JP2018523091A - 流体試験セル用ライトガイド - Google Patents

Abstract

一例においては、複数の試験セルがスロットの長さに沿って配置される。各試験セルは、スロットから延びるマイクロ流体チャネルと、スロットからチャネルに流体を移送するためのポンプと、流体が通過してチャネルから出る排出ノズルと、ノズルを介してチャネルから流体を排出する流体排出装置とフォトセンサとを備える。ライトガイドは、外部光源から光を受光して、その光を試験セルのマイクロ流体チャネルのすべてに順次透過させるように設けられる。
【選択図】図１

Description

例えば血液などの流体の様々な異なる属性を感知するための感知デバイスとしては、現在、様々なデバイスが入手可能である。しかしながら、そのような感知デバイスの多くは、大型で複雑かつ高価である。

例示的な流体試験デバイスの模式図である。 図１の流体試験デバイスを用いた流体サンプルの例示的な試験方法のフロー図である。 他の例示的な流体試験デバイスの模式図である。 他の例示的な流体試験デバイスの模式図である。 他の例示的な流体試験デバイスの模式図である。 例示的な流体試験システムの模式図である。 例示的なカセットの斜視図である。 図８Ａは、図７のカセットの外装を変更して得られるカセットの断面図である。図８Ｂは、図８Ａのカセットの斜視図であり、一部を省略し、一部を透過的に示している。図８Ｃは、図８Ａのカセットの上面図であり、一部を省略し、一部を透過的に示している。 図９Ａは、例示的なマイクロ流体カセット及び漏斗を支持する例示的なカセット基板の上面図である。図９Ｂは、図９Ａのカセット基板の底面図である。 図９Ａのカセット基板の一部を示す部分断面図である。 図７及び図８Ａのカセットのマイクロ流体チップの他の例の上面図である。 図１１のマイクロ流体チップの例示的な感知領域を示す拡大部分上面図である。

図１は、例示的な流体試験デバイス２０の模式図である。後述するように、流体試験デバイス２０は別個の試験セルを複数備える。複数の試験セルは、単一の供給源から複数の流体サンプルを受け入れ、精度の向上のために各サンプルに対して複数の計測を行うことや、各サンプルに対して複数の異なる計測を行うことを支援するものである。流体試験デバイス２０は、本体２２と、スロット２６と、試験セル３０Ａ，３０Ｂ（まとめて試験セル３０と呼ぶ）と、ライトガイド４０とを備える。本体２２は、内部にスロット２６が形成された構造を有する。一実施態様では、本体２２はシリコンなどの基板を有する回路チップを備えており、回路チップの上に、スロット２６と、電子コンポーネントと、導電体又は電気トレースとが設けられている。一実施態様では、本体２２は、直接的又は間接的にコンピューティングデバイスに着脱可能に接続されるカセットの一部として構成されている。このコンピューティングデバイスは、セル３０の動作の制御及びセル３０からのデータの分析を行うものである。

スロット２６は、各セル３０の入口に接続されている流路で構成される。スロット２６は流体サンプル投入口に接続されており、試験対象又は分析対象の流体は流体サンプル投入口からスロット２６に供給され、スロット２６によって流体サンプルの少なくとも一部がセル３０に供給される。本開示の目的上、「流体」という用語は、細胞、粒子又は他の生体物質などの分析対象物を含む流体、又はそのような分析物を担持する流体を指す。

各セル３０は、スロット２６の長さに沿って配置される互いに別体のユニットである。尚、ここでの長さは、スロット２６の主要寸法に沿った長さである。スロット２６から流体サンプルが供給されると、セル３０はそれぞれ別個の計測または試験を実施する。図では、デバイス２０が２つのセル３０を備えるように示されているが、他の実施態様においては、デバイス２０は、スロット２６の一側面に沿って２つ以上のセル３０を備えることができる。又、図では、デバイス２０が、スロット２６の一側面上にセル３０を備えるように示されているが、他の実施態様においては、スロット２６の他方の側面上にも追加のセル３０を配置することができる。

図１に示すように、各セル３０は、マイクロ流体チャネル４４と、ポンプ４６と、排出通路４８と、流体排出装置５０と、フォトセンサ５２とを備える。マイクロ流体チャネル４４は、スロット２６から延びるかあるいは分岐している流路で構成される。一実施態様では、複数のセル３０間でマイクロ流体チャネル４４のサイズはほぼ同じである。別の実施態様においては、複数のセル３０間でマイクロ流体チャネル４４のサイズは異なっており、異なる断面積や異なるサイズの狭窄部を有する。このような実施態様においては、チャネル４４のサイズが小さくなると、大き過ぎる細胞又は粒子がスロット２６から流入するのが抑止されるため、小さいサイズのチャネルが、そのチャネルに対応する特定の試験セル３０が感知する細胞又は分子の種類又はサイズを規定するフィルタとして機能する。

ポンプ４６は、マイクロ流体チャネル４４内に配置されるか、あるいはマイクロ流体チャネル４４に沿って配置され、スロット２６からチャネル４４に流体を圧送又は移送するデバイスで構成される。一実施態様では、ポンプ４６は、バブルジェット型慣性ポンプ（bubble jet inertial pump）で構成される。このような実施態様においては、バブルジェット型慣性ポンプは、初期膨張する気泡を生成して、隣接する流体を気泡から引き離すか又は吹き飛ばす。バブルジェットポンプの一例としては、サーマルインクジェット（ＴＩＪ）ポンプなどのマイクロヒータが挙げられる。ＴＩＪポンプは、電流が流れる少なくとも１つの電気抵抗を利用することができる。電流が少なくとも１つの抵抗を流れることにより発生した熱によって、同抵抗に近接する流体の気化又は核生成が引き起されて気泡が発生する。この気泡は、初期に発生、膨張するものであり、初期の段階で隣接する流体を気泡から吹き飛ばすことができる。バブルジェット型慣性ポンプは、スロット２６に近接し且つ排出通路４８から離れた位置でチャネル４４に沿って配置することができる。換言すれば、スロット２６と排出通路４８の間又はスロット２６と他の流体相互作用コンポーネントの間の総流路長の半分未満の距離だけ、慣性ポンプはスロット２６から離間している。慣性ポンプは、２つの貯留槽を接続し且つこれらの貯留槽に比べて狭いチャネル４４内の慣性や惰性を利用して、流体流を生成することができる。本開示の目的上、「慣性ポンプ」という用語は、貯留槽を接続し且つこれらの貯留槽に比べて狭いチャネル内において、初期の段階で流体を両方向に送り出すポンプデバイスを指しているが、このポンプデバイスが２つの貯留槽間において非対称な位置に配置されているため、流体は遠い方の貯留槽に向かって一方向に送り出される。

別の実施態様では、ポンプ４６を他のポンプデバイスで構成してもよい。例えば、別の実施態様では、ポンプ４６を、印加電流に応じて変形又は振動してダイアフラムを動かし、これにより隣接する流体をスロット２６からマイクロ流体チャネル４４に移送するピエゾ抵抗型慣性ポンプで構成してもよい。さらに別の実施態様では、ポンプ４６を、マイクロ流体チャネル４４及び排出通路４８と流体連通する他のマイクロ流体ポンプデバイスで構成してもよい。

排出通路４８は流体導管で構成され、この流体導管を通って流体サンプルはチャネル４４から排出される。一実施態様では、排出通路４８によって流体は廃棄貯留槽に誘導又は案内されるか、あるいはスロット２６以外のその他の行先に誘導又は案内される。さらに別の実施態様では、排出通路４８によって流体は他のマイクロ流体チャネル又はさらなる別の試験デバイスの通路に誘導又は案内される。さらに他の実施態様では、排出通路４８によって流体はトレイ又は仕切られた容器の中に誘導又は案内されるか、あるいは受け取った流体と反応してその流体の特徴を示す試験ストリップ上に誘導又は案内される。一実施態様では、排出通路４８は、流体をチャネル４４から一方向に放出するノズルを備える。別の実施態様では、排出通路４８は、流体を選択的に案内又は放出するバルブを備える。

流体排出装置５０は、排出通路４８を介してチャネル４４から流体サンプルを選択的に移送、排出するデバイスで構成される。一実施態様では、流体排出装置５０は、流体の核生成を引き起こして気泡を生成することによって排出通路４８から流体を強制的に吐出又は放出するサーマルインクジェット抵抗などのドロップオンデマンド型の流体放出デバイスで構成される。別の実施態様では、流体排出装置５０は、印加電流に応じて変形又は振動してダイアフラムを動かし、これにより隣接する流体を排出通路４８から放出するピエゾ抵抗型のデバイスなどのドロップオンデマンド型の流体放出デバイスで構成される。さらに他の実施態様では、流体排出装置５０を、排出通路４８から流体を選択的且つ強制的に放出する他のデバイスで構成することもできる。

フォトセンサ５２は、マイクロ流体チャネル４４内に配置されるか、あるいはマイクロ流体チャネル４４に沿って配置される光学センサで構成される。フォトセンサ５２は、チャネル４４内の分析対象物、分析対象物を含有する溶液、又はその両方と光との相互作用を感知する。分析対象物又は溶液と光との相互作用を感知すると、フォトセンサ５２はこの相互作用に応じて変化する電気信号を出力する。電気信号は分析されて、光と相互作用した流体サンプルの特徴を示す。図示しないが、ポンプ４６、流体排出装置５０及びフォトセンサ５２はいずれもそれぞれ、本体２２と一体形成されるか又は本体２２に支持された導電トレースを介して、電気信号の送信、受信、又は送受信を行う。

ライトガイド４０は、外部光源から光を受光して、光又は電磁放射線を各試験セル３０のマイクロ流体チャネルに順次透過させて、透過光がセルを次々に通過するようにするための光案内誘導構造を備える。図示の例では、ライトガイド４０がそのようなマイクロ流体チャネル４４のすべてを横切って延在するように、各試験セル３０は十分に相互整列されており、これにより、光又は電磁放射線を各セル３０に供給して各セル３０に収容された流体と相互作用させて、フォトセンサ５２によって検出させるようにしている。１つのライトガイド４０で複数のセル３０のすべてに対して電磁放射線又は光を供給しているため、チップ又は他の構造本体２２上の領域の使用面積が抑えられ、デバイス２０をより小型化することができる。さらに、単一のライトガイド４０を用いて別個の試験セル３０のすべてに光を供給することによって、デバイス２０の複雑性やコストも低減することができる。

図示の例では、ライトガイド４０は、各試験セル３０のマイクロ流体チャネル４４を横切って直線的に延在する導波パイプ又は光パイプで構成される。これにより、デバイス２０はより小型化される。他の実施態様においては、ライトガイド４０は、流体試験セル３０を次々に通過するように延在していれば、蛇行形状に延びていても、あるいは屈曲形状又は弓形状に延びていてもよい。

図２は、流体試験デバイス２０の例示的な使用方法１００のフロー図である。ブロック１０２に示すように、まず、細胞や粒子などの試験対象の分析対象物を含有する流体サンプルが、本体２２のスロット２６に入れられる。すると、ブロック１０４に示すように、スロット２６内の流体サンプルは、各試験セル３０のポンプ４６によってそれぞれのセル３０のマイクロ流体チャネル４４に圧送される。次に、ブロック１０６に示すように、ライトガイド４０によって、外部光源からの光が各セル３０のチャネル４４を順次横断して透過する。そして、ブロック１０８に示すように、フォトセンサ５２が、各マイクロ流体チャネル４４内の流体サンプルと透過光との相互作用を感知する。フォトセンサ５２は感知した相互作用に応じて変化する電気信号を出力する。この電気信号は、各セル３０のチャネル４４内の流体サンプルの特徴を特定するために分析される。その後、ブロック１１０に示すように、流体排出装置５０は、感知・分析を終えた流体サンプルを、各マイクロ流体チャネル４４から排出通路４８を介して放出する。一実施態様では、流体はスロット２６以外の行先に放出される。

図３は、流体試験デバイス２０の例示的な実施態様である流体試験デバイス２２０の模式図である。流体試験セル３０Ａ，３０Ｂが、流体タグ付け器２５４Ａ，２５４Ｂ（まとめて流体タグ付け器２５４と呼ぶ）をさらに備える点を除けば、流体試験デバイス２２０は流体試験デバイス２０と同様である。デバイス２２０において、デバイス２０のコンポーネント又は要素と対応する他のコンポーネント又は要素には同一の番号を付している。

流体タグ付け器２５４は、マイクロ流体チャネル４４に沿って配置され、対象となる特定の細胞又は分子にマーカーを付けるためにタグ付けするデバイスで構成することができる。図示の例では、タグ付け器２５４は、フォトセンサ５２の上流、すなわちスロット２６に隣接するマイクロ流体チャネル４４の入口とフォトセンサ５２の間に配置される。一実施態様では、流体タグ付け器２５４は、対象の分子を蛍光粉末でタグ付けする。このようにタグ付けすることによって、フォトセンサ５２の測定を支援することができる。すなわち、ライトガイド４０によって透過させる光によって蛍光粉末すなわちタグを励起させて、フォトセンサ５２が容易に検出できるようにする。一実施態様では、各タグ付け器２５４は、異なる分子、粒子又は細胞に異なる蛍光マーカーで異なるタグを付けることにより、スロット２６に供給される同一の初期サンプルに対して同時に複数の異なる試験を実施することを支援する。別の実施態様では、タグ付け器２５４は同一の蛍光マーカーでタグ付けする。一実施態様では、マイクロ流体チャネル４４内の流体サンプルを放出前にポンプ４６で濃縮して、タグ付けされた分子を感知や分析に十分な量又は十分な数だけ収集することを支援する。

図４は、流体試験デバイス２０の他の実施態様である流体試験デバイス３２０の模式図である。セル３０が、検出器２５６Ａ，２５６Ｂ（まとめて検出器２５６と呼ぶ）をさらに備える点を除けば、流体試験デバイス３２０は流体試験デバイス２２０と同様である。検出器２５６は、ポンプ４６と排出通路４８の間の位置であって、マイクロ流体チャネル４４内あるいはマイクロ流体チャネル４４に沿った位置に配置されるデバイスで構成される。図示の例では、検出器２５６は、ポンプ４６とフォトセンサ５２の間に配置されている。一実施態様では、検出器２５６は、細胞、分子又は粒子の数を計測するデバイスで構成される。別の実施態様では、検出器２５６は、そのような細胞、分子又は粒子のサイズを感知又は検出するデバイスで構成される。一実施態様では、検出器２５６をインピーダンスセンサで構成してもよい。インピーダンスセンサは、流体サンプルが、マイクロ流体チャネル４４内の電界領域を通過又は横断して流れることで引き起こされる電気インピーダンスの変化を感知することによって、マイクロ流体チャネル４４内の細胞、分子又は粒子の数を計測するか又はサイズを特定するものである。

図５は、流体試験デバイス２０の他の実施態様である流体試験デバイス４２０の模式図である。流体試験デバイス４２０が、カセットインターフェース４２３に取り外し可能に接続されるかあるいは取り付けられる札又はカセットの一部として設けられる点を除けば、流体試験デバイス４２０は流体試験デバイス３２０と同様である。図示の例では、デバイス４２０は、電気コネクタ４２７と、光入力４２９とをさらに備える。電気コネクタ４２７は、カセットインターフェース４２３と電気的に接触している。電気コネクタ４２７は、デバイス４２０に電力供給したり、デバイス４２０とインターフェース４２３の間で電気的データ信号を送受信したりするための電気的な接続を提供するものである。図示の例では、電気コネクタ４２７は、インターフェース４２３の対応ポート４３１内にそれぞれ受容されるピンで構成される。ピン４２７がポート４３１と嵌まり合うことにより、光入力４２９とカセットインターフェース４２３の光出力４３３の位置が揃えられる。光出力４３３は、ライトガイド４０に光を供給して、各セル３０を透過させるものである。

デバイス４２０は、ポート４３１に差し込まれる電気コネクタ４２７を利用して光出力４３３と光入力４２９の位置を揃えるように図示されているが、他の実施態様においては、他の整合メカニズムを利用して光出力４３３とデバイス４２０の光入力４２９の位置を揃えることができる。例えば、他の実施態様においては、カセットインターフェース４２３は、デバイス４２０の対応する戻り止め部又はポートに着脱可能に受容されるか又は着脱可能に差し込まれる部分を備えてもよい。一実施態様では、カセットインターフェース４２３は、コンピューティングデバイスにそれ自体が固定的又は取り外し可能に接続されるドングルで構成される。別の実施態様では、カセットインターフェース４２３はコンピューティングデバイスの一部として設けられる。

図６は、例示的なマイクロ流体診断／試験システム１０００を示す図である。システム１０００は、携帯型の電子デバイスによって駆動されて血液サンプルなどの流体サンプルを分析するインピーダンスベースのシステムで構成される。流体のインピーダンスと記載する場合には、その流体のインピーダンス、その流体中の任意の分析対象物のインピーダンス、又はその両方を指す。システム１０００は、マイクロ流体カセット１０１０と、カセットインターフェース１３２０と、モバイル分析器１３３０と、リモート分析器１３５０とを備えており、図では、システム１０００の一部を模式的に示している。マイクロ流体カセット１０１０は、全体としては、流体サンプルを受け取って、流体サンプルの特徴を感知し、これに基づく信号を出力するものである。インターフェース１３２０は、モバイル分析器１３３０とカセット１０１０の間を仲介する。図示の例では、インターフェース１３２０は、ケーブル１３２２によってモバイル分析器１３３０に取り外し可能に接続されるドングルで構成される。ケーブル１３２２は、ポート１３２４でインターフェース１３２０に取り外し可能又は着脱可能に接続され、ポート１３２５でモバイル分析器１３３０に取り外し可能に接続される。インターフェース１３２０は、カセット１０１０に着脱可能に接続して、モバイル分析器１３３０からカセット１０１０への送電によってカセット１０１０上のポンプ及びセンサを動作させることを支援するものである。さらにインターフェース１３２０は、モバイル分析器１３３０による、カセット１０１０上のポンプ、流体排出装置、タグ付け器、検出器、センサの制御を支援するものでもある。

モバイル分析器１３３０は、インターフェース１３２０を介してカセット１０１０の動作を制御し、カセット１０１０が生成する、試験対象の流体サンプルに関するデータを受信する。モバイル分析器１３３０は、データを分析して出力を生成する。モバイル分析器１３３０は又、より詳細な分析や処理のために、処理後のデータを有線又は無線のネットワーク１３５３を介してリモート分析器１３５０にさらに送信する。図示の例では、モバイル分析器１３３０は、スマートフォン、ラップトップ型コンピュータ、ノート型コンピュータ、タブレット型コンピュータなどの携帯型電子デバイスで構成される。これにより、システム１０００は、血液サンプルなどの流体サンプルを試験するための携帯型の診断プラットフォームとなる。

図７〜１２は、マイクロ流体カセット１０１０の詳細図である。図７〜９Ｂに示すように、カセット１０１０は、カセット基板１０１２と、カセット本体１０１４と、膜１０１５と、マイクロ流体チップ１０３０とを備える。図９Ａ及び９Ｂに示すカセット基板１０１２は、流体チップ１０３０が内部又は上部に取り付けられるパネル又はプラットフォームで構成される。カセット基板１０１２は、マイクロ流体チップ１０３０の電気コネクタからカセット基板１０１２の端部の電気コネクタ１０１６まで延在する導電線又は導電トレース１０１５を備える。図７に示すように、電気コネクタ１０１６は、外装のカセット本体１０１４から露出している。図６に示すように、露出した電気コネクタ１０１６は、インターフェース１３２０に挿入されてインターフェース１３２０内の対応する電気コネクタと電気的に接触するように位置合わせされることにより、マイクロ流体チップ１０３０とカセットインターフェース１３２０の間の電気的な接続を提供するものである。

カセット本体１０１４は、カセット基板１０１２及びマイクロ流体チップ１０３０を覆って保護するために、カセット基板１０１２の一部を囲っている。カセット本体１０１４は、カセット１０１０を手で取り扱い易くするものであり、カセット１０１０をインターフェース１３２０との取り外し可能な相互接続状態の位置に手で合わせるのを支援する。さらにカセット本体１０１４は、流体サンプル又は血液サンプルの採取中、受け取った流体サンプルをマイクロ流体チップ１０３０に送る間、ヒトの指との密封性を保ちながらヒトの指を正しい位置にセットさせるものでもある。

図示の例では、カセット本体１０１４は、つまみ部１０１７と、サンプル受入口１０１８と、滞留通路１０２０と、サンプル保持チャンバ１０２１と、チップ漏斗１０２２と、通気孔１０２３と、排出貯留槽１０２４とを備える。つまみ部１０１７は、カセット１０１０の電気コネクタ１０１６が配置されている側の端部とは反対側に位置する、本体１０１４の薄肉部で構成される。つまみ部１０１７は、カセット１０１０をカセットインターフェース１３２０（図６に示す）の受容ポート１２０４に接続又は挿入する際の、カセット１０１０の把持を容易にするものである。図示の例では、つまみ部１０１７は、２インチ以下の幅Ｗと、２インチ以下の長さＬと、０．５インチ以下の厚さを有する。

サンプル受入口１０１８は、血液サンプルなどの流体サンプルを受ける開口で構成することができる。図示の例では、サンプル受入口１０１８は口部１０２５を有しており、口部１０２５は、つまみ部１０１７とカセット基板１０１２の露出部の間に延在する隆起プラットフォーム又はマウンド１０２６の上面１０２７に形成されている。マウンド１０２６は、サンプル受入口１０１８の位置を明確に示して、カセット１０１０の直感的な使用に寄与するものである。一実施態様では、上面１０２７はヒトの指の下側の凸面にフィットまたはほぼフィットする曲面形状又は凹面形状を有し、サンプルを採取するヒトの指の下側の面に対して高い密封性を持つ密封部を成している。毛細管現象によって指からサンプルとなる血液が吸い上げられる。一実施態様では、血液サンプルは５〜１０μＬである。他の実施態様においては、例えば、図８Ａに示すように、入口１０１８を別の位置に配置してもよく、マウンド１０２６を省略してもよい。図８Ａに示すカセット１０１０においては、図８Ａに示すカセット本体１０１４でマウンド１０２６が省略されており、カセット本体１０１４の外形が図７に示す本体１０１４とは若干異なっているが、図７及び８Ａに示す残りの要素又はコンポーネントは、いずれも図７に示すカセット本体と図８Ａに示すカセット本体の両方に含まれている。

図８Ａ〜８Ｃに示すように、滞留通路１０２０は、サンプル投入口１０１８とサンプル保持チャンバ１０２１の間に延在する流体チャネル、流体導管、流体チューブ又は他の流体通路で構成される。サンプル投入口１０１８から投入され受け取ったサンプルが滞留通路１０２０を通過又は流過してチップ１０３０に到達するまでの時間を長くするため、滞留通路１０２０は、サンプル投入口１０１８とサンプル保持チャンバ１０２１の間を蛇行形状すなわち曲がりくねった間接的又は非直線的な形状で延びている。滞留通路１０２０は、試験中の流体サンプルと流体試薬がチップ１０３０に到達する前に混ざり合うだけの体積を有している。図示の例では、滞留通路１０２０は、カセット本体１０１４の投入口１０１８とチップ１０３０の間の空間内で巻き回された円形状又は螺旋状の通路で構成された回り道形状を有している。別の実施態様では、滞留通路１０２０は、サンプル投入口１０１８とチップ１０３０の間の空間内において、ねじれて曲がったり、ジグザグに進んだり、くねったり、蛇行したり、及び／又はジグザグ状に曲がりくねったりしている。

図示の例では、滞留通路１０２０は、まずマイクロ流体チップ１０３０に向かって下方向（重力方向）に延び、続いてマイクロ流体チップ１０３０から離れる上方向（重力方向とは反対の方向）に延びる。例えば、図８Ａ及び８Ｂに示すように、滞留通路１０２０の上流部１０２８は、サンプル保持チャンバ１０２１に隣接し直結する下流端部１０２９より鉛直下側に延在する。投入口１０１８からの流体は、端部１０２９の前に上流部でまず受けるが、物理的には端部１０２９の方が鉛直方向で投入口１０１８により近い位置にある。これにより、上流部から流れてきた流体は、重力に逆らって下流すなわち端部１０２９に向かって流れる。後述するように、いくつかの実施態様においては、滞留通路１０２０には、試験中の流体サンプル又は血液サンプルと反応する試薬１０２５が収容されているが、状況によっては、この反応によって残渣又は副産物が生成される場合がある。例えば、血液などの流体サンプルが溶解されると溶解細胞又は溶解物が生じる。しかしながら、滞留通路１０２０の端部１０２９が滞留通路１０２０の上流部１０２８よりも上に延在しているため、流体サンプルと試薬１０２５との反応の結果生じたそのような残渣又は副産物は、沈殿して上流部１０２８内に捕捉されるか又は滞留する。換言すれば、そのような残渣又は副産物のうち滞留通路１０２０を通ってマイクロ流体チップ１０３０まで到達する量が低減される。他の実施態様においては、滞留通路１０２０は、サンプル保持チャンバ１０２１に至るその全経路にわたって下方向に延びている。

サンプル保持チャンバ１０２１は、試験中の流体サンプル又は血液サンプルをチップ１０３０より上側で回収するだけのチャンバすなわち容積を備える。チップ漏斗１０２２は、より面積の大きいチャンバ１０２１の領域から、より面積の小さいチップ１０３０の流体受入領域に向かって漏斗状になるようにチップ１０３０に向かってすぼまった漏斗デバイスで構成される。図示の例では、サンプル投入口１０１８と、滞留通路１０２０と、サンプル保持チャンバ１０２１と、チップ漏斗１０２２とで内部流体調製ゾーンが形成される。流体サンプル又は血液サンプルは、チップ１０３０に流入する前に内部流体調製ゾーン内において試薬と混合することができる。一実施態様では、流体調製ゾーンの総容積は２０〜２５０μＬである。他の実施態様においては、このような内部空洞によって形成される流体調製ゾーンが他の容積を有していてもよい。

図８Ａにおいて斑点模様で示すように、一実施態様では、試験対象のサンプル流体を入口１０１８に投入する前のカセット１０１０は予め流体試薬１０２５で満たされている。流体試薬１０２５は、試験対象の流体と反応する組成物を含有することができ、マイクロ流体チップ１０３０の持つ、試験対象の流体の選択された特徴又は選択された複数の特徴からなる群を分析する性能を強化するものである。一実施態様では、流体試薬１０２５は、試験中の流体を希釈するための組成物を含有する。一実施態様では、流体試薬１０２５は、試験中の流体又は血液を溶解する組成物を含有する。さらに他の実施態様においては、流体試薬１０２５は、試験中の流体において選択された部分のタグ付けを支援する組成物を含有する。例えば、一実施態様では、流体試薬１０２５は、磁気ビーズ、金ビーズ又はラテックスビーズを含有する。他の実施態様においては、流体試薬１０２５は、マイクロ流体チップ１０３０がサンプル流体を受け取って処理や分析を行う前に、サンプル投入口１０１８に入れたサンプル流体に相互作用又は変化を及ぼす、試験対象のサンプル流体とは異なる他の液体組成物、固体組成物又は液体を含有する。

複数の通気孔１０２３は、サンプル保持チャンバ１０２１とカセット本体１０１４の外部の間を連通する通路で構成することができる。図７に示す例では、通気孔１０２３は、マウンド１０２６の側面を貫通して延在する。通気孔１０２３のサイズは、毛細管現象によってサンプル保持チャンバ１０２１内に流体を保持できる程度に小さく、且つ保持チャンバ１０２１を流体で満たしていくに従って保持チャンバ１０２１内の空気を逃がすことができる程度に大きい。一実施態様では、各通気孔は、５０〜２００μｍの開口すなわち直径を有する。

排出貯留槽１０２４は、チップ１０３０から排出された流体を受けるように配置された、本体１０１４内の空洞又はチャンバで構成することができる。排出貯留槽１０２４は、チップ１０３０を通過させて処理や試験を終えた流体を収容するためのものである。同じ流体に対して試験を複数回行うことがないよう、処理や試験を終えた流体は排出貯留槽１０２４で受けることができる。図示の例では、排出貯留槽１０２４は、本体１０１４内のチップ１０３０より下側に形成される。すなわち、チップ漏斗１０２２と排出貯留槽１０２４の間にチップ１０３０を挟むように、排出貯留槽１０２４は、チップ漏斗１０２２及びサンプル保持チャンバ１０２１の側とは反対側のチップ１０３０の側面に面して形成される。一実施態様では、排出貯留槽１０２４は本体１０１４内に完全に収容されて、（本体１０１４を切断する、穿孔する、あるいは他の方法で恒久的に破壊するなどして本体１０１４を破壊又は破損しない限り）アクセスできない状態とされる。これにより、処理又は試験を終えた流体を保管したり、後でカセット１０１０を廃棄することによって衛生的に廃棄処分したりするために、本体１０１４内に閉じ込めておくことができる。さらに他の実施態様においては、排出貯留槽１０２４はドア又はセプタムからアクセス可能とされる。この場合、処理又は試験を終えた流体を貯留槽１０２４から引き出して、試験を終えた流体をさらに詳細に分析したり、試験を終えた流体を別の容器で保管したり、カセット１０１０の連続使用を容易にするべく貯留槽１０２４を空にしたりすることができる。

いくつかの実施態様においては、排出貯留槽１０２４が省略される。そのような実施態様においては、流体サンプル又は血液サンプルのうちマイクロ流体チップ１０３０による試験や処理を終えた分は、マイクロ流体チップ１０３０の入口側又は入口部に還流される。例えば、一実施態様では、マイクロ流体チップ１０３０はマイクロ流体貯留槽を備える。マイクロ流体貯留槽は、マイクロ流体チップ１０３０が備える１つ以上のセンサの入力側でチップ漏斗１０２２から流体を受ける。流体サンプル又は血液サンプルのうち試験を終えた分は、マイクロ流体チップ１０３０の１つ以上のセンサの入力側にあるマイクロ流体貯留槽に還流される。

膜１０１５は、液体を透過しない無孔質のパネル、フィルム又は他の材料層で構成することができ、入口１０１８の口部１０２５を完全に横切るように延在して口部１０２５を完全に覆うように、接着又はその他の方法で所定の位置に固定される。一実施態様では、膜１０１５は不正開封の痕跡を示すものとして機能し、カセット１０１０の内部容積やその所期の内容物が汚されたり、いたずらされたりしていないかを明らかにする。カセット１０１０のサンプル調製ゾーンを予め上述の試薬１０２５などの試薬で満たしている実施態様においては、膜１０１５は、流体調製ゾーンの内部、すなわち入口１０１８から滞留通路１０２０、流体保持チャンバ１０２１、チップ漏斗１０２２までの内部に、流体試薬１０２５を封じ込めている。いくつかの実施態様においては、膜１０１５はさらに通気孔１０２３も横切って延在する。いくつかの実施態様においては、膜１０１５はさらに気体又は空気に対しても不透過性を有する。

図示の例では、少なくともサンプル投入口１０１８に流体サンプルを入れようとする時までは、流体試薬１０２５は膜１０１５によってカセット１０１０内に封じ込められるかあるいは閉じ込められる。この時、流体サンプルを投入口１０１８から投入できるように、膜１０１５は剥がされるか、破かれるか、又は穴を開けられるかする。他の実施態様においては、膜１０１５はセプタムを備えることができ、この場合、ニードルをセプタムに差し込んで投入口１０１８から流体サンプル又は血液サンプルが入れられる。膜１０１５によって、カセット１０１０の一部として流体試薬１０２５を予め同梱しておくことが容易になり、これにより後で試験対象の流体サンプルを入れた時に流体試薬１０２５をすぐに使える状態にしておくことができる。例えば、第１の流体試薬１０２５を収容する第１のカセット１０１０が、第１の流体サンプルの第１の特徴の試験用に予め設計すなわち指定され、第１の流体試薬１０２５とは異なる第２の流体試薬１０２５を収容する第２のカセット１０１０が、第２の流体サンプルの第２の特徴の試験用に予め設計すなわち指定されている。換言すれば、内部に収容する流体試薬１０２５の種類や量を変化させることにより、異なる特徴の試験に特化した異なるカセット１０１０を設計することができる。

図９Ａ，９Ｂ及び１０は、マイクロ流体チップ１０３０を示す図である。図９Ａは、カセット基板１０１２、チップ漏斗１０２２及びマイクロ流体チップ１０３０の上側を示している。図９Ａでは、マイクロ流体チップ１０３０はチップ漏斗１０２２とカセット基板１０１２の間に挟まれている。図９Ｂは、カセット基板１０１２及びマイクロ流体チップ１０３０の下側を示している。図１０は、チップ漏斗１０２２の下方におけるマイクロ流体チップ１０３０の断面図である。図１１に示すように、マイクロ流体チップ１０３０は、シリコンなどの材料を含んでいるか、あるいは、そのような材料を原料に形成される基板１０３２を備える。マイクロ流体チップ１０３０は、マイクロ流体貯留槽１０３４を備える。マイクロ流体貯留槽１０３４は、流体サンプル（一部の試験では試薬を添加した流体サンプル）をチップ１０３０で受けるために、チップ漏斗１０２２の下方に延在するように基板１０３２内に形成されている。図示の例では、マイクロ流体貯留槽は、１ｍｍ未満、公称０．５ｍｍの幅Ｗを有する口部すなわち上部開口を有する。また、貯留槽１０３４は、０．５ｍｍ〜１ｍｍ、公称０．７ｍｍの深さＤを有する。後述するように、マイクロ流体チップ１０３０は、領域１０３３において、チップ１０３０の底部に沿って、ポンプ及びセンサを備える。

図１１及び図１２は、マイクロ流体チップ１０３０の例示的な実施態様であるマイクロ流体チップ１１３０の拡大図である。マイクロ流体チップ１１３０は、流体圧送機能やインピーダンス感知機能を低電力プラットフォーム上に統合している。図１１に示すように、マイクロ流体チップ１１３０は、スロット１１２６を内部に形成した基板１０３２を備える。さらに、マイクロ流体チップ１１３０は複数の感知領域１１３５を備え、各感知領域が、１つのポンプを共有する一対の試験セル１２３０Ａ，１２３０Ｂ（まとめて試験セル１２３０と呼ぶ）を提供する。図１１及び１２に示すように、複数の感知領域１１３５のすべての試験セル１２３０に対して、単一のライトガイド１２４０から光が供給されている。

図１２は、図１１に示すチップ１１３０の複数の感知領域１１３５の１つを示す拡大図である。図１２に示すように、感知領域１１３５は、マイクロ流体チャネル１１４４、ポンプ１１４６、分岐チャネル１２４６Ａ，１２４６Ｂ、排出通路１２４８Ａ，１２４８Ｂ、流体排出装置１２５０Ａ，１２５０Ｂ、フォトセンサ１２５２Ａ，１２５２Ｂ、タグ付け器１２５４Ａ，１２５４Ｂ、及び検出器１２５６Ａ，１２５６Ｂを備える。マイクロ流体チャネル１１４４は、基板１０３２内に延在するか又は基板１０３２内に形成された、スロット１１２６からの流体サンプルを流すための通路で構成される。

ポンプ１１４６は上述のポンプ４６と同様である。ポンプ１１４６は、スロット１１２６からの流体を各分岐チャネル１２４６に圧送又は移送する。一実施態様では、ポンプ１１４６はバブルジェット型慣性ポンプで構成される。他の実施態様においては、ポンプ１１４６を他のマイクロ流体ポンプデバイスで構成してもよい。

分岐チャネル１２４６Ａ、排出通路１２４８Ａ、流体排出装置１２５０Ａ、フォトセンサ１２５２Ａ、タグ付け器１２５４Ａ及び検出器１２５６Ａによって、第１の試験セル１２３０Ａが形成される。同様に、分岐チャネル１２４６Ｂ、排出通路１２４８Ｂ、流体排出装置１２５０Ｂ、フォトセンサ１２５２Ｂ、タグ付け器１２５４Ｂ及び検出器１２５６Ｂによって、第２の試験セル１２３０Ｂが形成される。

分岐チャネル１２４６Ａ，１２４６Ｂは、マイクロ流体チャネル１１４４からそれぞれ流体排出通路１２４８Ａ，１２４８Ｂまで延びている。各分岐チャネル１２４６Ａ，１２４６Ｂは、狭小部、喉部又は狭窄部１２６０を備え、流体はこの狭窄部１２６０を流れる。本開示の目的上、「狭窄部（constriction）」は、少なくとも１つの寸法における何らかの狭小を意味する。１つの「狭窄部」は、（Ａ）チャネルの反対側に向かって突出する突出部を有するチャネルの一側面、（Ｂ）チャネルの反対側に向かって突出する少なくとも１つの突出部を有するチャネルの両側面（これら複数の突出部は、チャネルに沿って相互に整列して配置されてよく、ずらして配置されてもよい）、又は（Ｃ）チャネルの両壁の間に突出して、チャネル内を流れることができるものとできないものを区別するための少なくとも１つの柱状部（column or pillar）のいずれかである。他の実施態様においては、狭窄部１２６０を省略することもできる。

一実施態様では、分岐チャネル１２４６は互いに類似している。別の実施態様では、分岐チャネル１２４６の形状及び寸法は互いに異なっており、これにより異なる流体流特性を持たせている。例えば、両チャネル１２４６において狭窄部１２６０又は他の領域のサイズを互いに異ならせることによって、一方のチャネル１２４６の方が他方のチャネル１２４６よりも第１のサイズの粒子又は細胞が若干でもより流れやすくなるようにすることができる。これらの２つのチャネル１２４６は、それぞれチャネル１１４４の両側から分岐しているため、チャネル１１４４から直接流体を受け取っており、その手前で流体が他の何らかの部分に吸い上げられることはない。

排出通路１２４８は流体導管で構成することができ、この流体導管を通って流体又は流体サンプルは各分岐チャネル１２４６から排出される。一実施態様では、排出通路１２４８によって流体は排出貯留槽１０２４（図８Ａに示す）に誘導又は案内される。さらに別の実施態様では、排出通路１２４８によって流体は他のマイクロ流体チャネル又はさらなる別の試験デバイスの通路に誘導又は案内される。さらに他の実施態様では、排出通路１２４８によって流体はトレイ又は仕切られた容器の中、又は試験ストリップ上に誘導又は案内される。一実施態様では、各排出通路１２４８は、流体を対応するチャネル１２４６からそれぞれ一方向に放出するノズルを備える。別の実施態様では、各排出通路１２４８は、流体を選択的に案内又は放出するバルブを備える。

流体排出装置１２５０は、排出通路１２４８を介してそれぞれのチャネル１２４６から流体を選択的に移送、排出するデバイスで構成することができる。一実施態様では、流体排出装置１２５０は、流体の核生成を引き起こして気泡を生成することによって排出通路１２４８から流体を強制的に吐出又は放出するサーマルインクジェット抵抗などのドロップオンデマンド型の流体放出デバイスで構成される。別の実施態様では、流体排出装置１２５０は、印加電流に応じて変形又は振動してダイアフラムを動かし、これにより隣接する流体を排出通路１２４８から放出するピエゾ抵抗型のデバイスなどのドロップオンデマンド型の流体放出デバイスで構成される。さらに他の実施態様では、流体排出装置１２５０は、排出通路１２４８から流体を選択的且つ強制的に放出する他のデバイスで構成することもできる。

フォトセンサ１２５２は、関連付けられた分岐チャネル１２４６内に配置されるか、あるいは関連付けられた分岐チャネル１２４６に沿って配置される光学センサで構成される。各フォトセンサ１２５２は、各チャネル１２４６内の分析対象物、分析対象物を含有する溶液、又はその両方と光との相互作用を感知する。分析対象物又は溶液と光との相互作用を感知すると、フォトセンサ１２５２はこの相互作用に応じて変化する電気信号を出力することができる。電気信号は分析されて、光と相互作用した流体サンプルの特徴を示す。

流体タグ付け器１２５４は、分岐チャネル１２４６に沿って配置され、対象となる特定の細胞又は分子にマーカーを付けるためにタグ付けするデバイスで構成することができる。図示の例では、タグ付け器１２５４は、フォトセンサ１２５２の上流、すなわち各分岐チャネル１２４６の入口とフォトセンサ１２５２の間に配置される。一実施態様では、流体タグ付け器１２５４は、対象の分子を蛍光粉末でタグ付けする。このようにタグ付けすることによって、フォトセンサ１２５２の測定を支援することができる。すなわち、ライトガイド１２４０によって透過させる光によって蛍光粉末すなわちタグを励起させて、フォトセンサ１２５２が容易に検出できるようにする。一実施態様では、各タグ付け器１２５４は、異なる分子、粒子又は細胞に異なる蛍光マーカーで異なるタグを付けることにより、スロット１１２６に供給される同一の初期サンプルに対して同時に複数の試験を実施することを支援する。別の実施態様では、タグ付け器１２５４は同一の蛍光マーカーでタグ付けする。一実施態様では、分岐チャネル１２４６内の流体サンプルを放出前にポンプ１２４６で濃縮して、タグ付けされた分子を感知や分析に十分な量又は十分な数だけ収集することを支援する。いくつかの実施態様においては、タグ付け器１２５４を省略することもできる。

各検出器１２５６は、狭窄部１２６０内の基板１０３２上に形成される微細加工デバイスで構成することができる。一実施態様では、各検出器１２５６は、狭窄部１２６０を通過する流体、そのような流体内の細胞や粒子、又はその両方の特性、パラメータ又は特徴を示す電気信号を出力するかあるいはそのような電気信号を変化させるように設計されている微細デバイスで構成される。一実施態様では、各検出器１２５６は、検出器１２５６を通過する流体が含有する細胞又は粒子の特性、数又はその両方を検出する細胞／粒子センサで構成される。例えば、一実施態様では、検出器１２５６は、異なるサイズの粒子又は細胞が狭窄部１２６０を流れて狭窄部１２６０内の電場あるいは狭窄部１２６０を横断する電場のインピーダンスに影響を与えることによって引き起こされる電気インピーダンスの変化に基づいた信号を出力する電気センサで構成される。一実施態様では、センサ（検出器１２５６）は、狭窄部１２６０内のチャネル１２４６の表面内部に形成されるか、あるいは同表面内に一体形成されて帯電する高電位側電極と低電位側電極とを備える。一実施態様では、低電位側電極は電気的に接地されている。別の実施態様では、低電位側電極は低電位側浮遊電極で構成される。本開示の目的上、低電位側「浮遊」電極という用語は、接続アドミタンスがいずれもゼロである電極を指す。換言すれば、浮遊電極は非接続状態に有り、他の回路に接続されることも接地されることもない。いくつかの実施態様においては、検出器１２５６を省略することもできる。

ライトガイド１２４０は、インターフェース１３２０から光を受光して、光又は電磁放射線を各試験セル１２３０のマイクロ流体チャネルに順次透過させるための光案内誘導構造を備える。図示の例では、カセット１０１０をインターフェース１３２０のポート１２０４に挿入すると、インターフェース１３２０の光源がカセット１０１０の各ライトガイド１２４０と位置合わせされる。図示の例では、ライトガイド１２４０がそのような分岐チャネル１２４６のすべてを横切って延在するように、各試験セル１２３０は十分に相互整列されており、これにより、光又は電磁放射線を各セル１２３０に供給して各セル１２３０に収容された流体と相互作用させて、フォトセンサ１２５２によって検出させるようにしている。１つのライトガイド１２４０で複数のセル１２３０のすべてに対して電磁放射線又は光を供給しているため、チップ１１３０上の領域の使用面積が抑えられ、チップ１１３０及びカセット１０１０をより小型化することができる。さらに、単一のライトガイド１２４０を用いて別個の試験セル１２３０のすべてに光を供給することによって、カセット１０１０の複雑性やコストも低減することができる。

図示の例では、ライトガイド１２４０は、各試験セル１２３０の関連付けられた分岐チャネル１２４６を横切って直線的に延在する導波パイプ又は光パイプで構成される。他の実施態様においては、ライトガイド１２４０は、流体試験セル１２３０を次々に通過するように延在していれば、蛇行形状に延びていても、あるいは屈曲形状又は弓形状に延びていてもよい。

以上、例示的な実施態様を参照して本開示を説明したが、当業者であれば、特許請求している趣旨及び範囲から逸脱することなく形態や細部を改変できることを理解するであろう。例えば、それぞれが１つ以上の利益をもたらす１つ以上の特徴を含むものとして異なる例示的な実施態様を記載している場合があるが、上述の例示的な実施態様あるいは他の代替的な実施態様において、上述の特徴を相互に入れ換えたりあるいは異なる組み合わせとしたりすることができることが企図されている。本開示の技術は比較的複雑であるため、本技術の改変のすべてを予見することはできない。例示的な実施態様を参照して説明しかつ添付の特許請求の範囲に示す本開示は、可能な限り広義に取るべきことが明白に意図されている。例えば、特に明記しない限り、特定の要素を単数形で記載する請求項は、同特定要素の複数形も包含するものである。

Claims (15)

1. スロットを形成した本体と、
   前記スロットの長さに沿って配置される複数の試験セルであって、各試験セルが
   前記スロットから延びるマイクロ流体チャネルと、
   前記スロットから前記チャネルに流体を移送するためのポンプと、
   流体が通過して前記チャネルから出る排出通路と、
   前記排出通路を介して前記チャネルから流体を排出する流体排出装置と、
   フォトセンサとを備える試験セルと、
   外部光源から光を受光して、その光を前記試験セルの前記マイクロ流体チャネルのすべてに順次透過させるためのライトガイドと
   を備える装置。
2. 前記ライトガイドが前記マイクロ流体チャネルを横切って延在している、請求項１に記載の装置。
3. 前記試験セルが前記スロットの一側面上に配置されている、請求項１に記載の装置。
4. 前記ポンプがサーマルインクジェット抵抗型慣性ポンプで構成される、請求項１に記載の装置。
5. 前記流体排出装置がサーマルインクジェット抵抗を備える、請求項１に記載の装置。
6. 前記セルのそれぞれが流体タグ付け器をさらに備える、請求項１に記載の装置。
7. 前記流体タグ付け器のそれぞれが異なるタグ材でタグ付けを行う、請求項６に記載の装置。
8. カセットインターフェースに着脱可能に接続するためのプラグ部を有する本体と、
   試験中の流体を受けるための前記本体内のスロットと、
   前記スロットの長さに沿って配置される複数の試験セルであって、各試験セルが
   前記スロットから延びるマイクロ流体チャネルと、
   前記スロットから前記チャネルに流体を移送するためのポンプと、
   流体が通過して前記チャネルから出る排出ノズルと、
   前記ノズルを介して前記チャネルから流体を排出する流体排出装置と
   フォトセンサとを備える試験セルと、
   前記プラグ部に接し且つ前記プラグ部から延在するライトガイドであって、前記カセットインターフェースから光を受光して、その光を前記試験セルの前記マイクロ流体チャネルのすべてに順次透過させるためのライトガイドと
   を備える流体試験カセット。
9. 流体試験カセットを前記カセットインターフェースに電気的に接続するための複数の電気接点を前記プラグ部上にさらに備える、請求項８に記載の流体試験カセット。
10. 前記プラグ部が前記カセットインターフェースのポートに着脱可能に受容される、請求項８に記載の流体試験カセット。
11. 前記ライトガイドが、前記カセットインターフェースからの光を前記試験セルのそれぞれの前記マイクロ流体チャネルに順次透過させる、請求項８に記載の流体試験カセット。
12. 前記ポンプがサーマルインクジェット抵抗型慣性ポンプで構成される、請求項８に記載の流体試験カセット。
13. 前記流体排出装置がサーマルインクジェット抵抗を備える、請求項８に記載の流体試験カセット。
14. 流体サンプルを本体のスロットに入れることと、
    前記スロットの長さに沿って配置される複数の試験セルの複数のチャネルのそれぞれに前記スロット内の前記流体サンプルの一部を圧送することと、
    外部光源からの光を前記複数のチャネルのすべてを順次横切るように透過させることと、
    前記複数のチャネルのそれぞれの内部にある前記流体サンプルの前記一部と前記透過光との相互作用を感知することと、
    前記流体サンプルの前記一部を前記複数のチャネルのそれぞれから放出することと
    を含む方法。
15. 前記複数のチャネルのそれぞれの内部にある前記流体サンプルの前記一部に含まれる細胞の数を特定することと、
    前記複数のチャネルのそれぞれの内部にある前記流体サンプルの前記一部に含まれる細胞の前記特定した数に基づいて、前記スロットから前記流体サンプルの追加流体を前記複数のチャネルのそれぞれに圧送することと
    をさらに含む請求項１４に記載の方法。

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