JP7403882B2 - 分析物検知システム、及び分析物検知システムのカートリッジ - Google Patents

分析物検知システム、及び分析物検知システムのカートリッジ Download PDF

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Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１９年１２月２４日付で出願された米国仮特許出願第６２／９５３，２１６号の利益を主張し、その開示は引用することにより本明細書の一部をなす。
本開示は、包括的には、微量分析検知システムに関し、より詳細には、対象物体の存在又は量を測定するサンプルインターフェースとしてセンサーカートリッジを使用する検知システムに関する。
ポイントオブケア（ＰＯＣ）技術が成熟すれば、十中八九、現代のヘルスケア分野を揺るがす新たな変革の波が巻き起こることになる。例えば、ＰＯＣ装置の幅が多様な用途に益々広くなることで、医療リソースの脱集中化が容易になり、柔軟性の増大も可能になる。様々な技術分野の統合が進むにつれて、現代のヘルスケア装置及び適用は、予測可能性、信頼性、迅速性、可搬性、及びコスト効率という多面的な目標に着実に近づいている。例えば、小型化した形状及び形態の容易にアクセス可能なグルコース計により、肥満症患者が自宅に居ながらにして自分の健康状態をリアルタイムで正確にモニタリングすることが可能になり、これにより、集中化した医療施設における利用可能な医療リソースを節約しながら、患者の貴重な時間及びエネルギーが節減される。
ＰＯＣ用途のフォームファクターが小さいバイオセンサーは有益さを増しているものの、実際上の信頼性がありながら手頃なセンサー装置の設計及び製造には課題が常につきまとう。一つには、多くの場所で個々のマイクロ電子装置製造の改善に研究努力を注いでいるものの、センサーパッケージ部品の全体設計が、製造の実現性及び装置の信頼性に関して等しく重要であることを理解されたい。
したがって、本開示の１つの態様は、検知装置であって、基板の実装面の上に配設される活性表面を備えるチップ部材であって、活性表面は第１のサンプリング領域を画定する、チップ部材と、第２のサンプリング領域を画定する捕捉表面を備える電極部材とを備え、チップ部材の活性表面は、電極部材の捕捉表面から投影方向にオフセットして配置され、第１のサンプリング領域と第２のサンプリング領域との比は、１よりも実質的に小さい、検知装置と、検知装置にわたって配置されるとともに、流体を活性表面及び捕捉表面に移送するように構成されるマイクロチャネル構造とを備える、センサーカートリッジを提供する。
本開示の上記特徴を詳細に理解することができるように、上で簡潔に要約した本開示のより詳細な説明を、複数あるうちの幾つかが添付の図面に示される実施形態を参照することによって得ることができる。ただし、添付の図面は、本開示の典型的な実施形態のみを示しており、したがって、本開示は他の等しく有効な実施形態を認め得るため、本開示の範囲を制限するものと解釈すべきではないことに留意されたい。
本開示の幾つかの実施形態に係る検知システムの概略適用図である。 本開示の幾つかの実施形態に係る検知システムの構成要素を示す図である。 本開示の幾つかの実施形態に係る検知システムの構成要素を示す図である。 本開示の幾つかの実施形態に係る検知システムのセンサーカートリッジの斜視外面図である。 本開示の幾つかの実施形態に係るセンサーカートリッジの分解図である。 本開示の幾つかの実施形態に係るセンサーカートリッジの分解図である。 本開示の幾つかの実施形態に係るセンサーカートリッジの例示的な構成要素の分解部分透視図である。 本開示の幾つかの実施形態に係るセンサーカートリッジの断面図である。 本開示の幾つかの実施形態に係るセンサーカートリッジの平面レイアウト図である。 本開示の幾つかの実施形態に係るセンサーカートリッジの２つの機能領域に選択的に焦点を当てた概略平面図である。 本開示の幾つかの実施形態に係る線ＡＡ’に沿ったセンサーカートリッジの断面図である。 本開示の幾つかの実施形態に係る別のセンサーカートリッジの断面図である。 本開示の幾つかの実施形態に係るセンサーカートリッジの活性チャンバーを示す断面図である。 本開示の幾つかの実施形態に係るセンサーカートリッジのマイクロ流体チャネル構造における懸架セクションの斜視図である。 本開示の幾つかの実施形態に係るセンサーカートリッジの反応チャンバーを示す断面図である。 本開示の幾つかの実施形態に係るセンサーカートリッジの流路における例示的なサンプル相互作用を示す図である。 本開示の幾つかの実施形態に係るセンサーカートリッジの流路における例示的なサンプル相互作用を示す図である。 本開示の幾つかの実施形態に係るセンサーカートリッジの流路における例示的なサンプル相互作用を示す図である。
以下、本開示の例示的な実施形態を示す添付の図面を参照しながら、本開示についてより十分に説明する。ただし、本開示は、多くの異なる形態で具現化することができ、本明細書に記載の例示的な実施形態に限定されるものと解釈すべきではない。むしろ、これらの例示的な実施形態は、本開示が万全となり、当業者に本開示の範囲を十分に伝えるために提供される。同様の参照符号は全体を通して同様の要素を参照する。
本明細書において使用する用語は、特定の例示的な実施形態を説明する目的でしかなく、本開示を限定する意図はない。本明細書において使用する場合、数量を指定しない用語は、別段の指示がない限り、複数形も含むように意図される。「含む、備える、有する（"comprises" and/or "comprising," or "includes" and/or "including" or "has" and/or "having"）」という用語は、本明細書において使用する場合、述べた特徴、領域、整数、ステップ、動作、要素、及び／又は構成要素の存在を指定するが、１つ以上の他の特徴、領域、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、及び／又はそれらの群の存在若しくは追加を排除するものではないことが更に理解されるであろう。
別段の定義がない限り、本明細書において使用する全ての用語（技術用語及び科学用語を含む）は、本開示が属する分野の当業者が一般的に理解するのと同じ意味を有する。一般的に使用される辞書に定義される用語等の用語は、関連する分野及び本開示の文脈の意味と整合する意味を有するものとして解釈すべきであり、本明細書に明確な定義がない限り、理想化した又は過度に形式的な意味で解釈されないことが更に理解されるであろう。
図１は、本開示の幾つかの実施形態に係る検知システムの概略適用図を示す。
図の上部から、サンプル採取プロセスが行われる。サンプル採取プロセスは、公共のヘルスケア施設において行われる場合もあれば、個人宅、例えば患者の家に居ながらにして行われる場合もある。サンプル収集プロセスは、侵襲技法、例えば採血、又は、非侵襲技法、例えば咽喉拭い、唾液採取若しくは尿採取を伴う場合がある。
適用プロセスは次に時計回りに進んで、サンプル投入段階に移る。サンプル投入段階では、採取したサンプル（例えば、生物流体のサンプル）を、バイオセンサーシステムのサンプルインターフェース部品（例えば、センサーカートリッジ）に提供する。バイオセンサーシステムのサンプルインターフェース部品は、サンプル体液をサンプル取込みポートから内部に収容された埋込みセンサー部品に案内するように構成された生物流体チャネル構造を組み込むことができる。センサー装置の設計者としては、サイズの小さいサンプルから生理学的情報を、信頼性を伴って抽出できるように十分な感度をバイオセンサーに付与することが今も目標である。
本プロセスは、図面の下部の読出し段階に移る。読出し段階では、検出結果の抽出のためにサンプルインターフェース部品をバイオセンサーシステムの読出し装置に結合（例えば、挿入）する。使用する検出の原理に応じて、バイオセンサーシステムの読出し装置は、通常、より大きいサイズ及び複雑度を有する。例えば、光学ベースのバイオセンサーには、通常、多量（thirsty）電力消費定格を有する大型の読出し機器が必要となる。振動ベースのバイオセンサー（例えば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、水晶振動子マイクロバランス法（ＱＣＭ））には、精妙な防振機構が必要となるため、携行式の応用には適さない。それに比して、現代のマイクロ電子センサー部品を組み込むバイオセンサーは、マイクロ／ナノ製造技術の継続的な進歩による利益を受けており、バイオセンサーシステムのサンプルインターフェース部品だけでなく、読出し装置自体のフォームファクターの低減が可能になる。幾つかの応用において、バイオセンサーシステムの読出し装置は、図面に示すように携行式ユニットに統合される。
サンプル診断プロセスは次に結果生成段階に進む。マイクロ電子センサー部品が精妙になったことで、検出精度が改善して実際上の応用要件を満たすようになり、結果応答時間が（例えば、時間に関して）大幅に削減された。さらに、マイクロ／ナノ製造技術の進歩により、サンプルインターフェース部品の予測可能且つ信頼性あるバッチ生産が可能になり、したがってユニットコストを削減する一助となり、使い捨てセンサー部品が実現可能な現実となる。センサー使用が使い捨て且つ動的であることにより、診断プロセスは、実際上の応用の必要に応じて比較的問題なく繰り返すことができる。
図２Ａ及び図２Ｂを同時に参照する。図２Ａ及び図２Ｂは、本開示の幾つかの実施形態に係る検知システムの構成要素を示す。一つには、図２Ａは、例示的なバイオセンサーシステムのハードウェア部品を示し、一方、図２Ｂは、本開示の幾つかの実施形態に係る検知システムの例示的な機能部品の概略ブロック図を示す。
例示的な検知システムは、センサーカートリッジ１０及び読出し装置２０を備える。幾つかの実施形態において、センサーカートリッジ１０は、抽出された生理学的流体サンプルを受け取るように構成されるサンプルインターフェースとして機能する。センサーカートリッジ１０には、投入されたサンプル流体を受け取り、マイクロ電子センサー部品を備える検知装置１２に案内するように配置されるマイクロチャネル構造１１と、情報抽出のために読出し装置２０にインターフェースするように構成されるＩ／Ｏポート１３とを設けることができる。幾つかの実施形態において、読出し装置２０には、カートリッジ１０のマイクロチャネル構造１１内の流体流を導入するように構成される流体駆動モジュール２１と、カートリッジＩ／Ｏポート１３にインターフェースするＩ／Ｏポート２２と、電子読出し回路を備える読出しモジュール２３と、電力モジュール２４と、検出結果を出力する出力モジュール２５とが設けられる。
幾つかの実施形態において、出力モジュール２５は、検出結果の音声／視覚情報をユーザーが理解できるフォーマットで提示するように構成される表示ユニット２５－１を備える。幾つかの実施形態において、流体駆動モジュール２１は、流体、例えばサンプル流体をマイクロチャネル構造１１内で駆動するように構成されるハードウェア機構を備える。例えば、サンプル流体は、分析物等の対象物体を含むことができ、その存在又は量（例えば、濃度）が判断される。流体駆動モジュール２１は、分析物をカートリッジ検知部品（例えば、装置１２）の検知表面（複数の場合もある）に移送するために、カートリッジ内の流体流を誘導するように配置されるオフカートリッジモーター及び圧送部品を組み込むことができる。オフボードの流体駆動構成により、カートリッジ設計の更なる小型化が可能になり得る。
幾つかの実施形態において、読出しモジュール２３は、対象分析物濃度の変動を検出し、電流、電圧、容量、抵抗等の電気信号に変換するように設計される特定用途向け回路部品を備える。幾つかの実施形態において、電力モジュール２４には、長い動作持続時間のためのＡ／Ｃ電力インターフェース、又は携行性のためのＤ／Ｃ電力源が設けられる。
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、例示的な読出し装置２０には、センサーカートリッジ１０を少なくとも部分的に受け取るように構成される挿入スロット２６が設けられる。センサーカートリッジ１０を読出し装置２０に挿入すると、それぞれのＩ／Ｏポート１３及び２２は信号接続を確立することができるのに対し、流体駆動モジュール２１は、流体流をマイクロチャネル（複数の場合もある）内に誘導する駆動力を及ぼすように、マイクロチャネル構造１１の一部と機械係合を確立することができる。
幾つかの実施形態において、（後のセクションにおいて更に詳細に示すように）、マイクロチャネル構造には、１つ以上のオンボードの流体リザーバー（様々な機能性流体、例えば緩衝液／洗浄流体を密封貯蔵することができる）とともにサンプル取込みポートが設けられる。流体駆動モジュール２１は、マイクロチャネル構造１１に係合して、マイクロチャネル構造１１内に画定される流路内の流体の流れを誘導するように構成されるポンプ（変位ポンプ等）を含むことができる。マイクロチャネル構造１１内の流路の長さ及び流体の流量は、特定の試験手順の適切な持続時間に従って構成することができる。
図３は、本開示の幾つかの実施形態に係る検知システムのセンサーカートリッジの斜視外面図を示す。
例示的なセンサーカートリッジ１０Ｂは、ハウジング１５と、Ｉ／Ｏインターフェース１３Ｂとを備える。幾つかの実施形態において、ハウジング１５は、幾つかのサブ部材の層を備えることができ、これらの層において、マイクロ流体チャネル構造が画定され、マイクロ電子センサー部品が封入される。幾つかの実施形態において、電子センサー部品は基板（例えば、ＰＣＢ）の実装面に設けられ、一方、基板の大部分はハウジング１５内に封入される。基板は、機械的支持と、様々なセンサー部品間の電気的相互接続とを提供する。図示の実施形態において、基板の露出部分（例えば、点線の箱で示す部分）は、Ｉ／Ｏインターフェース１３Ｂを収納するようにハウジングの一端から突出している。
ハウジング１５には、外部からアクセス可能な場所に更なるマイクロチャネル関連部品を設けることができる。例えば、マイクロチャネル構造のサンプル入口にわたって入口キャップ１６が配置され、投入されたサンプル流体の漏れが防止される。さらに、ハウジング１５の上段に１つ以上のオンボード流体リザーバー１１－１を設けて、読出し装置からの流体駆動機構（例えば、駆動モジュール２１）による機械的操作を可能にすることができる。図示の実施形態において、ハウジング１５には、ハウジング１５の長手方向軸に沿って前後に配置される３つのトラフが設けられる。トラフは、所定の体積を有する機能性流体（例えば、緩衝溶液、洗浄流体、反応流体等）を貯蔵するように構成され、ハウジング上面にわたって可撓性膜によってシールされる。オンボード流体リザーバー１１－１の各トラフは、力が及ぼされると貯蔵された流体をハウジング１５内に埋め込まれたマイクロチャネル構造内に駆動することを可能にするように、マイクロチャネル（例えば、トラフの下部中央部分に示すように）によってアクセス可能である。
図４Ａ及び図４Ｂは、本開示の幾つかの実施形態に係る例示的なセンサーカートリッジの分解図を示す。具体的には、図４Ａは、上からの視点（例えば、カートリッジ流体リザーバーの上面の上）で見たカートリッジ部品の分解斜視図を示し、一方、図４Ｂは、下からの視点で見た例示的なセンサーカートリッジの底面を示す。
例示的なセンサーカートリッジは、サンプル取込みポート１１－２及び１つ以上の流体リザーバー１１－１がアクセス可能に配置される上部層部材１５－１と、マイクロ流体トレンチのネットワークが形成される中間層部材１５－２と、必要な電子センサー部品の機械的支持をもたらす基板１９と、基板１９の実装面と中間層部材１５－２との間に嵌められて、サンプル流体を基板１９上のセンサー部品に向かって案内する流体密の下段流路を形成するように構成される下側チャネル層１８と、基板１９の底面に係合するように構成される下層部材１５－３とを備える。
図示の実施形態において、上部層部材１５－１及び中間層部材１５－２は、それらの上面及び底面上にマイクロ流体トレンチパターンが形成される。マイクロトレンチパターンは、上部部材１５－１と中間部材１５－２とを結合すると互いに対して位置合わせすることができ、マイクロチャネル構造の上段を協働して形成することができる。図示の実施形態において、上段チャネル構造（マイクロチャネル構造の一部を構成する）は、サンプル取込みポート１１－２（キャップ部材１６によってシールされるように構成される）と、流体リザーバー（複数の場合もある）１１－１と、取込みポート及びリザーバー（複数の場合もある）の下の相互接続チャネルネットワークとを備える。図示の実施形態において、マイクロ流体チャネル構造は、製造の単純さを維持するために水平部材の幾つかの層から形成される。これは、一体のバルク構造で精妙な多段チャネルネットワークを形成することが、大量生産の実現性の観点から非現実的であり得るからである。図示の実施形態において、上部部材１５－１及び中間部材１５－２は、重量及び材料コストを節減するために実質的に中空の本体によって更に形成される。
幾つかの実施形態において、上部層部材１５－１及び中間層部材１５－２は、比較的剛性のプラスチック材料（複数の場合もある）、例えば、ポリプロピレン、ポリカボネート、及びアクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）から作製される。積層部材（例えば、部材１５－１、１５－２、１５－３）のより硬質なプラスチックにより、剛性の露出表面が、内部カートリッジ部品の構造保護を協働して提供することが可能になり得ることで、更なるハウジング部材が必要なくなる。例えば、本実施形態における例示的なカートリッジは、積層部材（１５－１、１５－２、１５－３）の外面から形成されるハウジング（例えば、図３に示すハウジング１５）を利用するため、体積、重量、及び構造的複雑さを効果的に抑える。
幾つかの実施形態において、マイクロチャネルトレンチの選択部分（例えば、上部部材１５－１と中間部材１５－２との間に形成される部分）には、より良好な流体シール特性を保証するために、更なる流体シール特徴部（例えば、ガスケット１７）を設けることができる。幾つかの実施形態において、ガスケット１７は、チャネルパターンの特定のセグメントに適合するように成形することができる。幾つかの実施形態において、ガスケットは、より軟質の材料（複数の場合もある）、例えば、ゴム及びシリコーンから作製される。
図示の実施形態において、基板１９は、１つ以上のマイクロ／ナノ電子部品を収納する実装表面（例えば、下側チャネル層１８の方を向く表面）を有する。電子部品は、バイオセンサー部品が統合された半導体ベースのマイクロチップを含むことができる。バイオセンサー部品は、特殊なタイプの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、例えばイオン検知電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）又は拡張型ゲート電界効果トランジスタ（ＥＧＦＥＴ）を含むことができる。バイオセンサーチップは、ワイヤボンディング又はフリップチップ配置等の適切な表面実装技法を通じて基板１９の実装表面の上に配設することができる。マイクロチップの検知表面（例えば、第１のサンプリング表面）は、下側チャネル層１８を向くように上向きに配置されることにより、統合された電子センサー部品が流体アクセスを得ることが可能になる。
基板１９は、プリント回路基板（ＰＣＢ）、例えば、単層ＰＣＢ、二層ＰＣＢ、多層ＰＣＢ、剛性ＰＣＢ、可撓性ＰＣＢ、剛性－可撓性ＰＣＢ、高周波数ＰＣＢ、アルミニウムで裏当てしたＰＣＢを含むことができる。図示の実施形態において、基板１９にはノッチ（電極接点１９－１が配置される）が設けられる。図示の実施形態において、ノッチは、低プロファイル構成の電極部材３１（第２のサンプリング表面が形成される）を収容するために設けられる。電極部材３１は、ＥＧＦＥＴ応用においては拡張ゲートとして構成することもできるし、ＩＳＦＥＴ応用においては基準電極として構成することもできる。このような低プロファイル構成において、ノッチの縁部領域において電極接点１９－１が設けられ、オンボードセンサー部品と電極部材３１との間の電気的接続が可能になる。とは言え、幾つかの実施形態において、電極部材を代わりに基板の実装表面の上に設けてもよい（例えば、ノッチプロファイルを有しない基板の実装面の上にめっき導電性領域として形成してもよい）。
図示の実施形態において、下側チャネル層１８は、基板１９の実装表面との直接接触を確立するように構成される。幾つかの実施形態において、下側チャネル層１８は、比較的低いヤング率を有する（すなわち、上部層部材１５－１／中間層部材１５－２よりも軟質な）エラストマー材料から形成される。下側チャネル層１８には、基板１９の実装面にわたって組み付けするとマイクロ流体チャネル構造の下段を形成するマイクロトレンチパターンが設けられる。下段チャネル構造は、電極部材３１の検知表面又は基板１９上のマイクロセンサーチップにわたってサンプル／機能性流体を案内するように構成される。幾つかの実施形態において、下段チャネル構造は、電極部材３１のサンプリング表面及びオンボードセンサーチップ（明示的に符号は付けていない）にわたって、最終的に廃棄物収集区画（明示的に符号は付けていない）に向かってサンプル流体を順次案内するように配置される。（例えば、それぞれマイクロチップ及び電極部材の）第１のサンプリング表面及び第２のサンプリング表面にわたる流れの連続順序は、下段チャネル構造が第１のサンプリング表面及び第２のサンプリング表面を所定の平面分離において投影方向のオフセットを維持することを可能にする限り、図面に示す順序に限定する必要はない。幾つかの実施形態において、マイクロセンサー装置と電極部材３１との間の側方分離は０．１ｍｍ以上である。
この実施形態において図示するように、より軟質な材料から作製される構造的に分離可能な下側チャネル層１８により、基板１９の実装表面にわたって向上した流体シール能力を提供することができる。さらに、装置をパッケージングする観点から、下側チャネル層１８の独立設計により、製造公差に関してより高度な実際上の柔軟性が可能になる。例として、分離可能な下側チャネル層１８は、カートリッジのパッケージ部品間のヘテロ界面により良好な流体シールを提供しながら、様々な表面実装部品の高さ変動により良好に対応することができ、これにより、センサー装置の動作信頼性を保証するとともに貯蔵寿命を長くする。
図示の実施形態において、下側チャネル層１８、基板１９、及び電極部材３１は、中間層部材１５－２と下部層部材１５－３との間に配設される。中間層部材１５－２及び下部層部材１５－３は互いに機械的に結合されると、下側チャネル層１８及び基板１９に圧縮力が加えられて間に機械的シールを形成する。一方、コネクタ１９－１に機械力が加えられて、電極部材３１と基板１９との間の電気的結合を確立する。
図５は、本開示の幾つかの実施形態に係る例示的なセンサーカートリッジの部品の分解部分透視図を示す。この部分透視図においては、本来はセンサーカートリッジ部品の様々な構造部材に埋め込まれる例示的なマイクロチャネル構造の配置がより良好に見える。理解しやすいように、図５の例示的なバイオセンサーカートリッジは、同様の部品配置及び同一の要素参照符号を採用している。
この透視図からより良好に分かるように、例示的な上部層部材１５－１には、その一面に流体リザーバー特徴部（例えば、タンク１１－１）及びサンプル取込みポート（例えば、入口１１－２）が設けられるのに対し、対向する面に様々なマイクロチャネルトレンチ特徴部が形成される。同様に、中間層部材１５－２の上向き表面には、上部部材１５－１のトレンチパターンに対応するように一致するマイクロチャネルトレンチ特徴部が設けられる。このようにして、異なる層部材からの半分開いたマイクロチャネルトレンチ特徴部は、パッケージ部品の結合時に囲まれたマイクロチャネルネットワークを協働して形成することができる。
図６を同時に参照する。図６は、本開示の幾つかの実施形態に係る例示的なセンサーカートリッジの断面図を示す。この断面図においては、基板のオンボード及びオフボードセンサー部品（例えば、オンボードセンサーチップ３２及びオフボード電極部材３１）にわたる埋込み多段マイクロチャネル構造がより良好に視覚化されている。
マイクロチャネルネットワークの上段（例えば、図６の点線の箱で囲まれたチャネル構造の上側部分）は、組付け時に上部層部材に／その間に（例えば、層部材１５－１、１５－２）に形成することができる。これらの図面に示す例示的なマイクロチャネル配置は主に例示目的であり、実際のチャネルネットワークレイアウトを特定用途の要件に合わせて別様に設計してもよいことに留意されたい。
層部材間の結合は、流体シール機構、例えば、耐水接着剤又はテープを通じて実現することができる。幾つかの実施形態において、チャネルハウジング部品（例えば、層部材１５－１、１５－２）は、同様／同一の材料（例えば、成形熱プラスチック）から作製され、パッケージ部品は、超音波溶接又はレーザー溶接等の低温な永久接合技法を使用して互いに結合される。このような実施形態において、上段チャネル構造（例えば、サンプル入口１１－２、流体リザーバー１１－１、及びその下の鉛直方向／側方に延在する導管を含む）は、実質的に水密式に形成することができる。カートリッジのサブ部材間に観察可能な溶接界面を生成することができる。幾つかの実施形態において、カートリッジのパッケージ部品（例えば、層部材１５－１、１５－２等）は、実質的に中空の構造を有することにより、重量の節減及び材料の節約を可能にすることができる。
同様に、下側チャネル層１８には、パッケージ部品の組付け時にチャネル構造の下段を形成するように設計される、埋込みマイクロ導管特徴部が設けられる。例として、下側チャネル層１８は、より軟質の又はエラストマー材料（例えば、シリコーン）のバルクから作製することができ、その内部には様々なチャンバー及び導管特徴部（例えば、ビア及びトレンチ）が画定される。例えば、電極部材３１のサンプリング表面にわたって第１のチャンバー（例えば、反応チャンバー）を形成することができ、一方、基板１９上のセンサーチップ３２のサンプリング表面にわたって第２のチャンバー（例えば、活性チャンバー）を形成することができる。図６に示す実施形態において、下段チャネル構造は、第２のチャンバーの下流に（例えば、頁の右に）第３のチャンバー（例えば、廃棄物収集チャンバー）を更に備える。
異なる高さ（すなわち、図６に示すような側方断面における隆起）にわたって横断するより狭い幅を有する導管特徴部を、チャンバー間に設けてその間の流体連通を可能にすることができる。図６に示すように、第１のチャンバーと第２のチャンバーとの間のマイクロ導管特徴部は、逆Ｕ字形状の外形を有する。図の視点から、チャンバー間導管特徴部は、長さが等しくない一対のビア（例えば、等しくない鉛直セグメント）と、ビア間に横断する懸架側方セグメントとを含む。例として、マイクロチャネル構造の懸架セクションは、マイクロチャネル構造の中間上流セクション（例えば、電極部材３１にわたるマイクロチャネルのセクション）よりも高いところに配置される。
サンプリング効率の観点から、第１のチャンバー（例えば、電極部材３１の上）と第２のチャンバー（例えば、センサーチップ３２の上）との間の懸架セクションによって作られる、重ならない流線型の流路により、乱流を低減するとともにチャネル間流体圧力を維持することができ、これにより、検知表面にわたるサンプリング効率が増す。一方、パッケージングの側面から、下側チャネル層１８における懸架した高架配置により、例示的なマイクロチャネル構造が、基板１９にわたる／その周りの回路部品間の段差／高さ変動により高度に対応し、これにより、製造公差及び装置の信頼性が増す。
本実施形態において図示するように、電極部材３１の検知表面（下側の点線で示す）は、基板１９の上のセンサーチップ３２の高さよりも低い高さに配置される。そして、高さ変動に対して公差が増すことで、設計柔軟性が増す。一つには、電極部材３１を下側に配置することで、装置全体の厚さを低減することが可能になると同時に、対応する反応チャンバー内に十分なゆとりを維持しながら、より大きな電極サイズ（すなわち、電極部材にわたるより大きな捕捉表面）を利用することが可能になる。
図７は、本開示の幾つかの実施形態に係るセンサーカートリッジの平面レイアウト図を示す。一つには、図７の概略平面図は、組付け時の基板（例えば、ＰＣＢ１９Ｃ）に対する電極部材（例えば、基準電極３１Ｃ）及び下側チャネル層（例えば、部材１８Ｃ）の配置を示す。例えば、この平面図は、図６に示すようなセンサーチップ３２の検知表面にわたって点線で表す水平面からのレイアウトを反映したものであり得る。
例示的なセンサーカートリッジは検知装置を備える。検知装置は、とりわけ、チップ部材３２Ｃ及び電極部材３１Ｃを備える。チップ部材３２Ｃは、基板１９Ｃの実装表面の上に配設することができ、その活性表面（すなわち、マイクロセンサー部品が収納される検知表面）が、下部層部材１８Ｃ内に画定される活性チャンバーに向かって上向きに配置される。活性表面は、様々なマイクロ電子装置の部品、例えば、生物検知ＦＥＴのソース領域及びドレイン領域を含むことができる。１つ以上のマイクロ（又は更にはナノ）検知要素を活性表面の上に設けることができる。幾つかの実施形態において、検出感度／精度を改善するために、複数のマイクロセンサー要素のアレイが設けられる（図８に示すように）。マイクロチャネル構造に対して露出した活性表面の領域（例えば、下側チャネル層１８Ｃ内に画定される活性チャンバーからアクセス可能）は、第１のサンプリング領域を画定する。
図示の実施形態において、電極部材３１Ｃは、ＩＳＦＥＴベースのバイオセンサー装置の基準電極として機能する。電極部材３１Ｃの上向き表面（すなわち、サンプルインターフェース）には特殊な処理、例えば、適切なコーティングが設けられ、その上では、適切な生物検知プローブ（例えば、分析物内の対象物質に特異なリガンド／抗体）を固定化し、これにより、捕捉表面が形成される。マイクロチャネル構造に対して露出した捕捉表面の領域（例えば、電極部材３１Ｃにわたって形成される反応チャンバーからアクセス可能）は、第２のサンプリング領域を画定する。
図示の実施形態において、チップ部材３２Ｃの活性表面は、電極部材３１Ｃの捕捉表面に対して投影方向にオフセットして配置される。チップ部材３２Ｃ及び電極部材３１Ｃの平面オフセットレイアウト（それぞれのサンプリング表面のそれぞれには、個々のサンプリングチャンバーが設けられる）は、パッケージ全体のサイズの小さいフォームファクターを維持しながら、センサー装置の検出精度を増す一助となる。一つには、現代の製造技法により、小型化した電子センサー部品を精妙な集積回路チップ（例えば、チップ部材３２Ｃ）に設けることが可能になる。センサーチップ（例えば、チップ部材３２Ｃ）の小さいサイズは、センサー装置内においてより小さい収容で済むことにより、パッケージング柔軟性が増す。一方、より高い検出精度は、電極部材上でより大きい捕捉界面（すなわち、分析物と接触するより大きい検知表面）を利用することによって得ることができる。構造的に分離された電極部材（例えば、ＥＧＦＥＴベースのセンサーについては拡張ゲートとして機能するように構成することもできるし、ＩＳＦＥＴベースの検知装置については基準電極として機能するように構成することもできる）は、センサーパッケージ内の実際上の実現可能な場所に配置しながら、マイクロセンサーチップにわたって許される検知領域よりも大きいサンプリング領域を有するように設計することができる。
例示的な電極部材３１Ｃは、基板１９Ｃから取外し可能な構造的に分離された配置を利用する。幾つかの実施形態において、活性表面と捕捉表面との間でオフセットされた投影平面は、０．１ｍｍ以上の距離に維持される。図示の実施形態において、独立した電極部材３１Ｃは、基板１９Ｃの一側（例えば、図７に示すような左側）に設けられるノッチプロファイルに配置される。例示的な電極部材３１Ｃには、マイクロチャネル構造から来る分析物とともに、延びたサンプルインターフェース路を形成しながら幾何学的単純さを維持する、縦長の矩形プロファイルが設けられる。電極部材を基板のノッチ特徴部内にオフボード配置することにより、装置パッケージの厚さ低減が更に容易になり得る。
加えて、下側チャネル層１８が電極部材３１Ｃ及びチップ部材３２Ｃ上にそれぞれのサンプリング表面にわたって流体流路を確立するように構成され、その平面範囲（planar coverage）は、基板の実装表面を越えて（例えば、基板のノッチプロファイルにわたって）延在する。
基板１９Ｃと電極部材３１Ｃとの間の電気結合を可能にするために、基板１９Ｃ上のノッチプロファイルの周縁にコネクタ１９－１Ｃが配設される。さらに、基板１９Ｃの一端（例えば、図７の頁下部を向く端部）に複数の接触パッド３３Ｃが形成されて、センサーカートリッジ（例えば、図１に示すカートリッジ１０）と読出し装置（例えば、図１に示す読出し装置２０）との間の入力／出力インターフェース（例えば、図１に示すＩ／Ｏポート１３）として機能する。幾つかの実施形態において、十分な機械的剛性を有する基板にオンボードＩ／Ｏインターフェースを設けることにより、装置の信頼性及び耐久性を保証しながらパッケージの複雑さを低減する一助となる。
幾つかの実施形態において、第１のサンプリング領域及び第２のサンプリング領域は、実質的に異なる寸法である。幾つかの実施形態において、電極部材３１Ｃの第２のサンプリング領域は、チップ部材３２Ｃの第１のサンプリング領域よりも実質的に大きい。例えば、第１のサンプリング領域と第２のサンプリング領域との比は実質的に１よりも小さい。幾つかの実施形態において、第１のサンプリング領域と第２のサンプリング領域との間の比は、約１×１０－８～約１の範囲内である。
オンボードマイクロチップ（例えば、チップ部材３２Ｃ）は、適切な表面実装技法、例えば、フリップチップ又はワイヤボンディング技法を通じて基板表面の上に設けることができる。図示の実施形態において、例示的なチップ部材３２Ｃは、その４つの縁部のうちの１つ（例えば、図７の頁下部に向かって示す縁部）のみに沿って配置される電気界面（例えば、Ｉ／Ｏパッド）を有するように構成される。図示の実施形態において、電気界面がないチップ部材の複数の側部（又は縁部）は、複数の自由縁部を構成し、複数の自由縁部は、センサーチップに、その上に配置されたマイクロチャネル構造からの向上した流体アクセスを提供する。一方、例示的なチップ部材３２Ｃの底縁部／底側部のみに沿って封止部３４Ｃが配設されて、チップと基板（例えば、パッド及びワイヤ）との間の電気的接続を水分及び機械的応力から保護する。
幾つかの実施形態において、マイクロチャネル構造の廃棄物チャンバー１８－１Ｃ及び排気口１８－２Ｃは、下側チャネル層１８Ｃ内に形成することができる。廃棄物チャンバー１８－１Ｃは、サンプリングチャンバーの下流に配置して示しており、試験手順中にもたらされる余分な物質を集めるように構成される。排気口１８－２Ｃは、マイクロチャネル構造内の圧力を調節するように構成される。
図８は、本開示の幾つかの実施形態に係るセンサーカートリッジの２つの機能領域に選択的に焦点を当てた概略平面図を示す。例えば、図８は、例示的な電極部材３１Ｄ及び例示的なチップ部材３２Ｄのそれぞれのサンプリング表面上のマイクロ検知部品（例えば、人間の裸眼では観測できない）の概略図を提供する。図示の実施形態において、例示的な電極部材３１Ｄには、ベース体３１－１Ｄと、ベース体のチャネルを向く側面（すなわち、図８の頁に見える側面）に配設されるコーティング層３１－２Ｄとが設けられ、捕捉表面が形成される。さらに、図示の実施形態において、電極部材の捕捉表面には、ベース体３１－１Ｄ上のコーティング層３１－２Ｄにわたって固定化された捕捉プローブＰ１のアレイが設けられる。
一つには、電極部材３１Ｄの構造的に独立した設計により、電極部材３１Ｄの体積の大部分をコスト節約のためにより経済的な材料から作製することが可能になる。例えば、例示的な電極部材３１Ｄのベース体３１－１Ｄは、比較的安価な絶縁材料（例えば、ガラス又はプラスチック）から実質的に作製することができ、一方、その検知表面にのみ、十分な厚さの導電性コーティング（例えば、十分に低い表面粗さを有し、プローブ固定化のための高い適合性を提供する金層）が設けられる。ベース体３１－１Ｄに適切な材料は、１０－６ΩＭよりも実質的に大きい抵抗率を有することができる。幾つかの実施形態において、ベース体３１－１Ｄの材料としては、例えば、半導体材料（概して１０－６ΩＭ～１０６ΩＭの範囲の抵抗率を有する）及び誘電材料（概して１０１１ΩＭ～１０１９ΩＭの範囲の抵抗率を有する）のうちの１つ以上を挙げることができる。幾つかの実施形態において、ベース体３１－１Ｄを形成するのに使用される材料は、シリコン基板又はガラス基板を含む。
もう一つには、電極部材の表面改質プロセス（例えばリガンド又は抗体等の生物感知材料の固定化）は温度感度が高い（例えば、従来の半導体デバイスが通常受ける高い処理温度に耐えることができない）ことが多いため、構造的に分離した電極部材３１Ｄにより、電極部材の捕捉表面をより低温の処理環境で基板（例えば、ＰＣＢ１９）又はマイクロセンサーチップ（例えば、チップ部材３２Ｄ）とは独立して準備することが更に可能になる。
感度品質をより高度に実現するために、電極部材の導電性コーティング（例えば、コーティング層３１－２Ｄ）は、表面の滑らかさ及び層の統一性を保証するために適切な薄膜蒸着技法（例えば、電極めっき又はスパッタリング等の物理蒸着）によって形成することができる。幾つかの実施形態において、コーティング層３１－２Ｄの表面粗さは、１０μｍよりも実質的に小さく維持される。幾つかの実施形態において、導電性コーティングのパターンプロファイルの幅は、電極の長さに沿って変動する場合がある。例えば、生物検知プローブが固定化された領域は、コーティングパターンプロファイルのすぐ上流のセグメントよりも大きい幅を与えることができる。
コーティング層３１－２Ｄは、薄箔／膜に配置される１つ以上の適切な導電性材料を含むことができ、これには、例えば、炭素布、炭素ブラシ、炭素棒、炭素メッシュ、炭素ベール、炭素紙、炭素フェルト、粒状活性炭、粒状黒鉛、炭化段ボール、黒鉛膜、網目ガラス状炭素、ステンレス鋼シート、ステンレス鋼メッシュ、ステンレス鋼スクラバー、銀膜、ニッケル膜、銅膜、金膜、及びチタン膜を含むことができる。
図示の実施形態において、検知装置のチップ部材３２Ｄは、センサーアレイ３２－１Ｄ及び接触パッド３２－２Ｄを含む。センサーアレイ３２－１Ｄは、ドーピング領域と酸化物領域とを編み目状に配置した（interweaving）アレイを含むことができ、このアレイにおいて、生物検知要素のソース／ドレイン及びゲート酸化物領域のアレイが画定される。幾つかの実施形態において、生物検知要素は、イオン検知電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）を含み、イオン検知電界効果トランジスタは、サンプル分析物内のイオン濃度の変動を検出することが可能な生物感知マイクロ／ナノ半導体ベースデバイスの一種である。幾つかの実施形態において、オンチップセンサー要素は、拡張ゲートデバイス（ＥＧＦＥＴ）のソース領域及びドレイン領域を含むことができ、拡張ゲートデバイスのゲート部品は、別個の場所に（例えば、電極部材のコーティング層３１－２Ｄの上に）離れて形成される。接触パッド３２－２Ｄは、チップ部材３２Ｄと基板（例えば、基板１９）との間のＩ／Ｏインターフェースとして機能するように設けられる。
この図から明確には観測できないが、流体シール材料（すなわち、組付け時に実質的に流体密な界面を形成することが可能な材料、例えば図６の層１８）から作製される下側マイクロチャネル部材は、電極部材３１Ｄ及びチップ部材３２Ｄの検知表面にわたって設けられる。先に示したように、下側マイクロチャネル部材は、様々なマイクロ流体チャネル特徴部が画定される弾性バルク材料を含むことができる。埋込みマイクロチャネル特徴部の中には、組付け時に、それぞれ電極部材の捕捉表面及びチップ部材の活性表面と位置合わせして反応チャンバー１８－３Ｄ及び活性チャンバー１８－４Ｄが形成される。加えて、サンプリングチャンバー１８－３Ｄ、１８－４Ｄ間の流体連通を可能にするために、局所的に隆起した流体路（例えば、後の図面に更に詳細に示す懸架セクション１８－５Ｄ）が設けられる。
図示の実施形態において、反応チャンバー１８－３Ｄの一端に向かって入口１８－６Ｄが形成され、一方、その他端に向かって懸架セクション１８－５Ｄが形成される。入口１８－６Ｄは、マルチデッキマイクロチャネル構造の上段から（例えば、図６に示すような上位層部材１５－１、１５－２から）の流体アクセスを可能にするように構成することができる。幾つかの実施形態において、使用済み反応流体を廃棄物回収部（例えば、図７に示すチャンバー１８－１Ｃ）に向かって案内するために、活性チャンバー１８－４Ｄの一端（例えば、上流端）に別の懸架セクションを形成することができ、一方、活性チャンバーの他端（例えば、下流端）に別の出口が設けられる。
幾つかの実施形態において、サンプリングチャンバー（例えば、活性チャンバー１８－４Ｄ及び反応チャンバー１８－３Ｄ）の断面寸法は、所定のレイアウト設計規則に従って設計される。幾つかの実施形態において、活性チャンバー１８－４Ｄ及び反応チャンバー１８－３Ｄの幅は、実質的に同じである。幾つかの実施形態において、サンプル流路に沿った活性チャンバー１８－４Ｄのチャネル長（すなわち、第１のチャンバー長）は、反応チャンバー１８－３Ｄのチャネル長（すなわち、第２のチャンバー長）よりも実質的に短い。幾つかの実施形態において、第１のチャンバー長と第２のチャンバー長との間の比は、１よりも実質的に小さい。幾つかの実施形態において、第１のチャンバー長と第２のチャンバー長との間の比は、約１×１０－４～約１の範囲内である。
図９は、本開示の幾つかの実施形態に係るセンサーカートリッジのサンプリングチャンバーを通る切断線に沿った断面図を示す。例えば、図９は、図７に示すような切断線ＡＡ’に沿った検知装置の断面図を示す。
この断面図からより良好に観察することができるように、例示的なセンサーカートリッジは、基板１９Ｅの実装表面に対して異なる高さに配置される電極部材３１Ｅ及びチップ部材３２Ｅを有する。例えば、図示の実施形態において、チップ部材３２Ｅの活性表面は、電極部材３１Ｅの捕捉表面よりも境界層１５－２Ｅに鉛直方向に近い。幾つかの実施形態において、チップ部材３２Ｅは、基板１９Ｅの実装面に（例えば、オンボードに）配設され、一方、電極部材３１Ｅは、基板１９Ｅの実装面の外側に（例えば、オフボードに）配設される。
図示の実施形態において、チップ部材３２Ｅの活性表面は、電極部材３１Ｅの捕捉表面よりも境界層１５－２Ｅに対する鉛直距離が短い。チップ部材３２Ｅ及び電極部材３１Ｅの一部（例えば、周縁／縁部領域）と接触し、これにより、チップ部材３２Ｅ及び電極部材３１Ｅのそれぞれのサンプリング表面の周りに実質的に流体密なシール界面が形成される。例えば、下側チャネル層１８Ｅは、カートリッジの埋込みマイクロチャネル構造の下側部分を内部に画定し、下側部分には、反応チャンバー１８－３Ｅ、活性チャンバー１８－４Ｅ、及びマイクロチャネル構造からの活性表面及び捕捉表面の流体アクセスを可能にするために２つのサンプリングチャンバー間に配置される懸架セクション１８－５Ｅが含まれる。（例えば、図９～図１１に）概略的に図示するように、サンプリングチャンバー１８－３Ｅ／Ｆ／Ｇ、１８－４Ｅ／Ｆ／Ｇには、センサー装置３１Ｅ／Ｆ／Ｇ、３２Ｅ／Ｆ／Ｇの検知表面よりも小さい平面寸法が与えられ、これにより、組付け時に下側チャネル層１８Ｅ／Ｆ／Ｇがセンサー部品の周縁の周りに適切な流体シールを確立することが可能になる。
図示の実施形態において、例示的な懸架セクション１８－５Ｅは、隆起した高さで２つのサンプリングチャンバーを接続する高架橋に似ている。例えば、懸架セクション１８－５Ｅは、その中間上流セクションよりも高いところに延在する（例えば、電極部材３１Ｅの上で反応チャンバー１８－Ｅよりも高く上昇している）。様々な実施形態によって示すように、マイクロチャネル構造は、上流方向（例えば、図４Ａに示すポート１１－２等のサンプル採取入口に向かう方向）及び下流方向（例えば、図７に示すチャンバー１８－１Ｃ等の廃棄物回収チャンバーに向かう方向）を規定する。例示的な電極部材３１Ｅは、チップ部材３２Ｅに対して上流に向かって配置して示されるものの、生物検知装置（例えば、ＩＳＦＥＴ）の動作原理に応じて、サンプリング表面の順次配置は図示の順序に限定され得ないことに留意されたい。
下側チャネル層１８Ｅの様々なマイクロチャネル構造は、内部に画定される埋め込まれた半分露出したチャネル特徴部によって形成することができる。例えば、反応チャンバー１８－３Ｅ及び活性チャンバー１８－４Ｅは、下側チャネル層１８Ｅの底面に設けられる、凹んだ下向きトラフによって形成することができ、電極部材３１Ｅの結合時に、囲まれたサンプリングチャンバーを形成する。一方、例示的な懸架セクション１８－５Ｅは、逆Ｕ字形状の導管特徴部によって形成され、導管特徴部は、より浅い水平トレンチセグメント（下側チャネル層１８Ｅの上面に向かって露出している）、及び水平セグメントの２つの端部に接合される、長さ（例えば、深さ）が等しくない一対の鉛直方向に横断するビアセグメントを含む。境界層１５－２Ｅを下側チャネル層１８Ｅにわたって配置すると、懸架セクション１８－５Ｅの半分開いたトレンチ特徴部はシールされ、マイクロチャネル構造の囲まれた部分が形成される。幾つかの実施形態において、境界層１５－２Ｅは、耐水パッドの層（例えば、両面テープ）とすることができる。幾つかの実施形態において、境界層１５－２Ｅは、上段パッケージ部品の一部（例えば、図４に示す中間層部材１５－２の底面）とすることができる。
本実施形態に更に示すように、下側チャネル層１８Ｅに埋め込まれたマイクロチャネル構造の下段は、アクセスポート１８－６Ｅから投入された流体を受け取る。マイクロチャネル構造は、その後、投入された流体をセンサー装置の様々なサンプリング表面にわたって順次案内する。その後、使用済み流体は、流路の下流に配置される抽出ポート１８－７Ｅを通してチャネルシステムを出ることができる。
図１０は、本開示の幾つかの実施形態に係るセンサーカートリッジのサンプリングチャンバーを通る切断線に沿った、例えば、図７に示すような切断線ＡＡ’に沿った断面図を示す。
図１０に示す特徴部の大部分が図９に示すものと実質的に似ている（したがって、開示を簡潔にするために省略している）ものの、図１０の例示的な実施形態には、電極部材３１Ｆの下に温度制御部品３５Ｆが設けられる。サンプル分析物のタイプ及びその対応する好ましい反応環境条件に応じて、温度制御部品３５Ｆは、マイクロ流体流路の近辺に温度調節（例えば、加熱／冷却）をもたらすことにより、生物検知部品の反応効率を向上することができる。幾つかの実施形態において、温度制御部品３５Ｆは、センサーカートリッジの内部に設けられ、外部から提供される電力を受け取ることで動作することができる。幾つかの実施形態において、温度制御部品３５Ｆは、センサーカートリッジの外部にオフボードで設けられる（例えば、図２に示すリーダー２０等のカートリッジリーダー内に配置される）。
加えて、図１０の例に示すように、幾つかの実施形態において、電極部材３１Ｆは、基１９Ｆに構造的に接続することができる。例えば、構造的に分離された電極部材により更なるパッケージング柔軟性がもたらされるものの、幾つかの実施形態において、全体的な構造を単純にするとともに部品を削減するために、電極部材（例えば、電極３１Ｆ）を基板の実装表面の上の指定領域（例えば、導電性コーティングが設けられたＰＣＢのオンボード領域）に設けることができる。
図１１は、本開示の幾つかの実施形態に係るセンサーカートリッジの活性チャンバーを示す概略断面図を示す。この概略切欠き図は、様々な特徴部及びその機能的関係を示すために提供され、特定の切断線に沿った実際の断面図を必ずしも反映していないことに留意されたい。
図示の実施形態において、活性チャンバー１８－４Ｇは、下側チャネル層（例えば、図６に示すような部材１８）内に画定されるキャビティ特徴部によって形成され、キャビティ特徴部は、組付け時にチップ部材３２Ｇ及び基板１９Ｇの上に配置される。下側チャネル層１８Ｇは、基板１９Ｇの上でチップ部材３２Ｇの周りに実質的に流体密なシール界面を形成する。
幾つかの実施形態において、基板１９Ｇには複数の接触パッド３３Ｇ、３７Ｇが形成される。幾つかの実施形態において、接触パッド３７Ｇは、基板１９Ｇの実装面に形成される。接触パッド３２－２Ｇを有するチップ部材３２Ｇの縁部は、接触パッド３７Ｇと位置合わせするように位置決めされる。接触パッド３２－２Ｇ及び３７Ｇは、ワイヤボンディング部３６Ｇを通じて互いに電気的に結合される。さらに、接触パッド３２－２Ｇ、３７Ｇ、及びワイヤボンディング部３６Ｇにわたって封止部３４Ｇが配設される。このようにして、ワイヤボンディング部３６Ｇは、封止部３４Ｇによって、水分又は機械的応力等の環境からの危険要因から保護することができる。さらに、図示の実施形態において、封止部３４Ｇは、チップ部材３２Ｇの４つの縁部のうちの１つのみを覆う。したがって、電気的ボンディングがないチップ部材３２Ｇの残りの縁部は、複数の自由縁部を構成する。電気的界面からの機械的阻害が低減することで、チップ部材３２Ｇとマイクロチャネル構造（例えば、活性チャンバー１８－４Ｇ）との間に流体露出／アクセス性の最大化を保証することができる。
動作時、流体は懸架セクション１８－５Ｇを通って活性チャンバー１８－４Ｇに入り、抽出ポート１８－７Ｇを通って活性チャンバーを出ることができる。プロセス時、流体はチップ部材３２Ｇの活性表面にわたって案内される。一方、下側チャネル層により、センサーチップ部材３２Ｇのサンプリング領域とその感知電気部品との間の流体隔離がもたらされる。例えば、この図から観察することができるように、活性チャンバー１８－４Ｇ内で露出したセンサーチップ表面の選択部分（例えば、活性表面の第１のサンプリング領域３２－１Ｇ）は、通過する流体がアクセス可能である。
図１２は、本開示の幾つかの実施形態に係るセンサーカートリッジのマイクロ流体チャネル構造における懸架セクションの斜視図を提供する。例えば、図１２は、構造の明確性を向上するために、例示的な懸架セクションの分離図を示す。
先に示したように、本開示に係るバイオセンサーカートリッジ内の反応チャンバーと活性チャンバーとの間には、懸架セクション（例えば、導管特徴部１８－５Ｈ）が設けられる。幾つかの実施形態において、懸架セクション１８－５Ｈは、第１の柱セクション１８－５１Ｈ、第２の柱セクション１８－５３Ｈ、及び高架セクション１８－５２Ｈを含む。第１の柱セクション１８－５１Ｈ及び第２の柱セクション１８－５３Ｈは、それぞれ高架セクション１８－５２Ｈの対向する端部に形成される。
高架セクション１８－５２Ｈは、耐水材料から作製されるバルク部品の上向き表面（例えば、図６に示すような下部層部材１８）に形成される浅いトレンチ特徴部（例えば、止まり穴様の凹部）として設けることができる。幾つかの実施形態において、高架セクション１８－５２Ｈの半分開いたトレンチ部分は、センサーカートリッジの上段パッケージ部品（例えば、図６に示すような中間層部材１５－２）と係合するとシールされるように設計される。幾つかの実施形態において、懸架セクション１８－５Ｈには、その周縁領域に沿ってシールリング１８－５４Ｈを設けて、流体シール能力を更に向上し、これにより、装置の信頼性を増すことができる。
この概略図から更に観察することができるように、第１の柱１８－５１Ｈの長さ（すなわち、高さＨ１）は、第２の柱１８－５３Ｈの長さ（すなわち、高さＨ２）とは異なる（例えば、より大きい）。柱セクション１８－５１Ｈ／１８－５３Ｈの高さが異なることで、パッケージレイアウト設計の更なる柔軟性が可能になる。例えば、そのような懸架チャネル配置は、異なる回路部品間の段差変動の対応における順応性をより大きくしながらも製造が単純である。
図１３は、本開示の幾つかの実施形態に係るセンサーカートリッジの反応チャンバーを示す断面図を示す。例示的な反応チャンバー１８－３Ｊは、電極部材３１Ｊにわたって下側チャネル部材（例えば、層１８Ｊ）を配置すると形成することができる。層１８Ｊと電極部材３１Ｊとの間に実質的に流体密なシールが形成される。幾つかの実施形態において、部品界面に沿って適切なシールを保証するために、反応チャンバー１８－３Ｊの周縁の周りに、シールリング特徴部１８－３３Ｊが層１８に設けられる。
幾つかの実施形態において、反応チャンバー１８－３Ｊの対向する端部には入口ポート１８－６Ｊ及び抽出ポート１８－５Ｊが形成される。より高い反応効率を容易にするために、反応チャンバー１８－３Ｊに対して露出したマイクロチャネル構造の内面には、撹拌／擾乱誘導特徴部を設けることができる。例えば、図示の実施形態において、反応チャンバー１８－３Ｊの上部（天井）には撹拌表面が設けられ、その突出した鋸歯パターンが、電極部材３１Ｊの捕捉表面の方を向いて配置される。例示的な撹拌表面は、複数の鋸歯アジテーター１８－３１Ｊ及び柱アジテーター１８－３２Ｊを含み、入口ポート１８－６Ｊと抽出ポート１８－５Ｊとの間を横断する。鋸歯アジテーター１８－３１Ｊ及び突出したアジテーター１８－３２Ｊは、反応チャンバー１８－３Ｊの長さに沿って飛び飛びに配置される。図示の実施形態に更に示すように、隣接する行の柱アジテーター１８－３２Ｊは、流体流れ方向に沿って間に入ってオフセットしたパターンで配置することができる。
図１４は、本開示の幾つかの実施形態に係るセンサーカートリッジの流路における例示的なサンプル相互作用を示す。例えば、図１４は、本開示の幾つかの実施形態に係るセンサーカートリッジ内のアッセイ流れを示す。特に、図１４は、センサーカートリッジの反応チャンバー内で行われるアッセイプロセスの例示的な実施形態を示す。
下側チャネル層１８Ｋと電極部材３１Ｋとの間に反応チャンバーが形成される。幾つかの実施形態において、プロセス１０１に示すように、電極部材３１Ｋの捕捉表面にわたって捕捉プローブＰ１のアレイが配設される。
次に、対象分子Ｐ２を有するサンプル流体が反応チャンバーに導入される。捕捉プローブＰ１は、プロセス１０２に示すように、対象分子Ｐ２を捕捉し、対象分子Ｐ２を反応チャンバー内に留まるように固定するように構成される。
幾つかの実施形態において、捕捉プローブＰ１によって捕捉されなかった対象分子Ｐ２を洗い流すために洗浄流体が使用される。次に、標識プローブＰ３を有する反応流体が、反応チャンバーに導入される。捕捉プローブＰ１は、プロセス１０３に示すように、対象分子Ｐ２を捕捉し、標識プローブＰ３を反応チャンバー内に留まるように固定するように構成される。
プロセス１０４に示すように、対象分子Ｐ２によって捕捉されなかった標識プローブＰ３を洗い流すために洗浄流体が提供される。
例示的な実施形態において、捕捉プローブＰ１、対象分子Ｐ２、及び標識プローブＰ３は、それぞれ、捕捉抗体、抗原、及び一次抗体とすることができる。一次抗体は、検知装置によって検出可能な物質と接合される。
幾つかの実施形態において、アッセイプロセスを開始する前に、検知装置からの初期読出しが行われる。アッセイプロセス後、検知装置からの最終読出しが行われる。初期読出しと最終読出しとの間の差が計算され、対象分子Ｐ２の濃度を反映した出力を生成する。
幾つかの実施形態において、検知装置からの初期読出しは必要なく、最終読出しが測定され、対象分子Ｐ２の濃度を反映した出力を生成する。
図１５は、本開示の幾つかの実施形態に係るセンサーカートリッジの流路における例示的なサンプル相互作用を示す。例えば、図１５は、センサーカートリッジの反応チャンバー内で行われるアッセイプロセスの例示的な実施形態を示す。
下側チャネル層１８Ｌと電極部材３１Ｌとの間に反応チャンバーが形成される。幾つかの実施形態において、プロセス２０１に示すように、電極部材３１Ｌの捕捉表面にわたって捕捉プローブＰ１のアレイが配設される。
幾つかの実施形態において、捕捉プローブＰ１は、電極部材３１Ｌのコーティング層に配置される。さらに、捕捉プローブＰ１と電極部材３１Ｌとの間にはリンク層４０Ｌが配設される。リンク層４０Ｌにより捕捉プローブＰ１の保持を向上することができる。次に、対象分子Ｐ２を有するサンプル流体が反応チャンバーに導入される。
捕捉プローブＰ１は、プロセス２０２に示すように、対象分子Ｐ２を捕捉し、対象分子Ｐ２を反応チャンバー内に留まるように固定するように構成される。
幾つかの実施形態において、捕捉プローブＰ１によって捕捉されなかった対象分子Ｐ２を洗い流すために洗浄流体が使用される。洗浄流体は緩衝流体とすることができる。
次に、標識プローブＰ３を有する反応流体が、反応チャンバーに導入される。対象分子Ｐ２は、プロセス２０３に示すように、対象分子Ｐ２を捕捉し、標識プローブＰ３を反応チャンバー内に留まるように固定するように構成される。
プロセス２０４に示すように、対象分子Ｐ２によって捕捉されなかった標識プローブＰ３を洗い流すために洗浄流体が使用される。
例示的な実施形態において、捕捉プローブＰ１、対象分子Ｐ２、及び標識プローブＰ３は、それぞれ、捕捉抗体、抗原、及び一次抗体とすることができる。一次抗体は、検知装置によって検出可能な物質と接合される。
幾つかの実施形態において、アッセイプロセスを開始する前に、検知装置からの初期読出しが行われる。アッセイプロセス後、検知装置からの最終読出しが行われる。初期読出しと最終読出しとの間の差が計算され、対象分子Ｐ２の濃度を反映した出力を生成する。
幾つかの他の実施形態において、検知装置からの初期読出しは必要ない。むしろ、最終読出しが測定され、対象分子Ｐ２の濃度を反映した出力を生成する。
図１６は、本開示の幾つかの実施形態に係るセンサーカートリッジの流路における例示的なサンプル相互作用を示す。例えば、図１６は、センサーカートリッジの反応チャンバー内で行われるアッセイプロセスの例示的な実施形態を示す。
下側チャネル層１８Ｍと電極部材３１Ｍとの間に反応チャンバーが形成される。幾つかの実施形態において、電極部材３１Ｍの捕捉表面にわたって捕捉プローブＰ１のアレイが配設される。さらに、幾つかの他の実施形態において、捕捉プローブＰ１と電極部材３１Ｍとの間にはリンク層４０Ｍが配設される。リンク層４０Ｍにより捕捉プローブＰ１の保持を向上することができる。互いに固定される対象分子Ｐ２及び標識プローブＰ３を有するサンプル流体が調製される。次に、対象分子Ｐ２及び標識プローブＰ３を有するサンプル流体が、反応チャンバーに導入される。対象分子Ｐ２は、プロセス３０３に示すように、捕捉プローブＰ１によって捕捉され、反応チャンバー内に留まるように構成される。プロセス３０４に示すように、余分なサンプル流体を洗い流すために洗浄流体が使用される。
幾つかの実施形態において、捕捉プローブＰ１、対象分子Ｐ２、及び標識プローブＰ３は、それぞれ、捕捉抗体、抗原、及び一次抗体とすることができる。一次抗体は、検知装置によって検出可能な物質と接合される。
幾つかの実施形態において、アッセイプロセスを開始する前に、検知装置からの初期読出しが行われる。アッセイプロセス後、検知装置からの最終読出しが行われる。初期読出しと最終読出しとの間の差が計算され、対象分子Ｐ２の濃度を反映した出力を生成する。
幾つかの他の実施形態において、検知装置からの初期読出しは必要ない。むしろ、最終読出しが測定され、対象分子Ｐ２の濃度を反映した出力を生成する。
したがって、本開示の１つの態様は、検知装置であって、基板の実装面の上に配設される活性表面を備えるチップ部材であって、活性表面は第１のサンプリング領域を画定する、チップ部材と、第２のサンプリング領域を画定する捕捉表面を備える電極部材とを備え、チップ部材の活性表面は、電極部材の捕捉表面から投影方向にオフセットして配置され、第１のサンプリング領域と第２のサンプリング領域との比は、１よりも実質的に小さい、検知装置と、検知装置にわたって配置されるとともに、流体を活性表面及び捕捉表面に移送するように構成されるマイクロチャネル構造とを備える、センサーカートリッジを提供する。
幾つかの実施形態において、第１のサンプリング領域と第２のサンプリング領域との間の比は、約１×１０－８～約１の範囲内である。
幾つかの実施形態において、マイクロチャネル構造は、チップ部材及び電極部材と接触し、チップ部材及び電極部材との間に実質的に流体密のシール界面を形成する。
幾つかの実施形態において、電極部材は、基板から構造的に分離された部材である。
幾つかの実施形態において、電極部材は、基板の実装面の外側に配設される。
幾つかの実施形態において、チップ部材の活性表面は、基板の実装表面に対して電極部材の捕捉表面とは異なる段に配置される。
幾つかの実施形態において、電極部材はベース体を更に備え、捕捉表面は、ベース体にわたって固定化されたプローブのアレイを備え、ベース体の材料は、１０－６ΩＭよりも実質的に大きい抵抗率を有する。
幾つかの実施形態において、電極部材はベース体を更に備え、捕捉表面は、ベース体上のコーティング層にわたって固定化されたプローブのアレイを備え、コーティング層の表面粗さは、１０μｍよりも実質的に小さい。
幾つかの実施形態において、マイクロチャネル構造は、活性表面と捕捉表面との間に配置される懸架セクションを備え、マイクロチャネル構造の懸架セクションは、マイクロチャネル構造の中間上流セクションよりも高いところに配置される。
幾つかの実施形態において、チップ部材は、複数の自由縁部を有して取り付けられるマイクロチップを含み、活性表面は、基板の実装表面に面しないでマイクロチップ上に配置される。
幾つかの実施形態において、基板は、基板の縁部に配置されるＩ／Ｏインターフェースを備える。
したがって、本開示の別の態様は、検知装置であって、基板の実装面の上に配設される活性表面を備えるチップ部材と、捕捉表面を備える電極部材とを備える、検知装置と、検知装置にわたって配置されるとともに、流体を捕捉表面及び活性表面にわたって順次移送するマイクロチャネル構造とを備える、センサーカートリッジを提供する。マイクロチャネル構造は、活性表面と捕捉表面との間に配置される懸架セクションを備える。
幾つかの実施形態において、マイクロチャネル構造は、上流方向及び下流方向を規定し、電極部材は、チップ部材に対して上流に向かって配置される。
幾つかの実施形態において、マイクロチャネル構造の懸架セクションは、マイクロチャネル構造の中間上流セクションよりも高いところに配置される。
幾つかの実施形態において、マイクロチャネル構造は、活性表面にわたって第１のチャンバー長を有する活性チャンバーと、捕捉表面にわたって第２のチャンバー長を有する反応チャンバーとを画定する。懸架セクションは、反応チャンバーと活性チャンバーとの間に配置される。
幾つかの実施形態において、第１のチャンバー長と第２のチャンバー長との間の比は、１よりも実質的に小さい。
幾つかの実施形態において、比は、約１×１０－４～約１の範囲内である。
幾つかの実施形態において、マイクロチャネル構造の反応チャンバーには、捕捉表面に向いて配置される撹拌表面が設けられる。
幾つかの実施形態において、マイクロチャネル構造は、基板の実装表面を越える平面範囲を有する。
幾つかの実施形態において、活性表面と捕捉表面との間の距離は、０．１ｍｍ以上である。
当業者であれば、本発明の教示を保持しながらも装置及び方法の数多くの変更及び変形を行うことができることを容易に認めるであろう。したがって、上記開示は、添付の請求項の境界及び限界（metes and bounds）によってのみ限定されるものとして解釈されるべきである。

Claims (19)

  1. 検知装置とマイクロチャネル構造とを含むセンサーカートリッジであって、
    前記検知装置は、
    基板の実装面の上に配設される活性表面を備えるチップ部材であって、前記活性表面は第１のサンプリング領域を画定する、チップ部材と、
    第２のサンプリング領域を画定する捕捉表面を含み、前記基板から構造的に分離された部材である電極部材と、
    を含み、
    前記チップ部材の前記活性表面は、前記電極部材の前記捕捉表面から投影方向にオフセットして配置され、
    前記第１のサンプリング領域と前記第２のサンプリング領域との比は、１よりも実質的に小さく、
    前記マイクロチャネル構造は、
    前記検知装置にわたって配置されるとともに、流体を前記活性表面及び前記捕捉表面に移送するように構成される、
    センサーカートリッジ。
  2. 前記第１のサンプリング領域と前記第２のサンプリング領域との間の前記比は、約１×１０－８～約１の範囲内である、請求項１に記載のカートリッジ。
  3. 前記マイクロチャネル構造は、前記チップ部材及び前記電極部材と接触し、該チップ部材及び該電極部材との間に実質的に流体密のシール界面を形成する、請求項１に記載のカートリッジ。
  4. 前記電極部材は、前記基板の前記実装面の外側に配設される、請求項１に記載のカートリッジ。
  5. 前記チップ部材の前記活性表面は、前記基板の前記実装面に対して前記電極部材の前記捕捉表面とは異なる段に配置される、請求項１に記載のカートリッジ。
  6. 前記電極部材はベース体を更に備え、前記捕捉表面は、前記ベース体にわたって固定化されたプローブのアレイを備え、
    前記ベース体は、１０－６ΩＭよりも実質的に大きい抵抗率を有する材料を含む、請求項１に記載のカートリッジ。
  7. 前記電極部材はベース体を更に備え、前記捕捉表面は、前記ベース体上のコーティング層にわたって固定化されたプローブのアレイを備え、
    前記コーティング層の表面粗さは、１０μｍよりも実質的に小さい、請求項１に記載のカートリッジ。
  8. 前記マイクロチャネル構造は、前記活性表面と前記捕捉表面との間に配置される懸架セクションを備え、
    前記マイクロチャネル構造の前記懸架セクションは、前記マイクロチャネル構造の中間上流セクションよりも高いところに配置される、請求項１に記載のカートリッジ。
  9. 前記チップ部材は、複数の自由縁部を有して取り付けられるマイクロチップを含み、
    前記活性表面は、前記基板の前記実装面に面しないで前記マイクロチップ上に配置される、請求項１に記載のカートリッジ。
  10. 前記基板は、該基板の縁部に配置されるＩ／Ｏインターフェースを備える、請求項１に記載のカートリッジ。
  11. 検知装置とマイクロチャネル構造とを含むセンサーカートリッジであって、
    前記検知装置は、
    基板の実装面の上に配設される活性表面を備えるチップ部材と、
    捕捉表面を備える電極部材と、
    を含み、
    前記マイクロチャネル構造は、
    前記検知装置にわたって配置されるとともに、流体を前記捕捉表面及び前記活性表面にわたって順次移送し、
    前記マイクロチャネル構造は、前記活性表面と前記捕捉表面との間に配置される懸架セクションを含む、
    センサーカートリッジ。
  12. 前記マイクロチャネル構造は、上流方向及び下流方向を規定し、
    前記電極部材は、前記チップ部材に対して前記上流に向かって配置される、請求項１１に記載のカートリッジ。
  13. 前記マイクロチャネル構造の前記懸架セクションは、該マイクロチャネル構造の中間上流セクションよりも高いところに配置される、請求項１１に記載のカートリッジ。
  14. 前記マイクロチャネル構造は、前記活性表面にわたって第１のチャンバー長を有する活性チャンバーと、前記捕捉表面にわたって第２のチャンバー長を有する反応チャンバーとを画定し、
    前記懸架セクションは、前記反応チャンバーと前記活性チャンバーとの間に配置される、請求項１１に記載のカートリッジ。
  15. 前記第１のチャンバー長と前記第２のチャンバー長との間の比は、１よりも実質的に小さい、請求項１４に記載のカートリッジ。
  16. 前記比は、約１×１０－４～約１の範囲内である、請求項１５に記載のカートリッジ。
  17. 前記マイクロチャネル構造の前記反応チャンバーには、前記捕捉表面に向いて配置される撹拌表面が設けられる、請求項１４に記載のカートリッジ。
  18. 前記マイクロチャネル構造は、前記基板の前記実装面を越える平面範囲を有する、請求項１１に記載のカートリッジ。
  19. 前記活性表面と前記捕捉表面との間の距離は、０．１ｍｍ以上である、請求項１１に記載のカートリッジ。
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