JP7336547B2 - 分析カートリッジ - Google Patents

Description

本開示は、一般的に、分析カートリッジに関し、特に、核酸抽出及び核酸増幅のための分析カートリッジに関する。

核酸抽出及び核酸増幅は、生物医学的な検査又は診断に使用される一般的な技術である。一般的に、核酸抽出キット又は核酸抽出試薬が、通常、核酸抽出のために公開及び日常実験室で使用され、次に、核酸増幅キット又は核酸増幅試薬を使用して、特定の核酸断片を増幅するか又は特定の核酸断片を検出する。しかし、上述のキット又は試薬には、通常、手動操作が必要とされ、これは、時間がかかり、試料又は試薬上への汚染を生じやすく、それによって、大量検査又は生産ラインモード検査に対する使用効率が低くなる。

従って、関連技術の実用的な要件を満たすように、核酸抽出及び核酸増幅のための新規の改善されたキット、試薬、又は装置を提供することが、関連技術には依然として必要である。

米国特許出願第１７／３６４，８６８号

本開示の目的の１つは、分析カートリッジを提供することであり、この分析カートリッジにおいては、回転弁と各容器との接続を、外部の駆動力を介して回転弁を特定の向きに回転させることによって制御することができ、次に、試料、試薬、反応溶液、及び他の流体を、要求に応じて容器間で移送及び混合することができ、その体積も正確に制御されるため、各反応工程の進行を容易にしている。本開示の分析カートリッジは、サンプルインリザルトアウトの自動検査プロセスを提供するのを可能にし、それによって、日常実験室の限界及び不十分な効果を改善し、検査の効率及び感度を向上させている。

加えて、本開示の多機能の分析カートリッジは、さらに、磁気ビーズを使用して核酸を抽出し、また、磁気ビーズを吸収、放出、又は移送する効率を高め且つ抽出効率及び純度を改善するように、容器及びピペットの構造も改善する。同時に、本開示は、複数の詳細な構成要素の組み立ての困難性を効果的に減らし、分析カートリッジ全体の作製プロセスを簡略化し、その生産量及び利便性も効果的に改善する。従って、本開示の新規の分析カートリッジは、医療検査又は検出製品の実用的な要件を満たすことが可能である。

上記の目的を達成するために、本開示の一実施形態は、第１のカバー、第２のカバー、複数の容器、複数の流体トンネル、及び回転弁を含む分析カートリッジを提供する。第２のカバーは、第１のカバーに取り付けられ、第２のカバーは、対向する２つの表面、並びにその上に配置された複数の第１のスルーホール及び１つの第２のスルーホールを含み、第１のスルーホール及び第２のスルーホールは個々に、２つの表面を貫通する。容器は、第１のカバーと第２のカバーとの間に挟まれ、容器は個々に、第１のスルーホールと整列している。流体トンネルは、第１のカバーの上に配置され、その各々は、第１のピペットに接続される。回転弁は、第１のカバーと第２のカバーとの間に回転可能に配置されて、第２のスルーホールと整列し、回転弁は、個々の容器に接続するためにその上に配置された流路を含む。

本発明のこれら及び他の目的は、様々な図及び図面において例示されている好ましい実施形態の以下の詳細な説明を読んだ後に、当業者には確かに明らかになるであろう。

図１乃至図６は、本開示における第１の実施形態による分析カートリッジを例示した概略図である。図７乃至図１０は、本開示における第２の実施形態による分析カートリッジを例示した概略図である。
本開示における第１の実施形態による分析カートリッジの分解図である。 本開示における第１の実施形態による分析カートリッジの上面図である。 本開示における第１の実施形態による分析カートリッジの容器の断面図である。 本開示における第１の実施形態による分析カートリッジの回転弁の分解図である。 本開示における第１の実施形態による分析カートリッジのピペットの断面図である。 本開示における第１の実施形態による分析カートリッジの流体トンネル内の細胞を破壊するための短パルスレーザービームの使用を例示した断面図である。 本開示における第２の実施形態による分析カートリッジの分解図である。 本開示における第２の実施形態による分析カートリッジの上面図である。 本開示における第２の実施形態による分析カートリッジの回転弁の分解図である。 本開示における第２の実施形態による分析カートリッジの回転弁及びピペットの部分断面図である。

本開示のより良い理解を提供するために、好ましい実施形態が詳細に記載される。本開示の好ましい実施形態は、番号付きの要素を有する添付の図面において例示されている。

本開示において、記載における第２の特徴にわたって又はその上に第１の特徴を形成することは、第１及び第２の特徴が直接接触して形成される実施形態を含んでもよく、また、第１及び第２の特徴が直接接触しなくてもよいように、第１及び第２の特徴の間にさらなる特徴を形成することができる実施形態を含んでもよい。加えて、本開示は、様々な例において参照番号及び／又は文字を繰り返すことができる。この繰り返しは、単純化及び明確化を目的としており、それ自体は、論じられる様々な実施形態及び／又は構成間の関係を指示するものではない。さらに、「下」、「下方」、「下に」、「上」、「上方」、及び「上に」等の空間的に相対的な用語が、図において例示されているように、１つの要素又は特徴の、１つ又は複数の別の要素又は特徴に対する関係の説明を容易にするために本明細書において使用されてもよい。空間的に相対的な用語は、図において描かれている向きに加えて、使用中又は動作中の装置の異なる向きを包含するように意図されている。例えば、図中の装置が反転された場合、他の要素又は特徴の「下方」及び／又は「下」にあるとして記載される要素は、従って、他の要素又は特徴の「上方」及び／又は「上」に向けられる。装置は、他の方法で向けられてもよく（９０度回転又は他の向きにされてもよく）、本明細書において使用される空間的に相対的な記述子は、同様に、応じて解釈され得る。

第１、第２、第３等という用語を、様々な要素、構成要素、領域、層、及び／又は部分を記載するために本明細書において使用することができるけれども、これらの要素、構成要素、領域、層、及び／又は部分は、これらの用語によって限定されるべきではないことが理解されたい。これらの用語は、１つの要素、構成要素、領域、層、及び／又は部分を別の領域、層、及び／又は部分から区別するためにのみ使用することができる。本明細書において使用される場合、「第１」、「第２」、及び他の数値用語等の用語は、文脈によって明確に示されていない限り、順序又は順番を意味しない。従って、以下に論じられる第１の要素、構成要素、領域、層、及び／又は部分は、実施形態の教示から逸脱することなく、第２の要素、構成要素、領域、層、及び／又は部分と称され得る。

本明細書において開示されているように、「約」又は「実質的」という用語は、一般的に、所与の値又は範囲の２０％以内、好ましくは１０％以内、より好ましくは５％、３％、２％、１％、又は０．５％以内を意味する。明示的に別段の定めをした場合を除き、本明細書において開示される数値範囲、量、値、及びパーセンテージの全てが、全ての例において、「約」又は「実質的」という用語によって修正されるものとして理解されるべきである。従って、特段の記載がない限り、本開示及び添付の特許請求の範囲において明記される数値パラメータは、所望により変わり得る近似値である。

本開示の第１の実施形態による分析カートリッジ３００を例示している図１～６を参照されたい。図１は、分析カートリッジ３００の概略分解図であり、図２は、分析カートリッジ３００の概略上面図であり、図６は、分析カートリッジ３００の動作の概略図であり、残りの図面は、分析カートリッジ３００の詳細な構成要素を示す概略立体図又は概略断面図である。図１及び図２において示されているように、分析カートリッジ３００は、第１のカバー１００、第２のカバー１１０、及び回転弁１３０を含む。例えば、第１のカバー１００は、図１において示されているように、第１の表面１００ａ及び第２の表面１００ｂ等、対向する２つの表面を含み、第２のカバー１１０も、図１において示されているように、第１の表面１１０ａ及び第２の表面１１０ｂ等、対向する２つの表面を含む。第１のカバー１００の第２の表面１００ｂは、第２のカバー１１０の第１の表面１１０ａに面している。分析カートリッジ３００はまだ組み立てられておらず、第２のカバー１１０及び第１のカバー１００は、互いに分離されて、それらの間に収容空間１６０を（図１において示されているように）画定し、回転弁１３０、複数の容器１５０、及び他の構成要素が、収容空間１６０内に配置されてもよい。図２において示されているように、分析カートリッジ３００を組み立てている間に、第１のカバー１００の第２の表面１１０ｂは、第２のカバー１１０の第１の表面１１０ａに取り付けられ、回転弁１３０、容器１５０、及び他の構成要素は全て、第２のカバー１１０と第１のカバー１００との間に挟まれ、収容空間１６０はもはや存在しない。一実施形態では、分析カートリッジ３００の信頼性及び可鍛性を改善するように、第１のカバー１００及び第２のカバー１１０は、例えば、熱融解法又は超音波法を介して組み立てられるが、これらに限定されない。

第１のカバー１００及び第２のカバー１１０の各々は、例えば、水平方向（図１において方向Ｄ１で示されているように、ｘ方向等）に沿って延びる平板を含み、熱可塑性及び生体適合性を有するポリプロピレン（ＰＰ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、及びその他を含む群から選択された適切な材料を使用してプラスチック射出成形法によって形成することができるが、これらに限定されない。また、第１のカバー１００及び第２のカバー１１０は、相互に対応する輪郭を有してもよく、例えば、両方とも、図１において示されているように長方形であるが、これに限定されない。図１において示されている第１のカバー１００及び第２のカバー１１０の特定の輪郭は単に例証的なものであり、第１のカバー１００及び第２のカバー１１０は、実用的な製品要件に基づき他の適用可能な形状をさらに含んでもよいことを当業者は容易に理解するはずである。

正確に言えば、第１のカバー１００は、第１の表面１００ａの上に配置された複数の流体トンネル１０１及び複数の気体トンネル１０３をさらに含む。本実施形態では、流体トンネル１０１の各々及び気体トンネル１０３の各々は、例えば、方向Ｄ１に平行な任意の方向に沿って横方向に延びて、流体循環又は気体循環のためにピペット１０２又は気体孔１０４に接続している。各気体トンネル１０３の一端は、気体孔１０４に接続され、他端は、排気のために第１のカバー１００の上に配置されたベント１０６に接続される。ピペット１０２の各々及び気体孔１０４の各々が、第１のカバー１００の第１の表面１００ａから下方に延びて第１のカバー１００の第２の表面１００ｂから突き出る中空構造である図３も参照されたい。一実施形態では、ピペット１０２及び気体孔１０４の底部は、好ましくは、図３において示されているように、それぞれ傾斜した側壁１０２ａ、１０４ａを含むが、これらに限定されない。ピペット１０２の傾斜した側壁１０２ａは、液体を吸い込みながらピペット１０２内に液体を留めることが容易であるという問題を改善することができ、組み立ての間にシーリングフィルムを突き抜けることも容易にし得る。別の実施形態では、ピペット及び気体孔の傾斜した側壁は、任意的に、省くこともできる（図面には示されていない）。さらに、実用的な製品要件のために、流体トンネル及び／又は気体トンネルは、異なる延びる方向をさらに有してもよく、例えば、（方向Ｄ２等の）方向Ｄ１に垂直であるか又は異なる場所に位置を定め、上述のタイプであると限定されない任意の方向に沿って延びている。

複数のスルーホール１１１、１１３、１１５が第２のカバー１１０の上にさらに配置されて、第１の表面１１０ａ及び第２の表面１１０ｂを順次貫通し、スルーホール１１１、１１３、１１５の各々は、異なるサイズを有する複数の容器１５０（例えば、図１及び２において示されているような容器１５１、１５３、１５５）を収容するように、異なるサイズ（例えば、異なる開口サイズ）を有してもよいが、これらに限定されない。言い換えると、各スルーホールの実用的なサイズは、各容器のサイズによって多様であってもよく、各容器の実用的なサイズは、実際の製品要件に基づき多様であってもよく、図１～２において示されているものに限定されず、当業者であれば容易に理解することができる。図３において示されているように、容器１５０の各々は、実用的な製品要件に基づき様々な所望の試薬を収容するための中空の本体１５４を含み、本体１５４は、例えばアルミニウム箔又はプラスチックのような材料を含むフィルム１５２によって密封される。好ましくは、本体１５４は、容器１５０内に配置された様々な試薬を集中させるのを容易にするための傾斜部分１５４ａを含む。傾斜部分１５４ａは、傾斜した側壁１５４ｂを含んでもよく、これは、例えば、図３において示されているように、少なくとも本体１５４の底部に配置されるが、これに限定されない。別の実施形態において、本体１５４は、任意的に、図５において示されているように、傾斜した側壁１５４ｃを全体として含んでもよい。

一実施形態において、容器１５０は、例えば、複数の試薬容器１５１、少なくとも１つの反応容器１５３、及び少なくとも１つの試料容器１５５を含み、試薬容器１５１の各々は個々に、洗浄試薬、緩衝液、溶離液、又はライセート等を収容し、少なくとも１つの反応容器１５３は、反応を行うための様々な酵素又は反応物質（プライマー又はプローブ等）を収容し、少なくとも１つの試料容器１５５は、細菌、細胞、若しくはウイルス等の様々な試料、又は、細菌、細胞、若しくはウイルスを保有しているのではないかと疑われ且つ確認のために核酸抽出及び核酸増幅を必要とする試料を収容する。反応容器１５３の量は、任意の適した数であってもよく、例えば、図１において示されているように２つであってもよい。次に、分析カートリッジ３００は、２つの反応容器１５３を介して、その中に配置された様々なプライマー及び／又はプローブに基づき異なる増幅及び検査反応を同時に行うことができるが、これに限定されない。他の実施形態では、異なる検査要件を達成するために、単一の反応容器又は複数の反応容器を任意的に分析カートリッジに配置することもできることを当業者は容易に理解するはずである。加えて、容器１５０は、複数の磁気ビーズ（図面には示されていない）をその中に配置させた抽出容器１５７をさらに含んでもよく、磁気ビーズは、精製のために検査の開始時に検査試料と組み合わされてもよい。

第１のカバー１００の上に配置されたピペット１０２及び気体孔１０４は、第２のカバー１１０の上に配置されたスルーホール１１１、１１３、１１５と整列しているため、第１のカバー１００の上に配置されたピペット１０２及び気体孔１０４は、図３において示されているように、分析カートリッジ３００を組み立てる間に、その傾斜した側壁１０２ａ、１０４ａを使用することによって、各スルーホール１１１、１１３、１１５内に配置された各容器１５０のフィルム１５２を突き抜けることができるということに留意されたい。好ましくは、図３において示されているように、第１のカバー１００の上に配置されたピペット１０２は、容器１５０のフィルム１５２を貫通した後、容器１５０の底部にさらに延びてもよく、より好ましくは、傾斜部分１５４ａに近い部分まで延ばされてもよく；第１のカバー１００の上に配置された気体孔１０４は、容器１５０の上部に位置してもよく、ちょうどフィルム１５２を貫通する部分のすぐそばに位置してもよいが、これに限定されない。

一方で、スルーホール１１７が、その中で回転する回転弁１３０を収容するために、第２のカバー１１０の上にさらに配置されている。正確に言えば、回転弁１３０は、例えば、第１のカバー１００及び第２のカバー１１０と組み合わされた後の回転弁１３０の気密性を向上させるために、硬質材料と組み合わされた軟質材料から成っている。図４において示されているように、回転弁１３０は、上から下に積み重ねられた第１の部分１３１及び第２の部分１３３を含み、第１の部分１３１は、例えば、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）、ゴム、ポリウレタン材料、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、熱可塑性ポリエステルエラストマー（ＴＰＥＥ）、生体適合性樹脂、又はそれらの組み合わせを含み、第２の部分１３３は、ポリプロピレン繊維又はポリカーボネート等、第１の部分１３１の材料とは異なる剛性材料を含むが、これらに限定されない。このようにして、分析カートリッジ３００が組み立てられると、回転弁１３０の第１の部分１３１は、第１のカバー１００の第２の表面１００ｂに取り付けられてもよく、回転弁１３０の第２の部分１３３は、スルーホール１１７内に据え付けられてもよく、それによって、気密な組み立て様式を達成している。

本実施形態では、回転弁１３０の第１の部分１３１は、突出部１３７をさらに含み、突出部１３７は、流路１３５を取り囲み、開口部１３７ａを形成し、回転弁１３０の第２の部分１３３は、係合部１３３ａを含む。流路１３５は、任意の適した形状、例えば、図４において示されているような直線形状等を含んでもよいが、これに限定されない。このようにして、分析カートリッジ３００が組み立てられた後、回転弁１３０の（係合部１３３ａを含む）第２の部分１３３は、第２のカバー１１０のスルーホール１１７内に突き出て、さらにモータ（図面には示されていない）に外部で接続されてもよく、モータは、分析カートリッジ３００内の回転弁１３０を回転させるように駆動及び制御している。言い換えると、回転弁１３０は、第１のカバー１００と第２のカバー１１０との間に回転可能に配置されてもよい。そのような配置で、同時に開口部１３７ａを気体孔１０４と整列させることができる場合に、流路１３５の一端を、回転弁１３０の回転を介して順番に異なる流体トンネル１０１に接続することができる。回転弁１３０は、さらに、液体一時貯蔵領域１７０を介して外部でポンプ（図面には示されていない）に接続するけれども、各容器１５０内の様々な試薬は、ポンプによって提供される正圧又は負圧を介して吸い出され、放出され、又は移されてもよい。本実施形態において、分析カートリッジ３００は、例えば、第１のカバー１００の第１の表面１００ａの上に配置された液体一時貯蔵領域１７０をさらに含む。図１及び図２において示されているように、液体一時貯蔵領域１７０は、蛇行した形状又は連続的に湾曲した形状の中空管構造を含んでもよく、液体一時貯蔵領域１７０の一端は、流路１３５の別の端部に接続することができ、液体一時貯蔵領域１７０の別の端部は、ポンプに外部で接続するためのポンプコネクタ１７３をさらに含んでもよい。従って、試薬を吸い出す、放出する、又は移すのに寄与するように、分析カートリッジ３００の液体一時貯蔵領域１７０を使用して、吸い出された試薬を一時的に貯蔵することができる。

さらに、分析カートリッジ３００は、流体トンネル１０１、気体トンネル１０３、及び液体一時貯蔵領域１７０を閉じたチャネルで密封するために、第１のカバー１００の第１の表面１００ａに取り付けられる平らなフィルム状材料（例えば、図１において示されているシール形成層１８０等）をさらに含んでもよい。

好ましい実施形態では、分析カートリッジ３００を、核酸抽出及び核酸増幅において使用することができるが、これらに限定されない。例えば、回転弁１３０を特定の向きまで回転させることを介して、試料容器１５５内に配置された試料を、第一に、化学的方法を使用して試料の細胞を破裂又は開放させるために試薬容器１５１の１つまで移し、その後、回転弁１３０を再度回転させて、破裂又は開放された細胞を有する試料及びその放出された物質を抽出容器１５７まで移すことができる。破裂又は開放された細胞を有する試料及びその放出された物質は、精製のために抽出容器１５７内の磁気ビーズと組み合わされる。次に、磁気ビーズと組み合わされた試料を、洗浄のために別の試薬容器１５１までさらに移し、最後に、後の検査を行うために、核酸等の所望の生体材料が磁気ビーズから溶離される。その後、生体材料はまた、所望の反応を実行するために、回転弁１３０を介して反応容器１５３まで移される。反応容器１５３が凍結乾燥したプライマー対、窒素塩基、及び核酸ポリメラーゼを有する場合、ポリメラーゼ連鎖反応が、生体材料が反応容器１５３に注入された後に実行されてもよいが、反応はこれに限定されない。別の実施形態において、反応容器１５３は、任意的に、製品要件に基づき、他の酵素又は試薬を有して、プローブ結合又は酵素結合等の他の反応を実行することができる。上述の試料又は生体材料を移しながら、各容器１５０内に延びたピペット１０２の長さを使用して、流体を定量することができるということに留意されたい。正確に言えば、図５において示されているように、（上述の試料又は生体材料等の）流体２００が容器１５０内に注入される間に、最初の液体レベルを有する流体２００は、（図５の左のパネルにおいて示されているように）特定の高さに達するようにピペット１０２を覆うことができる。次に、流体２００は吸い出されて、液体レベルを低下させ、さらに、流体２００´を残し、ピペット１０２の底部は、（図５の右のパネルにおいて示されているように）流体２００´によってもはや覆われなくてもよい。従って、吸い出される流体２００の体積を正確に制御することができ、それは、容器１５０内に残っている流体２００´の体積を使用してさらに確認することができる。言い換えると、特定の液体レベルは、所望の流体２００の体積に依存する。より大きい体積の流体２００が吸引されることになるのが所望される場合には、より深く容器１５０内に延びることができるピペット１０２、又はより短い長さを有する容器１５０を選択することができる。より小さい体積の流体２００が吸引されることになるのが所望される場合には、より浅く容器１５０内に延びることができるピペット１０２（例えば、ピペットは、容器１５０の半分の深さまで延びるか、又は容器１５０の上部近くにある等）、又はより長い長さを有する容器１５０を選択することができる。このようにして、移される流体の量を定量するように、各容器１５０内に延びるピペット１０２の深さを、実用的な検査の要件に従って調整することができる。

さらに、回転弁１３０を介して生体材料を反応容器１５３まで移しながら、回転弁１３０を回転させて、その流路１３５を、反応容器１５３内に延びるピペット１０２と整列させ、さらに、その開口部１３７ａを、反応容器１５３内に延びる気体孔１０４と整列させることにも留意されたい。これらの配置を介して、気体トンネル１０３が循環のために自由である間に、生体材料を反応容器１５３内に首尾よく注入することができる。しかし、反応が反応容器１５３内で行われる必要がある間に、回転弁１３０を再度回転させて、反応容器１５３内に延びるピペット１０２及び気体孔１０４を、流路１３５及び開口部１３７ａともはや整列しないようにすることができる。次に、反応物質及び流体の濃度に重大な影響を与え得る、反応容器１５３内に配置された反応物質及び流体の体積の、上昇した温度による蒸発を防ぐか又は低下した温度による凝縮を防ぐように、流体トンネル１０１及び気体トンネル１０３をそれによって閉じることができる。言い換えると、反応が反応容器１５３内で実行される間に、反応容器１５３内に延びるピペット１０２及び気体孔１０４を、回転弁１３０の上に配置された突出部１３７によって覆うことができるため、反応容器１５３の内部空間は気密状態に達し、それによって反応の能力を促進することができる。

従って、核酸抽出及び核酸増幅のための好ましい実施形態において、回転弁１３０は、その上の流路１３５を介して液体一時貯蔵領域１７０と連通し、且つ流体トンネル１０１を介して試料容器１５５と連通するように回転される。その間、ポンプは、試料容器１５５内の試料を液体一時貯蔵領域１７０まで吸い出すように駆動される。次に、ポンプが駆動されて、試薬容器１５１と液体一時貯蔵領域１７０との間で、往復して液体一時貯蔵領域１７０内の試料を放出する及び吸い出すように、回転弁１３０を再度回転させて、流体トンネル１０１を介して流路１３５の一端を試薬容器１５１（図２において右上隅に示されている）と連通させ、さらに、流路１３５の他端を液体一時貯蔵領域１７０と依然として連通させる。従って、試料又は細胞を有することが疑われる試料内の細胞を、従って、試薬容器１５１内に配置された溶解バッファー、並びに流体トンネル１０１、流路１３５、及び液体一時貯蔵領域１７０間の流れにより引き起こされる物理的な力によって破裂又は開放させて、溶解バッファー及び試料を混合することによって第１の混合物を得ることができる。次に、回転弁１３０を再度回転させて、流体トンネル１０１を介して流路１３５を抽出容器１３７と連通させ、液体一時貯蔵領域１７０に一時的に貯蔵された第１の混合物は、流路１３５及び流体トンネル１０１を介して抽出容器１５７内に放出される。抽出容器１５７は、核酸に結合するための分子をその表面が有する磁気ビーズを有し、磁気ビーズは、第１の混合物内の核酸（もしあれば）を捕捉して、核酸－磁気ビーズ複合体を形成することができる。或いは、試料内に核酸が存在しない場合、磁気ビーズは核酸を捕捉することができない。同様に、ポンプによる放出及び吸い出しを介して、磁気ビーズは第１の混合物と完全に混合されて第２の混合物を形成する。

次に、第２の混合物内の核酸－磁気ビーズ複合体（又は核酸が存在しない場合には磁気ビーズのみ）を、抽出容器１５７の外側に置かれた磁石又は磁気デバイス（図面には示されていない）を使用することによって吸着することができる。次に、第２の混合物の残留物が吸い出され、液体一時貯蔵領域１７０まで移され、次に、回転弁１３０を回転させて、使用される試薬容器１５１（図２の右上の領域に示されている）と連通させ、さらに、貯蔵のために、第２の混合物の残留物を液体一時貯蔵領域１７０から使用される試薬容器１５１まで移す。好ましくは、ポンプ吸引によって所望の核酸－磁気ビーズ複合体が抽出容器１５７から吸い出され且つ放出されるのを防ぐように、磁石又は磁気デバイスは、ピペット１０２の傾斜した側壁１０２ａから離れた位置に置かれる。

その後、回転弁１３０を再度回転させて、洗浄試薬を有する別の試薬容器１５１（例えば、図２において示されているように回転弁１３０の下に配置された試薬容器１５１等）に接続し、さらに、磁石又は磁気デバイスを抽出容器１５７から離して置き、それによって、洗浄試薬を液体一時貯蔵領域１７０まで移し、次に、抽出容器１５７まで移す。従って、核酸－磁気ビーズ複合体は解放され、洗浄試薬と混合して、第３の混合物を形成する。次に、核酸－磁気ビーズ複合体を吸着するために、磁石又は磁気デバイスが再度配置され、第３の混合物の残留物は、貯蔵のために、試薬容器１５１（図２の右上の領域における試薬容器１５１等）まで移される。

緩衝液が適用される場合、核酸－磁気ビーズ複合体はまた、上述の段落における同じ工程を介して処理される。別の実施形態において、抽出効率及びその純度を改善するように、核酸－磁気ビーズ複合体を、１つ以上の試薬容器１５１に配置された同じ又は異なる洗浄試薬又は緩衝液で処理することもできるということを当業者は容易に理解するはずである。

次に、回転弁１３０を再度回転させて、溶離液を有する別の試薬容器１５１（図２の右下の領域における試薬容器１５１等）と連通させ、さらに、磁石又は磁気デバイスが、抽出容器１５７から離して置かれ、その後、溶離液をまず液体一時貯蔵領域１７０まで移し、次に抽出容器１５７まで移し、溶離液は、核酸と磁気ビーズの表面上の分子との結合を切断し、それによって、核酸を解放することができる。次に、核酸、磁気ビーズ、及び溶離液は、従って、第４の混合物を形成することができる。磁石又は磁気デバイスが、磁気ビーズを吸収するために再度配置され、次に、（核酸及び溶離液を含む）第４の混合物の残留物が、液体一時貯蔵領域１７０まで移され、さらに、回転弁１３０を再度回転させて、反応容器１５３、流路１３５、及び液体一時貯蔵領域１７０と連通させる。回転弁１３０の半閉鎖された突出部１３７によって形成された開口部１３７ａは、この時点で、気体トンネル１０３及び気体孔１０４を介して反応容器１５３と連通しており、気体トンネル１０３は循環のために自由であるため、（核酸及び溶離液を含む）第４の混合物の残留物を、液体一時貯蔵領域１７０から反応容器１５３に注入することができるということに留意されたい。一方で、反応が反応容器１５３内で行われる間に、回転弁１３０を回転させて、反応容器１５３内に延びるピペット１０２及び気体孔１０４を流路１３５及び開口部１３７ａと整列しないようにし、それによって、流体トンネル１０１及び気体トンネル１０３を遮断する。

加えて、本開示の分析カートリッジ３００は、１つ以上の核酸増幅反応を同時に実行するのを可能にし、適切な体積の第４の混合物の残留物を２つ以上の反応容器１５３に分注することができる。次に、第４の混合物の残留物に含有される核酸が、プライマー対及び／又はプローブ、デオキシヌクレオシド三リン酸、及びポリメラーゼの存在下で、外部機器（図面には示されていない）によって増幅され、外部機器は、さらに、増幅された核酸の信号を検出することによって、特定の細菌株を有する試料かどうかを特定することができる。

上述の実施形態では、試料内の細胞は、試薬容器１５１内に配置された溶解バッファー、及び流路１３５間で往復して課される物理的な力によって破裂又は開放され、さらに、試料及び溶解バッファーは混合されて第１の混合物を形成し、次にこれは、抽出容器１５７内の磁気ビーズとさらに混合されて核酸－磁気ビーズ複合体を形成する。別の改善された実施形態では、試料及び溶解バッファーを個々に抽出容器１５７まで移し、磁気ビーズと混合して、第２の混合物を形成してもよい。或いは、試料をまず溶解バッファーと混合して、直ちに抽出容器１５７まで移し、それによって、磁気ビーズと混合して第２の混合物を形成してもよい。次に、混合プロセスの間に、第２の混合物内の細胞が物理的な力及び溶解バッファーによって破裂又は開放されるだけでなく、細胞から放出された核酸が磁気ビーズによって捕捉され、これが、核酸抽出のための時間を有意に短縮し得るように、第２の混合物は、流体トンネル１０１、流路１３５、及び液体一時貯蔵領域１７０間を往復して流れることができる。

これらの配置を介して、本開示の第１の実施形態による分析カートリッジ３００が提供される。本実施形態によると、回転弁１３０は、分析カートリッジ３００内に回転可能に配置され、外部のモータが、分析カートリッジ３００内の回転弁１３０と連結されて、任意の向きまで回転させるように回転弁１３０を駆動するため、容器１５０の各々に配置された試料、試薬、及び反応物質等の様々な流体を、容器１５０間で自由に移し且つ混合し、最終的に、反応を実行するために反応容器１５３まで移すことができる。回転弁１３０は、その上に配置された流路１３５と開口部１３７ａとを含む。試料、試薬、及び反応物質が回転弁１３０を介して吸い出される間に、流体の移送を容易にするように、回転弁１３０を回転させて、その上に配置された流路１３５及び開口部１３７ａを、容器１５０内に入るピペット１０２及び気体孔１０４とそれぞれ整列させる。一方で、核酸抽出、核酸増幅、細胞破裂、又は細胞開放反応等の反応が容器１５０内で実行される間に、回転弁１３０を回転させて、その上の突出部１３７が、容器１５０内に入るピペット１０２及び気体孔１０４を直接覆うようにし、それによって、容器１５０が気密状態になるように行って、汚染を防ぎ且つ反応を容易にするのを可能にしている。そのような配置で、本実施形態の分析カートリッジ３００は、サンプルインリザルトアウトの自動検査プロセスを提供するのを可能にし、それによって、日常実験室の限界及び不十分な効果を改善し、検査の効率及び感度を向上させている。

本開示の分析カートリッジが上述のタイプに限定されず、他の例又は異形を含み得ることも当業者は十分に理解するはずである。例えば、上述の実施形態において、試料は化学的に処理されるため、細胞を破裂又は開放させるための試薬を有する試薬容器１５１が分析カートリッジ３００内に配置されてもよい。しかし、別の実施形態では、レーザー又は超音波法等の他の方法を介して細胞を破裂又は開放させることもでき、レーザー又は超音波の細胞破裂を行うための装置を、さらに分析カートリッジ内に配置し、光学レンズと共に使用することができる。例えば、図６において示されているように、レーザーダイオード２１０をさらに提供することができ、レーザーダイオード２１０から発せられた短パルスレーザービーム２１１が、（受光レンズ２１２ａ及び集束レンズ２１２ｂを含む）光学レンズセット２００を通過することができ、焦点２１３上に集束される。次に、液体一時貯蔵領域１７０と、回転弁１３０の流路１３５と、流体トンネル１０１と、ピペット１０２と、容器１５１との間を流れる生体材料を、焦点２１３を通過するときに短パルスレーザービーム２１１によって照射することができ、生体材料内の細胞２２０を破裂又は開放させて、核酸を放出することができる。しかし、別の実施形態では、レーザーダイオード又は光学レンズセット等を分析カートリッジ内に配置することもでき、又は、光学レンズセットを分析カートリッジ内に配置し、レーザーダイオードを、例えば、分析カートリッジを収容するための機器（図面には示されていない）の上にさらに提供してもよい。

以下の記載は、分析カートリッジの異なる実施形態を詳細に説明し、以下の記載は、異なる実施形態間の相違点を詳細に説明し、同一の特徴は、重複して記載されない。実施形態間の相違を容易に比較するために、以下の実施形態の各々における同一の構成要素は、同一のシンボルでマークされる。

本開示の第２の実施形態による分析カートリッジ５００を例示している図７～１０を参照されたい。図７は、分析カートリッジ５００の概略分解図であり、図８は、分析カートリッジ５００の概略上面図であり、残りは、分析カートリッジ５００の詳細な構成要素の概略立体図又は概略断面図である。図７及び図８において示されているように、分析カートリッジ５００も、第１のカバー４００、第２のカバー４１０、シール形成層４８０、及び回転弁４７０を含み、第１のカバー４００及び第２のカバー４１０は、それらの間に収容空間４６０を共に画定するように、組み立てる前には互いに別々になっている。本実施形態における分析カートリッジ５００の構造、材料選択、及び組み立て方法は全て、第１の実施形態における分析カートリッジ３００の構造、材料選択、及び組み立て方法と実質的に同じであり、以下において重複して記載されない。本実施形態と第１の実施形態との相違点は、第３のカバー４３０が第１のカバー４００と第２のカバー４１０との間にさらに配置され、回転弁４７０が第３のカバー４３０の上及び第１のカバー４００と第２のカバー４１０との間の収容空間４６０内に回転可能に配置されることにある。（図８において示されているように）第１のカバー４００と第３のカバー４３０との間で回転弁４７０を挟むように、第１のカバー４００、第３のカバー４３０、及び第２のカバー４１０は、熱融解法又は超音波法を介して組み立てられ、それによって、分析カートリッジ５００の信頼性及び可鍛性を改善している。

正確に言えば、第１のカバー４００及び第２のカバー４１０も、図７～８において示されているようなアーチ形状等、相互に対応する輪郭を含むが、これに限定されない。第１のカバー４００は、その上に配置された複数の流体トンネル４０１及び複数の気体トンネル４０３をさらに含み、流体トンネル４０１の各々及び気体トンネル４０３の各々は、例えば、方向Ｄ１に平行な任意の方向において水平方向に延びて、流体又はガスの循環のために、ピペット４０２又は気体孔４０４に接続している。一方で、第２のカバー４１０は、その上に配置された複数のスルーホール４１１をさらに含み、スルーホール４１１は、複数の容器４５０を収容するために第２のカバー４１０を貫通してもよい。本実施形態では、各容器４５０及び各スルーホール４１１のサイズ（例えば、容器４５０及びスルーホール４１１の直径又は開口部等）は均一であるけれども、実用的な構成はこれに限定されない。別の実施形態では、スルーホール及び容器の構成はまた、任意的に、第１の実施形態におけるスルーホール１１１、１１３、１１５及び容器１５１、１５３、１５５を参照するように、様々なサイズを含んでもよい。容器４５０は、例えば、複数の試薬容器４５１、少なくとも１つの反応容器４５３、及び少なくとも１つの試料容器４５５を含み、試薬容器４５１の各々は、洗浄試薬、緩衝液、溶離液、又は溶解バッファー等を収容することができ、少なくとも１つの反応容器４５３は、反応を行うために様々な酵素又は反応物質（プライマー又はプローブ等）を収容することができ、少なくとも１つの試料容器４５５は、核酸抽出及び核酸増幅を行うために、細菌、細胞、若しくはウイルス等の様々な試料、又は細菌、細胞、若しくはウイルスを有する疑いのある試料を収容することができる。また、容器４５０は、複数の磁気ビーズ（図面には示されていない）をその中に配置させた抽出容器４５７をさらに含んでもよく、磁気ビーズは、検査開始時に精製のために検査試料と組み合わされてもよい。加えて、第１のカバー４００、第２のカバー４１０、及び他の構成要素（流体トンネル４０１、ピペット４０２、気体トンネル４０３、気体孔４０４、容器４５０、及び第１のカバー４００の表面上に取り付けられる平らなフィルム材料等）の詳細な特徴（材料選択、構造、又は配置等）は全て、第１の実施形態における特徴と実質的に同じであり、以下において重複して記載されないことに留意されたい。

第１のカバー４００、第３のカバー４３０、及び第２のカバー４１０と組み合わされた後の回転弁４７０の気密性を改善するために、本実施形態の回転弁４７０も、硬質材料と組み合わされた軟質材料から成る。図９において示されているように、回転弁４７０は、上から下に積み重ねられた第１の部分４７１及び第２の部分４７３を含み、第２の部分４７３は、例えば、第１の部分４７１とは異なる剛性材料を含む。第１の部分４７１及び第２の部分４７３の具体的な材料は、第１の実施形態における第１の部分１３１及び第２の部分１３３の材料と実質的に同じであり、以下において重複して記載されない。第１の部分４７１は、流路４７５及び開口４７７ａを形成するように、第１の部分４７１の上面を取り囲む突出部４７７をさらに含み、回転弁４７０の第２の部分４７３は、係合部４７３ａを含む。このようにして、分析カートリッジ５００が組み立てられた後で、回転弁４７０の第１の部分４７１はまた、第１のカバー４００に取り付けられてもよく、回転弁４７０の第２の部分４７３は、スルーホール４１３内に突き出て、それによって、気密な組み立て様式を達成することができる。そのような配置で、回転弁４７０の第２の部分４７３の係合部４７３ａは、モータ（図面には示されていない）に外部で接続することができ、モータは、分析カートリッジ５００内の回転弁４７０を回転させるように駆動及び制御している。

本実施形態と上述の実施形態との相違点は、主に、回転弁４７０の被覆領域が上述の実施形態における回転弁１３０の被覆領域よりも大きいことにある。例えば、図８において示されている上面図を観察すると、回転弁４７０は、下に配置された容器４５０の一部を部分的に覆ってもよく、比較すると、上述の実施形態における回転弁１３０は、（図２において示されているように）いかなる容器１５０も覆わない。図７及び図１０も参照されたい。回転弁４７０は、第３のカバー４３０のベース４３１の上に配置され、ベース４３１の被覆領域も、容器４５０の一部を部分的に覆ってもよい。さらに、複数のピペット４３３がベース４３１の下に配置され、各ピペット４３３は、下にある各容器４５０と整列している。分析カートリッジ５００が組み立てられる間に、ピペット４３３の各々は、各容器４５０上のフィルム４５２を貫通して各容器４５０内に延びてもよい。正確に言えば、ピペット４３３の各々は、第３のカバー４３０から下方に延び且つ第３のカバー４３０の表面から突き出る中空構造を含む。本実施形態では、図１０において示されているように、各ピペット４３３の底部は平面として例示されているけれども、実用的な構成は、これに限定されない。別の実施形態において、ピペットは、液体を吸い込むときにピペット内に留めることが容易であるという問題を改善するように、ピペットの底部は、上述の実施形態のピペット１０２を参照するように傾斜した側壁を含んでもよい。

一方で、回転弁４７０の拡大された被覆領域によって、回転弁４７０の上に配置された流路４７５も、それに応じて、より多くの流体を収容するように、より大きな体積を有してもよい。流路４７５は、図９において示されているようにスピンドル形状等の任意の適した形状を含んでもよいが、これに限定されない。回転弁４７０は、（図９～１０において示されているように）その上に配置された垂直チャネル４７２をさらに含み、垂直チャネル４７２は、回転弁４７０の第１の部分４７１及び第２の部分４７３を貫通して流路４７５と連通しているということに留意されたい。そのような配置で、垂直チャネル４７２は、回転弁４７０の回転によって、順番にピペット４３３の各々と接続することが可能である。次に、回転弁４７０が、その係合部４７３ａを介してポンプ（図面には示されていない）と外部で接続されている間に、各容器４５０内の様々な試薬が、ポンプによって供給される正圧又は負圧を介して吸い出され、放出され、又は移されてもよい。さらに、本実施形態では、回転弁４７０の第１の部分４７１は、空気孔４７９ａの周囲に配置された突出リング４７９をさらに含む。回転弁４７０がポンプの補助を介して様々な試薬を吸い出す、放出する、又は移すために使用される間に、回転弁４７０の上に配置された空気孔４７９ａを、第１のカバー４００の上にさらに配置された空気ガイドチャネル４０５を介してベント４０６に接続することができるため、様々な試薬を、よどみなく吸い出す、放出する、又は移すことができる。

これらの配置を介して、本開示における第２の実施形態の分析カートリッジ５００が提供される。分析カートリッジ５００も、分析カートリッジ５００内に配置された回転弁４７０を使用することによって、容器４５０内の試料、試薬、及び反応物質等の様々な流体を自由に移送及び混合して、最終的に反応容器４５３内で検出反応を実行することができる。このようにして、分析カートリッジ５００は、サンプルインリザルトアウトの自動検査プロセスを効果的に提供することができる。本実施形態では、回転弁４７０の被覆領域が拡大されるため、回転弁４７０が、下にある容器４５０を部分的に覆うのが可能であってもよく、回転弁４７０の流路４７５も、対応して拡大された体積を有してもよい。従って、外部のモータが、回転弁４７０を回転させるように駆動するために、分析カートリッジ５００内に配置された回転弁４７０と連結されている間に、回転弁４７０の上に配置された垂直チャネル４７２は、容器４５０内に入るピペット４３３と直接整列及び連通されてもよく、流体を、流路４７５内に吸い出し、一時的に貯蔵することができる。従って、流体循環経路を短くすることができ、流体が吸い出され、放出され、又は移されるのに要する時間も、大幅に減らすことができる。また、これらの配置で、本実施形態における分析カートリッジ５００は、簡略化された構成要素の構成も得ることができ、この構成では、上述の実施形態の液体一時貯蔵領域１７０を省くことができるだけでなく、第１のカバー４００の上に配置された流体トンネル４０１及び／又は気体トンネル４０３の特定の数を劇的に減らすこともできる。従って、上述の実施形態における分析カートリッジ３００と比較して、分析カートリッジ５００は、従って、検査製品の実用的な要件を満たすように、より最適化された検査効率及びより簡略化された構成を得ることができる。

要約すると、本開示は、熱融解法又は超音波法を介して２つ以上のカバーによって組み立てられる分析カートリッジを提供する。分析カートリッジは、その中に回転可能に配置された回転弁を含み、回転弁は、外部のモータと連結されることによって回転されて、「容器－流体トンネル－回転弁上の流路－流体トンネル－容器」の経路、「容器－流体トンネル－回転弁上の流路－液体一時貯蔵領域－流体トンネル－容器」の経路、又は「容器－回転弁上の垂直チャネル－回転弁上の流路－容器」の経路のような流体循環経路を形成する。従って、分析カートリッジにおける各容器内の様々な試薬を、ポンプによって供給される正圧又は負圧を介して、首尾よく吸い出し、放出し、移し、さらに混合して、最終的に、反応容器内で、核酸増幅、プローブ結合反応、又は酵素結合反応等、所定の検出反応を実行することができる。従って、本開示の分析カートリッジは、サンプルインリザルトアウトの自動検査プロセスを達成することができる。さらに、分析カートリッジは、核酸抽出及び核酸検査において使用され得るだけでなく、実用的な要件に基づき他の検査分野においてもさらに使用され得ることを当業者は十分に理解するはずである。例えば、他の実施形態において、本開示の分析カートリッジを、タンパク質試料抽出及び酵素免疫反応においても使用することができる。

本発明の教示を保持しつつ、装置及び方法の多くの修正及び変更を行うことができるということを当業者は容易に理解するであろう。従って、上記の開示は、添付の特許請求の範囲の境界によってのみ限定されると解釈されるべきである。

Claims (18)

1. 対向する２つの表面を有する第１のカバーであって、前記第１のカバーの上に複数の流体トンネル及び複数の気体トンネルが配置された、第１のカバーと、
   前記第１のカバーに取り付けられた第２のカバーであって、対向する２つの表面、並びに、その上に配置された複数の第１のスルーホール及び１つの第２のスルーホールを含み、前記第１のスルーホール及び前記第２のスルーホールは個々に、前記２つの表面を貫通している、第２のカバーと、
   前記第１のカバーと前記第２のカバーとの間に挟まれた複数の容器であって、個々に前記第１のスルーホールと整列している、複数の容器と、
   前記流体トンネルに接続された複数のピペットであって、前記第１のカバーの第１の表面から下方に延びて、前記第１のカバーの第２の表面から突き出て、前記第２のカバーの前記第１のスルーホールと整列する、複数のピペットと、
   前記気体トンネルに接続された複数の気体孔であって、前記第１のカバーの前記第１の表面から下方に延びて、前記第１のカバーの前記第２の表面から突き出て、前記第２のカバーの前記第１のスルーホールと整列する、複数の気体孔と、
   前記第１のカバーと前記第２のカバーとの間に回転可能に配置されて、前記第２のスルーホールと整列している回転弁であって、特定の向きに回転させることにより、前記流体トンネル及び前記気体トンネルに順次接続されるように制御される回転弁と、
   を含む分析カートリッジ。
2. 前記回転弁は、異なる材料の第１の部分及び第２の部分を含み、前記第１の部分及び前記第２の部分は上から下に積み重ねられる、請求項１に記載の分析カートリッジ。
3. 前記回転弁の前記第１の部分は、前記第１のカバーの前記第２の表面に取り付けられ、前記回転弁の前記第２の部分は、前記第２のスルーホールに取り付けられる、請求項２に記載の分析カートリッジ。
4. 前記回転弁の前記第１の部分は突出部を含み、前記突出部には、前記気体孔に順次接続される開口部が形成される、請求項２に記載の分析カートリッジ。
5. 前記回転弁の前記第２の部分は、その上に配置された係合部を含み、前記係合部は、前記第２のスルーホールから突き出ている、請求項２に記載の分析カートリッジ。
6. 前記回転弁は、前記流体トンネルに順次接続するためにその上に配置された流路を含み、前記流路は、スピンドル形状又は直線形状を含む、請求項１に記載の分析カートリッジ。
7. 前記流路は、前記第１のカバーの上に配置された液体一時貯蔵領域にさらに接続する、請求項６に記載の分析カートリッジ。
8. 前記流路は、前記流体トンネルを介して前記容器に接続され、前記流体トンネルは、水平方向に沿って前記第１のカバーの上に配置されている、請求項６に記載の分析カートリッジ。
9. 前記流路は、前記回転弁の上に配置された垂直チャネルを介して前記容器に接続されている、請求項６に記載の分析カートリッジ。
10. 前記ピペットは、その底部において傾斜した側壁を含む、請求項１に記載の分析カートリッジ。
11. 前記第１のカバーと前記第２のカバーとの間に挟まれた第３のカバーをさらに含み、前記回転弁は、前記第３のカバーの上に配置されている、請求項１に記載の分析カートリッジ。
12. 前記容器は、少なくとも１つの試料容器、少なくとも１つの反応容器、及び少なくとも１つの試薬容器を含む、請求項１に記載の分析カートリッジ。
13. 前記容器の各々は、少なくとも前記容器の各々の底に配置された傾斜部分を含む、請求項１に記載の分析カートリッジ。
14. 前記傾斜部分は、傾斜した側壁を含む、請求項１３に記載の分析カートリッジ。
15. 前記容器の各々は、本体、及び前記本体を密封するためのフィルムをさらに含む、請求項１に記載の分析カートリッジ。
16. 前記試料容器は、細菌、細胞、又はウイルスを収容する、請求項１２に記載の分析カートリッジ。
17. 前記試薬容器は、洗浄試薬、洗浄液、溶解液又はそれらの組み合わせを収容する、請求項１２に記載の分析カートリッジ。
18. 前記試薬容器は、酵素又は反応物質を収容する、請求項１２に記載の分析カートリッジ。