JP5798647B2 - 磁性粒子を有する多数区画装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体及び電磁ビーズを扱うための統合特殊弁状構造を有するマイクロ流体システム及び装置に関し、そのような装置及びシステムの使用を含む方法にも関する。

磁性キャリアは、ターゲット濃度の増加及びターゲット抽出のための体外診断法において、幅広く使用されている。ターゲットは、細胞、細胞部分、たんぱく質、核酸、及びその他であってよい。ターゲットは、磁性粒子に結合し、続いてそのターゲットが浮遊している流体から分離される。その後、さらなるステップ（例えば、保存、生化学的処理、又は検出）が実行されてもよい。

マイクロ流体のレビューに関しては、非特許文献１を参考にする。現在のシステムは、一般的に、流体及び電磁ビーズをマイクロポンプ及びマイクロ弁で操作する（例えば、磁性粒子の洗浄ステップ及びバッファの置換え）ために、区別可能なプロセスの多様性に依存している。ここにおける各ステップは、全体のプロセスにエラーの可能性をもたらす。これらのプロセスは、また、化学、分子生物学、医学及びその他を含む多数の区別可能な分野に頼る。従って、治療法において使用される様々なプロセスを、単一システム、最小限の費用、高い信頼性及び操作の最大限のやり易さで統合することが望ましい。

N.Pamme「Magnetism and Microfluidics」Lab Chip, 2006,6,24-38

本発明は、特殊弁のような構造を持つ新しい種類のマイクロ流体システム及び装置を、それらの使用に対応する方法と一緒に提供する。これらのシステム及び装置は、マイクロ・スケールの統合、検出、治療法など、様々な技術的適用において使用することができる。磁性粒子に対する弁機能が備えられている。それは、費用を低く抑え、カートリッジの加工を簡単にする。

本発明による装置は、磁性キャリアが、最小限の流体の輸送で異なる区画間において輸送される多数区画装置である。周囲の流体から磁性キャリアを分離するために、該装置のチャンネルは、磁性粒子の通過を可能にするが、流体の通過を妨げる特別の障壁材料ではめ合わされてもよい。これは、弁状構造における可塑性材料及び／又は疎水性構成要素の使用もしくはその改良によって、成し遂げてもよい。本発明の１つの実施形態による装置及びシステムにおいて、磁性粒子は、磁気作動によって弁状構造の境目に集中し、その粒子に加えられた磁力によってその弁状構造の中を通して引っ張られる。弁状構造は、粒子及び流体の分離を拡大するために連続的に取り付けてもよい。

本発明による装置は、多数区画装置であってもよい。さらに、本発明にかかる弁状構造を使用して若しくは使用せずに、粒子の輸送とは独立して、流体が一つ以上の区画に供給され得るように、本発明にかかる最小限の流体輸送を伴って、磁性キャリアが異なる区画間を輸送される多数区画装置において実施されるマイクロ流体システムが想定され得る。従って、流体は、本発明にかかる弁状構造が取り付けられた若しくは取り付けられていない、別のチャンネルを通して供給されてもよく、該別のチャンネルは、マイクロ流体システムにおいて一般的に使用される弁及びチャンネルをさらに含んでもよい。

区画1、区画2、障壁チャンネル3、流体入口4、前処理ユニット5（例えば、試薬が流体に加えられる箇所）、平行チャンネル6、前処理ユニット7（例えば、細胞がフィルタリングされ、さらに試薬が加えられてもよい箇所）、及び共通前処理ユニット9を有する装置のスケッチである。区画2は、チャンネル6および前処理ユニット7を通して充填される。 仮想チャンネル及び区画を有する平面マイクロ流体装置の図である。流体の流れは、両方のガラス基板の局所的親水性によって形成される仮想チャンネルを通して観測される。仮想区画1は、電磁ビーズ（この実験において粒子の位置が容易にモニターされるように、その流体を茶色で着色する）の浮遊物で充填され、仮想区画2は、水で充填される。2つの区画は、疎水性障壁で分離される。 電磁ビーズが第１区画から第２区画まで磁力によって輸送される平面マイクロ流体装置の図である。写真は、第２区画の内部の磁性粒子の存在を示す。 洗浄領域を含む物理チャンネルを持たない平面マイクロ流体装置の概略図である。矢印は、チャンネルの一部分を表わし、溶媒はそのチャンネルに導入されるか、又はそのチャンネルから除去されてもよい。仮想チャンネル及び洗浄領域は、両方のガラス基板の局所的な親水性化によって形成される。１つの仮想チャンネル(1)は、流体中に分散された磁性粒子で充填され、他のチャンネル(3)及び洗浄領域(2)は、洗浄流体で充填される。電磁ビーズは、1つのチャンネルから、連続的に取り付けられた弁状構造上を引きずられ（この場合疎水性障壁）、洗浄領域の中を通り、次のチャンネルの中へ入る；共同で移動する溶媒は、各洗浄領域(2)において薄められる。 (a)弁状構造無し及び(b)弁状構造有りで、統合核酸テストをするためのマイクロ流体装置の概略図である。両方の装置(a)及び(b)は：サンプル注入口及びサンプル出口又は換気口（出る）を持ち、核酸を含む細胞状物質を含むサンプルが導入される区画(1)；細胞溶解が起こり、核酸が解放される区画(2)；例えばPCRによって核酸が増幅される区画(3)；核酸が、例えば抗体拘束によって検出される区画(4)；を含む。装置(b)は、さらに、本発明に従って弁状構造（破線によって表わされる）を含み、それによって区画は分離される。区画(2)及び(3)は、さらに電磁ビーズが使用前及び使用後に保存され得るサブ区画を含む。異なるサブ区画の入口における弁状構造の存在は、本発明においては任意であることに注意されたい。

本発明の１つの実施形態において、弁状構造を通して流体サンプルから磁性粒子を移送するための方法が提供され：
(a)弁状構造によって接続される少なくとも２つの区画を含む装置を提供するステップであり、その弁状構造が、磁気作動において前記磁性粒子の通過を可能にし、その弁状構造は、磁力が存在しない場合において２つの流体の混合を防ぐ、ステップ、
(b)磁性粒子を含む流体サンプルで少なくとも２つの区画の一番目を充填するステップ、
(c)該磁性粒子を、該弁状構造を交差して、該少なくとも２つの区画の1番目から第２区画まで引きずる磁力を加えるステップ、
を含む。

好ましい実施形態において、弁状構造は、粘弾性媒体を含み、その粘弾性媒体は、気体、流体、変形可能な固体又はそれらの組み合わせから選択される。

もう１つの好ましい実施形態において、その弁状構造は、疎水性障壁を含み、磁力は、その疎水性障壁を交差してその粒子を駆動する。

図２及び３は、本発明に従って疎水性障壁を有する平面装置を示す。図２は、区画１において位置している磁性粒子（流体に茶色の着色を与える）の浮遊物を示し、区画２は、水で充填されている。図３において、磁性粒子は、疎水性障壁を交差して区画２の中へ駆動され、区画１からのごく少量の流体のみが、磁性粒子とともに輸送されている。

もう１つの好ましい実施形態において、弁状構造は、変形可能な障害物を含み、磁力は、粒子を変形可能な材料を通して駆動する。

さらにもう１つの好ましい実施形態において、該方法はさらに、ステップ(b)とステップ(c)との間に：
‐磁気作動によって弁状構造の近くに磁性粒子を集中させるステップ、
‐磁力での作動によって粒子を、弁状構造を通って通過させるステップ、
を含む。

さらにもう１つの好ましい実施形態において、第１区画は磁性粒子を含むサンプル流体によって充填され、第２区画は、もう１つの流体によって充填される。

本発明による方法のさらにもう１つの好ましい実施形態において、第１区画における流体及び第２区画及び／又は追加の区画における流体が、少なくとも部分的には同じソースを根源とする。

本発明のさらに好ましい実施形態において、第１区画における流体及び第２区画及び／又は追加の区画における流体は、少なくとも部分的に同じソースを根源とし、該ソースは、生体サンプルである。

少なくとも部分的に同じソースを根源とする第１区画における流体及び第２区画及び／又は追加の区画における流体は、本発明による方法のステップ(a)から(c)の前に：
‐流体サンプルがパートI及びパートIIに分割されるステップ、
‐磁性粒子を分割された流体サンプルのパートIへ追加し、その供給された装置の少なくとも２つの区画の第１区画へ輸送するステップ、
‐分割された流体サンプルのパートIIの前処理を実施するステップ、及び
‐分割された流体サンプルのパートIIを供給された装置の前記第２区画に輸送するステップ、
を含む方法から得られる。

上記で概説されたこれらの追加のステップは、また、本発明による弁状構造を有さない装置を使用した方法において実施されてもよい。

さらに好ましい実施形態において、第１区画から第２区画までの粒子の輸送の間に、弁状構造は、粒子が第２区画に入る前に第1区画の共同輸送される流体の主要部分を失わせる。

もう１つのさらに好ましい実施形態において、第1区画に含まれる流体の10％未満、好ましくは5％未満、さらに好ましくは1％未満、最も好ましくは0.1％未満が、第２区画へ磁性粒子と一緒に輸送される。

さらにもう１つのより好ましい実施形態において、磁性粒子の体積と第１区画の共同輸送された流体の体積との間の比は、0.05よりも大きく、さらに好ましくは0.1よりも大きく、特に0.2が好ましく、最も好ましくは１よりも大きいのがよい。

本発明のもう1つの実施形態は、本発明による方法を実施するための装置であり、弁状構造によって接続された少なくとも２つの区画を含み、その弁状構造は、磁力が存在しない場合における２つの流体の混合を防ぐ。

本発明の好ましい実施形態は、本発明による方法を実施するための装置であり、弁状構造によって接続された少なくとも２つの区画を含み、その弁状構造は、磁力による作動において磁性粒子の通過を可能にする。

好ましい実施形態において、その弁状構造は、粘弾性媒体を含み、その粘弾性媒体は、気体、流体、変形可能な固体又はそれらの組み合わせから選択される。

好ましい実施形態において、その弁状構造は、疎水性障壁を含む。

好ましい実施形態において、その弁状構造は、少なくとも２つの疎水性表面を有する毛管チャンネルを含む。

さらに好ましい実施形態において、疎水性障壁によって分離されている区画は、近接近している。本発明の背景において、「近接近」は、10mm未満、好ましくは0.05‐3mmまで、さらに好ましくは0.5‐3mmの長さを持つ疎水性障壁によって分離されているものとして定義される。どの理論による束縛も考慮しない場合、第1流体における磁性粒子が一体として集められ、第２流体に接触するときに、液体接続（流体ネック（fluid neck）として呼ばれる）が２つの流体の間に現れることをこの範囲のウィンドウが促進すると考えられる。意外にも、その液体接続は、２つの流体の間における最小限の交差汚染を生成し、それはおそらく(i)磁性粒子体がチャンネルの内部でプラグとして位置している、及び(ii)流体接続が、非常に速くピンチオフ（pinch-off）するように見える、ことが理由である。ピンチオフは、液体接続が破壊し、弁領域からチャンバーの中へ撤退する現象を呼ぶ。ピンチオフは、好ましくは、第１流体の第２流体への繰越を最小限にするために、通過のすぐ後に起こる。それにもかかわらずピンチオフは、弁を交差した粒子の高い輸送収率を可能にするために、過度に速く起こるべきではない。

磁性粒子の実際の移送は：(1)磁気作動による磁性粒子の、弁状構造の近くの領域における収集及び集中のステップ；(2)磁性粒子が、弁状構造の障壁領域の中へ引っ張られるステップ；の２つのステップを有する。ステップ(1)において、流体チャンバーの形状は、磁性粒子が集められ、磁気作動によって凝集される、弁状構造に近い位置において、曲率半径を持つ凸面であるのが好ましい。その曲率半径は、磁性粒子の集合及び集中を促進し、流体メニスカス上に高圧を及ぼす集中的な磁性粒子体を生成する。好ましくは、粒子が集められ凝集される流体チャンバー領域の曲面の直径は、磁性粒子体が円盤状である場合は、その磁性粒子体の直径に等しいか、又はそれよりも小さい。

もう1つの好ましい実施形態において、弁状構造は、変形可能な障害物を含む。

さらに好ましい実施形態において、粘弾性物質が変形可能な障害物を形成し、その粘弾性物質は、オイル、ゲル、又は変形可能なポリマー又はそれらの組み合わせを含むグループから選択される。

本発明のもう１つの実施形態は、本発明による装置を含むシステムであり、さらに磁気ソースを含む。

さらに好ましい実施形態において、磁力は、電磁石、統合電流ワイヤ、永久磁石及び機械的に動作する永久磁石又は電磁石を含むグループから選択されてもよい。

本発明のもう１つの実施形態は、本発明による装置及びさらに検出ユニットを含むシステムである。

本発明のもう１つの実施形態は、本発明による装置の使用であり、あるいは生体ターゲットを検出するための本発明によるシステムである。

本発明のもう１つの好ましい実施形態は、センサー多数化、ラベル多数化及び区画多数化のグループから選択される方法における本発明による装置の使用又は本発明によるシステムである。

さらなる実施形態において、第１区画は、可能性としてフィルタリングなどの前処理の後にサンプル流体によって充填され、第２区画は、別の貯留層からの流体によって充填される。第２区画は、例えば、バッファ流体によって充填され、そのバッファ流体は、カートリッジの内部又はカートリッジの外部から供給される。また、第１区画及び第２区画は、サンプル流体によって充填されるが、異なった前処理の後に充填される。

これは、図１においてスケッチされている。区画1は、前処理5の後に流体で充填される。区画2は、前処理7の後に同じ流体で充填される。このマイクロ流体装置は、本発明による１つ又はそれ以上の弁状構造を含んでも含まなくてもよく、また、マイクロ流体システムにおいて一般的に使用される他の弁を含んでも含まなくてもよい。

本発明による方法、装置又はシステムの特に好ましい実施形態において、弁状構造が装置内に安定して配置されている。

本発明による方法、装置又はシステムのもう１つの好ましい実施形態において、多数弁状構造が少なくとも２つの区画の間に連続して取り付けられている。このように、マイクロ流体装置又はシステムは、例えば、洗浄流体を個別に供給され得る追加の洗浄領域を備える。各洗浄領域は、従って、第１チャンネル又はチャンバーから第２チャンネル又はチャンバーへ共同移動する／あふれ出す溶媒の量をさらに制限する役割を果たす。

本発明のさらなる実施形態は、マイクロ流体システム又は装置において磁力が存在しない場合に２つの流体の混合を防ぎ、磁力による作動で磁性粒子の通過を可能にする弁状構造の使用である。

以下の定義が、本発明による装置、方法及びシステムに対して適用可能である。

ここで述べられる弁状構造は、磁力の存在しない場合、流体が通り抜けることは出来ないが、本発明に従って磁性粒子が磁力によってその中を駆動されることが可能である空間である。その弁状構造の弁機能は、それに含まれる粘弾性媒体によってもたらされ、粘弾性媒体は、気体、流体、変形可能な固体又はそれらの組み合わせから選択される。その粘弾性媒体が気体又は流体である場合、その弁状構造は、該気体又は流体の位置を定める追加の材料又は特徴（例えば、該装置における機械的固定構造などの気体／流体もしくは流体／流体のインターフェースを実質的に固定する機械的構造又は領域、及び／又は表面エネルギーの推移）を有する。その弁状構造は、また、変形可能な粘弾性の流れ障害として働く変形可能な固体を含む。

磁性粒子の実際の移送は：(1)弁状構造に近い領域において磁気作動によって磁性粒子を集合又は集中させるステップ；(2)磁性粒子が、最初に粘弾性物質によって占められている空間の中へ、その粒子に加えられた磁力によって引っ張られるステップ；の２つで構成される。磁性粒子が最初に拡散された流体はそこに残り、その磁性粒子の抽出、分離又は浄化の一種をもたらす。物理的実体の結果として、流体のある一定の量が、磁性粒子と一緒に弁状構造を通って移送されることを完全に防ぐことは、当然のことながら不可能である。しかし、弁のチャンネル／区画の形状の注意深い設計によって、そのような共同移送は最小限に抑えられる。

本発明による弁状構造に対する粘弾性物質は、例えば、高密度（例えば、流体又は固体）から軽量（例えば空気）なものから選択され、弾性（例えば、PDMAなどのプラスチック）から非弾性及び粘性（例えば、ゲル又は疎水性オイル）のものから選択されてもよい。上記の物質に類似した物理化学的及び機械的特性を持つ物質は、また、本発明において粘弾性物質として使用されてもよい。

オイル又は別の液体の場合、メニスカス固定が、粘弾性物質を含む弁状構造が安定して装置内に位置することを確認するために使用されてもよい。メニスカス固定は、たとえば、直角表面（例えば端）の方向付けが変化する機械的構造など、気体／流体又は流体／流体インターフェースの接触ラインを実質的に固定する領域及び／又は表面エネルギーの推移（例えば高い表面エネルギーから低い表面エネルギーへ、親水性から疎水性へ）によってもたらされる。

本発明に関するチャンネル又は区画は、本発明による装置、システム又は方法に使用される流体が、ある一定の領域に拘束されている空間である。そのようなチャンネル又は区画の形状は、例えば、サンプルがさらなる処理のために集められる円形又は長方形の領域及び上記の領域を接続する線形チャンネルなど、如何なる適切な形状を適合してもよい。それらのチャンネルは、エッチング、製粉、成形、印刷及びその様な当業者によってよく知られている方法で基板材料に移植してよい。

その代わりに、チャンネルは、「仮想チャンネル」又は「仮想区画」の形で存在してもよい。そのような仮想チャンネルは、流体がチャンネル内に根本的に拘束されたままになるように、基板の周辺表面とは異なる表面特性を持つ領域を含む。例えば、そのような仮想チャンネルは、オクタデシル・トリクロロシラン又は他のシラン又は炭化水素の疎水性の層で機能化されるガラス表面から生成され、部分的にフッ素化又はペルフルオル化されてもよい。これらの層は、次に、仮想チャンネルを得るために、例えばマスクでエッチングしてもよい。仮想チャンネルは、エレクトロウェッティング（electro-wetting）技術との組み合わせに理想的に適している。仮想チャンネル技術のさらなる利点は、本発明による装置の低費用での生成プロセスを得るために、大きい領域の処理及びそれに続くダイシング（dicing）に対して効力があることである。

本発明による装置又はシステムの生成のための基板材料の選択は、特に限定されない。しかし、そのような基板材料は、本発明に従って、適用において使用される条件下で機能を果たさなければいけない。そのような基板材料の例に、有機及び無機材料、ガラス、セラミックス、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリプロピレン、PETなどのプラスチックなどの化学的及び生物学的に安定した材料がある。その基板は、光学的特性（例えば、光学的読み出しのためのウィンドウ）、磁気特性（例えば、磁性粒子の作動を拡大する材料）、電気的特性（例えば、感知、作動及び／又は制御のための電流ワイヤ）、熱的特性（例えば、熱制御）、機械的特性（例えば、カートリッジ安定性）、識別特性などの、追加の特性及び物質を含んでもよい。

ターゲットになり得る共同移送される材料及び／又はさらなる材料（例えば、レポーター・グループ）が、共有結合、ファンデルワールス相互作用、イオン相互作用、疎水性相互作用、水素結合、鎖体形成などの化学的又は物理的手段によって磁性粒子に付着されてもよい。共有結合に対する化学リンカーは、核酸、ペプチド、炭水化物、炭化水素、PEGなどがあるが、それらに限らない。それらは、アミド結合、ジチオール結合、エステル結合又はクリック化学などの様々な化学的戦略で付着されてもよい。生体分子付着戦略の例に、抗体、たんぱく質‐たんぱく質相互作用、たんぱく質‐核酸相互作用、分子間及び／又は細胞部分間及び／又は細胞間での相互作用があるが、それらに限らない。望まれる抽出の種類に依存し、表面化学及び表面に拘束された生化学的部分が、ターゲット又はターゲットの網の磁性粒子への非特異結合及び特異結合に対して選択されてもよい。当業者は、ターゲットに適切であるこれらのよく知られた方法の1つを選択できるであろう。特異的生体分子付着法の例は、例えばPCRによって得られた核酸を、相補的なオリゴヌクレオチドでのハイブリダイゼーションによって磁性粒子に結合させることである。これらのオリゴヌクレオチドは、増幅された核酸だけが捕獲されるように、PCRプライマ（primer）上に見つかる特異的配列に相補的であってもよい。

ここのターゲットは、磁性粒子に付着するのに適切な如何なる化学的又は生物学的構成要素であってもよい。従って、そのターゲットは、小さい有機分子、ドラッグ、ホルモン、ポリペプチド、たんぱく質、抗体、ポリ核酸、炭水化物又は化学試薬などの分子であってよい。ターゲットは、また、微生物、例えば、血液細胞、組織細胞またはがん細胞などの動物細胞又はヒトの細胞、植物細胞、細菌性細胞、真菌細胞、ウイルス又は細菌性細胞壁の破片などの上記の破片又は部分、ウイルス性粒子、ウイルスカプシドの破片及び類似物などのさらに大きい生物学的構成要素であってもよい。

サンプル又はサンプル流体は、ターゲットを含む流体を特定し、後者は、ここでさらに討論される。そのサンプル又はサンプル流体は、本発明に従ってそのまま使用されてもよく、あるいは、以前のサンプルから得られ、任意に前処理されていてもよい。それに応じて、サンプルが、当業者によってよく知られた方法によって、本発明に従って使用の前又は使用の間に、そのサンプルの1つ又はそれ以上の部分の中に分けられる場合、それから生じる流体は、それらが同じ材料を元の流体又はその部分として含むか否かに関わらず、さらにサンプル又はサンプル流体として呼ばれる。

前処理技術は当業者に知られており、特定の技術に限定されない。前処理技術の例は、例えば、加熱、溶解、分別（例えば、遠心分離、ろ過、デカンテーション、クロマトグラフィー法など）、凝集、生物学的及び／又は化学的試薬での改良を含む。

サンプル流体は、例えば細胞などの、溶解、可溶化、又は拡散された固体又は固体状微粒子を含んでもよい。

上記のサンプル又はサンプル流体は、特に限定されない様々なソースから得られてもよい。そのようなソースの例に、好ましくは患者から得られるサンプル、さらに好ましくはポイント・オブ・ケアのサンプルでもよい生物的根源のサンプル、食物、工業用、診療用、及び環境テストからのサンプルがあるが、それらに限定されない。

本発明に使用できる生物的根源のサンプルは特に限定されていない。そのようなサンプルのソースに関する可能な例のいくつかに、血液又はリンパ液などの体液、唾、唾液、排せつ物、排出物、汗、皮膚分泌物、均質化組織サンプル、環境的サンプルなどのラボ環境又は自然の根源から得られる細菌性サンプルがある。生物的根源のサンプルは、また、体外プロセスから得られたサンプル及び体内プロセスにおいて、変化した（例えば、変異、官能化されたなど）生物的物質も含む。そのようなプロセスの例に、核酸増幅、前処理された又は未処理の細胞溶解物、たんぱく質浄化、たんぱく質の化学的及び／又は生物学的官能基化（例えば、リン酸化反応、グリコシル化など）、FPLCなどの浄化法、PAGE、超遠心分離法、キャピラリー電気泳動法などがあるが、それらに限定されない。

本発明による方法、システム又は装置において使用される磁性粒子（MP’s）は、ターゲットに対するキャリアとして使用されてもよい。検出前に裂かれるか、あるいはMPに付着されたままのターゲットの検出は、当業者によって知られた標準方法で実施してよい。代替として、レポーター分子がさらにMPに付着されてもよく、それは選択的に処理されるか又は裂かれてもよく、そうすることによってサンプルはMPに付着したままでいる。又は、レポーター分子は、MPに付着したままでいる間に検出され、それは、当業者によって知られた標準方法による検出に使用されてもよい。

検出は、磁性粒子それら自身の特性、ターゲット又は上記の付着手段によって粒子もしくはターゲットに付着されたレポーターのグループに基づく。例えば、検出技術は、比色分析、ルミネッセンス測定、蛍光測定、時間分解蛍光測定、光熱干渉コントラスト、レーリー散乱、ラマン散乱、表面プラズモン共鳴、質量変化（例えばMALDIによる）、水晶振動子マイクロバランス、カンチレバー、差分パルスボルタンメトリー、非線形発生周波数分光法による化学的地図製作法、光学的変化、抵抗、キャパシタンス、異方性、屈折率及び／又はナノ粒子の集計、可視光、IR又はUV光などの電磁放射線のトランスミッション、屈折又は吸収、NMR、ESRなどに基づくが、それらに限定されない。検出は、磁性粒子又はそれに付着している又はそこから放出されるターゲットの存在を直接測定方法に基づく。検出はまた、1つ又はそれ以上のFRET、ELISA、PCR、リアルタイムPCR、ハイブリダイゼーションに基づく方法などの、第２レポーター分子の蓄積、放出又は改良に頼る間接的な方法に基づいてもよい。例えば、PCRによって得られた核酸の検出は、レポーターグループでラベル付けされたPCRプライマ又はdNTPに基づいてもよく、そうすることによって増幅した核酸だけが検出される。

改良された磁性粒子の具体例は：ストレプトMP：磁性粒子は、他の物質に結合するために生物活性のある層でコーティングされてもよい。例えば、磁性粒子は、ビオチン又はビオチンでタグ付けされた生物的部分に特異結合するために、ストレプトアビジンでコーティングされてもよい。免疫MP：磁性粒子は、他の物質に結合するために生物活性のある層でコーティングされてもよい。例えば、磁性粒子は、抗原又は抗原でタグ付けされた生物的部分に特異結合するために、抗原でコーティングされてもよい。オリゴFITC：タグ付けされたプライマは、生産物の中にタグを形成するために増幅の間に使用されてもよい。例えば、FITCタグは、オリゴ核の増幅産物の中に形成することができ、それは、抗FITC抗体を使用した処理及び検出をさらに促進する。改良された磁性粒子は、上記の例に決して限定されないことに注意されたい。

その代わりに、磁性粒子それら自身は、また、検出の目的にも使用されてもよい。この場合、粒子を検出するためのセンサーは、磁性粒子の存在を、センサー表面上で又はその近くで検出するために適切な如何なるセンサーであってもよい。検出は、例えば、磁気法（例えば、磁気抵抗、ホール、コイル）、光学的方法（例えば、イメージング、蛍光、化学発光、吸収、散乱、エバネセント場技術、表面プラズモン共鳴、ラマン分光など）、音波検出（例えば、表面音波、バルク超音波、カンチレバー、水晶子振動など）、電気的検出（例えば、伝導、インピーダンス、電流測定、酸化還元サイクル）、及びそれらの組み合わせなどを通して粒子の如何なる特性に基づいた方法でよい。上記の方法のいくつかにおける使用に対して、磁性粒子は、例えば蛍光染料などのさらなる機能エンティティが備えられなければいけない。そのような改良された粒子は、市販されており、あるいはいくつかの場合では、粒子は本発明における使用の前に改良されなければいけない。当業者は、望ましい検出方法に適切である必要な改良を選択する方法がわかるだろう。

本発明による方法、システム又は装置において使用される磁性粒子は、3nmと10,000nmとの間の範囲、好ましくは10nmと5,000nmとの間の範囲、さらに好ましくは50nmと3,000nmとの間の範囲に及ぶ寸法を持つ。

電磁石は、また、本発明による方法、装置又はシステムにおいて使用されるように、多極電磁石であってもよい。その多極電磁石コイルを通る電流は、線形位相ステップモーターが複数の弁状構造の各々の上を長距離に渡ってビーズを引きずるために導入されるような方法において、制御される。このように、読み出し装置において、機械的に動作する部分は全く必要でない。理想的には、段階的な弁状構造の形状は、多極電磁石の形状に同期化され得る。

ここで述べる検出方法による検出は、バイオセンサー表面に関してセンサー要素を走査することで又はそれ無しで起こり得る。測定データは、終点測定として得られてもよく、動力的又は断続的に信号を記録することによって得られてもよい。

検出のためのターゲット又はラベルは、感知方法によって直接的に検出される。その代わりに、粒子、ターゲット又はラベルは、検出前にさらに処理されてもよい。さらなる処理の例は、検出を促進するために、対象の物質が加えられること、あるいはそのターゲット又はラベルの（生）化学的又は物理的特性が改良されることである。

本発明による装置、システム又は方法は、弁状構造によって分離される少なくとも２つの区画を有する。それにもかかわらず、本発明による装置、システム又は方法は、２つより多くの区画を有してもよく、それらは、直列又は並列の区画配置を得るためにチャンネルによって接続され、それによって少なくとも２つの区別可能な領域は、弁状構造による相互からの分離によって定められる。しかし、全ての区画が弁状構造によって隣り合う区画の各々から分離される必要は無い（例えば、区画２及び３からサブ区画を分離する弁状構造が任意的である図５bを比較）。

好ましい実施形態において、弁状構造によって分離される区画は、近接近している。２つのチャンバーの近接近の１つの利点は、磁性粒子が疎水性弁を交差して効率的に移送されることである。その効率的な移送は、(i)交差する必要がある短い流体間の距離、及び(ii)磁性粒子体の前面が第２流体に接触するときに放出される界面エネルギー、に起因すると考えられる。その磁性粒子体の第２流体との接触は、その磁性粒子体の前でメニスカスが消える原因となる。その結果として、磁性粒子は、効率的に第２流体の中へ移動する。

１つの実施形態における弁状構造は、疎水性障壁を有する。この障壁は、好ましくは、少なくとも２つの表面が根本的に疎水性であるチャンネルにおいて統合されるのがよい。２つの反対の位置に配置された表面が疎水性であるのが最も好ましい。個別の表面を識別するのが難しい円形チャンネルの場合、チャンネル表面の少なくとも50%が疎水性であるのが好ましく、これは好適にはチャンネル表面の２つの対向する象限が疎水性であるように分布する。驚くことに、少なくとも２つの表面が疎水性であるチャンネルは、１つの表面が疎水性でもう１つの表面が親水性であるチャンネルよりも、粒子の移送においてかなり良い性能が見られた。特に、ピンチオフのバランスは、これらのチャンネルにおいて改善された。特に、流体のメニスカスは、磁性粒子体の後方の周りできつく閉じると思われる。ピンチオフは、磁性粒子体が第２流体に融合するとすぐに起こる。その磁性粒子体の後方の周りのメニスカスの堅い閉鎖は、第１流体の第２流体への非常に少ない繰り越しを確実なものにすると考えられる。この融合によって導かれるピンチオフは、２つの重要な特性を組み合わせる：(i)磁性粒子の第２流体への移送は、磁性粒子体の前方に関連する界面エネルギーが放出されるため、融合において拡大する、及び(ii)メニスカスは、磁性粒子体の後ろで堅くピンチオフし、それは、交差汚染を低減する。

区画には、磁性粒子をサンプルに追加するため又は磁性粒子をサンプルから取り除くために、磁性粒子が保存される追加のサブ区画が個別に備えられてもよい。さらに、その区画には、特定のさらなる特徴が個別に備えられてもよい。それは、例えば、ELISAタイプの分析を可能にするために抗体で、核酸に対するアレイの形で、捕捉分子で修正される表面などである。また、区画は、その区画における（生）化学的プロセスを促進するために、ドライ又は濡れた形で、区画に固有の試薬の追加のための特徴を有してもよい。さらに、装置又はシステムは、ここで説明された検出又は処理技術との使用に適合する材料から全体的又は部分的に構成されてもよい。従って、そのような材料は、例えば、耐熱（例えばPCRに対する）又は半透明（例えば、分光に対する）であってもよい。

本発明による方法、システム又は装置において、磁性粒子の1つ又はそれ以上のタイプが使用されてもよく、それらは、ここで述べられる各ターゲット及び検出及び処理技術に適合するように、それらが構成される材料が個別に異なってもよく、及び／又は表面分子で別々に改良されてもよい。

ここで述べた前処理、検出及び処理技術（例えば、PCR、ELISA、FRET、分光法及びここで述べる更なる方法）において、バッファ、溶媒、添加物及び試薬などのさらなる要素が使用されてもよく、それらは、これらの技術とともに定期的に使用されてもよく、当業者には知られている。

本発明による装置、システム又は方法は、例えば、結合／非結合分析、サンドイッチ分析、競合アッセイ、置換え分析、酵素アッセイなどの数々の生化学的分析のタイプに使用されてもよい。本発明によるシステム又は装置は、分子生物的ターゲットを検出することができる。分子ターゲットは、例えば、細胞、ウイルス、又は細胞又はウイルスの部分、組織抽出物など、より大きい部分の濃度及び／又は存在をしばしば決定するということに留意されたい。

本発明による方法、システム又は装置は、センサー多数化（すなわち、異なるセンサー及びセンサー表面の併用）、ラベル多数化（すなわち、異なるタイプのラベルの併用）及び区画多数化（すなわち、異なる反応区画の併用）に適している。

本発明によるシステム又は装置は、速い、ロバストな、且つ容易に使用できるポイント・オブ・ケア・バイオセンサーとして使用することができる。本発明によるシステム又は装置は、磁性粒子の操作のための１つ又はそれ以上の磁場発生手段及び／又は１つ又はそれ以上の検出手段を含む、コンパクトな読み出し機器と一緒に使用される使い捨て用品の形であってもよい。操作及び／又は検出のための手段も、外部の力によって備えられてもよい。また、本発明の装置、方法及びシステムは、自動化された高スループット・テストにおいて使用されてもよい。この場合、反応区画を持つ装置は、自動化された機器の中に適合する形を持つべきである（例えば、ウェルプレート装置又はキュベット装置に似た形）。本発明による装置又はシステムは、従って、必要な（バッファ）試薬及び磁性粒子がドライ及び／又は濡れた形式で組み合わされる、すぐに使用できるキットに似たシステムの形として提供される。

分析的適用とは離れて、本発明による方法、システム又は装置は、合成の目的のラボ・オン・チップ・システム又はプロセス・オン・チップ・システムにおいて使用されてもよい。分子及び反応のタイプは、分子の反応グループ及び反応条件がラボ・オン・チップ又はプロセス・オン・チップのシステムに適している限り、特に限定されない。当業者は、どの条件がラボ・オン・チップ又はプロセス・オン・チップの装置と互換性があるかを決定することができ、特に、反応グループと本発明の弁状構造との間に反応が起こらないような方法で、本発明の弁状構造と互換性があるかを決定することができる。そのような合成の例のいくつかに、ポリヌクレオチド合成、ポリペプチド合成、ライゲーション化学、クリック化学、又は他のラボ・オン・チップ又はプロセス・オン・チップの装置において一般的に実行され得る化学的改良がある。

さらなる適用は、DNA分析（例えば、PCR及び高スループット・シークエンシングによる）、病気のポイント・オブ・ケア診断、プロテオミクス、血液‐細胞分離実験、生化学的分析、遺伝学的分析、ドラッグ・スクリーニング、及び類似物を含む。

本発明による装置又はシステムの生成
例１
マイクロ流体装置は、オクタデシル・トリクロロシラン又は他のシランの単一層で覆われたガラス基板から作られた。マスクが、両方の基板の表面上を覆い、大気プラズマに曝された。ミラー・マスク・レイアウトが、２つの基板に使用された。局所的な親水性化は、ガラス・プレート間における「仮想チャンネル」に至る。その２つのガラス基板は、それらの空間層としての働きをする２面テープで組み立てられた。そのテープは、また、湿気で飽和した環境が仮想チャンネルのために達成されるように、外側の環境への液体シーリング(sealing)としての働きもする。これは、流体がその仮想チャンネルからさらに蒸発することを防ぐ。一度組み立てられると、流体中に分散された電磁ビーズが、チャンネルの中に導入された。

物理的チャンネル及び流体の区画が、エンボス加工、モールディング、製粉、エッチング、シーリング、印刷、溶接、接着などのパターン形成及び接合技術を含む、広い範囲の製造技術によって生成されてもよい。

本発明の適用の例
例２‐２区画のマイクロ流体システム：
流体は、血液サンプルである。前処理ユニット9において、そのサンプルは、例えばフィルタリングされたバッファ塩であり、他の試薬が、ドライな試薬から加えられるのが好ましい。前処理ユニット5において、区画１においてサンプルとインキュベートされた磁性粒子が加えられる。前処理ユニット7において、例えば、サンプルのフィルタリングなど、さらなる前処理が実行される。この流体は、区画2へ、例えばキャピラリー移送によって移送される。磁性粒子は、障壁チャンネル3を通して移送される。これらは、さらに、例えば検出又はさらなる処理のために区画2において反応してもよい。

いくつかのタイミング・シーケンスが可能である。上記において、区画2は最初に流体で充填され、その後に磁性粒子が区画2に移送された。磁性粒子が最初に区画2に移送され、その後に流体が区画2に供給されることもまた可能である。

例３‐３区画のマイクロ流体システム：
３区画の分析の例は以下のとおりである（ここではMPは「磁性粒子」を意味する）。

免疫MPが、サンプルに加えられる。第１区画において、その免疫MPは、細胞又は例えばウイルスなどの他の部分を捉える。その後に、MPは、弁状構造を通して第２区画へ移送される。これは、抽出及び濃度を増やすステップを示す。細胞は、次に、第２区画において溶解される。その後、プローブ分子が、溶解物におけるターゲットに付着する。例えば、オリゴ・ビオチン及びオリゴFITCが放出されたRNAに特異結合する。その後、免疫MPは、第２区画から第１サブ区画の中へ引っ張り出され、ストレプトMPは、第２サブ区画から第２区画の中へ放出される。その第２サブ区画は、第２区画に弁状構造によって接続していてもよい。第２区画において、そのストレプトMPは、ビオチン化されたプローブに結合する。その後、ストレプトMPは、弁状構造を通して第３区画へ移送される。その第３区画には、抗FITC抗体を持つセンサーが備えられる。任意に、（ドライな）試薬もまた、結合及び感知プロセスを拡大するために第３区画に存在する。

例４‐４区画のマイクロ流体システム：
第１区画において、免疫MP１を持つ試薬が、サンプルに加えられる。MP1の捕捉分子は、裂くことのできるリンカーを通して結合される。MP1は、細胞又は例えばウイルスなどの他の要素部分を捕捉する。その後、MP１は、次の区画へ弁状構造を通して移送される。これは、体積が例えば1mlから50μlに減らされる、第1濃度増加ステップを構成する。第２区画において、酵素がMP1から細胞を開裂する。そのMP１は、その区画からサブ区画の中へ出される。その後、免疫MP２がもう１つのサブ区画から供給され、これらのMP２は、開裂可能なリンカーを有さない。免疫MP２は細胞を捉える。その後、それらのMP２は、弁状構造を通して次の区画へ移送される。これは、体積が例えば50μlから2μlに減らされる、第２濃度増加ステップを示す。第３区画において、細胞が溶解される。その後、プローブ分子が、溶解物におけるターゲットに付着する。例えば、オリゴ・ビオチン及びオリゴFITCが放出されたRNAに特異結合する。その後、その免疫MPは、その区画からサブ区画の中へ出され、ストレプトMPがもう１つのサブ区画から第３区画の中へ放出される。これらは、ビオチン化プローブに結合する。その後、ストレプトMPは、弁状構造を通して第４区画へ移送される。第４区画において、抗FITC抗体を用いて感知が実施される。

例５‐洗浄チャンネルを有するマイクロ流体装置
物理チャンネルを持たない、洗浄領域を含む平面マイクロ流体装置が、図４に概説されているように製造された。仮想チャンネル及び洗浄領域は、両方のガラス基板の局所的な親水性化によって形成された。１つの仮想チャンネル(1)は、磁性粒子とOrangeIIで充填され、もう一方のチャンネル（3）と洗浄領域(2)は、水で充填された。電磁ビーズは、1つのチャンネル(1)から永久磁石で疎水性障壁上を引きずられ、洗浄領域(2)を通り抜け、次のチャンネル(3)へと引きずられた；共同移動溶媒が、各洗浄領域において薄められ、それは、疎水性障壁上を各々が通過した後に減少した濃度OrangeIIにおいて見られる。

例６‐統合核酸テストのためのマイクロ流体装置
図５(b)によって示される装置又は類似の設定が、統合核酸テストに使用されてよい。サンプルが入口(in)を通して導入される。対象の細胞に特異的な捕捉分子（例えば抗体）を含む磁性粒子を使用して、細胞が捕捉され、区画(1)から(2)へ移送される。任意に、浮遊物が出口(out)を通して除去されてもよい。区画(2)において、細胞が溶解され、第１磁性粒子が分離されたストレージ区画の中へと出される。それに引き続き、核酸又は核酸のクラスを認識する磁性粒子の第２団が、さらなるストレージ区画から加えられる。核酸が、次に、磁性粒子と一緒に区画(3)の中へ共同移送される。その区画(3)において、核酸材料は、磁性粒子から放出され、第２磁性粒子がストレージ区画の中へ出され、続いて、核酸が（例えばPCRによって）増幅されてもよい。増幅した核酸だけを認識する捕捉分子を含む磁性粒子の第３の種類が、次に、増幅した核酸を、増幅した核酸だけが検出される区画(4)の中へ共同移送するのに使用される。

例７‐２つの疎水性表面を持つ２つの区画間における親水性チャンネル
２種類の装置での実験が実施されている：２つの区画を接続したチャンネルにおいて存在する２つの疎水性表面を持つ装置7.1及び１つの疎水性及び１つのわずかに親水性の表面を持つチャンネルで接続された２つの区画を含む装置7.2。

両方の装置の底部分は、ペルフルオロデシル・トリ・エトキシシランの自己集合した単一層（SAM）が加えられた顕微鏡ガラススライドである。このSAMは、部分的に酸素プラズマ処理によって除去され、疎水性背景において親水性チャンバーのパターンを島として残す。装置7.1では、上部は、Teflon^TM AF 1600においてディップコート（dipcoat）されているPMMAのスライドである。装置7.2では、上部は、PMMAの未処理のスライドである。両方の装置において、上部は、厚さが100μmの両面テープによって底部から分離される。

フッ素が豊富なSAMは、約105°の接触角を持つ。未処理のPMMAは、約75°の接触角を持ち、Teflon AF 1600においてディップコートされたPMMAは約115°の接触角を持つ。

前述の例において説明された汎用手順が使用された。

磁性粒子の第２流体との融合の後に、流体接続が２つの疎水性表面を持つ装置(7.1)においてピンチオフされ、１つの疎水性及び１つの親水性表面を持つ装置(7.2)においてはピンチオフされなかった。従って、上部及び底部両方の疎水性は、良いピンチオフに好ましいということが結論づけられる。

Claims (14)

1. 流体サンプルから弁状構造を通して磁性粒子を移送するための方法であって、
   前記弁状構造は、相互に対向するように配置された第１の基板及び第２の基板の相互に対向する実質的に平面の部分を、局所的に疎水性化することによって形成され、
   前記弁状構造は、前記第１の基板及び前記第２の基板の相互に対向する実質的に平面の別の部分を局所的に親水性化することによって形成された、第１の区画と第２の区画を接続し、
   当該方法は、
   （ａ）前記第１の区画に、前記磁性粒子を含む前記流体サンプルを充填するステップであって、前記流体サンプルは、水を含む液体であるステップと、
   （ｂ）前記磁性粒子を、前記第１の区画から前記弁状構造を交差して前記第２の区画まで移送するステップと、
   を有し、
   前記弁状構造は、さらに親水性の洗浄領域を有し、該洗浄領域と前記第１の区画の間に疎水性化された部分を有し、
   前記（ｂ）のステップにおいて、前記磁性粒子の移送に伴って移送される前記流体サンプルは、前記洗浄領域で洗浄される、方法。
2. 前記（ｂ）のステップにおいて、前記磁性粒子は、２以上の洗浄領域を通過する、請求項１に記載の方法。
3. 前記磁性粒子の体積と前記磁性粒子の移送に伴って、前記第２の区画まで移送される前記流体サンプルとの間の比は、０．０５よりも大きい、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記第１の区画に含まれる前記流体サンプルの１０％未満が、前記第２の区画に移送される、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の方法。
5. 前記第１の区画と前記第２の区画の間は、１０ｍｍ未満である、請求項１乃至４のいずれか一つに記載の方法。
6. 前記（ｂ）のステップは、電磁石、統合電流ワイヤ、永久磁石及び機械的に動作する永久磁石又は電磁石を含むグループから選択される磁気ソースを用いて実施される、請求項１乃至５のいずれか一つに記載の方法。
7. 当該方法は、結合／非結合分析、サンドイッチ分析、競合分析、置換え分析及び酵素分析を含むグループから選択される生化学的分析に使用される、請求項１乃至６のいずれか一つに記載の方法。
8. 流体サンプルから磁性粒子を移送するための装置であって、
   相互に対向するように配置された第１の基板及び第２の基板と、
   前記第１の基板及び前記第２の基板の相互に対向する実質的に平面の部分を、局所的に親水性化することによって形成される、第１の区画及び第２の区画と、
   前記第１の基板及び前記第２の基板の相互に対向する実質的に平面の別の部分を、局所的に疎水性化することによって形成される、前記第１の区画と前記第２の区画を接続する弁状構造と、
   前記流体サンプル中の前記磁性粒子を、前記第１の区画から、前記弁状構造を交差して前記第２の区画まで移送するように構成された磁気ソースと、
   を有し、
   前記流体サンプルは、水を含む液体であり、
   前記弁状構造は、さらに、親水性の洗浄領域を有し、該洗浄領域と前記第１の区画の間に疎水性化された部分を有し、
   前記洗浄領域では、前記磁性粒子の移送に伴って移送される前記流体サンプルが洗浄される、装置。
9. ２以上の洗浄領域を有する、請求項８に記載の装置。
10. 前記第１の区画に含まれる前記流体サンプルの１０％未満が、前記第２の区画に移送される、請求項８または９に記載の装置。
11. 前記磁性粒子の体積と前記磁性粒子の移送に伴って、前記第２の区画まで移送される前記流体サンプルとの間の比は、０．０５よりも大きい、請求項８乃至１０のいずれか一つに記載の装置。
12. 前記第１の区画と前記第２の区画の間は、１０ｍｍ未満である、請求項８乃至１１のいずれか一つに記載の装置。
13. 前記磁気ソースは、電磁石、統合電流ワイヤ、永久磁石及び機械的に動作する永久磁石又は電磁石を含むグループから選択される、請求項８乃至１２のいずれか一つに記載の装置。
14. 当該装置は、結合／非結合分析、サンドイッチ分析、競合分析、置換え分析及び酵素分析を含むグループから選択される生化学的分析用の装置である、請求項８乃至１３のいずれか一つに記載の装置。

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