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技術 試料導入から結果出力までのプロセス化を提供する単一構造バイオチップおよび製造方法

出願人 アンディ・コーポレイション
発明者 リチャード・エフ・セルデンユージーン・タン
出願日 2018年10月30日 (8ヶ月経過) 出願番号 2018-204075
公開日 2019年4月18日 (3ヶ月経過) 公開番号 2019-058172
状態 未査定
技術分野 微生物・酵素関連装置 自動分析、そのための試料等の取扱い マイクロマシン
主要キーワード 機械ダイ 空気圧駆動装置 インターフェイス領域 配列ガイド バルブ番号 流体層内 閉鎖通路 空気圧流
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図面 (20)

課題

試料導入から結果生成までの複雑なプロセスのすべての工程をオペレーターの介在なしに統合するためのバイオチップの製造方法の提供。

解決手段

一連の設定された処理工程において、機器サブシステムにより実行されるマイクロ流体特徴およびマクロ流体特徴を含む。高い特徴密度を有するこれらの複雑なバイオチップの射出成形による製造方法も提供される。

概要

背景

1990年代、「小型全化学分析システム」または「マイクロ−TAS」の用語を創り出したマンツは、マイクロ流体工学理論的基礎をさらに明らかにし、彼が考えているものが次世代のマイクロ流体デバイスであることを明確にした。マンツは、それらデバイスによりすべての必要な試料処理工程が実行されるべきであることを提案した。マンツが定めた目的は、マイクロ流体の現代における大きなゴール確立するのに寄与した:オペレーターが介在することなく、試料の注入から結果生成までの複雑な一連の処理工程を実行できる、綜合、すなわち、完全に統合された分析ステムを実現する。それは、複雑な一連の試料操作および処理工程を統合することを約束するものであり、それにより、「チップ上の実験室」(laboratory on a chip)というフレーズの使用が広まった。

最初の初期努力の後も遠心システムについての研究が継続され、マイクロ流体コンパクトディスクドライブを用いる、サンドイッチ免疫アッセイ用の商用遠心システムが完成した。しかし、そのシステムは完全には統合されておらず、より正確には、ワークステーションというべきものであって、試薬ロボット的にコンパクトディスクへと移送、およびコンパクトディスクから移送される。また、免疫アッセイは非常に簡単であり、試料を捕捉カラムを通過させることにより行う。そのシステムは、試薬コストを低減させるためにマイクロ流体体積を用いたが、完全に統合されたシステムを提供するというマイクロ流体工学上の目的も、複雑な一連の試料操作および処理工程を統合するというマイクロ流体工学上の目的も実現できていない。

同様に、他の研究者が、全血液から血漿分別するために、ソフトエンボスを用いてポリメチルメタクリレート)(PMMA)の中にスピニングバイオチップ(spinning biochip)を作製した。血液試料中の種々の対象被検質の測定のために、スピニングマイクロ流体バイオチップの適用がなされている。しかしながら、血液試料中の対象被検質の量を確認するといった簡単な分析試験のために、デバイスが開発された。試料は、複雑な一連の試料操作および処理工程に供されることはなく、20年間の開発の後でも、確立された従来のアッセイに関しては大きな信頼性の問題が存在している。

一般的に、CD系バイオチップは、大きな欠点と限界を抱えている。まず、それらは、複雑なプロセスに対応できない。これらのバイオチップは、特定の細胞の分離(従来の遠心装置代替する)や高処理量免疫アッセイ(従来のアッセイの混合およびインキュベーションを代替する)等の比較的簡単なプロセスに限定されている。二番目に、流体移動駆動力として遠心の利用には限界がある。例えば、バイオチップを回転させる必要があることは、試料を間接的に導入しなければならない場合(マニュアル操作または別の機器が必要である)または試料を直接的に導入しなければならない場合(例えば、採血用の管またはスワブ遠心処理に供する必要がある)のいずれの場合であっても、試料の取扱方法に対して明らかな限界をもたらす。また、スピニングバイオチップのプロセスフローは単一方向的であり、バイオチップの半径が、試料の処理を行うのに利用できる領域を制限する(プロセスの複雑性を制限する要因の1つ)。

同時に、CD系バイオチップの代替物についても研究されてきた。多くのグループが、SBS[生体分子スクリーニング協会(Society for Biomolecular Screening)、マイクロプレート標準開発委員会(Microplate StandardsDevelopment Committee)、ANSI/SBS1、ダンベリー、コネチカット州、2004]基準を用いるマイクロリッタープレートを利用したマイクロ流体バイオチップについて研究している。SBSは、マイクロタイタープレート用の一連の公表された標準を開発し、該マイクロタイタープレートは、フットプリント(127.76×85.48mm、10,920.9mm2)、高さ、外側フランジの大きさを有する底部(bottom outside flange dimensions)およびウェル位置を有している。これらの標準は、用いる作製方法に関係なく、商用製造業者およびアカミックグループによって用いられている。マイクロ流体マイクロタイタープレートは、DNA精製およびタンパク質結晶化を含む多くのプロセスのために開発された。これらのバイオチップは、導入に先立って前処理が必要であり、DNA精製処理の2工程のみで使用され、処理のDNA生成物の分析には使用されない。

同様に、ナノリッター体積の試薬、生細胞顕微鏡観察時の培地交換、および細胞と試薬の分配等の作業のために、他のグループはSBS標準に基づいて矩形のマイクロ流体プレートを用いている。さらに別の研究者は、ウェル内への試薬の分配を高処理量で行うロボットシステムに矩形のバイオチップを適用した。別のグループは、ウェルインウェル(well-in-a-well)のデバイスにおける生物学的信号増幅によるタンパク質検出のための矩形バイオチップを開発した。

バイオチップ開発の進展とともに、SBS形式におけるマイクロ流体特性の使用に基づいた多くの「統合流体回路」が商業化された。例えば、バイオチップは、48SNPsのそれぞれに対して48個の試料を調べることのできるアレイを用いて、一塩基多型(SNP)遺伝子型判定を行う。その方法は、最初に、精製されたDNAと反応混合物をマイクロ流体プレートの外側に準備し、該プレートをコントローラーの上に置き、該プレートを刺激し、試薬を加え該プレート上で45分以上混合し、PCRのために該プレートを熱循環器の上に置き、および該プレートを蛍光検出装置に移動させる、ことにより行われる。これらのバイオチップは、導入に先立って前処理が必要で、チップ上での試料処理の間に複数のマニュアル操作が必要で、試薬を取り込まず、および処理で得られるDNA生成物の分析を行わない。

同様の商業的アプローチは、SBS標準ウェルプレートの中にミクロンスケールフローセルデバイスを統合させるウェルプレートマイクロ流体工学を用いて、血小板接着力を測定するものである。その方法には多くの前処理工程が必要で、その前処理工程には、マイクロ流体流路を覆うために対象タンパク質手作業で導入すること、流路灌流すること、洗浄対象細胞試料を手作業で用意すること、マイクロ流体流路に細胞試料を添加すること、およびさらなる処理と分析のために該プレートをワークステーションの上に置くことが含まれる。同様のアプローチが、上皮細胞を種々の化合物に対して露出させることによる傷治療の研究に適用されている。これらのバイオチップは、導入に先立って、広範な試料前処理を必要とする。

従来技術のマイクロ流体バイオチップの大多数は、バイオチップを作製するため、シリコンまたはガラス等の材料を使用することに基づいている。しかしながら、大量の商業用途のために作製するにはシリコンおよびガラスのバイオチップは法外に高価であり(1個のバイオチップが数千ドルもする)、使い捨て用途には実用的ではない。さらに、これらバイオチップを再利用しようというニーズには、限りなく汚染するという問題(人間の同一性臨床診断の問題)や、もし機器内での再利用のためにバイオチップが作製される場合には機器の複雑化の問題があり、およびもし機器外での再利用のためにバイオチップが作製される場合には物流の問題がある。

概要

試料導入から結果生成までの複雑なプロセスのすべての工程をオペレーターの介在なしに統合するためのバイオチップの製造方法の提供。一連の設定された処理工程において、機器サブシステムにより実行されるマイクロ流体特徴およびマクロ流体特徴を含む。高い特徴密度を有するこれらの複雑なバイオチップの射出成形による製造方法も提供される。

目的

そのシステムは、試薬コストを低減させるためにマイクロ流体体積を用いたが、完全に統合されたシステムを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

空気圧サブシステム、熱サブシステム高電圧サブシステム、光学サブシステム、およびプロセスコントローラーを備えた電気泳動機器の中に挿入すると、少なくとも1つの試料から核酸配列決定またはサイジング特性を生成させるバイオチップであって、流体サブアセンブリーおよび空気圧サブアセンブリーに接続され、試料を受けるために取り付けられた少なくとも1つのチャンバーを含む、マクロ流体処理サブアセンブリー流体プレート、並びに少なくとも1つの流体移動流路および熱サブシステムに接続するように取り付けられた増幅チャンバーを含む前記流体サブアセンブリー、前記の機器の前記空気圧サブシステム、および前記バイオチップの前記のサブアセンブリー群に接続するように取り付けられ、空気圧プレートと、前記プロセスコントローラーからの指示に基づいて流体空気圧で移動させる1つまたは複数の駆動ラインとを含む前記空気圧サブアセンブリー、前記の機器の前記の高電圧サブシステムおよび光学サブシステムおよびプロセスコントローラーに接続するように取り付けられ、分離流路を含む分離および検出サブアセンブリーであって、前記の各流路から前記機器の前記光学サブシステムへと信号を送るように配置された検出領域をさらに含む該分離および検出サブアセンブリー、を備え、前記バイオチップが、プラスチック製で、固定型で、単一構造であり、流体プレートおよび/または空気圧プレートのフットプリントが、約86mm×128mmまたはそれより大きい、該バイオチップ。

請求項2

前記流体プレートおよび/または空気圧プレートのフットプリントが約100×150mmまたはそれより大きい請求項1記載のバイオチップ。

請求項3

前記流体プレートおよび/または空気圧プレートのフットプリントが約115×275mmまたはそれより大きい請求項2記載のバイオチップ。

請求項4

前記流体プレートおよび/または空気圧プレートのフットプリントが約140×275mmまたはそれより大きい請求項3記載のバイオチップ。

請求項5

前記流体プレートおよび/または空気圧プレートのフットプリントが約165×295mmまたはそれより大きい請求項4記載のバイオチップ。

請求項6

空気圧サブシステム、熱サブシステム、高電圧サブシステム、光学サブシステム、およびプロセスコントローラーを備えた電気泳動機器の中に挿入すると、少なくとも1つの試料から核酸の配列決定またはサイジング特性を生成させるバイオチップであって、流体サブアセンブリーおよび空気圧サブアセンブリーに接続され、試料を受けるために取り付けられた少なくとも1つのチャンバーを含む、マクロ流体処理サブアセンブリー、流体プレート、並びに少なくとも1つの流体移動流路および熱サブシステムに接続するように取り付けられた増幅チャンバーを含む前記流体サブアセンブリー、前記の機器の前記空気圧サブシステム、および前記バイオチップの前記のサブアセンブリー群に接続するように取り付けられ、空気圧プレートと、前記プロセスコントローラーからの指示に基づいて流体を空気圧で移動させる1つまたは複数の駆動ラインとを含む前記空気圧サブアセンブリー、前記の機器の前記の高電圧サブシステムおよび光学サブシステムおよびプロセスコントローラーに接続するように取り付けられ、分離流路を含む分離および検出サブアセンブリーであって、前記の各流路から前記機器の前記光学サブシステムへと信号を送るように配置された検出領域をさらに含む該分離および検出サブアセンブリー、を備え、前記バイオチップが、プラスチック製で、固定型で、単一構造であり、流体プレートおよび/または空気圧プレートのフットプリントは、10,920.0mm2未満であり、SBS標準に一致していない、該バイオチップ。

請求項7

空気圧サブシステム、熱サブシステム、高電圧サブシステム、光学サブシステム、およびプロセスコントローラーを備えた電気泳動機器の中に挿入すると、少なくとも1つの試料から核酸の配列決定またはサイジング特性を生成させるバイオチップであって、流体サブアセンブリーおよび空気圧サブアセンブリーと接続し、自身の中または上に配置された少なくとも1つのマクロ流体特徴を含み、試料を受けることのできるチャンバーをさらに含む、マクロ流体処理サブアセンブリー、流体プレート、および該流体プレートの中または上に配置された少なくとも1つの特徴を含み、少なくとも1つの流体移動流路および熱サブシステムに接続するように取り付けられた増幅チャンバーをさらに含む該流体サブアセンブリー、前記の機器の前記空気圧サブシステム、および前記バイオチップの前記のサブアセンブリー群に接続するように取り付けられ、空気圧プレートと、該空気圧プレートの中または上に配置された少なくとも1つの特徴を含み、前記プロセスコントローラーからの指示に基づいて流体を空気圧で移動させる1つまたは複数の駆動ラインをさらに含む前記空気圧サブアセンブリー、前記の機器の前記の高電圧サブシステムおよび光学サブシステムおよびプロセスコントローラーに接続するように取り付けられ、中または上に配置された少なくとも1つの特徴を有する分離および検出サブアセンブリーであって、分離流路、および前記の各流路から前記機器の前記光学サブシステムへと信号を送るように配置された検出領域をさらに含む該分離および検出サブアセンブリー、を備え、前記バイオチップが、プラスチック製で、固定型で、単一構造であり、流体サブアセンブリー、空気圧サブアセンブリー、および/または分離および検出サブアセンブリーの1つまたは複数の特徴の物理的状態が、25またはそれより多い設定された処理において変化するように取り付けられている、該バイオチップ。

請求項8

工程数が50またはそれより多い請求項7記載のバイオチップ。

請求項9

工程数が100またはそれより多い請求項8記載のバイオチップ。

請求項10

工程数が200またはそれより多い請求項9記載のバイオチップ。

請求項11

25またはそれより多く設定された処理工程が、結果として2またはそれより多い処理工程となる請求項7記載のバイオチップ。

請求項12

空気圧サブシステム、熱サブシステム、高電圧サブシステム、光学サブシステム、およびプロセスコントローラーを備えた電気泳動機器の中に挿入すると、少なくとも1つの試料から核酸の配列決定またはサイジング特性を生成させるバイオチップであって、流体サブアセンブリーおよび空気圧サブアセンブリーに接続され、試料を受けるために取り付けられた少なくとも1つのチャンバーを含む、マクロ流体処理サブアセンブリー、上面と底面を有し、該上面と底面の上にはパターンを付与された熱可塑性シートが結合されている流体プレートを有し、該プレートの各面の上に少なくとも1つの流体移動流路と、前記熱サブシステムに接続された増幅チャンバーとを形成する前記流体サブアセンブリー、前記の機器の前記空気圧サブシステムおよび前記バイオチップのサブセンブリー群に接続するように取り付けられ、パターンを付与された熱可塑性シートが結合された上面を有する空気圧プレートと、前記プロセスコントローラーの指示に基づいて流体を空気圧で移動させる1つまたは複数の駆動ラインを有する前記空気圧サブアセンブリー、前記流体サブアセンブリーと前記空気圧サブアセンブリーとの間に配置されそれらを接続するバルブサブアセンブリー、および前記の機器上の前記の高電圧サブシステム、光学サブシステムおよびプロセスコントローラーに接続するように取り付けられた、分離および検出サブアセンブリーであって、少なくとも1つの分離流路を含み、該少なくとも1つの分離流路から前記の機器上の前記光学サブシステムへと信号を送るように配置された検出領域をさらに含む、該バイオチップ。

請求項13

前記の分離および検出サブアセンブリーがプラスチックである請求項12記載のバイオチップ。

請求項14

前記のマクロ流体サブシステム、空気圧サブシステム、流体サブシステム、並びに分離および検出サブシステムがプラスチックである請求項12記載のバイオチップ。

請求項15

前記バルブサブアセンブリーが、少なくとも1つの弾性体バルブを含む請求項12記載のバイオチップ。

請求項16

前記バルブサブアセンブリーが、少なくとも1つの非弾性体バルブを含む請求項12記載のバイオチップ。

請求項17

前記流体プレートを通過する試料の一般的な流れとは反対の方向に、前記の分離および検出サブアセンブリー内での試料の電気泳動が行われるように、前記の分離および検出サブアセンブリーが配置されている請求項12記載のバイオチップ。

請求項18

少なくとも1つの試料を処理するのに必要なすべての試薬バイオチップ内に含まれている請求項12記載のバイオチップ。

請求項19

前記流体プレートおよび/または空気圧プレートのフットプリントが約86×128mmまたはそれより大きい請求項12記載のバイオチップ。

請求項20

前記流体プレートおよび/または空気圧プレートのフットプリントが約100×150mmまたはそれより大きい請求項12記載のバイオチップ。

請求項21

前記流体プレートおよび/または空気圧プレートのフットプリントが約115×275mmまたはそれより大きい請求項12記載のバイオチップ。

請求項22

前記流体プレートおよび/または空気圧プレートのフットプリントが約140×275mmまたはそれより大きい請求項12記載のバイオチップ。

請求項23

前記流体プレートおよび/または空気圧プレートのフットプリントが約160×295mmまたはそれより大きい請求項12記載のバイオチップ。

請求項24

バイオチップのフットプリントが約10,920.0mm2未満であり、SBS標準とは一致しない請求項12記載のバイオチップ。

請求項25

バイオチップとプロセスコントローラーを含む、生物学的試料の処理システムであって、該バイオチップは、空気圧サブシステム、熱サブシステム、高電圧サブシステム、光学サブシステム、およびプロセスコントローラーを備えた電気泳動機器の中に挿入すると、少なくとも1つの試料から核酸の配列決定またはサイジング特性を生成させるバイオチップであって、該バイオチップが、流体サブアセンブリーおよび空気圧サブアセンブリーに接続され、試料を受けるために取り付けられた少なくとも1つのチャンバーを含む、マクロ流体処理サブアセンブリー、上面と底面を有し、該上面と底面の上にはパターンを付与された熱可塑性シートが結合されている流体プレートを有し、該プレートの各面の上に少なくとも1つの流体移動流路と、前記熱サブシステムに接続された増幅チャンバーとを形成する前記流体サブアセンブリー、前記の機器の前記空気圧サブシステムおよび前記バイオチップのサブセンブリー群に接続するように取り付けられ、パターンを付与された熱可塑性シートが結合された上面を有する空気圧プレートと、前記プロセスコントローラーの指示に基づいて流体を空気圧で移動させる1つまたは複数の駆動ラインを有する前記空気圧サブアセンブリー、前記流体サブアセンブリーと前記空気圧サブアセンブリーとの間に配置されそれらを接続するバルブサブアセンブリー、および前記の機器上の前記の高電圧サブシステム、光学サブシステムおよびプロセスコントローラーに接続するように取り付けられた、分離および検出サブアセンブリーであって、少なくとも1つの分離流路を含み、該少なくとも1つの分離流路から前記の機器上の前記光学サブシステムへと信号を送るように配置された検出領域をさらに含み、前記の機器の前記プロセスコントローラーが、25またはそれより多い、自動化された設定処理工程を実行する指示を有する、該処理システム。

請求項26

前記の設定処理工程が、結果として2またはそれより多い処理工程となる請求項25記載のシステム。

請求項27

バイオチップの製造方法であって、流体上面、流体底面、および該流体上面から該流体底面へと延在し、該流体上面と該流体底面とを接続する少なくとも1つのスルーホールを有し、該流体上面と該流体底面が、それぞれ複数のマイクロ流体特徴を有する流体プレートを射出成形し、空気圧上面、空気圧底面、および該空気圧上面から該空気圧底面へと延在し、該空気圧上面と該空気圧底面とを接続する少なくとも1つのスルーホールを有し、該空気圧上面と該空気圧底面が、それぞれ複数のマイクロ流体特徴を有する空気圧プレートを射出成形し、前記空気圧プレートと前記流体プレートを配列させる、ことを含み、前記流体プレートおよび/または前記空気圧プレートのフットプリントが、86mm×128mmまたはそれより大きく、および流体プレートおよび/または空気圧プレートの複数のマイクロ流体特徴の少なくとも1つが2度未満の抜け勾配(draft angle)を有する、該バイオチップの製造方法。

請求項28

前記流体プレートおよび/または空気圧プレートのフットプリントが約100×150mmまたはそれより大きい請求項27記載の方法。

請求項29

前記流体プレートおよび/または空気圧プレートのフットプリントが約115×275mmまたはそれより大きい請求項28記載の方法。

請求項30

前記流体プレートおよび/または空気圧プレートのフットプリントが約140×275mmまたはそれより大きい請求項29記載の方法。

請求項31

前記流体プレートおよび/または空気圧プレートのフットプリントが約165×295mmまたはそれより大きい請求項30記載の方法。

請求項32

前記バイオチップのフットプリントが約10,920.0mm2未満であり、SBS標準とは一致しない請求項27の方法。

請求項33

請求項27の方法で製造されたバイオチップ。

請求項34

前記流体プレートおよび/または空気圧プレートのフットプリントが約100×150mmまたはそれより大きい請求項33記載のバイオチップ。

請求項35

前記流体プレートおよび/または空気圧プレートのフットプリントが約115×275mmまたはそれより大きい請求項34記載の方法。

請求項36

前記流体プレートおよび/または空気圧プレートのフットプリントが約140×275mmまたはそれより大きい請求項35記載の方法。

請求項37

前記流体プレートおよび/または空気圧プレートのフットプリントが約165×295mmまたはそれより大きい請求項36記載の方法。

請求項38

前記バイオチップのフットプリントが約10,920.0mm2未満であり、SBS標準とは一致しない請求項33の方法。

請求項39

流体サブアセンブリーおよび空気圧サブアセンブリーと流体連絡するマクロ流体処理サブアセンブリーを有する単一構造バイオチップの中で、少なくとも1つの未処理試料について、試料導入から結果出力まで自動化された電気泳動を行う方法であって、以下の工程を含む:マクロ流体処理サブアセンブリーの中のチャンバーの中に、少なくとも1つの未処理試料を挿入する;空気圧サブシステム、熱サブシステム、高電圧サブシステム、光学システム、およびプロセスコントローラーを有する機器であって、該プロセスコントローラーが予め設定された処理スクリプトを受け容れ、および該処理スクリプトを読み取るとともに空気圧サブシステム、熱サブシステム、高電圧サブシステム、および光学システムを制御することにより該処理スクリプトを自動的に実行する該機器の中にバイオチップを挿入する;前記プロセスコントローラーを作動させて処理スクリプトを実行させる、ここで該処理スクリプトは以下の指示を含む:空気圧サブシステムから空気圧サブアセンブリーのバルブラインへ圧力を加える、または空気圧サブアセンブリーと流体連絡させることにより、バイオチップを初期化すること;空気圧サブシステムからマクロ流体処理サブアセンブリーに圧力を加えて、該マクロ流体処理サブアセンブリーの中に貯蔵されていた試薬を放出させ、空気圧サブシステムから放出された試薬に圧力を加えて、未処理の試料から細胞溶解物を形成させ、空気圧サブシステムから圧力を加えて、流体サブアセンブリーの中の精製フィルターを通して溶解物保管チャンバーの中へ取り出して、溶解物の中のDNAをフィルターに結合させ、空気圧サブシステムから圧力を加えて、マクロ流体処理サブアセンブリーに貯蔵されている洗浄液を、精製フィルターを通して流し、結合しているDNAから汚染物を除去することにより、未処理の試料からDNAを精製する;圧力を加えて空気を精製フィルターに流して結合したDNAを乾燥させ、空気圧サブシステムから圧力を加えて、マクロ流体処理サブアセンブリーの中に貯蔵されている溶出液を放出させて結合しているDNAを精製フィルターから遊離させ、精製されたDNAを含む溶出液を生成させること;空気圧サブシステムから空気圧サブアセンブリーへ圧力を加えて、凍結乾燥されたPCR反応合物を含む再構成チャンバーへと溶出液を移動させること;再構成されたPCR反応混合物を、流体サブアセンブリーの中の熱サイクルチャンバーへと移動させること;熱サイクルプロトコルを開始して熱サイクルチャンバーを加熱し、該PCR混合物から標識されたアンプリコンを生成させること;空気圧サブシステムから空気圧サブアセンブリーに圧力を加えることにより、標識されたアンプリコンと、マクロ流体処理サブアセンブリーに貯蔵されているホルムアミド試薬とを結合チャンバーへと移動させ;標識されたアンプリコンとホルムアミド試薬とがホルムアミドPCR生成物の混合物を生成すること;空気圧サブシステムから空気圧サブアセンブリーに圧力を加えることにより、ホルムアミドPCR生成物の混合物を、ILSケーキと混合するために、ILSケーキチャンバーに流動させて移動させ、分離試料検出試料を生成させること;空気圧サブシステムから空気圧サブアセンブリーに圧力を加えることにより、分離試料と検出試料を、流体サブアセンブリーの中のカソードチャンバーに移動させること;高電圧サブシステムから電圧を加えて、該カソードと該アノードバイアスをかけることにより、分離と検出を分離するための流体工学サブアセンブリーのカソードとアノードを用意すること;空気圧サブシステムから空気圧サブアセンブリーに圧力を加えることにより、流体サブアセンブリーの中のゲル試薬貯蔵部から、流体サブアセンブリーのカソードチャンバーと廃棄チャンバーへとゲルを移動させること;注入し、高電圧サブシステムから電圧をカソードとアノードに印加することにより、分離流路の分離試料と検出試料を分離すること;および光学サブシステムのレーザーを作動させることにより、分離試料と検出試料の分離された成分の蛍光を発生させること;および分離された成分の蛍光信号を自動的に検出することにより、少なくとも1つの未処理試料から、分離および検出試料の結果を提供する。

請求項40

少なくとも1つの生物学的試料に対して、少なくとも2つのタイプの、試料導入から結果出力までの処理を提供するシステムであって、該システムは、固定型バイオチップと、該固定型バイオチップとインターフェイスで接続された、空気圧サブシステム、熱サブシステム、高電圧サブシステム、および光学サブシステム、およびプロセスコントローラーとを含む機器を有し、該固定型バイオチップは、流体サブアセンブリーおよび空気圧サブアセンブリーに接続され、試料を受けるために取り付けられた少なくとも1つのチャンバーを含む、マクロ流体処理サブアセンブリーと、流体プレート、および少なくとも1つの流体移動流路並びに熱サブシステムに接続された増幅チャンバーを含む前記流体サブアセンブリーと、前記の機器の前記空気圧サブシステムと、前記バイオチップのサブアセンブリー群に接続するように取り付けられ、前記空気圧プレートと、前記プロセスコントローラーからの指示に基づいて流体を空気圧で移動させる1つまたは複数の駆動ラインを有する前記空気圧サブアセンブリーと、前記の機器上の前記高電圧サブシステム、前記光学サブシステムおよび前記プロセスコントローラーに接続するように取り付けられ、分離流路と、各該流路から前記の機器上の光学サブシステムへと信号を送るように配置された検出領域とを有する分離および検出サブアセンブリーとを含み、該固定型バイオチップは、試料処理のための少なくとも2つの異なる経路を有し、該2つの異なる経路のそれぞれは、異なる分析処理に使用され、および前記の機器のプロセスコントローラーは、異なる分析処理において少なくとも1つの生物学的試料を処理する指示一式を有している、該システム。

請求項41

前記の固定型バイオチップがプラスチックで作製されている請求項40記載のシステム。

請求項42

前記の異なる分析方法STR分析および一塩基多型分析である請求項40記載のシステム。

請求項43

前記の異なる分析方法が、多重増幅およびDNA配列決定である請求項40記載のシステム。

請求項44

前記の異なる分析方法が、STR分析およびミトコンドリアDNA配列決定である請求項40記載のシステム。

請求項45

前記の異なる分析方法が、逆転写PCRおよび従来のPCRである請求項40記載のシステム。

請求項46

前記の異なる分析方法が、DNA配列決定および一塩基多型分析である請求項40記載のシステム。

請求項47

マクロ流体ブロックおよびカバーを含む、バイオチップ用の試薬貯蔵容器であって、該マクロ流体ブロックが、上端下端を有する試薬貯蔵チャンバーと、下端に結合した第1の箔シールと、上端に結合した第2の箔シールとを有し、試薬は箔シールされたチャンバーの中に貯蔵され、上端の箔と下端の箔が破れて、試薬貯蔵チャンバーの内容物が放出されるほどにカバーに空気圧を加えることにより該試薬貯蔵チャンバー放出させることができる、該試薬貯蔵容器。

請求項48

前記箔シールの一方または両方に切れ目が入れられている請求項47記載の容器

請求項49

流体サブアセンブリーに接続されている請求項48記載の容器。

請求項50

破れる前に第1の箔の膨張に対応できるように大きさを調整され、前記試薬貯蔵容器と前記流体サブアセンブリーとの間に配置されたスペーサープレートを提供することをさらに含む請求項49記載の容器。

技術分野

0001

マイクロ流体工学の範囲は、通常1mLより少ない微小流体体積の操作に関わる分野として広く定義される。臨床検査においてマイクロ流体体積を利用するという考えは、1960年代後半から1970年前半に遡る従来の方法に比べて大きな進歩を意味するものであった。当該分野の従事者は、微小体積による分析により携帯測定装置が導入されると、広いラボスペースが不要となり、精密性と正確性が向上し、処理量が増加し、コストが低下し、および本当のオートメーション両立できるものと考えていたが、当時開発されたシステムは、簡単なもので、期待されたマイクロ流体の利点を実感させるものではなかった。初期のシステムの1つは、小さな遠心ローターの中に移されて混合された、1〜10μLの試料と70〜110μLの試薬の分析に基づくものである(アンダーソンN.1969).”コンピュータに接続された高速分析装置”.Science 166:317-24; バーティス Cら(1972).”小型の高速分析装置の開発”.Clinical Chemistry 18:753-61)。そのローターが、最初に報告されたマイクロ流体バイオチップであろう。

背景技術

0002

1990年代、「小型全化学分析システム」または「マイクロ−TAS」の用語を創り出したマンツは、マイクロ流体工学の理論的基礎をさらに明らかにし、彼が考えているものが次世代のマイクロ流体デバイスであることを明確にした。マンツは、それらデバイスによりすべての必要な試料処理工程が実行されるべきであることを提案した。マンツが定めた目的は、マイクロ流体の現代における大きなゴール確立するのに寄与した:オペレーターが介在することなく、試料の注入から結果生成までの複雑な一連の処理工程を実行できる、綜合、すなわち、完全に統合された分析システムを実現する。それは、複雑な一連の試料操作および処理工程を統合することを約束するものであり、それにより、「チップ上の実験室」(laboratory on a chip)というフレーズの使用が広まった。

0003

最初の初期の努力の後も遠心システムについての研究が継続され、マイクロ流体コンパクトディスクドライブを用いる、サンドイッチ免疫アッセイ用の商用遠心システムが完成した。しかし、そのシステムは完全には統合されておらず、より正確には、ワークステーションというべきものであって、試薬がロボット的にコンパクトディスクへと移送、およびコンパクトディスクから移送される。また、免疫アッセイは非常に簡単であり、試料を捕捉カラムを通過させることにより行う。そのシステムは、試薬コストを低減させるためにマイクロ流体体積を用いたが、完全に統合されたシステムを提供するというマイクロ流体工学上の目的も、複雑な一連の試料操作および処理工程を統合するというマイクロ流体工学上の目的も実現できていない。

0004

同様に、他の研究者が、全血液から血漿分別するために、ソフトエンボスを用いてポリメチルメタクリレート)(PMMA)の中にスピニングバイオチップ(spinning biochip)を作製した。血液試料中の種々の対象被検質の測定のために、スピニングマイクロ流体バイオチップの適用がなされている。しかしながら、血液試料中の対象被検質の量を確認するといった簡単な分析試験のために、デバイスが開発された。試料は、複雑な一連の試料操作および処理工程に供されることはなく、20年間の開発の後でも、確立された従来のアッセイに関しては大きな信頼性の問題が存在している。

0005

一般的に、CD系バイオチップは、大きな欠点と限界を抱えている。まず、それらは、複雑なプロセスに対応できない。これらのバイオチップは、特定の細胞の分離(従来の遠心装置代替する)や高処理量免疫アッセイ(従来のアッセイの混合およびインキュベーションを代替する)等の比較的簡単なプロセスに限定されている。二番目に、流体移動駆動力として遠心の利用には限界がある。例えば、バイオチップを回転させる必要があることは、試料を間接的に導入しなければならない場合(マニュアル操作または別の機器が必要である)または試料を直接的に導入しなければならない場合(例えば、採血用の管またはスワブ遠心処理に供する必要がある)のいずれの場合であっても、試料の取扱方法に対して明らかな限界をもたらす。また、スピニングバイオチップのプロセスフローは単一方向的であり、バイオチップの半径が、試料の処理を行うのに利用できる領域を制限する(プロセスの複雑性を制限する要因の1つ)。

0006

同時に、CD系バイオチップの代替物についても研究されてきた。多くのグループが、SBS[生体分子スクリーニング協会(Society for Biomolecular Screening)、マイクロプレート標準開発委員会(Microplate StandardsDevelopment Committee)、ANSI/SBS1、ダンベリー、コネチカット州、2004]基準を用いるマイクロリッタープレートを利用したマイクロ流体バイオチップについて研究している。SBSは、マイクロタイタープレート用の一連の公表された標準を開発し、該マイクロタイタープレートは、フットプリント(127.76×85.48mm、10,920.9mm2)、高さ、外側フランジの大きさを有する底部(bottom outside flange dimensions)およびウェル位置を有している。これらの標準は、用いる作製方法に関係なく、商用製造業者およびアカミックグループによって用いられている。マイクロ流体マイクロタイタープレートは、DNA精製およびタンパク質結晶化を含む多くのプロセスのために開発された。これらのバイオチップは、導入に先立って前処理が必要であり、DNA精製処理の2工程のみで使用され、処理のDNA生成物の分析には使用されない。

0007

同様に、ナノリッター体積の試薬、生細胞顕微鏡観察時の培地交換、および細胞と試薬の分配等の作業のために、他のグループはSBS標準に基づいて矩形のマイクロ流体プレートを用いている。さらに別の研究者は、ウェル内への試薬の分配を高処理量で行うロボットシステムに矩形のバイオチップを適用した。別のグループは、ウェルインウェル(well-in-a-well)のデバイスにおける生物学的信号増幅によるタンパク質検出のための矩形バイオチップを開発した。

0008

バイオチップ開発の進展とともに、SBS形式におけるマイクロ流体特性の使用に基づいた多くの「統合流体回路」が商業化された。例えば、バイオチップは、48SNPsのそれぞれに対して48個の試料を調べることのできるアレイを用いて、一塩基多型(SNP)遺伝子型判定を行う。その方法は、最初に、精製されたDNAと反応混合物をマイクロ流体プレートの外側に準備し、該プレートをコントローラーの上に置き、該プレートを刺激し、試薬を加え該プレート上で45分以上混合し、PCRのために該プレートを熱循環器の上に置き、および該プレートを蛍光検出装置に移動させる、ことにより行われる。これらのバイオチップは、導入に先立って前処理が必要で、チップ上での試料処理の間に複数のマニュアル操作が必要で、試薬を取り込まず、および処理で得られるDNA生成物の分析を行わない。

0009

同様の商業的アプローチは、SBS標準ウェルプレートの中にミクロンスケールフローセルデバイスを統合させるウェルプレートマイクロ流体工学を用いて、血小板接着力を測定するものである。その方法には多くの前処理工程が必要で、その前処理工程には、マイクロ流体流路を覆うために対象タンパク質手作業で導入すること、流路灌流すること、洗浄対象細胞試料を手作業で用意すること、マイクロ流体流路に細胞試料を添加すること、およびさらなる処理と分析のために該プレートをワークステーションの上に置くことが含まれる。同様のアプローチが、上皮細胞を種々の化合物に対して露出させることによる傷治療の研究に適用されている。これらのバイオチップは、導入に先立って、広範な試料前処理を必要とする。

0010

従来技術のマイクロ流体バイオチップの大多数は、バイオチップを作製するため、シリコンまたはガラス等の材料を使用することに基づいている。しかしながら、大量の商業用途のために作製するにはシリコンおよびガラスのバイオチップは法外に高価であり(1個のバイオチップが数千ドルもする)、使い捨て用途には実用的ではない。さらに、これらバイオチップを再利用しようというニーズには、限りなく汚染するという問題(人間の同一性臨床診断の問題)や、もし機器内での再利用のためにバイオチップが作製される場合には機器の複雑化の問題があり、およびもし機器外での再利用のためにバイオチップが作製される場合には物流の問題がある。

発明が解決しようとする課題

0011

完全統合された状態の中で、1つまたは複数の試料に対して、並行して一連の複雑な処理工程を実行することが可能な、マイクロ流体工学、マイクロ流体バイオチップおよびマイクロ流体システムについての実現されていない可能性を実現するために、オペレータの操作の不要な試料導入から結果出力までのシステム(sample-in to results out system)が必要とされている。しかしながら、現在までに開発されたバイオチップは、分析に必要な工程の部分のみしか実施できず、1個のデバイスで分析結果を作成することができない。また、これらバイオチップおよびシステムは、大量生産に適さない材料および方法を用いている。

課題を解決するための手段

0012

概して、一態様において、本明細書に記載された技術は、オペレータを介在させることなく、試料挿入から結果生成までの複雑な処理のすべての工程が統合されたバイオチップに関する。一実施形態では、本技術に基づくバイオチップは、一連の処理工程の中で、機器のサブシステムにより実行されるマイクロ流体の特徴およびマクロ流体の特徴を含んでいる。

0013

別の態様では、前記の技術は高い特徴密度を持つ複雑なバイオチップの作製方法に関する。一実施形態では、該方法は、バイオチップを作製するためのプラスチック材料射出成形を含む。

0014

別の態様では、前記の技術は、空気圧サブシステム、熱サブシステム、高電圧サブシステム、光学サブシステム、およびプロセスコントローラーを備えた電気泳動機器の中に挿入すると、少なくとも1つの試料から核酸配列決定または選別の結果が生成する、バイオチップに関する。該バイオチップは、流体サブアセンブリーおよび空気圧サブアセンブリーに接続されたマクロ流体処理サブアセンブリーを含む。該マクロ流体処理サブアセンブリーは、試料を受けるために取り付けられた少なくとも1つのチャンバーを含む。前記流体サブアセンブリーは、流体プレート、および少なくとも1つの流体移動流路と前記熱サブシステムに接続するように取り付けられた増幅チャンバーを含む。前記空気圧サブアセンブリーは、前記の機器の含気サブシステムおよびバイオチップのサブアセンブリーに接続するように取り付けられている。前記空気圧サブアセンブリーは、空気圧プレートと、前記プロセスコントローラーからの指示に基づいて流体を空気圧で移動させるための1つまたは複数の駆動ラインを有している。バイオチップは、機器上の前記高電圧サブシステム、前記光学サブシステムおよびプロセスコントローラーに接続するように取り付けられた、分離および検出サブアセンブリーも有している。該分離および検出サブアセンブリーは、分離流路と、各該分離流路から前記の機器上の前記光学サブシステムへと信号を送るように配置された検出領域を有している。バイオチップは、プラスチック製で、固定型で、単一構造であり、流体プレートおよび/または空気圧プレートのフットプリントは、約86mm×128mmまたはそれより大きい(例えば、約100×150mmまたはそれより大きい、約115×275mmまたはそれより大きい、約115×275mmまたはそれより大きい、約140×275mmまたはそれより大きい、165×295mmまたはそれより大きい。)。

0015

別の態様では、前記の技術は、空気圧サブシステム、熱サブシステム、高電圧サブシステム、光学サブシステム、およびプロセスコントローラーを備えた電気泳動機器の中に挿入すると、少なくとも1つの試料から核酸の配列決定または選別の結果が生成する、バイオチップに関する。該バイオチップは、流体サブアセンブリーおよび空気圧サブアセンブリーに接続されたマクロ流体処理サブアセンブリーを含む。該マクロ流体処理サブアセンブリーは、試料を受けるために取り付けられた少なくとも1つのチャンバーを含む。前記流体サブアセンブリーは、流体プレート、および少なくとも1つの流体移動流路と前記熱サブシステムに接続するように取り付けられた増幅チャンバーを含む。前記空気圧サブアセンブリーは、前記の機器の空気圧サブシステムおよびバイオチップのサブアセンブリーに接続するように取り付けられている。前記空気圧サブアセンブリーは、空気圧プレートと、前記プロセスコントローラーからの指示に基づいて流体を空気圧で移動させるための1つまたは複数の駆動ラインを有している。バイオチップは、機器上の前記高電圧サブシステム、前記光学サブシステムおよびプロセスコントローラーに接続するように取り付けられた、分離および検出サブアセンブリーも有している。該分離および検出サブアセンブリーは、分離流路と、各該分離流路から前記の機器上の前記光学サブシステムへと信号を送るように配置された検出領域を有している。バイオチップは、プラスチック製で、固定型で、単一構造であり、流体プレートおよび/または空気圧プレートのフットプリントは、10,920.0mm2未満で、SBS標準と一致しない。

0016

別の態様では、前記の技術は、空気圧サブシステム、熱サブシステム、高電圧サブシステム、光学サブシステム、およびプロセスコントローラーを備えた電気泳動機器の中に挿入すると、少なくとも1つの試料から核酸の配列決定または選別の結果が生成する、バイオチップに関する。該バイオチップは、流体サブアセンブリーおよび空気圧サブアセンブリーに接続されたマクロ流体処理サブアセンブリーを含む。該マクロ流体処理サブアセンブリーは、該マクロ流体処理サブアセンブリーの中または上に配置された少なくとも1つのマクロ流体特徴と、試料を受けることが可能なチャンバーを含む。前記流体サブアセンブリーは、流体プレート、および該流体プレートの中または上に配置された少なくとも1つの特徴を含む。前記流体サブアセンブリーは、少なくとも1つの流体移動流路と、前記熱サブシステムに接続するように取り付けられた増幅チャンバーをさらに含んでいる。前記空気圧サブアセンブリーは、前記の機器の空気圧サブシステムおよびバイオチップのサブアセンブリーに接続するように取り付けられている。前記空気圧サブアセンブリーは、空気圧プレートと、該空気圧プレートの中または上に配置された少なくとも1つの特徴と有している。前記空気圧サブアセンブリーは、前記プロセスコントローラーからの指示に基づいて流体を空気圧で移動させるための1つまたは複数の駆動ラインをさらに有している。バイオチップは、機器上の前記高電圧サブシステム、前記光学サブシステムおよびプロセスコントローラーに接続するように取り付けられた、分離および検出サブアセンブリーも有している。該分離および検出サブアセンブリーは、該分離および検出サブアセンブリーの中または上に配置された少なくとも1つの特徴を有している。該分離および検出サブアセンブリーは、分離流路と、各該分離流路から前記の機器上の前記光学サブシステムへと信号を送るように配置された検出領域をさらに有している。バイオチップは、プラスチック製で、固定型で、単一構造であり、流体サブアセンブリー、空気圧サブアセンブリー、および/または分離および検出サブアセンブリーの1つまたは複数の特徴の物理的状態が、25またはそれを越える(例えば、50またはそれを越える、100またはそれを越える、200またはそれを越える)設定された処理において変化するように取り付けられている。いくつかの実施形態では、バイオチップの中では、予定された処理工程が、2つまたはそれを越える処理工程となる。

0017

別の態様では、前記の技術は、空気圧サブシステム、熱サブシステム、高電圧サブシステム、光学サブシステム、およびプロセスコントローラーを備えた電気泳動機器の中に挿入すると、少なくとも1つの試料から核酸の配列決定または選別の結果が生成する、単一構造で、固定型のバイオチップに関する。該バイオチップは、流体サブアセンブリーおよび空気圧サブアセンブリーに接続されたマクロ流体処理サブアセンブリーを含む。該マクロ流体処理サブアセンブリーは、試料を受けるように取り付けられた少なくとも1つのチャンバーを有している。前記流体サブアセンブリーは、パターンを付与された熱可塑性シートが結合された上面を有する空気圧プレートと、前記プロセスコントローラーの指示に基づいて流体を空気圧で移動させる1つまたは複数の駆動を有し、該プレートの各面の上に少なくとも1つの流体移動流路と、前記熱サブシステムに接続された増幅チャンバーとを形成する。前記空気圧サブアセンブリーは、前記の機器の空気圧サブシステムおよびバイオチップのサブセンブリーに接続するように取り付けられている。前記空気圧サブアセンブリーは、パターンを付与された熱可塑性シートが結合された上面を有する空気圧プレートと、前記プロセスコントローラーの指示に基づいて流体を空気圧で移動させる1つまたは複数の駆動ラインを有している。バイオチップは、流体サブアセンブリーと空気圧サブアセンブリーとの間に配置されそれらを接続するバルブサブアセンブリーと、前記の機器上の前記高電圧サブシステム、光学サブシステムおよびプロセスコントローラーに接続するように取り付けられた、分離および検出サブアセンブリーを有している。該分離および検出サブアセンブリーは、少なくとも1つの分離流路を有し、および該少なくとも1つの分離流路から前記の機器上の光学サブシステムへと信号を送るように配置された検出領域をさらに有している。

0018

前記の技術の本態様に係るいくつかの実施形態は、1つまたはそれより多い以下の特徴を含む。前記のマクロ流体サブシステム、空気圧サブシステム、流体サブシステム、分離サブシステムおよび検出サブシステムの1つまたは複数は、プラスチックから作製されている。いくつかの実施形態では、バルブサブアセンブリーは、少なくとも1つの弾性体バルブを有している。いくつかの実施形態では、バルブサブアセンブリーは、少なくとも1つの非弾性体バルブを有している。実施形態では、分離および検出サブアセンブリーの中での試料の電気泳動が、流体プレートを通過する試料の通常の流れと反対の方向で行われるように、分離および検出サブアセンブリーが配置されている。実施形態では、バイオチップは、該バイオチップ内の少なくとも1つの試料を処理するのに必要なすべての試薬を含んでいる。

0019

別の態様では、前記の技術は、生物学的試料の処理システムに関する。該システムは、バイオチップとプロセスコントローラーを含む。空気圧サブシステム、熱サブシステム、高電圧サブシステム、光学サブシステム、およびプロセスコントローラーを備えた電気泳動機器の中にバイオチップを挿入すると、少なくとも1つの試料から核酸の配列決定または選別の結果が生成する。該バイオチップは、流体サブアセンブリーおよび空気圧サブアセンブリーに接続されたマクロ流体処理サブアセンブリーを含む。該マクロ流体処理サブアセンブリーは、試料を受けるように取り付けられた少なくとも1つのチャンバーを有している。前記流体サブアセンブリーは、上面と底面を有し、該上面と底面の上にはパターンを付与された熱可塑性シートが結合されている流体プレートを有し、該プレートの各面の上には少なくとも1つの流体移動流路と、前記熱サブシステムに接続された増幅チャンバーが形成されている。前記空気圧サブアセンブリーは、前記の機器の空気圧サブシステムおよびバイオチップのサブセンブリーに接続するように取り付けられており、パターンを付与された熱可塑性シートが結合された上面を有する空気圧プレートと、前記プロセスコントローラーの指示に基づいて流体を空気圧で移動させる1つまたは複数の駆動ラインを有している。バイオチップは、流体サブアセンブリーと空気圧サブアセンブリーとの間に配置されそれらを接続するバルブサブアセンブリーと、前記の機器上の前記高電圧サブシステム、光学サブシステムおよびプロセスコントローラーに接続するように取り付けられた分離および検出サブアセンブリーを有している。該分離および検出サブアセンブリーは、少なくとも1つの分離流路を有し、および該少なくとも1つの分離流路から前記の機器上の光学サブシステムへと信号を送るように配置された検出領域をさらに有している。前記の機器のプロセスコントローラーは、25またはそれより多い、自動化された設定処理工程を実行する指示を有している。

0020

別の態様では、前記の技術は、バイオチップの製造方法を特徴とする。該方法は、流体上面、流体底面、および該流体上面から該流体底面へと延在し、該流体上面と該流体底面とを接続する少なくとも1つのスルーホールを有する流体プレートを射出成形することを含む。該流体上面と該流体底面は、それぞれ複数のマイクロ流体特徴を有している。該方法は、空気圧上面、空気圧底面、および該空気圧上面から該空気圧底面へと延在し、該空気圧上面と該空気圧底面とを接続する少なくとも1つのスルーホールを有する空気圧プレートを射出成形することを含む。該空気圧上面と該空気圧底面は、それぞれ複数のマイクロ流体特徴を有している。該方法は、バイオチップを形成するように、流体プレートと空気圧プレートとを配列させることを含み、流体プレートおよび/または空気圧プレートのフットプリントが、86mm×128mmまたはそれより大きく、および流体プレートおよび/または空気圧プレートの複数のマイクロ流体特徴の少なくとも1つが2度未満の抜け勾配(draft angle)を有する。

0021

別の態様では、前記の技術は、流体サブアセンブリーおよび空気圧サブアセンブリーと流体連絡するマクロ流体処理サブアセンブリーを有する単一構造バイオチップの中で、少なくとも1つの未処理試料について、試料導入から結果出力まで自動化された電気泳動を行う方法を特徴とする。該方法は、以下の内容を含む:(a)マクロ流体処理サブアセンブリーの中のチャンバーの中に、少なくとも1つの未処理試料を挿入すること;(b)空気圧サブシステム、熱サブシステム、高電圧サブシステム、光学システム、およびプロセスコントローラーを有する機器であって、該プロセスコントローラーが予め設定された処理スクリプト(script)を受け容れ、および該処理スクリプトを読み取るとともに、空気圧サブシステム、熱サブシステム、高電圧サブシステム、および光学システムを制御することにより該処理スクリプトを自動的に実行する該機器の中にバイオチップを挿入すること;(c)該プロセスコントローラーを作動させて処理スクリプトを実行させる、ここで、該処理スクリプトは、以下に対する指示を含む:(i)空気圧サブシステムから空気圧サブアセンブリーのバルブラインへ圧力を加える、または空気圧サブアセンブリーと流体連絡させることにより、バイオチップを初期化すること;(ii)空気圧サブシステムからマクロ流体処理サブアセンブリーに圧力を加えて、該マクロ流体処理サブアセンブリーの中に貯蔵されていた試薬を放出させ、空気圧サブシステムから放出された試薬に圧力を加えて、未処理の試料から細胞溶解物を形成させ、空気圧サブシステムから圧力を加えて、流体サブアセンブリーの中の精製フィルターを通して溶解物保管チャンバーの中へ取り出して、溶解物の中のDNAをフィルターに結合させ、空気圧サブシステムから圧力を加えて、マクロ流体処理サブアセンブリーに貯蔵されている洗浄液を、精製フィルターを通して流し、結合しているDNAから汚染物を除去することにより、未処理の試料からDNAを精製する;圧力を加えて空気を精製フィルターに流して結合したDNAを乾燥させ、空気圧サブシステムから圧力を加えて、マクロ流体処理サブアセンブリーの中に貯蔵されている溶出液を放出させて結合しているDNAを精製フィルターから遊離させ、精製されたDNAを含む溶出液を生成させること;(iii)空気圧サブシステムから空気圧サブアセンブリーへ圧力を加えて、凍結乾燥されたPCR反応合物を含む再構成チャンバーへと溶出液を移動させること;(iv)再構成されたPCR反応混合物を、流体サブアセンブリーの中の熱サイクルチャンバーへと移動させること;(v)熱サイクルプロトコルを開始して熱サイクルチャンバーを加熱し、該PCR混合物から標識されたアンプリコンを生成させること;(vi)空気圧サブシステムから空気圧サブアセンブリーに圧力を加えることにより、標識されたアンプリコンと、マクロ流体処理サブアセンブリーに貯蔵されているホルムアミド試薬とを結合チャンバーへと移動させ;標識されたアンプリコンとホルムアミド試薬とがホルムアミドPCR生成物の混合物を生成すること;(vii)空気圧サブシステムから空気圧サブアセンブリーに圧力を加えることにより、ホルムアミドPCR生成物の混合物を、ILSケーキと混合するために、ILSケーキチャンバーに流動させて移動させ、分離試料検出試料を生成させること;(viii)空気圧サブシステムから空気圧サブアセンブリーに圧力を加えることにより、分離試料と検出試料を、流体サブアセンブリーの中のカソードチャンバーに移動させること;(ix)高電圧サブシステムから電圧を加えて、該カソードと該アノードバイアスをかけることにより、分離と検出を分離するために、流体サブアセンブリーのカソードとアノードを用意すること;(x)空気圧サブシステムから空気圧サブアセンブリーに圧力を加えることにより、流体サブアセンブリーの中のゲル試薬貯蔵部から、流体サブアセンブリーのカソードチャンバーと廃棄チャンバーへとゲルを移動させること;(xi)注入し、高電圧サブシステムから電圧をカソードとアノードに印加することにより、分離流路の分離試料と検出試料を分離すること;および(xii)光学サブシステムのレーザーを作動させることにより、分離試料と検出試料の分離された成分の蛍光を発生させる。本発明は、分離された成分の蛍光信号を自動的に検出することも含み、それにより少なくとも1つの未処理試料から、分離および検出試料の結果を得ることができる。

0022

別の態様では、前記の技術は、少なくとも1つの生物学的試料に対して、少なくとも2つのタイプの、試料導入結果出力処理を提供するシステムに関する。該システムは、固定型バイオチップと、該バイオチップとインターフェイスで接続された、空気圧サブシステム、熱サブシステム、高電圧サブシステム、および光学サブシステムおよびプロセスコントローラーとを含む機器を有している。固定型のバイオチップは、流体サブアセンブリーおよび空気圧サブアセンブリーと接続されたマクロ流体処理サブアセンブリーを含んでいる。該マクロ流体処理サブアセンブリーは、試料を受けるように取り付けられた少なくとも1つのチャンバーを含む。該流体サブアセンブリーは、流体プレート、および少なくとも1つの流体移動流路並びに熱サブシステムに接続された増幅チャンバーを含む。前記の機器の空気圧サブシステムと、前記バイオチップのサブアセンブリーに接続するように取り付けられた空気圧サブアセンブリーは、空気圧プレートと、プロセスコントローラーからの指示に基づいて流体を空気圧で移動させる1つまたは複数の駆動ラインを有している。バイオチップは、前記の機器上の高電圧サブシステム、光学サブシステムおよびプロセスコントローラーに接続するように取り付けられた分離および検出サブアセンブリーを有している。該分離および検出サブアセンブリーは、分離流路と、各該流路から前記の機器上の光学サブシステムへと信号を送るように配置された検出領域とを有している。バイオチップは、試料処理のための少なくとも2つの異なる経路を有している。該2つの異なる経路のそれぞれは、異なる分析処理に使用される。前記の機器のプロセスコントローラーは、異なる分析処理において少なくとも1つの生物学的試料を処理する指示一式を有している。いくつかの実施形態では、前記の異なる分析処理はSTR分析と一塩基多型分析である。いくつかの実施形態では、前記の異なる分析処理は多重増幅DNA配列決定である。いくつかの実施形態では、前記の異なる分析処理はSTR分析とミトコンドリアDNA配列決定である。いくつかの実施形態では、前記の異なる分析処理は逆転写PCRと従来のPCRである。いくつかの実施形態では、前記の異なる分析処理はDNA配列決定と一塩基多型分析である。

0023

別の態様では、前記の技術は、マクロ流体ブロックおよびカバーを含む、バイオチップ用の試薬貯蔵容器に関する。該マクロ流体ブロックは、上端下端を有する試薬貯蔵チャンバー;下端に結合した第1の箔シール;上端に結合した第2の箔シールを有している。試薬は箔シールされたチャンバーの中に貯蔵され、上端の箔と下端の箔が破れて、試薬貯蔵チャンバーの内容物が放出されるほどにカバーに空気圧を加えることにより放出させることができる。

0024

上記の態様についての実施形態は、以下の特徴を1つまたは複数含むことができる。いくつかの実施形態では、試薬貯蔵容器は流体サブアセンブリーに接続されている。いくつかの実施形態では、試薬貯蔵容器は、破れる前に第1の箔の膨張に対応できるように大きさを設定されたスペーサープレートを含み、該スペーサープレートは、該容器と流体サブアセンブリーとの間に配置されている。

発明の効果

0025

本技術は多くの利点を有しており、限定されるものではないが、少なくともオペレータの介在は不要で、作製コストを低減できる。

図面の簡単な説明

0026

上述の本技術の利点、およびさらなる利点は、添付の図面とともに以下の記載を参照することにより十分に理解できるであろう。図面の縮尺は必ずしも正確ではないが、その代わり重点は、本技術の原則を示すことに置かれている。
図1は、単一の管状の試薬貯蔵および放出デバイスの一実施形態の側面図である。
図2は、試薬貯蔵放出破裂を用いた5個の試料バイオチップセットの実施形態に含まれているスペーサープレートの実施形態の写真である。
図3は、スペーサープレートの一部の模式断面図である。
図4は、様々の厚さを有するアルミ箔の直径と破裂圧力との関係を示すグラフである。
図5は、6個の試薬貯蔵チャンバーを含む試薬貯蔵放出ユニット模式斜視図である。
図6は、図5の試薬貯蔵放出ユニットの上部斜視図であり、各チャンバーの上端に結合した上部箔を示している。
図7は、破裂後の試薬貯蔵放出ユニットの2つの箔を示す上面図である。
図8は、空気圧で駆動する弾性体バルブ構造体の一実施形態の模式上面図である。
図9は、図8の空気圧で駆動するバルブ構造体の模式断面図である。
図10は、PSAテープを有する弾性体膜バルブの一実施形態の模式上面図である。
図11は、請求項10のバルブの模式断面図である。
図12は、剛直なバルブ膜を有する空気圧駆動バルブの一実施形態の模式上面図である。
図13は、図12の剛直なバルブ膜を有する空気圧駆動バルブの断面図である。
図14は、固定された弾性体膜バルブの一実施形態の模式上面図である。
図15は、図12の固定された弾性体膜バルブの断面図である。
図16は、本技術に基づくバイオチップの一実施形態に使用された排出(vent)膜構造の模式断面図である。
図17は、本技術に基づくバイオチップの別の実施形態に使用された排出膜構造の模式断面図である。
図18は、本技術に基づくバイオチップの一実施形態であって、マニホールド拡張された周辺領域を有する空気圧プレートの模式上面図である。
図19は、本技術に基づくバイオチップの一実施形態であって、マニホールドと拡張された周辺領域を有する空気圧プレートの模式底面図である。
図20は、本技術に基づくバイオチップの一実施形態であって、精製領域と拡張された周辺領域を有する流体プレートの模式透視図である。
図21は、バイオチップの上に、制御された力を加えるのに使用される空気圧作動のシリンダーの写真である。
図22は、図21の空気圧作動のシリンダーによりバイオチップに印加される種々の圧力と、各STR位置における信号強度とを比較する棒グラフである。グラフでは、75、112、187、224、299、および336psigの圧力が印加され、各位置で、各圧力に対して信号強度が記録される(左から右に圧力は増加する)。
図23は、本技術に基づく射出成形されたバイオチップの一実施形態の模式上面図である。
図24は、本技術に基づくバイオチップの流体層2の一実施形態の模式上面図である。
図25は、本技術に基づくバイオチップの流体層2の一実施形態の模式上面図である。
図26は、本技術に基づくバイオチップの空気圧層1の一実施形態の模式上面図である。
図27は、本技術に基づくバイオチップの空気圧層2の一実施形態の模式上面図である。
図28は、図25の第2の流体プレートに結合した図24の第1の流体プレートを含む流体工学サブアセンブリーの一実施形態の模式上面透視図である。
図29は、図27の第2の空気圧プレートに結合した図26の第1の空気圧プレートを含む空気圧サブアセンブリーの一実施形態の模式上面透視図である。
図30は、図28の流体工学サブアセンブリーに図29の空気圧サブアセンブリーを取り付けて作製したバイオチップの模式上面透視図である。
図31は、バイオチップに接続して使用する、空気圧機器および熱サイクル機器の一実施形態の写真である。
図32は、本技術に基づくバイオチップ内部における、試料のPCR分析のためのSTRプロファイルである。
図33は、本技術に基づく流体アセンブリーの一実施形態に含まれる流体プレートの一実施形態の模式上面図である。
図34は、図33の流体プレートの模式底面図である。
図35は、流体プレートの上面と底面の両方の特徴を示す該流体プレートの模式透視図である。
図36は、流体プレートの上面に取り付ける、パターンを付与された薄膜の一実施形態の模式上面図である。
図37は、流体プレートの底面に取り付ける、パターンを付与された薄膜の一実施形態の模式底面図である。
図38は、ラインを有する流体プレートの一実施形態の模式上面図であり、単一の試料が流体プレートを通過する経路を示している。
図39は、図38の流体プレートの模式拡大上面図であり、精製領域を通過する経路の一部を示している。
図40は、図38の流体プレートの模式拡大上面図であり、増幅領域を通過する経路の一部を示している。
図40は、図38の流体プレートの模式拡大上面図であり、分離領域および検出領域を通過する経路の一部を示している。
図42は、本技術に基づく空気圧アセンブリーの一実施形態に含まれる空気圧プレートの一実施形態の模式上面図である。
図43は、図42の空気圧プレートの模式底面図である。
図44図42の空気圧プレートの透視図であり、空気圧プレートの上面と底面の両方の特徴を示している。
図45は、空気圧プレートの上面に取り付ける、パターンを付与された薄膜の一実施形態の模式上面図である。
図46は、空気圧プレートの底面に取り付ける、パターンを付与された薄膜の一実施形態の模式底面図である。
図47は、マクロ流体処理サブアセンブリーの一実施形態に含まれるマクロ流体ブロックの一実施形態の模式透視図である。
図48は、マクロ流体ブロックに対するカバーの上層の一実施形態の模式上面図である。
図49は、カバーの上層の一実施形態の模式底面図である。
図50は、カバーの上層の模式透視上面図である。
図51は、マクロ流体ブロックに対するカバーの第2層の別の実施形態の模式上面図である。
図52は、マクロ流体ブロックに対するカバーの第3層の別の実施形態の模式上面図である。
図53は、図52のカバーの第3層の一実施形態の模式底面図である。
図54は、カバーの第3層の模式透視上面図である。
図55は、加圧注入のための、分離および検出バイオチップの一実施形態の模式上面図である。
図56は、電気泳動移送用の交差注入(cross injection)のための、分離および検出バイオチップの一実施形態の模式上面図である。
図57は、本技術に基づくバイオチップの一実施形態の積層模式側面図である。
図58は、本技術に基づくバイオチップアセンブリーの一実施形態の写真であり、矢印は処理フローの方向を示している。
図59は、図58のバイオチップアセンブリーの写真である。該バイオチップアセンブリーは、光学サブシステム、熱サブシステム、高電圧サブシステムおよび空気圧サブシステム、並びにプロセスコントロールシステムとインターフェイスで接続されている。
図60は、本技術に基づくバイオチップの一実施形態の内部の対照ILS試料(ROXで蛍光標識されたフラグメント)のために作成した比較電気泳動図である。
図61は、以下の自動化されたスクリプトに基づき、のスワブ試料1種について生成させたSTRフラグメントの大きさを示す電気泳動図である。PCR反応混合物およびILSの中のSTRプライマーを標識するのに使用された各蛍光色素は、各パネルに示されている。蛍光標識されたフラグメントは、上のパネルに示されており、JOE標識されたフラグメントは上から第2のパネルに示され、TAMRA標識されたフラグメントは、上から第3のパネルに示され、およびROX標識されたILSフラグメントは下のパネルに示されている。
図62は、本技術に基づく流体サブアセンブリーの流体プレートの一実施形態の模式上面図である。
図63は、図62の流体プレートの模式底面図である。
図64は、流体プレートの模式透視図であり、図62の上面の特徴と図63の底面の特徴の両方を示している。
図65は、射出成形流体プレートの一実施形態の写真である。
図66は、図65の流体プレートの上面に取り付ける、パターンを付与された上面用薄膜の一実施形態の模式上面図である。
図67は、図65の流体プレートの底面に取り付ける、パターンを付与された底面用薄膜の一実施形態の模式底面図である。
図68は、ラインを有する流体プレートの一実施形態の模式上面図であり、該流体プレートを通過する単一の試料の通路を示している。
図69は、図68の流体プレートの模式拡大上面図であり、精製領域を通過する通路の一部を示している。
図70は、図68の流体プレートの模式拡大上面図であり、PCRセクションを通過する通路の一部を示している。
図71は、図68の流体プレートの模式拡大上面図であり、分離領域および検出領域を通過する通路の一部を示している。
図72は、本技術に基づく空気圧アセンブリーの空気圧プレートの一実施形態の模式上面図である。
図73は、図72の空気圧プレートの模式底面図である。
図74は、空気圧プレートの透視上面図であり、図72および73の空気圧プレートの上面および底面を示している。
図75は、射出成形空気圧プレートの一実施形態の写真である。
図76は、図75の射出成形空気圧プレートの上面に取り付ける、パターンを付与された薄膜の一実施形態の模式上面図である。
図77は、バイオチップ上での使用のための自動化された処理の一部について、規定の処理工程と結果の処理工程との関係を示す表である。
図78は、試料分割と希釈マイクロ流体回路の一実施形態のフローチャートである。
図79は、異なる厚さにおける複数の物質バックグラウンド蛍光を示すグラフである。
図80は、ノッチフィルターを付けた場合と付けない場合で取得した蛍光データの結果をまとめた表である。

0027

本明細書に記載されたバイオチップは、マイクロ流体工学の分野の基本的な目的を達成する:オペレータの介在なしに単一の機器で実施される、試料の挿入から結果生成までの複雑な処理のすべての工程の統合である。一つの態様では、我々は本明細書で新規なバイオチップを提供するものであり、該バイオチップは、完全に統合されており、および、法医学試料から縦列反復配列(STR)を生成させる、細胞分解、精製、多重増幅、電気泳動による分離及び検出を含む複雑な、試料導入から結果出力までの分析を実行する;臨床試料からDNA配列を生成させる、細胞分解、DNA精製、多重増幅、サンガ—配列決定、限外濾過、電気泳動による分離および検出;生物学的試料からDNA配列を生成させる、核酸精製、逆転写、多重増幅、サンガー配列決定、限外濾過、電気泳動による分離および検出;および、人間、バクテリアウィルスの臨床および研究試料からゲノムDNA配列を生成させる、核酸精製、ライブラリー構築、および単一分子配列決定。

0028

本発明のバイオチップで実施される試料操作には、核酸抽出;細胞分解;細胞分離; 細胞分解;差動濾過;全核酸精製;DNA精製;RNA精製;mRNA精製、タンパク質精製;プレ核酸増幅クリーンアップ;核酸増幅(例えば、単一および多重の両方のエンドポイントPCR、リアルタイムPCR、逆転写PCR、非対称PCR、ネスティッドPCR(nested PCR)、レイトPCR(LATE PCR)、タッチダウンPCR(touch down PCR)、デジタルPCR、ローリングサークル増幅ストランド置換増幅多重置換増幅);Y−STR増幅;ミニSTR増幅;一塩基多型分析;VNTR分析;RFLP分析;ポスト核酸増幅クリーンアップ;プレ核酸配列決定クリーンアップ;核酸配列決定(例えば、サンガー配列決定、ピロシークエンシング(pyrosequencing)、単一分子配列決定);ポスト核酸配列決定クリーンアップ;逆転写;SNP分析;核酸ハイブリダイゼーション;電気泳動による分離および検出;免疫アッセイ;結合アッセイタンパク質分析酵素アッセイ質量分析;および核酸とタンパク質の定量化の組み合わせを含む。

0029

バイオチップの構造と機能を特徴付ける場合、少なくとも2段階の複雑性を検討することができる。試料数の複雑性は、バイオチップ上で処理される独立した試料の数を示す。処理の複雑性は、各試料がバイオチップ上で受ける連続する操作の数を示す。本発明のバイオチップは、試料数と処理の複雑性の両方が高いレベルにある。

0030

別の態様では、本発明の新規なバイオチップは、完全に統合された、試料導入から結果出力までのシステムを達成するために、多数の処理工程を統合する。発明者らは、これらのバイオチップの複雑さを示す2つのカテゴリーのバイオチップ処理工程を定義する。規定の処理工程は、バイオチップ内またはその上において特徴に直接作用するとともに、バイオチップとインターフェイス接続する機器の様々なサブシステムを含む、自動化されコンピュータ制御されたスクリプト(script)の結果として行なわれる作用である。その作用は、バイオチップの中の物理的状態(たとえば、バルブを閉じるために、バルブ膜を移動させる)、または試料またはバイオチップ内の空気(例えば、試料内の蛍光色素励起され、空気が空気圧ドライブ2を通過する)。また、その作用は、バイオチップの特徴およびバイオチップ内の試料の物理的状態に同時に変化をもたらすことができる(例えば、熱チャンバーが加熱された場合、チャンバー内の試料も加熱される)。

0031

機器サブシステムは設定された作用を実施するとともに、空気圧サブシステムを含んでおり、該空気圧サブシステムは、圧力を加えて箔を破裂させ、バルブに対する圧力を増加および減少させ、および液体気体、および固体を押す;高電圧サブシステムは、巨大分子を電気泳動にかけるために電流を流す;光学サブシステムは、電気泳動、定量、増幅、免疫アッセイおよび化学アッセイにおいて試料を励起し検出するために光を用いる;および熱サブシステムは、細胞分解、核酸変性、電気泳動の均一性、熱サイクルおよびサイクルシークエンスのために熱を加える。すなわち、すべての設定された処理工程は自動化されたスクリプトの特別な指示である。

0032

規定の処理工程は、機器のサブシステムとインターフェイスを介してバイオチップ内またはその上の特徴に生起する直接的な作用を規定する。バイオチップの特徴は、マイクロ流体、マクロ流体、またはその両方の組み合わせであってもよく、スクリプトは規定配列の中の規定位置のこれら特徴に作用する。例えば、たとえ機器に対する複数の変化が、その単一工程を達成するための必要条件であったとしても、バイオチップ上の所定のバルブの動作は単一の設定された処理工程であると考えられる(例えば、バルブを閉じるために、ポンプと駆動ラインを動作させる)。

0033

規定の処理工程の数を決める場合、PCR増幅のように直接的反復工程(例えば、変性、アニーリング、および伸長の多くの直接的反復サイクル、それぞれ温度の変化で示される)は、1サイクルの中の工程の数と見なされる。すなわち、93℃で20秒間のホットスタート(1工程)、次に(93℃で4秒間、56℃で15秒間、および70℃で7秒間)(3工程)の31サイクル、その次に70℃で90秒間の最終伸長(1工程)を含むPCR増幅反応は、合計で5つの規定の処理工程を表している。1つまたは複数の規定の処理工程の間に、1つの特徴に作用することができる。この場合、それぞれの独立した作用は、1工程と見なされる;例えば、所定のバルブを処理の間に7回作動させれば、これは7工程と見なされる。個々の試料の処理の間に並列的に複数の特徴に作用することができる。例えば、バイオチップのチャンバーが加熱されている間、3個のバルブを動かせば、これは4つの規定の処理工程と見なされる(換言すると、バイオチップ上またはバイオチップ内の特徴に対して4つの新たな作用が働く)。最後に、処理によって生データが一旦発生すると、データ処理(例えば色補正)またはデータ解析(例えば、対立遺伝子または塩基読み出し)は規定の処理工程ではない。本発明のバイオチップは、25,50,75,100,125,150,175,200,250,300,400,500,750,1000、および1000を越える規定の処理工程を行う。

0034

結果として得られる処理工程は、規定の処理工程の影響を受け、流路、チャンバー、フィルターおよび膜の特徴を含むバイオチップ全体における液体試料の移動を含んでいる;フィルターと膜の乾燥、反応混合物の熱サイクル;凍結乾燥された試薬の再懸濁、様々な液体の組み合わせ、液体の混合、液体の均質化、様々な母体を通しての試料巨大分子の電気泳動輸送、およびそれら巨大分子の励起。規定の処理工程の数は、結果として得られる処理工程より通常多い(結果として得られる処理工程より少なくなることはない)。例えば、流体充填物(fluid plug)を所定の流路から隣接チャンバーへ移動させるために(結果として得られる単一の処理工程)、複数のバルブを閉じ、複数の駆動ラインの空気圧力を変化させることが必要である(多重規定処理工程)。実施例6と図77は、自動化された規定の工程の一部に対する、規定の処理と結果として得られる処理との間の関係を記載している。本発明のバイオチップは、2,5,10,15,20,25,30,35,40,45,50,60,70,80,90,100,125,150,175,200,250、および250を越える処理工程を行う。

0035

全処理工程は、規定の処理工程と結果として得られる処理工程の合計である。全処理工程の数を多いほど、処理の複雑さも大きくなる。本発明のバイオチップは、25,50,75,100,125,150,175,200,250,300,400,500,750,1000,1500,2000、および2000を越える全処理工程を行う。規定の処理工程、結果として得られる処理工程、および全処理工程は、単一の試料の処理を示す。所定のバイオチップ上で複数の試料が並行的に処理される場合、処理工程の総数は、慣例的に、1つの試料のみが処理される場合と同じになる。同様に、複数の試料が連続して同じように処理される場合(例えば、第1の試料がバイオチップを通過し、次に第2の試料のその後に続き、同じ処理を受ける)、処理工程の総数は、1つの試料のみが処理される場合と同じになる。これらの区別が重要なのは、本発明のバイオチップの複雑性が、比較的少ない数の処理工程を行うが、該処理工程を少数または多数の試料について繰り返して行うバイオチップとは対照的に、単一の試料に対して複雑な連続する操作を行うことに基づいていることにある。

0036

本発明のバイオチップは、上記の2つまたはそれより多い機能を統合することを可能とする。したがって、無限の数の組み合わせがバイオチップの中へ組み込まれ、複雑な操作の組み合わせがバイオチップ上で完成されることを可能としている。処理の複雑性は、上記のマイクロ流体要素に基づく多くの操作を含むことになる。例えば、本発明のバイオチップは、試料を受け容れ、溶解試薬を強く混合し、無秩序な泡により試料を溶解し、溶解物を濾過し、溶解物を計量し、溶解物をシリカ膜に結合させ、膜を洗浄し、核酸を膜から溶出させ、溶出液を均質化して精製されたDNAを生成させ、DNA溶液を計量し、凍結乾燥されたPCR反応混合物を再構成してPCR反応混合物を生成させ、該反応混合物を混合および均質化し、該反応混合物を計量し、迅速な多重増幅を実施し、終了したPCR反応混合物の一部を計量し、サイジング標準(sizing standard)を計量したPCR反応混合物で再構成して電気泳動用溶液を生成させ、該溶液を混合および均質化し、該溶液と電気泳動用試薬とを組み合わせ、材料を電気泳動流路に注入し、電気泳動分離を実施し、分離されたDNAフラグメントを蛍光に基づき検出し、生蛍光データに基づいて電気泳動図を作成させ、生データを色補正し、処理データのPCRピークを同定し、および読み出されたピークを解析する(例えば、人間の法医学的検証のためのSTRプロファイルの作成、伝染病特定のための多重プロファイルの作成、または生物脅威病原体を同定するための多重プロファイルの作成)。当業者は、本発明のバイオチップが、実質的に無限の処理の複雑さを持つ多数の異なる種類の分析を実施できるように設計できることを理解するであろう。

0037

バイオチップ構造の概要
本発明のバイオチップは、単一的であり、単一の孤立構造を示す。これらの単一的バイオチップは、多くの構成部品から構成されているが、すべての部品は、マイクロ流体かマクロ流体かに関係なく、液体、固体または気体を移送する配管を使用することなく、バイオチップの一部から別の部分に直接的および永久的に取り付けられている。単一的バイオチップの利点は、オペレータ側技術的手腕を必要とせずに、1単位として対応する機器の中に配置できることにある。また、接続配管が不要であるので、漏れを最小限にすることにより堅牢さを高めることができる。

0038

好ましくは、本発明の単一的バイオチップの構成材料はプラスチックである。ガラス、石英、およびシリコンウェーハは、それらから作製するには非常にコストが高いので、本発明のバイオチップにはそれらは使用せず、あるいはその使用は最小限である。すべての部品(試薬、フィルター、膜、金属箔電極ピン電極ストリップ等の挿入要素、並びにガスケット感圧性接着剤(PSA)およびテープ等のアセンブリー材料を除く)、はプラスチック製である。バイオチップの各試料経路は1回使用であることが好ましく、これは繰り返し使用による汚染を防ぎ、デザインを簡略化し、使いやすさを向上させる。したがって、一態様では、本発明では、1回の使用で、廃棄できるプラスチック製バイオチップを提供する。

0039

発明者らは、バイオチップの中に溶液を移送するのに用いる駆動機構に基づいた2つの広いクラスのマイクロ流体バイオチップを定義する。遠心型マイクロ流体バイオチップは円形フットプリントを有し、回転して、バイオチップ内の場所から場所へと流体を駆動する遠心力を提供する。固定型(または非遠心型)マイクロ流体バイオチップは、広い範囲のフットプリントを有し(矩形または実質的に矩形のフットプリントを含む)、バイオチップの回転によることなく駆動することが特徴である。

0040

本発明のバイオチップは固定型であり、それは、バイオチップ全体に流体を移動させるのに遠心力を発生させるための回転が不要であることを意味している(バイオチップは、一般的に移動可能であり、特に並進運動可能である)。その代わり、本発明のバイオチップは、空気圧的、機械的、磁気的、および流体的なものを含む駆動機構を有している。流体の移送と制御された液体フローには様々な方法を用いることができる。1つの方法は、体積式ポンピングであり、液体または介在ガスと接するプランジャーが、移動の間にプランジャーによって置換される体積に基づく正確な距離だけ液体を駆動する。その方法の例はシリンジポンプである。別の方法は、空気圧的、磁気的または別の方法で作動する統合弾性体膜の使用である。流体を駆動し、および流速を制御する好ましい方法は、空気圧駆動を用いることであり、液体の先端、後端、または両方のメニスカスにおける圧力を変化させることにより、液体自身に対して真空または圧力を直接加えることである。適切な圧力(典型的には、0.05〜300psigの範囲および通常0.5〜30psigの範囲)が、所望の流動特性を達成するために加えられる。流れは、流体流路の大きさを適切に調整することにより制御することができ、これは、流速が、流速断面の差圧水力直径の4乗に比例し、流路または液体充填物の長さおよび粘度に反比例するからである。また、流れは制御することができ、および流れの流路に沿って排出膜を組み入れることにより並列試料を配列させることができる。

0041

本発明のバイオチップは、単一の機器とともに作用して、複雑な化学分析を実施する。本明細書に記載された本発明のバイオチップは、機器から機器への試料の移動をなくし、オペレータの必要性を最小限または不要とすることにより使い易さを向上させ(適切なスクリプトとユーザーインターフェイスを用いて、単一の機械で可能である)、オペレータ操作の必要性をなくし、システムの耐久性を高める能力を向上させ(単一の機械の中にすべての耐久性向上サブシステムを組み入れることができる)、および試料処理に必要な実験チャンバーの基本的施設だけでなく必要な機器類のコストを低減することができる。実際、一実施形態において、単一の機器でバイオチップ機能を有するものは、実験チャンバー環境に対する要望を不要にするかもしれない。

0042

機器は、試料処理の完結に必要なすべてのサブシステムを提供する。これらのサブシステムは、高電圧および低電圧電源サブシステム、熱サイクルサブシステム、空気圧サブシステム、磁気サブシステム、機械サブシステム、超音波サブシステム、光学サブシステム、耐久性強化サブシステム、プロセス制御サブシステムおよびコンピュータサブシステムを含んでいる。バイオチップインターフェイスに対する機器は、マイクロ流体ドライブと、バイオチップ内で実施すべき一連の処理に応じて、1つまたは複数のこれらサブシステムを用いてもよい。本明細書に記載した例では、バイオチップおよび機器のインターフェイスは、空気圧的、電気的、光学的、および機械的である。機器の大きさは、サブシステムの大きさ、バイオチップの大きさ、および処理量により決定される。機器の重量は、約10ポンド、25ポンド、50ポンド、100ポンド、150ポンド、200ポンド、または200ポンドより多い。同様に、機器の体積は、0.5立方フィート、または1,2,4,6,10,15,20、または20立方フィートより大きい。

0043

また、本発明のバイオチップおよび機器は、従来の実験チャンバー環境の外でも動作可能であるように設計されている。用途に応じて、移動や、温度、湿度浮遊粒子状物質極値に耐えうることができるように耐久性を向上させることができる。オフィス屋外戦場空港、国境と、および医療現場において、技術専門家以外のオペレータによる本発明の使用により、社会における遺伝子工学幅広い応用が可能となる。未処理の試料の使用が、本発明の教示の広い応用を支援する。

0044

本明細書に述べられている本発明のマイクロ流体システム、機器およびバイオチップは、1回の使用または多数回の使用に用いることができる。1回使用の使い捨てのバイオチップの利点は、以下のものがふくまれる:
相互汚染の最小化
多数回使用のデバイスでは、試料または試料の成分が、デバイスの中に存在し、洗浄を必要とする;残留物が次の分析を汚染する可能性がある。1回使用の使い捨てデバイスは、本質的に残留試料が存在しない。これは、新しい試料処理流路とそれらの製造方法により一部が達成され、そこでは、試料と試料との流路連絡はない。
技術的要求の最小化
多数回使用のデバイスには、使用したデバイスを洗浄し、次の再使用に備えて準備するたまの装置が必要である。本発明の1回使用の使い捨てデバイスは、これらの要求に悩まされることがない。
・オペレータ要求の最小化
使用済みのデバイスを丁寧に洗浄し、次の再使用のために準備するのに必要な技術に加えて、デバイスまたは機器の中で挿入することにより、多数回使用デバイスの中に試薬を再装填する必要がある。1回使用の使い捨てマイクロ流体デバイスの中へすべての試薬を組み入れることにより、オペレータは操作の必要がなく、あるいは少しの試薬に曝されることがない。オペレータは、デバイスの中に試料を挿入し、スタートタンを押すだけでよい。その結果、本明細書に記載された本発明のバイオチップは、未熟練または最小限のトレーニングを受けたオペレータにより操作することができ、典型的な実験チャンバー環境外であっても実施ができる。医療現場、戦場、検問所、大使国家安全保障に重要なサイトおよび世界の開発途上地域で、これらの本発明のバイオチップを用いてすべての試料の分析が可能である。生物学的脅威の検出を含む用途に適用されるような試料の自主回収および分析も、オペレータ要求の最小化により利益を受ける。試料を取り扱う必要性が実質的にない方法について記載している研究は、分析の方法論のさらなる単純化と広範化を行うものであり、2010年2月3日に出願され、名称が「核酸精製」である米国特許出願番号No.12/699,564に記載されており、出典明示によりそのすべての内容が本明細書に組み入れられる。
システム処理量の増加
技術的要求およびオペレータ要求の最小化は、単位時間当たりの試料数の増加を可能にする。特徴の高密度充填は、多数の試料の並列処理を可能とし、大きなバイオチップの使用は処理量をさらに増加させる。また、処理フローの方向を逆転させることにより(例えば、電気泳動と、精製および増幅を向かい合わせにする)、より小さく、よりコンパクトなバイオチップと機器が可能となる。
・コストの最小化
必要労働力の最小化と一般費用の除去はコストを低減する。

0045

本明細書に記載された本発明のバイオチップは、SBSマイクロタイタープレートの大きさよりも大きい。バイオチップのフットプリントの大きさは、86×128またはそれより大きい、100×150mmまたはそれより大きい、115×275mmまたはそれより大きい、140×275mmまたはそれより大きい、165×295mmまたはそれより大きい。また、本発明のバイオチップは、SBS基準に対応しない10,920.0mm2未満のフットプリントを包含している。本発明の教示は、先例がない程の試料数の複雑さと処理の複雑さとを有するバイオチップの設計および作製を可能にする。特定ユーザーの要求と所定の用途の要求に基づいてフットプリントを作製することができる。

0046

本発明のバイオチップの試料数と処理の複雑さが増加すると、バイオチップの特徴密度も増加する。この文脈では、マイクロ流体的な特徴は、CNC加工により切断されるか、または射出成形により成形される、問題の層の面積として規定される。特徴密度は、問題の層の表面積に対するマイクロ流体特徴の数の比率である。例えば、実施例5と6のバイオチップは、以下の密度を有している:流体工学層の上面および底面は、マイクロ流体特徴により占有される表面積が、それぞれ約20.2%と6.6%である。空気力学層の上面および底面は、マイクロ流体特徴により占有される表面積が、それぞれ約7.5%と8.8%である。同じバイオチップの16試料用は、実質的に同じフットプリントを占有しているが、より高い密度を有している:流体工学の場合は19%と13.7%で、空気力学の場合は18.3%と25%である。層上の局所密度は、60%またはそれより高い(実施例4,5および6のバイオチップの特定領域は、約3cm2の領域において64%を越える局所密度を有している)。本発明の空気力学バイオチップおよび流体工学バイオチップは、それらの表面積の5,10,15,20,25,30,40,50,60,70,80、および80%を越える領域がマイクロ流体特徴により占有されている。マクロ流体特徴も密度に寄与している。

0047

本発明のバイオチップの特徴
本発明のバイオチップは、熱可塑性層を含み、該熱可塑性層は、1つまたは複数の流体移動流路(それらは、独立してもよく、接続してもよく、またはネットワーク化してもよい)、スルーホール、配列特徴、液体および凍結乾燥した試薬の貯蔵チャンバー、試薬放出チャンバー、ポンプ、計量チャンバー、凍結乾燥したケーキの再構成チャンバー、超音波チャンバー、結合チャンバーおよび混合チャンバー混合要素膜領域濾過領域排出要素加熱要素磁気要素反応チャンバー、廃棄チャンバー、膜領域、伝熱領域、アノード、カソード、検出領域、ドライブ、バルブライン、バルブ構造、アセンブリー特徴、機器インターフェイス領域、光学窓、熱窓、および検出領域等のマイクロ流体特徴を含んでいる。バイオチップは、マクロ流体特徴、すなわち、上記のマイクロ流体特徴と同じタイプのより大きなものである特徴を含んでいる。例えば、バイオチップは、30μLの液体を含むマイクロ流体試薬貯蔵チャンバーと、5mLの液体を含むマクロ流体試薬貯蔵チャンバーを含んでもよい。本発明のバイオチップにマイクロ流体特徴とマクロ流体特徴を組み入れることにより、所定のバイオチップがマクロ流体処理要求とマイクロ流体処理要求の両方を満たすことを可能にする。これは、比較的大体積を必要とする試料(法医学スワブまたは臨床血液試料等)をマイクロ流体スケールで処理する必要がある場合には利点となる。

0048

バイオチップに、パターンを付与された薄膜、スペーサー層接着層、弾性層および非弾性層、並びに検出領域、を含む薄膜も組み入れてもよい。バイオチップは、特定の駆動機構(例えば、空気圧的、機械的、磁気的、および流体的な駆動のための作動ライン)に基づく層を組み入れてもよい。マイクロ流体バイオチップが、マクロ流体領域、特に法医学試料、臨床診断試料、および生物学的脅威試料のためのマクロ流体領域を含んでもよいことは留意されたい。

0049

本発明のバイオチップは、未処理の生物学的試料からの核酸および他の生物学的成分の精製、操作、および分析を可能とする。未処理の生物学的試料は、別々に集められ、中間の処理工程なしで、バイオチップの試料受容チャンバーに挿入される(しかし、試料採集機器は標識され、および/または処理に先立ち保存される)。オペレータは、単に試料を集めるか、あるいは単に試料を取得し、試料を器具に挿入し、該器具を機器の中に挿入し(該器具が予め機器の中に配置されている場合には必要ない)、およびスタートボタンを押すだけでよい。器具に挿入する前には、試料の処理、操作、または修飾は不要であり、オペレータは、スワブをカットしたり、血液管を開けたり、組織または生物学流体を集めたり、試料を別のホルダーに移したり、または試料を試薬または条件(例えば、熱、寒さ、振動)に曝す必要はない。したがって、オペレータは、生物科学または検査技術について広範囲なトレーニングを受ける必要はない。必要に応じて、本発明のバイオチップは処理された生物学的試料(例えば、後の精製に用いる細胞溶解物)を対象とすることもできるが、そのような用途は、技術教育を受けたオペレータを必要とするかもしれない。

0050

実際、生物学的試料は無数採取器具を用いて集められ、それらは本発明のバイオチップに用いることができる。採取器具は一般的に商業的に入手可能であるが、所定の目的のために特別に設計しおよび製造することができる。臨床試料については、鼻咽頭、口、口液、大便扁桃子宮、および傷のスワブを含む様々な商用スワブの種類が使用可能である。試料採取器具の大きさや材質は変化し、該器具は、直接破断を容易にする特別のハンドルキャップ切り込み線や、採取母体を含んでもよい。血液試料は、広い様々な範囲の商業的に入手可能な、様々な体積の管の中に集められ、それら管のいくつかは、添加剤ヘパリンクエン酸塩およびEDTAのような抗凝血剤を含む)、試料導入を容易にする真空、針挿入を容易にするストッパー、および試料に曝すことからオペレータを守るカバーを含んでいる。組織および体液(例えば化膿性物質、吸引液)も管(血液管とは一般に異なる)に集められる。これらの臨床試料採取器具は、試験のために先端病院または民間臨床検査所に一般的に送られる(迅速連鎖状球菌検査用/扁桃スワブの判定等の特定の検査は、臨床現場で行うことができるが)。環境試料は、フィルターまたはフィルターカートリッジ(例えば、吸気エアゾールまたは水濾過器具から)、スワブ、粉末、または流体に存在してもよい。

0051

法医学の証拠用の共通の採取技術はスワブを用いて行なわれる。スワブは、ボード社(ロートン、バージニア州)、ピューリタン社(ギルフォードメイン州)、フィッツコ社(スプリングパークミネソタ州)、ボカ社(コーラルスプリング、フロリダ州)、コーパン社(マリエータ、カルフォリニア州)、およびスタープレックス社(エトコークオンタリオ州、カナダ)から商業的に入手可能である。スワビングは、ゲージ状材料、使い捨てブラシ、または商業的に入手可能な生物学的試料キットを用いて行うこともできる。法医学試料は血液、精液、上皮細胞、尿、唾液糞便、様々な組織および骨を含んでもよい。ヒトに存在する個体からの生物学的証拠は、頬側スワブを用いてしばしば採取される。広く用いられる商業的頬側スワブは、セクアスワブ(SecurSwab)(ボードテノロジーグループ、ロートン、バージニア州)である。頬側試料は、被験者またはオペレータに指示して、口の内部の頬表面上にスワブを入れて、1回または複数回スワブを上下に移動させることにより採取される。

0052

本発明のバイオチップの別の大きな利点は、多数の試料に対して複雑な処理を並列的に実施できることである。バイオチップの可撓性により、同じ一連の操作を用いて多数の試料を処理すること、あるいは特別な一連の操作を用いて各試料(または試料の部分集合)を処理することが可能となる。さらに、複数の独立した分析を、所定の試料について行なうことができる。例えば、DNAを分離し、次にSTR分析、SNP分析、および精製された材料に対してミトコンドリア配列決定を行うことにより、法医学的試料を分析できる。同様に、核酸とタンパク質を精製し、PCR、逆転写PCR、DNA配列決定、および免疫アッセイを行うことにより、臨床試料を分析でき、それにより(例えば)、単一のバイオチップ上で、多数の病原体や細胞プロセスを同時に調べることが可能となる。発明者らは、本明細書に、異なる統合問題に対する解決策だけでなく、異なる必要な機能に対する多くの解決策を記載している。これらは例示であって限定するものではなく、当業者であれば、様々な用途のための様々なバイオチップおよび手段にこれらの成分と統合の技術を適応させることができる。

0053

バイオチップの操作およびデータ解析のためには、一連のソフトウェアファームウェアが必要である。機器のハードウェアは、成分関数指令し、機器の自己診断テストを行なうソフトウェアおよびファームウェアによって制御される。自動化されたスクリプトは、すべての既定の処理工程の適用を含む、バイオチップを有する機器のすべての相互作用を制御する。解析ソフトウェアは、生データ(例えば電気泳動図の色補正)の処理およびアッセイ(例えばフラグメントサイジング、STR対立遺伝子呼び出し、DNA配列解析)の結果の解析を行う。機器は、ユーザーに処理を開始させ、ユーザーに処理状況を知らせることができるグラフィカルユーザーインターフェイスを含んでもよい。最後に、システムは適切な解析コンパレーター(例えば興味のある個体からのSTRプロファイルまたは病原体のDNA配列)を保存してもよく、あるいはシステムは、外部データベースとのマッチングおよびさらなる解析のために結果を移植してもよい。

0054

バイオチップ製造
本発明は、バイオチップの製造方法を提供するものであり、該バイオチップは、完全に統合され、試料の前処理調製が不要であり、SBSの寸法範囲に制限されず、かなり大きくでき、マイクロタイターフォーマットに制限されず、試料数の複雑さや処理の複雑さを取り込んでいる。

0055

バイオチップは、ポリエチレンポリプロピレンポリカーボネートポリスチレンポリメタクリル酸メチル(PMMA)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、環式オレフィンポリマー(COP)および環式オレフィン共重合体(COC)を含む熱可塑性ポリマー、および本明細書で請求された新規な方法に基づく大量生産に適している他のポリマーから作製することができる。バイオチップは、大きなプレート(SBS標準プレートより大きいものを含む)をCNC機械加工して作製することができ、CNC機械加工のブランクプレートは射出成形で作製してもよい。バイオチップは、大きなプレート(SBS標準プレートより大きいものを含む)を射出成形して作製することもできる。必要に応じ、特性を向上させるために、バイオチップに被膜を形成してもよい(組み立て前、組み立ての間の中間工程、または組み立て後)。広範囲の被膜と処理を適用することができる。例えば、流路を0.5%の牛血清アルブミンに曝すと、試料中に存在するタンパク質の流路壁への結合を減らすことができる。PFC502A(サイトニックス社、ベルトビルメリーランド州)等の疎水性生成物は泡生成を最小限にするためにチャネル、チャンバーおよびバルブに適用することができる。同様に、空気圧的および機械的バルブ構造の弾性体膜または非弾性体膜は、最適なシーリング特性を得るために、被覆されるか、そうでなければ処理される。

0056

さらに、本発明の別の態様は、バイオチップおよびそれらの製造方法であり、同じバイオチップ上で多数の試料を処理すると同時に、複雑な一連の処理工程を実施するために大きなバイオチップを作製する、という問題を解決するものである。バイオチップがCNC機械加工により作製されるか射出成形により作製されるかに関係なく、バイオチップの特定の領域に、細かい特徴を高密度に一体的に充填し、アスペクト比を最大にしながら結合を可能とするようにそれらの間に空間を残しことにより、この複雑性が達成される。この射出成形されたバイオチップは、作製時および結合時にそれらが平らで、反りが最小限であり、限定された収縮特性を有するように、および処理工程の複雑性を可能とする特徴を支援するために適切な配列許容性を有するように、設計および作製されている。

0057

本発明のバイオチップは、流体サブアセンブリー、空気圧サブセンブリー、バルブサブアセンブリー、マクロ流体処理サブアセンブリー、分離および検出サブアセンブリーを含む複数のサブアセンブリーを含んでいる。すべてのサブアセンブリーが所定のバイオチップに必要であるという訳ではない。例えば、マクロ流体試料の体積とチップ上の試薬が不要であれば、マクロ流体サブアセンブリーは必要ではない。しかしながら、本発明のバイオチップは、少なくとも1つの、CNC機械加工された、エンボス加工された、押し出された、または射出成形された層を一般的に有している。単一層は、流体をバイオチップの1つの領域から別の領域へと移動させる流体特徴と制御特徴の両方を含んでいる。多くの場合、流体層と制御層とが別々であることが好ましく、それは処理の複雑性を増加させることを可能にするからである。1層または複数層は、片面または両面に特徴を有している;両面特徴の利点は、処理の複雑性、特徴密度、および試料数を増加させるとともに、作製コストを低減し、および組み立てを容易にすることにある。多数の層を用いる場合、公知の多くの技術、例えば、熱結合溶剤結合接着結合および超音波溶接を用いて多数の層を結合してもよい(Tsao. C.-W(2009)、熱可塑性ポリマーマイクロ流体の結合、Microfluidics and Nanofluidics 6:1-16の解説)。マイクロ流体バイオチップの層の数を検討する場合、達成すべき両方の所望の複雑性を可能とする最も少ない数の層を用いることが望ましい。層数を最小にすることは、作製および組み立ての複雑性を減らし、および結果的にバイオチップの製造コストを低下させる。

0058

本発明のバイオチップの作製の別の態様は、様々なサブアセンブリーの上面と底面の上に配置された層に関する。「薄膜」と名付けられたこれら中間層の目的は、CNC機械加工された層または射出成形された層を互いに結合させて、該CNC機械加工された層または該射出成形された層を外部から保護すること、機器と層の中のチャンバーとの間を熱結合すること、機器内の要素による効率的な励起と検出を可能とするように適切な光学特性を与えること、層間に流路を設けること、膜、フィルター、および他の要素を保持すること、および直列バルブ用の材料に射出成形層を用いることである。非弾性体の薄膜材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリスチレン、環式オレフィンポリマー、環式オレフィン共重合体、アクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート、アルミニウム、および三酢酸セルロースを含んでいる。弾性体薄膜材料は、Plastic: Materials and Processing 第3版(前掲)に記載されているような、広範囲のゴム(シリコーンを含む)と熱可塑性エラストマーを含んでいる。これらの膜は、厚さが1ミクロンから500ミクロンである。

0059

CNC機械加工された層または射出成形された層と薄膜は、互いに結合してバイオチップを形成するので、層の間および層を横切る流体連絡は、スルーホールにより提供される。スルーホールは、所定の層の上方から下方へと通過する層であり、ある層から別の層への流体の移動を可能にする層である。スルーホールは実質的にどのような形状でもとることができ、円筒状が多い。本発明のバイオチップは、多数のスルーホールを提供し、試料数の複雑性や処理の複雑性を可能とする。例えば、射出成形された実施例6の6試料のバイオチップと、16試料の対応バイオチップは、以下のスルーホールを含んでいる。

0060

「S&D」は、「分離および注入」(separation and injection)を指す。まとめると、6−試料バイオチップの部分(マクロ流体処理サブアセンブリーは除く)は929個のスルーホールを含み、16−試料のアセンブリーは2747個のスルーホールを含む。本発明のバイオチップは、50,100,200,300,400,500,600,700,800,900,1000,1500,2000,2500、または2000個を越えるスルーホールを含む。マイクロ流体特徴の合計(スルーホールを含む)について考えると、本発明のバイオチップは、1000,2000,3000,4000,5000,7500,10000またはそれを越える特徴を有している。

0061

1層当たりの特徴の数が多い場合、本発明のバイオチップの層は、機器のインターフェイス接続の様々なサイトに対してだけでなく、すべての層に対して適切に配列されなくてはならない。配列の要因は結合時、特に熱結合時の部品の収縮に関係する;配列の問題は、部品間の収縮差により悪化する。本発明のバイオチップは、収縮差に対して責任を持つように設計および作製されている。組み立てを容易にするため、最大数の特徴と持った部分を収縮基準として用いる。すなわち、結合の後、その寸法が機器とインターフェイス接続するのに必要な寸法となるように設計される。他のすべての部品の寸法は、結合後に、それらが基準プレートに合わせて配列するように寸法合わせがなされる。

0062

機器のインターフェイス接続サイトにおける配列は、インターフェイス特徴を適切に寸法設定および配置することにより達成される。例えば、本発明の空気圧インターフェイスは、数ダースポートから成る。バイオチップの空気圧層全体に広げる代わりに、それらは中心に集中している。空気圧層は全体として収縮するが、ずっと小さな空気圧インターフェイス領域はずっとわずかしか収縮しない。さらに、バイオチップはアセンブリーのための配列特徴を有しており、それは流体層および空気圧層の内部に組み入れられた配列穴を含んでいる。流体層を空気圧層に合わせて配列させるため、空気圧層と流体層の対応する配列穴の中に位置合わせピンが挿入される。機器内に確実に適切に配置するための配列特徴は、空気圧層(および流体層ではない)に登録する機器内のガイドを含み、そこには空気圧ポート特徴が配置されている。部品収縮は見積もることはできるが、実際の組み立て過程の後での収縮は慎重に測定する必要がある。例えば、実施例5の空気圧プレートと流体プレートは、それぞれ(X方向とY方向にそれぞれ−0.063%と0.116%)、(0.151%と0.401%)収縮し、およびこの収縮差を補償するために、空気圧プレートは、その大きさを(0.214%、0.285%)増加させた。

0063

層対層と機器対バイオチップの両方の配列は、配列すべき部品の数を最小限にすることにより管理される。例えば、CNC機械加工されたまたは射出成形された、本発明のバイオチップの空気圧プレートおよび流体プレートは、その両面に存在する特徴を一般的に有している。これにより、組み立てに必要な部品の数を半分にできる。

0064

配列特徴と同時に、別の層の特徴と連絡する必要のある所定の層の特徴は、許容度をもって設計される。特に、バルブ特徴(実施例2に記載されている)は、流体チャンバー弁座に合わせて空気圧特徴を配列させることを必要とする。さらに、空気圧層のスルーホールは、マクロ流体処理サブアセンブリーの中のチャンバーの出力を、流体層内の対応する入力ホールに接続する。2個のスルーホールを位置合わせする場合は、一般的に、2つのスルーホールの位置合わせの達成を確実に行うため、スルーホールの一方の直径を0.5mmだけ大きくする。

0065

本発明のバイオチップは、閉鎖システムを表し、該閉鎖システムでは、バイオチップの中に試料が挿入されて密封され、バイオチップからは液が漏れない(すなわち、試料処理の最初にバイオチップ内に含まれている処理試薬は試料処理が終了するまでバイオチップの中に含まれている(そしてバイオチップが取り除かれる時、機器から除去される))。空気圧駆動ラインからの空気は、バイオチップに入り、空気は排出膜を通してバイオチップの外へ排気される。本発明の閉鎖システムバイオチップは、オペレータが試料または薬品および重要な安全特徴に曝されることがなく、および未使用の試薬または使用済みの試薬のいずれも機器内に貯蔵する必要がないという点で機器を簡単にできる。

0066

複雑な完全統合されたバイオチップの中に多数の細かい特徴が存在しなければならないので、マイクロ流体特徴の射出成形は、多くの挑戦を提供する。これらのマイクロ流体特徴は、マクロ流体特徴に沿った所定の部分に時折存在し、射出成形の挑戦をさらに増加させている。発明者らは、本明細書で、特別なタイプのバイオチップのためのデザイン検討事項に対する特別の解決策を提示しているが、当業者は、これらの特別な解決策を、特別の機能を持った数多くのタイプのバイオチップの作製に適用できるであろう。これらの例の中の設計検討事項の中には以下のものがある;精密射出成形における収縮および形状安定性、バイオチップの平坦性、バイオチップの反り、最小の特徴寸法、特徴密度および適切なアスペクト比等の幾何学的態様。本発明のバイオチップの射出成形部品のデザイン特徴は、射出成形プロセスの文脈で記載されるであろう。射出成形はプラスチック部品の作製プロセスであり、そこでは、金型加圧されて締め付けられ、溶融プラスチックの注入と冷却が行われる。プラスチックの細粒樹脂ペレット)は、射出成形機に供給され、次いで着色剤が供給される。樹脂は、注入バレルの中に落下し、そこで融点まで加熱されて、往復スクリューまたはラム装置のいずれかを通って金型に注入される。溶融プラスチックは金型の中に含まれ、金型の中のすべての空洞が充填されるまで、水圧または機械的圧力が加えられる。プラスチックは金型の中で冷却され、金型が開けられ、プラスチック部品が突出しピンで押し出される。全プロセスは、サイクル的であり、サイクル時間は、10秒間から100秒間の範囲であり、必要な冷却時間による。

0067

金型は2つの1次部品射出金型押出金型から成る。プラスチック樹脂は、湯口(sprue)を通って射出金型に入る;スプルーブッシュ(sprue bushing)は、注入バレルから金型キャビティ溶融樹脂が流れるように、該注入バレルのノズルに対して十分に密閉されている。スプルーブッシュは、プレートの面に機械加工された流路(またはランナー)を通して、溶融樹脂をキャビティ形(cavity images)に移動させる。溶融樹脂の流れは、1つまたは複数のゲートそしてキャビティ形状の中に入り、所望の部品を形成する。金型を開けた時に、完成部品が確実に金型の押し出し側に残るように、金型は通常設計されている。部品は、押し出された時に自由に落下する。金型は、CNCフライス加工放電加工を含む機械加工方法の組み合わせを用いて製造することができる。

0068

本発明のバイオチップの射出成形用デザインに対する全体的なアプローチは以下のものを含む:
・層数の減少。
射出成形層の数を、層の両面に特徴を作製することにより、1つの流体層および1つの空気圧層に減らした。互いに横切る流路が層の別々の面上に至るように、流体ライン空気圧ラインとを一部配置することにより、これが達成された。いくつかの場合、上がり下がりの変化も必要であった。垂直方向の変化は、大きな圧力低下と、流路伝達の減少をもたらすので、これらは最小限とした。排出膜とフィルター膜の超音波溶接を可能とする特徴も設計された。溶接特徴を組み入れることにより、射出成形層を減少させた。
・特徴密度の増加。
流路と特徴の充填密度の増加は、射出成形層の数と寸法を減少させて、収縮を減少させおよび配列性を向上させる。実施例5のバイオチップの空気圧層の図44,61の空気圧マニホールド領域では、例えば、流路のピッチは1.0mmで、10流路が1cm2の領域の中に配置されている。流路間の狭い(0.5mm)壁にも拘わらず、流路を密閉した熱結合方法を開発したことにより、この密度が達成された。細かいピッチと狭い壁を持った特徴の熱結合は、平坦性を確保するために均一表面と低表面粗さとを有する結合用取付具を用いることにより達成された。さらに、2つの結合プレートが使用され、所定の射出成形アセンブリーまたは射出成形サブアセンブリーの全体の細かい特徴について信頼性のある結合を確保するために、0.0005”の許容度に対応するように配置された。最後に、プレート全体の温度の均一性を0.25℃の範囲内とすることにより、アセンブリーまたはサブアセンブリー全体に対して信頼性のある結合を確保している。
・抜け勾配の最小化。
部品を金型から離れ易くするために、すべての特徴の垂直面は、抜け勾配を持ってわずかに傾斜している。射出成形における抜け勾配は、典型的には2〜7°の範囲である。本発明の射出成形されたプレートは、0.5%のより小さな抜け勾配を用いた;抜け勾配が小さい程、射出成形特徴をより高密度に充填できる。これら小さな抜け勾配に合わせるため、成形プロセスで一般的なものよりも、マイクロ流体特徴により近付けて突出しピンを配置した。
・スルーホール。
射出成形のゲートを適切に配置することにより、ニットラインウェルドラインを減少させた。さらに、特徴の寸法と、大きな特徴の周囲の樹脂流れとを保持することが困難であるので、成形部品の大きな空いた特徴を最小化した。
壁厚さ。
特徴床の1.0mmの厚さと、特徴間の0.5mmの壁の厚さがデザイン全体で維持された。
・平坦性と反り。
厚さを最小化するために、特徴間の適切な層厚さと変化が採用された。得られたプレートの平坦性が確認され、部品の内部応力を最小化するために、射出成形プロセスに対する調整が実施される。成形プレートの反った領域は、突出しピンの配置を変更することにより、調整される。さらに、平らでない領域を微細機械加工することにより平坦性が向上する。
・特徴アスペクト比。
高アスペクト比の特徴は最小化され、アスペクト比が2より小さく維持された。高アスペクト比の特徴は、金型から成形部品が効率的に押し出されるのを妨げる傾向がある。
・押し出し特徴。
突出しピンの場所を最小限とし、金型の半分の押し出し部分の上にだけ配置された。突出しピンは、部品の表面に局所的な変形を生成させ、それにより、結合が弱いか全く結合しない領域を生成させる。部品の突出しを繰り返すのに必要な動きを最小限にするように、金型内の突出しピンの動きが調整された。
・射出成形収縮。
樹脂用射出成形での収縮のすべては、収縮に適応することにある。さらに、金型温度と保持時間を調整することにより収縮はより細かく調整された。射出成形プレート内のすべての特徴が所定の許容範囲内で配列されるように、空気圧部品と流体部品の収縮は調整される。
ブロック成形。
上記のアプローチは、両面が平らなプレート(例えば、流体プレート、空気圧プレート、およびマクロ流体処理カバープレート)の成形に適用可能である。マクロ流体処理ブロック等のより高体積のブロックを成形するために、これらのアプローチにおいて、アスペクト比が通常2より大きいというように変更された。ブロック成形の場合、1°未満の抜け勾配がデザインの中に組み入れられ、大きなチャンバーの体積を最大限にしながら成形部品から突出しピンを効率的に除去することを可能とした。

0069

本発明の完全に統合されたバイオチップは、オペレータの介在がない状態で、単一の機器で実施される、試料の挿入から結果生成までの一連の複雑な処理工程を実行できるバイオチップを提供することにより、マイクロ流体の可能性を実現する。さらに、これら本発明のバイオチップは使い捨て可能であり、コスト効率よく製造できる。

0070

実施例1.試薬保存および放出
本発明のバイオチップは、様々な処理を行うための試薬を必要とし、およびこれらの試薬は、それらが曝されるバイオチップ材料、操作条件および環境条件に対して適合しなければならない。

0071

本発明の試薬は、いくつかの方法でバイオチップの中で導入できる。
最初に、試薬は、通常使用直前にバイオチップに手作業で添加することができる。手作業による添加の利点は、バイオチップは試薬を長期間保持する必要がないので、バイオチップ上での長期安定性を最小限にすることができる。手作業による装填の欠点は、オペレータが技術教育を受けおよび専門知識を有することが必要であること、正確に配置されていない試薬は適切な処理を妨げること、および試薬を置くことが汚染源になる可能性があることである。配置の第2の方法は、機器の中または機器の近くの容器に試薬を貯蔵することである;配管または他の流路が、所望の処理時間で試薬をバイオチップに移送する。この方法の利点は、一度試薬容器を設けると、システムの複数の分析の実行を可能にすることである。欠点は、機器内に実質的な移送流路が必要であり、流路を通る妥協による流れは、例えば乾燥して流路上の残留物となり、また機器を開く必要があるので、損傷または汚染の可能性があり、複数の分析の実行のための試薬の貯蔵を可能とするためには、機器の大きさを相対的に増加させる必要があること、およびオペレータが技術教育を受けおよび専門知識を有することが必要であることである。

0072

好ましい方法は、バイオチップの中に試薬を配置することであり、予め搭載された試薬はバイオチップの必須部分であり、オペレータは実質的にさわることができない。この方法の利点は、オペレータが決して試薬に接する必要がないか、技術教育または専門知識を必要とせず、および、バイオチップが閉鎖システムの場合、汚染の可能性を最小限にできる。さらに、機器はバイオチップを受け容れるが、別の試薬管または試薬カートリッジを配置するために開く必要はない。チップ上の試薬が機器と接触しないようにする駆動システムと組み合わせる場合、バイオチップは閉鎖システムであり、汚染の可能性を最小限にしながらさらに使い易さを向上させることができる。

0073

チップ上に試薬を貯蔵するために、試薬は接触するすべてのバイオチップ材料に対して適合性を有する必要があり、および必要に応じ処理に対して利用可能でなければならない。発明者らは、これら要求に対する1つのアプローチを「試薬貯蔵および放出(RSR)」と名付け、これは、試薬がバイオチップの中に貯蔵および隔離され、処理時には必要に応じて放出されることを示している。

0074

RSRへのアプローチは、ブリスターパックチューブインチューブ(tube-in-tube)構造(試薬を含む管がバイオチップ試薬槽の中に挿入されている)、および単一チューブ構造(試薬がバイオチップ試薬槽の中に直接充填されている)。動作方法は、圧力を用いる方法(必要に応じ切れ目をいれた箔の使用を含んでもよい)、ピンを用いる方法(機械的または空気圧的に作動させたピンが箔シールを刺す)、および機械的方法機器要素が貯蔵された試薬に圧力を加える)、を含む。

0075

ブリスターパック。
このアプローチでは、アルミ箔でシールされたブリスターパックまたはスティックパックを用いて試薬を貯蔵する。機械的力パックに加えて中身を試薬槽に放出させる。

0076

チューブインチューブ構造。
このアプローチでは、試薬チューブ熱可塑性プラスチックで作製され、箔シールは試薬充填の前にチューブの底部に適用され、第2の箔シールは充填後にチューブの上部に適用される。封止された試薬チューブは、次にバイオチップの適切な試薬チャンバーの中に挿入される。積層されたアルミニウム製の封止用箔のいずれを選択しても、熱封止に使用できる。これらの箔の特徴は、アルミニウム薄膜に積層されたポリマー性熱封止表面にある。保護のためにアルミニウム箔上に用いられた被膜は、試薬自身、熱、およびかき傷に対して耐性のあるものが選択される。保護皮膜は、熱封止表面としても作用してよい。

0077

単一チューブ構造。
このアプローチでは、バイオチップ自身内部のチャンバーが貯蔵媒体である。このアプローチでは、利点は、バイオチップが比較的小さいこと(チューブインチューブはさらに壁を必要とする)、および作製し易いことである。図1は、単一チューブRSRアプローチを示している。箔シール(101)は、各試薬貯蔵チャンバー(102)の上部と底部に結合されている(熱的に、超音波溶接により、または接着剤により)。底部の箔がまず結合され、液体試薬が充填され(102の陰影で示される)、そして上部箔が結合され、試薬貯蔵チャンバーが封止される。上部カバー(103)は、箔を破裂させるのに必要な圧力を付与する空気圧駆動ラインを含んでいる。凍結乾燥された試薬(104)は、箔の間に貯蔵することもできる。

0078

上部箔と底部箔を破裂させるのに必要な圧力が、試薬を試薬チャンバーから速やかに流出させる。試薬の流れを減少させるために、試薬チャンバーの底部に流量制御オリフィスが作製されている。オリフィスの直径は、適用される箔破裂圧力で所望の流れが得られるように寸法が調整されている。実施例2に記載されているように、流体の流れと並んだ液体を制御するために、バルブ膜と排出膜を用いることもできる。さらに、RSRチャンバーに空気圧駆動圧力が加えられる場合、箔は、破裂するに先立って膨張するのに十分な空間を持つ必要がある。この空間要求に対応するため(厚さ25ミクロン、直径8mmの箔に対して約1mm)、破裂用の膨張空間を付与するためにRSRスペーサープレートが設計された。RSRスペーサープレートは、試薬チャンバーの大径(この場合8mm)の出口と、バイオチップの小径(0.5〜1mm)の入口穴とを結合する接続部を提供し、およびテーパーを有する2つの界面の間の試薬の流れの移行部を提供する。入口穴は、流体サブアセンブリーの特徴に届く、空気圧サブアセンブリーの中のスルーホールでもよく、あるいは流体サブアセンブリーまたは分離および検出サブアセンブリーに直接結合してもよい。図2は、5試料のバイオチップに使用されるスペーサープレート105の写真であり、RSR破裂を必要とする液体試薬チャンバーと結合させるためのRSR移行部106を示している。従来の移行部107は、混合と保持に用いられる処理チャンバー(膨張空間を必要としないので試薬貯蔵に用いられるものではない)を、バイオチップの入口穴に結合させる。図3は、RSRチャンバー接続部108、円錐テーパー部109、およびバイオチップ接続部110を含むRSR移行部106の断面図である。また、示すように、従来の移行部107は、処理チャンバーと別のバイオチップサブアセンブリーとの間のスルーホール移行部である。スペーサープレートは、感圧性接着剤と機械的留め具により試薬チャンバーに取り付けられている。他の取り付け方法は、接着剤を用いる場合と用いない場合のガスケット、ねじ、熱かしめ、およびリベットの使用を含む。

0079

動作させるのに空気圧しか必要でないので、箔の空気圧破裂は好ましい方法である。バイオチップ内の空気圧駆動ラインを介してチューブの上部に供給される空気圧により箔シールは破裂する。この構造では、試薬チャンバーに適用される圧力は、箔上部に加えられ、それを破裂させる。破裂すると、チューブ内の試薬に直接圧力が加えられる。これにより、箔の底部が破裂し、処理用の溶液が放出される。空気圧破裂に用いる箔の選定にはいくつかの要素を検討する必要がある。空気圧破裂に適合するためには、破裂圧力が、バイオチップの構造に対して適切であり、バイオチップの許容範囲内である必要がある。本発明のバイオチップは、熱結合、溶剤結合、および接着剤結合により組み立てられており、望ましい破裂圧力は約20〜500psigである。10〜500ミクロンの薄い箔フィルムがこの目的に適しており、好ましくは10〜30ミクロンである。

0080

図4は、直径2〜8mmのチャンバーに結合した、12ミクロン(実線)と18ミクロン(破線)のアルミニウム箔に必要な空気圧破裂圧力を示している。破裂に必要な圧力は、箔の厚さの増加とともに増加し、チャンバー/箔の直径の増加とともに減少する。各点は、破裂に必要な平均圧力を示している(直径2mmではn=2、直径3mmではn=6、直径4mmではn=10、直径5mmではn=9、直径6mmではn=10、直径7mmではn=4、直径8mmではn=4)。破裂圧力は、箔材料の種類により影響を受ける。

0081

必要により、薄い箔への切り込みは破裂圧力を低下させる;箔上の様々な大きさおよび形状の切り込みを用いることができる。例えば、レーザーダイまたは機械ダイを用いた、様々な深さのライン、十字、円からなる切り込みを用いて、さらに破裂圧力を調整することができる。図5は、6チャンバーを備えたRSRユニットを示している(各チャンバーは、直径が8mmで、高さが50mmである)。25ミクロンのアルミニウム箔にレーザー切り込みを入れ(4.5mmの十字で、中心に深さ約10ミクロンのラインを設けた)、熱かしめにより前期ユニットに熱結合された。底箔は最初に配置され、食品着色剤を有する液体試薬が各チャンバーに充填され、上部箔が結合された(図6)。

0082

試薬チャンバーの両面破裂は、図6のチャンバーの中に2mlの試薬を充填し封止することにより実施された。該チャンバーの封止に使用された箔には切り込みが入れられ(4.5mmの十字で、中心に深さ約10ミクロンのラインを設けた)、32psigのわずかな破裂圧力であった。各チャンバーはRSRスペーサープレートに取り付けられ、該プレートは次にマイクロ流体流路に取り付けられた。空気は破裂部からベント部へ移動するが、前記チャンバーから放出される流体は阻止されないように、マイクロ流体流路の出口は排出膜で封止された。カバーは、前記チャンバーの上部に固定された。該カバーは、6チャンバーの各チャンバーを空気圧駆動ラインに結合する。空気圧システムは、一度に1チャンバーだけに圧力を加えるように構成されている。液体がマイクロ流体流路の中へ流入するのが観察されるまで、空気圧駆動圧力を徐々に増加させ、この圧力を記録した。試験に用いた24枚の箔すべて(4RSRユニット)が、32psig±3psigで破裂した。図7は、破裂後の箔を示している。破裂時に箔の破片バラバラにならないようにして、潜在的に試薬の出口流路を塞ぐように、箔材料、切れ込み深さおよび構造、および破裂圧力が、協同して選択される。本明細書に示した切り込み箔は、箔の破片を発生させない。

0083

第2の実験では、試薬チャンバーは、切り込み箔を用いて上述のように充填されおよび封止された。該チャンバーは、マイクロ流体流路に取り付けられているRSRスペーサープレートに取り付けられた各マイクロ流体流路の出口は排出膜で封止された。カバーは前記チャンバーの上部に固定され、すべての試薬チャンバーに対して45psigの圧力が1秒間加えられた。すべての箔は破裂し、試薬がマイクロ流体流路に流入し、排出膜で止まることが観察された。流路内の液体は、泡無の単一充填物から構成されていた。

0084

同時に、これらの実験は、RSRがチャンバーの中に封止する試薬を含むこと、封止箔の空気圧破裂、チャンバー直径と切れ込みによる破裂の制御、マイクロ流体チャンネへの試薬の移行、および排出膜を用いた試薬の待ち合わせ(queuing)を示している。

0085

RSRへの関連するアプローチは、箔を破裂させるのに、空気圧力よりむしろ機械的力を用いる。この方法は、箔封止された試薬チューブの上部と底部に、プラスチック製の鋭いピンを形成する(同じ目的のために金属ピンを挿入することもできる)。両方の箔は、ピンにより貫通され、必要な処理時間で試薬を放出する。

0086

実施例2.バイオチップにおける流れ制御
本発明のバイオチップは、細かい特徴を含み、解析結果の生成に必要な一連の処理工程を実行するためには、流れの制御が必要である。流れの制御要素の使用を必要とする流体の機能は以下のものを含む:
・バイオチップの中の流路を介して、流体の流れを1つの特徴から別の特徴へと向けること。
駆動ライン、バルブ、および排出膜の設定通りの使用は、バイオチップ内の特別な流路と特徴を通るように液体および気体を向ける。例えば、精製フィルター(図39,12)は、流体流路により試薬チャンバーおよび処理チャンバーに接続されている。流体の流れと、精製フィルターへの流入と流出を制御するバルブの順序は、実施例5のDNA結合工程、洗浄工程、乾燥工程、排出工程に記載されている。これらの工程では、流体の流れがこのチャンバーを通るように、いくつかの排出膜、バルブ(図39、46,47,43,42および44)、および空気圧駆動ラインが用いられている。
・チャンバーの封止。
熱サイクルや連続サイクル等の特定の反応は、高温を必要とする。かかる環境では完全な封止が重要であり、それは、反応が加熱されると、チャンバー内の流体の圧力が増加するからである。不十分な封止は、チャンバー外への流体の漏れをもたらし、反応内部のガスが抜け、泡を発生させる。チャンバーを封止することはこれらの問題を最小限にし、反応効率を向上させる。例えば、実施例5と6の熱サイクルチャンバーは、熱サイクル処理の間、バルブV13とV14(図40,52,53)により封止されている。
往復混合(reciprocal mixing)。
往復混合は、2液を空気バラストに対して押し付け、逆流を可能とするように圧力を放出することに基づく混合に対するアプローチである。加圧を繰り返し、およびその圧力を減少させることにより、溶液を前後に移動させて混合させることができる。このアプローチは、実施例6のバイオチップにおいて示されており、空気チャンバー図70、610)をバネとして用いており、該空気チャンバーは、流体に圧力が加えられた時は、流体の圧力により最初は圧縮され、圧力が解放された時は、流体を押し戻す。空気チャンバーは往復混合の間はバルブV13(図69、52)により密閉され、そこでは圧力が0から15psigに直線的に増加し、次いで15から0psigが加えられる。混合後、V13を開き、混合溶液PCRチャンバーの中へと流入させる。
・待ち合わせ排出膜—所定のバイオチップの中で並列処理される複数の試料の流速の変化は、試料の粘度(例えば、DNA含有量)や流路の寸法(すなわち伝導性)を含む要因に起因する。待ち合わせ機能の使用は、バイオチップ内の並列流路を通る複数の試料の流体流れの変化に適応する。このアプローチでは、所定の工程の最大可能時間が、工程時間として用いられる。早く排出膜に到着した試料は、流速の遅い別の試料が待ち合わせポイントに到着する間、停止し待つことなる。このアプローチは、複数の試料を確実に同期させることにより、同時に該複数の試料を処理することを許容する。流体の待ち合わせは、実施例5および6の「熱サイクルチャンバーへの移送」で実行され、そこでは、複数試料用のPCR溶液共通位置で停止させるために、排出膜(図40図69、100)とバルブ(V29)(図40図69、99)を用いている。複数試料を同期させるための別法ではあるが、より複雑なアプローチは、各試料を別々に制御するとともに、所定の試料がバイオチップ上の所定のポイントに到着した時、スクリプトがフィードバックを受けることができるような検出特徴(例えば、光学的、熱的、化学的、機械的)を組み入れることである。
・チャンバーの計量—溶液は処理フローの中の複数の例において計量される。実施例5および6の計量例は、「溶出液計量」工程であり、計量チャンバー(図40と70、8)、バルブV12(図40と70、51)および排出膜VM(図40と70、100)を用いる。
・間に空気充填物のある溶液の結合。
試料処理において、異なる入口からのものであり、かつ空気で分離されている2つの別々の流体充填物を結合する必要がある場合がある。この例は、「PCR生成物とホルムアミドとの結合」工程である。この工程では、結合チャンバー(図41および71、78)、排出膜、およびバルブ(図41、要素100、56、81)が用いられる。結合機能は、チャンバーの中へ各流体充填物を受け入れ、流体間の空気を除去し、結合した流体充填物を前進させるために上記の要素を用いる。この工程では、液体と空気の流れを停止させるためにバルブが用いられる。流体充填物間の空気を排出させるために排出膜が用いられる。
・廃棄チャンバーの充填。
バイオチップ内の廃棄チャンバーは、過剰の溶液、特に計量工程時の過剰の溶液を受け入れるように設計されている。廃棄物の取り扱い例は、「計量ホルムアミド」工程である。この工程では、廃棄チャンバー(図41および71、77)は、上面全体とバルブV15(図41および71、54)を密閉する排出膜を有するチャンバーから成る。バルブと廃棄チャンバーのデザインは、体積が変化し、および空気泡を含む可能性のある(そのため流体充填物が不連続である試料)過剰流体に対応している。完全に放出された廃棄チャンバーの使用は、流体充填物の中に存在する空気を排出させることができ、バルブの使用は、廃棄物を廃棄チャンバー内に入れて密閉することができる。
受動的試料分裂。
空気により分離されている2つの流体の流れを2つの経路に吐き出させるための、受動的伝導差特徴の使用には利点がある。このデザインでは、単一の流路が、排出されたチャンバーが終点となる2つの流路に分裂する。第1の流路の流れ伝導性(flow conductance)は、その流路に沿って受動的流れ制限を組み入れることにより顕著に減少させることができる。流れ制限は抵抗を発生させ、分岐点に流れる液体は、排出されたチャンバーが充填されるまで、あるいは排出膜が完全に湿るまで、伝導性のより高い流路を流れる。いずれかが起こった場合、この流れ流路の制限が高くなり、追加の液体は第2の流路に流入する(流れ制限要素があっても)。このデザインは、伝導性に基づく2つの経路の間の流体の流れの制御に受動的に用いられる。流路内の2つの液体が空気充填物により分離されている場合には特に有用である;第1の液体は第1の経路に流れ、第2の液体は第2の経路に向けられる。
・マクロ流体チャンバーの排出。
実施例5および6の「無秩序な泡生成」工程は、大量の溶液を強力に撹拌することにより行う。泡生成のために適切な空気流を生成させるために大量の空気を放出させる必要がある一方で、バイオチップから試薬が飛散し機器内に無くなることを防ぐために、無秩序な泡生成における分解溶液は、チャンバー内に含有されなくてはならない。これは、カバー内に排出膜を用いることにより達成され、該排出膜は、流体の流れに対しては障壁となるが、無秩序な泡生成からの空気が放出されることを可能とする。無秩序な泡生成を行うか、あるいは何らかの理由で実質的な空気流に曝す必要のあるチャンバーの排出を行うために、同様のデザインを用いることができる。
・駆動ラインの分離—バイオチップ内の流体から機器の駆動ラインを分離するため、カバーおよびバイオチップの他の部分の中にも排出膜を組み入れる。

0087

バルブ構造
上記の機能は、2つの流れ制御構造に依存している:バルブおよび排出膜。バイオチップは、バルブを流れ制御に用い、流路内の流体の流れを停止または可能にする。バルブは受動的でも能動的でもよく、受動的バルブインライン重合ゲル、受動的充填物、および疎水性バルブを含んでもよい。能動的バルブ構造は、機械的バルブ(熱空気圧および形状記憶合金)、非機械的バルブ(ハイドロゲルゾルゲルパラフィン、および)、および外部バルブ組み込みモジュール、空気圧、および非空気圧)を含む。空気圧バルブ構造および機械的バルブ構造は、弾性体膜または非弾性体膜のいずれかを用いることもできる。いずれの場合も、最適な密閉性を付与できるように前記の膜を処理してもよい。

0088

多くのタイプのバルブ構造を本発明のバイオチップに用いることができ、およびいくつかのタイプを個々のバイオチップに組み入れてもよい。バルブ構造の選択は、機器へのアプローチと調整しながら、容易に作製できおよび組み立てられるかに、まず基づいている。例えば、バイオチップの特徴を作動させる線材により制御される機械的バルブは、高度な機械的な配列機構および制御機構を備えた機器には適しているであろう。同様に、ワックスの局所的な融解に基づくバルブは、制御された特別の加熱機構を備えた機器が必要である。実施例5および6では、機器は高度な空気圧制御が可能であり、組み入れられたバルブのタイプ(以下に示す)は、空気圧作動に基づいている。他の空気圧および非空気圧(例えば、機械的、液体、ワックス、電気的)作動機構および対応するバルブは、本発明のバイオチップに用いることができる。

0089

空気圧作動の弾性体バルブ構造の上面図を図8に示す。上面図は、感圧性接着剤(PSA)テープと正常時開放バルブ用の弾性体膜を示している。流体および空気を制御するための空気圧作動バルブの断面図を図9に示す。バルブ構造の要素は、バルブ膜202、バルブシート203、空気圧チャンバー204、流体チャンバー205、両面PSAテープ206、流体スルーホール208、流体流路209、および空気圧流路210を含んでいる。このバルブは3つの要素を組み立てることにより作製できる。

0090

流体サブアセンブリー。
このサブアセンブリーは流体209(液体または空気)の流れの流路を含んでいる。流路は、貫通して表面に至る一連のスルーホール208により中断されている。表面では、これらのスルーホールは、バルブアセンブリーのためのバルブシート203を形成する。それは、熱可塑性シート(図33)に、流路やスルーホールをCNC機械加工することにより作製され、両面を薄いプラスチック膜で覆っている。膜自身、CNC機械加工によりパターンを付与され、流体サンドイッチ層に対する接続を提供するために、CNC機械加工層上の対応する特徴に対して配列されているスルーホールを含む特徴を有している。同様に、流体層と空気圧層の中の同じ特徴も射出成形により作製できる。

0091

空気圧サブアセンブリー。
このサブアセンブリーは、機器の空気圧駆動装置を流体サブアセンブリーに結合し、流体サブアセンブリー内の流体を空気圧的に駆動させ、およびバイオチップ内のバルブを空気圧的に作動させる。空気圧流路210は、空気圧駆動装置をバルブチャンバーに接続する。このサブアセンブリーは、熱可塑性シート(図44)の両面のそれぞれに流路とチャンバーをCNC機械加工することにより作製される。空気圧サンドイッチ層への接続を提供するために、薄いプラスチック膜の特徴は、CNC機械加工層上の対応する特徴に対して配列するスルーホールを含んでいる。結合は、熱的に行うことができるが、超音波的に、溶媒を用いて、および接着剤を用いて行うこともできる。同様に、流体層および空気圧層内の同じ特徴も射出成形により作製できる。

0092

バルブサブアセンブリー—このサブアセンブリーは、空気圧サブアセンブリーと流体サブアセンブリーとの間に配置されている。この構造物においては、バルブアセンブリーは、厚さが0.005“である弾性体膜202から成る。空気圧で作動させると、この層は反ることにより、流体層内の流体(空気を含む)の流れを制御する。上部の感圧性接着剤層206は、膜を上部空気圧層に結合するために用いられる。底部の感圧性接着剤は、膜層206を流体層に結合させるために用いる。感圧層は、レーザ切断によりパターン形成される。感圧性接着剤層も、型抜きまたは打ち抜きを含む方法によりパターン形成される。弾性体膜は、厚さが0.005“〜0.015”であり、材料はシリコーン等のゴムを用いることができる。

0093

バルブは、3つのサブアセンブリーを一つに組み立てることにより製造された。流体アセンブリーおよび空気圧アセンブリーを熱結合で一体固定される。同様に、空気圧プレートおよび流体プレートは、ネジ、リベット、加熱かしめおよび超音波溶接を含む多数の機械的固定手段を用いることにより一体固定できる。

0094

これらのバルブは通常開いている。流体は、流体層の中の流路を通って、スルーホールを上がり、バルブ本体に入り、第2のスルーホールから出て、流体層内の流路に戻る。空気圧流路に圧力が加えられると、圧力はバルブ膜を反らし、バルブ膜およびバルブ流体チャンバーの床に対してこの膜を押し付ける。これによりスルーホール間の経路が密閉され、バルブを通る流れを止める。バルブ構造は膜要素とPSA要素を組み入れており、組立時に、結合させる2つの部品の平坦性の局所的なバラツキに対してそれらの圧縮が適応できるように、それらは高いコンプライアンスを有している。この適応性は、バルブ周辺の効果的な密閉を形成する能力を高める。

0095

バルブの密閉圧力を評価するために実験が行われた。バルブの空気圧流路が空気圧駆動装置VDに接続された。所定体積染色液体(水)が、バルブに接続する流体流路の一部の中に投入された。流体流路への入力は、別の空気圧駆動装置FDに接続された。VDの圧力は、実験を通して、一定に設定されかつ保持された。FDの圧力は、流路内への流体の流れが観察されるまで徐々に増加させた。流体が流れ始める圧力は、所定のバルブ密閉圧力に対するバルブの破裂圧力である。バルブ密閉圧力5、15および22psigに対するバルブの破裂圧力は、それぞれ3、13.5および20psigである。このデータは、流体駆動圧力に比べて2psigを超えて大きい空気圧密閉圧力が、密閉には好ましいことを示している。実施例5および6のバイオチップでは、ほとんどの処理工程では、共通の圧力(22psig)に設定されている。複数のバルブを同時に制御し、および圧力18psigまで流れ流路を制御するには、これは有効である。バルブ駆動圧力を固定することはほとんどの機能に対して適切ではないが、バルブ膜を作動させた時の流体の撹拌を最小限にするために、様々なシステムはバルブ圧力を増加させたり(流体駆動圧力の要求が高い場合)、減少させたり(バルブを開く前)することを可能とする。

0096

真空処理工程でバルブが使用され、流体がバルブを通して流体が吸引される場合、バルブを開放状態に保持するために、流体ラインと空気圧ラインの両方にも真空を適用する必要がある。このバルブを閉じると、上述のように圧力が加えられる。

0097

実施例4,5,6のバイオチップのすべてのバルブは、通常は開放状態であるが、それらのバルブおよび本実施例のいくつかのタイプのバルブは、通常は閉鎖状態に設計することができる。例えば、図10は、通常は閉鎖状態にあるPSAテープと弾性体膜バルブの上面図である。図11は、通常は閉鎖状態にあるPSAテープと弾性体膜バルブの断面図である。このバルブの構造は、図8および9のバルブ構造とは、非作動状態では、バルブ膜層と密に接触するように、バルブシートが高くなっている点で相違している。作製のためバルブシートを備えたバルブ膜は、作製時および組立時において、伸長状態に置かれている。バルブを開くため、真空にしてバルブ膜をバルブシートから離れるように引っ張る。本実施例(図10および11の構造を除く)のすべてのバルブは、通常開放状態であることに注意する必要がある。いくつかの用途では、1回使用のバルブ、すなわち、アッセイプロセスの間、開放閉鎖とを繰り返すようには設計されていないが、例えば、アッセイプロセスの間、開放状態でプロセスを開始させ、1回だけ閉じるバルブを組み入れることが好ましい。

0098

剛直なバルブ膜を備え通常は開放状態である空気圧作動バルブの上面を図12に示す。液体および空気の制御のために、剛直なバルブ膜を備えた空気圧作動バルブの断面図を図13に示す。バルブ構造の要素には、バルブ膜202、バルブシート203、空気圧チャンバー204、流体チャンバー205、流体スルーホール208、流体流路209、および空気圧流路210が含まれる。このバルブは、3個の要素を組み立てることで作製される。

0099

流体サブアセンブリー。
このサブアセンブリーは、流体(液体または空気)の流れのための流路を含んでいる。流路は、表面に至る一連のスルーホール208で中断される。これらのスルーホールはバルブアセンブリーのためのバルブシート203を形成する。あるいは、流路は流体プレートの上面に沿って伸び、バルブを通過する時に中断される。流路の末端はこのアセンブリーのバルブシートを形成する。このアセンブリーは、熱可塑性物に流路とスルーホールを射出成形することにより作製される。この場合、バルブ膜202は、結合される薄膜の熱可塑性膜である。この構造の流体チャンバー205は、密閉効果を発揮するために、最大に反った状態の剛直膜の形状に合わせて作製される。

0100

空気圧サブアセンブリー。
このサブアセンブリーは、流体サブアセンブリー内の流体を空気圧で駆動させ、およびバイオチップ内のバルブを空気圧で作動させるために、機器の空気圧駆動装置を流体サブアセンブリーに結合する。空気圧流路は、空気圧駆動装置をバルブチャンバーに結合する。このサブアセンブリーは、熱可塑性物に流路特徴とチャンバー特徴を射出成形することにより作製される(図72および73)。薄いプラスチック膜の特徴は、空気圧サブアセンブリーへの接続を提供する、射出成形された層上の対応する特徴に合わせて配列されるスルーホールを含んでいる。結合は熱的に行われるが、超音波的、溶媒を用いて、および接着剤を用いて行うこともできる。

0101

バルブサブアセンブリー。
このサブアセンブリーは、空気圧サブアセンブリーと流体サブアセンブリーとの間に配置された。この構造では、バルブアセンブリーは薄い熱可塑性膜から成る。膜の厚さは、10〜250ミクロンの間である。実施例6では、厚さが40ミクロン、50ミクロン、および100ミクロンの熱可塑性物の膜を用いた。空気圧で作動させると、流体層内の流体(空気を含む)の流れを制御するために、この層が反る。バルブは3つのサブアセンブリーを一体に組み立てることにより製造された。流体アセンブリーと空気圧アセンブリーは、熱的または溶媒により一体的に結合された。あるいは、上方と下方のサブアセンブリーを一体に結合するために、両面接着剤を用いることもできる。薄い熱可塑性の剛直なバルブ膜は流体層には不可欠であり、バイオチップの組立時には大きな利点をもたらす。

0102

これらのバルブは通常開いている。流体は、流体層内の流路を流れ、スルーホールを上がり、バルブ本体に入り、第2のスルーホールから出て、流体層内の流路に戻る。空気圧流路に圧力が加えられると、圧力は剛直なバルブ膜を反らせ、およびこの膜をバルブシートおよびバルブ流体チャンバーの床に押し付けて、スルーホール間の通路を密閉し、バルブを通る流れを止める。

0103

100ミクロンの膜を備えたバルブを上述の方法を用いて作製することにより、バルブ密閉圧力を評価するために実験が行われた。バルブの空気圧流路が空気圧駆動装置VDに接続された。所定体積の染色液体(水)が、バルブに結合した流体流路の一部に投入された。流体流路の入口は、別の空気圧駆動装置FDに接続された。FDの圧力は、実験を通して一定に設定および保持された。流路内の流体の流れが観察されるまで、VDの圧力を高レベルの80psigから徐々に減少させた。FDを1,2,3,4および5psigに保持するのに必要なバルブ密閉圧力は、それぞれ14,6、28、54、65.5、および81.5psigであった。このバルブ構造に用いた剛直膜は、流体の流れを閉じるのに高い圧力を加えることを要した。バルブ膜の厚さを、100ミクロンから50ミクロンおよび40ミクロンへ減少させると、流体の流れを閉じるのに必要な圧力に対する要求を実質的に減少させた。流体が流路を通して吸引される真空操作では、バルブを開放状態に保持するために、真空がバルブに適用される。

0104

図14は、固定され、通常開放状態にある弾性体膜バルブの上面図を示している。流体および空気を制御するためのこの空気圧作動バルブの断面図を図15に示す。バルブ構造の要素には、バルブ膜202、バルブシート203、空気圧チャンバー204、流体チャンバー205、流体スルーホール208、流体流路209、空気圧流路210、および圧縮リング212が含まれる。このバルブは3つのサブアセンブリーを組み立てることにより作製される。この構造の利点は、非常に簡単で、PSAテープを必要としないことである。

0105

流体サブアセンブリー—このサブアセンブリーは、流体209(液体または空気)の流れのための流路を含んでいる。流路は、表面に至る一連のスルーホール208により中断されている。表面ではこれらのスルーホールは、バルブアセンブリーのためのバルブシート203を形成する。熱可塑性シートにCNC機械加工により流路とスルーホールを形成し(図33)、両面を薄いプラスチック膜で覆う(図36および図37)ことにより作製される。この場合、薄膜プラスチックは、結合される熱可塑性膜である。膜は、CNC機械加工によりパターン形成され、流体サンドイッチ層への接続を提供する、CNC機械加工された層上の対応する特徴に合わせて配列されるスルーホールを含んでいる。同様に、流体層と空気圧層の内部の同じ特徴も、射出成形により作製可能である。一連のバルブ膜圧縮リングは、流体チャンバー212の周囲に形成されている。

0106

空気圧サブアセンブリー—このサブアセンブリーは、流体サブアセンブリー内の流体を空気圧駆動させ、およびバイオチップ内のバルブを空気圧作動させるために、機器の空気圧駆動装置を流体サブアセンブリーに結合する。空気圧流路210は、空気圧駆動装置をバルブチャンバーに結合する。このサブアセンブリーは、熱可塑性シートの両面のそれぞれの上に流路とスルーホールをCNC機械加工することにより作製される(図12)。薄いプラスチック膜の中の特徴は、CNC機械加工された層上の対応する特徴に合わせて配列されるスルーホールを含み、該スルーホールは空気圧サンドイッチ層への接続を提供する。結合は、熱的に行われるが、超音波的、溶媒を用いて、および接着剤を用いて行うこともできる。同様に、流体層と空気圧層の内部の同じ特徴を、射出成形により作製することもできる。一連のバルブ膜圧縮リングは、空気圧チャンバー211の周囲に形成される。流体チャンバーおよび空気圧チャンバーの圧縮リングは、互いに一致し、互いに位置合わせして配列する。

0107

バルブサブアセンブリー—このサブアセンブリーは、空気圧サブアセンブリーと流体サブアセンブリーとの間に配置されている。この構造では、バルブアセンブリーは、厚さが0.005”であるシリコーン膜から成る。空気圧で作動させると、この層は反ることにより、流体層内の流体(空気を含む)の流れを制御する。

0108

バルブは、3つのサブアセンブリーを一体的に組み立てることにより製造される。流体アセンブリーと空気圧アセンブリーは熱結合により一体的に固定される。同様に、空気圧プレートおよび流体プレートは、ネジ、リベット、加熱かしめ、および超音波溶接を含む多数の機械的固定方法を用いて一体的に固定される。空気圧層と流体層は、圧縮リング(212)間の膜層が圧縮されるように結合される。圧縮度は、5%〜60%であり、バルブ膜の硬度計(durometer)と厚さの関数である。圧縮度は、空気圧駆動装置が空気圧チャンバー内に密閉され、流体が流体チャンバーから漏れなければ十分である。

0109

排出構造
装置のマイクロ流体要素は、空気を排出し、流体の流れに対する障壁として作用するために、排出膜を用いる。実施例5および6のバイオチップに使用された排出膜は、移送される液体の表面張力および表面自由エネルギーに基づいて選択された。その2つの間に大きな差が存在すると、固体表面と液体との間の接触角が大きく、液滴が膜に反発し膜を汚すことがない。別の検討は、膜を通過する空気流速である。空気が制限なく排出されるためには、その値は十分に高くなければならない。典型的には、所定の材料では、ポートの大きさが小さくなると、表面自由エネルギーと表面張力との差は大きくなるが、空気流速はポートの大きさに反比例する。例えば、水の表面張力は73dynes/cm、イソプロピルアルコールは22dynes/cm、およびオイルは30dynes/cmである。

0110

バイオチップに使用される排出膜は、以下の材料から成るものを含む:ポリテトラフルオロエチレンPTFE)、医療用の排出および気体濾過に広く使用されている材料。それは不活性な材料であり、優れた流れ特性と高い化学的抵抗性を提供する。この膜タイプ切断形状寸法不安定性は、オーバーモールド操作時のロボットによるハンドリングに困難を生じさせる場合がある。PTFEは、ガンマ線またはE線殺菌には不適当であり、それはイオン化放射線に晒されると、鎖が切断されて分解するからである;ポリビニリデンフロライドPVDF)は、良好な流れ特性および広い耐薬品性を提供する夫な材料である。それは、そのままおよび超疎水形態の両方で利用可能である;超高分子量ポリエチレン(UPE)は、医療用の排出および気体濾過の市場により最近上市されたものである。それは、そのままで疎水的な材料であり、優れた流れ特性と広い耐薬品性を提供する;疎水化処理された変性アクリル膜は、排出用途に対しては経済的な選択である。それは、疎油性であり、疎水性であり、および化学的適合性がある。

0111

図16は、実施例15のバイオチップに使用された排出膜構造の断面図を示している。排出膜(図16、213)は、該構造に組み入れられ、該膜は空気圧層と流体層との間に熱結合により配置されている。図17は、実施例16のバイオチップに使用された排出膜構造(図17、213)の断面図を示している。この排出膜構造では、排出膜は流体層に溶接リッジを用いて溶接されている。

0112

実施例3.バイオチップインターフェイス
バイオチップは機器と相互作用する。機器は、試料の分析達成に必要なすべてのサブシステムを提供するものであり、図58に示すように、高電圧および低電圧の電力サブシステム、熱サイクルサブシステム、空気圧サブシステム、磁気サブシステム、機械サブシステム、光学サブシステム、補強サブシステム、プロセス制御サブシステム、およびコンピュータサブシステムを含んでいる。バイオチップインターフェイスへの機器は、マイクロ流体駆動装置およびバイオチップ内で実行される一連の処理に応じて、これらのサブシステムの1種または複数種を含む。本明細書の実施例では、以下の通り、バイオチップと機器とのインターフェイスは、空気圧的、電気的、光学的、および機械的である:

0113

空気圧サブシステムインターフェイス
空気圧サブシステムは、空気圧マニホールドを介してバイオチップに結合する。図18は、実施例5のバイオチップ用のものであり、空気圧プレートの上面上に配置された一連の空気圧ポートからなる空気圧マニホールド領域を示している。5つのタイプのポートが空気圧インターフェイスと一体化されている:
低流動駆動装置。低流動ポートは、バルブの作動のために空気を供給し、流体を駆動させてバイオチップに流すために使用される。
高流動駆動装置。高流動ポートは、泡による撹拌や精製膜の乾燥等の処理に必要な空気を供給するために使用され、19SLPMまでの流れを必要とする。圧力低下を最小限にするために、ポートの寸法は大きくされている。
高圧駆動装置。このポートは、マトリックス充填物をふるいにかけるために必要な、400psigまでの供給に使用される。
凝縮物ポート。機器内の機械的ポンプにより生成する凝縮物は、空気圧インターフェイスを介してバイオチップのチャンバーの中へ必要に応じて運ばれる。

0114

機器試験ポート
試験ポートは、機器空気圧システムを試験するため、および機器の空気圧マニホールドの配列をバイオチップの配列に対して確認するために、空気圧マニホールドの中に組み入れることができる。

0115

空気圧ポートは、34個の低流動ポートと7個の高流動ポートを有し、配列されている。この空気圧マニホールドの配置は、一部は以下の検討に基づき選択された。

0116

インターフェイスサイトの表面積の最小限化。空気圧インターフェイス領域をより圧縮すれば、射出成形時の局所的収縮や反りがインターフェイスの妨げとなることがより少なくなり、配列が向上する。

0117

すべての空気圧ポートを一つのインターフェイスサイトに集める。このアプローチは機器を単純化するもので、システムを頑丈にして実験室の外でも使用することができる利点がある。典型的には、単一のインターフェイスが、バイオチップのフットプリント内の中心に配置されるが、バイオチップの端部に配置されてもよい。代わりに、複数のインターフェイスをバイオチップ全体に分散させてもよい。実施例5および6のバイオチップでは、空気圧ポートは、1つの位置に集中させ、機器とバイオチップとの間の密な結合点を可能にしている。マニホールドのこの構成と配置は、中心にポートがない場合またはバイオチップの末端部にすべてのポートが配置されている場合のいずれと比較しても、バイオチップ内への空気圧ラインの通路決定を単純化する。これは、マニホールドと空気圧ポートとの間の配列の許容度を増加させるとともに、機器内の空気圧配管の通路決定を単純化する。

0118

特徴密度に基づくバイオチップ上のポートの配置—流体プレートと空気圧プレートの上には特徴密度が低い領域がある。可能であれば、これらの領域に空気圧マニホールドを配置することが最適である。一般に、バイオチップ上の空間の最適な使用(すなわち、すべてのマイクロ流体特徴およびマクロ流体特徴の理想的な詰め方)は、与えられた寸法のバイオチップの特徴密度と処理の複雑さを最大化するためには、重要である。実施例5および6のバイオチップでは、空気圧ポートは空気圧層の上面上に配置される。同様に、空気圧ポートは、流体層の底面上にも配置することができ、およびチップホルダーを介して機器に結合することもできる。ポートの絶対的は特徴密度、機能有用性、およびデザインの容易性により決定される。実施例5および6のバイオチップでは、熱サイクル領域は、流体サブアセンブリーの底面上に配置され、熱循環器との効率的な熱接触を確保するために、上からの固定圧力が必要である。したがって、単一の固定機構が、バイオチップと熱的および空気圧的に同時に相互作用するように機能するように、集中された空気圧ポートは空気圧サブアセンブリーの上面上に配置された。

0119

閉鎖システム−上述のように、本発明のバイオチップは、処理中および処理後にすべての液体がバイオチップ内に配置される、閉鎖システムである。排出膜(実施例2に記載されているように)は、バイオチップからの流体が不注意で機器の空気圧マニホールドの中へ流入するのを防ぐために使用される。

0120

空気圧流れと空気圧マニホールドの説明として、実施例5の「分解工程」用のマクロ流体処理サブシステム内に流体を動かすアプローチが提示される。この工程を実施するため、分解溶液を分解試薬チャンバー(図39、20)からスワブチャンバー(図39、19)へ移動させるために、分解駆動ラインDL1(図39、68)を作動させた。プロセスコントローラーは、空気圧インターフェイス上の駆動ラインDL1に所望の圧力を加える、機器のソレノイドリレーを作動させた(図39、20)。空気圧マニホールドのDL1ポート(図18、301)における空気圧インターフェイスを通り、空気圧プレートの空気圧流路(図18、302)に沿って、空気圧プレート内のマイクロ流体インターフェイスポート図19、303)へと空気を移動させる。このインターフェイスポートは、空気圧駆動圧力を、マクロ流体処理ブロック(図47、26)内の空気圧流路を通って、マクロ流体処理サブアセンブリー(図48、27)のカバーの中へと届けた。次にカバーは、流路(図48および53、304)に沿って、分解試薬チャンバー(図47、20)の中へと空気圧駆動圧力を届けた。まとめると、結果としての工程は、分解試薬チャンバーから流体サブアセンブリーを通過し、最終的にスワブチャンバー(図20、20)に分解試薬を移送する工程である。

0121

同様に、チャンバー内の試薬が実施例1のように箔により密閉される場合、空気圧駆動装置は2段階動作し、第1段階では、箔を破裂させるパルスを発生させ、第2段階では、上述のように非RSRと同様である。

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