JP6938517B2 - マイクロ流体分析システム及び分析実行方法 - Google Patents

Description

本発明は、分析、特に、生化学分析などの感温性分析を実行するシステム及び方法に関する。

液体サンプル中のターゲット成分を量的又は質的に判定する複数の方法及び装置が従来技術から既知である。これらの従来技術の方法の多くは、洗浄ステップなどの複雑な又は時間のかかるステップを含む。長年にわたって、新規の改良された方法、特に光学ラベリング及び読み取りシステムを用いる方法が開発されている。

このような光学ラベリング及び読み取りシステムを含む方法を実行するマイクロ流体検出方法及び分析が広く知られている。生化学分析を実行する際、分析中の温度制御及び／又は流れの制御を必要とすることがある。

特許文献１は、マイクロバルブ構造と、ポリマーアクチュエータを含むラボオンチップ（Lab-on-a-chip）モジュールとを開示している。マイクロバルブ構造は、ベース部に配置される可撓構造と、可撓構造に挿入されるポリマーアクチュエータとを含むことができる。このとき、可撓構造は、微小路を画定するバルブ部を有し、ポリマーアクチュエータは可撓構造によって微小路から分離される。また、ポリマーアクチュエータは、バルブ部の偏位を制御することによって微小路の幅を変更するように形成される。

特許文献２は、第１のベース部と、第２のベース部と、弾性材料から成りかつ第１のベース部と第２のベース部との間に配置される第３のベース部とを含む流体を操作するマイクロ流体コンポーネントを開示している。第１の制御室を形成する少なくとも１つの第１の凹部は、第３のベース部に対面する第１のベース部の面に構成される。流体路を形成する少なくとも１つの第２の凹部は、第３のベース部に対面する第２のベース部の面に構成される。第１の制御室から空間的に分離される第２の制御室と、第１の制御室を第２の制御室に接続する制御路とが、第１のベース部に形成される。第２の制御室の少なくとも１つの側壁が弾性材料から成り、第２の制御室の内部容積を減少させるようにアクチュエータによって変形可能である。

特許文献３は、たとえば、磁気分析で使用することのできるマイクロ流体装置を開示している。マイクロ流体装置は、流路用の溝を有するベース部と、流路を覆う箔とを備え、流路は透明窓と、液体サンプルの吸引用入口とを備え、マイクロ流体装置は、流路又は流路と流体連通するシンク部の可撓壁部を備え、可撓壁が最初の位置に戻ると、空気が流路から押し出されるように可撓壁部を移動させることができる。

既知のマイクロ流体カートリッジでもサンプル温度は調節することができるが、温度調節は非常に緩やかであることが判明している。

米国特許出願公開第２０１１２７２６１０号明細書 米国特許出願公開第２０１２２９８２３３号明細書 米国特許出願公開第２０１５２４７８４５号明細書

本発明の目的は、分析を実行するシステム及び方法と、含有されるサンプルの高速かつ正確な温度調節に適したマイクロ流体カートリッジとを提供することである。
本発明の一実施形態では、反応部を有するマイクロ流体カートリッジを備えたマイクロ流体分析システムであって、反応部内のサンプルを高精度に所望温度で培養することができるシステムを提供することを目的とする。

本発明の一実施形態では、反応部を有するマイクロ流体カートリッジを備えたマイクロ流体分析システムであって、反応部内のサンプルを所定の温度計画にしたがって温度調節することができるシステムを提供することを目的とする。

本発明の一実施形態では、高精度で高速かつ正確な分析を可能にするマイクロ流体分析システムを提供することを目的とする。
本発明の一実施形態では、製造するうえでコスト効果が高く、本発明の分析に使用することができるマイクロ流体カートリッジを提供することを目的とする。

本発明の一実施形態では、時間のかかる洗浄ステップを必要とせず、高精度かつ比較的高速、たとえば、数分でターゲットの判定を実行することができる方法を提供することを目的とする。

これらの目的は、請求項で定義され後述されるように、本発明及び実施形態によって達成される。
本発明は、量的又は質的感温性分析、たとえば、特に、判定が生化学分析などの感温性分析を含む場合、液体内のターゲット成分の判定を実行する完全に新しいアプローチを提供することが判明している。

さらに、非常に優れた正確な結果を、高速かつ簡易に取得することができることが判明している。
本発明のマイクロ流体分析システムは、マイクロ流体カートリッジ及び関連するマイクロ流体オペレータシステムを備える。概して、マイクロ流体カートリッジは、使い捨て可能なマイクロ流体カートリッジであり、マイクロ流体オペレータシステムは、同一の設計及びサイズのマイクロ流体カートリッジ又は異なる形状及びサイズのマイクロ流体カートリッジと共に何度も使用できることが望ましい。任意で、マイクロ流体オペレータシステムは、様々なサイズ又は形状のマイクロ流体カートリッジと共に使用することができるように調節可能である。

マイクロ流体カートリッジは、第１の面と第２の対向面とを有するベース部を備え、ベース部は第１の面の凹部と、凹部を覆いかつベース部に背から見て外方を向く箔の面であるマイクロ流体カートリッジ箔面を提供するためにベース部に固定される箔とを有する。

ベース部は、好都合なことに、剛体である。
箔は、溶接や糊付けなどの任意の手段によって、ベース部に固定することができる。箔は、凹部及び箔が流路とシンクを形成するように、ベース部に固定される。流路は長さを有し、反応部及び上流端と下流端を備える。一実施形態では、上流端は反応部の片側に位置し、下流端は反応部の反対側に位置する。流路は２以上の反応部を有してもよいと理解すべきである。さらに、流路が分岐されることも除外されない。

シンクは、反応部の下流の流路と流体連通する。マイクロ流体カートリッジは、反応部の上流の流路への入口開口部を備える。
オペレータシステムはピストン、温度調節素子及びアクチュエータを備え、ピストン、温度調節素子及びアクチュエータは、マイクロ流体カートリッジの箔面が、温度調節素子の近傍に反応部を有する作業システムと接して配置することができ、アクチュエータがシンク部を覆う箔を押圧するようにシンク部に関連付けられ、ピストンが箔を押圧して反応部の上流の流路を閉鎖するように、上流バルブ部で流路に関連付けられるように配置される。

本発明のマイクロ流体分析システムは、マイクロ流体カートリッジの反応部内でサンプルの非常に効果的な温度調節を提供することが判明している。箔は比較的薄い、つまり、箔を通る伝熱が比較的高速である。さらに、シンクと上流バルブ部を配置することで、反応部を覆う箔がベース部の凹部内へ偏向しないように、反応部内の圧力を上昇させることができる。反応部内に圧力を加えないと、箔がベース部の凹部内にわずかに吸引されがちである、すなわち、反応部を覆う箔が凹部内へ偏向することが判明している。反応部が液体で満たされるとき、この効果はさらに大きくなり得る。つまり、箔が反応部を覆う箔面は、温度調節素子と密に接触しておらず、これは熱調節が緩やかで不正確であることを意味する。本発明により、箔面と温度調節素子との間の密な接触が確保される。これにより、反応部に収容されるサンプルの温度を非常に高精度に調節することができる。

「上流」及び「下流」という用語は、流路とサンプルの流路への最初の流入とに関連して解釈されるべきである。
「ほぼ」という用語は、本明細書では、通常製品の分散値及び公差が含まれることを意味すると解釈すべきである。

「約」という用語は一般的に、測定の不確定性を含むように使用される。範囲で使用されるとき、「約」という用語は、本明細書では、範囲内の測定の不確定性を含むことを意味すると解釈されるべきである。

「液体サンプル」又は「サンプル」又は「検査液体」という用語は、分散液や懸濁液など、個体部分を含む液体サンプルを含む液体含有サンプルを意味する。該方法の実行時、サンプルは液体を含む。

明細書又は請求項全体を通じて、別に指定される又は文脈で要求される場合を除いて、単数は複数を含む。
「方法」は、「検査」又は「分析」という用語でも称される。

反応部は、所望の反応のための反応室を形成する。反応は原則的には、たとえば、後述するように、ターゲットと捕捉プローブとの間の結合の形成などの任意の反応とすることができる。

一実施形態では、少なくとも反応部は、温度調節が実行されるときに水平プランに対して傾斜位置に保持されることが有利であると判明している。反応部内のサンプルの温度調節によって、光学的読み取りを劣化させる可能性のある小さな気泡が形成されることがある。少なくとも反応部が水平プランに対して傾斜位置で保持されるように、マイクロ流体カートリッジを保持することによって、この問題を完全に又は部分的に緩和できることが判明している。反応部を傾斜位置に保持することによって、このように形成される気泡が凝集する、及び／又は気泡が反応部から出て、たとえば、シンク部まで移送される場合があると考えられる。

一実施形態では、オペレータシステムは、温度調節素子に近接して保持されるときに少なくとも反応部が傾斜するように、マイクロ流体カートリッジを保持する構成である。
一実施形態では、少なくとも反応部の中心軸は、少なくとも約３度の傾斜角、たとえば、少なくとも約５度、約１０〜約４５度、約１５〜約３０度の傾斜角で、水平面に対して傾斜する。

水平面は、重力に垂直な平面として画定される。
概して、マイクロ流体カートリッジのベース部はほぼ平面状である、すなわち、ベース部の第１及び第２の対向面はほぼ平行であり、ベース部の平面にあることが望ましい。

一実施形態では、オペレータシステムは、ベース部が少なくとも約３度、たとえば、少なくとも約５度、約１０〜約４５度、約１５〜約３０度の傾斜角で、水平面に対して傾斜するように、マイクロ流体カートリッジを保持する構成である。

ベース部は、好ましくは、赤外光（約７００ｎｍ〜約１０００ｐｍ）、可視光（約４００ｎｍ〜約７００ｎｍ）、ＵＶ光（約４００ｎｍ〜約１０ｎｍ）及びＸ線光（約１０ｎｍ〜約０．０１ｎｍ）から選択される少なくとも１つの波長を透過させる材料からなる。ベース部は、好都合なことに、約２００ｎｍ〜約１６００ｎｍの少なくとも１つの波長、好ましくは、約３８０ｎｍ〜約７５０ｎｍのより広い可視範囲内の波長をほぼ透過させる材料からなる。

ベース部に使用される材料の例は、ガラスとポリマーから選択される材料、好ましくは、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン−コポリマー、ポリカーボネート、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリメチルペンテン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリスルフォン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＴＥ）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ塩化ビニルデン（ＰＶＤＣ）、ポリフッ化ビニリデン、スチレンアクリルコポリマー、ポリイソプレン、ポリブタジエン、ポリクロロプレン、ポリイソブチレン、ポリ（スチレン−ブタジエン−スチレン）、シリコーン、エポキシ樹脂、ポリエーテルブロックアミド、ポリエステル、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）、アクリル、セルロイド、セルロースアセタート、エチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）、エチレンビニルアルコール（ＥＶＡＬ）、フッ素プラスチック、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリアクリレート（アクリル）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアミド−イミド（ＰＡＩ）、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、ポリブタジエン（ＰＢＤ）、ポリブチレン（ＰＢ）、ポリブチレンテレフタラート（ＰＢＴ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリシクロへキシレンジメチレンテレフタラート（ＰＣＴ）、ポリケトン（ＰＫ）、ポリエステル／ポリエチレン／ポリエテン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルスルフォン（ＰＥＳ）、塩素化ポリエチレン（ＰＥＣ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）及びそれらの混合物から選択されるポリマーを含む。上述の物質は箔にも使用することができる。

ベース部は、好都合なことに、２５℃で剛体である。好都合なことに、ベース部は、基板の射出成形又はレーザ彫刻によって製造される。ベース部は、好都合なことに、ベース部に接合される箔で覆われて、流路及びシンクを形成する。

箔は、好ましくは、少なくとも１つの波長、好ましくはベース部に関して上述するような波長を透過させる。
好都合なことに、箔は比較的薄く、たとえば、約１ｍｍ未満、好ましくは約０．５ｍｍ以下、たとえば、約１００ｎｍ以下の厚さを有する。

マイクロ流体カートリッジは、共通又は各自のシンクと流体連通する２以上の流路を有してもよいと理解すべきである。
入口開口部は原則的に、反応部の上流及び上流バルブ部の上流の任意の場所に配置することができる。一実施形態では、流路への入口開口部は上流端に配置され、好ましくは、入口開口部は、ベース部を貫通する孔によって提供される。

一実施形態では、流路への入口開口部が、マイクロ流体カートリッジの縁部に配置される。
好都合なことに、入口開口部はベース部を貫通する孔によって提供され、孔は十分に大きいため、一滴の検査液体をマイクロ流体カートリッジに与えることができる。孔及び孔を覆う箔の外周のベース部の縁部が一滴のサンプルにとって十分大きな空隙を提供するように、十分に大きな孔を設けることによって、サンプルがこぼれるリスクが低減される。

マイクロ流体カートリッジの流路は原則的に、任意の形状、長さ及びサイズを有することができる。
以下、路及びシンクの幅は、箔面から見える上面図における幅であり、路／シンクの高さは幅に垂直である。路の長さは、路の中央の長さであり、幅は路に垂直に決められる。シンクの幅は、路の中央長に垂直に決められる、つまり、流路とシンクとの間の流体連通部からシンクの最遠点までの直線中心線として決められる。

一実施形態では、入口に隣接する流路は、箔面から見える上面図において、入口開口部の幅未満の幅、好ましくは、約１０ｐｍ〜約５００ｐｍ、たとえば、約２５ｐｍ〜約２００ｐｍの幅を有する。

流路の幅は、均等であっても異なっていてもよい。
流路、特に反応部の高さは、好都合なことに、幅よりも小さい。これにより、効果的な光学的読み取りが確保される。また、流路の容積を比較的小さくすることが望ましく、これにより分析に必要なサンプル量を比較的少なくすることが確保される。一実施形態では、流路は、約１ｐｍ〜約１００ｐｍの高さを有する。

シンクの高さは流路の高さと均等にすることができる、又は好都合なことに、少なくとも約２５％大きく、たとえば、少なくとも約５０％大きく、少なくとも約１００％大きくすることができる。一実施形態では、シンクは、約２０ｐｍ〜約２ｍｍ、たとえば、約２００ｐｍ〜約１ｍｍの高さを有する。

一実施形態では、シンクは、箔面から見える上面図において、流部の最大幅よりも大きい幅を有する。
好都合なことに、シンクは、流路の総容積の少なくとも０．５倍、たとえば、少なくとも流路の総容積とほぼ同一、流路の総容積の約１．５〜約１００倍、流路の総容積の約２〜約１０倍の容積を有する。これにより、シンク及び関連するアクチュエータは、非常に高精度で流路内のサンプルの流を調節することができる。

流路のバルブ部は、流路の通常部分とすることができる。しかしながら、有効なバルブ機能を確保するために、流路のバルブ部は、ピストンが流路のバルブ部で流路へと箔を押圧するときに厳重な閉鎖を形成するように成形されることが望ましい。一実施形態では、バルブ部の流路は、湾曲壁を有し、すなわち、鋭い縁部を備えていない。

一実施形態では、流路のバルブ部は、ピストンのピストンヘッドを補完する形状のバルブシートを備え、そのピストンヘッドは、バルブの閉鎖時、流路のバルブ部で箔を流路へと押圧している。

一実施形態では、ピストンヘッドは、流路のバルブ部で凹部と嵌合して、効果的に流路を閉鎖するように成形される。
一実施形態では、流路のバルブ部は、ベース部の第１の表面に尾根構造を有するバルブシートを備え、尾根構造は凹部のベース部の第１の表面から突出し、凹部の少なくとも一部に交差する。これにより、バルブを非常に厳重に閉鎖することができる。

好都合なことに、尾根構造は、流路にほぼ垂直な方向に延在して、バルブ部で凹部の幅全体にわたる締結を確保する。
一実施形態では、バルブシートはピストンを封止する封止部を備え、中間箔が両者の間に挟まれる。好都合なことに、バルブシートとピストンのピストンヘッドの両者は、間に挟まれる箔を有効に封止して、ピストンヘッドが箔にダメージを加えないように確保するためのエラストマー材料からなる封止部を備える。

バルブ部は、隣接流路と同一の幅を有することができる。
効果的なバルブ機能を確保するため、流部のバルブ部は、流路の最小幅よりも大きな幅を有することができる。

バルブ部の幅が非常に狭くならないように確保することによって、ピストン及びピストンヘッドを非常にスリムにする必要がなくなり、ピストン、特にピストンヘッドの耐久性が高まる。

反応部を覆う箔を確実に平坦化する又は凹部からわずかに隆起（偏向）させることができるように、マイクロ流体カートリッジは、好都合なことに、上流バルブ部が閉鎖されると、シンク部に関連付けられるアクチュエータが圧力を加えて、反応部内の圧力をアクチュエータなしであった場合の圧力よりも上昇させるように形成される。一実施形態では、流路は上流バルブ部から下流のベース部にも箔にも孔を設けないことによって、上流バルブ部が閉鎖されると、流体が上流バルブ部の下流の流路から脱出できないために、シンク部に関連付けられるアクチュエータがシンク部において箔を押圧する。

好都合なことに、上流バルブ部及びシンクから下流の流路は、上流バルブ部がピストンによって閉鎖されるとき、閉鎖容積を成す。これにより、反応部に加えられる圧力を有効に制御することができ、反応部を覆う箔を操作して、凹部に対して所望の形状をとらせることができる。

一実施形態では、流路は下流バルブ部を備え、オペレータシステムは下流バルブ部用の関連するピストンを備える。下流バルブ部及び上流バルブ部は、好都合なことに、上流バルブ部として成形される上流バルブ部に関して上述したように設けることができる。下流バルブ部及び上流バルブ部は同一である必要はなく、一実施形態では、相互に異ならせることができると理解すべきである。簡略化のため、下流バルブ部及び上流バルブ部はほぼ同一とすることができる。

下流バルブ部及び上流バルブ部は、たとえば、アクチュエータがシンクで箔を押圧して所望の圧力を加えた後、下流バルブ部及び上流バルブ部を閉鎖することによって、反応部内の固定圧力を確保することができる。反応部内の圧力は、所望時間、非常に安定的に維持させることができる。

一実施形態では、反応部は、流路の隣接部分と同様の幅を有する流路の一部であってもよい。しかしながら、大きな読み取り面積を確保するため、反応部を残りの流路よりも広くすることが望ましい。

一実施形態では、反応部は、箔面から見える上面図において、入口に直に隣接する路よりも大きい幅を有する。好ましくは、反応部は、直接上流の及び／又は下流の流路よりも広い幅を有する。好ましくは、反応部は、約２ｍｍ〜約５ｃｍ、たとえば、約５ｍｍ〜約２ｃｍの平均幅を有する。

好都合なことに、反応部は、上面で少なくとも約４０ｍｍ^２、たとえば、少なくとも約４０ｍｍ^２、少なくとも約６０ｍｍ^２、少なくとも約１００ｍｍ^２の箔面から見える読み取り面積（長さ´幅）を有する。

分析は、好都合なことに、光学的読み取りを含むことができる。
一実施形態では、反応部はターゲット用の捕捉プローブを備える。
ターゲットは、量的又は質的に判定され、直接的又はリンカー分子を介して捕捉プローブによって捕捉可能である任意のターゲットとすることができる。このような捕捉プローブ−ターゲット対は当該技術において周知であり、たとえば、抗体と抗原などを含む。

「ターゲット」という用語は、特定の種類又は成分の１以上の分子を意味する。「２以上又は複数のターゲット」という用語は、２以上又は複数の異なる種類のターゲット成分を意味する。

以下、簡略化のため、「ターゲット」という用語は主に単数で使用するが、別に指定されない限り、「ターゲット」という用語の複数も含むべきである。
「ターゲット」及び「ターゲット成分」という用語は互換可能に使用される。

ターゲットは、結合分析において判定することができる任意の種類のターゲットであってもよい。当業者は、その他の種類の結合分析からの知識を簡易に利用して、適切なターゲット成分及び対応する捕捉プローブを選択することができる。

一実施形態では、ターゲットは、単独の有機分子などの生体分子又は有機体などの有機分子の構造である。高速で比較的低コストで高精度な分析システムは、たとえば、医療産業や食品産業などの分野において需要が高いので、本発明の分析システム及び方法は、当該業界に大きく貢献する。特に、本発明の方法は非常に高速で信頼性が高いため、本発明の分析システム及び方法は、生体分子の量的及び／又は質的判定に特に適する。

本発明の一実施形態では、ターゲットはたとえば、分子又は微生物などの有機体の突然変異体であってもよい。
一実施形態では、ターゲットは、バクテリア、ウィルス又は細菌性の病原体、たとえば、大腸菌、シトロバクター属、エーロモナス属、パスツレラ属、非セログループＤＩサルモネラ、カンピロバクターブドウ球菌属及びそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つなどの微生物である、又はそれを含む。

一実施形態では、ターゲットは、血球、幹細胞又は腫瘍細胞などの細胞である、又はそれを含む。
一実施形態では、ターゲットはタンパク質、ヌクレオチド、炭水化物又は脂質、特に、酵素、抗原又は抗体である、又はそれを含む。

一実施形態では、ターゲットは「ハプテン」である又は「ハプテン」を含む。ハプテンは、タンパク質などの大型の担体に付着するときのみ免疫反応を引き出すことができる小型分子であり、担体は、それ自体は免疫反応を引き出さない担体であってもよい。ハプテンはたとえば、ステロイド、ホルモン、抗生物質又は無機成分であってもよい。

当業者であれば、ターゲットは任意の種類の成分とすることができ、その成分に対する捕捉プローブを設けることができると認識するであろう。
ターゲット及び対応する捕捉プローブは、当該技術において周知である。また、表面に上記捕捉プローブを固定することが周知である。

一実施形態では、捕捉プローブはターゲットに対して特異的である。
２以上のターゲットがある場合、複数群の捕捉プローブを設けてもよい、又はすべてのターゲット成分にとっての捕捉プローブである１種類の捕捉プローブを設けてもよい。

２以上のターゲット成分がある実施形態では、捕捉プローブは、２以上のターゲット成分、たとえば、類似するが同一ではないターゲット成分群に対して特異的である。
本発明の一実施形態では、捕捉プローブは、１以上のターゲット成分を含む成分群に対して特異的である。

一実施形態では、捕捉プローブはたとえば、タンパク質の結合部位であり、それにより、タンパク質の含有量を判定することができる。一実施形態では、捕捉プローブは、予め選択された種類又は群のタンパク質の結合部位である。

一実施形態では、捕捉プローブは、小型の有機分子、たとえば、ステロイドホルモン、抗生物質又はその他の発生源のその他のハプテン分子などのハプテンの結合部位である。
捕捉プローブは、好ましくは、流路の反応部内の表面に固定される。

捕捉プローブは、箔及び／又はベース部の第１の面に固定することができる。一実施形態では、捕捉プローブは、反応部内のベース部の第１の面に固定されることが好ましい。
反応部内のベース部及び／又は箔は、好都合なことに、少なくとも１つの光学素子を備える。光学素子は、好ましくは、蛍光体から発せられる光の方向を変え、好ましくは平行化するように構成される。

一実施形態では、光学素子は、好ましくは、ベース部の第１の面の近傍の蛍光体及び／又は反応部内の箔の近傍の蛍光体から発せられる光の方向を変える、好ましくは平行化するように構成される。「近傍」という用語は、好ましくは、１０ｎｍ以下の距離、たとえば、２ｎｍ以下、１ｎｍ以下、０．１ｎｍ以下の距離を意味する。

概して、箔に光学素子を設けるよりもベース部に光学素子を設けるほうが簡易であるため、光学素子がベース部の一部を形成するのが好ましい。以下、本発明の実施形態は、光学素子をベース部の一部として記載しているが、光学素子は箔の一部を形成することもできると理解すべきである。さらに、反応部内のベース部及び／又は箔はいくつかの光学素子を有してもよいと理解すべきである。一実施形態では、反応部内のベース部及び／又は箔は、少なくとも約４の光学素子、たとえば、少なくとも約１０の光学素子、少なくとも約２０の光学素子、少なくとも約５０の光学素子を備える。

好ましくは、光学素子は、ベース部の第１の面又は反応部内の箔に固定されるターゲット用の捕捉プローブを備える。
光学素子は、好都合なことに、ベース部の成形中に製造することができ、好都合なことに、レンズ構造及び／又は超臨界角蛍光構造（ＳＡＦ構造）を備え、ＳＡＦ構造は、好ましくは上面を有する。レンズ構造及び／又はＳＡＦ構造は、放射光を簡易に読み取ることができるように、反応部内の蛍光体からの放射光の方向を変える機能を有する。好都合なことに、光学素子は放射光を平行化して、読み取ることのできる信号を増幅する作用を果たす。

好ましくは、光学素子はＳＡＦ構造である。
ＳＡＦ構造は、当該技術において周知であり、たとえば、米国特許出願公開第２０１６０１１１１２号明細書、米国特許出願公開第２０１３２３６９８２号明細書及び／又は米国特許出願公開第２００７２６２２６５号明細書に記載されている。

一実施形態では、ＳＡＦ構造は、光学素子が本明細書に記載されるようにマイクロ流体カートリッジの反応部に組み込まれることを除き、従来技術文献米国特許出願公開第２０１６０１１１１２号明細書、米国特許出願公開第２０１３２３６９８２号明細書及び／又は米国特許出願公開第２００７２６２２６５号明細書のいずれかに記載される光学素子である。

好都合なことに、ＳＡＦ構造はベース部の一体部分であり、好ましくは、残りのベース部と同一の材料から成り、好ましくは、射出成形によって製造される。ＳＡＦ構造は凹部の一部に形成されて、反応部を形成する。

別の実施形態では、ＳＡＦ構造は、ベース部の残りの部分に部分的に埋め込まれる又は装着される。一実施形態では、高屈折率の材料など、ベース部の残りの部分の材料と異なる材料でＳＡＦ構造を提供するほうが簡易である。しかしながら、概して、ＳＡＦ構造は残りのベース部と同一の材料からなることが望ましい。

ＳＡＦ構造は、好ましくは、そこから突出する上面を有する、すなわち、ＳＡＦ構造がベース部の一部である場合、上面は箔に対面する。捕捉プローブは、好都合なことに、上面に固定される。ＳＡＦ構造が複数ある場合、各ＳＡＦ構造の上面には、同一又は異なる捕捉プローブが固定されている。

捕捉プローブは、好都合なことに、箔をベース部に固定する前に固定することができる。
好都合なことに、ＳＡＦ構造は、箔に向かって突出する錐台形状を有し、上面が箔に対面する。捕捉プローブは、好ましくは、上面に固定される。

２つの異なる屈折環境のインタフェース又はその近傍の蛍光発光（ルミネッセンス発光とも称される）では、超臨界角（θｃ）超の角度で、光の大部分を高屈折媒体（ｎ２）内へ異方的に放射する（図７を参照）。ＳＡＦ構造は、好都合なことに、高収集効率で、高屈折へ放射される蛍光の大半を収集するように成形される。

ＳＡＦ構造は、反応部内の流体、たとえば、空気などの気体よりも高い屈折率を有する。サンプルが反応部から引き出された場合、捕捉プローブがターゲットを捕捉した後、新鮮なサンプル又は水などの他の流体を反応部に導入することができる。

臨界角よりも大きな角度で伝搬するルミネッセンス発光は、超臨界角光と称される。一般的に、超臨界角光は、たとえば、約６１．５度〜約８０度の角度範囲内で伝搬している。ルミネッセンス信号は励起に応じて異なる形状を有してもよいと理解される。

上面の近傍の近傍で蛍光体から放射される、たとえば、捕捉プローブによって直接的又は間接的に（リンカー分子又はその他の中間分子と共に）捕捉される光の最適な平行化を確保するため、上面の径と突出するＳＡＦ構造の高さが好都合なことに、相互に適合させられる。好都合なことに、表面は、少なくとも約０．０１ｍｍ^２、たとえば、約０．０２ｍｍ^２〜約１ｍｍ^２、約０．０３ｍｍ^２〜約０．８ｍｍ^２、約０．０５ｍｍ^２〜約０．５ｍｍ^２の面積を有する。

上面は、好ましくは、湾曲した、好ましくは約０．０１ｍｍ〜約１ｍｍの径を有する円形の周辺部を有する。
上述したように、別の実施形態では、ＳＡＦ構造は、箔に装着され、構造の第１の面に向かって突出する。

ＳＡＦ構造は、好都合なことに、ベース部から突出する錐台形状を有し、径は上面に向かう突出方向に漸減し、側部が上面に垂直な中心線に対する角度を形成し、その角度は錐台角と称される。

ＳＡＦ構造は、たとえば、四角錐台形状、五角錐台、三角錐台（切取り角錐）又は円錐台から選択される錐台形状を有することができる。
好都合なことに、ＳＡＦ構造は円錐台（円錐形状と称される場合もある）を有する。

所望の平行化を確保するため、錐台角は超臨界角未満である。
好都合なことに、ＳＡＦ構造は、少なくとも約５０度、たとえば、約５５度〜約７５度、約５８度〜約７０度、約５９度〜約６５度、約６０度〜約６１度、好ましくは約６０度の錐台角を有する。

好都合なことに、ＳＡＦ構造は、十分に大きな突出高を有するため、ＳＡＦ構造の上面に固定される蛍光体からの放射光の方向を変えることができる。好ましくは、光は平行化され、ベース部を透過し、ベース部の第２の面から放射されて、そこで光学リーダによって読み取られる。

好ましくは、ＳＡＦ構造は、少なくとも約０．０３ｍｍ、たとえば、少なくとも約０．１ｍｍの突出高を有し、好ましくは、ＳＡＦ構造は、ＳＡＦ構造の上面の最大径の約１倍〜約３倍の突出高を有する。

ＳＡＦ構造の高さは、上面から、ベース部（又はＳＡＦ構造が箔の一部を形成する場合は箔）の残りの部分と接続又は一体化される基部までと判定される。
ＳＡＦ構造（及び好ましくはベース部全体）は、水の屈折率である１．３３よりも高い屈折率を有する。好都合なことに、ＳＡＦ構造は、少なくとも約１．４、たとえば、約１．４５〜約１．６５の屈折率を有する。好適な実施形態では、ＳＡＦ構造は、約１．５９の屈折率のポリスチレンからなる。

温度制御装置はたとえば、ペルティエ素子、薄箔加熱素子及び／又はその他の抵抗加熱素子を備えることができる。
好都合なことに、温度制御素子はペルティエ素子などの熱電気素子であり、好ましくは、熱電気素子は選択された時間構成で冷却及び加熱の両方で動作可能である。

オペレータシステムは一実施形態では、励起光を伝送するエミッタと、光学信号を読み取るリーダとを備えることができる。
リーダ及びエミッタはたとえば、共通ユニットであってもよい。エミッタ／リーダは、たとえば、反応部内のサンプルの温度調節のため作業システムと接する箔面と共に配置されるとき、マイクロ流体カートリッジの第２の面側に配置される。

光学リーダは原則的に、当該波長、すなわち、光学検出部位から取得されると予測される、たとえば、光学検出部位から放射される、光学検出部位で反射する、又は光学検出部位を透過する波長の光線を感知することができる任意の種類の光検出器とすることができる。

好都合なことに、光学リーダは複数の波長リーダである。
一実施形態では、リーダはフォトダイオードアレイ及び／又は光電子倍増管を備える。適切な検出器はたとえば、米国ブリッジウォーター、Ｈａｍａｍａｔｕｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ又は米国サンノゼ、Ａｔｍｅｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能である。

一実施形態では、光学リーダは、好ましくは電荷結合デバイス（ＣＣＤ）リーダの形状のデジタル撮像リーダである。
好都合なことに、ＣＣＤリーダは、３ＣＣＤリーダ又はカラーフィルタモザイクＣＣＤリーダなどのカラーリーダである。

３ＣＣＤリーダは、画像をレッド、グリーン、ブルー成分に分割するダイクロイックビームスプリッタプリズムを備えるＣＣＤリーダである。
色フィルタモザイクＣＣＤリーダは、バイエルマスク、ＲＧＢＷマスク（レッド、グリーン、ブルー、ホワイトフィルタアレイ）又はＣＹＧＭマスク（シアン、イエロー、グリーン、マゼンタフィルタアレイ）などのカラーフィルタを備えるＣＣＤリーダである。

好都合なことに、光学リーダはスペクトロメータであり、スペクトロメータは、好ましくは、少なくとも２つの異なる光線を備える帯域幅で動作するように構成される。
スペクトロメータは、スペクトロスコープと称されることも多く、特定の帯域幅にわたる光の強度又は偏光などの特性を測定するために使用される。

好ましくは、スペクトロメータは、可視光を含む帯域幅にわたる光の強度を判定するように構成される。
一実施形態では、スペクトロメータは、少なくとも２つの異なる光線を含む帯域幅にわたる光の強度を判定するように構成される。

一実施形態では、光学リーダは、蛍光体から発せられる光線を受け取るように配置される複数の光ファイバを備える光ファイバスペクトロメータである。
蛍光体を励起するエミッタは、好都合なことに、ダイオードベースのエミッタであってもよい。

一実施形態では、オペレータシステムは、ピストン、温度調節素子及びアクチュエータから選択される少なくとも１つのオペレータ素子の動作を制御するように構成されるコンピュータシステムを備える。コンピュータシステムは、好ましくは、オペレータ素子の動作を制御するソフトウェアを記憶するメモリを備える。コンピュータシステムは、たとえば、インタフェース及び／又はマイクロ流体カートリッジ上で読み取られるコード（たとえば、バーコード）を介して、コンピュータシステムにロードされるコードにしたがって、所望の分析手順を実行するようにプログラミングすることができる。

好都合なことに、コンピュータは、サンプルを反応部に充填することと、サンプルを加熱及び／又は冷却することと、反応部に向けて励起光を放射することと、反応部内の任意の蛍光体から発せられる信号を読み取ることとを含む分析手順を実行するようにプログラミングされる。分析手順は、反応部に向けて励起光を放射することと、反応部内の任意の蛍光体から発せられる信号を読み取ることの前に、反応部からサンプルを引き出すことを含むことができる。任意で、反応部に向かって励起光を放射することと、反応部内の任意の蛍光体から放射される信号を読み取ることの前に、水などの別の流体が反応部に導入される。

一実施形態では、分析手順は、アクティベータを始動してシンク部を覆う箔を押圧することと、アクティベータを始動してシンク部を覆う箔を少なくとも部分的に解放することと、ピストンを始動して上流バルブ部を閉鎖することと、温度調節素子を始動して、所定の温度計画にしたがって反応部内のサンプルの温度を調節することとを備える。

コンピュータは、好都合なことに、後述の分析の１以上を実行するオペレータ素子を動作させるようにプログラムされる。
一実施形態では、マイクロ流体分析システムは、反応部内の蛍光体を励起するように構成される光源（エミッタ）をさらに備える。光源は、好ましくは、ＳＡＦ構造で捕捉される蛍光体を励起するように構成される。捕捉は直接的でも間接的であってもよい。たとえば、ターゲットは蛍光体を含むことができ、蛍光体は任意でリンカー分子を介してターゲットに捕捉され得る。

蛍光体は、当該技術において周知であり、量的及び質的分析の技術内で広く使用されている。
蛍光体（蛍光色素又は蛍光発色団又はルミネッセンス分子とも称される）は、光エネルギーを吸収することによって励起され、特定波長でエネルギーを再放出することができる分子である。放射されるエネルギーの波長、量及び放射までの時間は、励起状態の分子が周囲の分子と相互作用する場合があるため、蛍光体とその化学的環境の両方に依存する。

励起エネルギーは非常に狭い又はより広い帯域のエネルギーであってもよいし、又は遮断レベル未満のすべてのエネルギーであってもよい。発光エネルギーと波長は通常、励起エネルギーよりも固有であり、ふつうは長波長又は低エネルギーである。

励起エネルギーは紫外光から可視スペクトルにわたり、発光エネルギーは可視光から近赤外線領域まで連続することができる。
概して、より簡易なターゲット成分の質的又は量的判定にとって比較的固有の発光波長及びエネルギーを備えた蛍光体を選択することが望ましい。具体的には、発光波長が比較的固有であることが望ましい、すなわち、好ましくは、判定方法において他の発光と区別できるほど十分に狭い波長帯域を有するべきである。

「比較的固有の波長」という用語は、試験において波長が他の発光波長と区別できることを意味する。
具体的には、いくつかの異なる蛍光体及び任意のいくつかのターゲット成分がある状況では、各自の蛍光体からの放射を相互に区別できるようにそれらの蛍光体が比較的固有の発光波長を有することが好ましい。

蛍光体は任意の種類の蛍光体とすることができる。一実施形態では、蛍光体は、量子ドット又は芳香性プローブ及び／又は共役プローブ、たとえば、フルオレセイン、ベンゼンの誘導体、金属カルコゲナイド蛍光体又はそれらの組み合わせである。

量子ドットの例は米国特許第７４９８１７７号明細書に記載されており、Ｌｉｆｅ Ｔａｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｅｕｒｏｐｅ ＢＶから入手可能である。これらの量子ドットは、広い波長範囲にわたる発光波長を有する１５０超の異なる製品構造、たとえば、発光波長がそれぞれ５２５、５４５、５６５、５８５、６０５、６２５、６５５及びＩＲ７０５、及び８００ｎｍである量子ドットを含む。

量子ドットの他の例は、たとえば、発光波長が５３０、５５０、５８０、５９０、６００、６１０、６２０及び６３０ｎｍに及ぶ発光波長（ｎｍ）の４０超の異なる製品構造と、及びＰＥＧの感応化外側コア又はその他の生体親和性被覆を含む、７２７６４、アーカンソー州スプリングデールのＯｃｅａｎ ＮａｎｏＴｅｃｈから入手可能な量子ドットである。Ｏｃｅａｎ ＮａｎｏＴｅｃｈ製の量子ドットは、たとえば、アミン、ＣＯＯＨ、フェニルボロン酸（ＰＢＡ）などの異なる官能基を有する量子ドット、並びに両親媒性ポリマー及びＰＥＧ被覆を有する量子ドットを含む。ＯｃｅａｎＮａｎｏＴｅｃｈ製の量子ドットのその他の例は、たとえば、トルエン中に、オクタデシルアミン被覆のみ又は両親媒性ポリマー及びＰＥＧ被覆を有して設けられる、ソールコアを有する量子ドットである。

一実施形態では、マイクロ流体分析システムは、好ましくは、蛍光体からの放射光を読み取る光学リーダ、より好ましくは、上述するＳＡＦ構造を介して放射光を読み取るように構成されるリーダをさらに備える。

本発明は、上述するような１以上のＳＡＦ構造を有する反応部を備えたマイクロ流体カートリッジも含む。
本発明は、第１の面と第２の対向面とを有するベース部を備えるマイクロ流体カートリッジも含み、ベース部は第１の面の凹部と、凹部を覆うためにベース部に固定され、マイクロ流体カートリッジ箔面を提供する箔とを有し、凹部及び箔を有するベース部は流路とシンクを形成する。流路は長さを有し、反応部及び上流端と下流端を備える。シンクはシンクの下流の流路と流体連通し、マイクロ流体カートリッジは、反応部の上流の流路への入口開口部を備える。流路は、入口開口部と反応部との間に上流バルブ部を備える。流路のバルブ部はバルブシートを備える。バルブシートは、好ましくは、ベース部の第１の表面に尾根構造を備える。好都合なことに、尾根構造は、凹部のベース部の第１の表面から突出し、凹部の少なくとも一部と交差する。

マイクロ流体カートリッジは、好都合なことに、上述のように設けることができる。
本発明は、上述したようなマイクロ流体分析システムを用いて分析を実行する方法も備える。該方法は、
アクチュエータがシンク部に関連付けられてシンク部を覆う箔を押圧し、ピストンが上流バルブ部で流路に関連付けられて箔を押圧し、反応部の上流の流路を閉鎖する間、反応部が温度調節素子に近接するようにマイクロ流体カートリッジをオペレータシステムに適用することと、
アクティベータを始動してシンク部を覆う箔を押圧することによって、シンクから流体（たとえば、気体）を押し出すことと、
流路の入口でサンプルを加えることと、
アクティベータを始動して、シンク部を覆う箔を少なくとも部分的に解放することによってサンプルを吸引する、好ましくは、サンプルで反応部を少なくとも部分的に満たすことと、
ピストンを始動して上流バルブ部を閉鎖することと、
アクティベータを始動してシンク部を覆う箔を押圧することによって、箔の押圧のない場合の圧力よりも高い圧力を反応部内に加えることと、
温度調節素子を始動して、所定の温度計画にしたがって反応部内のサンプルの温度を調節することと、
を含む。

温度計画はたとえば、温度を３７℃などで一定に所定時間維持し、最高温度まで加熱した後、冷却を実行して低温まで冷却し、その後、温度を上昇させるなどとすることができる。

好都合なことに、オペレータシステムは、少なくとも反応部が、前記温度調節素子に近接して保持されるときに傾斜するように前記マイクロ流体カートリッジを保持する。
上述したように、任意に形成される気泡を反応部の読み取り領域から完全に又は部分的に除去することによって、気泡が確かに読み取りを悪化させないことが判明している。

一実施形態では、少なくとも反応部の中心軸は、少なくとも約３度の傾斜角、たとえば、少なくとも約５度、約１０〜約４５度、約１５〜約３０度の傾斜角で、水平面に対して傾斜する。

一実施形態では、マイクロ流体カートリッジのベース部はほぼ平面状であり、オペレータシステムが、少なくとも約３度、たとえば、少なくとも約５度、約１０〜約４５度、約１５〜約３０度の傾斜角で水平面に対して傾斜した位置でベース部を保持するように、マイクロ流体カートリッジをオペレータシステムに適用する。一実施形態では、反応部内のサンプルは所定時間培養されて、温度計画にしたがって温度調節される。

好都合なことに、培養時間は、３０分未満、たとえば２〜１０分と比較的短い。
流路は下流バルブ部を備えることができ、オペレータシステムは、上述するように下流バルブ部に関連するピストンを備えることができる。本実施形態では、該方法は、好都合なことに、関連するピストンを始動して下流バルブ部を閉鎖することを含み、下流バルブ部は、好ましくは、反応部への圧力の印加後に閉鎖される。これにより、流体が反応部から脱出できないため、反応部に加えられる圧力を非常に安定的に維持することができる。アクチュエータは比較的高精度で特定の圧力を加えるように制御することができるが、長時間にわたって圧力を安定的に保持するようにアクチュエータを動作させるのが困難なことがある。下流バルブ部及び関連するピストンによる閉鎖によって、より簡易に所望の圧力を高精度で保持することができる。

反応部が蛍光体を備える又は蛍光体に関連付けられるターゲット用の捕捉プローブを備える場合、該方法は、好都合なことに、サンプル内のターゲットの存在を量的又は質的に判定することを含み、該方法は、マイクロ流体カートリッジの反応部に向けて励起光を放射することと、光学的に発せられた信号を読み出すこととを備える。

ターゲットが蛍光体と関連付けられるという節は、蛍光体がリンカー分子を介して直接的又は間接的にターゲットに結合するように構成されることを意味する。
上述したように、マイクロ流体カートリッジは、好ましくは、光学素子、より好ましくはＳＡＦ構造を備える。

捕捉プローブがＳＡＦ構造の上部に固定される場合、（捕捉プローブによって捕捉される）近傍の蛍光体のみが、臨界角超の角度でＳＡＦ構造に主に伝搬する光を放射するため、捕捉プローブによって捕捉されない蛍光体を任意で備えるサンプルは、励起と読み取り前に除去する必要はない。サンプル内を自由に流れるその他の蛍光体は、全方向にほぼ均等に光を発することによって拡散される。これにより、ユーザ又はリーダは、何が背景ノイズ（たとえば、拡散される放射光）であり、何が実際の信号であるかを判定することができる。しかしながら、一部の分析では、励起光の放射と読み取り前に、反応部からサンプルを引き出すことが望ましい場合がある。

捕捉プローブが流路の反応部内の表面に固定される実施形態では、該方法は、好都合なことに、ピストンを始動して上流バルブ部及び任意の下流バルブ部を開放させることと、アクティベータを始動して反応部から外へサンプルを吸引すること、好ましくは、サンプルをシンク内に部分的に又は完全に吸引することとを含む。好ましくは、サンプルは、反応部に向けた励起光の放射と読み取りの前に、反応部から外へ吸引される。

一実施形態では、反応部に向けた励起光の放射と読み取りの前に、水などの他の流体が反応部に供給される。
一実施形態では、捕捉プローブは、ベース部又は反応部内の箔の光学素子に固定され、光学素子は、好ましくは、上述したように捕捉プローブに連結される蛍光体からの放射光の方向を変える、好ましくは平行化するように構成される。

励起光は、好ましくは、光学素子が一部を成すマイクロ流体カートリッジの側から光学素子に向けて放射され、すなわち、光学素子がベース部の一部を形成する場合、励起光がマイクロ流体カートリッジのベース側に向けて放射されて、励起光がベース部の第２の表面に衝突する。

光学素子がＳＡＦ構造である場合、励起光は、好ましくは、捕捉プローブによって捕捉される蛍光体を励起するために、励起光がＳＡＦ構造を伝搬するように、ＳＡＦ構造の上面にほぼ垂直な伝搬方向でＳＡＦ構造に向けて放射される。

範囲及び好ましい範囲を含む上述のような本発明及び本発明の実施形態の特徴はすべて、上記の特徴を組み合わせない具体的な理由がない限り、本発明の範囲内で様々に組み合わせることができる。

本発明の上記の及び／又は追加の目的、特徴及び利点は、添付図面を参照した本発明の実施形態の以下の例示的及び非限定的な説明によってさらに明瞭になる。
本発明の一実施形態によるマイクロ流体カートリッジの概略上面図。 本発明の一実施形態によるマイクロ流体カートリッジの概略上面図。 動作時のマイクロ流体分析システムの一実施形態の概略図。 動作時のマイクロ流体分析システムの一実施形態の概略図。 動作時のマイクロ流体分析システムの一実施形態の概略図。 動作時のマイクロ流体分析システムの一実施形態の概略図。 少なくとも反応部が水平面に対して傾斜する図３ｄに対応する図。 本発明の一実施形態によるマイクロ流体カートリッジの斜視図。 マイクロ流体オペレータシステム及び複数のマイクロ流体カートリッジを備えるマイクロ流体分析システムの斜視図。 動作時のマイクロ流体分析システムの一実施形態の概略図であり、反応部はターゲットプローブを備える図。 動作時のマイクロ流体分析システムの一実施形態の概略図であり、反応部はターゲットプローブを備える図。 動作時のマイクロ流体分析システムの一実施形態の概略図であり、反応部はターゲットプローブを備える図。 ＳＡＦ構造の斜視断面図。 別のＳＡＦ構造の断面図。 ベース部がＳＡＦ状構造で成形されるマイクロ流体カートリッジの断面図。 エミッタ−リーダアセンブリを形成するエミッタ及びリーダユニットの概略側面図。 エミッタ及びリーダユニットの発光及び受光面を示す図。 本発明の一実施形態のマイクロ流体分析システムに適したマイクロ流体オペレータシステムを示す図。

図面は概略的であり、明瞭化のために簡略化している。全図面を通じて、同一又は対応する構成部品には同一の参照符号を使用する。
本発明が適用可能な他の範囲は、以下の説明から自明となるであろう。しかしながら、説明及び特定の実施例は、当業者にとって発明の精神と範囲に属する様々な変更及び変形が本説明及び実施例から自明であるため、本発明の好適な実施形態を示しつつも単に例示であると理解すべきである。

図１のマイクロ流体カートリッジは、箔とベース部との間に形成される５つの流路１を備える。マイクロ流体カートリッジは箔側から見られる。各マイクロ流体カートリッジは、反応部２の両側に上流端と下流端を備える。図示されるように、反応部２は流路１の残りの部分よりも幅広い。各路はシンク３と流体連通する。図示する実施形態では、各路は自身のシンク３を有する。変形例では、２以上の路が共通シンクと流体連通することができる。マイクロ流体カートリッジは、流路１用の共通入口４を有する。各流路は、上述したように、マイクロ流体オペレータシステムの関連するピストンによって閉鎖可能な上流バルブ部５をさらに備える。流路は、路に蛍光体６を置くことができ、蛍光体６は、反応部２に配置される、たとえば固定される捕捉プローブによって捕捉可能なターゲットと反応するように適合させられる。反応部を備えるマイクロ流体カートリッジの領域２ａは、好都合なことに、たとえば上述するように反応部２内のサンプルの温度を調節するため、マイクロ流体オペレータシステムの温度調節素子と関連付けられる。

箔は可撓であり、使用時、シンクがマイクロ流体オペレータシステムのアクチュエータによって押圧され、サンプルが入口に与えられ、アクチュエータが箔を解放することによって、サンプルが路内に吸引される。アクチュエータはたとえば、第１の解放ステップでは、サンプルが蛍光体を含む流路１の部分に吸引されるように部分的にのみ解放することができ、そこでサンプルは特定の所定時間、蛍光体６を懸濁する。その後、アクチュエータは、さらに（たとえば、完全に）解放されて、サンプルを反応部２内に引き込むことができる。サンプルは、たとえば上述するように温度調節される。その後、蛍光体により任意で捕捉されるターゲットを光学的に検出することができる。任意で、サンプルは、光学的検出前に、反応部から取り除かれてシンクに入れられる。

図２のマイクロ流体カートリッジは、単独の流路１１と、箔１７とベース部１６との間に形成されるシンク１３とを備える。ベース部１６は、第１の面１６ａ及び第２の対向面１６ｂを有し、第１の面の凹部と、凹部を覆うためにベース部に固定される箔１７とを備える。箔面は、ベース部１６から遠い側の箔１７の面である。

流路は、入口１４からシンク１３までの長さを有し、反応部１２と上流端及び下流端を備え、シンク１３は反応部の下流の流路１１と流体連通する。
ベース部１６は、反応部１２でより薄く、ベース部側１２ａの最適な励起及び読み取りを確保する。

流路１５は、上述するように、マイクロ流体オペレータシステムの関連するピストンによって閉鎖可能な上流バルブ部１５をさらに備える。上流バルブ部１５は、前記ピストンの前記ピストンヘッドによって押圧されるとき箔を封止する封止部を備えたバルブシートを有する。

図３ａ、３ｂ、３ｃ及び３ｄは、動作時のマイクロ流体分析システムの一実施形態を示す。
マイクロ流体分析システムは、マイクロ流体カートリッジと、関連するマイクロ流体オペレータシステムとを備える。マイクロ流体カートリッジは、第１の面と第２の対向面を有するベース部２６を備え、該ベース部は第１の面の凹部と、凹部を覆うためにベース部２６に固定される箔２７とを有する。凹部及び箔２７を有するベース部２６は、流路２１とシンク２３を形成する。マイクロ流体カートリッジは、上述したように、ベース部２６の孔によって形成される入口開口部２４を備える。

孔及び孔を覆う箔１７の外周のベース部の縁部が一滴のサンプルにとって十分大きな空隙を提供するように十分に大きな孔を設けることによって、サンプルが漏れるリスクが低減される。

流路２１は、上流バルブ部２５と反応部２２を備える。
オペレータシステムは、支持フレーム２８、ピストン２９ｂ、温度調節素子２８ａ及びアクチュエータ２９ａを備え、支持フレーム２８、ピストン２９ｂ、温度調節素子２８ａ及びアクチュエータ２９ａは、マイクロ流体カートリッジの箔面が、温度調節素子２８ａの近傍の反応部２２で作業システムと接して位置することができ、アクチュエータ２９ａが、シンク部２３を覆う箔２７を押圧するようにシンク部２３に関連付けられ、ピストン２９ｂが、箔２７を押圧して反応部２２の上流の流路２１を閉鎖するように、上流バルブ部２５で流路２１に関連付けられるように配置される。

図３ａでは、マイクロ流体カートリッジはマイクロ流体オペレータシステムと接して配置されている。図示されるように、反応部２２は温度調節素子２８ａに近接して配置され、アクチュエータ２９ａは、シンク部２３を覆う箔２７を押圧するようにシンク部２３に関連付けられ、ピストン２９ｂは、箔２７を押圧して反応部２２の上流の流路２１を閉鎖するように、上流バルブ部２５で流路２１に関連付けられる。

観察されるように、反応部を覆う箔２７ａは、ベース部に向かって偏向し、反応部の容積を低減させる傾向を有する。この効果は、本明細書で記載されるように圧力が加えられない限り、反応部が流体を備えるときに増大することが判明している。

アクチュエータ２８ａで矢印で示されるように、アクチュエータが始動されて、シンク２３を覆う箔２７を押圧することによって、入口２４を介して流路２１から空気が押し出される。その後、図３ｂに示すように、一滴のサンプルが入口２４に与えられ、アクチュエータが解放されることによって、サンプルが流路２１と反応部２２に吸引される。図３ｃ及び３ｄでは、サンプルが図示されていないが、サンプルはマイクロ流体カートリッジ内にあると解釈すべきである。

図３ｃでは、ピストン２９ｂが始動されて、上流バルブ部２５を閉鎖する。その後、アクチュエータ２９ａが始動されて、シンク２３を覆う箔２７を押圧することによって、反応部内の圧力をわずかに上昇させるため、反応部２２を覆う箔２７ａ’はもはやベース部２６に向けて押圧されないが、ベース部２６から離れるように偏位する、すなわち、わずかに隆起する。

図３ｄは、シンク２３を覆う箔２７を押圧する際のアクチュエータ２９ａを示す。
マイクロ流体カートリッジは、サンプルを反応部２２から除去するために使用することができる引抜き凹部２２ａを備える。ニードルを有するシリンジは、引抜き凹部２２ａで反応部２２まで薄壁を穿孔するために使用することができる。

図３ｅは図３ｄに対応し、オペレータシステムが、少なくとも反応部が水平面に対して傾斜するのを確保する土台Ｆを備える。図示されるように、反応中心の中心軸ＲＣは水平面Ｈに対して傾斜しており、ベース部の平面ＰＢも水平面Ｈに対して傾斜する。傾斜位置のため、反応室内で生成され、たとえば、温度調節によって生じる気泡はシンク部へと移動するため、このような気泡は光学的読み取りを劣化させない。

図４のマイクロ流体カートリッジは、流路３１と、箔とベース部との間に形成されるシンク４３とを備える。マイクロ流体カートリッジは、流路３１への入口３４を備える。流路３１は上流バルブ部３５、反応部３２及び下流バルブ部３５ａを有する。

図５では、図４に示す複数のマイクロ流体カートリッジ３０は、マイクロ流体オペレータシステム４０と共にマイクロ流体分析システムを形成する。図示されるように、マイクロ流体カートリッジ３０のうちの１つが、マイクロ流体オペレータシステム４０のスロットに挿入される。

図６ａ、６ｂ及び６ｃは動作時のマイクロ流体分析システムの一実施形態を示し、反応部は、上述するようなＳＡＦ構造に任意で固定されるターゲットプローブ４２ｂを備える。

マイクロ流体分析システムは、マイクロ流体カートリッジと、関連するマイクロ流体オペレータシステムとを備える。マイクロ流体カートリッジは、第１の面と第２の対向面とを有するベース部４６を備え、ベース部は、第１の面の凹部と、凹部を覆うためにベース部４６に固定される箔４７とを有する。凹部及び箔４７を有するベース部４６は、流路４１とシンク４３を形成する。マイクロ流体カートリッジは、上述したようにベース部４６の孔によって形成される入口開口部２４を備える。

流路４１は上流バルブ部４５と反応部４２を備える。
反応部４２は、ベース部４６、好ましくは、ＳＡＦ構造の上面に固定される捕捉プローブ４２を備える。

オペレータシステムは、支持フレーム４８、ピストン４９ｂ、温度調節素子４８ａ及びアクチュエータ４９ａを備え、支持フレーム４８、ピストン４９ｂ、温度調節素子４８ａ及びアクチュエータ４９ａは、マイクロ流体カートリッジの箔面が、温度調節素子４８ａに近接する反応部４２で作業システムと接して配置することができ、アクチュエータ４９ａがシンク部４３を覆う箔４７を押圧するようにシンク部４３に関連付けられ、ピストン４９ｂが、箔４７を押圧して反応部４２の上流の流路４１を閉鎖するように上流バルブ部４５で流路４１に関連付けられるように配置される。

ベース部４６は反応部４２でより薄いため、ベース部４６内に空隙４２ａを形成して、空隙４２ａでベース部側での最適な励起及び読み取りを確保する。
図６ａでは、マイクロ流体カートリッジは、温度調節素子４８ａに近接して配置される反応部４２で、マイクロ流体オペレータシステムと接して配置されている。

観察されるように、反応部４２を覆う箔４７は、ベース部４６の凹部内にわずかに偏向している。
アクチュエータ４９ａで矢印で示されるように、アクチュエータ４９ａが始動されて、シンク４３を覆う箔４７を押圧することによって、入口４４を介して流路４１から空気を押し出す。一滴のサンプルが入口４４に与えられて、アクチュエータ４９ａが解放されることによって、サンプルが、流路４１と反応部４２とに吸引される。図３ｃでは、サンプルを図示しないが、サンプルは、マイクロ流体カートリッジ内にあると解釈すべきである。

図６ｂでは、ピストン４９ｂが始動されて、上流バルブ部４５を閉鎖する。その後、アクチュエータ４９ａが始動されて、シンク４３を覆う箔４７を押圧することによって、反応部４２内の圧力をわずかに上昇させる。このため、反応部４２を覆う箔４７ａは、ベース部４６の凹部に偏向せず、ベース部４６から離れるように偏向し、すなわち、わずかに隆起する。

図７に示すＳＡＦ構造は、上面５１と錐台角aを有する円錐台形状である。錐台角aは超臨界角（θｃ）よりも小さい。
上面５１の蛍光体に関しては、蛍光の大半は、臨界角の方向で高屈折媒体（ｎ２）に、すなわち、ＳＡＦ構造に放射される。

図８に示すＳＡＦ構造は、ターゲットを捕捉した捕捉プローブを固定した又は蛍光体５２ａに接続された上面を有する円錐台形状である。ＳＡＦ構造は、高さｈ、上面径ｔＤ及び底部径ｂＤを有する。ＳＡＦ構造は、反応部でベース部５６の一部であり、ベース部５６はたとえば、図６ａ、６ｂ及び６ｃに示すように比較的薄い。蛍光体５２ａは、図８に示すように、ベース部側からの励起光を放射することによって励起される。

励起された蛍光体は、サンプル、反応部内の空気又は水よりも屈折率が高いＳＡＦ構造内へ、超臨界角（θｃ）超の角度で異方的に光を放射する。放射光は平行化され、光の円としてリーダによって読み取ることができる。

図９は、マイクロ流体カートリッジの変形を示す。マイクロ流体カートリッジは、流路の反応部６２の断面図で示される。
本実施形態では、ベース部６６は、ＳＡＦ構造を形成する直角を成す台形状断面を有する。ベース部６６は、ターゲットを捕捉した捕捉プローブ６２ａを固定した又は蛍光体６２ａに接続された上面を有する。ベース部６６は、反応部６２を含む流路を形成するため、箔６７に固定される縁部６６ａをさらに備える。

直角を成す台形ＳＡＦ構造は、突出高ｈ、上面径ｔＤ及び底部径ｂＤを有する。
直角を成す台形ＳＡＦ構造により、蛍光体６２ａは、Ｅ１で示される直角を成す台形ＳＡＦ構造の中央部で励起光を放射することによって励起させることができる。若しくは又は同時に、蛍光体６２ａは、Ｅ２で示される直角を成す台形ＳＡＦ構造の側壁６６ｂに向かって励起光を放射することによって間接的に励起させることができる。次に、放出された励起光は、側壁６６ｂで反射されて蛍光体に向かう。蛍光体６２ａからの信号は、２つの平行線であるＲとして読み取ることができる。

図１０に示すエミッタ−リーダアセンブリは、蛍光体の各波長を励起するため、中心波長をそれぞれ有する図示しない複数のダイオードを備えるケース７０を含む。エミッタ−リーダアセンブリは、図示しない蛍光体に向かいマイクロ流体カートリッジの反応部の捕捉プローブによって捕捉される光を誘導するため、各自のダイオードと光学的に結合する複数の光ファイバを備えるエミッタファイバ束７１をさらに備える。エミッタファイバ束７１は、光７９を放射する光ファイバのエミッタ出力端７３に隣接する長手部７２を有する。

長手部７２では、長手部が共通のエミッタ−リーダ長手部７２となるように、エミッタ束７１がリーダファイバ束７６と融合される。共通のエミッタ−リーダ長手部６２は、スリーブ７４によって共に保持される。リーダファイバ束７６は、蛍光体から光信号７９を受け取るように配置されるリーダ入力端７５を有する複数の光ファイバを備える。リーダファイバ束７６はコネクタ７７に固定され、そこで、たとえば、別のファイバ束の形状の導波管７８を介して、スペクトロスコープなどの図示しない読み取りユニットに接続される。

エミッタ出力端７３とリーダ入力端７５は、好都合なことに、所定のパターンで配置される。所定のパターンは、好都合なことに、たとえば、高励起率及び高読み取り率を取得するように選択される。エミッタ出力端７３は、好都合なことに、リーダ入力端７５に包囲されて、蛍光体の最適な励起及び蛍光体からの放射光の読み取りを確保する。

図１１は、エミッタ及びリーダユニットの発光及び受光面を示し、たとえば、エミッタ出力端７３とリーダ入力端７５は所望の所定パターンで配置され、エミッタ出力端７３は中央部に配置され、リーダ入力端７５はエミッタ出力端７３を囲む。

図１２は本発明の一実施形態のマイクロ流体分析システムに適したマイクロ流体オペレータシステムを示す図である。マイクロ流体オペレータシステムは、好ましくは、マイクロ流体カートリッジを挿入するスロットを備え、好ましくは、蛍光体を励起するエミッタと、蛍光体からの放射信号を読み取るリーダと組み合わせた、上述される作業システムを備える。

図面は概略的であり、明瞭化のために簡略化している。全図面を通じて、同一又は対応する構成部品には同一の参照符号を使用する。

Claims (15)

1. マイクロ流体カートリッジと、関連するオペレータシステムとを備えるマイクロ流体分析システムであって、前記マイクロ流体カートリッジが第１の面及び第２の対向面を有するベース部を備え、前記ベース部が前記第１の面の凹部と、前記ベース部に固定されて前記凹部を覆いかつ前記マイクロ流体カートリッジの箔面を形成する箔とを有し、前記凹部及び前記箔を有する前記ベース部が流路及びシンク部を形成し、前記流路が長さを有しかつ反応部と上流端及び下流端とを備え、前記シンク部が前記反応部の下流の流路と流体連通し、前記マイクロ流体カートリッジが前記反応部の上流の前記流路への入口開口部を備え、
   前記オペレータシステムがピストン、温度調節素子、アクチュエータを備え、前記マイクロ流体カートリッジの前記箔面が前記温度調節素子と近接する前記反応部で前記オペレータシステムと接して配置されるように構成され、前記アクチュエータが前記シンク部と関連付けられて前記シンク部を覆う前記箔を押圧し、前記ピストンが上流バルブ部で前記流路と関連付けられて前記箔を押圧し、前記反応部の上流の流路を閉鎖する、マイクロ流体分析システム。
2. 前記オペレータシステムが、少なくとも前記反応部が前記温度調節素子に近接して保持されるときに傾斜するように、前記マイクロ流体カートリッジを保持するように構成されている、請求項１に記載のマイクロ流体分析システム。
3. 前記流路への前記入口開口部が、前記上流端に配置され、前記入口開口部が前記ベース部を貫通する孔によって提供される、請求項１又は２に記載のマイクロ流体分析システム。
4. 前記流路の前記上流バルブ部がバルブシートを備える、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載のマイクロ流体分析システム。
5. 前記上流バルブ部が前記ピストンによって閉鎖されると、前記上流バルブ部から下流の前記流路と前記シンク部とが閉鎖容積を構成する、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載のマイクロ流体分析システム。
6. 前記反応部がターゲット用の捕捉プローブを備える、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載のマイクロ流体分析システム。
7. 前記反応部の内側の前記ベース部及び又は前記箔が少なくとも１つの光学素子を備え、前記光学素子が、前記ベース部の前記第１の面の近傍で蛍光体からの放射光の方向を変えるか平行化するように構成される、請求項１〜６のうちいずれか一項に記載のマイクロ流体分析システム。
8. 前記光学素子がレンズ構造及び／又は超臨界角蛍光構造としてのＳＡＦ構造を備える、請求項７に記載のマイクロ流体分析システム。
9. 前記光学素子はＳＡＦ構造を備え、
   前記ＳＡＦ構造が、上面を前記箔に対面させつつ前記箔に向かって突出する錐台形状を有し、
   前記上面に対して、捕捉プローブが固定される、請求項８に記載のマイクロ流体分析システム。
10. 前記ＳＡＦ構造が１．３３よりも高い屈折率を有する、請求項８又は９に記載のマイクロ流体分析システム。
11. 前記温度調節素子が熱電気素子である、請求項１〜１０のうちいずれか一項に記載のマイクロ流体分析システム。
12. 前記オペレータシステムが、前記ピストン、前記温度調節素子及び前記アクチュエータから選択される少なくとも１つのオペレータ素子の動作を制御するために構成されるコンピュータシステムを備える、請求項１〜１１のうちいずれか一項に記載のマイクロ流体分析システム。
13. 前記コンピュータシステムが分析手順を実行するようにプログラミングされ、前記分析手順が、アクティベータを始動して前記シンク部を覆う箔を押圧することと、前記アクティベータを始動して前記シンク部を覆う箔を少なくとも部分的に解放することと、前記ピストンを始動して前記上流バルブ部を閉鎖することと、前記温度調節素子を始動して、所定の温度計画にしたがって前記反応部の内側のサンプルの温度を調節することとを含む、請求項１２に記載のマイクロ流体分析システム。
14. 請求項１〜１３のうちいずれか一項に記載のマイクロ流体分析システムを用いる分析実行方法であって、
    前記反応部が前記温度調節素子に近接するように前記オペレータシステムに前記マイクロ流体カートリッジを適用し、前記アクチュエータが前記シンク部に関連付けられて前記シンク部を覆う前記箔を押圧し、前記ピストンが上流バルブ部で前記流路に関連付けられて前記箔を押圧し、前記反応部の上流の流路を閉鎖することと、
    アクティベータを始動して、前記シンク部を覆う前記箔を押圧することによって、前記シンク部から流体を押し出すことと、
    流路の入口でサンプルを加えることと、
    前記アクティベータを始動して、前記シンク部を覆う前記箔を少なくとも部分的に解放することによって、前記サンプルを吸引することと、
    前記ピストンを始動して、前記上流バルブ部を閉鎖することと、
    前記アクティベータを始動して前記シンク部を覆う前記箔を押圧することによって、前記箔の押圧がなかった場合よりも高い圧力を前記反応部に加えることと、
    前記温度調節素子を始動して、所定の温度計画にしたがって前記反応部の内側の前記サンプルの温度を調節することと
    を備える、分析実行方法。
15. 前記流路が前記反応部の下流側に配置される下流バルブ部を備え、
    前記オペレータシステムが前記下流バルブ部の関連するピストンを備え、
    前記分析実行方法は、前記関連するピストンを始動して、前記下流バルブ部を閉鎖することを備える、請求項１４に記載の分析実行方法。

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