JP4943445B2 - 流体試料をセンサーアレイにデリバリーするための方法及びシステム - Google Patents

流体試料をセンサーアレイにデリバリーするための方法及びシステム Download PDF

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Description

本発明は一般に化学センサーアレイに関し、さらに詳しくは、流体試料を化学センサーアレイにデリバリーするため、並びにセンサーアレイの多数のセンサー素子からの化学的及び生化学的情報を並列処理するための新規で改良されたシステム、方法及び装置に関する。本発明はまた、一般にミクロ流体装置の分野にも関する。さらに詳しくは、本発明は、ミクロ流体装置で使用するための材料及びミクロ流体装置の製造方法に関する。
多くの化学的及び生化学的測定は、完全に装備された分析施設の外部の場所で実施する必要がある。そのためには、プロセス監視又は水質監視のために迅速な試験応答が要求される場所に運搬できるように、或いは興味の対象となる特定の生物学的又は生化学的化学種に関する迅速な試験結果を得るため医療環境に配備できるように小形化されたポータブルシステムが必要とされる。これらの化学的及び生化学的分析は、単独の試験を用いて個別に実施し、試験後に結果の品質又は精度を向上させるための最適化を施すこともできる。しかし、直列アプローチを用いて多次元の相互作用を完全に補償するのは困難であるので、このような直列アプローチは固有の欠点を有している。さらに、このようなアプローチは時間がかかる上に誤った結果を生じることがある。異なるプラットホーム上で又は異なる時間に試験を実施する場合に導入されるオペレーター誤差又はシステム誤差は、このシステムをさらに複雑化する。このような制約を解決するための最良の方法は、すべての所望測定を同一プラットホーム上で同時に実施することであるが、技術の現状ではかかる測定のための完全に統合されたプラットホームは得られていない。
現行の電気化学的アレイ技術は、オペレーターが単一の時点でアレイ化試験を実施することを可能にするが、これは電気化学的刺激に応答する物質に限定される。この場合には、通例、陽極ストリッピングボルタンメトリー法又はサイクリックボルタンメトリー法のような測定技法が使用されるか、或いは化学応答性材料（例えば、イオン特異性電極（ＩＳＥ））が電気化学検出器中に組み込まれる。このようなシステムは、一部のシステムに関しては生産的であるものの、電気化学システムに共通する制約（例えば、電気化学ポテンシャルに影響を及ぼす低及び高イオン強度での系統的問題）の多くによって制限される。さらに、これらのシステムの一部は重大な交差反応性又は干渉（例えば、共通オキシアニオン又は（ナトリウム、リチウム及びカリウムのような）小さい陽イオンの交差反応性）に悩まされることがある。
光学的測定又はスペクトル測定に基づく小規模なアレイ測定を可能にする他の試験プラットホームも存在している。これらは、マルチフロー湿式化学分析からの光学的検出であることもあれば、古典的な実験室手段のポータブルバージョン（例えば、ポータブル原子吸光分光計ユニット）であることもある。これらのシステムは、流体の流れ及び維持のために要求される力学によってしばしば制限され、或いは理論的には輸送可能であっても実際には移動性の低いことが判明したポータブル原子吸光分光計システムのような扱いにくい装置を形成する。また、誘導結合プラズマ原子分光分析法又は質量分析法のような追加の実験室システムを小形化することも言及されているが、これらの方法はポータブルハンドヘルドシステム又は現場配備可能なシステムに適用するのは困難である。
提唱された代替策は、光学センサーフィルムの十分に特性決定された化学的応答に基づく光学プラットホームを使用することである。かかるシステムは、最適化波長での吸光度値を変化させることで検体濃度に応答する固体の化学応答性フィルムを使用する。このプラットホームは、特定の試験マトリックスについて知られたすべての干渉性又は交差反応性化学種に関するセンサー試験素子を組み込むと共に、試験試料条件の極端（例えば、高い及び低いイオン強度並びに高い及び低い緩衝液強度）における試験限界を解明するように拡張することができる。このシステムは、特定のたたみこみ解除解析を要求する試験素子を測定するように特別に設計されたアレイ状に成形できる小さい試験プラットホームを提供するという追加の利益を有している。
光学的化学センサーはまた、２つの一般的部類（可逆的及び不可逆的）に分けられる。完全に可逆的なセンサーは、試験流体中における標的検体の濃度に対して急速に平衡化し、検体濃度が変化した場合にはその応答が変化する。可逆センサーの例は、ポリマーフィルムｐＨセンサー及びイオン選択性オプトード（ＩＳＯ）である。それとは対照的に、不可逆センサーは、センサー中の応答性試薬が枯渇するまで試験流体中の検体に応答し続ける。即ち、不可逆センサーは試料中の検体濃度でなくセンサーにとって利用できる検体の総量に応答する。多くの非ＩＳＯ型センサーがこのカテゴリーに属する。
可逆センサー中の試薬は試料中の検体と化学的平衡状態にあるので、試料体積が有限であれば、試料に対するセンサーフィルムの暴露は検体濃度を変化させる。このため、可逆センサーフィルムは大過剰量の試料体積又は所定量の試料体積に暴露することが必要となる。後者の場合、有限体積効果に原因する誤差を低減させるために補正を行うことができる。同様に、不可逆センサーでは、センサー応答が試験流体の制御された体積中における検体濃度を反映するように試料体積を制御することが必要となる。
定量分析のために設計されたセンサーアレイでは、上述した理由により、アレイ素子を液体試料中に単に浸しただけでは満足すべき結果が得られないことがある。可逆センサー及び不可逆センサーの両方からなるセンサーアレイについては、各センサー領域が暴露される試料体積を制御しなければならない。その上、体積の調整はセンサー間の相互汚染を防止するためにも役立つ。本発明では、センサーフィルム組成物は一定の試料体積に暴露された場合に最適化性能を示すように設計される。
不可逆センサー又は不可逆センサーと可逆センサーとの組合せからなる光学センサーアレイでは、各センサー素子に制御された体積の試験流体をデリバリーする何らかの形態の流体制御を行わなければならない。今日利用できる大抵のシステムでは、このような制御された体積をデリバリーするために何らかの形態のポンプ又は機械的多重添加装置（例えば、マルチウェルプレートへのロボット添加）が使用される。これらの装置は、多くは扱いにくい上、現場での頑強性に欠けると共に苛酷な環境での遠隔試験に適さない機械的及び電気的部品を必要とする。最終用途に応じて機能性及び能力の異なる分析機器用の専用サンプリング装置が開発されている。センサーに関しては、各種のサンプリングアプローチが知られている。例えば、我々の先行米国特許第６３６０５８５号に開示されているような対象の化学物質に対するセンサー領域の逐次暴露、及び我々の先行米国特許第６６７６９０３号に開示されているような大きい面積中における複数の領域からのサンプリングがある。これら両方の特許の開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。
従来の湿式化学方法に取って代わるため、多数の出版物及び特許がセンサー方法、試薬及び装置の開発に向けられてきたが、複数検体の同時検出のための経済的かつ簡便で現場配備可能なセンサーシステムに対するニーズが今なお存在している。
やはり要望されているのは、ポンプ、弁又は灯心材料を使用することなく所定の時間内で制御された量の液体試料を複数のセンサー領域にデリバリーするための改良方法及びシステムである。多くの科学及び技術分野では、所定量の流体試料を複数の位置にデリバリーすることがしばしば要求される。検体濃度の測定に際しては、試料中の複数の検体を分析できる複数の検出部位に流体試料を分配する必要がある。高スループットのスクリーニング及び組合せ研究では、液体反応物を反応部位のアレイに分配することが望ましい。通常、複数の位置への液体デリバリーは、ポンプ輸送、液体ジェット分配、及び単純な手動又は機械的ピペッティングに類似の方法（例えば、液体分配ロボットシステム）によって行われている。
近年、フルイディックス設計のために毛管効果が利用されてきた。既知の受動機構に付随する欠点の１つは、これらが通例は吸収材料又は灯心材料の使用に頼っていることである。これは、少量の試料を多数の位置にデリバリーするための装置の製造を困難にする。その上、先行技術で開示されている装置は流体パケットを複数のセンサー領域にデリバリーすることができない。それどころか、吸収材料は感知又は反応マトリックスの一体化部分である。かかる部位にデリバリーされた液体は、マトリックス内の材料を濡らすだけである。その結果、センサーアレイ及びその他多くの用途のためには、所定量の液体試料を複数の位置に投与することが一層望ましい。
流体デリバリー装置に対するニーズと取り組むため、１９９０年代初めには従来の半導体加工方法を用いてガラス及びシリコン中にミクロ流体装置を製造したことが知られている。これらの装置は、その頑強性及び表面特性のため、電気泳動分離、有機合成、複製連鎖反応及びイムノアッセイを含む広範囲の化学的及び生化学的用途にとって理想的であった。しかし、高い製造コストのため、ミクロ流体装置の製造はより安価な材料（例えば、ポリマー）へと移行した。
ミクロ流体装置に通例使用されるポリマーには、ポリジメチルシロキサン、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレートなどがある。これらのポリマー材料は、高い表面エネルギー、劣ったバリヤー性、及び低い耐薬品性をはじめとするあまり望ましくない表面特性を有することが多い。これらの表面特性問題の一部を排除すると共に、ＤＮＡ、タンパク質及び抗体のような検体分子を結合するようにプラスチック装置の表面を官能化するための方法が開発されてきた。しかし、これらの方法は複雑であると共に、低い効率及びミクロ流体流路の低い空間解像度をもたらすことがある。
通例、望ましい表面特性を得るため、望ましい性質を有する１種以上の材料がミクロ流体流路に充填される。しかし、これらの充填方法は複雑であり、時間がかかり、しばしば閉塞された流路をもたらす。
流体又はミクロ流体デリバリー装置で使用するのに適した材料であって、好ましくはミクロ流体流路中に望ましい性質を得るため官能化し得るように構成された材料に対するニーズが存在している。また、ミクロ流体装置の製造コストを削減するため、これらの装置の迅速で効率的な製造方法の提供に対するニーズも存在している。
米国特許第６３６０５８５号明細書 米国特許第６６７６９０３号明細書
一態様では、本発明は、化学的又は生物学的物質（例えば、水系）中における複数の検体濃度を同時に測定するための試料体積制御型センサーシステムであって、内部の光学的及び位置標準として役立つ１以上の参照領域を含みながら、化学的刺激、生物学的刺激又は環境刺激に応答して１以上の光学的性質を変化させるように選択された１組の可逆的及び不可逆的検体応答性センサー素子、並びにセンサー素子のアレイ上に光を導くための光源を含んでなるセンサーシステムに関する。光源の位置及びスペクトルプロフィルに合わせてその性能を調整でき、次いで画像化された応答をディジタルレコードに変換する検出器準拠イメージング装置が設けられる。画像強度、色パターン、配列などに基づく多くの配置状態の１つによって素子上の試験組成物を識別するための画像識別アルゴリズムが設けられる。センサーアレイからの応答を取り込んで、完全なシステム及び変数補償なしには得られない最適化結果を生み出すためのソフトウェア準拠最適化アルゴリズムが設けられる。
別の態様では、本発明は、流路及び液溜めを含んでなる装置であって、所定時間内にセンサー素子のアレイを含む複数の液溜めに制御された量の液体試料をデリバリーすることができる装置に関する。装置内における液体輸送のための駆動力は、主として、液体の表面積エネルギー及び流路／液溜め界面によって生み出される毛管力である。かかる装置は、いかなる灯心材料の使用にも頼らず、容易に入手できる材料を用いて安価に製造できる。流体をセンサーアレイに導くための他の方法であって、本発明の技術的範囲内にあると考えられるものには、電気浸透流れ、電気湿潤、熱毛管ポンピング、磁界、表面指向流れ、電気化学的制御、機械装置（例えば、注射器）、向心力、表面エネルギー勾配がある。本発明の一用途は、制御された体積の液体試料を光ディスク上のセンサーアレイにデリバリーすることである。
水系及びプロセス系中における１組の生物学的及び化学的化学種を監視するための総合分析方法も開示される。かかるシステムには、複数の検体の全濃度を同時に測定するために可逆的及び不可逆的光学センサーの試料体積制御型アレイが設けられる。本方法は、複数の検体を含む媒質にセンサーアレイを暴露し、センサーアレイの応答をディジタルレコードとして記録することを含んでいる。センサー応答を処理してノイズ及び干渉を低減させ、多変量解析を適用してアレイ応答を改善する。次に、改善されたアレイ応答を利用して、化学的又は生物学的物質或いは水系中における検体の濃度を測定し、監視し、制御する。
本発明の他の実施形態は、１以上のミクロ流体流路を有するミクロ流体装置、ミクロ流体装置を使用するシステム、及びミクロ流体装置の製造方法に関する。
本発明の例示的な一実施形態はミクロ流体流路である。ミクロ流体流路は、１以上のミクロ流体流路パターンを有する第１の基材を含んでいる。さらに、ミクロ流体流路は、第１の基材上に配設されかつ１以上のミクロ流体流路パターンを満たす多孔質材料を含んでいる。
本発明の別の例示的な実施形態は、ミクロ流体装置を使用するシステムである。かかる装置は複数のミクロ流体流路を含んでいる。ミクロ流体流路は、複数のミクロ流体流路の１以上を画成するキャビティ内に配設された多孔質媒体を含んでいる。多孔質媒体は、それを通って試料溶液が流れるように形成されている。
本発明の別の例示的な実施形態は、ミクロ流体装置の製造方法である。かかる方法は、１以上のミクロ流体流路パターンを有する第１の基材を用意し、１以上のミクロ流体流路パターン内に多孔質材料を配設することを含んでいる。かかる方法はさらに、機能化し得る表面を与えながらミクロ流体流路を画成するように多孔質材料を改質することも含んでいる。
上記その他の利点及び特徴は、添付の図面に関連して示される本発明の好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明から一層容易に理解されよう。
図面の簡単な説明
図１は、本発明の例示的な一実施形態に係る毛管流れ式流体デリバリーサンプリング装置用のアセンブリスタックの斜視図である。
図２は、本発明の別の例示的な実施形態に係る分岐直列型流路−液溜め構造を示している。
図３は、本発明の別の例示的な実施形態に係る並列・直列型流路−液溜め構造を示している。
図４は、本発明の別の例示的な実施形態に係る廃液溜め及び遅延流路を備えた流体デリバリー構造を示している。
図５は塩素感受性フィルムの画像であって、塩素濃度は右から左に向かって１、２、４、５、１０及び５０ｐｐｍである。
図６は、塩素測定用の検量線を示している。
図７は、アルカリ度感受性フィルムの画像である。
図８は、スキャナーを用いて捕えたディジタル画像から計算した[(Ｒw−Ｒ)2＋(Ｇw−Ｇ)2＋Ｂ2]1/2／Ｂwを溶液アルカリ度の関数としてプロットしたグラフである。
図９は、[(Ｒw−Ｒ)2＋(Ｇw−Ｇ)2＋Ｂ2]1/2／Ｂwと光反射率プローブを用いて６５０ｎｍで測定した吸光度との相関関係を示すグラフである。
図１０は、カラーディジタルカメラで捕えたディジタル画像から計算した[(Ｒw−Ｒ)2＋(Ｇw−Ｇ)2＋Ｂ2]1/2／Ｂwを溶液アルカリ度の関数としてプロットしたグラフである。
図１１は、スキャナーに対するカメラの性能を示すグラフである。
図１２は、ｐＨ測定の多変量目盛定めを示すグラフである。
図１３は、欠陥を有するｐＨセンサーフィルムを示している。
図１４は、ＲＧＢ値に対するフィルム欠陥の効果を示すグラフである。
図１５は、標準偏差基準による１群のピクセルの棄却を示すグラフである。
図１６は、Ｃａセンサーフィルム用の検量線を示すグラフである。
図１７は、様々な温度におけるモリブデン酸イオンセンサーフィルムの動的応答を示すグラフである。
図１８は、２５．３℃の水試料への暴露中におけるモリブデン酸イオンセンサーフィルムの色変化を示すディジタル画像を含んでいる。
図１９は、モリブデン酸イオンセンサーの応答に対する温度効果を示すグラフである。
図２０は、実施例１に関する流路及び液溜めのレイアウトを示している。
図２１は、実施例１に関する予測充填時間と実験的充填時間データとの比較を示している。
図２２は、５４の２３μｌ液溜めに関する平均充填時間を、実施例２での６回の試験から得られた誤差バーと共に示すグラフである。
図２３は、実施例９に詳述する試料体積制御型サンプリング装置を用いて得られたマグネシウム感受性フィルムに関する検量線である。
図２４は、本発明の例示的な一実施形態に従ってセンサー素子を有する基材に取り付けた軟質材料サンプリング層であって、素子を各液溜め内で制御された体積の試料液体に暴露したところを示す写真である。
図２５は、基材を試料容器から取り出す際に液体が液溜めアレイを満たす文献記載例を示している。
図２６は、単一の基材上で試料を流入点から複数のセンサー領域にデリバリーするための流路−液溜め構造を示している。
図２７は、流体導入用ディスクの中央に流入点を有する、ＤＶＤ及びディスクケースの形態をもった例示的な流体サンプラーの斜視図である。
図２８は、組立ての準備が整った、本発明の例示的な一実施形態に係る流体デリバリー装置の斜視図である。
図２９は、組立てが済んだ図２８の流体デリバリー装置の斜視図である。
図３０ａ〜３０ｃは、本発明の例示的な実施形態の断面図である。
図３１ａ〜３１ｄは、サンプラーに水試料を充填する様々な段階における組立て済みサンプラーの動作進行状態の動的吸光度イメージングを示している。
図３２ａ〜３２ｃは、制御された試料体積中への試薬の制御浸出をもたらすセンサー素子を用いて組立て済みサンプラーの動作進行状態を評価するための動的吸光度イメージングを示している。
図３３は、試料を注入する前の時点からセルが完全に充填された時点まで、６秒の時間間隔で収集した吸光度測定値を示すグラフである。
図３４ａは、本発明の例示的な一実施形態を示している。
図３４ｂは、図３４ａの例示的な実施形態の部分断面図である。
図３５ａは、本発明の例示的な一実施形態である。
図３５ｂは、図３５ａの例示的な実施形態の部分断面図である。
図３６ａ〜３６ｃは、本発明の例示的な一実施形態を挿入して液体試料から取り出すところを示している。
図３７は、図３４ａ〜３４ｂに従って製造した例示的なデリバリー装置の性能を示すグラフである。
図３８は、図３５ａ〜３５ｂに従って製造した例示的なデリバリー装置の性能を示すグラフである。
図３９Ａはミクロ流体装置の三層の堆積構造体の分解断面図であって、堆積構造体は本発明の例示的な実施形態に従って第１の基材、多孔質層及び第２の基材を含んでいる。
図３９Ｂは、図３９Ａの堆積構造体に従って形成されたミクロ流体装置の断面図である。
図４０Ａは、本発明の例示的な実施形態に従って官能化多孔質層及び基材を含むミクロ流体装置の堆積構造体の分解断面図である。
図４０Ｂは、図４０Ａの堆積構造体に従って形成されたミクロ流体装置の断面図である。
図４１Ａはミクロ流体装置の三層の堆積構造体の分解断面図であって、堆積構造体は本発明の例示的な実施形態に従って第１の基材、多孔質層及び第２の基材を含んでいる。
図４１Ｂは、線４１Ｂ−４１Ｂに関する図４１Ａの堆積構造体の断面図である。
図４１Ｃは、図４１Ａ及び４１Ｂの堆積構造体に従って形成されたミクロ流体装置の断面図である。
図４１Ｄ及び４１Ｅは、それぞれ線４１Ｄ−４１Ｄ及び線４１Ｅ−４１Ｅに関する図４１Ｃのミクロ流体装置の断面図である。
図４２は、本発明の例示的な実施形態に従って第１及び第２の異なる水平面の位置にある個別のミクロ流体流路を用いたミクロ流体装置の断面図である。
図４３は、本発明の例示的な一実施形態に従って多孔質層を圧縮することで形成されたミクロ流体流路を表す図である。
図４４は、本発明の例示的な一実施形態に係るミクロ流体装置を用いた生物学的アッセイシステムの略図である。
本発明は、ノイズの低減、干渉の低減、多重化学応答からの改善、多変量解析及びたわみ性プラットホームを組み込むと共に、系統誤差又はオペレーター誤差を最小にした最適化応答を与えるように試験アレイを注文設計できる試験アレイプラットホームを記載する。このようなアレイ準拠試験プラットホームは、簡単な検出アレイから構成された頑強で現場配備可能なシステム中に組み込むことができる化学応答性の光学センサー素子に基づいており、これらのシステムは、実験室以外の場所で最適化測定値を得るために必要な複雑な解析を実施できるコンピューター又は電子ユニットと容易にインターフェース接続できる。
本発明の一態様は、化学的及び生物学的検体測定に影響を及ぼす多くの系統的変数を考察するための光学センサーフィルムを開発できるという認識にある。これらの化学的及び生物学的センサーシステムは、いくつかの機能性部品を含んでいる。１つの構成部品は、環境の変化に応答するセンサー材料である。かかるセンサー材料の例は、検体応答性のポリマー、生体膜、ゾル−ゲルなどである。光学センサーの場合、センサー材料は、光の透過、反射、分散、蛍光、又は当技術分野で公知のその他任意の常用光学的方法を用いて化学応答性複合体を監視するのに十分な光学的透明度又は透過度低下を維持すべきである。本明細書中に記載されるもう１つの構成部品は、環境暴露後におけるセンサー材料の変化を測定する手段を提供する電子システムである。したがって、環境と該材料との相互作用は、光学的感知のような適当な変換機構を用いて分析的に有用な信号に変換される。このようなアレイ式光学的検出プラットホームは、干渉、環境変動などを補償すると共に、ノイズ低減及び試験最適化を行って完全に統合されていないシステムで得られるものより高い品質の最終結果を与える「スマートシステム」にインターフェース接続される。
以下のセクションでは、このような総合分析システムの構成部品が一層詳しく記載されると共に、完全なアレイ試験プラットホームに適用した場合に各構成部品が一層の向上をもたらし得ることの例が示される。総合分析システムは、これらの改良要素を各々を組み合わせることで、個別要素の同時併用から生み出される向上した性能を有する単一のシステムを製造して得られるものである。
センサーアレイ
光学センサーアレイは、センサー素子が試料への暴露に際して色又は他の光学的性質を変化させることで検体濃度に応答する１組の検体応答性素子である。全センサー素子の数及びセンサー素子のタイプは、特定のシステム分析ニーズに応じて選択できる。非限定的な例としては、水分析用センサーアレイの１つは、以下の検体、即ちアルカリ度、ｐＨ、塩素、硬度、亜硫酸イオン及びリン酸イオンに応答する光学センサー素子を含んでいる。
本発明で使用するのに適したセンサータイプは、本願と同日に提出した「痕跡濃度の化学種測定用センサーのための材料組成物及びセンサーの使用方法」及び「自給式リン酸イオンセンサー及びその使用方法」と称する我々の同時係属特許出願中に記載されており、これらの開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。
光学センサーアレイは、固体の基材上に付着させた固体センサー素子のアレイからなっている。固体素子は、単一又は複数の構成部分を含み得る。固体センサー素子中の構成部分の１つ又は全部が水溶性であり得る。センサーアレイの性能を高めるため、センサー素子中の構成部分について異なる溶解特性の組合せを選択することができる。例えば、センサー素子は検体濃度に応答する水溶性試薬を含むヒドロゲルポリマーから製造できる。
基材に対する固体素子の付着力を高めるために結合剤を使用できる。センサー領域の湿潤性を向上させるため、液体展着材料（例えば、界面活性剤）を固体素子に添加できる。液体展着材料は、固体素子と基材との間に配置してもよいし、或いは素子上又は素子周囲のような他の位置に配置してもよい。本発明に必要なセンサーアレイを製造するために適した常法には、Ｗｉｌｓｏｎ ＆ Ｗｉｌｓｏｎ’ｓ Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２００２中のＺｏｌｏｔｏｖ ｅｔ ａｌ．，“Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ａｎａｌｙｓｉｓ”に記載されているような試験紙ストリップ及びポリマーフィルムセンサーの製造方法がある。その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。
アレイ光源−検出器の組合せ
光学アレイ上でのセンサー応答を測定するために適する光源／検出器の組合せは数多く存在する。例えば、２００４年１月２０日に提出した我々の先行米国特許出願第１０／７６０，４３８号には、複数検体の化学分析用の使い捨て素子を有するハンドヘルド装置が記載されている。その開示内容も援用によって本明細書の内容の一部をなす。
本発明に目を向ければ、本発明は、複数のセンサー素子からの並列フィルム応答を同時に検出するための新規なシステム及び方法に関する。下記の表は、光学センサーアレイシステムに関連した用途のため、並びに本発明で使用するのに適した化学的及び生化学的情報の並列処理のためのＵＶ−可視−近ＩＲ範囲の光源を示している。対象となるスペクトル域の放射を放出する他のあまり一般的でない光源（例えば、日光、有機発光ダイオード、室内光、生物発光反応の生成物、コンピューターモニターやＰＤＡモニターや携帯電話ディスプレイやページャーのような電子装置の発光、放射線ルミネセント光源、及び当技術分野で既知であるか又は後に開発されるその他任意の光源）も本発明の技術的範囲から逸脱せずに使用できることは言うまでもない。
使用可能な検出器には、単独又は多重チャネルの真空又は固体検出器がある。真空検出器は、光電管及び光電子増倍管（ＰＭＴ）である。固体検出器には、ホトダイオード、ホトダイオードアレイ、電荷結合素子（ＣＣＤ）、電荷注入素子（ＣＩＤ）及びアバランシホトダイオードがある。多重チャネル検出器には、ホトダイオードアレイ及びＰＭＴアレイのような個別検出器のアレイがある。また、ＣＣＤ、ＣＩＤ、ＣＭＯＳ及び他のタイプの多重チャネル検出器も利用可能である。各要素は固有の利点及び欠点を有しており、組み合わせることで具体的な用途における特定のニーズに適した光源検出器プラットホームを形成できる。同様に、２種以上の光源又は検出器を組み合わせることでセンサーフィルム上における様々な種類の応答を監視すること、及び当技術分野で公知のやり方でこれらを組み合わせて共通のアレイプラットホームを形成することも可能である。
例えば、例示又は想定される光源のいずれかで照明し、ディジタルスキャナー又はカメラで捕えることで、対象のカラー画像を記録することができる。ディジタルカメラ中のＣＣＤカラーセンサーは、対象の三原色（赤、緑及び青）の強度を測定する。各ピクセルの赤−緑−青（ＲＧＢ）色強度値がディジタルファイル中に記録される。色の深度（即ち、ＲＧＢ値の範囲）は通常０〜２５５である。色はまた、照明用の白色光源及び何らかの形態の簡単な色光検出器を用いるディジタルスキャナー内のＣＣＤカラーセンサーで測定することもできる。しかし、若干のディジタルスキャナーは測色のために３つのＬＥＤ（赤、緑及び青）を用いて対象を照明する。ディジタルカメラと異なり、大抵のディジタルスキャナーは４８ビット以上の色解像度を与える。このような色モデルでは、各ピクセルの色は０〜６５０２５の範囲内のＲＧＢ値で定量化される。ディジタルカメラ及びスキャナーによって三原色のスペクトル域は、モデルに応じてわずかに異なる。典型的なＣＣＤカラーセンサーのスペクトル応答は、それぞれ４６０±４０ｎｍ、５４０±４０ｎｍ及び６４５±５５ｎｍである。我々は、定量的な測色分析のためにディジタルイメージング装置を用いる。このような態様では、ディジタルイメージング装置は複数の三色ＬＥＤ／ホトダイオード対と同等である。
流体デリバリーシステム
図１は、本発明の例示的な一実施形態に係る流体デリバリー装置１０を示している。デリバリー装置１０は、試料流体と液溜め８に接続されたセンサー素子（図示せず）との間で化学反応を生起させるため、制御量の液体試料を計量された量で複数の液体８に輸送する。図１に示すように、流体デリバリー装置１０は上部カバー層２、中間流路層４、下部サンプラー−基材結合層（即ち、ガスケット）６、流体入口１２及び付属したプラスチック入口ウォールリング１１を含んでいる。試料流体を流体入口１２から液溜め８に導くため、流路層４上に複数の溝又は流路５が形成されている。カバー層２を流路層４に結合した場合には複数の流路が形成される。流路系を通して完全な流体流れを保証するために一連の通気穴７が設けられている。
本発明で開示される装置を製造するためには、多くの商業的に入手可能な親水性フィルムが上部層として選択できる。若干のフィルムでは、親水性の側にヒートシール可能な接着剤が付着している。接着剤なしのフィルムに関しては、超音波溶接及び接着剤転写結合のような標準結合方法を用いてカバー層を流路層に貼り合わせることができる。親水性フィルムは、ヒートシール可能かつ感圧接着性であることもある。
流路層４は、射出成形、熱間エンボシング及びミクロ機械加工のような通常のプラスチック加工方法を用いて形成できる。４０〜８５度の範囲内の水接触角を有する多くのプラスチック材料が流路層用として使用できる。例えば、ポリカーボネート及びアクリル樹脂がこの用途のために好適な材料である。
サンプラー結合層６は、４０付近のショアＡジュロメーター数を有すると共に、表面湿潤、コンフォーマル接触及び／又は接着結合により平坦な表面に対してシールをもたらす任意の材料であり得る。このような用途のための非限定的で例示的な材料は、シリコーンゴム、合成ゴム及び熱可塑性エラストマーである。サンプラー結合層６は押出しシリコーンシートであり得る。両面接着材料も使用できる。サンプラー結合層６は接着剤を用いて流路層に結合できるが、ポリカーボネート又はＵｌｔｅｍのような耐熱プラスチック材料を選択することで、流路層に対してサンプラー結合層のインサート成形又は二部分成形を行うこともできる。
カバー層２は流体流路に超親水性表面を提供するが、これは流路を通って流れるように流体を駆動する総合毛管力に大きく寄与する。カバー層にはまた、空気を通過させるための複数の小さい穴７が（各液溜め８上に１つずつ）設けられている結果、流入する液体によって液溜めから空気が排除される。毛管力が流路５を通して流体を駆動するので、予め定められた順序で所定量の液体試料又は試薬を試料入口１２から複数の液溜め８にデリバリーするためのポンプや弁は不要である。その結果、装置１０は費用のかからないプラスチック加工方法で効率よく製造できる。次に、流体デリバリー装置１０は、関連するセンサー素子との反応を完結させるために試料液体を計量された量で液溜め８に輸送及び投与するための化学的又は生物学的センサーアレイシステムの一構成部分として統合できる。
液溜め自体より小さい毛管寸法を有する流路５から液溜め８を効果的に充填するのは、容易なことではない。流路から液溜めへの移行部は、流路の末端から液溜めへの液体の通過を妨げる点で毛管障壁のように作用する可能性がある。この障壁を乗り越えるには、重力のような外力が必要となることがある。他の場合には、流路及び液溜めパラメーターを注意深くバランスさせることで、通気穴７からのオーバーフローを回避しながら移行時間を短縮することができる。
本発明では、以下のような設計上の特徴を実現することで上述した毛管障壁移行の問題を解決する。第一に、カバー層用として片面が超親水性のフィルムを選択するが、これは液体が液溜めの上壁全体に有利に蓄積して懸垂液滴を形成することを可能にする。液滴が成長すると、重力によってそれは液溜めの底壁に達し、次いで液溜めの４つの壁に起因する毛管力が液体を駆動して液溜め全体を満たす。液溜めが完全に満たされると、通気穴が毛管障壁として役立ち、液体がそれを通過して（疎水性となるように設計された）カバー層の上面に達するのを妨げる。第二に、望ましい充填体積及び充填順序を達成するため、流路及び液溜めの幾何学的パラメーター、入口からの静水圧、並びに流路の毛管圧力を最適化することで流体の流れ抵抗を調整する。加えて、液溜め８の側壁の一部と見られるサンプラー結合層６も、懸垂液滴が成長すると毛管障壁を生み出す。したがって、各液溜めの完全な充填を確実にするためには、サンプラー結合厚さを含めて流路及び液溜めのパラメーターを注意深く設計することが重要である。
再び図１について説明すれば、各流路５は単一又は複数の液溜め８への供給を行うことができる。スペースに関する配慮から流路が複数の液溜めへの供給を行う必要がある場合には、流路５中への気泡の閉込めを防止するため、図１に示すような単純な分岐型構造を形成すればよい。分岐型構造では、液溜めの充填順序は相対的な総合流れ抵抗に基づいて容易に制御できる。流路寸法が構造内において同一であれば、液溜め充填順序は液溜めと入口とを連結する流路の長さに依存する。
図２は、液溜め４が直列型又は分岐直列型構造をなして連結された別の例示的な実施形態を示している。この構造は、試料流れが分岐型構造中の様々な分岐液溜めに到達する前に、試料流れに様々な用量の試薬を添加することが所望される用途のために有用である。試料流れに可溶の酸試薬が液溜めＡ、Ｂ、Ｃ及びＤ内に固定化されていれば、液溜めＥ、Ｆ、Ｇ及びＨ内の液体箱となる量の酸を含むことになる。図２に示す構造は、液体試料と試薬との反応を分岐液溜めＦ、Ｇ及びＨ内において異なるｐＨ条件下で試験することを可能にする。このタイプの流体管理は、通例、ポンプ及び弁に基づく通常の方法で達成するのは非常に困難である。
図３は並列・直列型構造を示している。この構造では、液溜めＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ及びＦ内に異なる可溶性試薬を固定化し、液溜めａ〜ｄ内に同一の試薬を固定化することができる。このようにすれば、液溜めＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＦを通してデリバリーされる試薬の存在下で液体試料と液溜めａ、ｂ、ｃ、ｄ及びｆ内の試薬との一連のセンサー反応を生み出すことができる。
図３に示す液溜めＡ〜Ｄはセンサー素子をカバーするために使用できる一方、液溜めａ〜ｄは試料体積調節用として使用される。液溜めａ〜ｄの容積を変化させることで、液溜めＡ〜Ｄにデリバリーされる有効試料を調節することができる。
図２及び３に関連して記載した方法と同様にして、液溜めＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥは流路中を流れる液体から化学種又は化学物質を除去する材料又は膜を含むことができ、かくして後続の液溜めに液体が到達する前に液体の改質又は干渉の除去を行うことができる。
図４は、まず反応液溜め４２を第１の液体試料を短時間だけ充填し、次いで第１の液体試料を廃液溜め４８に抜き取ることを可能にする構造を示している。第１の液体を廃液溜めに抜き取った後、第２の液体試料を入口に添加し、駆動して反応液溜めを充填することができる。これらの流体機能を達成するためには、廃液溜め４８によって生み出される毛管圧力が、反応液溜め４２及び反応液溜め４２と入口１２とを連結する流路５によって生み出される毛管圧力より大きくなければならない。遅延時間は、遅延流路４４の長さ及び／又は流れ抵抗を変化させることで調節できる。
本発明で開示される流体デリバリー装置１０のもう１つの重要であるが任意の特徴は、それを基材から取り除くことができる点である。基材は液溜めの底壁を構成し、サンプラー結合層は基材に対する液体シールを構成する。これは、センサー素子又は反応素子を液溜め内に含めなければならない場合、先行技術で開示された多くの流体装置に比べて特に有利である。このような液体デリバリー装置を使用すれば、基材は独立に製造できる。
本発明で開示される装置は使用後に基材から分離できるので、それは再使用可能な装置であり得るが、使い捨て部品として処理するのにも適している。また、検体応答性センサーが可逆的又は再生可能であれば、基材も再使用可能であり得る。
基準材料を用いてセンサー応答を正規化することができる。これは、その分光特性がアレイの出会う環境パラメーター又はシステムパラメーター（例えば、温度、光及び湿度）によって影響されない任意の安定な材料であればよい。別法として、これはセンサー素子を付着させた基材自体であってもよいし、或いはこれらの基準材料をフィルム中に混入しても、アレイ構造に固定しても、又はアレイ構造材料であってもよい。これらの材料は、特定アレイシステムデザインに適した任意の適用可能な波長を有する、黒色から白色までの任意のスペクトル標準であってよい。基準材料はまた、センサー素子のスペクトルバンドと大きく重なり合わないスペクトルバンドを有する染料、有機顔料又は無機顔料であってもよい。基準材料はまた、無機、有機及びポリマー光子結晶のような光学応答材料からなっていてもよい。
内部基準からの応答を用いる正規化は、光路長の変動、センサー素子の寸法の変動、及び当技術分野で公知の他の変動源によって引き起こされる誤差を低減させるために有用である。さらに詳しくは、センサー素子中に内部基準を含めることは２つの状況下で重要である。第一に、暴露前のセンサー素子が無色透明である場合、試料への暴露前の光学測定値はセンサー応答の正規化のために有用ないかなる情報も提供しないことがある。第二に、試料への暴露前にセンサー素子の測定を行うことができない場合、暴露後の内部基準のλmax（最大波長）における読みを用いてセンサー素子のλmaxにおけるセンサー応答を補正できる。内部基準はセンサー素子の一体化部分であるので、光学的応答の変化を追跡することは試料及び環境への暴露後におけるセンサー素子の物理的状態に関する情報を与える。例えば、膨潤又は透明度低下に原因するセンサー素子の物理的状態の変化は総合センサー応答に寄与する。暴露前及び暴露後の内部基準のλmaxにおける信号の読みの差を用いることで、検体−センサー反応に原因するセンサー応答をセンサーの物理的状態の変化に原因するセンサー応答から分離できる。
センサーアレイ上に複数の基準材料を配設することもできる。基準領域から測定したＲＧＢ値を用いることで、センサー応答を正規化すると共に、画像捕獲プロセス中の照明変化によって引き起こされることがある変動を排除できる。正規化は、製造、貯蔵又は試料適用プロセス中に導入されるアレイ間変動を低減させることができる。
二次的効果がアレイ検出システムの性能を制限することがある。これらの効果には、アレイセンサーシステム由来のノイズ、環境又はシステムパラメーター由来の効果、製造又は試料適用プロセス中に引き起こされる欠陥、並びに真の検体応答を変化させるデータセット中の解明されないアウトライアー（例えば、干渉）がある。二次的効果の最小化は、個々の低減ツールを使用するか、或いは該当する場合には２以上のツールを組み合わせることで達成できる。
ノイズ低減を使用すれば、複数カテゴリーのデータ操作を用いてアレイ応答を改善できる。ノイズ低減の想定される一形態では、ディジタル画像ファイルを生成してコンピューター又はマイクロプロセッサー中に記憶し、ノイズ低減方法を適用して生データを解析する。これらの方法には、特に限定されないが、フーリエ変換、波長変換、カルマン濾波、Ｓａｖｉｔｓｋｙ−Ｇｏｌａｙ平滑化、ランニング平均法、メジアン法及び多項式法がある。色応答の場合、各センサー領域にわたるＲＧＢ値を平均することもできる。別の例では、選択的データ排除を適用することができる。この場合には、センサー素子内部の各ピクセルを中心とする小さい領域内で標準偏差（サブセット標準偏差という）を計算する。あるピクセル群のサブセット標準偏差が設定値より大きければ、このピクセル群をセットから棄却できる。
二次的効果低減の別の想定される形態では、システムは温度のような環境変数を感知する素子を有することができる。この場合には、温度測定値を用いて、この環境測定値又は類似の環境測定値に原因する所定の変動を解明できる。同様に、試料透明度、システム導電率、酸化還元電位、又はアレイ応答に影響を及ぼすことがある類似の変数のような一般的システムパラメーターを考察するために追加の測定素子を含めることもできる。これらの追加変数の測定値が得られれば、システムは一層簡単な解析ツールを用いて十分に補償されない効果を補償することができる。
二次的効果低減の別の想定される形態では、欠陥のある固体フィルムの欠陥に由来する応答を排除するためのシステムを確立できる。若干の欠陥は、センサーフィルムを製造するために使用されてフィルムの空間不均質性を生じる規格はずれの配合物によって引き起こされ、或いはフィルム中へのダスト粒子の混入のようにフィルム製造段階で導入されることがある。また、試料マトリックスへの暴露中に異物がフィルム上に付着することもある。ディジタル画像は、各センサー領域における色強度分布に関して非常に高い空間解像度を与える。このような空間情報はノイズ低減のために利用できる。各種のデータ解析ツールを使用することでフィルム欠陥由来の誤差を低減でき、欠陥によって引き起こされるノイズを識別するためのアルゴリズムを適用できる。例えば、センサー素子の領域全体に関するＲＧＢ値の平均及び標準偏差をまず計算する。これらをそれぞれセット平均及びセット標準偏差という。次に、各ピクセルからのＲＧＢ値をセット平均と比較する。その差がセット偏差の所定倍数より大きければ、このピクセルをセットから棄却できる。同様な計算を用いて１群のピクセルを棄却できる。センサー素子中の欠陥はまた、特異な色及び／又は空間パターン（例えば、線及び点）を示すこともある。パターン認識アルゴリズムを適用して欠陥領域を確認できる。欠陥領域からの光学応答はセット平均より大きいか又は小さい。したがって、正規性試験を用いて欠陥からの読みを棄却することもできる。これは、総合センサーフィルム品質が不良であってセット中にかなりの量のホワイトのイズが存在する場合に特に有用である。
干渉性の系中夾雑物も、アレイ結果中に誤差を引き起こすことがある。干渉化学種の濃度を直接に測定できる場合、或いは異種センサーフィルムからの並列応答からそれを推論できる場合に干渉の補償を行うことができる。溶解状態の化学種の相互依存性は干渉から生じることがあるが、このような干渉は干渉化学種と感知試薬との競合反応によって引き起こされることがある。伝統的な知恵は、個々の検体に関して無干渉性の化学試薬を開発することに焦点を合わせていた。干渉低減のために重なり合うスペクトル応答を解析するための化学計量データ解析アルゴリズムが使用されてきたが、これは文献中に記載されている。
本発明では、干渉問題を解決するために三部分のデータ収集及び解析方法が使用される。第一に、試料の化学的及び物理的状態を定義するパラメーターを測定するためのセンサーを設計する。これらのパラメーターには、温度、ｐＨ及びアルカリ度がある。第二に、１群の干渉化学種に独立に応答するセンサーを設計する。第三に、同じ検体に応答するが、異なる干渉応答を示すセンサーフィルムを設計する。これらのセンサーからのセンサー応答をたたみこみ解除することで、干渉化学種間における各検体の真の濃度を調べる。また、測定試料からのセンサーセットの応答パターンを保存モデルと比較することができる。保存モデルは、一定範囲の検体化学種に対するセンサーフィルムの応答及びこれらと様々なレベルでの予想干渉に対するセンサーフィルムの追加応答との組合せから構築される。検体及び干渉の様々な組合せにおける様々なセンサー応答を捕えることで、モデルは対象とする検体の動的範囲にわたる応答パターンを捕える。組合せ状態でのセンサーフィルムの定量分析を行うためのツールには、ニュートラルネットワーク法、主成分回帰法、局所重み付き回帰法、部分最小二乗法及び当技術分野で公知のその他任意の方法がある。
多変量解析は分析化学（特に分光分析）で広く使用されてきた。本発明の１つの態様は、系統的方法を用いて水系又はプロセス系中における複数検体の濃度を同時に測定することである。本発明で改質される例示的な方法では、水系又はプロセス系中の化学平衡の相互依存性をたたみこみ解除するように選択された複数のセンサー素子を含むセンサーアレイが用意される。用意されるセンサーアレイは、多変量解析のために必要であるが、それ以外には単純で精度の低い解析の一部として必要とされない水又はプロセスパラメーターに応答するように特別に設計されたセンサー素子を含み得る。さらに、アレイプラットホームは多重応答の化学的性質をもったシステムを使用でき、これらの化学的性質は二重応答結果をたたみこみ解除することで解釈される。
ｐＨ、アルカリ度、硬度及びリン酸イオンの測定は、各種の検体が相互依存性の応答を生じる水系試験の複雑な性質を示す非限定的な例である。ｐＨは、定義上、水試料の熱力学的性質によって定義される水素イオン活量の尺度である。ｐＨはまた、同じ水試料中の炭酸イオン濃度によっても影響される。炭酸イオンはいくつかの水性形態で存在するが、これらの比率は系のｐＨによって定義されるような複雑な一連の平衡状態で決定される。炭酸イオン及び対応するリン酸イオンの平衡は緩衝性の環境をもたらす。緩衝液は、少量の強酸又は強塩基を添加した場合にｐＨの変化に抵抗し得る共役酸−塩基対の混合物である。溶液の緩衝能力は、１リットルの緩衝液のｐＨを１ｐＨ単位だけ変化させるのに必要な強酸又は強塩基のモル数である。硬度は、系中に存在し得る多数の形態のカルシウム及びマグネシウム化学種を含めた全カルシウム及びマグネシウム濃度をいう。これらのカルシウム及びマグネシウム形態の一部はリン酸イオンを含むことがあり、これらのリン酸イオンは関連するイオンの可溶性形態と平衡状態にある。イオン濃度は、ｐＨを炭酸イオン濃度、リン酸イオン濃度及び硬度とバランスさせる複雑な平衡状態で存在している。リン酸イオンはまた水中に追加の形態で存在することもあり、この場合にも、それぞれのリン酸塩形態は一連の相互に関係する平衡状態にあるｐＨ、アルカリ度及び対イオンのバランスによって決定される。ホスフェートオプトードを用いてリン酸イオンを測定することができるが、ホスフェートオプトードは水中におけるただ１種のリン酸イオン形態（例えば、リン酸一水素イオン（ＨＰＯ4 2-）化学種）のみに応答することがある。全リン酸イオン濃度を求めるためには、試料のｐＨ、炭酸イオン濃度及び硬度も知らなければならない。水系中のすべての化学種は化学平衡状態にあり、単一検体の濃度を測定する場合にはすべての関連する平衡状態を考察しなければならない。単一検体の正確な測定を行うためには、これらの検体濃度をすべて測定すると共に、温度のような環境特性も考察しなければならない。
このような複雑な化学的及び熱力学的平衡の数学的詳細は当技術分野で公知であり、本明細書中に詳しく記載することはしないが、アルカリ度及びｐＨに基づく簡単な例を挙げて、色応答性試薬を用いる固体フィルムセンサーによる多重平衡測定に伴う困難を例示的に説明しよう。この非限定的な例の目的は、本発明で開示される系統的方法の１つを例示することにある。
ｐＨは下記の式で定義される。
ｐＨ＝−ｌｏｇ10ａH+ （式中、ａH+は水素イオンの活量である。）
水素イオンは、下記の平衡によって系中の他の化学種と関係づけられる。
Ｈ2Ｏ(ｌ) ⇔ Ｈ+(ａｑ)＋ＯＨ-(ａｑ)
ＨＡ(ａｑ) ⇔ Ｈ+(ａｑ)＋Ａ-(ａｑ)
ＨＡ(ａｑ)は水性ブレンステッド酸を表し、Ａ-はＨＡ(ａｑ)の共役塩基である。ブレンステッド酸及び塩基の存在は、系の酸性又は塩基性を生み出すばかりでなく、ｐＨ緩衝能力も生み出す。ｐＨ緩衝能力は水処理業界ではアルカリ度として測定するのが通例であり、これは主として全炭酸イオン濃度の関数である。
試料をｐＨセンサー領域に添加した場合、ｐＨ指示染料のようなｐＨ感知試薬（以後は「Ｉｎｄ」という）は下記の平衡に従って試料中の水素イオンと反応する。
Ｉｎｄ＋Ｈ+(ａｑ) ⇔ ＩｎｄＨ+
上記の平衡に従った指示薬濃度の変化を用いて試料のｐＨ値が決定される。指示薬分子（Ｉｎｄ及びＩｎｄＨ+）は異なるスペクトルを有しており、分光吸光度の変化は平衡状態のシフトを表し、これは系のｐＨのシフトを反映し得る。指示薬濃度の変化は、通例はセンサー領域の光学的性質の変化によって測定される。かかる光学的性質には、吸光度及び蛍光がある。
ｐＨ指示薬自体は上記の平衡で表されるように通例はブレンステッド酸又は塩基であるので、ｐＨ測定プロセスが試料中の酸−塩基平衡状態を乱し、これがｐＨに関する測定誤差を引き起こす。このような誤差の数値は系の緩衝能力の関数である。したがって、ｐＨを正確に決定するためには系のアルカリ度を知らなければならない。
ｐＨ及びアルカリ度分析用のセンサーアレイは、複数のセンサー素子を含んでいる。一部の素子は試料のアルカリ度を測定する一方、他の素子は試料のｐＨを測定する。このような複数のセンサー素子の組合せを使用することでアレイに関する検出範囲が広がる。アルカリ度に対するセンサー素子の応答は試料のｐＨと無関係にすることができ、試料のアルカリ度はアルカリ度素子のみから求めることができる。上述の通り、ｐＨセンサー素子の応答はｐＨ及びアルカリ度の両方の関数である。ｐＨ及びアルカリ度に関しては二次元の検量面を求めることができる。試料のｐＨ値は、アルカリ度測定値を使用すると共に、二次元の検量面を用いてセンサー応答を解釈することで決定できる。
動的応答
大抵の場合、定量化のためには、試料への暴露後にセンサー応答は定常状態に達する必要がある。実際には、若干のセンサーは長い応答時間を有しており、定常状態に達するには許容し得ないほど長い時間を要する。いずれか単一の時点でセンサー応答を測定することは、タイミングの変動に原因する誤差を生じることがある。センサーアレイに関しては、様々な応答読取り方法を適用すべきである。非定常状態のセンサーに関しては、時間依存性の測定が必要である。系の動的特性（例えば、応答曲線の選択された線分の初期勾配、所定時点での勾配、及び切片）に関しては、動的情報を解釈することができる。
さらに、一時的な応答も、検体応答の鋭敏な尺度を提供すると共に、センサー応答の進行状態に影響を及ぼす夾雑物の存在又は濃度を反映することがある。同様に、動的応答を用いて系中に存在し得る触媒物質の濃度を測定することで、一時的な応答をセンサーアレイの平衡測定値と無関係にすることもできる。多くの時系列統計モデルを用いて非定常状態のセンサー応答を処理できる。一般に、最終読み及び最終読み以前の応答をモデルに当てはめることで器差及び測定誤差を最小にすることができる。
総合分析システム
本明細書中に記載される通り、本発明の総合分析システムは、各種の化学的又は物理的応答性センサーフィルムを含む光学アレイプラットホームを含んでいる。かかるシステムは、所望の化学的又は物理的パラメーターに比例した光学応答を生み出し、ノイズ、欠陥及び干渉効果からの二次的効果低減をもたらし、多変量相互作用を補償し、試験アレイ履歴を考察し、光学検体プラットホームに対してセンサーアレイ応答を較正するための基準系を提供する。このような複合試験アレイを時間ベースのデータ収集と組み合わせることで一時的な試験分析が可能となり、これは総合アレイ応答をさらに向上させることができる。本明細書中に記載される複合アレイ素子は、各素子がいかにしてアレイ性能を向上させるか、及びこれらの素子の組合せがいかにして最適化された環境測定値及び生物学的測定値を生み出すかを示している。さらに、このような向上した光学アレイプラットホームは非実験室環境に有利に適している。
本発明の他の態様では、内部基準材料がセンサーアレイの一体化部分として含まれる。かかる基準材料はセンサー応答の正規化を可能にすることで、照明、センサー素子品質及び環境パラメーターの変化によって引き起こされる変動を排除する。加えて、本発明は当技術分野で公知のディジタルイメージング技法に付随する特有の問題に対する解決策を提供する。
本発明の他の態様では、各センサー素子が暴露される試料体積は、制御された体積の試料液体を計量された量でセンサー素子に輸送及び投与する毛管流れ式流体装置によって制御される。かくして、本発明の流体デリバリー装置は、可逆及び不可逆センサー素子の両方を含むセンサーアレイを効率的に構築することを可能にする。
以下の実施例は、本発明の広範な応用可能性を実証するために示される。当業者であれば、以下の実施例中に開示される技法が本発明者らによって発明された技法を表しており、したがって本発明の実施のための例示的な形態をなすと見なし得ることが容易に理解されるはずである。しかし、本明細書の開示内容に照らせば、本発明の技術的範囲から逸脱することなく開示される特定の実施形態に多くの変更を施すことができ、それでも同等又は類似の結果が得られることが当業者には容易に理解されるはずである。
実施例１
流路及び液溜めの幾何学的パラメーターの関数としての液溜め充填時間。流路及び液溜めのレイアウトを図２０に示す。本装置は、同じく図１に示すような３つの層を含んでいる。上部カバー層２はヒートシール可能な親水性フィルムである。この層には、通気穴７（直径１．５ｍｍ）が切り抜かれている。中間流路層４は、計算機数値制御（ＣＮＣ）された機械加工によって切削された開放流路５及び矩形開口（即ち、液溜め）８を有する厚さ０．７８ｍｍのポリカーボネートシートである。下部サンプラー結合層６はショアＡ硬さ４０のシリコーンガスケットであって、基材に対するシールを可能にする。ガスケット中には矩形開口が打ち抜かれている。これらの層を積層して流体デリバリー装置を形成した場合、上部親水層２と中間流路層４との間に流路が生み出される。流路層及びサンプラー結合層の矩形開口は底の開いた液溜めを画成し、親水層がその上壁となる。このアセンブリを基材に取り付けた場合、閉鎖された液溜めが形成されると共に、流路を通して中央の試料入口に連結される。
この実施例で試験される流路及び液溜めのパラメーターを下記表１に示す。液溜め充填時間（ｔ／秒）は下記の関数で表現できることが判明した。
Ｌｏｇ(ｔ)＝Ｋ−０．９７２５１Ｌｏｇ(Ｗ)−２．４３１１８Ｌｏｇ(Ｄ)
＋１．３４６３０Ｌｏｇ(Ｌ)＋１．７０６３０*Ｌｏｇ(Ｄgasket) 式（１）
式中、Ｌ、Ｗ及びＤはそれぞれ流路の長さ、幅及び深さであり、Ｄgasketはガスケットの厚さである。定数Ｋは、１流路−１液溜め構成については−１．９９４４に等しく、１流路−２液溜め構成については−１．７７４４に等しい。図２１は、上記式によって予測される充填時間と実験データとの比較を示している。
この式に基づけば、液溜めから中央入口までの距離が変化しても、すべての液溜めが狭い時間範囲内で充填されるように装置を設計できる。それが望ましければ、上記式に従って流路パラメーターを選択することで液溜めを順次に充填することができる。
実施例２
５４液溜めの試料デリバリー装置を図１に示す。装置１０は、実施例１に記載した方法と同様な方法で４つの部品から組み立てられる。流路５の深さ及び幅は、それぞれ０．３３ｍｍ及び１．５ｍｍである。液溜め８の長さ及び幅は、それぞれ５．５ｍｍ及び４ｍｍである。サンプラー結合層６は、接着剤の付いた厚さ０．５５ｍｍの透明シリコーンゴムシートから切り取られる。ポリカーボネート流路層４の厚さは０．７８ｍｍである。これらの設計パラメーターの選択は、実施例１に示した式によって導かれた。１００ｐｐｍのベーシックブルーを含む２．７ｍｌの試料溶液を試料入口に送入した。ディジタルビデオカメラを用いて、流路及び液溜め中のリアルタイム流れを監視した。各液溜めに関する充填時間を記録されたビデオテープから取得した。６つの装置から得られた５４の液溜めすべてに関する平均充填時間を図２２に示す。かかるデータは、本装置が液体試料を狭い時間範囲内で複数の液溜めにデリバリーし得ることを示している。
実施例３：水試料中の塩素濃度の測定
薄い半透明ポリエチレンシート上に６つの塩素感受性フィルムを付着させた。５％ＮａＯＣｌを脱イオン水で希釈して調製した塩素標準溶液２０μｌを各フィルム上にスポットした。スポッティングから１分後、フィルムから水試料を除去した。水試料中の塩素がフィルム中に固定化した塩素感受性試薬と反応するので青色が生じた。これら６つのフィルムの画像をＨｅｗｌｅｔｔ ＰａｃｋａｒｄスキャナーＳｃａｎＪｅｔ ６３００Ｃで捕え、図５に示す。スキャナーから得られたディジタルファイルはＪＰＥＧ形式（６７ＫＢ）であった。色の深度は２５５であった。ピクセルの解像度は２００ｄｐｉである。
ディジタル画像をＡｄｏｂｅ Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ（登録商標）６で処理した。フィルム領域は、Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐソフトウェアパッケージによって提供される選択ツールを用いて選択した。各々の選択された色領域に関する平均ＲＧＢ値を下記表２に示す。画像の白色紙領域に関するＲＧＢ（ＲW、ＧW及びＢWという）も表２に示す。
図６に示すように、下記式２で定義される量を用いて塩素濃度を定量化できる。
Ｒchlorine＝−ｌｏｇ(Ｒ／Ｒw)−ｌｏｇ(Ｇ／Ｇw)−ｌｏｇ(Ｂ／Ｂw) 式（２）
実施例４：複数のセンサー領域を用いるアルカリ度の測定
スライドガラス上に６つのアルカリ度感受性フィルムを付着させた。この実施例のために使用する好適なセンサータイプは、本願と同日に提出した「痕跡濃度の化学種測定用センサーのための材料組成物及びセンサーの使用方法」及び「自給式リン酸イオンセンサー及びその使用方法」と称する我々の同時係属特許出願中に記載されており、ここで繰り返すことはしない。塩素分析と異なり、単一の水試料のアルカリ度を測定するために複数のフィルムを使用した。アルカリ度標準溶液２０μｌを６つのフィルムの各々にスポットした。スポッティングから２分後、フィルムから水試料を除去した。１０種のアルカリ度溶液を測定した。
図７に示すように、Ｈｅｗｌｅｔｔ ＰａｃｋａｒｄスキャナーＳｃａｎＪｅｔ ６３００Ｃを用いて全部で６０の暴露フィルムの画像を捕えた。スキャナーから得られたディジタルファイルはＪＰＥＧ形式（４８ＫＢ）であった。色の深度は２５５であった。Ｏｃｅａｎ Ｏｐｔｉｃｓ ＵＳＢ２０００分光光度計を用いて、６５０ｎｍにおける各暴露フィルムの吸光度を測定した。
選択された色領域に関する平均ＲＧＢ値を下記表３に示す。白色紙背景のＲＧＢ値は、それぞれ２３９．４１、２３９．３４及び２４４．１９であった。下記の量Ｒalkを用いてアルカリ度を定量化する。
Ｒalk＝[(Ｒw−Ｒ)2＋(Ｇw−Ｇ)2＋Ｂ2]1/2／Ｂw 式（３）
図８には、６つのフィルムの平均Ｒalk値が溶液アルカリ度の関数としてプロットされている。アルカリ度分析のための検量線は必ずしも直線でないことに注意されたい。検量線の湾曲は、現行の色分析方法に原因するものではない。これは、図９に示すようにＲalkと分光光度計を用いて６５０ｎｍで測定した吸光度との間に直線的な相関関係があることで支持される。
実施例５：ディジタルカメラを用いたアルカリ度の測定−内部基準領域に対する正規化
Ｓｏｎｙ ＤＳＣ Ｓ７５ディジタルカメラを用いて全部で６０のフィルムの画像を捕えた。カメラは、白色バランス、焦点合せ及び口径を自動的に調整する自動モードに設定した。スライドガラスを４０ワット卓上ランプの近くに配置した。
選択された色領域に関する平均ＲＧＢ値を下記表４に示す。ディジタルカメラで捕えた画像と異なり、対象を横切る照明は均等でない。これを補正するため、各フィルムに近い白色紙背景のＲＧＢ値を得た。式３中で白色背景に関するただ１組のＲＧＢ値を使用するのとは異なり、下記表４に示すように各色フィルムが１組のＲwＧwＢw値を有している。検量線を図１０に示す。
この実施例での画像は、実施例２の画像を得てから約３６時間後に捕えた。ディジタルカメラの結果をスキャナーで得られる画像と比較するため、カメラの画像を得るのと同時にＣａｎｏｎ Ｎ６５０Ｕスキャナーを用いて別の画像を作成した。Ｃａｎｏｎスキャナーからの相対青色強度とＳｏｎｙディジタルカメラからの相対青色強度との相関関係を図１１に示す。図１１に示す結果は、内部色基準に対する正規化により、カメラを用いてセンサー画像を捕える場合に不均等な照明が引き起こす誤差を効果的に排除できることを表している。
実施例６：多変量目盛定めによるｐＨ測定
ポリカーボネートシート上にｐＨ感受性フィルムを付着させた。フィルムは、ｐＨ指示染料ブロモチモールブルー及び他の添加剤を含んでいる。この実施例で使用したｐＨ標準液は、炭酸ナトリウム溶液及び硫酸溶液から調製した。２種のｐＨ緩衝液（Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社からの７．００及び１０．００、ＮＩＳＴ標準にまで追跡可能）に対して較正されたガラス電極を用いて、標準液に関するｐＨ値を測定した。水素イオン活量係数及び液間電位差に対するイオン強度効果について補正は行わなかった。０．２Ｎ硫酸溶液に対する滴定でアルカリ度を測定した。
ｐＨ標準液の４０μｌアリコートをフィルム上にスポットした。２分後に試料を除去し、スポット領域を気流を軽く吹き付けて乾燥した。３００ｄｐｉの空間解像度を有する４８ビットカラーモードでＣａｎｏｎ ＬｉＤＥ８０スキャナーを用いて、暴露前及び暴露後のフィルムのディジタル画像を捕えた。画像ファイルを非圧縮ＴＩＦＦ形式で保存した。Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ＣＳを用いてファイルからＲＧＢ値を求めた。下記表５に示すＲＧＢ値は、スポット領域を中心とする１０００ピクセル平方にわたって平均したものである。下記の量ＲpHをセンサー応答として選択することで試料ｐＨを定量化した。
ＲpH＝(Ｒ／Ｇ−Ｂ／Ｇ)exposed−(Ｒ／Ｇ−Ｂ／Ｇ)unexposed 式（４）
図１２には、センサー応答が試料ｐＨ及びアルカリ度の関数としてプロットされている。センサー応答が試料ｐＨ及び上記セクションに記載したようなアルカリ度の両方の関数であることは、図１２から明らかである。実験ｐＨ値は、０．０９ｐＨ単位（平均絶対偏差）の範囲内で下記の二変数検量式に当てはめ得ることが判明した。
ｐＨ＝ａ0＋ａ1ａｌｋ＋(ａ2＋ａ3ａｌｋ)ＲpH＋(ａ4＋ａ5ａｌｋ)(ＲpH)2 式（５）
当てはめパラメーターａ0〜ａ5の値を下記表６に示す。表６中では、上記式から計算したｐＨ値を実験値と比較している。
実施例７：ノイズ低減
ポリマー溶液から調製されたセンサーフィルム配合物中の未溶解試薬によって引き起こされた欠陥を有する複数の固体センサーフィルムを製造した。若干の欠陥は、（例えば、フィルム中へのダスト粒子の混入により）フィルム製造段階で導入された。試料マトリックスへの暴露中に異物がフィルム上に付着することもあった。ディジタル画像は、各センサー領域における色強度分布について非常に高い空間解像度を与える。このような空間情報はノイズ低減のために利用できる。各種のデータ解析ツールを使用することで、フィルム欠陥によって引き起こされる誤差を低減できる。この実施例は、欠陥領域からの読みを棄却するための簡単な統計的アプローチを実証する。
実施例６から得たｐＨセンサースポットの拡大カラー画像を図１３に示す。この画像中には、参照番号１３０で示すダスト粒子が見られる。このダスト粒子を含む４０ピクセル水平線に関するＲＧＢ値を図１４に示す。実施例６では、センサー領域全体にわたって平均したＲＧＢ値を用いてセンサー応答が計算されている。簡明のため、この実施例では一次元データを用いてノイズ低減方法を実証する。まず、Ｒ、Ｇ及びＢのそれぞれに関するこのデータセットの平均及び標準偏差を計算する。次に、該セットに関する標準偏差の所定倍数を超えるセット平均からの偏差を有する点を棄却する。最後に、ダスト領域を除外したピクセルから平均及び標準偏差を計算する。
同様な計算を用いて１群のピクセルを棄却できる。まず、センサー領域全体に関する標準偏差を計算する。次に、各水平ピクセル線に沿った各ピクセルを中心とする小さい領域（この実施例では６ピクセルの円が選択される）内で標準偏差を計算する。図１５は、これらの計算から得られた結果を示している。４０番目のピクセルを中心とする領域を棄却すべきことは明らかである。
図１６は、カルシウムセンサーフィルムに関する検量線を示している。このフィルムは、カルシウム応答性染料を含むポリマー溶液から形成した。フィルムアプリケーターを用いて、ポリカーボネートシート上にフィルムを形成した。フィルムの乾燥後、一部の染料が凝集して肉眼でかろうじて見える小さい暗色領域を形成し、これはフィルム全体にわたってランダムに分布している。３００ｄｐｉの空間解像度を有する１６ビットカラーモードでＣａｎｏｎ ＬｉＰＥ８０スキャナーを用いて、暴露フィルムのディジタル画像を走査した。ｐＨ目盛定めのために使用したものと同じ式を用いてセンサー応答を計算した。上述したデータ濾波方法（２×標準偏差）を用いて、染料凝集体に由来するデータ点を棄却した。一般に、２７００ピクセルの領域内で９０〜１４５のピクセルが棄却される。目盛定めのＲ2値は０．９９３０であり、これはＰｈｏｔｏｓｈｏｐ ＣＳを用いて求めた非濾波ＲＧＢ値から得られる０．９８８６に比べて顕著に向上している。
実施例８：動的応答
モリブデン酸イオン感知試薬を含むポリマー溶液を調製した。フィルムアプリケーターを用いてポリカーボネートシート上にポリマー溶液を付着させた。ポリカーボネート基材を２０×８０ｍｍのストリップに切断した。各ストリップ上のセンサーフィルムの大部分を切断して除去し、ストリップ上に６×６ｍｍのセンサースポットのみを残した。スライドガラス及び両面テープを用いて、６×６ｍｍスポットを覆うように深さ２００μｍかつ幅６．５ｍｍの流路を構築することで流体アセンブリを形成した。このアセンブリ、Ｃａｎｏｎ ＬｉＰＥ８０スキャナー及び１０ｐｐｍモリブデン酸イオン標準液を恒温室内に配置した。約１時間の平衡化後、毛管作用により流路を通して試料溶液をセンサーフィルムに導入した。下記表７に示す時間間隔でセンサーフィルムの画像を得た。２５．３℃で得た画像を図１８に示す。
この実施例は、センサー応答に関するデータ解析の重要性を実証しようとするものである。かかるデータ解析は、本発明で開示される複数検体の同時測定のための系統的方法の重要な部分である。
未暴露フィルムの初期センサー応答は温度の関数であることが判明した。便宜上、下記の比を計算することで暴露後のセンサー応答を正規化してモリブデン酸イオン濃度を定量化する。
ＲMo＝(Ｒ／Ｇ−Ｂ／Ｇ)exposed／(Ｒ／Ｇ−Ｂ／Ｇ)unexposed 式（６）
この量を図１７に時間の関数としてプロットする。多くの化学センサー反応と異なり、上記に定義したセンサー応答はプラトーに達しない。それどころか、これは時間と共に直線的に増加し続ける。各温度に関する最後の４つの点の直線当てはめを図１９に示す。
このような非定常的フィルム応答から単一の読みを取れば、大きな誤差を生じることがある。このようなタイプのセンサー応答に関しては、動的測定から導かれた量を用いて検体濃度を定量化することを計画している。図１７に示す直線の切片は温度の一次関数であることが判明している。したがって、このタイプのセンサーに関しては、温度及び様々な暴露時間でのセンサー応答が独立変数である多変量検量式が好適である。
当業技術に精通する者であれば、多くの統計的及び数学的モデルを用いてこの実施例に示す動的データを解釈し得ることが認められよう。かかる方法には、解析学の文献中に詳述されているようなカルマン濾波、最小二乗当てはめ及び他の時系列予測ツールがある。
実施例９：試料体積制御型センサーアレイ
１２７．８×８５．０ｍｍのポリカーボネートシート上に８つのマグネシウム感受性センサーフィルムをスクリーン印刷した。実施例２に記載したものと同様な試料デリバリー装置をポリカーボネートシート上に配置して密閉された流路及び液溜めを形成した。センサーフィルムは、長さ４ｍｍ、幅４ｍｍ、厚さ約０．０１ｍｍである。液溜めは、長さ５．２５ｍｍ、幅５．２５ｍｍ、深さ１．６ｍｍである。液溜めの容積は４４．１μｌである。中央の入口に試料を導入すると、毛管力が試料を駆動して液溜めを満たす。このデリバリー装置は、センサーアレイ用の体積制御型試料分配手段を提供する。
注文製造の４×４ＬＥＤ／ホトダイオードアレイ検出器を用いてセンサーフィルムの応答を監視した。ＬＥＤは４６７ｎｍ、５３０ｎｍ及び６３４ｎｍに発光極大を有している。ＬＥＤ及びホトダイオードは２つの独立した印刷回路板上に固定されていた。印刷回路板は密閉容器の内部に平行に保持されていて、その中にセンサーアレイアセンブリを挿入してＬＥＤ／ホトダイオードアレイと整列させることができる。
まず、１２〜１００ｐｐｍのマグネシウムを含む３．０ｍｌの水試料を試料入口に導入した。試料導入から３分後に、５３０ｎｍ（Ｇ）及び６３４ｎｍ（Ｒ）におけるセンサー吸光度を測定した。比Ｇ／Ｒは試料中のマグネシウム濃度に対して直線状になることが判明した。検量線を図２３に示す。
我々はまた、制御された体積の流体試料をセンサーアレイにデリバリーするためのサンプリング方法及び装置も開示する。本発明の用途の１つは、制御された体積の液体試料を光ディスク上のセンサーアレイにデリバリーするための手段を提供することである。光ディスク上にセンサーアレイを形成する方法は、我々の先行特許出願（例えば、米国特許出願第２００５／０１１２３５８号、同第２００５／０１１１０００号、同第２００５／０１１１００１号及び同第２００５／０１１１３２８号）のいくつかに記載されている。これらの開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。
本発明の例示的な実施形態に従えば、流体サンプリング装置が基材上に位置する化学的感受性センサー領域のアレイに近接して配置された取外し可能なサンプリング構造体からなるようなサンプリング装置及び方法が提供される。取外し可能なサンプリング構造体は、各センサー領域をサンプリング装置中に導入された試料流体と個別に反応させることができる。
図２４は、複数のセンサー領域２４４を有する基材２４２に対して取外し可能に取り付けられた軟質材料サンプリング層２４１を組み込んだ例示的なサンプリング装置２４０を示している。センサー領域２４４は、基材２４２と一体をなして形成するか、或いは層２４１の下面に配設することができる。層２４１は、例えば可逆接着剤により、基材２４２に取り付けることができる。例示的なサンプリング装置２４０及びセンサー領域２４４は、各液溜め内の制御された体積の試料流体に暴露された。
図２５は、基材２４２及び付属液溜め２６２を垂直に浸すという文献記載の概念を示している。図２５に示すように、各液溜め２６２を試料体積の流体で満たすため、基材／液溜め構造体が試料流体２６０中に浸される。次に、基材２４２を（上向きの矢印で表されるように）液体２６０から取り出した場合、基材２４２を取り出したときに液溜め２４２が流体２６０の表面に対して実質的に垂直に配置されていても、各液溜め内には液溜めの壁の表面張力によって制御された割合の試料体積が維持される。この例示的な実施形態では、液溜め２６２は、上述のようにして基材２４２に付着させた付属液溜め形成サンプリング層（図示せず）を用いて形成できる。
図２７に最も良く示されるように、本発明はまた、光ディスク２８１上に配置されたセンサーアレイに制御された体積の液体試料をデリバリーするための手段を提供することも想定している。ＤＶＤ、ＣＤ、スーパーオーディオＣＤ、二層ディスク、ブルーレイディスク及び／又は他のタイプの基材への流体デリバリーを実証するため、図２７に示されるサンプラー装置を製造した。ここには、基材が複数のセンサー領域２４４を含むＤＶＤディスク２８１であるような概念が示されている。かかる装置では、各々のセンサー領域２４４上に開放状態又は部分閉鎖状態の個別液溜め２６２が使用されている。したがって、かかる例示的なサンプリング装置は、センサー領域２４４及びディスク２８１の中央に位置する流体入口１２を有しながらディスクケース２８２内に収容されたＤＶＤディスク２８１の形態を取る。
図２７に示すように、ＤＶＤ、ＣＤ、スーパーオーディオＣＤ、二層ディスク、ブルーレイディスクなどのセンサー光ディスクはジュエルケース（即ち、ディスクケース）２８２内に収容される。光ディスク２８１は、図１に従って形成された取外し可能なサンプリング層を用いて組み立てられる。さらに、ディスクケース２８２は測定前にディスクから余分の水を除去するために役立つブロッティング層を含んでいる。ブロッティング層は、基材との接触で水を吸収し得る任意の多孔質材料から形成される。
図２６は、複数の流体流路５によって流体試料を流体入口１２から複数のセンサー領域２４４に導入するための例示的な樹枝状構造体を示している。当業者であれば、サンプリング装置を通して流体を移動させるためには、電気浸透流れ、毛管力、（閉じ込められた絶縁性液体と共に毛管内に存在する導電性液体によって電気毛管圧力が生み出される）電気湿潤、（毛管内の温度勾配が関与する）熱毛管ポンピング、磁界、表面指向流れ（毛管内の表面張力、化学的に改質された表面）、電気化学的制御（レドックス活性界面活性剤による弁作用）、機械装置（注射器、圧力で誘導される力）、（旋回する液体をはじめとする）向心力、表面エネルギー勾配及び／又はこれらの組合せを含む多くの各種方法を使用できることが理解されよう。
本発明は、反射、透過、発光及び／又は散乱モードでの分析操作に適合することが理解されよう。また、本発明は様々なタイプのセンサーアレイに適用できると共に、段階モード又は連続モードで操作できることも理解されよう。段階モードでは、センサーアレイ操作及び読取りは、センサー素子を試料液体に暴露する前後、又はセンサー素子を試料液体に暴露した後だけに実施できる。連続モードでは、センサーアレイ操作及び読取りは液体暴露中に実施できる。異なる操作モードに順応させるため、サンプリング層構造体は測定前に基材から取り外してもよいし、或いは測定プロセス中に該構造体をそのままに保ってもよい。
本発明のさらに他の態様では、総合分析システムは、水膨潤性フィルム及び／又は水溶解性フィルム及び／又は水浸出性フィルムの形態を有する各種の化学的又は物理的応答性センサー材料を含む光学アレイプラットホームを含んでいる。かかるシステムは、所望の化学的又は物理的パラメーターに比例した光学応答を生み出し、ノイズ、欠陥及び干渉効果からの二次的効果低減をもたらし、多変量相互作用を補償し、試験アレイ履歴を考察し、光学検体プラットホームに対してセンサーアレイ応答を較正するための基準系を提供する。このような複合試験アレイを時間ベースのデータ収集と組み合わせることで一時的な試験分析が可能となり、これは総合アレイ応答をさらに向上させることができる。本明細書中に記載されるアレイ素子は、各素子がいかにしてアレイ性能を向上させるか、及びこれらの素子の組合せの使用がいかにして最適化された環境測定値及び生物学的測定値を生み出すことができるかを示している。さらに、このような向上した光学アレイプラットホームは非実験室環境に有利に適している。
本発明のもう１つの態様は、各センサー素子が制御された試料体積に暴露されることである。本明細書中には、試料液体とセンサー素子との間で化学反応を行わせるために必要なセンサー素子への試料液体の輸送及び投与のために２種の流体デリバリー装置が開示される。以下に記載する２種のデリバリー装置は、毛管流れ式流体デリバリー装置及び浸漬セル型流体デリバリー装置である。本発明の流体デリバリー装置はいずれも、本明細書中に記載されるセンサー素子を含む試験アレイカードと組み合わせることができる。
本発明のもう１つの態様は、センサー素子が水膨潤性フィルム及び／又は水溶解性フィルム及び／又は水浸出性フィルムの形態を有する場合、各センサー素子が制御された試料体積に暴露されることである。制御された試料体積のため、水とセンサー素子との反応後に光学信号を発生するために役立つフィルム中の化学試薬は試料体積中にとどまり、正確な信号測定を可能にする。
試験アレイカード
図２８は、本発明の例示的な一実施形態に従って各種の化学的又は物理的応答性センサーフィルム３を含む使い捨ての試験アレイカード９（ディスク又は基材ともいう）を示している。センサーフィルム３は、個々のフィルム応答のアウトライアー排除又は統計的処理の使用によるセンサー応答の所望忠実度に応じて、１以上のフィルムの化学的又は物理的に類似したセットをなすように組分けできる。
流体デリバリー装置
図２９は、位置決め穴１を用いて試験アレイカード９に整列及び集成できる流体デリバリー装置１０を示している。デリバリー装置１０は、試料流体とセルに連結されたセンサー素子３との反応を行わせるため、入口１２に注入された制御量の液体試料を、入口１２から液溜め８まで放射状に延びる流路５を通して計量された量で液溜め８のアレイに輸送する。加えて、流体デリバリー装置は液溜めの４つの側壁及び天井を提供し、試験アレイカードが底壁を提供する。液溜めの天井は、試料液体で満たされる液溜めから空気を逃がす円形の通気穴７を有するフィルムからなっている。通気穴の材料、直径及び深さは、効果的な通気及び液溜め８の制御された寸法の壁の内部への試料流体の閉込めを達成するように最適化される。円筒形の通気穴７の疎水性の壁は、０度の絶対レベルからわずかにそれることがある通例は卓上の表面上で測定を行うことで流体デリバリー装置が水平面に対して傾斜した場合でも、液溜め内に収容された試料流体を保持するために重要である。
再び図１について説明すれば、本発明の例示的な一実施形態に従って形成される例示的な流体デリバリー装置は、一般に、特に限定されないが下記の４つの部品からなっている。即ち、接着剤又は他の常用ポリマー溶接方法を適用してデリバリー装置の部品に結合されると共に注入される試料流体用の保持収容壁を効果的に生み出すＯリング１１、疎水性プラスチック材料（例えば、ポリプロピレン、配向ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレートなど）から形成されたカバーシールフィルム２であって、液溜め８の天井を生み出すために被覆、化学的処理、表面改質などにより改質された親水性の下面を有すると共に天井の材料を除去することで流路５及びウェル又は液溜め８の上方に通気穴７が設けられているカバーシールフィルム２、複数の貫通開口を設けることでウェル又は液溜め８の側壁を生み出す流体流路プレート４であって、ウェル又は液溜め８は流体流路プレート４の上面においてプレート中に切削された浅い溝又は流路５によって入口１２に連結されている流体流路プレート４、並びに流体流路プレート４の下面をセンサーアレイプレート（図示せず）に結合するために役立つ結合層６である。結合層はスクリーン印刷可能な接着剤、両面接着テープ、或いは流体流路プレート４の下面又は試験アレイカード９の自由上面に付着させた高湿潤性の軟質シリコーンシートから構成される。
本発明のもう１つの態様は、流体デリバリー装置の部品（例えば、一実施形態では流体デリバリー装置の他の部品に結合するために両面接着テープ又はスクリーン印刷接着剤を含む結合フィルム６及びＯリング１１）は、センサー素子の応答に対して顕著な化学的干渉を示してはならないことである。かかる用途での接着剤は、通例はアクリル系接着剤の部類に属する。化学的干渉を最小限に抑えるため、接着剤系の注意深いスクリーニングが好ましい。
流体デリバリー装置の別の実施形態では、Ｏリングは、中心部では疎水性であるが外径付近では疎水性であるような部分的吸収材料である。これは、入口に注入された過剰の水がはねかけ又は流体デリバリー装置の水平面からの傾斜のため上面にあふれた場合、それを多孔質材料で吸収することを可能にする。これは、過剰の注入試料流体がカバーシールフィルム２の上面に流れ出し、表面の通気穴７から複数の液溜めに無制御に導入される試料流体の増加を生じ、或いは反応済みの試料流体が表面経路及び通気穴７を通って１以上の液溜めから別の液溜めに運ばれることで相互汚染を生じる可能性を最小限に抑える。
試験アレイプラットホームの一実施形態では、流体デリバリー装置は測定に際して試験アレイカードに結合される。この実施形態では、測定中は一定量の流体試料が試料流体の液溜め内にとどまってセンサー素子と反応する。即ち、反応は平衡に向かって進行するので、この測定は「湿式」で行われる。
試験アレイカードが測定に際して流体デリバリー装置に結合される試験アレイプラットホームの上記実施形態では、カバーシールフィルムは、光源からの光がこの部品の厚さを透過してセンサー素子に入射する必要があると仮定すれば、この層で吸収される対象波長範囲の光の強度が最小となるように透明な材料からなり得る。
次に図３０ａ〜ｃについて説明すれば、流体サンプリング装置は試験アレイカード９に結合された流体流路プレート４を含むことができる。この場合、カバー層２は液溜め８の天井部分及び通気穴７を形成すると共に、Ｏリング１１で封止された入口１２に連絡する流体流路５を形成する（図３０ａ）。別法として、図３０ｂ〜ｃに最も良く示される通り、複合流体流路試験アレイ１３は液溜め８内に配設されたセンサー素子３を含むことができ（図３０ｂ）、或いはセンサー素子３はカバー層２の下面に配設することができる（図３０ｃ）。
センサー素子３は流体デリバリー装置中に一体化することができる。複合流体流路試験アレイ１３は、液溜めの４つの側壁を形成する独立した流体流路プレート４の貫通開口の代わりに複数のウェル８を含むように修正されている。かかる実施形態は、独立した試験アレイカード９がもはや存在しないので、結合層６の必要性も排除する。かかる実施形態の利点は、試験アレイプラットホーム用として集成すべき部品の総数が一般に３つに減少することである。即ち、Ｏリング１１、カバーシールフィルム２、及び試料流体を収容するためのウェルを含む修正流体流路プレート１３である。かかる実施形態では、本明細書中に記載した他の実施形態の場合のように、センサー素子３は底面上（即ち、液溜め８内）ではなく試料流体の上方に（即ち、カバー層２の下面に）配置できる。
試験アレイプラットホームのさらに別の実施形態では、上側にＯリング構造を含むように設計された成形プレートがカバーフィルム２の代わりに使用される。かかるＯリング／カバープレート複合体は、フィルムの通気穴及び親水性下面のすべてを保有している。この実施形態は、集成すべき部品を２つに減少させて製造効率を高めることができる。
総合分析システムのさらに別の実施形態では、流体デリバリー装置１０は試験アレイカード９から取外し可能である。この実施形態では、試験アレイカード９は、センサー素子３の表面上に試料流体の液滴が残留しない程度まで乾燥される。したがって、かかる試験は追加の吸収段階を含む。即ち、液溜めを満たしてセンサー素子と十分な時間だけ反応させた後、流体流路装置を試験アレイカードから分離すれば、液溜めからの試料流体は剥離界面に沿って流れ去る。センサー素子の表面上に残留する水滴は、好ましくは、試験アレイカードをセンサー素子応答測定用の検出装置内に導入する前に吸収材料シートで吸収除去される。この実施形態の特徴は、吸収材料が制御された範囲の表面特性（即ち、急速な流体除去の結果としてセンサー素子の表面に望ましくない変形を生じることなしにセンサー素子の表面から試料流体を効果的に除去するための吸収速度及び液体容量をはじめとする灯心特性）を有することである。本明細書中に開示される浸漬セル型流体デリバリー装置も取外し可能な流体デリバリー装置実施形態ということがある。
親水性被覆疎水性カバーフィルム／プレート
ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ＡＢＳなどの多くの常用プラスチックは、水に対して約６０〜約１１０°の範囲内の接触角を有している。この例示的な実施形態では、本発明は、流体流路及び液溜めに接触する親水性表面であって、流路−液溜め構造の天井をなす連続した単一の平面で両者を連結する親水性表面の組合せを含んでいる。流路の２つの側壁、流路の底面、及び液溜めの４つの側壁は、一般に約６５〜９５°の接触角を有する典型的なプラスチックの表面である。これらの壁面に由来する接触角の組合せは、流体導入領域から流路を通って液溜めに達する流体の流れを駆動するために必要な毛管力を与えない。カバーフィルム／プレートの親水性表面の重要性は、それが流路及び液溜めの構造を増強することで、流路試料を保持領域から流路内に吸引するのを助け、流路を通って液溜めに向かう流れを推進し、次に天井に沿って流路から液溜めに移行するのを助けることである。流体は、天井に沿って迅速に吸引蓄積されると共に、重力及び毛管力の助けで液溜め側壁の縁端に沿って液溜め内に降下する。カバーフィルム／プレートのこの表面の親水性は、好ましくは約３０度未満、さらに好ましくは約２０度未満の接触角を要求することで特徴づけられる。通例、エンジニアリングプラスチック材料は３０度以下の接触角を有していない。したがって、この特性を克服するため、親水性カバーフィルム／プレートの下面は、表面の物理的改質、表面の化学処理、表面被覆又は表面極性向上方法によって親水性表面に改質することが好ましい。
図１に示される親水性被覆カバーフィルム２は、好ましくはＡｄｈｅｓｉｖｅｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｃ．からＡＲＦｌｏｗ（登録商標）９０１２８として入手される。このフィルムは、裏打ちフィルムの片面に施される親水性コーティングのブレンド中に接着剤成分を混入することで、流体流路プレート４への容易な集成を可能にする。裏打ちフィルムは、フィルム押出し、インフレーション又はフィルムキャスティングによって形成される各種のフィルムであり得る。しかし、高い接触角を有するフィルム（例えば、約９０〜１１０度の範囲内の接触角を有するポリプロピレン）を使用するのが有利である。一般的に言えば、接触角が大きくなるほど、通気穴寸法の製造時の変動、ポリマーフィルムの表面特性の空間変動、或いは流体のあふれ出し又は液溜めへの過剰投与を防がなければならない測定中における試験アレイシステムに対しての傾斜発生のために液溜め内の水が通気穴から漏出するのを防止する流体デリバリー装置の能力は良くなる。
再び図１に示す実施形態について説明すれば、カバーフィルムコーティングは、親水性及び接着性有効成分のブレンドであって、Ａｄｈｅｓｉｖｅｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ社からＡＲＦｌｏｗ（登録商標）９０１２８フィルムとして入手できる種類のものである。この実施形態では、カバーフィルム／プレートと流体流路プレートとを集成するために追加の結合材料は不要である。成分中に親水性及び接着性を併せもつ親水性／接着性被覆カバーフィルムを流体装置製造のために使用することは好都合であるが、若干の実施形態（特に、カバーフィルムの代わりにＯリング付きプレートを使用する上述のカバープレート実施形態）では、追加の段階を用いて親水性表面を設けることが望ましい場合もある。この点に関しては、ポリマー、膜及びフィルターの表面を親水化するためにポリビニルピロリドンが文献中で広く使用されてきたことを理解されたい。
先行する実施例と同じく、以下の実施例は本発明の広範な応用可能性を実証するために示される。当業者であれば、以下の実施例中に開示される技法が本発明者らによって発明された技法を表しており、したがって本発明の実施のための例示的な形態をなすと見なし得ることが容易に理解されるはずである。しかし、本明細書の開示内容に照らせば、本発明の技術的範囲から逸脱することなく開示される特定の実施形態に多くの変更を施すことができ、それでも同等又は類似の結果が得られることが当業者には容易に理解されるはずである。
実施例１０
片面をシリコーン剥離フィルムでポリエチレンフィルムをポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）の１％溶液中に４０℃で一晩浸した。熱がポリマーフィルムへのＰＶＰの結合を促進し、表面を親水性にする。この被覆フィルムを実施例１のカバーフィルム２の代わりに使用した。流体流路プレート４に３Ｍスプレー接着剤を吹き付け、ＰＶＰ被覆フィルムをプレートに貼り付けた。図１の他の構成要素を用いて、流体カバーを組み込んだ試験アレイシステムを製造した。親水性流れのためにＰＶＰ被覆ポリマーフィルムを使用した試験アレイシステム内の４４のセルの充填プロフィルを図３３に示す。これは、アシッドブルー８０染料を使用しながら、同数のＬＥＤ−ＰＤ対を用いて６３０ｎｍの波長で測定した。
図３３に示すプロフィルは、試料を注入する前の時点（セル中に試料は存在しない）からセルが完全に満たされた時点（約０．２の吸光度を示す）まで、６秒の時間間隔で収集した吸光度測定値からなっている。吸光度の増加を示さないプロフィルは、流路によって連結されていない場合、或いはＰＶＰ被覆フィルムの領域がＰＶＰ溶液で効果的に被覆されなかった場合である。
本明細書中に記載される実施形態のいくつかに関しては、カバーフィルム／プレートはセンサーシステムの光路中に直接存在するので、プラスチックは透明フィルム／プレート用として好適であるように選択される。しかし、取外し可能である流体装置の代わりの実施形態の１つでは、半透明又は不透明フィルム／プレートを形成するポリマーを考慮に入れることもできる。
実施例１１
図３１ａ〜ｄには、組立て済みサンプラーの動作進行状態の動的吸光度イメージングが、組立て済みサンプラーに水試料を充填する様々な段階で示されている。この場合、動的吸光度イメージングは組立て済みサンプラーの動作進行状態を評価するために実施した。これらの測定では、乾燥した組立て済みサンプラーの画像（図３１ａ）を基準として撮影し、図３１ｂ〜ｄに示す画像をサンプラーの様々な充填段階でそれぞれ撮影した。この評価に際しては、個々のセンサー素子の性能を同時に評価した。
実施例１２
図３２ａ〜ｃに示すように、制御された試料体積中への試薬の制御浸出をもたらすセンサー素子を含む組立て済みサンプラーの動作進行状態を評価するために動的吸光度イメージングを実施した。ここには、組立て済みサンプラーの動作進行状態の動的吸光度イメージングが、組立て済みサンプラーに水試料を充填する様々な段階で示されている。図３２ａ、３２ｂ及び３２ｃのそれぞれの左上及び左下の四分領域はセンサー素子を含まず、したがって極めて一様な水充填進行状態を示している。図３２ａ、３２ｂ及び３２ｃのそれぞれの右上及び右下の四分領域は反復試験用センサー素子を含み、極めて一様な水充填進行状態及び試薬放出進行状態を示している。制御された試料体積のため、水とセンサー素子との反応後に光学信号を発生するために役立つフィルム中の化学試薬は試料体積中にとどまり、正確な信号測定を可能にする。これらの測定では、図３２ａに示すように、乾燥した組立て済みサンプラーの画像を基準として撮影した。この評価に際しては、個々のセンサー素子の性能を同時に評価した。
浸漬式試料デリバリー
図３４ａ及び３４ｂは本発明のさらに別の実施形態を示している。図３４ａ及び３４ｂに示すように、試料液溜めとして働く穴を有する適当な疎水性材料（例えば、シリコーン、ネオプレンなど）製のマスクがセンサーフィルムを含む基材３５０上に配置される。マスク３５４中の液溜め３５２は、成形、打抜き、切削、穴あけなどで形成できる。（１〜１２の番号が付けられた）液溜めの直径は、マスクの厚さと共に、液溜め３５２の試料容量を画定する。マスク３５４は、特に限定されないが、接着剤又はコンフォーマル接触をはじめとするいくつかの方法で基材に結合できる。
図３６ａ〜ｃに最も良く示されるように、装置３６０を液体試料３７０中に挿入した場合、試料はマスク３５４中の液溜めに入る。試料容器を取り除くと、液溜めの壁の表面張力により、離散した体積３７２の試料が体積マスク液溜め内に隔離される。試料デリバリーの均一性に影響を及ぼす因子には、液溜めの直径、液溜めの深さ、マスクの表面エネルギー及びマスクの抜取り速度がある。
実施例１３
図３７は、図３４ａ〜ｂに従って製造された試料デリバリー装置の性能を示している。この実施例１３では、基材３５０はポリカーボネートで作られた一方、液溜めマスク３５４は厚さ１．５ｍｍのポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）シートから形成された。液溜め３５２は、ＰＤＭＳマスク中に直径５ｍｍの穴を打ち抜くことで形成した。マスク３５４を結合した基材３５０を脱イオン水の入った容器内に垂直に浸し、次いで急速に（約２．５ｃｍ／ｓで）抜き取った。個々の液溜め内に隔離された水を化学てんびんで秤量した。記載された構造では、デリバリーされた試料質量は２９．４±１．７μｇであり、液溜め間の再現精度は５．７％であった。
他の例示的な実施形態では、液溜めマスク３５４は疎水性及び親水性の両機能性を組み込むように改質できる。実施例１３の実施形態では、試料質量の再現性を低下させる可能な原因の１つは、最初は液溜め間の疎水性マスク上に位置していた隔離試料液滴が液溜め内に位置する試料質量に加わることにあると確認された。このような現象を最小限に抑えるため、液溜めマスクの一部を改質して親水性を付与することができる。図３５ａ及び３５ｂに示すように、このような改質は、液溜めマスクへの薄い親水性フィルム３８０の付加又は処理（ＵＶ又はプラズマ）後のコーティングによる液溜めマスク自体の表面改質によって達成できる。試料体積の隔離は、個々の液溜めを直近で包囲する疎水性領域を維持することで起こる。最初に液溜め間に位置していた液滴はマスクの親水性領域上で合体し、重力によって除去される。
実施例１４
図３８は、図３５ａ〜ｂに従って製造された試料デリバリー装置の性能を示している。
この実施例１４では、基材３５０はポリカーボネートで作られた一方、液溜めマスク３５４は厚さ１．５ｍｍのＰＤＭＳシートから形成された。液溜め３５２は、ＰＤＭＳマスク中に直径５ｍｍの穴を打ち抜くことで形成した。表面改質を可能にするため、液溜めを一時的に直径９ｍｍのテープ片で覆った。ＰＤＭＳを空気プラズマで改質することで、露出領域に親水性表面を生み出した。次に、テープを除去して多機能性表面を得た。マスクを結合した基材を脱イオン水の入った容器内に垂直に浸し、次いで急速に（約２．５ｃｍ／ｓで）抜き取った。個々の液溜め内に隔離された水を化学てんびんで秤量した。記載された構造では、デリバリーされた試料質量は２７．０±１．２μｇであり、液溜め間の再現精度は４．６％であった。
また、ミクロ流体装置を迅速に製造するための材料及び方法も開示される。ミクロ流体装置は、化学的分離、化学的抽出（例えば、親和性又は抗体に基づく方法）、電気浸透ポンピング及び電気泳動のような用途のために形成された１以上のミクロ流体流路を含んでいる。ミクロ流体流路は、互いに連結されて連続流路ネットワークを形成することができる。さらに、溶液に基づく化学用途のためには、化学試薬、生成物及び／又は廃物を含む一連の液溜めに流路ネットワークを連結してラブ・オン・チップのようなミクロ流体装置を形成することもできる。本明細書中で使用する「ラブ・オン・チップ」という用語は、生物学的用途、製薬用途などの用途のための単一の小形化装置上で一定の組合せの分析を実施するように構成された装置をいう。ラブ・オン・チップ型ミクロ流体装置では、動作に際し、界面動電作用又は流体力学的ポンピングのような方法を用いて各種の試薬を特定の順序で導入し、混合し、流路ネットワークの制御された領域内で所定の時間だけ反応させることができる。例えば、界面動電作用には電気浸透又は電気泳動がある。
図３９Ａは、図３９Ｂにに示すようなミクロ流体装置１２０を形成する３つの層１１２、１１４及び１１６の堆積構造体１１０の断面図を示している。堆積構造体１１０は、複数のミクロ流体流路の１以上を画成するキャビティ又はミクロ流体流路パターン１１８を有する第１の基材１１２を含んでいる。使用する材料に応じ、ミクロ流体流路パターン１１８は、エンボシング、射出成形、ホトリソグラフィー、化学エッチング、レーザーミクロ成形又はこれらの組合せのようなパターニング技法を使用することで基材１２中に形成できる。基材１１２がガラスで作られている例示的な一実施形態では、ミクロ流体流路パターン１１８を形成するためにホトリソグラフィーが使用できる。別法として、基材１１２はポリマー系材料、半導体、セラミック、ガラス、シリコーン、融解石英、石英、シリコン及びこれらの組合せを含み得る。ポリマー系材料の非限定的な例には、ＳＵ−８、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、ポリジメチルシロキサン及びこれらの組合せがある。
堆積構造体１１０は、さらに多孔質材料１１４及び第２の基材１１６を含んでいる。第２の基材１１６は、装置内におけるミクロ流体流路の望ましい形状に応じてミクロ流体流路パターンを含むこともあれば含まないこともある。多孔質材料は、それを通って試料溶液が流れ得るように構成されている。一実施形態では、多孔質材料１１４は、特に限定されないが発泡、電気紡糸、自己集成、バーンアウト、ゾルゲル法、反応ゲル化、反応蒸気焼結、メルトダウン、押出し又はこれらの組合せのような方法で製造できる。かかる方法で製造される多孔質材料は、無機、有機、ポリマー、混成又はこれらの組合せであり得る。多孔質材料の他の例には、多孔質ガラス繊維複合材シート、多孔質ポリマーシート、ポリマー繊維、多孔質膜、シリコーンフォームシート、ゴムフォームシート及びこれらの組合せがある。さらに、多孔質材料１１４は単一の層から形成されていてもよいし、或いは２以上の多孔質材料層を含んでいてもよい。この実施形態では、２以上の層は相異なる多孔質材料を含み得る。
次に図３９Ｂについて説明すれば、ミクロ流体装置１２０は層１１２、１１４及び１１６を有する堆積構造体１１０（図３９Ａ参照）を用いて製造される。堆積構造体１１０は、所定の温度で圧力を加えることで圧縮される。かかる製造段階は、圧力を約５０〜約１０００ｐｓｉの範囲内に維持しながら、約７０〜約１６０℃の範囲内の温度で堆積構造体１１０を圧縮することを含んでいる。一実施形態では、多孔質材料１１４と第１及び第２の基材１１２及び１１６の一方又は両方とを恒久的に結合できる。圧縮後、ミクロ流体流路パターン１１８と重なりながら第１及び第２の基材１１４及び１１６の間に配置された多孔質材料１１４の一部は、ミクロ流体流路パターン１１８の領域１２２を満たしてミクロ流体流路１２４を形成する。
図３９Ｂに示すように、ミクロ流体流路パターン１１８の領域１２２内の多孔質材料は圧縮力をほとんど又は全く受けない。領域１２２内の多孔質材料１２２は、それを通って流体又は試料溶液が流れることを許すように構成されている。それに対し、第１及び第２の基材１１２及び１１６に接触しながら両者間に配置された領域１２６内の多孔質材料１１４は、加えられた圧力で圧縮され、領域１２２内の多孔質材料より相対的に緻密になる。領域１２６内の多孔質材料１１４は、それを通って試料溶液が流れることを許さない結果、ミクロ流体流路１２４が画成されると共に、流体がミクロ流体流路１２４から漏れ出ることが防止される。一実施形態では、非圧縮領域（即ち、領域１２２）内の多孔質材料１１４の多孔度は約３０〜約９０％の範囲内にあり得る。しかし、領域１２６内の多孔質材料の多孔度は約７０〜約１００％の範囲内にあり得る。
さらに、多孔質材料１１４は不均一な多孔度を有し得る。例えば、多孔質材料１１４はミクロ流体流路の長さに沿って不均一な多孔度を有し得る。一実施形態では、多孔質材料１１４は、液体の流れ方向に沿って勾配を有する勾配多孔度を有し得る。下記に詳しく記載されるように、不均一な多孔度は抽出又は分離のような用途におけるミクロ流体流路の機能を容易にすることがある。
加えて、多孔質材料の両側に１以上の複合材シートを配置することができる。圧縮後、これらのシートは多孔質材料の表面を比較的無孔質にすることで、流体がミクロ流体流路から漏れ出るのを防止する。
一実施形態では、ミクロ流体流路パターン１１８を満たすために使用される多孔質材料のシートに物理的シート改質段階が施される。この段階は、材料の所定厚さにわたって材料の一表面の材料密度を高める。別の実施形態では、多孔質材料１１４に化学的シート改質段階が施される。この段階は、材料の所定厚さにわたって材料の一表面の化学的性質を変化させる。これらの改質段階は、ミクロ流体流路１２４を通って流れる試料溶液中の化学種に改善された輸送特性を付与する。
一実施形態では、下記に詳しく記載する通り、各種の用途を実施するために多孔質材料１１４を官能化できる。一実施形態では、多孔質材料は、クロマトグラフィー用途での分配の向上をもたらすために適当な有機固定相で官能化できる。例えば、一実施形態では、多孔質材料１１４はポリマー結合剤マトリックス中にガラス繊維を含むことがある。この実施形態では、ガラス繊維とポリマー結合剤との組合せが流体流路内で利用可能なガラス表面を提供するが、これはガラス表面改質方法による流体流路の官能化を容易にする。
さらに、多孔質材料１１４は電解液、イオン溶液、抗体系溶液、化学試薬、試薬放出材料又はこれらの組合せの１種以上を用いて官能化できる。多孔質材料１１４は、ミクロ流体装置１２０を形成する前に官能化してもよいし、或いはミクロ流体装置１２０を形成した後に官能化してもよい。例えば、電解液を使用しながらミクロ流体流路１２４を横切って電圧を印加すれば、多孔質材料（例えば、ガラス繊維）のゼータ電位に基づいて試料流体の電気浸透流れを形成することができる。このような電気浸透流れを用いて、ミクロ流体流路１２４のネットワークを通してかつそれに隣接して溶液を駆動することができる。
ミクロ流体流路１２４は、化学試薬を用いて官能化できる。一実施形態では、ミクロ流体装置の製造前又は製造後に化学試薬を多孔質材料中に分散させることができる。試薬は、特定の用途のために望ましい１種以上の物質を含み得る。さらに、これらの試薬はミクロ流体流路１２４中の選択された位置に配置することもできる。例えば、感知用途では、試薬はミクロ流体流路１２４の特定の位置に配置された化学種を含むことができ、かかる化学種はミクロ流体流路１２４の下流で起こる反応を感知するためにミクロ流体流路１２４内のｐＨ緩衝剤を検出するように構成されている。試料流体が流路を通って流れる間に、多孔質材料中に固定化された試薬が流体中に溶解する。
一実施形態では、ミクロ流体装置の動作中に放出される１種以上の薬剤を多孔質材料に含浸させることができる。放出される薬剤は、ミクロ流体流路を通過する試料の流れを物理的、化学的又は生物学的に改質するための機能性を有し得る。例えば、化学試薬放出材料は、カプセル封入剤中に封入された化学試薬を含むことができる。化学試薬放出材料は、ミクロ流体流路中を流れる検体溶液との反応後に化学試薬を放出するように構成することもできる。
検出及び感知のような用途では、流体を各種の試薬を有する官能化多孔質材料と反応させることで流体の物理的、化学的又は生物学的を変化させることができる。次いで、変化した性質に基づいて流体を確認できる。一実施形態では、多孔質材料１１４中に混入された試薬との化学反応によって試料流体の温度又はｐＨを変化させることができる。別の実施形態では、液体の生物学的又は化学的状態を変化させることで流体試料の生物学的又は化学的改質が達成できる。これの一例は、多孔質材料１１４中に混入された試薬との化学反応によるタンパク質又は核酸のアンフォールディング又はフォールディングである。ミクロ流体流路内の流体の化学的改質のためには、各種の試薬が使用できる。流体の化学的改質のために使用される試薬の非限定的な例には、測色用試薬及び蛍光試薬がある。流体と試薬との化学反応に基づき、これらの試薬は特定の流体との反応後には光学的性質の変化を受けることがある。次に、光学的性質の変化はミクロ流体流路１２４の表面の１つを通して検出できる。
ミクロ流体流路中を流れる流体は低レイノルズ数条件のために層流挙動を示すことが理解されるはずである。このような特徴は、粒子の分離及び感知のような用途のために利用できる。粒子の分離は、粒子の拡散係数の差に基づくことがある。例えば、一実施形態では、２種の独立した流体をミクロ流体流路（例えば、流路１２４）の一端にある入口からポンプ送入し、これらの流体がミクロ流体流路１２４の内部で出会うようにすることができる。層流特性のため、２種の流体は並行状態で流れ、一般に相互拡散を除けば混入することがない。小さい粒子は大きい粒子に比べて速く拡散するので、小さい粒子は並行する流れ中に拡散し得ることが理解されるはずである。その結果、ミクロ流体流路１２４の出口で流体を分離した場合、小さい粒子の大部分は他方の流体中に拡散しているであろう。かかる分離技法は、血漿から血液細胞を分離するために使用できる。イムノアッセイ用途のためには、かかる技法を用いて大きい干渉分子を試料から分離することができ、それにより検体の一層正確な分析が可能となる。さらに、抗原を含む流体と抗体を固定化した大きい粒子を含む流体とを混合し、固定化抗体を抗原と反応させ、その後に逐次ミクロ流体洗浄又は抽出段階によって抗原からビーズを分離することも有用である。
別の実施形態では、多孔質材料１１４で満たされたミクロ流体流路１２４は、特定の標的分子に対して（イオン、核酸又は抗体に基づく）親和性を示す分子で官能化できる。したがって、標的分子を含む分子混合物を有する流体をこれらの流路１２４に通せば、標的は液体の流れから選択的に除去され、官能化多孔質材料１１４（例えば、ガラス繊維）上に濃縮される。かかる流路は、不要の分子又は干渉物質を除去するためのフィルターとして使用できる。逆に、これらの流路は望ましい標的分子に関する予備濃縮器としても使用できる。
一実施形態では、ミクロ流体流路１２４内の多孔質材料１１４は、毛管作用によってミクロ流体装置１２０のある位置から別の位置への流体の輸送を促進する。若干の実施形態では、この特徴はミクロ流体流路１２４中の異なる位置間における流体の輸送を容易にすることができる。この場合、異なる位置は変化する寸法及び形状を有する結果、位置間において毛管作用の差を生み出す。さらに、これらの位置間における毛管圧力の差は、多孔質材料の多孔度及び／又は親水性によって調節できる。例えば、多孔質材料を疎水性材料から（１０度未満の水接触角を有する）超親水性材料に変えるように改質することで、ミクロ流体流路の毛管作用を変化させることができる。
図４０Ａ及び４０Ｂに示す実施形態では、ミクロ流体装置の代わりの実施形態が例示される。装置１３６は基材１３０を含んでいる。基材１３０は、ミクロ流体装置１３６内にミクロ流体流路１３８を画成するキャビティ又はミクロ流体流路パターン１３２を含んでいる。図４０Ａの堆積構造体１２８に示すように、装置１３６はさらに多孔質材料１３４を含んでいる。多孔質材料１３４は基材１３０上に配置される。一実施形態では、多孔質材料１３０に化学的及び／又は物理的表面改質段階を施し、次いでミクロ流体装置を製造することができる。
装置１３６は、基材１３０に対して多孔質材料１３４を圧縮することで製造される。圧縮後、多孔質材料１３４の一部が領域１４０内のミクロ流体流路パターン１３２を満たしてミクロ流体流路１３８を形成する。領域１４０内の多孔質材料１３４は圧縮力をほとんど又は全く受けない結果、装置１３６の動作中にミクロ流体流路１３８を通って流れる流体のための通路を提供する。領域１４２内では、多孔質材料１３４は圧縮されて緻密な層を形成し、この領域内の気孔からは空気が効果的に排除される。
。
加工製造段階は、圧力を約５０〜約１０００ｐｓｉの範囲内に維持しながら、約７０〜約１６０℃の範囲内の温度で堆積構造体１２８を圧縮することを含んでいる。加工段階を施した後には、多孔質層は変化する密度を有しながらミクロ流体流路を満たす層を形成する。多孔質材料１３４の露出面１４４を無孔質にする化学的及び／又は物理的表面改質段階のため、ミクロ流体装置１３６は２つの層（基材１３０及び多孔質材料１３４）しか必要とせず、基材１１６（図３９Ａ及び３９Ｂ参照）のような第２の基材は不要である。さらに、多孔質材料の化学的処理又は官能化のような他の改質をミクロ流体装置１３６に施すこともできる。
図４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ、４１Ｄ及び４０Ｅに示す実施形態では、代わりの実施形態をなすミクロ流体装置１３５が例示される。図４１Ａは、図４１Ｃのミクロ流体装置１３５の３つの層１２３、１２５及び１２７の堆積構造体１２１の分解断面図を示している。図４１Ｂは、線４１Ｂ−４１Ｂに関する図４１Ａの堆積構造体１２１の（側面からの）別の断面図を示している。図示の通り、第１及び第２の基材１２３及び１２７は、それぞれ階段構造１３１及び１３３をなすミクロ流体流路パターンを含んでいる。２つの基材１２３及び１２７は、一般的に１３１及び１３３として示される類似の、相補的な又は相異なる階段構造を有し得る。さらに、堆積構造体１２１は基材１２３及び１２７の間に配置された多孔質材料１２５を含んでいる。
堆積構造体１２１を圧縮することで装置１３５が形成される。図４１Ｃは装置１３５の正面図を示しており、図４１Ｄ及び４１Ｅはそれぞれ図４１Ｃ中の線４１Ｄ−４１Ｄ及び線４１Ｅ−４１Ｅに関する装置１３５の断面図を示している。装置１３５を形成する際、基材１２３及び１２７は、階段構造１３１及び１３３が一緒にミクロ流体流路１３７を形成し得るようにして互いに配置すればよい。例えば、ミクロ流体流路１３７を有する領域１３９では、階段構造１３１及び１３３は図示のように互いにオフセットした状態で配置されている結果、ミクロ流体流路１３７を有する領域１３９はほとんど又は全く圧縮を受けず、したがって多孔質材料１２５が圧縮力によって緻密になる領域１４１に比べて領域１３９は相対的に密度の低い多孔質材料１２５を有する。これらの相対的に密度の低い領域１３９内の多孔質材料１２５は緻密化をほとんど又は全く受けないことがある。このような実施形態で形成されるミクロ流体流路１３７は、基材１２３及び１２７の階段構造１３１及び１３３のために相異なる水平面にわたって延在し得る。図示された実施形態では、領域１３９内のミクロ流体流路１３７は第１及び第２の基材１２３及び１２７の階段１３１及び１３３をたどって進むことで、階段１３１及び１３３に沿った第１及び第２の基材１２３及び１２７の相異なる水平面にわたって延在する三次元の連続したミクロ流体流路を形成し得る。領域１４１内の多孔質材料はミクロ流体流路１３７と並んで階段構造１３１及び１３３をたどって進むことで、ミクロ流体流路１３７の領域を画成すると共に、領域１４１内の多孔質材料１２５の低下した多孔度のために流体試料をミクロ流体流路１３７内に保持することができる。さらに、階段構造１３１及び１３３を互いにオフセットしていない状態で配置することで、領域１３９が一層緻密な材料を有するようにできることも容易に理解されるはずである。
図４２は、図４１Ｃ及び４１Ｄのミクロ流体流路１３７の代わりの実施形態を示している。図示された実施形態では、ミクロ流体装置１４３は、第１及び第２の基材１２３及び１２７の階段１３１及び１３３によって画成された異なる水平面上に形成された個別のミクロ流体流路１４５を含んでいる。異なる水平面上のミクロ流体流路１４５は、互いに連絡していないことがある。換言すれば、ミクロ流体流路１４５はある水平面と別の水平面との間で連続していないことがある。ミクロ流体流路１４５は、基材１２３、１２７及び多孔質材料１２５を含む堆積構造体を圧縮して装置１４３を形成する場合に領域１４７内の多孔質材料１２５が圧縮力をほとんど又は全く受けないようにして基材１２３及び１２７を互いに位置合せすることで形成される。したがって、領域１４７内の多孔質材料１２５は緻密化を受けないことがある。それに対し、ミクロ流体流路１４５の外側に位置する多孔質材料１２５の領域１４９は圧縮力によって緻密化を受けることがある。
図４３は、細孔１５４を有する多孔質材料１５２が内部に配置されたミクロ流体流路１４６を示している。ミクロ流体流路１４６は、第１の基材１４８と第２の基材１５０との間に配設されている。第１及び第２の基材１４８及び１５０はいずれも、ミクロ流体流路１４６を画成するためのミクロ流体流路パターンを領域１５６内に含んでいる。製造に際しては、領域１５６内に配置される多孔質材料１５２の部分は小さい圧縮力を受け、したがって領域１５８内の多孔質材料部分に比べて高い多孔度を有する。したがって、領域１５６内に配置される多孔質材料１５２の部分中の細孔１５４は他の領域（例えば１５８）内の細孔より大きく、したがってミクロ流体流路１４６を通って液体が流れることを許す。
図４４は、ミクロ流体装置１６２を用いたシステム１６０を示している。例示的な実施形態では、システム１６０は、化学的実在物の合成及びスクリーニングに頼る製薬工業で使用できる。システム１６０は短縮された最適化サイクル時間を与えるとと、試薬の所要量がはるかに少ないためにコスト効率が高い。さらにシステム１６０は、直接的に装置固有のアクチュエーターにより、化学作用及び環境に対して一定の制御能力を与える。
一般に、通常のバッチ技術では、反応の確認及び最適化が律速段階となる傾向がある。しかし、システム１６０では、生物学的アッセイ及び化学的アッセイのために自動最適化を実施できる。さらに、システム１６０で生成される物質の量は、ミクロ流体流路の並列セットを設けることで増加させることができる。
ミクロ流体装置１６２は、ミクロ流体流路１６４、１６６、１６８、１７０及び１７２を含んでいる。ミクロ流体流路１６４、１６６、１６８、１７０及び１７２は、同一又は異なる多孔質材料（図示せず）を含み得る。試薬（即ち、ブロック７４で表される試薬Ａ及びブロック７６で表される試薬Ｂ）は入口１７８を通してミクロ流体装置１６２のミクロ流体流路１６４に供給される。ミクロ流体流路１６４に入った後、参照番号１８０で示されるように試薬Ａ及びＢ（１７４及び１７６）を反応段階１７７で反応させ、生成物生成段階１８５で生成物１８２、１８４及び１８６を得る。さらに、図示されていないが、生成物生成段階１８５では副生物が生成されることもある。次に、クロマトグラフィー又は電気泳動のような分離技法の使用により、生成物１８２、１８４及び１８６を生成物分離段階１８７で分離できる。一例では、液体クロマトグラフィー、サイズ排除クロマトグラフィー又はイオンクロマトグラフィーを用いて生成物１８２、１８４及び１８６を分離できる。別の例では、毛管電気泳動又はゲル電気泳動を用いて生成物１８２、１８４及び１８６を分離できる。
続いて、分離した生成物１８２、１８４及び１８６を、ミクロ流体流路１６６を通して装置１６２内に導入された相溶性媒質１８８中に懸濁できる。相溶性媒質１８８は、所定位置における３種の生成物の偏析及び分布を容易にする。例えば、相溶性媒質１８８は生成物１８２、１８４及び１８６がミクロ流体流路１７２に入って参照番号１９０で表されるブロックでアッセイ試料として捕集されるのを容易にする一方、残りの不要副生物はブロック１９０で表されるようにミクロ流体流路１７０を通してミクロ流体装置１６２の外部で捕集される。図示されていないが、システム１６０はさらに検出器、フィードバック回路又はこれらの両方を含み得る。検出器又はフィードバック回路は、ミクロ流体装置１６２と機能的に関連させることができる。一実施形態では、フィードバック回路はミクロ流体装置１６２に入る試薬の量を調整するように構成できる。
本発明のミクロ流体装置の他の用途としては、アッセイの速度を増大させると共に、材料及び試薬の所要量を減少させるために生物分析アッセイ（例えば、非常に小さい体積での複製連鎖反応（ＰＣＲ））を実施することができる。例えば、ミクロ流体装置は、ＤＮＡのサイジング、ＲＮＡのサイジング、毒素の分離、生物細胞（例えば、ウイルス又は細菌）の分離、無機イオン、薬剤、麻酔薬又は殺虫剤の分子の分離、合成ポリマーの分離、或いは化学兵器及び化学兵器の加水分解生成物の分離のために使用できる。一実施形態では、毛管及び毛管アレイ電気泳動でのＤＮＡ断片のサイジング及び配列決定、ミクロ装置統合電気化学的検出、並びにアミノ酸キラリティー分析のために使用できる。
別法として、本発明のミクロ流体装置の実施形態は合成のために使用できる。例えば、ミクロ流体装置は、流れ注入分析、連続流反応、脈動流反応又はセグメント流反応のような各種の合成方法を実施するために使用できる。さらに、ミクロ流体装置は、合成検体（例えば、小分子又は無機イオン）、薬剤、麻酔薬、殺虫剤、合成ポリマー、生物学的ポリマー（例えば、ＤＮＡ又はＲＮＡ）、半導体ナノ粒子、貴金属ナノ粒子又は量子ドット間の反応を実施するために使用できる。
加えて、ミクロ流体装置は所定の流体試料中の検体の予備濃縮又は抽出のためにも使用できる。例えば、上述したミクロ流体装置を使用することで、タンパク質、ペプチド、核酸（例えば、ＤＮＡ又はＲＮＡ）、毒素、生物細胞、無機イオン、薬剤分子、麻酔薬分子或いは殺虫剤分子を溶液から抽出できる。さらに、ミクロ流体装置で実施される分析は、時間分解型又は時間基準型であり得るか、或いは定常状態であり得る。
さらに、上述した実施形態のミクロ流体装置は検出用途のために使用できる。これらの用途では、ミクロ流体装置は、電子分光分析法、振動分光分析法、マイクロ波分光分析法、紫外−可視分光分析法、表面強化ラマン分光分析法、金属強化蛍光分光分析法、近赤外分光分析法、赤外分光分析法又はこれらの組合せで使用できる。これらの用途では、ミクロ流体装置をこれらの分光計の１以上に結合できる。
実施例
ＧＥ Ｐｌａｓｔｉｃｓ社（マウントヴァーノン、米国インディアナ州４７６２０−９３６４）から入手したガラス繊維複合材ＡＳＤＥＬ Ｓｕｐｅｒｌｉｔｅを、ＡＳＤＥＬ複合材の各側に２枚のスライドを配置するようにして４枚の顕微鏡用スライドガラス（Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｇｌａｓｓ Ｗｏｒｋｓ社、モデル２９４７）の間にサンドイッチした。ＡＳＤＥＬの各側では、流体流路を形成するために１．５ｍｍのギャップを生み出すようにしてスライドガラスを配置した。ＡＳＤＥＬ Ｓｕｐｅｒｌｉｔｅ複合材シート及びスライドガラスは厚さ１ｍｍであった。次に、サンドイッチ構造体を２枚の金属板間において約２００ｐｓｉの中位圧力及び１２０℃の高温で圧縮した。圧力を加えた領域は厚さが減少した。さらに、圧縮領域はスライドガラス−ＡＳＤＥＬサンドイッチを一体に結合した。圧力を加えなかった領域（スライドガラスのギャップ内に位置する領域）は圧縮されず、したがって図４３に示すようなミクロ流体流路を形成した。こうして形成されたミクロ流体流路の寸法は１．０ｍｍ×１．５ｍｍであった。この流路内では、ガラス繊維及びポリマー結合剤を含む複合材はその体積を保持することで、ミクロ流体流路を通しての流体輸送を許した。しかし、圧縮領域では、ＡＳＤＥＬ Ｓｕｐｅｒｌｉｔｅ複合材は各０．１５０ｍｍの厚さに圧縮され、それによりミクロ流体流路を効果的に封止して流体外への流体輸送を防止した。ミクロ機械加工した溝を有するポリカーボネートシート間でＡＳＤＥＬ複合材を圧縮することによっても、同様な結果が得られた。
以上、限られた数の実施形態のみに関連して本発明を詳しく説明してきたが、本発明がかかる開示された実施形態に限定されないことは容易に理解されるはずである。それどころか、本発明は、ここまでには記載されていないが本発明の技術思想及び技術的範囲に適合する任意の数の変更、改変、置換又は等価配列を組み込むように修正することができる。例えば、本ミクロ流体装置は分離、検出及び製薬用途に関連して記載されているが、本ミクロ流体装置はミクロ流体流路を使用する任意の用途のために有用であり得ることを理解すべきである。さらに、本発明の様々な実施形態を記載したが、本発明の態様は記載された実施形態のいくつかを含み得ることも理解すべきである。したがって、本発明は上記の記載によって限定されると見なすべきでなく、前記の特許請求の範囲のみによって限定される。
本発明の例示的な一実施形態に係る毛管流れ式流体デリバリーサンプリング装置用のアセンブリスタックの斜視図である。 本発明の別の例示的な実施形態に係る分岐直列型流路−液溜め構造を示している。 本発明の別の例示的な実施形態に係る並列・直列型流路−液溜め構造を示している。 本発明の別の例示的な実施形態に係る廃液溜め及び遅延流路を備えた流体デリバリー構造を示している。 塩素感受性フィルムの画像であって、塩素濃度は右から左に向かって１、２、４、５、１０及び５０ｐｐｍである。 塩素測定用の検量線を示している。 アルカリ度感受性フィルムの画像である。 スキャナーを用いて捕えたディジタル画像から計算した[(Ｒw−Ｒ)2＋(Ｇw−Ｇ)2＋Ｂ2]1/2／Ｂwを溶液アルカリ度の関数としてプロットしたグラフである。 [(Ｒw−Ｒ)2＋(Ｇw−Ｇ)2＋Ｂ2]1/2／Ｂwと光反射率プローブを用いて６５０ｎｍで測定した吸光度との相関関係を示すグラフである。 カラーディジタルカメラで捕えたディジタル画像から計算した[(Ｒw−Ｒ)2＋(Ｇw−Ｇ)2＋Ｂ2]1/2／Ｂwを溶液アルカリ度の関数としてプロットしたグラフである。 スキャナーに対するカメラの性能を示すグラフである。 ｐＨ測定の多変量目盛定めを示すグラフである。 欠陥を有するｐＨセンサーフィルムを示している。 ＲＧＢ値に対するフィルム欠陥の効果を示すグラフである。 標準偏差基準による１群のピクセルの棄却を示すグラフである。 Ｃａセンサーフィルム用の検量線を示すグラフである。 様々な温度におけるモリブデン酸イオンセンサーフィルムの動的応答を示すグラフである。 ２５．３℃の水試料への暴露中におけるモリブデン酸イオンセンサーフィルムの色変化を示すディジタル画像を含んでいる。 モリブデン酸イオンセンサーの応答に対する温度効果を示すグラフである。 実施例１に関する流路及び液溜めのレイアウトを示している。 実施例１に関する予測充填時間と実験的充填時間データとの比較を示している。 ５４の２３μｌ液溜めに関する平均充填時間を、実施例２での６回の試験から得られた誤差バーと共に示すグラフである。 実施例９に詳述する試料体積制御型サンプリング装置を用いて得られたマグネシウム感受性フィルムに関する検量線である。 本発明の例示的な一実施形態に従ってセンサー素子を有する基材に取り付けた軟質材料サンプリング層であって、素子を各液溜め内で制御された体積の試料液体に暴露したところを示す写真である。 基材を試料容器から取り出す際に液体が液溜めアレイを満たす文献記載例を示している。 単一の基材上で試料を流入点から複数のセンサー領域にデリバリーするための流路−液溜め構造を示している。 流体導入用ディスクの中央に流入点を有する、ＤＶＤ及びディスクケースの形態をもった例示的な流体サンプラーの斜視図である。 組立ての準備が整った、本発明の例示的な一実施形態に係る流体デリバリー装置の斜視図である。 組立てが済んだ図２８の流体デリバリー装置の斜視図である。 本発明の例示的な実施形態の断面図である。 本発明の例示的な実施形態の断面図である。 本発明の例示的な実施形態の断面図である。 サンプラーに水試料を充填する様々な段階における組立て済みサンプラーの動作進行状態の動的吸光度イメージングを示している。 サンプラーに水試料を充填する様々な段階における組立て済みサンプラーの動作進行状態の動的吸光度イメージングを示している。 サンプラーに水試料を充填する様々な段階における組立て済みサンプラーの動作進行状態の動的吸光度イメージングを示している。 サンプラーに水試料を充填する様々な段階における組立て済みサンプラーの動作進行状態の動的吸光度イメージングを示している。 制御された試料体積中への試薬の制御浸出をもたらすセンサー素子を用いて組立て済みサンプラーの動作進行状態を評価するための動的吸光度イメージングを示している。 制御された試料体積中への試薬の制御浸出をもたらすセンサー素子を用いて組立て済みサンプラーの動作進行状態を評価するための動的吸光度イメージングを示している。 制御された試料体積中への試薬の制御浸出をもたらすセンサー素子を用いて組立て済みサンプラーの動作進行状態を評価するための動的吸光度イメージングを示している。 試料を注入する前の時点からセルが完全に充填された時点まで、６秒の時間間隔で収集した吸光度測定値を示すグラフである。 本発明の例示的な一実施形態を示している。 図３４ａの例示的な実施形態の部分断面図である。 本発明の例示的な一実施形態である。 図３５ａの例示的な実施形態の部分断面図である。 本発明の例示的な一実施形態を挿入して液体試料から取り出すところを示している。 本発明の例示的な一実施形態を挿入して液体試料から取り出すところを示している。 本発明の例示的な一実施形態を挿入して液体試料から取り出すところを示している。 図３４ａ〜３４ｂに従って製造した例示的なデリバリー装置の性能を示すグラフである。 図３５ａ〜３５ｂに従って製造した例示的なデリバリー装置の性能を示すグラフである。 ミクロ流体装置の三層の堆積構造体の分解断面図であって、堆積構造体は本発明の例示的な実施形態に従って第１の基材、多孔質層及び第２の基材を含んでいる。 図３９Ａの堆積構造体に従って形成されたミクロ流体装置の断面図である。 本発明の例示的な実施形態に従って官能化多孔質層及び基材を含むミクロ流体装置の堆積構造体の分解断面図である。 図４０Ａの堆積構造体に従って形成されたミクロ流体装置の断面図である。 ミクロ流体装置の三層の堆積構造体の分解断面図であって、堆積構造体は本発明の例示的な実施形態に従って第１の基材、多孔質層及び第２の基材を含んでいる。 線４１Ｂ−４１Ｂに関する図４１Ａの堆積構造体の断面図である。 図４１Ａ及び４１Ｂの堆積構造体に従って形成されたミクロ流体装置の断面図である。 線４１Ｄ−４１Ｄに関する図４１Ｃのミクロ流体装置の断面図である。 線４１Ｅ−４１Ｅに関する図４１Ｃのミクロ流体装置の断面図である。 本発明の例示的な実施形態に従って第１及び第２の異なる水平面の位置にある個別のミクロ流体流路を用いたミクロ流体装置の断面図である。 本発明の例示的な一実施形態に従って多孔質層を圧縮することで形成されたミクロ流体流路を表す図である。 本発明の例示的な一実施形態に係るミクロ流体装置を用いた生物学的アッセイシステムの略図である。
符号の説明
２ カバー層
４ 流路層
５ 流路
６ サンプラー結合層
７ 通気穴
８ 液溜め
１０ 流体デリバリー装置
１１ Ｏリング
１２ 流体入口

Claims (10)

  1. 流体中の複数の生物学的又は化学的検体を同時に測定するための方法であって、当該方法が、
    各々が前記複数の検体の１以上に応答する複数のセンサー素子を含む基材を用意する段階、
    前記センサー素子上に光を導くための１以上の光源を用意する段階、
    計量された量の前記流体を各々の前記センサー素子にデリバリーする段階、
    前記センサー素子からの応答を検出する段階、
    前記応答をディジタルレコード中に記録する段階、
    前記ディジタルレコードを処理する段階、及び
    前記ディジタルレコードを利用して前記流体中における各々の前記検体の濃度を求める段階
    を含んでおり、
    前記デリバリー段階が前記センサー素子に連絡する複数の液溜め（８）を含むデリバリー装置（１０）を用意することを含んでいて、前記デリバリー装置（１０）はさらに試料入口（１２）及び複数の親水性流体流路（５）を含み、前記流路（５）は前記入口（１２）と前記液溜め（８）との間で制御された体積の前記流体を輸送するため前記液溜め（８）と前記入口（１２）との間に連結され、前記デリバリー装置（１０）はさらにカバー層（２）を含んでおり、前記カバー層（２）は前記液溜め（８）の上方に配設された複数の疎水性の通気穴（７）を含み、前記カバー層（２）はさらに前記液溜め（８）の上方に親水性の天井部分を与えて前記液溜め（８）への前記流体の輸送を容易にするための親水性の下面を有する、方法。
  2. 前記デリバリー装置（１０）がさらに前記入口（１２）に機能的に付属したＯリング（１１）を含み、前記Ｏリング（１１）は前記デリバリー装置（１０）の上部にあふれる過剰の流体を吸収するように構成されている、請求項１記載の方法。
  3. さらに、前記基材を収容するためのディスクケース（２８２）を用意する段階を含み、前記基材はＤＶＤ、ＣＤ、スーパーオーディオＣＤ、二層ディスク又はブルーレイディスクである、請求項１又は請求項２記載の方法。
  4. 前記流路（５）が、灯心材料又はポンプを使用することなく毛管力によって前記計量された量の前記流体を前記入口（１２）から前記液溜め（８）に輸送するように構成された毛管流路である、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。
  5. 流体中の複数の生物学的又は化学的検体を同時に測定するためのシステムであって、当該システムが、
    各々が前記複数の検体の１以上に応答する複数のセンサー素子を含む基材、
    前記センサー素子上に光を導くための１以上の光源、
    前記センサー素子からの応答を検出するための検出器手段であって、前記応答をディジタルレコードに変換するように構成された検出器手段、
    前記ディジタルレコードに基づいて前記１以上の検体を識別するための画像識別アルゴリズム、
    前記ディジタルレコードを利用して分析結果を生み出すためのソフトウェア準拠最適化アルゴリズム、及び
    計量された量の前記流体を各々の前記センサー素子にデリバリーするためのデリバリー手段
    を含んでおり、
    前記デリバリー手段が前記センサー素子に連絡する複数の液溜め（８）を含むデリバリー装置（１０）からなり、前記デリバリー装置（１０）はさらに試料入口（１２）及び複数の親水性流体流路（５）を含み、前記流路（５）は前記入口（１２）と前記液溜め（８）との間で制御された体積の前記流体を輸送するため前記液溜め（８）と前記入口（１２）との間に連結され、前記デリバリー装置（１０）はさらにカバー層（２）を含んでおり、前記カバー層（２）は前記液溜め（８）の上方に配設された複数の疎水性の通気穴（７）を含み、前記カバー層（２）はさらに前記液溜め（８）の上方に親水性の天井部分を与えて前記液溜め（８）への前記流体の輸送を容易にするための親水性の下面を有する、システム。
  6. 前記デリバリー装置（１０）がさらに前記入口（１２）に機能的に付属したＯリング（１１）を含み、前記Ｏリング（１１）は前記デリバリー装置（１０）の上部にあふれる過剰の流体を吸収するように構成されている、請求項５記載のシステム。
  7. 前記基材がＤＶＤ、ＣＤ、スーパーオーディオＣＤ、二層ディスク又はブルーレイディスクである、請求項５又は請求項６記載のシステム。
  8. さらに、前記応答を定量化するための光学ドライブを含んでいて、前記デリバリー手段は前記基材を収容するためのディスクケース（２８２）を含む、請求項７記載のシステム。
  9. 前記ディスクケース（２８２）が、さらに、前記基材から過剰の流体を除去するためのブロッティング層を含む、請求項８記載のシステム。
  10. 前記流路（５）が、灯心材料又はポンプを使用することなく毛管力によって前記計量された量の前記流体を前記入口（１２）から前記液溜め（８）に輸送するように構成された毛管流路である、請求項５乃至請求項９のいずれか１項記載のシステム。
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