JP6604966B2 - 生体試料を処理および分析するための回転可能カートリッジ - Google Patents
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Description
回転駆動の円周方向において、試料液体を保持する第1の保存キャビティに隣接する動作キャビティ(operation cavity)と、
毛管力により試料液を吸い込んで試料液体を動作キャビティまで移送するための、第1の保存キャビティの側壁上に設けられる接続セクションと、
回転駆動の円周方向において動作キャビティの外側に配置され、接続通路を介して動作キャビティの最も外側の位置に連通される第2の保存キャビティと、
を含む分析デバイスを開示している。接続セクションが、円周方向において、第1の保存キャビティ内で保持される試料液体の液面より離れたところを延在する。
試料溶液を溶液成分と固体成分とに分離するための分離チャンバと、
所定の量の分離された固体成分を保持するための保持チャンネルと、
保持チャンネルに接続される混合チャンバと、
保持チャンネルと分離チャンバとの間に接続されるオーバーフローチャンネルと、
分離チャンバ内に残る試料溶液がその中に排出される試料オーバーフローチャンバと、
分離チャンバおよび試料オーバーフローチャンバを接続するジョイントチャンネルと、
を備える分析デバイスを開示している。分離した溶液成分が毛管力によりオーバーフローチャンネルを優先的に充填した後、分離した固体成分がオーバーフローチャンネルを介して保持チャンネルに移送され、所定の量の固体成分が測定される。保持チャンネル内の固体成分が遠心力により混合チャンバに移送され、同時に、分離チャンバ内に残る試料溶液がジョイントチャンネルのサイフォン作用により試料オーバーフローチャンバへと排出される。
本明細書で使用されるカートリッジが、生体試料を処理して処理済み生体試料とするための試験要素を包含する。カートリッジが、生体試料に対して測定を実施するのを可能にする構造または構成要素を含むことができる。カートリッジは、米国特許第8,114,351(B2)号および米国特許第8,470,588(B2)号で定義されて説明されているような試験要素である。本明細書で使用されるカートリッジは、「ラボ−オン−ディスク」またはマイクロ流体CDとしても知られる遠心マイクロ流体ディスクとも称され得る。
カートリッジが回転軸の周りで回転するように動作可能である。カートリッジが流体を受け取るための流体チャンバを備える。種々の文脈において、流体を受け取ることには様々な意味が含まれてよい。1つの解釈では、流体を受け取ることとは、例えば、ピペットまたは他のディスペンサを介して流体を受け取ることであってよい。他の状況では、流体を受け取ることがカートリッジ内のリザーバを開けることに基づいてよい。カートリッジがアリコートチャンバ(aliquoting chamber)をさらに備える。カートリッジが、流体チャンバおよびアリコートチャンバを接続する第1のダクトをさらに備える。カートリッジが計量チャンバをさらに備える。計量チャンバが毛管作用を利用して流体により計量チャンバを充填するように動作可能である。
別の実施形態では、計量チャンバが側壁および中央領域を有する。側壁が中央領域から離れる方向において先細となる。計量チャンバの側壁に隣接するところでの毛管作用は計量チャンバの中央領域での毛管作用より大きい。
第1および第2の残りの部分は計量チャンバ内にある流体の一部であるが、これは、カートリッジの回転速度が上げられるときに、アリコートチャンバへと戻るように移送される。
別の実施形態では、バルブは毛管バルブまたは毛管ストップバルブである。
別の実施形態では、側壁が回転軸に最も接近する領域を有し、ここでは、この領域が拡張チャンバの境界を画定して、拡張チャンバの中へと開いている。
別の実施形態では、中央領域が回転軸に最も接近するゾーンを有し、ここでは、この領域が拡張チャンバの境界を画定して、拡張チャンバの中へと開いている。
別の実施例では、マイクロバルブは、Parkらの論文「Multifunctional Microvalves Control by Optical Illumination on Nanoheaters and Its Application in Centrifugal Microfluidic Devices」、Lab Chip、2007、7、557〜564ページ、に説明されるような、強磁性流体をベースとするバルブであってよい。
別の実施形態では、流体の第1の部分を計量チャンバからバルブを通るように移送するためにカートリッジの回転速度を上げるステップが、流体の残りの部分をアリコートチャンバまで戻すように移送するためにカートリッジの回転速度を第1の回転速度まで上げることと、流体の第1の部分を計量チャンバからバルブを通るように移送するためにカートリッジの回転速度を第2の回転速度まで上げることとを含む。カートリッジが第1の回転速度の高い速度で回転させられるとき、遠心力が、流体を計量チャンバの中に引き入れるいかなる毛管力よりも大きくなる。次いで、液面がダクト出口の最も低い高さと等しくなるまで、流体が計量チャンバから出るように押しやられる。第2の回転速度まで上げることにより、流体がバルブを通るように押しやられる。いくつかの実施例では、バルブが開いている。例えば、強磁性流体ベースまたはパラフィンベースのマイクロバルブが使用される。この実施形態は、下流の流体要素へと計量分配される流体の精度が向上するという利点を有することができる。これの代替形態としては、カートリッジが、単純に、バルブを通るように流体を押しやるのに十分な速度で回転させられる。これは、第1および第2の回転速度が使用される場合において下流の流体要素へと移送される流体の量に帰着し得る。別の代替形態では、バルブが制御可能に密閉可能または開放可能であるマイクロバルブである場合、カートリッジが、流体の残りの部分を押しやってアリコートチャンバの中に戻すような回転速度で動作することができる。これが達成された後、マイクロバルブが開けられ、この回転により流体が計量チャンバから下流の流体要素の中まで押しやられる。代替形態としては、マイクロバルブを再使用可能なサイフォンに置き換えることが可能となり得る。
一実施例では、計量チャンバは0.8mmの深さおよび3.8mmの幅を有することができる。拡張チャンバを除いた高さは約7.0mmであってよい。
別の実施形態では、計量チャンバが計量チャンバ表面を有する。計量チャンバ表面が少なくとも部分的に丸みを有する。この実施形態では、計量チャンバ内に鋭利な角部(hard corner)が存在することが回避され、それにより、計量チャンバ内で泡が形成されるかまたは付着することの可能性が低減され、また、計量チャンバを流体で完全に充填することが促進される。計量チャンバ内に泡が存在するのを回避することが所望される可能性があり、その理由は、泡が計量チャンバ内で保管され得る流体の量を変化させるからである。計量チャンバの充填中に泡が形成されると、これにより、下流の流体要素へ移送される流体の量の一貫性が失われる可能性がある。
別の実施形態では、計量チャンバの側壁に隣接するところでの毛管作用が計量チャンバの中央領域の毛管作用より大きい。これにより、中央領域より先に側壁を流体で充填することができるようになる。
別の実施形態では、計量チャンバの毛管作用が第2のダクト内での毛管作用より大きい。これにより、計量チャンバを流体で充填するのを補助することができる。
いくつかの実施例では、光学的に透明であることが、近赤外線および近紫外線を含んでよい。他の実施例では、光学的に透明であることが、近赤外線または近紫外線を除外してもよい。
別の実施形態では、カートリッジが、流体接続部を介してアリコートチャンバに接続される過剰流体チャンバ(excess fluid chamber)をさらに備える。流体接続部が流体接続部入口を備える。流体接続部入口はダクト出口よりも回転軸から離れる。これは、アリコートチャンバ内の流体の最大高さがダクト出口の下方にくることになることを理由として、有益となり得る。
疎水性バルブを使用することの欠点は、低い表面張力の流体を制御することが不可能であることである。これは特に洗浄緩衝剤に当てはまる。疎水性バルブはまた、1回しか使用され得ないという欠点を有する。
生体試料の処理は、回転軸を中心とした回転速度および継続時間を制御することによって制御され得る。サイフォン340は、毛管作用を利用して自動で充填されるように設計される。しかし、回転軸102を中心とした十分に高い回転速度により毛管作用に逆らう遠心力が生じる。したがって、回転速度を制御して特定の速度で回転の継続時間を制御することにより、生体試料の処理を制御することができる。通常の使用では、生体試料が入口346の中に配置され得、システムの回転速度が制御され得る。次いで、ある時点で、アクチュエータまたは他の機械的手段がリザーバ開放要素を操作するのに使用され、穿孔要素310により穿孔可能シール308を穿孔する。次いで、回転が、流体をアリコートチャンバの中に押しやることができ、多様な回転速度が、カートリッジ300を使用して複数回の分取を実施するのに利用され得る。
まず、図4では、流体が流体チャンバ104に加えられている。次いで、カートリッジが回転軸102を中心として回転させられる。これにより流体307が第1のダクト106を通ってアリコートチャンバ108の中まで移動するように押しやられる。次いで、流体307がアリコートチャンバ108を充填し、さらに、第2のダクト110の対応する径方向外側部分が流体で充填される。
102 回転軸
104 流体チャンバ
106 流体チャンバダクト
108 アリコートチャンバ
110 第2のダクト
112 計量チャンバ
114 ダクト入口
116 ダクト出口
120 チューブ
121 バルブ
122 下流の流体要素
124 拡張チャンバ
126 上側縁部
128 通気孔
130 プロファイルA−A
132 過剰流体チャンバ
134 流体接続部
136 流体接続部入口
140 フェイルセーフチャンバ
200 断面図A−A
202 カートリッジのボディ
204 側壁
206 中央領域
208 蓋
210 支持構造
300 カートリッジ
306 流体を有する流体リザーバ
307 流体
308 穿孔可能シール
310 穿孔要素
312 係合表面またはリザーバ開放要素
336 流体構造
338 流体要素
340 サイフォン
342 通気孔
344 測定構造
346 開口部
348 カバー蓋
400 矢印
500 最高液面
800 分割線
802 流体の部分
804 流体の残りの部分
1100 自動分析器
1102 カートリッジスピナ
1104 モータ
1106 グリッパ
1108 カートリッジの部分
1110 測定構造
1111 アクチュエータ
1112 測定システム
1114 制御装置
1116 ハードウェアインターフェース
1118 プロセッサ
1120 電子記憶装置
1122 電子メモリ
1124 ネットワークインターフェース
1126 ネットワーク接続部
1128 ラボラトリ情報システム
1130 実行可能命令
1132 測定
1200 流体構造を使用して生体試料を処理して処理済み生体試料とするためにカートリッジの回転速度を制御する
1202 第1のダクトを介して流体を流体チャンバからアリコートチャンバまで輸送するためにカートリッジの回転速度を制御する
1204 アリコートチャンバ内の流体を第2のダクトの中まで流すのを可能にするためにおよび1回目として計量チャンバを充填するためにカートリッジスピナを制御する
1206 流体の第1の部分を計量チャンバからバルブを通るように移送するためにおよび第1の残りの部分をアリコートチャンバの中に戻すように移送するためにカートリッジの回転速度を上げる
1208 リザーバ内の流体を第2のダクトの中まで流すのを可能にするためにおよび2回目として計量チャンバを充填するためにカートリッジの回転速度を低下させる
1210 流体の第2の部分を計量チャンバからバルブを通るように移送するためにおよび第2の残りの部分をアリコートチャンバの中に戻すように移送するためにカートリッジの回転速度を上げる
1212 測定構造を使用して測定を実施する
Claims (16)
- カートリッジ(300)を使用して処理済み生体試料の測定を実施する方法であって、前記カートリッジが回転軸(102)の周りを回転するように動作可能であり、前記カートリッジが、
流体(307)を受けるための流体チャンバ(104)と、
アリコートチャンバ(108)と、
前記流体チャンバおよび前記アリコートチャンバを接続する第1のダクト(106)と、
計量チャンバ(112)であって、前記計量チャンバは毛管作用を利用して流体により前記計量チャンバを充填するように動作可能であり、前記計量チャンバは側壁(204)および中央領域(206)を有し、前記側壁が前記中央領域から離れる方向において先細となり、前記計量チャンバの前記側壁に隣接するところでの毛管作用が前記計量チャンバの前記中央領域内での毛管作用より大きい、計量チャンバ(112)と、
前記計量チャンバを前記アリコートチャンバに接続する第2のダクト(110)であって、前記第2のダクトは前記アリコートチャンバ内にダクト入口(114)を備え、前記第2のダクトは前記計量チャンバ内にダクト出口(116)をさらに備え、前記ダクト出口が前記ダクト入口よりも前記回転軸に接近し、前記第2のダクトは毛管作用を利用して流体を前記計量チャンバまで流すように動作可能である、第2のダクト(110)と、
下流の流体要素(122)であって、前記下流の流体要素はバルブ(121)を介して前記計量チャンバに接続される、下流の流体要素(122)と、
生体試料を処理して前記処理済み生体試料とするための流体構造(336)であって、前記流体構造は前記下流の流体要素を備え、前記下流の流体要素が前記流体構造に流体接続され、前記流体構造が前記処理済み生体試料の測定を可能にするための測定構造(344)を備え、前記流体構造が前記生体試料を受け取るように構成される、流体構造(336)と、
前記計量チャンバに接続される通気孔(128)であって、前記計量チャンバよりも前記回転軸に近い、通気孔(128)と、
を備え、
前記方法が、
前記流体構造の中に前記生体試料を配置するステップと、
前記流体構造を使用して前記生体試料を処理して前記処理済み生体試料とするために前記カートリッジの回転速度を制御するステップ(1200)と、
前記流体で前記流体チャンバを充填するステップと、
前記第1のダクトを介して前記流体チャンバから前記アリコートチャンバまで前記流体を輸送するために前記カートリッジの回転速度を制御するステップ(1202)と、
前記アリコートチャンバ内の前記流体を前記第2のダクトの中まで流すのを可能にするためにおよび1回目として前記計量チャンバを充填するために前記カートリッジの回転速度を低下させるステップ(1204)と、
前記流体の第1の部分を前記計量チャンバから前記バルブを通るように移送するためにおよび第1の残りの部分を前記アリコートチャンバに戻すように移送するために前記カートリッジの回転速度を上げるステップ(1206)と、
前記アリコートチャンバ内の前記流体を前記第2のダクトの中まで流すのを可能にするためにおよび2回目として前記計量チャンバを充填するために前記カートリッジの回転速度を低下させるステップ(1208)と、
前記流体の第2の部分を前記計量チャンバから前記バルブを通るように移送するためにおよび第2の残りの部分を前記アリコートチャンバに戻すように移送するために前記カートリッジの回転速度を上げるステップ(1210)と、
前記測定構造を使用しておよび測定システムを使用して前記測定を実施するステップ(1212)と
を含む、方法。 - 前記流体の前記第1の部分を前記計量チャンバから前記バルブを通るように移送するために前記カートリッジの回転速度を上げる前記ステップが、前記流体の前記第1の残りの部分を前記アリコートチャンバに戻すように移送するために前記カートリッジの回転速度を第1の回転速度まで上げるステップと、前記流体の前記第1の部分を前記計量チャンバから前記バルブを通るように移送するために前記カートリッジの回転速度を第2の回転速度まで上げるステップとを含み、および/または、
前記流体の第2の部分を前記計量チャンバから前記バルブを通るように移送するために前記カートリッジの回転速度を上げる前記ステップが、前記流体の前記第2の残りの部分を前記アリコートチャンバに戻すように移送するために前記カートリッジの回転速度を前記第1の回転速度まで上げるステップと、前記流体の前記第2の部分を前記計量チャンバから前記バルブを通るように移送するために前記カートリッジの回転速度を前記第2の回転速度まで上げるステップとを含む、請求項1に記載の方法。 - 前記側壁が、前記計量チャンバ内で泡が形成および/または付着するのを防止するために前記中央領域よりも先に流体で充填されるように動作可能である、請求項1または2に記載の方法。
- 前記アリコートチャンバが上側部および下側部を有し、前記上側部が前記下側部よりも前記回転軸に接近し、前記計量チャンバが上側部分を有し、前記計量チャンバが下側部分を有し、前記上側部分が前記下側部分よりも前記回転軸に接近し、前記ダクト出口が前記計量チャンバの前記上側部分内にあり、前記ダクト入口が前記アリコートチャンバの前記下側部内にある、請求項1、2または3に記載の方法。
- 前記計量チャンバが計量チャンバ表面を有し、前記計量チャンバ表面が丸みを有する、請求項1から4までのいずれか一項に記載の方法。
- 前記計量チャンバ内での前記毛管作用が前記第2のダクト内での前記毛管作用より大きい、請求項1から5までのいずれか一項に記載の方法。
- 自動分析器(1100)のためのカートリッジ(300)であって、前記カートリッジは回転軸(102)の周りを回転するように動作可能であり、前記カートリッジが、
流体(307)を受けるための流体チャンバ(104)と、
アリコートチャンバ(108)と、
前記流体チャンバおよび前記アリコートチャンバを接続する第1のダクト(106)と、
毛管作用を利用して流体により計量チャンバを充填するように動作可能である計量チャンバ(112)であって、前記計量チャンバは側壁(204)および中央領域(206)を有し、前記側壁が前記中央領域から離れる方向において先細となり、前記計量チャンバの前記側壁に隣接するところでの毛管作用が前記計量チャンバの前記中央領域の毛管作用より大きい、計量チャンバ(112)と、
前記計量チャンバを前記アリコートチャンバに接続する第2のダクト(110)であって、前記第2のダクトは前記アリコートチャンバ内にダクト入口(114)を備え、前記第2のダクトは前記計量チャンバ内にダクト出口(116)をさらに備え、前記ダクト出口が前記ダクト入口よりも前記回転軸に接近し、前記第2のダクトは毛管作用を利用して流体を前記計量チャンバまで流すように動作可能である、第2のダクト(110)と、
下流の流体要素(122)であって、前記下流の流体要素はバルブ(121)を介して前記計量チャンバに接続される、下流の流体要素(122)と、
生体試料を処理して処理済み生体試料とするための流体構造(336)であって、前記流体構造は前記下流の流体要素を備え、前記下流の流体要素が前記流体構造に流体接続され、前記流体構造が前記処理済み生体試料の測定を可能にするための測定構造(344、1110)を備え、前記流体構造が前記生体試料を受け取るように構成される、流体構造(336)と、
通気孔(128)であって、前記通気孔は前記計量チャンバに接続され、前記通気孔は前記計量チャンバよりも前記回転軸に近い、通気孔(128)と
を備える、カートリッジ(300)。 - 前記アリコートチャンバが上側部および下側部を有し、前記上側部が前記下側部よりも前記回転軸に接近し、前記計量チャンバが上側部分を有し、前記計量チャンバが下側部分を有し、前記上側部分が前記下側部分よりも前記回転軸に接近し、前記ダクト出口が前記計量チャンバの前記上側部分内にあり、前記ダクト入口が前記アリコートチャンバの前記下側部内にある、請求項7に記載のカートリッジ。
- 前記計量チャンバが計量チャンバ表面を有し、前記計量チャンバ表面が丸みを有する、請求項7または8に記載のカートリッジ。
- 前記計量チャンバ内での前記毛管作用が前記第2のダクト内での前記毛管作用より大きい、請求項7、8または9に記載のカートリッジ。
- 拡張チャンバをさらに備え、前記通気孔が前記拡張チャンバ内にあり、前記拡張チャンバが前記計量チャンバに接続され、前記計量チャンバ内での毛管作用が前記拡張チャンバ内での毛管作用より大きく、前記拡張チャンバが前記計量チャンバよりも前記回転軸に近い、請求項7、8または9に記載のカートリッジ。
- 前記拡張チャンバが前記アリコートチャンバよりも前記回転軸に接近する、請求項11に記載のカートリッジ。
- 前記測定構造が2つ以上の電極および/または光学測定構造を備える、請求項7から12までのいずれか一項に記載のカートリッジ。
- 前記流体が、分散液、ナノ粒子を含む流体、血液型分類試薬を含む流体、免疫試薬を含む流体、抗体を含む流体、酵素を含む流体、酵素反応のための1つまたは複数の基質を含む流体、蛍光発光分子を含む流体、免疫化学反応を測定するための分子を含む流体、核酸の反応を測定するための分子を含む流体、組換体蛋白質を含む流体、ウイルス単離物を含む流体、ウイルスを含む流体、生体試薬を含む流体、溶媒、希釈剤、緩衝剤、蛋白質を含む流体、塩を含む流体、洗浄剤、核酸を含む流体、酸を含む流体、塩基を含む流体、水溶液、非水溶液、および、これらの組み合わせ、のうちの任意の1つである、請求項7から13までのいずれか一項に記載のカートリッジ。
- 流体接続部(134)を介して前記アリコートチャンバに接続される過剰流体チャンバをさらに備え、前記流体接続部が流体接続部入口(136)を備え、流体接続部入口が前記第2のダクト(110)の前記ダクト出口(116)よりも前記回転軸から離れる、請求項7から14までのいずれか一項に記載のカートリッジ。
- 請求項7から15までのいずれか一項に記載のカートリッジを受けるように構成される自動分析器であって、前記自動分析器はカートリッジスピナ(1102)と、測定システム(1112)と、前記自動分析器を制御するように構成される制御装置(1118)とを備え、前記制御装置が、
前記流体構造を使用して前記生体試料を処理して前記処理済み生体試料とすることを目的として前記カートリッジの回転速度を制御するように前記カートリッジスピナを制御すること(1200)、
前記第1のダクトを介して前記流体チャンバから前記アリコートチャンバまで前記流体を輸送することを目的として前記カートリッジの回転速度を制御するために前記カートリッジスピナを制御すること(1202)、
前記アリコートチャンバ内の前記流体を前記第2のダクトの中へ流すのを可能にするためにおよび1回目として前記計量チャンバを充填するために前記カートリッジスピナを制御すること(1204)、
前記流体の第1の部分を前記計量チャンバから前記バルブを通るように移送することを目的としておよび第1の残りの部分を前記アリコートチャンバの中に戻すように移送することを目的として前記カートリッジの回転速度を上げるために前記カートリッジスピナを制御すること(1206)、
前記アリコートチャンバ内の前記流体を前記第2のダクトの中まで流すのを可能にすることを目的としておよび2回目として前記計量チャンバを充填することを目的として前記カートリッジの回転速度を低下させるために前記カートリッジスピナを制御すること(1208)、
前記流体の第2の部分を前記計量チャンバから前記バルブを通るように移送することを目的としておよび第2の残りの部分を前記アリコートチャンバの中に戻すように移送することを目的として前記カートリッジの回転速度を上げるために前記カートリッジスピナを制御すること(1210)、および、
前記測定構造を使用して前記測定を実施するために前記測定システムを制御すること(1212)
を行うように構成される、自動分析器。
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