線的な構成を具えるとができる。別の実施形態において、カートリッジは、湾曲状、丸み状、インデント状または突起状の表面を具えている。一実施形態において、カートリッジは、マイクロ流体マイクロチップに隣接する少なくとも１つの実質的に平坦な表面を持っている。カートリッジは、流体的にマイクロチップ内のポートと流動的に接続されるよう構成されている。例えば、カートリッジの表面の開口部は、マイクロチップ内のポートと整列することができる。カートリッジとマイクロチップがお互いに結合されている場合、開口部は、流体回路を形成するバルブを有するチャンネルに接続されているマイクロチップのポートにカートリッジから流体を通過させる流体接続を作成するよう整列している。
一実施形態において、カートリッジは、限定されないが、容器、ポート、チャンネルまたは磁石を含む１つ以上の機能を含んでいる。一実施形態において、空気作動式バルブなどのマイクロバルブは、マイクロ流体カートリッジと組み合わされる。いくつかの実施形態において、マイクロバルブは、アクティブな機械的マイクロバルブ（磁気、電気、または圧電熱マイクロバルブなど）、非機械的マイクロバルブ（双安定電気機械位相変化またはレオロジカルなマイクロバルブなど）、外部マイクロバルブ（モジュール式や空気式など）、受動的な機械（チェックマイクロバルブ受動的な非機械（毛細管マイクロバルブのような）（Ｏｈら、マイクロバルブの概要、J. Micromech Microeng, 16 (2006)R13-R39）。
別の実施形態において、ＭＯＶｅバルブのような空気バルブは、空気圧力、吸引、または、マイクロ流体マイクロチップ２または複数のマイクロ流体マイクロチップの流体の流れを調節している。ＭＯＶｅバルブは、マイクロスケールオンチップバルブ、マイクロ流体オンチップバルブ、または、マイクロロボットオンチップバルブとすることができる。一実施形態において、空気圧力、吸引、または流体の流れは、ソレノイドバルブまたはソレノイドポンプなどの、１つ以上の可変圧力ポンプにより調節されている。一実施形態において、マイクロ流体マイクロチップは、マイクロチャンネルおよび／またはマイクロトレンチを含む構造であり、マイクロチャンネルが閉じた構造であり、マイクロトレンチが開いた構造である。一実施形態において、マイクロ流体マイクロチップは平面構造である。関連する実施形態において、マイクロ流体デバイスは、カートリッジの片側にクラスタ化されたマイクロバルブを有するマイクロ流体マイクロチップを具えている。一実施形態（図２及び図４）において、カートリッジ（１）は、外部流体、空気、あるいは吸引に対し１つ以上のポート（４、５、６、７、８、９）を具えることができる。ポートの機能は、廃棄物（４）、試薬のエントリー（５）、ベント（６）、サンプル入力（７）、製品出力（８）のためである。カートリッジ（１）は、１つ以上のサンプル入力または反応容器（７）及び（３）を含めることができる。
反応容器などのカートリッジ内の単一容器は、１つ以上の、または少なくとも１つ、２つ、または３つの、マイクロチップに対する流体接続を有することができる。例えば、図３および図４において、容器の底にある接続１２０を介してのマイクロチップへの流体接続、および、容器の上部にある通路を介して容器（３）に接続されている、ポート（９）を介してのマイクロチップへの別の流体接続、を有することができる。容器（３）がフルまたはその逆の場合、容器（３）内の流体がポート（９）内にポンプされるように、容器の上部（３）、ポート（９）、および容器（３）およびポート（９）との間の通路は、外部環境から閉じることができる。このような容器または容器とポートとの組合せは、閉じられた容器と呼ぶことができる。流体接続の位置は必ずしも、容器のベースおよび上部である必要はないが、容器のベースおよび上部の位置にある流体接続は、容器内のガスのトラップの減少を可能にする。また、反応室（３）は、カートリッジ内に配置することができ、各容器がまたベース位置に開口を有する、上部で互いに流体接続している２つの容器の組合せとみなすことができる。容器の開口部とも呼ばれるベース位置の開口部は、マイクロチップ上のポート開口部に流体的に接続することができる。２つの流体接続は、マイクロ流体マイクロチップを介して容器内への流体の出し入れを可能にする。
別の実施形態において、デバイスは、非直線的に１つ以上の表面または構造上に位置する、ＭＯＶｅバルブなどの少なくとも１つの空気作動式バルブを含むカートリッジを具えている。カートリッジは、カートリッジのベース以外の場所で、カートリッジ内に配置される１つ以上の空気バルブを具えることができる。
ポート、チャンネル、容器、フィルター、磁石、またはベントを含むことができる、カートリッジの機能要素は、まとめて機能要素と呼ぶことができる。図４に示す一実施形態において、機能要素は、接合１００、１２０、１４０、１６０、および２３０でマイクロバルブを含むマイクロ流体マイクロチップに接続する。機能要素は、フラッシュ接続によってまたはフィッティングによって、ポートに挿入したチューブや毛細管に接続することができる。一実施形態において、フラッシュ接続は、マイクロ流体マイクロチップの開口部に直接整列されたカートリッジのポートを具えることができる。一実施形態において、カートリッジおよびマイクロ流体マイクロチップは統合されたモジュールを形成する。別の実施形態において、カートリッジとマイクロ流体マイクロチップは、使用する前に、一緒に添付されている２つの別個の断片である。
カートリッジは、少なくとも１つの容器、サンプル入力ポート、試薬ポート、出口ポート、廃棄物ポートおよび磁石を備えることができる。磁石は、容器に隣接して配置することができ、磁石によって生成された磁力が容器の壁に容器中の常磁性粒子を引き付けることができる。一実施形態において、常磁性粒子は、磁気応答性を示すビーズまたは細胞（例えば、硝酸ナトリウムで処理されているヘモグロビンを含む細胞）である。磁石は、電磁石または希土類金属磁石のような永久磁石とすることができる。
一実施形態において、図４に例示されているように、接続またはポート（４、５、６、７、８および９）は、それぞれカートリッジ（１４、１５、１６、１７、１８および１９）内のチャンネルへ導かれる。ポート（４、５、６、７および８）は、接続（７）のために示されたインデント（接続（７）とチャンネル（１７）との直径の差を参照）などの、インデントにコネクターまたは管類を確実に装着するためのインデントを示している。
一実施形態において、ポートまたはポートは、米国特許第６，１９０，６１６号、米国特許第６，４２３，５３６号、米国特許出願第０９／８８０，４１２号、１−１５−０１、米国特許出願第６０／４０２，９５９号で記載されている毛細管や、米国特許第６，８７０，１８５号および米国特許出願第１１／２２９，０６５号で記載されている１つ以上のモジュール式マイクロ流体ポートを有するマイクロチップなどの、種々のコネクターまたは管とのインターフェースとすることができ、すべて本明細書にその全体が参考として援用される。一実施形態において、モジュール式のマイクロ流体ポートはマイクロチップや毛細管を可逆的にデッドボリュームまたは漏洩することなく結合することを可能とする。
別の実施形態において、容器（３）は、接合部（１２０）につながる通路（９）およびコーン（１３）に接続される。容器（３）は、チャンネルのいずれの反応にも使用することができる。図４において、カートリッジチャンネルは、マイクロチップ（２）上のポートの開口部に直接導かれる。必要に応じて、カートリッジのチャンネルは、互いに相互接続することができる。いくつかの実施形態において、カートリッジ内の少なくとも１つのチャンネルは、物理的にマイクロ流体マイクロチップには接続されない。別の実施形態において、カートリッジ内の少なくとも１つのチャンネルが、マイクロ流体マイクロチップの少なくとも１つのマイクロチャンネルに流体的に接続されている。接続は、マイクロ流体マイクロチップ上の開口部を利用しても利用しなくてもよい。開口部は、開放またはマイクロチップおよびカートリッジの間に結合するように設計された結合部とすることができる。本発明のいくつかの実施形態において、結合部はガスケットやＯリングなどのシールで構成されている。
Ｂ．マイクロ流体デバイス
一実施形態において、カートリッジとマイクロ流体マイクロチップは、単一のモジュラーデバイスを形成するために、一緒に統合されている。カートリッジおよびマイクロ流体マイクロチップは、流体または固体の接着剤によりまたは機械的に取付けられている。一実施形態において、接着剤は、ポリアクリレート、粘着テープ、両面テープ、または当業者に公知の任意の他の接着剤である。カートリッジは、図４に例示されているように、マイクロ流体マイクロチップとカートリッジとの間の接合部に流体ベースの接着剤が逃げることができる特徴（１２）を具えることができる。別の実施形態の例において、カートリッジは、非流体接着剤層を有するマイクロ流体マイクロチップに装着されている。また、カートリッジおよびマイクロチップは、クリップ、クランプ、または他の保持装置によって、一緒に保持される。カートリッジおよびマイクロチップは、顕微鏡を使用するか使用せずに視覚的なキューによって、または、物理的なガイド機能によって、統合の前に整列させることができる。視覚的なキューは、カートリッジ、マイクロチップ、あるいはその両方にそうでなければ存在していない、描画、エッチングされた線または特性を含めることができる。物理的なガイド機能は、適切なアセンブリを支援または保証する「キー」となる、くぼみ、突起、およびエッジを含む。
いくつかの例において、マイクロ流体マイクロチップは、流体流れの制御のためのダイヤフラムバルブを持っている。流体流れを制御するダイヤフラムバルブを持つマイクロ流体デバイスは、米国特許第第７，４４５，９３６号、米国特許公開公報第２００６／００７３４８４号、第２００６／００７３４８４号、第２００７／０２４８９５８号、および第２００８／００１４５７６号、およびＰＣＴ公開番号ＷＯ２００８／１１５６２６に記載されている。バルブは、空気マニホールドを介してマイクロチップの空気層に正圧または負圧を印加することによって制御することができる。
一実施形態において、マイクロチップは「ＭＯＶｅ」マイクロチップである。そのようなマイクロチップは３つの機能層−マイクロ流体チャンネルを備える流体層；空気チャンネルを具える空気層、および、２つの他の層の間に挟まれた作動層を具える。ある実施形態において、流体層は２つの層で構成されている。第１層は、マイクロ流体チャンネルを提供する溝、および、流体チャンネルに外表面から通すビアまたは孔、を具えることができる。第２層は、他の層の空気チャンネルとの接触面に作動層に接する面から通過するビアを含むことができる。二層が一緒に接触するとき、バルブ、容器または他の機能部材を形成するために、単一の流体層からのこれらの二層は、内部チャンネル、および、チャンネルを流体マニホールドに接続するよう、あるいは、チャンネルを活性化層に接続するよう開けられているビア、を具えている。作動層は、一般的に、変形可能な物質、例えば、吸引または圧力がそれに作用するとき変形するエラストマーの物質で形成されている。流体チャンネルまたは空気チャンネルが上に開くかまたは作動層に接触するポイントで、バルブ、例えば、ダイヤフラムバルブなどの機能素子を形成することができる。このようなバルブは図１において断面で描かれている。流体層および空気層の両方が、ポートとして外表面にチャンネルを接続するポートを具えることができる。そのようなポートは、流体マニホールド、例えば、カートリッジまたは空気マニホールドを係合するよう適合されている。
図４０に示すように、マイクロ流体マイクロチップ（１０３）はカートリッジ（１０１）とのインターフェースとなる。マイクロ流体マイクロチップは、カートリッジ（１０１）の開口部（１１７）と結合された開口部を有する容器（１０５）を持つことができる。容器はさまざまな目的で使用することができる。例えば、容器は、反応容器、混合容器、捕捉容器として使用することができる。容器は、磁気ビーズ、常磁性ビーズ、固相抽出材料、モノリス、またはクロマトグラフィーマトリックスなどの磁性粒子を捕捉するために使用することができる。
磁気コンポーネント（１０９）は、カートリッジ貯留槽（１０７）および／またはマイクロ流体容器（１０５）内の磁気粒子が、マイクロ流体容器（１０５）の表面に対し捕捉されるよう、位置決めされることができる。磁気コンポーネントは、常磁性磁石および／または電磁石を使用して、磁場および／または電磁場を発生する。常磁性磁石を使用した場合、磁石が、マイクロ流体容器に磁場を適用するマイクロ流体マイクロチップの近傍に磁石を持って来るために、１つ以上の方向に作動させることができる。本発明のいくつかの実施形態において、磁石は、図４０に示す方向（１１１）に作動する。
別の方法として、様々なデバイスのいずれかは、マイクロ流体マイクロチップとのインターフェースとすることができる。例えば、検出器、分離装置（例えば、ガスクロマトグラフ、液体クロマトグラフ、毛細管電気泳動、質量分析計など）、光源、または温度制御装置は、マイクロ流体マイクロチップの隣に位置したり、マイクロ流体マイクロチップと組み合わせて使用することができる。これらのデバイスは、抵抗、キャパシタンス、吸光度または発光、蛍光、または温度または他の化学的または物理的な測定値を検出することにより、検体の検出を可能にすることができる。また、これらのデバイスは、マイクロ流体マイクロチップの領域または範囲への光の導入を可能にすることができる。
マイクロ流体デバイスは、磁性粒子の捕捉のために構成されている複数の容器を設計することができる。複数の容器と磁気コンポーネントは、磁場が、すべての容器に同時に適用することができるように、または、他の容器とは独立にそれぞれまたはいくつかの容器に適用されるように、配置することができる。容器や磁気コンポーネントの配置は、磁性粒子のより速くより効率的なリカバリを促進することができる。特に、配列は、複数の容器内の磁性粒子のリカバリを促進することができる。
図４１に示すように、マイクロ流体マイクロチップ（１０３）は、流体層（２０３）、エラストマー層（２０５）、および空気層（２０７）で形成することができる。流体層は、容器（１０５）などの特徴だけでなく、チャンネル、バルブ、およびポートの特徴を含めることができる。チャンネルは、容器および／またはポート間の流体の転送のために使用されるマイクロ流体チャンネルとすることができる。バルブは、マイクロ流体デバイスで使用されるバルブの任意の型とすることができる。本発明の好ましい実施形態において、バルブは、ここではマイクロ流体ダイヤフラムバルブと呼ばれる、マイクロスケールオンチップバルブ（ＭＯＶｅ）を含んでいる。シリーズに構成された３つのＭＯＶｅが、ＭＯＶｅポンプを形成できる。ＭＯＶｅｓおよびＭＯＶｅポンプは、空気を使って作動させることができる。空気源は、微小流体マイクロチップの内部または外部とすることができる。
ＭＯＶｅバルブの例が図１に示されている。ＭＯＶｅバルブのクラムシェルビューが図１Ａに示されている。閉じたＭＯＶｅバルブの断面図が図１Ｂに示されている。図１Ｃは、ＭＯＶｅバルブのトップダウンビューを示している。流体層に由来するチャンネル（２５１）は、１つ以上のビア（２５７）によってエラストマー層（２５９）とのインタフェースとすることができる。エラストマー層（２５９）がシート（２５５）と接触するとき、チャンネルは、チャンネルを介しての流れを妨害するために１つ以上のシート（２５５）を持つことができる。エラストマー層は、通常シートに接触していても、あるいは、通常シートに接触していなくてもよい。流体チャンネル（２５１）に対して相対的な空気容器（２５３）内の圧力を増減するために、空気ライン（２６１）を介しての正圧または負圧のアプリケーションは、エラストマー層がシートに押し付けられたり、シートから引っ張り出されるように、エラストマー層を変形させることができる。
本発明のいくつかの実施形態において、ＭＯＶｅはバルブシートを有しておらず、流体チャンネルを介しての流体の流れは、正圧または負圧の適用により完全に障害とはならない。バルブのこのタイプは、流体の貯留槽としておよびポンプ容器として有用であり、ポンプバルブと呼ぶことができる。適用可能な吸引は、非常に高吸引、中吸引、低吸引、家の吸引、そして、５ｐｓｉ、１０ｐｓｉ、１５ｐｓｉ、２５ｐｓｉ、３０ｐｓｉ、４０ｐｓｉ、４５ｐｓｉ、５０ｐｓｉなどの圧力を含む。
シリーズに構成された３つのＭＯＶｅバルブは、吸気バルブとしての第１のＭＯＶｅ、ポンプバルブとしての第２のＭＯＶｅおよび出口バルブとしての第３のＭＯＶｅの使用を通じてポンプを形成することができる。流体は、ＭＯＶｅｓの連続開閉による一連のＭＯＶｅｓを介して移動することができる。吸気バルブに供給される流体の場合、典型的なシーケンスは、すべての３つのＭＯＶｅが閉じている状態から開始す、（ａ）吸気バルブを開き、（ｂ）ポンプバルブを開き、（ｃ）吸気バルブを閉じて出口バルブを閉じ、（ｄ）ポンプバルブを閉じ、そして（ｅ）出口弁を閉じる、ことを含む。吸気バルブおよび出口バルブが同じ構造を持つことができるので、ＭＯＶｅポンプは、吸気または出口バルブを開くシーケンスの再プログラムによって、どちらの方向にも流体を移動することができる。
流体層（２０３）は材料の１つ以上の層で構成することができる。図４２に示すように、流体層（２０３）は、材料の２層から構成することができる。チャンネル（３０１、３０３、３０５）は材料の２つの層の間の界面に形成することができ、容器（１０５）は材料の１つの層の部分を完全に除去することによって形成することができる。チャンネルは、任意の形状、例えば、丸くて片側の形状（３０１）、長方形（３０３）、または円形（３０５）とすることができる。チャンネルは、１つの層のみの溝（３０１、３０３）によってまたは両方の層の溝（３０５）によって、形成することができる。チャンネルと容器は、図示したチャンネルと容器を横切る流体チャンネルによって、接続することができる。多次元マイクロチップは、本発明の範囲内であり、流体チャンネルおよび接続は複数の流体層の間で行われる。
材料の第２の層の厚さ（３０７）は任意の厚さにすることができる。本発明のいくつかの実施形態において、第２の層は、外部磁界コンポーネントからの第２の層を横切って印加される容器（１０５）内の磁界の減少を最小限とし、熱伝達の減少を最小限にする厚みを有している。
図４３に示すように、流体層（２０３）は材料の単層で構成することができる。単層は、チャンネル（３０５、３０３）および容器（３０５）が流体層とエラストマー層との間に形成されるように、エラストマー層（２０５）とのインターフェースとなる。
マイクロ流体マイクロチップは、当業者に公知の任意の材料から構成することができる。本発明のいくつかの実施形態において、流体と空気の層はガラスから構成されており、エラストマー層はＰＤＭＳから形成されている。代替の実施形態において、エラストマーは、テフロン（ＰＴＦＥ）、シリコン、または他の膜のような変形可能な材料の薄い膜に置き換えることができる。流体と空気の層の機能は、パターニング、エッチング、フライス加工、成形、エンボス加工、スクリーン印刷、レーザアブレーション、基板の蒸着、化学蒸着、またはそれらの組合せなどの、当業者に公知の任意の微細加工技術を用いて形成することができる。
マイクロ流体デバイスは、バルブがスティッキーにならないように構成することができる。これは、エラストマー層が貴金属（例えば、金）またはペルフルオロ化ポリマー（例えば、テフロン）などのエネルギーの低い材料と接触しやすい、その上を流体が流れるバルブシートおよび他の表面をコーティングすることによって、達成することができる。このようなデバイスは、米国特許出願第１２／７８９，１８６号により詳細に記載されている。
一実施形態において、マイクロチャンネルを有するマイクロバルブのセットをリンクする、図５に示されているように、マイクロ流体回路はマイクロ流体マイクロチップ２上に形成されている。一実施形態において、マイクロバルブが空気作動バルブとなる。一実施形態において、空気作動バルブがＭＯＶｅマイクロバルブとなる。一実施形態では、このような容器、ポート、チャンネル、マイクロチャンネル、および他の機能要素間のようにカートリッジとマイクロ流体マイクロチップとの間の流体経路は、少なくとも１つのマイクロバルブを開閉することによって制御することができる。一実施形態において、マイクロバルブは、コンピュータなどのマイクロプロセッサの制御によってコントロールされる。コンピュータは、入力／出力コントローラ、またはメモリストレージやプロセッサなどの当業者に公知の任意の他のコンポーネントを含めることができる。一実施形態において、マイクロバルブは、空気ポート１０、２０、３０、４０、５０、６０または７０などを介して、空気源により作動されるＭＯＶｅバルブである。一実施形態において、空気源は、少なくとも１つのソレノイドによって制御される。一実施形態において、ソレノイドは、小型化され、吸引または圧力源に接続することができる。一実施形態では、空気圧源は、クランプ、バネ、空気圧、またはネジの力などの力を使用して、オプションとしてＯリングにより提供されるシールとともに、空気ポートに接続されている。
一実施形態において、図５はマイクロ流体マイクロチップ（２）の上部の図を示し、この側面はカートリッジ（１）の底部に接触する。マイクロバルブ１１０は、マイクロチャンネル１０１と１２１との間の流体経路を制御する。マイクロバルブ１３０は、マイクロチャンネル１３１と１４１との間の流体経路を制御する。マイクロバルブ（１５０）は、マイクロチャンネル１５１と１５２との間の流体経路を制御する。マイクロバルブ１８０は、マイクロチャンネル１８１と１９１との間の流体経路を制御する。マイクロバルブ２００は、マイクロチャンネル２０１と２１２との間の流体経路を制御する。マイクロバルブ２２０は、マイクロチャンネル２２１および２３１との間の流体経路を制御する。
一実施形態において、接合は１つ以上のマイクロチャンネルを接続することができる。図５は、図４に示されたカートリッジと結合させることができるマイクロチップのための図を示している。図５において、接合部１００は単一のマイクロチャンネル１０１に接続し、接合部１４０は単一のマイクロチャンネル１４１に接続し、接合部１６０は単一のマイクロチャンネル１６１に接続し、接合部２３０は単一のマイクロチャンネル２３１に接続する。接合部１９０は、２つのマイクロチャンネル１９１および２０１に接続する。接合部１２０は、３つのマイクロチャンネル１２１、１３１および１５１に接続する。一実施形態において、３つ以上のマイクロチャンネルは、単一の接合部に接続することができる。
マイクロチャンネルは、フォトリソグラフィ、成形、エンボス加工、鋳造、またはフライス加工などの１つ以上の技術によって製造することができる。マイクロチャンネルは、ガラス、プラスチック、ポリマー、セラミック、ゲル、金属、または別の適切な固体などの材料中で製造することができる。
一実施形態において、カートリッジは、サンプルポートによる容器へのサンプルの供給および試薬ポートによる容器への常磁性粒子の供給を具える、サンプルの濃縮方法で使用されている。常磁性粒子（例えば常磁性ビーズ）は、サンプル中の少なくとも１つのコンポーネント（例えば、ＤＮＡ、ＲＮＡ、マイクロＲＮＡ、タンパク質、脂質、多糖類または他のリガンドなど）に結合する。常磁性粒子は、容器の外に位置する磁石によって働く磁力のおかげで、容器の壁に引き付けられる。常磁性粒子は、試薬ポートで常磁性粒子を含む容器に供給される洗浄溶液で洗浄され、洗浄液は廃棄物ポートで除去される。試薬は、常磁性粒子からサンプルのコンポーネントを溶出させるために追加することができ、さらなる処理または分析のために別のデバイスへサンプルコンポーネントを出力する。好ましい実施形態は、常磁性粒子上のサンプルのコンポーネントを出力することである。
一実施形態において、マイクロ流体マイクロチップを具えるデバイスが診断の方法で使用される。一実施形態において、診断は、サンプル中の感染症因子の検出を含む。一実施形態において、感染性因子は、細菌、ウイルス、真菌、マイコプラズマやプリオンである。別の実施形態において、マイクロ流体マイクロチップを供えるデバイスは、遺伝性疾患の診断に使用される。一実施形態において、遺伝性疾患は、１つ以上のＤＮＡの突然変異によって引き起こされ、そのような突然変異は、限定されるものではないが、三重項基底展開、塩基置換変異、欠失変異、付加変異、ナンセンス変異、未成熟終止コドン、染色体欠失、染色体の重複、異数性、部分的異数性やモノソミーを含む。別の実施形態において、マイクロ流体マイクロチップを構成するデバイスは、癌または癌の素因を診断する方法で使用されている。別の実施形態において、マイクロ流体マイクロチップを具えるデバイスは、自閉症、ダウン症候群、トリソミー、テイ−サックス、または他の遺伝性疾患などの遺伝性疾患を診断する方法で使用されている。いくつかの実施形態において、マイクロ流体マイクロチップを有する装置での診断に用いられるサンプルは、血液サンプル、粘液のサンプル、肺洗浄のサンプル、尿サンプル、糞サンプル、皮膚サンプル、毛髪サンプル、精液のサンプル、膣サンプル、または羊水サンプルである。
別の実施形態において、マイクロ流体マイクロチップを具えるデバイスは、病因の環境汚染の有無を識別するために使用される。一実施形態において、病因は、細菌、ウイルス、真菌、または環境サンプル中のマイコプラズマなどの生物学的な病因である。別の実施形態において、病因は、農薬、除草剤、または肥料などの汚染物質剤である。一実施形態において、環境サンプルは、土壌サンプル、水のサンプル、空気のサンプル、肉のサンプル、野菜のサンプルや果物のサンプルである。別の実施形態において、病因は、遺伝子組み換え物質である。
別の実施形態において、マイクロ流体マイクロチップを具えるデバイスは、哺乳動物（ヒトなど）、科学捜査、遺伝子発現、遺伝子改変、マイクロＲＮＡの解析、またはリボタイピングの遺伝子型同定のために使用される。
別の実施形態において、マイクロ流体マイクロチップを具えるデバイスは、分子生物学的解析を含む方法で使用されており、分子生物学的解析は、限定されるものではないが、以下を含んでいる：サンプル中の核酸のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）増幅（対立遺伝子特異的ＰＣＲ、アセンブリＰＣＲ、非対称ＰＣＲ、コロニーＰＣＲ、ヘリカーゼ依存増幅、ホットスタートＰＣＲ、インターシーケンス固有（ＩＳＳＲ）ＰＣＲ、逆ＰＣＲ、ライゲーション媒介ＰＣＲ、メチル化固有ＰＣＲ多重ライゲーション依存プローブの増幅、多重ＰＣＲ、ネストされたＰＣＲ 、オーバーラップエクステンションＰＣＲ、定量ＰＣＲ、逆転写ＰＣＲ−ＰＣＲ、熱非対称インターレースＰＣＲ、タッチダウンＰＣＲ、またはＰＡＮ−ＡＣ ＰＣＲ）、等温核酸増幅（ループを介する等温増幅（ＬＡＭＰなど）；ニック変位増幅；リカーゼ扶養増幅プラットフォーム（ＨＤＡ）；およびプライマーゼベースの全ゲノム増幅のプラットフォーム（ｐＷＧＡ）；シングルプライマー等温増幅（ＳＰＩＡ）とＲＡＮのリボ−ＳＰＩＡ；鎖置換増幅（ＳＤＡ）;ＥＸＰＡＲ [ヴァンネスＪ、バンネスＬＫ、ガーラスＤＪ（２００３）オリゴヌクレオチドの増幅のための等温反応、Ｐｒｏｃ Ｎａｔｌ Ａｃａｄ Ｓｃｉ ＵＳＡ．１００：４５０４−９］；ローリングサークル増幅（ＲＣＡ）；転写ベースの増幅システム（ＴＡＳ）及びその誘導体が自立配列複製（３ＳＲ）、等温核酸配列ベース増幅（ＮＡＳＢＡ）、および転写媒介増幅（ＴＭＡ）を含む；リガーゼ連鎖反応（ＬＣＲ）、ＤＮＡまたはＲＮＡの配列決定反応（マクサム−ギルバートの配列決定、サンガー鎖停止法、色素−ターミネーター配列決定、エマルジョンＰＣＲ配列決定、超並列配列決定、ボローニャ配列決定、ライゲーションによる配列決定、合成による配列決定、またはハイブリダイゼーションによる配列決定）、制限酵素断片長多型（ＲＦＬＰ）解析、一塩基多型（ＳＮＰ）解析、ショートタンデムリピート（ＳＴＲ）解析、マイクロサテライト解析、ＤＮＡ指紋分析、ＤＮＡフットプリント分析、またはＤＮＡメチル化解析。
一実施形態において、カートリッジは、限定されるものではないが、結合受容体、トランスフェリン、抗体またはその断片（Ｆｃ断片またはＦａｂフラグメントなど）、レクチン、またはＤＮＡまたはＲＮＡ配列を含む、。別の実施形態では、カートリッジには、抗凝固剤、固定剤、安定化試薬、防腐剤や沈殿剤などの試薬を含む接合部分と結合したビーズを具える。
Ｃ．空気マニホールド
空気マニホールドは、空気の圧縮または吸引の配布を容易にするために、ここに記載された任意のマイクロチップおよび／またはカートリッジと統合することができる。空気の圧縮または吸引は、マイクロチップ上でバルブを作動させるために使用することができる。また、空気の圧縮または吸引は、空気の圧縮または吸引が流体層内の流体やガスを移動するために使用することができるマイクロチップの流体層内のマイクロチャンネルに提供されるように、カートリッジに供給することができる。空気マニホールドは、図３のカートリッジ（１）上のマイクロチップ（２）のマイクロバルブを作動しまたはその他のデバイスのマイクロバルブを作動するよう、空気の圧縮または吸引を提供する。
空気マニホールドは、外部の圧力源にマイクロ流体マイクロチップの空気ラインを合致させるために使用することができる。空気マニホールドは、マイクロ流体マイクロチップの空気層上のポートと整列されるポート、および、外部の圧力源に接続するチューブに接続可能なポート、を持つことがでる。ポートは、液体または気体またはポート間の他の材料の流体連通を可能とする１つ以上のチャンネルによって、接続することができる。
空気マニホールドは、マイクロチップの任意の表面上のマイクロ流体マイクロチップとのインターフェースとすることができる。空気マニホールドには、マイクロ流体マイクロチップのカートリッジと同一または異なる側に配置することができる。図４０に示すように、空気マニホールド（１１３）は、カートリッジに対向するマイクロ流体マイクロチップの表面上に配置することができる。同様に、空気マニホールドは、それがマイクロ流体マイクロチップの表面の一部のみを占有するように設計することができる。空気マニホールドのポジショニング、設計および／または形状は、他のコンポーネントのマイクロ流体マイクロチップへのアクセスを可能にすることができる。空気マニホールドは、他のコンポーネントがマイクロ流体マイクロチップに対し隣接または近位に配置できるようにする、カットアウトまたは環状空間を持つことができる。これは、例えば、磁性コンポーネント（１０９）がマイクロ流体マイクロチップ内の容器の近傍に配置することを可能にすることができる。
空気マニホールドは、当業者に公知の任意の材料から構成することができる。例えば、カートリッジは、プラスチック、ガラスまたは金属で構成することができる。プラスチック材料は、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエステル、ポリアミド、ポリ（塩化ビニル）、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリビニルジエン塩化物、環状オレフィン共重合体、またはそれらの任意の組合せなどの、当業者に公知の任意のプラスチックを含む。空気マニホールドは、ソフトリソグラフィー、従来のリソグラフィ、フライス加工、成形、エンボス加工、ドリル加工、エッチング、またはそれらの組み合わせなどの、当業者に公知の任意の技術を用いて形成することができる。
図２１及び図２２に示す装置は、空気マニホールドを組み込むことができる。装置は、ここに記載のように、サンプル調製のために使用することができ、カートリッジを組み込むことができる。「キューブ」と書かれたカートリッジ（１）は、ソレノイド（１８１９）を有するマニホールド（３７０）に装着される。カートリッジとマニホールドの組立は、装置のベースプレート上にマウントされています。空気マニホールドは、ＩＯコントローラ（１８０３）によって調節することができる。
所望の圧縮または吸引を維持することができる貯留槽などのガス供給は、マニホールドにガスを供給することができる。ガス供給は、外部の圧力または吸引源に接続することができる。ガス供給マニホールドに供給するガス供給は、入口圧力を監視する圧力計を持つことができる。ガス供給は、ガス供給マニホールド（１８２１）を介してシステムの複数のコンポーネントにガスを供給することができる。ガス供給マニホールドは、空気マニホールド（３７０）に、および、個々の試薬容器（１８０９）と（１８０７）に、ガスを供給することができる。分配バルブ（３９０）にガスを供給するラインは、レギュレータ（１８１５）によって調節することができる。
試薬および／またはサンプルは、また、試薬ストレージ領域（３８０）内のコンテナ（１８０９）に接続されている試薬分配バルブ（３９０）を介して、および、ビーズミキサー（１８０５）に搭載されているビーズ溶液コンテナ（１８０７）を介して、カートリッジに供給することができる。アダプタ（１８１７）は、シリンジなどの分配デバイスがカートリッジに材料を分配できるように、カートリッジに搭載および／またはカートリッジに整列することができる。アダプタ（１８１７）は、ヒータ制御（１８０１）によって熱的に調節することができる。アダプタは、ヒーターのコイルまたはペルチェ素子によって発生する熱を分散するように、真鍮などの熱伝導体を持つことができる。アダプタは、摂氏、約２０℃−１００℃、２０℃から７５℃、または５０℃から６０℃の間の温度に維持することができる。
磁石アセンブリ（１８１１）はカートリッジに隣接して配置することができる。磁石アセンブリの磁石（３００）は、磁石がカートリッジ内に磁場を発揮できるように、または、マイクロチップがカートリッジと統合、結合またはインタフェースとなるように、カートリッジ（１）に隣接して配置することができ、アクチュエータによって移動することができる。磁場は、カートリッジまたはマイクロチップ内のビーズなどの常磁性または磁性粒子を捕捉し、廃棄物からの粒子に結合した材料を分離するために使用することができる。カートリッジおよび／またはマイクロチップからの廃棄物は、廃棄物コンテナ（１８１３）に供給することができる。
図２１および図２２に示す装置は、カートリッジ（１）を作動させるために、７つのソレノイドバルブを使用することができる。装置のサイズと複雑さは、さらに、ＭＯＶｅマイクロバルブの使用で減らすことができる。図２３および図２４は、約２インチ幅であるマイクロ流体マイクロチップ６００を含む試薬分配装置を示している。ソレノイドバンク６８０と６８４は、コネクタ６８１、６８２、６８５および６８６を介して、フルスケールの外部の吸引および圧縮装置への接続を提供する。ソレノイドは、電気的接合部６８９および６８７を介して制御される。ＭＯＶｅバルブを有するマイクロ流体マイクロチップ６００は、クランプ７１０を使用してアタッチメント７１１により、マニホールド７００と接触して保持されている。当業者に公知の他の方法は、空気マニホールド７００にマイクロチップを接続するために使用することができる。
Ｄ．サンプルの並列処理
本発明のいくつかの実施形態では、１つ以上のカートリッジを、サンプルの並列処理を可能にするために、同時に動作させることができる。図１６は、粘膜抽出アセンブリ（８００）における単一空気マニホールド上のマイクロバルブを有する複数のカートリッジの並列または連動動作を示している。マニホールド（３７０）は、図示のように、ソレノイドバルブ（６８０）を使用して、４つのカートリッジ（１）を動作するように、調節した吸引と圧縮を供給する。ソレノイド（６８０）は、空気マニホールド（３７０、３８０、３９０）を介して各カートリッジと一体化されたマイクロチップの空気層への圧力を制御する。空気マニホールドは、トッププレート（３７０）、ガスケット（３８０）およびボトムプレート（３９０）によって形成される。トッププレートは、その中にエッチングされたチャンネルを持つことができる。チャンネルは、ボトムプレート（３９０）によってトッププレートに対して挟まれている、ガスケットによってシールすることができる。アクチュエータ３１０は、磁石（３２０）をカートリッジ（１）に近い位置にあるいはカートリッジから離れた位置に移動させるように、ロッド８１０を移動させる。クランプ８０５は平面内にカートリッジ（１）を保持する。
本発明の他の実施形態において、マイクロチップに統合された単一のカートリッジは、並列チャンネルを使用して、一度に複数のサンプルを処理することができる。例えば、デバイスは、４チャンネル、８チャンネルまたは１２チャンネルさえ持つよう構成することができる。図１４および図１５は、毛細管フィードおよび磁石を有する、組み立てられた捕捉および反応マイクロチップを示している。このマイクロチップは、ビーズ溶液を捕捉し、例えば、４つのＳＴＲ−ＰＣＲ反応を同時に実行することができる。図１４は、マイクロチップに付着したカートリッジ（１２０３）を有するマイクロチップ（１２０１）、および、マイクロチップ内へまたはマイクロチップから外部へ導くチューブ（１２０５、１２０７、１２０９、１２１１、１２１３、１２１５および１２１９）を示している。全部で８つのチューブが示され、２本のチューブが並列平行毎に使用されている。例えば、並列処理装置の一単位は、チューブ１２０５および１２１３によって提供されている。
例示的な実施形態において、４チャンネルのサンプル調製装置は、単一の統合されたカートリッジ（図５４）の４チャンネル全てに同時に試薬を測定して供給する４チャンネル並列試薬供給装置（図５３）を組み合わせ、４つのサンプルを同時かつ迅速に処理することができる。
４チャンネルの並列試薬供給装置は、空気制御マニホールドに搭載された流体マニホールド（図５３を参照）とマイクロチップを組み合わせている。図５３は、マイクロ流体チップと結合したカートリッジを具えるサンプル抽出モジュールを示している。カートリッジは、シリンジ（６７０１）のための開口部および検体のビーズ捕捉（６７０２）のため区画を具えている。これらの区画は、カートリッジの下面に結合されたマイクロ流体チップ内のチャンネル（６７０３）を介して流体的に接続されている。試薬分配カートリッジは、図３と同様に構成された区画を具えることができる。２つは例えばチューブにより流体的に接続され、試薬は、試薬カートリッジ上の容器に試薬貯留槽からポンプされ、より多くのチャンネルを有するデバイスを完成することができる。４、８、１２チャンネルおよびより多くのチャンネルを持つデバイスが意図される。試薬は、各チャンネルごとに、ここに記載したサンプルループと同様の２つの異なるサイズの試薬ループのうちの一つを使用して測定され、サンプル調製装置の４チャンネル全てに並列に供給される。並列試薬供給装置を用いてサンプル調製装置の４チャンネルすべてに同時に試薬を提供することは、４つの試料の処理にほぼ１５分かかっていた第一世代の直列試薬供給装置と比較して、４分未満とすることができ、１１分以上の処理時間の節約を可能としている。
結合された空気マニホールドは、接着剤接合のアプローチを使用してマニホールドを製作することにより、試薬の供給装置とサンプル調製装置の両方を制御するために使用できる；しかしながら、これらは、サブシステムで使用される空気の圧力、マニホールドのサイズおよび複雑さのため、時間の経過とともに剥離しやすいかもしれない。熱的に結合されたマニホールドは、剥離の問題緩和することができるが、試薬供給装置などの比較的小さいく複雑でないマニホールドの設計のための実行可能な唯一のアプローチかもしれない。チューブは、ソレノイド制御バルブに空気ポートを接続するチューブを有するポリカーボネートの単一部分から作製されたモノリシックマニホールドは、４チャンネルのサンプル調製カートリッジを操作することができ、結合された空気マニホールドに実行可能な代替案であることが証明されている。この空気マニホールドの設計コンセプトは、増幅後のＳＴＲ（ショートタンデムリピート）クリーンアップサブシステム上のチップＡマイクロチップの制御に利用される。
４チャンネルのサンプル調製カートリッジのマイクロチップと流体マニホールドのためのアセンブリプロセスも改善された。歴史的に、シリコンエポキシは、マイクロチップとキューブの間に接着剤を逃がすことによって、それに関連付けられているＭＯＶｅマイクロチップにカートリッジを装着するために使用することができる。エポキシの動きの制御の本質的な欠如は、マイクロチップまたはデバイスが使用できなくなる流体経路の閉塞を作成するキューブのどちらかのポートにそれを時折許可することである。このプロセスは、流体キューブとマイクロチップを組み立てるために両面テープ（接着剤研究、Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＡＲｃａｒｅ９０１０６）を使用することによって改善されており；これは現在４チャンネルの試薬供給カートリッジ、サンプル調製装置、および後述のポスト増幅ＳＴＲクリーンアップサブシステム内のポスト増幅装置のために使用される好ましいアセンブリ方法である。
０６９マイクロチップ（図５５を参照）を有する統合された４チャンネルのサンプル調製カートリッジを試験した。０６９マイクロチップのデザインは、サンプル抽出カートリッジで使用されている。他のチップ、例えば、０７０チップは、増幅後のカートリッジに使用される。
マイクロチップは、ここに記載されるシステムやデバイスへの繊維の不慮の導入によるマイクロチップの閉塞は、マイクロ流体の問題になることがある。詰まりを最小限に抑えるために、常磁性ビーズ溶液を除くすべての試薬は、読み込み前にろ過され、インラインフィルタがマイクロチップの詰まりを最小限に抑えるために使用される。
Ｅ．大腸菌分離およびクリーンアップ
多様性のある分離をここに記載のデバイスを使用して実行することができる。これらの分離は、クロマトグラフィー、親和性、静電、疎水性、イオン交換、磁気、ドラッグベースおよび密度ベースの分離を含む。本発明のいくつかの実施形態において、親和性またはイオン交換相互作用は、ビーズなどの固相材料に材料を結合するために利用されている。ビーズは、当業者に公知の任意の方法を用いて、流体溶液から分離することができる。
磁気分離は、常磁性ビーズと磁場を採用する機械的に単純化されたフォーマットを使用して、単一のステップで材料を捕捉して濃縮するために使用することができる。ビーズは、抗原、蛋白質、炭水化物、毒素、核酸、細胞、ウイルス、および胞子などの特定のターゲットを、捕捉し、濃縮し、そして精製するために使用することができる。ビーズは、通常、ターゲットに結合する、特定の親和性試薬、抗体、アプタマー、またはＤＮＡを持つことができる。また、静電またはイオンペアまたは塩橋の相互作用は、ターゲットに結合することができる。ビーズは、外部磁界の存在下でのみ磁性である常磁性ビーズにすることができる。また、ビーズは永久磁石を含めることができる。ビーズは、エアロゾル、液体、体液、抽出液、または食品のような複雑なサンプルに添加することができる。ＤＮＡのようなターゲット材料との結合後（または結合前）、ビーズは磁場の印加によって捕捉される。未結合または疎結合した材料は、元のサンプル中の不要な他の物質からターゲットを精製する、互換性のあるバッファでの洗浄によって除去される。ビーズは小さく（ｎｍからμｍ）、大量のターゲットを結合できる。ビーズが磁力によって濃縮されると、それらはちょうどｎＬからμＬの容量のビーズベッドを形成し、ターゲットを濃縮すると同時に精製することができる。精製され濃縮されたターゲットは、都合よく、輸送、変性、溶解、またはオンビーズでの分析、またはさらなるサンプル調製または分析のためのビーズから溶出に供することができる。
分離は、広く食品、体液、および他のマトリックス中の微生物の検出を含む多くのアプリケーションに使用される。常磁性ビーズは、混合され、容易に操作でき、マイクロスケール及びマイクロ流体アプリケーションに適応可能である。この技術は、マクロスケールからマイクロスケールのインターフェイスに優れたソリューションを提供し：ビーズは、マクロスケールでサンプルを精製し、マイクロ流体やナノ流体のプラットフォームへの導入のためのナノスケール（数１００ｎＬ）に濃縮することができる。磁気分離は、リアルタイムＰＣＲ、電気化学、磁気力の差別、磁気泳動、毛細管電気泳動、フィールドフロー分離、または当業者に公知の他の分離法の前の上流側精製ステップとして使用することができる。
本発明の装置は磁気ビーズの使用を適応させることができる。例えば、ビーズまたはビーズスラリーは、カートリッジのポートに供給することができる。ビーズは、ポンピング、磁場、または外部ミキサーを使用して、カートリッジ内の溶液中で混合または懸濁させることができる。ビーズは、マイクロ流体デバイスやカートリッジ内の所定の容器や貯留槽にポンピングされる。ビーズは、磁場を用いて容器内に捕捉することができる。溶液中のビーズは、磁場を通過する溶液として捕捉され、または、ビーズがよどんだ溶液中で捕捉される。
カートリッジの使用方法を説明するために、いくつかの例が考えられる。最初の例では、サンプルを精製するために常磁性ビーズで口腔粘膜から核酸が処理され、その後、ＰＣＲ増幅およびＰＣＤ生成物のビーズ精製が続く。２番目の例では、ビーズに結合した結合部分を使用して、細胞、タンパク質、または他の抗原性物質を精製浄化するために、免疫磁気分離を実施する。３番目の例では、合成による配列決定、ハイブリダイゼーションによる配列決定、またはライゲーションによる配列決定などの技術を配列決定用サンプルを調製するために、分子生物学を実施する。多くの異なる化学的性質と生化学的性質が本発明で使用できることは、当業者によく知られている。これらは、これらに限定されないが、酵素反応、ゲル、モノリス、ビーズ、充填層、表面反応、分子生物学、および他の化学と生化学反応での精製を含む。
統合されたマイクロチップを有するカートリッジは、ここに記載の任意のカートリッジおよびマイクロチップで形成することができる。例えば、カートリッジおよびマイクロチップを、図３、図５及び図５に示す。可動磁石（３００）は、カートリッジに隣接して配置することができる。可動磁石は、アクチュエータ（３１０）によって移動することができる。可動磁石は、カートリッジまたはマイクロチップ内に磁界を印加するために使用することができる。いくつかの実施形態において、可動磁石は、カートリッジまたはマイクロチップ内の容器の壁に対しビーズを集めたり収集することを促進するために使用することができる。
ＩＩ．反応モジュール
反応モジュールは、検体が通過するマイクロ流体チャンネル及びサンプル調製容器に流体的に接続された反応容器を具えるであろう。反応モジュールは、ボリューム、例えば、元のサンプルボリュームより小さい非マイクロ流体ボリューム、中に検体を配置するよう構成されている。例えば、反応モジュールは、検体が捕捉されている磁気応答性の粒子を固定化するように構成される、磁力と連通する容器を具えることができる。ビーズベッドは、通常、元のサンプルのボリュームより小さいボリュームを持っている。検体は、反応容器内の粒子から解放され、ＰＣＲなどの生化学的反応が検体上で実施される。反応室内の液体の体積は、非マイクロ流体体積のボリューム、例えば、１０−５０マイクロリットルである。従って、流動性および固定化性である検体捕捉材料の使用は、検体の捕捉、転送および濃縮を可能にする。
図６に示すように、温度調節器は、反応チャンネル（２５０）を介してカートリッジおよびマイクロチップに流体的に接続することができる。反応室（２５０）は、カートリッジにエンド部（２５１）で接続することができる。温度調節器は、反応混合物とサンプル（総称してＰＣＲ反応サンプルと呼ぶ）からの濃縮核酸とを含む反応チャンネル（２５０）の温度の温度循環のために使用することができる。制御機構は、温度調節器の動作を制御するために使用することができる。光学アセンブリは、反応を監視または制御するために使用することができる。光学アセンブリは、光を導入したり光を検出することができる。例えば、光学アセンブリ４１０は、リアルタイムＰＣＲまたはリアルタイムあるいはエンドポイントの測定を実施するために使用することができる。ある実施形態において、温度調節器は、熱結合ペルチェ熱電モジュール、従来の熱電モジュール、熱風、赤外線またはマイクロ波を採用する。一実施例において、温度調節器は、必要に応じて、ＰＣＲ反応サンプルを加熱し冷却するための反応チャンネル外部のペルチェ熱電モジュールを使用する。熱電モジュールの加熱と冷却は、領域３５０を超えて配布される。温度調節器４００の追加の図は、図７および図８に示されている。図７は、温度を制御された領域３５０を接触する反応チャンネル２５０を示している。温度調節器は、また、アクチュエータ３３０が配置される可動磁石３２０を含むことができる。図６に示すように、可動磁石は、位置３４０で磁性粒子を捕捉するために使用することができる。本発明のいくつかの実施形態において、温度制御された地域は２つの部分を具える。２つの部分は、反応チャンネル２５０との熱的接触を維持するために、一緒にクランプされ、ロックされ、保持されているクラムシェルの部分となる。温度制御された領域、図８の部分７１１は、温度制御された領域の第２の部分にヒンジすることができる。温度制御された領域は、図７および図８の右側に示されているように、１つ以上の反応チャンネルの位置決めのための溝状のチャンネルを有することができる。図７の左側は、閉じた構成内の温度制御された領域を示している。また、温度制御された領域は、図８の７０９および７０１として示すように、１つ以上の収縮コンポーネントを具えることができる。収縮ポイントは、反応チャンネルの一部分が反応チャンネルの別の部分から分離されるように、反応チャンネルをピンチすることができる。本発明のいくつかの実施形態において、反応チャンネルは、反応混合物などの流体の本体が分離されるように、２つの位置でピンチされる。収縮コンポーネント７０９および７０１は、反応チャンネルのピンチ促進するために、付加的な収縮コンポーネント７０７および７０５と結合することもできる。
別の方法として、図５１に示すように、温度調節器は、ピンチクランプを用いて反応チューブを収縮できる。ウルテムなどのプラスチックから形成することができるピンチクランプの使用は、反応チャンネルへの熱伝達を減少させることができる。熱伝達の減少は、反応チャンネルが熱サイクルや温度調節の間に溶接されて閉じる可能性を減らすことができる。また、異なる材料のチューブは、反応チャンネルが熱サイクルや温度調節処理の前後にその形状を維持できることを保証するために、反応チャンネルとして使用することができる。異なる材料のチューブは、温度を調節する過程で蒸発率を低減するために使用することもできる。一例としての材料は、エチルビニルアセテート、シリコーン、シラン化Ｃ−フレックスチューブを含む。
温度調節装置は、毎秒摂氏０．５℃から３℃以上の速度で温度を調節することができる。ヒーターは約２５−１００ワットを利用し、温度調節装置を冷却するために使用できるファンは、少なくとも約７５、１００、１３０、１５０、２００、２５０、または３００ｃｆｍの空気流量を生成する。
一実施形態において、カートリッジ内の液体の動きを制御するために使用することができるマイクロ流体マイクロチップと統合されたカートリッジを具えるサンプル調製装置は、フロースルーＰＣＲ熱サイクラーとして温度調節器４００と組み合わせて使用することができる。流体を移動させるための駆動力は、外部の圧力源や、マイクロチップ内でのＭＯＶｅバルブなどの内部の圧力源とすることができる。フロースルーＰＣＲ熱サイクラーは、高感度、高スループットのＰＣＲが望まれるときに、使用することができる。センシティブＰＣＲアッセイにおいて、サンプル空気、血液、水、唾液、細胞のサンプル、または他の媒体の使用を望む多くの状況がある。これは、インフルエンザ、細菌性病原体、および任意の数のウイルス性または細菌性病原体を含む、種々の生物学的汚染物質を検出するために使用することができる。フロースルーＰＣＲは、人間の相互作用を必要とせずに、自動化された方法でＰＣＲを実施することを可能とする。フロースルーＰＣＲシステムは、また、建物、飛行機、バス、および他の車両のＨＶＡＣシステムにおける早期警戒システムとして機能を果たし、そして感染の有無を血液、水、または感染または汚染の存在を調べるための他のサンプルソースのモニタリングに使用することができる。
図６に示すように、フロースルーＰＣＲ装置は、口腔粘膜、シリンジ、エアーサンプラー、流体サンプラーや他のサンプラーなどの収集装置からサンプルをとり、サンプル調製装置１（図６は、必ずしも縮尺で描かれていない）に供給する。サンプルは、いくつかの実施形態において、細胞溶解、ＤＮＡ、ＲＮＡ、またはマイクロＲＮＡの濃縮や精製、ろ過、または逆転写を含むことができる、調製装置１で準備される。一実施形態において、少なくとも１つの核酸が濃縮される。別の実施形態において、少なくとも１つの濃縮された核酸は、ＰＣＲ試薬（少なくとも１つのＤＮＡポリメラーゼ、ＲＮＡポリメラーゼ、ｄＮＴＰ、バッファまたは塩などの）およびプライマー（アッセイスペーシフィックプライマー、または、複数のターゲットの病原体のための広く適用可能なプライマーなどの）に、核酸を添加することで、ＰＣＲ用に準備される。これらのプライマーは、特定の病原体（カビ、ウイルス、細菌、寄生虫やアメーバなどの）、遺伝子、他の所望の核酸、またはその任意の組み合わせから分離された、少なくとも１つの核酸を選択的に増幅するように選ぶことができる。サンプルから濃縮された少なくとも１つの核酸、ＰＣＲ試薬およびプライマーを具える組成物は、ＰＣＲ反応サンプルと呼ばれている。一実施形態において、フロースルーＰＣＲは、連続的な流れのデバイスとして使用することができ、他の実施形態においてはサンプルは熱サイクル領域に移動して停止する。
ＰＣＲ反応サンプルは、その後、温度を制御した装置または領域（３５０）へチャンネル（２５０）を通って流れる。いくつかの実施形態において、反応チャンネルはクリアまたは透明である。別の実施形態において、反応チャンネルは不透明である。一実施形態において、反応チャンネルはシリンダーである。別の実施形態において、反応チャンネルの断面は、三角形、正方形、長方形、五角形、六角形、七角形、八角形、九角形、十角形、または他の多角形などの形状を形成する、１つ以上の面で構成されている。一実施形態では、ＰＣＲ反応サンプルのボリュームは、残りの部分が空気、ガスまたは鉱物油などの非反応性液体によって占められている、反応チャンネル中のスペースの小さい離散的長さを占めている。空気、ガス、または非反応性液体は、互いに個々のＰＣＲ反応サンプルを分離するのに使用できる。一実施形態において、温度調節された領域（３５０）は、限定されないが、熱結合ペルチェ熱電モジュール、従来の熱電モジュール、熱風、マイクロ波、または赤外線を含む１つ以上のモジュールによって、熱的に調節される。一実施形態において、サーマルサイクラーは、必要に応じてサンプルを加熱または冷却するために、チューブの外部のペルチェ熱電モジュールを使用する。一実施形態において、検出モジュール（４１０）は、温度の制御領域に配置されている間またはそれが温度制御領域を退いた後、ＰＣＲ反応サンプルから発せられる信号を検出するために、蛍光、発光、吸光度またはその他の光学特性を測定する。検出モジュールは、ＰＣＲ反応サンプルの蛍光色素（限定されないが、エチジウムブロマイドやサイバーグリーンを含む、インターカレート色素など）を励起するために使用される光源を（コヒーレント光源またはインコヒーレント光源など）具えることができ、励起光は光検出器（ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、ＰＷＴ、または他の光検出器など）で感知される。検出エレクトロニクスは、検出モジュール（４１０）から送られた信号を評価することができる。
一実施形態において、所定数の熱サイクルが完了後、ＰＣＲ反応サンプルは、圧縮または吸引を用いて反応チャンネルをさらに下方にポンプあるいはプッシュし、温度制御領域を励起して、第２のマイクロ流体マイクロチップ（５００）へ送られる。第２のマイクロ流体マイクロチップ（５００）は、反応チャンネル（２５０）にエンド部（２５２）で装着される。マイクロ流体マイクロチップ（５００）はマイクロバルブ（５１０、５２０、５３０、および５４５）を具えることができる。５１０、５２０および５３０の組または５１０、５２０および５４５の組のような任意の３つのマイクロバルブは、ポンプを形成することができる。マイクロチャンネル５０５、５１５、５２５および５４０は、マイクロチップ上にポンプを接続することができる。ダウンストリームデバイス５３５および５５０は、マイクロチップに接続することができる。デバイス（５３５および５５０）の材料の流れは、マイクロバルブによって、例えば、流体をポンピングまたは移動させる間、バルブ５３０または５４５のいずれかを閉じた状態に保持することによって、制御することができる。好ましい実施形態において、下流のデバイスは、電気泳動、質量分析、または当業者に公知の他の分析技術に使用することができる分析装置となる。
ＩＩＩ．反応後のモジュール
ある実施形態において、生化学反応の完了後、反応生成物は分析する前に処理される。システムは、反応生成物を処理するために構成された反応後のモジュールを含めることができる。反応後のモジュールは、処理容器例えば非マイクロ流体容器にマイクロ流体チャンネルを介して反応生成物を具える流体を導入するよう構成された、オンデバイスバルブおよびポンプを備えるマイクロ流体デバイスを備えることができる。例えば、生化学的反応は、ＰＣＲなどのＤＮＡの増幅であり、解析が例えば毛細管電気泳動を含む場合、処理は、ボリュームを含む製品の塩濃度を調整する工程を含むことができる。これは、例えば、反応生成物のボリュームを希釈する工程を含むことができる。
別の実施形態において、複数の反応チャンネルは、サンプルスループットを向上させるために並列に使用することができる。さらに別の実施形態において、システムは、ターゲット配列が存在することを示す、増幅が発生したとき（肯定的な結果）を、ユーザーに警告することができる。一実施形態において、反応チャンネルは、終了するまで、単一の使用のみに使用される。代替の実施形態において、反応チャンネルは、複数のサンプルにおけるＰＣＲ増幅生成物の有無を増幅して検出するために使用することができる。１つ以上のＰＣＲ反応サンプルが間隔を置いてロードされ、内部混合を防ぐために、気体や液体のバリアボーラスで間隔を開けることができる。一実施形態において、サンプルは、一方のサンプルが熱サイクルを受けると、別のサンプルが検索を行われる検出領域になるように離隔されている。ＰＣＲ増幅が、熱サイクルを使用するかまたは等温反応する可能性がある、その他の核酸増幅技術で置き換えることができることは、当業者にとって明らかであろう。
他の実施形態において、ターゲットの存在量の測定値を提供する検出モジュール（図６、４１０）で、細胞、タンパク質、毒素、または他のターゲットが存在しているかどうかを判断するために、デバイスは、抗体またはアプタマーのような親和性試薬を用いてサンドイッチアッセイのような等温反応を行うことができる。これらのアプリケーションにおいて、カートリッジ１は、ＩＭＳ精製などの親和性精製を実行し、蛍光ラベルが貼られている二次抗体を追加することがある。サンプルは、次に、熱制御が反応を最適化するために設定されている領域３５０に移動することができる。検出モジュール（４１０）は、次に、反応を監視することができる。一実施形態において、複数のカートリッジは反応チャンネル（２５０）にギャングされ、直列のボーラスは検出器４１０で読み出しすることができる。
ＩＶ．製品分析のための装置（例えば、毛細管電気泳動）
一実施形態において、ボリュームと濃度を合わせるために、一緒にすべてのステップを結合することが必要なマイクロ流体を具える、完全なサンプルの応答システムを提供する。毛細管電気泳動を用いたサンプルの分析は、上述のようなマイクロ流体サンプル調製法で使用できる標準的な分析法である。毛細管電気泳動は、マイクロ流体マイクロチップに容易に適応可能である。本発明において、マイクロチップ上での毛細管電気泳動は、サンプルの制御、サンプルを濃縮するためのビーズの処理、および、ロードと分離との改善を提供するため、ＭＯＶｅバルブと組み合わせている。
図４８は、分離チャンネル６０１１と結合された、ローディングチャンネルとも呼ばれるサンプルチャンネル６００５に接続されたサンプルソース６００９を示している。２つの電極６００３と６００１は、分離チャンネルに電界を印加するために使用することができる。本発明のいくつかの実施形態において、サンプルのソースは、サンプルチャンネル内の流体の流れを駆動するために使用される、マイクロチップのＭＯＶｅポンプを通過することができる。サンプルチャンネルは、マイクロ流体チャンネルまたは注入チューブとすることができる。注入チューブは、フレキシブルチューブまたは別のフレキシブルコネクタにすることができる。フレキシブルチューブの例は、ポリテトラフルオロエチレンチューブやシリコンチューブを含む。フレキシブルコネクタは、また、マイクロチップとのインタフェースとなる別のカートリッジに接続することができる。また、フレキシブルコネクタは、それがそこから発生したカートリッジに戻すことができる。分離チャンネルは、マイクロ流体チャンネル、毛細管チューブ、または毛細管電気泳動チューブとすることができる。毛細管チューブは、約１５０−５００ミクロンの外径と約１０−１００ミクロンの内径を持つことができる。毛細管は、ポリイミドまたはポリテトラフルオロエチレンのクラッドとすることができる。毛細管は、約２−１００ｃｍの長さとすることができる。毛細管は、最初に注入チューブに穴を開け、次にフレキシブルチューブに毛細管を挿入することによって、注入チューブまたはフレキシブルチューブに結合することができる。また、毛細管はフレキシブルチューブを事前にドリル加工することなく、フレキシブルチューブに挿入することができる。
例えば、電極６００３などの２つの電極の一方は、カソードとすることができ、例えば６００１などの他の電極は、アノードとすることができる。カソードは、本明細書に記載された、フォーク状のカソードなどのカソードとすることができる。アノードは、当業者に公知の任意のデバイスを使用して、分離チャンネルに接続することができる。例えば、分離チャンネルは、金属電極とすることができるアノードと電気的に接触しているアップチャーチフィッティングによって、貯留槽に接合することができる。
本発明のいくつかの実施形態において、図４９の分離毛細管と注入チューブの交点に示された安定化コンポーネントは、分離毛細管と注入チューブとの間の接続を、整列、シール、および／または保護するために使用することができる。本発明のいくつかの実施形態において、複数の注入チューブは、安定化コンポーネントを使用して、複数の分離毛細管と整列している。図５０に示すように、安定化コンポーネントは、図の縦チューブとして示すように、４つの注入チューブを保持することができ、４つの分離毛細管（図示せず）との接続を安定化することができる。
図４８のパネル１−６は、分離チャンネルにサンプルを注入するためのプロセスを示している。パネル１において、何のサンプルもサンプルのチャンネル６００５に存在していない。パネル２において、サンプルソース（６００９）からサンプルチャンネルに入るサンプルが示されている。サンプルはサンプルチャンネルの下方に移動されるため、サンプルは、パネル３に示されているように、分離毛細管と交差する。サンプルは、サンプルへのガスの上流流れと下流流れのボーラスにより、単離することができる。一旦サンプルが分離チャンネルに隣接すると、２５および５００Ｖ／ｃｍの間である電界が、カソードまたはフォーク状のカソードとすることができる第１の電極６００３と、アノードとすることができる第２の電極６００１と、の間に印加される。サンプルのソースからのサンプルのチャンネルに入るように示された電気泳動用バッファは、パネル３に示されるように、サンプルチャンネルにも入ることができる。分離チャンネルへの空気の注入を低減または防止するため、空気塊がサンプルチャンネルと分離チャンネルとの間の接合部を通過するとき、アノードとカソードとの間の電圧電位および／または電流はドロップすることができる。電圧電位および／または電流ドロップは、サンプルおよび／または電気泳動バッファが分離チャンネルに隣接するとき、確認するために検出することができる。一旦電気泳動バッファが分離チャンネルに隣接するとき、パネル５に示すように、アノードとカソードとの間の電流および／または電圧ドロップは増加することができる。電気泳動用バッファは高性能分離のためのイオンを提供するので、これは、パネル６に示すように、分離チャンネルにおける検体の分離を可能にすることができる。
ＳＴＲ分析のための一実施形態において、注入プロセスは次のとおりである：
Ａ．マイクロ流体チャンネルはバッファを充填することができる。
Ｂ．バッファがサンプルチャンネルを介して引っ張られ、それによって分離およびサンプルチャンネルによって形成された断面から分離ポリマーを掃引している間、分離チャンネルはゲルで充填される。
Ｃ．ＳＴＲ増幅されたサンプル（ビーズ上で脱塩および捕捉）は、マイクロチップ５００上で捕捉され、サイズ標準を含む低導電率流体（水）に溶出し、ＭＯＶｅ技術でサンプルチャンネルにポンプされる。
Ｄ．分離ポリマーの先頭でスタックする分離チャンネル内にサンプルを駆動するために、サンプルと廃棄物の腕に電圧を「引き戻す」とフィールドはカソードとアノードを横切って印加される。サンプルが注入されるため、サンプルチャンネルの伝導率が、シングルステップの注入を提供するカソードアームのバッファで、迅速に平衡化される。
フォーク状の電極又はカソードは、図４６に示すように、２つの金属導体とすることができる。図４６に示すように、分析するサンプルのための流体通路は、ローディングチャンネルに沿ってすることができる。サンプルの場所が分離チャンネルに隣接しているときは、フォーク状の電極は、本明細書に記載のように、分離チャンネルにサンプルを注入することができる。サンプルチャンネルにおける材料の伝導度は、分離ポリマーとするできる分離チャンネルの材料の伝導度より低くなる。伝導度の違いは、電界が、カソードとすることができるフォーク状の電極およびアノードとすることができる下流側電極を介して印加されるとき、サンプルスタッキングの原因となる。フォーク状の電極と下流側電極の極性は、フォーク状のカソードがアノードとなり下流側電極がカソードになるように、反転させることができる。
本発明のいくつかの実施形態において、追加の電極を、分離チャンネルに適用されるフィールドの損失につながるサンプルのローディングチャンネル内における、分離チャンネルへのガスの注入または気泡の形成を低減するために使用することができる。分離チャンネル内へのガスの注入またはサンプルローディングチャンネル内の気泡の形成は、検体の一貫性のない分離を引き起こす可能性があり、分離チャンネルに電界を印加するために使用されるアノードとカソードとの間の一貫性のない電流で検出することができる。分離チャンネルへのガスや気泡の注入を回避または軽減するための追加の電極の使用は、図４７に示されている。追加の電極は、シングルワイヤの実行電極または管状の実行電極にすることができる。増加した表面積および／または管状の実行電極のより大きい内径は、分離チャンネルに気泡形成や閉塞および／または注入の大幅な削減を可能にすることができる。本発明のいくつかの実施形態において、管状の実行電極に使用されたカニューレは少なくとも約１／６４、１／３２、１ ／１６、１／８、１／４インチの内径を持っている。
図９６Ａおよび９６Ｂに示す別の実施形態において、三本脚の電極配置は注入する前にあらかじめ検体を濃縮するために使用することができる。この方法において、外側の電極は、検体と同じ電荷を与えられ、それらの間で電気泳動毛細管に対向する電極は、検体とは反対の電荷を与えられる。例えば、負に帯電している核酸の場合には、外側の電極は負電荷を与えられ、中央の電極は正電荷を与えられる。これにより、検体は、隣接電極間で中間電極に向かって濃縮される。その後、中央の電極上の電荷が逆になり、電圧は電気泳動毛細管を横切って配置される。これは、毛細管を介して検体を移動する。毛細管電気泳動インジェクタのための示された電極構成は、フォーク状の電極および他方の電極を含む場合がある。示されたどちらの構成も、直接毛細管の内腔から直接横切る電気泳動毛細管の一方の電極と接続するために、端部に位置する２つの接触点を持つフォーク状の電極を含むことができる。一実施形態において、第２電極は、フォーク状の電極の第３フォークである。第二の実施形態において、第２電極は、他の電極と同じ回路上ではない。これは、２つの回路パスをインジェクターで利用可能とする。第３電極配置を使用する１つの方法において、サンプルは、流体システムを用いて毛細管と対向する位置に移動する。その後、サンプルは、毛細管と対向する唯一の中間電極を用いて毛細管に注入される。その後、中央の電極がオフになり、隣接する電極はオンになり、毛細管を通じて検体を電気泳動させるために使用される。
本発明は、例えば、毛細管の配列などの電気泳動毛細管の温度を調整するための装置を提供する。実施形態は、図９８Ｂに示されている。電気絶縁性回路基板は、毛細管の配置のために一般的にＳ字型のパスを持っている。一般的にＳ字型のパスは、６つの異なったセクション１２、１４、１６、１８、２０および２２に分割される。これらの６つのセクション１２、１４、１６、１８、２０および２２は、特定のセクションと熱接触する毛細管の部分において温度を別々に調節する。異なるセクション１２、１４、１６、１８、２０および２２の各々は、前後に実行される電気経路、例えば、そのセクションの領域を満たすそのセクションの領域内の蛇行形状で、充填される。前後に実行されるこの電気的な通路は、セクション２２で詳細に示されている。図で明確にする目的のために示されていないが、他のセクション１２、１４、１６、１８および２０は、また、そのセクションの領域を満たすそのセクションの領域で前後に動作する電気経路で充填される。
回路基板は、また、毛細管の配置のための一般的にＳ字型の通路の両側に沿って実行する開口部１０の行を持っている。開口部は、回路基板の一般的にＳ字型の通路および回路基板の残りの部分との間の熱伝達を減少させる。空気は良い断熱材であるため、熱伝達は回路基板のこれら２つの部分間の熱伝達を減少させる。回路基板自体は悪い熱伝導体である。別の実施形態において、開口部の行の代わりに、悪い熱伝導性材料は回路基板のこれらの２つの部分の間に配置されている。そのような熱伝達の減少は、一般的にＳ字型のパスおよび一般的にＳ字型のパスに配置される毛細管のサーマルレギュレーションを容易にする。開口部は、実質的に一般的にＳ字型のパスおよび一般的にＳ字型のパスに配置される毛細管まで、熱的に調節された領域の熱質量を減少するために約立つ。小さい熱質量で、所望の温度は、一般的にＳ字型パスおよび一般的にＳ字型のパスに配置された毛細管のために、より迅速に到達される。
回路基板は、また、一般的にＳ字型パスの終了端に向かって一般的にＳ字型のパスに沿って開口部８を備えている。回路基板の材料がないため、開口部８は、開口部８上に配置されている毛細管との光学相互作用を促進する。開口部８は、落射蛍光などの光学設定および様々なスキュー照明スキームを用いて、蛍光励起と検出を可能にする。
種々の実施形態の電気経路は、パターン化されまたはエッチングされた、電気絶縁性基板に結合された導電性トレースである。パターン化された電気的なパスは、所望の導電パスを残し不要な導電性物質を除去する「減法」パターニングによって、または、所望の導電パスを形成するために追加導電性材料を追加する「加法」パターニングによって、定義される。回路基板は、単層の回路基板上または多層回路基板の一部としての導電パスを持つことができる。
電気経路の導電性材料の様々な例としては、銅、アルミニウム、銀などの金属材料、または、黒鉛などの非金属導電材料、または、導電性インクなどであるが、任意の他の導電性材料であってもよい。
電気的なパスの導電性材料とは対照的に、回路基板の材料は、非導電性であり、一般的に誘電体材料である。
各電気経路が熱領域を作製して定義する。１つの例示的な実施形態において、６加熱領域はそれぞれ、以下に示すヒーターの形状を生成するために必要な形に折り畳まれている１５０μｍ幅の銅トレースの約１ｍで構成される。様々な実施形態は、検体の電気泳動分離のための十分な長さに応じて、１ｍより短くまたは長くトレースの長さを変える。様々な実施形態は、熱的に結合された毛細管の熱調節のための十分な熱を生成するために電気経路の適切な抵抗値に応じて、電気的なパスの幅を広げたり狭める。様々な実施形態は、加熱領域の数を増減させる。
いくつかの実施形態において、トレースなどの電気経路は、０．０００１〜０．５インチの範囲の幅、および、０．２５〜７５０インチの範囲の長さを持っている。
毛細管で電気泳動を実施することは、熱が効果的に毛細管壁を介して消費することを可能とする。これは高電圧が急速な分離を達成するために使用することを可能とする。
図２は、回路基板、回路基板上の電気経路、毛細管の束、および温度センサを有する、熱アセンブリの上面図である。
図９８Ａに示す回路基板などの回路基板では、電気泳動毛細管は、接着材などによって、一般的にＳ字型のパスに装着されている。示された実施形態において、８毛細管の束が装着されている。他の実施形態は、検体の並列処理のための特定の電気泳動アプリケーションの要件に応じて、１から大きい数字に至る範囲の任意の他の数の毛細管を有している。毛細管の入力端部５４は、異なる毛細管への検体の注入を促進するために、両端を線形に広げられている。毛細管の終了端５６は、図において一緒にバンドルされて残されている。
一般的にＳ字型パスの別々に熱的に調節された領域またはセクションの各々において、温度センサは熱的に接触している。示された温度センサは、３２、３４、３６、３８、４０および４２である。温度センサ４２は、毛細管と熱接触していないが、回路基板自体または周囲空気に熱接触している。温度センサの例は、サーミスタや他の温度変化する抵抗または熱電対または他の温度で変化する電圧源である。別の実施形態において、別々に熱的に調節されたセクションの温度データは、離散的な温度センサによって収集されていないが、電気経路の抵抗などによってなどの電気的なパス自身によって収集されている。
図示の実施形態において、温度センサは、断熱開口の配列の外側の回路基板の部分で終了するトレースに装着されているサーミスタである。サーミスタは毛細管アレイを横切って折り曲げられ、毛細管アレイを基板に接合する接着剤に埋め込まれており、ヒーターからの熱損失を最小限に抑えながら、サーミスタと毛細管の間に良好な熱接触を確保する。
このような温度センサによって生成される温度データは、熱的、電気的経路と熱接触する毛細管の温度を調節するのに役立つ。電気的なパスを介する電流は、ジュール熱を介して電気的なパスの熱エネルギーを堆積する。堆積熱エネルギーの量は、電気経路の電流と抵抗の量によって異なる。
一実施形態において、本発明は、ポータブルで８チャンネル統合自動サンプルツーアンサーＤＮＡフォレンジック装置を提供する。そのようなデバイスは、口腔粘膜検体サンプルまたは血液サンプルを受け取り；ＳＴＲ解析を行い；データベースに対する検索の準備ができているＣＯＤＩＳライフを出力する。
別の実施形態において、本発明は、方法が、短期の反復核酸配列を含む検体を含むサンプルを抽出精製し；短期の反復核酸配列を増幅し；短期の反復核酸配列を精製し；短期の反復核酸配列のサイズを決定するために精製した短期の反復核酸配列に対し毛細管電気泳動を実行する；ことを具える、サンプル中の短期繰り返しのための自動分析を提供する。
標準的な技術を使用して、生体サンプル（例えば、口腔粘膜）からＣＯＤＩＳファイルのデータ出力までのプロセスは、６時間以上を必要とする。これは、ＤＮＡ抽出、ｑＰＣＲ、ＤＮＡの正常化、標識プライマーでのＳＴＲ増幅、ポースト反応サンプルの調製、ＣＥ分析とデータの分析を含む。本発明のシステムは、５時間未満、４時間未満、３時間未満または２時間未満の時間で、このプロセス全体を実行することができる。
別の実施形態において、本発明は、生またはそうでなければ未精製のサンプルから正確なＳＴＲを得る成功率が、少なくとも６０％、少なくとも６５％、少なくとも７０％、少なくとも７５％、少なくとも８０％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、少なくとも９６％、少なくとも９７％または少なくとも９８％である、短期的に繰り返しのための自動分析を提供する。
Ａ．検出器
一態様において、本発明は、毛細管のアレイで、例えば、４毛細管のアレイ、８毛細管のアレイまたは１２毛細管までのアレイで、検体を検出するための光学システムを提供する。このシステムにおいて、対物レンズは、毛細管、励起源、および集光光学系との関係で移動する。対象物が動くため、励起光は、レンズの異なる部分を通過し、毛細管の領域内の異なるポイントで合焦する。対象物の動きは、合焦位置の翻訳となるため、各毛細管は、順番に、スキャンされる。
図９９において、励起ビーム１７０の励起光源は、その出力が対象物１６０の直上の光学パスにおいて４５度の角度で配置されたビームコンビナー１６２を使用して毛細管１７４に投影される、固体レーザである。様々な実施形態において、ビームコンビナーは、波長にセンシティブな反射器やガラスの透明なシートに配置された小さな反射ドットのような空間的なビームスプリッタ、を具えている。ビームコンビナーは波長に依存しており、空間的なビームコンビナーより位置合わせが容易である。
高開口数の対象物は、毛細管１７４に向かう途中の励起ビーム１７９、および、毛細管１７４から発せられる蛍光の光信号、の両者によって、使用されている。
毛細管１７４の検体から発せられる蛍光の光信号は、対象物１６０によってコリメートされる。光信号は、波長にセンシティブな反射器１６２を透過し、励起ビーム１７０を含む光信号の一部を除去するロングパスフィルタ１６４に入射する。
蛍光検出方式はプリズム分光器基づいている。光信号は、波長に応じて光線の角度を変更する役目をする、分散プリズム１６６上に投影される。分散された光信号は、画像形成レンズ１６８を使用して、検出器１７０の平面に合焦し、分散した光信号の異なる波長を引き起こし、検出器１７０の平面内の異なる場所で合焦させる。検出器１７０の例は、ＣＣＤカメラである。代替は、ＣＭＯＳカメラや他の光センサである。
直径３０μｍの毛細管を具えるアレイにおいて、検出装置のためのスキャン範囲は８チャンネルの配列に対して±０．８ｍｍをカバーしている。この限られたスキャン範囲は、可動部品の数を最小限にすることができる。他の実施形態は、毛細管の異なる数および／または毛細管の異なる数を収納するためにスキャン範囲を広げたり狭めたりする。対象物１６０のみが移動するため、励起レーザビーム１７０は、ビーム１７０がアレイ内の毛細管の端の上部に配置されている場合でも、対象物１６０の中心に非常に近い位置に残る。励起ビーム１７０は、アレイ内の毛細管の位置に応じて異なる角度で毛細管に入射する。
Ｖ．使い捨てカートリッジを有する統合解析システム
本発明は、サンプルの抽出、熱サイクル、およびポースト増幅処理を含むシステムのいくつかの機能を統合する使い捨てカートリッジとのインターフェースとなる、統合型解析システムを提供する。統合された解析システムと使い捨てカートリッジは、ソースから得られた試料を分析し、ソースに関する情報を提供するために使用することができる。例えば、システムとカートリッジは、複数のサンプルから核酸を抽出し、ソースに関する遺伝情報を取得するために短いタンデムリピートのための抽出された核酸を分析するために使用することができる。
統合された解析システムと使い捨てカートリッジの概要を図６３に示す。統合された解析システムは、ハードウェア、消耗品、ソフトウェア、およびドキュメントを含めることができる。図６４に示すように、統合解析システムのハードウェアコンポーネントは、１つ以上の筐体、電子機器、空圧、光学、サーモサイクラー、電気泳動システム、およびカートリッジのカバーを含めることができる。ハードウェアの追加コンポーネントを図６４に示す。統合された解析システムは、１つ以上の制御システム、電力システム、コンピュータ、およびディスプレイを含めることができる。図６５に示すように、統合された解析システムのソフトウェアコンポーネントは、グラフィカルユーザインタフェースのために提供するソフトウェア、データ解析、コア、およびスクリプトを含めることができる。コアはハードウェアの制御のために使用することができる。スクリプトは実行されるプログラムとすることができる。プログラムは、特定の解析処理に対応できる。
図６６に示すように、消耗品は、１つ以上の毛細管アレイ、試薬カード、カートリッジ、および分離ポリマーカートリッジを含めることができる。試薬カードは、分析的反応を行うための試薬を含めることができる。カートリッジは、サンプルを受けるための容器、および、流体の輸送を制御するための１つ以上の空気作動バルブを有するチップ、を含めることができる。他の消耗コンポーネントは、図６６に示されている。
図６７は統合された解析システムに含まれることができるドキュメントを示している。ドキュメントは、テストドキュメント、マニュアル、プロジェクトのドキュメント、要件や仕様、製品マニュアル、およびリスク管理を含めることができる。
統合された解析システムと使い捨てカートリッジは、ペリカンモデル１６１０ケースなどの、約１０立方フィート未満、約５立方フィート未満、約３フィート未満、約２立方フィート未満または約１立方フィートまでの全容積を有する容器内に封入できる。ペリカンモデル＃１６１０＠２．２立方フィートは、ユーザーコントロールおよびスペアカートリッジを含むすべてのシステム部品を含むために使用することができる。コンテナの寸法は、最大約２２×１７×１１インチにすることができる。コンテナは、システムの輸送を促進するための車輪とハンドルを持つことができる。コンテナは、システムが輸送中または使用中の損傷から保護されるように、埋めたり補強したりすることができる。容器は、しっかりと閉じているか、または、予防および／または意図しないエントリおよび／または盗難を抑止するために、１つ以上のアラームを持つことができる。包まれた統合解析システムの例を図６８に示す。したがって、このシステムは、生物学的サンプルを受け取り、そのサンプルの遺伝子内容の分析を生成するために、スーツケース大の容器の機器に組み込まれる。システムは、多重化されており、例えば、少なくとも２、少なくとも４、少なくとも６、少なくとも８、少なくとも１０、またはさらに少なくとも１２、またはそれ以上のサンプルで、並列に一度に複数の操作を実施することができる。特定の実施形態において、システムが並行して２、４、６、または８サンプルを実行することができる。
ケースの負荷は、５０ｋｇ以下とすることができ、保護することなく出荷することができる。追加のパッケージは必要なく、デバイスの迅速な配備を可能にする。蓋を開くことができ、デバイスは到着時にプラグインすることができる。小型２人のリフトは、リフト装置を必要とせずにセットアップおよび転送を有効にすることができる。本発明のいくつかの実施形態において、システムは内部電源または発電機を含む。内部電源は、電気的なソースがない状態でシステムに電力を供給するバッテリーにすることができる。バッテリーは、充電式電池にすることも、非充電式電池にすることもできる。発電機は、燃料電池、太陽電池、または当業者に知られている発電機の他のどのタイプとすることもできる。
コンテナまたはケースは、１つ以上の内部筐体を持つことができる。内部筐体が、損傷または流出からハードウェアを保護することができる。内部筐体の例を図６８に示す。内部筐体は、空気の流れを可能にする半径方向も切欠いた２つ通気口を有している。図６９は、容器から内部筐体（１．０、右下）を除去したシステムを示し、統合解析システムのハードウェアを露出させている。図６９は、また、光学系（４．０）、空気圧（３．０）、カートリッジ（１０．０）、サーモサイクラー（５．０）、カートリッジカバー（７．０）、試薬カード（９．０）、および電子機器（２．０）の位置を示している。
操作の下で、システムは、シャーシから排出する必要がある数百ワットを引き出す。２つのロータリーファンは、フィルターのセットを介して空気を引き入れ、シャーシ内部の温度を、２つのファンで周囲の５℃以内および１つのファンで１０℃未満、に維持するのに十分な冷却を提供することができる。ファンは、２５Ｋ−ｈｒを超える寿命まで増加するブラシレスタイプとすることができる。
空気や温度制御サブシステムは、スーツケースの筐体内、サーマルサイクラー、およびＣＡＥ内の熱流れを管理する。レイアウトは、アポロ２００システムの両側面の入力を有する強制空冷、内部プレナムを採用し、十分な熱管理を促進して粒子の導入をを最小限に抑えるため、カートリッジの前面と背面で濾過空気を出力する。
封入した統合解析システムのもう一つの図を図７０に示す。図７０は、分離を行うための毛細管電気泳動のリング、検体を検出するためのＣＣＤベースの検出器、統合されたカセット（試薬カードに使い捨てカートリッジを組み合わせた）、空気ソレノイド、カセットクランプとインターフェース（空気マニホールドとカートリッジカバーとを組み合わせた）、タッチスクリーンインターフェースを有する組込みタブレット用ＰＣ、排気ファン、空気圧源とバラスト、および電子機器を示している。
コンピュータと制御ソフトウェアは、システムを統合し、電子機器のインタフェース、タイミング、および制御を提供することができる。コンピュータは、マイクロソフトのＸＰを実行する産業用ＰＣとすることができる。ソフトウェアは、ソフトウェアの制御ソフトウェアとすることができる。メインのユーザーインターフェースは、モニター（ＶＧＡまたはそれ以上の解像度）に補助インターフェースを備えたタッチスクリーンパネル、筐体に含まれていない外付けキーボード（ＵＳＢ）とマウス（ＵＳＢ）とすることができる。バーコードリーダー（キーエンスＢＬ−１８０など）とＧＰＳユニット（Ｓｉｒｆ−Ｓｔａｒｉｉｉチップセットに基づくＯＥＭモジュールなど）は、コンピュータにＵＳＢ経由で接続することができる。
図７１は、封入された統合解析システムの図を示している。図７１は、タッチスクリーン（１．５．１）、バーコードリーダー（１．５．２）、ＧＰＳ（１．５．３）、ケース（１．１）、パワーサプライ（１．７）、シャーシおよび構造（１．２）、内部のパーティションとバッフル（１．３）、電子機器（２．１−２．５）、分離およびポリマー充填装置（６．２）、および分離ポリマーカートリッジ（１１．０）を示している。電子機器は、通信コントローラ（２．１）、ソレノイドバルブコントローラ（２．２）、温度制御（２．３）、モータ制御（２．４）、およびセンサボード（２．５）を含む。
図７２は、封入された統合解析システムの光学系及び空気圧システムのクローズアップ図を示している。光学系は、アライメントコンポーネントとベース（４．１）、励起源（４．２）、検出器（４．３）を含む。空気圧は、吸引の供給（３．１）と圧力の供給（３．２）が含まれる。
工業用グレードの電源装置はシステムの寿命を改善するために使用することができる。電源装置の定格は５００Ｗ以下である。その振動の基準を満たす相互接続は、長寿命の時間を満たすことが証明されている。
サブアセンブリを搭載するためのシャシーの設計は、大量の部品の重量とコストを削減するためにアルミ鋳物を利用するたくさんの構造を含めることができる。アルミニウム構造は、サブシステム２、３、４、５、６及び１１（図６４）をサポートすることができる。板金部品を利用した構造は、サブシステム１．５と２をサポートすることができる。輸送のための振動の仕様を満たすように剛性と耐久性を維持しながら、デザインは軽量化と低コストを可能とすることができる。構造は、筐体とシステム／サブシステムとの間の内部絶縁を含めることができる。
こぼれを避けるために電子機器や光学系から、カートリッジのロードなどの、ユーザーが操作するセクションを分離するパーティション、および、光学系に入ることから迷光を維持するためにバッフルは、プラスチックやアルミ部品から作ることができる。
シャーシは、カートリッジ取扱サブシステムで設計することができる。カートリッジ取扱サブシステムは、アプリケーション固有のカートリッジを使用してシャーシのインタフェースとなり、シャーシの前面中央（図３９）に位置している。ユーザーがソフトボタン「ロード」を押したときに、カートリッジ取扱サブシステムをアクティブにすることができる。カートリッジ取扱サブシステムは、シャーシにカートリッジを移動するために作動することができるビデオデッキ（ＶＣＲ）の機構と近似の方法で、クレードルのユーザーからカートリッジを受け入れることができる。
カートリッジが最初にユーザーから離れ、下に移動する。トッププレートは、クレードルの上部をシールできる。流体と空気の接続は、バネの力の下にトッププレートとボトムプレートの両方を介してカートリッジの上部と下部を介してすることができる。すべての接続が、処理中および蓄積するとき、トッププレートによって環境から保護される。カートリッジ取扱サブシステムと最初のカートリッジは、プロジェクトのリスクが最も高い項目である。
カートリッジ取扱サブシステムは、カートリッジの入力を完了すると、空圧と流体の両方は、底板上にミニチュア「Ｏリング」シールの上にバネ圧シートの下カートリッジとして封入されている。
ユニットは、輸送の振動や環境の極端な条件の基準を満たすように構築することができる。ユニットは、ケースのさまざまな向きで利用することができる。ユニットは、極端な温度や湿度の仕様で機能するように設計することができる。ユニットは、光漏れを防ぐように設計することができる。
統合された解析システムと使い捨てカートリッジのコンポーネントは、図７３に示されている。
試薬の空気アセンブリは、カートリッジに係合し、多くの機能を実行することができる。空気供給に接続されたカートリッジカバーを、図７３に示す図の左上部分に表示されている。カートリッジカバーの描写は、図７４に示されている。図７４は、吸引源（３．４Ｖａｃ）と圧力源（３．４プレス）のための空気供給ポートを示している。カートリッジカバーも、マグネットアセンブリ（７．１）、試薬の処理インターフェイス（７．４）とヒーターのアセンブリ（７．２）を含んでいる。
カートリッジカバーは、カートリッジの上部と試薬のカードとのインタフェースとなる。それは、いくつかの機能：サンプル抽出プロセスにおける磁性粒子の捕捉のためのマグネットの位置決め、サンプル抽出の溶解処理のためのヒーターの位置決め、電気泳動装置に希釈製品を供給するカソード管の接続、試薬カードに対する圧縮と吸引の統合、サンプルローディングプロセスの制御のための照明、および、試薬カードのアクティベーションの前の磁性粒子の再懸濁、を含むことができる。
Ａ．カートリッジカバーの主要な機能は、カートリッジとの整列、試薬カードの活性化、および、拡張機能を提供するためのカートリッジとのインターフェースである。機能は、図７４を参照して、以下を含めることができる。
Ａ．マグネットアセンブリ（７．１）：溶解後、サンプルからＤＮＡを磁性粒子上に捕捉することができ、汚染物質やＰＣＲ阻害物質を除去するため洗浄することにより、さらなる処理のために準備することができる。カートリッジ内の粒子の捕捉およびリースの為に提供するために、カートリッジカバーは、カートリッジ上で捕捉容器に関しての希土類磁石の配列の動きと位置を促進するためのアセンブリを含んでいる。このアセンブリは、磁石のアレイとメカニズムで構成されている。磁石は、常磁性のビーズを含むカートリッジのコンパートメントで磁力を発揮するため、位置の内外に移動することができる。
Ｂ．ヒーターアセンブリ（７．２）：細胞溶解は一般に６０−８０℃の高温で実施される。溶解は、ヒーターアセンブリによって加熱されるサンプル容器内で行われる。カートリッジカバーは、サンプル容器周りに抵抗ヒータを配置し、電気の熱管理コンポーネントに相互接続を提供する。温度フィードバックはヒーターの熱電対によって供給される。
Ｃ．カソードチューブの接続（７．３）：ＰＣＲと希釈後、サンプルすなわち今希釈した製品は、毛細管上の注入のためにカソードチューブに移動される。カソードチューブは、カートリッジカバーを介して接続され、フェースシールまたフェルールタイプの接続などの低圧シールによって、カートリッジとのインターフェースを介して接続されている。この接続は、漏れがなく、クリーンで低デッドボリュームである。
Ｄ．試薬の取扱（７．４）：ＭＯＶｅバルブの性能を最大にするには、それは時々加圧された試薬をバルブに供給するのに便利である。カートリッジカバー内に、試薬カードがシステムのセットアップの間活性化されるとき、特定の試薬ウェルを加圧する、いくつかのポートがある。同様に、廃棄物の清掃ベストは、しばしば吸引アシストで達成される。再び、試薬カードの活性化により、特定の廃棄物の井戸は、これを実現するために排出されることができる。試薬カードとのインタフェースは、試薬カード上のトップシールに穴を開ける、カートリッジのカバーに搭載されて、カニューレを介して行われる。
Ｅ．サンプルローディング（７，５）：サンプル、陽性コントロール、陰性コントロールとアレリックラダーカートリッジカバーの適切かつ制御された負荷を促進するために、モニターのためのソフトウェアを使用して閉回路方式で動作してアクティビティを制御する、センサと照明を装備することができる。カートリッジタイプと実行セットアップパラメータに応じて、システムは、サンプル容器の１つ以上例えば５から全ての８までを「アクティブ化」できる。容器は、カートリッジのカバーに組み込まれたＬＥＤや他の光源で容器を照射することによりアクティブ化することができる。粘膜、ＦＴＡパンチまたはコントロールが容器内に挿入されると、それはカートリッジのカバーに組み込まれた光学センサによって検出される。システムは、照明をオフにして、効果的に容器を脱活性化する。サンプルが非アクティブ容器内に配置されている場合、システムはエラーモードに入る。照明とセンサは、エレクトロニクスのセンサボードとのインタフェースとなる。
Ｆ．サーモインタフェース（７．６）：カートリッジ上の反応チューブは、カートリッジのカバーでサーモコンポーネントに機械的に整列される。
Ｇ．磁性粒子の再懸濁（７．７）：試薬のカードがアクティブになる前に、それらは輸送や保管中に定着するように、磁性粒子を再懸濁することができる。カートリッジカバーは、試薬カードの磁性粒子に、超音波プローブ、ピエゾ振動プローブまたは混合機構などの、再懸濁のデバイスとのインタフェースとすることができる。
カートリッジカバーは、図７３でカートリッジカバー下の破線内に示すように、カートリッジとのインタフェースとなる。カートリッジカバーは、カートリッジへの空気圧の適用し、および／または、磁界を印加する構成とし、および／または、カートリッジの１つ以上のコンポーネントへの熱を適用することができる。カートリッジカバーと空気マニホールドとのインターフェースとなるカートリッジの描写は、図７５に示されている。図７５は、ファンとダクト（５．３）、および、熱サイクルのコンポーネント：サーマルプレート（５．１）、熱電気（５．２）およびコントロール（５．４）を示している。
図７３の破線に示されたカートリッジは、１つ以上の容器、流体接続、マイクロチップ、および／または空気作動式バルブを含めることができる。カートリッジの上面図は、図７６、図７７、図７８および図７９に示されており、試薬の分配容器、捕捉容器、サンプル容器、およびポースト増幅容器を示している。カートリッジは、試薬カード上にある試薬の容器を受け取るするためのレセプタクルを持つことができる。試薬カードは、様々な試薬容器（図７６、９．０）、反応容器および廃棄物容器を持つことができる。試薬カード（また、取り外し可能な試薬カセットとも呼ばれる）はカートリッジから別々に製造することができる。試薬のカードは挿入され、試薬のカードスロット（図７９に示す）とのインターフェースとすることができる。カートリッジは、射出成形プラスチックの部分からなることができる。容器、例えば、サンプル容器、捕捉容器およびポースト増幅容器の容量は、約０．１、０．２、０．５、０．７５、１、２、３、４または７ｍｌまでとすることができる。カートリッジは、約１、２、５、７、１０、１５または２０までの幅または高さ、および、約０．２、０．５、０．７５、１、２、３、４または５ｃｍまでの厚さの大きさを有することができる。
カートリッジ要素は、いくつかの統合された部分で構成されている。これらは、反応容器を含み、流体マニホールドとして機能する部分が含まれている。容器は、部分の一方の側に、ポートを介して部分の反対側と連通する。反対または流体側は、反応容器と反応チューブの間に液体を移動する、チャンネルとダイヤフラムバルブとポンプを具える、流体チップと接合している。チップは、ガスケットを介して流体側に取り付けることができる。特定の実施形態において、カートリッジは複数のチップで構成されている。この場合、流体マニホールドの部分は、流体的をあるチップを別のチップに接続するチャンネルを含むことができる。そのようなチャンネルは、例えば図９４に図示されている。それらは、部分の裏面とマイクロ流体チップとの間のガスケットによって密封される部分の表面の、溝、谷やその他のくぼみとすることができる。試薬のデリバリー流体、サンプル抽出流体、ポースト増幅の流体、トップピース、ボトムピースと反応チューブ。また、流体マニホールドと呼ばれるトップピースは、プラスチック製のアセンブリであり、流体は、システムを介して試薬の流れを方向付けて制御する３つの層のガラスのＭＯＶｅチップである。アセンブリは、空気マニホールド接続し、カートリッジカバーとのインタフェースとなる。カートリッジは、分離カラムに増幅されラベルを付された製品のロードまでのサンプル処理のすべてを促進する。カートリッジは、それが生成するすべての廃棄物が含まれており、汚染を避けるために、各実行の後に置き換えられる。
トップ部分には、試薬の充填、サンプルの抽出、粒子の捕捉、サンプルの挿入／溶解、製品の希釈のための容器とのモールドされたプラスチック部分にすることができる。また、反応に使用されるシリコンチューブのセクションを持つこととと同様に、カソード管への接続のためのインターフェースエリアおよび試薬カードとのインターフェースのためのエリアを持つことができる。例えば、シリコンチューブは、熱サイクル中に、両端にクランプされる熱サイクルの反応容器として使用することができる。部分は、いくつかの部分から構成されている。流体のコンポーネントは、両面接着剤で上部部分の最下部に取り付けられている。
下の部分は、トップピースにモールドされたチャンネルのガスケットとシールとして機能し、ＭＯＶｅ流体コンポーネントへのビアと呼べれるに取付面と通路を提供することができる。
試薬のデリバリー流路は、サンプルの処理を促進するサンプル抽出のセクションへの試薬のプリセットボリュームを分配することができる。この分配は、試薬の流通流体ＭＯＶｅデバイスを供給する試薬のカードウェルの加圧に依存している。ＭＯＶｅデバイスは、トップ部分において試薬容器の充填及び処分を制御する。加圧された空気は、カートリッジのサンプル抽出セクションへの分配のためにも利用可能である。セクションは、統合されたカートリッジの底の部分の底部に取り付けられた１つ以上のＭＯＶｅチップで構成されている。関連するマニホールドと容器の機能は、トップ部分を介して下流のセクションに接続されている。
サンプル抽出は、頬のサンプルや粘膜などの、１つ以上のサンプルを受け取るように構成できる１つ以上のシリンジ容器を含むことができる。図７６において、シリンジ容器は、左から二番目である垂直シリンダの行である。シリンジ容器、また、捕捉容器（図７９に示すように）と呼ばれている。シリンジは、カートリッジ上のコンポーネントによって、またはカートリッジカバーのコンポーネントによって、加熱することができる。
サンプル抽出器内で、粘膜／ブラシ／ディスクを洗浄し、細胞が溶解され、ＤＮＡが粒子上に捕捉され、粒子が洗浄され、捕捉用反応チューブに分配される。流体は、統合されたカートリッジの底の部分に接続された三層ガラスのＭＯＶｅチップである。ＭＯＶｅデバイスは、溶解／サンプル挿入容器、捕捉容器やポースト増幅流体へ、試薬の分配セクションからの試薬の流れを分配する。
ポースト増幅流体は、サンプル抽出部、希釈容器、反応チューブとカソードチューブとのインターフェースとなる。これらの流体は、底の部分に接続された複数の三層ガラスＭＯＶｅデバイスのいずれかで構成されている。ポースト増幅流体は、サンプル抽出セクションからの粒子捕捉、試薬カードから反応チューブへのプレミックス測定および希釈、反応チューブから希釈容器への生成物の移動、試薬カードから希釈容器への希釈物の測定をコントロールする。また、カソードチューブへのバッファ、水およびサンプルの束的および移動をする。
カートリッジは、反応チューブを（図７７に示すように）含めることができる。チューブは、サーモサイクラーなどの温度調節器（図７３に示す）とのインターフェースとなる。チューブは、また、磁石（図７３に示す）とのインターフェースとすることもできる。
サーモモジュール温度サイクルは、反応チューブにおいて、ＰＣＲ−ＳＴＲ反応を繰り返す。それは、いくつかの別個のコンポーネントを有している。反応チューブは、熱的の接触を提供する２部分内に封入され、完全に閉じたとき、シリコンチューブをピンチシールする。シェルの底の部分は、カートリッジの一部となる。シェルのトップ部分と熱制御要素は、カートリッジカバーで底の部分とチューブに整列される。粒子の捕捉とプレミックスロード中に、シェルが「オープン」の位置にあり、サイクリング前に、シェルは「クドーズド」の位置に移動する。クローズド位置において、上部と下部の部分は、熱的コミュニケーションを促進することができ、反応のプラグの蒸発と動きを制限するチューブのピンチングを促進することができる、互いに接触する位置となる。アセンブリ加熱および冷却は、熱電気デバイスによって提供される。サイクル中の熱制御は、電子機器によって管理されているコントローラによって駆動される。フィードバックは、恒久的にシェルの上部部分に接合する熱電対によって提供される。
サーマルサイクラーの温度制御は、ソフトウェアのオブジェクトと１２チャンネルに更新された熱制御ボードを使用する。ＤＮａプロファイリングカートリッジとＣＡＥカートリッジの毛細管のビーズストームサンプル抽出の部分の加熱は、熱電対によって監視される抵抗加熱を使用することができる。ＳＴＲの反応は、基本ケースとして、抵抗加熱と冷却ファンを使用することができる。ペルチェ／熱電加熱と冷却は、極端な温度範囲のために必要に応じて適用することもでき；ＭＢＩは、戦略的パートナーとのプロジェクトではＭＯＶｅマイクロチップの熱を使用する。サーマルサイクラーからの空気はプレナムに出力することができる。温度の制御は、既存のソフトウェアによって制御されたＭＢＩ温度コントロールボードを介して実行することができる。
容器は、カートリッジマニホールドに流体的に接続することができる。カートリッジマニホールドは、図８０に示されている。マニホールドは１つ以上のチャンネルを含めることができる。これらのチャンネルは、粘膜抽出出力、試薬の分配、サーモサイクラーチャンネルへのポースト増幅、溶解チャンネル、エタノールチャンネル、廃棄物チャンネル、およびビーズチャンネルのためとすることができる。
カートリッジマニホールドは、１つ以上のマイクロチップにチップの最上層の容器を流体的に接続する、１つ以上のチャンネルを持つことができる。カートリッジマニホールドは、また、お互いに１つ以上のマイクロチップを互いに流体的に接続することができ、２番目のマイクロチップに輸送される１つのマイクロチップ内の流体を可能とする。例えば、試薬容器内の材料は（図７３に示すように）、以下のコンポーネント：試薬の分配マニホルドのセクション、試薬の分配チップ、試薬の分配マニホールドのセクション、粘膜抽出マニホールドのセクション、粘膜抽出チップ、および粘膜抽出マニホールドのセクションを介して、粘膜シリンジ（図７３に示すように）に輸送される。
マイクロチップは、カートリッジのベースビューである、図８１および図８２において正方形のアウトラインとして表示されている。チップは、ポースト増幅チップ、サンプル抽出チップ、および試薬分配チップとすることができる。また、ここにマイクロチップと呼ばれるチップは、１つ以上の空気作動バルブを持つことができる。バルブは、流体流路をブロッキングしたり開いたりすることにより、または、流体運動の駆動力を提供することにより、流体の流れを制御するために使用することができる。バルブは、空気マニホールド（図７３に示す）によって制御することができる。空気マニホールド（図７３に示す）は、ここに記載された任意の他の空気マニホールドに類似したものとすることができる。空気マニホールドは、空気および吸引源に接続することができる。
チップは、カートリッジ内のチャンネルによって互いに流動的に接続することができる。他の場所で説明したように、カートリッジ内のチャンネルは、流体的にマイクロチップを接続したチューブの代わりにすることができる。これが、統合された解析システムに必要なスペース、および、分析反応を行うために必要な時間、を減少させることができる。
図７３に示すように、試薬のカードは、例えば、溶解、エタノール、ビーズ、廃棄物、シリンジ、水、ラダー、プレミックス、希釈剤、緩衝液、および廃棄物容器のための試薬容器を含めることができる。プレミックスは、ここに記載された任意のプレミックスとすることができる。いくつかの実施形態において、プレミックスは、核酸の増幅反応を行うためのプレミックスとなる。試薬の容器は、約または約最大で、０．１、０．２、０．５、０．７５、１、２、５、７または１０ｍＬのボリュームを持つことができる。容器は、冷却、加熱、または混合された試薬を維持するための機能や機構を含めることができる。例えば、容器は、攪拌機やミキサーを含めることができる。試薬の容器は、カートリッジに係合する前にシールすることができる。カートリッジとの試薬カードの係合は、可逆的または不可逆的に、カートリッジと流体接続する試薬容器を配置することとなる。いくつかの実施形態において、カートリッジは、試薬容器を囲むシールをパンクさせる１つ以上のカニューレを持っている。シールは、プラスチックシールやゴムシールとすることができる。本発明のいくつかの実施形態において、ゴム製のシールは、係合を解いた後に容器を効果的に再シールすることができる。したがって、カードは、非アクティブなコンフィギュレーションにおいて、カートリッジと係合することができる。カートリッジが空気マニホールドと係合しているとき、カバーが片側から試薬容器にと穴を開けてカニューレが別の側から試薬容器に孔を開けるアクティブな位置にカードを押し下げることができる。これは、マイクロ流体チップで接続されたチャンネルを介して反応容器と流体連通している試薬容器を配置する。これはまた、正圧が、指示の場所にそれをポンプするチップに試薬を存在させることを可能にするだけでなく、吸引が、カード上の廃棄物容器にチップによって提示された廃棄物を引っ張らせることを可能とする。
カードは、空気を閉じ込めることなく、特定の充填量を収容する容器として設計されている。容器の両側は、エラストマー膜でシールされている。これは、使用前に遠心分離する必要をなくす。カードは、カートリッジに固定され、隆起した「安全」の位置にロックされる。これが、カードがカートリッジとともに出荷される理由である。この位置において、底部のシールは、カートリッジの上のカニューレに整列される。安全機構は、カートリッジ上のカニューレが試薬カードシールに穴を開ける下部の「アクティブ」位置にカードが移動しないことを保証する。
次は、図６６を参考にした、試薬カードのコンポーネントである。
Ａ．試薬セット（９．２）：試薬セットと試薬カードのローディングプロセスおよび装置は、所望の特定の化学反応を行うために適合された試薬をロードする。例えば、それら、１つ以上のＣＯＤＩＳマーカーに関するＳＴＲ解析を行うための試薬を含めることができる。カードは、以下の試薬を含めることができる：
Ｂ．希釈液（９．２．１）：希釈液は、ＰＣＲ反応生成物の塩濃度を下げてサイズの標準を導入するために使用される。希釈液のサイズの標準は、ほぼ６０−６００ｂｐからの断片を持つことができる。
Ｃ．洗浄溶液（９．２．２）：洗浄溶液は、磁石粒子を洗浄し、反応チューブへの転送を促進するために使用される。
Ｄ．溶解バッファ（９．２．３）：溶解バッファは、サンプル中の細胞を溶解するために使用される。
Ｅ．対立遺伝子ラダー（９．２．４）：対立遺伝子ラダーは、カートリッジの一種に含まれている。対立遺伝子ラダーは、すべての可能な遺伝子座のサイズの標準位置を確立するために使用される。使用するときは、対立遺伝子ラダーは、サンプルのロードプロセス中に、１つのチャンネルとなり、このチャンネルは標準またはサンプルでロードされていない可能性がある。
Ｆ．捕捉粒子（９．２．５）：捕捉粒子は、サンプルＤＮＡの単離、精製および体積減少を促進するために使用されている。
Ｇ．実行バッファ（９．２．６）：実行バッファは、電気泳動プロセスにおける電解質として使用される。
Ｈ．プレミックス（９．２．７）：プレミックスは、ＰＣＲ反応を実行するための、プライマー、バッファおよび酵素を供給する。
Ｉ．水（９．２．８）：水は、反応生成物に対するカソードチューブを準備するために使用される。
小さな、静かなポンプの単一またはセットは、必要な圧力と吸引を供給するバラストおよび精密レギュレータとともに使用することができる。レギュレータは、工場でセットされ、常に正確で予測可能な空気圧の性能を保証するために、電子圧力トランスデューサを介してシステムによって監視できる。 ＭＯＶｅバルブは非常に低いフローを持っているが、十分に調整された圧力を必要とする。カートリッジ流体マニホールドは、ＭＯＶｅバルブを主に提供する。カートリッジカバー／試薬マニホールドは、圧送試薬およびカートリッジの内部の加圧空気の要件だけでなく、廃棄物ウェルのための吸引を供給する。これは、ＭＯＶｅバルブよりもわずかに高い流れとなる。メカニズムマニホールドは高い流量であるが、通常は規制の同じ精度を必要としない場合がある。
空気マニホールドは、カートリッジの搭載とＭＯＶｅ流体との制御インタフェースを提供する。マニホールドは、吸引と圧縮を切り替えるデリバリーポート付き３ウェイソレノイドを持っている。ソレノイドは、電子サブシステムのソレノイドバルブコントローラのコンポーネントによって対処されている。ソレノイドは、カートリッジの一部となっているＭＯＶｅマイクロ流体チップの底面の入力と整列させたポートに空気を分配するマニホールドに搭載されている。このマニホールドは、また、カートリッジのアライメントとインタフェースのコンポーネントとして機能する。
空気マニホールドは、空気マニホールドが離れてカートリッジカバーの下から移動することができるように、箱詰めのシャーシに統合することができる。これは、統合解析システムへのカートリッジのローディングを促進することができる。図８３、図８４、および図８５は、統合され包まれた解析システムへのカートリッジのローディングを示している。図８３は、カートリッジカバーの下ではない位置における空気マニホールドを示している。図８３において、カートリッジは空気マニホールドの上に配置されている。図８４は、空気マニホールドに係合したカートリッジを示している。空気マニホールドは、図８５に示すように、カートリッジがカートリッジカバーと係合できるような位置に移動またはスライドすることができる。図６９は、カートリッジが、カートリッジカバーと空気マニホールドに、係合されて流体的に接続される位置におけるカートリッジを示している。
ＭＯＶｅバルブの性能を最大にするために、バルブに加圧された試薬を供給することがときには有益である。カートリッジカバー内には、試薬カードがシステムのセットアップ中に活性化されたとき、特定の試薬ウェルに圧力をかける、いくつかのポートがある。同様に、廃棄物の最も良い清掃は、しばしば吸引アシストで実現している。再び、試薬カードの活性化により、特定の廃棄物ウェルは、これを実現するために排気することができる。このマニホールドは、出力ポートに圧力または吸引のいずれかを提供する３ウェイソレノイドの混合マニホールドとなる。第３ポートは、一般的に大気中に排出される。ソレノイドは、電子機器のソレノイドバルブコントローラのコンポーネントとのインタフェースとなる。
空圧シリンダは、システム内のさまざまなメカニズムを移動して設定するために使用されている。これらは、サーモサイクラー、カートリッジカバーとカバー内のコンポーネントを含む。メカニズムマニホールドは、出力ポートへ圧力を分配し、第３ポートを大気にベントするために３ウェイソレノイドを利用して、圧力のみのマニホールドである。
カートリッジカバー、カートリッジ、および空気マニホールドは、本明細書の他の場所で記載されているように、核酸を抽出し、増幅反応を行うために使用することができる。増幅された核酸は、流体コネクタ（図７３に示す）を介して１つ以上の電気泳動チャンネル（図７３に示す）に分配することができる。電気泳動チャンネルは、カソードとアノードに電気的に接続することができる。カソードとアノードは、高電圧コントローラ（図７３に示す）に電気的に接続することができる。電気泳動チャンネルは、分離ポリマーモジュール（図７３に示す）を使用して分離ポリマーを充填することができる。
電気のハードウェアは、高電圧電源制御、分離ポリマー充填装置と毛細管アレイ熱制御で構成されている。また、それは毛細管アレイのマウントを促進する。熱制御は、電気泳動中に毛細管の正確な加熱を提供する。
カソードは、毛細管アレイの一部であり、電気泳動システムのハードウェアで固定されている。アノードは、分離ポリマー充填モジュールの一部であり、電気泳動システムのハードウェアに接続されている。高電圧の制御は、ＯＥＭの高電圧源を切り替えるＭＢＩ ＨＶボードである。このアクションは、電子機器によって管理および監視される。１６個のカソード電極（１チャンネルあたり２個）がグラウンド状態に保持されている間に、高電圧がアノード電極に供給される。電流の監視は、カソードとグランドとの間で行われ、ＭＢＩ ＨＶボード上の個々のチャンネルのために監視される。カソード電極は毛細管アレイの一部であり、接続はアレイのインストールの間ＨＶシステムで行われている。アノード電極は分離ポリマー充填モジュールの一部であり、カソードへの電気的接続は、分離ポリマーへの電極浸漬を介して行われる。
分離ポリマー充填は、アノードでのインタフェースを介して毛細管に分離ポリマーを提供する。それは、アノード高電圧電源と制御のための電気泳動システムのハードウェアに接続する。分離ポリマー充填カートリッジはモジュールに接続し、実行するたびに圧力および試薬を供給する。システムは、圧力で駆動され、電子機器によって管理されるソレノイドにより制御されている。圧力は、電子機器によって監視される電子変換器によってモニターすることができる。安全性は、パッシブおよびアクティブ圧力リリーフパスによって提供することができる。
分離ポリマーカートリッジは、分離ポリマー、圧力のキャニスター、および廃棄物の容器を含む。アセンブリは、実行前にシステムにインストールされている。実行中、システムは、アノードをフラッシュしてそれを新鮮なポリマーでリフィルするために圧力を使用し、その後毛細管アレイにポリマーを強要する。
毛細管アレイ電気泳動（ＣＡＥ）で使用される高電圧は、電気泳動プロセスを妨害するジュール加熱による熱暴走の可能性を排除するために管理される、実質的な熱負荷を生成する。ＣＡＥは、一般に、熱生成電気泳動プロセスの間に毛細管の均一な熱特性の要件を生成する、４０−８０℃の高温で実行される。ジュール加熱の効果的な転送は、予測可能な高解像度の電気泳動を生成するために熱均一性とともに必要である。毛細管の加熱と物理的な熱管理は、毛細管アレイアセンブリに存在する。温度のインタフェースと制御は、電気泳動システムの毛細管温度制御のコンポーネントおよび電子機器の温度制御コンポーネントを介して行われる。
毛細管アレイは、アノード端の接続、カソードチューブと電気的接続、ウィンドウホルダー、ヒーター、ホルダーと８つの毛細管を含み；それは、標識した生成物の分離を提供し、電気泳動システム（６．０）および光学系（４．０）とのインターフェースとなる。アセンブリは、再利用可能であり、たぶん定期的なメンテナンス時の所定の間隔で訓練を受けた技術者による交換を必要とする。交換は、古いアセンブリを除去し、新しいアセンブリを接続し、光学アセンブリに毛細管を整列させることを含む。アノード部分は、分離ポリマー充填装置（６．２）およびアノード電極（６．１以内）と毛細管とのインタフェースとなる。また、それは廃棄物に接続されている。カソードチューブは、毛細管とカートリッジ（１０．０）との間のインタフェースを提供する。また、それは廃棄物に接続されている。フロースルーＴＲＥＫＩ注入システムは、永久的に固定され、アセンブリで除去されている２つのカソードの注入電極を利用している。ウィンドウホルダーは、光学パス中で検出ウィンドウを配置および保持し、光学アセンブリのアライメントシステムとのインターフェイスとなる。毛細管をコーティングした８つの溶融石英ポリアミドは、分離ポリマーで満たされたとき、標識生成物のサイズを介した分離を促進する。それらはシステムを介して移動するため、ポリアミドのウィンドウは、生成物の励起および検出を可能にする。毛細管温度制御は、高い熱伝達で物質に密接な接触によるものである。アセンブリの温度制御は、抵抗素子によるもので、温度制御電子機器（２．３）によって駆動される。フィードバックは熱電対によって提供される。
毛細管アレイ電気泳動（ＣＡＥ）で使用される高電圧は、電気泳動プロセスを妨害するジュール加熱による熱暴走の可能性を排除するために管理される、実質的な熱負荷を生成する。ＣＡＥは、一般に、熱生成電気泳動プロセスの間に毛細管の均一な熱特性の要件を生成する、４０−８０℃の高温で実行される。ジュール加熱の効果的な転送は、予測可能な高解像度の電気泳動を生成するために熱均一性とともに必要である。システムは、高い熱伝達特性および強力で柔軟性のある抵抗性ヒータと結合したアルミニウムおよびグラファイトなどの良好な熱均一性を有する材料、および、厳しい温度公差を維持するための高分解能熱制御と監視、を利用することができる。
検出器（図７３に示す）は、電気泳動チャンネルで材料を観察または監視するために使用することができる。検出器は、ＣＣＤカメラベースのシステム、または、ここに記載された他の検出システムを使用できる。
光検出器のアセンブリは、分離されラベルが付いた生成物を検出し、ソフトウェアにデータを送信する。アセンブリは、励起および集光光学系、励起光源、プリズムとカメラで構成されている。励起源は、ラインにビームを形成する特殊な光学系を通過するＤＰＳＳレーザである。ラインは、毛細管のウィンドウに合焦する。それらがウィンドウのエリアを通過する蛍光体の励起によって生成された放射は、対象物によ集光され、そのコンポーネント波長に光を分離するプリズムを介して通過する。プリズムの出力は、毛細管アレイが一つの軸になるとともに発光スペクトルが他の軸となるデータを収集するカメラに焦点を当てている。シェルフ試薬キットオフに基づいて、発光スペクトルは、最初５つのバンドに分分離される。離散的なバンドの数は、物理設計を変更することなく、７以上に増やすことができる。
電気泳動チャンネルおよび検出器と光源を含む光学的検出アセンブリは、約０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．７５、１、１．２５、２、または５立方フィートのボリュームまたはそれ未満のボリュームを占有することができる。
本発明のいくつかの実施形態において、統合された解析システムは、他のタイプの解析装置を含めることができる。これらの解析装置は、質量分析、ガスクロマトグラフィー、液体クロマトグラフィー、またはここに記載された他のタイプの解析を実行するためのデバイスを含めることができる。
コンピュータとソフトウェアを含む制御システムは、ユーザーが、解析パラメータを選択し、ハードウェアを制御し、データを取得することを可能とする。機器の電子機器は、温度制御、ソレノイドの切り換え、およびシステムで使用されている他のアクチュエータの制御などの、周辺制御および管理タスクを処理する分散型マイクロコントローラを使用して、高度なモジュール方式で構築されている。メイン「アプリケーションプロセッサ」は、ユーザーインターフェースを実行しているコンピュータとの通信のため、および、システムの活動の制御および調整するための責任がある。
プライマリユーザインタフェースは、筐体の蓋に取り付けることができるタッチスクリーンを組み込んだ、１３インチタブレットスタイルとすることができる。著しく減少した発光のナイトモードは、表示のためのオプションとすることができる。アプリケーション固有のＧＵＩを、ソフトウェアインストゥルメントの制御と解析ソフトウェアとオーバーレイすることができる。
ユーザーは、オン／オフスイッチを実行し、指紋をスキャンし、タッチスクリーンで入力することができる。標準ユーザーの場合、４つのボタンに表示することができ：カートリッジの挿入、サンプルのロード、開始および停止。ＧＵＩは、また、エキスパートユーザモードおよびＣＡＥカートリッジの交換のための管理者モード、および計器の校正およびサービスへのゲートウェイを提供するように設計することができる。エキスパートモードでは、ＧＵＩは、データの分析や表示や出力のためのさまざまなオプションをユーザーに提供でき、キーボードのＵＳＢポートとプラグは、特定の利用シナリオとデバイスのコンフィギュレーションごとに有効にできる。
各周辺機器のサブシステムは、モジュールの動作の責任のファームウェアは、サブシステムが、エレクトロニクスの観点から適切に動作しているかどうかを判断できるようにするため、ハードウェアのフィードバックと安全のメカニズムを使用して設計されている。例えば、ソレノイドおよびモータを流れる電流は、アクチュエータが接続されていることおよびそれが適切な電流量を引き出していることを決定可能にするために、モニターされる。 （例えば、ＤＣモータは、それを駆動する印加電圧にモータを流れる電流を相関させることで、正常に動作し、停止し、またはその負荷から切断されているかどうかを判断することができる。）
同様に、重要な流体のパスは、それらが流体、気泡または空気を含んでいるかどうかを判断するために光学式センサを使用してモニターされる。
温度制御などの特定の重要なシステムにおいて、冗長なセンサおよび過熱温度保護ハードウェアは、ファームウェアのエラーがシステムへの損害を起こさないことを保証するために統合されている。さらに、制御ファームウェアへのフィードバックのために使用される温度センサは、センサが取り付けられるかどうかを決定することを可能にする厳密に制御された電圧にバイアスされる。
冗長インターロック回路は、高電圧、蛍光励起光と他の潜在的な危険への露出に関しては、オペレータの安全を確保するために採用されている。
システムは、分散ネットワーク内のマイクロコントローラ間の通信用のＣＡＮバスを使用している。（ＣＡＮはロバスト性を有するシリアルネットワークである。）それは、モジュール間のメッセージの高速かつ信頼性の高い通信を可能にし、機器のリアルタイムイベントに非常に反応するマスタースレーブ制御方式を有効に設定することができる。
機器のコントロールは、階層構造にすることができる。ユーザーインターフェースのコンピュータは、個々のマイクロコントローラのためのコマンドのシーケンスにそれらを変換するメイン「アプリケーションプロセッサ」に、ハイレベルのコマンドを送信する。このようなシーケンスの各ステップは、適切なコントローラにメッセージを送ることによって実行される。コマンドは常に、要求されたデータを返すか、またはコマンドの受信を示す特定の応答によって、承認される。モジュールがこの後者のタイプのコマンドを完了すると、それは補完が成功したかどうかを示す「アプリケーションプロセッサ」にメッセージを送ることができる。（任意の失敗を説明する詳細な状態のためのクエリを「アプリケーションプロセッサ」にさせることを定義したコマンドがある。）
ＣＡＮネットワーク上の任意のノードは、いつでも任意の他のノードにメッセージを送ることができる。システムは、通常操作の例外に対処するため、これを使用している。例えば、温度制御モジュールが、特定の限度内温度を維持することができない場合、それに問題を「通知」するために「アプリケーションプロセッサ」へ自発的なエラーメッセージを送ることができる。同様に、空気や泡のための流体ラインをモニターするコントローラは、問題に応答して、システム（またはユーザー）によって取られる適切なアクションを可能とするために、自発的なメッセージを送る。問題の仕様に応じて、制御アプリケーションは、実行を中止させることを選択するか、ユーザーの行動を勧誘するか、または単純にログインするために、問題を無視するかもしれない。
システムが起動すると、すべてのサブシステムは、測定器のすべての部分が正常に動作していることを確認する基本的な信頼性テストを実行する。アプリケーションはまた、各実験の開始時に、このテストのすべてまたは一部を呼び出すために選択することができる。動作中に、各モジュールは、エラーの兆候のため、そのハードウェアのフィードバックをモニターする。エラーが検出された場合、その旨のメッセージが問題を緩和するために適切な措置を取ることができる「アプリケーションプロセッサ」に送信される。（それがＧＵＩを介してユーザーにエスカレートさせる。）すべてのエラーおよびその他の重要なイベントは、トラブルシューティングや機器のメンテナンスを支援するために、後の検索のために不揮発性メモリに記録される。
図６４を参照すると、電子部品は、次のようなものを含むことができる：リレーやコマンドのモニターの実行のために、コンピュータおよび他の電子モジュールと順番に通信する通信コントローラー（２．１）；様々なポンプやバルブの制御モードを実装するためにＭＯＶｅバルブを操作するために応答する電磁弁コントローラ（２．３）。コントローラはまた、試薬や廃棄物処理のためにソレノイドを動作させることができ、同様に以下のメカニズムを作動させることができる：加熱された領域（例えばサブシステムの分離）を維持するための抵抗加熱エレメントと同様に、熱サイクルや試薬の温度制御を実装するために熱電装置を実行する温度コントローラー（２．３）；マグネットムーバーと他の移動の要素を動作させるモータコントローラ（２．４）；システム内の各種センサの状態を監視する、アナログおよびデジタル入力デバイスであるセンサ基板（２．５）。
ソフトウェアは、すべてのアプリケーションを実行し、ＨＷを制御し、ＧＵＩ機能を提供する。ソフトウェアは、計測機器や自動化コンポーネントのインタフェースおよび制御のために設計されている。このアーキテクチャは、シンプルで柔軟で、そして実験室のプロトコルを迅速に実装できるように設計されている。ソフトウェアは、指定されたプロセスを実行するために必要なデバイスを記述するために、ＸＭＬファイル、スクリプトコード、および標準ライブラリを使用する標準化されたステートマシンモデルを利用している。ステートマシンは、ハードウェアコンポーネントまたはソフトウェアサービスのための操作ロジックを定義し、外部から利用可能なメソッドを定義し、現在の状態とデータに関する詳細を提供する。最終的なベースコールがサードパーティのエキスパートシステムによって行われる一方、初期データの分析はＭＢＩソフトウェアによって行われる。データはバックグラウンド減算され、その後、スペクトル的にフィルターで処理され、４または５染料チャンネルに分離される。データがＡＢ互換性のあるファイルに形成され、専門のソフトウェアの分析に形成される前に、さらにフィルタリングが実行され、通話が開始される。
図６５を参照すると、以下のように、ソフトウェアはコードの４つの主要セットで構成されている：
Ａ．コア（１２．１）：ウィンドウズサービスとステートマシンのセット（各ハードウェアモジュールに１つ）を実装するライブラリのセット。ステートマシンは、ハードウェアコンポーネントまたはソフトウェアサービスの操作ロジックを定義し、外部から利用可能なメソッドを定義し、現在の状態とデータに関する詳細を提供する。
Ｂ．ＧＵＩ（１２．２）：シンプルなグラフィカルユーザインタフェースは、オペレータがプロセススクリプトの実行および監視を可能とするため、コアと通信する。
Ｃ．スクリプト（１２．３）：プロセススクリプトは、定義されたプロトコルのロジックを実行するハードウェアを制御する操作のロジックを構成する。スクリプトは、動的にコンパイルして実行され、このようにシステムのロジックを変更することで大きな柔軟性を提供する。
Ｄ．データ分析（１２．４）：最終的なベースコールがサードパーティのエキスパートシステムによって行われる一方、初期データの分析はＭＢＩソフトウェアによって行われる。データはバックグラウンド減算され、その後、スペクトル的にフィルターで処理され、４または５染料チャンネルに分離される。データがＡＢ互換性のあるファイルに形成され、専門のソフトウェアの分析に形成される前に、さらにフィルタリングが実行され、通話が開始される。
ＶＩ．動作の例
包まれた統合システム運用の例を図８６および図８７に示す。
システムの電源を入れ、指紋認識やパスワードでログオン後、ユーザーはタッチスクリーンディスプレイ上の「負荷」をプッシュすることができる。カートリッジハンドリングのメカニズムは開くことができ、ユーザーが、すべての液体と空気のインターフェースを座席につかせて自動的に接続できるメカニズムにカートリッジを挿入することができる。
ユーザーは、各サンプルを追加するよう求めるプロンプトを表示することができる。光学バーコードは、サンプルの同一性ための、および、写真、指紋、または虹彩スキャンなどの関連する生体情報に接続するための加工流通過程の管理を提供する。ＲＦＩＤタグは、関連する情報を転送するために使用できる。一旦サンプルがロードされ、ユーザーが「ゴー」をタッチすると、システムが結果を報告するまで、ユーザーのインタラクションを終了することができる。
カートリッジは、カートリッジに試薬を使用してシャーシによって処理される。カートリッジは、すべての試薬とポジティブおよびネガティブコントロールを含むことができる。ＤＮＡプロファイリングにおけるサンプルの処理は、約１と１／４時間かかる。任意の生物学的反応は、統合されて同封された解析システムで実行することができる。例えば、ＳＮＰ分析またはここに記載された他の分析反応を行うことができる。
ＤＮＡプロファイリングのカートリッジは、フレームで保持された４つの主要な機能領域を持つことができる：
Ａ．ビーズストームベースのデバイスを使用してのプレプロセスおよび拡散の抽出、
Ｂ．チューブ中のＳＴＲ反応容器、
Ｃ．貴重な試薬とポーストプロセスのマイクロサンプルを操作するためにＭＯＶｅマイクロポンプを用いた、マイクロ流体ハンドリング、および
Ｄ．試薬および廃棄物貯蔵。
コントロールサブシステムによって駆動されるシャーシの空気圧サブシステムは、試薬の計量と分配、混合、そしてビーズベース精製を含む、カートリッジ上のすべての流体の操作を制御する。サンプルは、「ビーズストームベース」のエリアに移動し、圧力駆動流をコントロールするためのＭＯＶｅマイクロバルブを使用して粘膜と液体のミリリットルを含む大量の生および／または未処理のサンプルから核酸を抽出する。
熱サブシステムは、カートリッジ内のＳＴＲ増幅のための熱サイクルを実行する。ビーズ上で前処理されたサンプルは、熱サブシステムに移動し、サンプルはＳＴＲミックスにビーズから溶出し、熱が循環する。サーマルサイクラーは、現在のＭＢＩサーマルサイクラーに基づくことができる。熱サイクルされたＳＴＲ生成物は、サイズ基準に希釈され、ＣＡＥのサブシステムへのＭＯＶｅマイクロポンプでポンプされる。
ＣＡＥサブシステムは、約４５分で、再利用可能なＣＡＥカートリッジに毛細管アレイ電気泳動（ＣＡＥ）を使用してＳＴＲ生成物の自動分離を行う。シャーシ上のＣＡＥサブシステムは、高電圧電源と制御、熱制御装置、および分離されたＳＴＲ生成物または他の蛍光標識生体分子の高感度検出とデータ収集が可能なイメージングシステムを有するレーザ誘起蛍光検出器を持つことができる。
ＣＡＥカートリッジは、１２の分離毛細管の配列中に標識された生成物の実際の電気泳動分離を行う。ＣＡＥカートリッジは、埋め込まれた加熱セグメントを含むフレームに接続されている、毛細管アレイ、アノードとカソードアセンブリ、ウィンドウホルダー、および検出ウィンドウを持っている。分離ポリマー充填装置は、シングルユースのＤＮＡプロファイリングカートリッジにポリマーとバッファをアクセスし、アノードでのインタフェースを介して分離ポリマーを置き換える。
一塩基分解能の分離が完了すると、デジタルデータは、背景やノイズを除去し、ＭＢＩのトレースアナライザーによるスペクトル分離を行うために処理される。ＦＳＳのＩＱ３に基づくエキスパートシステムは、ＣＯＤＩＳのメタファイルにデータを処理する。サンプルの識別がロード後２時間で画面上に生成されている場合、メタファイルは、ローカルおよびリモートのデータベースに対し紹介して回答を得る。
ＭＢＩ統合された単一チャンネルのＡＮＤＥデバイスは、実行条件に応じて３から３時間半の実行時間を持つことができる。これは、１６プレックス反応のサンプルエントリ、溶解、抽出、精製、転送、溶出、熱サイクリング、生成物（図８８Ａを参照）の転送、希釈、注入、分離と検出を含む。時間の最大の単一のセグメント、１００分での熱サイクルは、大幅に削減できる。例えば、熱サイクル時間を４５分以下に短縮することができる。オフシステムのテストは、１時間未満のサイクル時間で良好な結果を示している。高度なバッファ、酵素および色素化学と、および、流体および分離プロセスの効率化と、ＰｏｗｅｒＰｌｅｘのインテリジェントなプライマー設計を組み合わせることは、２時間未満および１時間半の処理時間を可能にすることができる（図８８Ｂを参照）。１時間未満の処理時間を達成することができる（図８８Ｃを参照）。
ＶＩＩ．光学検出システム
本発明は、８チャンネル毛細管蛍光検出および励起サブシステムの実装のためのシステムズアプローチを提供する。
蛍光標識された分子は、毛細管の篩い分けマトリックス（２００μｍのＩＤと５０−７５μｍのＯＤ）を介して輸送される。４つ以上の異なる染料が毛細管中に存在し、システムの検出器の一部は、それらの個々のスペクトルシグネチャを区別することができるようにする必要がある。すべての色素の励起は、４８８ｎｍで動作する固体レーザを用いて達成される。
図８９に示すように、これらの毛細管の８つは、エポキシ接着剤でガラス（または類似の熱膨張特性を持つ他の基板）上に平行に保持されている。基板は、毛細管の最上部と最下部に光学系の無制限のアクセスを可能にする開口部を持っている。
開口部の主な目的は、システムのバックグラウンド蛍光を最小限にする、励起光によって入射する物質の量を制限することである。
検出システムは、５つの要素を具えることができる：
Ａ．８つの毛細管（１．６ｍｍ）を画像化するのに十分な大きさの視野を有する高い開口数（ＮＡ＝０．６５）を具える対象物、
Ｂ．大きさの少なくとも５桁励起レーザを抑制することができるレーザ除去フィルタ、
Ｃ．波長によって毛細管の画像を分離する分散素子（プリズム）、
Ｄ．検出器上に分散素子からスペクトルに分散した光の像を投影する結像光学系、
Ｅ．毎秒５から１０画像のレートで８つの並行でスペクトル的に分離された毛細管の画像のキャプチャをすることができるエリア検出器。
８つの毛細管の画像を分離し、毛細管の内容のスペクトルプロファイルを生成することができるソフトウェアは、また、システムの不可欠な部分である。
光学系の主要部分の実施形態は図９０に示されている。構成は、「無限訂正」のデザインで、現代の顕微鏡の場合と近似している。対象物は、毛細管から放出される光を集光し、そのバックの開口部でそれを平行にする。プリズムは、そのスペクトルコンポーネントに毛細管の画像を分離するために、コリメートされたパスに挿入されている。結像光学係（顕微鏡で「チューブレンズ」として知られている）は、そのスペクトル的に分離された画像を検出器の一次焦点面に投影する。
図９１に示すように、各毛細管はそれ自身のスペクトル的に分離された画像を以下の図に示されてるように形成する。それは、一次結像面に毛細管画像の各々を投影する光パスの「最後のビュー」を示している。
検出システムの光路に使用されるコンポーネントは低ノイズであるように選ばれているが、生成、収集、および主要な一次焦点面に迷光を分配するこのシステムのための機会がまだある。多くのそのような光は、所望の信号のそれとは実質的に異なる角度でその焦点面に到達することができる。
別の光学構成は、一次焦点面に絞りを挿入することによってその効果を得ている。それは、毛細管の希望する画像の外からの光を効果的に抑制するリレー光学係を使用してその検出器への平面に結像する。絞りを有するアイデアへのさらなる改良は、一次焦点面で、画像の大きさのダイクロイックミラーを配置することである。適切に選択されたコーティングのために波長をカットして、これはレーザ除去フィルタを通過してそれを作製されたレーザ光の９０％以上を除去することができる。ミラーは、検出器に向かって直接光の角度で配置されている。図９２は、折りたたみ式ミラー＃１としてのダイクロイックミラーを示している。
折りたたみ式ミラー＃２の目的は、主に、光路のフットプリントを減らし、検出器上に画像を配置する簡単な方法を提供することにある。そのミラー上のコーティングは、しかしながら、また、ケース、さらにレーザ除去が可能とされるフォールディングミラー＃１と同じ種類とすることができる。
システムのための検出器は、任意の光検出器を含むことができる。一実施形態において、光検出器は、科学的なグレードで、適度に冷却された、二次元ＣＣＤカメラである。
毛細管の蛍光色素の励起は、４８８ｎｍの固体レーザを使用して行うことができる。図９３に示すように、レーザは、検出システムと対向する方向から毛細管に投影される。毛細管は、平面に実質的に配列されている。光が平面に直交している場合、励起光は、毛細管を通過し、光学系によって検出され、検出感度を妨害する。集光システムにおけるレーザ光の大部分をキャプチャすることを避けるために、励起は、通常の向きに対して斜めの角度で毛細管に投影される。このようにして、毛細管を通過する光は、回避されて集光光学系によって集光されない。
光学モデルは、なぜレーザビームが毛細管内で散乱するのかを示しており、結像光学系のキャプチャ開口の外側にある散乱の「プルーム」を生成している。（これは、レーザビームと上記画像の毛細管との間の交点でまっすぐ「見」ることとなる。）
図９４は上方から励起のパスを示している。それは、わずかにそのソースから発散するレーザビームを示している。これは、システムが、「エンジニアードディフューザー」または光の均一に照明されたラインにレーザのガウシアン強度プロファイルを変換するパウエルレンズのいずれかを使用しているためである。このラインは、非常に短い焦点距離のシリンドリカルレンズとして機能する毛細管へ直接投影され（シリンドリカルレンズによって）、効果的に自分自身の内部に照明のエネルギーを集中させる。
図９５は、擬似カラーの照明強度を示す毛細管のシミュレーション画像を示す。
使用例
例１：核酸精製用カートリッジの操作
この例は、マイクロチップに結合したカートリッジを具えるデバイスの使用を参照している。番号は、図５に示す回路アーキテクチャを有するマイクロチップに結合した図３および図４に示すカートリッジを参照している。このサブアセンブリは、図６の機器の他のサブアセンブリの接続することができる。参考までに、マイクロチップと結合したカートリッジは、図４０と図４５に示されている。
核酸は、限定されないが、遺伝子型、同定、法医学、遺伝子発現、遺伝子改変、マイクロＲＮＡの解析、リボタイピング、診断、または治療薬を含む、多くの目的のための多種多様な材料から精製される。入力サンプルは、固体、粘膜、液体、スラリー、エアロゾルやガスすることができる。
分子診断および科学捜査のために、粘膜が一般的に使用される。口腔粘膜は、イジェクタブルチップを有する綿棒と図４の接続７に装着されたシリンジに取り出した綿棒を使って取得することができる。図４の接続５は、チューブまたは毛細管によって、フルスケールのバルブを開くか、または圧力下または吸引で移動のどちらかの試薬とＭＯＶｅバルブを開いて、複数の試薬から単一の試薬を選択することができる試薬マニホールドへつながる。図４のマイクロチップ２上のＭＯＶｅまたは他のマイクロポンプは、また、流体および気体を移動することができる。
一実施形態において、粘膜中の人間および他の細胞は、最初に加熱されたカオトロピック剤および／またはポート７に挿入されたシリンジ内の他の商用オフザシェルフ（ＣＯＴＳ）化学的性質を有するバッファを用いて溶解している。溶解物は、常磁性ビーズがビーズに核酸を吸着するために貯留槽から追加されるＤＮＡの分離容器（図４の＃３）に輸送される。可動磁石は、それらがバッファを使用して自動的に洗浄される隔離容器の側のビーズを捕捉するために作動される。依然としてビーズに結合している精製ＤＮＡは、その後多重化ＰＣＲが実行される小径管２５０を介してポンピングされる。プリスクリプトのソフトウェアは、完全なプロセスを自動化する。ソフトウェアは、他のソフトウェア開発のアプローチよりも実装がシンプルで、より柔軟で、より速い、標準化された自動化のアーキテクチャで通信およびコマンドプロトコルのセットを定義している。ソフトウェア実装のフレームワークは、複数のオペレーティングシステム、開発言語、および通信プロトコルにまたがるコア技術に基づいている。ソフトウェアドライバがシステムの個々のスマートコンポーネントをラップし、典型的に新規のシステムソフトウェアの開発に必要な時間を大幅に削減する。これは、ＣＯＭまたはＮＳＴベースのいずれかである、複数のシステムモジュール（ポンプ、バルブ、温度コントローラ、Ｉ／Ｏコントローラ等）の操作を統合することを比較的簡単にする。ソフトウェアは、製品のリリースとメンテナンスを通じて、プロトタイピングのためのプロフェッショナルな品質のソフトウェア開発システムを提供する。
ＤＮＡの増幅は微生物の肯定的な同定には便利であるが、サンプルは、ＤＮＡ増幅反応への抑制性のある化合物を含む多種多様な基板とマトリックスから得ることができる。生サンプルは、最も頻繁に、ヘム、金属イオン、フミン及びフルボ酸、キレート剤、ＤＮアセス、プロテアーゼ、およびモールドなどの阻害剤を含む複雑な混合物である。ＩＭＳによるサンプルマトリックスからのターゲット生物や毒素の初期分離はこれらの阻害剤のほとんどを除去するかもしれないが、それらは成功した増幅を干渉しないように、溶解した細胞コンポーネントと溶解剤は、また、核酸サンプルから除去または希釈される必要がある。生のサンプルは特に未処理のサンプルであり、環境的、生物学的なサンプルとなる。
一実施形態において、少量の核酸精製が使用される。これらの精製方法は、エアロゾルに、口腔粘膜に、血液等のサンプルの広い範囲で使用できる。常磁性ビーズは、様々なサンプルソースからＤＮＡを精製するために開示された装置において使用することができる。一実施形態において、マイクロ流体マイクロチップは、マイクロ反応で配列決定のための核酸生成物を精製するために、磁性ビーズと試薬を用いて核酸をシーケンスするために使用することができる。一実施形態において、マイクロ流体マイクロチップは２４チャンネルマイクロ流体マイクロチップである。
一実施形態において、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）ベースの核酸精製は、カルボキシル化磁性ビーズにおいて使用されている。このＰＥＧ促進プロセスは、上流の免疫磁気分離（ＩＭＳ）で捕捉されたサンプルから８０％以上の収率を生成することができる。ユニバーサルサンプル調製モジュール（ＵＰＳＭ）の開発は、部分的に図２１または図１６に示されたデバイスなどのカートリッジを含むデバイスにＰＥＧベースの核酸精製を移植することを含む。別の実施形態において、エージンコート・オラピュアまたはプロメガＤＮＡ ＩＱの化学的性質は、本発明の装置と組み合わせて使用されている。
ビーズの分配および配信
核酸を精製するために、異なる表面の化学的性質を持つ常磁性ビーズは、試薬容器において混合させることができる。圧力は、接続５に試薬を送るために適用される。オープンとして参照されない限り、ＭＯＶｅマイクロバルブや他のバルブは閉じられる。反応容器（３）に常磁性ビーズを移動するために、マイクロバルブ１８０と１５０が開かれる。ビーズは、接合１９０およびマイクロチャンネル１９１につながるチャンネル１５に接続５を介して移動される。マイクロバルブ１８０と１５０は開いていて、マイクロバルブ２００と１７０と他のマイクロバルブが閉じているため、オープンなマイクロ流体接続は、接合部１２０にマイクロバルブ１５０およびマイクロチップ１５１を開くために、マイクロチップ１５２を介してマイクロチャンネル１８１にマイクロバルブ１８０を介してマイクロチャンネル１９１からとなる。接合１２０は、ビーズを充填することができるコーン１３と容器３につながる。容器３に供給されたビーズの量は、試薬バルブとマイクロバルブの開度を測ることにより、または、マイクロチップまたはカートリッジに接続されているサンプルループを充填および空にすることにより、制御することができる。
市販のビーズベースの化学反応は、限定されるものではないが、エージンコート（ウォルサム、ＭＡ）からのオラピュアおよびプロメガ（マディソン、ＷＩ）からのＤＮＡ ＩＱを含む、開示された方式で使用できる。ＤＮＡ ＩＱがシリカビーズやカオトロピック化学の例であるのに対し、オラピュアはカルボキシルビーズ表面とＳＰＲＩ化学を使用している。常磁性ビーズまたは核酸を処理するための化学の他の実施形態は、限定されるものではないが、オリゴヌクレオチドを有するビーズ、ロックされた核酸、変質塩基、合成塩基、コンフォメーション、核酸の構造、または他のハイブリダイゼーションおよび特定の捕捉方法を含む、開示されたシステムと組み合わせて使用できる。
ビーズを有する充填容器（３）
オラピュアまたはＤＮＡ ＩＱビーズのために、１５０マイクロリットルサンプルループ６３０または６３１の３つの充填を使用して、４５０マイクロリットルが容器（３）に移動する。アクチュエータ３１０に取り付けられた可動磁石３００は、容器（３）の側にビーズを引っ張るために、３側に近いカートリッジ（１）に向かって移動することができる。磁石のサイズと向きは、特定のアプリケーションに適切な磁場を生成するように調整することができる。加圧された空気は、その後、マイクロバルブ１８０、１５０および１１０をオープンとすることで、試薬のマニホールドを介して適用することができる。マイクロバルブ１１０の開口部は、接合（４）および廃棄へチャンネル１４を介してつづく、接合部１２０およびマイクロチャンネル１２１および１０１を介して試薬マニホールドへに接続する接合部１９０から接続する。空気は、回路を介して任意の残りの液体を移動することができる。空気はおよび他のガスは、ビーズ、揮発性の溶液、または、バブルを可能とするミキシング（ここに記載された）のために使用することができる。
容器（３）を介してのガスのバブリング
マイクロバルブ１８０、１５０および２２０が開いており、すべての他のマイクロバルブが閉じている場合、圧力は、容器（３）を介してチャンネル９およびダウンチャンネル１９へ、マイクロチャンネル２１１および２２１を介して接合部２１０へ、オープンマイクロバルブ２２０およびマイクロチャンネル２３１を介して接合部２３０へ、チャンネル１６を介して通気することができる接続６へ、空気を強制することができる。このシーケンスは、容器（３）を介して空気または他のガスをバブリングでき、と容器（３）内の反応を混合するかあるいは気相を変更することに使用することができる。
容器（３）から液体とビーズの廃棄への移動
液体やビーズは、反応室（３）または任意の他の場所から廃棄へ移動することができる。これは、ビーズを洗浄し、チャンネルをフラッシュし、液体またはビーズを廃棄へ移動するために使用することができる。圧力が、マイクロバルブ２２０および１１０が開で全ての他のマイクロバルブが閉の状態で接続６に印加されるとき、圧力は、チャンネル１６を介して接続部２１０とマイクロチャンネル２３１へ、オープンマイクロバルブ２２０およびマイクロチャンネル２２２および２２１を介して、チャンネル１９と９を介して反応容器（３）内へ、および、マイクロチャンネル１２１、オープンマイクロバルブ１１０、マイクロチャンネル１０１チャンネル１４を通じて接合部１２０を介して接合４へ、空気を強制することができる。
同等の効果が、接続６が空気圧力の任意の付加的な制御なしに通気状態の場合、接続（４）に吸引力を適用することで得られる。空気の圧力または吸引力は、廃棄接続４に容器（３）内の任意の液体を移動することができる。磁石３００が容器（３）に近い場合、常磁性ビーズは容器（３）の側に残ることができ、その結果液体が除去される。磁石３００が容器（３）から十分に遠い場合、常磁性ビーズは容器（３）の側に残ることができず、その結果液体とビーズが除去される。
常磁性ビーズを清掃するために、ビーズが磁石３００で容器（３）の側に引っ張られ（図６を参照）、液体が廃棄へ除去される。４５０マイクロリットルのバッファは、マイクロバルブ１８０と１５０を開くことにより、試薬マニホールドから分注され、容器（３）に追加される。ビーズは、必要に応じてリリースされ、磁石３００を移動して液体を除去することによりその後再捕捉される。これは、サンプルを処理する準備ができたビーズを生成するために、合計３回繰り返される。
綿棒上の細胞からの核酸の溶解および抽出
綿棒は、接続７に挿入されたシリンジバレルにロードすることができ、マイクロバルブ１８０および１７０をオープンとすることで、試薬の接続５を介して溶解バッファの添加により溶解される。いくつかの実施形態において、オラピュアまたはＤＮＡ ＩＱの化学が使用されている。
容器（３）への溶解した細胞物質の移動とビーズとの混合
接続７に接続されているシリンジ内の材料は、シリンジに圧力を適用することにより、または、通気（６）に吸引力を適用することにより、容器（３）内に移動することができる。吸引力が使用されると、マイクロバルブ１７０、１５０および２２０はオープンされる。吸引力は、容器（３）内に接続７から材料を引き出すために、マイクロチャンネル２３１、２２１、２１１およびチャンネル９と１９を介して、容器（３）およびマイクロチャンネル１５１、１５２、１７１および１６１を介して接続する。常磁性ビーズがロードされ容器（３）で洗浄されるとき、溶解したサンプル材料は、磁石を遠い位置にすることで、容器（３）内のビーズと混合する。
ビーズ上での核酸の精製
常磁性ビーズは溶解したサンプルでインキュベートされる。連続する空気や気体の流れが混合を助ける。磁石３００はその後近接した位置に移動し、ビーズは容器（３）の壁に捕捉される。サンプルの溶解物はその後廃棄のために容器（３）から除去され、洗浄溶液の複数のボリュームは、オラピュア化学やＤＮＡ ＩＱの化学の仕様に合わせて追加することができる。ビーズ上のサンプルのコンポーネントは、精製され、カートリッジ内の反応のために準備を行い、またはサンプル生成物の接続にエクスポートする。一実施形態において、ビーズはサンプルから核酸コンポーネントを濃縮するために使用される。
サンプル生成物の接続８を介してのサンプルのエクスポート
ビーズ上の精製したサンプルのコンポーネントは、マイクロバルブ１８０、１５０および１３０を開いた状態で試薬の接続５に圧力を印加することにより、接続８に移動することができる。一実施形態において、接続８はＣ−フレックスチューブ（コールパーマー）などの反応チャンネル２５０と接続され、追加の反応が反応チャンネルで実行される。
ＳＴＲマーカーの多重化されたＰＣＲ増幅
ＤＮＡ増幅はＰＣＲ増幅により行われる。本発明は、ＰＣＲ反応だけでなく、他の多くのＤＮＡ増幅および変更反応を可能とする。反応は、チューブ２５０とできる接続８に装着された反応宇チャンネル２５０内で（図３、図４、図６）、または、別のデバイスあるいはチューブ２５０に接続したマイクロデバイス内で、容器（３）で行うことができる。これが熱サイクルを含むＤＮＡ反応のためのサンプル調製の有用性を示す。
反応チャンネルのビーズを含む核酸の捕捉
サンプル生成物の接続８を介して出力される精製されたＤＮＡは、端部２５２に適用される吸引力を介して印加された圧力またはその他の力により、端部２５１で反応チャンネル２５０内に移動される。アクチュエータ３３０は、ビーズ捕捉領域３４０に近い位置にソフトウェアの制御下で磁石３２０を移動する。異なるサイズと形状の固定磁石（希土類磁石など）だけでなく、電磁石や超電導磁石を使用することができる。ビーズを含む溶液が領域３４０を介して移動するため、磁界は、反応チャンネルの側にビーズを引き付け、所定の位置にそれらを保持する。流体は、試薬の接続５を介して空気圧により流れ、空気中にビーズ領域３４０を残す。
試薬の付加と反応領域へのサンプルの移動
説明したように、試薬は試薬マニホールドから追加することができる。一実施形態において、試薬は、反応チャンネル２５０の端部２５２から追加される。端部２５２は、マイクロバルブ５１０、５２０、５３０および５４０を具えるマイクロ流体マイクロチップ５００に装着される。５１０、５２０および５３０、または、５１０、５２０および５４０などの任意の３つのマイクロバルブは、ポンプを形成することができる。マイクロバルブ５３０は、試薬の貯留槽につながるチューブに接続可能な下流側のデバイス５３５にマイクロチャンネルを介して接続する。マイクロバルブ５４０は、試薬の貯留槽につながるチューブに接続可能な下流側のデバイス５４５にマイクロチャンネルを介して接続する。
限定されないが、マスターミックスとプライマー含む反応ミックス（少なくとも１つのＤＮＡポリメラーゼ、ｄＮＴＰｓ、バッファおよび塩など）、または、試薬貯留槽６１０内における、プロメガ（マディソン、ＷＩ）からのＰｏｗｅｒＰｌｅｘ１６、または、アプライドバイオシステムズ（フォスターシティ、ＣＡ）からのＩｄｅｎｔＦｉｌｔｅｒあるいはＭｉｎｉｆｉｌｔｅｒなどの完全なＰＣＲマスターミックスは、図６に示されているように、反応チャンネル２５０の端部２５２内へ、チューブ６１０およびマイクロチャンネル５３１、５２１、５１１および５１２を介して、マイクロバルブ５３０、５２０および５１０によって形成されたマイクロポンプによって、分配される。ＭＯＶｅマイクロバルブは、正確に流体を配置し、反応混合物が核酸を具えるビーズと接触する領域３４０に流体を移動する。磁石３２０は、反応チャンネル２５０の内面からビーズをリリースするアクチュエータ３３０により、反応チャンネル２５０から離れて移動する。マイクロチップ５００上のＭＯＶｅマイクロバルブは、温度制御領域３５０を形成する反応チャンネル２５０のエリアを有するデバイス４００へビーズをポンプする。領域３５０は、当業者に認識されているように変化する等温温度または熱サイクルまたはその他の位置で保持される。
図７は、反応チャンネルをサーモサイクルに従って加熱および冷却するための温度調節器を使用して熱変調することができる温度制御装置４００を示す。一実施形態において、温度調節器は、ペルチェモジュール、赤外線モジュール、マイクロ波モジュール、熱風モジュールまたは光モジュールを具える。別の実施形態において、ＰＣＲ反応サンプルは、１つ以上の一定温度ゾーンを過ぎて反応チャンネルの内部に移動される。
図９は、口腔粘膜サンプルからカートリッジ（１）で調製され、図７の温度制御装置４００を使用して反応チャンネル２５０で処理される、ＰｏｗｅｒＰｌｅｘ１６でのＳＴＲ反応の増幅を示している。ＳＴＲマーカーは、装置１０００に最適化されたＭｇとの標準的な条件から増幅される。
温度制御装置４００は検出器４１０を持つこともできる。検出器は、吸光度、蛍光、化学発光、イメージング、および当業者に公知の他のモダリティなどの光検出、または、ＩＲ、ＮＭＲ、またはラマン分光法などの測定、を検出することができる。光源を具える検出器は、ＰＣＲ反応サンプルの蛍光または発光色素を励起するために使用されており、励起光は、光検出器（ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、ＰＭＴ、または他の光検出器など）で検出される。一実施形態において、光源は、レーザやレーザダイオードなどのコヒーレント光源である。別の実施形態において、光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）やハロゲン光源または水銀灯などのコヒーレント光源ではない。
核酸増幅のため、リアルタイムＰＣＲは、温度制御領域３５０のチューブ２５０で実行され、検出器４１０で検出される、核酸アッセイ法の一例である。
例２：ユニバーサルサンプル調製
前の例では、開示された装置は、解析用サンプルを調製するために使用され、ＳＴＲ増幅の一例を示した１つの実施態様を例示した。別の実施形態は、ユニバーサルサンプル調製モジュール（ＵＳＰＭ）の使用を含む。ＵＳＰＭデバイスは、サンプル処理カートリッジ（１）、カートリッジを操作する加えられた装置、マイクロプロセッサ、および下流の分析デバイスとのインタフェースとなるソフトウェアから構成される。一実施形態において、ＵＳＰＭは、モジュラーサ式のサンプル応答システムを形成するために分析装置とタイトに統合されている。カートリッジは、フィールドモニタリング処理のために、綿棒または液体（エアロゾルサンプルを含む）を処理できる使い捨てのシングルユースデバイスとして、または、珍しい陽性を有する遠隔操作のための再利用可能なフロースルーフォーマットとして、構成することができる。ＵＳＰＭのターゲット特異性は、常磁性ビーズに装着されている（選択されたターゲットを結合する）特異的な抗体の使用を通じて付与され；別のカートリッジは、ターゲットの様々な混合物を供給することができる。
ＵＳＰＭは、下流の分析のために生体サンプルを準備するために複数ステップで完全に自動化されたプロセスを使用することができる。図１８の一例は、綿棒や液体を使用することができ；オペレータはサンプルの種類を選択し、入力ポート（複数可）にサンプルを挿入することができる。最初のステップは、常磁性ビーズ上の溶液からターゲット分子を、捕捉し、濃縮し、精製するために、免疫磁気分離（ＩＭＳ）を適用することができる。既にテスト済みのターゲットは、細胞、胞子、ウイルス、タンパク質、または毒素を含む。毒素やタンパク質検出のために、または、トリガデバイスとして使用するために、ＩＭＳからの捕捉されたターゲットは、下流の分析装置に直接エクスポートすることができる。核酸検出のために、第二段階は、機械的または他の溶解技術を使用して、ＤＮＡおよび／またはＲＮＡを解放するために、細胞または胞子を溶解する。、核酸の精製である第三段階は、常磁性ビーズの第２セット上の核酸を吸着、濃縮、および精製することができ、下流の分析のために、核酸または精製した吸着された核酸を有するビーズを出力する。
カートリッジ（１）を参照すると、免疫磁気分離法は、抗体または他の免疫を持っている試薬ビーズ、磁性親和性、または表面の化学的磁気分離を使用して実行することができる。例えば、抗体を有する免疫磁性ビーズは、ビーズ上の細胞、ウイルス、胞子、毒素や他の生体分子を、捕捉、精製および濃縮するために、カートリッジ（１）を追加することができる。
ＵＳＰＭのための上流のサンプル処理は、マイクロ流体カートリッジ（１）（図２１）で０．６ｍＬを超えるサンプルを処理できるサンプル調製装置で行うことができる。約１立方インチ（図３、図２１）のサンプル処理カートリッジは、綿棒から収集した口腔細胞を自動的に除去するために開発され、細胞を溶解し、磁性ビーズ上に解放されたＤＮＡ精製する。ビーズベッドは、通常、１００ｎＬであり、マイクロ流体デバイスまたはフルスケールのｑＰＣＲ反応で下流ＳＴＲ解析のために使用することができる。
サンプル調製装置は、試薬および反応貯留槽内における流体、ビーズ、およびサンプルからなる圧力駆動型フローに向くように、立方体の底部（図３、２とラベルを付された矢印）とのインターフェースとなるＭＯＶｅマイクロバルブマイクロチップを使用している。ＭＯＶｅマイクロバルブは、従来のバルブおよび貯留槽間のチューブを交換することにより、漏れが無く、方向性を有する流体の輸送を提供し、キューブ全体およびサンプル調製装置の小型化を可能にする。
サンプル調製装置の技術は、上述したように、口腔粘膜からのＤＮＡ抽出を自動化するために使用されている。図１０は、圧力駆動型フロー、振動ミキシング、ＭＯＶｅバルブ、作動磁石、磁性ビーズを使用した自動サンプル調製装置で、血液の２５μＬからのＤＮＡの自動調製を示している。完全に自動化されたプロセスは、５分未満でＳＴＲ解析のために準備したＤＮＡを生成した。
自動化されたシステムは、関心のあるターゲットに特異的な抗体でコートした磁性ビーズを使用して、液体サンプル（１−１０ｍＬ）から、細胞、ウイルス、および毒素を捕捉して、濃縮して、精製するために開発されている。このように、様々なターゲットが、この自動化システムを用いて濃縮されて精製されている。このアプローチを使用して、大腸菌の細胞は、１５細胞／ｍＬ／サンプル（図２７）のような低い細胞濃度で、捕捉されて濃縮される。９０％以上の捕捉効率の同様の結果は、ターゲットとしての細菌胞子、ＧＭ＋およびＧＭ−の栄養細胞、モデルウイルス（バクテリオファージｆｄ）、ＳＥＢ、卵白アルブミンを用いて得られた。精製したサンプルは、サンプル調製装置（例えば、溶解および核酸の精製）でさらなる処理をされ、分析のためにマイクロチップ上に移動し、またはオフチップＰＣＲ／ｑＰＣＲ装置で使用される。
ＩＭＳ捕捉は、エアロゾルなどの複雑なサンプルで、および、生物学的クラッタの存在下で、十分に動作することが示されている（ここにその全体が参照により組み入れられる米国特許公開第２００８００１４５７６を参照）。クラッタのために、我々は、最大で追加細菌の１０５倍のレベルが、捕捉効率の二倍の減少のみを作り出したことを明らかにした。複雑なサンプルについては、多くの異なるエアロゾルサンプルを使用してアドバック実験が、エアロゾルサンプルが５０％未満でＩＭＳのビーズへのＢ．セレウス胞子の結合を減少することを確立した。したがって、複雑な実世界のサンプルで、感度において２倍の損失未満である。
ＩＭＳは、毒素を、捕捉し、濃縮し、検出するために使用されている。我々は、卵白アルブミンとＳＥＢのためのＩＭＳのアッセイの開発、アッセイの多重化、およびＩＭＳアッセイを自動化する完全に統合されたマイクロ流体システムの二世代の開発、を実施した。ＳＥＢの１０ｎｇ未満は、密接に関連したブドウ球菌エンテロトキシンとの干渉がない状態で、１ｍＬのサンプル確実に検出することができる。
ＩＭＳは以下を実施可能とする：
Ａ．干渉物質の高い背景を持つサンプルからターゲット生物を選択すること（選択性）、
Ｂ．細菌の二つの異なる系統または種を区別すること（特異性）、
Ｃ．サンプルの広い範囲から広範囲の濃度で細胞や毒素を効果的に捕捉すること（感度、堅牢性）、
Ｄ．ｍＬからｎＬのボリュームに大幅に対象サンプルの量を削減すること。
本発明および装置および方法は、ＩＭＳを実装し、核酸抽出にそれを結合することが可能である。
ＵＳＰＭの次のステップは、それが細胞、ウイルス、プリオン、または胞子であるとき捕捉されたターゲットの溶解である。胞子の溶解は特に困難である。マグミルまたは磁気的に駆動される溶解または均質化装置は、細菌および他の胞子だけでなく栄養細胞の効率的な溶解のために開発された。マグミルは、サンプルを含有する容器２００３またはコンパートメント（図６１）内に含まれる別の磁石２００２の回転を駆動するモータ２００１（図６０）により駆動される高速回転磁石２０００で構成されている。サンプルを含む容器内に含まれている磁石２００２はどのような形状をも持つことができる。例えば、磁石は、バー、球形、円筒形、長方形、楕円形、六角形、またはプロペラの形状を持つことができる。また、磁石はそこを通り抜ける穴を有することができ、液体が穴を通して強制的に流され、磁石が磁場によって回転するときのサンプルに適用されるせん断力を増加させることができる。同じ基本的なコンポーネントは、小型化され、マイクロ流体フォーマットに組み込まれ、またはマイクロ流体フォーマットに接続することができる。全体的な効果は、急速にサンプルチューブ内で渦巻いているサンプルを有する磁気撹拌プレートに似ている。マグミル処理により磁気的に駆動するサンプルの攪拌の使用して、胞子溶解は、シリカ、ジルコニアまたは他のビーズなしで達成される。溶解は、磁石と管壁との間の胞子の通過として生成されるせん断力によって達成される。磁石は、約１０、５０、１００、１５０、２００、２５０、５００、７５０、１０００、１５００、２０００、２５００、５０００、または１００００ｒｐｍより大きい速度で、回転させることができる。
このデバイスは、シリカ／ジルコニアビーズを採用した伝統的なビーズビーティング（図６２）と同様の効率で胞子を破壊する。胞子（３．２×１０７）は１ｍＬの容積に溶解され、生存率はトリプシン大豆寒天培地上にメッキすることによって決定され；結果は、重複サンプル（全部でｎ＝４）で実行した２つの別々の実験の平均値であった。磁気駆動型の胞子の溶解物の非生存率は、９６％であったジルコニア／シリカまたは８０％であったシリカビーズのいずれかを使用した伝統的なビーズビーティング（ビオスペックビーター）溶解物と比較して９３％であった。同じパターンは、ｑＰＣＲによって確認された。
マグミル（ウィルスの従来のビーズビーティング）を使用する利点は、デザインは、より機械的に堅牢で故障することなく使用の多くのサイクルに耐えることができることであり、サンプルは、後続の検出感度の損失を引き起こしてリリースされたＤＮＡを結合することが示されているシリカ／ジルコニアビーズを含めることの必要なしで、サンプル中の磁石のみの攪拌を用いて溶解することができる。マグミルの基本的な機能は、サンプル調製装置に統合することができる小型の形式で再構成することができることである。システムは潜在的にマイクロ流体マイクロチップに収まるようにダウンサイズすることができる。構成の変更にもかかわらず、しかしながら、溶解の駆動原理は、そのサンプル容器内に含まれて急速に回転する磁石が同じまま残ることである。
例３：マイクロチップベースのサンプルのクリーンアップと分離を有するサンプル調製装置のカップリング
図３４および図３５は、図３２に示されるように、フォーク状のインジェクタの設計を組み込むよう設計されたカートリッジ（２９０７）およびマイクロチップ（２９０１）、ゲル充填マニホールド（２９０３）、および関連するコンポーネントを示している。カートリッジは、流体的に空気マニホールドとチューブ（２９０５）に接続されている。インジェクタの設計、分離チャンネルの長さおよび分離ポリマーの異なる構成がテストされた。図３６は、共焦点顕微鏡のブレッドボードのシステム上でのサンプルの検出で、フォーク状のカソードインジェクタを使用して、マイクロチップチャンネルに注入されて分離された、Ｍ１３Ｔトラックの電気泳動図を示す。サンプルは、均等に表された短期および長期のＤＮＡ断片で均一に注入された。結果は、ＭＬ３ＴトラックのＤＮＡラダーが均一に注入することができ、単一の塩基対の分解能が２０分未満で約３３０塩基対として得られることを示している。より高いサンプルの信号強度は、従来のツインＴデザインを使用するインジェクタと比較して得られた。検出システムと統合すると、マイクロチップは、良好な分解能で分離を得るために、一定の５０℃で保持される。
これらのプロセスを使用して、優れた結果は、液体サンプルのＭＯＶｅ統合された、フィールド増幅スタッキング注入（図３７）に対して得られた。このデータは、ＭＯＶｅマイクロバルブを使用してソフトウェア制御下で実行されたすべてのサンプルローディング、操作および注入プロセスで生成された。データは、４つの色素のトレースに８つのダイオードチャンネルを使用する検出器から修正された色を最小限に処理した。
ＭＯＶｅのサンプル調製装置とフォーク状のカソードを組み合わせたマイクロチップの一実施形態が図３８に示されている。このデバイスは、システムの残りの部分、例えば、サンプル調製装置（図２２に示された１０００）、反応チャンネル（図６に示された２５０）、ＳＴＲの例に記載されているＳＴＲの精製、との統合を可能とする、追加のプロセスを具えている。図３８は、ＭＯＶｅ流体を有するフォーク状のカソード、および、ポースト増幅ＳＴＲ精製システムと統合するためのシャトルのサンプルローディング、を示している。部品は次の通りである：１−試薬の入力ポート、２−試薬ポンプのヘッド、３−サンプルの入力ポート、４−サイズ標準／溶離液の入力ポート、５−捕捉バルブ、６−廃棄ポート、７−溶出バルブ、８−サンプル廃棄ポート、９−カソード、１０−カソードポート、１１−サンプルバルブ、１２−サンプルポート、および１３−分離チャンネル。チャンネルの下流であるアノードポートは表示されていない。
分離されるサンプルは、エタノールのビーズソリューションとして導入される。これは、上述のようなビーズ出力上の精製された反応生成物とすることができる。一実施形態において、サンプルはＳＴＲの反応である。他の実施形態において、サンプルは、サンガー化学によるＤＮＡ配列決定を含む他の反応の化学的性質によって生成される異なる長さの核酸断片とすることができる。サンプルを含む溶液は、捕捉バルブおよび他の介在するバルブをオープンとすることで、サンプル入力ポートからサンプル廃棄ポートに流される。オープン捕捉バルブは、バルブの上または下に配置された固定磁石によって、ストリームフローおよびビーズ捕捉の減速を促進する。エタノール溶液はシステムを介して完全に流れ、続いてバルブで精製された生成物で比較的乾燥した清浄なビーズベッドを生成する。この時点で、バルブは、関連付けられているポートから溶離液で充填するために、閉鎖し、再開される（他のバルブとの連携で）。内部のサイズの基準が必要なＳＴＲ分析または他の分析のために、溶離液は、サイズの基準を含めることができる。溶液は、溶出バルブの総益との混合、終了を促進するために、溶出バルブと捕捉バルブとの間に移動される。サンプルバルブは開かれ、それに連携して、溶出バルブはそれが満たされたままのサンプルチャンネルを通じてサンプルを「シャトル」するために閉じられる。サンプルＦＡＳＳの注入は前述のように行われている。デバイスの追加の注目すべき機能は、一実施形態では、試薬の入力ポートおよび試薬ポンプが、サンプル調製装置上のＤＮＡの粘膜抽出をした後、反応チャンネル（図６に示された２５０）にＳＴＲ反応の計量されたプレミックスを提供するために使用され；他の実施形態では、デバイスは、サイクルシーケンシング混合物のような他の核酸反応の試薬を提供したり、必要に応じて統合されたビーズベースのクリーンアップの反応でサイクルシークエンスを実行するためにサイクルシークエンシング試薬を提供することによって、続いてＰＣＲ増幅を行うためにＰＣＲ試薬を提供することである。他の化学的性質は、当業者に明らかであろう。
本発明の好適な実施形態が示され、ここに記載されているが、そのような実施形態は単なる例示によって提供されることは当業者に明らかであろう。多くのバリエーション、変更、および置換は、本発明から逸脱することなく、当業者によってなされることができる。例えば、ここに記載された、任意のＭＯＶｅバルブ、ポンプ、ルータ、または他のＭＯＶｅデバイスは、空気作動式バルブ、ポンプルータまたは他のデバイスに置き換えることができる。本明細書に記載の発明の実施形態に、さまざまな選択肢が発明を実施するのに用いることができることを理解すべきである。以下のクレームは本発明の範囲を定義し、これらのクレームおよびその同等物内の方法や構造体は、それによってカバーされることを意図している。

Claims (43)

  1. 方法であって：
    ａ）以下のｉ−ｉｉを具えるシステムを提供する工程と；
    ｉ）以下のＡ−Ｂを具えるカートリッジ：
    （Ａ）熱サイクル容器を含む少なくとも１つの流体容器を具えるマイクロ流体チップ、
    （Ｂ）前記マイクロ流体チップと接続する試薬カードであって、前記試薬カードは試薬を有する試薬容器を具え、前記試薬容器はシールで密封されており、当該シールを破ると前記試薬容器が前記少なくとも１つの流体容器と流体連通する、試薬カード、
    ｉｉ）前記試薬カードと前記マイクロ流体チップ間で流体を移動させるべく圧力を与えるように構成されたアクチュエータ；
    ｂ）前記シールを破って前記試薬容器を前記熱サイクル容器と流体連通させる工程と；
    ｃ）前記試薬が前記マイクロ流体チップ内へ移動するように前記試薬カードに圧力を与える工程と；
    ｄ）前記熱サイクル容器内のサンプルを熱サイクルにかけて前記サンプル中の少なくとも１つの核酸配列を増幅させる工程と；を具えることを特徴とする方法。
  2. 請求項１の方法において、ステップｃ）からステップｄ）へ移る時間は４時間未満であることを特徴とする方法。
  3. 請求項１の方法において、さらに、前記サンプル内の複数の核酸配列を増幅し検出する工程を具えることを特徴とする方法。
  4. 請求項３の方法において、前記複数の核酸配列が短いタンデムリピートを具えることを特徴とする方法。
  5. 請求項４の方法において、前記短いタンデムリピートが複数の統合ＤＮＡインデックスシステム（ＣＯＤＩＳ）のマーカーを具えることを特徴とする方法。
  6. 請求項５の方法において、前記ＣＯＤＩＳマーカーが、ＡＭＥＬ、Ｄ３Ｓ１３５８、ＴＨＯ１、Ｄ２１ｓ１１、Ｄ１８ｓ５１、Ｄ５ｓ８１８、Ｄ１３ｓ３１７、Ｄ７ｓ８２０、Ｄ１ｓ５３９、ＣＳＦ１ＰＯ、ｖＷＡ、Ｄ８Ｓ１１７９、ＴＰＯＸおよびＦＧＡから選択された複数のマーカーを含むことを特徴とする方法。
  7. 請求項１の方法において、前記サンプルは法医学サンプルであることを特徴とする方法。
  8. 請求項１の方法において、前記サンプルは、口腔粘膜、血液、髪または精液のサンプルから選択されることを特徴とする方法。
  9. 請求項１の方法において、前記サンプルが生のサンプルであることを特徴とする方法。
  10. 請求項１の方法において、前記試薬容器は、前記カートリッジに係合する前にシールされることを特徴とする方法。
  11. 請求項１０の方法において、前記サンプル容器は、プラスチックシールまたはゴムシールでシールされることを特徴とする方法。
  12. 請求項１１の方法において、前記ゴムシールは、前記カートリッジと前記アクチュエータの間の係合を解いた後に前記試薬容器を再シールすることを特徴とする方法。
  13. 請求項１の方法において、前記シールを破る工程は、カニューレで前記シールに孔を開ける工程を含むことを特徴とする方法。
  14. 請求項１３の方法において、前記カニューレは前記少なくとも１つの流体容器と流体連通していることを特徴とする方法。
  15. 請求項１３の方法において、前記シールを破る工程は、正圧をかけて前記試薬を前記マイクロ流体チップ上の指定の場所に圧送し、吸引をかけて前記マイクロ流体チップから生じた廃棄物を前記試薬カードの廃棄物容器内へと引っ張ることを可能とすることを特徴とする方法。
  16. 請求項１の方法において、前記試薬カードは、試薬を含む試薬容器を複数具えており、当該複数の試薬容器はそれぞれ、少なくとも１つのカニューレと整列し、前記試薬容器の所定の１つが前記少なくとも１ののカニューレによって孔を開けられることがない第１の係合位置と、前記試薬容器の所定の１つが前記少なくとも１つのカニューレによって孔を開けられる第２の係合位置をとるのに適合していることを特徴とする方法。
  17. 請求項１６の方法において、前記試薬はＰＣＲを行うための試薬を含むことを特徴とする方法。
  18. 請求項１６の方法において、前記試薬は複数の短いタンデムリピートを増幅するプライマーを含むことを特徴とする方法。
  19. 請求項１の方法において、前記少なくとも１つの流体容器は、複数の流体容器であることを特徴とする方法。
  20. 請求項１の方法において、前記少なくとも１つの流体容器は、ディストリビューション容器、キャプチャ容器、サンプル容器、および、クリーンアップ容器を含むことを特徴とする方法。
  21. 請求項１の方法において、前記少なくとも１つの流体容器が、磁気応答性の粒子を含むことを特徴とする方法。
  22. 請求項１の方法において、前記マイクロ流体チップが、少なくとも１つのダイヤフラムバルブを具えることを特徴とする方法。
  23. システムにおいて、
    カートリッジであって、（Ａ）中のサンプルを熱サイクルにかけて前記サンプル中の少なくとも１つの核酸配列を増幅させるよう構成された熱サイクル容器を含む少なくとも１つの流体容器を具えるマイクロ流体チップと、（Ｂ）使用時に、前記マイクロ流体チップと接続する試薬カードであって、前記試薬カードは試薬を有する試薬容器を具え、前記試薬容器はシールで密封されている試薬カードと、を具えるカートリッジと、
    前記試薬容器および前記流体チップの前記少なくとも１つの流体容器に流体連通するアクチュエータであって、前記試薬カードと前記少なくとも１つの流体容器間で流体を移動させるべく圧力を与えるように構成されたアクチュエータとを具え、
    使用時に、（ｉ）前記カートリッジが前記アクチュエータと係合して前記シールを破り、前記試薬容器を、前記熱サイクル容器を含む前記少なくとも１つの流体容器と流体連通させ、（ｉｉ）前記アクチュエータがかける圧力が、前記試薬を前記試薬容器から前記熱サイクル容器へと移動させることを特徴とするシステム。
  24. 請求項２３のシステムにおいて、さらに、前記サンプル内の複数の核酸配列を検出する検出器を具えることを特徴とするシステム。
  25. 請求項２４のシステムにおいて、前記複数の核酸配列が短いタンデムリピートを具えることを特徴とするシステム。
  26. 請求項２５のシステムにおいて、前記短いタンデムリピートが複数の統合ＤＮＡインデックスシステム（ＣＯＤＩＳ）のマーカーを具えることを特徴とするシステム。
  27. 請求項２６のシステムにおいて、前記ＣＯＤＩＳマーカーが、ＡＭＥＬ、Ｄ３Ｓ１３５８、ＴＨＯ１、Ｄ２１ｓ１１、Ｄ１８ｓ５１、Ｄ５ｓ８１８、Ｄ１３ｓ３１７、Ｄ７ｓ８２０、Ｄ１ｓ５３９、ＣＳＦ１ＰＯ、ｖＷＡ、Ｄ８Ｓ１１７９、ＴＰＯＸおよびＦＧＡから選択された複数のマーカーを含むことを特徴とするシステム。
  28. 請求項２３のシステムにおいて、前記サンプルは法医学サンプルであることを特徴とするシステム。
  29. 請求項２３のシステムにおいて、前記サンプルは、口腔粘膜、血液、髪または精液のサンプルから選択されることを特徴とするシステム。
  30. 請求項２３のシステムにおいて、前記サンプルが生のサンプルであることを特徴とするシステム。
  31. 請求項２３のシステムにおいて、前記試薬容器は、前記カートリッジに係合する前にシールされることを特徴とするシステム。
  32. 請求項３１のシステムにおいて、前記サンプル容器は、プラスチックシールまたはゴムシールでシールされることを特徴とするシステム。
  33. 請求項３２のシステムにおいて、前記ゴムシールは、前記カートリッジと前記アクチュエータの間の係合を解いた後に前記試薬容器を再シールすることを特徴とするシステム。
  34. 請求項３３のシステムにおいて、前記シールは、カニューレで前記シールに孔を開けると破けることを特徴とするシステム。
  35. 請求項３４のシステムにおいて、前記カニューレは前記少なくとも１つの流体容器と流体連通していることを特徴とするシステム。
  36. 請求項３４のシステムにおいて、前記シールを破ると、正圧をかけて前記試薬を前記マイクロ流体チップ上の指定の場所に圧送し、吸引をかけて前記マイクロ流体チップから生じた廃棄物を前記試薬カードの廃棄物容器内へと引っ張ることを可能とすることを特徴とするシステム。
  37. 請求項２３のシステムにおいて、前記試薬はＰＣＲを行うための試薬を含むことを特徴とするシステム。
  38. 請求項２３のシステムにおいて、前記試薬は複数の短いタンデムリピートを増幅するプライマーを含むことを特徴とするシステム。
  39. 請求項２３のシステムにおいて、前記少なくとも１つの流体容器は、複数の流体容器を含むことを特徴とするシステム。
  40. 請求項２３のシステムにおいて、前記少なくとも１つの流体容器は、ディストリビューション容器、キャプチャ容器、サンプル容器、および、クリーンアップ容器を含むことを特徴とするシステム。
  41. 請求項２３のシステムにおいて、前記少なくとも１つの流体容器が、磁気応答性の粒子を含むことを特徴とするシステム。
  42. 請求項２３のシステムにおいて、前記マイクロ流体チップが、少なくとも１つのダイヤフラムバルブを具えることを特徴とするシステム。
  43. 請求項２３のシステムにおいて、前記試薬カードは、試薬を含む試薬容器を複数具えており、当該複数の試薬容器はそれぞれ、少なくとも１つのカニューレと整列し、前記試薬容器の所定の１つが前記少なくとも１ののカニューレによって孔を開けられることがない第１の係合位置と、前記試薬容器の所定の１つが前記少なくとも１つのカニューレによって孔を開けられる第２の係合位置をとるのに適合していることを特徴とするシステム。
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