JP4554171B2 - 分析試験カートリッジ及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、カートリッジ・タイプのテスト・セル、及び、関連する分析試験用計器にそれを利用する方法に関するものである。典型的な用途には、例えば、患者から採取した血液等の液体試料が測定される、医療試験がある。テスト・セルは、１つ以上の選択された試験を実行し、モニタすることが可能な分析計測器に挿入されるように構成されている。本発明は、所望の場合、例えば、滴定曲線のような滴定分析結果を生成する働きが可能な、複数の分析位置に関する滴定調査の制御下における選択実施を可能にする構造を備えた改良式カートリッジ、及び、分析方法に関するものである。

例えば、血液のような患者の体液の分析は、診療においてますます重要な部分になっている。結果として、試料の簡便な取り扱い及び測定を可能にするため、さまざまな分析システムが開発されている。多くの例では、分析システムは、便宜上、さまざまな場所に移動させることが可能な、携帯式分析ステーションを利用している。２つのこうした分析システムが、ＩＲＭＡ血液分析システム（ＩＲＭＡ）及び血液分析ポータル・システム（ＰＯＲＴＡＬ）であり、両方とも、本出願の譲受人である、Ｒｏｓｅｖｉｌｌｅ，Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ，５５１１３のＤｉａｍｅｔｒｉｃｓ Ｍｅｄｉｃａｌ，Ｉｎｃ．から入手可能である。こうしたシステムの一般的な特徴については、先行技術文献に記載がある（例えば、特許文献１参照）。

こうした分析システムは、取り外し可能な試料カートリッジを利用して、試験を行うように構成されている。試料カートリッジは、一般に、わずか約１０ｃｍ×５ｃｍ（５０ｃｍ²）ほどであり、一般に、試料液注入ポート及び容器；分析的分析を実施するための各種センサ；分析試験を制御し、データまたは結果を伝達するため、分析モジュールまたは基地局内の電子装置と通じている各種電気リード線；及び、分析装置に対するカートリッジの取り付け及び取り外しを容易にする各種機械的構造を含んでいる。こうしたカートリッジの１つについては、先行技術文献に記載がある（例えば、特許文献２参照）。

一般に、こうしたカートリッジは、それらが利用される分析用コンポーネントの予測耐用年数に対して、比較的耐用年数が短い。結果として、こうしたカートリッジは、「使い捨てカートリッジ」または「使い捨てテスト・カートリッジ」と呼ばれる場合がある。実際、多くの例において、取り外し可能カートリッジは、使い捨てカートリッジである。

上記技術文献以外にも、使い捨てカートリッジ及びその利用に関連しており、それらに用いることが可能なテクノロジについて解説した先行技術文献がある（例えば、特許文献３、４、５、６参照）。

米国特許第６，０６６，２４３号明細書 米国特許第５，３２５，８５３号明細書 米国特許第５，３８４，０３１号明細書 米国特許第５，２２３，４３３号明細書 米国特許第６，０６０，３１９号明細 米国特許第５，２３２，６６７号明細書

本発明の目的は、分析試験の実施における柔軟性及び多様性を高めることを追求して改良された、こうしたテスト・カートリッジ及び分析システムを提供することにある。

本開示によれば、試料分析カートリッジが得られる。カートリッジには、主流路と、滴定スパー装置を含む滴定セル装置が含まれている。滴定セル装置には、一般に、主流路と液体流で通じる、少なくとも１つの、一般には複数の、滴定スパーが含まれている。典型的な実施態様には、少なくとも２つ、通常は少なくとも３つ、多くの場合、少なくとも４つ、できれば少なくとも６つの滴定スパーが含まれることになる。示される実施態様の１つでは、主流路と滴定スパー装置の間に液体流を通じさせることができるように、副流路が設けられている。

また、本明細書に解説の技法によれば、各滴定スパー内に滴定セルが設けられる。一般に、各滴定セルには、各滴定セル毎に配置されるセンサを含む滴定センサ装置と、各滴定セル毎に納められる滴定試薬が含まれている。

一般に、滴定セル装置を操作して、滴定スパー及び滴定セルに分配される液体に対する滴定調査を実施することが可能である。滴定測定または実験を実施するさまざまなアプローチについて解説する。

典型的な適用例では、各試料カートリッジ毎に、血液のような液体試料を主流路に注入し、最終的には、滴定セル装置に分配されるようにすることが可能な、液体試料注入ポートまたは注入口が含まれている。典型的な分析カートリッジには、カートリッジが、利用に備えて、分析測定装置内に操作可能に配置されると、滴定セル・センサ装置から分析測定装置への操作上の電気的通信を行えるように配置された、滴定セル導電体装置も含まれている。

典型的な試料分析カートリッジには、主流路内のセンサも含まれることになる。これらのセンサを操作して、査定される試料に対するさらなる分析測定を実施することが可能である。

システムによっては、主流路内の単一基準電極が、全センサの基準またはカウンタ電極として動作可能なものもある。

典型的な試料分析カートリッジは、カートリッジ周囲またはフットプリント面積が、わずか約１００ｃｍ²ほど、一般に、わずか８０ｃｍ²ほど、できれば、５０ｃｍ²以下である。一般に、滴定セル装置は、容積がほぼ１００μｌ（マイクロリットル）以下で、各スパー及び滴定セルの試料容積はほぼ１０μｌ以下である。

特徴が明らかにされる典型的な構成の場合、滴定セル装置における各滴定スパーは、主流路とスパー廃液室との間において液体流で通じている。結果として、各滴定セルは、一般に、流通セルである。液体流は、副流路を介して、主流路から滴定スパーに通じているのが望ましい。

解説される特定の実施態様の場合、各滴定スパーは、毛細管スパーである。「毛細管スパー」という用語の意味するところは、各滴定スパーが、交互流通機構による場合と対照的に、液体源から毛細管で吸い込んで充填するような構成及びサイズが付与されているということである。

各滴定セル内のヘパリンを滴定して、ヘパリン濃度を測定するため、滴定剤としてプロタミンを必要とする例について述べることにする。

アセンブリ及び操作方法についても提示される。

Ｉ．先行技術によるカートリッジの典型的な特徴
図１には、米国特許第５，３２５，８５３号明細書に解説の先行技術によるカートリッジ１０が描かれている。一般に、カートリッジ１０には、測定すべき液体試料を入れることが可能な、試料注入口構造またはポート１２が含まれている。多くの用途では、試料を注入器に収容されるものと予測されるが、その場合、注入ポート１２には、注入器との係合を円滑にして、こぼすことなく、注入器からカートリッジ１０に液体が移送されるようにするため、ルアー・ロックまたは他のロックまたは係合構造を設けることが可能である。

カートリッジ１０には、主フロー・チャンバ１３が含まれ、形成されている。この例の場合、主フロー・チャンバ１３は、注入口１２及び反対側の液体終端またはリザーバ１５と液体流で通じており、それらの間に延びている。米国特許第５，３２５，８５３号において解説のように、描かれているカートリッジは、液体終端またはリザーバ１５に、液体が液体終端に到達すると、液体の逆流を阻止するためのベーンまたはラビリンス構造１６を含んでいる。

液体室１３内には、この例の場合、複数のセンサ２１、２２、２３、及び、２４から構成された、分析センサ装置２０が配置されている。センサ２１、２２、２３、及び、２４は、一般の分析電極であり、基準電極２５が設けられている。もちろん、さまざまなタイプ、及びさまざまな数のセンサを利用することが可能である。一般に、センサには、ｐＨ測定、ｐＣＯ₂定量、カリウム（Ｋ⁺）または他の電解質測定、及び、ｐＯ₂測定といった１つ以上の分析定量を実施するのに適した電極が含まれている。もちろん、カートリッジが異なれば、センサ・タイプ、構成、及び、数も異なる可能性がある。基準電極２５、ｐＨ電極２１、ｐＣＯ₂電極２２、カリウム電極２３、及び、ｐＯ₂電極２４を含む分析センサ装置２０は、単なる一例でしかない。しかし、血液分析では、さまざまな成分の同定を必要とする測定が利用され、要求される場合が多いので、この特定のセンサ集合体は有効である。

上述のように、センサ装置２０には、一般に、基準電極２５も含まれている。図示のように、所望の場合には、分析電極の全てに、単一基準電極２５を利用することが可能である。

カートリッジ１０には、複数の導電性トレースまたは導体２８が含まれており、そのうち選択されたトレースは、端末またはパッド２９のうち関連する端末に終端がくる。トレース２８は、分析測定を実施するセンサ装置の制御及び操作のため、ＩＲＭＡまたはＰＯＲＴＡＬシステムの分析モジュールまたは基本ユニットのような、不図示の制御装置との電気的通信を可能にする。端末２９は、一般に、カートリッジ１０が、利用に備えて、分析計器内に操作可能に配置されると、分析計測器と電気的に接触するように構成されている。

一般に、分析センサ装置２０のセンサ２１〜２４は、フロー・チャンバ１３内に配置されており、測定すべき患者の体液（例えば、血液）が注入口１２に送り込まれ、フロー・チャンバ１３を充填すると、各センサ２１〜２４が、体液と直接接触して、分析測定を実施するようになっている。これは、注入口１２、主フロー・チャンバ１３、基準電極２５、及び、センサ２１〜２４が断面図で示された、図２を参照することによって明らかになる。

もう一度図１を参照すると、カートリッジ１０には、分析計測器に取り付けて使用するのを容易にする取り付け構造３１が含まれている。図示の例の場合、取り付け構造３１には、分析計測器の受け構造に係合し、カートリッジをガイドして、適正な動作位置につけるように配置された１対のフィン３２が含まれている。一般に、使用時には、カートリッジ１０をスライドさせて、分析計測器の受け構造に送り込み、分析定量が完了すると、カートリッジ１０をスライドさせて、その計測器から取り出される。カートリッジ１０が使い捨て用の場合、一般には、その後、廃棄されることになる。

概略について上述のカートリッジを用いる、ＩＲＭＡまたはＰＯＲＴＡＬ分析システムのようなシステムは、一般に、試料を採取し、分析試験所に送る遅延を回避するため、患者のベッドサイドまたは患者のすぐ近くにおいて用いられるように構成されている。従って、装置は、特殊な分析試験所、技法、または、経験がなくても、医療職員が簡便に操作できるように構成されている。カートリッジ１０は、一般に、取り扱い及び充填が容易な構成が施されており、ＩＲＭＡまたはＰＯＲＴＡＬ装置のような分析装置は、一般に、移動及び患者の近くへの配置に好都合な、また、操作がしやすい構造及び構成が施されている。

ＩＩ．改良された試料分析カートリッジ
Ａ．一般的特徴
ここで、図３に注目されたい。図３には、改良された試料分析カートリッジ４０の概略図が示されている。滴定スパー及びセルに関連して本セクションに解説の特徴を除いて、カートリッジ４０には、一般に、セクションＩＩ Ｄにおいてさらに詳細に後述するような特徴がある。これらの特徴については、同時係属特許出願である米国特許出願公開第１０／１６０，３２９号明細書においても取り上げられている。前文で述べた同時係属出願は、本明細書において「Ｔｈｏｒｎｂｅｒｇ他の出願」と称することにする。「Ｔｈｏｒｎｂｅｒｇ他の出願」は、やはり、本開示の譲受人であるＤｉａｍｅｔｒｉｃｓ Ｍｅｄｉｃａｌ，Ｉｎｃ．が所有権を有しており、参考までに、本明細書においてそっくりそのまま援用されている。

図３を参照すると、カートリッジ４０には、一般に、ベース構造４２が含まれており、液体試料注入ポートまたは注入口４３、主流路またはフロー・チャンバ４４、及び、液体終端または廃液リザーバ４５が含まれている。一般に、注入口４３、流路４４、及び、リザーバ４５は、互いに液体流で通じており、図１のカートリッジ１０に関連して上述の、または、Ｔｈｏｒｎｂｅｒｇ他の出願における対応するコンポーネントと同様に動作させることが可能である。ベース構造４２には、分析装置に取り付けて、使用するのを容易化する取り付け構造またはフランジ４２ａを含むことが可能である。

カートリッジ４０には、さらに、１つ以上のセンサ（この例の場合、センサ４８、４９、５０、５１、５２、及び、５３）を含むセンサ４７ａと、カウンタまたは基準電極５４を備える第１の分析センサ装置４７が含まれている。センサ４７ａ（すなわち、センサ４８〜５３）、及び、基準電極５４の特定の数、タイプ、順序、及び、構成は、設計上の選択の問題であり、分析センサ装置４７の主流路４４内において実施される分析のタイプによって決まる。概して云えば、例えば、センサは、電気、電気機械、酵素、光学、及び、機械センサから選択される。

例えば、センサ４７ａは、特定の用途に応じて、酸素（ｐＯ₂）含有量、クレアチニン含有量、血中尿素窒素（ＢＵＮ）含有量、グルコース含有量、ナトリウム（Ｎａ⁺）含有量、酸性度（ｐＨ）、二酸化炭素（ｐＣＯ₂）含有量、カルシウム（Ｃａ⁺²）含有量、カリウム（Ｋ⁺）含有量、ヘマトクリット（Ｈｃｔ）、塩化物（Ｃｌ^-）含有量、乳酸塩含有量、凝固測定値、及び／または、他の所望の情報を求めるのに適したものとすることが可能である。主流路におけるセンサを構成し、較正液体リザーバ５５から較正材料を供給し、較正液体または試料液体の流れを制御するための弁構造を設けることに関連した適用可能な原理については、例えば、やはり、参考までに本明細書において援用されている、Ｔｈｏｒｎｂｅｒｇ他の出願に解説がある。

カートリッジ４０には、試験中、センサ４７ａ（すなわち、センサ４８〜５３）を制御するため、とりわけ、主流路４４内の分析センサ装置４７と通じている、不図示のトレースと電気的に接続された複数の電気的終端５６が含まれている。一般に、電気的終端５６のうち選択された終端、及び、こうした通信を可能にする全ての導電性トレースは、本明細書において、一般に、カートリッジ４０が分析測定装置内に操作可能に納められると、電気的分析センサ装置４７から分析測定装置への操作上の電気通信を可能にするように主流路４４内に配置される、主流路の「導電体装置」と呼ばれる。

図３に概略が描かれた望ましいカートリッジ４０には、２つの主セグメント、すなわち、主流路分析センサ装置４７を含むセグメント６０と、図示の特定の実施態様の場合、分析センサ４７ａがないセグメント６１を備えた、主流路４４が含まれている。

Ｔｈｏｒｎｂｅｒｇ他の出願のカートリッジとは異なり、カートリッジ４０には、主流路４４、とりわけ、特定セグメント６１と液体流で通じている、複数の液体流分析スパー６３が含まれている。本明細書において、「分析スパー」という用語は、スパー６３に関連して用いられる場合、後述するように、各スパーに、分析定量を実施するのに適した装置が含まれているという事実を表わしている。「分析スパー」という用語は、流通を可能にするが、分析的分析を実施するための装置を含んでいないスパーと区別することを意図したものである。

描かれているカートリッジ４０の場合、セグメント６０は、一般に、曲線状または円弧状であり、一方、セグメント６１は直線状であるが、さまざまな代替構造が可能である。また、描かれている特定のカートリッジ４０の場合、スパー６３が液体流で通じているセグメント６１は、分析センサ装置４７が描かれている、セグメント６０から「下流に」配置されている。代替構成も可能である。

図３を参照すると、描かれている特定のカートリッジ４０の場合、分析スパー６３と主流路４４、とりわけ、主流路４４のセグメント６１との間は、副流路４４ａを設けることによって、液体流で通じている。この文脈において「副」という用語は、主流路４４から分岐し、リザーバ４５とは直接通じていない流路であることを表わしている。

やはり図３を参照すると、スパー６３は、それぞれ、滴定セル装置の一部であり、流路４４、とりわけ、副流路４４ａから選択された分析滴定セルに液体を通じさせる働きをする。描かれたスパー６３の特定の構成では、８つのスパー６３ａ、６３ｂ、６３ｃ、６３ｄ、６３ｅ、６３ｆ、６３ｇ、及び、６３ｈと、８つの関連分析（滴定）セル６６ａ、６６ｂ、６６ｃ、６６ｄ、６６ｅ、６６ｆ、６６ｇ、及び、６６ｈが設けられており、各スパー６３ａ〜ｈ毎に、１つのセル６６ａ〜ｈが配置されている。ただし、スパー６３及びセル６６の特定の数は、さらに詳述する説明から明らかになるように、実施される特定の試験に合わせて選択できる問題である。

一般に、各分析（滴定）セル６６毎にセンサが設けられている。センサは、導電性トレースによって、終端５６のうち動作に適合するものと電気的に導通している。これらの導電性トレース及び終端は、一般に、カートリッジ４０を分析測定装置内に操作可能に配置すると、滴定セル６６のセンサ装置から分析測定装置への操作上の電気的通信が行えるように配置された、滴定セル装置の「導電体装置」と呼ばれる。図３に描かれた特定の構成の場合、各滴定セル６６のセンサは、基準電極５４をカウンタ電極として利用できるという点に留意されたい。代替構成も可能である。

概して云えば、個々の滴定セル内のセンサには、さまざまなタイプのセンサを利用することが可能である。例えば、電気、電気化学、酵素、光学、または、機械的センサを利用することが可能である。一般に、特定の滴定セル・セットの各滴定セルには、同じタイプのセンサが用いられることになる。

本明細書においては、毛細管による吸引または吸い込みによって副流路またはフロー・チャンバ４４ａから充填されるサイズが付与されたスパー６３は、「毛細管スパー」と呼ばれる場合もある。もちろん、スパー６３は、代替流通機構を介して充填されるサイズまたは構造を付与することも可能である。

描かれている特定の実施態様の場合、スパー６３は、それぞれ、副流路４４ａと副流路またはスパー廃液流路６８との間において通じており、スパーのそれぞれに分析セル６６が配置されるように構成されている。結果として、各分析セル６６は、都合よく、関連スパー６３を通る液体流によって充填されることになり、従って、各セル６６は流通セルである。

概して云えば、スパー６３は、それぞれ、主流路４４と液体流で通じている。すなわち、副流路４４ａによって、液体流で通じている。また、一般に、分析セル６６は、それぞれ、流通セルであり、流通セル６６を介して、主流路から副流路またはスパー廃液流路６８に液体を流すことが可能であり、やはり、その液体流は、部分的に、副フロー・チャンバまたは流路４４ａによって収容されている。本明細書において、カートリッジ４０のある部分が、別の部分と「液体流」で通じていると記述される場合、中間流路またはフロー・チャンバとは対照的に、「直接」、「直接に」といった用語、または、その別の表現が利用されない限り、両者の間が直接つながっていることを意味するものではない。

一般に、望ましいことではあるが、各スパー６３は、分析（滴定）セルの容積を含む全容積が、主流路４４の容積に比べて相対的に小さい。一般に、スパー６３のサイズにとって望ましいのは、
１．まず、注入口４３に液体を注入して、主流路４４を（そして、最終的には、副流路４４ａを）充填する際に、注入圧によって液体がスパー６３に押し込まれることがないほどに、また、
２．液体が、最終的に、ウィッキング、毛細管吸引、または、同様のメカニズムによってスパ−６３に流入することになるほどに、
十分に小さいということである。

描かれている特定のセル６６は、円形であり、それぞれ、できれば、直径が０．０８ｃｍ以下、一般には、０．０５ｃｍ以下であり、深さが０．０５ｃｍ以下、一般には、０．０３ｃｍ以下である。一般に、各セルは、容積が、２．５μｌ以下、一般には、１μｌ以下になるように構成されている。それぞれの容積は、０．４μｌ以下が望ましい。

特性が明らかにされたセルまたはスパーの滴定セットを含む市販製品（選択された既知試薬による選択された既知分析物の分析用）の場合、滴定セル装置を構成することが可能であり、カートリッジ４０に利用される分析計測器は、実験に基づいて得られたデータ、すなわち、分析的分析を容易にするため、標準器を用いた研究に基づいて作成された（例えば、装置のメーカによって）データに基づくプログラミング及び構成を施すことが可能であるという点に留意されたい。

典型的な適用例の場合、副流路４４ａにすぐ隣接した領域における、流路に対して垂直な断面に相当する、スパー６３のそれぞれの断面積は、ほぼ０．４ｃｍ²以下程度、一般には、０．１ｃｍ²〜０．２ｃｍ²になることが予測される。一般に、スパー６３は、副フロー・チャンバ４４ａと副／スパー廃液流終端または廃液フロー・チャンバ６８との間の流路を形成しており、この流路は、分析セル６６を通って延び、分析セル６６の充填を行う。

図４には、図３からのスパー６３の１つ（とりわけスパー６３ｈ）及び関連分析セル６６（とりわけ６６ｈ）の拡大された略部分平面図が描かれている。

次に、図４のライン５−５にほぼ沿って描かれたセル６６ｈの側断面図である、図５に目を向けることにする。図５を参照すると、一般に、セル６６には、終端のうち動作に適合するものと電気的に通じるように設けられたセンサ７０が含まれている。セル６６は、後述するように、試薬または滴定剤７４が含まれいてる。

ある特定のセットのうちから選択された複数の（場合によっては全ての）分析（滴定）セル６６が、それぞれ、同様の構成をなす、すなわち、センサ７０と試薬７４を備えることになるものと予測される。センサ７０のサイズ及びタイプと、試薬７４のタイプ及び量は、分析セル６６によって行われる特定の分析定量（一般には滴定）に基づいて、選択されることになる。

概して、セル６６及びスパー６３は、一般に、（１）同時に（または互いに比較的短い時間期間内に）操作可能な複数のセルを備え、試料を補充せずに、分析定量を実施するのが望ましい、また、（２）容易に充填可能な小型の（一般に１μｌ未満の）セル６６による操作を受け入れることができるが、試験の実施中において問題となるセル６６への拡散及びセル６６からの拡散は望ましくない、制御下における分析試験に利用することが可能である。

本明細書において、この文脈で用いられる場合の、「問題となる拡散」という用語は、各セルにおいて所望される分析測定の実施を妨害することになる、ある量の拡散を表わすことを意図したものである。「問題となる拡散」という用語によって云わんとするところは、必ずしも、拡散が生じないようにということではなく、正しくは、実施される試験の時間期間内に生じる拡散量が、試験の制御パラメータ内にあり、一般に、正確で、再現可能な分析結果を得る能力の妨げにならないようにということである。本明細書において特性が明らかにされる、比較的小さいスパー断面積及び容積、及び、小さい滴定セル容積によって、試験の実施中における全拡散量は、一般に、容認できるほど少なくなるか、または、あらゆる点からして、取るに足りないものになる。もちろん、場合によっては、発生する比較的少量の拡散について、その影響を相殺する、実験に基づく観測結果及び計算を通じて、処理することになる可能性もある。

以下の説明から明らかなように、スパー６３及びセル６６の構成は、とりわけ、滴定試験の実施に適している。セル６６及びスパー６３のうちから選択されたものが、滴定試験に合わせて構成される場合、本明細書において、選択されたセルは、一般に、セルまたはスパーの「滴定セット」と呼ばれるが、セルは、「滴定セル」と呼ばれることもあり、スパーは、「滴定スパー」と呼ばれることもある。一般に、滴定セットには、少なくとも2つのセル、通常は、少なくとも３つのセル、一般には、少なくとも４つのセル、できれば、例えば、６〜１０のセルで、少なくとも６つのセルが含まれることになる。こうした滴定セットの典型的な操作については、下記から明らかになるであろう。

Ｂ．制御下で滴定試験を実施するための典型的な操作
カートリッジ４に関して上記で特性を明らかにされた特徴による利点については、典型的な（仮定の）滴定試験に関するこのセクションの説明から明らかになるであろう。この解説のため、測定される液体は血液であり、滴定は、血液中の分析物（Ａ_B）を測定するために実施されるものと仮定する。また、分析物は、試験の一部として操作される各セルの分析物センサ７０によって検出可能な分析物Ａであると仮定する。また、分析物は、この例の場合、滴定剤「Ｔ」として用いられる試薬（Ｒ）７４で滴定可能なものであり、ＡＴと呼ばれる、滴定される分析物は、分析物センサでは検出できないものと仮定する。

複数の分析セル６６は、少なくとも下記のように設定される場合、滴定曲線または他の滴定計算（分析）を確定するため、滴定セルとして操作することが可能である：
１．容積が、関係する滴定セル６６のそれぞれについて、適正に、できれば、等しくなるように規定される（この文脈において「等しい」の意味するところは、各セル６６の容積が、選択容積または選択滴定セル容積の５％内であることが望ましいということである）、
２．異なる量の滴定剤「Ｔ」、すなわち試剤７４が、少なくとも２つのセル、一般に、少なくとも４つのセル、できれば、少なくとも６つのセルを含む選択滴定セル間で分配されるようにして、少なくとも選択滴定セルのそれぞれに供給されるが、この場合、活性滴定剤Ｔの量は、定量される分析物Ａの量（セル内における）とは異なり、当量を基準にすると、それよりも少ない、
３．スパー６３が、滴定の実施中、セル６６内への、または、セル６６からの分析物及び／または滴定剤の問題となる拡散を阻止するのに十分なほど小さい。

こうした操作を実施する場合、図６の血液７５は、注入口４３を介してカーリッジ４９に送り込まれることになるが、一般に、液体注入量は、図６に示すように、主流路４４を完全に充填するのに十分である。実際、図６では、流路４４を充填するだけではなく、主廃液流リザーバ４５にも（おそらくは、副流路４４ａにも）流入するのに十分な血液流が供給されている。液体（例えば、血液）の注入によって主流路４４を充填する段階は、本明細書において、充填の第１段階または液体流の第１段階と呼ばれる。この段階において、液体流は、主流路４４に送り込まれ、スパー６３のサイズが小さいために、ある程度は、副流路４４ａにも送り込まれるが、スパー６３は、一般に、注入操作によってすぐには充填されない。（図６の場合、注入口４３に取り付けられた注入器７６が示されている。）

毛細管作用、ウィッキング、または、同様の作用によって、血液（試料液）流が、適時にスパー６３を通過して、分析セル６６を充填することになる。これが、図７に示されており、本明細書では、液体流の第２段階と位置づけられている。血液が分析セル６６に流入すると、選択セル６６にあらかじめ収容された試薬「Ｒ」または滴定剤「Ｔ」が、血液中に溶解して、反応するか、あるいは、可溶性でなければ、血液に作用（と反応）することになる。血液中に溶解するか、または、血液に接触すると、滴定剤「Ｔ」は、ＡＴと対比して分析物「Ａ」を滴定する。もちろん、ＡＴは、センサ７０による検出が不可能なものと定義済みである。セルが異なれば、収容される滴定剤「Ｔ」の量も異なるので、滴定剤Ｔが過剰でない限り、ＡＴに対する滴定量または範囲は、さまざまな選択セルのうちから選択されたセル間において変化することになる。セル６６を血液で充填し、滴定を行うのに適した時間を与えた後、滴定センサ７０を操作して、滴定分析を実施し、各選択セルにおける残留分析物「Ａ」の量すなわち相対量を求めることが可能である。

カートリッジ４０に関連して利用される分析装置に適切なプログラミングを施して、各セルにおける滴定剤「Ｔ」の量、及び、セルのサイズ（または、それぞれのセル６６が同じ容積である）といった適切な知識を用いて、分析物「Ａ」に関する滴定分析（計算）値または曲線を計算または確定することが可能である。これに基づいて、血液試料中における分析物「Ａ」の量（または濃度）を計算または推定することが可能である。

本明細書において、滴定曲線または量を「計算または確定」することが可能であると記述される場合、分析装置によって、ある曲線が必ず作図または提示されることを意味するものではない。滴定計算値は、特定のデータ・ポイントの計算または確定に用いられる分析装置のプログラミング内においてプログラムされた数学的機能の実施結果とすることが可能である。

アセンブリまたはカートリッジ４０を操作して、さまざまな滴定を実施することが可能である。一例としては、プロタミンを用いたヘパリン滴定がある。こうした操作の場合、分析物Ａは、一般にヘパリンになり、試薬（Ｒ）または滴定剤Ｔは、一般に、プロタミンになる。センサ７０は、従って、ヘパリン・センサになる。ヘパリン特定センサは既知のところであり、米国特許第５，２３６，５７０号明細書に記載がある。

同じタイプの試験の代替形態において、センサ７０は、試薬または滴定剤Ｔ（すなわち、プロタミン）のセンサとして構成することが可能であり、その場合、分析セル６６において、異なる量の（過剰プロタミン量が異なるため）過剰滴定剤（すなわち、プロタミン）が利用されることになる。この場合、血液がプロタミンを溶解するか、そうではなく、プロタミンによる作用を受ける場合、各セル毎に、ヘパリンによって、同量のプロタミンが滴定されることになる。異なるセルのセンサが、残留プロタミンの変化量を検出し、プロタミンに関する滴定曲線を確定する（または、滴定分析の実施を可能にする）。プロタミンに関する滴定分析に基づいて、ヘパリンの量または濃度を計算することが可能になる。

セル６６において実施される実際の分析測定に関連して、先行パラグラフで解説した試験では、ヘパリンが滴定剤Ｔになり、プロタミンが分析物Ａになる。この場合、もちろん、分析物Ａは、最終的には、測定される血中分析物（Ａ_B）（すなわち、ヘパリン）の量を計算可能にするために利用される、試験用分析物Ａ_Eである。

さらにもう１つの代替試験では、セル６６は、センサによる検出が可能な、各分析セル内の検出可能な化学種は、例えば、血中分析物の場合はＡ_BＴである、滴定分析物ＡＴである。こうした状況において、検出される試験用分析物（ＡＢ）は、滴定される化学種ＡＴである。次に、その濃度を利用して、もとから存在する血中分析物Ａ_Bの濃度を計算することが可能である。

概して云えば、液体試料中における分析物の存在を明らかにする方法が得られるが、この方法には、（ａ）単一主流路と液体流で通じる複数のスパーに液体試料を送り込むステップと、（ｂ）複数のスパーのうち選択スパーにおいて、液体試料中における選択分析物及び選択試薬の少なくとも一方について程度の異なる滴定を施するステップと、（ｃ）滴定ステップによって測定される滴定分析結果に基づいて、液体試料中の分析物の量を計算する（滴定計算または分析を実施することによって）ステップが含まれている。

先行パラグラフで特性が明らかにされたように、この方法は、セル６６において、それに収容されたセンサによって定量される実際の分析物が、血中分析物であるか、試薬分析物であるか、あるいは、試薬と血中分析物の組合せによって生じる滴定分析物であるかにかかわらず、適用されることになる。

もちろん、本明細書に解説の技法は、さまざまな分析物の滴定に利用可能であり、ヘパリンは、単なる一例として示されただけである。この滴定アプローチは、定量すべき分析物が、典型的な従来の単一センサ装置では、容認し得る正確さ及び再現性で、容易に分析処理することができない量または範囲にわたって存在する場合にとりわけ有効である。ある滴定アプローチによれば、実際に、制御下において、有効な分析定量に必要とされる分析物の量をより控えめな量及び／または範囲まで低減することが可能になる。

Ｃ．滴定試験及び構成の変種
本発明によるアセンブリにおける滴定試験の一般的な操作が明らかになったので、その構成における操作を容易にする可能性のある、いくつかの変種について提示する。

まず、図１を参照すると、典型的な滴定操作の場合、滴定セルまたは装置において、少なくとも２つの滴定セル、通常は、少なくとも３つの滴定セル、一般に少なくとも４つの滴定セルが利用される。ある特定の滴定試験の場合には、少なくとも６つのセル、一般には、６〜１０のセルを利用するのが望ましい。

もちろん、各滴定セルにおける試薬７４または滴定剤の量は、測定される血中分析物の予測範囲、及び、正確な滴定計算を保証するのに十分なデータ・ポイント範囲に基づいて選択されることになる。市販製品の場合、各セルにおいて望ましい試薬量は、一般に、基準試料及び研究に基づく広範囲にわたる試験測定を通じて決定されている。一般に、少なくとも２つ、通常は３つ、一般には少なくとも４つ、できれば、少なくとも６つの滴定セルに、血中分析物または他の試料分析物との反応に関する全当量（従って、濃度）の観点からすると、量の異なる試薬が含まれることになる。セル間に置ける試薬量の差は、例えば、滴定のような所望の分析の実施に十分であることが必要とされる。この文脈において「十分」という用語またはその別表現の用語は、対象となる計測または計算を助けるのに十分な差を表わすことを意図したものである。当量の差は、互いに、少なくとも５％（当量濃度で）が望ましく、一般には、少なくとも１０％である。試薬量の差が十分である結果として、滴定は、セルのうちから選択されたセルにおいて、異なる量または程度で続行される。

選択された典型的な滴定試験では、選択された試験の一部として操作される滴定セルの全センサが、同じカウンタまたは基準電極を利用して同時に作動させられて、滴定曲線計算または他の滴定分析を評定するためのデータを生成する。しかし、選択された全てのセルにおける滴定用センサを同時に作動させる必要はないし、また、単一基準電極を利用する必要もない。例えば、セルは、順次作動させることもできるし、あるいは、セルによっては、同時に作動させることが可能なものもあれば、個別の時点に作動させることが可能なものもある。典型的な望ましいプロセスでは、滴定分析は、その分析の一部として操作される全センサの評定が、最初の滴定セルで行われる最初の測定から、最後の滴定セルで行われる最後の測定までのわずか１０分、できれば、わずか３分の全経過時間内になされるように、実施されるものと予測される。

もちろん、カートリッジ４０は、２タイプ以上の滴定試験を実施するように構成することが可能である。従って、第１の滴定試験のために、第１の滴定セル・セットを設け、第２の滴定試験のために、第２の滴定セル・セットを設けることが可能である。

滴定セルの選択された任意の滴定セット内では、各滴定セル毎に、ほぼ同じ滴定剤（試薬）及び分析物センサが配置されているが、試薬または滴定剤の量は、セル間で変化させることが可能である。しかし、場合によっては、正確を期して、２つ以上のセルに同じ量の試薬（滴定剤）を用いて、複数のデータ・ポイントが得られるようにすることもあり得る。

図５の場合、滴定剤７４は、図示のように、分析物センサ７０が配置されている表面８１とは反対側の、セル６６の表面８０に固定されている（例えば、溶解前に）。実施態様によっては、同じ表面に両者を配置することもできるし、あるいは、互いに接触させることさえ可能である。

Ｄ．典型的なアセンブリ材料及び方法
セクションＩＩＡ〜ＩＩＣでは、滴定試験の構成及び操作（実施）に直接関連した技法における特定の詳細が提示された。本セクションでは、カートリッジ４０に関連した他の一般的な説明が行われる。この情報は一般的な性質であるように意図されたものであり、やはり、参考までに本明細書において援用されている、Ｔｈｏｒｎｂｅｒｇ他の出願に見受けられるものと類似している。

一般に、センサ（４７ａ、７０）は、さまざまなタイプが可能である。本開示によるカートリッジにおいて一般にセンサとして利用されるものは、イオン選択電極（電位差）センサ、電流測定センサ、導電率測定センサ、及び、酵素センサから選択される。

液体試料が血液の場合、主流路４４内のセンサについて、一般に利用可能な構成には、ｐＨ及びｐＣＯ₂を測定するイオン選択電極センサが含まれる。現在のテクノロジでは、ｐＯ₂センサは、一般に電流測定センサになる。例えば、ナトリウム（Ｎａ⁺）・センサ、カルシウム（Ｃａ⁺²）・センサ、及び、カリウム（Ｋ⁺）・センサといった血中電解質の場合、イオン選択電極センサが一般に用いられる。ヘマトリクリット値は、例えば、導電率測定センサを利用して測定することが可能である。塩化物（Ｃｌ^-）は、典型的な実施態様の場合、イオン選択電極センサによって測定することが可能である。グルコース、血中尿素窒素（ＢＵＮ）、及び、クレアチンは、一般に、酵素センサを利用して測定される。血液凝固の測定は、一般に、導電率測定センサを利用して実施される。

ヘパリン・センサの滴定試験における解説例の場合、一般に、イオン選択センサが利用されることになる。

各種センサに関して、多くの場合、較正評定が実施されることになる。較正評定を実施するための技法については、例えば、やはり、参考までに本明細書において援用されている米国特許第５，３２５，８５３号明細書、及び、やはり、参考までに本明細書において援用されているＴｈｏｒｎｂｅｒｇ他の出願に解説されている。

場合によっては、特定のタイプのセンサを溶液と接触させて収容する（「湿式収容」）のが望ましいころもあれば、溶液から離して収容する（「乾式収容」）のが望ましいこともあり得る。選択液体流または位置を生じさせる技法、及び、液体流に対する弁制御については、参考までに本明細書において援用されているＴｈｏｒｎｂｅｒｇ他の出願に解説がある。

滴定セルに可溶性試剤または滴定剤が含まれる場合、一般には、滴定セルは、使用されるまで、溶剤のない状態に保つことが望ましい。主流路の一部にも液体が存在することになる場合については、Ｔｈｏｒｎｂｅｒｇ他の出願に、部分４４ａのような主流路４４の部分（または、主流路４４と通じている部分）を乾燥した状態にしておくための可調整弁操作技法及びチャネル設計技法の解説がある。

典型的なカートリッジ４０には、ベース構造またはハウジング、及び、密閉分析基板を含む、複数コンポーネント構造が含まれている。ハウジングには、一般に、例えば、ポリカーボネート・コンポーネントのような成形プラスチック・コンポーネントが含まれる。分析基板には、一般に、センサ及び電気的トレースを形成するのに適した導電性材料、及び、各種センサ及びセルの動作に必要な任意の化学材料または酵素材料を堆積させるセラミック基板が含まれている。典型的なカートリッジには、スナップで留められたコンポーネント、または、接着剤で固定されたコンポーネントが含まれることになる。典型的なカートリッジの寸法は、一般に、カートリッジ周囲またはフットプリント面積としては、わずか１００ｃｍ²、通常は、例えば、５０ｃｍ²以下といったように、８０ｃｍ²以下にしかならず、全高（注入器を含まない）が、一般にわずか３ｃｍほどにしかならない。

成形プラスチック・コンポーネントには、流路、スパー、及び、セルといったさまざまな内部構造を形成するのに適した成形経路またはベーンが含まれることになる。

典型的なカートリッジは、動作中、わずか３ミリリットル（ｍｌ）、一般には、わずか２００μリットルほどの量の全液体試料を保持するように構成されることになる。典型的な試験の場合、一般に、分析測定の実施中における主流路及びスパー内の全試料量は、わずか１００マイクロリットル、通常は、８０マイクロリットル、一般には、わずか５０マイクロリットルにしかならない。滴定スパー及びセルにおける全液体量は、一般に、わずか２０μｌにしかならない。

次に、本明細書において特性が明らかにされる装置を利用するステップを示す概略図である、図８に目を向けることにする。図８を参照すると、分析装置または基地局装置が、全体として２００で表示されている。この装置には、本明細書の開示に従ってカートリッジ４０を受ける受け器３０１が含まれている。装置２００は、上記で特性が明らかにされた、例えば、滴定計算といった、分析的分析を実施するため、カートリッジ４０との電気的通信が行えるように構成及びプログラミングが施されることになる。装置２００は、例えば、カートリッジ４０を利用した滴定測定を制御するため、適正なプログラミング及び／または装置によって修正された、現在市販されているＩＲＭＡまたはＰＯＲＴＡＬシステムの変種とすることが可能である。

上記においては、改良された試料分析カートリッジのための各種構成、構造、及び、技法が提示された。この開示は、さまざまな例の準備に関する情報を提供することを意図したものであって、任意の特定の構成または応用例に制限することを意図したものではない。

一般に、液体試料注入口；注入口と液体流で通じた主流路；主流路と液体流で通じた少なくとも２つの滴定スパー、及び、各スパー内の滴定セルを含む滴定セル装置；滴定セル装置の各滴定セル毎に配置されたセンサを含む滴定センサ装置；及び、滴定セルのうち少なくとも２つにおける滴定剤の量が異なるようにして、滴定セル装置の各滴定セル毎に納められ滴定剤を含む、試料分析カートリッジが得られる。

試料分析カートリッジには、分析測定装置にカートリッジを操作可能に接続すると、センサ装置から分析測定装置への操作上の電気的通信が行えるように配置された、導電体装置を含むことが可能である。

試料分析カートリッジには、主流路と滴定セル装置の間が液体流で通じるようにする、副流路を含むことが可能である。

滴定セル装置には、そのそれぞれに滴定セルが含まれる、少なくとも４つの滴定スパーを含むことが可能であり、滴定セルのうち少なくとも４つには、量の異なる滴定剤が納められる。

試料分析カートリッジには、従って、スパー廃液室を含むことが可能であり、各滴定スパーは、主流路から、最終的には、選択滴定セルを通って、スパー廃液室に液体流を通じさせるように構成されている。

各滴定スパーは、毛細管スパーとすることが可能である。

２つ以上の滴定セルを含む選択された滴定セル・セットには、滴定セルの選択分析物滴定セットを含むことが可能であり；滴定セルの選択分析物滴定セットの各セルには、選択分析物の滴定剤が含まれており；選択分析物滴定セットの毛細管スパーのうち、選択されたスパー内の選択分析物に関する滴定剤の量は、電気化学センサ装置の動作に基づいて選択分析物の滴定計算値を生成するのに十分なほど異なっている。

選択分析物の滴定剤は、ヘパリンの滴定剤とすることが可能である。

滴定剤はプロタミンとすることが可能である。

選択分析物滴定セットの各毛細管スパーによって、選択された滴定セル容積の５％内の滴定セル容積を形成することが可能である。

試料分析カートリッジには、わずか１００ｃｍ²のカートリッジ周囲面積を形成するベース構造を含むことが可能である。

試料分析カートリッジは、主流路及び滴定スパー内に収容する全試料量をわずか１００マイクロリットルとすることが可能である。

試料分析カートリッジは、各滴定セルの滴定セル容積をわずか２．５μｌとすることが可能である。

試料分析カートリッジには、滴定セルに配置される全てのセンサについて単一基準電極を含むことが可能であり、単一基準電極は、主流路内に配置される。

試料分析カートリッジには、主流路内に配置された少なくとも１つの分析センサ電極を含むことが可能である。

試料分析カートリッジには、主流路廃液リザーバを含むことが可能であり、主流通導管が、液体試料注入ポートと主流路廃液リザーバとの間に液体流で通じるように配置されている。

単一主流路と液体で通じる複数のスパーに液体試料を送り込むステップと、複数のスパーのうちから選択されたスパーにおいて、液体試料中の選択分析物及び選択試薬の少なくとも一方について程度の異なる滴定を施すステップと、滴定ステップによって測定される滴定分析結果に基づいて、液体試料中の分析物の量を計算するステップが含まれている、液体試料中における分析物の存在を明らかにする方法が得られる。

滴定ステップには、血液試料中におけるヘパリンの滴定を含むことが可能である。

送り込むステップには、全周囲面積がわずか１００ｃｍ２の分析試料カートリッジに液体試料を送り込むステップを含むことが可能である。

計算ステップには、異なる滴定量で、少なくともう６つの異なるセルにおいて行われた滴定測定結果に基づいて、計算するステップを含むことが可能である。

滴定ステップには、プロタミンによる血液中のヘパリンの滴定を含むことが可能である。

米国特許第５，３２５，８５３号による先行技術の使い捨てカートリッジに関する略平面図である。 図１のライン２−２に沿って描かれた断面図である。 本発明によるカートリッジの略平面図である。 図３に示す構成の一部に関する拡大された部分概略図である。 図４のライン５−５に沿って描かれた部分断面図である。 液体試料を供給する第１段階中に描かれた、図３と同様の図である。 液体試料を供給する第２段階中に描かれた、図３と同様の図である。 分析装置に関連して、本開示によるカートリッジを利用するステップの概略図である。

符号の説明

４０ 試料分析カートリッジ
４３ 液体試料注入口
４４ 主流路
４４ａ 副流路
４８、４９、５０、５１、５２、５３ 分析センサ電極
５４ 基準電極
５６ 導電体装置
６３ 滴定スパー
６６ 滴定セル
６８ スパー廃液室
７０ センサ
７４ 滴定剤
２００ 分析測定装置

Claims (12)

1. 液体試料注入口（４３）と、前記注入口（４３）と液体流で通じる主流路（４４）を含む試料分析カートリッジ（４０）であって、
   （ａ）前記主流路（４４）と液体流で通じる少なくとも２つの滴定スパー（６３）及び各スパー毎の滴定セル（６６）を含む滴定セル装置と、
   （ｂ）前記滴定セル装置の各滴定セル（６６）に配置されたセンサ（７０）を含む滴定センサ装置と、
   （ｃ）前記滴定セル装置の各滴定セル（６６）内に収容され、前記滴定セル（６６）の少なくとも２つにおいて量が異なっている滴定剤を特徴とする、
   カートリッジ。
2. （ａ）前記カートリッジ（４０）が分析測定装置（２００）に操作可能に接続されると、前記センサ装置から前記分析測定装置（２００）への操作上の電気的通信が行えるように配置された導電体装置（５６）と、
   （ｂ）前記主流路（４４）と前記滴定セル装置の間が液体流で通じるようにする副流路（４４ａ）が含まれていることと、
   （ｃ）前記滴定セル装置に、少なくとも４つの滴定スパー（６３）が含まれており、各スパー毎に、滴定セル（６６）が含まれていることと、
   （ｄ）滴定セルの少なくとも４つに、異なる量の滴定剤が収容されていることを特徴とする、
   請求項１に記載の試料分析カートリッジ。
3. （ａ）スパー廃液室（６８）が含まれており、
   （ｉ）各滴定スパー（６３）が、主流路（４４）から、最終的には、選択された滴定セル（６６）を介して、前記スパー廃液室（６８）に液体流で通じるように構成されていることを特徴とする、
   請求項１及び２の任意の一方に記載の試料分析カートリッジ。
4. （ａ）各滴定スパー（６３）が毛細管スパーであることを特徴とする、請求項１及び２の任意の一方に記載の試料分析カートリッジ。
5. （ａ）滴定セルによる選択分析物滴定セットを構成する、前記滴定セルの１つ以上を含む、１組の選択滴定セルが含まれており、
   （ｉ）滴定セルによる前記選択分析物滴定セットにおける各セル毎に、選択分析物の滴定剤が含まれることと、
   （ｉｉ）前記選択分析物滴定セットにおける前記毛細管スパーのうち、選択されたスパーにおける選択分析物の滴定剤の量が、前記センサ装置の動作に基づいて、選択分析物の滴定計算値を得るのに十分なほど異なることを特徴とする、
   請求項４に記載の試料分析カートリッジ。
6. （ａ）前記選択分析物の滴定剤（７４）がヘパリンの滴定剤であることを特徴とする、請求項５に記載の試料分析カートリッジ。
7. （ａ）カートリッジの面積が１００ｃｍ ^２ 以下であるベース構造（４２）と、
   （ｂ）主流路及び滴定スパーの１００マイクロリットル以下の全試料容積と、
   （ｃ）２．５μｌ以下の各滴定セルの滴定セル容積が含まれており、
   （ｄ）前記選択分析物滴定セットの各毛細管スパーによって、選択滴定セル容積の５％内の滴定セル容積が決まることを特徴とする、
   請求項５及び６の任意の一方に記載の試料分析カートリッジ。
8. （ａ）前記主流路（４４）内に配置されている、滴定セル内に設けられた全センサのための単一基準電極（５４）と、
   （ｂ）前記主流路（４４）内に配置された少なくとも１つの分析センサ電極（４８、４９、５０、５１、５２、５３）と、
   （ｃ）主流路廃液リザーバ（４５）が含まれており、
   （ｉ）前記主流路（４４）が、前記液体試料注入口（４３）と前記主流路廃液リザーバ（４５）の間に液体流を通じさせるように配置されていることを特徴とする、
   請求項１及び２の任意の一方に記載の試料分析カートリッジ。
9. 液体試料中における分析物の存在を明らかにする方法であって、
   （ａ）単一主流路（４４）と液体流で通じる複数の滴定スパー（６３）に液体試料を送り込むステップと、
   （ｂ）滴定スパー（６３）のうち選択した複数のスパーにおいて、前記液体試料中における選択分析物及び選択試薬（７４）の少なくとも一方について量の異なる滴定を施すステップと、
   （ｃ）前記滴定ステップによって測定される滴定分析結果に基づいて、前記液体試料中の分析物の量を計算するステップが含まれている、
   方法。
10. （ａ）前記滴定ステップに、血液試料中のヘパリンの滴定が含まれることと、
    （ｂ）前記送り込むステップに、面積が１００ｃｍ^２以下の分析試料カートリッジ（４０）に液体試料を送り込むステップが含まれることを特徴とする、
    請求項９に記載の方法。
11. （ａ）前記計算ステップに、該異なる量で、少なくとも６つの異なるセルで行われた滴定測定結果に基づく計算が含まれることを特徴とする、請求項９及び１０の任意の一方に記載の方法。
12. （ａ）前記滴定ステップに、プロタミンによる血液中のヘパリンの滴定が含まれることを特徴とする、請求項９及び１０の任意の一方に記載の方法。

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