(57)【要約】  本発明の少なくとも１つの例示の実施例は、ゲノム物質を含むサンプルを増幅領域、検出領域、およびマトリックス分析領域を含むミクロ流体チップに吐出するように構成されたカートリッジを含む分子診断装置に向けられている。
2009506775.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲノム物質を単離するように構成されたカートリッジであって、
反応チャンバーと、
前記反応チャンバー内に配置され、ゲノム物質を含むサンプルの少なくとも一部と結合してから前記一部を解放するように構成されている、少なくとも１つの結合解放基板と、
を有することを特徴とするカートリッジ。
【請求項２】
前記基板は、電荷切替材料を含むことを特徴とする請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項３】
前記サンプルの少なくとも一部の結合および解放が、電圧に応じていることを特徴とする請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項４】
前記サンプルの少なくとも一部の結合および解放が、前記基板と接触する流体のイオン成分の差違に応じており、前記サンプルが前記流体を含んでいることを特徴とする請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項５】
前記サンプルの少なくとも一部の結合および解放が、前記基板と接触する流体のｐＨの差違に応じており、前記サンプルが前記流体を含んでいることを特徴とする請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項６】
前記基板は、粒子またはビーズからなることを特徴とする請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項７】
前記基板は、磁性体または常磁性体であることを特徴とする請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項８】
前記基板が前記反応チャンバーの内部表面に縛り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項９】
前記基板から解放されたサンプルの少なくとも一部の体積は、前記サンプルの体積から減っていることを特徴とする請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項１０】
ゲノム物質を含むサンプルを送出するように構成されたカートリッジであって、
ゲノム物質の分離および方向付けシステムと、
吐出ヘッドとを有し、
前記吐出ヘッド中のチャンバは、前記ゲノム物質の分離および方向付けシステムからのゲノム材料を含むサンプルの少なくとも一部を受け取るように構成され、
前記吐出ヘッドは、前記カートリッジからの前記受け取られたサンプルの少なくとも一部を吐出されたサンプル液滴として排出することを特徴とするカートリッジ。
【請求項１１】
前記吐出ヘッドが熱エネルギー発生器によって提供される熱エネルギーを使用することを特徴とする請求項１０に記載のカートリッジ。
【請求項１２】
前記吐出ヘッドがピエゾジェットシステムであることを特徴とする請求項１０に記載のカートリッジ。
【請求項１３】
ゲノム物質を単離するように構成されたカートリッジであって、
反応チャンバーと、
前記反応チャンバー内に配置され、電圧に応じてゲノム物質を含むサンプルの少なくとも一部と結合してから前記一部を解放するように構成されている、少なくとも１つの結合解放基板と、
ゲノム物質の分離および方向付けシステムと、
吐出ヘッドとを有し、
前記吐出ヘッド中のチャンバは、前記ゲノム物質の分離および方向付けシステムからのゲノム材料を含むサンプルの少なくとも一部を受け取るように構成され、
前記吐出ヘッドは、前記カートリッジからの前記受け取られたサンプルの少なくとも一部を吐出されたサンプル液滴として排出することを特徴とするカートリッジ。
【請求項１４】
前記基板は、電荷切替材料を含むことを特徴とする請求項１３に記載のカートリッジ。
【請求項１５】
前記基板は、粒子またはビーズからなることを特徴とする請求項１３に記載のカートリッジ。
【請求項１６】
前記基板は、磁性体または常磁性体であることを特徴とする請求項１３に記載のカートリッジ。
【請求項１７】
前記基板が前記反応チャンバーの内部表面に縛り付けられていることを特徴とする請求項１３に記載のカートリッジ。
【請求項１８】
前記基板から解放されたサンプルの少なくとも一部の体積は、前記サンプルの体積から減っていることを特徴とする請求項１３に記載のカートリッジ。
【請求項１９】
前記吐出ヘッドが熱エネルギー発生器によって提供される熱エネルギーを使用することを特徴とする請求項１３に記載のカートリッジ。
【請求項２０】
前記吐出ヘッドがピエゾジェットシステムであることを特徴とする請求項１３に記載のカートリッジ。
【請求項２１】
請求項１、１０、および１３のいずれか１項に記載の少なくとも１つのカートリッジと、
少なくとも１つのミクロ流体チップとを有し、
前記ミクロ流体チップは、少なくとも吐出されたサンプル液滴の一部を受け取るように構成されており、
前記吐出されたサンプル液滴は、前記カートリッジから吐出されたいくつかの液滴であり、
前記ミクロ流体チップは、前記吐出されたサンプル液滴を受け取るための少なくとも１つのミクロ流体インライン反応流路を含むことを特徴とする分子診断装置。
【請求項２２】
前記カートリッジの前記吐出ヘッドは、前記ミクロ流体チップの前記ミクロ流体インライン反応流路中における制御された全液滴体積を達成するための繰返しパルス速度で、連続して複数の液滴を形成するように繰返しパルスで駆動されることができることを特徴とする請求項２１に記載の分子診断装置。
【請求項２３】
前記繰返しパルス速度が、約１ｋＨzから約１００ｋＨzの範囲であることを特徴とする請求項２２に記載の分子診断装置。
【請求項２４】
前記繰返しパルス速度が、約５０ｋＨzであることを特徴とする請求項２３に記載の分子診断装置。
【請求項２５】
前記吐出されたサンプル液滴が、約１ピコリットルから約２５ピコリットルの範囲の体積であることを特徴とする請求項２１に記載の分子診断装置。
【請求項２６】
前記吐出されたサンプル液滴が、約３ピコリットルの体積であることを特徴とする請求項２５に記載の分子診断装置。
【請求項２７】
前記全液滴の体積が、約３ピコリットルから約１００ナノリットルの範囲であることを特徴とする請求項２２に記載の分子診断装置。
【請求項２８】
前記ミクロ流体チップは、更に、ＤＮＡ生成物の増幅のために温度制御された第１の領域内の増幅領域と、温度制御された第２の領域内の検出領域とを有し、
増幅されたＤＮＡ生成物の検出が、２つ以上の温度で行うことができることを特徴とする請求項２１に記載の分子診断装置。
【請求項２９】
前記分子診断装置は、更に、マトリックス分析領域を有することを特徴とする請求項２１に記載の分子診断装置。
【請求項３０】
カートリッジによって吐出されたゲノム物質を含むサンプル液滴の少なくとも一部を受け取るように構成されたサンプル液滴の受け取りシステムと、
マトリックス分析領域とを有し、
前記マトリックス分析領域は、
放射体の放射波長を放射する放射体層と、
フィルタ層と、
検出層とを有することを特徴とするミクロ流体チップ。
【請求項３１】
前記フィルタ層は、蛍光の波長を通過してかつ前記放射体の放射波長を遮断する、光学フィルターのドープされたガラスを含むことを特徴とする請求項３０に記載のミクロ流体チップ。
【請求項３２】
更に、ＤＮＡ生成物を増幅するために温度制御された第１の領域内の増幅領域を通るゲノム物質を含むサンプルを流すように構成されている、少なくとも２つの流路と、
ＤＮＡ生成物の蛍光の開始のために温度制御された第２の領域内の検出領域とを有し、
増幅されたＤＮＡ生成物の検出が２つ以上の温度で行えることを特徴とする請求項３０に記載のミクロ流体チップ。
【請求項３３】
請求項１、１０、および１３のいずれか１項に記載の少なくとも１つのカートリッジと、
請求項３０に記載のミクロ流体チップとを有し、
前記カートリッジは、前記ミクロ流体チップの前記サンプル液滴の受け入れシステムにゲノム物質を含むサンプル液滴を吐出することを特徴とする分子診断装置。
【請求項３４】
前記マトリックス分析領域が更に２つ以上のユニットを含み、各ユニットは、少なくとも１つの光子発生器コンポーネントと、ＤＮＡストレッチチップと、少なくとも１つの光子検出器コンポーネントとを含むことを特徴とする請求項３３に記載の分子診断装置。
【請求項３５】
前記少なくとも１つの光子検出器コンポーネントは、ポルフィリン・ゲート材料を含むことを特徴とする請求項３４に記載の分子診断装置。
【請求項３６】
前記少なくとも１つの光子検出器コンポーネントは、３つの薄膜トランジスタを含むことを特徴とする請求項３４に記載の分子診断装置。
【請求項３７】
前記分子診断装置は、携帯できることを特徴とする請求項３３に記載の分子診断装置。
【請求項３８】
前記分子診断装置は、手持ちサイズであることを特徴とする請求項３７に記載の分子診断装置。
【請求項３９】
サンプル中のゲノム物質を特徴付ける方法であって、
（ａ）カートリッジでサンプル中のゲノム物質を単離する工程と、
（ｂ）前記カートリッジ中の液体吐出機構からミクロ流体チップのサンプル液滴の受け取りシステムに少なくとも１つのサンプル液滴を吐出する工程と、
（ｃ）前記サンプル液滴中のゲノム物質を検出する工程と、
（ｄ）前記サンプル液滴を分析して存在する前記ゲノム物質を特徴付ける工程と、を有することを特徴とする方法。
【請求項４０】
前記サンプル液滴を分析する工程は、サンプル中の前記ゲノム物質から検出されたバーコードを、知られているバーコードのデータベースと比較する工程を含むことを特徴とする請求項３９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はサンプルに存在し得るゲノム物質を特徴付けるのに使用することができる分子診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連出願
本出願は、本明細書に２００５年９月１日に出願された米国仮特許出願第６０/７１２,８１３号の優先権の利益を要求し、その全体が参照によりここに合体される。
【０００３】
バイオテクノロジーの分野では、さまざまなサンプル（例えば、環境系および医学系）中の細菌およびウイルスなどの微生物を迅速に確認する必要性がある。例えば、地域の水供給、（入院患者を含む）病院、食品加工工場で品質保証するために、例えば、細菌から単離されたゲノム物質の迅速な特性付け（すなわち、種の識別、および／または、細菌の菌株）が必要であり得る；すなわち、汚染する微生物の存在に対して、空気、埃、水、血液、組織、植物、食品などを含む、それだけには限られない様々なサンプルをモニターして、公衆に消費される、露出されるおよび／または使用される前に、あるいは公衆が使用しているときに、あるいは患者または公衆の他の部材から得られた組織または血液試料中の汚染する微生物を確認する必要がある。
【０００４】
微生物の種名を同定する標準的な微生物学的方法、例えば、培養およびグラム染色または他の生化学的性質の試験は、不正確であり、微生物の異なる菌株はいうまでもなく、異なる微生物を区別することができないことが多い。微生物の種名を同定するためのより正確な方法は、微生物のゲノムＤＮＡに基づくものである。２つのそのような種名を同定する方法は、その技術発展（例えば、自動化したインラインＰＣＲ法プラットホーム）が処理能力と自動化レベルを増加させたポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）法と新しい波形プロファイリング法（waveform profiling）である。
【０００５】
ＰＣＲは、ＤＮＡを指数関数的に増幅させるので、少量のゲノム物質を検出するために使用することができる。しかしながら、ＰＣＲは、既知でありかつ対象の遺伝子座（ＤＮＡ locus）を一括する（branket）、ゲノム物質の配列に特異的に相補性があるプライマーを必要とするので、既知の微生物の特徴付けにしか使用することができないという制限がある。言い換えると、研究者は、微生物を検出する試みの前に微生物の種名の同定（identity）（すなわち、使用するプライマーの適切な対）を知るまたは推測することが必要とされる。ＰＣＲの他の制約は、研究者が更なる研究無しには、分析中に使用する２つのプライマーと相補的な配列に関する情報以外の増幅されたＤＮＡ（およびその結果の孤立したゲノム物質）に関する配列情報をマップするおよび／または得ることができないことである。さらに、自動化されたインラインＰＣＲプラットフォームは、一般に、ＰＣＲに使用された後でゲノム物質を更に解析する（マッピングする）ための手段を提供しない。更に、ゲノム物質の分析（種、および／または、菌株のより確かな種別の同定を提供することなど）は、例えば、非病原菌株と病原性株を区別すること、新種の菌株の配列を検出して提供すること、適切な抗生物質の処方を選ぶことなどにおいて重要であり役に立つ可能性がある。
【０００６】
ＰＣＲ法のいくつかの制約を克服するために、いくつかの波形プロファイリング法が開発された（例えば、米国特許出願第１１/１９０,９４２号および第１１/３５６,８０７号、および特開第２００３-３３４０８２号および第２００３-１８０３５１号参照）。波形プロファイリング法は、研究者が検出前に微生物の分類を知ることを必要とせずに、ゲノム物質（例えば、細菌などの微生物から単離したＤＮＡ）を分析しプロファイル（概略付け）するための方法を与える。
【０００７】
波形プロファイリング法は、通常、波形プロファイリング法によって発生した高次ＤＮＡ構造中に組み込まれる検出可能な（例えば、放射性、蛍光、化学発光など）作用物質（例えば、ヌクレオチド、インターカレータなど）を使用して達成される溶融温度解析を利用する。サンプル温度が上昇すると、高次構造は解離して、例えば、蛍光強度を失う（例えば、インターカレートされた蛍光作用物質剤が解離する）。温度上昇の関数としてこれらの高次構造の解離によって得られた蛍光強度の変化率をプロットすると、微生物のゲノムＤＮＡおよび使用された波形プライマーに特有の波形を生成する、すなわち、異なる融解温度（Ｔm）で、微生物、例えば、菌の各種（菌株）に対する特性的な「波形プロファイル」を生成する高次ＤＮＡ構造の解離が観察されかつ記録される。従って、波形プロファイリング法は、融解温度解析を使用して第１微生物から単離したゲノムＤＮＡと第２微生物から単離したゲノムＤＮＡを区別するために使用することができる。しかしながら、波形プロファイリング法は、更なる研究調査なしでは、分析されたゲノム物質の解析（マップ）や配列を提供しない。
【０００８】
波形プロファイリング法は比較的新しい方法であるので、本明細書に記載された進歩はその処理能力、および/または、自動化を増加させるのに使用することができる。
【０００９】
上記説明したように、ＰＣＲ法の処理能力と自動化レベルを増加させる新技術が開発されてきた。そのような技術の１つの例は、例えば、米国特許第６０３３５４６号、同６２３８５３８号、同６２６７８５８号、同６５００３２３号、６６７０１５３号で記載されたようなミクロ流体（microfluidic）システムのための制御装置/検出装置のインターフェースを含むミクロ流体システムの使用である。自動化されたインラインＰＣＲプラットホームとして本明細書にまとめて参照されるこれらのミクロ流体システムは、当技術分野で周知であり、一般的に本明細書に記載されている。
【００１０】
たいていの自動化されたインラインＰＣＲプラットホームは使い捨て可能なミクロ流体チップを利用し、ミクロ流体チップは、自動化した試料の受入、ミクロ流体ＰＣＲの試薬集合、ＰＣＲの温度サイクルおよび光学的検出分析用コントローラ/検出器のインターフェースとともに機能する。ミクロ流体チップは、一般に、少なくとも１つのミクロエッチングされた流体（ミクロ流体）のインライン反応流路を有する第１プレートを含む。第１プレートは、金属トレースと流体貯めであり得る第２プレートに接着することができる。２つのプレートが互いに接着されると、第１プレートの各ミクロ流体の反応流路は、遺伝子座を特定する試薬が流体貯めからミクロ流体のインライン反応流路に運ばれるように第２プレートの流体貯めと接続され得る。
【００１１】
インラインＰＣＲは、キャピラリーすなわち「シッパー（吸引部）」がサンプル液滴（ＤＮＡサンプル液滴であってもなくても良い、すなわちサンプル液滴は微生物から孤立されたゲノム材料を含む）を、例えばミクロタイタープレートから少なくとも１つのミクロ流体インライン反応流路に吸引したときに開始する。シッパーは、サンプル液滴をミクロ流体インライン反応流路に吸引した後で、バッファーがミクロ流体チップに吸引されるようにバッファートローフに移動され得る。その結果、各サンプル液滴はバッファースペーサによって隣接したサンプル液滴から分離されるので、サンプル液滴間の相互汚染は、最小にまたは排除される。次に、各サンプル液滴は、ミクロ流体インライン反応流路に沿って動き、チップのＰＣＲ集合領域に到達し、ここでサンプル液滴は、例えば、一対の１プライマー、ＤＮＡポリメラーゼおよびdＮＴＰなどのＰＣＲに必要な試薬、およびインターカレータなどの検出可能な作用物質と混合されてサンプルプラグになる。オープションには、バッファースペーサーは、負のコントロールとして機能するようにＰＣＲに必要なある試薬と混合され得る。ＰＣＲに必要でかつ検出可能な作用物質と混合された後で、サンプルプラグ（ＤＮＡサンプル液滴であってもなくても良い、すなわちゲノム材料を含むサンプル液滴）は、ミクロ流体のインライン反応流路の長さに沿って動き、チップの異なる領域（例えば、サンプルプラグ上にＰＣＲが成し遂げられる増幅領域など）に到達する。
【００１２】
通常、各サンプルプラグ（例えば、ＤＮＡサンプルプラグ）がミクロ流体インライン反応流路を通って流れると、温度制御された増幅領域に入り、ＰＣＲの変性、アニーリング、および伸長工程がサンプルプラグが流路の中を移動するときに、サンプルプラグにもたらされるように、各ミクロ流体インライン反応流路は、繰り返しかつ急速に局所的な形で加熱および冷却される；ゲノム物質を含まないサンプルプラグも同様の加熱および冷却プロセスなどに晒される。ＤＮＡの増幅は、ＤＮＡサンプルプラグ中、すなわち、ゲノム物質を含むサンプルプラグだけに起こる。増幅領域の温度はジュール加熱で制御される（例えば、米国特許第５,９６５,４１０号および第６,６７０,１５３号参照）。一般には、各ＰＣＲサイクルの間に必要とされる異なる温度を実現するために、制御された局部的な形でミクロ流体インライン反応流路近くのまたはその中の金属トレースに電圧を印加することができる。反応の冷却は、例えば、ミクロ流体のインライン反応流路から熱エネルギーを運ぶためにコイルの中を通る冷却流体の使用、または、例えば、ミクロ流体チップの底面に冷却水を適用する迅速な熱放散の使用、または大気中への簡単な放射対流の使用、またはヒートシンクを使用する適切な熱伝導の使用により達成することができる。ミクロ流体流路内の流体の量は少なく、金属トレースはミクロ流体インライン反応流路の非常に近くにあるので、流路（および従って、サンプルプラグ）内の流体の加熱および冷却は非常に急激に達成される。その結果、ＤＮＡサンプルプラグはＰＣＲを受け、ＰＣＲサイクルは、例えば３０サイクルが通常例えば９分未満で行われるように繰り返される。各ＤＮＡサンプルプラグがチップの温度制御領域でミクロ流体流路を通るときに、各ＤＮＡサンプルプラグが受けるＰＣＲサイクル数は、１）金属トレースにかける電圧のタイミング、および２）ミクロ流体流路を通るＤＮＡサンプルプラグの流速の一方または両方を変えることによって変更することができる。
【００１３】
ミクロ流体チップは、それが持っているミクロ流体インライン反応流路の数だけポリメラーゼ連鎖反応を同時に行うことができる。例えば、ゲノム物質を含むサンプルは、複数の異なるミクロ流体のインライン反応流路中に吸引されることができ、各ミクロ流体のインライン反応流路には、異なる遺伝子座に特異的な作用物質（例えば、ゲノム物質、例えばＤＮＡ上の異なる遺伝子座を囲む異なる一対のプライマー）が加えられる。これにより、同じ微生物から単離されたゲノム物質のいくつかの異なる遺伝子座を同時に検出することが可能になる。あるいは、特異的な一対のプライマーを含む作用物質が、複数の異なるミクロ流体のインライン反応流路に吸引され得る。これにより、異なるサンプルおよび／または異なる微生物から単離されたゲノム物質上にある同じ遺伝子座を同時に検出することが可能になる。さらに、複数のサンプル液滴が同じミクロ流体の反応流路に吸引され得る。
【００１４】
検出領域は、通常は温度制御された増幅領域の下流にあり、一般には増幅したＤＮＡ産物、例えばＰＣＲ産物の観察および検出を可能にする透明な領域である。検出領域では、各ミクロ流体のインライン反応流路は、通常は、互いにすぐ近い位置に配置され、検出器の下方に通される。光源は、光学的な検出領域を通過する検出可能物質または検出可能エネルギー（例えば、各流路から、各ＤＮＡサンプルプラグから放射される蛍光）が同時に測定可能になるようにミクロ流体のインライン反応流路の全体を照射する。検出後に、各ミクロ流体のインライン反応流路は、通常は各サンプルプラグを廃棄物貯めに排出する。
【００１５】
通常、ミクロ流体のインライン反応流路内で流体の動きを発生するために３つの異なる方法が使用される、これらの方法は、動電学（electrokinetics）、圧力、またはこれら２つの組合せ（例えば、米国特許第６，２３８，５３８号、同第６，６７０，１５３号、同第６，７８７,０８８号および米国特許出願第２００１／００５２４６０号が参照される）および機械的でない弁（例えば、米国特許第６，６８１，７８８号、同第６，７７９，５５９号）を含む。圧力ベースの流れシステムでは、インライン反応流路内での流体の流れを駆動するために内部または外部の駆動源を使用することができる。例えば、各ミクロ流体のインライン反応流路の端にある廃棄物貯めを減圧にし、シッパー（吸引部）を稼働させ、ミクロ流体のインライン反応流路に沿って流体を廃棄物貯めの方向へ動かすために使用することができる。あるいは、ゲノム物質が荷電されているので、動電学、すなわち電圧勾配の発生（例えば、金属トレースに電圧を印加して）は、ミクロ流体のインライン反応流路に沿って荷電されている流体を動かすために使用することができる。インライン反応流路に沿って流体を駆動するための第３の方法は、動電学と圧力の両方を用いる。結果として、ミクロ流体のインライン反応流路内の流体の連続した流れが得られ、サンプルプラグ（例えば、ＤＮＡサンプルプラグ）は、連続して混合され、またチップの別の領域（例えば、ＰＣＲアセンブリ領域、温度制御領域、検出領域など）に移動される。
【００１６】
動電学的および／または圧力によって移動される流体の運動、加熱サイクルおよび冷却サイクル、検出、および、ミクロ流体チップに関連するデータ取得は、チップと接続する機器によって制御され得る（例えば、米国特許第６，０３３，５４６号および同第６，５８２，５７６号に一般的に記載されている）。機器のインターフェースは、通常は、チップ上の試薬貯めをシールするＯ−リングシールと、チップ上の金属トレースと接続し、温度サイクルのための電圧を提供することができるポゴピンと、流体をチップに通して流すために減圧にすることができる廃棄物貯めのＯリングシールと、循環冷却水に対してチップの底をシールするために使用されかつ温度サイクル中に冷却を迅速に行うために使用され得る大きなＯリングと、例えば蛍光検出のための検出域とを含む。ミクロ流体チップは、通常はＤＮＡサンプルプラグを分離する物理的な障壁（例えばバッファースペーサー）を有する閉鎖システムであるので、このシステムにおける汚染の危険性は最も小さい。そのうえ、連続する流れは、サンプルプラグが後方に動くのを防ぐ。
【特許文献１】米国特許出願第１１/１９０,９４２号
【特許文献２】米国特許出願第１１/３５６,８０７号
【特許文献３】特開２００３-３３４０８２号
【特許文献４】特開２００３-１８０３５１号
【特許文献５】米国特許第６０３３５４６号
【特許文献６】米国特許第６２３８５３８号
【特許文献７】米国特許第６２６７８５８号
【特許文献８】米国特許第６５００３２３号
【特許文献９】米国特許第６６７０１５３号
【特許文献１０】米国特許第６５８２５７６号
【特許文献１１】米国特許第５９６５４１０号
【特許文献１２】米国特許第６７８７０８８号
【特許文献１３】米国特許第２００１／００５２４６号
【特許文献１４】米国特許第６６８１７８８号
【特許文献１５】米国特許第６７７９５５９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上記説明された自動化したインラインＰＣＲプラットフォームは、ミクロ流体チップ（microfluidic chip）が使用後に処分されることや、自動化したインライン波形プロファイリング法に適していないという点で制約され、また、そのようなプラットホームを使用するサンプルを分析するには、アウトソーシングを必要とする。さらに、サンプル液滴を吸引するためのシッパーの使用は、急速にＰＣＲサイクルを行うために必要な小体積を得るためには効率が悪くて無駄な方法である。本発明は、これらの制限を本分子診断装置を提供することによって解決する。本分子診断装置は、ゲノム物質を自動化された方法で調製するによって、サンプル中の微生物（例えば、菌、ウイルス）から単離されたゲノム物質を特徴付けるために使用し、次に、１）ゲノム物質を増幅しかつ増幅した生成物を検出する、および２）ゲノム物質をマッピングする、の一方または両方を行うことができる。本発明の少なくとも１つの例示の実施例の分子診断装置は、複数のサンプル、例えば、患者のサンプルを同じミクロ流体チップを通して相互汚染なしに処理することができるという利点を有する。また、いくつかの例示の実施例では、分子診断装置は携行可能なシステムであるので、本発明の少なくとも１つの例示の実施例の分子診断装置は、米国または世界中のどこかの異なる患者看護センターで利用することができ、また、病院あるいは他の患者看護センターから離れた患者の近くであるいは汚染現場で使用することができる。また、本明細書に開示された分子診断装置は、採集後の短い時間でサンプルのスクリーニングを容易にする利点を有する。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
［本発明の要約］
少なくとも１つの例示の実施例は、ゲノム物質を単離するために構成されたカートリッジに方向づけられており、このカートリッジは、ゲノム物質を結合しかつ解放することができる少なくとも１つの流路と固体基板とを含んでいる。更なる少なくとも１つの例示の実施例では、カートリッジは更に廃棄貯めを含む。別の例の実施例では、ゲノム物質を結合してかつ解放することができる固体基板（すなわち、結合解放基板）は電荷切替物質を含む。
【００１９】
本発明の少なくとも１つの例示の実施例は、ゲノム物質を単離するように構成されたカートリッジであって、反応チャンバーと、前記反応チャンバー内に配置され、ゲノム物質を含むサンプルの少なくとも一部と結合してから前記一部を解放するように構成されている、少なくとも１つの結合解放基板と、を有することを特徴とする。少なくとも１つの他の更なる例示の実施例は、前記基板は、電荷切替材料を含む。少なくとも１つの他の更なる例示の実施例は、前記サンプルの少なくとも一部の結合および解放が、電圧に応じている。少なくとも１つの他の更なる例示の実施例は、前記サンプルの少なくとも一部の結合および解放が、前記基板と接触する流体のイオン成分の差違に応じており、前記サンプルが前記流体を含んでいる。少なくとも１つの他の更なる例示の実施例は、前記サンプルの少なくとも一部の結合および解放が、前記基板と接触する流体のｐＨの差違に応じており、前記サンプルが前記流体を含んでいる。少なくとも１つの他の更なる例示の実施例は、前記物質は、粒子またはビーズからなる。少なくとも１つの他の更なる例示の実施例は、前記物質は、磁性体または常磁性体である。少なくとも１つの他の更なる例示の実施例は、前記基板が前記反応チャンバーの内部表面に縛り付けられている。少なくとも１つの他の更なる例示の実施例は、前記基板から解放されたサンプルの少なくとも一部の体積は、前記サンプルの体積から減っている。
【００２０】
本発明の少なくとも１つの例示の実施例は、ゲノム物質を含むサンプルを送出するように構成されたカートリッジであって、ゲノム物質の分離および方向付けシステムと、吐出ヘッドとを有し、前記吐出ヘッド中のチャンバは、前記ゲノム物質の分離および方向付けシステムからのゲノム材料を含むサンプルの少なくとも一部を受け取るように構成され、前記吐出ヘッドは、前記カートリッジからの前記受け取られたサンプルの少なくとも一部を吐出されたサンプル液滴として排出することを特徴とする。少なくとも１つの他の例示の実施例は、前記吐出ヘッドが熱エネルギー発生器によって提供される熱エネルギーを使用する。少なくとも１つの他の例示の実施例は、前記吐出ヘッドがピエゾジェットシステムである。
【００２１】
本発明の少なくとも１つの例示の実施例は、ゲノム物質を単離するように構成されたカートリッジであって、反応チャンバーと、前記反応チャンバー内に配置され、電圧に応じてゲノム物質を含むサンプルの少なくとも一部と結合してから前記一部を解放するように構成されている、少なくとも１つの結合解放基板と、ゲノム物質の分離および方向付けシステムと、吐出ヘッドとを有し、前記吐出ヘッド中のチャンバは、前記ゲノム物質の分離および方向付けシステムからのゲノム材料を含むサンプルの少なくとも一部を受け取るように構成され、前記吐出ヘッドは、前記カートリッジからの前記受け取られたサンプルの少なくとも一部を吐出されたサンプル液滴として排出することを特徴とする。少なくとも１つの他の例示の実施例は、前記基板は、電荷切替材料を含む。少なくとも１つの他の例示の実施例は、前記物質は、粒子またはビーズからなる。少なくとも１つの例示の実施例は、前記物質は、磁性体または常磁性体である。少なくとも１つの他の例示の実施例は、前記基板が、前記反応チャンバーの内部表面に縛り付けられている。少なくとも１つの他の例示の実施例は、前記吐出ヘッドが熱エネルギー発生器によって提供される熱エネルギーを使用する。少なくとも１つの他の例示の実施例は、前記吐出ヘッドがピエゾジェットシステムである。
【００２２】
本発明の少なくとも１つの例示の実施例は、分子診断装置であって、少なくとも１つのカートリッジと、少なくとも１つのミクロ流体チップとを有し、前記ミクロ流体チップは、少なくとも吐出されたサンプル液滴の一部を受け取るように構成されており、前記吐出されたサンプル液滴は、前記カートリッジから吐出されたいくつかの液滴であり、前記ミクロ流体チップは、前記吐出されたサンプル液滴を受け取るための少なくとも１つのミクロ流体インライン反応流路を含むことを特徴とする。少なくとも１つの他の更なる例示の実施例は、前記カートリッジの前記吐出ヘッドは、前記ミクロ流体チップの前記ミクロ流体インライン反応流路中における制御された全液滴体積を達成するための繰返しパルス速度で、連続して複数の液滴を形成するように繰返しパルスで駆動されることができる。少なくとも１つの他の更なる例示の実施例は、前記繰返しパルス速度が、約１ｋＨzから約１００ｋＨzの範囲である。少なくとも１つの他の更なる例示の実施例は、前記繰返しパルス速度が、約５０ｋＨｚである。少なくとも１つの他の更なる例示の実施例は、前記吐出されたサンプル液滴が、約１ピコリットルから約２５ピコリットルの範囲の体積である。少なくとも１つの他の更なる例示の実施例は、前記吐出されたサンプル液滴が、約３ピコリットルの体積である。少なくとも１つの他の更なる例示の実施例は、前記全液滴の体積が、約３ピコリットルから約１００ナノリットルの範囲である。少なくとも１つの他の更なる例示の実施例は、前記ミクロ流体チップは、更に、ＤＮＡ生成物の増幅のために温度制御された第１の領域内の増幅領域と、温度制御された第２の領域内の検出領域とを有し、増幅されたＤＮＡ生成物の検出が、２つ以上の温度で行うことができる。少なくとも１つの他の更なる例示の実施例は、前記分子診断装置は、更に、マトリックス分析領域を有する。
【００２３】
本発明の少なくとも１つの例示の実施例は、ミクロ流体チップであって、カートリッジによって吐出されたゲノム物質を含むサンプル液滴の少なくとも一部を受け取るように構成されたサンプル液滴の受け取りシステムと、マトリックス分析領域とを有し、前記マトリックス分析領域は、放射体の放射波長を放射する放射体層と、フィルタ層と、検出層とを有することを特徴とする。少なくとも１つの別の例示の実施例は、前記フィルタ層は、蛍光の波長を通過してかつ前記放射光の放射波長を遮断する、光学フィルターのドープされたガラスを含む。少なくとも１つの別の例示の実施例は、更に、ＤＮＡ生成物を増幅するために温度制御された第１の領域内の増幅領域を通るゲノム物質を含むサンプルを流すように構成されている、少なくとも２つの流路と、ＤＮＡ生成物の蛍光の開始のために温度制御された第２の領域内の検出領域とを有し、増幅されたＤＮＡ生成物の検出が２つ以上の温度で行える。
【００２４】
本発明の少なくとも１つの例示の実施例は、分子診断装置であって、少なくとも１つのカートリッジと、ミクロ流体チップとを有し、前記カートリッジは、前記ミクロ流体チップの前記サンプル液滴の受け入れシステムにゲノム物質を含むサンプル液滴を吐出することを特徴とする。少なくとも１つの別の例示の実施例は、前記マトリックス分析領域が更に２つ以上のユニットを含み、各ユニットは、少なくとも１つの光子発生器コンポーネントと、ＤＮＡストレッチチップと、少なくとも１つの光子検出器コンポーネントとを含む。少なくとも１つの別の例示の実施例は、前記少なくとも１つの光子検出器コンポーネントは、ポルフィリン・ゲート材料を含む。少なくとも１つの別の例示の実施例は、前記少なくとも１つの光子検出器コンポーネントは、３つの薄膜トランジスタを含む。少なくとも１つの別の例示の実施例は、前記分子診断装置は、携帯できる。少なくとも１つの別の例示の実施例は、前記分子診断装置は、手持ちサイズである。
【００２５】
本発明の少なくとも１つの例示の実施例は、サンプル中のゲノム物質を特徴付ける方法であって、（ａ）カートリッジでサンプル中のゲノム物質を単離する工程と、（ｂ）前記カートリッジ中の液体吐出機構からミクロ流体チップのサンプル液滴の受け取りシステムに少なくとも１つのサンプル液滴を吐出する工程と、（ｃ）前記サンプル液滴中のゲノム物質を検出する工程と、（ｄ）前記サンプル液滴を分析して存在する前記ゲノム物質を特徴付ける工程と、を有する。
【００２６】
本発明の少なくとも１つの例示の実施例は、分子診断装置であって、ゲノム物質を単離するための少なくとも１つのカートリッジと、ゲノム物質が単離された後でカートリッジからゲノム物質を吐出するための少なくとも１つのサンプル液滴の吐出ヘッドであって、前記少なくとも１つのカートリッジが取り付けられている前記少なくとも１つのサンプル液滴の吐出ヘッドと、前記ゲノム物質を分析するための少なくとも１つのミクロ流体チップであって、前記サンプル液滴吐出ヘッドから吐出されたゲノム物質を受けとりかつ試薬集合領域を通る少なくとも１つのミクロ流体インライン反応流路と、前記ミクロ流体インライン反応流路内で加熱および/または流体移動のための少なくとも１つの金属トレースとを有する、前記少なくとも１つのミクロ流体チップと、ＤＮＡ生成物の増幅のための温度制御された第１の領域内の増幅領域と、検出領域とを有することを特徴とする。少なくとも１つの更なる例示の実施例は、前記検出領域が温度制御された第２の領域内にあり、増幅されたＤＮＡ生成物の前記検出は２つ以上温度で行うことができる。別の例示の実施例では、前記分子診断装置は更に、マトリックス分析領域を含む。更なる例示の実施例では、マトリックス分析領域は２つ以上のユニットを含み、各ユニットは、少なくとも１つの光子発生器コンポーネントと、ＤＮＡストレッチチップと、少なくとも１つの光子検出器コンポーネントとを含む。本発明の別の例示の実施例では、分子診断装置は携帯用である。別の更なる例示の実施例では、分子診断装置のマトリックス分析領域は、５１２×５１２ユニットのマトリックスを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
［発明の詳細な説明］
以下の少なくとも１つの例示の実施例の記載は、単に本質的にその応用または用途を例示するものであり、本発明を限定することを意図したものではない。
【００２８】
関連技術における通常の技術の１つとして知られている、プロセス、技術、装置、および材料は、詳細に議論されていないが、例えば、ミクロ流体流路、サブ流路、およびミクロ流路およびそれらの関連材料で使用する可能な記載の一部であることを意図するものである。
【００２９】
本明細書で例示され議論された実施例の全部において、特別な値（例えば、流体の量（例えば、ピコリットル）は、単に例示的であることを意図したものであり限定することを意図したものでないと解釈されるべきである。したがって、例示の実施例の他の実施例は、異なる値を有し得る。
【００３０】
同様の参照番号と符号は、本明細書に開示されかつ説明される図中の同様の項目を示すので、１つの図で項目がいったん定められると、その項目は以下の図で説明されないことが着目される。
【００３１】
本発明の少なくとも１つの例示の実施例は、分子診断装置およびサンプル中のゲノム物質を特徴付ける自動化された方法での分子診断装置を使用する方法に方向づけられる。広い例示の実施例において、この方法は、サンプルのゲノム物質を調製する工程（すなわち、どんな物質も単離してサンプルを分ける工程）と、１）増幅および増幅された生成物の検出および２）マッピングと、の（どちらか一方または両方）によってゲノム物質を同定する工程とを含む。本発明の少なくとも１つの例示の実施例の分子診断装置は、少なくとも１つのカートリッジと、調製（分析されるべきサンプルのゲノム物質の単離と分割）のための少なくとも１つの液体吐出機構と、サンプルから単離されたゲノム物質の増幅とゲノム物質から増幅された生成物の検出のための少なくとも１つのミクロ流体チップとを含む。本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、液体吐出機構は調製されたサンプルをカートリッジからミクロ流体チップに移動する。本発明の別の例示の実施例では、本発明の分子診断装置は、さらにゲノム物質のマッピングのためのマトリックス分析領域を含む。したがって、本発明の少なくとも１つの例示の実施例の分子診断装置は、ゲノム物質を特徴付ける自動化された方法のために使用することができ、この方法は、ゲノム物質を調製する工程と、１）ゲノム物質を増幅し増幅した生成物を検出する工程および２）ゲノム物質をマッピングする工程のうちのどちらかまたは両方の工程と、を含む。
【００３２】
本明細書の目的のために、サンプルを調製する工程は、ゲノム物質が存在する場合、サンプルから単離する工程と、分析のためにサンプル（単離されたゲノム物質を含む）を分割する工程とを含むことが容易に認められる。また、ゲノム物質を増幅する工程は、単離されたゲノム物質を適切な増幅試薬（例えば、プライマー、ｄＮＴＰ、塩、バッファなど）とオプションで検出試薬（例えば、インターカレータ）と混合する工程と、単離されたゲノム物質に増幅反応をもたらす工程とを含む。本発明の少なくとも１つの例示の実施例の分子診断装置で実行することができる増幅反応の限定されない実施例は、ＰＣＲ法と様々な形態の波形プロファイリング法を含んでいる（例えば、米国特許出願第１１/１９０,９４２号と同第１１/３５６,８０７号が参照され、それらの内容はそれらの全体を引用することによりその全てが本明細書に合体される。）。検出工程は、使用される増幅方法に依存する、すなわち、ＰＣＲ法あるいは波形プロファイリング方法がそれぞれ実行されるかに依存して、ＰＣＲ生成物あるいは高次構造の解離物が検出される。サンプルが調製された後に、本発明の少なくとも１つの例示の実施例の分子診断装置は、単離されたゲノム物質を１）増幅し、その増幅された生成物を経由して検出する、２）増幅し、増幅された生成物を経由して検出し、本明細書に記載されたマトリックス分析領域内でマッピングする、または３）本明細書に記載されたマトリックス分析領域内でマッピングすることを可能とする。
【００３３】
分子診断装置
ここ数年間にわたって、自動化されたインラインＰＣＲプラットホームは、タクマン（TaqMan）、分子立標（Molecular Beacons）、エポックエリプスプローブ（Epoch Eclipse Probes）、対立遺伝子特別増幅（Allele Specific Amplification）などのさまざまな既存の周知の蛍光「混合と読み（mix and read）」生化学と適合するように開発されてきた。これまで、知られている自動化されたインラインプラットホームは、例えば、病院または別の患者の近くの場所で集められた患者のサンプルなどのサンプルを社外委託する必要性を取り除く能率的なオンサイト（例えば、患者の近く）の遺伝子検査を可能にしていない。本発明の目的は、例えば、細菌またはウイルス性感染が存在する患者のサンプルを同じ場所で分析されるべきサンプルの調達を短い時間フレーム（例えば、約１時間）で使用することができる（すなわち、分析することができる）分子診断装置を提供することである。本明細書で更に詳細に記載されるように、本発明の少なくとも１つの例示の実施例の分子診断装置は、サンプル中に存在するゲノム物質を単離するために構成された少なくとも１つのカートリッジと、単離されたゲノム物質を分割するための少なくとも１つの吐出ヘッドを含む少なくとも１つの液体吐出機構であって、前記少なくとも１つのカートリッジが少なくとも１つの吐出ヘッドに取り付けることができるまたは取り付けられている前記少なくとも１つの液体吐出機構と、ゲノム物質を検出するための少なくとも１つのミクロ流体チップであって、液体吐出機構から吐出されたゲノム物質を受け取るための少なくとも１つのミクロ流体インライン反応流路と、ミクロ流体インライン反応流路内で加熱および／または流体移動のための少なくとも１つの金属トレースとを含み、試薬集合領域を通る前記少なくとも１つのミクロ流体チップと、ＤＮＡ生成物の増幅のための温度制御された第１の領域の中の増幅領域と、ミクロ流体チップの検出領域とを含む。本発明の別の例示の実施例では、本発明の分子診断装置は、更にゲノム物質のマッピングのためのマトリックス分析領域を含む。
【００３４】
１．ゲノム物質の調製
本発明の少なくとも１つの例示の実施例の分子診断装置は、カートリッジと液体吐出機構とを含み、その両方は、特にサンプルに存在するゲノム物質を調製する工程にかかわる。言い換えれば、ゲノム物質は、カートリッジを経由して集められたサンプル（例えば、患者のサンプル）から単離され、それに続いて、ミクロ流体チップを経由する増幅および検出（および／または、マッピング）工程の前に液体吐出機構を経由して吐出され得る。
【００３５】
本発明の少なくとも１つの例示の実施例の分子診断装置は、患者のサンプルのオンサイト（例えば、患者の近く）テストのために使用することができると発明者によって想定される。さらに、本発明の分子診断装置を使用して多くの異なるタイプのサンプルをテストすることができる。そのようなサンプルは、限定無しに、水、空気、粉塵、食物、および体液（例えば、唾液、全血液、血漿、軟膜、尿など）、細胞（例えば、完全細胞、細胞分画、および細胞抽出物）、および組織を含む生物的なサンプルを含む。また、生物的サンプルは、例えば、組織学な目的のために取られた生検（生体組織検査）や凍結切片などの組織の断面を含んでいる。例示の生物サンプルは、限定無しに、血液、血漿、リンパ、組織生検、尿、ＣＳＦ（脳脊髄液）、滑液、およびＢＡＬ（気管支肺胞洗浄）を含む。本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、生物学的サンプルは血液である。
【００３６】
Ａ．カートリッジ
サンプルは、よく知られる方法、例えば患者の血液のサンプルの収集のためのシリンジを使用することによって集め、次に、サンプルからゲノム物質を単離するために本発明の少なくとも１つの例示の実施例の使い捨てのカートリッジ中に置くことができる。少なくとも１つの例示の実施例では、サンプルは直接使い捨てのカートリッジに集められる。本発明の少なくとも１つの例示の実施例のカートリッジは、サンプルに含まれるゲノム物質を単離するために構成され、カートリッジ中の少なくとも１つの流路（および／または、チャンバー）を含み、ゲノム物質はカートリッジ中の少なくとも１つの流路でサンプルから単離される。
【００３７】
図１Ａは、少なくとも１つの例示の実施例に基づく、カートリッジ１００ａの限定されない実施例を例示し、図１Ｂはカートリッジ１００ｂとチップ１９０との間の相互作用を示す。図１Ａに示されるカートリッジ１００ａは、以下のものを含む：外部のサンプル入口１１０；オープションに入口キャップ１１５;サンプルチャンバーＡ；外部のサンプルがサンプルチャンバーＡに入るのを可能にするために押すことができるプッシュ弁Ｂ１（例えば、サンプルチャンバーＡは、外部サンプルがサンプルチャンバーＡに入るのを開始する低圧を持つようにポンプ入口Ｆ１を経由して真空排気され、次にシールされる）；オープションの電極１４０（例えば、チャンバーＡの中にまたはチャンバーＡ中にゲノム物質を解放するために細胞膜または細胞壁を壊すための電圧差を提供するために）；ゲノム物質がチャンバーＡから反応チャンバーＢに入るのを可能にするように押すことができるプッシュ弁Ｂ２；ここで、結合解放基板１５０はゲノム物質を結合してかつ解放することができる；ここで、オプションの電極１６０はゲノム物質（例えば、サンプルから抽出されたゲノム物質）を流路Ｄに方向づけるために使用することができ、一方、廃棄物は、流路Ｃを経由して廃棄物出口１３を通って外に方向づけることができる；ここで、プリントヘッド１３０はゲノム物質をプリントヘッドチャンバーＥに集めて、物質を流路（例えば、カートリッジ（図示せず）と一列に並んで配置された例えば、ミクロ流体インライン反応流路）へ解放するために使用することができる；ここで、洗浄液は、洗浄液挿入入口Ｉ１を経由して挿入することができる；ここで、試薬は、試薬挿入入口Ｉ２を経由して挿入することができる；試薬挿入弁は、試薬が反応チャンバーＢに入るのを可能とするようにＢ３を押すことができる。洗浄液挿入弁は、洗浄液が反応チャンバーＢに入るのを可能とするようにＢ４を押すことができる。オープションの電源システム１２０はプリントヘッド１３０、電極１４０と１６０および結合解放基板１５０に電力を供給することができる。本発明の少なくとも１つの例示の実施例において、電源システム１２０は、プリントヘッド１３０に連結されているまたはプリントヘッド１３０内に備えられている熱エネルギー発生器に電力を供給する。本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、ゲノム物質と関連づけられた動きおよび関連づけられた電極１６０のオプションで制御するゲノム物質の動きに沿って反応チャンバーＢから流路Ｄを通ってプリントヘッドチャンバーＥまで導く解放されたゲノム物質の移動の流路は、ゲノム物質の分離および方向付けシステムと呼ばれる。
【００３８】
図１Ａは、単に１つの限定されない実施例を例示しおり、多くの変更は他の例示の実施例内に含まれることが意図されることが着目される。例えば、電源システム１２０は外部に置くことができ、試薬、および洗浄液はカートリッジ内部に配置することができ、プッシュ弁は、当業者によって知られているような流体の流路の通過を禁止したり可能にしたりする他のタイプの方法（プッシュ弁および電気的な手段で制御された他の機器または方法を含む）に置き換えることができ、廃棄物は、カートリッジ中の内部チャンバーに貯蔵することができる。図１Ａは解放された１つのサンプルからのゲノム物質を例示しているが、様々なサンプルからの複数の挿入、例えば、異なった個人（例えば、患者）またはサンプリングされた他のソース（例えば、水道設備）を、例えば、既に説明したカートリッジの部分を複製することによって（例えば、各人（例えば、患者）またはサンプリングされた他のソース（例えば、水道設備）あたり１つ）挿入することができる。
【００３９】
本発明のカートリッジに集めることができるサンプル量への制限が全くないが、カートリッジが約１００μｌのサンプルがゲノム物質を決定するために使用されると想定される。例えば、本発明の少なくとも１つの例示の実施例のカートリッジによるサンプルの調製のための体積は１０μｌから１ｍｌであり得る。
【００４０】
本発明の少なくとも１つの例示の実施例のカートリッジでは、ゲノム物質は、サンプルから均質の水溶液だけを使用して単離される。均質溶液の使用は、便利にゲノム物質を分離するほとんどの方法（例えば、アルコールベースまたは他の有機ベースの溶液と水溶液の切り換えおよび遠心沈殿）で要求される効率の悪さを取り除き、また、本発明の例示の実施例の液体吐出機構によるカートリッジの使用を容易にする。またゲノム物質が基板に結合するような好ましくない方法において、（本明細書に記載された「電荷切替（charge change）」技術を組み込む）本発明のカートリッジは、ゲノム物質がある１つの条件で基板に結合され、その基板から別の条件で解放されることを可能にする。したがって、カートリッジが、いくつかの例示の実施例において、２つ以上のサンプルからゲノム物質を単離するために再利用することができるのは、本発明の範囲内である。
【００４１】
例えば、少なくとも１つの例示の実施例では、サンプルを集めて、ある体積（例えば、水溶解バッファ中で）を実現するために希釈して、同時にまたはそれに続いて本発明のカートリッジに（例えば、カートリッジの反応チャンバーへ）吸引することができる、それらの条件は結合して解放する基板（また、本明細書では基板と呼ばれる）の表面にゲノム物質の結合を促進する。別の例示の実施例では、水性溶解バッファーはカートリッジ中で希釈することができる。結合解放基板へゲノム物質が結合した後で、結合していない高分子（例えば、タンパク質、汚染物など）は洗浄されて捨てられる。次に、カートリッジの条件は、ゲノム物質を例えば、水溶性バッファー溶液または水に解放する（すなわち、溶離する）ために変えることができる。次に、ゲノム物質を含む溶離液は、本明細書に記載されるように、液体吐出機構を介して分析のためのミクロ流体チップに送ることができる。本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、サンプルと共に使用された後でカートリッジは処分される。本発明の別の例示の実施例では、カートリッジは洗浄され、カートリッジの基板表面をゲノム物質の結合および／または解放を促進する条件に晒す工程を含み、別のサンプルからをゲノム材料を単離するために再使用される。
【００４２】
本発明の少なくとも１つの例示の実施例のカートリッジの目的のために、結合解放基板は、固体表面を有する適切な支持体、例えば、粒子、ビーズ、チューブ、ウェル、ガラス、プラスチックなどからなり得る。本発明の少なくとも１つの例示の実施例のカートリッジのための固体表面を有する適切な支持体は、ゲノム物質に対する天然の親和力を有するか、またはカートリッジ内のゲノム物質に対して容易な結合と解放のために条件化されている（例えば、コンディショニング（条件付け）バッファで）。固相支持体の表面を条件化するための適切な方法は、コンディショニングバッファ（例えば、表面に電荷（例えば、陽電荷）を導入することができる物質、または表面が親水性または疎水性となるようにさせる物質）と共に表面を処理する工程を含んでいる。さらに、適当な支持体は、帯磁性体、磁性体、および常磁性体などであり得る。少なくとも１つの例示の実施例では、カートリッジの内部表面は、カートリッジ内の流路の内部表面を含んでいる。本発明の更なる少なくとも１つの例示の実施例では、カートリッジの内部表面は基板として使用することができる。別の例示の実施例では、カートリッジ内の粒子またはビーズ（磁化したまたは帯磁性可能な粒子またはビーズを含む）は基板として使用することができる。
【００４３】
例えば、米国特許出願第２００３／００５４３９５号と同第２００３／０１３０４９９号は、それぞれがその全体を引用して本明細書中に合体されるが、ゲノム物質と結合しそれに続いて解放するように固相の基板を条件付ける工程を含む水溶液中でゲノム物質を単離する方法を記載している。簡潔に、これらの出願は、コンディショニングバッファ（すなわち、その中に、その上にまたは実際に固相基板を含む「電荷切替材料（charge switch material）」）に依存して切替えられ得る電荷を有する固相の基板（例えば、孔の無い固相の基板）の表面を提供する工程を記載している。米国公開特許公報第２００３／００５４３９５号によると、電荷切替材料はイオン化することができる。例えば、イオン性の基を含む化学種は、高分子の骨格への吸着、イオン結合または共有結合あるいは共有付着を介する単一または高分子形態で、固体支持体上に固定され、それが原因で固体支持体に固定されることができる。あるいはまた、化学種は、例えば、ビーズ、粒子、経路、流路（例えば、カートリッジ内の）などに固体でかつ溶解しない形態で組み込むことができる。一般に、電荷切替材料は、イオン化基のｐＫａは固相基板に核酸を結合するおよび固相基板から核酸を解放することが望まれる条件に適するように選ばれる。一般に、電荷切替材料が正に帯電されている場合、ゲノム物質は電荷切替材料とｐＨが低くまたはほぼｐＫａと等しいときに結合し、電荷切替材料が正の帯電が小さい、中性、または負に帯電している場合、高いｐＨ（通常ｐＫａを超える）で解放される。言い換えれば、低いｐＨの条件では、基板表面は負に帯電したゲノム物質と結合することができる正の電荷を持っている。例えば、タンパク質、他の高分子などの汚染物質は結合されず、正常な生理的温度で水性の洗浄液バッファー中で洗い流すことができる。ｐＨが増加すると、基板表面の電荷が中和して、ゲノム物質の解放をもたらし、水溶性の溶離バッファーでゲノム物質を溶離することができる。
【００４４】
その結果、本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、カートリッジの内壁またはカートリッジ内の流路の内壁は、ｐＨの条件に依存して切り替えることができる電荷が提供された固相基板であり得る。別の例示の実施例では、切り替え可能な電荷を提供することができる小さい固相の粒子かビーズ（例えば、磁性ビーズ）がカートリッジ中にある。後者の例示の実施例は、例えば、磁場をかけることによって、ビーズが汚染物とともに洗い流されるのを防ぐ適切な機構を提供する。少なくとも１つの例示の実施例では、カートリッジ内にあるあるいは外部にあるオープションの電源システムは、本発明の結合解放基板の状態の変化をもたらすために電力を供給する。
【００４５】
流体（例えば、条件付けバッファ、サンプル、溶解バッファ、汚染物、溶離液、洗浄液バッファなど）は、ゲノム物質の単離および最終的に単離されたゲノム物質を含み得るサンプル液滴の吐出のためにカートリッジ内の異なる進路を取ることができる。例えば、サンプルは、まっすぐに、または、曲がって、または管状の進路（三次元形状（例えば、断面が円形、半月形、四角などの管）であり得る）に沿って進み、別の進路と（例えば溶解バッファと混合するために）合流し、カートリッジ内で２つ以上の他のパスに分離し、他の物質とともにたまる、混合する、および／または、培養することが可能となる。本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、毛管作用がサンプル、条件付けバッファー、溶解バッファー、汚染物質、溶離液、洗浄液バッファーなどをカートリッジを通って本発明の少なくとも１つの例示の実施例の液体吐出機構まで吸引するために使用される。毛管作用は、サンプル（例えば、血液）の導入前にカートリッジが流体で（例えば、条件付けバッファーで）満たされるのを必要とするかもしれない；別の例示の実施例では、サンプル（例えば、血液）の注入圧力は、カートリッジを通るサンプルを推進するのに単独で充分である。本発明の更なる例示の実施例では、真空がカートリッジを通してサンプルを吸引するために適用される。さらに別の例示の実施例では、動電学的な力がサンプルまたはカートリッジを通るサンプル（例えばサンプルから抽出されたゲノム物質）の一部を動かす。
【００４６】
カートリッジの別のコンポーネントは、患者のサンプルの体積を減少する能力がある。本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、単離されたゲノム物質は、サンプルの原体積より少ない液体の体積中に溶離される。本発明の更なる少なくとも１つの例示の実施例では、単離されたゲノム物質は、例えば、約１〜１０μｌ、例えば、約２．５μｌの体積で溶離される。
【００４７】
本明細書の方法がＤＮＡ増幅工程を記載するとき、ゲノム物質が単離されたＲＮＡ（リボ核酸）の場合、ミクロ流体チップを介する増幅の前に、最初にＤＮＡ、例えば、ｃＤＮＡに逆転写されなければならない。逆転写の方法は当技術分野で周知である。少なくとも１つの例示の実施例では、単離されたゲノム物質は、微生物の全体のゲノムＤＮＡである。別の例示の実施例では、ゲノムＤＮＡは、周知の試薬、例えばリボヌクレアーゼを使用してＲＮＡを除外して精製される。
【００４８】
当業者は、例えば、特に分子的診断のために、サンプル液滴が互いに離れて維持されている（例えば、サンプル液滴が単離され、その前のサンプル液滴とその後のサンプル液滴と別々となっている）単離技術の魅力を認めるだろう。ほとんどの自動化されたインラインプラットホームは、そのような単離のために（すなわち調製されたサンプルをミクロ流体チップに吸引するために）シッパーを使用するが、シッパーの使用は、ウェル中の全サンプルが試験されないので、無駄である。さらに、シッパーは、大きいサンプルの分割、すなわち、サンプルを小体積、例えば、約２.５μｌのサンプルを例えば単離された約１,０００の（サンプル）液滴に分割することがうまくできない。本発明は、シッパーの制限を解決し、液体吐出機構で大きいサンプルの分割を容易にする。例えば、本発明の少なくとも１つの例示の実施例示のカートリッジは、サンプル液滴をミクロ流体チップのミクロ流体インライン反応流路中に、または、ミクロ流体チップのミクロ流体インライン反応流路によって受け取られるべき領空を横切って吐出するために適合されている液体ジェットシステムの方法によって、ＤＮＡサンプル液滴を含んでいるサンプル液滴を吐出するための液体吐出機構へ密閉した方法で取り付けるまたは接続することができる。
【００４９】
Ｂ．液体吐出機構
着目されたように、本発明の少なくとも１つの例示の実施例のカートリッジは、液体ジェットシステムを手段としてＤＮＡサンプル液滴を含むサンプル液滴を吐出する液体吐出機構を含むまたは該液体吐出機構への接続が提供されている。液体吐出機構は、同様に、１つ以上の液体吐出部、すなわち、吐出ヘッド（ejection head）（また、本明細書ではプリントヘッドと呼ばれる）を含むことができる。吐出ヘッドの数は通常テストされるべきサンプルの数あるいはミクロ流体チップ中のミクロ流体インライン反応流路の数によって予め決められている。それぞれの液体を吐出する（または、液体吐出）ヘッドには、調製されたサンプルを含む液体含有リザーバ部と、液体含有リザーバ部と流体的に連結する吐出部と（必要なら、対応する吐出ポートがある液体リザーバ部と連結する液体経路とともに）、吐出ポートに隣接して提供されるエネルギー発生機構とが提供される。この構成は、液体含有部分に残っている調製されたサンプルのサンプル液滴を個々に吐出させることによって調製されたサンプルの大規模な分割を可能にする。
【００５０】
本発明の少なくとも１つの例示の実施例の吐出ヘッドは、通常、熱的エネルギー発生器によって提供される熱エネルギーを利用してサンプル液滴を吐出するまたは吐出するように適合されている。ヒータやレーザのような電熱変換器から熱エネルギーを使用して気泡（例えば、流体気泡）を発生して液体を吐出するバブルジェット（登録商標）システムのような従来の液体ジェットシステムを使用することができる。さらに、本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、吐出ヘッドはピエゾジェットシステムである。したがって、ピエゾ素子に電圧を印加して液体を吐出する従来のピエゾジェットシステムを利用することができる。熱ジェットシステムで使用されるべき吐出ヘッドはピエゾジェットシステムのヘッドと比べて比較的簡単な構造を有するので、ダウンサイジングされやすく、多くのノズルを提供することができる。さらに、ミクロ流体インライン反応流路（または、ポート）に送出するサンプル液滴を形成するのに必要な時間は比較的短いので、熱によるＤＮＡの二次構造の生成を避けることができて、その後のハイブリッド形成（例えば、増幅プライマー）の効率を向上させることができる。したがって、熱ジェットシステムは、本発明の目的の液噴流システムとして有利に使用される。
【００５１】
サンプル液滴を吐出させる本発明の目的に対して、液体の液滴（例えば、米国特許第４,７２３,１２９号と同第４,７４０,７９６号に開示されたように）を吐出するために液体ジェット記録の分野における基本原理を適用することは、通常、有利である。いわゆるオンデマンド（要求次第）タイプと連続タイプのプロセスのコンポーネントであると開示された両方を本明細書に適用することができる。しかしながら、液体経路との対応で配置された電熱変換器中で発生する熱エネルギーを最小にするという本発明の目的に対してオンデマンドタイプのプロセスを使用するのは、有利であるかもしれない。その結果、流体気泡は、駆動信号に対して調製されたサンプルを一対一の対応で形成することができる。調製されたサンプルは、少なくとも１つのサンプル液滴を生成するために気泡の成長と収縮の結果として吐出ポートから吐出される。駆動信号が反復性である場合、（例えば、１ｋＨzから１００ｋＨz、例えば、５０ｋＨz）、短時間のフレームで特別の分析に必要である実用的なサイズと体積の流体気泡を発生させるために多数のピコリットルの液滴を分配することができる。流体気泡と含まれる媒体との体積比を制御できるので、サンプル液滴（例えば、サンプル液滴はゲノム物質と試薬を含む）を分配するとき、既知の希薄濃度を達成することができる。パルス形状の駆動信号は、米国特許第４,４６３,３５９号と同第４,３４５,２６２に記載のように、これらの目的のために適切に使用することができる。本発明の分子診断装置の少なくとも１つの例示の実施例では、カートリッジの吐出ヘッドは、ミクロ流体チップのミクロ流体インライン反応流路で（例えば、ミクロ流体インライン反応流路のミクロ流体ポート中で）、制御された全液滴体積を達成するために繰返しパルス速度で連続して多くの液滴を形成するために、繰返しパルスを駆動することができる。本発明の他の少なくとも１つの例示の実施例では、繰返しパルス速度は、約１ｋＨzから約１００ｋＨzの範囲である。更なる少なくとも１つの例示の実施例では、繰返しパルス速度は約５０ｋＨzである。例えば、米国特許第４,３１３,１２４号に記載のような周知の条件下で行われると、サンプル液滴の吐出をさらに改良することができる。
【００５２】
本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、吐出されたサンプル液滴は約１ピコリットルから約２５ピコリットルの範囲の体積を有する。他の少なくとも１つの例示の実施例では、吐出されたサンプル液滴の体積は３ピコリットルである。本発明の更なる少なくとも１つの例示の実施例では、全サンプル液滴体積（例えば、ミクロ流体インライン反応流路のミクロ流体ポートで一緒に受け取られるような吐出されたサンプル液滴の合計など）は約３ピコリットルから約１００ナノリットルの範囲である。本発明の追加の少なくとも１つの例示の実施例では、全サンプル液滴体積は約２０ピコリットルから約１０ナノリットルの範囲である。
【００５３】
吐出ヘッドの構成に関して、米国特許第４,５５８,３３３号と同第４,４５９,６００号によって教示されるそれらの構成は、本発明の範囲内である。さらに、本発明の利点は、複数の電熱変換器（日本の特許出願公開第５９-１２３６７０号に開示されているように）の吐出部に共通スリットを供給し、圧縮波（日本の特許出願公開第５９-１３８４６１号に開示されたように）を吸収するために開口を配置することによって、より効果的に得ることができる。要するに、液体吐出ヘッドの特別な構成にかかわらず、ミクロ流体インライン反応流路によるサンプル液滴の捕集は、本発明に従って正確にかつ効率的に実現することができる。
【００５４】
さらに、装置本体にしっかりと固定された連続タイプの液体吐出ヘッド、装置本体に電気的に接続されている取替え可能なチップタイプの液体吐出ヘッド、あるいは全溶液リザーバとともに提供されるカートリッジタイプの吐出ヘッドを有利に利用することができる。
【００５５】
本発明の少なくとも１つの例示の実施例において、吐出−回復装置および/または、スペアの予備とともに提供される、液体吐出ヘッドを含む液体吐出機構は使用される。特別の実施例では、液体吐出ヘッドのために使用されるクリーナと、加圧または吸引デバイスと、電熱変換器あるいは異なる種類の加熱素子あるいはそれらの組み合わせであり得るスペアのヒータと、点を付ける以外の形態で液体を吐出するために適合しているスペアの吐出器とを含んでいる。
【００５６】
液体ジェットシステムは、一般に、サンプル液滴より小さいサテライト液滴の形態で不用物を発生させる。少なくとも１つの例示の実施例では、これらのサテライト液滴は、汚染を防ぐためにミクロ流体インライン反応流路から離れて斜めに向けられる。吐出ヘッドとインライン反応流路の間の領空は、ミクロ流体インライン反応流路から離れてかつ、例えば周知の適切な廃棄物捕集機構に向かってサテライト液滴を吸引するために真空あるいは別の適切な装置を提供することによって、サテライト液滴による汚染を防ぐために利用することができる。さらに、廃棄物捕集機構は、カートリッジ（例えば、コンディショニングバッファ、クリーニング工程からの廃液など）からの廃棄物を捕集するために使用することができる。
【００５７】
少なくとも１つの例示の実施例では、液体吐出機構の設計では、サンプル液滴の吐出が液体吐出ヘッドから領空を通ってミクロ流体インライン反応流路に入るのを容易にするように、吐出ヘッドとミクロ流体インライン反応流路とが一直線上にそろえるのを可能とする。例えば、更なる少なくとも１つの例示の実施例では、少なくとも１つのミクロ流体インライン反応流路と、少なくとも１つの吐出ヘッドの両方は、互いに対して固定された位置にある。しかしながら、吐出ヘッドは、異なった方向のポイント、例えば、廃棄物捕集装置に向かうポイントまで回転することができる。また、ミクロ流体インライン反応流路は、流路入口に向けられた複数の吐出ヘッドで種々の角度（例えば、ミクロ流体インライン反応流路への入口は漏斗状の開口を持つことができる）からサンプル液滴を受け入れるように設計することができる。そのような例示の実施例では、１つまたはそれ以上のサンプル液滴吐出ヘッドは、それぞれが取り付けられたカートリッジから液滴運動の方向に対して異なった角度で配置することができる（例えば、様々な異なる角度は、２つ以上の吐出ヘッドが単一のミクロ流体インライン反応流路にサンプル液滴を供給するのを可能にする）。テストされるべき患者の（調製された）サンプルを含む少なくとも１つのカートリッジがそれ自身の吐出ヘッドを含むまたは吐出ヘッドに取り付けられることおよび吐出ヘッドが少なくとも１つのミクロ流体インライン反応流路に向けられることは本発明の範囲である。
【００５８】
あるいは、少なくとも１つの吐出ヘッドと、少なくとも１つのミクロ流体インライン反応流路とが互いに対して固定された位置にいる少なくとも１つの例示の実施例において、ミクロ流体流路に通じている多数のポートがあり得る。この例示の実施例では、それぞれの多数の吐出ヘッドが、好ましくは多数のミクロ流体ポートの１つに（例えば、吐出ヘッドがあるのと同じ数で）並べられる。それぞれのミクロ流体ポートは単一のミクロ流体インライン反応流路に通じる（参照:例えば、図２）。更なる少なくとも１つの例示の実施例では、１つの吐出ヘッドが、テストされる（または、吐出ヘッドを清掃する目的のための空のカートリッジ）べき（調製された）サンプルを含むカートリッジ間で移動することができる。カートリッジに取り付けられた後に、吐出ヘッドは固定位置にある少なくとも１つのミクロ流体インライン反応流路に向かって、（あるいは、取り付けられたカートリッジが廃棄物を吐出しているときにあるいは取り付けられたカートリッジが清掃のカートリッジである場合に廃棄物捕集機構に向かって）傾けることができる。別の例示の実施例において、１つまたはそれ以上の吐出ヘッドが固定された位置に残り、ミクロ流体チップが、少なくとも１つのミクロ流体インライン反応流路が異なる位置で異なる吐出ヘッドに並ぶように動くことができる。
【００５９】
本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、カートリッジは吐出ヘッド（例えば、本発明のプリントヘッド（例えば、図１Ａ参照））を含む。本発明の他の少なくとも１つの例示の実施例では、吐出ヘッドを含むカートリッジは、ゲノム物質を含むサンプルをミクロ流体チップに（例えば、ミクロ流体チップのミクロ流体インライン反応流路のミクロ流体ポートに）送出するように構成されている。更なる少なくとも１つの例示の実施例では、例えば、プリントヘッドチャンバーＥ中に見出されるようなゲノム物質を含むサンプル、および／または、例えば、ミクロ流体ポートに方向づけられた吐出された（吐出された）サンプル（または、サンプル液滴）はさらに試薬、例えば、試薬挿入入口１２を経由してカートリッジに挿入された試薬を含む。
【００６０】
２．ゲノム物質の増幅と増幅した生成物の検出
上記説明されたように、サンプルが調製されかつサンプル液滴が液体吐出機構によって繰り返し吐出された後で、約１-２５ｐｌ（または他の適切な体積）であり得るサンプル液滴は、ミクロ流体チップで分析される。特に、ミクロ流体インライン反応流路は、サンプルの連続したサンプル液滴を（例えば、漏斗、および/または、ミクロ流体ポートを経由して）を受け取り、サンプル液滴は自動化された方法で分析される。全サンプル液滴体積（例えば、ミクロ流体インライン反応流路のミクロ流体ポート中で一緒に受け取られたような吐出されたサンプル液滴の合計）は、約３ピコリットルから約１００ナノリットルの範囲の体積を持ち得る。分析は、増幅および／または検出試薬を（チップの試薬集合領域中で）混合する工程と、ゲノム物質を（チップの増幅領域で）増幅する工程と、増幅した生成物を（チップの検出領域で）検出する工程と、および／または、ゲノム物質を（チップのマトリックス分析領域で）マッピングする工程とを含む。
【００６１】
Ａ.  ミクロ流体ポート
サンプル液滴は、ミクロ流体インライン反応流路中に直接吐出することができる。さらに、サンプル液滴が入口と流路を含む少なくとも１つのミクロ流体ポートに吐出され、かつミクロ流体インライン反応流路（例えば、図２参照）に導くことは本発明の範囲である。本発明のこの例示の実施例では、サンプル液滴は、ミクロ流体ポートの入口に向かって吐出され得る。この入口は、吐出されたサンプル液滴（例えば、吐出されたサンプル液滴よりかなり大きい）を受け取るために適切な大きさにされている。ミクロ流体ポート流路、および/または、ミクロ流体反応流路などは、それぞれが便利なように漏斗形を持つことができる。本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、サンプル液滴を受け取るシステム（例えば、ミクロ流体インライン反応流路、および／または、ミクロ流体インライン反応流路に通じるミクロ流体ポート）は、吐出ヘッド（例えば、カートリッジ中に含まれる吐出ヘッド）によって吐出されたゲノム物質を含むサンプル液滴の少なくとも一部を受けるように構成されている。本発明の他の少なくとも１つの例示の実施例では、ポートの入口は、ミクロ流体ポート流路の大きさの１０倍である。本発明の更なる少なくとも１つの例示の実施例では、ミクロ流体ポートへの入り口の最も広い直径は、例えば、１ｍｍであり、ポート流路の直径は、例えば１００μｍである。
【００６２】
サンプル液滴は、ゲノム物質の負の電荷に基づいて、すなわち導電学的におよび／または、圧力で駆動された流れによって、ポート流路を通って輸送され得る。本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、ポート流路中のサンプル液滴の移動は、完全に、または大部分、導電学的に制御されている（例えば、カソードとアノードのペアによって）。例えば、カソードは、便利なように、それぞれのミクロ流体ポートの入口に置かれ、アノードは、それぞれのポート流路（例えば、ポート流路が導く（例えば、図２参照）ミクロ流体インライン反応流路中に）の他の終端に置かれることができる。各ポートの流体の流れを制御するために、多数のミクロ流体ポートがある場合、およびその結果として、多数のカソードとアノードの組み合わせがある場合、特定のミクロ流体ポート中で流体の移動を制御する各組み合わせは、特定のミクロ流体ポートがサンプルの１つ以上のサンプル液滴を受け取った後にだけ起動され得る。サンプル液滴が圧力で駆動された流れを経由してミクロ流体インライン反応流路中におよびミクロ流体インライン反応流路を通って輸送されることは、この例示の実施例示の範囲内である。更に、サンプル液滴のポート流路を通ってミクロ流体インライン反応流路内への輸送は、周知の流れの狭窄（くびれ）を介して制御することができる。
【００６３】
他の周知の力（例えば、表面張力）は、ミクロ流体ポート、流路、および/または、インライン反応流路を通ってサンプル液滴を動かすために使用することができる。例えば、本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、ミクロ流体ポート入口、流路、および/または、インライン反応流路は、例えば、表面張力を介してミクロ流体ポート入口でサンプル液滴の捕集を促進するバッファ（例えば、ゲノム物質を含む溶出液と同じバッファ）で満たすことができる。この例示の実施例では、サンプル液滴がバッファーの一部になって、離散的な液滴のままで残っていないことが観察され得る。しかしながら、動電学的な力の電気浸透圧性成分は、均一な流体のプラグ状の流動を流路の下側に引き起こし、ゲノム物質の拡散を低減あるいは防ぐ。その結果、本明細書に使用されるように、吐出ヘッドからサンプル液滴として吐出されたサンプルを含む流体の連続流れのプラグ状の断面がミクロ流体ポート流路を通ってミクロ流体インライン反応流路に進むので、サンプル液滴とサンプルプラグ（ＤＮＡサンプル液滴とＤＮＡサンプルプラグを含む）は、その断面について言及する。同様に、本明細書に記載されるように、「プライマープラグ」は、増幅および/または検出試薬の特別の「プラグ」を含む液体の連続流れの時における断面について言及する。
【００６４】
Ｂ.ミクロ流体インライン反応流路
通常、上記説明されたように、ミクロ流体インライン反応流路は、例えば、サンプル液体のためのベースを提供する水ベースの液体を含むことができる。また、ミクロ流体インライン反応流路の液体は、有機ベースの液体、例えば、約６０ポイズのシリコーン油であり得る。本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、サンプル液滴は繰り返しミクロ流体インライン反応流路に吐出され、スペーサがサンプル液滴を分離する。他の少なくとも１つの例示の実施例では、空気がサンプル液滴を分離する。更なる少なくとも１つの例示の実施例では、鉱油、あるいは他の有機ベースの液体または溶媒または同様物などの疎水性物質が、ミクロ流体インライン反応流路中の前のサンプル液滴、または、次のサンプル液滴から各サンプル液滴を取り囲んで分離するために各サンプル液滴間のバッファースペーサとして使用される。さらに、本発明の少なくとも１つの例示の実施例の分子診断装置のミクロ流体流路の内壁に、サンプル液滴間の相互汚染を減少するまたは防ぐために、疎水性コーティングを提供できる。上記説明したように、他の少なくとも１つの例示の実施例では、例えば、サンプル・プラグ（例えば、ＤＮＡサンプルプラグ）の移動を生成する動電学的な力の電気浸透圧成分は、プラグ中のゲノム物質の拡散を防ぐまたは低減する。言い換えれば、ミクロ流体中の固有の動きにかかわらず、ミクロ流体インライン反応流路液体とバッファースペーサ（例えば、油あるいは空気）の間の疎水性／親水性の差は、ミクロ流体インライン反応流路に沿ったその移動の間にプラグ（例えば、ＤＮＡサンプルプラグ）中で単一ＤＮＡ分子がバッファスペーサまたは隣接する液滴またはプラグと混合せずに保たれることを可能にする。
【００６５】
一般に、ミクロ流体チップのミクロ流体インライン反応流路は、直径が５０μｍから３００μｍであり、通常は、直径が１００μｍである。ミクロ流体ポート流路を有するので、ミクロ流体インライン反応流路は、球状、半球状、正方形などであり、ガラス、石英、プラスチックなどで形成することができる管であり、チップの領域に依存する異なる材料で形成することができる、例えば、分子診断装置の検出領域内に配置されるときに例えば透明材料で形成することができる。ミクロ流体チップ中のミクロ流体インライン反応流路を形成する方法は当技術分野で周知である。ミクロ流体インライン反応流路は、所望の構成を持つことができる。例えば、ミクロ流体インライン反応流路は、まっすぐであり得る、合流点で別のミクロ流体インライン反応流路と結合または連合体を形成することができる、分離点で２つまたはそれ以上のミクロ流体インライン反応流路に分離することができる、その中の流体がたまるおよび／または混合するのことができる。また、上記説明されたように、ミクロ流体インライン反応流路中の流れは、例えば、動電学的な力、流体力学（すなわち、圧力）、またはその２つのハイブリッドによって制御することができる。
【００６６】
また、本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、大規模なサンプル分割のために「親」のミクロ流体インライン反応流路を使用することができる。例えば、ミクロ流体インライン反応流路は、２つ以上の「サブ流路」を導くことができ、「サブ流路」のそれぞれは、例えば、親のインライン反応流路（例えば、図３参照）の流速の１/１０を持ち得る。この構造は、それぞれのサンプル液滴の「サブ液滴」への分割を容易にする、例えば、親のミクロ流体のインライン反応流路が、それぞれが親のミクロ流体のインライン反応流路の流速の１/１０を持つ１０のサブ流路にする場合、そのとき、各液滴は、それ自身のサブ流路のそれぞれで、１０のサブ液滴に分割されるだろう。この分割が特に繰り返される場合、本明細書では大規模なサンプル分割（massive sample partitioning）の実施例と呼ばれる。本明細書の目的のために、ミクロ流体インライン反応流路は、そのようなサブ流路とそのようなサブ液滴を含む。さらに、親のミクロ流体インライン反応流路は、所望の分割をもたらすようにテーパをつけることができる。さらに、この大規模なサンプル分割は、１）チップの試薬集合領域の前および／または後で、２）チップの増幅領域の前および／または後で、３）チップの検出領域の前および／または後で、および／または、４）チップのマトリックス分析領域の前および／または後で、起こり得る。ミクロ流体インライン反応流路（または、サブ流路）は、他のミクロ流体インライン反応流路と、例えば、増幅および／または検出試薬、例えば、プライマープラグの添加のために合流し得る。
【００６７】
Ｃ．  試薬集合/増幅領域
図４は、限定無しに試薬集合と１つのミクロ流体インライン反応流路を含むミクロ流体チップの増幅領域の例を示す。もちろん、多くのミクロ流体インライン反応流路および/または互いに平行に走るサブ流路は、本発明の範囲内である。ミクロ流体チップにおいて、ミクロ流体インライン反応流路（５）中にあるそれぞれのサンプル液滴（８）は、例えば、合流点（１０）（例えば、Ｔ形状をしている合流点）で、増幅試薬（例えば、プライマー、ヌクレオチド、ポリメラーゼなど）とオープションの検出試薬（例えば、検出可能な試薬、例えば、標識、蛍光プローブ、インターカレータなど）を含むプライマープラグと混合されてサンプルプラグを形成するように、さらに調製される。当業者は、どの増幅試薬が各サンプル液滴と混合されるべきか、およびどんな試薬濃度が使用されるべきを認識している。例えば、増幅試薬は、通常、ポリメラーゼ、ｄＮＴＰ、マグネシウム、バッファー、プライマーまたは１組のプライマーを含んでいる。また、当業者は、使用されるべきプライマーあるいはプライマー対を決定することができる;例えば、ＰＣＲ法が実行される場合、１つのプライマー対が適切であるだろう。対照的に、波形プロファイリング分析が実行される場合、波形プライマーが適切であるだろう。そのようなプライマーの設計と選択は当技術分野で知られている。さらに、検出試薬とそのような試薬を直接的にまたは間接的に増幅されたＤＮＡを生成物をラベルするために使用する方法は周知である。
【００６８】
サンプル液滴はミクロ流体ポート（または、ミクロ流体インライン反応流路）中に吐出され、サンプルプラグを形成するために増幅試薬と混合された後で、サンプル液滴は、ミクロ流体インライン反応流路に沿って本発明の少なくとも１つの例示の実施例の装置の増幅領域（すなわち、温度制御された第１の領域）に輸送される。専門用語が本明細書で利用されるので、サンプル液滴と似ているサンプル・プラグはゲノム物質を含むかもしれないし含まないかもしれない、そして、サンプル・プラグがゲノム物質を含む場合、ＤＮＡサンプルプラグであると考慮される。
【００６９】
サンプルプラグ（プライマー（例えば、プライマープラグ）と結合したサンプル液滴を含むもの）がインラインミクロ流体反応流路（５）に沿って連続的に吸引されるとき、サンプルプラグは、増幅領域（熱制御板（１１）のような温度制御された第１の領域）に導入される。ミクロ流体インライン反応流路の経路（１２）は、熱制御板（１１）の低温領域（１３）と高温領域（１４）の間を曲がりくねって往復する方法で、それぞれのサンプルプラグの移動を容易にするようにされたものである。
【００７０】
当業者は、（Ａ）低温領域（１３）の温度、高温領域（１４）、低温領域と高温領域の間の領域の温度、（Ｂ）ミクロ流体インライン反応流路の経路（１２）、（Ｃ）サンプルプラグがミクロ流体インライン反応流路を通って移動する速度が選ばれた増幅方法に応じて適切に調整し得ることを認識するであろう。例えば、低温領域（１３）をアニーリングが適正に実現されるように設定することができ、高温領域（１４）を変性が適正に実現されるように設定することができる。さらに、本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、ミクロ流体インライン反応流路の経路（１２）は、例えば、変性、アニーリング、および伸長の約２０〜４０サイクルを実現する低温と高温領域の間の往復方法にでサンプルプラグの移動を容易にするように設計されている。最終的に、サンプルプラグ（または、ＤＮＡサンプルプラグ）がミクロ流体インライン反応流路を通して流れる速度は、それぞれのサンプルプラグ（または、ＤＮＡサンプルプラグ）が変性温度、アニーリング温度、または伸長温度に適切な時間の間だけ保持されるように設定することができる。
【００７１】
前に説明されたように、それぞれのミクロ流体インライン反応流路またはその部分は、サンプルプラグがミクロ流体インライン反応流路に沿ってかつ本発明の少なくとも１つの例示の実施例の装置の温度制御された第１の領域を通って動くとき、増幅方法（例えば、ＰＣＲ法、波形プロファイリング法）の変性、アニーリング、および伸長工程が実行されるように、局所的におよび/または繰り返しの方法で急速な加熱および冷却をすることができる。例えば、ジュール加熱は、本発明の少なくとも１つの例示の実施例の装置のそれぞれのミクロ流体インライン反応流路と、並ぶ、内側の、および／または交差する、金属トレースに電圧を印加するために使用することができる。ミクロ流体インライン反応流路を加熱する代替法は、温水、空気などを含んでいる。さらに、ミクロ流体インライン反応流路またはその一部の冷却は、熱エネルギーを運び去るためにコイルを通って移動する冷却流体を使用することにより、または、急速な熱放散を容易にすることで達成することができる。ミクロ流体のインライン反応流路および同様物の様々な加熱および冷却方法は周知である。
【００７２】
ＤＮＡサンプルプラグが晒される温度、その温度での時間の長さ、およびサイクル数は、所望に応じて、スクリーニング、同定、数量化などのためにＤＮＡの増幅を実現するために変えられる。例えば、少なくとも１つの例示の実施例において、変性温度は９０℃〜９５℃の間であり、アニーリング温度は、５５℃〜６５℃の間であり、伸長温度は選択されたポリメラーゼに依存している（例えば、最適の伸長温度はＴａｑポリメラーゼに対して約７２℃である）。また、増幅方法は、「ホットスタート」、および/または、７５℃でＤＮＡサンプルプラグの最終的な培養を含むことができる。
【００７３】
サンプルプラグを、ミクロ流体インライン反応流路を通って、例えば、約５０μｍ／秒と約５０００μｍ／秒の間の範囲の異なる速度（例えば、約５００μｍ／秒）で移動させることができる。サンプルプラグがミクロ流体インライン反応流路を通って動く速度を変えことは、反応の体積およびゲノムＤＮＡの濃度などに依存するある温度（例えば、変性、アニーリング、伸長などに必要な温度）で維持されたサンプルプラグの持続時間を実現することができる。例えば、通常のサイクリングのプロフィールは、約９４°で１分間、６０°で１分間、７２°で１分間、ある（７２℃での伸長のための通常のルールは、増幅された各１０００のベース対に対して１分である。）さらに、必要とされる増幅サイクル数は、ミクロ流体インライン反応流路の必要とされる適切な経路を決定することができる。
【００７４】
サンプル液滴が調製され、ミクロ流体インライン反応流路で受け取られ、サンプルプラグを形成するために増幅試薬と混合され、ＤＮＡサンプルプラグ中のＤＮＡが増幅された後で、各サンプルプラグはミクロ流体インライン反応流路に沿って、装置の温度制御された第２の領域でもあり得る検出領域に移動される。上記説明されたように、サンプル液滴は、ミクロ流体インライン反応流路によって受け取とられた後でかつミクロ流体チップの検出領域内に吸引される前にいつでもミクロ流体インライン反応流路中（すなわち、液体吐出機構を介した大規模なサンプル分割に加えて）で大規模なサンプル分割を受けることができる。当業者は、ＤＮＡサンプルのみが検出可能な増幅されたＤＮＡ生成物を含み得ることを認識するであろう。
【００７５】
Ｄ．  検出領域
少なくとも１つの本発明の例示の実施例の分子診断装置は、（Ａ）ＤＮＡがミクロ流体インライン反応流路によってサンプル液滴として受け取られることを可能にする、（Ｂ）試薬集合領域で増幅反応成分および/または検出成分を含むプライマープラグとサンプル液滴を混合することによって、サンプルプラグを形成する、（Ｃ）ＤＮＡサンプルプラグが増幅領域（温度制御された第１の領域）を通ってミクロ流体インライン反応流路に沿って進むとき、ＤＮＡの増幅を実現する、および、（Ｄ）ＤＮＡサンプルプラグが検出領域を通り抜けるとき、増幅されたＤＮＡ生成物の検出を容易にする、ように設計されている。
【００７６】
温度制御された第２の領域内の検出領域にミクロ流体インライン反応流路を通すことは本発明の範囲内である。温度制御された第２の領域内の検出領域を通るミクロ流体インライン反応流路の配置によって、検出の間にサンプルプラグのミクロ流体インライン反応流路に沿った移動は１つの温度または温度勾配（またはスイープ）、すなわち、１つ以上の温度に晒されるだろう。当業者は、サンプルプラグが温度スイープに晒されるとき（例えば、異なる温度でおけるＤＮＡサンプルプラグの蛍光を検出する工程）、サンプルプラグが例えば増幅されたＤＮＡ生成物の融解温度解析を容易にすることを認識するであろう。
【００７７】
図５は、限定無しに、本発明の少なくとも１つの例示の実施例のミクロ流体チップの検出領域の例を示す。サンプルプラグがミクロ流体インライン反応流路に吸引され（図４の５）、温度制御された第１の領域（例えば、図４の１１）をでると、サンプルプラグは下流の同定、および/または、分析に関連する領域に進み、例えば、サンプルプラグは、検出領域（すなわち、例えば、温度制御板（１６）であり得る温度制御された第２の領域）に導入される。ミクロ流体インライン反応流路は、サンプルプラグがより低温領域（１８）と高温領域（１９）の間を移動するとき、サンプルプラグ中に増幅されたＤＮＡが存在するまたは存在しないことの検出を容易にする検出経路（１７）を持つことができる。サンプルプラグが光走査領域（２０）を通って横断するとき、検出可能な試薬（例えば、蛍光プローブ、インターカレータなど）は、例えば、三色のレーザビームを用いて光学的に励起され、結果として得られる放出を測定することができる。
【００７８】
一般に、検出領域の低温領域（１８）は、約２５℃と約６５℃の間の温度範囲に設定することができる。検出領域の高温領域（１９）は、約５５℃と約９５℃の間の温度範囲に設定することができる。ＰＣＲ法で増幅されたＤＮＡが検出される場合、検出領域（１６）の低温領域（１８）と高温領域（１９）は、１つの温度、例えば約２５℃と約５５℃の間の温度に設定できる。
【００７９】
検出領域で温度を制御し、ＤＮＡサンプルプラグ中の検出可能な試薬を励起させ、放出または放出における変化を検出するために使用することができる様々な器具は、市販品が使用できる。例えば、温度は、光走査領域（２０）またはそれより大きいまたは小さい走査領域を覆う例えば、赤外線電荷結合素子（ＣＣＤ）（図示せず）を用いて測定することができる。少なくとも１つの例示の実施例では、赤外線のＣＣＤを較正するために、第２の熱制御板上へ正確に温度センサを配置することが、温度測定の精度を増加させるために勧められる。
【００８０】
ＤＮＡサンプルプラグを検出領域中の温度勾配またはスイープ（掃引）に晒すことは、波形プロフィール法によって生成された波形プロファイリングを検出ことを可能にする。サンプルプラグが温度間を横断するので、結果として得られる放出は、サンプルプラグの温度と相互に関連され得る。さらに、ＰＣＲ法の増幅されたＤＮＡは、温度勾配に晒されることができるが、放出は１つの温度でのみで検出される必要がある。あるいは、低温領域と高温領域は、ＰＣＲ法で増幅されたＤＮＡの検出のために１つの温度を設定することができる。
【００８１】
検出ステージの光学システム（図示せず）は、増幅されたＤＮＡが温度スイープに晒されるとき、単離されたＤＮＡの波形プロフィールを測定して、検出して、決定することによって、増幅されたＤＮＡ、例えば、高次構造からの放出における変化を検出するために使用することができる。ある波形プロフィールの検出は、スクリーニングされたサンプルが（例えば、バクテリアで）汚染され、そして、それに続く、得られた波形プロフィールを知られているプライマーと知られている微生物から単離されたＤＮＡを用いて製造された波形プロフィールのデータベースと比較することにより、汚染している微生物の種別を同定することを示すことができる。さらに、単離されたゲノム物質がサンプル液体で濃縮され、その濃度が知られている場合、波形プロフィールの検出をすると汚染のレベルを定量化することができる。
【００８２】
本発明の少なくとも１つの例示の実施例の装置は、サンプルが汚染されるかどうか、および／または、どんな微生物がサンプルを汚染しているかに関してほとんどまたは全く情報を利用することができない場合に効果的に利用することができる。もちろん、波形プロフィールから得られた微生物の種別の同定は、分析のためにＰＣＲ生成物を提供する本発明を使用することでさらに確認することができる。本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、微生物の種別の同定は、同じ微生物からのいくつかのＤＮＡサンプル液滴を形成し、各ＤＮＡサンプルプラグを微生物の種別の同定をするために特別に選ばれた異なるプライマーと結合し、各ＤＮＡサンプル液滴を異なるプラーマー（または、プライマセット）で例えば、ＰＣＲ法または波形プロファイリングに関連するプロセスで増幅し、増幅された生成物が存在するか否かを検出することによって、更に狭められる。使用された特別のプライマーで増幅された生成物の存在を関連させることは、微生物の種別の同定を提供することができる。
【００８３】
上記説明されたように、存在する微生物のスクリーニング、微生物の種別の同定、および/または、サンプル中の微生物の濃度の定量化は、本発明の少なくとも１つの例示の実施例の分子診断装置を使用して、波形のプロファイリング法、および/または、ＰＣＲ法を用いて実行することができる。ここで、該分子診断装置は、１）ゲノム物質などを抽出するための少なくとも１つのカートリッジと、２）少なくとも１つのサンプル液滴吐出ヘッドとを有し、ここで、少なくとも１つのカートリッジは、ゲノム物質を吐出するための少なくとも１つのサンプル液滴吐出ヘッドを有するまたは該サンプル液滴吐出ヘッドに取り付けることができ、３）ゲノム物質を分析するための少なくともミクロ流体のチップを更に有し、ここで、ミクロ流体チップは、サンプル液滴吐出ヘッドから吐出されたなゲノム物質を受けるための少なくとも１つのミクロ流体インライン反応流路と、ミクロ流体インライン反応流路内の加熱、および/または、流体移動のための少なくとも１つの金属トレースあるいは他のコンポーネントとを有し、ここで、少なくとも１つのミクロ流体インライン反応流路は、試薬集合領域と、ＤＮＡ生成物の増幅のための温度制御された第１の領域内の増幅領域と、検出領域とを通る。単離されたゲノム物質のより詳細な検査法が必要である場合、本発明の少なくとも１つの例示の実施例の分子診断装置を本発明の少なくとも１つの例示の実施例のミクロ流体チップのマトリックス分析領域内でマッピングのための対象となるサンプルから１つ以上ＤＮＡサンプル液滴またはＤＮＡサンプルプラグ（増幅されたまたはされないもの）を選択するために使用することができる。少なくとも１つの例示の実施例では、サンプル液滴またはプラグ中のＤＮＡは増幅されていない。上記説明したように、サンプル液滴は、チップのマトリックス分析領域に吸引される前または後を含む、ミクロ流体インライン反応流路によって受け取られた後ならいつでもミクロ流体なインライン反応流路中で大規模なサンプル分割（例えば、液体吐出機構を経由した大規模なサンプル分割）を受けることができる。
【００８４】
３．  ゲノム物質のマッピング
本発明はＤＮＡサンプル中に存在するゲノム情報をマッピングすることができる。そのようなマッピングは、（１）上に概説された検出工程の使用による汚染している微生物の部分的な特性（例えば、属、種）に対応した詳しい情報に関する必要性または願望の結果として、あるいは、（２）上に概説された検出工程の利用の如何にかかわらず汚染する微生物を特徴付ける方法として起こることが想定される。そのようなマッピングは、本発明のデバイスの少なくとも１つの例示の実施例のチップのマトリックス分析領域中で起こることがさらに想定される。マッピングの戦略は、直接線形解析（「ＤＬＡ」;参照チェン他（２００４）「ミクロ流体ストレッチングおよび蛍光部位−特別なタグの単一分子検出を用いたＤＮＡマッピング」Genome Res.14(6):1137-46、その全体を引用して本明細書に合体する）として知られている最近報告された技術を改良する。
【００８５】
本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、細菌のＤＮＡ（または、チップの検出領域でモニターされるゲノムＤＮＡの他の形態）の検出に対応して、一群のサンプル液滴（例えば、新鮮な一群のサンプル液滴）が上記説明したように、液体吐出ヘッドによって製造され、少なくとも１つのミクロ流体インライン反応流路を通ってチップのマトリックス分析領域に導くように方向づけられる。色素（インターカレーティング、および／または、他の色素）は、マトリックス分析領域の前あるいマトリックス分析領域中でサンプル・プラグを形成するためにサンプル液滴に加えられる。
【００８６】
マトリックスは、チップのマトリックス分析領域の統合された地域である。マトリックスは、マトリックス分析領域のユニットを通る、ミクロ流体サンプル液滴の移動のための数個のミクロ流体インライン反応流路を含むガラス基板上に形成されかつ該ガラス基板内に含まれる。マトリックス分析領域の各ユニット（または、「ピクセル」）は、同様に、本明細書に記載された少なくとも３つのコンポーネントを含む。マトリックス分析領域のそれぞれのユニットは、（１）ミクロ流体ＤＮＡを伸ばすミクロチップのミクロ流路を通してＤＮＡ分子を分離して、「伸ばす（stretching）」、（２）ＤＮＡ分子に結合した２つ以上の色素を励起するための２つ以上の波長で可視光の光子ビームを発生させる、および（３）色素と光子ビームの相互作用の結果を検出する、ことができる。
【００８７】
本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、各サンプル液滴は分析に必要な試薬を含む液滴（またはプラグ）と結合する。この目的のためにミクロ流体インライン反応流路は、例えば、色素および／または分析に必要な他の試薬の添加のためにマトリックス分析領域内で他のミクロ流体インライン反応流路と合流する。本発明の更なる少なくとも１つの例示の実施例では、試薬は液滴中のＤＮＡと結合する少なくとも２つの色素を含んでいる。色素の１つは、非特異なものであり、非特異な形態でＤＮＡと結合し（またはインターカレートする）（すなわち、ＤＮＡはインターカレータで一様に染色される）（チェン他（２００４）のGenome Res.14(6):1137-46参照）、他の色素は部位特異的である;例えば、蛍光ペプチド核酸（ＰＮＡ）ターゲッティング、例えば、特異の７-８ｂｐ部位（参照:、例えば、チェン他（２００４））。
【００８８】
上記説明したように（チップの検出領域に関して）、マトリックス分析領域の数ユニットへの液滴の分布は、大規模なサンプル分割により実行することができる。親のミクロ流体インライン反応流路は、所望の分割をもたらすようにテーパをつけることができる。マトリックス分析領域内の適切な位置にサンプル液滴（および、サブ液滴）を急速に均等に分布させる目的のために、（１）親流路から分岐するサブ流路の数は本発明の少なくとも１つの例示の実施例の装置内に収容することができるどんな数であってもよい（すなわち、１０、１００、２５０、５００、１０００またはそれ以上）および（２）サブ流路は他のサブ流路から分岐することができる。少なくとも１つの例示の実施例では、サブ流路は他の大きいサブ流路だけから分岐する。更なる少なくとも１つの例示の実施例では、５１２のサブ流路は、５１２の大きいサブ流路（同様に、親流路から分岐されたもの）のそれぞれから直接的にまたは間接的に分岐する。さらに、この大規模なサンプル分割は、チップのマトリックス検出領域の前か該マトリックス検出領域中で起こり得る。ミクロ流体インライン反応流路またはサブ流路は、例えば、ＤＬＡ技術によるマトリックス分析領域の分析工程に必要な色素および／または他の試薬の添加のために他のミクロ流体インライン反応流路またはサブ流路と合流することができる。
【００８９】
本発明の少なくとも１つの例示の実施例において、一連のミクロ流体インライン反応流路（親流路）と、そこから分岐するサブ流路と、（オプションで）同様にそこから分岐するサブ流路とを通るマトリックス分析領域のマトリックスは、５１２×５１２マトリックスを含み、したがって、ＤＬＡ技術によるＤＮＡ分子の分析のために約２６００００（例えば、２６２１４４）のユニット（または、ピクセル）を含む。本発明の更なる少なくとも１つの例示の実施例では、マトリックスは、２×２、３×３、９×１０、１０×１０、１００×１００、２５６×２５６、１０２４×１０２４あるいは、適切な２乗または２乗でない寸法であり得る。
【００９０】
サンプル液滴あるいはサブ液滴は、多くの手段で、本発明の少なくとも１つの例示の実施例の装置の流路とサブ流路を通って動くことができ、かつ液滴移動のための予め設定された速度は、そのような手段によって制御することができる。例えば、流路またはサブ流路の最初の部分に印加される正圧、および／または、流路またはサブ流路の終端部分にまたは廃棄貯めまたは同等物に印加される負圧（すなわち、真空）は、液滴またはサブ液滴を動かすために利用することができる。さらに、当業者に知られているような他の手段と同様に、液滴とサブ液滴を動かすのに動電学的な力を使用することができる。
【００９１】
少なくとも１つの例示の実施例では、既に試薬を含む液滴と結合したサンプルプラグは、一連のミクロ流体インライン反応流路または親のミクロ流体のインライン反応流路から分岐したまたはサブ流路を進む。分割デバイス（「スプリッター」は一連の種々のミクロ流体インライン反応流路またはサブ流路に沿って液滴の流れを制御する。例えば、限定の無い３×３マトリックスの実施例では、３個の流路はスプリッターからサンプル液滴を受け取ることができる。
【００９２】
この例示の実施例では、一連の液滴またはプラグは親のミクロ流体のインライン反応流路に沿ってスプリッターに向かって動く。３つの流路（本明細書で１、２、３の符号が付けられる）がスプリッターの末端にあり、それぞれはミクロ流体インライン反応流路に沿って液滴を吸引するために真空に取り付けられている。最初の９つの液滴（１〜９と符号が付けられた）が以下の形態で処理される。スプリッターは、液滴が流路１中に（流路１に取り付けられた真空により）移動することを可能にし、液滴１、２、３は予め決められた位置にそれぞれ達するまでその流路に沿って移動する。流路１への真空は、次に解放されまたは取り除かれ、次に、流路２のための真空サイクルが始まる（すなわち、真空が流路２に適用され、流路２に沿って液滴４、５、６を予め決められた位置に動かす）。そして、次にこの手順が流路３に対して繰り返される。
【００９３】
この手順を複数の流路に拡張することができる。本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、５１２つの流路が利用され、５１２の液滴は各液滴が予め決められた位置に配置されるまで各流路に沿って動く。したがって、５１２×５１２の液滴のマトリックス配列は、流路５１２に対して真空サイクルの端部で装置中に存在する。
【００９４】
前述の３×３マトリックスの例示の実施例では、流路３に対する真空サイクルの終わりに、９つの液滴はマトリックス上の予め決められた位置に配置される。本発明の少なくとも１つの例示の実施例の「ユニット」（または「ピクセル」）への入口ポートが、これらの予め決められた位置にある。したがって、３×３マトリックスにおいて、本発明の少なくとも１つの例示の実施例の９つのユニットがある。ユニットの数にかかわらず、本発明の少なくとも１つの例示の実施例のユニットは、３個の主コンポーネントを含む。１つのコンポーネントは、光源（例えば、光子発生器）を含む。第２コンポーネントは、ミクロ流体ＤＮＡを伸ばすミクロチップ（チェン他（２００４）参照）または直接線形解析（ＤＬＡ）技術を使用する類似構造を含む。第３コンポーネントは光検出器（例えば、光子検出器）を含む。
【００９５】
一般に、いくつかの利用可能な形態の光源と検出器（すなわち、能動的な光学デバイス）がある。さらに、能動的な光学デバイスと組み合わせて使用することができるいくつかの利用可能な形態の受動的な光学デバイス（例えば、平面導波路、微小レンズ、フィルタなど）がある。ミクロ流体デバイスにおける様々な光学の形態の使用に関するレビューのために、例えば、モーゲンセン他（２００４）のElectrophoresis25:3498-512とシーアとホワイトサイド（２００３）のElectrophoresis24:3563-76が参照される。
【００９６】
知られている光源と検出器の中でミクロ流体で有用なものは、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）を含む発光ダイオード（ＬＥＤ）である（例えば、従来の相補的金属酸化物シリコン（ＣＭＯＳ）処理と防食用アンダーエッチングによるＬＥＤとＳｉ光検出器とミクロ流体の統合のような、例えば、ＬＥＤと、単一モード平面導波路とＳｉ光検出器とポリ（ポリジメチルシロキサン）（ＰＤＭＳ）によるミクロ流体流路の鋳造との組み合わせは当技術分野で知られている。）また、本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、光源（例えば、光子発生器）は放射体層と呼ばれる。
【００９７】
また、レーザはミクロ流体デバイスで使用することができる。垂直空洞面放射レーザ（VCSEL）は、ポリ−（メチルメタクリラート）（ＰＭＭＡ）基板上で回転された蛍光体の近赤外蛍光検出のために適用され、その基板の製造もまたハイパスフィルタと検出のためのホトダイオードを含んでいる。本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、フィルタはフィルタ層と呼ばれ、また、光検出器（例えば、光子検出器、例えば、ホトダイオード）は検出層と呼ばれる。
【００９８】
別の有用な光源は、例えば、金属のアノードとＢａＣｌ2（ＢａＣｌ2は、ＳＹＢＲ蛍光体でラベルされたＤＮＡ分子の励起のために使用される）の水溶液で満たされたミクロ流体のカソードからなるミクロ放電光源である。
【００９９】
ミクロ流体システムのための光電検出器（例えば、半導体光検出器）は、ホトダイオードあるいは同等物がミクロ流体流路の一部として同じ基板中に製造されるシステムを含んでいる（例えば、ＤＮＡ分析のための装置において、干渉フィルタは励起光の抑制のためにを組み込むことができる）。別の光電検出器システムでは、市販のＣＭＯＳイメージャチップがＰＤＭＳ（ＣＭＯＳイメージャが干渉フィルタを組み込んだので、ブロモフェノールブルーとオレンジＧの測定は、蛍光測定であるので可能である）中に鋳込まれたミクロ流体流路のネットワークに結合される。別の知られている技術は、ガラス基板の頂部に（半導体ウエハ内のダイオードの統合と対照的に）フィルタを有するアモルファスシリコン・ホトダイオードの製造のための低温薄膜製造技術を含む。
【０１００】
ミクロ流体デバイス中の微小レンズと平面導波路の統合は、例えば、蛍光測定のために励起パワーを高めるために流路中に光を集中することによって、または、平面導波路を使用して吸収検出のための光路長を増加させることによって、通常、検出を改良する。平面導波路の更なる利点は、多点検出のためにビーム分割を実行することができるということである。したがって、適切な光源と光検出器が統合されると、非常にコンパクトなデバイスを実現することができる。微小レンズは、基板（ウェハーに垂線な経路で光を形成する）の上に製造する、または装置の平面に製造することができる。また、２Ｄの平らな微小レンズは、ミクロ流体デバイス製造する際に使用することができる。また、平面導波路（例えば、ポリマ導波路、ガラス導波路、フォトニックバンドギャップセンサーなど）もミクロ流体デバイスを設計する際に役に立つ場合がある。特別の関心はフォトニック結晶構造である:フォトニック結晶は、半導体結晶の光学同等物として見なすことができ、ある範囲の波長の光が透過することができないバンドギャップによって特徴付けられる。ミクロ流体デバイスのための光学システムに関するさらなる情報は文献（例えば、モーゲンセン他（２００４）のElectrophoresis25:3498-512）で利用可能である。
【０１０１】
本発明の少なくとも１つの例示の実施例の光源（例えば、光子発生器）と光電検出器は、ＤＮＡを伸ばすミクロチップと共にさらに詳細に以下で開示される。
【０１０２】
Ａ.  光子発生器
例えば、発光層で光子発生器コンポーネント（「ＰＧＣ」）は、少なくとも２つの異なる波長（例えば、ＷＶ．ＩとＷＶ．ＩＩ）の光子を発生させる、その波長の少なくとも１つ（例えば、ＷＶ．ＩＩ）は２本の異なるビーム（例えば、ＷＶ．ＩＩaとＷＶ．ＩＩb）に分けられる（チェン他（２００４）の概説を参照）;そのような様々な波長とビームでそのような光子を作り出す方法と装置は当技術分野で知られている。ＰＧＣは、本発明の少なくとも１つの例示の実施例のマトリックスチップを含むガラス基板に埋め込まれ、「光導体」は、ミクロ流体のＤＮＡを伸ばすミクロチップ（「直線のＤＮＡミクロ流路」）のミクロ流路中で少なくとも２つの正確な位置に向かって光子ビームを向けるように提供することができる。
【０１０３】
Ｂ．ＤＮＡを伸ばすミクロチップ
ミクロ流体のＤＮＡを伸ばすミクロチップ（「ＤＮＡストレッチチップ」）では、配列の特定色素（すなわち、蛍光標識）および非特定色素（すなわち、蛍光標識）と結合した各ＤＮＡ分子（例えば、二本鎖の）は、「ポストフィールド」と「漏斗」を通って移動し、そのプロセスで、１つのＤＮＡ分子が、一度に光の様々な光線と波長がＤＮＡ分子に焦点を合わせるミクロ流路（直線状ＤＮＡミクロ流路）を通って進みむように、線状化あるいは伸ばされる。本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、直線状ＤＮＡミクロ流路の幅は５μｍである。本発明の他の少なくとも１つの例示の実施例では、可視光が光の形態である。
【０１０４】
ＤＮＡストレッチチップは、例えば、リソグラフィーによって基板中にエッチングされかつ２つの基板の間に挟まれた（例えば、以下で詳しく述べられるように）一連の流路（例えば、ポストフィールドと漏斗と直線状ＤＮＡミクロ流路とを含むミクロ流体インライン反応流路および／またはサブ流路）を含む。
【０１０５】
各ＤＮＡ分子は直線状ＤＮＡミクロ流路を通るので、伸びた分子は光子光線が集中している少なくとも２つのサイトに遭遇する。本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、ビームが集中している２つのサイトがある：１つのサイト（直線状ＤＮＡミクロ流路を通って流れの方向動くＤＮＡ分子が遭遇するような第１サイト）は、２つの光子の光線、部位特異的色素（例えば、ＷＶ.Ｉ）を検出するための１つの光線と、特定されない色素（例えば、ＷＶ.ＩＩa）を検出するための１つの光線を含む。第２サイトに、直線状ＤＮＡミクロ流路中の流れの方向に沿って更に予め設定された距離に、非特性の色素（例えば、ＷＶ.ＩＩb）を検出するための追加の光子の光線が集中される。予め決められた距離で離れて設定された、非特異性色素を検出する２つの光線（例えば、WV.IIaとWV.IIb）は、ＤＮＡの各分子が直線状ＤＮＡミクロ流路を通って流れるとき、ＤＮＡの各分子の長さを確立するために使用される。ＤＮＡ分子上のいくつかのベース対（ｂｐｓ）の比較的小さいサイト（部位）に結合する部位特異的色素はゲノムＤＮＡが抽出された微生物をマッピング（例えば、種別の同定および/または特徴付け）のために使用することができる。限定しない実施例として、部位特異的色素は、例えば、７-８ｂｐ部位をターゲットとすることができる。
【０１０６】
ある場合に、ゲノムＤＮＡの二本鎖の分子の長さに沿って結合された部位特異的色素の位置の分析は、「バーコーディング」として知られている。様々なＤＮＡ分子が直線状ＤＮＡミクロ流路を通って流れるときに、様々なＤＮＡ分子のバーコーディングは、ゲノムＤＮＡの特別なタイプの種別の同定に導くことができる（例えば、分類学タイプ、例えば、データベースのバーコードと比べられる場合に、ＤＮＡ分子のバーコードが特別な科、属、種、菌株などを同定することができる）。
【０１０７】
Ｃ.  光子検出器
少なくとも１つの例示の実施例では、本発明の光子検出器（例えば、光電検出器、光検出器、光子計数管）の部品（「ＰＤＣ」）は、比較的低温で作動してかつガラス基板上に形成または成長している、少なくとも１つの３次元（３Ｄ）フォトニック結晶と、少なくとも１つの電界放射トランジスタ（ＦＥＴ）（例えば、ガラス基板上に形成された薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）（例えば、ＴＦＴがシリコン薄膜を有し、トランジスタがこの薄膜層を使用して製造されている）とを含む。更なる少なくとも１つの例示の実施例では、ＦＥＴ以外の適切なタイプのトランジスタを使うことができる。た、少なくとも１つの例示の実施例では、ＰＤＣは検出層とも呼ばれる。少なくとも１つの例示の実施例では、光子検出器はデジタル光子検出器である。本発明の他の少なくとも１つの例示の実施例では、ガラスは基板であるが、本発明に必要な光学的性質を提供する他の互換性なある基板（例えば、透明プラスティック）もまた想定される。例えば、いくつかのレビュー記事が、本発明の少なくとも１つの例示の実施例のチップにおいて役に立つ複数の基板のタイプについて言及している（例えば、モーゲンセン他（２００４）のElectrophoresis25:3498-512とシーアとホワイトサイド（２００３）のElectrophoresis24:3563-76が参照される）。
【０１０８】
本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、直線状ＤＮＡミクロ流路を通過するＤＮＡ分子に焦点を合わせる数本の光線（例えば、ＷＶ.Ｉ；ＷＶ.ＩＩa；ＷＶ.ＩＩb）からの光子は、様々な色素によって励起され（上で説明されるように）、少なくとも１つの光子検出器に向かう「光導体（light guide）」に反射される。この光ガイドライン・インライン検出器は、フォトニック結晶または結晶（例えば、三原色用の）とともに実施することができる。更なる少なくとも１つの例示の実施例では、３Ｄフォトニック結晶は、２つ以上（例えば、２、３）の光の波長が光子検出器に達することができるように、フィルタすることができる。別の例示の実施例では、２、３またはそれ以上の異なる３Ｄフォトニック結晶（異なった波長を可能にするためにそれぞれフィルタする）が使用される。本発明の少なくとも１つの例示の実施例のフォトニック結晶は、マトリックスチップの各ユニットに組み込まれている。チップ中のフォトニック結晶は、チップ（インチップ検出器）中の斬新な検出器に光子を向けるのに導波管を使用する。インチップ検出器は、ＴＦＴ光電検出器からなる。本発明のいくつかの例示の実施例では、多数のＴＦＴ（例えば、２、３以上のＴＦＴ）がマトリックスチップの各ユニットに（光の多数の波長をモニターするため）に組み込まれる。更なるいくつかの例示の実施例において、光増幅ＴＦＴは効率的な光子発光検出のためにマトリックスチップの各ユニットに統合されている。
【０１０９】
しかしながら、標準形形態の少なくともいくつかのＴＦＴは、光の光子の直接検出によく適合していない。したがって、本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、（プレＴＦＴ）「ゲート」が組み立てられるので、光エネルギーの光子が本発明の少なくとも１つの例示の実施例示のＴＦＴによって直接検出される電子の形態のエネルギーに変換されるように構成されている。ゲートはゲート物質（「ポルフィリン・ゲート材料」）を含み、その主成分は、ポリフィリンを含む３次元（３Ｄ）単結晶ポリマーである。このポルフィリン・ゲート材料は、光子（例えば、可視スペクトル）によって励起され、半導体物質として機能することができる。この高分子とそのゲート材料としての使用に関連した開示は、以下のものが参照される。（jstore.jst.jst.go.jp/image/research/pdf/R99/R993100836.pdfで利用可能な、H.Segawa「自由に光子と電子を操作するナノ構造分子システム」、Segawa他(1994).J.Am.Chem.Soc.116; Susumu他(1995).Chem. Lett.(No.10):929-30; Segawa他(1995)Synthetic Metals 71:2151-54; Susumu他(1995)J Phys. Chem.99:29-34; Susumu他(1995)J.Photochem. Photobiol A:Chem.92:39-46; Shimidzu他(1995)J Photochem. Photobiol A:Chem.92:121-27;Susumu他(1996) Tetrahedron Lett.37(46):8339-402; Shimidzu and Segawa(1996) Thin Solid Films 273:14-19）簡潔に、多くのポリフィリンが、光誘起電子移動を行う分子システムを生成する方法でリンク（ポルフィリン配列として）されており、これらのポルフィリン配列は。メソ位に直接リンクされている。ポルフィリン配列は１、２、および３次元分子構築で構成されている（上記のSegawaの文献が参照される）。
【０１１０】
また、マトリックス分析領域は、ＣＭＯＳタイプのゲート機構とマトリックスの数ユニットからデータをリレーするＣＣＤタイプの方法を含むことができる。本発明の少なくとも１つの例示の実施例示のマトリックス装置に関連している電気的なデータ収集を実行するためにそのような技術を実施するための方法は当技術分野で知られている。
【０１１１】
本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、本発明の光子検出器は（上記説明されたように）、ＡＣ電源（チェン他（２００４）で説明された光子検出器のために、増幅器と共に必要とされているように）の必要性を減少または排除する。本発明の少なくとも１つの例示の実施例の改質された光子検出器は、所要電源（例えば、ＴＦＴの使用による）と装置の大きさのかなりの減少を容易にする。このことは、本発明の少なくとも１つの例示の実施例のマトリックスの各ユニット（または、ピクセル）が、本発明の更なる少なくとも１つの例示の実施例（すなわち、５１２×５１２マトリックスで、２６２１４４のユニットがマトリックスチップに組み込まれている）と関連づけられた光子検出器および該実施例の光子検出器を含むという事実を考慮すると特に有利な事項である。さらに、本発明の少なくとも１つの例示の実施例示のユニットは、チェン他（２００４）で開示された外部の励起レーザおよび関連する外部の光学システムの必要性を排除する。
【０１１２】
マトリックス分析領域（すなわち、少なくとも１つの例示の実施例において、直線的なＤＮＡミクロ流路とＴＦＴの間でインターフェースされたポルフィリン・ベース結晶（例えば、ポルフィリン・ゲート材料）による光子信号の導入後の電子の検出）のＰＤＣ中の光子の検出によって製造されたデータは、記録装置または他の貯蔵デバイス、例えば、コンピュータ・チップ、キャッシュメモリなどまたは、表示デバイスまたは他のタイプのユーザが感知できる出力インターフェースなどの予め決められた目的地に中継される。マトリックス分析領域から予め決められた目的地までの中継の調製は、予定されたタイミングで、出力データ（検出された光を示す）を読み出すことによって達成される。
【０１１３】
本発明の少なくとも１つの例示の実施例は、例えば、図６Ａに図示されたように、検出された光を表すデータ（すなわち、いくつかの例示の実施例において、ポルフィリン・ゲート材料によって変換された光）を読みだすためにマトリックス構成に向けられている。本発明の更なる少なくとも１つの例示の実施例では、マトリックスはユニット（ピクセル）の５１２×５１２マトリックスであるが、簡便のためにユニットの２×２のマトリックスのみが図中では示されている。
【０１１４】
マトリックスは、複数の列の配線（ＲＷ）、複数の行の配線（ＣＷ）、コンデンサ、フォトトランジスター（例えば上で説明したポルフィリン・ゲート材料／ＴＦＴ）、ゲートトランジスタ、図６Ａで示される方法で相互接続される２進のシフトレジスター（ＢＳＲｌとＢＳＲ２）を含む。本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、トランジスタはＦＥＴ（例えば、ＴＦＴ）であるが、他の例示の実施例では、他の適切なタイプのトランジスタもまた使用することができる。
【０１１５】
上記で説明した方法で得られた光（例えば、ポルフィリン・ゲート材料によって変換された光）を表す電気信号が、対応するフォトトランジスターに印加され、そして、電気信号が予め決められた閾値の電圧レベルを有する場合、対応するコンデンサ中に電荷として貯蔵される。
【０１１６】
信号がマトリックスから読みだされる方法は、図６Ａ〜６Ｃに示されたタイミングチャートを考慮するとを理解することができる。例えば、対応する列の配線に接続されたトランジスタのゲートへのクロックパルス（図６Ａの出力１あるいは出力２）の印加は、コンデンサーから読まれる電荷という結果となる。クロックパルス（出力１、出力２）は、システム全体の制御装置（例えば、ＣＰＵ）（図示せず）によって発生され、２進のシフトレジスタ（ＢＳＲ１）に印加されるクロックパルスに対応して、タイミングチャート２（図６Ａ）に従ってそれらのゲートに印加される。次に、読み出された電荷は、そのトランジスタに接続された対応する行配線に対応する信号として対応するトランジスタを通して転送される。次に、信号は、関連付けられた２進のシフトレジスタ（ＢＳＲ２）の対応する入力（ＩＮ１かＩＮ２）に行配線で転送される。
【０１１７】
タイミングチャート１（図６Ｂ）は、測定期間（すなわち、光子が検出された期間）がどのように信号がコンデンサーから読みだされる期間およびパルス出力１、パルス出力２に対応する列配線に読まれた信号がそれぞれの読み出し期間以内で読まれるタイミングと関連するかを表す実施例である。タイミングチャート４（図６Ｂ）に示されるように、信号は、読み出し期間の前半以内にクロックパルス出力１の対応する列の配線に接続されたコンデンサーから出力され、かつ信号は、読み出し時期の後半以内にクロックパルス出力２の対応する列の配線に接続されたコンデンサーから出力される。
【０１１８】
ＢＳＲ２（図６Ａを見る）の端末の入力１と入力２に印加された信号に対応する可能な状態の実施例は、タイミングチャート３（図６Ｃ）に示されている。これらの状態を示すデータは、データが行配線から受け取られる順番に応じてＢＳＲ２から連続的に出力される。
【０１１９】
マトリックス分析領域に関連する上記説明したタイミングチャートは、本発明に関連して使用することができる、少なくとも１つの例示の実施例を含む。他の例示の実施例では、信号がその後の表示、格納、および/または、処理をするために異なった時間で読みだすことができる限り他の適切なタイミングを使うことができる。
【０１２０】
タイミングチャートまたはチャートは、また、マトリックス分析領域を通るサンプル液滴とサブ液滴の動きを制御し、かつ、（１）直線的なＤＮＡミクロ流路を通るサブ液滴の動きと、（２）マトリックス分析領域のユニット（または、ピクセル）の関連されるＰＧＣとＰＤＣの活性化を調整するのに使用することができる。
【０１２１】
サンプルの液滴またはサブ液滴は、チェン他（２００４）によって教示されるように予め決められた速度でＤＮＡストレッチチップを通過する。本質的に、速度は、色素に結合したＤＮＡ分子の分析のためにさらに正確である最高速度の近くにで設定される。１つの考慮は、流れは、様々な光線が集中している直線状ＤＮＡミクロ流路の部分に２つ以上ＤＮＡ分子が同時に存在することを可能にするような急速な速度でないということである。別の考慮は、ＤＮＡストレッチチップのポストフィールドと漏斗エレメントが詰まるのを避ける速度に制御することである。１つのフェムトリットルの液滴（すなわち、サブ液滴、プラグなど）は、少なくとも１つの例示の実施例のＤＮＡストレッチチップを約０.１２ｍ秒で横断する。そのような例示の実施例では、マトリックスのサイズは、およそ５１２×５１２ユニット（または、ピクセル）であり得る。この例示の実施例は、（１）ゲノム物質を含む例えば２．５μｌの溶出液（同様に、例えば、血液１００μｌから本発明の少なくとも１つの例示の実施例示のカートリッジ中で製造される）から製造された多くの液滴（すなわち、サブ液滴、プラグなど）に対して、適正水準の解像度、ダイナミックレンジ、信号雑音比などを考慮するために、および（２）約１時間の解析時間に対して計算される。
【０１２２】
本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、分子診断装置（本発明の少なくとも１つの例示の実施例のカートリッジ、液体吐出機構、増幅および検出領域、およびマトリックス分析領域を含む）は可搬性（例えば、容易に移動でき、持ち運びにに便利）である。更なる少なくとも１つの例示の実施例では、分子診断装置は携帯用である。いくつかの例示の実施例では、この装置は、例えばバクテリアからゲノムＤＮＡの検出と分析を患者の近く（すなわち、現場、病院または医院から離れた）で容易にするために有用である。更なるいくつかの例示の実施例では、この装置は、ＡＣ電源および/または直流電源を使う（例えば、図６Ａ電源電圧（Ｖs）参照）。本発明の他の少なくとも１つの例示の実施例では、この装置はＡＣ電源の必要性なしに機能する；例えば、専用の取り付けられた（または、含まれている）携帯用（例えば、手持ちサイズ）電源からの直流電力で機能する。
【０１２３】
本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、装置は、たいてい「ゼロ検出」（すなわち、例えば、バクテリアのゲノムＤＮＡのゼロ検出を示す装置の検出領域によって作り出されたデータの大部分）を作り出すことが期待される。この場合、例えば、バクテリアのゲノムＤＮＡの検出（すなわち、「ゼロでない検出」）は、装置のマトリックス分析領域の活性化と、マトリックス・チップに向かっておよび該マトリックス・チップ中への液滴（すなわち、サブ液滴、プラグなど）運動をもたらす。本発明の更なる少なくとも１つの例示の実施例では、ゼロでない検出に対応したそのような活性化と移動は自動化されている（すなわち、例えば、ＣＰＵによって制御されている）。
【０１２４】
上記説明したように、ゲノムＤＮＡの特別な分子のバーコードは、ＤＮＡの分類学的カテゴリー（例えば、科、属、種、株菌など）を同定するのを可能にする。バーコードはＤＮＡの核酸配列の部分的な表現として機能し、知られている分類学的な１つのもの（例えば、知られているバーコードのデータベース）を表すバーコードと比較することができる。バーコードデータの解釈は自動化することができ、少なくとも１つの例示の実施例では、本発明の分子診断装置に含まれている。いくつかの例示の実施例では、解釈機能は直接装置のマトリックス分析領域に接続されている。
【０１２５】
本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、装置の解釈機能は、分類学的同定（例えば、種のレベルで）の与えられたレベル内で自然に起こる、期待された配列の変動であることを説明することが考案されている。少なくとも１つの例示の実施例では、この予期された変動は、配列の同定で７５％の変動にまで達することができる。本発明の更なる少なくとも１つの例示の実施例では、確率的な解釈機能が、装置のマトリックスチップによって分析されるゲノムＤＮＡの起源の最適な同定を支援するために本発明の解釈機能に組み込まれている。
【０１２６】
本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、データベース（例えば、知られているあるいは予想された病原菌のためのバーコード情報を含む）は、装置の一部として含まれている。従って、装置のマトリックス分析領域分析されたゲノムＤＮＡの未知の分子のバーコードは、未知のＤＮＡ分子（すなわち、分析されたＤＮＡ分子）の同定を潜在的に確立するためにデータベース中のバーコードと比較されかつ対比（例えば、適合される）することができる。そのようなデータベースを含む本発明の少なくとも１つの例示の実施例示の分子診断装置は、次に、分析されて与えられたＤＮＡ分子に対応する起源の微生物を同定し、確率的な解釈機能を含む解釈機能を通して、様々なレベルの分類学同定の類似性の計算（例えば、ありえそうな精度の見積りで）を提供することができる。例えば、本発明の特別な例示の実施例示の部位特異的色素とバーコードが未知のゲノムＤＮＡの分子の配列の特定部位を正確に同定できるという程度まで、ＤＮＡの分子に対する１セットのバーコードデータは、データベース中の１セットのバーコードデータで１００％の類似性または同定を示すことができる。この場合、装置は、例えば、起源の属および種を同定することができる。別の例では、装置は、例えば、８３％の同定を示すなど、検出された変動を示しながら精度の見積りとともに同じ属・種を同定することができる。さらに別の例では、例えば、５０％のアイデンティティを示して、装置は、属（そのレベルの識別のための精度の見積りがある）を同定するだけであるが、種に関して指示を全く与えないかもしれない。
【０１２７】
本発明の少なくとも１つの例示の実施例では、データベースは装置の一部として含まれていない。むしろ分子診断装置は中央のデータベースと無線で通信されている。
【０１２８】
本願明細書に記載されたすべての科学的記事、レビュー、特許、および特許出願は、それらの全体を引用することによって本明細書に合体される。
【実施例】
【０１２９】
下記の例は本発明の理解を助けるために提供され、本発明の範囲を限定するものではない。下記の例は当業者に知られている既知の方法は詳細に説明しない。
【０１３０】
例１
分子診断装置のマトリックス分析領域
少なくとも１つの例示の実施例には、図７〜１１に示されたように、ユニットの光子発生器コンポーネント（ＰＧＣ）と光子検出器コンポーネント（ＰＤＣ）は光学フィルタと統合されたマイクロキャピラリー導波管と記載されている。製造中に、１つの波長光学フィルターがマイクロキャピラリーサンドイッチの半分中に組み込まれる。これによってマイクロキャピラリー検出チューブに極めて近い位置に光検知器を配置することが可能になり、蛍光放射スペクトル検出の光学的効率を増加させる。本発明の少なくとも１つの例示の実施例に記載された装置に対する有利な費用の点からも、マイクロキャピラリー製造素材を光学フィルター素材と一緒にすることで（即ち、同じものである）製造にかかる費用が抑えられる。
【０１３１】
少なくとも１つの例示の実施例では、マトリックス検出領域は放射層、フィルター層、及び検出層を含む。
【０１３２】
図７はマトリックス検出領域の１つのユニット（またはピクセル）の一部を示している。上記説明のように、各ユニットは少なくとも三つのコンポーネントを持つ。この図では、ＰＧＣとは“光子レザー（フォトニックレザー）”であり、ＰＤＣとは“光子検出器（フォトディテクター）”である。“キャピラリーチャンネル（毛細管流路）”（例えば、半円のキャピラリー流路）はＤＮＡストレッチチップの一部として機能する。マイクロキャピラリーの二つのプレートは図７に示されている。“染色されたフィルター素材と導波管”というマイクロキャピラリーの一つのプレート（下）は、キャピラリー流路から光子検出器に放射される蛍光のスペクトル特性と波長を制御できるように、好ましい色付きのフィルター素材で作られる。本発明の少なくとも１つ以上の例示の実施例によると、フィルター層は蛍光波長を通し、放射体（emitter）の放射波長を阻止するような光学フィルターがドープされたガラスを含む。少なくとも１つの実施例には、下のプレートのｄ１寸法は１０〜１５０ミクロンの範囲である。少なくとも１つの異なる実施例では、ｄ１は約６０ミクロンである。“励起導波管ガラス流体ウエハー”というもう一方のプレート（図７の上のプレート）は、レザーからの励起光（例：励起波長）を透過して反応領域まで届くように光学的に透明である。少なくともひとつの非限定的な実施例によると、ＤＮＡストレッチチップ内のマイクロ流体流路（microfluidic channel）またはサブ流路（subchannel）（ここではキャピラリー（毛細管）流路とも呼ぶ）は、直径または幅５０ミクロンの領域と５ミクロンの直径、幅を持つ直線のＤＮＡマイクロ流路を含み、流体とＤＮＡは５０ミクロンの領域から５ミクロンのＤＮＡストレッチチップの間に漏斗状の区域を通る（例：幅は２０μｍの長さにわたって５０μｍから５μｍに縮まる）（Chan et al.(2004)を参照）。
【０１３３】
本発明の少なくとも１つの例示の実施例によると、マトリックス分析領域のユニットに使用され、図８のように光の透過（“レザー励起”、蛍光）と“蛍光放射”に関わる光学フィルターと導波管は、フォトニック結晶、有機的にドープされたプラスチック樹脂、Schott光学ガラス、色付きの石英、色つきのガラス、光学フィルターがドープされたガラスなどを含む任意的な光学素材を含み得るが、これらに限定されるものではない。少なくとも１つの実施例によると、図８に示されたｄ２の寸法は２０〜３００μｍの範囲内である。また異なる実施例によると、ｄ２は約１２０μｍである。上記のように、少なくとも１つの例示の実施例によると、フィルター層は蛍光の波長を通し、放射体の波長を阻止するような光学フィルターがドープされたガラスを含む。更に少なくとももう１つの実施例によると、このユニットは１つまたは複数の３次元のフォトニック結晶を含む。
【０１３４】
本発明の少なくとも１つの実施例によると、マトリックス分析領域のユニット、特にそのなかに含まれるミクロ流体流路はフォトリソグラフィーによって製造される。フォトリソグラフィーは石英やガラスの基板の片面（いずれの表面でも良い）にミクロ流体流路、サブ流路及び/またはマイクロ流路を形成するために用い得る。エッチングされた基板はもう１つの（例：平らな）基板と結合され、ミクロ流体流路の配列を形成する。平らな基板にエッチングされた基板を結合させると半円の断面を持つ流路が作られ、そろいの基板同士を結合させると円形の断面を持つ流路が作られることは当業者には明らかである。
【０１３５】
本発明の少なくとも１つの例示の実施例によると、ユニットの三つのコンポーネント（ＰＣＧ, ＤＮＡストレッチチップ、ＰＤＣ）を含む複数のユニットが一緒に組まれている（matrixed together）。図９（図１０の平面図も参照）に示されているように、複数のＰＤＣは共通する１つの一体化された光学フィルターを用いて作られ得る。この例示の実施例の利点としては、一つの製造ピースがたくさんの検出流路（例：直線のＤＮＡマイクロ流路）の光学蛍光フィルターを形成し得るということである。事実上そのよう方法を用いる際には、光学的な“クローストーク”があり得ることを考慮してこの問題を避ける方法を用いる必要がある。
【０１３６】
チップのマトリックス分析領域に使われるガラスフィルターの波長性質や厚さの重要性は当業者には明らかである。ガラスフィルターの波長性質の例は図１１に示されている。光学ガラスフィルターの素材はマイクロリソグラフィー製造分野の既知の方法を用いて０．１ｍｍ〜４８０ｍｍの厚さの範囲に製造され得る。マトリックス分析領域に関する少なくとも１つの実施例によると、素材の厚さは０.５〜５ｍｍ、または１〜３ｍｍの範囲であり得る。フィルター素材（例：フィルター層のフィルタ素材）の波長や厚さは、蛍光放射スペクトルから励起スペクトルを十分はＳＮＲ(信号ノイズ比：Ｓ／Ｎ比)を保って分離するように既知の方法や計算を用いて選択される；従って、フィルター層は光学フィルターがドープされたガラスのように蛍光の波長を通し、放射体の波長を阻止するようなフィルターを含む。
【０１３７】
本発明の少なくとも１つの実施例によると、複数の波長の光（例：２つ、３つ、またはそれ以上の波長）はそれぞれマトリックスチップの各ユニット（またはピクセル）によって監視される。本発明の更なる少なくとも１つの実施例によると、複数のTFT（例：2つ、3つ、またはそれ以上のＴＦＴ）がマトリックスチップの各ユニットに（複数の波長を監視するため）組み込まれる。
【図面の簡単な説明】
【０１３８】
【図１Ａ】本発明の少なくとも１つの例示の実施例に基づいたカートリッジの設計を示す図である。
【図１Ｂ】少なくとも１つの例示の実施例に基づいたチップを有するカートリッジインタフェイシングを示す図である。
【図２】少なくとも１つの例示の実施例に基づいた互いに固定された位置にある吐出ヘッドとミクロ流体ポートを概略的な示す図である。
【図３】少なくとも１つの例示の実施例に基づいた多くのサブ流路へのミクロ流体インライン反応流路の大規模なサンプル分割を示す図である。
【図４】少なくとも１つの例示の実施例に基づいてサンプルの液滴が増幅試薬と混合されて試薬集合領域中でサンプルプラグを形成しかつ増幅領域の中で増幅されるようなサンプル液滴の経路を概略的に示す図である。
【図５】少なくとも１つの例示の実施例に基づいてサンプルプラグ流路が図４の温度が制御された領域を通り過ぎた後で検出領域を通り過るミクロ流体インライン反応流路のサンプルプラグ経路を示す図である。
【図６Ａ】、本発明の少なくとも１つの例示の実施例のタイミングチャートのいくつかの態様を示す図であり、２進シフトレジスタ（ＢＳＲ１）からのクロックパルス出力１と出力２のためのタイミングチャート（タイミングチャート２）と列配線（ＲＷ）と行配線（ＣＷ）の例示を含む２×２マトリックスの表示を示す図である。
【図６Ｂ】本発明の少なくとも１つの例示の実施例のタイミングチャートのいくつかの態様を示す図であり、タイミングチャート１と４を示す図である。
【図６Ｃ】本発明の少なくとも１つの例示の実施例のタイミングチャートのいくつかの態様を示す図であり、ＢＳＲ２（図６Ａに示される）からのパルス入力１と入力２のステータスに従うタイミングチャート３を示す図である。
【図７】少なくとも１つの例示例示の実施例に基づく装置のマトリックス分析領域の１つの流路のミクロキャピラリー（すなわち、ミクロ流体）コンポーネントの断面図である。
【図８】少なくとも１つの例示の実施例に基づく蛍光検出システムとして使用中の動作原理を示す光学的な図である。
【図９】少なくとも１つの例示の実施例に基づくマトリックス分析領域中のマトリックス（またはアレイ）の具体例を示す図である。
【図１０】少なくとも１つの例示の実施例に基づく従ったマトリックスにされた光学検出ゾーンを有する９０流路のミクロ流体アレイの平面図である。
【図１１】ガラスフィルタの波長特性を示す図である。
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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2009506775.tif 000019
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