JP6298453B2 - 媒体の磁気支援処理 - Google Patents

Description

本発明は、処理チャンバ内で媒体を磁気的に処理するのに利用可能な処理装置及び方法に関する。

特許文献1は、4つのサブユニットを備える四重極磁気アセンブリを有するバイオセンサシステムを開示している。各サブユニットは、コア、上面、及びコイルを有する。磁気アセンブリは、センサ表面で磁場を発生させるのに用いられる。前記磁場によって、磁性粒子はセンサ表面に引きつけられ、又は、この表面から取り除かれる。

国際公開第2010/044006A2号パンフレット 米国特許出願公開第2011/0221427A1号明細書 国際公開第2008/072156A2号パンフレット 国際公開第2010/097775A1号パンフレット 米国特許第5898071号明細書

ブーム(R.Boom)他、Clinical Microbiology誌、1990年、第28巻、pp.495

本発明の目的は、処理チャンバ内でのより多目的な媒体の処理を可能にする手段を供することである。

上記目的は、請求項1に記載の方法及び請求項2に記載の処理装置によって実現される。好適実施例は従属請求項中に記載されている。

第1態様によると、本発明は、標的粒子を含む媒体−たとえば標的粒子として核酸を含む生体試料流体−を処理する方法に関する。当該方法は以下の工程を有する。前記工程は、列挙された順序で実行されて良いし、又は、任意の他の適切な順序で実行されても良い。
a) 処理されるべき前記媒体を充填可能な処理チャンバを有するカートリッジを供する工程。前記カートリッジは一般的には、たとえば射出成形によって成形されたガラス又はプラスチックで作られた交換可能な（使い捨て）部品であって良い。前記「処理チャンバ」は一般的に、たとえば方形又はチャネルにより接続される複数の方形からなるシステムの幾何学形状を有する接続された空洞である。
b) 少なくとも4つのサブユニットを備える磁場発生装置を供する工程。前記少なくとも4つのサブユニットの各々は、上面を有するコア及び該コアを取り囲むコイルを備える。すべてのサブユニットの上面は、前記カートリッジに隣接して（つまりは前記処理チャンバに隣接して）配置される。参照目的で、この磁場発生装置は以降、「多重極磁場発生装置」と呼ばれる（前記多重極は少なくとも4つの極を有する）。
c) 前記標的粒子を含む媒体で前記処理チャンバを充填する工程。しかも磁性粒子(M)が、前記充填する工程の前、間、及び/又は後に前記媒体へ加えられる。本願では、「磁性粒子」という語句は、永久磁性粒子と磁化可能粒子−たとえば超常磁性ビーズ−の両方を含む。前記磁性粒子のサイズは一般的に3nm〜50μmの範囲である。前記磁性粒子はたとえば、前記媒体を充填する前に、前記処理チャンバ内において乾燥した状態で存在して良い。
d) 前記磁性粒子を操作することで、前記処理チャンバ内で前記媒体を混合させる時間変化する磁場を発生させるように、前記多重極磁場発生装置を制御する工程。最も好適には、前記多重極磁場発生装置の4つのサブユニットは、この工程では各独立に制御−つまり前記4つのサブユニットには各独立する駆動電流が供給−される。
e) 前記媒体の標的粒子と前記磁性粒子とを結合させる工程。
f) 前記磁性粒子を前記処理チャンバの表面に引きつけ、かつ、残りの媒体を前記処理チャンバから取り除くように、前記多重極磁場発生装置を制御する工程。

上述の方法において用いられる重要な構成要素は、生体試料流体のような媒体を操作するのに特に適している磁場を発生させることが可能な「多重極磁場発生装置」である。この磁石のすべてのサブユニットの上面は、同一面内に配置されていることが好ましい。前記コアは、互いに実質的に平行であることが好ましい。

上述の「同一面内」での配置は、定義により、装置全体のサイズに関連するスケールで測定されなければならない。より詳細には、第1の面、第2の面、及び第3の面を含む面内、又は、前記第1の面、前記第2の面、及び前記第3の面と交差する（係る面は常に存在する）面内に、第4の上面は配置されていると考えられる。ただし前記面からの前記第4の上面の距離が、前記第1の面、前記第2の面、及び前記第3の面のうちの2つの上面間の最大距離の約10%未満で、好適には約5%未満で、最も好適には約1%未満である。

同様に、2つのコアの拡張軸同士が、約20°未満の角度で好適には約10°未満の角度をなしている場合、前記2つのコアは、互いに「実質的に平行」であるとみなされる。

一般的には、前記多重極磁場発生装置の4つのサブユニットは、寸法及び/又は設計が異なって良い。しかし4つのサブユニットすべては、互いに実質的に同一であることが好ましい。しかも4つのサブユニットすべては、装置内において回転対称性を有する状態で−正方形の頂部に−設けられることが好ましい。

多重極磁石の少なくとも1つのサブユニットは任意で、前記処理チャンバ内での磁場の発生に関与する2つ以上の表面を有して良い。前記サブユニットはたとえば、前記カートリッジに隣接して配置される2つの上面（極）を有するU字磁石として設計されて良い。好適には前記多重極磁石のすべてのサブユニットは、係るU字磁石として設計されて良い。

上述の特徴（つまりコア、上面、前記コアを取り囲むコイル、及び任意の他の特徴）を備える5つ以上のサブユニットが存在しても良い。係るサブユニット（又はコイル）の合計数は一般的には偶数である。

当該方法は任意で、標的粒子を含む媒体の連続流内で実行されて良いことに留意して欲しい。当該方法の様々な工程はたとえば、前記処理チャンバの様々な位置−たとえば前記処理チャンバの様々なサブチャンバ内−で連続的かつ並列的に実行されて良い。よって前記磁性粒子によって標的粒子を連続的に捕獲することが可能となる。

第2態様によると、本発明は、標的粒子を含む媒体を処理する処理装置に関する。当該処理装置はたとえば、生体試料流体には任意である処理工程が施され、かつ、前記流体の特性が測定可能であるバイオセンサであって良い。当該処理装置は以下の構成要素を有する。
− 処理されるべき前記媒体が供されうる処理チャンバを備えるカートリッジ。
− 各々が上面と周囲を取り囲むコイルを有する少なくとも4つの磁気サブユニットを有する「多重極磁場発生装置」。前記上面は、前記カートリッジに隣接して配置される。
− 各独立する駆動電流を前記多重極磁場発生装置のサブユニットに供給することが可能な制御ユニット。前記駆動電流によって、
a) 磁性粒子は、前記処理チャンバ内で媒体を混合させるように操作され、かつ、
b) 磁性粒子は、前記処理チャンバの表面に取り付けられる。

前記磁性粒子は概念上、前記処理装置の一部と見なされても良いし、又は、一部ではないと見なされても良い。前記磁性粒子はたとえば、前記装置の使用前には、前記カートリッジ内において乾燥状態で貯蔵されて良い。

当該処理装置及び方法は、媒体中の一部−たとえば磁性粒子−を操作する磁場の助けによって前記媒体の混合を可能にするという同一の基本概念に基づいている。それに加えて前記磁場は、前記媒体を含むカートリッジの平坦面に隣接するような配置を可能にする好適設計を有する。

それらの関係により、当該処理装置又は方法のために供される説明は、他の構成要素についても類推によって妥当となる。しかも当該処理装置及び方法に援用可能な本発明の好適実施例について以降で説明する。

本発明の好適実施例では、前記多重極磁場発生装置の少なくとも4つのサブユニットは、前記処理チャンバの下方に配置される（「下方」という語句は、重力に対する特定の向きを指称するのではなく、前記少なくとも4つのサブユニットが、所与の面のうちの一の側部に配置され、かつ、前記処理チャンバが、前記所与の面のうちの他の側部に配置されることを表す）。好適には前記サブユニットは、（前記処理チャンバを含む）前記カートリッジの下方にも配置される。よって前記カートリッジは、前記多重極磁場発生装置の上部に設けられることが好ましい。

他の好適実施例によると、前記多重極磁場発生装置の少なくとも4つのサブユニットは、前記処理チャンバを取り囲むように配置される。特に前記サブユニットの上面は、前記処理チャンバが（少なくとも部分的に）前記サブユニット間に位置するように配置されて良い。前記少なくとも4つのサブユニットはたとえば、前記カートリッジへ入り込むことで、前記処理チャンバを取り囲む。

本発明の他の実施例では、前記処理チャンバに対して前記多重極磁場発生装置とは反対の位置に配置される他の磁場発生装置が供されて良い（つまり前記処理チャンバは少なくとも部分的に、前記多重極磁場発生装置と前記他の磁場発生装置との間に設けられる）。しかも前記他の磁場発生装置は、前記多重極磁場発生装置とは独立に制御されて良い。しかし「多重極磁場発生装置」と「他の磁場発生装置」との区別は任意である。その理由は、前記「他の磁場発生装置」は、前記「多重極磁場発生装置」の一部とみなすこともできるからである。

処理されるべき前記媒体に加えられる前記磁性粒子は、磁気粘性構造を生成する。他方前記磁性粒子は、前記媒体を混合させるように操作される。係る構造はたとえば、複雑なな磁性粒子鎖網を有して良い。

処理されるべき前記媒体で満たされた前記処理チャンバの容積は一般的に、約2000μl未満で、好適には約500μl未満で、かつ、10μl、さらには1μlであって良い。乱流の生成に基づく従来方法は一般的にうまく行かないので、そのような少量の流体体積の混合は問題である。従って本発明が、係る少量の体積の磁気誘起混合を可能にすることは大きな利点である。

当該方法の第1工程において前記媒体に加えられる磁性粒子は、前記混合する工程の間、前記処理チャンバ全体にわたって（均一又は不均一に）分配されることが好ましい。従って前記磁気結合及び混合は、前記処理チャンバ全体の内部で実質的に起こる。

当該方法の混合工程中に印加される（複数の）前記磁場発生装置によって発生する磁場及び/又は前記時間変化する磁場は、少なくとも1つの振動（ベクトル）成分を有することが好ましい。しかも前記磁場は少なくとも部分的に回転磁場であって良い（つまり前記磁場は、所与の静止面内で回転するベクトルと前記面に対して垂直なベクトルで構成されて良い）。振動成分及び/又は部分的に回転する磁場を有する磁場は、磁性粒子の対応する振動運動及び/又は回転運動を誘起しうる。前記振動運動及び/又は回転運動が、効率的な混合操作となる。

好適には前記振動又は回転の周波数は、約0.005Hz〜約100Hz、約0.01Hz〜約100Hz、又は約0.1Hz〜約100Hzの範囲であって良い。

本発明の他の実施例によると、前記媒体に加えられる磁性粒子の全部又は一部は、前記媒体のある標的成分と選択的に結合可能な結合サイトを有する。前記磁性粒子はたとえば、生体試料媒体中の抗体と選択的に結合可能な抗原によってコーティングされて良い。係る磁性流を前記媒体へ加えた後で、磁性粒子と標的成分（存在する場合）との間での結合が起こる。これは、前記媒体の混合に加えられる前記磁性粒子の効果である。

本発明のさらに他の実施例では、前記媒体に加えられる磁性粒子の全部又は一部は、荷電粒子及び/又は分極粒子（たとえば分子）−具体的にはたとえばDNA若しくはRNA又は他の核酸の断片−を静電的に結合する機能を有する。

一般的には、前記磁性粒子の少なくとも一部は、静電的に帯電（し、近い将来前記媒体中にこの電荷を保持することの）可能な材料−具体的にはシリカ(SiO₂)−を含んで良い。これにより、上述の粒子の静電結合が可能となる。

上述の静電結合の強度は通常、結合した粒子の電荷の大きさに依存する。核酸の断片については、それらの電荷の大きさは一般的に、前記断片のサイズに関連する。従って磁性粒子への核酸の断片の静電結合は、（十分に結合する）長い断片から、（前記磁性粒子へ十分に結合しない）短い断片を選択的に分離するのに用いられ得る。

当該方法の処理工程では、前記磁性粒子は、前記処理チャンバの表面に引きつけられる。かかる表面への引きつけはたとえば、前記磁性粒子のない状態での処理工程のため、前記処理チャンバ内にバルク媒体を準備するのに用いられて良い。それに加えて又はその代わりに、特定の処理工程が、磁性粒子及び/又は表面で該磁性粒子に付着した成分によって実行されて良い。

本発明の他の実施例では、前記磁性粒子が表面に引きつけられる間、新たな媒体が前記処理チャンバへ導入される。よって前記媒体の孤立した交換が可能な一方で、前記磁性粒子は、前記処理チャンバ内に残る。前記磁性粒子が第1媒体の標的成分と結合する場合、新たな媒体が導入されるときにも、これらの標的成分もまた前記処理チャンバ内に保持され得る。従って核酸の短い断片が前記バルク媒体と共に除去される一方で、前記磁性粒子はたとえば、前記処理チャンバ内に核酸の長い断片を保持するのに用いられ得る。

上述の実施例の他の発展型によると、磁性粒子に結合する標的成分（具体的には当該方法の結合工程中に磁性粒子と結合した標的成分）は、前記新たな媒体へ解放される。このことは、前記新たな媒体が前記処理チャンバ内に導入された後に、これらの標的成分が、前記磁性粒子から解離することを意味する。従って処理全体は、一の媒体から他の媒体へ標的成分が具体的に移行することに対応する。これは、生体試料の精製及び/又は濃縮に用いられ得る。

上述の実施例の他の発展型によると、前記標的成分を前記新たな媒体へ解放する間に、前記磁性粒子を操作することで、前記媒体を混合させる時間変化する磁場が発生する。実験結果は、これにより解放された標的成分の収率が驚くほど大きく増大したことを示している。

上述した他の磁場発生装置が、前記処理チャンバに対して前記多重極磁場発生装置とは反対に配置された状態で存在する場合、前記他の磁場発生装置は、上述した前記標的成分の前記新たな媒体への解放中に始動されることが好ましいと考えられる。

前記処理チャンバの表面に磁性粒子を引きつける工程、前記チャンバ内で前記媒体を交換する工程、及び/又は、前記チャンバ内で前記媒体を磁気的に混合させる工程は、特定のアッセイが要求する任意の適切な順序で複数回繰り返されて良い。よってたとえば、効率的なDNA精製処理を実現することが可能である。

一般的には、処理される前記媒体中での前記標的粒子は好適には、核酸−たとえばDNA若しくはRNA、タンパク質、脂質、炭水化物、代謝物質、ホルモン、薬、製薬材料、細胞の断片、細胞、細胞組織の要素、又は、上述の成分の一部の混合物−を含んで良い。

既に述べたように、前記媒体の処理は具体的には、検出処理であるか、又は、検出処理を含んで良い。関連する実施例によると、当該処理装置は、前記処理チャンバの平坦壁で全内部反射した光を検出する光検出器を有して良い。よって、前記壁の表面で減衰全内部反射(FTIR)の好適方法による測定を実行することが可能となる。この方法の詳細は、特許文献2,3で見つけることができる。

当該処理装置及び/又は（複数の）前記磁場発生装置は好適には、前記サブユニットのコイル（及び/又は存在する場合には前記他の磁場発生装置）へ駆動電流を選択的に印加する制御ユニットを有して良い。よって各サブユニットを独立に制御することが可能である。これにより、隣接する空間又は前記処理チャンバ内部での多目的磁場発生が可能となる。

上述の駆動電流はたとえば、正弦的経時変化を有して良い。各異なるサブユニットの電流の周波数は同一だが、位相は異なる。一般的には、前記電流の周波数及び/又は振幅は、サブユニット毎に異なって良い。他のとりうる駆動電流の経時変化は、正方波形、三角波形、鋸波形、又は不規則波形を含んで良い。

工程c)において前記処理チャンバを満たす媒体は好適には、具体的には約1wt%〜約20wt%で、好適には約5wt%〜約10wt%の範囲の量のポリアルキレングリコール−たとえばPEG（ポリエチレングリコール）−を含んで良い。PEGは、DNA断片のサイズ選択−つまり前記断片の長さに依存する磁気ビーズの前記断片への結合の選択性−の観点から、実験において肯定的な効果を示した。しかもPEGの存在は、磁気粘性構造の生成しやすさが向上するという、磁気ビーズの静電挙動に肯定的な影響を有すると思われる。ポリアルキレングリコールを含む前記媒体は任意で、塩溶液−たとえばNaCl（たとえば約0.1M〜1.5Mで、好適には約1.25M）−をさらに含んで良い。ポリアルキレングリコール及び/又は塩溶液を含む前記媒体は好適には、カルボン酸塩化磁性粒子と併用されて良い。

第3態様によると、本発明は、標的粒子を含む媒体を処理する処理装置に関する。当該処理装置は以下の構成要素を有する。
− 前記媒体が供されうる処理チャンバを備えるカートリッジ。
− 各々が上面と周囲を取り囲むコイルを有する少なくとも4つの磁気サブユニットを有する多重極磁場発生装置。すべてのサブユニットの上面は、前記カートリッジに隣接して配置される。
− 前記処理チャンバに対して前記多重極磁場発生装置とは反対の位置に配置される他の磁場発生装置。
− 各独立する駆動電流を前記多重極磁場発生装置のサブユニット及び/又は前記他の磁場発生装置に供給することが可能な制御ユニット。

当該処理装置は、前記処理チャンバ内での磁性粒子の多目的操作を可能にする。その理由は、前記処理チャンバは、多重極磁場発生装置と他の磁場発生装置との間で取り囲まれていて、各独立して制御することが可能だからである。従ってたとえば、前記磁性粒子を適切に操作することによって、前記処理チャンバ内の小さな体積の媒質を混合させることが可能となる。

第3態様による処理装置は任意で、本発明の第2態様並びに第3態様による処理装置及び/又は方法に関する1つ以上の特徴を有して良い。

本発明はさらに、磁性粒子を作動させることによって媒体を混合させるための、本発明の第1態様及び/又は第3態様による処理装置の使用に関する。上述したように、この混合は特に、磁気粘性構造を生成するために前記磁性粒子を操作する時間変化する磁場の発生を含んで良い。

しかも本発明は、媒体から標的成分を分離する−具体的には特定の長さのDNA断片（又は他の核酸物質）を他のDNA断片から分離する−ための、本発明の第1態様及び/又は第3態様による処理装置の使用に関する。よってたとえば、短い合成オリゴマー及びDNA断片−たとえばDNAライブラリからのアダプター又は増幅からのプライマー−の効率的な精製及び除去を実現することが可能となる。

本発明はさらに、分子診断、生体試料分析、核酸処理−具体的には核酸の精製、化学試料分析、食品分析、及び/又は鑑識分析−への上述の処理装置の使用に関する。分子診断はたとえば、標的分子に対して直接的若しくは間接的に付着する磁気ビーズ又は蛍光粒子の助けによって実現され得る。

磁気的に操作される磁性粒子にる流体の混合中での本発明による第1バイオセンサの側面を概略的に示している。 磁性粒子が表面に付着したときの図1のバイオセンサを示している。 図1のバイオセンサの磁場発生装置の上面図を示している。 DNA精製処理の連続する処理工程を表している。 図1〜図3のコイルに印加され得る駆動電流の典型的な経時変化を示している。 断片サイズに依存するDNA断片の収率について、参考データと本発明による方法との比較を示している。 磁気サブユニットがカートリッジの下方と上方に設けられたバイオセンサの第2実施例を示している。

本発明の上記及び他の態様は、以降で説明する実施例を参照することで明らかとなる。

分析化学及びバイオテクノロジー用の小型マイクロ流体デバイスの分野では、高速で効率的な混合は重要な課題の1つである。実際、小さなスケールで乱流が生じないため、拡散機構は、遅い過程である分子拡散の混合に制限される。

上述の問題を解決するため、本発明は、新たなマイクロ流体混合の考え方を提案する。この新たなマイクロ流体混合の考え方は、局所交流磁場による磁性粒子（ビーズ）の操作に基づいている。好適には磁性粒子は、磁場が存在する中での磁気双極子相互作用によって自己集合構造を形成する。これらの構造又は対象物は、「磁気粘性構造」とも呼ばれる。かかる構造は通常、磁性鎖からなる非常に豊富で複雑な網で構成される。そのサイズは、複数の競合する磁力によって決定される。よって媒体の混合は具体的には、磁気粘性構造網によって生成される無秩序な対流の結果であり得る。

生体分子と緩衝剤又は他の媒体との効率的（良好かつ迅速）な混合を実現するため、本発明は特に、（少なくとも）4つの磁気サブユニットを用いた磁石の助けを借りることで磁性粒子（ビーズ）を作動させることを提案する。この方法によって、混合を効率的に実現することができる。その結果、（閉じた）カートリッジ内において高い清浄収率が実現される。この方法はまた、磁気ビーズへのDNA（又は他の核酸物質）の結合を利用することによるDNA（又は他の核酸物質）の精製にも用いられて良い。

図1〜図3は、上述の概略的な考え方による処理装置100の第1実施例を概略的に示している。処理装置1003つの主な構成要素を有する。具体的には以下である。
1. 内部に媒体（一般的には流体で具体的には液体）を供することが可能な処理チャンバ121を備えるカートリッジ120。処理チャンバ121は、媒体を充填する流入口122及び媒体を空にする流出口123に接続される。しかも処理チャンバ121は、該処理チャンバ121の内面に対向する面上に表面125を有する平坦（底部）壁124を含む。処理装置100に適切な検出手段（たとえば図示されていないがFTIR検出器）が供されている場合、この表面はたとえば、検出表面として機能し得る。図示された処理チャンバが実質的に直方体である場合、前記処理チャンバは、たとえばチャネルによって相互に接続される複数のサブチャンバ（「混合チャンバ」、「反応チャンバ」等）で構成される、より複雑な形状を有して良い。
2. 4つの磁気サブユニット111A,111B,111C,及び111Dを有する「多重磁場発生装置」110（図1,2には、前方の2つのサブユニットだけが見える。4つのサブユニットすべては図3の上面図で見られる）。4つのサブユニットすべては同一の設計を有する。たとえばサブユニット111Aは、コイル112Aによって取り囲まれて上面114Aを有するコア113Aを含む。4つのサブユニットのコア113A,113Bは互いに平行である（すべてはZ方向に延びている）。しかも上面114A-114Dは同一面内に配置されている。従って4つの上面は、カートリッジ120の平坦壁124にすぐ隣接して設けられる。上面すなわち先端部間の間隔（磁気空気ギャップ）dは典型的には約1mm〜約5cmの範囲である。先端部の幅は重要なパラメータである。その理由は、先端部の幅は、発生した磁場の局在化を決定するからである。この実施例には4つのサブユニットしか存在しないので、以降では磁場発生装置は「四重極」とも呼ばれる。

代替実施例では、上面114A-114Dは、処理チャンバを取り囲むようにカートリッジへ入り込むように突出しても良い。この場合、先端部の上面間の間隔dは、十分に大きく−たとえば約1.5cm−なければならない。
3. 任意の他の磁場発生装置130（たとえば処理チャンバ121の上方に設けられるコイルとコアを備える磁石）。図は単一の磁石を示しているが、他の磁場発生装置130は多重極（たとえば四重極）磁石であっても良い。この他の磁場発生装置130は概念上、「多重極磁場発生装置」110の一部として取り扱われても良いことに留意して欲しい。

図1に図示されているように、4つの磁気サブユニット114A-114Dのすべてのコアは、共通底部構造117に取り付けられて良い。この底部構造117及び/又はコアは、強磁性材料で作られることが好ましい。サブユニットは、磁束閉領域のために磁気的に1つずつ接続されなければならない。単一のサブユニットのとりうる設計上の特徴に関するさらなる情報は特許文献1,2で見つけることができる。

さらに他の構成では、単一サブユニットの各々は、U字磁石（たとえば中央に単一のコイルを備える2つの接続された極）であって良い。各サブユニットの極は互いに近づきすぎてはならない（たとえば互いの間隔は極（先端部）サイズ程度でなければならない）。

コイル112A-112D及び他の磁場発生装置130は、各独立する駆動電流を供給することの可能な制御ユニット140と結合する。よって、互いに独立して電流を制御し、かつ、カートリッジ内でたとえば非常に不規則な外部磁場（これは磁性粒子の混合にとっては好ましいと考えられる）を発生させることが可能である。

図1はさらに、Z方向に弾性を有するバネ115によって保持される四重極磁場発生装置110の全体を示している。従って四重極磁場発生装置110及びカートリッジ120は、製造許容度に関わりなく、上面114A-114Dがカートリッジ120に接触するように完全に接触/近接することが可能となる。

磁石の4つのサブユニット磁気構成を用いることによって、磁性粒子による媒質の混合は、四重極磁石110と、任意で他の上部磁石130と、各独立する電磁石又はコイル112A-112D,130の適切な作動によって実現されて良い。特に変化又は振動（回転）する磁場Bが面内に生成されて良い。

説明した実施例の重要な特徴は、四重極磁石アセンブリがカートリッジの表面下に位置することである。これにより、四重極磁石は、カートリッジの外部に位置しながら効率的に機能すること、及び、磁石の磁場中へのカートリッジの挿入を単純に行うことができることが保証される。残りの液体が除去/吸い出されるとき、電磁石112A-114D,130の作動は、清浄化のために表面125上に磁性粒子を「固定」するのにも利用されて良い。これは、以降で詳述する清浄プロトコルのある工程において必要とされる。

サブユニットとして電磁石を用いる特に有利な態様は、電磁石の磁極（上面）の形状が、非常に高精度で加工される必要がないことである。その代わりに、所望の磁場及び磁場勾配が、適切な作動プロトコルによって生成されて良い。

他の重要な因子は、交流磁場を用いることによる磁気ビーズの回転運動を誘起する可能である。この回転運動は、混合へのさらなる能動的に寄与する。チャンバ又はチャネル内での磁性粒子の保持及び操作は、かなり局在化された磁場を必要とする。従って記載された電磁システムは、磁束の生成及び集束を可能にする。能動的混合の場合、ビーズは磁気的に操作される。磁気粘性構造領域（先端部間）での流体は強く攪拌される。本願においては、混合が、超常磁性ビーズ網による無秩序な流体の分裂の結果であること想像できると思われる。他の重要な因子は、低周波数f(0.1Hz<f<50Hz)での交流磁場における超常磁性ビーズの集団動力学的挙動である。簡潔に説明すると、この動力学的特性は、磁場極性の変化によって誘起される磁気双極子の回転の結果である。時間依存磁場は、超常磁性ビーズ網の係る運動を誘起するようにすぐに設定され得る。

説明したシステムの有用な用途は、短いオリゴマー及びDNA断片−たとえばDNAライブラリからのアダプター−の効率的な清浄化及び除去である。図4は、より高速に機能し、かつ、より高い収率を与えるという利点を有する（閉じた）カートリッジ内を清浄化する関連プロトコルを表している。四重極場にビーズ及びその回転モーメントを導入することによって、（回転）無秩序混合が導入されることで、同様のプロトコルもまた、混合効率を改善するのに有利に用いられ得る。

図4の工程a)によると、処理チャンバ121には、DNA断片又は標的Tを含む溶液が充填される。チャンバ内に既に存在する磁性粒子Tは、この工程中にチャンバ底面へ磁気的に引きつけられる。その結果磁性粒子は、溶液の流入による影響を受けない。磁性粒子はその代わりに、DNA溶液と共に供されても良い。

工程b)では、試料チャンバ内での流体の混合を開始するため、磁性粒子Mが媒体中に解放され、かつ、たとえば回転磁場によって作動される。この工程中、DNA標的Tは、磁性粒子Mによって結合される。磁性粒子は一般的に、処理チャンバ内で約0.2mg/ml〜約2mg/mlのの濃度を有する。

上述の標的Tの結合は好適には、分子の特性に依存して、ある標的分子だけが結合して、他の分子は結合しないという選択性を有しなければならない。

好適用途では、標的Tにはたとえば、様々な長さのDNA断片が含まれる。前記様々な長さのDNA断片は、（所望の）DNAの長い断片のみならず（意図しない）残りの短い断片−たとえば未結合アダプター断片、自由オリゴヌクレオチド、又は、小さすぎるDNA断片（以降のシークエンシング工程のリード長未満であるため、シークエンシングには無関係）及びプライマーダイマー（考えられ得る過去に実行された増幅（たとえばPCR）工程において用いられる）−をも含む。磁性粒子によって捕獲される（べき）ものは長いDNA断片である。これは、荷電分子を静電的に結合することが可能な磁性粒子の助けによって実現され得る。これはたとえば、（磁性ナノ粒子が埋め込まれている）シリカビーズについて当てはまる。長いDNA断片だけが、これらの磁性粒子（つまりシリカ）に付着するのに十分な程度帯電している。このことについてのさらなる情報は非特許文献1で見つけることができる。

それに加えて又はその代わりに、表面上に特定のオリゴヌクレオチド捕獲断片を有する磁性粒子が用いられて良い。この場合、核酸断片が所与のビーズの表面上で相補断片と結合するハイブリダイゼーションによって、磁気ビーズへのDNA又はRNAの引きつけが起こる。捕獲断片は、特定の核酸−たとえばmRNAのためのポリ-dTオリゴヌクレオチド−又は一の特定のシーケンスに固有であって良い。提案された能動的混合を用いることによって、これらの磁気ビーズの捕獲効率はかなり改善され得る。これはたとえば、標的となるシークエンシングの処理−つまり近い将来特定の臨床上又は生物学上の問題についての関心ゲノムの一部のみのシークエンシング−するのに用いられて良い。この方法において用いられるビーズはまた、特許文献4において開示されるエンコードされたビーズであって良い。

工程c)では、結合標的Tを有する磁性粒子Mは、処理チャンバの底面に引きつけられる。処理チャンバはその後、残りの緩衝剤と小さな未結合DNA断片を除去することによって空にされる。しかも洗浄用緩衝剤が処理チャンバ内に導入される一方で、磁性粒子は依然として底面に保持される。

工程d)では、結合標的Tを有する磁性粒子Mは、再度解放されて処理チャンバへ入り込み、かつ、混合のために作動される。

工程e)では、結合標的Tを有する磁性粒子Mは底面に引きつけられる一方で、処理チャンバは洗浄用緩衝剤によって空にされる。しかも溶出緩衝剤が次に処理チャンバへ導入される。溶出緩衝剤は一般的に、磁性粒子と結合標的成分（たとえばDNA断片）との間での静電相互作用を減少させる媒体である。

工程f)では、磁性粒子は、処理チャンバへ入り込むように解放され、かつ、流体を混合させるように作動される。この工程では、標的Tは磁性粒子Mから分離される。

増幅されたDNAによる実験は、たとえ磁性粒子の大半が凝集された状態で残っているとしても、捕獲された標的成分は効率的に磁性粒子から解放され得ることを示している。これにより、一の面上のみで単一の磁場発生装置を備える処理装置（たとえば他の磁石130のない図1〜図3の処理装置100）を用いることが可能となる。とはいえ上部磁石の活動度も利用されて良い。

工程g)では、磁性粒子が再度底面に引きつけられる一方で、解放された標的Tを含む処理チャンバ内の媒体は前記チャンバから取り除かれる。

上述の磁気ビーズを作動させることによる媒体の混合はまた、多くの他の目的−たとえば細胞成分（たとえばDNA及びRNA）が解放されるように細胞を溶解させる−に用いられて良い。

使用された四重極磁石の重要な利点は、ビーズを操作する機能である。これは、シークエンシング（及び他のプロトコルにおける）混合及び清浄化工程のカギである。媒体を適切に凝縮及び混合するため、様々な駆動方法（たとえばブロック駆動法又は正弦駆動法）を用いた流体中でのビーズの循環を可能にする四重極磁石が必要とされる。実験結果は、これらの駆動法がたとえば、流体の良好な混合を誘起するビーズの振動輪を生成することを示している。

図5は、様々な典型的駆動法について4つのコイル112A-112Dへの駆動電流の経時変化を示している。

図5の上の図は、コイル112A,112B,112C,112Dに印加される正弦駆動電流I_A,I_B,I_C,I_Dを示している。4種類の電流は、同一の振幅（たとえば±2A）及び周期T（たとえば1s）を有するが、I_AとI_Bとの間、I_BとI_Cとの間、及びI_CとI_Dとの間で相互に（約T/8の）位相シフトΔφが存在する。

図5の中央の図は、上の図と同じ正弦駆動電流I_A,I_B,I_C,I_Dを示している。ただし相互の位相シフトΔφはT/4で上の図よりも大きい。

図5の下の図は、駆動電流I_A,I_B,I_C,I_Dに用いられ得る複数の基本波形を表している。具体的には以下の通りである。
− 正方波形SQ
− 正弦波形SI
− 垂直軸に対して鏡面対称な三角波形TR
− 鋸歯波形ST（一の垂直端部を有する三角波形）
正弦波形SIについては上の2つの図で表されているように、コイルの駆動電流は一般的に同一波形を有するが、相互に位相シフトが存在する。しかし一般的には、コイルの駆動電流に様々な振幅、周期、位相シフト、及び/又は波形を用いることが可能である。しかも印加された波形はまた不規則−つまり全く周期性を持たない−であっても良い。

図6は、断片のサイズに依存するDNA断片の収率Yにおける、参考測定（上側の曲線”Ref”）と図4による方法（下側の曲線”Crtg”）とを比較する図を示している。収率Yは、磁気ビーズ（つまり図4gで残っているもの）によって保持される供給された断片（つまり図4aにおいて入り込んだもの）の割合として定義される。横軸は、多数のヌクレオチドの測定により得られた断片サイズに関する。断片は、7%のPEGを含む溶液中に供されて処理された（特許文献5参照）。驚くべきことに、断片サイズについては、参考方法よりも本発明による方法の選択性が高いことがわかった。

図4f)の溶出工程は上部磁石の活動度を含んで良い。しかし結合緩衝剤（たとえば7%PEG、1.25MのNaCl）を用いることによって、四重極磁場発生装置によって磁気ビーズを十分に作動させることが可能である。ビーズが共に近づいて、より大きな正味の磁気モーメントを実現するように、結合緩衝剤は、ビーズの静電荷を変化させると思われる。

主として図4の処理に相当する典型的な実験では、以降の工程が行われた。
− 約1μmの平均直径及び約30Am²/kg(30emu/g)の磁気ビーズ（たとえばカルボキシルでコーティングされた磁気ビーズ）を供する工程
− 70%のエタノール1mlを1回準備する工程
− 装置上にカートリッジを設置する工程
− 対応するシリンジ内に200μLの溶出緩衝剤（たとえば5mMのトリスアミノメタン、pH=8.5）を加える工程
− エタノールが吸い出される直前にエタノールの容器へ70%エタノール0.5mLを与える工程
− カートリッジの混合チャンバ（図1には図示されていない）内に42.9μLのDNA製品を加える工程
− ビーズの容器に77.1μLのビーズを加える工程
− ビーズを混合チャンバへ吸い出す工程
− 混合チャンバ内の周りで5分間吸い出しを続ける工程
− カートリッジの試料の外側/汚染物面でポンプを用いることによって試料及びビーズを処理チャンバへ吸い出す工程（所謂引き込み吸引(pull pump)）
− チャンバが満杯になったときに吸い込みを中止する工程
− 小さな永久磁石を処理チャンバの上部に設けて、実験全体の間小さな永久磁石を処理チャンバの上部で保持する工程
− 3分間ビーズを収集する工程
− 最初に240秒間結合緩衝剤を吸い出さずに、処理チャンバを通り抜けるようにエタノールを汚染物へ向かうように吸い出し、再度引き込み吸引を利用する工程
− 8分間処理チャンバを空気を通り抜けるように空気を吸い出すことで、チャンバ/ビーズを乾燥させる工程
− 溶出緩衝剤を処理チャンバへ入り込むように吸い出す工程
− チャンバが満杯のときに吸い出しを中止する工程
− 5分間四重極磁石を作動させる（磁石を交互にオン/オフに切り換える）工程
− 2分間上部磁石で再度ビーズを収集することを可能にする工程
− 試料流出口上に存在する間常に、上部磁石によって液体を前記試料流出口へ吸い出す工程
− 溶出体積の定量化する工程
− 汚染物を取り除く工程
− 12000DNAキットによってバイオアナライザ上で溶出物を分析する工程
この実験の評価は、溶出物中において約85%のDNA断片収率を示した。

図7は、本発明の他の好適実施例によるバイオセンサ200を示している。バイオセンサ200では、4つのサブユニット211A,211B,211C,211Dが、所望の磁場の向きを誘起するため、カートリッジ220の周辺に設けられる。これにより、垂直方向（Z方向）にも磁場を調節することが可能となる。

記載された磁気装置は任意で、加熱素子と組み合わせられて良い。これにより、DNAの結合と解放が温度Tの関数となることで、混合及び除去工程の選択性がさらに改善され得る。

まとめると、本発明は、磁場発生装置、処理装置、及び、処理チャンバ内で媒体を処理する方法に関する。当該処理は、前記媒体に磁性粒子を加える工程、及び、時間変化する磁場−特に（部分的に）振動又は回転する磁場−によって前記磁性粒子を操作することによって前記媒体を混合させる工程を有する。前記磁場は、4つのサブユニットを有する磁場発生装置によって発生し得る。前記4つのサブユニットの各々は、周囲を取り囲むコイルと上面を備えるコアを有する。前記サブユニットのすべての上面は同一面内に配置される。すべてのコアは実質的に互いに平行である。本発明は、処理工程−たとえば混合−を実現するように（閉じた）カートリッジ内で磁性粒子を作動させるために、カートリッジ表面の下で四重極磁石を利用することを含む。しかも本発明は、四重極磁石を用いた（閉じた）カートリッジ内でのDNA又は他の核酸−たとえばRNA−を取り除くプロトコルに関する。
いくつかの態様を記載しておく。
〔態様1〕
標的粒子を含む媒体を処理する方法であって：
a) 処理されるべき前記媒体を充填可能な処理チャンバを有するカートリッジを供する工程；
b) 少なくとも4つのサブユニットを備える多重極磁場発生装置を供する工程であって、前記少なくとも4つのサブユニットの各々は、上面を有するコア及び該コアを取り囲むコイルを備え、すべてのサブユニットの上面は、前記カートリッジに隣接して配置される、工程；
c) 前記標的粒子を含む媒体で前記処理チャンバを充填する工程であって、磁性粒子(M)が、前記充填する工程の前、間、及び/又は後に前記媒体へ加えられる、工程；
d) 前記磁性粒子を操作することで、前記処理チャンバ内で前記媒体を混合させる時間変化する磁場を発生させるように、前記多重極磁場発生装置を制御する工程；
e) 前記媒体の標的粒子と前記磁性粒子とを結合させる工程；
f) 前記磁性粒子を前記処理チャンバの表面に引きつけるように前記多重極磁場発生装置を制御し、残りの媒体を前記処理チャンバから取り除く工程；
を有する方法。
〔態様2〕
標的粒子を含む媒体を処理する処理装置であって：
− 処理されるべき前記媒体が供されうる処理チャンバを備えるカートリッジ；
− 各々が上面と周囲を取り囲むコイルを有する少なくとも4つの磁気サブユニットを有する多重極磁場発生装置であって、前記上面は、前記カートリッジに隣接して配置される、多重極磁場発生装置；
− 各独立する駆動電流を前記多重極磁場発生装置のサブユニットに供給することが可能な制御ユニット；
を有し、
前記駆動電流によって、
a) 磁性粒子は、前記処理チャンバ内で媒体を混合させるように操作され、かつ、
b) 磁性粒子は、前記処理チャンバの表面に取り付けられる、
処理装置。
〔態様3〕
前記多重極磁場発生装置の少なくとも4つのサブユニットは、前記処理チャンバの下方に配置され、かつ/又は、前記処理チャンバを取り囲むことを特徴とする、態様1に記載の方法又は態様2に記載の処理装置。
〔態様4〕
他の磁場発生装置が、前記処理チャンバに対して前記多重極磁場発生装置とは反対の位置に配置されることを特徴とする、態様1に記載の方法又は態様2に記載の処理装置。
〔態様5〕
前記磁性粒子は、磁気粘性構造を生成する一方で、前記媒体を混合させるように操作されることを特徴とする、態様1に記載の方法又は態様2に記載の処理装置。
〔態様6〕
前記磁場が、少なくとも1つの振動成分を含むか、かつ/又は、少なくとも部分的に回転することを特徴とする、態様1に記載の方法又は態様2に記載の処理装置。
〔態様7〕
前記磁性粒子の少なくとも一部が、前記媒体の標的成分と選択的に結合可能な結合サイトを有することを特徴とする、態様1に記載の方法又は態様2に記載の処理装置。
〔態様8〕
前記磁性粒子の少なくとも一部が、粒子、具体的には核酸の断片、を静電的に結合する機能を有することを特徴とする、態様1に記載の方法又は態様2に記載の処理装置。
〔態様9〕
前記磁性粒子の少なくとも一部がシリカを含むことを特徴とする、態様1に記載の方法又は態様2に記載の処理装置。
〔態様10〕
前記工程f)後に、新たな媒体が前記処理チャンバへ導入されることを特徴とする、態様1に記載の方法。
〔態様11〕
磁性粒子に結合する標的成分が、前記新たな媒体へ解放されることを特徴とする、態様10に記載の方法。
〔態様12〕
前記標的成分を前記新たな媒体へ解放する間に、前記磁性粒子を操作することで、前記媒体を混合させる時間変化する磁場が発生することを特徴とする、態様11に記載の方法。
〔態様13〕
他の磁場発生装置が、前記処理チャンバに対して前記多重極磁場発生装置とは反対に配置され、かつ、前記標的成分の前記新たな媒体への解放中に始動されることを特徴とする、態様12に記載の方法。
〔態様14〕
前記標的粒子が、核酸、タンパク質、脂質、炭水化物、代謝物質、ホルモン、薬、製薬材料、細胞の断片、細胞、細胞組織の要素を含むことを特徴とする、態様1に記載の方法又は態様2に記載の処理装置。
〔態様15〕
前記工程c)において、前記媒体が、具体的には約1wt%乃至約20wt%の範囲の量のポリアルキレングリコールを含むことを特徴とする、態様1に記載の方法。
〔態様16〕
標的粒子を含む媒体を処理する処理装置であって：
前記媒体が供されうる処理チャンバを備えるカートリッジ；
各々が上面と周囲を取り囲むコイルを有する少なくとも4つの磁気サブユニットを有する多重極磁場発生装置であって、前記4つの磁気サブユニットすべての上面は前記カートリッジに隣接して配置される、多重極磁場発生装置；
前記処理チャンバに対して前記多重極磁場発生装置とは反対の位置に配置される他の磁場発生装置；及び、
各独立する駆動電流を前記多重極磁場発生装置のサブユニット及び/又は前記他の磁場発生装置に供給することが可能な制御ユニット；
を有する処理装置。
〔態様17〕
媒体からの標的成分の分離−具体的には特定の長さのDNA断片（若しくは他の核酸物質）を他のDNA断片から分離する−のため、並びに/又は、分子診断、生体試料分析、核酸処理−具体的には核酸の精製、化学試料分析、食品分析、及び/若しくは鑑識分析のため、磁性粒子を作動させることによって媒体を混合させる態様2又は16の記載の処理装置の使用。

Claims (14)

1. 標的粒子を含む媒体を処理する方法であって：
   a) 処理されるべき前記媒体を充填可能な処理チャンバを有するカートリッジを供する工程；
   b) 少なくとも4つのサブユニットを備える多重極磁場発生装置を供する工程であって、前記少なくとも4つのサブユニットの各々は、上面を有するコア及び該コアを取り囲むコイルを備え、すべてのサブユニットの上面は、前記カートリッジに隣接して配置される、工程；
   c) 前記標的粒子を含む媒体で前記処理チャンバを充填する工程であって、磁性粒子(M)が、前記充填する工程の前、間、及び/又は後に前記媒体へ加えられ、前記磁性粒子の少なくとも一部が、前記媒体の標的粒子と選択的に結合可能な結合サイトを有する、工程；
   d) 前記磁性粒子を操作することで、前記処理チャンバ内で前記媒体を混合させる時間変化する磁場を発生させるように、前記多重極磁場発生装置を制御する工程；
   e) 前記媒体の標的粒子と前記磁性粒子とを結合させる工程；
   f) 前記磁性粒子を前記処理チャンバの表面に引きつけるように前記多重極磁場発生装置を制御し、残りの媒体を前記処理チャンバから取り除く工程；
   を有する方法。
2. 標的粒子を含む媒体を処理する処理装置であって：
   − 処理されるべき前記媒体が供されうる処理チャンバを備えるカートリッジ；
   − 各々が上面と周囲を取り囲むコイルを有する少なくとも4つの磁気サブユニットを有する多重極磁場発生装置であって、前記上面は、前記カートリッジに隣接して配置される、多重極磁場発生装置；
   − 各独立する駆動電流を前記多重極磁場発生装置のサブユニットに供給することが可能な制御ユニット；
   を有し、
   前記駆動電流によって、
   a) 磁性粒子は、前記処理チャンバ内で媒体を混合させるように操作され、かつ、
   b) 磁性粒子は、前記処理チャンバの表面に取り付けられ、
   前記磁性粒子の少なくとも一部が、前記媒体の標的粒子と選択的に結合可能な結合サイトを有する、
   処理装置。
3. 前記多重極磁場発生装置の少なくとも4つのサブユニットは、前記処理チャンバの下方に配置され、かつ/又は、前記処理チャンバを取り囲むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
4. 他の磁場発生装置が、前記処理チャンバに対して前記多重極磁場発生装置とは反対の位置に配置されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
5. 前記磁場が、少なくとも1つの振動粒子を含むか、かつ/又は、少なくとも部分的に回転することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
6. 前記磁性粒子の少なくとも一部が、粒子、具体的には核酸の断片、を静電的に結合する機能を有することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
7. 前記磁性粒子の少なくとも一部がシリカを含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
8. 前記工程f)後に、新たな媒体が前記処理チャンバへ導入されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
9. 磁性粒子に結合する標的粒子が、前記新たな媒体へ解放されることを特徴とする、請求項8に記載の方法。
10. 前記標的粒子を前記新たな媒体へ解放する間に、前記磁性粒子を操作することで、前記媒体を混合させる時間変化する磁場が発生することを特徴とする、請求項9に記載の方法。
11. 他の磁場発生装置が、前記処理チャンバに対して前記多重極磁場発生装置とは反対に配置され、かつ、前記標的粒子の前記新たな媒体への解放中に始動されることを特徴とする、請求項10に記載の方法。
12. 前記工程c)において、前記媒体が、具体的には約1wt%乃至約20wt%の範囲の量のポリアルキレングリコールを含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
13. 標的粒子を含む媒体を処理する処理装置であって：
    前記媒体が供されうる処理チャンバを備えるカートリッジ；
    各々が上面と周囲を取り囲むコイルを有する少なくとも4つの磁気サブユニットを有する多重極磁場発生装置であって、前記4つの磁気サブユニットすべての上面は前記カートリッジに隣接して配置される、多重極磁場発生装置；
    前記処理チャンバに対して前記多重極磁場発生装置とは反対の位置に配置される他の磁場発生装置；及び、
    磁性粒子を操作するよう各独立する駆動電流を前記多重極磁場発生装置のサブユニット及び/又は前記他の磁場発生装置に供給することが可能な制御ユニット；
    を有しており、
    前記磁性粒子の少なくとも一部が、前記媒体の標的粒子と選択的に結合可能な結合サイトを有する、
    処理装置。
14. 媒体からの標的粒子の分離のため、並びに/又は、分子診断、生体試料分析、核酸処理、化学試料分析、食品分析、及び/若しくは鑑識分析のため、磁性粒子を作動させることによって媒体を混合させる請求項2又は13の記載の処理装置の使用。

Images