(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルを処理するために集束音響エネルギーによりサンプル（１０１）を照射するための装置（１００）において、
機器（１０２）と、カートリッジ（１０３）と、フルソリッドカプラ（１０４）と、音響エネルギーの生成のためのソース（１０５）とが設けられており、
前記カートリッジは、サンプル収納のためのチャンバ（１１０）を具備し、
前記フルソリッドカプラは、前記ソースと前記カートリッジとの間で音響エネルギーの伝播を生じさせ、
前記カートリッジが前記機器内に挿入可能となるよう、前記機器および前記カートリッジが構成されており、
前記カートリッジおよび前記機器は分離可能であり、
前記集束音響エネルギーは集束超音波（ＨｉＦｕ）であり、
前記カートリッジを前記機器内に挿入することにより、前記ソースから前記サンプルに音響エネルギーを伝達するための伝播経路（１０６）が形成されるよう、前記機器および前記カートリッジが組み合わせられて整列され、前記伝播経路は非流体物質のみから成り、
前記伝播経路は音響インピーダンスの勾配を有し、該勾配は、前記ソースから前記サンプルまでの方向に沿って単調に減少する、
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記フルソリッドカプラは、ソリッドゲル、ゴム、弾性ホイル、ポリマーベースの材料、熱可塑性ポリマー、金属、半導体、セラミックス、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、アルミニウム、および、これらの材料の積層体を含むグループより選択される材料を含む、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記カートリッジは音響窓（１０７）を有しており、該音響窓は、フレキシブルな材料（１０８）で製造され、前記カートリッジを前記機器内に挿入することにより、前記フルソリッドカプラが前記音響窓と物理的に接触される、請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
前記フルソリッドカプラは、音響窓（１０７）と接触するための第１の接触表面を具備し、
前記カートリッジは、前記音響窓と接触するための第２の接触表面を具備し、
前記第１の接触表面、第２の接触表面および音響窓のうちのいずれか１つ以上が、２マイクロメートル未満の表面粗さ値を有する、
請求項３記載の装置。
【請求項５】
さらに、生成された音響エネルギーをサンプルにフォーカシングするためのレンズ（１０９）が設けられており、
前記レンズは、ソースとカートリッジとの間に位置した、物理的に分離された要素であるレンズ、ソースの一部であるレンズ、レンズであるフォーカシング形状を有するソース、集束音響エネルギーを提供するソースのアレイ、カートリッジの一部であるレンズ、およびこれらの組み合わせを含むグループより選択される、
請求項１乃至４のいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
さらに、生成された音響エネルギーをサンプルにフォーカシングするためのレンズ（１０９）が設けられており、
前記レンズは、熱可塑性ポリマーで製造されたレンズ、金属レンズ、セラミックレンズ、ポリプロピレンレンズ、ポリメチルペンテンレンズ、アルミニウムレンズ、ハイブリッドレンズ、およびこれらの組み合わせを含むグループより選択される、
請求項１乃至４のいずれか１項記載の装置。
【請求項７】
前記カートリッジの１つの単一チャンバ内で、集束音響エネルギーによりサンプルに前処理および溶解が適用され、
前記前処理は、試薬との混合、循環、綿棒からの細胞、病原菌およびマトリックスの放出、ブラシからの細胞、病原菌およびマトリックスの放出、液化、常温または高温で試薬を用いたサンプルのインキュベーション、振とう、混合；撹拌、抽出、ＮＡ抽出、フロー生成、サンプルのホモジナイゼーション、遠心分離、およびこれらの任意の組み合わせを含む群より選択された手順であって、
前記溶解は、試薬との混合、循環、微生物の溶解、常温または高温で試薬を用いたサンプルのインキュベーション、およびこれらの任意の組み合わせを含む群より選択される手順である、
請求項１乃至６のいずれか１項記載の装置。
【請求項８】
前記装置は、２つ以上の互いに異なる焦点域をサンプルにおいて生成するように構成される、請求項１乃至７のいずれか１項記載の装置。
【請求項９】
前記２つ以上の互いに異なる焦点域は、複数のソース、単一ソースとハイブリッドレンズ、互いに異なる粗さの区域を有する１つの単一ソース、およびソースの互いに異なる位置で、互いに別々で励起される１つの単一ソース、並びにこれらの任意の組み合わせを含む群より選択される要素によって生成される、請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記装置は、抽出ユニットと、核酸増幅ユニットと、試薬貯蔵ユニットと、探知ユニットと、サンプルに対する測定を適用するための探知ユニット（１１１）のうちのいずれか１つ以上をさらに含み、
前記探知ユニットは、光学的測定、磁気測定、熱的測定、電気的測定、化学的測定、音波測定、およびこれらの任意の組み合わせを含む群より選択された、サンプルに対する１つ以上の測定を適用するためのものであって、
前記集束音響エネルギーをサンプルに照射することが、サンプルの処理を誘導する、
請求項１乃至９のいずれか１項記載の装置。
【請求項１１】
前記フルソリッドカプラはポリマーベースの材料で製造され、該ポリマーベースの材料は、Ｔg≧−３０℃のガラス転移温度Ｔgを有する、請求項１乃至１０のいずれか１項記載の装置。
【請求項１２】
サンプルを処理するために集束音響エネルギーでサンプル（１０１）を照射するための機器（１０２）において、
音響エネルギーの生成のためのソース（１０５）と、フルソリッドカプラ（１０４）とが設けられており、
該機器は、サンプルを含み、かつ該機器から分離可能なカートリッジ（１０３）を収納するように構成され、
前記カートリッジが該機器内に挿入された時、前記フルソリッドカプラは、前記ソースと前記カートリッジとの間で音響エネルギーの伝播を生じさせ、
前記カートリッジを前記機器内に挿入することにより、前記ソースから前記サンプルに音響エネルギーを伝達するための伝播経路（１０６）が形成されるよう、前記機器および前記カートリッジが組み合わせられて整列され、前記伝播経路は非流体物質のみから成り、
前記伝播経路は音響インピーダンスの勾配を有し、該勾配は、前記ソースから前記サンプルまでの方向に沿って単調に減少する、
ことを特徴とする機器。
【請求項１３】
前記機器は、サンプルを含み、かつ前記機器から分離可能なカートリッジ（１０３）を収納し、さらに前記機器および収納されたカートリッジが、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の装置（１００）を成す、請求項１２に記載の機器。
【請求項１４】
サンプル（１０１）を処理するために、ソース（１０５）により生成された集束音響エネルギーをサンプルに照射するための機器（１０２）のためのカートリッジ（１０３）において、
サンプルを収納するためのチャンバ（１１０）と、フルソリッドカプラ（１０４）とが設けられており、
前記カートリッジは、機器内に挿入されるように、かつ前記機器から分離可能となるように構成され、
前記カートリッジが機器内に挿入された時、前記フルソリッドカプラは、前記ソースと前記カートリッジとの間で音響エネルギーの伝播を生じさせ、
前記カートリッジを前記機器内に挿入することにより、前記ソースから前記サンプルに音響エネルギーを伝達するための伝播経路（１０６）が形成されるよう、前記機器および前記カートリッジが組み合わせられて整列され、前記伝播経路は非流体物質のみから成り、
前記伝播経路は音響インピーダンスの勾配を有し、該勾配は、前記ソースから前記サンプルまでの方向に沿って単調に減少する、
ことを特徴とするカートリッジ。
【請求項１５】
前記カートリッジは、前記機器内に挿入することができ、前記機器および挿入されたカートリッジは、請求項１乃至１１のいずれかに記載の装置（１００）を成す、請求項１４に記載の機器のためのカートリッジ。
【請求項１６】
サンプルを処理するために、集束音響エネルギーをサンプルに照射する方法において、
機器を準備するステップ（Ｓ１）と、
カートリッジを準備するステップ（Ｓ２）と、
フルソリッドカプラを準備するステップ（Ｓ３）と、
音響エネルギーを生成するためにソースを準備するステップ（Ｓ４）と、
前記カートリッジを前記機器内に挿入するステップ（Ｓ５）とを含み、
前記カートリッジは、サンプルを収納するためのチャンバを具備し、
前記カートリッジを前記機器内に挿入することにより、前記ソースと前記カートリッジとの間に音響エネルギーの伝播が生じ、
前記カートリッジおよび前記機器は分離可能であり、
前記カートリッジを前記機器内に挿入することにより、前記ソースから前記サンプルに音響エネルギーを伝達するための伝播経路（１０６）が形成されるよう、前記機器および前記カートリッジが組み合わせられて整列され、前記伝播経路は非流体物質のみから成り、
前記伝播経路は音響インピーダンスの勾配を有し、該勾配は、前記ソースから前記サンプルまでの方向に沿って単調に減少する、
ことを特徴とするサンプルの照射方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集束音響エネルギーを用いたサンプルの処理に関する。特に、本発明は、サンプルを処理するために集束音響エネルギーをサンプルに照射する装置、並びに、サンプルを処理するために集束音響エネルギーをサンプルに照射する方法に関する。
【０００２】
近年、マイクロトータル・アナリシス・システム（micro TAS）またはラボオンチップとしても知られる、サンプルイン・リザルトアウト（sample-in result-out）装置の多様な側面での進歩が、さまざまな理由により、生体外診断（IVD）の用途での関心を高めてきている。例えば、集積化および小型化に伴い、比較的に小さく、サンプル汚染のリスクが少なく、感度が高く、テストのTATが短くて、さらに、一回あたりのテスト費用がより低いシステムが得られた。また、サンプルの入力から結果の生成まで、オペレータの違いによる変動が最小限になることが求められている。オペレータが熟練していないと変動要因になりかねないし、作業環境の違いも若干影響する。
【０００３】
音響エネルギーを用いたサンプルの処理に関する公知の技術は、分子装置用途のような特定の用途には適用できないかも知れない。これは、音波処理の終了後、内部に液体サンプルを受容する漏出カートリッジと、装置自体によって用いられる液体との識別ができないからである。これは、そのような液体カップリングを用いるこれらの装置において、許容できない処理結果につながることもある。
【０００４】
また、例えば、混合のような複雑な作業を含む前処理機能が、異なるプロセスの機能と分離されて、独立に処理される。これは、さらに小型化しかつ集積化しようとする、このような分野の一般的なトレンドに逆らっていくものである。より深刻なことは、このような設定で利用され得る空間が非常に制約的であるため、例えば、病院や実験室で必要とされる、実際に小さなサイズのシステムへの要求に反するということである。
【０００５】
また、分子診断テストは、しばしば、複雑なピエゾアレイ、複雑な制御システム、および複雑な電気ドライバを有する技術を含む。これらの技術は、高価であり、多くの技術的支援を必要とし、さらには大きな空間を必要とする。
【０００６】
本発明の目的は、改善されたサンプルの処理を提供することにある。
【０００７】
このような目的は、独立項のうちのいずれか１つに関わる請求の対象によって実現することができる。本発明の実施形態が、従属項に記載されている。
【０００８】
定義および略語
本明細書において、以下の定義および略語が用いられる。
【０００９】
乾式カップリング：
「乾式カップリング」という用語は、本明細書において、ソースからサンプルまで非液体物質のみを通じた、完全な音響エネルギーの伝播として用いられる。
【００１０】
音響エネルギー：
「音響エネルギー」という用語は、本明細書において、音波エネルギー、音響波動、音響パルス、超音波エネルギー、超音波波動、超音波、衝撃波、サウンドエネルギー、サウンド波動、サウンドパルス、パルス、波動、或いはこれらの用語のすべての他の文法的な形態の用語を含むものとして用いられる。
【００１１】
焦点域および焦点：
「焦点域」および「焦点」は、本明細書において、音響エネルギーが、ターゲットまたはサンプルに打ち当たるか、またはそれに収束される領域を意味し、この場合、そのような領域が必ずしも１つの集束地点である必要はない。
【００１２】
装置：
本明細書において、「装置」という表現は、分子診断装置およびその他の装置を含む。装置の用途は、例えば、健康／生命科学、食品産業、獣医学的業務、および法医学的用途となり得る。
【００１３】
サンプル：
「サンプル」という用語は、本発明に係る装置で処理される分子分析用のサンプルを含むということに明確に注意しなければならない。例えば、血液、培養血液、尿、吸引物（aspirate）、水と類似した粘性のサンプル、不均一のサンプル、或いは、ＢＡＬ、唾液、呼吸管吸引物、ＣＳＦ、病原菌を含むブラシおよび／または綿棒などのようなキャリア上のサンプルがある。それ以外に、他の種類の物質、固体、液体、気体またはそれらの組み合わせもサンプルとなることができ、また、本発明によって集束音響エネルギーを照射することができる。
【００１４】
ＮＡ：
「ＮＡ」は、任意の核酸に対して用いられる。
【００１５】
ソース：
本明細書において、「ソース」という用語は、トランスデューサという用語と同意として用いられる。さらに、本明細書中において規定されたように、音響エネルギーを放出することができる他のいずれの装置もこのようなソースに含まれる。
【００１６】
伝播経路：
「伝播経路」という表現は、本明細書において、音響エネルギーが、ソースから、少なくともカプラおよびカートリッジの任意の組み合わせを介してサンプルにまで伝播される経路のことをいう。レンズのような他の要素、さらなるカプラが伝播経路内に位置することができる。それにより、伝播経路内において、このような数多くの要素の中間接触層を音響エネルギーが通過することとなる。さらにまた、音響窓またはインターフェース媒体のような他の層が含まれることもできる。
【００１７】
減衰：
本明細書において、「減衰」という用語は、生成された音響エネルギーの強さの減少に関連する。これは、例えば、反射、吸収、回折、またはこれらの組み合わせによって発生し得るものである。
【００１８】
サンプルの処理：
「処理」または「処理する」と言う用語は、本明細書において、集束音響エネルギーとサンプルとの相互作用を説明するために用いられる。多様な特定の方式で音響エネルギーをサンプルに集束することにより、音響化学的および／または音響物理的な反応がサンプル内で誘発され、混合、分散、撹拌、綿棒またはブラシからの溶離、液化、溶解、もしくは細胞分離のような機能を発生させる。したがって、このような「処理」の定義はまた、「前処理」と称されるプロセスの間の音響物理的および／または音響化学的な相互作用も含む。言い換えれば、「処理」は、他の機能性のうち、サンプルの「前処理」を含む。
【００１９】
プロセスチャンバ：
「プロセスチャンバ」という表現は、類似の「チャンバ」および「カートリッジのチャンバ」という表現としても用いられる。
【００２０】
超音波：
「超音波」および「超音波の」という用語は、周波数が２０ｋＨｚ乃至１００ｋＨｚの周期的な音圧に対して用いられる。
【００２１】
高密度集束超音波（ＨｉＦｕ）
「ＨｉＦｕ」という用語は、本明細書において、音響周波数が０.２ＭＨｚ乃至１０ＭＨｚであり、振幅が高圧衝撃波やキャビテーションを十分に生成することができるように選択された集束音響フィールドに対して用いられる。焦点域の寸法（長さおよび直径）は、ソース・トランスデューサ型（例えば、フラット状のソース・トランスデューサによる自然な合焦、または円錐状／球状のソース・トランスデューサによる強化された合焦）に依存する。上述した周波数の範囲に対する好ましい長さを表す単位は、（サブ）ミリメートルである。
【００２２】
サンプルイン・リザルトアウトシステム（Sample-in result out-system）：
システムは、（例えば、生物学的）サンプルを受け入れ、すべての種類のファクトの探知のためのすべての必要な準備段階を行い、探知を行って、さらにその探知結果を伝達する。例えば、血液またはその他の細胞のようなサンプルの分子分析のための装置を提供することができ、そのような装置は、生のサンプル、すなわち未処理のサンプルの、供給から分析結果までのすべての必要な分析段階を提供する。
【００２３】
レンズ：
本明細書において、「レンズ」という用語は、音響エネルギーを収束または発散することができる、構成要素またはシステムとして用いられる。生成された音響エネルギーの電波特性に影響を及ぼしうるすべての物質が、「レンズ」という用語に含まれる。
【００２４】
インターフェース／インターフェース媒体：
本明細書において、音響エネルギーの伝播経路は、ソース、フルソリッドカプラ（full solid coupler）およびカートリッジのような幾つかの要素で構成される。伝播経路の異なる要素が互いに物理的に接触する転移部または領域を説明するために、インターフェースおよびインターフェース媒体という用語が用いられる。例えば、カプラがカートリッジと物理的に接触すると、カプラのインターフェース媒体は、カプラのカートリッジと接触するよう領域で用いられた物質のことをいう。
【００２５】
カプラ：
カプラという用語は、本明細書において、音響エネルギーの伝播経路の一部であり、また他の要素と共にソースからカートリッジまで音響エネルギーを伝播する要素を称するために用いられる。
【００２６】
ソリッドゲル：
本明細書において、「ソリッドゲル」は、ゲル形成物質のみを含む。これは、完全にソリッドであり、また同時にゲルである。ソリッドゲルの範囲内において、液体物質は完全に排除される。それにより、ソリッドゲルを用いるとき、水またはヒドロゲルは排除される。したがって、「ゲル」という用語は、本明細書において、「ソリッドゲル」という用語と類似に用いられる。
【００２７】
以下において説明される実施形態も、同様に、集束音響エネルギーをサンプルに照射する装置、および集束音響エネルギーをサンプルに照射する方法に関することに留意しなければならない。これらの実施形態を多様に組み合わせて相乗効果を得ることができるが、そのような相乗効果に対しては、明示的にもしくは具体的には記載されない。
【００２８】
また、方法に係る本発明のいずれの実施形態も、上述したステップの手順で行うことができるが、その順序は、方法のステップに対する唯一必須的な順序ではない。それと異なる方法ステップのいずれの手順および組み合わせも、本発明に含まれる。
【００２９】
本発明の第１の側面によって、ソースとカートリッジとの間の音響エネルギーの完全な乾式カップリングのためのフルソリッドカプラが提供される。したがって、本発明の第１の例示的な実施形態において、サンプルを処理するために、集束音響エネルギーをサンプルに照射するための装置が提示され、このとき、該装置は、機器、カートリッジ、フルソリッドカプラ、および音響エネルギーの生成のためのソースで構成される。また、カートリッジは、サンプルを収納するためのチャンバを備え、さらにフルソリッドカプラは、ソースとカートリッジとの間の音響エネルギーの完全な乾式カップリングを形成する。機器およびカートリッジは、カートリッジが機器に挿入されるように構成され、前記カートリッジおよび機器は分離可能になっている。
【００３０】
以下において、第１の例示的な実施形態に係る装置のさらなる特徴および利点を、具体的に説明する。
【００３１】
言い換えれば、カートリッジを機器内に挿入することにより、ソースとサンプルとの間に集束音響エネルギーに対する完全な乾式伝播経路が生成される。それにより、カートリッジを機器内に挿入した後、機器、カートリッジ、フルソリッドカプラ及びソースの全ての異なる乾式要素が、完全な乾式方式で連結される。一般的に、カプラは、その一方の端部から他の端部へ音響エネルギーを伝送する。明確に注目すべきことは、フルソリッドカプラが、ソースとカートリッジとの間の乾式方式の音響エネルギーの伝播経路を補完或いは完成するように、装置に配列されるということである。つまり、伝播経路は、フルソリッドカプラの挿入前に、第１の乾式部分伝播経路および第３の部分伝播経路からなっている。これらの両部分の間にカプラを挿入することで、抜けていた第２の部分経路が形成される。完全な伝播経路は、例えば、第一に、フォーカシングトランスデューサに付着された物質から、第二に、ポリマー系のカプラから、さらに第三に、カプラとカートリッジとの間のホイルから、形成することができる。それにより、ソースとカートリッジとの間の完全な乾式カップリングが達成される。フルソリッドカプラは、それ自体が全体の伝播経路を形成する必要はなく、所望に応じて、本発明の例示的な実施形態がこれを実現することができる。
【００３２】
したがって、水またはヒドロゲルまたは液体物質を含む任意のゲルの利用を回避することができる。それにより、音響エネルギーによるサンプルの照射が完了した後、液体物質を内包している漏出の可能性のあるカートリッジとカップリング媒体との識別が可能になる。言い換えれば、カートリッジからの漏出による高い汚染リスクの状況を、装置のユーザが、より明らかに且つ迅速に認知することができる。
【００３３】
機器およびカートリッジが物理的に分離され、または少なくとも分離可能な完全に異なる要素であるため、異なるカートリッジを選択することにより、処理されるサンプルの体積を選択することができる。また、カートリッジのチャンバがサンプルで完全に満たされなく、チャンバの内部で、サンプルの上に空気層を有する。これは、いわゆる流動通過システムと比べて、幾つかの技術的な利点を提供する。サンプルの上側の空気層の代表的な利点は、ＨｉＦｕを用いた激しい混合が可能になり、その結果、焦点域の体積よりも相当大きな体積のサンプルも処理できることである。例えば、ＨｉＦｕの照射によってサンプル液体の噴出を発生させ、噴出部サイクルの中で直面したサンプル液体の循環を通じて混合メカニズムを提供することができる。それにより、ＨｉＦｕエネルギーが噴出部を形成する焦点域がサンプルの体積に比べて相当小さく、それにもかかわらず、混合プロセスが噴出部を通じて、ＨｉＦｕにより開始される。したがって、本発明のこの例示的な実施形態により、混合されるべき全体のサンプルの体積を照射する必要がなくなる。言い換えれば、大きなサンプルが、相対的に小さな装置によって処理され得る。
【００３４】
さらに、ＨｉＦｕが噴出部を生成することができ、これは、相対的に低い（減少された）パワーでキャビテーションを生成するために用いることができる。液体に戻る噴出部の液滴によってキャビテーション核をサンプル内に導入することができ、これは、水内の均質な空洞と比較するとき、電力しきい値を一桁分減少し得る。すなわち、（例えば、サンプルが液体である場合）サンプルからの噴出部を生成することにより、トランスデューサに対する最小電力、およびそれによってソースから放出される最小音響エネルギーが、減少され、これは、本明細書において説明された利点に繋がる。
【００３５】
言い換えれば、噴出部は、サンプルを混合させるだけでなく、サンプルの冷却のために用いられるキャビテーションの電力しきい値を減少させる。これは、噴出部が、カートリッジ内の周辺の空気と接触するサンプルの表面をかなり大きくさせるためである。
【００３６】
カートリッジと機器との物理的な分離は、非集積型システムを誘導するようになり、これは、ソース、カプラおよびカートリッジが、それぞれ独立的に測定のために選択され、適用されることができることを意味する。言い換えれば、システムの３つの構成部分（ソース、カプラおよびカートリッジ）の間のインターフェースが規定されたとき、これらの３つの構成部分に対する独立的な選択を行うことができ、そのような選択は、インターフェースと適合していればよい。カートリッジおよびチャンバの大きさが、ソースおよびカプラの大きさおよび形状と無関係であるということから、装置の音響特性を変化させる必要なく、カートリッジの体積を拡張することができる。このような本発明の実施形態に対比したフロースルーシステムの短所は、トランスデューサを増大させる必要なく、チャンバを拡張することができるということである。
【００３７】
さらに、これは、焦点域でのフォーカシング、並びに音響エネルギーとチャンバ壁との相互作用に対する依存性の回避に頼ることとなる。すなわち、チャンバの壁がトランスデューサとして用いられない。これは、チャンバ壁の共振周波数が、その形状および材質から決まることを、公知のシステムが考慮しなければならないということと対比される。このようなシステムは、ソース周波数とマッチングしなければならない。前述したように、音響フィールドと壁との相互作用に依存しないため、チャンバ壁の拡張は、トランスデューサの選択と独立的に行うことができる。
【００３８】
カートリッジが機器から物理的に分離されるため、カートリッジを廃棄することができ、使い捨て可能なカートリッジは、集束音響エネルギーでサンプルを分析するためのシステムを安価にすることができる。サンプルの処理後に、ソースまたはカプラを廃棄する必要がなく、カートリッジを廃棄すればよい。それにより、多様なサンプルを有する互いに異なる多数のカートリッジの場合に、１つの単一機器および１つのソリッドカプラおよび１つのソースにより提供される複数の測定が、乾式カップリングを用いることによって可能となる。
【００３９】
そのような装置は、生成された音響エネルギーをサンプルに集束するためのレンズをさらに備えてもよい。
【００４０】
また、集束音響エネルギーをサンプルに照射することによって、サンプルを処理することになる。
【００４１】
ソースまたはトランスデューサは、ｋＨｚ乃至ＭＨｚの周波数で作動するフラット型または曲線型の圧電変換器であってもよい。トランスデューサの直径は、例えば、カートリッジ内で処理しようとする体積の範囲（０.２ｍＬ〜１０ｍＬ）に合わせた、例えば５ｍｍ乃至３５ｍｍが好ましい。トランスデューサの集束距離は、５ｍｍ乃至８０ｍｍとなる。トランスデューサの入力電力は、２Ｗ乃至１００Ｗとなる。このような本発明の例示的な実施形態によれば、公知の技術に比して低い電力でサンプルを処理することができる。それにより、周辺物質、特に、ソースとサンプルの間に介在する物質が、音響エネルギーを吸収して加熱されることを防止することができ、それによって、乾式カップリングの導入が可能となる。
【００４２】
トランスデューサは、連続的なモードまたは単発性モードで作動することができる。トランスデューサに印加された信号が、互いに異なって可変的な形態、例えば、正弦波状、ブロック状、三角形状、またはこれらの任意の組み合わせの形態を有することができる。周波数をさらに調整して、加熱するための、或いは焦点距離を変化させるための周波数シフトを補償することができる。
【００４３】
カートリッジは、使い捨て、消耗性、分離可能性を含む特徴のうちの１つを有してもよいし、１つのチャンバまたは多数のチャンバを含むことができ、１つのサンプルまたは多数のサンプルを含むことができ、産業的に適用することができる。カートリッジの材質は、これに制限されるものではないが、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）；ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、およびポリスチレン（ＰＳ）であり得る。
【００４４】
さらに、カートリッジは、またカプラから物理的に独立した装置である。それにより、カートリッジは、機器とカプラとは別個であり、機器やカプラから分離可能になっている。本発明のこの例示的な実施形態は、カプラがカートリッジや機器の上に配置又は固定されることを排除していないが、そのような可能性もある。
【００４５】
１つの主要な利点は、すべての所望の、さらに必要なサンプルの処理が、カートリッジの１つの単一チャンバの内で実施されるということである。また、印加された音響エネルギーによる全体のプロセッシングを、装置の１つの単一ソースから由来するあらゆる必要な作用を用いて、サンプルイン・リザルトアウトの原理に従って行なうことができる。集束音響エネルギーを用いて、処理チャンバである１つの単一チャンバ内で、サンプル前処理および溶解のような多様な機能性を伴って、サンプルを処理することができる。特に、ＨｉＦｕを、このようなプロセスのために用いることができる。
【００４６】
収納位置において（カートリッジ内のチャンバおよびそのサンプルにおいて）、音響エネルギーの高い密度を達成するために、ソースまたはトランスデューサおよび／またはレンズのフォーカシング品質が十分に高いこと、音響エネルギーの伝播経路で物質の音響減衰が十分に低いこと、また、音響エネルギーの伝播経路内の物質インターフェースでの反射サンプルイン・リザルトアウトが十分に低いことが好ましく、上記の音響減衰が十分に低いとは、低いインピーダンスおよび／または薄い厚さを意味し、そして反射が十分に低いとは、乾式カプラの場合に、２つの接触する層の厚さおよび粗さが十分に薄くて低くなければならないということを意味する。このような本発明の例示的な実施形態は、これらの要件を満足する。
【００４７】
電力を、機器から、例えば、リードまたはブラシを介してソースに印加することができる。フルソリッドカプラが、異なる多数の断片、部分またはセグメントで構成されてもよい。
【００４８】
また、乾式カップリングにより、マイクロスケールで、例えば、ソースとカプラ（第１層）との間および／またはカプラとカートリッジと（第２層）の間の接触が直接的な接触条件に近づけることができ、つまり、できるだけ近接して、効果的な乾式カップリングを達成することができる。それにより、乾式接触において、２つの層の間の空気ポケットを最小化或いは除去するために、両層の表面をマイクロスケールまたはナノスケールでできるだけ整合（conformal）させることができる。
【００４９】
言い換えれば、空気ポケットを最小化或いは除去するために、以下の要件が装置によって満たされる。ソース、カプラ、カートリッジ、フルソリッドカプラおよびインターフェース媒体の表面粗さが十分に低いこと。また、用いられた物質が、整合するように十分な「可撓性」を有してもよい。それにより、整合性の順序は、液体＞ハイドロゲル＞ソリッドゲル＞ゴム＞（弾性）ホイル＞熱可塑性ポリマー＞熱硬化剤、金属、セラミックス、およびその他の固体物質となる。
【００５０】
音響エネルギーまたは音響放射線は、集束されていない経路である第１部分を通じて伝播し、さらにその後、経路の第２部分内で集束され、経路の第３部分を集束された状態で通じて、サンプルに至るまで伝播する。以前または後続のフォーカシングがまた可能である。
【００５１】
追加の核生成部位（例えば、適切に高い表面粗さを有する要素、例えばロッド）がチャンバ内に導入されるか、或いは噴出部が誘発されるため、本発明のこの例示的な実施形態によれば、サンプルの内でキャビテーションプロセスを引き起こすために必要な電力が減少する。噴出部から噴出してからサンプルの中に落ちる液滴は、電力しきい値を減少させる。この構成によって、２つの可能性を実現することができるので、低電力のＨｉＦｕを用いてサンプルを準備し、処理することが可能となる。
【００５２】
本発明によって、必要電力を減少させることができるので、高密度で生成される付加的な屈折を回避することができる。
【００５３】
本発明の他の例示的な実施形態によれば、集束音響エネルギーは、高密度集束超音波（ＨｉＦｕ）である。
【００５４】
そして、ソース周波数帯域は０.２ＭＨｚ乃至１０ＭＨｚであり、振幅は、焦点域において高い圧力の衝撃波および／またはキャビテーションを十分有効に生成するように選択された振幅である。焦点域の寸法は、ソース・トランスデューサの型に依存する。例示的な周波数の範囲に対する長さの目盛りは、（サブ）ミリメートルである。また、０.２ＭＨｚ乃至１０ＭＨｚ、または０.７５ＭＨｚ乃至３ＭＨｚ、もしくは１ＭＨｚ乃至２ＭＨｚで作動するフラット型または曲線型の圧電変換器が用いられる。カートリッジ内で処理しようとする体積の範囲（０.２ｍＬ〜１０ｍＬ）に合わせるために、トランスデューサの直径が、例えば、５ｍｍ乃至３５ｍｍとなり得る。トランスデューサの集束距離は、５ｍｍ乃至８０ｍｍであり得る。トランスデューサの入力電力は、０.５Ｗ乃至１００Ｗの範囲で変動する。
【００５５】
言い換えれば、本発明のこの例示的な実施形態は、分子サンプルを処理および／または分析するためのＨｉＦｕ分子装置として用いられる。それにより、ソースからサンプルまでの音響エネルギーをカップリングするためには、液体物質の利用は控えなければならない。それにより、液体汚染のリスクが減少される。そして、使い捨てまたは消耗性カートリッジを用いることにより、装置、即ちＨｉＦｕで、サンプルの特性を測定する及びサンプルを用意するための複雑でなく、安価で且つ迅速な方式を提供することができる。
【００５６】
超音波に比べてＨｉＦｕの波長が短いため、小さな領域に対する、強化されたフォーカシングが可能になる。これは、小型化の利点をもたらす。
【００５７】
また、種々異なる焦点域の形状が、ＨｉＦｕでサンプルを処理するために用いられる。
【００５８】
ＨｉＦｕによって、例えば、試薬との混合、循環、綿棒からの細胞、病原菌およびマトリックスの放出、ブラシからの細胞、病原菌およびマトリックスの放出、液化、常温または高温で試薬を用いたサンプルのインキュベーション、振とう、混合；撹拌、抽出、ＮＡ抽出、フロー生成、サンプルのホモジナイゼーション、遠心分離、およびこれらの任意の組み合わせ、溶解、微生物の溶解、常温または高温における試薬を用いたサンプルのインキュベーション、並びにこれらの任意の組み合わせのような機能性でオペレータがサンプルを処理することができるため、装置に対する非常に多様な用途が創り出される。
【００５９】
また、公知のシステムは、物理的に規定されて制限されるが、これは、超音波送信機を実際に小型化できないからであり、それによって、公知のシステムは、約１００ｍｍに制限されるようになる。本発明のこのような実施形態は、１００ｍｍよりも小さく小型化され得る。
【００６０】
また、公知のシステムの他の短所は、超音波チャンバの共振周波数が設計および物質に依存し、そして、選択された超音波送信機の周波数と整合しなければならないということである。製造公差は、このような依存性を含まなければならない。これとは対照的に、前述したように、装置のすべての共振周波数を考慮する必要はない。
【００６１】
また、音響エネルギーを用いるその他の機器が、小さい体積のチャンバに制限されるようになるが、これは、機械工学の基本的な物理法則によって、寸法の増加がシステムまたはチャンバの共振周波数の減少を意味するからである。サンプルの仕様（specification）に起因する超音波周波数に対する並存要件のため、チャンバの大きさの増加が必要なくなる。これは、公知された機器の用途の範囲を制限するようになる。
【００６２】
これとは対照的に、非統合型システムが存在し、ここでは、カートリッジが物理的に独立して、すなわち、前述したように、ソースおよびカプラから分離されている。カートリッジおよびチャンバの所望の大きさを選択するとき、チャンバの共振周波数を考慮する必要がない。これは、公知の技術に対比した重要な利点である。
【００６３】
また、このような例示的な実施形態は、必要な場合に、フロースルー技術を回避することができるようにするが、そのようなフロースルー技術は、高い温度でのインキュベーションとの組み合わせを複雑にするものである。また、このようなフロースルー技術では、ある種のビーズをチャンバに提供する必要がある。しかし、フロースルーを希望する場合に、上記のような着想が、それを提供することができる。
【００６４】
言い換えれば、本発明のこの例示的な実施形態は、チャンバの壁に衝撃を与える超音波を用いる技術とは区分される。このような公知のシステムにおいて、共振周波数は、装置の幾何学的形状および／または物質に依存する。
【００６５】
また、均質なキャビテーションを用いるフロースルーシステムとは対照的に、このような例示的な実施形態では、電力が減少される。これは、本発明のこの例示的な実施形態が、チャンバ内で空気層を収容することができるためであり、これは、前述したように、核生成部位を導入するか、または噴出部を生成することができるようにする。チャンバ内に導入されたロッドのような追加の核生成部位により、或いは前述した噴出部により、キャビテーションを開始するための電力しきい値が減少され得る。また、すべてのサンプルの流体が焦点域内に必ずしも存在する必要はないが、これは、サンプルのインキュベーション可能性のために提供することができる。
【００６６】
これは、ユーザにとって、小さなトランスデューサおよび少ない電力を用いることができるようにし、フルソリッドカプラまたは乾式カプラの導入を可能とする。また、インキュベーションの組み合わせも、容易となる。
【００６７】
また、本発明のこの例示的な実施形態は、さらなる多くの機能、例えば、プロセスチャンバでの綿棒の溶離を用いることができる。ＨｉＦｕが乾式カップリングとともに用いられるため、カートリッジの漏出を探知することが可能となり、また、それによる汚染を早期に探知することが可能となる。
【００６８】
本発明のさらに他の実施形態によれば、ソースは、機器の部分またはカートリッジの部分のうちの１つである。
【００６９】
このような実施形態の第１実施例において、ソースは、装置の機器内で実行されることができる。それにより、複数のカートリッジを順に、１つの、且つ同一の音響エネルギーソースによって照射することができる。それにより、多様なカートリッジの測定結果がより良好となり、信頼できるようになるが、これは、多くのソースから起因する偏差を排除することができるためである。
【００７０】
本発明のこのような実施形態の第２実施例において、ソースは、カートリッジの一部になる。例えば、カートリッジがソースを具備し、さらにフルソリッドカプラが、ソースとカートリッジとの間に位置することができる。例えば、それらを、１つのユニットとなるよう一緒に接着することができる。また、他のように固定することも可能性である。このようなユニットを機器内に挿入することにより、ソースのための電力供給部の間の電気連結部がともにプラグ接続される。したがって、本発明のこの実施形態において、完全な乾式カップリングが生成される。
【００７１】
ソースをカートリッジに統合することにより、特定の測定意図に合わせて、特定のソースを予め選択するか、または予め調整することができる。それにより、機器と組み合わせられて、これらのカートリッジに対して、また特定の測定に対して特別に選択されたソースを有する多様なタイプのカートリッジが、１つの単一機器とともに用いられる。これは、機器の運用分野を拡大することができることを意味する。また、カートリッジおよびカートリッジに付着されたソースを廃棄することができ、それにより、１つの単一機器によって付着された数多くのソースを有する多様なカートリッジ内において多様なサンプルを処理するための、低価で且つ単純な解決策を提供することができる。
【００７２】
本発明の他の例示的な実施形態によれば、カートリッジを機器内に挿入することで、音響エネルギーをソースからサンプルに伝達するための伝播経路が形成されるように、機器およびカートリッジが組み合わせられて整列され、前記伝播経路は、非流体物質のみを含む。
【００７３】
言い換えれば、挿入プロセスの間に、カートリッジと機器の相互作用は、完全な乾式カップリング伝播経路を形成する。それにより、機器およびカートリッジの対応する表面が挿入プロセスの間に互いに集まるようになり、また、その表面は、例えば、形状-閉鎖方式（form-closed way）または力-嵌め合い方式（force-fit way）で成形することができる。機器およびカートリッジの輪郭のこのような形状結合に加え、これらの要素とカプラとの間に圧力を印加するための他の手段を提供することができる。言い換えれば、固体物質のみまたは空気ポケットのようなガス物質のみが、音響エネルギーの伝播経路内に存在する。
【００７４】
本発明の他の例示的な実施形態によれば、フルソリッドカプラは、ソリッドゲル、ゴム、弾性ホイル、ポリマー系の材料、熱可塑性ポリマー、低い音響減衰特性のポリマー、金属、半導体、セラミックス、ポリプロピレン、アルミニウムおよびこれらの材料の積層体からなる群より選択された材料で形成することができる。
【００７５】
フルソリッドカプラがポリマー系の材料から形成することができることに、明確に留意しなければならない。
【００７６】
用いられた材料は、例えば、ソースのまたはカートリッジの装置の要素の形状に対して整合方式で調整され得る、弾性特性に従うことができる。それにより、伝播経路内の任意のインターフェースにおける空気ポケットが最小化されるか、または回避されて、効果的な乾式カップリングが形成されるように、フルソリッドカプラの材料を選択することができる。また、フルソリッドカプラが前述した材料を部分的な要素として含むことができ、そして、以上で説明していない他の材料がフルソリッドカプラ内に含まれることもできる。
【００７７】
計算の結果、積層体は、収納位置に伝達可能なエネルギーの量を増大することができるということが確認されたが、カプラがさらに複雑になってしまう。言い換えれば、インピーダンスマッチングを用いることができる。それにより、フルソリッドカプラが、幾つの要素を含むことができ、そのような要素は、ソースからサンプルまで音響エネルギーの完全且つ効果的な乾式カップリングをともに形成することができる。
【００７８】
本発明の他の例示的な実施形態によれば、カートリッジは、音響窓を含み、前記音響窓は、フレキシブルなホイルで形成され、前記フルソリッドカプラは、カートリッジを機器内に挿入することにより、前記音響窓と物理的に接触する。
【００７９】
収納位置（サンプルが位置するカートリッジ内のチャンバ）において、集束音響エネルギーの高い密度を達成するため、ＨｉＦｕの伝達経路内の物質の減衰が十分に低くなければならない。また、十分に低い表面粗さを用いることにより、空気ポケットが最小化されるか、または除去されなければならない。また、整合性を達成するために、十分な可撓性を有する物質を用いることができる。これらの要件は、プラスチックホイルのようなフレキシブルな材料で製造された音響窓により満たすことができる。それにより、カートリッジを機器内に挿入する間に、プラスチックホイルの形状が、カートリッジの接触表面の形状またはフルソリッドカプラの形状に合わせられることができる。
【００８０】
カートリッジの音響窓が十分に大きく、選択された音響窓の距離で、ＨｉＦｕコーン（cone）の断面が窓に完全に嵌めあわされる。音響窓は、扁平であるか、或いは曲線状であり得る。音響窓は、低減衰ポリマー、例えば、ＰＰ、ＰＭＰの薄層から製造される。また、流体レベル未満の溶解チャンバの壁の残りの部分が十分に薄くて、音響損失を減らし、さらに、チャンバハウジングの加熱を制限することが重要である。
【００８１】
本発明の他の例示的な実施形態によれば、フルソリッドカプラとカートリッジとの間に接触圧力が印加され、前記接触圧力は、カートリッジのチャンバ内で過渡な圧力を印加すること、カートリッジの外部で局所的な低圧力を印加すること、そして、力を用いてカートリッジとフルソリッドカプラを相互に対して加圧すること、からなる群より選択されたいずれか１つ以上の方法で生成される。
【００８２】
音響エネルギーの伝播経路内の任意の中間層でまたはインターフェースで空気または空気ポケットを除去することができる方式で、ソリッドカプラとカートリッジの表面の間に接触圧力が印加される。カートリッジが十分に可撓性を有してソリッドカプラの形状に整合することができる場合、例えば、凸な形状のソリッドカプラをフラット状のカートリッジに加圧することは、実現可能な解決策となり得る。また、カプラがそのような可撓性を有することもできる。
【００８３】
他の例示的な実施形態は、滑らかな球状または円錐状のＨｉＦｕトランスデューサ、およびフレキシブルなカートリッジホイルを含む乾式インターフェースの解決策となり得る。
【００８４】
それにより、接触圧力は、少なくとも３つの要素、すなわちソース、カプラおよびカートリッジをともに加圧する力を提供し、それにより、空気ポケットが、一部またはすべての中間接触表面において最小化されることができる。それにより、特に滑らかな可撓性のある材料を、これらの表面に対して用いることができる。
【００８５】
本発明の他の例示的な実施形態によれば、フルソリッドカプラが、音響窓と接触する第１の接触表面を具備し、カートリッジは、音響窓と接触する第２の接触表面を備える。また、第１の接触表面、第２の接触表面および音響窓のうちのいずれか１つ以上が、０.５μｍ未満、１μｍ未満、および２μｍ未満を含む群より選択された表面粗さを有する。
【００８６】
本発明の実施形態によれば、空気ポケットおよびそれによる電波音響エネルギーにおける伝達損失が、最小化されるか、或いは除去される。
【００８７】
音響エネルギーが乾式インターフェースを横切って伝達可能となるようにするための機器とカートリッジの間のインターフェース媒体が、ゴム（例えば、ＲＴ６１５）、（弾性）ホイル（例えば、ＰＰ、ＰＰ系熱可塑性エラストマー、ＰＭＰ）、または熱可塑性ポリマー（例えば、ＰＰ）のような低減衰物質で製造されることができる。インターフェース層は、機器またはカートリッジの一部であってもよい。例えば、カプラと接触するカートリッジの下部層がまた、同時にインターフェース媒体ともなり得る。
【００８８】
本発明の他の例示的な実施形態によれば、伝播経路が、音響インピーダンスの勾配を有し、そのような勾配は、ソースからサンプルまでの方向に沿って単調に減少される。
【００８９】
このような実施形態は、音響エネルギー損失のさらなる減少を誘導することができるが、これは、伝播経路内の１つの要素から他の要素へのカップリングが、音響インピーダンスの勾配によって改善されるためである。伝播経路内でそのような音響インピーダンスのプロファイルを適用することにより、集束音響エネルギーの反射および吸収が減少される。これによって、与えられた電力のいっそう良好な送出（yield）および損失（spoil）を生じさせることができる。
【００９０】
音響エネルギーの伝播経路内で用いられた物質の音響インピーダンスは、ソース側の相対的に高い値から、サンプル／カートリッジサイトの相対的に低い値まで進められる。さらに、音響に関する原理的な法則を用いて、装置およびその要素の寸法、並びに物質に対する選択を最適化することができる。
【００９１】
本発明の他の例示的な実施形態によれば、フルソリッドカプラは、ソースとカートリッジとの間に位置した、物理的に分離された要素であるカプラ、ソースの一部であるカプラ、カートリッジの一部であるカプラ、並びにこれらの任意の組み合わせからなる群より選択される。
【００９２】
例えば、上部にポリマーカプラを具備する金属レンズと上部で組み合わせられた圧電変換器であるソースを具備する構成が可能である。また、同時に、レンズとしても作用する曲線型ソースが、曲線型ソースの上部でポリマーカプラを具備していてもよい。カプラは、ソースまたはカートリッジに物理的に結合することができるが、これらの要素に印加される外部圧力により、カプラが、これらの要素の上部で維持されることもできる。図１０乃至図１４を参照すると、ソースとカートリッジとの間でカプラを整列させて固定する、非常に多様な組み合わせが可能である。互いに加圧すること、一緒に接着すること、要素上にカプラを付着すること、さらに、これらの任意の組み合わせを用いて、カプラをソース上に、カートリッジ上に、レンズ上に、第２の追加のカプラ上に、さらに音響窓上に配置することも、本発明のこのような実施形態に含まれる。
【００９３】
本発明の他の例示的な実施形態によれば、さらに、生成した音響エネルギーをサンプル上に集束するためのレンズが含まれる。それにより、ソースとカートリッジとの間に位置した、物理的に分離された成分であるレンズ、ソースの一部であるレンズ、フォーカシング形状を有するソースであるレンズ、集束音響エネルギーを提供するソースのアレイであるレンズ、カートリッジの一部であるレンズ、低い音響減衰特性を有するポリマーで製造されたレンズ、金属レンズ、セラミックレンズ、ポリプロピレンレンズ、アルミニウムレンズ、ハイブリッドレンズ、およびこれらの組み合わせを含む群より、レンズが選択される。
【００９４】
レンズは、低減衰ポリマー、金属またはセラミックスで製造することができる。環境的な理由により、レンズは、消耗性部分に統合されることができ、さらに、ポリマー、例えばＰＰで製造することができる。
【００９５】
レンズの第１の特性として、レンズは、生成された音響エネルギーをサンプル上に集束することができる。伝達損失を減らすために、レンズがソースに付着されていてもよい。例えば、金属レンズが圧電変換器に固定され、集束音響フィールドの放出を提供することができる。また、すべての単一音響フィールドの重ね合わせが集束音響フィールドを提供する方式で、複数のソースのアレイが電子的に駆動されることができ、また、そのような方式で複数のソースのアレイが空間的に位置することができる。また、レンズがカートリッジの部分であってもよく、例えば、カートリッジの底部に固定することができる。さらに、このような例は、ソースがカートリッジの部分であるものも、さらに含むことができる。
【００９６】
また、多焦点性（multi-focality）を生成するために、ハイブリッドレンズが、本発明のこの例示的な実施形態において用いることができる。それにより、レンズが、２つ以上の互いに異なる放出区域を有し、これは、レンズの互いに異なる放出区域が、後続する要素の形状、表面粗さ、物質、およびこれらの任意の組み合わせの少なくとも１つにより、互いに独立であることを意味する。ハイブリッドレンズの機能を簡略に要約すると、入射される均質な音響フィールドが、ハイブリッドレンズにより、例えば２つの互いに異なる焦点域を有する非均質な音響フィールドに伝達されるようになる。
【００９７】
本発明の他の例示的な実施形態によれば、カートリッジの１つの単一チャンバ内で、集束音響エネルギーにより、サンプルに前処理および溶解が適用される。それにより、前処理は、試薬との混合、循環、綿棒からの細胞、病原菌およびマトリックスの放出、ブラシからの細胞、病原菌およびマトリックスの放出、液化、常温または高温で試薬および／または酵素を用いたサンプルのインキュベーション、振とう、混合；撹拌、抽出、ＮＡ抽出、フロー生成、サンプルのホモジナイゼーション、遠心分離、およびこれらの任意の組み合わせを含む群より選択された方法である。さらに、溶解は、試薬との混合、前処理中に印加された試薬とは異なる試薬との混合、循環、微生物の溶解、常温または高温もしくは上記の前処理中に適用される温度と異なる温度で試薬を用いたサンプルのインキュベーション、およびこれらの任意の組み合わせを含む群より選択される方法である。
【００９８】
１つの単一ソースに起因する集束音響エネルギーによる１つの単一チャンバ内での前処理および溶解のこのような組み合わせが、乾式カップリングを形成しないで適用されることができるということに、明確に留意しなければならない。完全に乾燥した媒体外部の伝播経路またはフルソリッドカプラを必要としない。
【００９９】
したがって、本発明の第２の側面は、カートリッジの１つの単一チャンバ内における、すなわち、特に同一のチャンバ内における、集束音響エネルギーによるサンプルに対する前処理および溶解の適用に関するものである。本発明のこのような側面の例示的な実施形態は、サンプルを処理するための集束音響エネルギーをサンプルに照射するための装置、機器を含む装置、カートリッジ、および音響エネルギーを生成するためのソースを提供する。カートリッジは、サンプルを収納するためのチャンバを具備する。機器およびカートリッジは、カートリッジを機器内に挿入することができるように構成される。カートリッジおよび機器は、分離可能である。前処理および溶解が、集束音響エネルギーによりカートリッジのチャンバ内でサンプルに適用することができるように、装置が設計される。
【０１００】
２側面の例示的な実施形態は、サンプルを処理するために、集束音響エネルギーをサンプルに照射するための対応する機器に関するものであり、前記機器は、音響エネルギーの生成のためのソースを含む。前記機器は、機器から分離可能なカートリッジを収納するように構成され、前記カートリッジは、サンプルを収納するためのチャンバを提供する。カートリッジが機器内に挿入される時、集束音響エネルギーにより、カートリッジのチャンバ内のサンプルに前処理および溶解を適用することができるように、機器が設計される。
【０１０１】
それにより、カートリッジは、他の例示的な実施形態において提供され、サンプルを処理するためにソースにより生成された集束音響エネルギーをサンプルに照射するための機器のためのカートリッジが、サンプルを収納するためのチャンバを含む。カートリッジは機器内に挿入されるように、また機器から分離可能に構成される。前記カートリッジが機器内に挿入されたとき、集束音響エネルギーによりチャンバ内のサンプルに対して前処理および溶解を適用することができるように、カートリッジが設計される。
【０１０２】
また、本発明のこのような側面の例示的な実施形態は、好ましくはそのような装置により、例えば、１つの単一ソースに起因するＨｉＦｕのような集束音響エネルギーにより、１つの単一チャンバ内のサンプルを前処理および溶解するための対応方法、そして、前記装置が前処理および溶解するための装置を制御するために用いられるとき、その装置がこのような対応方法のステップを実施するように構成されることを特徴とする、コンピュータプログラム要素に関するものである。
【０１０３】
これらの例示的な実施形態は、例えば、単一フォーカスのＨｉＦｕを用いることにより、単一チャンバ内で前処理および溶解を組み合わせることができるが、多焦点のＨｉＦｕも用いることができる。しかし、インキュベーションとの任意の組み合わせも可能である。
【０１０４】
言い換えれば、装置、対応する機器およびカートリッジ、対応する方法およびコンピュータプログラム要素によって、サンプルの前処理を行うための受動的なステップを回避することができる。使用上の容易性を高めるために、また、外部との流体的インタペーシングおよび汚染のリスクを減らすために、前処理がカートリッジに統合される。さらに、前処理および溶解機能が１つの単一チャンバ内に統合され、そのような単一チャンバは、処理および溶解を共に実施するための手続きおよび装置の複雑さ、費用および大きさを低減するためにＨｉＦｕに晒されることができ、および／または加熱および／または冷却することができる。有利には、前処理および溶解機能は、その機能の間でサンプルをチャンバから除去しなくても処理され、および／または、有利に完全自動化された方式で処理され、および／または、有利に順次もしくは同時に処理される。
【０１０５】
このような本発明の第２の側面は、前処理および／または溶解を必要とするすべての用途で用いることができる。用途は、健康、生命科学、食品産業および獣医学業務に制限されないものである。これは、発明のすべての実施形態と関連される。
【０１０６】
特に、難しい微生物の溶解のために、熱的な溶解を適用する従来技術は、幾つかの不十分な点を有する。これとは対照的に、本発明のこのような側面は、これらの問題の解決のために集束音響エネルギー、特にＨｉＦｕを用いる。そのような完全に統合された管内の準備および探知機器により、特に核酸（ＮＡ）、タンパク質または細胞の探知のために、サンプルイン・リザルトアウトのためのシステムが提供される。また、核酸分析、タンパク質分析および細胞分析が、いわゆるマイクロトータル・アナリシス・システムと指称される。
【０１０７】
さらに、現在の溶解方法は、研磨またはビーズ叩解を含むが、本発明では、そのような研磨およびビーズ叩解を回避することができる。
【０１０８】
一般的に、核酸サンプルの準備プロトコルは、細胞またはタンパク質の準備プロトコルよりもさらに複雑である。たとえ、本発明のこのような側面が、核酸サンプルの準備の主要部分に対するものでもあり得るが、そのようなものに制限されるものではない。
【０１０９】
このため、必要な前処理において、これらの偏差を収容するための高い可撓性を有する単一の溶液が必要とされる。本発明のこのような側面は、前処理および溶解プロトコルにおいて、高度の可撓性を含むこれらの要求を満足させる。
【０１１０】
本発明の他の側面の好ましい実施形態が、このような側面に対する好適で且つ開示された実施形態として見なされるべきであり、その反対もまた同様であることに留意しなければならない。
【０１１１】
本発明の他の例示的な実施形態によれば、装置が、２つ以上の互いに異なる焦点域をサンプルにおいて生成する方式で、装置が構成される。
【０１１２】
本発明のこの例示的な実施形態が、完全な乾式カップリングの特徴部を提供する必要なく、適用されたり、或いは実施されることができる。言い換えれば、装置による多焦点性の生成がまた、ノンソリッドカップリング材料と組み合わせられて用いられる。
【０１１３】
したがって、本発明の第３の側面は、サンプルにおける２つの互いに異なる焦点域の生成に関するものである。本発明のこのような第３側面の例示的な実施形態において、サンプルを処理するために、集束音響エネルギーをサンプルに照射するための装置が提供され、そのような装置は、機器、カートリッジおよび音響エネルギーの生成のためのソースを含む。カートリッジは、サンプルを収納するためのチャンバを具備する。機器およびカートリッジは、カートリッジを機器内に挿入することができるように構成される。カートリッジおよび機器は、分離可能である。そのような装置は、サンプルにおいて２つ以上の互いに異なる音響エネルギーの焦点域を生成するように設計される。
【０１１４】
また、本発明の第３の側面の例示的な実施形態は、サンプルを処理するために、集束音響エネルギーをサンプルに照射するための対応する機器に関するものであり、そのような機器は、音響エネルギーを生成するためのソースを含む。機器から分離可能であり、またサンプルを収納するためのチャンバを提供するカートリッジを収納するように、機器が構成される。機器は、カートリッジが機器内に挿入された時、サンプルにおいて２つ以上の互いに異なる音響エネルギーの焦点域を生成するように設計される。
【０１１５】
したがって、カートリッジは、他の例示的な実施形態において提供され、サンプルを処理するためにソースにより生成された集束音響エネルギーをサンプルに照射するための機器のためのカートリッジが、サンプルを収納するためのチャンバを含む。カートリッジは、機器内に挿入されるように、また機器から分離されるように構成される。前記カートリッジが機器内に挿入された時、集束音響エネルギーの２つ以上の互いに異なる焦点域をサンプルにおいて生成できるように、カートリッジが設計される。
【０１１６】
また、装置により、またサンプルに対する多焦点性を生成する装置を制御するための対応するコンピュータプログラム要素により、サンプルに対する２つ以上の互いに異なる焦点域を生成するための対応する方法もまた、このような実施形態に含まれるのは明白である。それにより、サンプルに多焦点性を生成するための装置で用いられるとき、そのような装置が対応する方法のステップを行うことができるように、コンピュータプログラム要素が構成されることを特徴とする。
【０１１７】
言い換えれば、互いに異なるフォーカス条件を提供するための２つ以上の互いに異なる焦点域を用いる処理プロトコルが提供される。例えば、混合のためのフォーカシング条件の場合、集束音響エネルギーによる液体の循環が、例えば、微生物に対する溶解を行うための要件とは相違することとなる。本発明のこのような実施形態は、これらの要件を満足させる。
【０１１８】
サンプルにおいて２つ以上の互いに異なる焦点域を提供することで、装置は、魅力的な単純で且つ低価の分子診断テストを提供することができる。また、圧電アレイの複雑な配列、複雑なシステムおよび／またはドライバを、本発明のこの例示的な実施形態により排除することができる。また、幾つかの互いに異なる機能性（例えば、混合、循環、および溶解など）が、２つの互いに異なる焦点域によって処理される１つのチャンバ内に統合されることにより、分子診断装置の小型化が可能となる。
【０１１９】
言い換えれば、分子診断装置は、サンプルに対して互いに異なる焦点域を適用するための多焦点性のＨｉＦｕ分子診断装置である。これは、互いに異なる処理機能性を生成および組み合わせるために用いることができる。例えば、ポイントと類似に集束ＨｉＦｕは、溶解を実施するのに最適であり、また、区域と類似に集束ＨｉＦｕが、混合および／または循環に対するのに最適である。それにより、ポイントの類似は比較的小さな焦点域を意味し、また区域類似のフォーカスは、比較的大きな焦点域を意味する。さらに、互いに異なる焦点域は、形状および大きさが異なっていてもよい。これらの互いに異なるフォーカシング要件は、本発明のこの例示的な実施形態により満たされることができる。
【０１２０】
また、ＨｉＦｕによる溶解は、高い音圧を必要とする。高い圧力は、生成された音響エネルギーの第１の高集束部分により、本発明のこの例示的な実施形態によれば達成される良好な品質のフォーカシングによって得られる。対照的に、綿棒から粒子または細胞を分離するために、例えば綿棒、ブラシのようなキャリアから排泄物（feces）を分離してホモジナイゼーションするために、チャンバに付加された試薬を有するチャンバ内に存在する液体をホモジナイゼーションするため、カートリッジの１つの単一チャンバで混合および循環が求められることがある。それにより、生成された音響エネルギーの第２の部分が、サンプルにおいて比較的大きな、区域と類似の第２の焦点域にフォーカシングされる。したがって、２つの互いに異なる処理機能性が同時に、１つの単一チャンバ内で、またユーザの如何なる受動介入もなくサンプルに対して適用されることができる。
【０１２１】
本発明の他の例示的な実施形態によれば、複数のソース、単一ソースとハイブリッドレンズ、互いに異なる粗さの区域を有する１つの単一ソース、およびソースの互いに異なる位置で、互いに別々で励起される１つの単一ソース、並びにこれらの任意の組み合わせを含む群より選択される要素によって、２つ以上の互いに異なる焦点域が生成される。そのような要素は、カートリッジ外部の要素として、またはカートリッジに属した要素として、もしくはカートリッジに統合された要素として具現することができる。
【０１２２】
複数のソースは、２つ以上の単一ソースおよびソースのアレイを含み、そのようなソースのアレイは、すべてのソースの重ね合わせフィールドが２つ以上の焦点域を有する全体フィールドを提供するようにする方式で、電子的に制御される。また、ハイブリッドレンズは、中等度のフォーカシング材料および高いフォーカシング材料からなることができる。このような材料は、多焦点性を提供するレンズの別の部分に位置することができる。例えば、凹形状のハイブリッドレンズが、トランスデューサのような偏平な表面に付着することができる。しかし、また中等度のフォーカシング材料および高いフォーカシング材料で製造された曲線状のハイブリッドレンズを具備した曲線型トランスデューサも可能である。これらの２つの互いに異なる材料の最適化された分布を見出すために、多様な構成に対して音響モデリングを行うことができる。例えば、レンズがポリプロピレンで製造することができる。また、レンズの半径は、装置の適用により変化されることがある。サンプルが位置する収納位置において多焦点性を生成するために、ソースはまた多様な粗さの区域を具備することができ、これは、ソースの表面が多様な表面粗さ値を有することができることを意味する。
【０１２３】
多くの放出区域、より具体的に、これらの区域のそれぞれの表面が、多様な粗さ特性を有することができる。これらの多くの粗さ特性は、区域の多様な音響照射特性を提供し、これは、２つ以上の互いに異なる焦点域を誘導する。それにより、ソースまたはトランスデューサ自体が、これらの区域を有することができる。しかし、またさらなる要素がトランスデューサの上部に付加されていてもよく、そのような要素は、このような多様な表面粗さの特性に従う。言い換えれば、このような可能性の要旨は、トランスデューサの表面が滑らかで粗い領域にセグメント化され、そのような滑らかで粗い領域はそれぞれ、高いまた中等度の集束音響エネルギー、特に、ＨｉＦｕをサンプルに伝達する。
【０１２４】
本発明の他の側面の好ましい実施形態は、このような側面に対する好適で且つ開示された実施形態として見なされるべきであり、その反対もまた同様であることに留意しなければならない。
【０１２５】
本発明の他の例示的な実施形態によれば、集束音響エネルギーが、サンプルの粘度を減少するために用いられる。
【０１２６】
本発明のこのような実施形態が、必ずしもすべての乾燥カップリングの特徴部を含む必要がないことに、明確に留意しなければならない。特に、フルソリッドカプラまたは完全な乾式伝播経路が、必須のものではない。
【０１２７】
したがって、本発明の第４の側面は、サンプルの粘性を低くするために、集束エネルギーを用いることに関するものである。本発明のこのような第４の側面の例示的な実施形態において、集束音響エネルギーをサンプルに照射してサンプルを処理するために装置が提供され、そのような装置は、機器、カートリッジ、および音響エネルギーの生成のためのソースを含む。カートリッジは、サンプルを収納するためのチャンバを具備する。機器およびカートリッジは、カートリッジを機器内に挿入することができるように構成される。カートリッジおよび機器は、分離可能である。装置は、サンプルの粘度を低くするために集束音響エネルギーを用いるように設計される。
【０１２８】
さらに、本発明の第４の側面の例示的な実施形態は、集束音響エネルギーをサンプルに照射してサンプルを処理するための対応する機器に関するものであり、そのような機器は、音響エネルギーを生成するためのソースを含む。機器は、カートリッジを収納するように構成され、そのようなカートリッジは、機器から分離可能であり、また、サンプルを収納するためのチャンバを形成する。カートリッジが機器内に挿入されたとき、サンプルの粘度を低くするために集束音響エネルギーを用いるように、機器が設計される。
【０１２９】
したがって、カートリッジが、他の例示的な実施形態において提供され、サンプルを処理するために、ソースにより生成された集束音響エネルギーをサンプルに照射するための機器のためのカートリッジが、サンプルを収納するためのチャンバを含む。カートリッジは、機器内に挿入されるように構成され、また機器から分離可能である。カートリッジが機器内に挿入されたとき、サンプルに印加される集束音響エネルギーによりサンプルの粘度を低くすることができるように設計される。
【０１３０】
また、例示的な実施形態は、好ましくは上記装置によって、サンプルの粘度を低くするための対応する方法、さらに対応するコンピュータプログラム要素を含む。それにより、コンピュータプログラム要素は、集束音響エネルギーをサンプルに照射してサンプルの粘度を低くするための装置を用いるとき、そのような装置が対応する方法のステップを行うことができるように構成されたことを特徴とする。
【０１３１】
例えば、ＢＡＬ、唾液、血液、排泄物または綿棒上に存在するすべてのその他のサンプルのようなサンプルの粘度を低くするために、本発明のこのような実施形態は、粘度減少のために集束音響エネルギー、例えば、ＨｉＦｕを用いることを提案する。このような方法は、完全なサンプルイン・リザルトアウトの解決方案で実行することができ、そのような解決方案において、サンプルの後続する前処理および溶解がカートリッジの１つのチャンバ内で行うことができる。それにより、唯一の単一ソースによって、粘度減少の完全なプロセス、さらなる前処理および溶解を行うことができる。
【０１３２】
例えば、以下の特徴を有するソースが、サンプルの粘度減少のために用いられる。３.０ＭＨｚトランスデューサは、直径が２５ｍｍであり、焦点距離が２２ｍｍである。また、カートリッジの底は、トランスデューサから１５ｍｍの距離でセッティングすることができる。例示的な５Ｗの電力が、約３００秒間サンプルに印加されることができる。そのようなＨｉＦｕの印加により、そのようなＨｉＦｕへの露出後に、サンプルはより均質になり、また、粘度が本来の粘度から、例えば水の粘度と類似した粘度まで低くなることができる。それにより、ＨｉＦｕの力が、分子の分子量を減少することができ、結果的に粘度を低くする能力と、さらに、プロセスチャンバ内においてサンプルを循環および混合することができる能力とを組み合わせると結論することができる。
【０１３３】
装置内のサブミリメートルの体積の範囲で循環および／または混合を必要とする任意の用途のために、本発明のこの例示的な実施形態を用いることができるのは明らかである。また、そのような用途は、生命科学、ラブオンチップ、およびｍＴＡＳ用途に含まれ得る。
【０１３４】
本発明の他の側面の好ましい実施形態が、このような側面に対する好適で且つ開示された実施形態として見なされるべきであり、その反対もまた同様であることに留意しなければならない。
【０１３５】
本発明の他の例示的な実施形態によれば、さらに、サンプルに対する測定を行うための探知ユニットが含まれる。それにより、集束音響エネルギーを用いたサンプルの照射が、サンプルの処理を誘導する。
【０１３６】
言い換えれば、このような本発明の例示的な実施形態は、完全なサンプルイン・リザルトアウトシステムを提供し、ここでユーザが、受動的なステップを実施する必要はない。サンプルが装置内に挿入され、また、集束音響エネルギーにより、サンプルが所望の方式によって処理される。後続または先行する測定が、探知ユニットにより、サンプルに対して適用することができる。それにより、装置は測定の結果を、例えば、ユーザに対するユーザインターフェースに伝達することができる。例えば、液化、撹拌、混合、循環、前処理、インキュベーションおよび溶解のような機能性が、集束音響エネルギーにより探知ユニットの任意の測定の前に、またはその後に行われる。それにより、完全に自動化されたシステムがユーザに提供される。
【０１３７】
本発明のこの例示的な実施形態が、すべての乾式カップリングの特徴を必ずしも含む必要がないことに留意しなければならない。特に、フルソリッド乾式カプラまたは完全な乾式伝播経路が、必須のものではない。
【０１３８】
したがって、本発明の第５の側面は、サンプルを測定するための探知ユニットに関するものである。本発明のこのような第５実施形態の例示的な実施形態において、サンプルを処理するために、集束音響エネルギーをサンプルに照射するための装置が提供され、そのような装置は、機器、カートリッジおよび音響エネルギーの生成のためのソースを含む。カートリッジは、サンプルを収納するためのチャンバを具備する。機器およびカートリッジは、カートリッジを機器に挿入するように構成される。カートリッジおよび機器は、分離可能である。装置は、サンプルに対する測定を適用するための探知ユニットを含む。
【０１３９】
また、本発明のこの例示的な実施形態は、サンプルを処理するために、集束音響エネルギーをサンプルに照射するための対応する機器に関するものであり、そのような機器は、音響エネルギーを生成するためのソースを含む。そのような機器は、機器から分離可能であり、またサンプルを収納するためのチャンバを形成するカートリッジを収納するように構成される。機器は、カートリッジが機器内に挿入されたとき、サンプルに対する測定を実施するための探知ユニットを含む。
【０１４０】
したがって、カートリッジは、他の例示的な実施形態において請求され、サンプルを処理するために、ソースにより生成された集束音響エネルギーをサンプルに照射するための機器のためのカートリッジが、サンプルを収納するためのチャンバを含む。そのようなカートリッジは、機器内に挿入されることができ、また機器から分離することができるように構成される。カートリッジが機器内に挿入されたとき、探知ユニットがサンプルに対する測定を適用するように、カートリッジが設計される。
【０１４１】
また、このような例示的な実施形態が、その装置によってサンプルに対する測定を適用するための対応する方法および対応するコンピュータプログラム要素を含むことに留意しなければならない。それにより、コンピュータプログラム要素は、サンプルイン・リザルトアウトシステムで用いるとき、そのような装置が対応する方法のステップを行うことができるように構成されたことを特徴とする。
【０１４２】
これは、例えば、ＨｉＦｕによるサンプルの管内処理を、さらに、同時に完全なサンプルイン・リザルトアウトシステムを誘導する管内探知を、可能とする。
【０１４３】
実施形態に係る装置であって、核酸を抽出、精製、増幅および探知することができる分子装置の場合、核酸の抽出および／または精製が、ソリッド表面上の吸収および／または脱離に基づいていると説明することができる。十分なキャプチャー面積を提供するすべての表面は、本発明の実施形態の一部として見なされなければならない。共通表面キャプチャーの実施形態は、（例えば、磁石）粒子およびメンブレンである。増殖目的のための十分な量の核酸を伝達可能ないずれのキャプチャー材料も、本発明の実施形態の一部として見なされなければならない。広く用いられる材料は、例えば、シリカ、磁化シリカ、鉄酸化物、アミノ基機能化ポリスチレンである。また、その他の材料も可能である。
【０１４４】
選択の探知ユニットおよびそれによる探知方法は、例えば、核酸、タンパク質または細胞探知のような適用分野に依存する。
【０１４５】
核酸増幅および探知に対して、例えば、多数の等温的で且つ熱的なサイクリング増幅方法が説明される。ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）がもっとも多く用いられる方法の１つである。本発明のこの例示的な実施形態に係るサンプルイン・リザルトアウトシステムは、サンプルがまたＨｉＦｕによって処理されるチャンバ内で、ＰＣＲ機能性を行う。
【０１４６】
ＰＣＲは、終了点およびリアルタイムＰＣＲ（ｒｔＰＣＲ）と称される、２つの下位カテゴリーにさらに分割される。これらのうちで、ｒｔＰＣＲがもっとも広く用いられる（ｒｔＰＣＲ増幅は、探知と並列的に行われる）。核酸の探知のために、例えば、蛍光マーカーのような探知可能なマーカーを用いるが、そのようなマーカーは、ＰＣＲ中に増幅された核酸内に統合される。他の探知可能なラベル、または、ひいてはラベルフリー方法も用いることができる。
【０１４７】
タンパク質探知の場合、抗体キャプチャー、および蛍光のような光学的読み出し、または磁気読み出しとの組み合わせのような一般の接近方式を用いることができる。
【０１４８】
細胞探知の場合に、光学的方法が算出、細胞形状などの分析のために広く利用されるが、誘電泳動および電気的性質がまた、細胞探知／特徴化のために用いることができる。
【０１４９】
本発明のこのような実施形態の前述したすべての探知可能性は、本発明のこのような実施形態で用いられる探知ユニットに対応する。それにより、具現されたサンプルイン・リザルトアウトシステムは、これらの探知または測定特徴がいずれも組み込まれている。
【０１５０】
本発明の他の例示的な実施形態によれば、探知ユニットは、光学的測定、磁気測定、熱的測定、電気的測定、化学的測定、音波測定、およびこれらの任意の組み合わせを含む群より選択されたサンプルに対する１つ以上の測定を適用するためのものである。
【０１５１】
そのような装置は、抽出ユニットと、核酸増幅ユニットと、試薬貯蔵ユニットと、探知ユニットと、サンプルに対する測定を適用するための探知ユニットのうちのいずれか１つ以上をさらに含み、前記探知ユニットは、光学的測定、磁気測定、熱的測定、電気的測定、化学的測定、音波測定、およびこれらの任意の組み合わせを含む群より選択されたサンプルに対する１つ以上の測定を適用するためのものである。このような実施形態により、装置は、例えば、抽出ユニットと、抽出ユニットおよび核酸増幅ユニットと、抽出ユニット、核酸増幅ユニットおよび探知ユニット、を含むことができる。これらのオプションのそれぞれにおいて、試薬貯蔵ユニットが、前の文章で挙げられたそれぞれのオプションの要素に追加で存在することができる。抽出ユニットは、装置によって処理されるサンプルから核酸が得られるようにする。核酸増幅ユニットは、サンプルから得られた核酸が、（例えば、ＰＣＲを用いて）増幅することができるようにする。試薬貯蔵ユニットは、例えば、抽出および／または増幅に必要な試薬を含む。
【０１５２】
測定可能性に対する広範囲なスペクトラムを提供するために、様々なタイプのセンサーおよび探知機が装置内に取り付けられる。さらに、サンプルを作動或いは処理するための現在の超音波手段を、可能性と組み合わせて音波測定を行うこともまた好ましいことである。また、探知ユニットが、カートリッジの一部になってもよい。言い換えれば、光学的読み出し、またその他の探知ラベル、例えば、磁気的、電気的、電磁気的、特に無線周波数適用技術、さらにラベルフリー方法も可能である。
【０１５３】
本発明の他の例示的な実施形態によれば、装置は、さらに、処理プロトコル、データプロセッサ、ディスプレイおよびユーザインターフェースを調整するためのプロセスを含む。
【０１５４】
本発明の他の側面の好ましい実施形態が、このような側面に対する好適で且つ開示された実施形態として見なされるべきであり、その反対もまた同様であることに留意しなければならない。
【０１５５】
本発明の他の例示的な実施形態によれば、フルソリッドカプラは、ポリマー系の材料で製造され、さらに、ポリマー系の材料は、以下を含む群より選択されたガラス転移温度Ｔgを有する：Ｔg≧−３０℃；Ｔg≧−１０℃、Ｔg≧−５℃；Ｔg≧２０℃；Ｔg≧４０℃；Ｔg≧６０℃；Ｔg≧８０℃；Ｔg≧１００℃；Ｔg≧１２０℃；Ｔg≧１３０℃；Ｔg≧１４０℃；Ｔg≧１５０℃；および、Ｔg≧１６０℃。
【０１５６】
フルソリッドカプラの材料のガラス転移温度との連関性は、ＨｉＦｕの強度が大きいほどより重要になる。低強度の場合、例えば、トランスデューサの入力電力（Ｐ）が３Ｗａｔｔよりも小さいときは、ガラス転移温度の値は連関されない。このようなことが、図２２に示されている。中等度の強度、すなわち、Ｐが、例えば３乃至６Ｗａｔｔであるとき、前述したように、そして後述するように、自己強化減衰が、十分に高いガラス転移温度Ｔgを有するポリマーに求められる、より重要な役目をするようになる。例えば、６Ｗａｔｔより高強度で、ガラス転移温度Ｔg値に基づいたポリマーの選択に対する連関性が、より重要となる。
【０１５７】
常温での大きな強度のＨｉＦｕを適用する時、ガラス転移温度Ｔgが、常温よりも高い（約５０℃）必要がある。
【０１５８】
ガラス転移温度Ｔgが比較的高い材料は、ガラス転移温度Ｔgが低い材料とは対照的に、装置の作動中に、それによって音響エネルギーを伝達する間にそれらの低い減衰特性を維持するということが分かった。それにより、このような低い減衰−高いガラス転移温度Ｔgの材料をフルソリッドカプラとして適用することは、例えば、サンプルの処理、例えば、細胞の溶解に係る非常に効果的な超音波強度の伝達を可能とする。特に、ＨｉＦｕ適用の場合、前述したように、これは、本発明によって実現される好ましい効果となる。言い換えれば、このような材料を用いることで、ソースに提供された減少された電力が、焦点域における特定のＨｉＦｕ電力を実現することができる。それにより、処理および／または前処理機能性が、減少された電力値によっても具現することができる。これは、エネルギーおよび費用の節減を可能とする。言い換えれば、本発明によって、カップリング材料の自己強化減衰の効果を排除することができる。それにより、伝播経路のメートル当たりの減衰が、減少され得る。
【０１５９】
本発明のこの例示的な実施形態をよりうまく理解することができるように、物理的なプロセスに関する以下の説明が参照される。
【０１６０】
減衰の本質的な性質により、カプラ材料温度が増加し始めることができる。また、音響エネルギーの減衰もまた同時に増大される。本発明のこの例示的な実施形態により、例えば、ＭＨｚ範囲でのＨｉＦｕ作業中に温度が高くなり始める時でも、比較的に低い減衰を維持することができる利点を有する材料が提供される。
【０１６１】
例えば、そのような材料は、ガラス転移温度Ｔgが約１８℃であるポリプロピレン、ガラス転移温度Ｔgが約６０℃であるエポキシ、さらに、ガラス転移温度Ｔgが約６０℃、約１００℃および約１２５℃であるシリコンであり得る。
【０１６２】
十分に高いガラス転移温度Ｔgが、テストの開始での減衰、超音波強度、セットアップの熱伝導度（生成された熱の運搬）、および露出時間に連関されることに留意しなければならない。
【０１６３】
言い換えれば、特定のガラス転移温度Ｔg値を有するポリマーの選択は、フルソリッドカプラとしてのポリマーを通じたＨｉＦｕ伝達の開始時の、そして、それによる吸収または熱発生が開始する前のポリマーの減衰値のような幾つかのパラメータに依存する。また、印加されたソースの電力もしくは強度は、ポリマーの選択を決定する。さらに、カプラ周囲の熱伝導度は、十分に高いガラス転移温度Ｔg値を有するポリマーの選択に影響を及ぼすパラメータとなる。ＨｉＦｕが平衡に到逹するほどに十分長く露出されると、カプラ周囲のシステムの高い熱伝導度は、遅い温度の上昇をもたらし、また低い最大温度をもたらす。
【０１６４】
これは特に、比較的に高い強度の超音波を適用する場合に連関する。例えば、サンプル内においてＨｉＦｕエネルギーで溶解を行う時、必要な電力は、相対的に高い。それにより、ＨｉＦｕを用いた溶解方法の場合に、このような例示的な実施形態が非常に有利である。
【０１６５】
言い換えれば、ソースとカートリッジである対象との間の伝播中に存在するフルソリッドカプラは、減少された音響エネルギーの減衰を有する。また、物質インターフェースを通過するときに、反射損失を最小化するために、音響エネルギーを伝達する物質のチューニングされた或いはマッチングされたインピーダンスを用いることができる。
【０１６６】
それにより、装置は、以下のような可能な利点を有する完全な乾式カップリングを形成する。すなわち、熟練していないオペレータによって他の適用の実施ができるという結果であって、オペレータに対する使用容易性および往復時間の減少である。
【０１６７】
ポリマーは、カプラとして用いられる材料の特に好ましい種類であるが、これは、利用可能な材料の豊かな多様性、形状および寸法に係る設計自由度、容易な複製並びにそれによる安い費用のためである。これに関することが、図２１乃至２３により具体的に示されている。
【０１６８】
本発明の他の例示的な実施形態によれば、ポリマー系の材料は、以下の群より選択された硬化温度Ｔcにて硬化される：Ｔc≧２０℃；Ｔc≧４０℃；Ｔc≧６０℃；Ｔc≧７０℃；Ｔc≧８０℃；Ｔc≧９０℃；Ｔc≧１００℃；Ｔc≧１１０℃；Ｔc≧１２０℃；Ｔc≧１３０℃；Ｔc≧１４０℃；Ｔc≧１５０℃；Ｔc≧１６０℃；Ｔc≧１７０℃；および、Ｔc≧１８０℃。
【０１６９】
フルソリッドカプラの減衰は、ポリマー製造中にポリマー系の材料の硬化温度が高くなった時、その他の事情の変化がなければ、さらに減少するようになる。また、これは、図２１乃至図２３に具体的に示されている。
【０１７０】
硬化プロセスステップを含むポリマーの製造中に、硬化プロセスステップ中の硬化温度が、構築されたポリマー材料のガラス転移温度を少なくとも部分的に決定するということが分かった。前述したように、十分に高いガラス転移温度Ｔg値は、ＨｉＦｕ分子装置での適用に関する特定の利点を有する。それにより、硬化温度を特定値に規定することで、ガラス転移温度Ｔg値が、ポリマーにおいて実現され得る。そのようなプロセス段階は、本発明の他の例示的な実施形態に係る方法の一部となることができる。
【０１７１】
本発明の他の例示的な実施形態によれば、サンプルを処理するために、集束音響エネルギーをサンプルに照射する方法が提供される。この方法は、機器を提供するステップと、カートリッジを提供するステップと、フルソリッドカプラを提供するステップと、音響エネルギーを生成するためにソースを提供するステップと、カートリッジを機器内に挿入するステップとを含む。また、カートリッジは、サンプルを収納するためのチャンバを具備し、カートリッジを機器内に挿入することにより、ソースとカートリッジとの間に音響エネルギーの完全な乾式カップリングが提供される。カートリッジおよび機器は、分離可能である。
【０１７２】
本発明の他の実施形態によれば、サンプルを処理するために、集束音響エネルギーをサンプルに照射するための機器が提供される。機器は、音響エネルギーの生成のためのソースと、フルソリッドカプラとを含み、前記機器は、サンプルを含むカートリッジを収納するように構成され、前記カートリッジが機器内に挿入された時、前記フルソリッドカプラは、ソースとカートリッジとの間で音響エネルギーに対する完全な乾式カップリングを形成する。
【０１７３】
前記カートリッジおよび機器は、分離が可能であり、また、前記機器およびカートリッジは、前述した実施形態のうちのいずれか１つによる装置を形成する。
【０１７４】
例えば、１つの単一チャンバ内での混合および／または溶解のような機能性または方法を用いてサンプルを処理するために、本発明のこのような実施形態が、ＨｉＦｕ音響エネルギーとともに用いることができる。また、機器は、光学的、電気的、磁気的および／または機械的測定のための探知機、および励起ソースを含むことができる。さらに、レンズが機器に含まれていてもよい。
【０１７５】
言い換えれば、乾式カップリングを、機器の一部であるフルソリッドカプラによって具現することができる。カートリッジの存在に先立って、ソースからフルソリッドカプラを通じた完全な乾式伝播経路が具現される。カートリッジを機器内に挿入することにより、ソースとサンプルとの間の全体的な乾式伝播経路が完成され、また音響エネルギーが、サンプルの処理のためにサンプルに伝達され得る。
【０１７６】
本発明の他の実施形態によれば、サンプルを処理するために、集束音響エネルギーをサンプルに照射するための機器のためのカートリッジが提供され、そのようなカートリッジは、サンプルを収納するためのチャンバと、フルソリッドカプラとを含み、前記カートリッジは、機器内に挿入されるように構成される。また、カートリッジが機器内に挿入された時、フルソリッドカプラは、ソースとカートリッジとの間で音響エネルギーの完全な乾式カップリングを形成し、前記カートリッジおよび機器は、分離可能であり、また前記機器およびカートリッジは、前述した実施形態のうちのいずれかによる装置を形成する。
【０１７７】
フルソリッドカプラを、カートリッジに永久的に固定することができる。しかし、他の方式も可能である。ソースが、例えば、機器の一部であってもよい。カートリッジを機器内に挿入することにより、カートリッジとサンプルの間の完全なソリッド伝播経路が形成される。
【０１７８】
また、ソースがカートリッジに含まれていてもよい。それにより、カートリッジを機器内に挿入することで、機器からの電気的リードがソースと接触して、電気的エネルギーをソースに提供することができる。
【０１７９】
２つの前述した実施形態の場合、フルソリッドカプラが、全体の伝播経路を単独で形成する必要がないように、また他の付加的な乾式カップリング要素が提供され得るように、フルソリッドカプラが機器またはカートリッジに整列されることに、明確に留意しなければならない。それにもかかわらず、必要な場合に、本発明の例示的な実施形態が、このようなことを具現することができる。
【０１８０】
コンピュータユニットが機器の一部になり得ることに、さらに注意しなければならない。これは、機器と通信する独立的なユニットであってもよく、またはコンピュータ作業を、コンピュータユニットと機器とにわたって分配することもできる。
【０１８１】
本発明の例示的な実施形態として、前述したすべてのコンピュータプログラム要素をコンピュータユニットに記憶することができるということに、また留意しなければならず、このようなこともまた、本発明の実施形態の一部となる。このようなコンピュータユニットは、前述した方法のステップを行うように、またはそのような実施を誘導するように構成することができる。また、それは、前述した装置の要素を作動させるように構成することができる。コンピュータユニットは、自動的に作動するように、および／またはユーザの命令を実行するように構成することができる。また、コンピュータユニットは、ユーザからの入力を処理するように、ユーザからの選択を要請することができる。
【０１８２】
コンピュータプログラム要素に係る実施形態は、開始してからすぐにコンピュータプログラム要素を用いるコンピュータプログラムと、更新することで現在のプログラムを本発明を用いるプログラムに切り換えるコンピュータプログラムと、両方ともカバーする。
【０１８３】
本発明のさらなる実施形態によれば、コンピュータ読み取り型媒体が提供され、前記コンピュータ読み取り型媒体は、そのような媒体に保存されたコンピュータプログラム要素を含み、前記コンピュータプログラム要素は、前述したような、または以下のセクションによって説明される。
【０１８４】
本発明の要旨として、機器から分離可能な消耗性カートリッジは、カートリッジが機器内に挿入された時、集束音響エネルギーのための完全な乾式カップリング伝播経路を生成する。それにより、乾式カップリングは、音響エネルギーを生成するソースからサンプルまで到達される。
【０１８５】
本発明の一部の実施形態を、それぞれ異なる主題を参照して説明したことに留意しなければならない。特に、一部の実施形態は、方法の請求項を参照して説明された一方、他の実施形態は、装置の請求項を参照して説明された。しかし、いわゆる当業者であれば、上述した説明および以下の説明から、特に記載がない限り、一タイプの請求の対象に属する特徴または任意の組み合わせに加えて、他の請求の対象に関する特徴の間の任意の組み合わせも、本願の範囲に含められるということが理解できるはずである。
【０１８６】
本発明の前述した側面およびさらなる側面、特徴および利点が、以下において説明する実施形態の例から得られることがあり、また、実施形態の例を参照して説明される。以下では、実施形態の例を参照して本発明をより具体的に説明するが、本発明は、実施例に制限されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【０１８７】
【図１】本発明の例示的な実施形態によるサンプルを処理するために集束音響エネルギーをサンプルに照射する装置を示す概略図
【図２】本発明の例示的な実施形態に係る音響窓を有するカートリッジの概略図
【図３】本発明の例示的な実施形態に係るカートリッジの概略図
【図４】本発明の例示的な実施形態に係る装置のソースの概略図
【図５】本発明の例示的な実施形態に係る装置のソースの概略図
【図６】本発明の例示的な実施形態に係る装置のソースの概略図
【図７】本発明の例示的な実施形態に係る装置のソースの概略図
【図８】本発明の例示的な実施形態に係る装置のソースの概略図
【図９】本発明の例示的な実施形態に係る機器の幾つの構成要素の概略図
【図１０】本発明の例示的な実施形態に係る装置の可能な構成に対する例示的な概観図
【図１１】本発明の例示的な実施形態に係る装置の可能な構成に対する例示的な概観図
【図１２】本発明の例示的な実施形態に係る装置の可能な構成に対する例示的な概観図
【図１３】本発明の例示的な実施形態に係る装置の可能な構成に対する例示的な概観図
【図１４】本発明の例示的な実施形態に係る装置の可能な構成に対する例示的な概観図
【図１５】本発明の例示的な実施形態に係る装置で用いられる電子構成要素の概略図
【図１６】本発明の例示的な実施形態に係る装置によって処理される処理プロトコルを示す図
【図１７】本発明の例示的な実施形態によるサンプルに対する多焦点性を生成する装置を示す概略図
【図１８】本発明の例示的な実施形態によるサンプルに対する多焦点性を生成する装置を示す概略図
【図１９】本発明の例示的な実施形態によるサンプルに対する多焦点性を生成する装置を示す概略図
【図２０】本発明の例示的な実施形態に係る方法を示したフローチャート
【図２１】本発明の例示的な実施形態によるサンプルを処理するために集束音響エネルギーをサンプルに照射するための装置の概略図
【図２２】本発明の例示的な実施形態によるサンプルを処理するために集束音響エネルギーをサンプルに照射する装置から得られる結果を示す図
【図２３】本発明の例示的な実施形態によるサンプルを処理するために集束音響エネルギーをサンプルに照射する装置から得られる結果を示す図
【発明を実施するための形態】
【０１８８】
図面において類似するか或いは関連のある構成要素に対しては、同一の図面符号を付与した。図面は概略的なものであり、また実寸大のままに示されたのものではない。
【０１８９】
図１は、本発明の例示的な実施形態によるサンプルを処理するために集束音響エネルギーでサンプル１０１を照射する装置１００を示している。そのような装置が、音響エネルギーの生成のための機器１０２、カートリッジ１０３、およびソース１０５（点線のみで図示する）からなる幾つの構成要素を具備することが明らかに確認される。また、ソース１０５から始まってサンプル１０１で終わる音響エネルギーの伝播経路１０６（一点鎖線）が、概略に示されている。それにより、カートリッジが、サンプル１０１を収納するためのチャンバ１１０を具備する。示された機器１０２の内部において、非流体物質のない伝播経路を生成するために、フルソリッドカプラ（図示省略）１０４が形成される。それにより、ソース１０５およびフルソリッドカプラ１０４が機器１０２の内部に位置され、そのため、直接的には見えない。また、カートリッジを機器内に挿入するために機器１０２およびカートリッジ１０３が構成され、この時、カートリッジおよび機器は、分離可能である。ソース、レンズ、フルソリッドカプラおよび音響窓のように隠蔽された構成要素は、図９の分解図および図２からそれぞれ、確認することができる。
【０１９０】
さらに、集束音響エネルギーにより可能となる処理の後或いはその前に、サンプルに対する測定を行うための探知ユニット１１１、例えばセンサーが、カートリッジの内部に示されている。また、処理プロトコルを調整するためのプロセッサ１１２が示されており、そのようなプロセッサは、探知ユニット１１１と連結されて、またディスプレイ１１４およびデータプロセッサ１１３に連結される。処理プロトコルを調整するためのプロセッサ１１２が装置１００に連結され、また、さらに探知ユニット１１１に連結される。それにより、プロセッサ１１２は、このような完全なサンプルイン・リザルトアウトシステムを制御することができ、そのようなシステムでは、特にＨｉＦｕにより集束音響エネルギーによる完全自動化方式のサンプル処理が、分析および測定、例えば、光学的測定、磁気測定、熱測定、電気測定、化学的測定、音波測定、およびこれらの任意の組み合わせと結合されることができる。
【０１９１】
ＨｉＦｕおよびそれに対応する（例えば、２０ｋＨｚ-１００ｋＨｚの範囲で作動する公知の超音波印加に比べて）短い波長の利用により、焦点域の大きさを減少することができ、それによって、全体の分子装置の小型化が可能となる。例えば、非常に制限された空間のみを用いることができるため、実際に小さなサイズのシステムを必要とする病院または実験室の要求事項を考慮する時、これは、本発明に示された実施形態の非常に重要な利点となる。また、機能性処理、前処理、溶解、および、以前または後続して実施される測定の組み合わせが、サンプル処理、または分子診断の費用および時間を節減することができる。
【０１９２】
さらに、多焦点設定を有する装置１００などを提供することができる。それにより、装置は、サンプル１０１において２つ以上の互いに異なる焦点域を生成する。これは、２つ以上の互いに異なるソース、単一ソースおよびハイブリッドレンズ、または多様な粗さのストーンを有する単一ソースにより行うことができる。また、これらの可能性の組み合わせも、また可能である。
【０１９３】
また、このような装置１０１は、集束音響エネルギーにより、特にＨｉＦｕを用いることにより、サンプルの粘度を減少するために用いることができる。
【０１９４】
さらに、装置は、１つのチャンバ１１０内で、唯一の単一ソース１０５に起因する集束音響エネルギーにより、前処理および／またはインキュベーションおよび／または溶解を組み合わせることを可能とする。特に、ＨｉＦｕの印加が可能である。それにより、前処理および溶解が、以上のセクションで説明された多様な機能性を含むことができる。これは、両機能性を１つのチャンバに統合することにより、そのようなサンプル処理または分子診断の費用および時間を節減することができ、また、装置の必要な空間も低減することができる。また、装置の技術的な複雑性も、減らすことができる。
【０１９５】
前処理方法または分解方法が、集束音響エネルギーにより、特にＨｉＦｕにより処理するか、または実施することができ、それによって、サンプルの位置でＨｉＦｕスポットを生成する音響ソースまたはトランスデューサが、サンプルの前処理および／または溶解を提供する。しかし、分子診断装置に統合可能であり、また上記の方法を行うのに必要なその他の装置なども、所望の方法を提供することができる。例えば、追加の加熱装置、冷却装置、または供給ラインを有する試薬印加装置（分配装置）が分子診断装置に統合され、高い温度のさらなる試薬を有するインキュベーションを誘発することができる。
【０１９６】
試薬は、例えば、先ず混合され、次いで、３７℃でインキュベートすることができるリゾチーム酵素であってもよい。特に、混合、循環、液化およびホモジナイゼーションが、ＨｉＦｕを用いたサンプルの照射により行うことができる。
【０１９７】
また、図１に示された装置１００を用いて、ＨｉＦｕにより、例えば、グラム陰性バクテリアおよびグラム陽性バクテリア、菌類および酵母のような微生物を溶解することができる。溶解は、さらに、常温または高温における試薬を用いたサンプルのインキュベーションを含むことができる。試薬は、例えば、ＧｕＨＣｌ／ｐｒｏｔ  ＫまたはＧｕＳＣＮであってもよく、上記の ＧｕＨＣｌ／ｐｒｏｔ  Ｋは、先ず混合され、次いで、約５６℃でインキュベートされて、さらに選択的に周辺温度まで冷却され、上記のＧｕＳＣＮは、先ず混合され、次いで、約７０℃でインキュベートされて、さらに選択的に約２５℃まで冷却される。
【０１９８】
或いは、チャンバは、チャンバの排出口においてフィルターを具備し、または排出口チャンネル内にフィルターを具備して、カートリッジの抽出機能性に破片が移送されないように保障する。
【０１９９】
図２は、カートリッジ１０３の音響窓１０７を示し、この時、音響窓は、プラスチックホイル１０８として示されたフレキシブルな材料で製造される。底面図に示された円形状の音響窓１０７は、インターフェース媒体であるプラスチックホイル１０８により覆われることが認められ、前記インターフェース媒体は、まずカートリッジ１０３の形状に、また、次にフルソリッドカプラに自分を合わせることができ、または、ソースが、示された表面１０８上でプラスチックホイルと直接に接触するようになる。‘１１５’は、フレキシブルホイルが例えばレーザ溶接される、カートリッジの底部分を示す。
【０２００】
図３は、図２に対比して１８０゜回転された正常な配向または作業配向状態で、チャンバ１１０とともにカートリッジ１０３を示している。言い換えれば、図２は、カートリッジの底部分１１５をその底面とともに示し、また図３は、底部分１１５と共にカートリッジを上部面から示している。示されたカートリッジおよびホイルは、図１の装置１００内に挿入される１つのユニットとして共にクランプすることができ、さらに機器１０２の上部に押しつけることができる。このような挿入プロセスは、図１のソース１０５（点線で示される）から図１のサンプル１０１まで音響エネルギーを伝達するための伝播経路を形成する。
【０２０１】
図４は、例示的な実施形態に係る装置で用いられるソースの可能な例を示し、ここでは、ソース１０５およびカプラ１０４が示されており、ここに示された例は、ポリマーカプラである。
【０２０２】
図５は、集束音響エネルギー、特に、ＨｉＦｕを生成するソースの別の例を示し、ここでソース１０５は、圧電変換器であってもよく、さらに金属レンズ１０９が、例えば、フラットトランスデューサの上部に固定される。さらに、カプラ１０４は、例えば、ポリマーカプラである。
【０２０３】
それとは対照的に、図６は、曲線型ソース１０５がポリマーカプラ１０４と組み合わせられたポリマーカプラの構成を示している。さらに、レンズ上部の、例えば他のポリマーカプラを具備するポリマーカプラの上部に、例えばレンズが位置され、カートリッジに向けた効果的な乾式カップリングを形成することができる。
【０２０４】
図７は、圧電構成を示したものであり、ここで、自然フォーカシングソース１０５として作用する、フラット型圧電変換器が示されている。さらに、非常に薄いポリマー層が塗布されて表面の粗さを変更することにより、乾式カップリングの効率を高めることができる。さらに、電気リードもまた示されている。
【０２０５】
図８は、ソース要素の他の可能な構成を示しており、ここで、金属レンズ１０９が、ソース１０５として作用するフラット型トランスデューサに直接に接触される。図１０および図１４から見られるように、これらの構成の任意の組み合わせが可能であり、これは、適用の範囲を拡大させる。
【０２０６】
図９は、ヒットシンク９００、多様なハウジングリング９０１、および、追加のリング９０２を含む機器１０２を示した分解図であり、前記ハウジングリングは、ポリマーベースの材料またはソリッドゲルであってもよいフルソリッドカプラ１０４のためのハウジングを部分的に構成する。また、ソース１０５が、圧電変換器として示されている。そして、フルソリッドカプラ１０４が点線で示されている。これらの要素は、機器１０２の一部であってもよく、またそれらは、収納要素を構築することができ、そのような収納要素は、ホイルクランプ９０３の上部でカートリッジを挿入することにより、非流体物質のみからなる伝播経路を生成する。要素９０１、９０２および９０３は、またカプラのハウジングの一部である。ハウジングリング９０１の数を選択することによりカプラの高さが変更可能となるように、ハウジングが作製される。ホイルクランプ９０３が、カプラを覆うために用いられるホイル（図示省略）にクランプされる。
【０２０７】
図１０は、乾式カップリングを生成するための可能性の組み合わせを示している。それにより、第１列は、カートリッジ１０３のセットアップに関する情報を提供し、第２列は、カプラ１０４のセットアップに関する情報を提供し、第３列は、レンズ１０９のセットアップに関する情報を提供し、また第４列は、ソースまたはトランスデューサ１０５のセットアップに関する情報を提供する。５個の異なる構成が例として示されていることが確認される。‘１００１’は、ソリッドゲルカプラの構成を示し、この時、‘１００２’は、金属レンズポリマーカプラの構成を示し、‘１００３’は、ポリマーカプラの構成を示している。‘１００４’は、乾式カップリングに対する解決策を提示し、この時、圧電のみからなる構成（この時、圧電は、トランスデューサの粗さ表面を変更するための薄いポリマー層を具備する）が用いられ、‘１００５’は、乾式カップリングの達成のために、金属レンズ構成がどのようにセットアップされ得るかを示している。‘１００１’は、ソースがレンズのように成形することができ、それによって音響エネルギーの生成およびフォーカシングを規定する。また、カラム１００２では、レンズが、例えば、ソリッドカプラ１０４によって共に接着することができ、さらに物理的に組み合わせ可能であることを示している。また、カラム１００３に示されているように、フルソリッドカプラ１０４が、ソース１０５に直接付着することができる。しかし、また‘１００４’に示されているように、カートリッジと圧電ソースとの間の直接的な接触も可能である。さらに、金属レンズの構成は、曲線状のソース１０５が、両面が凹状のレンズ、例えば、金属レンズに付着することができることを説明する。
【０２０８】
別のセットアップ可能性が、図１１、１２、１３および１４において詳細に示された‘１１００’に示されている。このような詳細な図示は、図１０でさらに具体的であるが、これは、要素がカートリッジの一部であるか、ソースの一部であるか（これは機器の一部を意味する）、或いは物理的に分離された要素であるか否かを区分するために、２個の追加的な列が挿入されるためである。
【０２０９】
すべての図示且つ説明された要素が、トランスデューサの一部、またはカートリッジの一部であってもよく、或いは物理的に分離された要素であってもよいということに、明確に注意しなければならない。また、多くの機能性を分離するために、任意の要素の組み合わせを用いることができる。例えば、可撓性の大きな薄いホイルを用いて、トランスデューサの形状に合わせることができる。ホイルより減衰も少なく、可撓性の小さなフルソリッドカプラと組み合わせられる時、これは、機能性の減衰および可撓性の分離に相当する。これは、効率的な乾式カップリングを達成するためのさまざまな要素の好ましい組み合わせを誘導する。
【０２１０】
列１１０１は、流入（entry）があれば、フルソリッドカプラがカートリッジの一部であることを示している。それとは対照的に、‘１１０２’は、フルソリッドカプラがソースの一部であり、それによって機器の一部であることを示している。また、両可能性は、装置に同時に整列することができる。第３の可能性１１０４は、フルソリッドカプラが伝播経路内に挿入される、物理的に独立した要素であることを示している。レンズとソースの組み合わせ１１０３が提供されるということが、もう一度確認される。図１１乃至図１４に示されているように、例えば、ＨｉＦｕを用いる装置の乾式カップリングのための非常に多様なセットアップの可能性が考えられる。
【０２１１】
図１５は、集束音響エネルギーを生成するために用いられる例示的な電子要素１５００を示している。それにより、可能な関数生成装置、電力増幅器、スコープおよび超音波変換器が一緒に連結され、音響フィールドを生成する。放出された音響エネルギーが集束後に、これは、サンプルに衝突し、また多様な音響化学的または音響物理的反応を誘発する。これは、装置によって誘発されるサンプルの処理となる。言い換えれば、図１５は、セットアップパフォーマンスを生成および検査するためのラボセットアップの構成を示している。産業用装置は、スコープおよび関数生成装置を含むことなく、そして増幅器が特定のオーダーメード型に製造された電子装置に具現されることができる。
【０２１２】
図１６は、唯一の単一ソースによって、１つの単一チャンバ内で前処理および溶解を適用するための有り得る処理プロトコルを示している。処理プロトコル１６００は、幾つのステップを有し、例えば、プロトコルは、サンプルのＨｉＦｕ処理１６０３で開始され、次いでに混合１６０４がサンプルに印加されて、この時、後で他の物質を用いたインキュベーション１６０５が可能である。続いて、さらなる混合およびインキュベーションステップが可能である。音響化学的または音響物理的な相互作用によって音響エネルギーにより生成または誘発されたこれらの多様な機能性は、いずれも前処理１６０１の一部である。次いで、分解１６０２が同一の単一チャンバ内で行うことができ、また処理を進めた同一の単一ソースによって誘発されることができる。可能なステップとして、混合およびインキュベーションが言及されることがある。しかし、同様に特別なＨｉＦｕ分解１６０６およびさらなるフィルターステップ１６０７が可能である。それにより、参照番号１６０８は、探知されるターゲット物質を有するすべてのサンプル、例えば、排泄物、血液、尿、唾液、ＢＡＬ、ＣＳＦ、組職、綿棒またはブラシを示す。また、第１の前処理試薬（例えば、化学的化合物および／または酵素）が‘１６０９’に示されている。第２の前処理試薬（化学的化合物および／または酵素）が、参照番号１６１０で示されており、‘１６１１’は、第３の前処理試薬（化学的化合物および／または酵素）を示す。第１の分解試薬（化学的化合物および／または酵素）が‘１６１２’に示されている。‘１６１３’は、例えば、シリカにおけるＤＮＡ結合を準備するための抽出試薬を示している。図面は単に例示的な実施形態を示したものであり、フィルターが、必ずしも分解チャンバの内部に位置する必要はない。
【０２１３】
図１７は、本発明の他の例示的な実施形態に係る装置の多焦点性セットアップ１７００を示している。サンプル１０１を有するチャンバ１１０を具備したカートリッジ１０３が、またサンプル上側の空気体積１７０１を具備する可能性を特徴とすることが認められる。また、第１の焦点域１７０２および第２の焦点域を示す‘１７０３’を生成するために、２つの互いに異なるソース１０５がセットアップに適用される。また、物質の加熱を避けるために、そして焦点域における高い強度を具現するために、カートリッジの音響窓は、少ない減衰および最小厚さを有しなければならない。大量生産の場合に、射出成形が可能であるポリマーが好ましい。焦点域がチャンバの壁と接触しない方が好ましい。高い強度において、接触は、壁の溶融をもたらすことがある。焦点域が大きいトランスデューサ１７０２が、空気体積１７０１の反対側に位置することが、さらに好ましい。これは、最適の混合および循環をもたらし、さらにチャンバ壁の溶融可能性を低くすることができる。
【０２１４】
図１８ａおよび１８ｂは、例えば、唯一の単一ソースにより生成可能なＨｉＦｕの範囲で作動する装置の多焦点性を示している。それにより、図１８ａは、第１の放出区域１８０１および第２の放出区域１８０２、および第３の放出区域１８０３を有するハイブリッドレンズ１８００を有する多焦点性セットアップ１７００を示している。また、同心的なセットアップにおいて、第１および第３の放出区域が同一であることができる。さらに、サンプル１０１内において、３つの互いに異なる焦点域１８０４乃至１８０６が生成されるということが確認される。それにより、同心的なセットアップにおいて、‘１８０４’および‘１８０６’は、第２の焦点域１８０５の周囲のリング様形状の同一の焦点域を示す場合になる。
【０２１５】
ソース１０５は、フラットな形状であってもよく、また、ハイブリッドレンズ１８００がソースに付着されるということが確認される。
【０２１６】
図１８ｂは、多焦点性セットアップ１７００を示しており、このとき、ハイブリッドレンズ１８００は、曲線型ソース１５０の形状に合わせられた形状を有する。図１８ｂにおいて、ハイブリッドレンズは、３つの放出区域および上記３つの放出区域に由来した３つの焦点域を有する。互いに異なる放出区域は、多様なフォーカシング材料で構成することができる。例えば、区域１８０１および１８０３を形成する外側材料が中程程度のフォーカシング外側材料であってもよく、区域１８０２を形成する内側材料が、高いフォーカシング材料であってもよい。それにより、セグメント化されたレンズ１８００が、高いフォーカシング材料および中等度のフォーカシング材料を含む。これは、図１８ｂの場合である。これらの多様な焦点域は、ユーザが、唯一の単一ソースによって混合および溶解のような互いに異なる機能性を同時に処理することができるようにする。これは、単に１つの単一ソースのみを必要とするため、例えば、分子テストに対する時間を減少することができ、その上、さらに費用および必要な空間を減少させることができる。付加的に、技術的問題および維持補修費用も減少させることができる。
【０２１７】
それにより、フォーカシング材料の多様な分布を、所望の処理、すなわち、分解または分析用途に合わせることができる。それにより、ハイブリッドレンズまたはセグメント化されたレンズ内の特定の物質分布が、このような本発明の例示的な実施形態によれば排除されることはない。
【０２１８】
以下の文段は、ハイブリッドレンズの概念を立証するためのものであって、フラットトランスデューサおよび曲線型レンズを含む組み合わせのモデリングと関連される。可能なセットアップは、例えば、アルミニウムのような高いインピーダンス材料、レンズ材料として取られたポリプロピレンのような低いインピーダンス材料、例えば、８ｍｍのようなチャンバの内径およびレンズの半径であることができ、そして、ポリプロピレンは、厚さ０.５ｍｍのチャンバ壁材料として取られ、流体の高さが３５ｍｍであり、モデリングのための周波数が１ＭＨｚで、また、規定された圧力圧電が１.０００Ｐａである。本明細書において説明されるモデリングの結果は、完全な高いインピーダンス材料（アルミニウム）からポリプロピレンのような低いインピーダンス材料の増大されたセグメントの大きさまで進められる時、中心対称軸に沿った最大圧力が、非常に一定の高いレベルに維持されるということである。言い換えれば、圧力は、溶解が得られる程度に十分高いレベルに維持される。第二に、示された結果は、ポリプロピレンセグメントの大きさが混合を生成するほどに十分に大きな時、最小および最大圧力条件が、チャンバの中心軸の外側で生成されるということである。低指数の材料が低い消散プラスチックであるとき、高指数の材料（例えば、アルミニウム）が、通常に全体レンズの１／５乃至１／２であるとき、ハイブリッド構成の効果的な作業が達成される。それにより、ハイブリッドレンズは、単一圧電要素から多焦点音響エネルギー、特に、多焦点ＨｉＦｕを生成するためのオプションである。このような解決策は、乾式インターフェースにわたったＨｉＦｕに対して用いることができ、また、流体またはハイドロゲルカップリングおよび流体との直接的な接触に対して用いることができる。
【０２１９】
図１９は、多焦点セットアップ１７００を示しており、ここでソース１０５は、多様な表面粗さの区域を有する。‘１９０３’は、第１の表面粗さ区域１９０４および第２の表面粗さ区域１９０５を有し、多焦点性を提供する円状ソース１０５を示した平面図である。第１の焦点域１９００および第２の焦点域１９０１が、互いに異なるということが認められる。ここで、第３の焦点域１９０２は、第１の焦点域１９００と同一であるが、これは、第２粗さ区域１９０５がリング形状の表面であるためであり、そのようなリング状表面は、第２の焦点域１９０１の周りのリング形状の焦点域１９００および１９０２を提供する。表面の互いに異なる粗さによって、音響エネルギーを伝達する物質に対する互いに異なるカップリングが形成される。それにより、異なる粗さは、異なる焦点域をもたらす。
【０２２０】
互いに異なる表面粗さによって、多焦点性は、本発明の乾式カップリング特性とともに用いられることがなく、またサンプル処理のための多焦点音響エネルギーをサンプルに照射するための装置とは独立的に適用されるということに、明確に留意しなければならない。
【０２２１】
例えば、１乃至２ＭＨｚの範囲において、効果は、１０μｍの粗さで中等度になり、また５０−８０μｍの粗さではそれよりも相当高い。それにより、粗くて滑らかなセグメントを有する曲線型トランスデューサは、単一圧電要素から多焦点ＨｉＦｕを生成するためのオプションとなる。レンズまたは複数のソースを有するほかの解決策と比べる時、このような実施形態がより一層単純である。
【０２２２】
図２０は、サンプルを処理するために、集束音響エネルギーをサンプルに照射するための方法を説明するフローチャートを示し、ここで、以下のステップは、機器提供ステップＳ１と、カートリッジ提供ステップＳ２と、フルソリッドカプラ提供ステップＳ３と、音響エネルギーの生成のためのソース提供ステップＳ４とを含む。また、カートリッジを機器内に挿入するステップＳ５が提供され、前記カートリッジは、サンプルを収納するためのチャンバを具備し、また、カートリッジを機器内に挿入することにより、ソースとカートリッジとの間の音響エネルギーの完全な乾式カップリングが形成される。また、カートリッジおよび機器は、分離可能である。
【０２２３】
図２１は、トランスデューサ１０５と、フルソリッドカプラ１０４と、機器１０２により、例えば、ＨｉＦｕに処理されるサンプルのためのチャンバ１１０を具備するカートリッジ１０３と、を含む機器装置を示す。カートリッジの底２１００は、ホイルで製造された音響窓を具備する。
【０２２４】
図２２は、十分に高いガラス転移温度Ｔgを有するフルソリッドカプラの利点を表す図２２００を示している。グラフ２２０３−２２０７から、ガラス転移温度Ｔgが高いフルソリッドカプラが、フルソリッドカプラ内で超音波エネルギーの少ない減衰を提供するということが認められる。このような結果はあとで具体的に説明する。
【０２２５】
ｘ座標２２０１は、音響エネルギー、例えば、ＨｉＦｕを生成するソース１０５（図示省略）に提供される入力電力を描写する。ｙ座標は、いわゆるクリッピング時間を描写する。これは、例えば、ＨｉＦｕを生成するソースがスイッチングオンされることと、噴出部が完全に消えること（クリッピング）の間の時間である。このような噴出部の生成については、以上で説明したとおりである。これは、ＨｉＦｕ波動によって生成され、またサンプル内のキャビテーションが開始される電力しきい値を減少するために用いられる。噴出部は、サンプル物質（例えば、液体）からなる。そのような噴出部の生成が、フルソリッドカプラを通じてサンプルに伝達される音響エネルギーに依存するため、サンプルの消滅は、伝達される音響エネルギーの減少を意味する。ガラス転移温度の異なる多くの物質が、図２２に示されたテスト結果において観察することができる。
【０２２６】
言い換えれば、クリッピングは、観察されるフルソリッドカプラ材料の経時的減衰または吸収の進行に対する測定値として取られる。多様な材料および厚さに対する結果が、図２２および図２３に示されている。
【０２２７】
それにより、図２２は、ガラス転移温度が６０℃であり、厚さが３ｍｍのシリコン６０１カプラ２２０３からの結果を示す。‘２２０４’は、ガラス転移温度Ｔgが約６０℃である、エポテック（epotek 登録商標）３０１で製造された厚さ３ｍｍのフルソリッドカプラからの結果を示す。‘２２０５’は、ガラス転移温度Ｔgが約６０℃である、厚さ６ｍｍのシリコン６０１カプラの結果を示す。‘２２０６’は、ガラス転移温度Ｔgが約−１８℃である、ポリプロピレン（ＰＰ）で製造され、厚さが１ｍｍであるフルソリッドカプラの結果を示す。‘２２０７’は、ガラス転移温度が約６０℃である、エポテック３０１で製造された、厚さ５ｍｍのフルソリッドカプラからの結果を示す。ＰＰを除いたいずれの例においても、硬化温度は、６０℃である。
【０２２８】
図２２は、ＰＰが、適切な強度であっても劣悪な実行体（performer）ということを見せている。予想どおり、エポキシおよびシリコンの両方の減衰は、フルソリッドカプラの厚さ増加により増大される。エポキシの減衰は、エポキシの場合よりもシリコンの場合がより低い。ガラス転移温度Ｔgが高いこれらのいずれの材料の場合にも、クリッピングが、６Ｗａｔｔ未満の連続的な入力電力で観察される。このような電力は、サンプル処理のためには不十分である。したがって、分子診断装置の幅広い処理可能性のために、本発明は、ガラス転移温度Ｔgの十分に高いポリマーを提供する。
【０２２９】
追加の実験から、第一に、観察された現象がトランスデューサの時間にわたった変化に起因したものではないことが認められた。第二に、（もし物質が、燃焼強度に露出されなかったら）、効果は可逆的である。１分後に、物質が本来の状態に戻り、また実験が繰り返されることができる。このような観察は、温度-物質の特性関係を提示する。
【０２３０】
図２３は、フルソリッドカプラとして用いられたポリマーベース材料の硬化温度の影響を表したグラフ２３００を示している。ｘ軸２３０１は、入力電力を描写し、ｙ軸２３０２は、故障までの時間、すなわち、クリッピング時間を描写する。‘２３０３’乃至‘２３０６’は、多くのフルソリッドカプラのグラフを示す。‘２３０３’は、１００℃の硬化温度Ｔcでのフルソリッドカプラの結果を示し、‘２３０４’は、１２５℃の硬化温度Ｔcでの結果を示し、‘２３０５’は、６０℃の硬化温度Ｔcでの結果を示し、さらに、‘２３０６’は、６０℃の硬化温度Ｔcでのカプラの結果を示している。言い換えれば、図２３は、効果減衰が亦硬化温度に依存するということを見せる。硬化温度が増加することに伴って、クリッピング時間が相当長くなる。本発明の例示的な実施形態は、このような利点を用いる。つまり、一般的に、高い硬化温度Ｔcは、高いガラス転移温度Ｔgに直接変換される。
【０２３１】
６０℃で硬化された材料を用いたさらなる実験から、以下のことを確認した：
第一に、８０℃またはそれより高い温度の水が用いられると、噴出部が消える。第二に、２０％のデューティーサイクルにおいて、０Ｗ乃至６５Ｗのピーク電力（平均１３Ｗの電力）の場合、クリッピング時間が１２０秒よりももっと多く移動する。９０Ｗのピーク電力（平均１６Ｗ電力）の場合、クリッピング時間は１０秒に減少された。
【０２３２】
このようなテストのために用いることができる例示的な装備装置には：ＰＭ５１９３プログラム可能シンセサイザー／関数生成装置０．１ｍＨｚ−５０ＭＨｚ、増幅器：ＥＮＩ  ２４０Ｌパワー増幅器５０ｄＢ  ２０ｋＨｚ−１０ＭＨｚまたはＡＲワールドワイドＫＡＡ  ２０４ＲＦパワー増幅器５０ｄＢ ０.５−１００ＭＨｚ  ２００Ｗ、Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ  ＴＤＳ３０１４：４-チャンネルカラーデジタル燐光オシロスコープ；Ａｇｉｌｅｎｔ  ４３９５Ａ：１０Ｈｚ-５００ＭＨｚ／１０Ｈｚ-５００ＭＨｚ／１０ｋＨｚ-５００ＭＨｚネットワーク／スペクトル／インピーダンス分析装置、およびＨｉＦｕピエゾトランスデューサ：Ｄｏｎｇｆａｎｇ  Ｊｉｎｒｏｎｇが供給するＪＲ２０／６０が含まれていてもよい。
【０２３３】
特許請求の範囲において「含む」という用語は、他の要素またはステップを排除するものではなく、さらに不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は、複数を排除するものではない。参照番号も、特許請求の範囲を制限するものではない。
【符号の説明】
【０２３４】
１００  装置
１０１  サンプル
１０２  機器
１０３  カートリッジ
１０４  フルソリッドカプラ
１０５  ソース
１０６  伝播経路
１０７  音響窓
１０８  フレキシブルな材料
１０９  レンズ
１１０  チャンバ
１１１  探知ユニット
１１２  処理プロトコルを調整するためのプロセッサ
１１３  データプロセッサ
１１４  ディスプレイ
１１５  底部分
９００  ヒットシンク
９０１  ハウジングリング
９０２  追加のリング
９０３  ホイルクランプ
１０００  乾式カップリングに対する組み合わせ可能性の概観
１００１  ソリッドカプラの構成
１００２  金属レンズポリマーカプラの構成
１００３  ポリマーカプラの構成
１００４  圧電唯一構成（前記圧電は粗さ表面を改善するための薄いポリマー層を具備する）
１００５  金属レンズ構成
１１００  乾式カップリング生成のための組み合わせ可能性に対する具体的な概観
１１０１  フルソリッドカプラがカートリッジの一部ということを表す列
１１０２  フルソリッドカプラが機器の一部ということを表す列
１１０３  レンズおよびソース（曲線型ソース）の機能性を組み合わせる要素
１１０４  フルソリッドカプラが要素から物理的に分離されたことを表す列
１５００  集束音響エネルギーを生成するために用いられる電子装置
１６００  １つの単一ソースにより１つの単一チャンバ内において、前処理、インキュベーションおよび溶解を適用するための可能な処理プロトコル
１６０１  プロトコルの前処理部分
１６０２  プロトコルの溶解部分
１６０３  ＨｉＦｕ前処理
１６０４  混合
１６０５  インキュベーション
１６０６  ＨｉＦｕ溶解
１６０７  フィルタリング
１６０８  探知されるターゲット物質を含むサンプル
１６０９  第１の前処理試薬
１６１０  第２の前処理試薬
１６１１  第３の前処理試薬
１６１２  第１の溶解試薬
１６１３  抽出試薬
１７００  多焦点性セットアップ
１７０１  サンプル上側の空気体積
１７０２  第１の焦点域
１７０３  第２の焦点域
１８００  ハイブリッドレンズ
１８０１  ハイブリッドレンズの第１の放出区域
１８０２  ハイブリッドレンズの第２の放出区域
１８０３  ハイブリッドレンズの第３の放出区域
１９００  第１の焦点域
１９０１  第２の焦点域
１９０２  第３の焦点域
１９０３  異なる粗さの区域を有するソース１０５の平面図
１９０４  ソースの第１の粗さ区域
１９０５  ソースの第２の粗さ区域
Ｓ１  機器提供ステップ
Ｓ２  カートリッジ提供ステップ
Ｓ３  フルソリッドカプラ提供ステップ
Ｓ４  音響エネルギーの生成のためのソース提供ステップ
Ｓ５  カートリッジを機器内に挿入するステップ
【図１】
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【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６】
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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１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８ａ】
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【図１８ｂ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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