JP5726269B2 - マイクロ流体デバイスおよび流体の凝固時間測定方法 - Google Patents
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Description
−使用されるチップまたは試験ストリップのほとんどは使い捨てであるけれども、いくつかの部品、例えば、血液試料を採取する手段、電気電導度の変化を測定する手段または粘度の変化を測定する手段を備えてなる。ストリップにおける電気化学コンタクトまたは振動粒子などの活性成分が存在すると、使い捨てチップの製造が複雑かつ高価となる。さらに、サイズを、ストリップの品質を犠牲にすることなく小さくすることはできない。
−試験に用いる血液試料の必要量については進歩がなされているけれども、まだ最もよくて10μlの範囲で必要とされており、患者にとっては不利である。このことは、例えば、1μl以下の血液試料で正確にすることができるグルコース測定などの他の試験に使用される量と比較すると劣っている。
−公知の試験ストリップまたはチップとともに使用される検出および測定装置は、まだいくぶん複雑である。ある場合には、磁場またはポンプなどの血液試料を運搬または移動させる追加の手段を必要とする。他の場合には、装置はいくつかの検出手段を必要とする:キャリブレーションチップを必要とする試料におけるある性質の変化を測定する電気化学手段または磁器手段、および追加の搭載型の特性対照システムを読み取る追加の検出手段。これによりさらに複雑となり、したがって、携帯デバイスのコストが増加する。
−コストの減少:使い捨てマイクロ流体チップは、多量低コスト生産技術および材料を用いて製造された極めて簡単(受動的な)部品である。
−血液試料の減少:5μLよりもはるかに少ない血液試料を、必要な特性対照と精度を有するマイクロ流体チップ技術により試験することができる。
−特性対照:多数の異なる搭載型の特性対照を、本発明の使い捨てデバイスに適用し、単一の検出手段により読み取ることができる。さらに、デバイスでは、外部特性対照として較正血漿を使用できる。
改善された携帯性:検出システムは、極めてコンパクト、低コストで、薄い携帯用デバイスに組み込むことができる。
・2領域:一つは血液試料の凝固時間測定用の反応流路、そしてもう一つは凝固剤を含まないか、あるいは凝固阻害剤を含む対照流路。
・2領域:一つは理論曲線により血液試料の凝固時間測定用の反応流路、そしてもう一つは正常凝固時間を得るための対照流路。
・3領域:一つは血液試料の凝固時間測定用の反応流路、もう一つは凝固剤を含まないか、あるいは凝固阻害剤を含む対照流路、そしてさらなる一つは正常凝固時間を得るための対照流路。
・3領域:一つは理論曲線比較により血液試料の凝固時間測定用の反応流路、もう一つは正常凝固時間を得るための対照流路、そしてさらなる一つは公知の異常に大きな凝固時間を得るための対照流路。
一定断面の毛細管導管のニュートン挙動下の動的ファイリングは、粘度η、総流れ抵抗RFRおよび湿潤(先頭部)メニスカスとディウェッティング(後部)メニスカスとの間の圧力差ΔPに依存する容積流量Qを介して求めることができる。
本発明の一つの実施態様によれば、流動力学による連続読取を利用して、凝固時間を、試料の測定特性を理論予測値と比較することにより求めたり、制御したりすることができる。
工程1:
ニュートン挙動下の毛細管長さについての式(3)によれば、L(t)は、時間のべき関数である。L(t)およびt値(検出システムから抽出した値)からはじめ、以下の曲線を得ることができる:
上記した式の両辺に対数を適用すると、勾配0.5の線形曲線が得られる(図14のグラフも参照):
変数(u=logt)を変化させることにより、新しい関数Y=Y(u)を定義でき、それをuに関して微分する(図15のグラフも参照)。
Yのuに関する二次微分を実施する(図16):
理論凝固時間測定のための第二および類似の数学的手法は、次のようにその概要が説明されるものである。同じ生データ、工程1で得られるL(t)値およびt値から開始して、以下の曲線を得ることができる。
本発明では、血液または血漿試料を投入口に入れる必要がある。投入口を通って血液または血漿が試料分配流路に入り、試料分配流路に沿って、同じ血液試料または血漿が反応/凝固流路と一つ以上の対照流路とに分割される。
流頭移動L=L(t)またはv=v(t)の連続検出または読取のために、差検出技術を使用することができる:
・フォトダイオードによる検出。
・電荷結合素子(CCD)または相補型金属酸化膜半導体(CMOS)等の光学センサーによる検出。
サーペンタイン(蛇行流路)にLEDを照射し、透過光をフォトダイオードで検出する。移動する流頭は、直線的に吸収を増加する。したがって、検出強度はそれに応じて減少する。信号増幅器を用いて、とても小さな流れ位置の増分を読取ることができる。
この検出スキームの場合、システムは同様な構成を用いるが、但しこの検出デバイスを代わりに使用するところが異なる。この場合、本発明では、CCDまたはCMOSセンサーを用いる。したがって、スキャニング表面の高周波数マッピング後に得られるデータを処理することにより、流頭位置が得られる。
本発明のマイクロ流体デバイスは、現在のプラスチック複写技術と組立て技術を用いて容易に製造できる。2つの密封コンポーネントにより、アセブリを形成する:図1に示すような、マイクロ構造をパターン化した下基板と、上基板またはカバー蓋。
a)液体の乾燥試薬への吸収の調節:単独重合体、例えば、ヒドロキシプロピルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール等。
b)迅速な可溶化、安定剤、乾燥プロセスの短縮:アルブミン、グルタミン酸塩、糖類(例えば、グルコース、スクロース、トレハロース等)等。
c)湿潤性の制御:トリトン、マコール、テトロニック、シルウェット、ゾニル、プルロニック等。
d)安定な読取および分配制御用色指示薬:感温化合物(オキサジン、クリスタルバイオレットラクトン、フェノールフタレイン等)としてロイコ染料。感湿化合物としての金属塩、例えば、塩化コバルト、硫酸カルシウム等。感温化合物および感湿化合物としてのN−オキシドまたはニトロソ化合物。
e)周囲条件下での安定性を高める:チメロサール等の有機水銀化合物。
f)種々の機能性のための他の化合物:ポリブレン(抗ヘパリン剤)および緩衝剤。
[1] 血液または血漿などの流動媒体の凝固時間を測定するマイクロ流体デバイスであって、
前記デバイスが、
−前記流動媒体の試料を導入する手段(1)と;
−試料を導入する前記手段(1)と連結され、前記流動媒体がその長さに沿って流れるようにされた第一領域(6a)と;
−前記第一領域の初めの位置にあって、前記流動媒体と反応し得る試薬を含む第一区域(5a)とを備えてなり、
前記デバイスが、
−試料を導入する前記手段(1)とまた連結され、前記流動媒体がその長さに沿って流れるようにされた第二領域(6b);をさらに備えてなり、
−前記第二領域(6b)が、前記流動媒体と反応し得る試薬を含まないか、または、
−前記第二領域(6b)の初めの位置にあって、前記第一区域(5a)の試薬とは異なる、前記流動媒体と反応し得る試薬を含む第二区域(5b)を備えてなる
ことを特徴とする、マイクロ流体デバイス。
[2] 前記領域(6a、6b)の各々が、少なくとも一つのマイクロ流体流路から構成されてなることを特徴とする、[1]に記載のマイクロ流体デバイス。
[3] 前記マイクロ流体流路(6a、6b)が毛管流路であって、その流路の表面が親水性でありかつ毛管現象が前記流動媒体を移動させるための唯一の力として作用するものであることを特徴とする、[2]に記載のマイクロ流体デバイス。
[4] 前記領域の各々が、通気手段(7)を含んでなるものであることを特徴とする、[1]〜[3]のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス。
[5] 前記通気手段(7)が、流れ停止弁として機能する排出口からなるものである、[4]に記載のマイクロ流体デバイス。
[6] 前記第一領域の前記第一区域(5a)が、前記流動媒体の凝固を引き起すことができる試薬が入った反応セルから構成されてなることを特徴とする、[1]〜[5]のいずれか一項に記載のデバイス。
[7] 前記第二領域の前記第二区域(5b)が、前記流動媒体の凝固を阻止することができる試薬が入った反応セルから構成されてなることを特徴とする、[1]〜[6]のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス。
[8] 前記デバイスが、試料を導入する前記手段(1)とまた連結され、その長さに沿って前記流動媒体が流れるようにされた第三領域をさらに備えてなり、前記第三領域の初めの位置に、前記第一区域(5a)または前記第二区域(5b)の試薬とは異なる、前記流動媒体と反応し得る試薬が入った第三区域をさらに備えてなることを特徴とする、[1]〜[7]のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス。
[9] 前記試料を導入する手段が投入口(1)からなり、該投入口は、前記第一および第二領域(6a、6b)と連結され、存在する場合は前記第三領域とも連結され、該連結は、分配流路(2)と、それに続く、前記第一領域、前記第二領域、および任意の前記第三領域とに分岐する(4)、流路分岐点(3)を介してなされていることを特徴とする、[1]〜[8]のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス。
[10] 前記第一領域(6a)、前記第二領域(6b)および前記任意の第三領域が、湾曲形状をしていることを特徴とする、[1]〜[9]のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス。
[11] 前記第一領域(6a)、前記第二領域(6b)および前記任意の第三領域が、蛇行形状トラックを有する流路から構成されていることを特徴とする、[1]〜[10]のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス。
[12] 前記流路が、矩形断面を有するものであることを特徴とする、[1]〜[11]のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス。
[13] 前記流路が、異なる断面を有するセグメントの組み合わせから構成されていることを特徴とする、[1]〜[12]のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス。
[14] 前記区域(5a)における前記試薬がトロンボプラスチンであり、前記凝固時間がプロトロンビン時間を表すことを特徴とする、[1]〜[13]のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス。
[15] 前記第一領域(6a)が凝固流路としての機能を果たし、前記第二領域(6b)が対照流路としての機能を果たすこと、および前記2つの領域が同一の構造を有するものであることを特徴とする、[1]〜[14]のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス。
[16] 前記第一領域(6a)が凝固流路としての機能を果たし、前記第二領域及び前記第三領域が対照流路としての機能を果たすこと、および前記3つの領域が同一の構造を有するものであることを特徴とする、[1]〜[14]のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス。
[17] 特性対照のための光学機構をさらに備えてなる、[1]〜[16]のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス。
[18] −[1]〜[17]に記載のマイクロ流体デバイスを取り込むスロットと;
−前記領域の各々における前記流動媒体の少なくとも一つの性質を連続的に検出および/または読取る光学手段と;
−前記検出および/または読取手段により得られたデータを処理し、そして前記流動媒体の凝固時間を測定する手段とを備えてなり、
前記光学手段が、前記マイクロ流体デバイスの特性対照における特徴をもまた、測定または読み取るものである、凝固計デバイス。
[19] 前記流動媒体の前記性質が、前記領域の各々における前記流動媒体の先頭の位置および/またはその速度であることを特徴とする、[18]に記載の凝固計デバイス。
[20] 前記処理手段が、前記2つまたは3つの領域の各々における前記単一または複数の性質を比較する手段を備えてなることを特徴とする、[18]または[19]に記載の凝固計デバイス。
[21] 前記処理手段が、前記第一流路(6a)における前記単一または複数の性質と、前記第二流路(6b)および/または前記第三流路における前記単一または複数の性質との間の差が、所定の閾値に達した時点を検出する手段を備えてなることを特徴とする、[18]〜[20]のいずれか一項に記載の凝固計デバイス。
[22] 前記検出手段および/または読取手段が、前記領域の各々を照射する手段と、前記領域の各々を透過または各々により反射された光を分析する手段を備えてなることを特徴とする、[18]〜[21]のいずれか一項に記載の凝固計デバイス。
[23] 前記照射手段が、少なくともLEDを備えてなり、前記分析手段が少なくとも光学センサーを備えてなることを特徴とする、[24]に記載の凝固計デバイス。
[24] 前記分析手段が、少なくともレンズを備えてなることを特徴とする、[23]に記載の凝固計デバイス。
[25] 血液または血漿等の流動媒体における凝固時間を測定する方法であって:
−流体が長さに沿って流れるようになっている第一および第二領域(6a、6b)を有する[1]〜[17]に記載のマイクロ流体デバイスに、前記流動媒体の試料を導入する工程と;
−前記第一領域(6a)の初めの位置に、前記流動媒体と反応し得る第一試薬(5a)を用意する工程と;
−前記第二領域(6b)に、試薬を存在させないか、あるいは前記第一領域(6a)に第一試薬(5a)とは異なる第二試薬(5b)を存在させる工程と;
−光学手段で、前記第一領域(6a)および前記第二領域(6b)における前記流動媒体の少なくとも一つの性質を連続的に読取る工程と;
−前記第一領域(6a)における前記流動媒体の性質と少なくとも、前記第二領域(6b)における前記流動媒体の同じ性質と、あるいはこの性質の理論値と比較する工程とを含む、方法。
[26] 前記第一領域における前記流動媒体の前記性質を少なくとも、前記第二領域(6b)における前記流動媒体の性質と比較することを特徴とする、[25]に記載の血液または血漿等の流動媒体の凝固時間を測定する方法。
[27] 前記第一領域における前記流動媒体の前記性質を少なくとも、前記性質の理論値と比較することを特徴する、[25]に記載の血液または血漿等の流動媒体における凝固時間を測定する方法。
[28] 前記読取った性質と理論曲線とを相関させることを含む、特性対照工程を含んでなる、[25]または[26]に記載の血液または血漿等の流動媒体の凝固時間を測定する方法。
[29] 血液または血漿等の流動媒体における凝固時間を測定する[1]〜[17]のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイスの製造方法であって:
−第一基板を用意する工程と;
−前記第一基板に、[1]〜[17]のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイスに対応する微細構造のパターンを形成する工程と;
−第二基板を用意する工程と;
−前記パターン化した第一基板の上部に前記第二基板を封止して、前記第二基板がカバー蓋としての機能を果たすようにする工程と、
を含んでなる方法。
[30] 前記第二基板が親水性膜である、[29]に記載の方法。
Claims (4)
- 血液または血漿などの流動媒体の凝固時間を測定する方法であって、
・−流動媒体の試料を導入する手段(1)と、
−試料を導入する前記手段(1)と連結され、前記流動媒体がマイクロ流路の長さに沿って流れるようにされた領域であって、その領域の範囲内に、少なくとも一部に親水性材料でカバーされ、流動媒体が毛細管力のみにより駆動されて流れることを可能とするマイクロ流路を含んでなる領域と
−前記領域の初めの位置にあって、前記流動媒体と反応し得る試薬を含み、凝固カスケードを開始する区域と
を少なくとも備えてなるマイクロ流体デバイスを用意する工程と、
・流動媒体の試料を導入する前記手段(1)に、前記流動媒体の試料を導入する工程と、
・流頭の位置を時間の関数L(t)として読み取る工程と、
・凝固が起こらないときの前記流動媒体の先頭の伝搬の理論値を、時間の関数として提示する工程と
を含んでなり、
ここで、凝固時間CTが、反応が開始した時間から、読み取られた凝固関数L(t)が、特定の閾値を超えて、理論値から逸脱した瞬間まで、に経過した時間として測定されることを特徴とする、方法。 - log (t)に対するlog L(t)の勾配が変化したとき、前記読み取られた凝固関数L(t)が、特定の閾値を超えて、理論値から逸脱したものとみなす、請求項1に記載の方法。
- 関数Y=Y(u)=log L(t)が、変数u=log tを変化させることにより、読み取られた凝固関数L(t)から得られ、ここで、第一次導関数dY/duが、特定の閾値を超えて、一定値0.5から逸脱したとき、log (t)に対するlog L(t)の勾配が変化したとする、請求項2に記載の方法。
- 関数Y=Y(u)=log L(t)が、変数u=log tを変化させることにより、読み取られた凝固関数L(t)から得られ、ここで、第二次導関数d2Y/du2の減衰が、特定の閾値を超えて、0から逸脱したとき、log (t)に対するlog L(t)の勾配が変化したとする、請求項2に記載の方法。
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