JP6718528B2 - 再使用可能なバイオセンサカートリッジを備える携帯型ハンドヘルドデバイス - Google Patents

Description

本発明は、流体試料中の分析物を定量的に特定するための再使用可能かつ交換可能なカートリッジ技術を適用する携帯型ハンドヘルドデバイスに関し、より具体的には、疾患タンパク質／ゲノムバイオマーカー等の生物学的化合物又はアフラトキシンやマイコトキシン等の化学物質を検出するための、リアルタイム電気化学的プロファイリング（REPTM）と称される方法を使用する携帯型ハンドヘルドデバイスに関する。

バイオセンサは、医療診断、環境汚染物質の検出、食品産業及び製薬産業、生物兵器剤の検出等で使用される。これらの用途に使用されるデバイスは通常、大きく、高価であるのみならず、検査所への試料の輸送を必要とする。検出結果を得るための手順には、場合により、幾つかの装置の使用や中央検査所での検査が含まれる。この種類の分析は、コストが大きい場合があるのみならず、試料の移動距離が大きいが故に測定の質に影響を及ぼす場合がある。このことは、条件として不適切な可能性がある。従って、携帯型バイオセンサデバイスを使用して現場で検出をする必要がある。

最も初期のバイオセンサの開発は、1950年代まで遡る。その初期のバイオセンサは、酸素をモニタリングするために使用された。1980年代までに電気化学的検出器が小型化され、優れた感度及び選択性を示した。電気化学的バイオセンサは、特異的な結合物質、例えば、タンパク質、デオキシリボ核酸（「DNA」）、ウィルス、細菌、細胞、並びに組織と、センサ表面とを使用して電気信号に変化を生じさせ、これにより生体分子を定量的又は定性的に分析及び検査する。生物学的物質の検出には、試薬の処理、反応、並びに分析のための複雑な工程が必要である。工程は、分析方法や物質の種類に応じて異なるが、バイオセンサにおいては通常、フィルタリング、計量、混合、輸送、反応、洗浄等の各工程を複雑に組み合わせて生物学的物質が検出される。従って、従来技術によれば、生物学的物質の検出は、様々な機器を使用して各検査室にて手動で行われる。携帯型バイオセンサデバイスは通常、検出及び反応が生じるセンサと、信号変換を行う（電気化学的、光学的、又は圧電的）トランスデューサと、トランスデューサからの信号を処理すると共に、検出結果を使用者に表示する電子部品とで構成される。

携帯型ハンドヘルドデバイスBiSensは、マイクロ流体機構を採用しており、オンボードバイオセンサを含むと共に、使用者による較正が不要な使い易いカートリッジシステムを使用することにより、革新的でシンプルなソリューションを実現している。BiSensの目的は、検査所における高精度の測定をほぼ可能としつつ、携帯性及び再現性を提供することである。BiSensは更に、測定コストも大幅に削減すると共に、現場にて一定の測定精度を可能とする利便性を提供する。

国際出願第2015/052479号明細書

本発明のハンドヘルドデバイスは、カートリッジ装填機構と、RFIDラベルを有する使い捨て式のオールインワンカートリッジと、試料を配置するための取り付け部を有する可動シリンジと、マイクロ流体に作用させるためのモータ及びピストンと、マイクロポテンショスタット回路と、カートリッジを検出するためのRFIDリーダーと、容量式タッチディスプレイと、信号処理及び記録用の制御ユニットと、システム全体に電力を供給するためのバッテリーユニットと、外部電源又はバッテリーなしでの動作を可能とするための任意のアダプタとで構成されている。本発明のデバイスは、温度補償機能を備え、15℃〜35℃で動作するよう較正されている。

カートリッジは、３個の固定的なシリンジ、並びに試料を配置するための１個の取り外し可能なシリンジで構成されている。バイオセンサは、カートリッジに統合されている。カートリッジは更に、廃棄物リザーバを収容している。このコンセプトは、オールインワンカートリッジと称される。シリンジ、反応及び廃棄物チャンバにおける流体は、マイクロ流体チャネルと連通している。この場合、流体は、シリンジから電極が収容されたフローセルに送られ、その後に廃棄物チャンバに到達する。

統合されたバイオセンサチップは、ガラス／ケイ素基板上に形成されると共に特殊に設計された電極で構成されている（特許文献１（国際出願第2015/052479号明細書）参照）。バイオセンサチップは、バイオアッセイに使用される生物学的認識要素に基づいて様々な分析物を検出することができる。カートリッジには、廃棄物部も統合されている。カートリッジは、取り外し可能なシリンジを含めて完全にシールされている。使用者が測定を開始すると、マイクロステッピングモータで作動するピストンによってシリンジが移動する。

測定を開始するには、使用者が最初にカートリッジをスロット内に配置し、次いでタッチスクリーン上のメニューから「開始」を選択する。その後、装置がカートリッジのRFID情報を読み取り、プロトコルを自動的に実行する。測定が完了すると、測定結果は、分析物濃度を表すプロットとしてか又はイエス或いはノーとして、グラフィックスクリーン上に表示される。

統合されたバイオセンサチップ、廃棄物チャンバ、RFIDタグを有するカートリッジシステムを備えるBiSensにおいては、洗浄が自動的に行われるため、使用者は洗浄を行う必要がない。新たな測定を行うために使用者がしなければならないことは、使用済みカートリッジを処分し、未使用カートリッジを配置することである。装置に適用されたRFID技術は、プロトコルが装置により自動的に読み取られるため、検査の準備を不要にする。

以下、本発明を添付図面に基づいて詳述する。

装置を上方から見た斜視図である。 カートリッジを上方から見た分解斜視図である。 シリンジポンプ機構を上方から見た分解斜視図である。 カートリッジヘッドを上方から見た斜視図である。 カートリッジヘッドの上面図である。

図面に示す電気化学的検出装置は、カートリッジを収容する装置と、電気機械的シリンジポンプシステムと、カートリッジに取り付けられた電気化学的バイオセンサと、シリンジ及び流体廃棄堆積物部を収容するカートリッジ本体で構成されたカートリッジと、マイクロ流体チャネル及びバイオセンサ取り付け部を収容するカートリッジヘッドとを含む。

図１は、電気化学的ハンドヘルドデバイスの全体を概略的に示す。デバイスのカートリッジは、カートリッジヘッド（１）及びカートリッジ本体（２）の２個の要素で構成されている。更に、使用者により取り外し可能であると共に、試料を配置するためのシリンジ（３）が設けられている。カートリッジは、使用者によりスロット（５）に配置されている。カートリッジがスロット（５）に配置された後、カートリッジリッド（６）が閉じられる。プロトコルについては、使用者が静電容量式タッチスクリーン（７）から開始する。金属製ピストン（４）は、電動モータ（８）により、適切な流体を注入するのに使用される。使用者は、必要があれば、適切なポート（９，10，11参照）及びUSB又はネットワークケーブルを使用することにより、検出結果をPCに転送することができる。図示のデバイスは、顧客からの要求があれば、イーサネットポート（11）により、検査所又は病院のシステムに統合することもできる。必要があれば、電源ケーブルを電源ソケット（12）に差し込むことにより、外部アダプタで装置の電源を入れることができる。

図２は、カートリッジの部品を示す。カートリッジは２個の主要部品、即ちカートリッジ本体（２）及びカートリッジヘッド（１）で構成されている。参照符号（３）は、ピストンヘッド（13）を有する充填可能なシリンジを表している。シリンジシールリング（14）は、カートリッジヘッド（１）とカートリッジ本体（２）との間に使用されることにより、流体漏れを回避する。参照符号15は、バイオセンサチップ（16）のセンサスロットを表している。参照符号17は、バイオセンサチップ（16）をそのカバー（18）に接着するのに使用される接着スティックを表している。カートリッジ本体（２）の中央部に統合された廃棄物リザーバ（26）は、２個のシリンジが廃棄物リザーバ（26）の左側及び右側に配置されるようシリンジを収容すると共に、出口チャネル（図５の参照符号23参照）に接続されている。その出口チャネルから、全ての消耗品及び廃棄流体が廃棄堆積物開口（図５の参照符号24参照）を通って、カートリッジヘッド（１）上のバイオセンサチップ（図５の参照符号16参照）から流出する。

図３は、電気機械的ピストンシステムを上方から見た詳細斜視図を示す。図示の電気機械的ピストンシステムは、リバース可能なプル・プッシュシステムとして構成されている。電動モータ（８）により、ピストン（４）として機能する部品が引っ張られる。ピストンの運動は、２個の金属ロッド（19）にガイドされることにより、運動が一定になるよう保証される。プル又はプッシュ運動は、２個のマイクロスイッチ（20，20a）で制御される。モータは、モータブラケット（27a）に取り付けられた後、装置に取り付けるためにボトムシャーシ（28）に配置される。

図４は、カートリッジヘッドを上方から見た詳細斜視図を示す。参照符号（１）は、カートリッジヘッドを表している。中央部に楕円形の開口を有する両面接着スティック（17a）は、バイオチップ（16）をカートリッジヘッド（１）に接着するよう機能するだけでなく、カートリッジヘッド（１）とバイオチップ（16）との間の間隔により薄いフローセルを形成するよう機能する。

図５は、カートリッジヘッド（１）及びバイオチップ（16）の詳細上面図を示す。図示のカートリッジヘッド（１）の実施形態においては、マイクロ流体チャネル（21）が明示されている。入口チャネル（22）及び出口チャネル（23）に接続されたカートリッジヘッド（１）における２つの開口は、それぞれ、フローセルの入口開口（29）及び出口開口（30）を構成しており、これにより流体輸送が可能になる。この場合、流体は、入口チャネル（22）からフローセルに流入し、出口チャネル（23）から廃棄物堆積開口（24）を通ってフローセルから流出する。カートリッジヘッド（１）上のシリンジヘッドスロット（25）により、シリンジを堅固に取り付けることが可能である。

１ カートリッジヘッド
２ カートリッジ本体
３ 取り外し可能なシリンジ
４ 金属製ピストン
５ カートリッジスロット
６ カートリッジリッド
７ 静電容量式タッチスクリーン
８ 電動モータ
9，10 USBポート
11 イーサネットポート
12 電源ソケット
13 ピストンヘッド
14 シリンジシールリング
15 バイオセンサチップのセンサスロット
16 バイオセンサチップ
17，17a 両面接着スティック
18 バイオセンサチップのカバー
19 金属ロッド
20，20a マイクロスイッチ
21 マイクロ流体チャネル
22 入口チャネル
23 出口チャネル
24 廃棄堆積物開口
25 シリンジヘッドスロット
26 廃棄物リザーバ
27，27a モータブラケット
28 ボトムシャーシ
29 入口開口
30 出口開口

Claims (15)

1. 携帯型ハンドヘルドデバイスであって、
   クリックフィット式に結合された部品であるカートリッジヘッド（１）、カートリッジシリンジ、並びにRFIDタグで構成されたカートリッジを備え、バイオセンサチップ（16）が、反応により生じる電気信号を測定するために前記カートリッジヘッド（１）に統合され、前記カートリッジヘッド（１）が、流体及び試料を前記バイオセンサ（16）に輸送するためのマイクロ流体チャネル（21）を有し、前記カートリッジシリンジが、試料を差し込むために、予め取り付けられた取り外し可能な単一のシリンジ（３）を含む４個のシリンジで構成され、前記カートリッジに配置された前記RFIDタグが、前記カートリッジ及び所定のプロトコルに関する情報を記憶することにより、所望の測定にとって適切な分析手順が実行され、
   ・２個の部品で構成されたクリックフィット式の前記カートリッジを収容するため使用される、スイングヒンジ付きカートリッジスロット（５）を備え、
   ・前記バイオセンサ（16）からの信号を、メイン処理ユニットで処理するのに適したフォーマットに処理及び変換するポテンショスタット回路を備え、
   ・前記カートリッジにおけるカートリッジ情報及びプロトコル情報をワイヤレスで読み取るRFIDリーダーユニットを備え、
   ・RFID、ポテンショスタット、並びにディスプレイにおけるデータを処理するメイン処理ユニットを備え、
   ・使用者が前記デバイスを制御すると共に、検出結果を確認するための静電容量式タッチディスプレイ（７）を備え、
   ・前記デバイスに電力を供給するためのバッテリーを備える携帯型ハンドヘルドデバイスにおいて、
   前記カートリッジヘッド（１）上の廃棄堆積物開口（24）を介して出口チャネル（23）に接続されると共に、廃棄流体が堆積する廃棄物リザーバ（26）が、前記シリンジに統合されていることを特徴とする携帯型ハンドヘルドデバイス。
2. 請求項１に記載の携帯型ハンドヘルドデバイスであって、前記カートリッジが、カートリッジヘッド及びシリンジの２個のクリックフィット式部品で構成されている携帯型ハンドヘルドデバイス。
3. 請求項１に記載の携帯型ハンドヘルドデバイスであって、前記カートリッジの前記シリンジ部分が、使用者により取り外し可能であると共に、分析すべき試料流体で充填される試料シリンジで構成されている携帯型ハンドヘルドデバイス。
4. 請求項１に記載の携帯型ハンドヘルドデバイスであって、前記カートリッジヘッドが、前記シリンジをフローセルに接続すると共に、前記フローセルを前記廃棄物リザーバに接続するためのマイクロ流体チャネルを有する携帯型ハンドヘルドデバイス。
5. 請求項１に記載の携帯型ハンドヘルドデバイスであって、前記バイオセンサが、フローセルの下方に位置するよう前記カートリッジヘッドに統合されると共に、電極を有する表面が前記フローセルを直接的に指向している携帯型ハンドヘルドデバイス。
6. 請求項１に記載の携帯型ハンドヘルドデバイスであって、RFIDステッカータグが、カートリッジ及びプロトコルを認識するために前記カートリッジの下に取り付けられている携帯型ハンドヘルドデバイス。
7. 請求項１に記載の携帯型ハンドヘルドデバイスであって、前記カートリッジを、前記スイングヒンジ付きカートリッジスロットにて下方に向けてスライドさせることにより、前記デバイス内に配置される携帯型ハンドヘルドデバイス。
8. 請求項１に記載の携帯型ハンドヘルドデバイスであって、前記カートリッジが、僅かな下方力を加えることにより前記デバイスに固定され、前記スロットが、機械的機構によりロックされる携帯型ハンドヘルドデバイス。
9. 請求項１に記載の携帯型ハンドヘルドデバイスであって、前記シリンジ内の流体が、電気ステッピングモータで作動するピストンによりポンピングされる携帯型ハンドヘルドデバイス。
10. 請求項１に記載の携帯型ハンドヘルドデバイスであって、前記カートリッジスロットの下方に、RFIDリーダーユニットが配置されている携帯型ハンドヘルドデバイス。
11. 請求項１０に記載の携帯型ハンドヘルドデバイスであって、前記RFIDリーダーが、データの読み取り及び処理のためにメイン処理ユニットに接続されている携帯型ハンドヘルドデバイス。
12. 請求項１に記載の携帯型ハンドヘルドデバイスであって、前記バイオセンサに接続されたポテンショスタットが配置されている携帯型ハンドヘルドデバイス。
13. 請求項１に記載の携帯型ハンドヘルドデバイスであって、前記ポテンショスタットが、前記バイオセンサからの信号を変換して前記メイン処理ユニットに搬送する携帯型ハンドヘルドデバイス。
14. 請求項９に記載の携帯型ハンドヘルドデバイスであって、前記カートリッジの下方に、前記ピストン及び前記電気ステッピングモータが共に統合された機械的機構が配置されている携帯型ハンドヘルドデバイス。
15. 請求項１に記載の携帯型ハンドヘルドデバイスであって、前記静電容量式タッチディスプレイが、前記デバイスによる検出結果を制御及び視認するために使用される携帯型ハンドヘルドデバイス。

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