JP2022515782A - 分子診断のための装置および方法 - Google Patents

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Abstract

本開示は、分子診断のための装置および方法に関する。特定の態様は、ハウジングの第一端に近い第一の位置から、ハウジングの第二端に近い第二の位置へ、そしてハウジングの第一端に近い第一の位置に戻るサイクルを繰り返すピストンを含む。いくつかの態様において、本開示は、ピストンを含まない、分子診断のためのデバイス、方法、およびシステムに関する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2018年12月19日に出願された米国特許仮出願第62/781,735号への優先権を主張する。同出願の内容全体が参照により本明細書に組み入れられる。
A. 分野
本開示は分子診断のための装置および方法に関する。より具体的には、本開示は、ポイント・オブ・ケア診断を提供することができるポータブルデバイスによる分子診断の実施に関する。
B. 関連技術
分子診断は、疾患、障害、または他の遺伝的健康関連状態の早期検出をはじめとする数多くの恩恵を提供することができる。多くの分子診断技術が、生体標本（例えば、血液、唾液、または本明細書に開示される他の物質）から抽出され、増幅された特定の核酸、すなわちデオキシリボ核酸（DNA）とリボ核酸（RNA）の両方の検出および同定に基づく。したがって、分子診断は数多くの恩恵を提供するが、一般的な分子診断デバイスは複雑かつ高価であり、ポータブルではなく、試料調製、分析などのためにさらなる機器および専門知識を要求する。
一般的なデバイスと関連する障壁にもかかわらず、分子診断検査は、ヘルスケアサービスを改善し、患者転帰を改善し、患者ケアを個別化する潜在能力を秘めている。上記を考慮すると、ポイント・オブ・ケア使用に適したスタンドアロン型の安価で使いやすいポータブルデバイスによって提供される分子診断の必要性がある。
簡潔にいうと、本開示は、流体に2つ以上の温度の間のサイクルを繰り返させるように2つ以上の位置の間を動くピストンを含む、分子診断のためのデバイス、方法、およびシステムを提供する。いくつかの態様において、本開示は、ピストンを含まない、分子診断のためのデバイス、方法、およびシステムを提供する。
特定の態様は、分子診断を実施するための装置であって、第一端および第二端を含むハウジングと；ハウジング内に配置されたピストン；ハウジングの第一端の近くに配置された第一の熱源；ならびに、第一の位置と、ハウジングの第二端に近い第二の位置との間、そしてハウジングの第一端に近い第一の位置に戻るサイクルで、ピストンを動かすように構成されているアクチュエータを含む、装置を含む。いくつかの態様において、アクチュエータは、ピストン第一の位置と第二の位置との間のサイクルを複数回にわたって繰り返させた後、当該繰り返しプロセスの完了時に第一の位置または第二の位置のいずれかでピストンを止め得る。特定の態様において、サイクル中、流体の少なくとも一部分はピストンとは反対方向に動く。特定の態様において、検出モジュールは、分析物からの応答を、増幅中にリアルタイムで検出する。特定の態様において、検出モジュールは、増幅サイクル中に分析物からの応答を検出する。いくつかの態様において、増幅サイクルは可変長を有する。
いくつかの態様は、ハウジングの第二端の近位にある第二の熱源をさらに含む。特定の態様において、第一の熱源は、第一の加熱コイルに電流が印加されるとハウジングの第一端の温度を高めるように構成されている第一の加熱コイルを含み；第二の熱源は、第二の加熱コイルに電流が印加されるとハウジングの第二端の温度を高めるように構成されている第二の加熱コイルを含む。特定の態様は、ハウジングに挿入されるように構成されている反応チャンバインサートまたはカートリッジをさらに含む。特定の態様において、使用中、反応チャンバインサートは反応流体を含有する。いくつかの態様において、使用中、反応流体はピストンおよびハウジングと接触しない（例えば、ライナ、インサート、または他の中間材料が使用されるとき）。特定の態様において、ハウジングは、熱サイクル処理（thermal cycling）によって核酸配列を複製（すなわち増幅）するように構成されている流体を含む。特定の態様において、核酸はDNAまたはRNAまたはXNAである。
特定の態様において、ピストンは、該ピストンが第一の位置にあるときに、流体の少なくとも一部分をハウジングの第二端へと方向付けるように構成されており；ピストンは、該ピストンが第二の位置にあるときに、流体の少なくとも一部分をハウジングの第一端へと方向付けるように構成されている。いくつかの態様において、流体は、（例えば、定性、定量、もしくは半定量PCR、RT-PCR、または他の熱サイクル処理もしくは等温技術による）増幅または複製のための試薬を含む。いくつかの態様において、流体は、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）試薬、例えば、逆転写酵素ポリメラーゼ連鎖反応（RT-PCR）、マルチプレックスPCR、ネステッドPCR、非対称PCR、ホットスタートPCR、メチル化特異的PCR、対立遺伝子特異的PCR、アセンブリPCR、対流PCR、ダイヤルアウトPCR、デジタルPCR、ヘリカーゼ依存性増幅、インシリコPCR、配列間特異的PCR、インバースPCR、ライゲーション媒介PCR、ミニプライマーPCR、マルチプレックスライゲーション依存性プローブ増幅、ナノ粒子支援PCR、オーバラップエクステンションPCR、PAN-AC、RNA H依存性PCR、単一特異的プライマーPCR、固相PCR、自殺PCR、熱非対称インタレースPCR、等温PCR、タッチダウンPCR、ユニバーサルファストウォーキングPCR、エクストリームPCR、フォトニックPCR、コールドPCR、またはヒートパルスエクステンションPCRのための試薬を含む。特定の態様は、流体に含まれる1つまたは複数の分析物に光を照射するように構成されている光照射モジュールをさらに含む。特定の態様は、流体に含まれる1つまたは複数の分析物からの応答を検出するように構成されている検出モジュールをさらに含む。特定の態様は、アクチュエータおよび第一の熱源を制御するように構成されている制御装置をさらに含む。他の特定の態様は、複数の熱源を制御するように構成されている制御装置をさらに含む。
いくつかの態様において、制御装置は、ハウジングの第一端の近位にある流体を約85～100℃、例えば85～90℃または90～99℃の温度に加熱するように第一の熱源を制御し；ハウジングの第二端の近位にある流体を約50～75℃、例えば約55～70℃の温度に加熱するように第二の熱源を制御し；第一の位置から第二の位置へ、そして第一の位置に戻るサイクルを、約20～60サイクル、例えば約25～55サイクルにわたって、ピストンに繰り返させるように構成されている。いくつかの態様において、制御装置は、ハウジングの第一端の近位にある流体を約92～98℃の温度に加熱するように第一の熱源を制御し；ハウジングの第二端の近位にある流体を約60～65℃の温度に加熱するように第二の熱源を制御し；第一の位置から第二の位置へ、そして第一の位置に戻るサイクルを、約30～50サイクルにわたってピストンに繰り返させるように構成されている。いくつかの態様において、制御装置は、ハウジングの第一端の近位にある流体を約92℃、約93℃、約94℃、約95℃、約96℃、約97℃、または約98℃の温度に加熱するように第一の熱源を制御し；ハウジングの第二端の近位にある流体を約60℃、約61℃、約62℃、約63℃、約64℃、または約65℃の温度に加熱するように第二の熱源を制御し；第一の位置から第二の位置へ、そして第一の位置に戻るサイクルを、約30～35サイクル、約35～40サイクル、約40～45サイクル、または約45～50サイクルにわたって、ピストンに繰り返させるように構成されている。特定の態様において、アクチュエータは、少なくとも1つのコイルと；ピストン内に配置された磁気要素とを含み、少なくとも1つのコイルは、少なくとも1つのコイルに電流が印加されると磁気要素に力を及ぼすように構成されている。
いくつかの態様において、制御装置は、ハウジングの第一端の近位にある流体を、1サイクルまたは複数サイクルの間は初期温度90℃～99℃に加熱し、前述の1サイクルまたは複数サイクルの後は平均温度約78℃～98℃に加熱するように、第一の熱源を制御し、ハウジングの第二端の近位にある流体の少なくとも一部分を平均温度約34℃～75℃に加熱するように第二の熱源を制御し、第一の位置と第二の位置の間のサイクルを少なくとも5～10サイクルにわたってピストンに繰り返させるように構成されている。いくつかの態様において、ピストンは、第一の位置と第二の位置との間のサイクルを、少なくとも3サイクル、例えば、4サイクル、5サイクル、6サイクル、7サイクル、8サイクル、9サイクル、10サイクル、11サイクル、12サイクル、13サイクル、14サイクル、15サイクル、またはより多くのサイクルにわたって繰り返す。いくつかの態様において、制御装置は、ハウジングの第一端の近位にある流体を、1サイクルまたは複数サイクルの間、90℃～99℃（例えば、90℃、91℃、92℃、93℃、94℃、95℃、96℃、97℃、98℃、または99℃）の初期温度に加熱し、前述の1サイクルまたは複数サイクルの後、約78℃～98℃（例えば、約78℃～80℃、約80℃～85℃、約85℃～90℃、約90℃～95℃、または約95℃～98℃）の平均温度に加熱するように第一の熱源を制御し、ハウジングの第二端の近位にある流体の少なくとも一部分を約34℃～75℃（例えば、約34℃～40℃、約40℃～45℃、約45℃～50℃、約50℃～55℃、約55℃～60℃、約60℃～65℃、約65℃～70℃、または約70℃～75℃）の平均温度に加熱するように第二の熱源を制御し、第一の位置と第二の位置の間のサイクルを、少なくとも5～10サイクルにわたってピストンに繰り返させるように構成されている。いくつかの態様において、ピストンは、第一の位置と第二の位置の間のサイクルを、少なくとも3サイクル、例えば、4サイクル、5サイクル、6サイクル、7サイクル、8サイクル、9サイクル、10サイクル、11サイクル、12サイクル、13サイクル、14サイクル、15サイクル、またはより多くのサイクルにわたって繰り返す。いくつかの態様において、温度範囲は、標的核酸のヒストンアセチル化またはメチル化に基づいて最適化されることができる。他の態様において、温度範囲は、塩基対合ダイナミクス、例えば塩基対のGC含量または示差的シーケンシングに基づいて最適化されることができる（いずれも参照により本明細書に組み入れられる、Lorenz, Polymerase Chain Reaction: Basic Protocol Plus Troubleshooting and Optimization Strategies, J Vis Exp. 2012; (63): 3998; Roux, Optimization and troubleshooting in PCR, Cold Spring Harb Protoc. 2009；Robertson J.M., Walsh-Weller J. (1998) An Introduction to PCR Primer Design and Optimization of Amplification Reactions. In: Lincoln P.J., Thomson J. (eds) Forensic DNA Profiling Protocols. Methods in Molecular Biology, vol 98. Humana Press）。
特定の態様において、アクチュエータは、ハウジングの第一端の近位にある第一のコイルと；ハウジングの第二端の近位にある第二のコイルと；ハウジング内に配置された第一の磁気要素と；ハウジング内に配置された第二の磁気要素とを含み、第一のコイルは、第一のコイルに電流が印加されると第一の磁気要素に第一の力を及ぼすように構成され；第二のコイルは、第二のコイルに電流が印加されると第二の磁気要素に第二の力を及ぼすように構成されている。いくつかの態様において、第二の磁気要素は存在せず、第一および第二のコイルは、ピストン内に配置されていてもピストンに結合されていてもよい第一の磁気要素に第一および第二の力を及ぼすように構成されることができる。他の態様において、第二の磁気要素は存在せず、第一の磁気コイルは、ピストン内に配置されていてもピストンに結合されていてもよい第一の磁気要素に第一の力を及ぼすこともできるし、あるいはまた、例えば、Hブリッジもしくは類似の電磁素子の極性の逆転を介して、第一および第二の磁気要素に第一の力を及ぼすこともできる。他の態様において、コイルから加えられる力は、ハウジング内の要素に作用し得、要素は、例えばピストンが複数の区分または顆粒を含むならば、2つよりも多い部分から形成されている。特定の態様において、第一のコイルは、第一のコイルに電流が印加されるとハウジングの第一端の温度を高めるように構成され；第二のコイルは、第二のコイルに電流が印加されるとハウジングの第二端の温度を高めるように構成されている。特定の態様において、温度は、電流を減らす、または断絶することによって加減する（例えば減らす）ことができる。いくつかの態様はさらに、ハウジングと流体連通しているインプットポートを含む。特定の態様において、インプットポートは、試料を前進させる構成されている、収集ピストン、ロッドアセンブリ、またはプランジャを含む。特定の態様において、ハウジングは、凍結乾燥されたペレットを含む。他の態様において、部分真空または完全真空などの圧力差を用いて、ときにはプランジと同調させながら、試料を前進させる。他の態様において、装置は、残留空気がチャンバから逃げることを可能にする弁または側面を含む。いくつかの局面において、ロッドアセンブリまたはプランジャは、回転する、ねじ経路をたどる、または回転運動を滑りもしくは直線経路に変換するための機械的リンク機構のカムシャフトもしくは他の部品によって動かされる。いくつかの態様において、アクチュエータは、1つまたは複数の要素、例えば圧電素子、スターリングエンジン、メモリーワイヤ、アクチュエータワイヤまたはニチノール、すなわちニッケルチタン合金から作られた細いワイヤ（マッスルワイヤ）を含み、電流が要素に加えられたとき、または温度勾配が要素に加えられたとき、要素に第一の力を及ぼすように構成されている。
特定の態様において、ピストンは外径を有し；ハウジングまたはチャンバは内径を有し；ハウジングの内径に対するピストンの外径の比は0.90～0.999である。いくつかの態様において、ハウジングの内径に対するピストンの外径の比は、0.90～0.91、0.91～0.92、0.93～0.94、0.94～0.95、0.95～0.96、0.96～0.97、0.97～0.98、または0.98～0.999である。いくつかの態様において、ピストンは、流体の通過を可能にし得るチャネルを含む。特定の態様において、チャネルは、0.3mm～2mmであることができる直径を有する中央キャピラリーチャネルである。いくつかの態様において、チャネルは、約0.2mm未満または約0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm、2mmまたはより大きい直径を有する。特定の態様において、チャネルは、1mmから、任意で、大量射出成形によって達成可能な最小実現可能直径によって下限を画定される直径、例えば0.2mmまでの直径を有する中央キャピラリーチャネルである。いくつかの態様において、ピストンの直径は、大量生産射出成形技術を使用し得るよう、低い精度を許容する。具体的には、いくつかの態様において、ハウジングの内径の許容差は、±1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20ミルであるか、またはそれより大きい。いくつかの態様において、ピストンの外径の許容差は、±1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20ミルであるか、またはそれより大きい。
特定の態様は、核酸配列を複製（すなわち増幅）するための流体を熱サイクル処理する方法であって、ハウジング内に配置されたピストンをハウジングの第一端からハウジングの第二端へ動かす工程（流体がハウジング内に配置され、流体は、核酸を複製するための成分を含む）；ハウジング内の流体の少なくとも一部分をハウジングの第二端からハウジングの第一端へ移動させる工程；流体の温度を、第一の期間、第一の平均温度範囲に制御する工程；ピストンをハウジングの第二端からハウジングの第一端へ動かす工程；流体を、ハウジング内のピストンの位置とは反対に、ハウジングの第二端からハウジングの第一端へ移動させる工程；および流体の温度を、第二の期間、第二の平均温度範囲に制御する工程を含む方法を含む。
方法の特定の態様において、ピストンはチャネルを含み；ハウジング内の流体をハウジングの第二端からハウジングの第一端へ移動させる工程は、流体の少なくとも一部分をチャネルに通して方向付けることを含む。特定の態様において、ピストン中のチャネルは中央チャネルである。いくつかの態様において、ハウジング（本明細書中、チャンバまたはシリンダと呼ばれることもある）内に配置されたピストンをハウジングの第一端からハウジングの第二端へ動かす工程は、コイルに電流を印加し、ハウジング内に配置された磁気要素に力を及ぼすことを含む。特定の態様において、コイルは、ハウジングの第一端の近位にある第一のコイルであり；磁気要素は、ピストンとハウジングの第一端との間に配置された第一の磁気要素であり；ハウジング内に配置されたピストンをハウジングの第二端からハウジングの第一端へ動かす工程は、ハウジングの第二端の近位にある第二のコイルに電流を印加し、ピストンとハウジングの第二端との間に配置された第二の磁気要素に力を及ぼすことを含む。
方法の特定の態様において、流体の温度を、第一の期間、第一の温度範囲に制御する工程は、ハウジングの第一端の近位にある第一の加熱コイルに電流を印加することを含み；流体の温度を、第二の期間、第二の温度範囲に制御する工程は、ハウジングの第二端の近位にある第二の加熱コイルに電流を印加することを含む。第一の温度範囲は約90℃～100℃（例えば、約90℃、91℃、92℃、93℃、94℃、95℃、96℃、97℃、98℃、99℃、または100℃）であり得、第二の温度範囲は約50～75℃（例えば、約50～55℃、約55～60℃、約60～65℃、約65～70℃、または約70～75℃）であり；第一の期間は約2秒未満または約2～10秒（例えば、2、3、4、5、6、7、8、9、または10秒）であり；第二の期間は5秒未満または約5～15秒（例えば、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、または15秒）である。第一の温度範囲は約92～98℃であり、第二の温度範囲は約60～65℃であり；第一の期間は2秒未満または2秒未満または2秒未満または約4～6秒（または、いくつかの態様においては、6～10秒、10～15秒、15～20秒、20～25秒、25～30秒、またはより長い期間）であり；第二の期間は約8～12秒（または、いくつかの態様においては、4～8秒、12～15秒、15～20秒、20～25秒、25～30秒、またはより長い期間）である。いくつかの態様において、ピストンは、第一の位置から第二の位置へ、そして第一の位置に戻るサイクルを、約2～15サイクル、約20～60サイクル（例えば、約20～25サイクル、約25～30サイクル、約30～35サイクル、約35～40サイクル、約40～45サイクル、約45～50サイクル、約50～55サイクル、および約55～60サイクル）にわたって繰り返す。方法の特定の態様において、ピストンは、第一の位置から第二の位置へ、そして第一の位置に戻るサイクルを、約30～50サイクルにわたって繰り返す。
特定の態様は、生体試料を分析する方法であって、生体試料を上記の（または本明細書に記載の他の）診断装置内に配置する工程；生体試料を溶解する工程；生体試料に試薬を導入する工程；診断装置を作動させて、溶解した生体試料を熱サイクル処理する工程を含み、診断装置が、第一端および第二端を含むハウジング；ハウジング内に配置されたピストン；ハウジングの第一端の近位にある第一の熱源；ハウジングの第二端の近位にある第二の熱源；および、ハウジングの第一端に近い第一の位置から、ハウジングの第二端に近い第二の位置へ、そしてハウジングの第一端に近い第一の位置に戻るようにピストンを動かすように構成されているアクチュエータを含む、方法を含む。特定の態様において、試薬は、生体試料中の核酸を複製するための試薬を含む。
方法の特定の態様において、診断装置を作動させて生体試料を熱サイクル処理する工程は、ハウジング内に配置されたピストンをハウジングの第一端からハウジングの第二端に向けて動かすこと；生体試料および試薬の少なくとも一部分を、ピストンの位置から反対に、ハウジングの第二端からハウジングの第一端へ移動させること；ハウジング内に配置されたピストンをハウジングの第二端からハウジングの第一端に向けて動かすこと；および生体試料および試薬の少なくとも一部分をハウジングの第一端からハウジングの第二端へ移動させること；ハウジング内に配置されたピストンをハウジングの第一端からハウジングの第二端に向けて動かすこと；および生体試料および試薬の少なくとも一部分をハウジングの第二端からハウジングの第一端へ移動させることを含み、ハウジングの第一端は第一の平均温度範囲内の温度に制御され；ハウジングの第二端は第二の平均温度範囲内の温度に制御される。
方法の特定の態様において、ピストンはチャネルを含み；ハウジング内の流体をハウジングの第二端からハウジングの第一端へ移動させる工程は、流体の少なくとも一部分をチャネルに通して第一の方向へと方向付けることを含み；ハウジング内の流体の少なくとも一部分をハウジングの第一端からハウジングの第二端へ移動させる工程は、流体の少なくとも一部分をチャネルに通して、第一の方向とは異なる第二の方向へと方向付けることを含む。特定の態様において、ピストン中のチャネルは中央チャネルである。いくつかの態様において、ハウジング内に配置されたピストンをハウジングの第一端からハウジングの第二端に向けて動かす工程は、コイルに電流を印加し、ハウジング内に配置された磁気要素に力を及ぼすことを含む。
方法の特定の態様において、コイルは、ハウジングの第一端の近位にある第一のコイルであり；磁気要素は、ピストンおよびハウジングの第一端の中またはピストンとハウジングの第一端との間に配置された第一の磁気要素であり；ハウジング内に配置されたピストンをハウジングの第二端からハウジングの第一端に向けて動かす工程は、ハウジングの第二端の近位にある第二のコイルに電流を印加し、ピストンおよびハウジングの第二端の中またはそれらの間に配置された第二の磁気要素に力を及ぼすことを含む。特定の態様において、ハウジングの第一端の温度を制御する工程は、ハウジングの第一端の近位にある第一の加熱コイルに電流を印加することを含み；ハウジングの第二端の温度を制御する工程は、ハウジングの第二端の近位にある第二の加熱コイルに電流を印加することを含む。
方法の特定の態様において、第一の温度範囲は、生体試料および試薬を、約90℃～100℃（例えば、約90℃、91℃、92℃、93℃、94℃、95℃、96℃、97℃、98℃、99℃、または100℃）の第一の試料平均温度に加熱するのに十分であり；第二の平均温度範囲は、生体試料および試薬を、約34～75℃（例えば、約34～40℃、約40～45℃、約50～55℃、約55～60℃、約60～65℃、約65～70℃または約70～75℃）の第二の試料平均温度に加熱するのに十分であり；生体試料および試薬の少なくとも一部分は第一の試料温度付近で約2～10秒間（例えば、3、4、5、6、7、8、9、または10秒間）維持され；生体試料および試薬は第二の試料平均温度で約5～15秒間（例えば、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、または15秒間）維持される。いくつかの態様において、生体試料および試薬は、第一の試料平均温度から第二の試料平均温度へ、そして第一の試料平均温度に戻るサイクルを、約20～60サイクル（例えば、約20～25サイクル、約25～30サイクル、約30～35サイクル、約35～40サイクル、約40～45サイクル、約45～50サイクル、約50～55サイクルおよび約55～60サイクル）にわたって繰り返す。
方法の特定の態様において、第一の温度範囲は、生体試料および試薬を約92～98℃の第一の試料平均温度に加熱するのに十分であり；第二の平均温度範囲は、生体試料および試薬を約60～65℃の第二の試料平均温度に加熱するのに十分であり；生体試料および試薬の少なくとも一部分は第一の試料温度で約4～6秒間（または、いくつかの態様においては、6～10秒、10～15秒、15～20秒、20～25秒、25～30秒、またはより長い期間）維持され；生体試料および試薬は第二の試料平均温度で約8～12秒間（または、いくつかの態様においては、4～8秒、12～15秒、15～20秒、20～25秒、25～30秒、またはより長い期間）維持される。いくつかの態様において、生体試料および試薬は、第一の試料平均温度から第二の試料平均温度へ、そして第一の試料平均温度に戻るサイクルを、約30～50サイクルにわたって繰り返す。
特定の態様は、生体試料を分析する方法であって、生体試料を診断装置内に配置する工程；所定体積の生体試料を所定体積の流体と混ぜ合わせて、所定体積の生体試料・流体混合物を生成する工程；および診断装置を作動させて生体試料・流体混合物を熱サイクル処理する工程を含み、診断装置が、ピストンチャンバを含むハウジングと；ピストンチャンバ内に配置されたピストンと；ピストンチャンバの近位にある第一の熱源と；ピストンを、第一の熱源に近い第一の位置と、第一の熱源から遠い第二の位置との間で動かすように構成されているアクチュエータとを含む、方法を含む。
いくつかの態様において、ハウジングは第一端および第二端を含み；ピストンの第一の位置はハウジングの第一端に近く；ピストンの第二の位置はハウジングの第二端に近い。特定の態様において、診断装置内に配置された生体試料の体積は、生体試料を診断装置内に配置する前には測定されない。特定の態様において、流体は、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）試薬または逆転写酵素ポリメラーゼ連鎖反応（RT-PCR）試薬を含む。特定の態様において、流体は溶解剤および／または希釈剤を含む。いくつかの態様において、所定体積の生体試料は圧力差によって所定体積の流体に導入される。特定の態様において、所定体積の流体は所定体積の生体試料よりも高い圧にある。
特定の態様において、所定体積の流体は所定体積の生体試料よりも低い圧にある。特定の態様において、所定体積の流体は、ユーザによって提供される手動力によって所定体積の生体試料に導入される。いくつかの態様において、所定体積の流体は電力なしで所定体積の流体に導入される。特定の態様において、所定体積の生体試料は電力なしで所定体積の流体に導入される。特定の態様において、所定体積の生体試料はねじ部品の回転によって所定体積の流体に導入される。特定の態様において、診断装置は収集チャンバを含み；生体試料を診断装置内に配置する工程は、収集チャンバ中に唾を吐くことを含む。いくつかの態様において、診断装置は収集チャンバを含み；生体試料を診断装置内に配置する工程は、収集チャンバ中にスワブを配置することを含む。特定の態様において、スワブは希釈液を含有する。
特定の態様は、ピストンチャンバを含むハウジングと；ピストンチャンバ中に位置するピストンと；ピストンチャンバの近位にある第一の熱源と；ピストンを、第一の熱源に近い第一の位置と、第一の熱源から遠い第二の位置との間で動かすように構成されているアクチュエータと；ハウジングに結合されたロッドアセンブリとを含み、ロッドアセンブリが試料チャンバおよび流体チャンバを含み；ロッドアセンブリが第一の位置にあるとき試料チャンバがピストンチャンバと流体連通し；ロッドアセンブリが第二の位置にあるとき流体チャンバがピストンチャンバと流体連通し；ロッドアセンブリが第三の位置にあるとき試料チャンバおよび流体チャンバがピストンチャンバと流体連通しない、装置を含む。
特定の態様において、ハウジングは第一端および第二端を含み；ピストンの第一の位置はハウジングの第一端に近く；ピストンの第二の位置はハウジングの第二端に近い。いくつかの態様において、ピストンチャンバは真空下にある。特定の態様はさらに、生体試料を収集するように構成されている収集チャンバを含む。特定の態様はさらに、収集チャンバ中の生体試料を検出するように構成されているセンサを含む。特定の態様において、センサは光学センサである。いくつかの態様において、センサは電気伝導度の変化を検出する。特定の態様において、装置は、センサが収集チャンバ中の生体試料を検出したとき、ロッドアセンブリを自動的に動かす。特定の態様において、ロッドアセンブリはハウジングにねじ結合されている。特定の態様において、ロッドアセンブリは、ロッドアセンブリの少なくとも一部分を回すことにより、第一の位置から第二の位置および第三の位置へ動かすことができる。
特定の態様は、熱サイクル処理によって核酸を増幅するように構成されている流体を含むチャンバと；流体に含まれる分析物に光を照射するように構成されている光源と；光検出器とを含み、光源とチャンバとの間の最大距離が2.0cm以下である、装置を含む。いくつかの態様において、光源とチャンバとの間の最大距離は1.0cm以下またはより具体的には0.5cm以下である。特定の態様において、分析物はチャンバの表面に結合している。いくつかの態様において、装置は、光源からチャンバへの光路を含み、光路は2.0cm以下である。特定の態様において、光路は1.0cm以下またはより具体的には0.5cm以下である。
特定の態様において、光検出器は0.0025％～0.025％またはより具体的には0.005％～0.0125％の光学効率を有する。いくつかの態様において、光源は、コリメーティングレンズなしで流体に光を照射するように構成されている。特定の態様において、光検出器は、コリメーティングレンズなしで光を検出するように構成されている。特定の態様において、装置はコリメーティングレンズを含まない。特定の態様において、光源は、ダイクロイックミラーなしで流体に光を照射するように構成されている。特定の態様において、光源は、ミラーなしで流体に光を照射するように構成されている。いくつかの態様において、光検出器は、流体に含まれる分析物からのシグナル光を検出するように構成され；光検出器は、シグナル光が存在しないときにはバックグラウンド光を検出するように構成され；シグナル光：バックグラウンド光の比は少なくとも1.5：1である。特定の態様において、シグナル光：バックグラウンド光の比は少なくとも2：1または少なくとも5：1または少なくとも100：1または少なくとも1000：1である。特定の態様において、光検出器は、光検出器によって検出された光に応答して電流を発生させるように構成されている。
特定の態様において、光検出器によって発生する電流は、シグナル光に応答するシグナル電流を含み；光検出器によって発生する電流は、バックグラウンド光に応答する暗電流を含み；シグナル電流：バックグラウンド電流の比は少なくとも1.5：1である。いくつかの態様において、シグナル電流：バックグラウンド電流の比は少なくとも2：1または少なくとも5：1または少なくとも100：1である。特定の態様において、核酸はデオキシリボ核酸（DNA）であり、特定の態様において、DNAは細菌DNAおよび／または病原体DNAである。特定の態様において、核酸はリボ核酸（RNA）である。特定の態様において、流体はポリメラーゼ連鎖反応（PCR）試薬または逆転写酵素ポリメラーゼ連鎖反応（RT-PCR）試薬を含む。いくつかの態様はさらに、チャンバ内に配置されたピストンを含む。特定の態様において、チャンバは第一端および第二端を含み；装置は、チャンバの第一端に近い第一の位置から、チャンバの第二端に近い第二の位置へ、そしてチャンバの第一端に近い第一の位置に戻るサイクルで、ピストンを動かすように構成されているアクチュエータを含み；ピストンは、第一の位置にあるとき、流体をチャンバの第二端へと方向付けるように構成され；ピストンは、第二の位置にあるとき、流体をチャンバの第一端へと方向付けるように構成されている。
特定の態様において、ピストンは、第一の位置にあるとき、流体をチャンバの第二端へと方向付けるように構成され；ピストンは、第二の位置にあるとき、流体をチャンバの第一端へと方向付けるように構成されている。
特定の態様は、熱サイクル処理によって核酸を増幅するように構成されている流体を含むチャンバと；流体に含まれる分析物に光を照射するように構成されている光源と；0.0025％～0.025％の光学効率を有する光検出器とを含む装置を含む。いくつかの態様において、検出器は0.005％～0.0125％の光学効率を有する。特定の態様において、光源とチャンバとの間の最大距離は2.0cm以下であり；光源は、コリメーティングレンズなしで流体に光を照射するように構成されている。特定の態様において、光源とチャンバとの間の最大距離は1.0cm以下またはより具体的には0.5cm以下である。特定の態様において、光源は、コリメーティングレンズダイクロイックミラーなしで流体に光を照射するように構成されている。
いくつかの態様において、光検出器は、流体に含まれる分析物からのシグナル光を検出するように構成され；光検出器は、シグナル光が存在しないときにはバックグラウンド光を検出するように構成され；シグナル光：バックグラウンド光の比は少なくとも1.5：1または少なくとも2：1または少なくとも5：1または少なくとも100：1または少なくとも1000：1である。特定の態様において、光検出器は、光検出器によって検出された光に応答して電流を発生させるように構成されている。特定の態様において、光検出器によって発生する電流は、シグナル光に応答するシグナル電流を含み；光検出器によって発生する電流は、バックグラウンド光に応答する暗電流を含み；シグナル電流：バックグラウンド電流の比は少なくとも1.5：1または少なくとも2：1または少なくとも5：1または少なくとも100：1である。特定の態様において、核酸はデオキシリボ核酸（DNA）であり、特定の態様において、DNAは細菌DNAおよび／または病原体DNAである。いくつかの態様において、核酸はリボ核酸（RNA）である。
特定の態様において、流体はポリメラーゼ連鎖反応（PCR）試薬または逆転写酵素ポリメラーゼ連鎖反応（RT-PCR）試薬を含む。いくつかの態様はさらに、チャンバ内に配置されたピストンを含む。特定の態様において、チャンバは第一端および第二端を含み；装置は、チャンバの第一端に近い第一の位置から、チャンバの第二端に近い第二の位置へ、そしてチャンバの第一端に近い第一の位置に戻るサイクルで、ピストンを動かすように構成されているアクチュエータを含み；ピストンは、第一の位置にあるとき、流体をチャンバの第二端へと方向付けるように構成され；ピストンは、第二の位置にあるとき、流体をチャンバの第一端へと方向付けるように構成されている。
特定の態様は、熱サイクル処理によって核酸を増幅するように構成されている流体を含むチャンバと；流体に含まれる分析物に光を照射するように構成されている光源と；光検出器とを含み、光源とチャンバとの間の最大距離が2.0cm以下であり、光検出器が、流体に含まれる分析物からのシグナル光を検出するように構成され；光検出器が、シグナル光が存在しないときにはバックグラウンド光を検出するように構成され；シグナル光：バックグラウンド光の比が少なくとも1.5：1であり；光検出器が0.0025％～0.025％の光学効率を有し；光源が、コリメーティングレンズまたはダイクロイックミラーなしで流体に光を照射するように構成され；チャンバが第一端および第二端を含む、装置であって；チャンバの第一端に近い第一の位置から、チャンバの第二端に近い第二の位置へ、そしてチャンバの第一端に近い第一の位置に戻るサイクルでピストンを動かすように構成されているアクチュエータを含み；ピストンが、第一の位置にあるとき、流体をチャンバの第二端へと方向付けるように構成され；ピストンが、第二の位置にあるとき、流体をチャンバの第一端へと方向付けるように構成されている、装置を含む。
特定の態様は、熱サイクル処理によって核酸を増幅するように構成されている流体を含むチャンバと；流体に含まれる分析物に光を照射するように構成されている光源と；光検出器とを含み、光検出器が、流体に含まれる分析物からのシグナル光を検出するように構成され；光検出器が、シグナル光が存在しないときにはバックグラウンド光を検出するように構成され；シグナル光：バックグラウンド光の比が少なくとも1.5：1であり；光検出器が0.0025％～0.025％の光学効率を有し；光源が、コリメーティングレンズまたはダイクロイックミラーなしで流体に光を照射するように構成され；チャンバが第一端および第二端を含む、装置であって；チャンバの第一端に近い第一の位置から、チャンバの第二端に近い第二の位置へ、そしてチャンバの第一端に近い第一の位置に戻るサイクルでピストンを動かすように構成されているアクチュエータを含み；ピストンが、第一の位置にあるとき、流体をチャンバの第二端へと方向付けるように構成され；ピストンが、第二の位置にあるとき、流体をチャンバの第一端へと方向付けるように構成されている、装置を含む。
特定の態様は、熱サイクル処理によって核酸を増幅するように構成されている流体を含むチャンバと；流体に含まれる分析物に光を照射するように構成されている光源と；光検出器とを含み、光源とチャンバとの間の最大距離が2.0cm以下であり、光検出器が、流体に含まれる分析物からのシグナル光を検出するように構成され；光検出器が、シグナル光が存在しないときにはバックグラウンド光を検出するように構成され；シグナル光：バックグラウンド光の比が少なくとも1.5：1であり；光源が、コリメーティングレンズまたはダイクロイックミラーなしで流体に光を照射するように構成され；チャンバが第一端および第二端を含む、装置であって；チャンバの第一端に近い第一の位置から、チャンバの第二端に近い第二の位置へ、そしてチャンバの第一端に近い第一の位置に戻るサイクルでピストンを動かすように構成されているアクチュエータを含み；ピストンが、第一の位置にあるとき、流体をチャンバの第二端へと方向付けるように構成され；ピストンが、第二の位置にあるとき、流体をチャンバの第一端へと方向付けるように構成されている、装置を含む。
特定の態様は、熱サイクル処理によって核酸を増幅するように構成されている流体を含むチャンバと；流体に含まれる分析物に光を照射するように構成されている光源と；光検出器とを含み、光源とチャンバとの間の最大距離が2.0cm以下であり、光検出器が、流体に含まれる分析物からのシグナル光を検出するように構成され；光検出器が、シグナル光が存在しないときにはバックグラウンド光を検出するように構成され；シグナル光：バックグラウンド光の比が少なくとも1.5：1であり；光検出器が0.0025％～0.025％の光学効率を有し；チャンバが第一端および第二端を含む、装置であって；チャンバの第一端に近い第一の位置から、チャンバの第二端に近い第二の位置へ、そしてチャンバの第一端に近い第一の位置に戻るサイクルでピストンを動かすように構成されているアクチュエータを含み；ピストンが、第一の位置にあるとき、流体をチャンバの第二端へと方向付けるように構成され；ピストンが、第二の位置にあるとき、流体をチャンバの第一端へと方向付けるように構成されている、装置を含む。
特定の態様は、熱サイクル処理によって核酸を増幅するように構成されている流体を含むチャンバと；流体に含まれる分析物に光を照射するように構成されている光源と；光検出器とを含み、光源とチャンバとの間の最大距離が2.0cm以下であり、光検出器が0.0025％～0.025％の光学効率を有し；光源が、コリメーティングレンズまたはダイクロイックミラーなしで流体に光を照射するように構成され；チャンバが第一端および第二端を含む、装置であって；チャンバの第一端に近い第一の位置から、チャンバの第二端に近い第二の位置へ、そしてチャンバの第一端に近い第一の位置に戻るサイクルでピストンを動かすように構成されているアクチュエータを含み；ピストンが、第一の位置にあるとき、流体をチャンバの第二端へと方向付けるように構成され；ピストンが、第二の位置にあるとき、流体をチャンバの第一端へと方向付けるように構成されている、装置を含む。
特定の態様は、熱サイクル処理によって核酸を増幅するように構成されている流体を含むチャンバと；流体に含まれる分析物に光を照射するように構成されている光源と；光検出器とを含み、光源とチャンバとの間の最大距離が2.0cm以下であり、光検出器が、流体に含まれる分析物からのシグナル光を検出するように構成され；光検出器が、シグナル光が存在しないときにはバックグラウンド光を検出するように構成され；シグナル光：バックグラウンド光の比が少なくとも1.5：1であり；光検出器が0.0025％～0.025％の光学効率を有し；光源が、コリメーティングレンズまたはダイクロイックミラーなしで流体に光を照射するように構成されている、装置を含む。
特定の態様は、可変体積の生体試料を受け入れ；単一のユーザ起動工程で、可変体積の生体試料を固定比で固定体積の希釈生体試料へと希釈し；希釈された生体試料を、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）における使用のために構成されている圧力容器に移すように構成されている試料収集デバイスを含む。
特定の態様は、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）を実施するように構成されている装置であって、ピストンを含む装置を含む。特定の態様は、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）を実施するように構成されている装置であって、ディスプレーサピストンを含む装置を含む。いくつかの態様は、ピストンが少なくとも1つのポリメラーゼ連鎖反応（PCR）試薬と物理的に接触する装置を含む。特定の態様は、少なくとも1つのポリメラーゼ連鎖反応（PCR）試薬と物理的に接触するディスプレーサピストンを含む装置を含む。特定の態様において、装置は、生体試料を受け入れ、単一のユーザ起動工程で、試料調製、熱サイクル処理ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）増幅、および検出（機械的ポンプまたはソレノイドを必要としない）を実施するように構成されている。
特定の態様は、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）からの蛍光シグナルを検出するように構成されている光学システムであって、蛍光シグナルを検出する前に放射計による校正を受けていない光学システムを含む。特定の態様は、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）からの蛍光シグナルを検出するように構成されている光学システムであって、ダイクロイックミラーを含まない光学システムを含む。いくつかの態様は、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）からの蛍光シグナルを検出するように構成されている光学システムであって、コリメーティングレンズを含まない光学システムを含む。特定の態様は、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）からの蛍光シグナルを検出するように構成されている光学システムであって、0.3％未満の光学効率を有する光学システムを含む。
特定の態様は、浮動小数点数学関数を使用することなくポリメラーゼ連鎖反応（PCR）産物の半定量検出を実施するように構成されている装置を含む。特定の態様は、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）からの蛍光シグナルの検出を実施するように構成されている装置であって、相対的な蛍光ベースラインとの比較を実施し；蛍光シグナルを検出する前に放射計による校正を受けていない装置を含む。いくつかの態様は、5分未満で核酸を検出するように構成されている装置を含む。特定の態様は、10分未満で核酸を検出するように構成されている装置を含む。特定の態様は、15分未満で核酸を検出するように構成されている装置を含む。
特定の態様は、核酸配列を検出する方法であって、放射計による校正を受けていない光学素子またはピストンを使用するPCRデバイス中に試料を受ける工程；および核酸配列に結合するために使用可能な1つまたは複数のマーキング剤で試料を処理し；試料を光源で照らし、マーキング剤によって放出される蛍光を測定し、測定に基づいて、試料が核酸配列を含むかどうかを判定することにより、試料が核酸配列を含むかどうかをRCRデバイスによって判定する工程を含む方法を含む。
いくつかの態様において、核酸配列は感染症と関連している。特定の態様において、核酸配列は遺伝子異常と関連している。特定の態様において、核酸配列は血液型と関連している。特定の態様において、核酸配列は遺伝子治療の標的と関連している。いくつかの態様において、核酸配列は脳しんとうと関連している。特定の態様において、試料は、生物から収集されたものであり、核酸配列はその生物の種の集団と関連し、方法は、試料が核酸配列を含むかどうかに基づいて、生物がその集団中にあるかどうかを判定する工程を含む。
特定の態様において、生物は非ヒト動物であり、集団は非ヒト動物の特定の品種である。特定の態様において、試料は患者と関連し、試料が核酸配列を含むかどうかを判定する工程は、患者に関して収集されたバイオメトリックデータを分析することを含む。いくつかの態様において、試料は犯罪捜査と関連している。特定の態様において、核酸配列は犯罪捜査の容疑者と関連している。特定の態様において、試料は身元不明の人物と関連している。特定の態様において、試料は特定の環境と関連し、核酸配列は、特定の環境への侵入生物種と関連している。いくつかの態様において、試料が核酸配列を含むかどうかを判定する工程は、PCRデバイスにより、遠隔デバイスと通信することなく実施される。特定の態様はさらに、判定する工程の結果を遠隔デバイスに送信する工程を含む。特定の態様において、PCRデバイスは32キロバイト（kB）未満の内部メモリを含む。特定の態様において、PCRデバイスは16キロバイト（kB）未満の内部メモリまたはより具体的には8キロバイト（kB）未満の内部メモリを含む。いくつかの態様において、PCRデバイスは、試料が核酸配列を含むかどうかを判定するとき、外部ソースからパワーを受けない。特定の態様において、試料および試薬は使い捨てカートリッジ内に含まれている。
本発明の他の目的、特徴および利点が以下の詳細な説明から明らかになるであろう。しかし、本発明の精神および範囲内の様々な変形および改変がこの詳細な説明から当業者に明らかになるため、詳細な説明および具体例は、本発明の特定の態様を示すが、例示として記されるだけであることが理解されるべきである。
本明細書中で別段の定めがない限り、本明細書中で使用されるすべての科学技術用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解される意味と同じ意味を有する。本明細書に記載されるものに類似する、または等価である任意の方法、デバイスおよび材料を本発明の実施または試験において使用することができるが、以下、例示的な方法、デバイスおよび材料を記載する。
本発明は、その特定の態様に関して説明されたが、これらの態様は単に例示的であり、本発明を限定するものではない。要約および発明の概要における説明を含む、本発明の例示される態様の本明細書における記載は、網羅的であることを意図したものでもないし、本発明を本明細書に開示されるとおりの形態に限定することを意図したものでもない（特に、要約または発明の概要に含まれる任意の特定の態様、特徴または機能は、本発明の範囲をそのような態様、特徴または機能に限定することを意図したものではない）。むしろ、詳細な説明は、本発明を理解するための文脈を当業者に提供するために、本発明を特に記載された任意の態様、特徴または機能（要約または発明の概要に記載された任意のそのような態様、特徴または機能を含む）に限定することなく、例示的な態様、特徴および機能を説明することを意図したものである。本発明の特定の態様および本発明の例は例示のためだけに本明細書に記載されるが、本発明の精神および範囲内で、当業者が認識し、理解するような様々な等価の変形が可能である。指示されるように、これらの変形は、本発明の例示される態様の前述の説明に照らして本発明に対して加えられ得、本発明の精神および範囲に含まれるべきである。したがって、本発明は、その特定の態様を参照して本明細書に記載されるが、前記の開示においては一定の許容範囲の変形、様々な変更および置換が意図され、場合によっては、本発明の態様のいくつかの特徴が、記載された発明の範囲および精神を逸脱することなく、他の特徴の対応する使用なしで用いられることが理解されよう。加えて、本発明の様々な特徴および態様は、本明細書に記載される特定の態様には記載されていない組み合わせおよび入れ替えで使用され得る局面を含むが、当業者は、そのような組み合わせまたは入れ替えが本発明の精神および範囲内であることを認識するであろう。したがって、特定の状況または材料を本発明の本質的な範囲および精神に適合させるために、数多くの変更が加えられることもある。本明細書中で引用されるすべての特許、特許出願および刊行物の開示は、本明細書に記載される開示と合致する程度まで、全体として参照により本明細書に組み入れられる。
本明細書を通して「1つの態様」、「ある態様」、「いくつかの態様」、「特定の態様」または「具体的な態様」または類似の用語への言及は、態様と関連して記載される特定の特徴、構造または特性が、少なくとも1つの態様に含まれるが、必ずしもすべての態様に含まれるわけではないことを意味する。したがって、本明細書全体を通して様々な箇所における語句「1つの態様において」、「ある態様において」もしくは「特定の態様において」または類似の用語のそれぞれの出現は、必ずしも同じ態様を指してはいない。さらに、任意の特定の態様の特定の特徴、構造または特性は、任意の適当なやり方で、1つまたは複数の他の態様と組み合わされてもよい。本明細書における教示に照らして、本明細書に記載され、例示される態様の他の変更および変形が可能であり、本発明の精神および範囲の一部と見なされるべきであることが理解されるべきである。非限定的な例として明確に記されているかどうかにかかわらず、例を記載する言い回し、例えば「などの（such as）」、「をはじめとする（including）」、「他の例において」、「単に例示として」、「例えば（for instance）」、「例えば（for example）」、「など（etc.）」、「例えば（e.g.）」、「～だけでなく」、「など（the like）」および類似の用語は非限定的であると理解される。
本開示の区分の表題および見出しは、便宜上でしかなく、本開示の任意の局面の範囲または解釈に影響しない。
本明細書に記載される1つの態様に関連して詳述される構成部品および／またはパラメータの変化が、本明細書に記載される他の態様に組み込まれることもできることが理解されよう。非限定的な例において、1つの態様に関連して詳述される様々な温度、圧力、時間、サイクル数、比、体積、寸法、電流、電圧、蛍光、明るさ、および／または距離などの範囲および関連する目盛りもまた、本明細書に開示される他の態様に組み込まれることができる。加えて、1つの態様に関連して詳述される構成部品、例えば非限定的な例としてピストン、チャンバ、シリンダ、プローブ、センサ、電源、検出器、溶解および／または試薬などの様々な構成もまた、本明細書に開示される他の態様に組み込まれることができる。
本明細書における記載においては、本発明の態様の徹底的な理解を提供するために、構成部品および／または方法の例など、数多くの具体的な詳細が提供される。しかし、当業者は、態様が、1つまたは複数の具体的な詳細なしで実施されることもできるし、他の装置、システム、アセンブリ、方法、構成部品、材料、パーツなどを用いて実施されることもできることを理解するであろう。他の例においては、本発明の態様の局面を曖昧にすることを避けるために、周知の構造、構成部品、システム、材料または操作は明確には示されない、または詳細には説明されない。本発明は、特定の態様を使用することによって例示され得るが、これは、本発明を任意の特定の態様に限定するものではなく、当業者は、さらなる態様が容易に理解可能であり、本発明の一部であるということを認識するであろう。
本明細書に詳述される態様の少なくとも一部分は、ネットワーク（例えばインタネット）に通信接続されたコンピュータを使用して、別のコンピュータを使用して、または独立型コンピュータにおいて、またはIoT（Internet of Things）デバイス（すなわち、IoT上で（すなわちその一部として）機能し得るスマートデバイス）として、実現されることができる。当業者には公知であるように、適当なコンピュータは、任意で、プロセッサまたは中央処理装置（「CPU」）、少なくとも1つの読み取り専用メモリ（「ROM」）、少なくとも1つのランダムアクセスメモリまたは揮発性メモリストア（「RAM」）、少なくとも1つの不揮発性メモリストア、例えばフラッシュメモリまたはハードドライブ（「HD」）および1つまたは複数の入出力（I/O）デバイスを含むことができる。I/Oデバイスは、キーボード、モニタ、LCD画面、入力ボタンまたは他のアクチュエータ、プリンタ、デバイスの物理的状態、位置、アクティビティ、履歴、磁場または他の局面に関連する内部センサ、電子ポインティングデバイス（例えば、マウス、トラックボール、スタイリスト、タッチパッドなど）などを含むことができる。
ROM、RAMおよびHDは、CPUによって実行可能である、またはCPUによって実行可能であるようにコンパイルまたは解釈されることができるコンピュータ実行可能命令を記憶するためのコンピュータメモリである。適当なコンピュータ実行可能命令は、コンピュータ可読媒体（例えば、ROM、RAMおよび／またはHD）、ハードウェア回路など、またはそれらの任意の組み合わせ上に存在し得る。本開示の範囲内で、語「コンピュータ可読媒体」は、ROM、RAMおよびHDに限定されず、プロセッサによって読まれることができる任意のタイプのデータ記憶媒体を含むことができる。例えば、コンピュータ可読媒体は、データカートリッジ、データバックアップ磁気テープ、フロッピーディスク、フラッシュメモリモジュールまたはドライブ、光学データ記憶ドライブ、CD-ROM、ROM、RAM、HDなどを指し得る。本明細書に開示されるいくつかの態様を実現するソフトウェアは、非一時的コンピュータ可読媒体（例えば、ディスク、CD-ROM、メモリなど）上に存在し得るコンピュータ実行可能命令を含むことができる。あるいはまた、コンピュータ実行可能命令は、ソフトウェアコードコンポーネントとして、直接アクセス記憶デバイスアレイ、磁気テープ、フロッピーディスク、光学記憶デバイスまたは他の適切なコンピュータ可読媒体もしくは記憶デバイスに記憶されてもよい。
本明細書に記載される発明の態様のルーチン、メソッドまたはプログラムは、カスタムスクリプトを含め、任意の適当なプログラミング言語（例えば、C、Assembler、Perl、Python、Java、PHP、Ruby、Swift、Cobol）を使用して実現することができる。他のソフトウェア／ハードウェア／ネットワークアーキテクチャを使用してもよい。例えば、ソフトウェアツールおよびカスタムスクリプトは、1つのコンピュータ上で実現されてもよいし、ネットワーク内またはネットワーク間で2つ以上のコンピュータの間で共用／分散されてもよい。態様を実現するコンピュータ間の通信は、任意の電子、光、無線周波数シグナルまたは公知のネットワークプロトコルに準拠した他の適当な通信方法およびツールを使用して達成することができる。加えて、図中の任意のシグナル矢印は、別段の明記がない限り、例示的かつ限定的としてのみ考慮されるべきである。本明細書に提供される開示および教示に基づいて、当業者は、本発明を実現するための他のやり方および／または方法を理解するであろう。
本方法、組成物、キットおよびシステムのいずれかの任意の態様は、記載された工程および／または特徴からなり得る、または本質的になり得る（それを含む／包含する／含有する／有する、のではなく）。したがって、請求項のいずれにおいても、上記非限定的連結動詞のいずれかに代えて語「～からなる」または「～から本質的になる」を用いると、所与の請求項の範囲を、非限定的連結動詞を使用した場合の範囲から変更し得る。
特許請求の範囲における語「または」の使用は、選択肢のみを指すことが明示的に示されない限り、または選択肢が相互排他的でない限り、「および／または」を意味するために使用されるが、本開示は、選択肢ならびに「および／または」のみを指す定義を支持する。
本明細書全体を通して、語「約」、「実質的に」または「およそ」は、ある値が、その値を決定するために用いられるデバイスまたは方法の誤差の標準偏差ならびに±10％の許容差を含むことを示すために使用される。
本明細書中で使用される語「の近位にある」、「に近い」、「に隣接する」、「の近くに配置された」は、2つの実体が空間的に関連し、近接していることを示すために使用される。
本明細書中で使用される語「増幅する」、「増幅」、「複製する」、「複製」および関連する用語は、核酸に関して使用される場合、同一または類似の核酸もしくは核酸配列または関連する化合物の量または濃度を増やすことを意味する。
本明細書中で使用される、温度の「制御」は、デバイスまたは設計要素のいくらかの部分のおおよその温度範囲を維持する試みにおいて、環境または他の要素への受動的または調整された熱損失によってそのような熱損失を可能にして、おおよその温度範囲を達成する、または達成しようとするための、要素のアクティブな調整を示すために使用される。
本明細書中で使用される「反対」は、第一の方向の一般的な正味ベクトルと平均的に異なる、直交する、または対向する方向を示すために使用される。
明細書中で使用される、流体の動きまたは流体に対する作用とは、流体の部分またはサブセットの動きまたはそれに対する作用を含むと理解される。
長年の特許法にしたがって、特許請求の範囲または明細書中で語「含む」と合わせて使用される単数形不定冠詞（「a」および「an」）は、特に明記されない限り、1つまたは複数を指す。
本明細書中で使用される語「含む（「comprises」）」、「含み（「comprising」）」、「含む（「includes」）」、「含み（「including」）」、「有する」、「有し」またはそれらの任意の他の変形は、非排他的な包含を含むことを意図する。例えば、要素のリストを含むプロセス、製品、物品または装置は、必ずしもそれらの要素だけに限定されず、明示的にリストされていない、またはそのようなプロセス、プロセス、物品または装置に固有ではない他の要素をも含み得る。
さらに、本明細書中で使用される語「または」は、一般に、そうではないことが指示されない限り、「および／または」を意味することを意図する。例えば、条件AまたはBは、以下のいずれかによって満たされる：Aが真であり（または存在し）、Bが偽である（または存在しない）、Aが偽であり（または存在せず）、Bが真である（または存在する）、およびAとBの両方が真である（または存在する）。以下の特許請求の範囲を含め、本明細書中で使用される場合、単数形不定冠詞（「a」または「an」（および、先行詞が「a」または「an」である場合は定冠詞「the」）が前に付く語は、そうではないこと（すなわち、「a」または「an」が明らかに単数形のみまたは複数形のみを指すこと）が請求の範囲内で明確に指示されない限り、そのような語の単数形と複数形の両方を含む。また、本明細書における記載において使用される「～の中」の意味は、そうではないことを文脈が明らかに指示しない限り、「～の中」および「～の上」を含む。
本明細書中で使用される「患者」または「対象」は、（生きているかどうかにかかわらず）哺乳類生物、例えばヒトおよび非ヒト哺乳動物、例えば非限定的に、げっ歯類、マウス、ラット、非ヒト霊長類、コンパニオンアニマル、例えばイヌおよびネコならびに家畜、例えばヒツジ、ウシ、ウマなど、ならびに非哺乳類動物、例えば鳥類、爬虫類、魚、昆虫、甲殻類、クモ形類、刺皮動物、蠕虫、軟体動物、海綿動物および他の核酸保有生命体、例えば細菌、ウイルス、真菌、原生動物、古細菌、クロミスタおよび他の植物生命体を含む。したがって、例えば、記載される態様は、ヒトに対する本方法の使用を例示するが、当業者は、これらの方法および組成物が、獣医学ならびに本明細書に記載される他の動物および他の種類の生物に対しても適用することができることを容易に認識するであろう。
本明細書中で使用される語「ピストン」および関連する語は、第一の位置から第二の位置へ（また、場合によっては元どおり第一の位置へ）実質的に直線的に動くか、またはそのような経路に沿った動きを機械的リンク機構によって引き起こす、塊を含む。当該塊は、流体をある場所から別の場所へ動かすために使用されるピストンであるディスプレーサピストンであってもよい。当該塊は、特定の態様において、中実の単体構成部品であってもよいし、例えば、類似の形状または異なる形状であり得る複数のディスク、多面体、またはコートされた顆粒を含む複数の構成部品を含むものであってもよい。
本明細中で使用される語「希釈用流体」および関連する語は、別の物質（例えば、流体または固体）と混合されてその物質の濃度を下げる任意の流体を含む。
以下の図面が本明細書の一部を形成し、本発明の特定の局面をさらに説明するために含まれる。これらの図面の1つまたは複数を、本明細書に提示される特定の態様の詳細な説明と合わせて参照することにより、本発明がよりよく理解され得る。特許または出願ファイルは、カラーで作製された少なくとも1つの図面を含む場合がある。カラー図面を含む本特許または特許出願公開公報のコピーは、要請および必要な料金の支払いを受けて、庁によって提供される。
本開示の第一の例示的態様の装置の部分分解斜視図である。 図1の態様の部分分解正面図である。 図1の態様の部分分解上面図である。 第一の位置にある図1の態様のピストンを示す略図である。 第二の位置にある図1の態様のピストンを示す略図である。 本開示の例示的態様の、反応チャンバインサートを有する装置の略上面図である。 図6の態様との使用のために構成されている試料装填デバイスの略側面図である。 使用中の図6の態様の略側面図である。 使用中の図6の態様の略下面図である。 本開示の例示的態様の、ピストンを要しない装置の略側面図である。 図10の態様の略下面図である。 本開示の第二の例示的態様の装置の側面図である。 図12の態様の上面図である。 図12の態様の部分分解斜視図である。 図12の態様における試料の装填および進入に使用される構成部品の分解斜視図である。 図16～26は、図12の態様における試料の装填および進入に使用される構成部品の、様々な位置における断面図を示す。 図16の説明を参照。 図16の説明を参照。 図16の説明を参照。 図16の説明を参照。 図16の説明を参照。 図16の説明を参照。 図16の説明を参照。 図16の説明を参照。 図16の説明を参照。 図16の説明を参照。 図12の態様における試料検出に使用される構成部品の分解図である。 ベース・カートリッジ構成における図12の態様の分解図である。 図29の態様のアセンブル図である。 検出チャンバ内の任意の2つの面の間の光の交換を示す略図である。 本開示の例示的態様の検出チャンバのノンシーケンシャルレイトレーシングモデリングの略図である。 本開示の例示的態様の様々なチャンバパッキング構成の略端面図を示す。 各チャンバ内にピストンが配置されている、図32のチャンバパッキング構成の略斜視図である。 本開示の例示的態様と代替デバイスとの間での化膿レンサ球菌DNAセグメント比較増幅を示す。 TaqManプローブおよび本開示の例示的態様を使用する化膿レンサ球菌DNAセグメントのオンデバイス検出を示すグラフである。 スマートフォンまたはタブレットに結合された態様の分解斜視図である。
発明の詳細な説明
本開示の例示的態様は、核酸を検出し、分子診断を実施するための装置および方法を含む。以下、図面を参照しながら特定の態様を詳述する。わかりやすくするために、以下の図面の説明において参照される各要素がすべての図面中で符番を付されているわけではない。
まず図1～3を参照すると、分子診断を実施するための装置100がそれぞれ部分分解斜視図、正面図および上面図で示されている。この態様において、装置100は、第一端151および第二端152を有するハウジング150内に配置された、中央チャネル145を有するピストン140を含む。図示されている態様（ならびに本明細書に記載および／または例示される他の類似の態様）において、ピストン140はディスプレーサピストンの一例である。加えて、装置100は、第一端151の近位にある第一の熱源110と、第二端152の近位にある任意の第二の熱源120とを含む。
示されている態様において、装置100はまた、ハウジング150の第一端151に近い第一の位置と、ハウジング150の第二端152に近い第二の位置との間のサイクルを、ピストン140に繰り返させるように構成されているアクチュエータ160を含む。図1～3に示す図において、第一の熱源110およびアクチュエータ160の第一の部分は分解図で示され、熱源120およびアクチュエータ160の第二の部分はアセンブル図で示されている。図示される構成部品は1つの態様の単なる例示であり、他の態様は構成部品の異なる組み合わせを含み得ることが理解されよう。
図示されている態様において、装置100は、制御装置195と、第一の支持部材191と、第二の支持部材192と、両支持部材間のスペーサ部材193および194とを支持するベース190を含む。エンドキャップ117および127がカップリング部材198および199を介してそれぞれ支持部材191および192に結合されている。図面の分解部分に示すように、装置100は、作動コイル165および加熱コイル115を有するシリンダ113を含む。以下さらに詳細に説明するように、作動コイル165は、ピストン140をハウジング150内に配置するための電磁インパルスを提供するために使用することができ、加熱コイル115は、ハウジング150内の流体を所望の温度に加熱するために使用することができる。図示されている態様において、作動コイル165と加熱コイル115とは別々のコイルとして示され、記載されているが、他の態様は、作動および加熱機能を実行する単一のコイルを含んでもよい。装置100はさらに、光照射モジュール133および検出モジュール135を含む。図の説明は主に、第一端151の近位にある分解部分に示される構成部品に関するが、装置100は、別段の記載がない限り、端部152の近くにも概して同等の構成部品を含むことが理解されよう。
装置100は、ピストン140をハウジング150に挿入したのち、そのハウジングの端部152をエンドキャップ127に挿入することによってアセンブルすることができる。次いで、磁気要素163をハウジング150に挿入し、エンドキャップ117をハウジング150の第一端151に、両構成部品間に封止を提供する封止部材119とともに、結合することができる。磁気要素は形状が様々であることができ、リング、ディスク、または製造中に粉末としてピストンのポリマーに混合された形であり、また、組成が様々であることができ、希土類磁石が、その好ましい化学および単位質量あたりの電界強度のせいで、鉄の磁石よりも好ましく、クロムめっきまたは他のやり方でコートされた磁石が好ましく、ポリマーに埋め込まれた磁石が、溶解、抽出、検出および特に増幅に関与する試薬などの試薬の化学的阻害を防ぎ、動作中の機械的シフトの危険を軽減するために好ましい。任意の態様は、maxels（設計可能な磁場を与える、3D印刷または他のモードを通して組み込まれた磁気ユニット、例えば、参照により本明細書に組み入れられる米国特許第9105384号を参照）を使用することである。磁石はまた、固定磁石または誘導磁石であってもよく（例えば、コートされた顆粒を使用するピストンの態様において）、磁石はまた、固定磁石を、ピストンの全行程で、固定磁石が適用可能な加熱サイクル工程中に掛け止め力を加えてピストンを定位置に受動的に保持するような位置に含めることにより、パワーセーブ機構として組み込まれてもよい。この態様はまた、使用中に装置の向きが変化し得るシナリオにおいても有用である。
シリンダ113がエンドキャップ117に挿入され、支持部材191がベース190ならびにスペーサ部材193および194に結合される。装置100の構成部品のアセンブリの順序は上記順序で求められず、他のアセンブリ順序が利用されてもよい。加えて、他の態様は、図1～3には別々の構成部品として示す特定の要素を単一の構成部品へと組み合わせてもよい。
まず、装置100の動作の概要を提示し、次いで、特定の局面のさらに詳細な説明を続ける。装置100の動作中、生体試料170が分析のためにハウジング150の試料ポート155に導入される。特定の態様において、ハウジング150は、試料調製（例えば、試料希釈、溶解、抽出、精製または他の単離技術）および増幅または複製（例えば、定性、定量、または半定量PCR、RT-PCRまたは他の熱サイクル処理もしくは等温技術による）ならびに検出（例えば、加水分解プローブまたは分子ビーコン）を含む、試料170の分子診断に適したバッファ172および試薬173を収容することができる。特定の態様において、試薬173および／またはバッファ172は凍結乾燥されたペレットであり得る。ピストンモデルなどのデバイスの特定の態様は好ましくは熱サイクリング増幅技術とともに使用されるが、デバイスは等温的に増幅を実施することもできる。
加えて図4および5を参照すると、ハウジング150の第一端151に近い第一の位置およびハウジング150の第二端152に近い第二の位置にあるピストン140の略図が示されている。装置100の作動中、調製された試料170、バッファ172および／または試薬173を含む反応流体175を熱サイクル処理して、反応流体の成分（例えば核酸）をさらなる分析に備えて増幅または複製することができる。以下さらに詳細に説明するように、制御装置195（図1～3に示す）が、作動コイル165および第二の作動コイル185を通過する電流の流れを制御して、第一端151に近い第一の位置と第二端152に近い第二の位置との間のサイクルをピストン140に繰り返させることができる。加えて、制御装置195は、加熱コイル115および第二の加熱コイル125を通過する電流の流れを制御して、ハウジング150の第一端151および第二端152の温度を制御することができる。例示的態様において、電力が、バッテリ、任意の対応デバイス、例えばコンピュータ、スマートフォン、タブレット、太陽電池もしくは光電池に接続されたUSB電源または交流電源（例えば一般的なアウトレット）を介して装置100に供給され得る。他の態様において、電力は、任意の対応デバイス、例えばコンピュータ、スマートフォン、タブレット、太陽電池もしくは光電池に接続されたワイヤレス充電機構または交流電源（例えば一般的なアウトレット）を介して装置100に供給されてもよい。
示されている態様において、アクチュエータ160は、ハウジング150の端部151の近位にある作動コイル165を介して磁気要素163に電磁力を及ぼすことができる。図示されている態様において、アクチュエータ160は、ハウジング150の第二端152の近位にある装置100のアセンブル部分に第二の作動コイル185および磁気要素167（ピストン140と第二端152との間に位置し、図1～3には見えない）を含む。他の態様は異なる数の作動コイル、加熱コイルおよび磁気要素を含んでもよいことが理解されよう。そのうえ、コイルの配置は、線形の加速および他の挙動を望みどおりに可能にするために変えられてもよいし、加熱機能および移動機能は、含まれる構成部品の数および複雑さを最小限にするために、別々に、または連係して、Hブリッジを介する任意の極性スイッチを用いて実施されてもよい。いくつかの態様において、Hブリッジは、専用の磁気コイルの必要性を除き、代わりに、第一端151または第二端152（第一の加熱コイル115および第二の加熱コイル125がそれぞれ第一の熱源110および第二の熱源120として働く）および他方の磁気要素167に電流を送ることができる。いくつかの態様において、他方の磁気要素のサイズおよび間隔は、磁気コイルへの磁気要素の近接を半径方向に0.1mm以下、0.2mm以下、0.3mm以下、0.4mm以下、0.5mm以下、0.75mm以下、1mm以下、2mm以下、3mm以下、またはより大きくするように調節される。
重力、求心力、レバー、カムシャフト、または手動での移動を含むさらなる移動モードが用いられてもよいが、示されている態様においては、構成部品およびパワーの精度および能率のために、電磁運動が好ましい。
第一の熱源110は、シリンダ113に巻き付けられた加熱コイル115を含む。加熱コイル115を通過する電流が、シリンダ113およびその近くの構成部品、例えばハウジング150の第一端151の温度を高める。特定の態様において、シリンダ113は、金属または高い熱伝達係数を有する他の適当な材料から形成され得る。具体的な態様において、シリンダ113はアルミニウム製であり得る。したがって、シリンダ113からの熱は、ハウジング150およびハウジング150の第一端151の近位にある内容物（例えば反応流体175）に効率的に伝達される。
再び図1～5を参照すると、制御装置195はまた、作動コイル165および第二の作動コイル185（図4および5に示すが、図1～3のエンドキャップ127内のアセンブリ中では見えない）を通過する電流の流れを制御することにより、ハウジング150内のピストン140の位置を制御することができる。ピストン140は、はじめ、図4の第一端151に近い第一の位置で示されている。この位置において、反応流体175はハウジング150の第二端152の近くにある。制御装置195は、コイル165を通過して流れる電流を制御して、磁気要素163に作用する電磁力を発生させることができる。電流がコイル165を一方向に流れるとき、電磁力が磁気要素163に加えられ、それが磁気要素163を反発させる。磁気要素163は次にピストン140をハウジング150の第二端152に向けて動かす。この位置にあるピストン140の略図が図5に示されている。図5に示すように、ピストン140が第二端152に向けて動かされると、ハウジング150内の反応流体175が移動させられて、ハウジング150の第一端151の近くに来る。示されている態様において、チャネル145は、図4および5に示す第一の位置と第二の位置の間のサイクルをピストン140に繰り返させるときに反応流体175が第一端151と第二端152の間を流れるための経路を提供する、中央のキャピラリーチャネルである。特定の態様において、ピストン140は、反応流体175を移動させることを可能にするさらなるチャネルまたは他の機構を含んでもよい。例えば、いくつかの態様において、ピストン140およびハウジング150の直径は、ピストンが第一端151に近い第一の位置から第二端152に近い第二の位置へ動くとき、ピストン140の周囲に反応流体175のための所望の流路を提供するように、適切にサイズ設定されることができる。ピストン140はまた、反応流体175の流れを可能にするチャネルを外径上に含んでもよい。
制御装置195はまた、ピストン140を第一端151に向けて図4に示す位置へ戻して、ハウジング150中の反応流体175がハウジング150の第二端152の近くへ移動させられるようにすることができる。ピストン140を、図5に示す位置から図4に示す第二の位置へ動かすために、制御装置195は、作動コイル165を通過する電流を止めて、作動コイル165を介して磁気要素163に作用する磁力を止めることができる。特定の態様において、制御装置195は、作動コイル165を通過する電流を逆転させて、作動コイル165を介して磁気要素163を引き寄せる磁力を発生させることができる。加えて、制御装置195は、電流を、ハウジング150の第二端152の近位にある第二の作動コイル185に印加することができる。これは、ピストン140と第二端152との間に配置された第二の磁気要素167を反発させる電磁力を発生させることができる。次に、第二の電磁力167がピストン140をハウジング150の第一端151に向けて動かして、反応流体175を第二端152の近くへ移動させる。
したがって、制御装置195は、上記のように加熱および作動コイルへの電流の流れを制御することにより、ピストン140の位置ならびにハウジング150の第一端151および第二端152の温度を制御することができる。図示されている熱源110および120ならびにアクチュエータ160の構成は1つの態様を単に例示するものであると理解されよう。他の態様は、異なる構成、例えば抵抗器またはポリイミドヒータおよび／またはリニアアクチュエータを含んでもよい。したがって、反応流体175は、反応流体の成分を増幅または複製するために、第一の温度範囲（例えば、第一端151の維持された温度）から第二の温度範囲（例えば、第二端152の維持された温度）へサイクル的に動かされることができる。いくつかの態様において、例えば特定のPCRおよびRT-PCRプロセスを含め、反応流体175は、反応流体175が第一端151の近位にあるときには約92～98℃の温度に維持され、反応流体175が第二端152の近位にあるときには約60～65℃の温度に維持される。
特定の態様において、装置100は、第一の位置から第二の位置へ、そして第一の位置に戻るサイクルを、約15～60回または好ましくは約30～50回にわたって、ピストン140および反応流体175に繰り返させることができる。したがって、反応流体175は、約92～98℃から約50～65℃、特に約60～65℃へ約30～50回、サイクル的に動かされることができる。特定の態様において、PCRプロセスを利用するとき、反応流体は、はじめ、約92～98℃で約2～5分間維持され、次いで、約92～98℃で約3～30秒間（またはより具体的には約3～15秒間またはさらに具体的には約5秒間）と、約60～75℃で約5～30秒間（またはより具体的には約5～15秒間またはさらに具体的には約10秒間）との間で約30～50サイクル、サイクル的に動かされることができる。特定の態様において、RT-PCRプロセスを利用するとき、反応流体は、はじめ、約34～60℃（またはより具体的には約45～55℃またはさらに具体的には約50℃）で維持され、次いで、約92～98℃（または任意で、ゲノムDNAが存在しない標的の場合、より低く（その場合、好ましい温度はプライマー・標的配列の溶解温度に一致する））で約2～5分間、維持されることができる。次いで、反応流体は、約92～98℃の第一の温度範囲で約3～30秒間（またはより具体的には約5～15秒間、さらに具体的には約5秒間）と、約50～65℃、特に約60～65℃の第二の温度範囲で約5～30秒間（またはより具体的には約5～15秒間またはさらに具体的には約10秒間）との間で約30～50サイクルまたは当業者には明らかな他の熱サイクル処理モードでサイクル的に動かされることができる。特定の態様において、反応流体は、特定の温度範囲での初期期間なしで、指定された期間で高いほうの温度と、指定された期間の低いほうの温度との間でサイクル的に動かされる。
特定の態様において、制御装置195は、装置100を自動的に作動させるための工程を実施するように構成されている、コンピュータプロセッサ、コンピュータ可読媒体および必要なハードウェア（例えば、電気スイッチ、変圧装置、調整器など）を有するプリント回路板を含み得る。例えば、制御装置195は、ユーザが操作を開始する（例えばスタートボタンを押すことにより）ときピストン140を自動的に配置し、第一端151および第二端152の温度（および、その結果、上記のように反応流体175がピストン140によって移動させられるときの、反応流体175の温度）を制御するために必要な構成部品を含むことができる。
示されている態様において、制御装置195は、加熱コイル115を通過する電流を制御することにより、第一端151の近位にあるハウジング150の内容物の温度を制御することができる。制御装置195はまた、第二のシリンダ（エンドキャップ127中のアセンブリ内では見えない）に巻き付けられた第二の加熱コイル125（図4および5に示す。図1～3のエンドキャップ127内のアセンブリ中では見えない）を通る電流の流れを制御することにより、第二端152の近位にあるハウジング150の温度を制御することができる。例えば、第一端151（または、第一端151の近位にあるハウジング150内の流体）の温度を測定し、制御装置195へ入力として提供することができる。測定された温度が目標温度（例えば、制御装置195に記憶された設定値）よりも低いならば、制御装置195は、加熱コイル115への電流を増すことができる。測定された温度が目標温度よりも高いならば、制御装置195は、加熱コイル115への電流を減らすことができる。制御装置195は同様に、第二端152（または、第二端152の近位にあるハウジング150内の流体）の温度を制御することができる。
別の態様において、まず図12～15を参照すると、分子診断を実施するための装置200が示されている。この態様のいくつかの局面は、前記態様と概ね同等なやり方で作動する。図12～15に示す態様はまた、試料の進入ならびに試料分析物の増幅および検出に使用される希釈用流体、バッファ、および／または試薬との試料の混合を提供するための構成部品を含む。この態様において、装置200は、第一端151および第二端152を含むハウジング150ならびに任意のハウジングサーマルブレイク253を含む。第一の加熱コイル（熱源110内をわかりやすくするため、図示していない）を通過する電流が、第一の熱源110のための抵抗熱を提供し、第二の加熱コイル（熱源120内をわかりやすくするため、図示していない）を通過する電流が、任意で、第二の熱源120のための抵抗熱を提供する。電力は、1つまたは複数のバッテリホルダ297に保持された1つまたは複数のバッテリ296によって供給されることができる。
この態様において、ピストン140は、ピストンサーマルブレイク242、磁気要素163およびピストンキャップ241を含む。示されている態様において、磁気要素163は小さなリング磁石を含むが、他の箇所に記載されるように、ピストン140内に磁気要素を含むことが容易に明らかである数多くのさらなる態様がある。この態様において、磁気要素163は別々の構成部品としてのピストンキャップ241とピストンサーマルブレイク242との間にあるが、他の箇所に記載されるように、ピストン140は、射出成形、圧入、摩擦圧接または任意の他いくつかの類似の適当な技術の使用によって単一ピースとして形成されてもよい。接着剤を使用してピストン140を構築してもよいが、エポキシなどの特定の化学的要素は反応化学にマイナスの影響を及ぼすおそれがあるため、あまり好ましくない。
ピストン140はハウジング150内に位置し、ハウジングの第一端が進入ハウジング274によって画定されている。進入ハウジング274は、めっき、コンフォーマルコーティング、スピンコーティング、ディップコーティング、フィルムコーティング、真空蒸着コーティング、スパッタ蒸着コーティングおよび他のタイプの方法を含め、多様な材料、例えばポリマー（例えばデルリン）または金属（例えばアルミニウム）またはそれらの組み合わせから形成され得る。図15に示すように、進入ハウジング274は、生体試料170の正しい混合または分別を可能にする様々なチャンバおよび封止部材を含む、進入プランジャまたはロッドアセンブリ275を含み得る。この特定の態様において、ロッドアセンブリ275は進入試料チャンバ279を含み得る。加えて、ロッドアセンブリ275は、希釈チャネル281を介して流体連通している上進入希釈チャンバ277および下進入希釈チャンバ278を含み得るが、他の態様においては、単一の希釈チャンバが使用されてもよい。この態様において、進入ロッドアセンブリ275はまた、封止部材280を含む。特定の態様において、封止部材280は、水和または化学種に対して膨潤または反応するものを含め、構成分品チャンバの分離を改善または実施するために望まれるようなOリングまたは他の構成部品を含み、または組み込み得る。希釈チャンバ277および278ならびに試料チャンバ279の容積は進入ロッドアセンブリ275および進入ハウジング274の寸法によって決まる。例えば、各チャンバの所望の容積を決定するために、封止部材280間の距離ならびに進入ロッドアセンブリ275および進入ハウジング274の直径を選択することができる。
進入ハウジング274はまた、生体試料、溶解物、または他の反応流体および試薬の混合または分別を支援するための様々な輪郭を含み得る。この特定の態様において、進入ハウジング274は、上進入バイパス282および下進入バイパス283を含む。以下さらに詳細に説明するように、上進入バイパス282および下進入バイパス283は、進入ハウジング274内のチャンバ（例えば、試料チャンバ279ならびに希釈チャンバ277および278）をピストンチャンバ157と流体連通する状態に選択的に配置することができる。特定の態様において、進入ロッドアセンブリ275の位置は、試料チャンバ279および／または希釈チャンバ277および278をピストンチャンバ157と流体連通する状態に配置することができる。具体的には、封止部材280の位置が、ピストンチャンバ157および試料チャンバ279ならびに希釈チャンバ277および278または外部大気圧の間の流体連通を可能にする、または制限することができる。
希釈チャンバ278および277は希釈用流体で満たされることができる。いくつかの態様において、反応の貯蔵性成分（例えば塩）は希釈用流体中に存在することができ、より不安定な成分（例えばタンパク質）は、希釈用流体とは別にある凍結乾燥された成分、例えば凍結乾燥されたペレット527中に存在することができる。これが、冷凍を要しない、より長期の貯蔵モードおよびより幅広い貯蔵温度範囲を可能にする。いくつかの態様において、装置の非冷凍下貯蔵寿命は、1日、2日、3日、4日、5日、6日、1週、2週、1ヶ月、3ヶ月、6ヶ月、9ヶ月、12ヶ月、18ヶ月、24ヶ月、30ヶ月、36ヶ月、48ヶ月、60ヶ月、またはより長い期間であることができる。他の態様において、上記時点それぞれにおける効力損失（または有効化学作用比）は、1％未満、3％未満、5％未満、10％未満、20％未満、25％未満、35％未満、50％未満、またはより高い％値未満である。いくつかの態様において、貯蔵性装置の許容可能貯蔵温度範囲は、10℃未満、10～15℃、15～25℃、25～35℃、35～45℃、45～55℃、55～65℃、またはより高い温度を含み得る。
所望の希釈度に依存して、進入試料チャンバ279に対する希釈チャンバの相対容積を調節することができる。この特定の態様において、進入試料チャンバと希釈チャンバ中の希釈液の比は1：10の比を有する。進入試料チャンバと希釈チャンバ中の希釈用流体との比は、約1：1～1：5、約1：5～1：10、約1：10～1：15、約1：15～1：25、約1：25～1：50または約1：50～1：100の比を有し得る。生体試料の希釈は、PCRの阻害物質を希釈し、生体試料の粘度を下げる効果を有する。そのようなものとして、比は、アッセイされる特定の組織基質または生体試料タイプに依存して調節され得る。非層流を組み込み、流体乱流を発生させる設計の使用が、進入に対して混合機能を生じさせる。乱流は、チャネル、凹凸、渦離脱、流体速度の変化、ベンチュリ効果および当業者には明らかであろう他の流体力学的効果による影響を受けることができる。
試料獲得
特定の態様において、試料170は、生体試料、未処理の試料または基質、例えば唾液、粘液、涙、髪、爪、毛包、喀痰、痰、頬、鼻または鼻咽頭スワブ、涙液、粘膜からの分泌物、血液、全血、血漿、血清、尿、尿道液、恥垢、精液、膣分泌物、母乳、初乳、耳垢、皮脂、創傷試料、膿、皮膚剥離物、腫瘍、嚢胞、糞便、脳脊髄液、心膜液、リンパ液、滑液、胆汁、胃液、糜汁、乳糜、羊水、悪露、胎盤、硝子体、房水、植物、動物、細菌、ウイルス、真菌、古細菌、昆虫、クロミスタ、原生動物および他の核酸保有生命体ならびに環境ソース、例えば水、空気または土および当業者には明らかであろう他の供給源からの物質を含み得る。
試料は、生物学的供給源から得られたままで使用されてもよいし、試料の特性を変化させるための前処理ののち使用されてもよい。例えば、そのような前処理は、血液からの血漿の調製または粘性流体の希釈を含み得る。前処理の方法もまた、非限定的に、濾過、沈殿、希釈、蒸留、混合、遠心分離、凍結、凍結乾燥、濃縮、増幅、核酸断片化、干渉成分の不活性化、試薬の添加または溶解を含み得る。いくつかの態様において、試料は、全細胞（例えば、対象からの全細胞、病原体［例えば細菌病原体］からの全細胞）を含む。いくつかの態様において、試料は、音波処理、超音波処理、従来の溶解試薬、カオトロープおよび／または他の従来の溶解試薬の1つまたは複数に付されたものであってもよいし、付されていないものでもよい。いくつかの態様において、試料は、溶解のために、界面活性剤および／またはプロテイナーゼ、例えばプロテイナーゼKと接触させてもよい。試料は、熱、例えば70℃、80℃、90℃またはより高い温度に付されてもよい。
特定の態様において、ユーザは、試料ポート155またはそれに結合された収集チャンバもしくは痰つぼ257中に唾を吐き得る。特定の態様において、ユーザは、生体試料を希釈する（例えば、いくつかの態様においては2：1、3：1、5：1またはより具体的には10：1の比で）液体希釈または担持流体を含有するスワブを使用し得る。特定の態様において、スワブはレーヨン、ポリエステル、綿、ナイロンまたは他の天然もしくは合成繊維である。いくつかの態様において、スワブは、生体標本の吸収または速やかな溶離を高めるために綿状に固められ、または増強されてもよい。特定の態様において、希釈用流体は、スワブに含まれてもよいし、ハウジング150に含まれてもよい。具体的な態様において、希釈（担持）流体は、NP-40、0.05～0.5％；Tween-20、0.05～0.5％；EDTA、0.5～5mM；およびトリスHCl（あるいはまた、ビス－トリスプロパン、リン酸ナトリウム、トリス酢酸または当業者に公知であろう他の適当なバッファ成分。例えば、参照により本明細書に組み入れられるMohan, A guide for the preparation and use of buffers in biological systems, Calbiochem, 2003を参照）、pH7.5（pHは、アッセイおよび組織基質に適するように調節され得るが、一般に、7.0～10.5の好ましいpH範囲を有する）、5～50mMを含む。他の界面活性剤、例えばSarkosyl、Triton X-100、Triton X-114、Tween 80、Brij-35、Brij-58およびドデシル硫酸ナトリウムが使用されてもよい。他の態様において、化学的溶解に代えて、またはそれに加えて、熱ベースの溶解が使用されてもよい。具体的な態様において、生体標本は、任意で他の箇所に記載される希釈とともに、または任意で本明細書に詳述される界面活性剤とともに、加熱されてもよい（例えば80℃～95℃の範囲の温度まで）。PCRに対する阻害物質を有しない簡単な細菌試料の場合、細胞を溶解するために熱溶解だけで十分であることもある。
いくつかの態様において、全血は、チューブ、例えば抗凝固剤（例えばリチウムヘパリン）、キレート剤（例えばEDTA）、ヌクレアーゼおよび／またはプロテアーゼ阻害物質を含む収集チューブ中に収集され得る。試料は、遠心分離によって血漿分画と血清分画とに分離されてもよいし、その構成部分へと分別または分離されていない全血として分析されてもよい。シリコーンゲルを含む血清分離チューブ（SST）を使用すると、遠心分離時にシリコーンゲルがバフィーコート上に層を形成し、検査または関連の目的のために血漿をより効果的に除去することが可能になる。試料は、塩化アンモニウム、炭酸水素ナトリウムおよびEDTAとともにインキュベートされ得る。尿は、EDTAを含むチューブ中に収集され得る。試料は、カオトロピック剤（例えばグアニジンチオシアン酸塩）、EDTA、界面活性剤（例えばTriton X-100またはSDS）、プロテイナーゼおよび／またはバッファ（例えばトリスHCl）と接触させ得る（Zainabadi et al., PLoS One. 2019; 14(2): e0210813；Kulinski et al., Biomed Microdevices. 2009 Jun; 11(3): 671-678）。精液試料は、収集され、溶解バッファ（例えばトリスHCl、塩化ナトリウムおよび塩化マグネシウム）とともにインキュベートされ得る。試料はさらに、核酸の抽出のためにTRIzolおよびプロテイナーゼ、クロロホルムおよびクエン酸ナトリウムと接触させてもよい（Darbandi et al., Middle East Fertitility Society Journal, 23(3): 216-219, 2018）。他の態様において、精液試料は、トリス（2-カルボキシエチル）ホスフィン（TCEP）を含むグアニジンチオシアン酸塩溶解バッファと接触させ得る（Wu et al., Biotechniques. 2014; 58(6): 293-300）。皮膚試料は、トリスHCl、EDTAおよびTween中に保存され得る。アンモニアを使用して溶解を実施したのち、中和し、酢酸を用いてタンパク質を塩析してもよい（Sildorova et al., Experimental Dermatology, 2011）。ウイルスおよび細菌試料は、トリスHCl、リゾチーム、EDTAおよび他の界面活性剤（例えばTriton X-100）などの試薬を使用して化学的に溶解させ得る（Kajiuara et al., J Biomol Tech, 26(4): 118-124, 2015）。
試料進入（ingress）
試料進入は、多様な異なるやり方で実施することができる。装置200に示す1つの特定の態様において、ロッドアセンブリを前進させるために使用されるねじカップリングを介して、試料を導入することができる。この態様において、進入ロッドアセンブリ275は、進入ハウジング274に対して動かされ、単一の一方向直線運動を含む1つまたは複数の動きにおいて、いくつかの有利な結果を生じさせることができる。特定の態様において、進入ロッドアセンブリ275は、構成部品間のカップリング（ねじカップリングを含む）、例えば進入ハウジング274と進入キャップ276との間のねじカップリングを介して、進入ハウジング274に対して動かされることができる。例えば、進入キャップ276を進入ハウジング274に対して回転させて、ねじ部分271が進入ハウジング274（および進入ロッドアセンブリ275）を進入キャップ276に対して動かすようにすることができる。
次に図16～26を参照すると、装置200における試料の装填および進入に使用される構成部品の断面図が様々な位置で示されている。図16～21は、アセンブリまたは製造プロセス（例えば、装置200をエンドユーザに引き渡す前に一般的に実施されるプロセス）中の様々な位置にある進入ハウジング274および進入ロッドアセンブリ275を示す。図22～26は、装置200による分析のための試料の装填（例えば、試料分析の前にユーザによって一般的に実施されるプロセス）中の様々な位置にある進入ハウジング274および進入ロッドアセンブリ275を示す。わかりやすくするために、図中、すべての要素が符番を付されているわけではない。
図16に示すように、進入ロッドアセンブリ275は、はじめは、試料ポート155が下進入バイパス283と流体連通するように、進入ハウジング274内に配置される。図16に示す位置において、下進入バイパス283はピストンチャンバ157との流体連通を提供する（例えば、下進入バイパス283は封止部材280によって封止されない）。したがって、真空源291を試料ポート155に結合し、真空を適用して、ピストンチャンバ157が真空下に置かれるようにすることができる。図17中、進入ロッドアセンブリ275は（例えば、キャップ276の回転によって）進入ハウジング274内で前進し、試料ポート155が下希釈チャンバ278と流体連通するようになる。ここでもまた、真空源291を試料ポート155に結合して、下希釈チャンバ278が真空下に置かれるようにすることができる。この態様において、希釈チャネル281は、上希釈チャンバ277と下希釈チャンバ278との間の流体連通を提供する。したがって、上希釈チャンバ277と下希釈チャンバ278の両方がこの段階で真空下に置かれる。
次に図18を参照すると、進入ロッドアセンブリ275は、試料インプットポート155が、試料チャンバ279と下進入希釈チャンバ278との間の封止部材280と整列するように配置される。この段階で、真空源291を試料ポート155から除去することができ、希釈用流体源292を試料ポート155に結合することができる。図19中、進入ロッドアセンブリ275はさらに前進し、試料ポート155が下進入希釈チャンバ278（および、希釈チャネル281を介して、上進入希釈チャンバ277）と流体連通するようになる。すると、下進入希釈チャンバ278および上進入希釈チャンバ277を希釈用流体で満たすことができ、希釈用流体の供給源を試料ポート155から除去することができる。
図20に示すように、進入ロッドアセンブリ275を以前の位置から引っ込めて、試料ポート155が試料チャンバ279と流体連通するようにする。次いで、真空源291を試料ポート155に結合して、試料チャンバ279が真空下に置かれるようにすることができる。次に図21を参照すると、進入ロッドアセンブリ275をさらに引っ込めて、試料ポート155が進入ロッドアセンブリ275の端部の封止部材280の間に配置されるようにすることができる。この位置で、装置200は、試料チャンバ279上に維持された真空を有し、下進入希釈チャンバ278および上進入希釈チャンバ277は希釈用流体で満たされる。装置200は今や、エンドユーザに引き渡すことができる、すぐに使用可能な状態にある。今や、エンドユーザは試料流体を収集チャンバ257（図14に示す）に入れることができる。
試料流体を収集チャンバ257に入れたのち、ユーザは装置200を操作して（例えば、進入キャップ276を回すことによって）、進入ロッドアセンブリ275を、図22に示す位置に配置することができる。この位置で、進入ロッドアセンブリ275は、試料ポート155が試料チャンバ279（それまでは真空下に置かれていた）と流体連絡するように配置される。したがって、収集チャンバ257からの試料流体の一部を試料ポート155に通して試料チャンバ279に引き込むことができる。
図24に示すように、進入ロッドアセンブリ275はさらに前進し、封止部材280は、もはや下進入バイパス283を試料チャンバ279から封止しなくなる。この位置で、下進入バイパス283は、試料チャンバ279と、それまでは真空下に置かれていたピストンチャンバ157との間の流体連絡を提供する。したがって、試料チャンバ279に含まれる所定体積の試料物質がピストンチャンバ157に引き込まれる。進入ロッドアセンブリ275が、図25に示す位置までさらに前進すると、下希釈チャンバ278（および、希釈チャネル281を介して、上希釈チャンバ277）は、下進入バイパス283を介してピストンチャンバ157と流体連絡する状態に配置される。したがって、下希釈チャンバ278および上希釈チャンバ277内に含まれる所定体積の希釈用流体は、それまでは真空下に置かれていたピストンチャンバ157に引き込まれる。したがって、上および下希釈チャンバ277および278ならびに試料チャンバ279の以前の内容物がピストンチャンバ157中で合わされて生体試料流体混合物を形成する。上進入バイパス282は今や、進入ロッドアセンブリ275の最後の封止部材280上に配置され、それにより、大気が上希釈チャンバ278（および、希釈チャネル281のおかげで、下希釈チャンバ278）と流体連絡することを可能にする。これが、ピストンチャンバ157中の任意の残留真空が、存在する残りの流体を引き込み、ピストンチャンバ157を正しい体積（ピストンチャンバ157の寸法によって決まる）および正しい大気圧（大気圧への上進入バイパス282の連通のおかげで）で満たすことを可能にする。
そして、進入ロッドアセンブリ275は、図26に示す位置までさらに前進し（ピストンチャンバ157中の残留真空によって完全または部分的に）、封止部材280（または、任意で、進入ロッドアセンブリ275の面と進入ハウジング274の内壁との間の界面に存在し得るOリング。わかりやすくするため図示せず）が下進入バイパス283をシールするようになる。ピストンチャンバ157は今や封止され、もはや下希釈チャンバ278、上希釈チャンバ277または試料チャンバ279と流体連通しない。今や、以下さらに詳細に説明するように、ピストンチャンバ157中の生体試料・流体混合物を複製し、分析することができる。
装置200によって提供される試料進入構造は数多くの動作的利点を提供する。例えば、進入ロッドアセンブリ275は試料チャンバ279ならびに希釈チャンバ277および278を含み、それらのそれぞれが、封止部材280、進入ハウジング274およびピストンチャンバ157の構成に基づく既知の容積を有する。上および下進入希釈277および278は、試料チャンバ279の容積に基づいて、所望の生体試料サイズに対して所望の比の希釈用流体を含む。1つの特定の態様において、試料サイズは試料チャンバ279の50μL容積に設定されるが、1μL、5μL、10μL、15μL、20μL、25μL、30μL、35μL、40μL、45μLなどの他の生体試料サイズが可能である。加えて、試料目標濃度が低い場合、または感度増が望まれる場合、体積がより大きな試料を使用してもよい（例えば、100μL、250μL、500μL、1mL、またはより大きい）。これは、任意で、当技術分野において一般に使用されている濃縮方法と合わされることができる。実際に、生体試料サイズの下限は、試料中に存在する標的の最小数が、少なくとも、用いられるアッセイの感度の下限（例えば、特定の態様の場合に選択された増幅、溶解または検出技術によって検出可能なコピーの数）に一致するよう、特定の分析物の濃度（例えば検出限界）によって設定される。この下限体積はまた、反応の増幅または検出部分の外側にある、希釈剤・試料混合物が存在する態様の任意の部分を考慮に入れるべきである。例えば、この態様において、増幅部分は、増幅部分への連通の容積は反応の増幅部分に含まれるが、進入ハウジングと進入ロッドアセンブリまたはプランジャ要素との間の空洞は増幅部分の外側になるように、ロッドアセンブリの面によって第一端が画定されるであろう。
注目すべきことに、ハウジング内の真空または部分真空の使用は、過剰な希釈剤が希釈剤・試料混合物を追って増幅部分に向かう一連の動きと同じく、非反応性の希釈剤・試料混合物流体が真空と連通したならば（例えば、進入ロッドアセンブリのシールまたは動きを突破したのち）、そのような混合物を増幅部分に引き込むことにより、非反応性の希釈剤・試料混合物流体を最小限にするのに役立つ。いくつかの態様において、進入ハウジング274内の進入ロッドアセンブリ275の動きは、未処理の生体試料を収集し、増幅化学に使用されるその試料の体積を決定し、試料を希釈用流体と混合し、圧力容器を封止するように働く。いくつかの態様において、圧力容器は、ベースライン圧力よりも1気圧、2気圧、3気圧、4気圧、5気圧、またはそれ以上高い圧力を維持することができる。いくつかの態様において、構造部品はポリマー製である。いくつかの態様において、そのようなポリマーは射出成形されている。
この特定の態様において、進入ハウジング274およびピストンチャンバ157の一部が排気されて、真空または部分真空（本明細書中、互換可能に参照される）を形成する。装置200のより長期的な保存を容易にするために、真空を維持するための1つまたは複数のシールが組み込まれてもよい。シールは、ポリマー（ホットバーシーリングを含む）、フィルム、ワックス、流体または他の手段で作製されることができ、機械的（例えばランセット）、熱的、電気的、動的、振動的または他の手段によって破られ得る。所望により、装置200の複数の部分、例えば、進入ハウジング274とピストンチャンバ157との間の接合部、進入試料チャンバ279と隣接チャンバ（この特定の態様においては、希釈チャンバ277および278ならびにピストンチャンバ157）との間の接合部に別々のシール（様々なタイプのシール組み合わせを含む）が使用されてもよい。
この態様において、真空は進入試料チャンバ279中にも存在する。進入ロッドアセンブリ275が進入ハウジング274内で前進すると、試料ポート155は、排気された進入試料チャンバ279と整合して、生体試料170を、そのチャンバの容積と存在する真空率との積に相当する指定の体積で進入試料チャンバに引き込む。
試料ポートは、唾を吐くための収集チャンバ（例えば痰つぼ）257と連通してもよいし（この態様に示すように）、スワブ（綿状に固めたスワブを含む）、吸収性またはウィッキング性のストリップ、ディップスティック、スタイラス、キャピラリー、液滴、組織試料、バイアル、チューブ、カップ、針、寒天または他の試料収集手段を使用してもよい。デバイスは、任意で、図14に示すように、収集チャンバキャップ258および収集チャンババック259を含んでもよい。
進入ロッドアセンブリ275が進入ハウジング274内で前進し続けると、進入試料チャンバ279は下進入バイパス283との連通を確立する。下進入バイパス283は、その時点で、同じく真空または部分真空を含む増幅部分と連通している。その効果は、進入試料チャンバ279中に存在していた生体試料170の一部分を、増幅および検出機能を実施することができるところのピストンチャンバ157に向けて引き寄せることである。進入ハウジング274内の進入ロッド275の継続的な前進が、下進入希釈チャンバ278を下進入バイパス283および進入試料チャンバ279と連通する状態にする。増幅部分中の真空は、進入試料チャンバ279から残りの生体試料170を引き込み、増幅部分の容積と増幅部分の真空率との積に等しい体積（非限定的にピストン140、バッファ172、試薬173、反応流体もしくは反応混合物、シールならびに乱流および内容物の混合を誘発する傾向を有する、凹凸もしくは不連続部を含む他の構造要素を含み得る増幅部分の内容物によって占められる任意の容積を差し引いた）の希釈剤を進入希釈チャンバから引き込む。
前述のように、いくつかの態様において、希釈チャネル281は、上進入希釈チャンバ277と下進入希釈チャンバ278との間の連通を形成する。周囲大気圧と上進入希釈チャンバ277との間の連通は、外部大気が希釈剤の流体カラムを追って上進入希釈チャンバ277に入ることを可能にする（進入ロッドアセンブリ275が進入ハウジング274に対して前進するとき）上進入バイパス282によって確立される。このようにして、進入ハウジング274に対する進入ロッドアセンブリ275の単一の直線運動は、可変体積の未処理生体試料（しかし、進入試料チャンバ279によって望まれ、設定される最小生体試料サイズよりも大きい）を受け入れ、その作用により、所定体積の生体試料を組み込んでそれを所定の比で希釈剤と混合し、その混合物を増幅部分の所定の容積の中に移送する。真空または部分真空の使用は、空気を含む、増幅チャンバ中に存在する気相流体を最小限にするのに役立つ。
1つの特定の態様が示されているが、進入ハウジング274に対する進入ロッドアセンブリ275の前進は、多様なモードで達成することができる。本態様はねじカップリングを組み込むが、様々な機構および方法を使用して、増幅および検出に使用されるチャンバに試料を導入することができる。例えば、特定の態様は、スライダ、カムシャフト、変化する比のギヤ、変化する比のねじ、捕獲されたばねならびに圧縮、引張り、板、円錐、円板、ねじりおよび定力ばねを含むばね、真空アシストまたは真空駆動の前進、手動力、および当業者には容易に明らかである他のものを含み得る（使用することができる）。いくつかの態様において、増幅および検出が起こるところの反応チャンバは、ゲージ圧よりも0.5気圧、1気圧、1.5気圧、2気圧、2.5気圧、3気圧、4気圧、5気圧、またはそれ以上高い圧力を収容することができる。加熱中に真空を使用する、またはガス抜きによって真空を発生させる態様において、反応チャンバは、10％、25％、50％、75％、85％、90％、95％、99％またはより高い真空で機能することができる。特定の他の態様において、圧力容器はポリマーで構成されている。他の態様において、圧力容器は金属で構成されている。特定の他の態様において、圧力容器は金属およびポリマーで構成されている。
特定の態様において、装置200は、収集チャンバ257中の試料の存在をセンサ256によって検出し（例えば、電気的または光学的検出によって）、試料チャンバ279への、および最終的にはピストンチャンバ157への、試料の一部分の自動化進入を提供することができる。
増幅／複製
試料チャンバ279ならびに希釈チャンバ277および278の内容物がピストンチャンバ157に移されたのち、装置200を作動させて、調製された試料混合物中の関心対象の分析物を増幅（例えば複製）し、検出することができる。特定の態様において、ピストンチャンバ157の内容物の増幅／複製は、熱サイクル処理を利用するポリメラーゼ連鎖反応（PCR）試薬または逆転写酵素ポリメラーゼ連鎖反応（RT-PCR）によって実施することができる。
本明細書中で使用される語「PCR」は、本発明の増幅作用を記載するときに使用され得るが、当業者は、そのような増幅技術が、厳密にはポリメラーゼ連鎖反応ではない技術、例えば等温増幅技術ならびに様々なタイプのPCRの1つまたは複数を利用し得る技術、例えばポリメラーゼ連鎖反応（PCR）試薬、例えば逆転写酵素ポリメラーゼ連鎖反応（RT-PCR）、マルチプレックスPCR、ネステッドPCR、非対称PCR、ホットスタートPCR、メチル化特異的PCR、対立遺伝子特異的PCR、アセンブリPCR、対流PCR、ダイヤルアウトPCR、デジタルPCR、ヘリカーゼ依存性増幅、インシリコPCR、配列間特異的PCR、インバースPCR、ライゲーション媒介PCR、ミニプライマーPCR、マルチプレックスライゲーション依存性プローブ増幅、ナノ粒子支援PCR、オーバラップエクステンションPCR、PAN-AC、RNA H依存性PCR、単一特異的プライマーPCR、固相PCR、自殺PCR、熱非対称インタレースPCR、等温PCR、タッチダウンPCR、ユニバーサルファストウォーキングPCR、エクストリームPCR、フォトニックPCR、コールドPCRおよびヒートパルスエクステンションPCRのための試薬を含むことを理解するであろう。
ネステッドPCRは、予想外のプライマー結合部位の増幅による産物の汚染を減らすために使用され得る。2セットのプライマーが連続二回のPCRランにおいて使用され、第二のセットは、一回目のランの産物内の二次標的を増幅することを意図している。インバースPCRは、1つの内部配列だけが既知であるとき、PCRが、例えば様々なゲノムインサートの隣接配列を同定することを可能にするために使用され得る。これは、エンドヌクレアーゼによる切断の前の一連の消化およびセルフライゲーションを含み、未知の配列の両端に既知の配列を生じさせることができる（Rahman et al., AKMMC J, 4(1): 30-36, 2013）。RT-PCRは、細胞または組織RNAライブラリからの既知の配列を増幅、単離または同定するために使用され得る。非対称PCRは、元のDNAの一方の鎖を他方の鎖よりも優先的に増幅するために使用され得る。PCRは、選択された鎖のためのプライマーを大きく過剰に用いて実施され得る。LATE-PCR（Linear-After-The-Exponential-PCR）として知られるこのプロセスの変形は、反応中に制限プライマー濃度が低下するとき反応効率を維持するために、過剰プライマーよりも高い融解温度（Tm）を有する制限プライマーを使用し得る。定量PCRは、PCR産物の量を高速で（例えばリアルタイムで）測定するために使用され得、したがって、DNA、cDNAまたはRNAの出発量を間接的に定量するための方法である。タッチダウンPCRは、サイクル間でアニーリング温度を下げることにより、非特異的プライマーアニーリングを減らすために使用され得る。対立遺伝子特異的PCRは、一塩基多型（SNP）（DNAにおける一塩基差）に基づく診断またはクローニング技術として使用され得る。ホットスタートPCRは、PCRの初期セットアップ段階中の非特異的増幅を減らすために使用され得る。これは、ポリメラーゼを添加する前に反応成分を変性温度（例えば95℃）まで加熱することにより、または、耐熱性ポリメラーゼに結合した阻害物質を含めることにより、実施され得る。インバースPCRは、ゲノムインサートの周囲の隣接配列を同定するために使用され得る。これは、一連のDNA消化およびセルフライゲーションを含み、未知の配列の両端に既知の配列を生じさせることができる。ライゲーション媒介PCRは、関心対象のDNAにライゲーションされた小さなDNAリンカおよびそのDNAリンカにアニーリングする複数のプライマーを使用し得；これは、DNAシーケンシング、ゲノムウォーキングおよびDNAフットプリンティングのために使用され得る。ミニプライマーPCRは、9または10ヌクレオチドしかない短いプライマーから伸長することができる耐熱性ポリメラーゼ（S-Tbr）を使用し得る。この方法は、比較的小さなプライマー結合領域を標的化するPCRを可能し、16S（または真核生物18S）rRNA遺伝子などの保存されたDNA配列を増幅するために使用され得る。メチル化特異的PCR（MSP）は、ゲノムDNA中のCpGアイランドのメチル化を検出するために使用され得る。使用され得る他のタイプのPCRとしては、エクストリームPCR、フォトニックPCR、コールドPCR、ナノ粒子PCRおよびヒートパルスエクステンションPCRがある。
本明細書に開示される態様は、増幅のモードに適切な1つまたは複数の温度ゾーンを使用し得る。例えば、等温モードの場合には単一のゾーンが用いられ、PCRの場合には2つのゾーンが用いられ、複数の温度ゾーンの場合、例えば3温度PCRの場合または特別な目的、例えば凍結乾燥された成分のためのバインダのイニシエーションもしくは初期解離またはRT-PCRを可能にするための逆転写酵素の作用の場合には、より多くのゾーンが用いられることができる。他の態様においては、3つよりも多い温度ゾーン、例えば、4つの温度ゾーン、5つの温度ゾーン、6つの温度ゾーン、7つの温度ゾーン、8つの温度ゾーン、8つの温度ゾーン、またはより多くの温度ゾーンが使用され得る。
例示的な態様において可能である等温増幅法の例は、核酸配列ベースの増幅（NASBA/3SR）、リコンビナーゼポリメラーゼ増幅（RPA）、ローリングサークル増幅（RCA）、ループ媒介等温増幅（LAMP）、リガーゼ連鎖反応（LCR）、鎖置換増幅（SDA）、鎖侵入ベースの増幅（SIBA）、ヘリカーゼ依存性増幅（HDA）、トーホールド媒介等温増幅、ニッキング酵素増幅反応（NEAR）、多置換増幅（MDA）、転写媒介増幅、RNA技術のシグナル媒介増幅、等温多置換増幅、単一プライマー等温増幅、環状ヘリカーゼ依存性増幅、クロスプライミング増幅などを含む。これらの技術は、参照により本明細書に組み入れられる以下の出典にそれぞれ要約されている：
・Compton, J (1991) Nucleic acid sequence-based amplification. Nature 350: 91-92.
・Piepenburg O, Williams CH, Stemple DL;, Armes NA (2006) DNA Detection Using Recombination Proteins. PLoS Biology 4: e204.
・Fire A, Xu S-Q (1995) Rolling replication of short DNA circles. Proc. Natl Acad. Sci. USA 92:4641-4645.
・Notomi T, Okayama H, Masubuchi H, Yonekawa T, Watanabe K, Amino N, Hase T (2000) Loop-mediated isothermal amplification of DNA. Nucleic Acids Res. 28:e63
・Barany F (1991) Genetic disease detection and DNA amplification using cloned thermostable ligase. Proc. Natl. Acad. Sci. 88: 189-193.
・Walker GT, Fraiser MS, Schram JL, Little MC, Nadeau JG, Malinowski DP (1992) Strand displacement amplification--an isothermal, in vitro DNA amplification technique. Nucleic Acids Res 20:1691-1696.
・Hoser MJ, Mansukoski HK, Morrical SW, Eboigbodin KE (2014) Strand Invasion Based Amplification (SIBA（登録商標）): A Novel Isothermal DNA Amplification Technology Demonstrating High Specificity and Sensitivity for a Single Molecule of Target Analyte. PLOS ONE 9:e112656
・Vincent M, Xu Y, Kong H (2004) Helicase-dependent isothermal DNA amplification. EMBO Rep 5:795-800.
・Zanoli and Spoto, Isothermal amplification methods for the detection of nucleic acids in microfluidic devices, 3(1): 18-43, 2013.
近接ライゲーションアッセイ（PLA）などの技術の使用を通して、関心対象の標的、例えば抗体を含むタンパク質を検出するためのさらなる増幅法が可能である（参照により本明細書に組み入れられるWeibrecht I, Leuchowius K-J, Clausson C-M, Conze T, Jarvius M, Howell WM, Kamali-Moghaddam M, Soderberg O (2010) Proximity ligation assays: a recent addition to the proteomics toolbox, Expert Review of Proteomics, 7:401-409によって1つの形式が記載されている）。
熱源
熱サイクル処理は、多種多様な熱源を用いて達成され得る。示される態様においては、第一の加熱コイルを通過する電流が記載されたが、他の態様は異なる技術を利用してもよい。例えば、他の態様において、熱源は、電気抵抗、電磁誘導、断熱、マイクロ波、放射性同位元素、音波、摩擦、化学、地熱、ユーザ／体温または太陽熱による加熱方法を利用し得る。熱源は、電気ベースであるならば、バッテリ、アウトレット、それらの両方または他の電源、例えば任意の対応デバイス、例えばコンピュータ、スマートフォン、タブレット、太陽電池または光電池に接続されたワイヤレス充電源またはUSB電源を使用し得る。いくつかの態様において、加熱コイルは、粉化、微細化または液化された金属、例えばアルミニウム、銅、鉄系金属、または様々な合金、例えばニッケル、チタンなど（または他の導体、例えば黒鉛または導電性インク）を液体または顆粒形態のポリマーと混合して、加熱コイルに代えて、またはそれに加えて抵抗加熱器として使用することができる、高い抵抗を有する導電性の第一端または第二端または両方を製造することにより、導電性ポリマーによって取って代わられ得る。他の態様において、加熱コイルは1つまたは複数のパラレルコイルを含み得る。いくつかの態様において、これらのパラレルコイルは冗長性のために使用され得る。他の態様において、これらのパラレルコイルは、特定の抵抗値を達成するために必要な巻き線の数を除するために使用され得る。
温度制御
熱源は、反応流体を直接加熱してもよいし、サーマルブリッジを通して加熱してもよいし、熱を反応流体に伝えることができる二次材料（例えば、ワックス、オイル、または水性流体）を加熱してもよい。この伝達は、間接的であってもよいし、反応流体と混合されて体積を増大してもよい。金属酸化物、エポキシおよび他の化合物がPCRを化学的または物理的に阻害する、または効率を低下させることができ、より反応性が低い材料、例えばクロム、代替ポリマーまたはコンフォーマルコーティングによるコーティングが、この阻害を軽減しながらも、他の優先的な属性、例えば熱伝導プロファイルまたは物理的硬さを維持することができる。
同様に、上記方法は、冷却または変調された熱放散を含む温度調節にも使用され得る。これは、アクティブまたはパッシブな方法、例えばペルチェ、断熱、化学、ファンもしく空気循環器および具体的な形状寸法または環境暴露制御、ヒートシンク暴露、液もしくは相変化冷却、ナノチューブまたはヒートパイプを用い得る。
いくつかの態様において、デバイスは、サーモカップルまたは測温抵抗体（RTD）を使用してデバイス構成部品の温度を感知する。特定の態様において、デバイスは、サーモカップルまたは測温抵抗体（RTD）の代わりにサーミスタを使用してデバイス構成部品の温度を感知する。サーミスタが、いくつかの態様においては、その低いコスト、短い応答時間および変化1℃あたりの抵抗の大きな変化のため、好ましいといえる。いくつかの態様におけるその使用は、本明細書中の他の箇所に記載されるように、デバイスの低い絶対精度要件および相対的な（絶対的ではない）生の伝導値を使用して温度を計算する能力のために、実現可能である。デバイスは、いくつかのモードにおいてロットレベルで校正されて、各デバイスを個々に校正する必要性を回避することができる。いくつかの態様においては、2つ以上の温度データポイントの傾きを計算することにより、温度曲線の線形近似を得ることができる。いくつかの態様において、関係は、3つ、4つ、5つ、またはより多くの温度データポイントによって計算され得、曲線は、一次関数よりも高次、例えば移動平均、多項式、指数、対数または他の数学的変換であり得る。いくつかの態様においては、データポイントの曲線への回帰を使用して、最小二乗法または他の適切な方法で曲線あてはめを確認することができる。いくつかの態様において、デバイスは、ロットとして所定の温度、例えば25℃、65℃および95℃まで上昇させることができ、各デバイス上のサーミスタ抵抗の校正データをデバイスの不揮発性メモリに記憶することができる。いくつかの態様においては、サーミスタ自己校正ソフトウェアが、校正段階中のみ、デバイス上に常駐することができる。他の態様においては、校正段階を超えて常駐し続けてもよい。いくつかの態様において、ロット内の校正の変動性の程度は、1％、2％、3％、5％、10％、またはより大きい程度であることができる。いくつかの態様において、曲線あてはめのR2線形回帰値は、0.75未満、0.8未満、0.9未満、0.95未満、または0.99未満であることができる。そのような高い変動性は、デバイスがより低い価格ポイントで製造されることを可能にする。
サイクル制御
これらのデバイスを設計する際、増幅に要する時間を最小限にすることが有益である。これは、サイクル数、サイクル期間を減らすこと、サイクル間滞留時間を減らすこと、または制御システム論理、例えば温度および流体サイクリング制御を最適化することを含むいくつかの手法を通して達成され得る。
サイクル数は、より高感度の反応を利用して、より完全な溶解、より良好な標的回収、より少ない核酸分解、またはより良好な（例えば優先的な）核酸保存を生じさせる溶解化学を実現することによって、減らし得る。厳密な温度制御がサイクル数を減らすのに役立ち、温度ランプ時間の短縮、用いられる材料の作業温度に対するより狭いマージン、および次に、実際の反応チャンバ条件がその理想に近づくにつれ、より完全なPCR活性を可能にする。いくつかの態様において、温度ランプ速度は、1℃以下／秒、1℃超／秒、2℃超／秒、3℃超／秒、5℃超／秒、10℃超／秒、15℃超／秒、または20℃超／秒であり得る。他の態様、特に50μL、25μL、15μL、10μL、5μL、3μL、1μL、またはより少ない反応の態様において、温度ランプ速度は、25℃超／秒、35℃超／秒、50℃超／秒、60℃超／秒、70℃超／秒、80℃超／秒、90℃超／秒、またはより高い速度であり得る。本明細書中の他の箇所に記載されるように、サイクル数はまた、特定の結果（例えば、コントロール値と実験値との間の十分な分離）が得られるならば増幅を早期に終わらせるようにアルゴリズムを最適化することによって減らし得る。特定の態様において、温度ランプ時間はまた、デバイスセンサによって検出され得る周囲温度に基づいて変調されてもよい。例えば、周囲温度が0℃である場合、温度を上げるためのランプ時間は、周囲温度が40℃である場合よりも長くなる。逆に、温度を下げるために必要な時間は、周囲温度が0℃であるときには減り、周囲温度が40℃であるときには増す。伝導性および対流性および放射性の熱伝達を補償する方法は当業者には容易に明らかであろう。
本明細書中に記載されるいくつかの態様において、デバイスは、任意の特定のPCRサイクルの期間の長さが、従来のPCRの場合のように固定されるのではなく、可変性であることを可能にする。いくつかの態様においては反応容器は蛍光または比色プローブを含み、また、いくつかの態様においてはデバイスのデザインがそのようなプローブの検出が増幅のプロセス中にリアルタイムで起こることを可能にするため、増幅反応の状態は、従来のPCRの場合に可能であるようにサイクル間に評価することができるだけでなく、サイクル内でも評価することができ、その場合、検出システムの低い潜在性および設計が、蛍光測定が1つまたは複数のチャネル上で短い間隔で繰り返し起こることを可能にし、瞬間的な蛍光、その傾きおよびその傾きの変化率の計算を使用して、完了している、またはまだ完了していないPCR半サイクル（伸長を含む）の比率を決定することができる（参照により本明細書に組み入れられる、Rutledge, R. G., (2004) Nucleic Acids Research , Vol.32, No.22およびLiu, W. and Saint, D.A. (2002) Validation of a Quantitative Method For Realtime PCR kinetics. Biochem. Biophys. Res. Commun., 294, 347-353を参照）。いくつかの態様において、測定の間隔は、5、10、15、20、25、30、40、50、75、100、150、200、300、500ミリ秒未満またはより長い間隔であることができる。
他の態様においては、シグモイド曲線あてはめを使用し得る。いくつかの態様においては、4パラメータシグモイド関数Fc＝Fb＋Fmax／（1＋e-(C-C 1/2 /k)（式中、FcはサイクルCの蛍光であり、Fbはベースライン蛍光であり、Fmaxは、測定された最大蛍光であり、kは傾きである）を使用して、標準曲線を必要とすることなく、リアルタイムPCR曲線を確立し得る。いくつかの態様において、PCRは半定量的または定量的であることができる。いくつかの態様において、サイクル間Δkを使用して、対数期とプラトー期（例えば転換期）との間の転移のカットオフ点を決定し得る。いくつかの態様において、制御装置195は、転換期に関連して所定の点に到達したならば、ピストン140を第一端151から第二端152へサイクル的に動かすことができる。いくつかの態様において、制御装置は、サイクル間変化に関連して計算を使用することができる。他の態様において、制御装置は、本明細書中の他の箇所に記載されるように、サイクル内変化に関連して計算を使用することができる。
過剰な滞留時間は、熱源への高い温度勾配を可能な限り維持しながら、センサを反応流体に可能な限り近く（例えば、反応流体から5mm以下、またはより好ましくは反応流体から4mm以下、またはより好ましくは反応流体から3mm以下、またはより好ましくは反応流体から2mm以下、またはより好ましくは反応流体から1mm以下）配置することによって減らし得る。これが、偽の熱読みを軽減し、より速い熱サイクル平衡化を可能にする。増幅化学のための適切な滞留時間と最小化サイクル期間との間の最適なバランスを決定するために、PCRアウトプットを観察しながら、繰り返され、標準化されたPCRコントロールを用いて滞留時間を繰り返し減らし得る。任意の工程として、PCR収率の最初の実質的減少が認められたならば（望むならば、その前に）、アルゴリズム（デザインパラダイムは再帰性または反復性であることができる）を用いて、適切なPCRアウトプット結果時間と減少時間との間の温度デルタを、好ましくは5秒未満、さらに好ましくは3秒未満、2秒未満、1秒未満またはより少ないデルタが観察されるまで、分割し得る。このようにして、温度を最適化する効率は、線形またはでたらめな最適化方法よりも好ましいn(logn)効率に近づく。
サイクル期間は、熱源と反応流体との間の熱伝達速度をいくつかの方法で高めることにより、最小限にすることができる。反応流体の体積に対する加熱表面積の比を増す方法が優先的であり（いくつかの態様においては、反応流体チャンバの（3/半径）の比が床として働き、反応流体チャンバの縁から反応流体チャンバの中心までの平均距離に対する表面積の比は4、5、6、7、8、9、10、15、20またはより大きい）、反応体積を減らすこと、加熱面の表面積を増すこと、または三次元形態の1つまたは2つの次元を平坦化すること（または、そのような変更の組み合わせ）によって達成することができる。反応体積を減らすことが有利である。理由は、1アッセイあたり必要な試薬コストを減らし、デバイス寸法の縮小と相関し、それ自体が、コストおよび熱移動距離を減らすからである。この体積は、試料流体の濃縮によって（例えば、ブーム法におけるようなカオトロピック塩の使用により―参照により本明細書に組み入れられるR. Boom et al., J. Clin. Microbiology, Mar. 1990を参照）または当業者には明らかであろう数多くの標準的な核酸濃縮技術によって減らし得る。濃縮なしでの試料流体体積の削減は、実現の観点からはより簡単であるが、一部の試料においては感度に影響するおそれがあり、分析物の検出限界が臨床的または実験的に関連のある試料体積の削減を支持する場合に適用され得る。加えて、反応流体中に最終的に存在する試料流体の割合の低下は、試料に対する希釈剤の比を記載するセクションに記載されるように、試料タイプに固有のPCR阻害物質、例えば血液中のヘモグロビンまたは植物中のフェノール系化合物の阻害効果を減らし得る。
加熱面のより大きな表面積は、ピストンベースのデバイスにおいては、熱接触ディスクの直径を増す、加熱面から流体のもっとも遠い側面までの直線距離を減らす、または熱伝達面の形状を変える、例えば加熱要素を延ばしてピストンの軸に沿って反応流体を包囲するようにする、端部もしくは横方向フィンによって加熱要素を反応流体中に延ばす（直接または熱伝達によって）ことによって達成することができ、ピストンおよびチャンバが反応流体と直接接触する設計を用いるとき、本明細書中の他の箇所に詳述されるように、ピストン端部とチャンバ端部との間に突出部を逆の構造とともに収容して、任意の突出部または凹凸が互いに交互嵌合してデッドスペースを最小限にすることが好ましい。表面積はまた、増大を生じさせるように設計された様々な方法で表面積を変更することにより、例えばマイクロポア、マイクログルーブまたはナノ構造を含めることにより、増大させ得る。
本明細書中で反応に関連して使用される「デッドスペース」とは、デバイス動作中に増幅にとって理想的な温度にない、反応チャンバ中の反応流体の部分をいう。デッドスペースは、製作公差（表面の滑らかさおよび表面間のギャップを含む）、熱源からの分離を生じさせる流体移動経路、反応チャンバ表面に付着する流体またはサイクル中に流体への十分な熱伝達を妨げる形状寸法によって生じ得る。特定の態様において、反応効率に対するデッドスペースの影響は有意になることがある。したがって、往復動ピストンベースの増幅チャンバの形状寸法を設計するとき、全反応流体体積の割合としてのデッドスペースの最小化を以下のように追求することができる。
全潜在的デッドスペースは、まず、ピストンとチャンバ壁（または、別個のチャンバを利用しない態様においては、対応するエンドキャップ側壁）との間の周辺または周方向公差を減らすことにより、最小限にすることができる。特定の態様において、行程の一端から他端へのピストン運動が約3～5秒より上の範囲（のちに詳述する）、好ましくは2秒未満または1秒未満に増大すると、この公差の下限に達し、最適化が完了する。具体的な態様は、周方向空間（公差空間または設計された溝またはピストン／チャンバ接合部の平坦化部）を通過することなくピストンの一端と他端との間の流体の動きを容易にするためのキャピラリーを含む。キャピラリー（いくつかの態様において、3mm未満、2mm未満、または1.5mm未満、1mm未満、0.7mm未満、もしくは0.5mm未満の累積直径を有する）によって導入されるデッドスペースの量は、同じ行程速度を達成するために周方向デッドスペースによって求められる量よりも少ない。加えて、行程速度に関して、単一のキャピラリーが等しい容積の複数のキャピラリーよりも望まれることができ、または反応流体の粘度が、最低許容可能環境温度で0.9cPを超える、または動作温度で0.5cP、0.4cP、または0.3cPを超えるとき、望まれることができる。
検出
前述のように、装置200は、ピストンチャンバ157の内容物を増幅するように作動させることができる。増幅プロセス中、装置200はまた、ピストンチャンバ157から調製された試料混合物を移送または運搬することなく、調製された試料混合物中の関心対象の分析物を検出するように作動させることができる。したがって、装置200は、試料を異なる場所に運ぶ必要なく、試料の内容物を増幅し、かつ、同じ場所（例えばピストンチャンバ157）で試料内の分析物を検出する（すなわち増幅検出（amplitection））ように作動させることができる。
次に図27を参照すると、検出キャップアセンブリ250の分解図が、それが結合される第二端152に沿って示されている。示されている態様において、検出キャップアセンブリ250は、ピストンチャンバ157の内容物を装置200の照射および検出電子部品から切り離すエンドプレート231を含む。特定の態様において、エンドプレート231は、1つまたは複数の波長範囲に対して許容性、例えば可視光に対して透過性であり得る。
エンドプレート231は、ハウジング150の第二端152にねじ結合することができるベゼル230内に取り付けられ得る。検出キャップアセンブリ250はさらに、ライトガード232および検出制御装置234がエンドプレート231とベゼルキャップ236との間に位置するようにベゼル230にねじ結合することができるベゼルキャップ236を含み得る。
いくつかの態様において、装置200は、特定の分析物を同定するための蛍光プローブを組み込む検出方法を利用し得る。特定の例において、そのようなプローブは、1つまたは複数の吸収極大を示し、1つまたは複数の発光極大を有し得る。示されている態様において、検出制御装置234は、1つまたは複数の光源237、1つまたは複数の検出器235、ゼロ以上の（任意の）エミッタ光源光検出器239および1つまたは複数のフィルタ240を組み込む。具体的な態様において、光源237は、とりわけ、エレクトロルミネセンス光、例えば発光ダイオード（LED）、有機発光ダイオード（OLED）、ポリマー発光ダイオード（PLED）および／または高出力発光ダイオード（HP-LED）または白熱、蛍光、高輝度放電（HID）、ハロゲン、化学発光、金属ハロゲン化物、燃焼ベース、核ベース、太陽光、放射線ルミネセンス、熱ルミネセンスまたは燐光光源を含み得、検出器235は、フォトダイオード、光度計または他の適当な光検出器を含み得る。いくつかの態様において、フィルタはバンドパスフィルタであり、いくつかの態様において、これらのバンドパスフィルタはショートまたはロングパスフィルタであり得る。これらのショートおよびロングパスフィルタは、照射光源の同時起動中に関心対象の発光および励起極大を識別することができるように配置され得る。他の態様において、フィルタ、光源および検出器は、当業者にはよく知られるように、複数のチャネル、例えば2、3、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20またはより多くのチャネルを受け入れるように選択される。
動作中、検出制御装置234は、光247を放出する1つまたは複数の光源237によってピストンチャンバ157の内容物に光を照射することができる。そして、ピストンチャンバ157の内容物への光照射から生じる応答248を1つまたは複数の検出器235によって検出することができる。特定の態様において、応答248は、ピストンチャンバ157の表面に結合されている分析物249から検出され得る。光247は、光路の向きを変えるように構成されている構成部品の使用なしで（例えば、レンズまたはミラーの使用なしで）、光源237からピストンチャンバ157まで延びる光路をたどる。加えて、応答248は、光路の向きを変えるように構成されている構成部品の使用なしで（例えば、レンズまたはミラーの使用なしで）、分析物249からピストンチャンバ157まで延びる応答経路をたどる。わかりやすくするために、ピストンチャンバ157に出入りする光247および応答248のそれぞれの経路は符番を付されていない。
検出方法が蛍光を用いる場合、検出モジュールで使用される発光または吸収波長（例えば、好ましくは400～700nm、例えば約485nm）で自己蛍光を示さない（設計段階中、ポリマーの存在下および非存在下で増幅反応を実施し、ゲル上で見える蛍光を比較することによって確認し得る）材料（材料のバックグラウンド蛍光の寄与は、好ましくはポジティブコントロールのシグナルの10％未満、より好ましくは5％未満、3％未満、2％未満、1％未満、またはより少ない）を選択することができる。
加えて、1つまたは複数の光源／光照射装置および1つまたは複数の検出器を用いる光または電磁放射線に依存する蛍光検出または方法の場合、1つの態様は、関連する波長でより低い反射率を示す材料を使用して、照射光の反射（放射輝度）を減らすことによってシグナル対ノイズ比を高めることである。他の態様において、より高い反射率の材料の使用は、より多量のシグナルが光検出器によって捕捉されることを可能にする。本明細書に詳述されるように、いずれも、絶対的および相対的なシグナル対ノイズ比（SNR）レベルに依存する適当な最適化技術であるといえる。
次に図28～29を参照すると、特定の態様において、装置200は、ベース・カートリッジアセンブリとして構成され得る。図示されている態様において、装置200はベース201およびカートリッジ202を含む。図28中、カートリッジ202はまだベース201に挿入されておらず、図29は、ベース201に挿入されたカートリッジ201を示す。特定の態様において、カートリッジ202は、特定の標的分析物の検出のために特化して構成されることができる（例えば、カートリッジ202は、特定の分析物の増幅および検出に適した特定の試薬を含み得る）。したがって、単一のベース201および複数のカートリッジ202が、様々な異なる分析物の検出を提供するためのキット中に提供され得る。
この態様においては、試料進入、増幅および検出試薬が、前記態様に示された態様に類似する進入ロッドアセンブリおよびハウジングを含むことができるチャンバ203内に含まれる。チャンバ203は、1つまたは複数の波長範囲に対して許容性、例えば可視光に対して透過性であり得るエンドプレート204を含む。カートリッジ202は、チャンバ203がハウジング150内に位置し、エンドプレート204が検出キャップアセンブリ250に近接するように、ベース201に挿入することができる。したがって、検出は、本明細書に開示される他の態様と同等のやり方で実施することができる。
図29に示す態様において、ベース201は再利用可能であり得るが、カートリッジ202は使い捨てであり得る。したがって、ベース201は、複数の分析に使用することができるが、カートリッジ202は、多重化またはパラプレックス化された使用を含め、一回の使用後に廃棄され得る。使用中、試料および増幅流体はカートリッジ201のチャンバ203内に含まれ、それが、複数回の使用のためにベース201を除染または他のやり方で準備する必要性を除くことができる。したがって、カートリッジ201中の構成部品の複数回使用を可能にすることにより、装置200の動作のための全体的コストを減らし得る。
サイクル間（Inter-cycle）検出法
自動化検出を実施する現世代PCRデバイスは多様な技術を使用し、多くの場合、増幅効率の事前の理解および2つの曲線（実験曲線および標準曲線）の比較に頼る。
このモードに代わるものが、増幅効率を事前に知る必要がない曲線あてはめ技術、例えば4パラメータ曲線あてはめを使用することである。通常、これらの技術は、PCR増幅結果の正確な解釈を可能にするために、放射計により校正された光学システムに頼る。
検出の基礎として絶対（放射計測）校正値に頼らず、特定の試料および反応の増幅効率の事前知識なしで蛍光を検出することができるデバイスを用いてPCR産物を検出する場合、適用することができる1つの方法は、早期グラウンド位相中の初期PCRサイクルの相対的なベースラインを蛍光（または他の）シグナル値のスライディングウィンドウと比較して、シグモイド曲線の直線位相およびその曲線の後期漸近位相を検出することである。
通常、光源の自己加熱および他の電子部品が、位相中、ベースラインが確立されるとき変動性の傾きを付与する熱ノイズの存在のせいで、そのような比較を実施不可能にするが、熱ノイズが適切に抑制される（いくつかの態様において、一般的な放熱またはヒートストラップ、例えば第二端152と検出制御装置234の構成部品との間の銅またはアルミニウムボンドにより）ならば、そのような傾きの変動性を除く、または検出に干渉しない程度にまで減らすことができる。
放射計測光学システム校正に頼らず、熱ノイズに対してロバストである相対的なベースラインを使用するこのサイクル間検出の1つの態様は以下のとおりである。第一に、検出可能なPCR増幅と関連するシグモイド曲線のグラウンド位相と直線位相との間の指数関数的変曲の前、PCR反応が初期サイクル中にある間にベースラインを確立する。いくつかの態様において、ベースラインは傾きゼロでない場合があり、補正係数を適用して（例えば、線形回帰を使用して）、平坦な（傾きゼロ）ベースラインを近似するようにデータを変換し得る。ベースライン値の数は、わずか2個であることもできるが、3個、4個、5個、6個、7個、8個、9個、10個、11個、12個、13個、14個、15個、16個、17個、18個、19個、20個、またはより多くの値を含んでもよい。標本平均および分散はベースラインに対して計算される。注目すべきことに、いくつかの態様において、ベースラインに含まれるベースライン値の数が、自由度、ひいては選択された統計的検定の信頼度値を変化させ、したがって、これらの態様の場合、統計を計算するために必要な関数を有する数値演算ライブラリが含められるべきである、または、そのような数値演算ライブラリの代わりにルックアップテーブルが使用されるならば、ベースライン値の許容される数ごとに適切なルックアップ値（近似値を含む）が含まれるべきである。いくつかの態様において、ベースライン値テーブル（または列）の数は1である。他の態様において、そのようなルックアップテーブル（または列）の数は、許容されるたベースライン値セットのサイズの数に一致する。
第二に、スライディング平均ウィンドウを確立する。このスライディング平均ウィンドウは、2つの値しか含まなくてもよいし、3個、4個、5個、6個、7個、8個、9個、10個、11個、12個、13個、14個、15個、16個、17個、18個、19個、20個、またはより多くの値を含んでもよい。第三に、スライディングウィンドウの平均がベースラインの平均を超えるならば、各PCRサイクルの同じポイントで（1つの態様においては、コールドサイクルの終了時に）統計的検定（参照により本明細書に組み入れられる、http://itl.nist.gov/div898/handbook/で入手可能なNIST/SEMATECH e-Handbook of Statistical Methods, October, 2013 update editionを参照）を実施して、ベースラインとスライディングウィンドウとの差が偶然によるものではないという信頼区間を確立する。
1つの態様において、統計的検定は2標本t検定であり、t2値は以下のように計算される。
Figure 2022515782000001
1つの態様において、2標本片側t検定は、ルックアップテーブルを使用して、例えば8つの自由度を使用するt分布の信頼度を決定する。
Figure 2022515782000002
いくつかの態様において、検出結果はt2値のルックアップに基づき、これは、計算を簡単化し、装置のメモリのサイズおよびより複雑な関数を受け入れるために必要な数値演算ライブラリのサイズに依存して、より小さいメモリ容量（場合によっては、4MB未満、2MB未満、1MB未満、512kB未満、256kB未満、128kB未満、64kB未満、48kB未満、36kB未満、24kB未満、18kB未満、16kB未満、12kB未満、10kB未満、8kB未満、6kB未満、4kB未満、2kB未満、またはより小さい）を組み込む電子部品の使用を可能にして、構築のコストを減らす。他の態様において、信頼度値は、数学的計算を使用して繰り返し計算される。
他の態様において、統計的検定は、あてはまりの悪さ検定、例えば平方和分析である。他の態様において、統計的検定は、ベイズ検定、例えば以前のデバイスランからのデータに基づき、現在ランのあてはまりを比較するものである。他の態様において、統計的検定は、符号検定などのノンパラメトリック統計的検定であり、これは、データ分布に関する事前の仮定に依存せず、例えばデータ収集中に偏差が予想よりも大きくなるならば、平均の分散を使用して帰無仮説を棄却する。
一般に、三角法、指数、積分などの高等数学を必要とせずに作動するようにシステムを設計することは有利である。理由は、そのようなライブラリは、多くの場合、1キロバイト（kB）、1.5kB、2kB、またはより大容量のメモリを必要とするからである。具体的な態様において、固定小数点演算を排他的に使用して浮動小数点演算を除外すると、計算の複雑さが軽減し、そのような数値演算ライブラリが使用されなくなり、コードサイズが約2kB減る。これはベンチトップまたは他の点で複雑なPCRマシンにおいては些細な合計であるが、特に小型、ポータブルまたは使い捨てデバイスにおいて小さなコードサイズ（構成部品のための低コストベースを達成するために重要である）のために最適化する場合、4MB、2MB、1MB、512kB、256kB、128kB、64kB、32kB、16kB、8kB、4kB、またはより小さいメモリプールからのメモリ要件のこの量の削減は意味ある削減である。これらの関数の除外は、いくつかの態様においては、関数（例えば、sqrt、統計、変換など）のルックアップテーブルの使用によって、またはビット単位の操作を容易に適用し得るような2の整数べき乗である値への強制によって達成され得る。いくつかの態様において、ルックアップテーブルの使用は、（例えば自由度が既知であり）計算を簡単化し得るよう、標本セットのサイズに関する演繹的知識によって容易にされる。
加えて、スペースを節約するために、いくつかの態様においては、特定の演算の場合に近似を実施してもよい。例えば、完全平方ではない数Aの平方根を計算する場合、使用し得る1つの方法は、ルックアップテーブル（ハッシュルックアップテーブルを含む）を使用して、以下のようにこれを決定する方法である：
ステップ1：Aよりも小さい最大完全平方（以下、B）を決定する；
ステップ2：Aよりも大きい最大完全平方（以下、C）を決定する；
ステップ3：（A－B）／（C－B）から得られる商（以下、Q）を計算する；
ステップ4：QをBの平方根に加えてAの近似平方根を達成する。
上記プロセスの適用の実例として、5.657（四捨五入して小数第3位までにする）の平方根を有する32の平方根を近似することが望ましいならば、プロセスは以下のようになるであろう：
ステップ1：32よりも小さい最大完全平方は25である；
ステップ2：32よりも大きい最大完全平方は36である；
ステップ3：（32－25）／（36－25）＝約0.636；
ステップ4：25の平方根＋約0.636＝約5.636。
さらに、いくつかの態様においては、検定の妥当性の信頼度を高めるために、検出結果のための前述の態様を使用するさらなる検出チャネル、例えばコントロールチャネルを含めることもできる。1つの態様において、チャネル間のブール真理値表の構築が、信頼度に基づくバイナリ形式（信頼度閾値がチャネルごとの成功または失敗を判定する）で検出結果を結合する。例えば、検出チャネルに関して成功およびそうでなければ失敗を示す信頼度閾値0.999以上を有する、2つのコントロール（C1およびC2）および1つの標本（S）を有する3チャネルシステムを考えてみる。1つの態様において、C＝C1およびC2となるよう、結合されたコントロール結果Cのブール代数を使用してコントロールチャネルをグループ化する。CをSと比較して、4つの結果を有する結果的な真理値表を作成する。
Figure 2022515782000003
加えて、別の態様は、各検出結果の信頼度に基づくスコアリング方法を利用する。システム全体の結果は、スコアの組み合わせに基づいて特徴付けられて、結論ごとに異なる範囲を作成することができる。一例として、8つの自由度の場合のt分布のルックアップテーブルの指数値をスコアリングポイントとして使用すると、コントロールチャネル（C）および標本チャネル（S）を用いる2チャネル検定は、信頼度に関して指数を関連付けするであろう。CとSとの間のスコアリングポイントの組み合わせ（例えば、統計ルックアップテーブルからの指数の算術的差または和）が、異なる結果に対して異なる範囲を有するシステム結果を決定するであろう。
Figure 2022515782000004
サイクル内（Intracycle）最適化法
いくつかの態様において、サイクル内の増幅の率が非線形であり、サイクルの最初の部分がサイクルの残り部分と比較して線形よりも大きい利得を示すならば、統計的検出までの全時間を短縮することができる。倍加サイクルがn秒を要するならば、一部の反応は、反応の熱特性または他の固有の特性、例えばヌクレオチド、阻害物質、酵素などの濃度または活性のせいで、サイクル中の早期により大きな増幅を示すことができる。倍加するためのサイクルの数は、一定の％値に達するまでの時間によって近似することができ、一部の反応は、サイクル時間の短縮で恩恵を受けることができる。いくつかの態様において、好ましい％値は、PCRサイクルの開始からの最大傾きの点に一致する。他の態様において、例えば、核酸濃度の変化率が検出可能なフルオロフォアの変化率と異なる場合、好ましい％値は、その差を補償するように調節される。
例えば、倍加時間が80秒であり、反応が最初の20秒でその全蛍光増加の30％に達するならば（線形特性が与えられた場合、20/80が25％の増加を生じさせると予想されるため、線形よりも大きい）、20秒サイクルに短縮されたならば、倍加するためのサイクルの数は、ln(2)／率、すなわち約69.3／30＝2.3サイクルとなる。20秒／サイクルで、これは約2倍の場合で約46秒に等しく、80秒よりも42％高速である。この蛍光曲線圧縮方法を使用すると、短縮サイクル蛍光曲線を、後処理利得係数の適用により、フルサイクル曲線として見えるように当てはめることができる。この方法は、例えば、倍加時間の事前の推定値が既知である場合、またはそれらが未知であり、早期サイクルを使用して増幅ダイナミクスを推定して、サイクルの好ましい％値を選択する場合、他の態様と組み合わされ得る。
1つの態様においては、サイクル内での（1つまたは複数シングルサイクルの範囲内での）の蛍光シグナルの分析により、曲線ダイナミクス、光学システムの放射計による校正または熱システムのユニットごとの校正の進んだ知識がなくても、さらなる最適化を達成することができる。現世代PCRデバイスは慣例的に、各PCRサイクルの終了時（サイクル間）に検出のための蛍光読み値を得ることに依存するが、増幅検出（amplitection）（増幅（amplification）段階と検出（detection）段階を組み合わせて単一のプロセスにすること）を可能にする、本明細書に記載される態様の使用は、単一サイクルの過程中の読みを可能にする。
これは、未知の濃度および増幅効率の試料を分析する際にPCR効率の有意な改善を提供する。いくつかの態様において、改善率は、5％、10％、15％、20％、25％、30％、50％まで、またはより高い率であることができる。特定の態様において、改善率は4％である。他の態様において、改善は約26％である。これはまた、検出システムが動作環境またはデバイス状態の変動を自動的に補償することを可能にし、校正の必要性をさらに減らす、または除く。いくつかの態様において、本明細書に記載される装置は事前のアッセイ固有の熱校正を必要としない（例えば、既知の標準DNAフラグメントに対する融解曲線分析を使用して、温度と蛍光との間の関係を校正する）。そのうえ、いくつかの態様において、検出は、放射計による校正を使用した光学的校正を受けていないシステムを使用して実施されてもよい。
いくつかの態様において、フォトダイオードからの電気シグナル（例えば、アナログ・デジタル変換器チックまたはADCチック）は、光検出器上の光の増加に応答して減少し得るが、他の態様において、電気シグナルは、光シグナルの増加に応答して増加し得る。わかりやすくするために、本明細書に詳述されるものは、フォトダイオード上の光の増加が、ADCから見られるチックの減少を引き起こす（すなわち逆の関係）態様であるが、本明細書に記載される方法および構造はいずれにも適用されることができる。
いくつかの態様において、光検出器は、統計的計算に使用される要素の数を決定するためのノイズフロアを確立するように特徴付けられ得る。さらには、計算を簡単化し、標準偏差に対する標本セットの高い信頼度を保証するために、標本の最小数を計算する際の近似式は、以下のように記すことができる。
Figure 2022515782000005
式中、
nmin＝要素の最小数
Z＝所望の信頼区間に対応するzスコア値
σ＝標準偏差
ErrTol＝許容誤差範囲
いくつかの態様において、Zとして値2を選択すると、95％を超える信頼度が保証され、標準偏差σの係数としてErrTolを選択すると、標本の最小数の計算が簡単化され、これは、例えばコスト制約のせいでプロセッサ速度、メモリサイズまたは数値演算ライブラリ関数の可用性が限られる場合に利点である。
いくつかの態様において、移動平均はn個の要素の指数を組み込むことができる（nは1以上の正の整数である）。いくつかの態様において、移動平均は、例えば各指数に等しい加重を与えることによって均衡させることができる（例えば、4指数移動平均において、加重は［1、1、1、1］／4であることができる）。特定の態様において、ビット単位の計算を容易にすることから、加重の合計は2x（xは整数（0を含む）である）に等しいことが好ましい。他の態様において、移動平均は、バイアス、例えば、最新性に向かってバイアスされたで重みを加えられることができ（例えば、3指数移動平均において、加重は［5、2、1］／8であることができる）、ここでもまた、特定の態様は、合計が2x（xは整数（0を含む）である）に等しいことを好む。
いくつかの態様において、蛍光シグナルは、温度に感度を示す染料（例えばDNA結合染料）によって放出され、流体の温度が下がると蛍光がサイクル内で増大するようになっている。他の態様において、蛍光シグナルは、早期サイクル内の温度に感度を示すプローブ（例えば5'加水分解プローブ、例えばTaqManプローブ。本明細書中、これらの語は互換可能に使用される）によって放出され、温度が下がると、結合エネルギーが減少する、またはプローブの二次構造の形成が生じ、フルオロフォアと消光剤との間のより近い接近およびサイクルの伸長部分の開始前の蛍光の初期減少を招き、その間に蛍光が増加し始める。いずれの態様においても、PCR試薬の温度が、伸長が起こるのに十分なほど低下したならば、蛍光が増し始める（この態様においてはADCチック値の低下を招く）。
いくつかの態様において、データは、外れ値を排除するために、任意の有効な統計的手法を使用してフィルタリングされてもよい。例えば、外れ値は、1.5×四分位範囲（IQR）と指定され得る。他の態様において、加重平均を計算する前にセットの最小または最大値を除去してもよい。他の態様において、平均加重の特定の割合よりも大きい偏差を除外してもよい。いくつかの態様において、使用される統計的検定（例えば符号検定）は外れ値に対して本質的にロバストである。理由は、差の大きさが考慮されず、最新のデータポイントの移動平均を調べる性質が、変化の検出に対してそれを高感度にするからである（直近効果）。
いくつかの態様において、蛍光値の傾きの変化を使用して、PCR反応が関心対象の変曲点、例えば自動コールが実行され得るポイントまたはPCRサイクルを終了させ得るポイントに達した時期を決定して、反応の効率、速度もしくは信頼性を改善し得る。いくつかの態様において、PCRサイクルの伸長部分が、伸長期間を終了させ、ピストンをシフトして反応流体の大部分を第一端（すなわち、サーモサイクラの高温側）に動かして別のPCRサイクルを再始動することが、1つまたは複数のPCRサイクルに適用されるならば、正味のより高速の増幅を生成するであろうポイント（例えば、PCRシグモイド曲線の漸近部分への変曲）に達したかどうかを判定するために、以下の方法を実行し得る。
・第一に、標準偏差、信頼度および許容誤差範囲に関して本明細書に記載されるように蛍光値のnサイズのアレイfを確立する（n＝1＋最小試料数）。例えば、2のz値（95％超の信頼度に相当）および標準偏差／sqrt(2)の許容誤差範囲を選択すると、最小標本サイズ8が得られる。アレイfはスライディングウィンドウであり、n個の最新値を維持する。nの値が増すと、スライディングウィンドウは、よりノイズを感受しにくくなるが、サイクルの伸長部分の終了に対する早期（サイクル内）コールを実行する能力（以下に記す）は減速する。いくつかの態様において、nは2または3である。他の態様において、nは、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、18、19、20、またはより大きな数である。いくつかの態様において、fの蛍光値は、本明細書に記載されるように外れ値を除外するためにフィルタリングされている。他の態様において、fの蛍光値（または外れ値が除去された値）は、平滑化関数を適用するために加重されている。いくつかの態様において、平滑化は、加重値に対する蛍光値の畳み込みである。以下に詳述するように、さらなる蛍光値がPCRサイクル中に読まれる。わかりやすくするために、これらの値の加算、選択または操作を詳述するとき、それはまた、フィルタリングまたは平滑化されたデータに適用されたそのような関数をも含み得ることが理解されよう。
・第二に、スライディングウィンドウ内で、アレイ内で最新値が最小になるときを決定し；これが、定義上、アレイにかかる下向きの傾きを保証する。
・第三に、fの最新メンバーがスライディングウィンドウ内で最小になったならば、f内の最大値およびその指数を識別する。蛍光値は変動を有するため、極大値の選択は、最大の変曲点、ひいては最大絶対傾きの計算を可能にする。これが、PCRの指数増殖期の確立であると考えられるポイントである。いくつかの態様において、傾きの符号はバイナリービットを使用してコード化され得る。
・第四に、fで識別された極大値から出発する傾きを含むサイズk＝n-1の傾き値のアレイmを確立する。極大値が最古のエントリではないならば、アレイmのサイズkに達するまで、蛍光値を読み、傾き値を計算しを続ける。アレイmはスライディングウィンドウであり、最新のk個の傾きを保持する。k個の傾きが計算されると、これが最小ベースラインセットを確立する。
・第五に、mk＝fn+1－fnを計算し（かつ、新たな蛍光値がアレイに加えられるごとに更新し）、最新k個の傾きをアレイm中に保持する。いくつかの態様において、読みと読みとの間の時間は変動し、mk＝（fn+1－fn）／（tn+1－tn）である（tは時間間隔である）。
・第六に、アレイmのスライディングウィンドウ内で最新の傾き計算mkを比較し、それがスライディングウィンドウ内で最小マイナス（または最大プラス）傾きであるならば、これが、PCRの漸近期の確立であると見なされる点である。この期間に達するいくつかの態様において、ピストンはサイクル的に動かされて、PCR反応流体の大部分をチャンバの他（高温）端へと方向付け、PCRサイクルは完了する。
・第七に、第五の工程に戻って次の蛍光値の傾きを計算する。
他の態様において（例えば、二本鎖DNA結合染料が使用される場合、ポリメラーゼ伸長が蛍光変化よりも遅れることがあるとき）、ピストンをサイクル的に動かす前にさらなる期間がプロットされる。いくつかの態様において、これは静止期間であり、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20秒、またはより長い期間であることができる。他の態様において、期間は、特定のアッセイ条件に基づいて調節される。例えば、チャンバの低温端の温度が最適なPCR伸長にとって高すぎる、または低すぎる（いくつかの態様において、理想から1℃、2℃、3℃、4℃、5℃、7℃、10℃、12℃、15℃、25℃、35℃、45℃、またはより大きく離れている）ならば、さらなる時間が割り当てられてもよいし、増幅される標的配列の長さがより小さい（いくつかの態様において、200bp超または未満の配列長さの変化に等しい割合で）または使用されるポリメラーゼの速度が増す（いくつかの態様においては、天然のTaqポリメラーゼに対するポリメラーゼ速度の増加または減少率に比例して）ならば、短縮されてもよい。
光学分析
現在のPCR蛍光検出システムは、いくつかの主な理由のため、比較的高価である。そのようなシステムは、コリメーティングトレンズおよびダイクロイックミラーを必要とし、高い光学効率のための設計特徴を用い、放射計による校正、高度な複雑さ、および光路沿いの数多くの構成部品サブシステムを必要とする。低コストのPCR蛍光検出システムを製造するためには、これらの要素それぞれを減らす、または除くことが好ましい。本明細書中で使用される語「レンズ」は、いくつかの異なるやり方で構成されることができる光蓄積装置を指すために使用される。例えば、レンズは、光ファイバ部品で構成されてもよいし、凸、凹、フレネル、または光蓄積のための他の適当な構成により構成されてもよい。
エミッタと検出器の間に十分な近接性があり、検出器に達する蛍光プローブから生成される十分な光束があるならば、レンズおよびミラーは、PCRのための蛍光検出器を構築するための必要な構成部品ではない。拡散面のエンクロージャ内の放射線交換が検出器への入射光束の量を決定する。
図30に示すように、検出チャンバ内の任意の2つの面の間での光の交換は以下の一般式によって支配される。
Figure 2022515782000006
式中、
L＝2面間の距離
α＝2面間の材料の吸収係数*
θ＝表面への光線入射角
*αの値は、微粒子および他の汚染物質による材料の吸収と、フルオロフォアによって与えられる吸収との合計である。
この式の評価は、球体などの特定の幾何学的形状のために簡単化されている。しかし、PCR検出チャンバ内に存在し得る複雑な形状に適用されると、式の解は相当より複雑になる。数値評価の代わりに、チャンバ内の任意の所与の容積測定点における入射光束が、具体的なチャンバ形状寸法および励起光強度分布などのパラメータを正確にモデル化することができる、ノンシーケンシャルレイトレーシングプログラム（市販されているもの、例えばTracePro、ASAP、FRED、LightTools、SPEOS、ZEMAXなど）を使用するモデリングによって計算され得る。また、そのようなモデルにおいては、正しい吸収面積、チャンバ壁の反射率および拡散もしくは鏡面反射特性ならびに全表面の散乱特性を含めることが重要である。
図31は、例示的な検出チャンバ900のノンシーケンシャルレイトレーシングモデルを示し、チャンバがグレーの円柱として示され、発光デバイスは白い長方形901であり、検出フォトダイオードはハッチングされた長方形902である。グレーの実線は、チャンバ内で散乱し、反射する個々の光線である。このレイトレーシング例において、円柱の内面は高反射性である。表面からの拡散ランバート散乱が励起光をチャンバ全体に分散させて、試料の均一な刺激を提供する。
チャンバ壁の反射率が、放出光を再循環させるのに役立ち、その結果、さらなる乗法的因子を生じさせ、それにより、一般式が計算するよりも多くの放出光が検出器上に集積される。したがって、チャンバの壁の材料および反射率は、検出器によって収集される光学シグナルパワーにおいて有意な役割を演じることができる。乗法的因子は以下の式に従う。
Figure 2022515782000007
式中、
ρw＝内面の反射率
ρi＝吸収面の反射率
fi＝全面積に対する吸収面の面積の割合
この乗法的因子を最大化するためには、チャンバ表面の反射率は、使用される材料が可能な限り高くあるべきであり（例えば、関心対象の波長範囲［蛍光検出態様の場合、通常、約400～600nm］で少なくとも0.1またはより好ましくは0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8またはより高いアルベドを有する滑らかな反射仕上げを有する表面を使用することにより）、非検出器吸収面積が最小化され、エンクロージャの50％未満、40％未満、30％未満、20％未満、10％未満、5％未満、4％未満、3％未満、2％未満、1％未満、またはより少ない％しか構成しないことが好ましい。さらに、チャンバの非検出器部分の表面積に対する光検出器表面積の比を、いくつかの態様においては5％、10％、15％、20％、35％、50％、75％、90％、95％、またはより高い比で、増すことが好ましい。三次元幾何学形状の体積が減少するにつれ、体積に対する表面積の比は増す傾向にある（この比は、形状の少なくとも1つの側面の扁平化が、体積が増す速度よりも速い場合にも、増し得る）。加えて、任意の検出チャンバの表面積と体積の比は、3つの直交する次元に比例して増大し、3次元の球体が、任意の特定の体積において最小の表面積：体積比を有する。
いくつかの態様においては、フォトダイオードに達する光束が、暗電流および電気ノイズから区別可能であり、光電流直線性の下限よりも高いフォトダイオードからの電流を誘導するのに必要な光の最小閾値に達するのに十分であるように、光検出器の表面積を、使用される特定の光検出器の感度閾値によって画定される検出チャンバの容積と比較して増すことが好ましい。いくつかの態様において、フォトダイオードは、ツェナー、アバランシェまたはバリキャップダイオードを使用する。いくつかの態様において、フォトダイオードは、逆バイアス、順バイアスまたはゼロバイアス電流フローを使用する。いくつかの態様において、検出可能な電流を誘導するために必要な光の最小閾値（すなわちノイズ等価パワー）は、0.1pW超/√Hz、0.5pW超/√Hz、1pW超/√Hz、5pW超/√Hz、10pW超/√Hz、15pW超/√Hz、20pW超/√Hz、25pW超/√Hz、30pW超/√Hz、またはより大きい値である。
本明細書の他の箇所に詳述されるように、関心対象の最適化パラメータに依存して、シグナル対ノイズ比は、シグナルを増すこと、ノイズを減らすこと、またはその両方によって改善され得る。暗い色（例えば黒）の表面は、より低いノイズフロアを生じさせ、滑らかな表面の材料が使用される（設計における光バッフルを抑制し、粗さを3.2μmまで、1.6μmまで、0.8μmまで、0.4μmまで、0.2μmまで、0.1μmまで、0.05μmまで、0.025μmまで、またはより小さい値まで減らす）限り、効果的な検出が暗い色の表面で達成され得る。アルベドが増す白色、非染色または他のやり方で反射性の材料は、より多くのシグナルを生成し、本明細書の他の箇所に詳述されるような適切なシグナルノイズ区別を有するならば、同じく効果的なエンクロージャ材料であり、明るい色のより高反射率の材料は通常、大部分の構成の場合、暗い色の表面と比べ、正味で2～2.5倍改善されたシグナル対ノイズ比を示す。
PCR蛍光検出器において、実用的な目的の場合、フルオロフォアから放出される光はランダムな方向に放出されるため、放出光が検出器に当たる確率は、フルオロフォアから検出器までの距離の2乗に比例する。そのようなものとして、チャンバ容積もまた、内部表面積を最小限にし、吸収を最小限にし、検出器までの平均距離を減らし、ひいては最終的に検出器に達することができる光束を増すために、妥当な程度に小さく維持されるべきである。小さい容積（いくつかの態様においては、500μL、250μL、150μL、100μL、50μL、40μL、30μL、25μL、20μL、15μL、10μL、7.5μL、5μL、3μL、1μL未満またはより小さい）および高い反射率（いくつかの態様においては、関心対象の波長範囲［蛍光検出態様の場合、通常、約400～600nm］で少なくとも0.1またはより好ましくは0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8またはより高いアルベド範囲を有する）チャンバの場合、上記乗数効果は有意であることができ、検出器に当たる光学シグナルの2～10倍またはより大きな増加を提供する。
実際には、複雑なシステムは、多くの場合、上記ノンシーケンシャルレイトレーシングを使用してモデル化されるが、PCR蛍光検出器によるフルオロフォアからの光の積分を数値的に評価することもできる。検出器面における光の強度は以下の一般形式に従い、検出器における放射照度が、検出器上の放射照度からの光子誘導電流の一部分が暗電流（すなわち、光の非存在下で光検出器から生じる、例えば熱源から生じるベースライン電流）と比べて十分に高い（例えば、少なくとも1.5：1、より好ましくは2：1、3：1、5：1、10：1、50：1、100：1、250：1、500：1、1000：1またはより大きい）ような十分な電流をフォトダイオード中で生成するならば、レンズまたはミラーを使用せずに検出器チャンバを設計し得る。具体的に、検出器における分光放射照度は以下のように計算することができる。
Figure 2022515782000008
式中、
Eｄ＝検出器における分光放射照度
Ie＝フルオロフォアにおける光学励起強度
ρ＝フルオロフォア密度
Φ＝量子収率
α＝励起光の吸光度
ｒ＝検出器からフルオロフォアまでの距離
θ＝検出器の半角視野
システムの光学効率（試料中への励起光の透過とフルオロフォアから放出される光の収集効率の両方を含む）を（下記のように）計算することができ、数値計算によって、レイトレーシングを介して、または実験的に収集することによって分光放射照度値を決定しているため、検出器チャンバ、フルオロフォアタイプおよび濃度のパラメータを過度な実験なしに簡単に変更して、システムの分光放射照度を、光電流と暗電流（上記）との間で少なくとも最小限に機能的なシグナル対ノイズ比を達成するレベルまで高め得る。
検出器中の放出されたシグナル光の電気的変換は、分光感度および検出器材料と、フルオロフォアの放出スペクトルの波長範囲にわたって積分されたフルオロフォアの放出スペクトルとの重なり積分によって計算することができる。同じく含まれるものは、バンドパス、ロングもしくはショートパスまたは吸収フィルタまたは検出器の正面にある他の光学および非光学部品による損失または非効率性である。検出器から出るシグナル電流は、次式にしたがって、検出器の面積を使用し、波長依存関数にかけて積分することによって計算することができる。
Figure 2022515782000009
一般的なPCR蛍光検出システムにおいて機能するような光学システムは、構成部品を受け入れるために必要な長い光路長および校正された検出モードの使用のために、多くの場合、高い光学効率を必要とする。これらのシステムにおけるコリメーティングレンズ、ダイクロイックミラー、および構成部品の正確なアライメントの包含が、通常、75～80％よりも高い、励起光の透過に関する光学効率（90～95％を超える効率が可能）と、0.3％～3％の収集効率（以下に記すように計算）とを達成する。レンズを使用するシステムにおける光学効率は次式によって計算することができる。
Figure 2022515782000010
式中、
η＝光学効率
n＝屈折率
θ＝レンズに入る最大半角
対照的に、本開示の特定の態様は、レンズを含まず、それにより、光路を、2cm未満に、より好ましくは1.5cm未満、1cm未満、9mm未満、8mm未満、7mm未満、6mm未満、5mm未満、4mm未満、3mm未満、2mm未満、1mm未満、0.5mm未満、0.25mm未満、0.15mm未満、0.10mm未満、0.05mm未満、0.01mm未満、またはより短い距離に短縮し、上記のように、距離が短くなるにつれて放射照度を高める効果を有する。
いくつかの態様において、ライトパイプ、ファイバ束または他の光伝搬または蓄積材料を使用して、試料チャンバと検出器および／またはエミッタとの間の物理的距離を増すことができる。これらの態様において、物理的分離は、数センチメートルよりも大きく増すこともできる。いくつかの態様において、光を移送するためのライトパイプ、ファイバ束、プリズムまたは他の透明な材料の実現が、機械的および／または電気的パッケージングを支援するための関心対象となり得る。
特定の態様において、光源と増幅／検出チャンバとの間の最大距離（例えば、光源と、光源からもっとも遠いチャンバ内の位置との間の距離）は、2cm未満、より好ましくは1.5cm、1cm、9mm、8mm、7mm、6mm、5mm、4mm、3mm、2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.15mm、0.10mm、0.05mm、0.01mm未満である。
そのような態様は、一般的なPCR蛍光検出システムの約100倍の低さの光学効率を有するシステムを用いて、PCR中に蛍光を確実に検出することができる。1つの態様において、光源は、3.4Vで230mAを使用し、50％の効率を有し、約391mWの励起光パワーをもたらすLEDである。検出器からの電流は、検出チャンバの設計（上記のような）に依存して、約3～約30mAの範囲であり、400～600nm範囲におけるシリコンフォトダイオードの感度が約0.3A/Wであるとすると、この態様においては、約10～100μWの入射パワーがフォトダイオード検出器に達する。そして、光学効率は、次式を使用して、入力と出力のパワーの比として計算することができる。
Figure 2022515782000011
式中、
η＝光学効率
ρout＝フォトダイオードの出力パワー
ρin＝光源の出力パワー
この態様におけるシステムの光学効率は、一般的なPCR蛍光検出システムよりも2対数オーダー低い約0.0025％～約0.025％であるが、以下に詳述するように、この低い光学効率は、シグナル、ノイズを測定する方法および使用される校正手法のために、いくつかの態様においては許容可能である。そのようなシステムにおける光学的非効率性の原因としては、光エネルギーへと変換されない電気エネルギー、反応試料に照射されない光、放出フィルタへのエネルギーの損失（吸収または反射による）、反応流体および反応容器壁ならびにエンクロージャ中の他の露出した要素への吸収による損失、反応流体に達するが光検出器の視野には達しない光、検出器を覆うフィルタによって吸収される光、ならびに他の光学および非光学部品への損失がある。
低コストの検出器を製造することが好ましく、これを支援する1つの設計上の考慮事項が、構成部品の数および別々のPCBボードの数を最小限にすることである。一般的なPCR蛍光検出設計において、エミッタを含む光照射側は、光検出器を含む検出側と対向する、直交する、または他のやり方で分離している。このフォーマットは、発光する光源からの光が、光を吸収し、再放出する蛍光標的を含まない光路を介して光検出器に伝達されてしまう「クロストーク」または光学的結合を軽減する。しかし、構成部品の分離はまた、設計構成に依存して光学部品および関連するPCBまたはライトパイプのために2つの別々の場所を要求することにより、コストを増大させる。
この設計における改善点は、エミッタと検出器構成部品とを、おそらくは同じPCB上または集積パッケージ内で近接させて配置し、オーバモールディング、仕切りまたは不透明ポリマーもしくは接着剤などの不透明なバリアで構成部品をシールドすることによってクロストークを軽減することである。クロストークはまた、PCBそのものを通して発生する光伝達を介して起こることもあり、したがって、1つの態様において、光源（例えばLED）および光検出器（例えばフォトダイオード）構成部品が、金属または他のやり方で不透明な裏当てを組み込み、PCBにもっとも近い電子部品の領域が、グラスファイバPCBのファイバまたは他の半透明基材に光を透過させることができないようにする。いくつかの態様において、検出システムはPCBを1つだけ有する。いくつかの態様において、検出回路すべてが単一のPCB中に存在する。他の態様において、光源を含むPCBは、光検出器を含む同じPCBであり、これらの要素は、PCR試料の直接の光照射および検出に使用されるとき、単一のPCB中に見られる。他の態様において、検出回路を含むPCBは、検出環境に熱的に結合されている環境中に位置する。
いくつかの態様において、ライトパイプ、ファイバ束、プリズム、それらの組み合わせまたは他の透明な材料が、光源からの励起光を注入する、および／または放出光を収集し、それを、検出チャンバに隣接しない位置にある検出器に移すために使用され、レンズの役割に取って代わるように機能的に作用し得る。これらの構成は、コストおよび複雑さを増すが、より小さな検出チャンバを容易にする、または検出器の有効収集面積を増すための、より大きな検出構成部品または放出源のパッケージングに有利であり得る。例えば、テーパ状のライトパイプを使用するならば、構成部品の大きい方の側を検出チャンバの近くに配置する、または検出チャンバと接触させることができる。テーパ状デバイスの狭い側は、検出器に近接または接触して、それにより、光蓄積装置またはレンズとして働く。このようにして、パイプは、パイプなしの検出器よりも大きい面積を収集して、検出器上の電気ノイズをより低く維持しながらも、シグナル光収集面積を増すであろう。
PCR蛍光検出のための典型的な光学システムは、放射計測を使用して光学システムの構成部品を校正し、様々な構成部品に補正係数が適用され、発光の量を絶対的な意味で計算することができるようにする。この校正なしでは、蛍光シグナルを正確に測定することは不可能である。理由は、考慮されず、計算されない放出光源の変動が有意な量的偏差を生み出し、それが、校正の非存在においては、シグナル強度の変動を引き起こし、それが測定シグナルの誤った解釈を招くおそれがあるからである。
典型的な光学システムにおける変動性の原因は、ユニットごとに、また同じユニット内でも、時間の経過とともに個々の構成部品間で起こることができる。それらは、エミッタ開口サイズ、フィルタ配置の角度、距離および位置、光検出器の角度、距離および位置、フィルタ構成部品および光路中の他の構成部品の特性（厚さ、吸収、均一性）、光源の量子効率、光強度、スペクトル分布、エミッタと検出器との間のクロストークの程度および特性、汚れ、デブリ、湿度、仕上げ特性または他の製作公差による光路の減衰を含む。
これらの要因の組み合わせがコスト増を強いる。理由は、それらの緩和は、変動性を最小限にし、より厳しい公差を必要とする製造技術および材料をもたらす傾向にあり、製造量が増し、非ユニットごとのコストが下がるにつれて、コストのますます大きな割合を構成するユニットごとの放射計による校正シーケンスを要求するからである。
加えて、初期の工場での放射計による校正が完了しているとしても、所期使用の場所で、使用時間の近くに、光学システムを定期的に再校正する必要があることもある。理由は、多様な要因が、時間とともに、または局所環境が変化するとともに、システムの校正を損失させるおそれがあるからである。これらの要因としては、フィルタ、染料および材料の経時劣化、汚れおよびデブリ、レンズまたは他の光路構成部品の湿度および曇り、局所環境温度、経年変化によるエミッタ光源の波長変化ならびに光学アライメント劣化がある。
光学システムを潜在的に再校正する必要は、コストを増し、熟練した労働力を訓練し、利用可能にしておくことを要求し、専用のツールおよび校正材料（それら自体が使用期限切れになり、使えなくなることがある）を手元に維持する必要性を要求し得る。
本開示の態様は、固定されたベースラインなしで相対測定を用いることによって校正の必要性を除く。その結果、本明細書に記載される態様は安価な構成部品を使用することができる（それらは、比較的高い変動性を有し、厳密な公差の必要性を回避することができるため）。具体的に、光源は、アライメント、出力光特性、色および強度において1％、2％、3％、5％、7％、10％、15％、20％またはより大きい変動性を有するLEDであることができる。加えて、エミッタと検出器とのアライメントなどの光学アライメント公差は、現在のPCRマシンの検出設計に見られる精密光学システムに一般的である1,000マイクロラジアン未満ではなく、0.5°、1°、2°、3°、4°、5°、6°、7°、8°、9°、10°、12°、15°、20°またはより大きな度数になる。同様に、エミッタと検出器との許容可能な並進運動公差もまた、数百ミクロンのオーダで許容可能であり、現在のPCRマシンに使用されている検出システムの構成に一般的である1桁または2桁のミクロンとは対照的に、100μm、150μm、200μm、500μm、750μmまたはより大きな公差が許容可能である。
本明細書中で使用される語「LED」は、電圧を印加されると光を生成する半導体ダイオードによって作動する任意の光源を意味し、その光が、直接用いられるか、媒質を通して用いられるか、ライトパイプ、光ファイバを介して用いられるか、二次的な素子を通して再放射されるかは問わない。
いくつかの態様において、ユニット固有の放射計による校正の必要性を除くことにより、検出システムは、本明細書中の他の箇所に記載される分析方法を実施することにより、固定されたベースラインなしで相対測定を使用することができる。これらの分析は、カットオフフィルタの使用を通して、1つまたは複数のチャネルで同時並行的に実施することができる。これらのフィルタは、ショートパス（特定のカットオフよりも低い波長の透過を可能にする）、ロングパス（特定のカットオフよりも高い波長の透過を可能にする）またはバンドパス（特定の周波数範囲内の波長の透過のみを可能にする）であることができる。
いくつかの態様において、フィルタは吸収フィルタであることができ、いくつかの態様においては、光学部品をオーバモールド成形することを含め、染料がプラスチック、ガラス、ポリマーまたは他の材料に組み込まれている。他の態様において、フィルタは薄膜フィルタであることができる。これらのフィルタは、電子ビーム、蒸発、スパッタリング、浸漬、吹き付けまたは他のコーティング法を使用して蒸着され得る。フィルムは単一成分または多成分であり得る。いくつかの態様において、フィルタは、コーティングとして検出器に直接付着されてもよい。他の態様において、コーティングは、1つまたは複数のエミッタまたは検出器が個々のフィルタを有する構成または1つもしくは複数のフィルタが1つもしくは複数の検出器またはエミッタの間で共用される構成または吸収染料もしくは薄いコートもしくは他のフィルタタイプが、PCB上のそれらの配置に対応する領域を有する単一のモノリシックフィルタに組み込まれている構成で、ガラスまたはポリマーフィルタ上に配置されてもよい。このモノリシックフィルタはエンドプレート231としても働き得る。いくつかの態様において、フィルタは、エミッタおよび検出器をも含み得る1つまたは複数の集積ユニットの一部として配置されてもよい。
いくつかの態様においては、エミッタフィルタの異なる波長を組み合わせて使用して、入射光波長の総計または合計が、多重化分析物の増幅を区別するために使用される別々の発光プロファイルを提供するようなやり方で検出を実施してもよい。いくつかの態様においては、1つまたは複数のフォトダイオードを使用して、1つまたは複数のエミッタ光源の輝度をモニタして、輝度の変動および他のやり方では制御または補償されない温度の変動によって生じる変動を含む光強度の変動の補償を可能にしてもよい。そのようなエミッタ光源光検出器239の一例が図27に示されている。加えて、エミッタ光源の輝度をモニタするフォトダイオードの包含が、正規化されたバックグラウンドを提供することにより（それ自体がより高いシグナル対ノイズ比および検出感度の改善を可能にする）、精度を高め得る。
一般に、光エミッタにはショートパスフィルタを使用することが好ましい。理由は、これらのフィルタは通常、吸収フィルタよりも鋭い「カットオフ」を示すからである。そのようなショートパスフィルタは、小さくて1nm、または5nm未満、10nm未満、20nm未満、50nm未満、75nm未満、もしく100nm未満のカットオフ範囲を有することができる。バンド外光の光学的除去（カットオフの上または下を通過する光の差の対数で表される）は、一般的な薄膜ショートパスフィルタの場合、5対数オーダであり得る。
低コストの光学システム、特に放射計による校正のない光学システムを設計する際の難題の1つは、デバイスまたは環境の熱変動が、ノイズからシグナルを区別する能力に大きな悪影響を与えかねないことである。光検出器としてのフォトダイオードの使用は、内部の光電効果に依存するフォトダイオードの動作モードによって複雑化される。入射光子は電子正孔対を生成し、異方性電流を発生させ、この異方性電流を電気シグナルとして検出することができる。実際には、光の非存在下でベースライン電流が生成され（「暗電流」）、フォトダイオードから観察される電流は、暗電流と光電流との合計である。暗電流は、特に（例えば、光源、電源、または検出器回路構成部品の自己加熱による）温度変化に応答して、実質的に変動し得る。そのようなものとして、温度制御または熱環境の補償および補正を伴う校正が、フォトダイオードを使用する正確な光測定には不可欠である。
先に詳述したように、PCR蛍光検出器の光学ループは通常、放射計により校正され、コスト増および潜在的な再校正の必要性を招く。本明細書に記載される態様は、手法の組み合わせを通してこれらの必要性を除く。まず、環境が実質的に等温であるならば、熱変動を補償する必要性は減る、またはなくなる。これを達成するために、デバイスは、検出器の環境と耐熱性反応チャンバとの間（例えば、第二端152と検出制御装置234との間）に共通のヒートシンクを用いる。ヒートストラップとして働くこの共通のヒートシンクは、PCBおよび光学部品を3℃、2℃、1℃、0.5℃、0.3℃、または0.1℃の範囲内に維持し、アルミニウム、銅、鋼、貴金属、もしくは他の金属（または他の非金属熱導体、例えばダイヤモンド、立方晶ヒ化ホウ素、カーボンナノチューブ、グラフェン）でできた要素、ヒートパイプ、液伝導または好ましくは50W・m-1・K-1、より好ましくは100W・m-1・K-1、150W・m-1・K-1、200W・m-1・K-1、250W・m-1・K-1、300W・m-1・K-1、またはより高い伝導度を有する任意の他の材料を含み得る。
光源の自己加熱には、2つの方法で対処することができる。第一に、光源は、反応の検出段階中、オンのままであり、局所環境との熱平衡に達するのを可能にすることができる。あるいは、ダイオードを高速でパルス駆動させて、光源からの自己加熱の冷却がベースラインに戻ることを可能にし、デバイスの動作中の温度上昇による熱の蓄積を防ぐこともできる。この態様において使用され得る光源起動の具体的な最大部分期間は、以下のように計算することができる。
Figure 2022515782000012
式中、
τmax＝最大光源起動
ρ＝パワー
φ＝量子効率
U＝アセンブリの熱伝達係数
A＝熱源の表面積
ΔT＝温度デルタ
いくつかの態様において、光源は、1ms未満、好ましくは750μs未満、500μs未満、400μs未満、300μs未満、200μs未満、100μs未満、50μs未満、40μs未満、25μs未満、15μs未満、10μs未満、5μs未満、3μs未満、または1μm未満の間、パルス駆動される。
さらなる改善は、蛍光検出のための電流電源を使用することである。光源（1つの態様においてはLED）の出力は、電圧よりも電流に対して非常に敏感であるため、電流電源を使用すると、エミッタの放射束においてより小さな大きさの変動性が生じる。同様に、温度または電流に応答して挙動を変化させる他の電子部品は、動作の過程で温度が逸脱または変化する環境において許容不可能に高い変動性を示す場合がある。1つの態様において、低温度係数抵抗器および他の類似の電子部品の使用がこの問題を緩和し、その動作温度範囲で変動性は5％未満、より好ましくは4％、3％、2％、1％、0.5％、またはより低い。別の態様において、電流源は、共通の放熱またはヒートストラッピングの使用（例えば、第二端152と制御装置195の構成部品との間）を通して等温環境に熱的に結合されている領域内に位置することができる。このようにして、電流源の熱変動は最小限になり、増大した変動性のせいで比較的低コストである、0.5％超、1％超、2％超、3％超、5％超、7％超、10％超、15％超、20％超、またはより大きい製作公差を有する抵抗器および他の電子部品の使用が可能になる。
ピストン構成
本明細書に開示される態様はピストン構成の変形を組み込み得る。特定の態様において、ピストンは丸い断面を有し、これが、チャンバが最小限の摩擦で半径方向に回転することを可能にする。ピストンまたはチャンバはまた、接触面積を最小化する、またはピストンをセンタリングするための小さなリブまたは突起を組み込んでもよい。場合によっては、この回転は、直線運動を支援するだけでなく、反応流体混合をも支援する。いくつかの態様においては、らせん状の溝がこの混合運動を支援し得る、または2つのピストン端部の間のキャピラリーが、半径方向運動を誘発するための斜面を含み得る。混合はまた、チャンバが動くときに流体をチャンバの端部へと方向付けて、混合を支援する乱流を生じさせるノズルを組み込むことによって改善され得る、またはチャネルそのものが、渦発散または他の乱流パターンを誘発する非線形部分を含み得る。大部分の態様において使用される比較的小さい体積のために、加えられる熱は、混合効率にも寄与するブラウン運動（および場合によっては一過性の相変化）を誘発する。これらの技術の組み合わせは、場合によっては付加的よりも大きい効果（すなわち相乗的効果）を有し、デバイスの進入、増幅または検出モジュールにおいて起こることができる。
いくつかの態様において、ピストンは単一のピストンであり得る。他の態様において、ピストンは、磁場に応答する顆粒、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、希土類金属、それらの合金、または他の強磁性材料で構成されることができる。このようにして、磁場の影響下、顆粒は、チャンバの片側に優先的に移動して、反応流体の一部分を、温度勾配が存在するチャンバの反対側の端に移動させ得る。次いで、磁場を逆転させて、顆粒および次には反応流体の往復運動を誘発させて、繰り返され得る熱サイクルを生じさせ得る。いくつかの態様において、顆粒は、反応液との直接接触（それ自体、PCRを阻害するおそれがある）を防ぐために優先的にコーティングされる。コーティングは、デルリンなどのポリマーまたはクロムなどの金属であり得る。また、いくつかの態様においては、貴金属または低反応性組成物の常磁性または反磁性顆粒を使用して、増幅化学に悪影響を及ぼすことなくコーティングの必要性を除いてもよい。
特定の態様において、ピストンは複数のセクションであり得る。ピストンセクションは同調して作動し、同じ極部へといっしょに移動してもよいし、反対方向に移動して、サイクルの1つの（高温）位相中にチャンバのほぼ中心で結合し、サイクルの第二の（低温）位相中に末端の極部に戻るように動かされてもよい。この態様は、増大した加熱効率を有する運動モードを可能にすることができ、加熱される流体は、流体全体が一方の高温極部から他方の低温極部へ動かされるピストン運動モードの表面積の2倍である、熱伝達のための表面積を経験し得るようになる。類似の効果を達成するための代替態様は、チャンバの中心の温度が所望の低温設定値に対応し、極部が高温設定値に対応するようにピストンを改変する（例えば、長さを増す、熱伝導度を下げる、または加熱パラメータを変更することにより）ことである。他の態様においては、熱ゾーンの1つが、例えば、従来的な3温度PCR（例えば、ゾーン1は95℃、ゾーン2は55℃、ゾーン3は65℃である）を容易にするために、第三の温度ゾーンに対応してもよい。ピストンセクションが往復運動するとき、極部が高温ゾーンとして作動し、中央部が低温ゾーンとして作動して、ピストンの周囲に沿って、またはゾーン間の1つまたは複数のキャピラリーを通してのいずれかで、流体の一部分を交換する。
いくつかの態様において、ピストンは、楕円形、多角形または回転に抵抗する、もしくは向きを強制する任意の他の二次元形状である断面を有する（参照により本明細書に組み入れられるZhang, Q., et al. (2015). Bioinspired engineering of honeycomb structure. Progress in Materials Science, 74, 332-400, incorporated by reference hereinを参照）。いくつかの態様において、この構成は、例えば、パラプレックス化が使用され、ピストンの向きまたは回転が隣接する他のピストンに対して考慮される場合を含む状況で使用され得る。いくつかの態様において、磁場の強度または磁気要素の位置は、摩擦を減らし、パラプレックス配置においてピストンの自由な動きを可能にするように変更される。例えば、磁気要素に求められる磁場が比較的弱い場合、低コストの磁石を使用し得るが、パラプレックス化された磁石の累積磁場強度は、効果的なピストン運動を可能にするのに十分である。他の例においては、磁気要素をずらして（二次元パラプレックス化パッキング配置内の位置によって、またはピストンの軸に沿う位置によって）、1つまたは複数のピストンが1つまたは複数の他のピストンから独立して作動することを可能にしてもよい。いくつかの特定の態様において、ピストン断面は、六角形、長方形（正方形、線形配置およびそのような形状の規則的および不規則なマトリックスを含む）、円形もしくは楕円体または三角形である。隣接するチャンバは、オフセットまたはスクエアパッキング、アングル、オフセットまたはブレースパッキングを含む多様なやり方でパッキングされ得る。
本明細書中で使用される「パラプレックス化」または「パラプレックス」（または関連する用語）は、反応の少なくともいくらかの部分が異なる物理的領域へと分離されている複数の反応を同時に実施することを意味する。いくつかの態様において、装置は個々の分割された試料を試験し得る。他の態様において、装置はプールされた試料を試験し得る。他の態様において、装置は複数の異なる試料を試験し得る。様々な態様において、装置は、個々の試料、プールされた試料または異なる試料の組み合わせを試験し得る。いくつかの態様において、複数のチャンバはそれぞれが1つまたは複数のピストンを含み得、ピストンはすべて第一の磁気コイルによって集合的に駆動され得る。他の態様において、複数のチャンバは1つまたは複数のピストンを含み得、ピストンのすべては、1つよりも多い、例えば2つ、3つ、4つ、または5つまたはより多くの磁気コイルによって集合的に駆動され得る。
さらに他の態様において、複数のチャンバはそれぞれが1つまたは複数のピストンおよび第一の磁気コイルを含み得、該コイルがその特定のチャンバ中でピストンを駆動する。さらなる態様において、複数のチャンバはそれぞれが1つまたは複数のピストンならびに第一の磁気コイルおよび第二の磁気コイルまたはより多くの磁気コイルを含み得、該コイルがその特定のチャンバ中でピストンを駆動する。いくつかの態様において、反応条件は、冗長性またはさらなる感度もしくは特異度属性を提供するために、パラプレックス化チャンバ中で複製されてもよい。
次に図32を参照すると、ハニカム構成601、長方形構成602、三角形構成603、正方形充填円柱形構成604および六角形充填円柱形構成605を含む、パラプレックス化に使用され得る様々なチャンバ充填構成の略端面図が示されている。例示的態様においては、ピストンが、様々な構成で示される各チャンバ中に配置され得る。図33は、複数のチャンバ610およびピストン615を含む六角形充填円柱形構成605の略斜視図を示す。図33に示すように、ピストン615が各チャンバ610中に配置される。パラプレックス化は、同じ物理領域または反応において複数の反応を実行し得るときに起こる多重化とは対照的である。いくつかの態様において、反応は、多重化かつパラプレックス化されて、複数の反応が複数のコンパートメント中で同時に起こることを可能にし得る（いくつかの態様におけるさらなる改善は、反応の特異性を改善するためのネステッドPCRの使用を含む）。これは、多様な手法、例えば反応化学を完全に分離する、またはそれらを部分的に分離し、いくつかの態様においては、非特異的前増幅（または最初の増幅）工程（分析物が非特異的プライマーによって特異的に増幅されない）および後続の工程（特異的プライマーが関心対象の標的をより特異的に増幅または検出する）を可能にすることによって達成することができる。
いくつかの態様において、反応チャンバ中に存在する空気の割合は、25％、15％、10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、または1％であることができる。反応チャンバが加熱すると、空気からの酸素および窒素の一部分が理想ガスの法則にしたがって反応混合物の液相中に溶解するが、多くは気相に留まる。空気の割合が10％未満の場合、反応内容物を室温から95～99℃の温度範囲に加熱することは圧力を約3気圧に上昇させる。同様に、空気の割合が5％未満の場合、反応内容物を95℃に加熱することは圧力を約5気圧に上昇させる。より高い圧力に耐えるように圧力容器を構築することはさらなるコストおよび材料を生じさせ、したがって、いくつかの態様において、容器圧力は、5バール未満、4バール未満、3バール未満、2バール未満、または1.5バール未満に維持される、または、過剰な空気を逃がすための通気機構が用いられる。
さらなる例示的態様
反応チャンバインサート構成
再び図6～9を参照すると、さらなる態様は、ピストンおよびシリンダ材料を反応流体から物理的に分離するための進入モジュール350および反応チャンバインサート300を含む。この態様においては、2つの可撓性（例えばポリマー）シート301および302（またはそれ自体に折りたたまれた単一のシート）を使用して、複数のチャンバを形成することができる。図6中、シート301および302は、第一のチャンバ311、第二のチャンバ312および第三のチャンバ313を形成するための上面図構成で示されている。シート301および302は、図6に示す構成へと拡張する前には比較的平坦に構成され得ることが理解されよう。特定の態様において、チャンバ311、312、および313は、超音波または熱溶接、接着剤、外部型締め（または作動するデバイスの圧力および温度に耐えるのに適切な任意の他の機械的または化学的方法）を使用してシールを形成して、反応流体の往復運動のための流体チャンバとして作用し得る潜在的な空間を形成することによって、形成され得る。示されている態様において、チャンバ312はPCR試薬322を含み、チャンバ313はオーバフローチャンバ（例えば、チャンバ311および312から過剰な空気または流体オーバフローを受けるための）として機能することができる。
図6は、使用前の反応チャンバインサート300および進入モジュール350の上面図を示す。進入モジュールはさらに、流体352（例えば、希釈、溶解または他の試料調製流体）を封止する膜351と、試料ポート355と含む。
図7は、進入モジュール350の試料ポート355に試料を装填するように構成されている試料装填デバイス400の側面図を示す。試料装填デバイス400は、試料を吸収するように構成されている吸収材410（例えばスポンジ）を含む。特定の態様において、試料装填デバイス400は、吸収材410が、指示薬420の状態を変化させるのに十分な体積の試料を吸収することができるよう、試料に曝露される（例えば、口腔内でぬぐわれる、または他のやり方で試料と接触させられる）ことができる。特定の態様において、指示薬420は、試料装填デバイス400によって十分な体積の試料が得られたとき、色を変え得る、または他のやり方で状態を変え得る。試料装填デバイス400は、吸収材410からの試料がランセット430に入り、指示薬420と接触することを可能にする開口435を有するランセット430を含む。
試料装填デバイス400が試料を装填されたのち、試料装填デバイスを進入モジュール350の試料ポート355に挿入することができる。進入モジュール350はまた、試料装填デバイス400が進入モジュール350に挿入されるとき吸収材410を圧縮し、吸収材410から試料を抽出するショルダ部357を含む。加えて、ショルダ部357は、試料装填デバイスが試料ポート355に挿入されるとき、試料装填デバイス400の進行を止める。進入モジュール350はさらに、任意で、試料装填デバイス400中の切欠き部459と係合して、試料装填デバイス400を進入モジュール350内に保持するロッキングタブ359を含む。
ランセット430は、試料装填デバイス400が試料ポート355に挿入されるときに膜351を貫通するように構成されている。膜351を破断することにより、試料装填デバイス400からの試料は希釈用流体352と混合することができる。試料と流体352との組み合わせは、試料装填デバイスが進入モジュール350に完全に挿入されるとき、任意のフィルタ358によって濾過され、ミキサ354へと方向付けられる。
図8および9は、第一端451および第二端452を有するハウジング450に挿入された反応チャンバインサート300の側面図および底面図を示す。ハウジング450内に配置されたピストン460が、第一端451に近い第一の位置と第二端452に近い第二の位置との間で動いて、反応流体を反応チャンバインサート300内で動かすように構成されている。
特定の態様において、反応チャンバインサート300は、ピストン460の2つの側面に対応する2つの大径区域と、それらを接続し、遠位方向および近位方向に延びる、好ましくはデッドスペースを最小限にするための、小径のチャネルとを含む。示されている態様において、近位チャネル331は、進入モジュール350に接続され、遠位チャネル332（あるならば）は、チャンバ312へのオーバフロー／ガス受けチャンバ313に接続する。中間チャネル333がチャンバ311とチャンバ312とを結合する。
いくつかの態様において、試料装填デバイス400は、上記のやり方で試料を反応チャンバインサート300に導入するために、進入モジュール350に挿入される。試料が反応チャンバインサート300中に装填されたのち、チャネル331はシール位置341で封止され、チャネル332はシール位置342で封止される。
ハウジング450は、熱源471および472ならびに照射光源476、検出器473ならびにアクチュエータ474および475を有するベース470に結合されることができる。他の態様において、単一の熱源およびアクチュエータがベース470に組み込まれてもよい。アクチュエータ474および475を使用して、ピストン460を第一の位置と第二の位置との間で前後させることができ、熱源471および472を使用して、反応チャンバインサート300中の反応流体を加熱して、反応チャンバインサート300の内容物に対してPCRまたは他の増幅技術を実施することができる。
ハウジング450は、検出器473が反応チャンバインサート300からの応答（例えば、照射光源476による反応チャンバインサート300への光照射に応答する蛍光シグナル）を検出することができるよう、反射面455を含み得る。特定の態様において、ハウジング450は、結合される2つ以上の部品から形成され得る。特定の態様において、ハウジング450は、第一端451および第二端452が別々の構成部品の一部であり、交互嵌合部分が、中間チャネル333を収容するためのギャップまたはスロットを含むハウジングの中央部分を形成するように形成され得る。特定の態様において、チャンバ313は、試料もしくは溶解流体またはこれらの流体の過剰分の進入よりも先に来る、チャネル332からの任意のガスを受けるリザーバとして働くように組み込まれる（インサートの一部として、またはそれとつながって）第三のより大径（または大容積）の区域として形成され得る。これは、反応流体の液ガス比を最大限にし、充填中の背圧を下げることができる。これはさらに、より速い熱伝達、液上ガス運動プリファレンスダイナミクス（gas over liquid movement preference dynamics）の回避および反応分析物の最大化を提供することができ、それが感度を改善し、反応時間を短縮することができる。特定の態様において、第三のチャンバ313は、封止されている（充填状態を示すセンサの有無にかかわらず圧力増を受け入れる）、または真空を含む、または大気圧との直接的または間接的に連通する異なる材料、例えば、ガスおよび液体を収容するように設計された多孔性または吸収性のフィラーまたはチャンバで形成され得る。
反応チャンバインサート300の近位および遠位の両方での封止（例えば、封止位置341および342で）は、熱、超音波、バルブベース、化学的、相変化または当業者には明らかであろう任意のいくつかの方法によって誘発される機械的圧力を含む多様なやり方で達成することができる。この封止はデバイス動作中に起こり、その結果、反応流体を含み、ピストン460の圧縮圧力が、インサートの大径区分をつなぐチャネルを通して、ピストン460の極部間で反応流体の正反対の動きを生じさせることを可能にする閉止された反応チャンバが反応チャンバインサート300の境界内に形成される。
反応チャンバインサート300の使用は、構成部品の中でもとりわけ、ピストン460およびシリンダまたはハウジング450に対してより寛容な設計公差を可能にすることができる。ピストンの設計を考慮するとき、通常、所望の温度範囲の間で反応流体を効率的に熱サイクル処理するために、シリンダまたはハウジング内のピストンの動きによって強制されるデッドスペースを減らすことが望ましい。しかし、公差が厳しくなると、ピストンの動きが摩擦によって（直接的に、または反応、小さな凹凸、浮遊粒子もしくは付着したデブリの結果として）妨げられる場合がある。この衝突はまた、反応内のダイナミクスを受けやすく、成分の粘度または示差的熱膨張が衝突を生じさせ得る。
したがって、デッドスペースを最小限にするために公差を厳しくし、かつ、衝突を防ぐ設計マージンを維持することが有益であるといえる。いくつかの態様においては、ピストンとシリンダとの間のスペースが10ミル（1/1000インチ）以下になるような公差を維持することが好ましいといえるが、磁石、金属およびポリマーを含む異なる材料が使用されるならば、ピストンとシリンダとの間の熱膨張差を考慮して、7ミル、5ミル、3ミル、2ミル、または1ミルの公差を維持することがより好ましいといえる。インサートの包含が、これら2つの相反するパラメータを切り離し、ピストンとチャンバとの間でより緩い公差を許容する（これはまた、製造コストを減らす）ことによってピストンの動きを容易にし、かつ、結果として、反応流体がインサート内に閉じ込められ、デッドスペースはピストン・シリンダ公差変化とともに変化しないため、デッドスペースを増やさない。
加えて、インサートは凍結乾燥された反応成分を含んでもよく、そのような成分は、偽りの結果を生じさせるおそれがあるヌクレアーゼまたは環境に存在する核酸を含むリスクを最小限にするために、好ましくは汚染物質フリーであるべきである。インサートの使用は、上記（および他）の厳しい製造要件を進入モジュールおよびインサートだけに限定して、他のデバイス構成部品のフレキシブルで安価で迅速で特化された製造を可能にする。
特定の構成において、デッドスペースは、全反応容積の35％を超えず、特に25％を超えず、より具体的には20％を超えない、または、より具体的には、全反応容積の15％を超えず、さらに具体的には10％を超えず、もっとも具体的には5％を超えない。
無ピストン構成
次に図10～11を参照すると、さらなる態様は、ピストンの必要性が除かれるようにデバイスを改変することである。これは、2つの温度領域を同じ平面に並置することにより達成され得、この場合、レバーまたは流体カラムの水力作用または熱空気圧膨張もしくは相変化（瞬間沸騰）ガス膨張が作用して、直接的に（可撓性の膜を介して）または機械的なブリッジもしくはディスクを介して間接的に（任意で、機械的圧力利点を得るために接触区域のダウンサイジングを適用し得る）高温側から低温側への流体の移動を生じさせる。
往復動ピストンを欠くデバイスを構築するとき、可撓性領域の形成に適することができる材料としては、ポリジメチルシロキサン（PDMS）などのポリマーがある。これらのポリマーは、溶解可能な型、例えばポリ（ビニル）アセテート（PVA）をはじめに形成することができるネガティブ成形プロセスを使用することによって所望の形状に成形することができる。次いで、PDMSをPVA型に流し込み、硬化させる（所望により、部分的または完全に）ことができる。次いで、PVAを、水などの水溶液への溶解により、任意でかく拌、熱、空気圧または超音波によって支援しながら、除去することができる。この特定の態様は、PCRなどの増幅化学と適合性である可撓性の型の形成を可能にし、のちに漏れを起こすおそれがあるシールまたはガスケットの必要性を除く。
また、PDMSおよび他のポリマーを部分的に硬化させ（または、静電放電または化学的再活性化によって完全に硬化させたのち、それらの表面を反応性にしてもよい）、溶液中のポリマーの温度および濃度を変調することによって互いにアニーリングしてもよい。例えば、PDMSは、高温（例えば約150℃超）で速やかに（場合によっては約10分未満で）硬化させることもできるし、より長い作業時間が望まれるならば、よりゆっくりと冷却することもできる。
図10～11に示す具体的な態様において、デバイス500は、試料を導入するためのインプットポート501を含む。デバイス500はまた、第一の熱空気圧チャンバ511および第二の熱空気圧チャンバ512ならびに光照射モジュール525および検出モジュール515を含む。図示されている態様において、第一の熱空気圧チャンバ511は、第一のチャネル531を介して第一の膨張部材521に結合されている。同様に、第二の熱空気圧チャンバ512は、第二のチャネル532を介して第二の膨張部材522に結合されている。第一および第二の膨張部材521および522は、膨張部材の内容物が体積を増すときに、変形する（例えば、比較的平坦な形状からカーブした形状へ）ことができる可撓性材料から形成され得る。
第一の熱空気圧チャンバ511および第二の熱空気圧チャンバ512はそれぞれ、加熱されると膨張する膨張可能な流体（例えば、気体または液体）を含むことができる。第一の熱空気圧チャンバ511の内容物が加熱されると、内容物は第一のチャネル531を通って第一の膨張部材521に流れ込み、第一の膨張部材522を膨張させる。同様に、第二の熱空気圧チャンバ512の内容物を加熱すると、チャネル532を介して第二の膨張部材522を膨張させることができる。
動作中、試料550は、インプットポート501からインプットチャネル502を通って、PCRまたは他の増幅技術に適した溶解試薬を含むペレット527を含み得る第一の膨張部材521の下の領域541へと流れることができる。第一の膨張部材521が膨張するとき（例えば、第一の熱空気圧チャンバ511の内容物を加熱することによって）、試料550は、領域541から検出モジュール515および光照射モジュール525を通過して第二の膨張部材522の下の領域542へと方向付けられることができる。領域542は、PCRまたは他の増幅技術に適したバッファおよび試薬を含むペレット535を含み得る。試料が領域542に達すると、第二の膨張部材522が膨張することができ（例えば、第二の熱空気圧チャンバ512の内容物を加熱することによって）、第一の膨張部材521は収縮することができる（例えば、第一の熱空気圧チャンバ511の内容物の温度を下げ、収縮するガスを第一のチャネル531に通して戻すことによって）。これは、試料550を、領域542から、検出モジュール515および光照射モジュール525を通過させて、領域541に戻すことができる。このプロセスを繰り返して、試料550を領域541と542との間でサイクル的に動かすことができ、これは、本明細書に開示される増幅技術に適した様々な温度で維持することができる。試料550は光照射モジュール525によって照らされ得、応答は検出モジュール515によって検出され得る。
追加的設計の検討
プローブの正確性、プローブの配置、熱分解能、時間分解能、廃熱の存在、および穿孔又は不完全に密封されたセンサからの漏れの危険性を増すことなく、反応流体に実現可能にできるだけ近づいてプローブを位置するという課題に起因して、測定された温度と実際の温度との間には、しばしば差が存在する。したがって、特定の態様では、装置は、読み取り値のソフトウェア補償を考慮に入れるために校正され得る。補償の方法は、態様の特定の幾何学的配列に依存するが、線形静的補償が、センサを3mm以内に、またはより具体的には1mm以内に、さらにより具体的には反応流体の中に、もしくは反応流体と連絡して位置することによって達成されてもよい。
本明細書において使用されるように、センサは、温度、圧力、機械の位置（例えばピストンの）、視覚によるチャネル内の液体の存在、伝導率、静電容量の変化（これは、直接的な電極接触の化学的効果、リードの電位および製造の複雑さを防ぐために好ましい）を含む、またはスイッチを作動させる動き、もしくは実務者に明らかであろう他の検出器による、検出の方法に関係する。特定の態様は、ピストンベースのPCRデバイスに必要とされない機械的スイッチ、センサ、または弁の使用を避け、コスト、複雑性に寄与し、製造オプションおよび柔軟性を制限し得る。センサは、デバイス内部での内部状態に、環境条件または状態に向けられてもよいか、あるいはデバイスの外側のソースから情報を受け取ってもよい。
さらなる向上が、より高い熱伝導率を有する材料（好ましくは、ポリマーの場合は1W/mKを、（より好ましい）金属導体の場合は10W/mKを上回る）を使用することによって達成されてもよく、100W/mKを上回る伝導率が、さらにより好ましく、300W/mKを上回るものが、さらにより優先的に好ましい。より硬質の材料が、それらの実際の増加される熱伝導率の傾向に起因して、たとえ理論または参考文献がそのような熱伝導率を報告していなくても、好ましい。増加された硬度は追加的に、製造および組立ての間、より速い速度、下げられた精度、およびより多用途の取扱いオプションといった利点を与える。十分な作業温度（典型的には少なくとも110℃、しかし最高反応流体温度よりも高い任意の事象において、もし熱橋または加熱パルスが利用されなければ、好ましくは少なくとも115℃、120℃、130℃、150℃、またはそれ以上）を有する任意のポリマーが許容されるが、摩耗および圧縮に対するより高い抵抗性を有するポリマーが好ましく、少なくとも50のロックウェルR数が好ましいが、60、70、80、90、100、またはそれ以上の硬度がさらにより好ましい。
追加的に、熱伝達は、より高い熱伝導率を達成するために、そうでなければ溶解、増幅または検出化学を妨害するであろう材料を被覆することによって、さらに高められてもよい。一つの態様では、材料はアルミニウムであり、アルミニウムおよび酸化アルミニウムは一般的に、PCRに対して阻害性であると考えられていないが、ある化学条件下では、PCR阻害が見られ、かつTaqManのような5'加水分解プローブの自然加水分解のような不所望の効果が見られ得、したがってアルミニウムの使用は、さらなる保護処置を必要とする。特に、例えば、アルミニウム上へのポリマー被覆（または任意の許容被覆）またはライナーまたは挿入物の使用は、そうでなければある条件下で阻害的であろう場合に、その使用を許容する。より高い熱コンダクタンスを有する材料を使用する追加的利益は、温度をよりすばやく上昇させる能力であり、したがって特に初期加熱段階において、速度を上げる。被覆は、薄膜、コンフォーマルコーティング、貴金属（例えば、金、銀、白金、ロジウム、イリジウム、パラジウム、ルテニウム等）被覆、ラッカー、セラミックス、または阻害性酸化物を形成する金属もしくはエポキシ樹脂のような化学反応物を避けることによって抑制される、実務者には明らかであろう無数の他の被覆およびめっき技術であってもよい。
すばやく温度を上昇させる能力は、最高反応流体温度よりも高い、例えば、反応流体温度よりも少なくとも10℃高い、またはさらにより詳細には反応流体温度よりも15℃、20℃、30℃、50℃、75℃、もしくは100℃、もしくはそれ以上高い、作業温度を有する材料によってさらに高められる。これは、初期の加熱サイクルの間の温度過上昇標的が、反応流体および周囲材料がヒートシンクの役割を果たす期間の持続時間を短くすることを可能にし得る。この手法でのオーバーテンピング（over-temping）、およびオーバーテンピングに対する材料の許容性はさらに都合がよい。なぜならそれは、必要とされる精度を下げ、PID（すなわち、比例・積分・微分制御器）のような熱制御ループまたは同様の制御方法の任意のサブセットもしくは拡張部分の最大逸脱を小さくするからである。これは、ここでもまた、部品の複雑性および必要とされる精度の低下のために直接的に、そして製造柔軟性の増加およびより低い精度要求（例えばセンサまたは他の部品の配置において）によって間接的に、その両方においてコストを下げる。
オーバーテンピングを容易にするためのさらなる向上は、過度の熱のための緩衝物としての役割を果たすために相変化ワックス、または高温ゾーン周りの、もしくは高温ゾーンと熱的に結合される他の材料を含むことであり、その融解温度がデバイス材料の最高作業（動作）温度よりも低くなるように（しかし好ましくは少なくとも5℃、しかし好ましく10℃、15℃、20℃、30℃、50℃の温度閾値で）1つまたは複数の材料の属性を選択し、その結果として、そうでなければデバイス材料を損傷する可能性がある過度の熱が、相変化材料によって融解熱として吸収される。これはさらに、高温ゾーンのための熱だめの役割を果たし、受動的熱損失を最小限にし、かつ所要電力（パワー）を減らす。
加熱（または冷却）要素と反応流体（または間接的には挿入物だが）との間の高い熱伝導率とは対照的に、非等温増幅態様について、低い熱伝導率は、2つの温度ゾーンの間に通じているピストンおよび部品において好ましい場合がある。いくつかの態様において、熱伝導率は、1W/mK未満、0.5W/mK未満、0.1W/mK未満、0.075W/mK未満、0.5W/mK未満、0.4W/mK未満、0.3W/mK未満、0.25W/mK未満、0.2W/mK未満、または0.1W/mK未満であり得る。ピストンおよび周囲の部品における低い熱伝導率（高い熱伝導率について先に記載された、閾値で、程度まで、および様式で）は、ピストン（および周囲部品）のポリマー選択（結合剤および硬化剤を含む）、長さ、断面積、および幾何学的配列によって達成され得る。好ましくは、空隙またはエーロゲルが、熱伝達を制限するためにピストンおよび周囲部品内部に含まれるが、態様の潜在的なデッドスペースを増加せず、任意で構造部品と組み合わされて、ピストン、および横材または実務者に精通しているであろう他の構造部品のような周囲部品に十分な剛性および耐久性を提供する。
熱伝導率を低下させること（または断熱因子を増加させること）がまた、デバイスのエンドキャップを取り巻く領域において有用であり得、より高温側、いくつかの態様において第一の端部151で、特に高温側が90°を上回るとき、さらにより詳細にはそれが92℃、93℃、95℃またはそれ以上を上回るとき、最も有用であり得る。エンドキャップそれ自体は、圧力ばめ、溶接もしくはポリマー溶接されるか、ねじ込み式であるか、または一体化したＯリングもしくは圧力容器において使用される他の一般的なアプローチであってもよい。代替的に、それらは、ピストンがデバイスに対して静止したままであるように、アコーディオン設計を組み込んでもよく、そしてストローク周期の間、並進運動が、シリンダおよびエンドキャップによって実施される。別の態様において、シリンダがなく、ピストンおよび容器エンドキャップのみが存在するのでもよい。往復運動が、エンドキャップ間の剛性、半剛性、もしくは弾性の横材によって達成されるか、またはそのような部材を有しず、その場合、一方のエンドキャップからの流体圧力が、もう一方のエンドキャップを動かすための液圧応用機械の役割を果たす。追加的に、エンドキャップは、シリンダの一部であってもよく、したがってそれらは、単一ユニットを形成する。
往復動ピストンベースのPCRデバイスのためのポリマーの選択は、最高および最低動作温度、柔軟性、水吸収（いくつかの態様において1％ w/w未満、5％ w/w未満、10％ w/w未満、25％ w/w未満）、蛍光吸収（これは、蛍光または比色検出を包含するいくつかの態様において、LEDのような光源からの入射光の吸光度を最小限にすることに向けられ、いくつかの態様は、0.1％未満、0.5％未満、1％未満、5％未満、または10％未満の吸光度を有する）、自己蛍光を含む蛍光リーチング（fluorescence leaching）/バックグラウンド蛍光（いくつかの態様は、2：1より大きい、5：1より大きい、10：1より大きい、25：1より大きい、100：1より大きい、500：1より大きいシグナル対ノイズ比を有する）、およびPCR阻害（いくつかの態様は、存在しているポリマーの特定の選択をしないPCRと比較すると、1％未満、5％未満、10％未満、25％未満、50％未満の阻害を有する）を含む、幾つかの要素によって行われ得る。特定の態様において、最高作業温度は、120℃を上回るか、またはより詳細には130℃、140℃、150℃、160℃、もしくはそれ以上であり得る。具体的な態様において、最低作業温度は、25℃未満、またはより詳細には15℃、10℃、5℃、1℃、もしくはそれ以下であり得る。特定の態様において、高剛性（低柔軟性）を有し、0.1GPaより大きい、またはより詳細には0.2GPa、0.3GPa、0.5GPa、もしくは1GPaよりも大きいヤング率の値を有する、材料を使用することが望ましい場合がある。
材料がある範囲の温度および圧力にわたって機能を維持する能力がまた、ポリマーを選択する際の重要な要素であり、そして本明細書の他の箇所で論じられるように、部品の熱膨張、また詳細には近くの部品の熱膨張差が、より高温で、それらが許容値を超えないこと、または反応チャンバにおける穿孔を閉じるとき、漏れがより高いもしくはより低い温度で生じないことを確実にするように、検討され得る。特定の態様において、密封された穿孔を形成するポリマーおよび材料は、より高い熱膨張の部品がより低い熱膨張の部品内に、詳細には膨張が部品を互いにより密着するように押すように配列された幾何学的配列で置かれるように、選択され得る（例えば、逆止め弁などの斜めの挿入物または設計部品の使用によって）。いくつかの態様において、隣接する材料の熱膨張は、互いの10％以内、9％以内、8％以内、7％以内、6％以内、5％以内、4％以内、3％以内、2％以内、1.5％以内、1％以内、0.5％以内、またはそれ未満であり得る。
同様の様式において、ピストンチャンバを形成する材料の水吸収度は、許容される動作温度の極値で、0.5％未満、またはより詳細には0.3％未満、0.2％未満、0.1％未満、0.05％未満、0.01％未満、またはより少ない水吸収で、検討され得る。注目すべきは、水吸収度は、ピストンチャンバ（例えば、担体または溶解流体を格納するもの）の一部ではないポリマー部品に対しては、減少された耐性要求に起因して、より低い関心事である。この場合において、水吸収度は、先に特定された範囲を超え得るが、機械的な漏れによって制限され得（膨潤または収縮が、貯蔵シールを変形させるので）、その場合、試薬の濃度が本明細書の他の箇所で特定された範囲を超えて変えられるか、または他の要素が寄与してこれらの効果を累積的に引き起こす。
特定の態様において、PCR反応の阻害を最小限にすることは、重要な設計検討事項であり得、そしてデバイスは、いくつかの態様において、対照反応の80％を超え得、またはより詳細には対照反応の90％、95％、98％、99％、または100％を超え得る。特定の態様における使用のために選択されるポリマーに加えて、組み込まれる任意の関連結合剤、硬化剤、溶媒、潤滑剤、または色素が、ポリマーを選択するとき、検討されるべきである。しばしば、ポリマータイプ毎に複数のオプションがあり、それは色素を持たないものを含み、そして種々の程度の架橋、ポリマー長さ、またはポリマーの特徴を変える添加剤を含有する（例えば、Zhang G., et al. "Increasing Polypropylene High Temperature Stability by Blending Polypropylene-Bonded Hindered Phenol Antioxidant", Macromolecules, 2018, 51 (5), pp 1927-1936)。これは参照により本明細書に組み入れられる）。いくつかの態様において、ポリマーはDelrinである。いくつかの特定の態様において、Delrinは染色されていない。
ピストンおよびシリンダに加えて、反応流体と接触する任意の他のポリマーまたは材料がまた、検討されるべきであり、Ｏリング、金属、接着剤、および製造プロセスの人工産物を含む。例えば、Viton Ｏリングは、ニトリルＯリングよりも、PCRのより低い阻害を有し、特定の態様において、他の点では許容可能な動作プロファイルに起因して、好ましい場合がある。
幾つかのポリマーの例示的な比較が便宜上、以下に含まれるが、オプションの網羅的なリストを表していることを意味されない：
Figure 2022515782000013
凡例：透明度：TL＝半透明、C＝透明、O＝不透明。（透視法を含むある特定の測定技術について、ピストン位置の測定を可能にするために、透明な材料をシリンダおよびエンドキャップに使用するのが好ましい。透視法を使用しないホール（磁気センサ）測定のような他の態様について、それは検討事柄ではなく、むしろ非強磁性材料が好都合である（そのような材料が、磁場コンフォメーションを拡張するか、または伝播するために意図的に使用される場合を除いて）。他の態様において、より暗いまたは不透明な材料が、光をより大きい程度まで吸収して、反応環境の外からの入光をより少なくすることを可能にし、そしてより低いバックグラウンドに起因して好都合であってもよく、かつシグナル対ノイズ比を改善してもよい。特定の態様において、黒または暗色のポリマーの使用は、50％、75％、85％、90％、95％、99％、またはより大幅に、ノイズを減らし得る。他の態様において、白色、未染色、または反射材料の使用は、増幅-検出チャンバ内でのシグナル反射を増加することによって、シグナル対ノイズ比を上昇させるのに役立ち得る。例えば、いくつかの態様において、アルミニウムのような反射面の使用は、シグナルを2倍に増加させ得、そして他の態様において、白色または未染色ポリマーの使用は、シグナルを2.5倍、3.0倍、3.5倍、4.0倍、4.5倍、5.0倍、またはより大幅に増加させ得る。）柔軟性：R＝剛性、F＝柔軟。
パラプレキシング（paraplexing）が実施され、かつ（いくつかの態様において）検出がエンドキャップ領域において行われるとき、軸回転に抵抗して、剪断力、およびコンフォメーションによっては意図されていない混合を最小限にする、ピストン断面プロファイルを選択することが好ましい場合がある。挿入物を用いずに、複数のピストン（または分割されたピストン）が、反応物を処理するために並行して動作してもよい。いくつかの態様において、反応チャンバ挿入物300のような挿入物を用いて、単一のピストン面が、ピストン面と平行な平面内か、または積み重ねて配列された複数のそのような平面を介するかのいずれかで、挿入物内の分割部によって分離された複数の反応を駆動してもよい。
ピストンの長さは、デバイスのより高温端からより低温端への熱伝達に影響し得る。いくつかの態様において、ピストンの長さは、より高温側からの受動的熱伝達がより低温側を所望の設定点まで上げるのに十分、またはほぼ十分であるように、平衡点に近づくよう短くされてよい。最大許容可能環境動作パラメータにおける最大デバイス許容誤差で、より低温側が、好ましくは、そうでなければ環境条件を考慮した所望の設定温度でデバイスのより低温側を維持するために必要とされる熱の少なくとも1％、より好ましくは3％、5％、または10％に寄与するであろうように、安全域を有することが好ましい。第二の端部152は任意に、対流冷却を許容する空気を含有する連絡空隙、放射冷却のためのひれ状部もしくは突出部、冷却パイプ（ヒートパイプ）、化学冷却、または実務者には明らかであろう他の方法、または能動および受動冷却を含むこれらの組み合わせを含む、ヒートシンクまたは熱シールドを含んでもよい。
さらなる向上として、ならびにより高温およびより低温のゾーンでの加熱源に対する代替態様として、その設計は、環境条件または試料特徴に基づいて熱伝達割合（ゆえに電力（パワー）使用量）を最適化するために、熱源と第一の端部または第二の端部またはその両方との間の接触面の面積を調節することによって、単一の熱源からより高温側およびより低温側に向けられる熱の割合を動的に調節してもよい。そのような最適化の制御は、実務者に明らかであろうし、機械的および電動式方法、ならびにバイメタル合金のような自己調整材料、および受け取られる熱の割合に反比例してそれらの表面接触面積を変えるように校正される相変化化合物を含んでもよい。
ピストンの構成、密度、幾何学的配列、熱コンダクタンスは、異なる最適化された態様を生み出すために最適化されてもよい。一つの態様において、ピストンの幾何学的配列を最適化し、シリンダとピストンとの間の体積差を説明し、そしてシリンダ体積とピストンとの間の差として（ピストン-シリンダ許容誤差、および存在するならばキャピラリー体積によって作り出される体積を差し引いて）総体積を計算する。反応体積は、任意の露出したＯリングもしくは突出部、凸凹、またはリブによって占有される任意の体積を差し引いて、ピストンによって係合された壁と向かい合うシリンダ壁に接する流体のシリンダとして計算される。デッドスペースは、総体積から反応体積を引くことによって計算され、デッドスペースパーセンテージは、デッドスペース割る総体積の商として計算される。
特定の態様において、デッドスペースは、35％未満、25％未満、20％未満、さらにより詳細には15％未満、10％未満、5％未満、またはそれを下回り、ピストンがハウジングの直線状のストローク長さを実質的に横断する能力によって束縛され、ストローク長さ横断時間は、5秒未満、またはより詳細には4秒未満、3秒未満、2秒未満、1秒未満、500ミリ秒未満、250ミリ秒未満、100ミリ秒未満、またはそれより短く、ストローク長さ横断時間の下限は、先に論じられたような熱伝達時間と使用される増幅方法の必要とされる化学反応時間との合計によって制約され得る。例えば、ポリメラーゼ連鎖反応において、より小さい体積で反応体の濃度を高めることによって（Farrar, "Extreme PCR: Efficient and Specific DNA Amplification in 15-60 Seconds", Clinical Chemistry 2015を参照のこと；米国特許第9932634号も参照のこと。これらは参照により本明細書に組み入れられる）、ならびに本明細書で論じられる増幅を最適化するための他のアプローチによって、迅速なサイクル持続時間（例えば、半サイクル当たり10秒未満、9秒未満、8秒未満、7秒未満、6秒未満、5秒未満、4秒未満、3秒未満、2秒未満、1秒未満、500ミリ秒未満、250ミリ秒未満、100ミリ秒未満）を達成することが実現可能であり、それは、ひいては、サイクル時間とサイクル数（例えば、10サイクル、15サイクル、20サイクル、25サイクル、30サイクル、35サイクル、40サイクル、45サイクル、および50サイクル、またはそれより多い）の積に等しい総PCR反応時間につながり；したがって、例えば、総PCR反応時間は、1分未満もの速さであってもよいし、または約2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、もしくは30分、または約30～35分の間、35～40分、約40～45分の間、約45～50分の間、約50～55分の間、約55～60分の間、またはそれより長くてもよい。
いくつかの態様において、デバイスは、ワイヤレス接続、ブルートゥース、USBケーブルまたは他の適した機構を介して、スマートフォン、タブレットコンピュータ、コンピュータ、または他の同様のデバイス（以下、「コンパニオンデバイス」）に接続されてもよい。そのようなコンパニオンデバイスは、先に述べられたように、デバイスに電力（パワー）を提供するように機能してもよいが、それはまた、デバイスがディスプレイ画面を有さず、劇的に減少されたメモリおよび処理能力で動作することを可能にするように機能してもよい。なぜならコンパニオンデバイスがそのようなメモリを供給することができるだろうからである。そのような態様において、デバイスはまた、コンパニオンデバイス上で実行するであろうコンパニオンアプリケーション（またはapp）を用いて機能してもよい。このようにして、デバイスは、携帯性の鍵となる特性を依然として保持したままで、格段に低いコストで製造されることもできる。
いくつかの態様において、使用されるポリメラーゼ酵素は、より短いPCRサイクル時間、またはより短い総PCR時間、あるいはより高い忠実度、頑健性、より低いコストまたは材料、試薬もしくは試料成分との適合性のような他の属性を提供するために、修飾されてもよい。例えば、高い処理能力酵素、または高速ポリメラーゼ、または堅固に結合している酵素、またはエンドもしくはエキソヌクレアーゼ機能を含む酵素が、使用されてもよい。例えば、多くのPCRポリメラーゼは、1分間当たりほぼ1キロベースの速度で機能する。対象となる標的が例えば200bpで特定の態様において、これは、およそ12秒のポリメラーゼ時間と一致する（200bp/1000bp×60秒）。例えば1分間当たり5キロベースの速度の高速ポリメラーゼを組み込むことは、同様の大きさの標的について、ポリメラーゼ時間を2～3秒まで減少するであろう。ポリメラーゼは、テルムス・アクアティクス（Thermus aquaticus）（Taq）、パイロコッカス・フリオサス（Pyrococcus furiosus）（Pfuポリメラーゼ）、サーモコッカス・リトラリス（Thermococcus litoralis）（WindまたはTliポリメラーゼまたはVentポリメラーゼ）およびサーマス・サーモフィラス（Thermus thermophilus）（Tthポリメラーゼ）を含む、種々の好熱性微生物に由来してもよい。（Drouin et al., DNA polymerases for PCR applications, J. Polaina and A.P. MacCabe (eds.), Industrial Enzymes, 379-401, 2007）。ポリメラーゼは、5'から3'のポリメラーゼ活性、3'から5'のエキソヌクレアーゼプルーフリーディング活性、または5'から3'のエキソヌクレアーゼニックトランスレーション活性のために、選択されてもよい。例示的なポリメラーゼは、DNAポリメラーゼI、DNAポリメラーゼIのクレノウ断片（例えば、二重鎖DNAの陥凹3'末端を標識する）、Taq DNAポリメラーゼ（例えば、DNA標識のための）、T4 DNAポリメラーゼ（例えば、平滑末端を形成するための）、ターミナルトランスフェラーゼ（例えば、3-OH末端をテーリングおよび標識するため）、Deep Vent（登録商標）（例えば、高忠実度のため）、Pfu DNAポリメラーゼ（例えば、プライマー伸長のため）、Herculase（登録商標）enhanced Phusion（商標）、Sequenase（商標）DNAポリメラーゼI、rTh DNAポリメラーゼXL、Isisプルーフリーディングポリメラーゼ、rBst DNAポリメラーゼ、phi29 DNAポリメラーゼ（例えば、ローリングサークル複製）、SurePRIME（商標）DNAポリメラーゼ、BioTHERM（商標）DNAポリメラーゼ、SpeedSTAR（商標）HS DNAポリメラーゼ、MTP（商標）Taq DNAポリメラーゼ（polymerse）、およびKOD「Host Start」DNAポリメラーゼを非限定的に含む。
いくつかの態様において、重合反応の間、より低い濃度で半減期時間の増加を可能にする、Deep Vent（登録商標）または他の高温酵素（例えば、T.リトラリスまたは同様の種から単離されたもの）が使用されてもよい。加えて、複数の酵素の組み合わせ、またはこれらの特色を最適化する組み合わせ、または例えば、等温増幅とrtPCRとの組み合わせは、特にRNA標的、または高GC含量のような異常塩基対含量、もしくは高度に反復性のセグメントを有する配列を有する標的に対して効率を改善するのに役立ち得る。SNPと微細な標的配列を区別するための標的エンドヌクレアーゼの使用のような、他の技術もまた含まれてもよい。そのような標的エンドヌクレアーゼは、CAS/CRISPR、TALEN、ZFN、ならびに対象となる配列の高忠実度プログラム可能標的化を可能にする、迅速で利用可能な分子生物学ツールのいずれかを非限定的に含む（Batista and Pacheco, Detecting pathogens with Zinc-Finger, TALE and CRISPR- based programmable nucleic acid binding proteins, Journal of Microbiological Methods, 152: 98-104, 2018）。
例えば、いくつかの態様において、SNPまたは微細な標的配列の区別は、DNA結合タンパク質および異種調節ドメインまたはその機能フラグメントを含む融合タンパク質によって行われる。いくつかの局面において、ドメインは、例えば、活性化因子、抑制因子、活性化補助因子、抑制補体、サイレンサー、癌遺伝子、DNA修復酵素およびそれらに関連する因子と修飾因子、DNA再編成酵素およびそれらに関連する因子と修飾因子、クロマチン関連タンパク質およびそれらの修飾因子、例えばキナーゼ、アセチラーゼおよびデアセチラーゼ、ならびにDNA修飾酵素、例えばメチルトランスフェラーゼ、トポイソメラーゼ、ヘリカーゼ、リガーゼ、キナーゼ、ホスファターゼ、ポリメラーゼ、エンドヌクレアーゼ、およびそれらに関連する因子と修飾因子のような、転写因子ドメインを含む。例えば、米国特許出願公開第2005/0064474号；同第2006/0188987号および同第2007/0218528号（これらの全体は参照により本明細書に組み入れられる）を参照のこと。
いくつかの態様において、Znフィンガータンパク質（ZFP）は、個々のフィンガーの集合によって生成された、特異的DNA配列、典型的には9～18ヌクレオチド長を標的とする人工ZFPドメインである。ZFPは、単一のフィンガードメインがおよそ30アミノ酸長であり、かつ単一のβターンの2つのシステインと亜鉛を介して配位結合された2つのインバリアントヒスチジン残基を含有するαヘリックスを含有する、2個、3個、4個、5個、または6個のフィンガーを有するものを含む。一般的に、ZFPの配列特異性は、亜鉛フィンガー認識ヘリックス上の4つのヘリックス位置（-1、2、3および6）でアミノ酸置換を行うことによって変更されてもよい。したがって、いくつかの態様において、ZFPまたはZFP含有分子は、非自然発生であり、例えば、選択した標的部位に結合するように操作される。例えば、Beerli et al., 2002; Pabo et al., 2001; Isalan et al., 2001; Segal et al., 2001; Choo et al., 2000；米国特許第6,453,242号；同第6,534,261号；同第6,599,692号；同第6,503,717号；同第6,689,558号；同第7,030,215号；同第6,794,136号；同第7,067,317号；同第7,262,054号；同第7,070,934号；同第7,361,635号；同第7,253,273号；および米国特許出願公開第2005/0064474号；同第2007/0218528号；同第2005/0267061号を参照のこと（これらすべては参照によりその全体が本明細書に組み入れられる）。
いくつかの態様において、TALENは、TALEに由来するDNA結合ドメインおよび核酸標的配列を切断するためのヌクレアーゼ触媒ドメインを含む融合タンパク質である。いくつかの態様において、TALE反復が、遺伝子を特異的に標的にするために構築される。（Gaj et al., 2013）。18,740個のヒトタンパク質コード遺伝子を標的にするTALENのライブラリが構築されている（Kim et al., 2013）。特注設計のTALEアレイが、Cellectis Bioresearch（Paris, France）、Transposagen Biopharmaceuticals（Lexington, KY, USA）、およびLife Technologies（Grand Island, NY, USA）から市販されている。
いくつかの態様において、Cas遺伝子をコードする配列、tracr（トランス活性化CRISPR）配列（例えば、tracrRNAまたは活性部分tracrRNA）、tracr-mate配列（内因性CRISPRシステムという観点から「ダイレクトリピート」およびtracrRNA-処理された部分ダイレクトリピートを包含する）、ガイド配列（内因性CRISPRシステムという観点から「スペーサ」とも称される）、ならびに／またはCRISPR座からの他の配列および転写物を含む、CRISPR/Casシステムが使用される。CRISPR/CasヌクレアーゼまたはCRISPR/Casヌクレアーゼシステムは、ノンコーディングRNA分子（ガイド）RNA（これは配列特異的にDNAに結合する）、およびヌクレアーゼ機能性（例えば、2個のヌクレアーゼドメイン）を有するCasタンパク質（例えば、Cas9）を含み得る。CRISPRシステムの1つまたは複数の要素は、I型、II型、またはIII型CRISPRシステムに由来し得、例えば、化膿性連鎖球菌（Streptococcus pyogenes）のような内因性CRISPRシステムを含む特定の生物に由来し得る（米国特許出願公開第20110059502号および米国特許第8795965号。両方とも参照により本明細書に組み入れられる）。
反応体積を減少させることは、熱伝達時間および化学反応時間を減少させることによって、ピストンベースの増幅の効率に対して添加剤以上の（すなわち相乗的な）効果を有してもよい。これらの因子は、体積が減少するにつれてピストンベースのデバイスにおいていっそうより速い反応に寄与するので、それらは、2つの主要な因子、すなわち感度および全反応体積に対するデッドスペースの割合によって束縛され得る。感度の影響は、他の箇所で論じられるとおり、実務者に十分精通しているであろう、対象となる核酸を濃縮する試料調製方法を含む、進入モジュールでのいくつかのアプローチによって緩和され得る。デッドスペースの比は、増幅反応の効率に影響を及ぼし、デッドスペースのより高い割合は、理想的な二次から（ここで、PCR反応が各熱サイクルを倍にする）一次（線形）反応速度に向かって反応次数を小さくする。しかしながら、より小さい反応の添加剤以上の利益はまた、高次効果であるので（より高い熱伝達を達成するために使用されるモードに依存して、その比率は、表面積、距離の逆数、および熱伝導率に比例する）、特定の態様において、反応物の好ましい体積に対応する増幅時間についての極小値、ひいてはこれを達成するために必要とされる幾何学的パラメータを決定することが好ましいことがある。
反応空間の総体積が増加するにつれ、デッドスペースの相対的パーセンテージが減少し、理想的な倍加により密接に接近する増幅効率をもたらす（混入物、濃縮された試料、または他の人工産物が初期ΔCt値を抑え、収率曲線を人工的に増大させる場合、qPCRの測定される効率は、100％を超え得るということを理解する）が、しかしながらこれは、いくつかの制約によって束縛され得る。第一に、反応体積が増加するにつれて、熱の量および熱伝達のために必要とされる時間の両方が増加し、増幅時間が一定のままであるならば、追加の設計要件を課す。第二に、増加された体積は、増加された試料サイズを必要とし得る。これは、典型的には臨床試料の制約ではないが、濃縮工程を含む溶解モジュールで、または実験試料で制約となり得る。第三に、増加された体積は典型的には、試薬コストを、そしてある程度は製造時間および材料コストを増加させる。追加的に、増幅反応は、増幅の間のマクロ体積効果に起因して、より高体積で不確かになり得る。したがって、いくつかの態様において、反応体積は、500μL未満、より詳細には250μL未満、150μL未満、100μL未満、50μL未満、25μL未満、15μL未満、10μL未満、5μL未満、1μL未満、またはそれを下回り得る。
特定の態様において、試料ポート155は、収集ピストンを備えた浮動ピストン構成であってもよく、この場合、収集ピストンの前進は、進入ポートを閉じ、試料流体を前進させ、そして試料流体を次の相へと送り出すのに役立ち、空気が入ること、および必要とされる手動工程を最小限にする（例えばいくつかの態様においては275）。試料流体はまた、この段階で溶解試薬と混合させて抽出および精製を完了するか、あるいは代替的に液体中で前負荷されるか、凍結乾燥されるか、粉末化されるか、または他の形態であってもよい。
いくつかの態様において、増幅の前に、核酸は、精製されるか、単離されるか、生体試料から抽出されてもよい。細胞またはウイルス粒子の内容物を遊離させるために、それらは酵素で、または化学物質で処理されて、細胞壁またはウイルス粒子を溶解するか、分解するか、または変性させてもよい。他の態様において、溶解は、浸透圧または膠質浸透圧または加熱を介してもたらされてもよい。他の態様において、試料は、グアニジニウムチオシアナートのようなカオトロピック剤、または陰イオン、陽イオン、双性イオンもしくは非イオン性界面活性剤、先に記載された酵素もしくは望ましくないタンパク質を迅速に分解するプロテアーゼ、例えばアルカリプロテアーゼ、酸性プロテアーゼ、もしくはプロテイナーゼKと接触されてもよい。
PCRおよびRT-PCRプロセスを利用する特定の態様において、試料の溶解は、凍結乾燥製剤；プロテアーゼ（セリンプロテアーゼ様プロテアーゼK（Serine proteases like Protease K）、システインプロテアーゼ、スレオニンプロテアーゼ、アスパラギン酸プロテアーゼ、グルタミン酸プロテアーゼ、メタロプロテアーゼ、アスパラギンペプチドリアーゼ）、詳細には一反応当たり0.05～2μg（またはより詳細には一反応当たり0.5～1μg）；RNase阻害剤（詳細には反応体積1マイクロリットル当たり0.1単位より多い、さらにより詳細には反応体積1マイクロリットル当たり1単位）；および任意で、バクテリアーゼ（bacteriase）（詳細には反応体積1マイクロリットル当たり0.05単位より多い）を化学的に利用して実施され得る。いくつかの態様において、溶解緩衝液は、緩衝剤、カオトロピック塩、イオン性界面活性剤、非イオン性界面活性剤 溶媒、EDTA、トリゾール、一価および／または二価の塩を含む。使用のための緩衝液は、H3PO4/NaH2PO4、グリシン、クエン酸、酢酸、クエン酸、MES、カコジル酸、H2CO3/NaHCO3、クエン酸、ビス-トリス、ADA、ビス-トリスプロパン、PIPES、ACES、イミダゾール、BES、MOPS、NaH2PO4/Na2HPO4、TES、HEPES、HEPPSO、トリエタノールアミン、トリシン、トリス、グリシンアミド、ビシン、グリシルグリシン、TAPS、ホウ酸（H3BO3/Na2B4O7）、CHES、グリシン、NaHCO3/Na2CO3、CAPS、ピペリジン、Na2HPO4/Na3PO4、およびこれらの組み合わせを非限定的に含んでもよい。他の態様において、溶解は、熱、マイクロ波、または物理的解離（例えばシリカベースのフィルターまたはグレーター（graters）によって実施されてもよい。凍結乾燥された成分はモジュール内の任意の段階で、液体成分と並んで収容されてもよい（但し、それらは、動作の間に穿孔される薄膜によって分離されているか、または本明細書において記載される流体チャネル分割方法のいずれかによって後に接合される）。例えば、凍結乾燥されたPCR試薬は、エンドキャップまたはシリンダ内のピストンキャピラリー内部に位置し、シリンダまたはエンドキャップに対してピストンが動くと穿孔されてもよい。同様の様式において、凍結乾燥された溶解試薬は、ランセットまたは区画の他の機械的貫通が2つの要素の混合を可能にするか、または混合が本明細書において他の箇所で言及される他の方法によってもたらされるように、スワブハンドル、または進入モジュールの対応する受容部分の内部に（任意に液体試薬または担体溶液と並んで）収容されてもよい。
特定の態様において、反応流体175は、PCRプロセスにおいて熱的に循環され得、ここで、試薬は、凍結乾燥された製剤、PCR mastermix製剤の一つのビーズ（例えば、Jena Bioscience, GmbH；Taq DNAポリメラーゼ、0.5～10mM 塩化マグネシウム、10～100mM 塩化カリウム、5～50mM 硫酸アンモニウム、ならびに凍結乾燥を達成するために必要とされる添加剤および安定剤を含む、PCRを実施するために必要な成分のすべてを含有し、それは、以下の化合物の群からの1つまたは複数のアイテムを含んでよい：乳酸-グリコール酸共重合体（poly(lactic-co-glycolic) acid）、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド、ポリ（カプロラクトン）、ポリ（ラクチド）、ポリ（グリコリド）、ポリ（オルトエステル）、およびポリ（ヒドロキシブチレート）、フルクトース、エリトロース、トレオース、リボース、アラビノース、キシロース、リキソース、アロース、アルトロース、グルコース、イドース、ガラクトース、エリトルロース、リブロース、キシルロース、プシコース、フルクトース、ソルボース、タガトース、フルクトフラノース、リボフラノース、リボース、デオキシリボース、マンニトール、およびシアル酸、ショ糖、乳糖、マルトース、セロビオース、トレハロースおよびラクツロース、デンプン、グリコーゲン、セルロース、コンドロイチン、ケラチン、ヘパリン、デルマタン、およびヒアルロン酸）、2～10mM MgCl2、50～900nMの正逆アッセイ（forward and reverse assay）プライマー、50～400nMの検出プローブ、および1マイクロモル～10ミリモルのプロテアーゼK阻害剤（AAPF、AAPV、AAPA；他の阻害剤は：AEBSF、6-アミノヘキサン酸、アンチパイン、アプロチニン、ベンズアミジンHCl、ベスタチン、キモスタチン、E-64、N-エチルマレイミド、ロイペプチン、ペプスタチン、ホスホラミドン、トリプシン阻害剤を含んでもよい）を含む。特定の態様において、反応流体175は、RT-PCRプロセス中、熱的に循環されてもよい。一つの具体的な態様において、RT-PCRのために使用される試薬は、凍結乾燥された製剤、PCR mastermix製剤の一つのビーズ、2～10mM MgCl2、50～900nMの正逆アッセイプライマー、50～400nMの検出プローブ、10～500μMのプロテアーゼ阻害剤および逆転写酵素製剤（反応体積1マイクロリットル当たり0.05～2単位）を含み得る。賦形剤および／または安定剤のような化学添加剤または共溶媒が、PCR mastermix中に含まれてもよい。例えば、1～10％ジメチルスルホキシド（DMSO）、5～20％グリセリン、1.25～10％ホルムアミド、10～100μg/mLウシ血清アルブミン（BSA）、15～30mM 硫酸アンモニウム、5～15％ポリエチレングリコール（PEG）、0.01％ゼラチン、0.05～0.1％非イオン性界面活性剤（例えば、Tween 20、Triton X-100）、または1～3M N,N,B-トリメチルグリシン（ベタイン）（Bartlett JMS, Stirling D (2003) PCR Protocols. In: Methods in molecular biology (2nd ed). Totowa: Humana Press）。いくつかの態様において、ポリフェノール、フミン酸およびフルボ酸のようなPCR阻害剤が使用されてもよい。
特定の態様において、光照射モジュール133および検出モジュール135が、熱循環プロセスの前、間、または後に、反応流体175中に存在する分析物に光を照射してそれを検出するために使用され得る。例えば、試薬173は、試料170中の特定の標的分子または配列を反応させるか、それに結合するか、またはそれを別様に修飾する成分を含んでもよい。特定の態様において、そのような分析物は、検出モジュール135によって検出され得る蛍光または化学発光シグナルを発してもよい。図1に示される光照射モジュール133および検出モジュール135の場所は例示目的のためであり、他の態様は、光照射モジュール133および検出モジュール135の異なる場所を含んでもよいことは理解される。示された態様において、装置100は、分析および診断試料170からの結果を表示するように構成されているディスプレイ196（例えば液晶ディスプレイ）を含む。装置100はまた、ユーザが装置100を制御する（例えば、装置100の操作を開始する、または停止する）ことが可能なように1つまたは複数の制御要素197（例えば、ボタン、スイッチ等）を含み得る。特定の態様において、装置100は、ユーザが装置100の操作を開始することを可能にする単一制御要素197（例えばスタートボタン）を含み、制御のすべての後続局面は、コントローラ195によって自動的に実施されてもよい。
特定の態様において、操作の間に、下限として働く最小検出可能体積（デバイスに実施された試験に関連する分析物の濃度によって設定される）、ならびに携帯性、コスト、および意図される使用の他の営利的な局面によって制約される上範囲を有する、広範囲の生体試料体積を可能とすることが好ましいことがある。本明細書において言及された要因のため、生体試料体積の典型的な範囲は、少なくとも10μL、またはより詳細には50μL、100μL、250μL、500μL、1mL、またはそれ以上であり得、そして5mL超、7mL超、または10mL超の体積は、濃縮されるか、または濃縮が利用されない場合、直接的な溶解、増幅、および検出を可能にするのに十分な標的分析物を含有し得る。
特定の態様において、試料流体を希釈する担体流体が利用される。この担体流体希釈液は、溶解試薬、またはPCR試薬（例えばプライマー）のサブセットを含有してもよく、試料流体を1：2、1：3、1：4、1：5、1：6、1：7、1：8、1：9の比で、またはより詳細には1：10の比で希釈してもよい。他の態様において、比は、1：15まで、またはそれ以上であり得る。試料流体が唾液である、特定の態様において、比は、1：9～1：15の間であり得る。特定の態様において、希釈は、粘性であるか、使用される増幅化学の阻害剤を含有するか、または豊富な標的分析物を含有する試料流体に対して、最も詳細には定量的なまたは半定量的な検出方法が使用される場合に、好ましいことがある。いくつかの態様において、デブリを排除もしくは制限する機械的フィルターが存在し、あるいは、より小さい孔のフィルター、長鎖化学物質、または特定の電荷もしくはサイズを有するものが、デブリが通過しないようにする。
いくつかの態様の動作の間、上述された最小および最大標的体積から固定された体積を抽出することが望ましい場合もあり、その結果として、これらの固定された、またはより狭い範囲の体積における化学物質の濃度は、溶解流体、反応流体、および検出流体について同様に範囲が定められる。いくつかの態様において、体積の変動が30％以下、さらにより詳細には25％未満、20％未満、15％未満、10％未満、5％未満、3％未満、1％未満、またはそれより少ない溶解流体を得ること、および体積の変動が20％未満、さらにより詳細には15％未満、10％未満、7.5％未満、5％未満、3％未満、1％未満、またはそれより少ない反応流体を得ることが好ましい場合がある。
検出流体が主に、反応流体のサブセット要素であり、それはひいては溶解流体の要素であり、それはひいては試料流体（そして任意に、組み込まれた任意の担体または希釈液流体）の要素であるので、各流体がその段階で体積を増加させる可能性がある液体または乾燥（例えば凍結乾燥された）試薬を追加的に含有するであろうこと、およびある範囲内（先に論じされたとおり）に固定された体積を維持することが好ましいことを理解すると、進入流体の体積が、前述の試薬追加にもかかわらず各段階で減少される（または最小量が増加されない）ように、いくつかの態様における各段階からの過剰／不用の流体の管理は、オーバフローチャンバの包含によるか、または流体カラム内の分割部を使用することによるかのいずれかで達成される。オーバフローチャンバは、それが含まれる態様において、任意に吸収材料またはチャンバの進入もしくは飽和を示すためのセンサを収容してもよい。
流体カラムの分割は、いくつかの異なる態様において、異なるモジュール（例えば、進入、溶解、増幅（amplification）/検出（detection）の組み合わせ［本明細書において「増幅検出（amplitection）」とも称される］）内で達成されてもよく、それは、チャネルのヒートシーリングもしくはケミカルシーリング、ねじもしくはねじり圧縮、圧力ばめ、または温度支援モード（例えば、部品のはめあいを強化するための部品の熱膨張または逆止め弁、玉、回転もしくは他の弁をよりきつくシールするための流体圧力に依存することによる）を含む、機械的圧縮または膨張、アクチュエータ、機械的プロセスによって調節されてもよい融解用または凝固用物質、コントロール195、センサの使用を非限定的に含み、あるいは流体チャネルの動きによって直接誘発されてもよい。
ピストン挿入物の態様で論じられたように、空気管理が、流体チャネル全体のためには重要であり得、そして過剰な空気（および一般的には気体）は、モジュール内部の減圧/真空区画の使用を含む、種々の態様を介して取り扱われてもよく、90％、95％、97％、99％またはそれ以上の減圧が、いくつかの態様において好ましい場合がある一方で、本明細書において記載されたその他の方法と合わせるならば、より低いパーセンテージが使用されてもよいことが理解される。他のそのような態様は、液体が予め充填されたモジュールを使用すること、フロースルー局面を本発明に組み込むことを含み、それによって流体カラムの前方に進む空気が、モジュールを通過してもよく、また出口が閉ざされて、いくつかの方法を使用して（先に述べられたように）オーバフロー管理されてもよく、それによって、十分に高い体積かつ十分に低い気体対液体比のモジュールに適切な流体を含有するモジュールを形成する。
他の態様において、空気成分を吸収する方法は、酸素および他の気体を吸収する化合物または材料、鉄ベース、非鉄の酸素スカベンジャー（例えば、参照により本明細書に組み入れられる、Kerry, Joseph; Butler, Paul (May 23, 2008). Smart Packaging Technologies for Fast Moving Consumer Goods. Wiley & Sons）、ならびに室温および室圧で作用するか、またはより高温への曝露を必要としてもよい合金または化合物（例えば、参照により本明細書に組み入れられる米国特許第8211202号）の使用を含む。化学物質、特に鉄ベースの吸収体を使用するとき、いくつかの態様において、後のPCR化学の阻害を防ぐために、ポリマーまたは合金構造内にスカベンジャーを組み込むことが望ましい場合がある。
特定の態様は、存在する空気を許容するか、または管理するように設計される。これは、ピストンベースのPCRにおける中心的な課題に取り組むことによって達成され得、それは、液体－気体境界の管理である。核酸を解離するためにより高温を使用する増幅方法（例えばPCR）では、水溶液はしばしば、標準圧力で、水の沸点近くになるか、またはおよそ90℃を超え、実務者には精通しているであろう気体の法則に従って、対応的により高圧でより高温に、対応的により低圧でより低温になる。プライマー設計は、より低い解離温度を提供し得るが、ゲノムDNA内部の分析物、またはDNAの最適な解離およびタンパク質の変性のためにはほぼ沸点が好ましい他の化学物質を抽出するか、または標的にするとき、瞬間沸騰を避けるために反応の圧力を増すことが望ましい場合がある。圧力容器の使用が、いくつかの態様において望ましい場合があり、任意に安全のための圧力除去局面を含む。
厳格な温度制御がまた、いくつかの態様において望ましい場合があり、制御ループは10％以下の変動を許容し、またはより詳細には、7％以下、6％以下、5％以下、4％以下、3％以下、2％以下、または1％以下の変動がさらにより好ましい。これは、デバイスがその最大許容温度により近い設定値で動作することを可能にし得、それは、材料の観点からだけでなく、たとえ沸点が追加圧力によって上昇されたとしても、増幅の効率が特定の温度よりも上で低下し得るので、重要な場合がある（例えば、Drouin et al., DNA polymerases for PCR applications, J. Polaina and A.P. MacCabe (eds.), Industrial Enzymes, 379-401, 2007を参照のこと；また、https://www.neb.com/tools-and-resources/selection-charts/thermophilic-dna-polymerasesを参照のこと。各々参照により本明細書に組み入れられる）。TaqMan検出に必要とされる、5'から3'のエキソヌクレアーゼ活性を含むDNAポリメラーゼについは、対象となる特定の標的によって許容されるとおりに、反応温度を99.9℃より低く、より好ましくは99.5℃、99℃、98℃、またはそれ以下よりも低く維持することができる。上記機構に依存しない検出方法に関して、より高温のポリメラーゼ（100℃～105℃またはそれ以上で作用する）が望ましい場合がある。
特定の態様において、装置100は、増幅または複製モジュール、あるいはポリメラーゼ連鎖反応（PCR）、定量的PCR（qPCR）、リアルタイムPCR、逆転写酵素PCR、または空間ドメインもしくは時間ドメインのいずれかのフォーマットを介する他の適したサーモサイクリング（thermocycling）を使用する循環加熱を含む熱循環ができるサーモサイクラとして構成される。
特定の態様において、反応流体175は、プライマー、オリゴヌクレオチド、緩衝液、dNTP（デオキシリボヌクレオチド三リン酸）、rNTP（リボヌクレオチド三リン酸）、プローブ、塩、一価カチオン、カリウム、二価カチオン、マグネシウム（Mg）、マンガン（Mn）、アプタマー、加水分解プローブ（例えばTaqManプローブ）、二重標識されたプローブ、scorpionsプローブ、Taqポリメラーゼ、分子ビーコン、比色分析指標（colorimetric indicator）、DNA結合またはレポーター色素（例えばSYBR green）、金ナノ粒子、蛍光、または逆転写酵素を含んでもよい。いくつかの態様において、プローブは、ATTO647、FAM（商標）、HEX（商標）、TET（商標）、JOE（商標）、TAMRA（商標）、Texas Red（登録商標）、VIC（登録商標）、NED（商標）、ROX（商標）、PET（登録商標）、Cy、ローダミン、ATTO、または他の同様のプローブである。複数のチャネルのためにプローブを選択して組み合わせること（すなわち多重化（multiplexing））の原理は、実務者に精通しているであろう。特定のアッセイのための好ましいプローブは、量子収量、または入力エネルギー（energy in）の出力エネルギー（energy out）に対する比の検討を取り入れるべきであり、量子収量1.0は100％であり、これ未満の量子収量は、所望の波長における戻るエネルギーの割合を示す。多くの色素が、それらの最大吸収または発光波長に関して説明されるが、実際の曲線はしばしば多くの要因に依存して異なり、高および低帯域通過波長の検討は、異なる色素に起因するシグナルの重なりだけでなく、「肩」または最大下の波長周波数を含むべきである、ということは留意されるべきである。プローブおよび色素の選択および組み合わせに関する以下の参考文献（参照により本明細書に組み入れられる）を参照のこと：
・ https://www.idtdna.com/pages/products/custom-dna-rna/oligo-modifications/fluorophores/freedom-dyes
・ Prediger, Recommended dye combination for multiplex PCR, Integrated Data Technologies, 2018.
・ Prediger, qPCR Probes-selecting the best reporter dye and quencher, Integrated Data Technologies, 2015.
いくつかの態様において、プライマーは、12～35ヌクレオチド長（例えば、12～20、20～25、25～30、または30～35ヌクレオチド長）、例えば15～20ヌクレオチド長である。プライマーは、鋳型の既知の部分から設計されてもよく、鋳型核酸分子の二重鎖の各鎖に対して相補的で、合成されるべき領域の反対側にある。プライマーは、当技術分野において周知のように、設計され、合成によって調製され得る。プライマーは、非特異的なハイブリダイゼーションを減少させるように修飾されてもよい（参照により本明細書に組み入れられる米国特許第6,001,611号）。いくつかの態様において、ホットスタートプライマーが、非特異的な反応を減少させるために使用されてもよく、ステムループまたはヘアピン様構造を含んでもよい（米国特許第6,482,590号、米国特許出願第2007/0128621号）。プライマーの化学修飾は、グリオキサール、その誘導体、3,4,5,6-テトラヒドロフタル酸無水物、3-エトキシ-2-ケトブチルアルデヒド（ケトキサール）、ニンヒドリン、ヒドロキシアセトン、ジエチルオキサラート、ジエチルメソキサラート（diethyl mesoxalate）、1,2-ナフトキノン-4-スルホン酸、ピルブアルデヒド、アミド、γ-カルボキシアシルアミド（γ-carboxyacylamide）、アミジン、およびカルバメートを非限定的に含んでもよい。特定の態様において、使用されてもよいヌクレオチド類似体は、2'-O-メチル、2'-デオキシ-2'-フルオロ、および2',3'-ジデオキシヌクレオシド誘導体、トレオースのような他の糖骨格に基づく核酸類似体、ロックド核酸誘導体、二環式糖、またはヘキソース、グリセリンおよびグリコール糖、非イオン性骨格に基づく核酸類似体のように、糖が修飾された誘導体を含む。
特定の他の態様において、反応流体は、二重鎖DNA結合色素、加水分解プローブ、ハイブリダイゼーションプローブ、ヌクレオチド類似体、pH変化、比色分析指標、発光指標、または検出の電気化学モードを含む、代替検出方法を使用してモジュール135によって検出されてもよい。例えば、検出のモードは、SYBR green（Molecular Probes）、SYBR-Gold、EvaGreen、臭化エチジウム、YO-PRO-1、SYTO、BEBO、BOXTO、TaqMan（Roche）、i-プローブ、Eclipseプローブ、FRET、ATTO、PicoGreen、Snake、分子ビーコン、アプタマービーコン、PNAビーコン、標識LNAプローブ、抗体ビーコン、Scorpionsプローブ、LightCyclerプローブ、Hyprobe、HyBeacon、ResonSense、Yin-Yang、Amplifluor、LUX、Cyclicons、Angler、LNA、PNA、ZNA、Plexorプライマー、イオン感応電界効果トランジスタ（ISFET）を使用したpHセンシング、高分解能融解曲線分析（HRM）、または他のものを含んでもよい。これらの技術は、以下の情報源にそれぞれ要約されている（それらは参照により本明細書に組み入れられる）：
Figure 2022515782000014
Figure 2022515782000015
Figure 2022515782000016
Figure 2022515782000017
検出のためのプローブのいくつかの非限定例は、フルオロフォア、放射性同位体、色素原、酵素、エピトープタグを非限定的に含む抗原、量子ドットのような半導体ナノ結晶、重金属、色素、リン光基、化学発光基、電気化学検出部分、結合タンパク質、リン光体、希土類キレート、遷移金属キレート、近赤外色素、電気化学発光標識、ならびに質量分析計に適合するレポーター基、例えば質量タグ；荷電タグ、および同位体を含む（例えば、Haff and Smirnov, Nucl. Acids Res. 25:3749-50, 1997; Xu et al., Anal. Chem. 69:3595-3602; 1997; Sauer et al., Nucl. Acids Res. 31:e63, 2003を参照のこと）。ビオチン：アビジン、抗体：抗原などのような親和タグを非限定的に含む、多要素プローブシステム（ここで、検出可能なシグナルのための電位をもたらすために、一つの要素が、このシステムの1つまたは複数の他の要素と相互作用する）が、使用されてもよい。多要素プローブシステムのいくつかの非限定例は、ビオチンレポーター基およびストレプトアビジン結合型フルオロフォア（または逆もまた同じ）を含むオリゴヌクレオチド；DNPレポーター基およびフルオロフォア標識抗DNP抗体を含むオリゴヌクレオチド；等を含む。蛍光クエンチャーおよびダーククエンチャー（非蛍光クエンチャーとしても知られている）を非限定的に含む、フルオロフォア-クエンチャー対が使用されてもよい。ダークまたは非蛍光クエンチャーのいくつかの非限定例は、ダブシル（Dabcyl）、Black Hole Quenchers、Iowa Black、QSY-7、AbsoluteQuencher、Eclipse非蛍光クエンチャー、金ナノ粒子のようなある特定の金属粒子等を含む。R-フィコエリトリン、B-フィコエリトリン、C-フィコシアニン、およびアロフィコシアニンを含むフィコビリタンパク質（Hu, Production of potential coproducts from microalgae, Biofuels from Algae, 2019）ならびにホタル、latiaルシフェリン、バクテリアルルシフェリン、セレンテラジン（coelenterazine）、渦鞭毛藻類（dinoflagellate）、ヴァルグリン（vargulin）、および3-ヒドロキシヒスピジンを含むルシフェリンが、使用されてもよい。いくつかの態様において、プローブは、1つまたは複数の表面にコンジュゲートまたは結合され、捕獲プローブとして機能し、当業者には精通しているであろうような洗浄または溶出工程の追加を伴って含んでもよい。いくつかの態様において、それらは、光検出器要素に対するそれらの近接に基づいて分別検出を可能にするような向きおよびパターンで配列されてもよい。
いくつかの態様において、検出のための適切な標識は、フルオレセイン（FAM）、ジゴキシゲニン、ジニトロフェノール（DNP）、ダンシル、ビオチン、ブロモデオキシウリジン（BrdU）、ヘキサヒスチジン（6×His）、リン光体-アミノ酸（例えば、P-tyr、P-ser、P-thr）、ルシフェリン、ローダミン、フィコビリタンパク質、または任意の他の適切な標識を含んでもよい。いくつかの態様において、検出は、レポーターRNAのCRISPR-Cas13a/C2c2-介在性切断を使用して、例えば、特異的な高感度酵素レポーターアンロッキングプラットフォームによって、実施される（Gootenberg et al., Nucleic acid detection with CRISPR-Cas13a/C2c2, Science, 356(6336): 438-442, 2017; Myhrvoid et al., Field-deployable viral diagnostics using CRISPR-Cas13, Science, 360(6387), 444-448）。
特定の態様において、検出が電場近接感知（EFPS）を使用して実施され、それは、電場が近くの物体の存在によって（それが少なくとも僅かに導電性であるという条件で）乱され得るという事実に依存する（例えば、de la Rica, Selective Detection of Live Pathogens via Surface-Confined Electric Field Perturbation on Interdigitated Silicon Transducers, Anal. Chem. 2009, 81, 10, 3830-3835を参照のこと）。いくつかの態様において、融解曲線分析が、加熱の間に二重鎖DNAの解離特徴を評価することによる検出のために、例えば、一塩基多型の検出のために、使用されてもよい（Farrar et al., High-resolution melting curve analysis for molecular diagnostics, Molecular Diagnostics, 2nd edition, 2010）。
いくつかの態様において、濁度分析が、曇り度または透明度の減少を測定することによって実施される。微生物のような粒子によって散乱された光が、水中のこれらの粒子の検出を可能にしてもよい（Omar and MatJafri, Turbidimeter Design and Analysis: A Review on Optical Fiber Sensors for the Measurement of Water Turbidity, Sensors (Basel). 2009; 9(10): 8311-8335）。
特定の態様において、ラテラルフローテストまたはラテラルフロー免疫クロマトグラフィーアッセイが、検出のために使用されてもよい。ラテラルフロー分析は、多孔性紙、微細構造ポリマー、または焼結ポリマーのような、一連の毛細血管床（capillary bed）に基づいて、試料中の標的分析物の存在のセルロースベースの検出を含んでもよい（Urusov et al., Towards Lateral Flow Quantitative Assays: Detection Approaches, Biosensors (Basel). 2019 Sep; 9(3): 89）。ラテラルフロー分析は、有色、蛍光、磁気、または導電性標識を記録する検出器を使用し得る。
いくつかの態様において、トーホールドプローブが、核酸検出のために使用されてもよい（Toehold Probes for Nucleic Acid Detection, New molecular probe can distinguish DNA and RNA sequences with unprecedented accuracy, Wyss Institute, 2012）。トーホールドプローブは、DNAの2本鎖を含有してもよく、その2本鎖は、それらのヌクレオチド配列の相補性に起因して、互いにハイブリダイズされている。一つは、「プローブ鎖」がまた、例えばヒトゲノムにおいて、標的配列に対して相補的であるが、一方で、第二の「プロテクター鎖」は、標的DNAの部分を複写する。トーホールド―標的配列またはプロテクター鎖のいずれかに対して相補的である、プローブ鎖の両端の短い配列―は、2つの交換反応を開始し得る。これらは、プローブ鎖がその標的DNA/RNA/XNAに特異的に結合され（その検出を可能にするため）、そしてプロテクター鎖が解放されるか；あるいは逆に、プローブ鎖がプロテクター鎖と再結合して標的DNA/RNA/XNAを置き去りにするかのいずれかの結果をもたらす。2つの競合交換反応は、標的配列中の単一の非一致ヌクレオチド（変異体）の存在がその検出を妨げるように、摂動に対して高度に予測可能でかつ高度に感受性である平衡状態を導き得る。
分子ビーコンは、RNAまたはDNAまたはXNA標的配列にハイブリダイゼーションすると蛍光になる、ヘアピン形状のオリゴヌクレオチドプローブである。それらのループは、プローブとして役立ち、そして約15～25ヌクレオチド長である。それらのステムは、フルオロフォアおよびクエンチャーに連結される分子の2つの端を近くに接近させるのに役立つ。ステムは、たった5～7ヌクレオチド長であるが、それらは、フルオロフォアの蛍光が遊離プローブにおいてクエンチされるように、標識を近くに接近したまま保つ（Tyagi and Kramer, F1000 Med Rep. 2012; 4:10）。リアルタイムPCRに適する分子ビーコンおよび他のプローブは典型的には、5'-末端に蛍光レポーター分子を、および3'-末端にクエンチャー分子を含む。広範な群のフルオロフォアのうちのいずれか一つで修飾されたプローブが市販されている。市販されている蛍光ヌクレオチド類似体は、例えば、Cy3-dCTP、Cy3-dUTP、Cy5-dCTP、Cy5-dUTP（Amersham Biosciences, Piscataway, N.J., USA）、フルオレセイン-12-dUTP、テトラメチルローダミン-6-dUTP、Texas Red（登録商標）-5-dUTP、Cascade Blue（登録商標）-7-dUTP、BODIPY（登録商標） FL-14-dUTP、BODIPY°R-14-dUTP、BODIPY（登録商標）TR-14-dUTP、Rhodamine Green（商標）-5-dUTP、Oregon Green（登録商標） 488-5-dUTP、Texas Red（登録商標）-12-dUTP、BODIPY（登録商標） 630/650-14-dUTP、BODIPY（登録商標） 650/665-14-dUTP、Alexa Fluor（登録商標） 488-5-dUTP、Alexa Fluor（登録商標） 532-5-dUTP、Alexa Fluor（登録商標） 568-5-dUTP、Alexa Fluor（登録商標） 594-5-dUTP、Alexa Fluor（登録商標） 546-14-dUTP、フルオレセイン-12-UTP、テトラメチルローダミン-6-UTP、Texas Red（登録商標）-5-UTP、Cascade Blue（登録商標）-7-UTP、BODIPY（登録商標） FL-14-UTP、BODIPY（登録商標） TMR-14-UTP、BODIPY（登録商標） TR-14-UTP、Rhodamine Green（商標）-5-UTP、Alexa Fluor（登録商標） 488-5-UTP、Alexa Fluor（登録商標） 546-14-UTP（Molecular Probes, Inc. Eugene, OR, USA）を含む。合成後付着のために利用可能な他のフルオロフォアは、とりわけ、Alexa Fluor（登録商標） 350、Alexa Fluor（登録商標） 532、Alexa Fluor（登録商標） 546、Alexa Fluor（登録商標） 568、Alexa Fluor（登録商標） 594、Alexa Fluor（登録商標）647、BODIPY 493/503、BODIPY FL、BODIPY R6G、BODIPY 530/550、BODIPY TMR、BODIPY 558/568、BODIPY 558/568、BODIPY 564/570、BODIPY 576/589、BODIPY 581/591、BODIPY 630/650、BODIPY 650/665、Cascade Blue、Cascade Yellow、ダンシル、lissamine ローダミンB、Marina Blue、Oregon Green 488、Oregon Green 514、Pacific Blue、ローダミン 6G、rhodamine green、rhodamine red、テトラメチルローダミン、Texas Red（Molecular Probes, Inc., Eugene, OR, USAより入手可能）、ならびにCy2、Cy3.5、Cy5.5、およびCy7（Amersham Biosciences, Piscataway, N.J. USA、およびその他）を含む。PerCP-Cy5.5、PE-Cy5、PE-Cy5.5、PE-Cy7、PE-Texas Red、およびAPC-Cy7；また、PE-Alexa色素（610、647、680）およびAPC-Alexa色素のような、FRET tandemフルオロフォアがまた、使用されてもよい。
核酸色素は、二重鎖ポリヌクレオチドに特異的であるか、または少なくとも一本鎖ポリヌクレオチドよりも二重鎖ポリヌクレオチドに関連しているときに実質的により大きな蛍光シグナルを発する、蛍光分子である。典型的には、核酸色素分子は、二重鎖セグメントの塩基対の間へのインターカレートよるか、二重鎖セグメントの大小の溝での結合によるか、またはその両方によって、ポリヌクレオチドの二重鎖セグメントと結合する。核酸色素の非限定例は、臭化エチジウム、DAPI、ヘキスト33258およびヘキスト33342を非限定的に含むヘキスト誘導体、ランタニドキレートを含むインターカレーター（例えば非限定的に、2つの蛍光四座3-ジケトン-Eu3+キレート（NDI-（BHHCT-Eu3+）2）を保持するナフタレンジミド（napthalene diimide）誘導体。例えば、Nojima et al., Nucl. Acids Res. Supplement No. 1, 105-06 (2001)を参照のこと）、臭化エチジウム、ならびにSYBR Green（登録商標）、PicoGreen（登録商標）（両方ともMolecular Probes-Invitrogenより入手可能）、およびBOXTO（TATAA Biocenter AB）のような特定の非対称シアニン色素を含む。特定の態様において、装置100は、核酸（例えば、デオキシリボ核酸[DNA]、リボ核酸[RNA]、ゼノ（合成）核酸[XNA]）、核物質標的、対象となる遺伝子（GOI）、ゲノムまたは体細胞変異体の分析物/アンプリコン/標的等の存在、定量化、または半定量化を検出するように構成される。具体的な態様において、装置100は、使い捨てであってもよい（例えば、1回限りの使用のために構成される）。いくつかの態様において、装置100は、カートリッジを受け入れてもよい（例えば、異なる試薬の組み合わせを有するカートリッジを含む）。装置100は、バッテリ駆動型およびポータブルであってもよい（例えば、10ポンド未満、5ポンド未満、1ポンド未満、400g未満、300g未満、200g未満、100g未満、50g未満、またはそれより小さな重量がある）。装置100は、試料が装置100内に導入される前に試料の調製をせずに、未処理試料を受け入れて試料の分析または診断を提供するように構成され得る。
本明細書においてさらに記載されるように、本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法は、ウイルス、細菌、真菌、原生動物、寄生虫のような感染病原体、ならびにヒトまたは他の動物における感染に関連する宿主応答配列または発現のパターンを含む、対象となる種々の生体試料に関連する核酸の存在、非存在、または量を検出するために使用され得る。他の非限定的な使用は、ゲノム配列、体細胞変異、科学捜査、遺伝子改変生物の同定または特徴づけ、個別化医療を含む。
以下で追加的に論じられるように、本明細書において開示される態様は、感染性疾患（HIV、EBV、CMV、インフルエンザ、ヘルペス、マイコプラズマ、肺炎、癌、梅毒、真菌性および原生動物性疾患、および肝炎を非限定的に含む）を検出するため、癌の診断、遺伝子指紋法、父子鑑定、および科学捜査分析に使用され得る。培養不可能または遅生育微生物、例えばマイコバクテリア、嫌気性菌、または組織培養アッセイおよび動物モデルからのウイルスの同定のための方法もまた、本明細書において提供される。対象となる感染病原体はまた、マイコバクテリア（例えば、M.ツベルクローシス（tuberculosis）、M.ボビス（bovis）、M.アビウム（avium）、M.レプラ（leprae）、およびM.アフリカヌム（africanum））、リケッチア、マイコプラズマ、クラミジア、および レジオネラのような細菌病原体を含む。細菌感染症のいくつかの実施例は、グラム陽性桿菌（例えば、リステリア、バチルス、例えばバチルス・アントラシス（Bacillus anthracis）、エリシペロスリクス（Erysipelothrix）種）、グラム陰性桿菌（例えば、バルトネラ（Bartonella）、ブルセラ（Brucella）、カンピロバクター（Campylobacter）、エンテロバクター（Enterobacter）、大腸菌属（Escherichia）、フランシセラ（Francisella）、ヘモフィルス（Hemophilus）、クレブシエラ（Klebsiella）、モルガネラ（Morganella）、プロテウス（Proteus）、プロビデンシア（Providencia）、シュードモナス（Pseudomonas）、サルモネラ（Salmonella）、セラチア（Serratia）、シゲラ（Shigella）、ビブリオ（Vibrio）およびエルシニア（Yersinia）種）、スピロヘータ細菌（spirochete bacteria）（例えば、ライム病を引き起こすボレリア・ブルグドルフェリ（Borrelia burgdorferi）を含むボレリア（Borrelia）種）、嫌気性菌（例えば、アクチノミセス（Actinomyces）およびクロストリジウム（Clostridium）種）、グラム陽性および陰性球菌細菌、腸球菌（Enterococcus）種、連鎖球菌（Streptococcus）種、肺炎球菌（Pneumococcus）種、ブドウ球菌（Staphylococcus）種、およびナイセリア（Neisseria）種によって引き起こされる感染症を非限定的に含む。感染性細菌の特定の例は、以下を非限定的に含む：ヘリコバクター・ピロリ（Helicobacter pyloris）、レジオネラ・ニューモフィラ（Legionella pneumophilia）、マイコバクテリウム・ツベルクローシス（Mycobacterium tuberculosis）、マイコバクテリウム・アビウム（Mycobacterium avium）、マイコバクテリウム・イントラセルラーレ（Mycobacterium intracellulare）、マイコバクテリウム・カンサシ（Mycobacterium kansaii）、マイコバクテリウム・ゴルドナエ（Mycobacterium gordonae）、スタフィロコッカス・アウレウス（Staphylococcus aureus）、淋菌（Neisseria gonorrhoeae）、髄膜炎菌（Neisseria meningitidis）、リステリア・モノサイトゲネス（Listeria monocytogenes）、化膿性連鎖球菌（A群レンサ球菌）、ストレプトコッカス・アガラクチア（Streptococcus agalactiae）（B群レンサ球菌）、ストレプトコッカス・ビリダンス（Streptococcus viridans）、ストレプトコッカス・フェカリス（Streptococcus faecalis）、ストレプトコッカス・ボビス（Streptococcus bovis）、ストレプトコッカス・ニューモニエ（Streptococcus pneumoniae）、ヘモフィルス・インフルエンザエ（Haemophilus influenzae）、バチルス・アントラシス（Bacillus antracis）、ブタ丹毒菌（Erysipelothrix rhusiopathiae）、破傷風菌（Clostridium tetani）、エンテロバクター・エロゲネス（Enterobacter aerogenes）、クレブシエラ・ニューモニエ（Klebsiella pneumoniae）、パスツレラ・ムルトシダ（Pasteurella multocida）、フソバクテリウム・ヌクレアタム（Fusobacterium nucleatum）、ストレプトバシラス・モニリフォルミス（Streptobacillus moniliformis）、梅毒トレポネーマ（Treponema pallidium）、トレポネーマ・パーテヌエ（Treponema pertenue）、レプトスピラ（Leptospira）、リケッチア、およびアクチノミセス・イスラエリイ（Actinomyces israelii）、アシネトバクター（Acinetobacter）、バチルス、ボルデテラ（Bordetella）、ボレリア（Borrelia）、ブルセラ、カンピロバクター、クラミジア、クラミドフィラ（Chlamydophila）、クロストリジウム、コリネバクテリウム（Corynebacterium）、腸球菌（Enterococcus）、ヘモフィルス（Haemophilus）、ヘリコバクター（Helicobacter）、マイコバクテリウム（Mycobacterium）、マイコプラズマ、ステノトロホモナス（Stenotrophomonas）、トレポネーマ（Treponema）、ビブリオ、エルシニア、アシネトバクター・バウマニ（Acinetobacter baumanii）、百日咳菌（Bordetella pertussis）、ウシ流産菌（Brucella abortus）、イヌ流産菌（Brucella canis）、ヤギ流産菌（Brucella melitensis）、ブタ流産菌（Brucella suis）、カンピロバクター・ジェジュニ（Campylobacter jejuni）、肺炎クラミジア（Chlamydia pneumoniae）、トラコーマクラミジア（Chlamydia trachomatis）、オウム病クラミジア（Chlamydophila psittaci）、ボツリヌス菌（Clostridium botulinum）、クロストリジウム・ディフィシル（Clostridium difficile）、クロストリジウム・パーフリンジェンス（Clostridium perfringens）、ジフテリア菌（Corynebacterium diphtheriae）、エンテロバクター・サカザキイ（Enterobacter sazakii）、エンテロバクター・アグロメランス（Enterobacter agglomerans）、エンテロバクター・クロアカエ（Enterobacter cloacae）、エンテロコッカス・フェカリス（Enterococcus faecalis）、エンテロコッカス・フェシウム（Enterococcus faecium）、大腸菌（Escherichia coli）、フランシセラ・ツラレンシス（Francisella tularensis）、ヘリコバクター・ピロリ（Helicobacter pylori）、レジオネラ・ニューモフィラ（Legionella pneumophila）、レプトスピラ・インターロガンス（Leptospira interrogans）、マイコバクテリウム・レプラ（Mycobacterium leprae）、マイコバクテリウム・ツベルクローシス（Mycobacterium tuberculosis）、マイコバクテリウム・ウルセランス（Mycobacterium ulcerans）、マイコプラズマ・ニューモニエ（Mycoplasma pneumoniae）、緑膿菌（Pseudomonas aeruginosa）、リケッチア・リケッチイ（Rickettsia rickettsii）、チフス菌（Salmonella typhi）、サルモネラ・チフィリウム（Salmonella typhimurium）、サルモネラ・エンテリカ（Salmonella enterica）、シゲラ・ソネイ（Shigella sonnei）、スタフィロコッカス・エピデルミデス（Staphylococcus epidermidis）、スタフィロコッカス・サプロフィチカス（Staphylococcus saprophyticus）、ステノトロホモナス・マルトフィリア（Stenotrophomonas maltophilia）、コレラ菌（Vibrio cholerae）、ペスト菌（Yersinia pestis）等（米国特許公開第20170304829号。参照により本明細書に組み入れられる）。
いくつかの態様において、検出されてもよいウイルス性病原体は、ヘルペスウイルス（例えば、ヒトサイトメガロウイルス（human cytomegalomous virus）（HCMV）、単純ヘルペスウイルスI（HSV-1）、単純ヘルペスウイルス2（HSV-2）、水痘帯状疱疹ウイルス（VZV）、エプスタイン・バーウイルス）、インフルエンザAウイルスおよび肝炎Cウイルス（HCV）またはコクサッキーウイルスB3（CVB3）のようなピコルナウイルスを非限定的に含む。他のウイルスは、肝炎Bウイルス、HIV、ポックスウイルス、ヘパドナウイルス（hepadavirus）、レトロウイルス、およびRNAウイルス、例えばフラビウイルス、トガウイルス、コロナウイルス、肝炎Dウイルス、オルソミクソウイルス、パラミクソウイルス、ラブドウイルス、ブニヤウイルス、フィロウイルス、アデノウイルス、ヒトヘルペスウイルス、8型、ヒトパピローマウイルス、BKウイルス、JCウイルス、天然痘、肝炎Bウイルス、ヒトボカウイルス、パルボウイルスB19、ヒトアストロウイルス、ノーウォークウイルス、コクサッキーウイルス、肝炎Aウイルス、ポリオウイルス、ライノウイルス、重症急性呼吸器症候群ウイルス、肝炎Cウイルス、黄熱病ウイルス、デングウイルス、ウエストナイルウイルス、風疹ウイルス、肝炎Eウイルス、およびヒト免疫不全ウイルス（HIV）を非限定的に含んでもよい。いくつかの態様において、ウイルスは、エンベロープウイルスである。そのようなエンベロープウイルスの例は、ヘパドナウイルス科、ヘルペスウイルス科、イリドウイルス科、ポックスウイルス科、フラビウイルス科、トガウイルス科、レトロウイルス科、コロナウイルス科、フィロウイルス科、ラブドウイルス科、ブニヤウイルス科、オルソミクソウイルス科、パラミクソウイルス科、およびアレナウイルス科のメンバーであるウイルスを非限定的に含む。他の例は、ヘパドナウイルス肝炎Bウイルス（HBV）、ウッドチャック肝炎ウイルス、ジリス（ヘパドナウイルス科）肝炎ウイルス、アヒル肝炎Bウイルス、サギ肝炎Bウイルス、ヘルペスウイルス単純ヘルペスウイルス（HSV）1型および2型、水痘帯状疱疹ウイルス、サイトメガロウイルス（CMV）、ヒトサイトメガロウイルス（HCMV）、マウスサイトメガロウイルス（MCMV）、モルモットサイトメガロウイルス（GPCMV）、エプスタイン・バーウイルス（EBV）、ヒトヘルペスウイルス6（HHV変異株AおよびB）、ヒトヘルペスウイルス7（HHV-7）、ヒトヘルペスウイルス8（HHV-8）、カポジ肉腫関連ヘルペスウイルス（KSHV）、Bウイルスポックスウイルスワクシニアウイルス、痘瘡ウイルス、天然痘ウイルス、サル痘ウイルス、牛痘ウイルス、ラクダ痘ウイルス、奇肢症ウイルス、マウス痘ウイルス、ウサギ痘ウイルス、アライグマ痘ウイルス（raccoon pox viruses）、伝染性軟属腫ウイルス、オルフウイルス、搾乳者結節ウイルス、ウシ丘疹性口内炎ウイルス（bovin papullar stomatitis virus）、羊痘ウイルス、山羊痘ウイルス、ランピースキン病ウイルス、鶏痘ウイルス、カナリア痘ウイルス、鳩痘ウイルス、スズメ痘ウイルス、粘液腫ウイルス、野兎線維腫ウイルス、ウサギ線維腫ウイルス、リス線維腫ウイルス、豚痘ウイルス、タナポックスウイルス、ヤバポックス（Yabapox）ウイルス、フラビウイルスデングウイルス、肝炎Cウイルス（HCV）、GB肝炎ウイルス（GBV-A、GBV-BおよびGBV-C）、ウエストナイルウイルス、黄熱病ウイルス、セントルイス脳炎ウイルス、日本脳炎ウイルス、ポワッサンウイルス、ダニ媒介脳炎ウイルス、キャサヌール森林病ウイルス、トガウイルス、ベネズエラウマ脳炎（VEE）ウイルス、チクングニアウイルス、ロスリバーウイルス、マヤロウイルス、シンドビスウイルス、風疹ウイルス、レトロウイルスヒト免疫不全ウイルス（HIV）1型および2型、ヒトT細胞白血病ウイルス（HTLV）1型、2型、および5型、マウス乳癌ウイルス（MMTV）、ラウス肉腫ウイルス（RSV）、レンチウイルス、コロナウイルス、重症急性呼吸器症候群（SARS）ウイルス、フィロウイルスエボラウイルス、マールブルグウイルス、メタニューモウイルス（MPV）、例えばヒトメタニューモウイルス（HMPV）、ラブドウイルス狂犬病ウイルス、水疱性口内炎ウイルス、ブニヤウイルス、クリミア・コンゴ出血熱ウイルス、リフトバレー熱ウイルス、ラクロスウイルス、ハンタンウイルス、オルソミクソウイルス、インフルエンザウイルス（A型、B型、およびC型）、パラミクソウイルス、パラインフルエンザウイルス（PIV1型、2型および3型）、RSウイルス（A型およびB型）、麻疹ウイルス、ムンプスウイルス、アレナウイルス、リンパ球性脈絡髄膜炎ウイルス、フニンウイルス、マチュポウイルス、グアナリトウイルス、ラッサウイルス、Ampariウイルス、Flexalウイルス、イッピイ（Ippy）ウイルス、モバラ（Mobala）ウイルス、モペイア（Mopeia）ウイルス、ラチノ（Latino）ウイルス、パラナ（Parana）ウイルス、ピチンデウイルス、プンタトーン（Punta torn）ウイルス（PTV）、タカリベウイルスおよびタミアミウイルスを非限定的に含む。いくつかの態様において、ウイルスは、無エンベロープウイルスであり、その例は、パルボウイルス科、サーコウイルス科、ポリオーマウイルス科、パピローマウイルス科、アデノウイルス科、イリドウイルス科、レオウイルス科、ビルナウイルス科、カリシウイルス科、およびピコルナウイルス科のメンバーであるウイルスを非限定的に含む。具体的な例は、イヌパルボウイルス、パルボウイルスB19、ブタサーコウイルス1型および2型、BFDV（嘴羽毛病（Beak and Feather Disease）ウイルス、ニワトリ貧血ウイルス、ポリオーマウイルス、サルウイルス40（SV40）、JCウイルス、BKウイルス、セキセイインコ雛病（Budgerigar fledgling disease）ウイルス、ヒトパピローマウイルス、ウシパピローマウイルス（BPV）1型、ワタオウサギパピローマウイルス、ヒトアデノウイルス（HAdV-A、HAdV-B、HAdV-C、HAdV-D、HAdV-E、およびHAdV-F）、トリアデノウイルスA、ウシアデノウイルスD、カエルアデノウイルス、レオウイルス、ヒトオルビウイルス、ヒトコルティウイルス、哺乳類オルトレオウイルス、ブルータングウイルス、ロタウイルスA、ロタウイルス（B～G群）、コロラドダニ熱ウイルス、アクアレオウイルスA、サイポウイルス1、フィジー病ウイルス、イネ萎縮ウイルス、イネラギッドスタントウイルス、イドノレオウイルス1（idnoreovirus 1）、マイコレオウイルス1、ビルナウイルス、ファブリキウス嚢（bursal disease）ウイルス、膵壊死ウイルス、カリシウイルス、ブタ水疱疹ウイルス、ウサギ出血性疾患ウイルス、ノーウォークウイルス、サッポロウイルス、ピコルナウイルス、ヒトポリオウイルス（1～3）、ヒトコクサッキーウイルスAl-22、24（CA1-22およびCA24、CA23（エコーウイルス9））、ヒトコクサッキーウイルス（Bl-6（CB1-6））、ヒトエコーウイルス1-7、9、11-27、29-33、vilyuishウイルス、サルエンテロウイルス1-18（SEVI-18）、ブタエンテロウイルス1-11（PEV1-11）、ウシエンテロウイルス1-2（BEVI-2）、肝炎Aウイルス、ライノウイルス、ヘパトウイルス、カルジオウイルス、アフトウイルスおよびエコーウイルスを非限定的に含む。ウイルスは、ファージであってもよい。ファージの例は、T4、TS、λ、ファージ、T7ファージ、G4、Pl、φ6、サーモプロテウス・テナクス（Thermoproteus tenax）ウイルス1、M13、MS2、Qβ、φX174、Φ29、PZA、Φ15、BS32、B103、M2Y（M2）、Nf、GA-I、FWLBc1、FWLBc2、FWLLm3、B4を非限定的に含む。参照データベースは、病原性、防御性、またはその両方であるファージの配列を含んでもよい。いくつかの場合において、ウイルスは、フラビウイルス科のメンバーから選択され（例えば、フラビウイルス属、ペスチウイルス属、およびヘパシウイルス属のメンバー）、それは、肝炎Cウイルス、黄熱病ウイルス；ダニ媒介ウイルス、例えば、ガジェッツガリー（Gadgets Gully）ウイルス、カダム（Kadam）ウイルス、キャサヌール森林病ウイルス、ランガットウイルス、オムスク出血熱ウイルス、ポワッサンウイルス、ロイヤルファーム（Royal Farm）ウイルス、カルシー（Karshi）ウイルス、ダニ媒介脳炎ウイルス、ニュードルフ（Neudoerfl）ウイルス、ソフジン（Sofjin）ウイルス、跳躍病ウイルスおよびネギシ（Negishi）ウイルス；海鳥ダニ媒介ウイルス、例えば、メアバン（Meaban）ウイルス、ソーマレズリーフ（Saumarez Reef）ウイルス、およびチュレーニー（Tyuleniy）ウイルス；蚊媒介性ウイルス、例えば、Arnaウイルス、デングウイルス、ケドゥグー（Kedougou）ウイルス、カシパコア（Cacipacore）ウイルス、コウタンゴ（Koutango）ウイルス、日本脳炎ウイルス、マレー渓谷脳炎ウイルス、セントルイス脳炎ウイルス、ウスツ（Usutu）ウイルス、ウエストナイルウイルス、ヤウンデ（Yaounde）ウイルス、ココベラ（Kokobera）ウイルス、バガザ（Bagaza）ウイルス、イルヘウス（Ilheus）ウイルス、イスラエル七面鳥髄膜脳瘤－脊髄炎（Israel turkey meningoencephalo-myelitis）ウイルス、ウンタヤ（Ntaya）ウイルス、テンブス（Tembusu）ウイルス、ジカウイルス、バンジ（Banzi）ウイルス、ブブイ（Bouboui）ウイルス、エッジヒル（Edge Hill）ウイルス、ジュグラ（Jugra）ウイルス、サボヤ（Saboya）ウイルス、セピック（Sepik）ウイルス、ウガンダS（Uganda S）ウイルス、ヴェセルスブロン（Wesselsbron）ウイルス、黄熱病ウイルス；および媒介節足動物が知られていないウイルス、例えば、エンテベコウモリ（Entebbe bat）ウイルス、ヨコセ（Yokose）ウイルス、アポイ（Apoi）ウイルス、カウボーンリッジ（Cowbone Ridge）ウイルス、ジュチアパ（Jutiapa）ウイルス、モドック（Modoc）ウイルス、サルビエハ（Sal Vieja）ウイルス、サンペーリタ（San Perlita）ウイルス、ブカラサコウモリ（Bukalasa bat）ウイルス、カレー島（Carey Island）ウイルス、ダカールコウモリ（Dakar bat）ウイルス、モンタナ筋炎白質脳炎（Montana myotis leukoencephalitis）ウイルス、プノンペンコウモリ（Phnom Penh bat）ウイルス、リオブラボー（Rio Bravo）ウイルス、タマナコウモリ（Tamana bat）ウイルス、および細胞融解を引き起こすウイルス（Cell fusing agent virus）を含む。いくつかの場合において、ウイルスは、アレナウイルス科のメンバーから選択され、それは、イッピイ（Ippy）ウイルス、ラッサウイルス（例えば、Josiah、LP、またはGA391株）、リンパ球性脈絡髄膜炎ウイルス（LCMV）、モバラ（Mobala）ウイルス、モペイア（Mopeia）ウイルス、アマパリ（Amapari）ウイルス、フレキサル（Flexal）ウイルス、グアナリトウイルス、フニンウイルス、ラチノ（Latino）ウイルス、マチュポウイルス、オリベロス（Oliveros）ウイルス、パラナ（Parana）ウイルス、ピチンデウイルス、ピリタル（Pirital）ウイルス、サビアウイルス、タカリベウイルス、タミアミウイルス、ホワイトウォーター・アロヨ（Whitewater Arroyo）ウイルス、チャパレ（Chapare）ウイルス、およびルジョウイルスを含む。いくつかの場合において、ウイルスは、ブニヤウイルス科のメンバー（例えば、ハンタウイルス、ナイロウイルス、オルソブニヤウイルス、およびフレボウイルス属のメンバー）から選択され、それは、ハンタンウイルス、シンノンブルウイルス、ジュグベ（Dugbe）ウイルス、ブニヤムウェラウイルス、リフトバレー熱ウイルス、ラクロスウイルス、プンタトロ（Punta Toro）ウイルス（PTV）、カリフォルニア脳炎ウイルス、およびクリミア・コンゴ出血熱（CCHF）ウイルスを含む。いくつかの場合において、ウイルスは、エボラウイルス（例えば、ザイール、スーダン、アイボリーコースト、レストン、およびウガンダ株）およびマールブルグウイルス（例えば、アンゴラ、Ci67、ムソーク（Musoke）、ポップ（Popp）、ラビン（Ravn）およびビクトリア湖株）を含むフィロウイルス科のメンバー；ベネズエラウマ脳炎ウイルス（VEE）、東部ウマ脳炎ウイルス（EEE）、西部ウマ脳炎ウイルス（WEE）、シンドビスウイルス、風疹ウイルス、セムリキ森林ウイルス、ロスリバーウイルス、バーマフォレストウイルス、オニョンニョン（O'nyong'nyong）ウイルス、およびチクングニアウイルスを含む、トガウイルス科の
メンバー（例えば、アルファウイルス属のメンバー）；天然痘ウイルス、サル痘ウイルス、およびワクシニアウイルスを含む、ポックスウイルス科（Poxyiridae）のメンバー（例えば、オルソポックスウイルス属のメンバー）；単純ヘルペスウイルス（HSV；1、2、および6型）、ヒトヘルペスウイルス（例えば、7および8型）、サイトメガロウイルス（CMV）、エプスタイン・バーウイルス（EBV）、水痘帯状疱疹ウイルス、およびカポジ肉腫関連ヘルペスウイルス（KSHV）を含む、ヘルペスウイルス科のメンバー；H5N1トリインフルエンザウイルスまたはH1N1ブタインフルエンザのようなインフルエンザウイルス（A、B、およびC）を含む、オルトミクソウイルス科のメンバー；重症急性呼吸器症候群（SARS）ウイルスを含む、コロナウイルス科のメンバー；狂犬病ウイルスおよび水疱性口内炎ウイルス（VSV）を含む、ラブドウイルス科のメンバー；ヒトRSウイルス（RSV）、ニューカッスル病ウイルス、ヘンドラウイルス（hendravirus）、ニパウイルス（nipahvirus）、麻疹ウイルス、牛疫ウイルス、イヌジステンパーウイルス、センダイウイルス、ヒトパラインフルエンザウイルス（例えば、1、2、3、および4）、ライノウイルス、およびムンプスウイルスを含む、パラミクソウイルス科のメンバー；ポリオウイルス、ヒトエンテロウイルス（A、B、C、およびD）、肝炎Aウイルス、およびコクサッキーウイルスを含む、ピコルナウイルス科（Picomaviridae）のメンバー；肝炎Bウイルスを含む、ヘパドナウイルス科のメンバー；ヒトパピローマウイルスを含む、パピローマウイルス科（Papillamoviridae）のメンバー；アデノ随伴ウイルスを含む、パルボウイルス科のメンバー；アストロウイルスを含む、アストロウイルス科のメンバー；JCウイルス、BKウイルス、およびSV40ウイルスを含む、ポリオーマウイルス科のメンバー；ノーウォークウイルスを含む、カリシウイルス科のメンバー；ロタウイルスを含む、レオウイルス科のメンバー；ならびにヒト免疫不全ウイルス（HIV；例えば、I型および2型）、およびヒトTリンパ好性ウイルスI型およびII型（それぞれHTLV-1およびHTLV-2）を含む、レトロウイルス科のメンバーから選択される。
いくつかの態様において、アスペルギルス（Aspergillus）、ブラストミセス（Blastomyces）、コクシジオイデス（Coccidioides）、クリプトコッカス（Cryptococcus）、ヒストプラズマ（Histoplasma）、パラコクシジオイデス属（Paracoccidioides）、スポロトリクス属（Sporothrix）、および接合菌類（Zygomycetes）の少なくとも3つの属を非限定的に含む真菌が、検出されてもよい。いくつかの態様において、検出されてもよい寄生虫は、マラリア原虫（Plasmodium）、リーシュマニア（Leishmania）、バベシア（Babesia）、トレポネーマ（Treponema）、ボレリア（Borrelia）、トリパノソーマ（Trypanosoma）、トキソプラズマ原虫（Toxoplasma gondii）、熱帯熱マラリア原虫（Plasmodium falciparum）、三日熱マラリア原虫（P. vivax）、卵形マラリア原虫（P. ovale）、四日熱マラリア原虫（P. malariae）、トリパノソーマ種（Trypanosoma spp.）、またはレジオネラ種（Legionella spp.）を含む。
結果データ
図34は、本開示の例示的な態様（「Nuclein（商標）デバイス」と特定される）と代替デバイス（Applied Biosystems（登録商標）7500 リアルタイムPCR機械である「Benchtop qPCR」）との間の化膿性連鎖球菌DNAセグメントの比較増幅を例証する。
図35は、TaqManプローブおよび本開示の例示的な態様を使用した、化膿性連鎖球菌DNAセグメントのデバイス上検出を示すグラフである。グラフは、PCR検出（パーセンテージとして表される相対蛍光で）対PCRサイクル数を示す。
種々の適用
本明細書において提供される態様は、以下を非限定的に含む幅広い適用領域において使用され得る：健康、環境モニタリング、ゲノム、科学捜査、およびR&D、ならびに他の適用。
核酸
先に述べたように、本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法の態様は、とりわけ、任意のタイプの核酸を検出するために使用され得る。あらゆる既知の形態の生命にとって不可欠である核酸は、リボースを含有してもよいヌクレオチドから構成され、その場合、ポリマーは、RNA（リボ核酸）と呼ばれ、あるいはそれらは、デオキシリボースを含有してもよく、その場合、ポリマーはDNA（デオキシリボ核酸）と呼ばれ、あるいはそれらは、トレオース、シクロヘキセン、グリコール、ロックド、ペプチド、フルオロ-アラビノ、1,5-アンヒドロヘキシトールまたはその他のような合成のものを含む、他の骨格を含有してもよく、そして集合的にXNA（ゼノ核酸）と呼ばれる。RNAのタイプは、メッセンジャーRNA（mRNA）、トランスファーRNA（tRNA）、rRNA（リボソームRNA）、シグナル認識粒子RNA（SPR RNA）、トランスファー-メッセンジャーRNA（tmRNA）、ガイドRNA（gRNA）、核内低分子RNA（snRNA）、核小体低分子RNA（snoRNA）、SmY RNA（SmY）、カハール小体-特異的RNA（scaRNA）、リボヌクレアーゼP（RNase P）、リボヌクレアーゼMRP（RNase MRP）、Y RNA、テロメラーゼRNA要素（TERC）、スプライスリーダーRNA（SL RNA）、アンチセンスRNA（aRNA、asRNA）、Cis-天然アンチセンス転写物（Cis-NAT）、CRISPR RNA crRNA）、長鎖ノンコーディングRNA（lncRNA）、マイクロRNA（miRNA）、piwi結合RNA（piRNA）、低分子干渉RNA（siRNA）、低分子ヘアピン型RNA（shRNA）、トランス作動性siRNA（tasiRNA）、リピート関連siRNA（rasi RNA）、7SK、エンハンサーRNA（eRNA）、ヴォールトRNA（vRNA）、サテライトRNA、ウイロイド、レトロトランスポゾン、および多くの他のものを非限定的に含む。DNAは、一本鎖（ssDNA）または二重鎖（dsDNA）であってもよく、DNAのタイプは、ミトコンドリアDNAおよび核DNAを非限定的に含み、それはまた、常染色体DNA、X-DNA、およびY-DNA、ならびにDNAの他のタイプとして特徴づけられてもよく、そのうちのいくつかは本明細書において参照される。いくつかの態様において、本明細書において記載される装置および方法は、対象となる他の分子マーカー、例えばタンパク質、抗体、炭水化物、小分子、脂質、およびこれらの組み合わせ、例えばリポタンパク質を検出するために使用され得る。いくつかの態様において、これらの非核酸バイオマーカーを検出するために使用される方法は、PLA（近接ライゲーションアッセイ（Proximity Ligation Assay）またはIPCR（免疫PCR）である。
核酸配列は、自然起源であってもよく、またはそれらは、遺伝子工学技術によって改変されてもよく、それは実務者に周知であろう。そのような技術は、種々の方法によってなされる変更を伴って、核酸を標的配列に対して加えるか、または欠失させること（いくつかの場合において、核酸を置換するために本質的に同時に）を含み得、それは、ランダム変異誘発、ランダム標的技術（マイクロインジェクションのような）、または、変異誘発、亜鉛フィンガーヌクレアーゼ、転写活性化因子様エフェクターヌクレアーゼ（TALENS）、およびCRISPRから適応されたCas9-ガイドRNAシステムのようなCas関連プログラム可能エンドヌクレアーゼのような、標的アプローチを介することを非限定的に含む。医学的治療目的と共に実施されるそのような技術は、遺伝子療法と称される。
本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法の態様はまた、自然起源のRNAおよびDNAと構造的に類似する核酸類似体を検出するために使用され得る。そのような類似体は、先に参照されたとおり、ゼノ核酸（またはXNA）と一般的に称され、そしてそれらは、医学および分子生物学研究において一般的に使用される。核酸は、リン酸骨格、五炭糖（リボースまたはデオキシリボースのいずれか）および核酸塩基（アデニン、シトシン、グアニン、チミン、およびウラシルを含む）を含有するが、核酸類似体は、変化されたこれらのいずれかを有してもよい。具体的な例は、ペプチド核酸（PNA）、モルホリノおよびロックド核酸（LNA）ならびにグリコール核酸（GNA）およびトレオース核酸（TNA）を非限定的に含む。
健康
ヒトおよび動物の両方について、本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法は、本明細書において開示されているものを含む感染病原体、例えば、ウイルス、細菌、真菌、原生動物、寄生虫、ならびにヒトまたは他の動物における感染に関連する宿主応答配列または遺伝子発現のパターンを含む、対象となる種々の生体試料に関連する核酸の存在、非存在、または量を検出するために使用され得る。
本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法が、動物に関連して使用される場合において、そのような使用は、ペット（例えば、ネコ、イヌ、魚、トリ、ウサギ、ハムスター、マウス、フェレット、モルモット等）、家畜（例えば、畜牛、ニワトリ、シチメンチョウ、子羊、ブタ等）、スポーツにおいて使用される動物（例えば、競走馬、子ウシ、雄牛、および去勢牛等）、ならびに水産養殖で生産される魚（例えば、サケ、タラ、マグロ、ニシン、テラピア、ナマズ等）、加えて任意の他の動物を用いる使用を非限定的に含んでもよい。
さらに、本明細書において提供される態様は、以下を非限定的に含む感染性疾患に関連する核酸配列を検出するために使用され得る：EBV、CMV、インフルエンザ、マイコプラズマ、梅毒、真菌性疾患および原虫症、急性弛緩性脊髄炎、アナプラズマ症、炭疽、バベシア症、ボツリヌス中毒、ブルセラ症、カンピロバクター症、カルバペネム耐性感染症、軟性下疳、チクングニアウイルス感染症（チクングニア）、クラミジア、シガテラ（有害藻類の異常発生（Harmful Algae Bloom）（HAB））、クロストリジウム・ディフィシル感染症、クロストリジウム・パーフリンジェンス（Clostridium Perfringens）（イプシロン毒素）、コクシジオイデス症真菌感染症（渓谷熱）、クロイツフェルト・ヤコブ病（Creutzfeldt-Jacob Disease）、伝染性海綿状脳症（CJD）、クリプトスポリジウム症（Crypto）、シクロスポラ症、デング熱、1、2、3、4（デング熱）、ジフテリア、大腸菌（E. coli）感染症、志賀毒素産生（STEC）、東部ウマ脳炎（EEE）、エボラ出血熱（エボラ）、エーリキア症、脳炎、アルボウイルスまたは傍感染性、エンテロウイルス感染症、非ポリオ（非ポリオエンテロウイルス）、エンテロウイルス感染症、D68（EV-D68）、ジアルジア症（ジアルジア）、鼻疽、淋菌感染症（淋病）、鼠径肉芽腫、ヘモフィルスインフルエンザ疾患、B型（HibまたはH-flu）、ハンタウイルス肺症候群（HPS）、溶血性尿毒症症候群（HUS）、肝炎A（Hep A）、肝炎B（Hep B）、肝炎C（Hep C）、肝炎D（Hep D）、肝炎E（Hep E）、ヘルペス、帯状ヘルペス、帯状疱疹VZV（帯状庖疹）、ヒストプラスマ感染症（ヒストプラスマ症）、ヒト免疫不全ウイルス/AIDS（HIV/AIDS）、ヒトパピローマウイルス（HPV）、インフルエンザ（Flu）、鉛中毒、レジオネラ症（在郷軍人病）、らい病（ハンセン病）、レプトスピラ症、リステリア症（リステリア）、ライム病、鼠径リンパ肉芽腫症感染症（LGV）、マラリア、麻疹、類鼻疽、髄膜炎、ウイルス性（髄膜炎、ウイルス性）、髄膜炎菌性疾患、細菌性（髄膜炎、細菌性）、中東呼吸器症候群コロナウイルス（MERS-CoV）、ムンプス、ノロウイルス、麻痺性貝中毒（麻痺性貝中毒、シガテラ）、シラミ寄生症（シラミ、頭部および身体シラミ（Head and Body Lice））、骨盤内炎症性疾患（PID）、百日咳（百日ぜき（Whooping Cough））、ペスト；腺ペスト、敗血症性ペスト、肺ペスト（ペスト）、肺炎球菌疾患（肺炎）、灰白髄炎（ポリオ）、ポワッサン、オウム病（オウム熱）、毛じらみ症（ケジラミ；鼠径部シラミ侵襲）、膿疱疹疾患（疱瘡、サル痘、牛痘）、Ｑ熱、狂犬病、リシン中毒、リケッチア症（ロッキー山紅斑熱）、先天性（風疹（German Measles））を含む風疹、サルモネラ症胃腸炎（サルモネラ）、疥癬侵襲（Scabies Infestation）（疥癬）、スコンブロイド、敗血症性ショック（敗血症）、重症急性呼吸器症候群（SARS）、細菌性赤痢胃腸炎（シゲラ）、天然痘、ブドウ球菌性（Staphyloccal）感染症、メチシリン耐性（MRSA）、ブドウ球菌食中毒、エンテロトキシン-B中毒（ブドウ球菌性食中毒）、ブドウ球菌性感染症、バンコマイシン中間体（VISA）、ブドウ球菌性感染症、バンコマイシン耐性（VRSA）、連鎖球菌性疾患、A群（浸潤性）（Strep A（浸潤性））、連鎖球菌性疾患、B群（Strep-B）、連鎖球菌性毒素ショック症候群、STSS、毒素ショック（STSS、TSS）、梅毒、破傷風感染症、破傷風菌（tetani）（開口障害）、トリコモナス症（トリコモナス感染症）、旋毛虫感染症（旋毛虫症）、結核（TB）、結核（潜在性）（LTBI）、野兎病（野兎熱）、腸チフス、D群、チフス、膣症、細菌性（酵母感染症）、ベイピング関連肺損傷（電子たばこ関連肺損傷）、水痘（水ぼうそう）、ビブリオ・コレラエ（コレラ）、ビブリオ病（ビブリオ）、ウイルス性出血熱（エボラ、ラッサ、マールブルグ）、ウエストナイルウイルス、黄熱、エルシニア症（Yersenia）（エルシニア）、ジカウイルス感染症、または任意の他の感染性疾患。本明細書において提供される態様はまた、肺炎球菌、ブドウ球菌、バチルス、連鎖球菌、髄膜炎菌、淋菌、大腸菌属、クレブシエラ、プロテウス、シュードモナス、サルモネラ、赤痢菌、ヘモフィルス、エルシニア、リステリア、コリネバクテリウム、ビブリオ、クロストリジウム、トラコーマクラミジア（Chlamydia trachomatis）、マイコバクテリウム、ヘリコバクターおよびトレポネーマを非限定的に含む細菌；原虫病原体等のような感染病原体に関連する核酸の検出のために使用され得る。本明細書において提供される態様はまた、癌および他の疾病の診断のために使用され得る。癌の場合において、先に記載されたように、これは、癌を検出するのに有用な遺伝子変化を含有する循環腫瘍DNA（ctDNA）の検出のいずれかによって達成されてもよい。癌および他の疾患はまた、疾患に関連する宿主応答配列または遺伝子発現のパターンを同定することによって検出されてもよい。
本明細書において提供される態様はまた、血液中を自由に循環するセルフリーDNA（cfDNA）の検出のために使用されてもよい。cfDNAは、例えば遺伝的欠損の検出のための、セルフリー胎児DNAであってもよい。cfDNAは、癌を検出するのに有用な遺伝子変化を含有する、循環腫瘍DNA（ctDNA）であってもよい。ctDNAは、診断、予後、モニタリング療法、および対象中の腫瘍量を推定することのために使用されてもよい（Fiala and Diamandis, BMC Medicine volume 17, Article number: 159 (2019)）。cfDNAは、血液の試料から分析されてもよい。いくつかの態様において、プロセスはまた、セルフリーDNAから配列決定ライブラリを作成する前に血漿分画から血清タンパク質を除去することを含む。いくつかの態様において、血漿分画から血清タンパク質を除去することは、血清タンパク質を吸着する支持マトリクス上から血漿分画を通過させることを含む（US10017807）。他の態様において、cfDNAは、例えば、SNPを識別するために、高度に断片化された、低分子量cfDNAの短配列をスクリーニングし（例えば、50bp未満、75bp未満、100bp未満、125bp未満、150bp未満、175bp未満、または200bp未満）、共通プライマーとともに特異プライマー（differential primer）の使用によって配列差異を検出することによって、配列決定ライブラリを作成することなく直接分析されてもよい（例えば、Woods-Bouwens, et. al., Single-Color Digital PCR Provides High-Performance Detection of Cancer Mutations from Circulating DNA., Journal of Mol. Diagnostics., Vol. 19, No. 5., Sept. 2017を参照のこと。これは参照により本明細書に組み入れられる）。
本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法の態様は、実務者には知られるであろう方法によって血液型を判定し得る。いくつかの態様において、ABO血液型検査は、A、B、O01/O02、O03、およびcis‐AB01アレルを同定する3つの一塩基多型（SNP）部位（ヌクレオチド261、526、および803）、または稀なAまたはBサブグループの検出のための他のSNP部位の検出のための多重アレル特異的プライマーセットを使用することによって実施されてもよい（Lee et al., Rapid Direct PCR for ABO Blood Typing, Journal of Forensic Sciences, 56(s1): S179-S182, 2011; Chen et al., Rapid rare ABO blood typing using a single PCR based on a multiplex SNaPshot reaction, 118(1): 395-400, 2019）。そのような判定はしばしば、決定的に時間に敏感であり、そして正確性が際立っている。そのような判定を低コストで提供することはまた、そのような判定が広い範囲でなされることを可能にするのに重要な検討事項である。
さらに、本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法の態様は、任意の患者、医師、または組織［個人が、知りつつ、または知らないうちに特定の病原体に感染しているか、特定の病原体に感染するリスクが高まっているか（例えば、後天的、生得的、または他のタイプの免疫不全症のせいで）、あるいは特定の疾患を有する病気になるリスクがあるか（例えば、相乗的同時感染、遺伝的もしくはエピジェネティックな素因、または他の要因に起因して）どうかを判定するために将来を見越して監視することを望む、健康保険会社、企業、および政府組織（特に、軍、治安部隊、法執行機関、保安官、航空管制官、および他の必須要員を非限定的に含む、高レベルの職員利用可能性を必要とする組織）を非限定的に含む］によって、予防ベースで使用され得る。
加えて、本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法の態様は、遺伝子療法の有効性を迅速に判定するために使用され得る（例えば、個人の組織、器官、器官系を、または種々の時点での遺伝子形質転換の存在、非存在もしくは程度について個人を、検査することによって、あるいは免疫応答に関係するマーカーを測定することによって間接的に）。そのような迅速な判定は、処置プロトコルにおいて迅速な調整を可能にするために重要である。
また、本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法の態様は、種々の血液ベースのバイオマーカーの増加された遺伝子発現を検出することによって、ある人が脳振盪を起こしたことがあるかを迅速に判定するために、使用され得る。いくつかの態様において、血液ベースのバイオマーカーは、アストログリア損傷に関するS100β、軽度の外傷性脳損傷に関するグリア線維酸性タンパク質（GFAP）、ニューロン損傷に関するニューロン特異的エノラーゼ（NSE）、軽度の外傷性脳損傷に関するユビキチンC末端ヒドロラーゼ（UCH-L1）、軸索損傷に関するα-IIスペクトリン分解産物、軸索損傷に関するタウタンパク質、および軸索損傷に関する神経フィラメントを非限定的に含む（Papa, Potential Blood-Based Biomarkers for Concussion, Sports Med Arthrosc, 24(3): 108-115, 2016）。
本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法の態様はさらに、実務者には明らかであろうとおり、ヒトおよび動物の健康に関連する、かなりの数の追加的使用を提供する。
他のデータの統合
本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法の態様は、感染の増加されたリスクについて将来を見越して監視するため、ならびに所望の場合に、1つまたは複数の感染症の存在に関して検査するために本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法の態様を使用するよう、潜在的なユーザに将来を見越して助言するために、ソフトウェアアプリケーションと組み合わせて利用され得る。
先に記載されたそのような監視は、本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法の態様によって直接的にか、またはこれらとウェアラブル技術（例えば、Fitbit（登録商標）、Oura Ring（著作権）等）およびオーディオ監視技術（例えば、スマートフォン、Amazon Alexa（登録商標）等）のような他のデバイスとの間の通信によるかのいずれかで、収集されてもよい多様な要素を検討することによって実施されてもよい。そのような要素は、以下を非限定的に含んでもよい：現在の免疫系機能（例えば、直接的に測定されるか、または生理的兆候を介して補完されるか、またはそれらの組み合わせのいずれか）、時季、旅行歴、既知もしくは疑われる曝露、特に地域パターンを含む現在および歴史的疫学パターン、または代替的に、友人およびファミリーの間でのパターン、ある人が誰と最近直接もしくは間接的に接触したか。そのような情報はまた、直接入力を通して、またはソーシャルメディア、電子メールの内容、旅行歴、および電子カレンダーの内容を分析するためのアルゴリズムを設計することのような間接的方法によって、得られてもよい。
検討されてもよい追加的情報は、任意の医学関連バイオメトリックデータ、例えば心拍数、心拍数変動性、血流中の酸素レベルの飽和度、温度、血圧、呼吸速度、電気皮膚反応、パルスオキシメトリ、音声変化（特に、既知のベースラインとの差）、あるいは咳嗽、くしゃみ、喘鳴、ラ音、肺性断続性ラ音、喘鳴のような上気道音を含んでもよい他の可聴データ、無呼吸期間、胃腸障害、症状の言語議論、および測定される（例えばアクティグラフィーによる）か報告されるかにかかわらず全活動または歩行における変化のような全体的な活動レベル（特にベースラインとの差）を非限定的に含む。
上記のものを非限定的に含む要素を分析する際に、感染症または疾患のリスク（例えば、陰性適中度または陽性的中度によって測定される）が、ある特定の閾値、例えば50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、もしくは90％、またはより好ましくは、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％、99.5％、もしくはそれ以上を超えたとみなされる場合において、本明細書において記載されるデバイスまたは装置の特定の態様は、実務者に周知である方法を使用して設計されるであろう特有のアルゴリズムの実行によって自動的に注文されてもよい。そのような注文は、メールによって遂行されてもよいか、あるいはそれらは、より早い配送が望ましい場合には幾つもの急送小売サービス（例えば、Prime Now（商標））によって注文されてもよいというような、宅配業者またはドローンによる配送を非限定的に含む迅速な配送モデルによって発送されてもよい。
さらに、本明細書において記載されるデバイスまたは装置の態様が、先に記載されたデータの検討に先立って使用された場合において、そのようなデータは、結果の正確性をさらに増すために遡及的に使用されることもできる。例えば、もし試料がコレラまたはエボラのような希少疾患に対して陽性であったと検査が結論づけたが、試料がそのような希少疾患に対して明白な曝露経路を有しないソースから与えられ、他の点ではストレスまたは疾病のいかなる兆候もなかった（例えば、バイオメトリックデータが急性の病状を示さなかった）ならば、これは、検査結果が間違っていた可能性が増すだろう。代替的に、もし検査結果がいくらか不確かであり（例えば、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％、99.5％、またはそれ以上）、かつバイオメトリックデータが感染を示したならば、これは、感染症が実際に存在した可能性が増すであろうし、そのような情報は、検査結果を判定するアルゴリズムに組み込まれることもできる。他の態様において、そのようなデータは、予備検査の確率ならびに検査の陽性および陰性の断定値を調節するために使用されてもよい。
ゲノミクス
先に述べられたことに加えて、本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法の態様は、ゲノミクスの分野で使用され得る。例えば、使用は、実務者によってよく理解されるであろう方法を通して、人の祖先または動物の品種（生存する動物および死んだ動物からの肉の両方について）を判定することを含んでもよい。いくつかの態様において、使用は、腐った肉を区別することだけでなく、シカの肉とウシ、ヤギ、スイギュウ、イヌ、およびヒツジの肉との区別を含んでもよい（Rajapaksha et al., J Vet Med B Infect Dis Vet Public Health, 49(7): 322-4, 2002。これは参照により本明細書に組み入れられる）。いくつかの態様において、使用は、イヌの品種の区別（Ezer et al., 87(6):450-5, 1996。これは参照により本明細書に組み入れられる）およびウシの品種の区別（Yoon et al., Asian-Australas J Anim Sci, 18(10), 2005。これは参照により本明細書に組み入れられる）を含む。使用は、母系の祖先を追跡するために、ミトコンドリアSNA中のSNPのパターンを検出することを含んでもよい。同様に、使用は、迅速な父系もしくは母系検査、または他の家族関係、例えばきょうだい、祖母、祖父、いとこ、おば、おじ、甥、姪、もしくは他の血縁関係を確立することを含んでもよい。そのような検査は、家族関係が疑わしい時間制約のある状況、例えば入国または他の法執行事情を含む状況において、特に興味深い場合がある。ヒトゲノム中のある特定の位置（座位と呼ばれる）に予測可能な遺伝パターンがあり、それは、身元および生物学的関係を判定するのに有用であると見いだされた。これらの座位は、短いタンデム反復（STR）を含有し、そして各々の人において見いだされたマーカーサイズの組み合わせは、彼／彼女の独特の遺伝子プロファイルを作り上げる。分析は、Y-染色体分析またはミトコンドリア分析を含んでもよい。本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法の態様を用いてそのような検査を実施するための方法は、実務者によってよく理解されるであろう。
さらに、本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法の態様の使用は、特定の生物学的または医学的に関連性のある、非感染性核酸配列の存在、非存在、または量を同定することを含む。これらは、特定の関心対象の遺伝子および遺伝子変異を非限定的に含んでもよい。一例として、検査は、人または動物または他の生物が遺伝的保因者（または遺伝性保因者）であるかどうかを判定するために使用されてもよく、それは、それらが遺伝的特色または変異についての劣性アレルを受け継いだ一方で、疾患の特色または症状をほとんど呈しないか、または少しも呈しないことを意味する（または、いくつかの態様においてエピジェネティック変化または部分的もしくは不完全な優性またはインプリンティングの場合）。そのような保因者は、常染色体優性－劣性保因者もしくは性染色体遺伝保因者（gonosomal inheritance carrier）であってもよく、またはインプリンティングもしくはエピジェネティック調節を含む遺伝的優位の中間、不完全、部分、または他の形態、および様々な程度の表現型浸透度を表してもよい。遺伝的障害についての受け継がれた劣性アレルの例は、ダウン症候群、鎌状赤血球貧血、嚢胞性線維症、血友病、マルファン症候群、デュシェンヌ型筋ジストロフィー、脊髄性筋ジストロフィー、テイ・サックス病、脆弱X症候群、GJB2関連聴力損失、中鎖アシルCoAデヒドロゲナーゼ欠損症、カナバン病、家族性自律神経失調症、ブルーム症候群、ファンコニ貧血群C、ゴーシェ病、ムコリピドーシスIV型、ニーマン・ピック病A型、糖原病1a、およびメープルシロップ尿症（MSUD）（乳酸アシドーシスを有する古典型重度MSUD、中間型MSUD、間欠型MSUD、チアミン応答性MSUDおよびE3-欠乏MSUDを含む）ならびに多くの希少疾患、例えばOrphanetによって目録に載せられているもの（https://www.orpha.net/consor/cgi-bin/Disease.phpにアップデートされ、利用可能である。これは参照により本明細書に組み込まれる）についてのものを非限定的に含む。
本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法が検出するために使用され得る、生物学的または医学的に関連する核酸配列の他の例は、例えば薬物療法応答に関連する遺伝子を同定するために、個別化医療を支持し得る（イブプロフェン代謝、オメプラゾール代謝、偽コリンエステラーゼ欠損症および悪性高熱症を非限定的に含む）。
本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法が同定するために使用され得る、生物学的または医学的に関連する核酸配列の追加例は、通常発生する遺伝的配列および希少変異に関係する遺伝子を含む、種々の健康特色に関するものを含む。具体的な特色の例は、アルコール紅潮反応、アトピー性皮膚炎、ラクターゼ残留（lactase persistence）、顔貌失認、睡眠関連遺伝子（特に、睡眠時間が一晩当たり約8時間より著しく短い、例えば4～6時間であり、それでも休まったと個人に感じさせることができる、ADRB1遺伝子およびDEC2遺伝子などの遺伝子）、RPE65遺伝子、ならびに実務者には知られるであろう他の特色を非限定的に含んでもよい。追加例は、「ACMG Recommendations for Reporting of Incidental Findings in Clinical Exome and Genome Sequencing」のAmerican College of Medical Genetics and Genomics publication（これは参照により本明細書に組み入れられる）の末尾の表に列挙されている「バリアントの報告（Variants to Report）」のような疾患に関係する遺伝子を含み、その非限定例は以下を含む：BRCA1、BRCA2、TP53、STK11、MLH1、MSH2、MSH6、PMS2、APC、MUTYH、VHL、MEN1、RET、NTRK1、PTEN、RB1、SDHD、SDHAF2、SDHC、SDHB、TSC1、TSC2、WT1、NF2、COL3A1、FBN1、TGFBR2、SMAD3、ACTA2、MYLK、MYH11、MYBPC3、MYH7、TNNT2、TNNI3、TPM1、MYL3、ACTC1、PRKAG2、GLA、MYL2、LMNA、RYR2、PKP2、DSP、DSC2、TMEM43、DSG2、KCNQ1、KCNH2、SCN5A、LDLR、APOB、PCSK9、RYR1、CACNA1S等。
科学捜査
本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法はまた、科学捜査の分野において使用されてもよく、それは、犯罪の検出または調査に関係する。科学捜査分析に関連する具体的な非限定例は、実務者には知られるであろう遺伝的プロファイリングまたは遺伝的フィンガープリンティングの方法を通して死亡した人または動物の遺体を特定するための使用、死後に起こる遺伝子発現における変化を調べることによる死亡時刻の決定、ならびに特定の容疑者または犯罪被害者（例えば、殺人の被害者または誘拐された被害者等）が特定の場所にいたかどうかを判定することを含む。そのような判定は、問題の個人の既知の試料が予め回収され、実務者には知られるであろう方法を使用してプロファイリングされている場合（その場合、遺伝的マッチングプロセスが行われ得る）に容易にされるであろう。
環境性
本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法はまた、環境試料中に存在する核酸配列を検出するために使用されてもよい。試料が回収されてもよい環境ソースは、海水もしくは淡水（非限定例は、湖、川、池、小川、および雨水を含む）、陸成土壌、水中土壌（aquatic soil）もしくは堆積物、雪、永久凍土層、または空気を含んでもよい。
環境関連使用の例は、対象となる特定の生物に関連してもよい対象となる核酸配列の存在、非存在、または量を検出すること（例えば、環境DNAまたは「eDNA」から）を含む。例示的ソースは、糞便、粘液、配偶子、脱落した皮膚、愛撫（caresses）、および毛髪、ならびに本明細書において記載される他のソースを非限定的に含んでもよく、そしてそれらは、実務者には知られるであろう方法を通じて分析され得る。そのような分析は、生存または死んだ生物の回収なしに、バイオモニタリングを支持し、よく発見される種に加えて、侵入種、捕えにくい種、または絶滅危惧種を検出するために使用されてもよい。そのような情報は、集団サイズ、種分布、および一般集団動態（general population dynamics）を研究するときに、特に有用であり得る。
本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法はまた、関連DNAについて環境ソースを検査することによって（実務者には知られるであろう方法を使用して）、寄生虫、細菌、およびウイルスのような感染病原体（その多くは特に本明細書において先に参照として引用された）の存在または非存在を判定するために使用される。このようにして、可能性のある感染病原体は、伝染が起こるよりも前に同定されて避けられ得る。非限定例として、水系感染の疾患は、特に発展途上国において、重大な健康問題である。水系感染の疾患の例は、以下を非限定的に含み得る：腸チフス、コレラ、ジアルジア属、赤痢、大腸菌（E. coli）、サルモネラ、および肝炎A。本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法を使用することによって、水は、感染病原体がいないこと、感染病原体が存在すること、またはいくつかの態様においては、試料が最小感染量（MID）を上回る、もしくは下回ることを確かにするために、使用前に検査され得る。
上に記載されたこと同様に、本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法は、生息地とその周辺で感染病原体に関連する核酸配列の存在または非存在について検査するために（特に、潜在毒性を測定するために、住宅用井戸水およびプールを検査すること、ならびにカビ、胞子、および真菌試料を検査することを非限定的に含む）、実務者には知られるであろうやり方で、使用され得る。
さらなる環境分析が実施され得、本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法は、蚊によって運ばれる宿主媒介疾患（非限定例は、チクングニア、デング熱、リンパ管フィラリア症、リフトバレー熱、黄熱、ジカ、マラリア、日本脳炎、およびウエストナイル熱を含む）、チョウバエ（非限定例 リーシュマニア症およびサシチョウバエ熱）、マダニ（非限定例は、クリミア・コンゴ出血熱、ライム病、回帰熱［ボレリア症］、リケッチア疾患［紅斑熱およびＱ熱］、ダニ媒介脳炎および野兎病を含む）、トリアトーマバグ（Triatomine bugs）（非限定例は、シャーガス病［アメリカトリパノソーマ症］を含む）、ツェツェバエ（非限定例は、睡眠病［アフリカトリパノソーマ症］を含む）、ノミ（非限定例は、ペストおよびリケッチア症を含む）、ブユ（非限定例は、オンコセルカ症［河川盲目症］を含む）、水生カタツムリ（非限定例は、住血吸虫症［ビルハルチア症］を含む）、およびシラミ（非限定例は、チフスおよびシラミ媒介性回帰熱を含む）に関連する核酸配列の存在または非存在について検査するために、地方自治体または他の政府機関によって、実務者には知られるであろうやり方で使用され得る。地方自治体または他の政府機関によって本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法を用いて行われ得る、追加の環境分析は、インフラストラクチャーからの漏れの位置確認である。そのような検出は、そのようなインフラストラクチャーからの漏れと関連する生物の核酸配列を、そのような生物の密度を繰り返し定量化して漏れの場所を突き止めるプロセスを使用して、検出することによって達成され得る（例えば、関連する生物の密度が高ければ高いほど、漏れが近い）。
上に述べられた例の他に、本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法は、食料源が、または植物もしくは動物が遺伝子操作されているかどうかを判定するために、実務者によって理解されるであろうやり方で、使用され得る。
さらに、本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法は、食品媒介性病原体が、食品それ自体か、あるいはその食品が調理された領域、例えば住宅用もしくは業務用キッチンまたは他の食品調理場所のいずれかにおいて存在するかどうかを判定するために、実務者に知られるであろうやり方で使用され得る。
追加的態様
他の一般に利用される核酸検査方法論とは異なり、本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法は、第三者の関与を必要とせずに、非公式に検査を実施して結果を受け取る機会を個人に提供する。さらに、いくつかの態様において、この検査は、外部記憶場所、サーバー、データ保存場所、または同様のデバイスといかなるデータ通信もせずに実施され、結果が受け取られ得る。これは、他の一般的なオプションと比べて、健康記録に関して優れたレベルのプライバシーおよびセキュリティーを提供する。部分的に、これは、本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法が、いくつかの態様において携帯用ベースで働き、それによって試験がデータ接続または他の機器を必要とせずにスタンドアローンベースで実施されることが可能であり得るからである。それはまた、本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法は実施するのに特別の技能または専門的な訓練を必要としないことに起因し、したがって一般人が第三者の援助なしにそれらを操作できてもよい。
本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法は、含まれるソフトウェアおよびハードウェアが内部でそれら自体を検証し得るようなやり方で動作することがまた、可能である。例えば、いくつかの態様において、ソフトウェアは、分散に対する基準値、またはデータが比較されてもよい動作パラメータを含んでもよい。他の態様において、データの大きさまたは特徴（例えば、データの確率的または不連続変化）は、妥当と思われる有効データと一致しないデータを同定するために使用されてもよい。
追加的に、所望の場合、本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法は、適切に訓練された医療専門家当人がすぐに手が空かない場合に、医師（MD）、医師助手（PA）、上級実践正看護師（APRN）、正看護師、または他の医学的に適切に訓練された医療専門家を実質上含めることを可能にし得る、実務者には知られるであろうデジタル通信テクノロジーとともに使用されてもよい。種々の態様において、そのようなデジタル通信テクノロジーは、有線の通信テクノロジー（例えば、ユニバーサル・シリアル・バス、イーサネット）および／または無線通信テクノロジーを含む。種々の態様において、そのような無線通信テクノロジーは、無線電話ネットワーク（例えば、GSM、CDMA、LTE等）、Wi-Fiネットワーク（IEEE 802.11規格）、WiMAXネットワーク、ブルートゥース・ネットワーク等のような、任意の適切な無線通信プロトコルネットワークを含む。追加的または代替的に、そのような無線通信テクノロジーは、近距離通信規格を使用して通信するように動作する回路構成を含む（例えば、NFC Forumによって提供される規格ISO/IEC 18092等）。そのような包含は、検査結果の即時レビューおよび適切な場合には処方箋の提供を可能にし得る。実務者には知られるであろう特定のアルゴリズムが、投薬量ガイドラインを提供し得、それらは、本明細書において記載されるバイオメトリックデータ、ならびに患者のアレルギー、他の薬物適用および全体的な医学的状態、ならびに患者がその時位置しているか、またはすぐに位置するであろう特定の地理的領域に関する検討の両方を使用して、患者の医学的状態を考慮し得る。
本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法の種々の態様において、特定の人を一意的に同定するか、または同定するために使用され得る、個人情報が、保存されてもよい。そのような個人情報は、名前、住所、人口統計データ、所在ベースのデータ、実際の住所（physical address）、電子アドレス、ユーザの健康または健康状態レベル（例えば、バイタルサインの測定値、薬物適用情報、運動情報）に関連するデータまたは記録、出生日等を非限定的に含む。そのような個人情報データの収集、分析、開示、転送、保管、または他の使用は、種々の態様において、十分に確立されたプライバシーポリシーおよび／またはプライバシー慣行に従うであろう（例えば、暗号化された保管、ハッシュ化等）。種々の例において、ポリシーおよび慣行は、収集および／またはアクセスされる個人情報データの特定のタイプに適合されるべきであり、かつ、より高度の規範を課すのに役立ってもよい管轄区域特定考慮事項を含む、適用法および規範に適合されるべきである。例えば、米国において、ある特定の健康データの回収またはそれへのアクセスは、連邦法および／または州法、例えば医療保険の相互運用性と説明責任に関する法律（HIPAA）によって規制されてもよい；他方で、他の国における健康データは、他の規制およびポリシーの支配下にあってもよく、それに従って取り扱われるべきである。
さらに、本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法の態様は、ある特定のコンパニオンバイオマーカーと一致する核酸配列について検査することによって、コンパニオン診断検査として機能し得、それは治療薬に対するコンパニオンとして使用されて特定の人に対するその適応性を判定し得る。非限定例は、癌変異（例えばBCR-ABL転座）、ある特定の薬物適用または療法（例えば悪性高熱症）に対する過敏症または不適合性、病状と可能性のあるモダリティーとの交点（例えば、療法を見越したフィラリアについての検査）、PIK3CA遺伝子における変異に対するバイオマーカー、ならびに「FDA List of Cleared or Approved Companion Diagnostic Devices（In Vitro and Imaging Tools）」（これは参照により本明細書に組み入れられる）に列挙される疾患、例えば急性骨髄性白血病、侵襲性全身性肥満細胞症、B細胞性慢性リンパ性白血病、乳癌、子宮頸癌、慢性骨髄性白血病、結腸直腸癌、食道扁平上皮癌、胃および胃食道癌、食道胃接合部腺癌、胃腸間質性腫瘍、頭頸部扁平上皮癌、黒色腫、骨髄異形成症候群／骨髄増殖性疾患、非小細胞肺癌、非輸血依存地中海貧血症、卵巣癌、トリプルネガティブ乳癌（TNBC）、または尿路上皮癌等について列挙されているバイオマーカーである。
最後に、本明細書において記載されるデバイス、装置、および方法の態様と共に、実務者には知られるであろうアルゴリズムが、疫学的予測および疾患の封じ込めのための率先した準備において有益であろうパターンを開発するために使用され得る。
本明細書において開示され、特許請求される方法のすべては、本開示に照らして過度の実験をせずとも行われ、実行され得る。本発明の組成物および方法は、好ましい態様の点から説明されたが、本発明の概念、精神および範囲から逸脱することなく、本明細書において記載される方法に、および方法の工程において、または方法の一連の工程において、変化が適応されてもよいことは、当業者には明らかであろう。さらに具体的には、化学的および生理学的の両方で関連するある特定の薬剤が、本明細書において記載される薬剤の代わりに使用されてよく、同時に、同じまたは同様の結果が達成されるであろうことは明らかであろう。本明細書において開示される全ての例は、非限定例である。当業者には明らかなすべてのそのような同様の置換および変更は、添付の特許請求の範囲によって定義されるとおりの本発明の精神、範囲および概念の範囲内であるとみなされる。
V. 参考文献
以下の参考文献は、これらが本明細書において記載されたものを補足する例示的な手順または他の詳細を提供する程度まで、参照により明確に本明細書に組み入れられる。
Figure 2022515782000018
Figure 2022515782000019
Figure 2022515782000020
Figure 2022515782000021
Figure 2022515782000022
Figure 2022515782000023

Claims (167)

  1. 分子診断を実施するための装置であって、
    第一端および第二端を含むハウジング；
    該ハウジング内に配置されたピストン；
    該ハウジングの該第一端の近位にある第一の熱源；ならびに
    該ハウジングの該第一端に近い第一の位置から、該ハウジングの該第二端に近い第二の位置へ、そして該ハウジングの該第一端に近い該第一の位置に戻るサイクルで該ピストンを動かすように構成されている、アクチュエータ
    を含む、装置。
  2. 前記サイクル中に、流体が前記ピストンとは反対方向に動く、請求項1記載の装置。
  3. 前記ハウジングの前記第二端の近位にある第二の熱源をさらに含む、請求項1記載の装置。
  4. 前記第一の熱源が、第一の加熱コイルに電流が印加されると前記ハウジングの前記第一端の温度を高めるように構成されている第一の加熱コイルを含み；
    前記第二の熱源が、第二の加熱コイルに電流が印加されると前記ハウジングの前記第二端の温度を高めるように構成されている第二の加熱コイルを含む、
    請求項3記載の装置。
  5. 前記ハウジングに挿入されるように構成されている反応チャンバインサートをさらに含む、請求項1記載の装置。
  6. 前記反応チャンバインサートが、使用中に反応流体を含有する、請求項5記載の装置。
  7. 前記反応流体が、使用中に前記ピストンおよび前記ハウジングと接触しない、請求項6記載の装置。
  8. 前記ハウジングが、熱サイクル処理によって核酸を増幅するように構成されている流体を含む、請求項1記載の装置。
  9. 前記核酸がDNAである、請求項8記載の装置。
  10. 前記核酸がRNAである、請求項8記載の装置。
  11. 前記ピストンが、該ピストンが前記第一の位置にあるときに、前記流体を前記ハウジングの前記第二端へと方向付けるように構成されており；かつ
    該ピストンが、該ピストンが前記第二の位置にあるときに、該流体を該ハウジングの前記第一端へと方向付けるように構成されている、
    請求項8記載の装置。
  12. 前記流体が、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）試薬または逆転写酵素ポリメラーゼ連鎖反応（RT-PCR）試薬を含む、請求項8記載の装置。
  13. 前記流体に含まれる分析物に光を照射するように構成されている光照射モジュールをさらに含む、請求項8記載の装置。
  14. 前記流体に含まれる前記分析物からの応答を検出するように構成されている検出モジュールをさらに含む、請求項13記載の装置。
  15. 前記検出モジュールが、増幅中に前記分析物からの応答をリアルタイムで検出する、請求項14記載の装置。
  16. 前記検出モジュールが、増幅サイクル中に前記分析物からの応答を検出する、請求項15記載の装置。
  17. 前記増幅サイクルが可変長を有する、請求項16記載の装置。
  18. 前記アクチュエータおよび前記第一の熱源を制御するように構成されている制御装置をさらに含む、請求項1記載の装置。
  19. 前記制御装置が、
    前記ハウジングの前記第一端の近位にある前記流体を約92～98℃の温度に加熱するように前記第一の熱源を制御し；
    該ハウジングの前記第二端の近位にある該流体を約60～65℃の温度に加熱するように第二の熱源を制御し；
    前記第一の位置から前記第二の位置へ、そして該第一の位置に戻るサイクルを、約30～50サイクルにわたって前記ピストンに繰り返させる
    ように構成されている、請求項18記載の装置。
  20. 前記アクチュエータが、
    少なくとも1つのコイル；および
    前記ハウジング内に配置された磁気要素
    を含み、
    該少なくとも1つのコイルが、該少なくとも1つのコイルに電流が印加されると該磁気要素に力を及ぼすように構成されている、
    請求項1記載の装置。
  21. 前記アクチュエータが、
    前記ハウジングの前記第一端の近位にある第一のコイル；
    該ハウジングの前記第二端の近位にある第二のコイル；
    該ハウジング内に配置された第一の磁気要素；および
    該ハウジング内に配置された第二の磁気要素
    を含み、
    該第一のコイルが、該第一のコイルに電流が印加されると該第一の磁気要素に第一の力を及ぼすように構成されており；かつ
    該第二のコイルが、該第二のコイルに電流が印加されると該第二の磁気要素に第二の力を及ぼすように構成されている
    請求項1記載の装置。
  22. 前記第一のコイルが、該第一のコイルに電流が印加されると前記ハウジングの前記第一端の温度を高めるように構成されており；かつ
    前記第二のコイルが、該第二のコイルに電流が印加されると該ハウジングの前記第二端の温度を高めるように構成されている
    請求項21記載の装置。
  23. 前記ハウジングと流体連通しているインプットポートをさらに含む、請求項1記載の装置。
  24. 前記インプットポートが、試料を前進させるように構成されている収集ピストンを含む、請求項23記載の装置。
  25. 前記ハウジングが、凍結乾燥されたペレットを含む、請求項1記載の装置。
  26. 前記ピストンが外径を有し；
    前記ハウジングが内径を有し；
    該ハウジングの該内径に対する該ピストンの該外径の比が0.90～0.999である、
    請求項1記載の装置。
  27. 前記ピストンがチャネルを含む、請求項1記載の装置。
  28. 前記チャネルが、0.3mm～2mmであることができる直径を有する中央キャピラリーチャネルである、請求項1記載の装置。
  29. 前記チャネルが、1mmの直径を有する中央キャピラリーチャネルである、請求項1記載の装置。
  30. 以下の工程を含む、核酸を複製するための流体を熱サイクル処理する方法：
    ハウジング内に配置されたピストンを該ハウジングの第一端から該ハウジングの第二端へ動かす工程であって、流体が該ハウジング内に配置され、該流体が、核酸を複製するための成分を含む、工程；
    該ハウジング内の該流体を該ハウジングの該第二端から該ハウジングの該第一端へ移動させる工程；
    該流体の温度を、第一の期間、第一の温度範囲に制御する工程；
    該ピストンを該ハウジングの該第二端から該ハウジングの該第一端へ動かす工程；
    該ハウジング内の該流体を該ハウジングの該第二端から該ハウジングの第一端へ移動させる工程；および
    該流体の温度を、第二の期間、第二の温度範囲に制御する工程。
  31. 前記ピストンがチャネルを含み；
    前記ハウジング内の前記流体を前記ハウジングの前記第二端から前記ハウジングの前記第一端へ移動させる工程が、該流体を該チャネルに通して方向付けることを含む、
    請求項30記載の方法。
  32. 前記ピストン中の前記チャネルが中央チャネルである、請求項31記載の方法。
  33. 前記ハウジング内に配置されたピストンを該ハウジングの前記第一端から該ハウジングの前記第二端へ動かす工程が、コイルに電流を印加して、該ハウジング内に配置された磁気要素に力を及ぼすことを含む、請求項30記載の方法。
  34. 前記コイルが、前記ハウジングの前記第一端の近位にある第一のコイルであり；
    前記磁気要素が、前記ピストンと該ハウジングの該第一端との間に配置された第一の磁気要素であり；
    該ハウジング内に配置された該ピストンを該ハウジングの前記第二端から該ハウジングの該第一端へ動かす工程が、該ハウジングの該第二端に近い第二のコイルに電流を印加して、該ピストンと該ハウジングの該第二端との間に配置された第二の磁気要素に力を及ぼすことを含む、
    請求項32記載の方法。
  35. 前記流体の温度を、前記第一の期間、前記第一の温度範囲に制御する工程が、前記ハウジングの前記第一端の近位にある第一の加熱コイルに電流を印加することを含み；
    該流体の温度を、前記第二の期間、前記第二の温度範囲に制御する工程が、該ハウジングの前記第二端の近位にある第二の加熱コイルに電流を印加することを含む、
    請求項30記載の方法。
  36. 前記第一の温度範囲が約92～98℃であり、前記第二の温度範囲が約60～65℃であり；
    前記第一の期間が4～6秒間であり；
    前記第二の期間が8～12秒間である、
    請求項30記載の方法。
  37. 前記ピストンが、前記第一の位置から前記第二の位置へ、そして該第一の位置に戻るサイクルを、約30～35サイクルにわたって繰り返す、請求項30記載の方法。
  38. 生体試料を分析する方法であって、
    該生体試料を診断装置内に配置する工程；
    該生体試料を溶解する工程；
    該生体試料に試薬を導入する工程；および
    該診断装置を作動させて該生体試料を熱サイクル処理する工程
    を含み、該診断装置が、
    第一端および第二端を含むハウジング；
    該ハウジング内に配置されたピストン；
    該ハウジングの第一端の近位にある第一の熱源；
    該ハウジングの第二端の近位にある第二の熱源；および
    該ハウジングの該第一端に近い第一の位置から、該ハウジングの該第二端に近い第二の位置へ、そして該ハウジングの該第一端に近い該第一の位置に戻るように該ピストンを動かすように構成されている、アクチュエータ
    を含む、方法。
  39. 前記試薬が、前記生体試料中の核酸を複製するための試薬を含む、請求項38記載の方法。
  40. 前記診断装置を作動させて前記生体試料を熱サイクル処理する工程が、
    前記ハウジング内に配置された前記ピストンを、該ハウジングの前記第一端から該ハウジングの前記第二端へ動かすこと；
    該生体試料および前記試薬を、該ハウジングの該第二端から該ハウジングの該第一端へ移動させること；
    該ハウジング内に配置された該ピストンを、該ハウジングの該第二端から該ハウジングの該第一端へ動かすこと；
    該生体試料および該試薬を、該ハウジングの該第一端から該ハウジングの該第二端へ移動させること；
    該ハウジング内に配置された該ピストンを、該ハウジングの第一端から該ハウジングの第二端へ動かすこと；および
    該生体試料および該試薬を該ハウジングの該第二端から該ハウジングの該第一端へ移動させること
    を含み、
    該ハウジングの該第一端が第一の温度範囲内の温度に制御され；
    該ハウジングの該第二端が第二の温度範囲内の温度に制御される、
    請求項38記載の方法。
  41. 前記ピストンがチャネルを含み；
    前記ハウジング内の前記流体を該ハウジングの前記第二端から該ハウジングの前記第一端へ移動させる工程が、該流体を該チャネルに通して第一の方向へと方向付けることを含み；
    該ハウジング内の該流体を該ハウジングの該第一端から該ハウジングの該第二端へ移動させる工程が、該流体を該チャネルに通して、該第一の方向とは反対の第二の方向へと方向付けることを含む、
    請求項40記載の方法。
  42. 前記ピストン中の前記チャネルが中央チャネルである、請求項41記載の方法。
  43. 前記ハウジング内に配置された前記ピストンを前記ハウジングの前記第一端から該ハウジングの前記第二端へ動かす工程が、コイルに電流を印加して、該ハウジング内に配置された磁気要素に力を及ぼすことを含む、請求項40記載の方法。
  44. 前記コイルが、前記ハウジングの前記第一端の近位にある第一のコイルであり；
    前記磁気要素が、前記ピストンと該ハウジングの該第一端との間に配置された第一の磁気要素であり；
    該ハウジング内に配置された該ピストンを該ハウジングの前記第二端から該ハウジングの第一端へ動かす工程が、該ハウジングの該第二端の近位にある第二のコイルに電流を印加して、該ピストンと該ハウジングの該第二端との間に配置された第二の磁気要素に力を及ぼすことを含む、
    請求項43記載の方法。
  45. 前記ハウジングの前記第一端の温度を制御する工程が、該ハウジングの該第一端の近位にある第一の加熱コイルに電流を印加することを含み；
    該ハウジングの前記第二端の温度を制御する工程が、該ハウジングの該第二端の近位にある第二の加熱コイルに電流を印加することを含む、
    請求項40記載の方法。
  46. 前記第一の温度範囲が、前記生体試料および前記試薬を、約92～98℃の第一の試料温度に加熱するのに十分であり；
    前記第二の温度範囲が、該生体試料および該試薬を、約60～65℃の第二の試料温度に加熱するのに十分であり；
    該生体試料および該試薬が該第一の試料温度で4～6秒間維持され；
    該生体試料および該試薬が該第二の試料温度で8～12秒間維持される、
    請求項45記載の方法。
  47. 前記生体試料および前記試薬が、前記第一の試料温度から前記第二の試料温度へ、そして該第一の試料温度に戻るサイクルを、約30～35サイクルにわたって繰り返す、請求項46記載の方法。
  48. 生体試料を分析する方法であって、
    該生体試料を診断装置内に配置する工程；
    所定体積の該生体試料を所定体積の流体と混ぜ合わせて、所定体積の生体試料・流体混合物を生成する工程；および
    該診断装置を作動させて該生体試料・流体混合物を熱サイクル処理する工程
    を含み、
    該診断装置が、
    ピストンチャンバを含むハウジング；
    該ピストンチャンバ内に配置されたピストン；
    該ピストンチャンバの近位にある第一の熱源；および
    該ピストンを、該第一の熱源に近い第一の位置と、該第一の熱源から遠い第二の位置との間で動かすように構成されている、アクチュエータ
    を含む、方法。
  49. 前記ハウジングが、第一端および第二端を含み；
    前記ピストンの前記第一の位置が、該ハウジングの該第一端に近く；
    該ピストンの前記第二の位置が、該ハウジングの該第二端に近い、
    請求項48記載の方法。
  50. 前記診断装置内に配置される前記生体試料の体積が、該生体試料を該診断装置内に配置する前には測定されない、請求項48記載の方法。
  51. 前記流体が、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）試薬または逆転写酵素ポリメラーゼ連鎖反応（RT-PCR）試薬を含む、請求項48記載の方法。
  52. 前記流体が溶解剤を含む、請求項48記載の方法。
  53. 前記流体が希釈剤を含む、請求項48記載の方法。
  54. 前記所定体積の生体試料が、圧力差によって前記所定体積の流体に導入される、請求項48記載の方法。
  55. 前記所定体積の流体が、前記所定体積の生体試料よりも高圧である、請求項51記載の方法。
  56. 前記所定体積の流体が、前記所定体積の生体試料よりも低圧である、請求項51記載の方法。
  57. 前記所定体積の流体が、ユーザによって提供される手動力によって前記所定体積の生体試料に導入される、請求項48記載の方法。
  58. 前記所定体積の流体が、電力なしで前記所定体積の流体に導入される、請求項48記載の方法。
  59. 前記所定体積の生体試料が、電力なしで前記所定体積の流体に導入される、請求項48記載の方法。
  60. 前記所定体積の生体試料が、ねじ部品の回転によって前記所定体積の流体に導入される、請求項48記載の方法。
  61. 前記診断装置が収集チャンバを含み；
    前記生体試料を該診断装置内に配置する工程が、該収集チャンバ内に唾を吐くことを含む、
    請求項48記載の方法。
  62. 前記診断装置が収集チャンバを含み；
    前記生体試料を該診断装置内に配置する工程が、該収集チャンバ内にスワブを配置することを含む、
    請求項48記載の方法。
  63. 前記スワブが希釈液を含有する、請求項62記載の方法。
  64. 装置であって、
    ピストンチャンバを含むハウジング；
    該ピストンチャンバ内に位置するピストン；
    該ピストンチャンバの近位にある第一の熱源；
    該ピストンを、該第一の熱源に近い第一の位置と、該第一の熱源から遠い第二の位置との間で動かすように構成されている、アクチュエータ；および
    該ハウジングに結合されたロッドアセンブリ
    を含み、
    該ロッドアセンブリが、試料チャンバおよび流体チャンバを含み；
    該ロッドアセンブリが第一の位置にあるとき、該試料チャンバが該ピストンチャンバと流体連通し；
    該ロッドアセンブリが第二の位置にあるとき、該流体チャンバが該ピストンチャンバと流体連通し；かつ
    該ロッドアセンブリが第三の位置にあるとき、該試料チャンバおよび該流体チャンバが該ピストンチャンバと流体連通しない、
    装置。
  65. 前記ハウジングが、第一端および第二端を含み；
    前記ピストンの前記第一の位置が、該ハウジングの該第一端に近く；
    該ピストンの前記第二の位置が、該ハウジングの該第二端に近い、
    請求項64記載の装置。
  66. 前記ピストンチャンバが真空下にある、請求項64記載の装置。
  67. 生体試料を収集するように構成されている収集チャンバをさらに含む、請求項64記載の装置。
  68. 前記収集チャンバ内の生体試料を検出するように構成されているセンサをさらに含む、請求項67記載の装置。
  69. 前記センサが光学センサである、請求項68記載の装置。
  70. 前記センサが電気伝導度の変化を検出する、請求項68記載の装置。
  71. 前記センサが前記収集チャンバ内の生体試料を検出すると、前記装置が前記ロッドアセンブリを自動的に動かす、請求項68記載の装置。
  72. 前記ロッドアセンブリが、前記ハウジングにねじ結合されている、請求項64記載の装置。
  73. 前記ロッドアセンブリの少なくとも一部分を回すことにより、該ロッドアセンブリを前記第一の位置から前記第二の位置および前記第三の位置へ動かすことができる、請求項72記載の装置。
  74. 装置であって、
    熱サイクル処理によって核酸を増幅するように構成されている流体を含む、チャンバ；
    該流体に含まれる分析物に光を照射するように構成されている、光源；および
    光検出器
    を含み、
    光源と該チャンバとの間の最大距離が2.0cm以下である、装置。
  75. 前記光源と前記チャンバとの間の最大距離が1.0cm以下である、請求項74記載の装置。
  76. 前記光源と前記チャンバとの間の最大距離が0.5cm以下である、請求項74記載の装置。
  77. 前記分析物が、前記チャンバの表面に結合している、請求項74記載の装置。
  78. 前記装置が、前記光源から前記チャンバへの光路を含み；
    該光路が2.0cm以下である、
    請求項74記載の装置。
  79. 前記光路が1.0cm以下である、請求項78記載の装置。
  80. 前記光路が0.5cm以下である、請求項78記載の装置。
  81. 前記光検出器が、0.0025％～0.025％の光学効率を有する、請求項74記載の装置。
  82. 前記光検出器が、0.005％～0.0125％の光学効率を有する、請求項74記載の装置。
  83. 前記光源が、コリメーティングレンズなしで前記流体に光を照射するように構成されている、請求項74記載の装置。
  84. 前記光検出器が、コリメーティングレンズなしで光を検出するように構成されている、請求項74記載の装置。
  85. コリメーティングレンズを含まない、請求項74記載の装置。
  86. 前記光源が、ダイクロイックミラーなしで前記流体に光を照射するように構成されている、請求項74記載の装置。
  87. 前記光源が、ミラーなしで前記流体に光を照射するように構成されている、請求項74記載の装置。
  88. 前記光検出器が、前記流体に含まれる分析物からのシグナル光を検出するように構成されており；
    該光検出器が、該シグナル光が存在しない場合はバックグラウンド光を検出するように構成されており；かつ
    該シグナル光：該バックグラウンド光の比が少なくとも1.5：1である、
    請求項74記載の装置。
  89. 前記シグナル光：バックグラウンド光の比が、少なくとも2：1である、請求項88記載の装置。
  90. 前記シグナル光：バックグラウンド光の比が、少なくとも5：1である、請求項88記載の装置。
  91. 前記シグナル光：バックグラウンド光の比が、少なくとも100：1である、請求項88記載の装置。
  92. 前記シグナル光：バックグラウンド光の比が、少なくとも1000：1である、請求項88記載の装置。
  93. 前記光検出器が、該光検出器によって検出される光に応答して電流を生成するように構成されている、請求項88記載の装置。
  94. 前記光検出器によって発生する電流が、前記シグナル光に応答したシグナル電流を含み；
    該光検出器によって発生する電流が、前記バックグラウンド光に応答した暗電流を含み；
    前記シグナル電流：バックグラウンド電流の比が、少なくとも1.5：1である、
    請求項93記載の装置。
  95. 前記シグナル電流：バックグラウンド電流の比が、少なくとも2：1である、請求項94記載の装置。
  96. 前記シグナル電流：バックグラウンド電流の比が、少なくとも5：1である、請求項94記載の装置。
  97. 前記シグナル電流：バックグラウンド電流の比が、少なくとも100：1である、請求項94記載の装置。
  98. 前記核酸がデオキシリボ核酸（DNA）である、請求項74記載の装置。
  99. 前記DNAが細菌DNAである、請求項98記載の装置。
  100. 前記DNAが病原体DNAである、請求項98記載の装置。
  101. 前記核酸がリボ核酸（RNA）である、請求項74記載の装置。
  102. 前記流体が、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）試薬または逆転写酵素ポリメラーゼ連鎖反応（RT-PCR）試薬を含む、請求項74記載の装置。
  103. 前記チャンバ内に配置されたピストンをさらに含む、請求項74記載の装置。
  104. 前記チャンバが、第一端および第二端を含み；
    前記装置が、該チャンバの該第一端に近い第一の位置から、該チャンバの該第二端に近い第二の位置へ、そして該チャンバの該第一端に近い該第一の位置に戻るサイクルで前記ピストンを動かすように構成されている、アクチュエータを含み；
    該ピストンが、該ピストンが該第一の位置にあるときに、該流体を該チャンバの該第二端へと方向付けるように構成されており；かつ
    該ピストンが、該ピストンが該第二の位置にあるときに、該流体を該チャンバの該第一端へと方向付けるように構成されている、
    請求項103記載の装置。
  105. 前記ピストンが、該ピストンが前記第一の位置にあるときに、前記流体を前記チャンバの前記第二端へと方向付けるように構成されており；かつ
    該ピストンが、該ピストンが前記第二の位置にあるときに、該流体を該チャンバの前記第一端へと方向付けるように構成されている、
    請求項104記載の装置。
  106. 熱サイクル処理によって核酸を増幅するように構成されている流体を含む、チャンバ；
    該流体に含まれる分析物に光を照射するように構成されている、光源；および
    0.0025％～0.025％の光学効率を有する、光検出器
    を含む、装置。
  107. 前記検出器が、0.005％～0.0125％の光学効率を有する、請求項106記載の装置。
  108. 光源と前記チャンバとの間の最大距離が2.0cm以下であり；
    該光源が、コリメーティングレンズなしで前記流体に光を照射するように構成されている、
    請求項106記載の装置。
  109. 前記光源と前記チャンバとの間の最大距離が1.0cm以下である、請求項108記載の装置。
  110. 前記光源と前記チャンバとの間の最大距離が0.5cm以下である、請求項108記載の装置。
  111. 前記光源が、コリメーティングレンズもダイクロイックミラーもなしで前記流体に光を照射するように構成されている、請求項106記載の装置。
  112. 前記光検出器が、前記流体に含まれる前記分析物からのシグナル光を検出するように構成されており；
    該光検出器が、該シグナル光が存在しない場合はバックグラウンド光を検出するように構成されており；かつ
    該シグナル光：該バックグラウンド光の比が、少なくとも1.5：1である、
    請求項106記載の装置。
  113. 前記シグナル光：前記バックグラウンド光の比が、少なくとも2：1である、請求項112記載の装置。
  114. 前記シグナル光：前記バックグラウンド光の比が、少なくとも5：1である、請求項112記載の装置。
  115. 前記シグナル光：前記バックグラウンド光の比が、少なくとも100：1である、請求項112記載の装置。
  116. 前記シグナル光：前記バックグラウンド光の比が、少なくとも1000：1である、請求項112記載の装置。
  117. 前記光検出器が、該光検出器によって検出される光に応答して電流を生成するように構成されている、請求項112記載の装置。
  118. 前記光検出器によって発生する電流が、シグナル光に応答したシグナル電流を含み；
    該光検出器によって発生する電流が、バックグラウンド光に応答した暗電流を含み；
    該シグナル電流：該バックグラウンド電流の比が、少なくとも1.5：1である、
    請求項117記載の装置。
  119. 前記シグナル電流：バックグラウンド電流の比が、少なくとも2：1である、請求項118記載の装置。
  120. 前記シグナル電流：バックグラウンド電流の比が、少なくとも5：1である、請求項118記載の装置。
  121. 前記シグナル電流：バックグラウンド電流の比が、少なくとも100：1である、請求項118記載の装置。
  122. 前記核酸がデオキシリボ核酸（DNA）である、請求項106記載の装置。
  123. 前記DNAが細菌DNAである、請求項98記載の装置。
  124. 前記DNAが病原体DNAである、請求項98記載の装置。
  125. 前記核酸がリボ核酸（RNA）である、請求項106記載の装置。
  126. 前記流体が、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）試薬または逆転写酵素ポリメラーゼ連鎖反応（RT-PCR）試薬を含む、請求項106記載の装置。
  127. 前記チャンバ内に配置されたピストンをさらに含む、請求項106記載の装置。
  128. 前記チャンバが、第一端および第二端を含み；
    前記装置が、該チャンバの該第一端に近い第一の位置から、該チャンバの該第二端に近い第二の位置へ、そして該チャンバの該第一端に近い該第一の位置に戻るサイクルで前記ピストンを動かすように構成されている、アクチュエータを含み；
    該ピストンが、該ピストンが該第一の位置にあるときに、該流体を該チャンバの該第二端へと方向付けるように構成されており；かつ
    該ピストンが、該ピストンが該第二の位置にあるときに、該流体を該チャンバの該第一端へと方向付けるように構成されている、
    請求項127記載の装置。
  129. 装置であって、
    熱サイクル処理によって核酸を増幅するように構成されている流体を含む、チャンバ；
    該流体に含まれる分析物に光を照射するように構成されている、光源；および
    光検出器
    を含み、
    該光源と該チャンバとの間の最大距離が2.0cm以下であり；
    該光検出器が、該流体に含まれる該分析物からのシグナル光を検出するように構成されており；
    該光検出器が、該シグナル光が存在しない場合はバックグラウンド光を検出するように構成されており；
    該シグナル光：該バックグラウンド光の比が、少なくとも1.5：1であり；
    該光検出器が、0.0025％～0.025％の光学効率を有し；
    該光源が、コリメーティングレンズもダイクロイックミラーもなしで該流体に光を照射するように構成されており；
    該チャンバが、第一端および第二端を含み；
    該装置が、該チャンバの該第一端に近い第一の位置から、該チャンバの該第二端に近い第二の位置へ、そして該チャンバの該第一端に近い該第一の位置に戻るサイクルで該ピストンを動かすように構成されている、アクチュエータを含み；
    該ピストンが、該ピストンが該第一の位置にあるときに、該流体を該チャンバの該第二端へと方向付けるように構成されており；かつ
    該ピストンが、該ピストンが該第二の位置にあるときに、該流体を該チャンバの該第一端へと方向付けるように構成されている、
    装置。
  130. 装置であって、
    熱サイクル処理によって核酸を増幅するように構成されている流体を含む、チャンバ；
    該流体に含まれる分析物に光を照射するように構成されている、光源；および
    光検出器
    を含み、
    該光検出器が、該流体に含まれる該分析物からのシグナル光を検出するように構成されており；
    該光検出器が、該シグナル光が存在しない場合はバックグラウンド光を検出するように構成されており；
    該シグナル光：該バックグラウンド光の比が、少なくとも1.5：1であり；
    該光検出器が、0.0025％～0.025％の光学効率を有し；
    該光源が、コリメーティングレンズもダイクロイックミラーもなしで該流体に光を照射するように構成されており；
    該チャンバが、第一端および第二端を含み；
    該装置が、該チャンバの該第一端に近い第一の位置から、該チャンバの該第二端に近い第二の位置へ、そして該チャンバの該第一端に近い該第一の位置に戻るサイクルで該ピストンを動かすように構成されている、アクチュエータを含み；
    該ピストンが、該ピストンが該第一の位置にあるときに、該流体を該チャンバの該第二端へと方向付けるように構成されており；かつ
    該ピストンが、該ピストンが該第二の位置にあるときに、該流体を該チャンバの該第一端へと方向付けるように構成されている、
    装置。
  131. 装置であって、
    熱サイクル処理によって核酸を増幅するように構成されている流体を含む、チャンバ；
    該流体に含まれる分析物に光を照射するように構成されている、光源；および
    光検出器
    を含み、
    光源と該チャンバとの間の最大距離が2.0cm以下であり；
    該光検出器が、該流体に含まれる該分析物からのシグナル光を検出するように構成されており；
    該光検出器が、該シグナル光が存在しない場合はバックグラウンド光を検出するように構成されており；
    該シグナル光：該バックグラウンド光の比が、少なくとも1.5：1であり；
    該光源が、コリメーティングレンズもダイクロイックミラーもなしで該流体に光を照射するように構成されており；
    該チャンバが、第一端および第二端を含み；
    該装置が、該チャンバの該第一端に近い第一の位置から、該チャンバの該第二端に近い第二の位置へ、そして該チャンバの該第一端に近い該第一の位置に戻るサイクルで該ピストンを動かすように構成されている、アクチュエータを含み；
    該ピストンが、該ピストンが該第一の位置にあるときに、該流体を該チャンバの該第二端へと方向付けるように構成されており；かつ
    該ピストンが、該ピストンが該第二の位置にあるときに、該流体を該チャンバの該第一端へと方向付けるように構成されている、
    装置。
  132. 装置であって、
    熱サイクル処理によって核酸を増幅するように構成されている流体を含む、チャンバ；
    該流体に含まれる分析物に光を照射するように構成されている、光源；および
    光検出器
    を含み、
    光源と該チャンバとの間の最大距離が2.0cm以下であり；
    該光検出器が、該流体に含まれる該分析物からのシグナル光を検出するように構成されており；
    該光検出器が、該シグナル光が存在しない場合はバックグラウンド光を検出するように構成されており；
    該シグナル光：該バックグラウンド光の比が、少なくとも1.5：1であり；
    該光検出器が、0.0025％～0.025％の光学効率を有し；
    該チャンバが、第一端および第二端を含み；
    該装置が、該チャンバの該第一端に近い第一の位置から、該チャンバの該第二端に近い第二の位置へ、そして該チャンバの該第一端に近い該第一の位置に戻るサイクルで該ピストンを動かすように構成されている、アクチュエータを含み；
    該ピストンが、該ピストンが該第一の位置にあるときに、該流体を該チャンバの該第二端へと方向付けるように構成されており；かつ
    該ピストンが、該ピストンが該第二の位置にあるときに、該流体を該チャンバの該第一端へと方向付けるように構成されている、
    装置。
  133. 装置であって、
    熱サイクル処理によって核酸を増幅するように構成されている流体を含む、チャンバ；
    該流体に含まれる分析物に光を照射するように構成されている、光源；および
    光検出器
    を含み、
    光源と該チャンバとの間の最大距離が2.0cm以下であり；
    該光検出器が、0.0025％～0.025％の光学効率を有し；
    該光源が、コリメーティングレンズもダイクロイックミラーもなしで該流体に光を照射するように構成されており；
    該チャンバが、第一端および第二端を含み；
    該装置が、該チャンバの該第一端に近い第一の位置から、該チャンバの該第二端に近い第二の位置へ、そして該チャンバの該第一端に近い該第一の位置に戻るサイクルで該ピストンを動かすように構成されている、アクチュエータを含み；
    該ピストンが、該ピストンが該第一の位置にあるときに、該流体を該チャンバの該第二端へと方向付けるように構成されており；かつ
    該ピストンが、該ピストンが該第二の位置にあるときに、該流体を該チャンバの該第一端へと方向付けるように構成されている、
    装置。
  134. 装置であって、
    熱サイクル処理によって核酸を増幅するように構成されている流体を含む、チャンバ；
    該流体に含まれる分析物に光を照射するように構成されている、光源；および
    光検出器
    を含み、
    光源と該チャンバとの間の最大距離が2.0cm以下であり；
    該光検出器が、該流体に含まれる該分析物からのシグナル光を検出するように構成されており；
    該光検出器が、該シグナル光が存在しない場合はバックグラウンド光を検出するように構成されており；
    該シグナル光：該バックグラウンド光の比が少なくとも1.5：1であり；
    該光検出器が、0.0025％～0.025％の光学効率を有し；かつ
    該光源が、コリメーティングレンズもダイクロイックミラーもなしで該流体に光を照射するように構成されている、
    装置。
  135. 可変体積の生体試料を受け入れ、かつ単一のユーザ起動工程で、該可変体積の生体試料を固定比で固定体積の希釈生体試料へと希釈し；該希釈生体試料を、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）における使用のために構成されている圧力容器に移す
    ように構成されている、試料収集デバイス。
  136. ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）を実施するように構成されており、かつピストンを含む、装置。
  137. 前記ピストンが、少なくとも1つのポリメラーゼ連鎖反応（PCR）試薬と物理的に接触する、請求項136記載の装置。
  138. 生体試料を受け入れ、かつ単一のユーザ起動工程で、試料調製、熱サイクル処理ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）増幅、および検出を、機械的ポンプもソレノイドも必要とせずに実施するように構成されている、装置。
  139. ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）からの蛍光シグナルを検出するように構成されている光学システムであって、該蛍光シグナルを検出する前に放射計による校正を受けていない、光学システム。
  140. ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）からの蛍光シグナルを検出するように構成されている光学システムであって、ダイクロイックミラーを含まない、光学システム。
  141. ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）からの蛍光シグナルを検出するように構成されている光学システムであって、コリメーティングレンズを含まない、光学システム。
  142. ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）からの蛍光シグナルを検出するように構成されている光学システムであって、0.3％未満の光学効率を有する、光学システム。
  143. 浮動小数点数学関数を使用することなくポリメラーゼ連鎖反応（PCR）産物の半定量検出を実施するように構成されている、装置。
  144. ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）からの蛍光シグナルの検出を実施するように構成されている装置であって、
    相対的な蛍光ベースラインとの比較を実施し；
    該蛍光シグナルを検出する前に放射計による校正を受けていない、装置。
  145. 5分未満で核酸を検出するように構成されている、装置。
  146. 10分未満で核酸を検出するように構成されている、装置。
  147. 15分未満で核酸を検出するように構成されている、装置。
  148. 以下の工程を含む、核酸配列を検出する方法：
    放射計による校正を受けていない光学素子またはピストンのいずれかを使用するPCRデバイス中に試料を受ける工程；および
    該PCRデバイスを用いて、該試料が核酸配列を含むかどうかを判定する工程であって、
    該核酸配列への結合に使用可能な1つまたは複数のマーキング剤で該試料を処理し、
    光源を用いて該試料に光を照射し、
    該マーキング剤によって放出される蛍光を測定し、
    該測定に基づいて、該試料が該核酸配列を含むかどうかを判定する
    ことによる、判定する工程。
  149. 前記核酸配列が感染症と関連している、請求項148記載の方法。
  150. 前記核酸配列が遺伝子異常と関連している、請求項148記載の方法。
  151. 前記核酸配列が血液型と関連している、請求項148記載の方法。
  152. 前記核酸配列が遺伝子治療の標的と関連している、請求項148記載の方法。
  153. 前記核酸配列が脳しんとうと関連している、請求項148記載の方法。
  154. 前記試料が、生物から収集されたものであり、前記核酸配列が該生物の種の集団と関連し、前記方法が、
    該試料が該核酸配列を含むかどうかの判定に基づいて、該生物が該集団内にあるかどうかを判定する工程
    を含む、請求項148記載の方法。
  155. 前記生物が非ヒト動物であり、前記集団が該非ヒト動物の特定の品種である、請求項154記載の方法。
  156. 前記試料が患者と関連し、前記試料が前記核酸配列を含むかどうかを判定する工程が、該患者に関して収集されたバイオメトリックデータを分析することを含む、請求項148～154のいずれか一項記載の方法。
  157. 前記試料が犯罪捜査と関連している、請求項148記載の方法。
  158. 前記核酸配列が犯罪捜査の容疑者と関連している、請求項157記載の方法。
  159. 前記試料が身元不明の人物と関連している、請求項148記載の方法。
  160. 前記試料が特定の環境と関連し、前記核酸配列が、該特定の環境への侵入生物種と関連している、請求項148記載の方法。
  161. 前記試料が核酸配列を含むかどうかを判定する工程が、遠隔デバイスと通信することなく、前記PCRデバイスにより実施される、請求項148記載の方法。
  162. 前記決定する工程の結果を遠隔デバイスに送信する工程をさらに含む、請求項148～161のいずれか一項記載の方法。
  163. 前記PCRデバイスが、32キロバイト（kB）未満の内部メモリを含む、請求項148～162のいずれか一項記載の方法。
  164. 前記PCRデバイスが、16キロバイト（kB）未満の内部メモリを含む、請求項148～162のいずれか一項記載の方法。
  165. 前記PCRデバイスが、8キロバイト（kB）未満の内部メモリを含む、請求項148～162のいずれか一項記載の方法。
  166. 前記PCRデバイスが、前記試料が核酸配列を含むかどうかを判定するとき、外部ソースからパワーを受けない、請求項148～165のいずれか一項記載の方法。
  167. 前記試料および試薬が、使い捨てカートリッジ内に収容されている、請求項148～166のいずれか一項記載の方法。
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