(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生物学的流体標本を分析することを目的とするデバイスであって、
前記生物学的流体標本を濾過して、標的検体を有する濾液を生じさせるように構成されたフィルタ、
１つのセンサを備えるセンサ領域を有する露出した面、
前記センサ領域の上に、垂直方向に配置され、前記センサ領域に近接する出口を有する沈殿毛細管、
前記沈殿毛細管の上部に位置し、前記標的検体と反応するように機能化された磁性粒子を中に含む乾燥した試薬、および
前記フィルタに近接する入り口と、前記沈殿毛細管に流体連通された出口を有し、前記濾液が前記沈殿毛細管の上部に到達する前に、前記濾液を前記センサ領域に送達するように構成された送達毛細管、を備え、
前記磁性粒子が前記沈殿毛細管を通って前記濾液に接触している前記露出した面に沈殿することができ、
前記露出した面に沈殿している磁性粒子のうち、特異的に結合していない磁性粒子を取り除いた後、前記センサが前記センサ領域に特異的に結合する磁性粒子を検出するように構成されるデバイス。
【請求項２】
充填剤をさらに備え、前記充填剤が前記磁性粒子を乾燥させるように構成され、前記濾液と接触すると可溶化するように構成される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記センサが光学センサである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記センサが磁気センサである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記生物学的流体標本が全血であり、前記フィルタがさらに、前記全血中の血液細胞を遮断するように構成される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記センサ領域に結合した粒子の数が、前記生物学的流体標本中の前記標的検体の濃度に相当し、前記デバイスが、前記センサ領域に結合した磁性粒子の数を数えることで生物学的アッセイを実施するように構成される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記沈殿毛細管を複数備え、前記露出した面が、複数の化学物質でコーティングされることで、複数のアッセイを並行して実施する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
生物学的流体標本を分析するための方法であって、
１つのセンサを備えたセンサ領域を有する露出した面、
前記センサ領域の上に、垂直方向に配置され、前記センサ領域に近接する出口を有する、沈殿毛細管、
前記沈殿毛細管の上部に位置し、前記標的検体と反応するように機能化された磁性粒子を中に含む乾燥した試薬、および
フィルタに近接する入り口と、前記沈殿毛細管に流体連通された出口を有する送達毛細管、を有する、前記生物学的流体標本を分析するためのデバイスを設けるステップと、
前記生物学的流体標本を前記フィルタに供給することで、前記標的検体を有する濾液を生じさせるステップと、
前記濾液を、前記送達毛細管を経由して、前記濾液が前記沈殿毛細管の上部に到達する前に、前記濾液を前記センサ領域に送達し、その後前記磁性粒子が前記沈殿毛細管を通って前記露出した面へと沈殿するステップと、
前記露出した面に沈殿している磁性粒子のうち、特異的に結合していない磁性粒子を取り除くステップと、
前記センサによって、前記センサ領域に特異的に結合した磁性粒子を検出するステップとを含む方法。
【請求項９】
前記磁性粒子が充填剤中で乾燥され、前記充填剤が、前記濾液と接触すると可溶化する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記センサが光学センサである、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記センサが磁気センサである、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記生物学的流体標本が全血であり、前記フィルタがさらに、前記全血中の血液細胞を遮断するように構成される、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記センサ領域に結合した磁性粒子の数を数えるステップをさらに含み、前記センサ領域に結合した磁性粒子の数が、前記生物学的流体標本中の前記標的検体の濃度に相当する、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記沈殿毛細管を複数備え、前記露出した面が、複数の化学物質によってコーティングされることで、複数のアッセイを並行して行う、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本発明は、２００９年１１月１６日に出願された米国仮出願第６１／２６１，７２６号の利益を主張するものであり、この出願はその全体が参照により本明細書に組み込まれている。
【０００２】
著作権保護を受ける事項に関する通達
本特許文献における一部の事項は、米国および他の国の著作権法の下に著作権保護を受ける。著作権所有者は、この特許文献または特許開示が米国特許商標庁で公に利用できるファイルや記録となっているため、誰がそれを複製しても異議は唱えることはないが、そうでなければ、それが何であれ全ての著作権を保有するものである。著作権保有者はここに、３７Ｃ．Ｆ．Ｒ．§１．１４．に従ってその権利を限定しないことも含め、その特許文献を秘密に保つ目的でそのいかなるの権利も放棄しない。
【０００３】
化学的検査の分野で利用することを目的としたデバイスおよび方法が開示されている。より詳細には、このデバイスは、集積回路上で検査するために全血を濾過するのに利用することができる。
【背景技術】
【０００４】
ポイント・オブ・ケア（ＰＯＣ）診断医療デバイスにより早い段階で病気を発見し易く、より個人に合わせた治療が可能になり、医師が、患者を追跡調査することで、処方された処置が機能しているかどうかがより簡単に分かるようになる。より確実に広く一般に採用するには、このような器具が正確であり、特に訓練されていない人間でも利用し易く、製造および販売コストが安くなければならない。免疫アッセイ（ＩＡ）の適用がＰＯＣには特に適しており、これは、心臓血管疾病から癌および伝染性の感染症まで広範な病状を、可溶性のタンパク質バイオマーカーから特定することができるためである。全血などの未処理の標本からのこのようなバイオマーカーの検出および計量は、蛍光またはリン光性分子、酵素、量子ドット、金属粒子または磁性粒子を使用して標的タンパク質を標識付けする作業を伴う。高感度の用途の場合、標的検体に特異的に結合した標識は、バックグラウンドノイズの一因となる結合しないものと区別されなければならない。低コストで、すなわち方式を利用し易い標識の分離と検出の２つを組み合わせることによって、イムノクロマトグラフィーテスト（ＩＣＴ）が単独の作用を成し遂げ、すなわち電子リーダまたは外部の標本準備システムといった二次的なデバイスを必要とせずにアッセイを行なうことが可能になる。単独作用は見過ごされる属性であることが多いが、これはＩＣＴを普及させる鍵であり、生化学的感度が低い、ユーザの解釈、不正確な計量、タイミング要件およびひどく複合的な作業であるなどの他の欠点があるにも関わらず成し遂げられる。
【０００５】
磁性粒子による標識付けの利用はＰＯＣ用途に理想的であり、磁性粒子は個々に検出することができるため、酵素による標識付けの場合のように１時間もかかる恐れがある信号増幅ステップなしで、サブピコモルの感度を達成することができる。また粒子が結合するセンサ領域をマイクロアレイ化することによって、複合的な作用を低コストで実現することができる。磁性粒子を利用することによってインキュベーション時間を短縮することができるが、これは磁性粒子が体積比に対して高い表面積であることに起因する溶液相の運動力学により、標的検体に結合することができるためである。さらに磁力および重力によって溶液から磁性粒子を引き抜くことができることで、最も高感度のプロトコールを悩ますゆっくりとした拡散過程にも打ち勝つ。磁性粒子からの信号は経時的に安定しており、温度変化や化学反応の変化にも影響を受けず、全血または血漿など不透明または半透明の溶液中で検出することができる。恐らく生物学的な磁気バックグラウンド信号は低いため、最小限の標本の準備で高いアッセイ感度を実現することができる。最も重要なことは、アッセイ標識として磁性粒子を利用することにより、デバイスの単独作動が可能になり、これはこのような粒子が、電磁気によって操作され検出することができるためである。
【０００６】
「磁性粒子」は典型的に、ナノメーターまたはマイクロメーターの大きさの粒子であり、磁性、反磁性、強磁性、常磁性、超常磁性または反強磁性の挙動を呈する。「磁性粒子」は、個々の粒子または磁気ビーズなどのより大きな集合体を指す場合もある。
【０００７】
磁性粒子がアッセイ標識として使用されるＩＣＴは、従来のＩＣＴの改良版であり、これは粒子の検出が、その帯の表面に限定されず、帯の体積全体にわたって行なうことが可能であり、結果としてより高感度になり計量精度が改善されるためである。しかしながら磁性粒子の体積検出は、単独のデバイスに簡単に取り入れることが不可能であるため、上記を具体化するには、この帯の体積の磁化を測定する外部デバイスが必要になる。
【０００８】
単独のデバイスに取り入れるための１つの代替の方法は、特異的に結合した粒子を検出することができるセンサ領域に重力または磁力を介して沈殿する前に、溶液中で標的検体に結合する磁性粒子を使用することである。バイオ機能化されたＩＣを使用して、特異的に結合した粒子を検出することができる。しかしながら今までに報告されたほとんどのＩＣによる免疫アッセイの実装例は、単独で作用することができず、これはそれらが粒子を検出するのに外部要素を必要とする、または粒子の操作および標本の準備にマイクロ流体による作動を必要とするためである。他の実装例は単に、現在の市場で競り合うのに必要なコスト構造に到達することができない。
【０００９】
ＰＯＣ用途の場合、標本の準備は迅速であることが望ましいが、これはアッセイが１０から１５分に制限されるためである。さらに冷蔵設備を不要にし、かつ保管および販売を容易にするために、乾燥標本準備システムが望ましい。また、患者から少量の未処理の状態の標本を受け取る標本準備システムを有することが望ましい。指からの採血による平均的な血液の懸滴により、およそ１５μｌの流体が得られる。より多くの流体を得るには、込み入った静脈穿刺を行なう必要がある。さらに標本準備システムは低コストである必要があり、これは生物学的汚染を懸念して、生体標本に接触する全ての物質を廃棄することが要求されるからである。標本準備システムはまた、複合的な作用にも適用できることが望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記に記載した速度、コストおよび性能に関する要件を満たすことができる標本準備システムが開示されている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
薄膜フィルタなどの多孔性物質により、遠心分離または複雑なマイクロ流体による標本準備の必要性を無くすことができる。薄膜フィルタは密度が高く費用が安いため、システムコストを削減することができ、単独のＰＯＣの作用が可能になる。この膜は、補助的なサポートなしで３０秒未満で全血細胞から血漿を分離することができる。機能化された磁性粒子と共に濾液のインキュベーションを行なうことにより、サブピコ−モルの感度で迅速に作用するための溶液相の運動力学を実現することができる。このシステムはＩＣを利用して磁性粒子の検出を行なうことができるため、例えば低コストで独立した作用が可能になる。システムは、フィルタ、 毛細管、磁性粒子およびＩＣを組み合わせたものであってよく、例えばサムドライブの形状因子を有する、単独で、正確かつ複合的な基本構造になる。バッテリとディスプレイを除いたシステム全体の大きさは、約１ｃｍ３未満であってよい。
【００１２】
デバイスは、免疫アッセイに使用することができる。デバイスは、核酸、小分子および無機分子検査、あるいはそれらを組み合わせたものに使用することができる。
【００１３】
磁性粒子を操作し検出する集積回路（ＩＣ）の露出面に粒子を送達するように構成された薄膜フィルタと毛細管チャネルを備えた、標本準備システムが開示される。薄膜フィルタは、毛細管チャネルへの入り口より上で、ＩＣの表面に対して水平方向、すなわち平行に配置させることができる。ＩＣは水平方向に配置することができ、毛細管チャネルの出口より下に１つまたは複数の露出したセンサ領域を備える。化学的に機能化された磁性粒子および他の試薬を乾燥状態で、薄膜フィルタ、毛細管、ＩＣの表面にあるセンサ領域、またはそれらを組み合わせたものに保管することができる。磁性粒子を乾燥させ、毛細管チャネルの入り口に保管することができる。例えば全血などの水溶性の生体標本は、１つまたは複数の標的検体を含んでおり、薄膜フィルタの頂部に堆積させることができる。標本中の大きな粒子物体、例えば全血細胞は、膜の頂部またはその中で捕捉することができ、その一方で標的検体を含む濾液は、膜を横断して毛細管の入り口に入り、そこで磁性粒子が再懸濁しその中の標的検体に結合する。再懸濁した磁性粒子を含む濾液は、毛細管を通り、毛管作用の結果としてＩＣの表面にあるセンサ領域へと流れることができる。
【００１４】
標的検体に結合した磁性粒子は、特異的な化学相互作用によりＩＣの表面にある機能化されたセンサ領域に強固に結合することができる。ＩＣの表面に特異的に結合した磁性粒子の数は、提示された生体標本中の標的検体の濃度を表すものである。
【００１５】
ＩＣの表面は、１つまたは複数のセンサ領域を含むことができ、この領域は特異的に結合した磁性粒子が置かれるＩＣの表面として定義される。センサ領域は、チップの表面の領域に相当し、この領域内で磁性粒子センサが特異的に結合した磁性粒子を検出することができる。磁性粒子センサはＩＣに埋め込むことができる。磁性粒子センサをセンサ領域の外に配置して、センサ領域から排除された非特異的に結合した磁気ビーズを検出することで、磁性粒子の総数を正確に数えることができる。
【００１６】
ＩＣは、１つまたは複数の磁力生成器を含むことで、センサ領域にある非特異的に結合した磁性粒子を操作することができる。この磁力を利用して、センサ領域に磁気ビーズを引き寄せ、センサ領域から非特異的に結合した磁性粒子を排除することができる。システムは２つ以上の毛細管を有することができ、例えば送達毛細管の入り口をフィルタのすぐ下に配置し、センサ領域のすぐ上に垂直方向に配置された沈殿毛細管に濾液を送達することができる。乾燥した磁性粒子を沈殿毛細管の頂部に配置することができる。濾液が乾燥した磁性粒子に到達すると、この粒子は沈殿毛細管の頂部からセンサ領域へと沈殿することができる。このようなアッセイ時間の長さは、沈殿毛細管の高さによって決めることができる。
【００１７】
システムは、複数の独立した膜の下に複数の独立した毛細管を有することで、１つまたは複数の異なるＩＣのセンサ領域にある複数の独立したセンサ領域に異なる濾液を送達し、複合的に作用することが可能である。
【００１８】
システムは、１つの薄膜フィルタ、あるいは同一または様々な特性を持つ複数の積層された薄膜フィルタを備えた１つまたは複数の薄膜フィルタ組立体を有することができ、この場合各々のフィルタには、種々の乾燥たんぱく質、試薬、化学物質、磁性粒子およびそれらを組み合わせたものを装填することができる。
【００１９】
デバイスは、全血または予め濾過された血液、尿、涙、痰、糞便、口腔、鼻標本、または他の生体のあるいは非生体水溶性標本を採取するように構成されてよい。
【００２０】
膜の特性は、様々な標本タイプを収容するように変化させることができる。薄膜フィルタは、ガラスファイバまたはニトロセルロース細片などの多孔性物質と置き換える、あるいはこれと併せて使用することもできる。
【００２１】
これに限定するものではないがアプタマー、オリゴヌクレオチド、たんぱく質、凝固防止剤、体内較正曲線に関する標的検体、結合性の触媒、磁性粒子またはそれらを組み合わせたものなどの化学物質を、薄膜フィルタ組立体内で毛細管の軸に沿って、またはＩＣの表面上で乾燥させる場合もあり、このような化学物質は血漿によって再度可溶化することができるが、それらが乾燥された面に結合したままである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】システムの一変形形態の、一部が透けて見える分解組立斜視図である。
【図２】システムの一変形形態の断面図である。
【図３】システムの一変形形態の、一部が透けて見える分解組立斜視図である。
【図４】このシステムを使用する方法の一変形形態の側部断面図である。
【図５】このシステムを使用する方法の一変形形態の側部断面図である。
【図６】このシステムを使用する方法の一変形形態の側部断面図である。
【図７】このシステムを使用する方法の一変形形態の側部断面図である。
【図８】磁性粒子アッセイを実施する方法の一変形形態の側部断面図である。
【図９】一変形形態の集積回路を使用する方法の一変形形態の側面図である。
【図１０】一変形形態の集積回路を使用する方法の一変形形態の側面図である。
【図１１】一変形形態の集積回路を使用する方法の一変形形態の側面図である。
【図１２】一変形形態の集積回路を使用する方法の一変形形態の上面図である。
【図１３】このシステムの変形形態の、一部が透けて見える分解組立斜視図である。
【図１４】このシステムの変形形態の、一部が透けて見える分解組立斜視図である。
【図１５】このシステムの変形形態の、一部が透けて見える分解組立斜視図である。
【図１６】このシステムの変形形態の、一部が透けて見える分解組立斜視図である。
【図１７】このシステムの変形形態の、一部が透けて見える分解組立斜視図である。
【図１８】このシステムの変形形態の、一部が透けて見える分解組立斜視図である。
【図１９】このシステムの一変形形態を使用する方法の一変形形態の断面図である。
【図２０】このシステムの一変形形態を使用する方法の一変形形態の断面図である。
【図２１】このシステムの一変形形態を使用する方法の一変形形態の断面図である。
【図２２】一変形形態の集積回路を使用する方法の一変形形態の断面図である。
【図２３】異なる流体と共に磁性粒子をインキュベートする方法の一変形形態の部分的な断面図である。
【図２４】異なる流体と共に磁性粒子をインキュベートする方法の一変形形態の部分的な断面図である。
【図２５】異なる流体と共に磁性粒子をインキュベートする方法の一変形形態の部分的な断面図である
【発明を実施するための形態】
【００２３】
磁性粒子により標識付けされる化学アッセイ用の血液濾過デバイスまたはシステム１、そのシステム構成要素および機構が、図１から図１４に記載されている。
【００２４】
システム１は、ドリル穿孔、打抜き加工、鋳造成形または他の好適な方法によってプリント回路基板に形成された開口２９のすぐ上で、プリント回路基板１１の頂部面に設置されたフィルタ支持構造体４を有することができる。フィルタ支持構造体４は、プリント回路基板の開口２９と位置合わせされた状態を維持するためにタブまたは他の機構を有してよい。フィルタ支持構造体４は、例えば射出成型プラスチックなどの任意の剛性材料から作製することができる。フィルタ支持構造体４は、接着剤またはプレス嵌めによってプリント回路基板１１に装着することができる。フィルタ支持構造体４の底面および／またはプリント回路基板１１の頂部面にある半径方向の溝によって、通気チャネル２８を形成することができる。
【００２５】
プリント回路基板１１は、ガラス繊維積層品などの剛性材料から、またはプラスチック基板に貼り合わせたポリイミドフィルムなどの剛性基板に貼り合わせた可撓性材料から作製することができる。
【００２６】
例えば複数のはんだバンプ２２によって、プリント回路基板１１の底面に集積回路１６を装着することができる。はんだバンプ２２を、ＩＣボンドパッド２４ａおよびプリント回路基板メタライゼーション２４ｂに装着することができ、これにより集積回路１６とプリント回路基板１１を機械的に装着させ、電気的に相互に接続することができる。集積回路１６とプリント回路基板１１の間にポリマーシール２６を配置することができ、これは密閉された空洞を形成し、流体による汚染から電気接続部を保護する。他の方法による装着、密閉および電気的相互接続が利用される場合もある。例えばボンドワイヤ、ばね接点、導電性ポリマーまたはそれらを組み合わせたものを利用して電気接続部が形成される場合もあり、接着剤、クリップまたは他の好適な方法によって機械的装着が行なわれる場合もあり、絶縁コーティング、疎水性コーティング、可撓性シールまたはそれらを組み合わせたものによって密閉が行なわれる場合もある。
【００２７】
接着リング３を使用して、薄膜フィルタ２をフィルタ支持構造体４の頂部に装着することができる。薄膜フィルタ２は、これに限定するものではないがポリビニルピロリドン／ポリエーテルスルホン（ＰＶＰ／ＰＥＳ）で構成することができる。薄膜フィルタ２は、多孔性の傾斜面を有することで全血中の細胞を効果的に捕らえることができ、その一方で血漿とその中にある検体はこの膜を通過することができる。最適なフィルタは、頂部における孔径サイズが約３５μｍであり、底部における孔径サイズが約２．５μｍの０．２６ｍｍの厚さのＰＶＰ／ＰＥＳフィルタであってよい。薄膜フィルタ２は、薄膜フィルタの直径１５０を有する１枚のディスクに切断することができ、この直径は約０．５ｍｍから約３０ｍｍであってよく、より狭い場合には２ｍｍから約２０ｍｍであり、さらに狭い場合には約１ｍｍから約８ｍｍ、例えば約４ｍｍであってよい。薄膜フィルタ２は、水平面内に配向することができる。薄膜フィルタ２は、ＩＣ１６の頂部面２０および／またはＩＣ１６のセンサ領域１８と平行な面内に配向することができる。薄膜フィルタ２は、フィルタ支持構造体４の頂部面と平行になるように配向することができる。
【００２８】
接着リング３は、液体に対して耐性のある接着材料、例えば両面接着テープまたは液体接着剤などから形成することができる。薄膜フィルタ２はまた、任意の他の好適な手段、例えばエポキシ樹脂または他の接着剤、溶接、溶融、スナップ嵌合あるいはそれらを組み合わせたものを利用してフィルタ支持構造体４に装着することができる。
【００２９】
毛細管チャネル１２をフィルタ支持構造体４に装着することで、毛細管の入り口６をフィルタ２のすぐ下に配置することができ、毛細管の出口１４を集積回路１６の表面２０にあるセンサ領域１８のすぐ上に配置することができる。毛細管の出口１４は、集積回路１６の表面２０から例えば約０.１ｍｍから約１ｍｍ離して配置することができる。毛細管チャネル１２は、フィルタ支持構造体４と一体式でもあってよく、あるいは好適な接着剤または摩擦嵌合によってフィルタ支持構造体４に装着される別個のユニットでもよい。毛細管チャネル１２は、本明細書のいずれかで指定されるように、あるいは約０．５ｍｍから約１０ｃｍ、より狭い場合は約１ｍｍから約５ｍｍ、例えば約０．５ｍｍまたは約１０ｃｍの一定の毛細管の長さ１５４を有することができる。毛細管チャネル１２は、本明細書のいずれかで指定されるように、あるいは約０．２５ｍｍから約５ｍｍ、より狭い場合は約０．２５ｍｍから約２．５ｍｍ、例えば約０．２５ｍｍまたは約５ｍｍの一定の毛細管の内径１５６を有することができる。毛細管は、フィンガーランセットを使用して採取された全血からおよそ１５μｌの標本を受けることができる。より短い長さ１５４と内径１５６の毛細管を選択することで、毛細管１２内をより早く流れることができる。より長い長さ１５４と内径１５６の毛細管を選択することで、毛細管内をよりゆっくりと流れることができる。
【００３０】
毛細管チャネル１２は不完全にＩＣ１６の表面２０に接触している。毛細管の開口の出口１４に通気孔を設けることで空気が外に出ることが可能になる。空気圧を逃がさないことで、濾液３８がセンサ領域１８へと流れないようにする、またはそれを最小限に抑えることができる。
【００３１】
複数の磁性粒子１０と充填剤８を凍結乾燥させて、例えば約０．１ｍｍから約５ｍｍ、より狭い場合には約１ｍｍから約５ｍｍ、さらに狭い場合には約０．５ｍｍから約４ｍｍ、例えば約２ｍｍのマイクロスフェアの直径１６０を有する乾燥したマイクロスフェア９０にすることができる。
【００３２】
磁性粒子１０は凍結乾燥によってマイクロスフェア９０内で乾燥させることができる。マイクロスフェア９０は、約０．０５％のポリオキシエチレン（２０）ソルビタンモノラウレート（すなわちポリソルベート２０、Ｔｗｅｅｎ−２０）含有ＰＢＳ溶液中の抗体３０がコーティングされた磁性粒子１０と、充填剤８を含むことができる。充填剤８は、糖、高分子、例えばトレハロースおよび／またはポリ（エチレングリコール）あるいはそれらを組み合わせたものなどであってよい。ポリ（エチレングリコール）は約４−８ｋＤａの分子量で使用することができる。充填剤は、マイクロスフェア９０集合体の約９０％を超える場合もある。
【００３３】
適切な量の（いかにしてこれを決めることができるかについての一変形形態を以下に説明する）磁性粒子１０と、他のより少量の成分に、約１０−７０重量パーセントの充填剤８を加えた液体溶液を準備することによってマイクロスフェア９０を作製することができる。この液体溶液を液体窒素中に投与することができる。投与された溶液は約１分以下で急速冷凍することができ、凍結したマイクロスフェア９０が形成される。凍結マイクロスフェア９０は、凍結乾燥機の中に置くことができる容器に移しかえることができる。マイクロスフェア９０はその後、それらがこの工程中に溶解（すなわちメルトバック）しないことを保証するように設計されたプログラムされた温度プロフィールに従って、凍結乾燥させることができる。水（例えば氷）の量が減り、その一方で固体溶質の量が一定のままであるとき、メルトバックが生じる可能性がある。溶質と水の比率が変化することで、マイクロスフェアの凍結点が下がる可能性がある。凍結乾燥機が十分に冷却されないと、メルトバックが生じる可能性がある。しかしながら凍結乾燥機の温度が低すぎると、マイクロスフェアを乾燥させるのに必要な時間が長くなる可能性がある。  
【００３４】
一例として、１つの可能な生産工程を記載する。
ａ．約７．５μｌ体積のマイクロスフェア９０を精密なポンプを使用して液体窒素中に投与することができる。
ｂ．液体窒素が追加されたマイクロスフェアを金属またはパイレックスの容器に移し換え、凍結乾燥機の事前に冷却されたトレイの上に置くことができる。トレイの温度は、約−３０℃に設定することができる。
ｃ.コンデンサが凍結乾燥機のスイッチを入れ、一次乾燥段階を開始することができる。減圧は一般に、チャンバ内で約５０±１０ｍｔｏｒｒであってよい。
ｄ.一次乾燥段階は、少なくとも約１６時間の長さであってよい。
ｅ.棚温度は、約−１０℃まで上昇することが可能であり、少なくとも約４時間持続可能である。
ｆ.棚温度は、＋２５℃まで上昇することが可能であり、粒子を取り去り、それらを２つの別々のガラス瓶に入れるまでの約１５分の間持続可能である。
ｇ.この粒子を、ごみがないか、均質であるか、溶解していないか検査することができる。
ｈ.乾燥した生成品を乾燥保存させて保有することができる。
【００３５】
磁性粒子１０のかたまりが形成されることはほとんどない。
【００３６】
いったん乾燥させると、マイクロスフェア９０を湿気から保護することができる。乾燥マイクロスフェアの体積は、球体の外周部によって定義され、約９０％の空隙を含むことができる。マイクロスフェア９０は、極めて大きな有効表面積を有することが可能であり、極めて親水性であり得る。液体の水の存在下で、マイクロスフェア９０は極めて迅速に溶融することができる。マイクロスフェア９０の全体の三次元構造は一度に全て崩壊することが可能であるため、マイクロスフェア９０中に含まれる磁性粒子１０が水と混ざり合い、マイクロスフェア９０が崩壊すると塊にならずに再懸濁することができる。マイクロスフェア９０を溶融させる液体の体積は調節することができ、マイクロスフェア９０が再度水和した結果生じる溶液中の全ての成分の濃度を計算することができる。それぞれ約７．５μｌのマイクロスフェア９０中に、おおよそ１ ，０００，０００の磁性粒子１０が存在する可能性がある。
【００３７】
マイクロスフェア９０を毛細管の入り口６にプレス嵌めすることができ、ここでマイクロスフェア９０を動かなくすることができる。マイクロスフェア９０の直径は恐らく、毛細管チャネル１２の内径より大きいため、マイクロスフェア９０を毛細管内に挿入する際に円筒形に変形させることができる。毛細管の入り口６を先細にすることで、例えばマイクロスフェア９０を変形させる必要なしに、マイクロスフェア９０全体を受け入れることができる。マイクロスフェア９０が毛細管の入り口６を過ぎて、または毛細管の入り口６に隣接する毛細管チャネルの長さを超えて毛細管チャネル１２内にさらに先に進むことができないように、マイクロスフェア９０を十分な大きさに作製することができる。
【００３８】
試薬を、マイクロスフェア９０の形態で乾燥または凍結乾燥することができるが、必ずしもそうする必要はない。試薬は、乾燥または凍結乾燥されて、毛細管チャネル１２に詰めることができる種々の形状にすることができる。
【００３９】
アッセイの成果を改善させる化学物質を、マイクロスフェア９０中の磁性粒子１０と一緒に凍結乾燥することができる。例えばこれらは緩衝塩、ＰＨ調節剤、非特異的結合ブロッカー、アニオン系、カチオン系、非イオン系および両性イオン性洗浄剤、消泡剤、無機塩類、キレート化剤、異好抗体ブロッカー、たんぱく質安定化剤、抗菌剤および抗凝集剤を含めることができる。これに加えてまたは別個に、標的検体３６の存在下で磁性粒子１０に結合することを目的とする表面抗体４４または遮断剤などの試薬のセットを、ＩＣ１６の表面２０にあるセンサ領域１８上で結合させ乾燥させることができる。
【００４０】
濾過サブシステムは支持構造体４、薄膜フィルタ２、毛細管１２および乾燥した磁性粒子１０を含むことができる。濾過サブシステムは、集積回路１６とＰＣＢ１１から成る電子サブシステムから独立して作製することができる。ＩＣ１６は、より広域のシステムに組み込まれる前に、安価に作製され、テストされ、生体的に機能化させることができる。
【００４１】
ＩＣ１６を機能化するために、これに限定するものではないが標的検体３６に特異的に結合する抗体４４、オリゴヌクレオチドおよびアプタマーなどの１つまたは複数の化学物質で、センサ領域１８をコーティングすることができる。磁性粒子１０がセンサ領域１８に非特異的に結合するのを抑えるために、これに限定するものではないがアルブミン、カゼインおよび無脂肪乾燥乳剤などの遮断化学物質でセンサ領域１８をコーティングすることができる。センサ領域１８はいったんコーティングされ遮断されると乾燥させることができ、電子サブシステムを濾過サブシステムと組み合わせることができる。
【００４２】
サンドイッチ式に捕捉する免疫アッセイ方式では、磁性粒子１０は、提示される血液標本３２中の標的検体３６にある特定のエピトープに特異的な抗体３０に共有結合することができる。第２の抗体４４でコーティングされたセンサ領域１８は、同一の標的検体３６にある第２エピトープに特異的である。複合化した作用の場合、センサ領域１８ａおよび１８ｂと、磁性粒子１０を、複数の異なる抗体でコーティングすることができる。
【００４３】
センサ領域１８の機能化は、接触マイクロアレイ法によって行なうことができる。補足分子は、センサ領域に受動的に吸着される、または架橋剤を使用して結合させることができる。
【００４４】
磁性粒子の機能化は、標準的なＥＤＣ、トシル基により活性化されたまたはエポキシ結合化学物質によって行なうことができる。
【００４５】
磁性粒子センサ６０をＩＣ１６に埋め込むことができる。磁性粒子センサ６０は、光学式、磁気式、機械式、音響式、熱式、本質的に電磁式、またはそれらを組み合わせたものであってよい。一列の磁性粒子センサ６０をＩＣ１６に埋め込むことができ、ここで各々の磁性粒子センサ６０に個別にアドレス指定することができる。
【００４６】
１つまたは複数の磁気集約力生成器によって、磁性粒子１０をセンサ領域１８に引き寄せることができる。磁気集約力生成器は、ＩＣ１６に埋め込まれ磁性粒子センサ６０の直ぐ上にある、１つまたは複数の電気式の集約コンダクタ６２であってよい。磁気集約力はまた、１つまたは複数の永久磁石または外部の電磁石を利用して外部からＩＣ１６に対して生成することもできる。
【００４７】
１つまたは複数の磁気分離力生成器を使用して、非特異的に結合した磁性粒子６８をセンサ領域１８から排除することができる。磁気分離力生成器は、ＩＣに埋め込まれセンサ領域の近傍した位置にある、１つまたは複数の電気式分離コンダクタ６４であってよい。磁気分離力はまた、１つまたは複数の永久磁石または外部の電磁石を利用して外部からＩＣ１６に対して生成することもできる。
【００４８】
磁性粒子センサ６０、磁気集約力生成器および磁気分離力生成器を作製し統合する１つの方法が、２００９年１月１５日に出願されたＰＣＴ国際特許出願シリアル番号ＰＣＴ／ＵＳ０９／０３１１５５号、および２００８年１月１７日に出願された米国仮出願６１／０２１，８６１号に記載されており、これらは共にその全体が参照による本明細書に組み込まれている。
【００４９】
このデバイスは、サンドイッチ式に捕捉する方式で免疫アッセイを行なうことができる。
【００５０】
アッセイを実施するために、例えばこれに限定するものではないが１５μｌの全血標本３２などの約１５μｌの標本を薄膜フィルタ２の頂部に供給することができる。薄膜フィルタ２は、全血細胞３４を溶解させずに捕らえる一方で、標的検体３６を含む可溶性分子を含有する濾液３８は通過できるようにする。薄膜フィルタ２を横断した後、濾液３８は毛細管チャネルの入り口６に流れ込み、ここで乾燥した磁性粒子１０を再懸濁させることができ、磁性粒子１０は濾液３８と一緒に毛管作用によって毛細管チャネル１２の長さにわたって流れることができる。
【００５１】
粘性の血漿濾液は、手助けしなければ、孔のサイズが小さいフィルタ２の底部から、より大きな直径の毛細管１２に流れにくい。圧力を加えたり、あるいは大量の標本を使用しなければならないことを避ける目的で、乾燥した試薬をフィルタ２に近接させて毛細管１２の入り口６に置くことができる。フィルタ２の底部に現れる濾液３８を、高親水性の乾燥試薬によって引き寄せることができる。乾燥試薬は、いったん毛細管１２の入り口６に配置されると溶融することができ、毛管力は恐らく、毛細管１２を通過してセンサ領域１８までの残りの距離にわたって濾液を引っ張るのに十分である。
【００５２】
毛細管の入り口６に乾燥試薬がない場合、製造に関する変形形態は、予想されるフィルタ２の底面と毛細管１２の入り口６の分離よりも大きくなる、あるいは位置が合わなくなる可能性があり、この場合毛細管１２の入り口６は、フィルタ２の底面と同一平面にはなく、毛細管１２への濾液３８の流れを阻止することになる。
【００５３】
充填剤８中の乾燥磁性粒子１０を毛細管１２の入り口６に配置することで、濾液３８をフィルタ２の底部から毛細管１２へと引っ張ることができる。
【００５４】
磁性粒子１０は、いったん毛細管１２の中に配置されると再懸濁することができ、濾液３８と一緒に毛細管１２の長さに沿って流れることができる。磁性粒子１０は、毛細管１２を通って流れる間に濾液３８中の標的検体３６に結合することができる。
【００５５】
毛細管１２の長さ、直径および疎水性を変えることで、流速および磁性粒子インキュベーション時間を調節することができる。毛細管１２内をより速く流れるようにするには、長さと幅をそれぞれ約０．５ｍｍと約０．２５ｍｍに縮小することができる。よりゆっくり流れるようにするには、毛細管１２の長さと幅をそれぞれ約１０ｃｍと約５ｍｍに拡大することができる。
【００５６】
毛細管の出口１４は親水性であってよい。濾液３８は、親水性の毛細管の出口１４から垂れる一滴の滴４２を形成することができる。集積回路１６は、例えば垂れてくる滴４２がセンサ領域１８に流れることができるように、毛細管の出口１４に十分近接させて水平方向に配向することができる。その隙間の大きさは、０．１ｍｍ未満から２ｍｍの範囲であってよく、この範囲を超える大きさの滴４２ではもはやこの隙間は埋められない。垂れてくる滴４２は集積回路１６の表面２０に流れた後、濾液３８中の磁性粒子１０はセンサ領域１８上に沈殿することができる。
【００５７】
磁性粒子１０は、重力および磁力によってＩＣ１６の表面２０に沈殿する。２μｍの幅の集約コンダクタ６２を流れる２ｍＡの電流が、１．１ｐＮの力でセンサ領域１８に向けて４．５μｍの磁性粒子１０を引っ張る。
【００５８】
標的検体３６の存在下で、磁性粒子１０は、ＩＣ１６の表面２０にあるセンサ領域１８に結合沈殿し、特異的な生化学または無機性の相互作用によって強固に結合する。標的検体がない場合、磁性粒子は、ＩＣ１６の表面２０にあるセンサ領域１８に沈殿するが、非特異的な相互作用によってその結合は弱くなる。
【００５９】
免疫アッセイによる補足方式では、磁性粒子１０は、沈殿する間に標的検体３６を補足し、集積回路１６の表面２０にあるセンサ領域１８に結合する。
【００６０】
センサ領域において特異的に結合した磁性粒子１０の数を数えるために、非特異的に結合した磁性粒子１０ｂを排除することができる。非特異的に結合した磁性粒子１０ｂは、磁力、流体の力、静電気の力またはそれらを組み合わせたものによって排除することができる。
【００６１】
免疫アッセイを実施するために、磁気分離力は、およそ１０ｂ（＞０．１−１０ｐＮ）の非特異的に結合した粒子を引っ張って、センサ領域１８から離すのに十分な力であってよいが、およそ１０ａ（＜６０ｐＮ）の特異的に結合した磁性粒子を排除するほど過度に強力である必要はない。約４．５μｍの磁性粒子１０から約１８μｍのところに配置された５μｍの幅の分離コンダクタ６４を流れる約５０ｍＡの電流が、約１．１ｐＮの力で磁性粒子１０を引っ張る。しかしながら磁性粒子１０はＩＣ１６の表面２０上で旋回する場合があるため、最後の分子鎖に対する磁気分離力は、分子鎖のモーメントアームの長さおよび分離力の違いによって生じる機械的なてこの作用によって増幅される可能性がある。およそ１．１ｐＮの横方向の磁力が、非特異的な結合に対しておよそ７．５ｐＮの張力に変換され、これは非特異的に結合した粒子１０ｂを排除するには十分である。
【００６２】
磁気分離力を印加した後、および非特異的に結合した磁性粒子１０ｂをセンサ領域１８から排除した後、センサ領域１８に残っている特異的に結合した磁性粒子１０ａをＩＣに埋め込まれたセンサ６０ｂによって検出することができる。センサ領域中にある特異的に結合した磁性粒子１０ａの数は、標本３２中の１つまたは複数の標的検体３６の濃度に相当する。
【００６３】
磁性粒子センサ６０ｅをセンサ領域の外側に配置することで、センサ領域１８から排除された非特異的に結合した磁性粒子１０ｂの数を数えることができる。磁性粒子センサ６０ｅは、ＩＣ１６の表面２０に定着した磁性粒子１０の総数を数えることで、いかなる変形形態も補償することができる。
【００６４】
チップ１６の表面２０で磁性粒子アッセイを実施する１つの方法が、２００９年１月１５日に出願されたＰＣＴ国際特許出願シリアル番号ＰＣＴ  ＵＳ０９／０３１１５５号、および２００８年１月１７日に出願された米国仮出願第６１／０２１，８６１号に記載されており、これらは共にその全体が参照による本明細書に組み込まれている。
【００６５】
ＩＣ１６は、標的検体３６の分量を特定するためにデジタル電子機器を含んでおり、この機器はアッセイの結果を処理し表示することができる。アッセイの結果は、オンチップの較正曲線と数値的に組み合わせることができ、その結果を暗号化し送信することができる。これに加えてまたは別個に、電子センサは、ＩＣ１６上に、またはＩＣ１６の横に並べることができる。電子センサは、温度、慣性、湿度センサおよびそれらを組み合わせたものであってよい。電子センサは、ＩＣ１６に組み込むことができる。アッセイプロトコールを調節するタイマーをＩＣに組み込むことができる。容量性または抵抗集積回路センサを使用することで、センサ領域１８の縁部に沿って湿気を検出することができる。湿度センサによって、濾液３８がＩＣ１６の表面２０にあるセンサ領域１８全体にわたって流れることを保証することができる。またこのような湿度センサを使用することでオンチッププロトコールを開始し、これを制御することもできる。本発明のデバイスに振動デバイスを組み合わせることができる。このデバイスが振動し、磁性粒子１０が毛細管１２を通って流れＩＣ１６の表面２０に定着することで、インキュベーション時間を加速させることができる。
【００６６】
様々な複合化の段階を採用することができる。磁性粒子１０およびＩＣ１６の表面２０にあるセンサ領域１８ａおよび１８ｂを、１つまたは複数の化学物質でコーティングすることで一度に（すなわち同時に）多様な標的検体３８を検出することができる。１つまたは複数の検出用化学物質を、マイクロアレイ法によってＩＣ１６の表面２０上で空間的に分離することができることで、同一のＩＣ１６上にある異なるセンサ領域１８ａと１８ｂ、または１つのセンサ領域１８の内にある異なる磁性粒子センサ６０を別々の検出用化学物質でコーティングすることができる。
【００６７】
２つ以上の毛細管１２ａと１２ｂは、別の検出用化学物質によって機能化された磁性粒子１０ｃおよび１０ｄを保有することができる。毛細管１２ｃと１２ｄを同一のセンサ領域１８につなげることができる、または毛細管１２ａと１２ｂを、同一のＩＣ１６にある異なるセンサ領域１８ａと１８ｂにつなげることが可能である。２つ以上のフィルタ２ａおよび２ｂを、同一のセンサ領域１８、または同一のＩＣ１６にある異なるセンサ領域１８ａおよび１８ｂにつながる複数の毛細管１２ａと１２ｂに嵌合させることができる。異なるフィルタ２ａおよび２ｂ、ならびに異なる毛細管１２ａおよび１２ｂは、別々の化学物質でコーティングされた異なる磁性粒子を保有することができる。片方のフィルタ２を、パターン形成された疎水性バリアによって、または二次加工され組み立てられたバルク構造体によって、空間的に隔離して独立したサブフィルタにすることができる。
【００６８】
上記に記載した複合化の段階を利用することで、標的検体３８の検出および計量と同時にアッセイ較正曲線法を実施することができる。例えばセンサ領域１８の一部を、カゼインまたはアルブミンなど、磁性粒子１０の表面との結合を阻止することができる阻止化学物質によってコーティングすることが可能な場合に負の制御を行なうことができる。この負の制御は、試験下において標本中で起こる非特異的相互作用の総量を示すことができる。これに加えてまたは別個に、センサ領域１８の一部を、１つまたは複数の標的検体３８など、磁性粒子１０の少なくとも一部の表面との結合を保証する活性化化学物質によってコーティングすることが可能な場合に正の制御を行なうことができる。較正曲線法全体は、正確に計量するために標的検体３８の測定値と並行して実施することができる。
【００６９】
複数の毛細管１２ｃおよび１２ｄを使用することで濾液３８をより迅速にＩＣ１６に移動させることができる。さらに毛細管チャネル１２を、ガラス繊維またはニトロセルロースなどの吸い上げ材で満たすことで、濾液３８をより迅速にＩＣ１６に移動させることができる。
【００７０】
濾過特性を改善させるために、特性の異なる複数の薄膜フィルタ２ｃおよび２ｄを含む薄膜フィルタ組立体を、毛細管の入り口６より上に積み重ねることができる。各々のフィルタに異なる乾燥たんぱく質、試薬、化学物質および磁性粒子を装填することができる。
【００７１】
毛細管なしでデバイスを構成することもできる。磁性粒子１０は、薄膜フィルタ２またはニトロセルロース細片などの多孔性物質の底部内で、または底部に対して乾燥させることができる。チップの頂部より上の短い距離のところに薄膜フィルタ２を配置することができる。
【００７２】
システムは、沈殿毛細管８４と送達毛細管９２を有する場合がある。送達毛細管９２の入り口９４は、フィルタ２の直ぐ下に配置され、濾液３８を沈殿毛細管８４に送達することができる。この送達毛細管９２が入り口９４のところに乾燥した試薬８２を有することで、濾液３８がフィルタ２の底部から毛細管９２へと容易に流れることができる。送達毛細管９２は、濾液３８がフィルタ２の底部から沈殿毛細管８４へと横方向に流れるような位置であってよい。沈殿毛細管８４は、センサ領域１８のすぐ上に垂直方向に配置することができ、送達毛細管９２は、沈殿毛細管８４の高さに沿った任意の地点、例えば中間地点で沈殿毛細管８４に結合することができる。送達毛細管９２および沈殿毛細管８４は、１つのプラスチック製の毛細管カートリッジ８０の中に作製することができる。カートリッジ８０内の毛細管は、プラスチックのエンボス加工、射出成型またはフォトリソグラフィを使用して作製することができる。沈殿毛細管８４の頂部にある入り口８６に、凍結乾燥されたマイクロスフェア９０を配置することができる。
【００７３】
一滴の全血３２を薄膜フィルタ２上に置くことができる。全血細胞３４は薄膜フィルタ２内で捕捉され、標的検体３６を含む濾液３８は、送達毛細管９２の入り口９４へと流れることができる。濾液３８は、送達毛細管９２内を通って沈殿毛細管８４へと流れることができる。その後濾液３８は、ＩＣ１６の表面２０にあるセンサ領域１８へと下方に、およびマイクロスフェア９０へと上方に流れることができる。濾液３８がマイクロスフェア９０に到達しないうちに、それがセンサ領域１８へおよび集積回路１６の表面２０の全域に流れることができることで、濾液３８がマイクロスフェア９０に到達する頃には、濾液はもはや沈殿毛細管８４内を流れていないはずである。
【００７４】
マイクロスフェア９０に接触すると、充填剤８を可溶化することができる。例えば全く濾液が流れていない場合、可溶性の充填剤９８が静止したままであり、すなわちいずれの方向にも流れることができない。可溶化された充填剤９８の拡散はゆっくりであり、恐らく重力または磁気集約力による磁性粒子１０の沈殿速度はこれを上回る速度である。磁性粒子１０は、可溶化された充填剤９８から離れて、沈殿毛細管８４を通過して集積回路１６の表面２０にあるセンサ領域１８へと沈殿する。磁性粒子１０は、１つまたは複数の標的検体３６の存在下でセンサ領域１８内でＩＣ１６の表面２０に結合し、アッセイプロトコールは先に記載したように進むことができる。
【００７５】
沈殿毛細管８４の頂部入り口８６にマイクロスフェアを単に置くことによって、マイクロスフェア９０の詰め込みまたは挿入作業の代わりをすることで、量産し易くすることができる。
【００７６】
濾液３８と合わさった磁性粒子１０のインキュベーション時間は、高精度の用途の場合沈殿毛細管８４の長さによって精密に調節することができる。４．５μｍの磁性粒子１０を重力によっておよそ０．４ｍｍ／分で血漿中に沈降させることができ、よって約４ｍｍの沈殿毛細管の高さ１５４の場合およそ１０分間のインキュベーション時間になる。
【００７７】
磁性粒子１０が沈殿毛細管８４を通って沈殿する際、磁性粒子１０が磁性粒子１０の経路内で全ての検体３６と結合することができるため、混合作業を短縮するまたはなくすことができる。
【００７８】
可溶化された充填剤９８は、アッセイの遂行に支障をきたす恐れがある。こういった現象を緩和させる目的で、およそ０．１μｌ未満の充填剤を送達毛細管８４の入り口に配置することができる。およそ０．１μｌ未満の充填剤は、約１５μｌの血漿によっておよそ１００倍希釈することができる。７．５μｌより大きなマイクロスフェアからの可溶化された充填剤９８は、このマイクロスフェアには約４ｍｍの距離からセンサ領域１８まで拡散する十分な時間がないため、アッセイを妨げる可能性はない。
【００７９】
２つ以上の隣接する流体領域で沈殿毛細管８４を満たすことができる、すなわち異なる緩衝液を順番に沈殿毛細管８４に装填することができる。乱流がない場合、このような流体領域は、拡散過程により境界面においてのみ混ざり合う。磁性粒子１０は、流体の拡散よりずっと速く沈殿するため、磁性粒子１０は、それらが混ざり合うより速く異なる流体領域を全て通過して沈殿することができる。このような機能性は、核酸増幅反応のために緩衝液を交換するのに有効であり得る。沈殿毛細管８４を、溶解用緩衝液１１０、等温増幅用緩衝液１１２、および検出用緩衝液１１４で満たすことができる。例えば送達毛細管９２からの層流によって、溶解用緩衝液を沈殿毛細管８４の頂部においてマイクロスフェア９０に接触させ、それを再度可溶化させ、磁性粒子１０を再懸濁させることができる。磁性粒子１０は、溶解用緩衝液１１０中の溶解した有機物を横切る際に標的オリゴヌクレオチドを捕捉することができ、この標的オリゴヌクレオチドを、磁性粒子１０が等温増幅用緩衝液１１２内を横切る際に増幅させることができ、最終的に磁性粒子１０は検出用緩衝液１１４に進入し、この検出用緩衝液により磁性粒子１０はＩＣ１６の表面２０に結合することができる。沈殿毛細管８４に、異なる流体領域を事前に装填することができる、または送達毛細管は、望ましい流体領域によって沈殿用緩衝液を満たすことができる。流体領域を形成するのに必要な試薬を毛細管中で乾燥させ、標本によって再び可溶化させることができる。
【００８０】
第２のより幅の広い毛細管７０を薄膜フィルタ２の上に配置することで、指からの採血による全血などの標本を容易に収集することができる。この毛細管は、直径が０．２５ｍｍから１ｃｍで、長さが１ｍｍから５ｃｍの範囲であってよい。一般的なルールとして、毛細管７０の直径は、濾液が流れることができるように毛細管１２の直径より大きくする必要がある。
【００８１】
ヘパリン、クエン酸ナトリウムおよびエチレンジアミン四酢酸などの抗凝固剤を乾燥させて、薄膜の頂部、薄膜の底部、毛細管の入り口、毛細管の内側の側面に沿ってまたはＩＣの表面上に配置することができる。
【００８２】
毛細管チャネルは機能上、ＩＣに検体を送達する前にその中で検体をさらに処理することが可能なマイクロ流体システムで置き換える、またはそれを加えて使用することができる。
【００８３】
マイクロ流体チャンバに機能性（弁の使用、ポンプの使用、熱による加熱）を加えることで、流体または流体内容物を混合または分離する、ならびに／あるいは全血細胞および原子核を溶解させＤＮＡ増幅を行なうことができる。
【００８４】
磁性粒子センサ６０は、ＩＣに埋め込まれ、外部の照明源１００を備えた光学センサ１０４ａおよびｂであってよい。集積回路１６上の表面２０にある磁性粒子１０ｃおよび１０ｄが影１０２を落とし、この影によって、光源１００から光学センサ１０４ｂに送られる光の量を減衰させることができる。光学センサ１０４ｂは、入射光の減衰量を測定することによって磁性粒子１０ｃを検出することができる。集積回路１６は、これに限定するものではないが二酸化ケイ素など光を透過する表面を有することができる。
【００８５】
光学センサ１０４ａおよび１０４ｂは、これに限定するものではないがアクティブピクセルセンサ、電荷結合素子、アバランシェフォトダイオード、ＰＩＮフォトダイオード、または他のソリッドステート光学検出器として実装することができる。
【００８６】
１つまたは複数の照明源１００を集積回路１６のすぐ上に配置することができることにより、磁性粒子からの影が下方に投影される。１つまたは複数の照明源１００は、集積回路１６の表面２０を間接的におよび／または斜角で照明することができる。照明源１００が、濾液３８をＩＣ１６の表面２０へと流す毛細管より上に配置される場合もある。
【００８７】
代替として磁性粒子１０は、例えばＣＣＤカメラによってＩＣより上または下から、ＩＣの外部から光学式に検出することができる。
【００８８】
上記より、記載される基本構造を、これに限定するものではないが以下の多くの用途に使用することが可能なことを理解されたい。
【００８９】
１．診断
（ａ）単式アッセイ
（ｂ）並行または複合的アッセイ
（ｃ）ＤＮＡマイクロアレイアッセイ
（ｅ）グルコース、コレステロール、代謝産物、小分子検出
【００９０】
２．環境アッセイ
（ａ）食物汚染
（ｂ）水／土壌汚染
【００９１】
３．プロテオミクス
（ａ）たんぱく質間の結合力の測定
（ｂ）たんぱく質間の結合の共鳴振動数
（ｃ）タンパク質の運動力学調査
【００９２】
４．ゲノミクス
（ｃ）ＤＮＡのメチル化プロフィール
（ｄ）ＤＮＡの力の測定
【００９３】
５．磁性粒子ＡＦＭ
（ａ）低１／ｆノイズのＡＦＭ
（ｂ）デジタル式に力と周波数が調節されたＡＦＭ
（ｃ）複合的なＡＦＭ
【００９４】
６．磁性粒子特性
（ａ）異なるサイズと特性の粒子の磁性の探求
【００９５】
７．低コストのバイオセンサネットワーク
（ａ）アッセイの結果の一体化されダイレクトな無線伝送
（ｂ）リアルタイムの突発事象／汚染の監視
【００９６】
図１は、標本を準備し検出するシステム１の三次元の図である。システム１は、ＩＣに隣接して配置することができる、または１つまたは複数のＩＣ検出器／センサを含むことができる完全に一体化された準備および検出システムであってよい。システム１は、２００９年１月１５日に出願されたＰＣＴ国際特許出願シリアル番号ＰＣＴ／ＵＳ０９／０３１１５５号、および２００８年１月１７日に出願された米国仮出願第６１／０２１ ，８６１号に開示されるものなど、ＩＣに隣接して配置される、またはＩＣと一体式に構成することができ、これらの出願は共にその全体が参照により本明細書に組み込まれている。標本準備システム１は、温度、慣性および湿度センサなどの他のタイプのセンサデバイスと協働して、またはそれらと一体式に作動するように構成されてよい。
【００９７】
図１および図２に示されるように、システム１は、プリント回路基板１１に形成された開口２９のすぐ上でプリント回路基板１１の頂部面に設置することができるフィルタ支持構造体４を有することができる。接着リング３によってフィルタ支持構造体４を薄膜フィルタ２に装着することができる。薄膜フィルタ２は円筒形であってよい、または略楕円形、三角形または矩形の断面を有することができる。薄膜フィルタ２は、約０．５ｍｍから約２０ｍｍ、より狭い場合には１ｍｍから約８ｍｍであり、例えば約４ｍｍであり得る薄膜フィルタの幅または直径１５０を有することができる。薄膜フィルタ２およびフィルタ支持構造体４の周辺部の形状およびサイズは、同一であっても異なってもよい。
【００９８】
フィルタ支持構造体４の底面および／またはプリント回路基板１１の頂部面にある半径方向の溝によって、通気チャネル２８を形成することができる。集積回路１６は、例えば複数のはんだバンプ２２によってプリント回路基板１１の底面に装着することができる。はんだバンプ２２を、ＩＣボンドパッド２４ａおよびプリント回路基板メタライゼーション２４ｂに装着することができ、これにより集積回路１６とプリント回路基板１１を機械的に装着させ、電気的に相互に接続することができる。集積回路１６とプリント回路基板１１の間にポリマーシール２６を配置することができ、これは、密閉された空洞を形成し、流体による汚染から電気接続部を保護する。毛細管チャネル１２をフィルタ支持構造体４に装着することで、毛細管の入り口６をフィルタ２のすぐ下に配置することができ、毛細管の出口１４を集積回路１６の表面２０のセンサ領域１８のすぐ上に配置することができる。
【００９９】
毛細管の出口１４の底部は、ＩＣの隙間１５２によって集積回路１６の表面２０に接触させたり隔てたりすることができる。ＩＣの隙間１５２は、約０．０５ｍｍから約２ｍｍ、より狭い場合には約０．１ｍｍから約１ｍｍであってよい。毛細管チャネル１２は、毛細管チャネルの長さ１５４と毛細管の直径または幅１５６を有することができる。毛細管チャネルの長さ１５４は、約０．５ｍｍから約２０ｍｍ、より狭い場合は約１ｍｍから約８ｍｍ、例えば約４ｍｍであってよい。毛細管の幅１５６は、約０．０５ｍｍから約２ｍｍ、より狭い場合は約０．１ｍｍから約１ｍｍ、例えば約０．５ｍｍであってよい。
【０１００】
磁性粒子１０を充填剤８の中で乾燥させ、例えば入り口６および／または出口１４付近にまたはそこに、ならびに／あるいは毛細管チャネル１２の長さ全体に沿ってまたはその一部に沿って、毛細管チャネル１２内に配置することができる。
【０１０１】
図３は、フィルタ２が毛細管チャネル１２より上にある場合を図示している。乾燥した磁性粒子１０は、毛細管チャネル１２の入り口６のところで充填剤８の中にあってよい。毛細管チャネル１２の出口１４は、集積回路１６の表面２０にあるセンサ領域１８のすぐ上方に配置することができる。
【０１０２】
図４から図８は、このデバイスの鍵となる構成要素の側部断面図であり、サンドイッチ式に捕捉する免疫アッセイ方式の作用を例示している。
【０１０３】
図４は、薄膜フィルタ２の頂部に置かれた、全血細胞３４と１つまたは複数の標的検体３６を含む全血標本３２を示している。
【０１０４】
図５は、フィルタ２の底部へと横切る濾液３８を示している。フィルタ２の底部から流れる濾液３８は、毛細管チャネル１２の入り口６において高親水性の充填剤８と接触する。高親水性の充填剤８が、濾液を毛細管チャネル１２へと引っ張り、磁性粒子１０が再懸濁する。磁性粒子は、１つまたは複数の標的検体３６に結合するために１つまたは複数の捕捉抗体３０によってコーティングされる。
【０１０５】
図６は、濾液３８が毛細管チャネル１２を通って流れるのを示している。フィルタ２は全血細胞３４の通過を妨げる一方で、標的検体３６が毛細管チャネル１２を通過するのは妨害せず、この場合再懸濁した磁性粒子１０は、１つまたは複数の標的検体３６と結合する。毛管作用による流動が、濾液を集積回路１６の表面２０に引っ張る。
【０１０６】
図７は、毛細管チャネル１２の出口１４から垂れる濾液３８の滴４２が形成される様子を示している。この滴は、集積回路１６の表面２０に接触するまで大きくなり、この時点で濾液３８は集積回路１６の表面２０全域に流れる。
【０１０７】
図８は、濾液３８がどのように集積回路１６の表面２０全域に広がるかを示している。磁性粒子１０は、集積回路１６の表面２０に対して沈殿する。表面２０を表面抗体４４で覆うことができ、１つまたは複数の標的検体の存在下で磁性粒子１０は、強力な特異的な相互作用によって集積回路１６の表面２０に結合することができる。
【０１０８】
図９は、集積回路１６の表面２０における２つの磁性粒子１０ａおよび１０ｂをクローズアップした図である。磁性粒子１０ａは、表面抗体４４、標的検体３６および捕捉抗体３０を含む特異的な免疫学的複合体によって表面２０に特異的に結合することができる。磁性粒子１０ｂは表面に沈殿しているが、例えば磁性粒子１０ｂを集積回路１６の表面２０にしっかりと鎖でつなぐための免疫学的複合体が存在しないため、非特異的に結合するはずである。
【０１０９】
図９−図１１は、集積回路１６の作動を図示する断面図である。
【０１１０】
図９は、磁性粒子１０が集積回路１６の表面２０に沈殿する際の磁性粒子１０を示している。集約コンダクタ６２内を通って図の面から外に流れる電流が、集約コンダクタ６２のすぐ上で磁性粒子を集積回路１６の表面２０に対して引っ張る。
【０１１１】
図１０は、集積回路１６の表面２０に定着することができる磁性粒子を示している。集約コンダクタ６２内を流れる電流は止めることができる。実例となる一例として、磁性粒子１０ａは表面２０に特異的に結合することができる一方で、磁性粒子１０ｂは表面２０に非特異的に結合するはずである。分離コンダクタ６４内を通って図の面から外に流れる電流が、磁性粒子に対して磁力を生成する。非特異的に結合した磁性粒子１０ｂを、分離コンダクタに向けて引っ張ることができ、その一方で特異的に結合した磁性粒子１０ａは静止したままである。
【０１１２】
図１１は、非特異的結合した磁性粒子を操作した後の磁性粒子を示す。特異的に結合した磁性粒子１０ａは、集約コンダクタ６２の上で表面２０に対して静止したままであってよく、センサ６０ｂによって検出することができる。非特異的に結合した磁性粒子１０ｂを、集約コンダクタ６２から脇に引っ張ることができ、分離コンダクタ６４の上で表面２０上で静止したままでいることができ、センサ６０ｅによって検出することができる。この場合集積回路１６は、標的検体の存在を示す１つの特異的に結合した磁性粒子（１０ａ）を検出することができる。大量の磁性粒子１０と、センサ６０と、磁気分離コンダクタ６４と集約コンダクタ６２の大きなアレイを使用することで、高感度で複合的な計量アッセイを行なうことができる。
【０１１３】
図１２は、集積回路１６の表面２０の上面図である。磁気分離力を印加した後、特異的に結合した磁性粒子１０ａはセンサ領域１８内に残る。非特異的に結合した磁性粒子１０ｂは、センサ領域から離れるように引っ張ることができる。しかしながら磁性粒子１０ａおよび１０ｂは共にセンサ６０によって検出することができることに留意されたい。
【０１１４】
図１３から図１８は、標本準備システムの様々な実装形態の三次元の図である。これらの多様な実装形態を使用して、様々な段階の複合的アッセイを行なうことができる。  
【０１１５】
図１３は、異なる検出用の化学物質によって機能化された磁性粒子１０ｃと１０ｄを保有することが可能な２つの毛細管１２ａと１２ｂに近接する２つのフィルタ２ａおよび２ｂを示している。毛細管１２ａおよび１２ｂは、２つの異なるセンサ領域１８ａと１８ｂにそれぞれの濾液を送達することができる。
【０１１６】
図１４は、異なる検出用化学物質によって機能化された磁性粒子１０ｃおよび１０ｄを保有することが可能な２つの毛細管１２ａと１２ｂに近接する、１つのフィルタ２を示している。毛細管１２ａおよび１２ｂは、２つの異なるセンサ領域１８ａと１８ｂにそれぞれの濾液を送達することができる。
【０１１７】
図１５は、同一のセンサ領域１８にそれぞれの濾液を送達することができる２つの毛細管１２ａおよび１２ｂに近接する、１つのフィルタ２を示している。
【０１１８】
図１６は、１本の毛細管チャネル１２の上に積み重なった２つのフィルタ２ｃおよび２ｄを示している。
【０１１９】
図１７は、毛細管なしで構成されるデバイスを示している。磁性粒子１０は、薄膜フィルタ２またはニトロセルロース細片などの多孔性物質の底部内で、またはそれに対して乾燥させることができる。薄膜フィルタ２を、チップの頂部より上の短い距離の所に配置することができる。
【０１２０】
図１８は、例えば指からの採決による全血などの標本を収集する目的で、第２の毛細管７０が薄膜フィルタ２より上に配置される場合があることを示している。第２毛細管は、第２毛細管の直径１５６ｂを有することができる第２毛細管チャネル１２ｂを有することができる。第２毛細管の直径１５６ｂは、第１毛細管チャネルの直径１５６ａより大きくても小さくてもよく、あるいはそれと同じであってもよい。毛細管の直径１５６ａおよび１５６ｂは、本明細書のいずれかに記載されるように、約０．２５ｍｍから約１ｃｍ、例えば４ｍｍであってよい。第２毛細管７０は、第２毛細管チャネルの長さ１５４ｂを有することができる。第２毛細管チャネルの長さ１５４ｂは、第２毛細管の長さ１５４ａより多くても小さくてもよく、あるいはそれと同じであってもよい。毛細管チャネルの長さ１５４ａおよび１５４ｂは、本明細書のいずれかに記載されるように、約１ｍｍから約５ｃｍ、例えば５ｍｍであってよい。第２毛細管７０の直径は、例えば濾液の流量を増加させる目的で、第１毛細管１２の直径より大きい場合がある。
【０１２１】
図１９から図２１は、アッセイプロトコールをより最適に制御することを目的とした２つの毛細管チャネルの実装形態の断面図である。
【０１２２】
図１９は、沈殿毛細管８４と送達毛細管９２を備えたシステムを示している。送達毛細管９２の入り口９４は、フィルタ２のすぐ下に配置することができる。入り口９４は、濾液３８を沈殿毛細管８４に送達するように構成することができる。送達毛細管９２が、入り口９４のところに乾燥した試薬８２を有することで、濾液３８がフィルタ２の底部から送達毛細管９２へと容易に流れることができる。送達毛細管９２は、濾液３８がフィルタ２の底部から沈殿毛細管８４へと横方向に流れるような位置であってよい。沈殿毛細管８４は、センサ領域１８のすぐ上に垂直方向に配置することができる。送達毛細管９２は、沈殿毛細管８４の高さに沿った任意の地点、例えば中間地点で沈殿毛細管８４に結合することができる。送達毛細管９２および沈殿毛細管８４は、１つのプラスチック製の毛細管カートリッジ８０の中に作製することができる。カートリッジ８０内の毛細管は、プラスチックのエンボス加工、射出成型またはフォトリソグラフィを使用して作製することができる。沈殿毛細管８４の頂部にある入り口８６に、凍結乾燥されたマイクロスフェア９０を配置することができる。凍結乾燥されたマイクロスフェア９０は、例えば約０．１ｍｍから約５ｍｍ、より狭い場合には約０．５ｍｍから約４ｍｍ、例えば約２ｍｍのマイクロスフェアの直径１６０を有することができる。マイクロスフェア９０と接触すると、充填剤８は可溶可能となる。
【０１２３】
図２０は、薄膜フィルタ２上に配置された一滴の全血３２を示している。全血細胞３４は、膜２内で捕捉することができる。標的検体３６を含有する濾液３８は、送達毛細管９２の入り口９４を通過して流れることができる。濾液３８は、送達毛細管９２を通って沈殿毛細管８４へと流れることができる。濾液３８はその後、ＩＣ１６の表面２０にあるセンサ領域１８へと下方に、およびマイクロスフェア９０へと上方に流れることができる。濾液３８がマイクロスフェア９０に到達しないうちに、それはセンサ領域１８へと流れ集積回路１６の表面２０全域に流れることができる。濾液３８がマイクロスフェア９０に到達する時には、濾液はもはや沈殿毛細管８４の中を流れていないはずである。
【０１２４】
図２１は、標的検体３６と合わさってインキュベートする磁性粒子１０を示している。濾液が全く流れていない場合、可溶性の充填剤９８は静止したままである、すなわちいずれの方向にも流れることはできない。可溶化された充填剤９８の拡散はゆっくりであり、恐らく重力または磁気集約力による磁性粒子１０の沈殿速度はこれを上回る速度である。磁性粒子１０は、可溶化された充填剤９８から離れて、沈殿毛細管８４を通過して集積回路１６の表面２０にあるセンサ領域１８へと沈殿する。磁性粒子１０は、１つまたは複数の標的検体３６の存在下でセンサ領域１８内でＩＣ１６の表面２０に結合することができ、アッセイプロトコールは先に記載したように進むことができる。
【０１２５】
図２２は、光学磁性粒子センサ１０４ａから１０４ｅを備えた集積回路１６の断面図である。磁性粒子センサ１０４ａから１０４ｅは、ＩＣに埋め込むことができる。システムは、外部照明源１００を有することができる。照明源１００は、ＩＣに向けて光子を放出することができる。照明源１００は、可視光線、不可視光（例えば赤外線、紫外線）またはそれらを組み合わせたものを放出することができる。集積回路１６の表面２０にある磁性粒子１０ｃおよび１０ｄが影１０２を落とし、この影によって、光源１００から光学センサ１０４ｂに送られる光の量を減衰させることができる。光学センサ１０４ｂは、入射光の減衰量を測定することによって磁性粒子１０ｃの量を検出することができる。集積回路１６は、これに限定するものではないが二酸化ケイ素など光を透過する表面を有することができる。また集約コンダクタ６２および分離コンダクタ６４は、例えば大半のまたは全ての磁性粒子を検出するために磁性粒子１０の直径より幅が薄くてよい。
【０１２６】
光学センサ１０４ａおよび１０４ｂは、アクティブピクセルセンサ、電荷結合素子、アバランシェフォトダイオード、ＰＩＮフォトダイオード、他のソリッドステート光学検出器、ＬＥＤまたはそれらを組み合わせたものであってよい。
【０１２７】
図２３から図２５は、磁性粒子が異なる流体と一緒に順次インキュベートされる一実装形態の部分断面図である。
【０１２８】
図２３は、１つ以上の流体領域で満たされた、すなわち異なる緩衝液が順番に装填された沈殿毛細管８４を示している。乱流がない場合、このような流体領域は、拡散過程により境界面においてのみ混ざり合う。毛管作用によって、このような流体領域をマイクロスフェア９０が配置されている沈殿毛細管８４の頂部へと引っ張ることができる。沈殿毛細管８４は、溶解用緩衝液１１０、等温増幅用緩衝液１１２および検出用緩衝液１１４で満たすことができる。
【０１２９】
図２４は、流体の最も上の領域がマイクロスフェアに到達し、可溶化された充填剤９８に可溶化される充填剤８を示している。
【０１３０】
図２５は、磁性粒子１０の沈殿が流体の拡散よりずっと速いことから、磁性粒子１０が全ての異なる領域を順次通り抜けて沈殿することができることを示している。磁性粒子１０は、溶解用緩衝液１１０中の溶解した有機物を横切る際に標的オリゴヌクレオチドを捕捉することができ、この標的オリゴヌクレオチドを、磁性粒子１０が増幅用緩衝液１１２を横切る際に増幅させることができ、最終的に磁性粒子１０は検出用緩衝液１１４に進入し、この検出用緩衝液により磁性粒子１０はＩＣ１６の表面２０に結合することができる。
【０１３１】
上記の記載は多くの詳細を含んでいるが、これらは本開示の範囲を限定するものではなく、開示されるデバイスおよび方法の種々の変形形態の例示を提供するものと解釈すべきである。よって本明細書の開示の範囲は、当業者に明白となり得る他の変形形態を全て包含することを理解されたい。単数の要素に対する言及は、はっきりとそのように述べられない限り「特定のおよび唯一のもの」を意味するのではなく、「１つまたは複数のもの」を意味することを意図している。用語デバイスおよびシステムは、本明細書では区別なく使用されている。本明細書に開示されるデバイス、システム、要素、機能、特徴、ステップおよび方法は、示されるもの以外のいずれの機能を組み合わせたものにも使用することができ、単に例示の目的で明示的に示される組み合わせにおいて示されているだけである。当業者に知られる、上記に記載した開示の要素の全ての構造上、化学的および機能上の均等物は、本明細書に明確に組み込まれており、本請求項によって包含されることが意図されている。
【符号の説明】
【０１３２】
１  血液濾過デバイス
２  薄膜フィルタ
３  接着リング
４  フィルタ支持構造体
６  毛細管の入り口
８  充填剤
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ  磁性粒子
１１  プリント回路基板
１２  毛細管チャネル
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ  毛細管
１４  毛細管の出口
１６  集積回路
１８、１８ａ、１８ｂ  センサ領域
２０  ＩＣの頂部面
２２  はんだバンプ
２４ａ  ＩＣボンドパッド
２４ｂ  プリント回路基板メタライゼーション
２６  ポリマーシール
２８  通気チャネル
２９  開口
３０  捕捉抗体
３２  全血標本
３４  全血細胞
３６  標的検体
３８  濾液
４２  濾液の滴
４４  表面抗体
６０、６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ、６０ｅ  磁性粒子センサ
６２  集約コンダクタ
６４  分離コンダクタ
６８  非特異的に結合した磁性粒子
７０  第２の毛細管
８０  毛細管カートリッジ
８２  乾燥した試薬
８４  沈殿毛細管
８６  沈殿毛細管の入り口
９０  マイクロフェア
９２  送達毛細管
９４  送達毛細管の入り口
９８  可溶性充填剤
１００  外部照明源
１０２  影
１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄ  光学磁性粒子センサ
１１０  溶解用緩衝液
１１２  等温増幅用緩衝液
１１４  検出用緩衝液
１５０  薄膜フィルタの直径
１５２  ＩＣの隙間
１５４  毛細管の長さ
１５４ａ第１毛細管の長さ
１５４ｂ  第２毛細管の長さ
１５６  毛細管の内径
１５６ａ  第１毛細管の直径
１５６ｂ  第２毛細管の直径
１６０  マイクロスフェア直径
【図１】
0005975220.tif 000002
【図２】
0005975220.tif 000003
【図３】
0005975220.tif 000004
【図４】
0005975220.tif 000005
【図５】
0005975220.tif 000006
【図６】
0005975220.tif 000007
【図７】
0005975220.tif 000008
【図８】
0005975220.tif 000009
【図９】
0005975220.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0005975220.tif 000013
【図１３】
0005975220.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
0005975220.tif 000016
【図１６】
0005975220.tif 000017
【図１７】
0005975220.tif 000018
【図１８】
0005975220.tif 000019
【図１９】
0005975220.tif 000020
【図２０】
0005975220.tif 000021
【図２１】
0005975220.tif 000022
【図２２】
0005975220.tif 000023
【図２３】
0005975220.tif 000024
【図２４】
0005975220.tif 000025
【図２５】
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