【手続補正書】
【提出日】平成22年6月14日(2010.6.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つ以上の異なる種類の微粒子の存在を検出する検出装置において、
ａ．浮遊微粒子を含む環境空気を取り込み、該浮遊微粒子を含む流体試料を出力する空気収集デバイスと、
ｂ．上記流体試料内の１つ以上の特定の毒素の存在を検出する毒素検出モジュールと、
ｃ．上記流体試料内の１つ以上の特定の核酸の存在を検出する核酸検出モジュールと、
ｄ．当該検出装置内において上記空気収集デバイス、毒素検出モジュール及び核酸検出モジュールを接続するマイクロ流体回路とを備える検出装置。
【請求項２】
上記毒素検出モジュールは、上記流体試料から１つ以上の特定の毒素を捕捉する１つ以上の捕捉デバイスを備えることを特徴とする請求項１記載の検出装置。
【請求項３】
上記毒素検出モジュールは、上記１つ以上の捕捉デバイス内の捕捉された１つ以上の特定の毒素の存在を光学的に検出する光学検出モジュールを更に備えることを特徴とする請求項２記載の検出装置。
【請求項４】
上記流体試料を保存する保管モジュールを更に備える請求項１記載の検出装置。
【請求項５】
上記流体試料の第１の部分を計量して、上記毒素検出モジュールに分配し、該流体試料の第２の部分を計量して、上記核酸検出モジュールに分配し、該流体試料の第３の部分を計量して、上記保管モジュールに分配する分配モジュールを更に備える請求項４記載の検出装置。
【請求項６】
上記空気収集デバイスは、環境空気を連続して取り込み、上記毒素検出モジュール及び上記核酸検出モジュールによって処理する新たな流体試料を周期的に出力することを特徴とする請求項１記載の検出装置。
【請求項７】
上記核酸検出モジュールは、上記流体試料内の１種類以上の細胞を溶解して、溶解流体試料を生成する溶解モジュールを備えることを特徴とする請求項１記載の検出装置。
【請求項８】
上記核酸検出モジュールは、上記溶解流体試料から１つ以上の核酸を捕捉する１つ以上の精製デバイスを更に備えることを特徴とする請求項７記載の検出装置。
【請求項９】
上記核酸検出モジュールは、上記精製デバイスに接続され、上記１つ以上の核酸が供給され、該１つ以上の核酸に熱サイクルを適用し、増幅された数の上記１つ以上の核酸のそれぞれを含む増幅流体試料を形成する熱サイクルモジュールを更に備えることを特徴とする請求項８記載の検出装置。
【請求項１０】
上記熱サイクルモジュールに接続され、上記増幅流体試料内の１つ以上の特定の核酸の存在を光学的に検出する光学検出モジュールを更に備える請求項９記載の検出装置。
【請求項１１】
上記空気収集デバイス、毒素検出モジュール及び核酸検出モジュールの動作を制御する制御モジュールを更に備える請求項１記載の検出装置。
【請求項１２】
上記制御モジュールに遠隔接続されたネットワーク監視点を更に備え、
上記制御モジュールは、上記１つ以上の特定の毒素又は１つ以上の特定の核酸の検出に応じて、上記ネットワーク監視点に警告信号を供給することを特徴とする請求項１１記載の検出装置。
【請求項１３】
上記空気収集デバイスに接続され、１つ以上の異なる種類の空気中の生物学的微粒子の存在について環境空気を検査し、該異なる種類の空気中の生物学的微粒子の１つ以上の検出に応じて、第１のトリガ信号を発生するトリガ機構を更に備える請求項１記載の検出装置。
【請求項１４】
上記トリガ機構は、上記環境空気を光学検出デバイスを用いて検査することを特徴とする請求項１３記載の検出装置。
【請求項１５】
上記空気収集デバイスに接続され、上記流体試料が供給される分配モジュールを更に備え、
上記分配モジュールは、上記流体試料を計量して、１つ以上の部分に分配することを特徴する請求項１３記載の検出装置。
【請求項１６】
上記第１のトリガ信号に応じて、上記流体試料の第１の部分が供給され、該流体試料の第１の部分の１つ以上の異なる種類の生物学的微粒子の存在を検出し、該１つ以上の異なる種類の特定の生物学的微粒子の存在の検出に応じて、第２のトリガ信号を発生する確認デバイスを更に備える請求項１５記載の検出装置。
【請求項１７】
上記確認デバイスは、上記１つ以上の異なる種類の特定の生物学的微粒子の存在を、免疫測定法を用いて検出することを特徴とする請求項１６記載の検出装置。
【請求項１８】
上記毒素検出モジュールは、上記第２のトリガ信号に応じて、上記流体試料の第２の部分が供給され、該流体試料の第２の部分内の１つ以上の特定の毒素を識別し、上記核酸検出モジュールは、上記第２のトリガ信号に応じて、該流体試料の第３の部分が供給され、該流体試料の第３の部分内の１つ以上の特定の核酸を識別することを特徴とする請求項１７記載の検出装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【発明の名称】検出装置
【関連出願】
【０００１】
本出願は、同じ出願人によって２００６年８月２４日に出願された係属中の米国特許出願第１１／５０９，８７２号、発明の名称「An Integrated Airborne Substance Collection and Detection System」及び２００６年８月２４日に出願された米国特許出願第１１／５１０，０７３号、発明の名称「An Integrated Airborne Substance Collection and Detection System」に関連し、これらの文献は、全体が引用によって本願に援用される。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、微粒子を収集して、分析する方法及び装置に関する。詳しくは、本発明は、有機体（organisms）、例えばバクテリア及びウイルス、並びにタンパク質、例えば毒素を含む浮遊微粒子（airborne particulates）の収集及び検出に関する。
【背景技術】
【０００３】
環境空気（ambient air）を監視し、有害の可能性がある病原体の存在を検出するために生物脅威検出器（bio-threat detector）が使用されている。通常は、収集及び検出装置に空気が取り込まれ、空気中の微粒子が測定される。収集及び検出装置への空気流（airflow）は、通常、その装置内のファンによって発生される。収集及び検出装置は、空気、及び所定の空気流中の個々の分子を連続して監視する。幾つかの検出器は、レーザ又はＬＥＤを用いて、空気経路をスキャンして、通過する微粒子を検査する。異なる種類の微粒子は、それぞれ異なる波長の光を反射するので、無害な微粒子、例えば塵埃粒子は、有害な粒子、例えば炭疽菌の胞子と区別することができる。通過する微粒子が反射する光は、既知の波長のデータベースと照合され、ここでの一致が、生物学的実体の存在を示す。一致する波長が検出されたとき、収集及び検出装置内のトリガ機構（triggering mechanism）が起動する。トリガ機構が起動したとき、病原体の存在の可能性を示すトリガ信号が発生される。しかしながら、特定の種類の微粒子は、このような収集及び検出装置によって識別することができない。
【０００４】
一旦、トリガ機構が、病原体の存在の可能性を通知すると、確認プロセスが開始される。確認プロセス中に、収集及び検出装置をトリガした微粒子が識別される。従来、トリガ信号が発生したとき、有害の可能性がある病原体が採取され、研究室に持ち込まれ、分析が行われる。有害の可能性がある病原体を識別するためには、複数の技術が用いられ、各技術は、異なる種類の病原体を識別するように設計されており、通常、研究室のオペレータの監督下で実行される。これは、時間がかかるプロセスであり、様々な検査装置を必要とし、リアルタイムの脅威判定（threat assessment）においては、非実用的である。また、このようなプロセスは、人間のオペレータによる介在を必要とし、高コストで、多くの場合、非効率である。有害の可能性がある１日２４時間の常時監視及び処理には、所望の期間をカバーするためには、人間のオペレータが複数名必要になる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
収集及び検出装置は、完全に一体化されており、自律的であり、特別な微粒子（specific particles）、例えば病原体（pathogens）について環境空気を監視する。収集及び検出装置の一側面は、空気収集デバイス（air collection device）と、分配モジュールと、毒素検出モジュールと、核酸検出モジュールと、当該収集及び検出装置内において空気収集デバイス、毒素検出モジュール及び核酸検出モジュールを接続するマイクロ流体回路とを備える。空気収集デバイスは、浮遊微粒子を含む環境空気を取り込み、浮遊微粒子を含む流体試料を出力する。分配モジュールは、流体試料を計量して、他の様々なモジュールに分配する。毒素検出モジュールは、流体試料内の１つ以上の特定の毒素の存在を検出する。核酸検出モジュールは、流体試料内の１つ以上の特定の核酸の存在を検出する。
【０００６】
毒素検出モジュールは、流体試料から１つ以上の特定の毒素を捕捉する１つ以上の捕捉デバイスを備えていてもよい。また、毒素検出モジュールは、１つ以上の捕捉デバイス内の捕捉された１つ以上の特定の毒素の存在を光学的に検出する光学検出モジュールを更に備えていてもよい。分配モジュールは、流体試料の第１の部分を計量して、毒素検出モジュールに分配し、流体試料の第２の部分を計量して、核酸検出モジュールに分配し、流体試料の第３の部分を計量して、保管モジュールに分配する。また、収集及び検出装置は、流体試料を保存する保管モジュールを更に備えていてもよい。また、空気収集デバイスは、環境空気を連続して取り込み、毒素検出モジュール及び核酸検出モジュールによって処理する新たな流体試料を周期的に出力してもよい。核酸検出モジュールは、流体試料の１種類以上の細胞を溶解して、溶解流体試料を生成する溶解モジュールを備えていてもよい。また、核酸検出モジュールは、溶解流体試料から１つ以上の核酸を捕捉する１つ以上の精製デバイスを更に備えていてもよい。また、核酸検出モジュールは、精製デバイスに接続され、１つ以上の核酸が供給され、１つ以上の核酸に熱サイクルを適用し、増幅された数の１つ以上の核酸のそれぞれを含む増幅流体試料（amplified fluid sample）を形成する熱サイクルモジュールを更に備えていてもよい。また、収集及び検出装置は、熱サイクルモジュールに接続され、増幅流体試料内の１つ以上の特定の核酸の存在を光学的に検出する光学検出モジュールを更に備えていてもよい。また、空気収集デバイス、毒素検出モジュール及び核酸検出モジュールの動作を制御する制御モジュールを更に備えていてもよい。また、制御モジュールをネットワーク監視点にネットワークで接続し、１つ以上の特定の毒素又は１つ以上の特定の核酸の検出に応じて、ネットワーク監視点に警告信号を供給してもよい。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】複数の収集及び検出装置を含む例示的なネットワーク構成を示す図である。
【図２】収集及び検出装置の第１の実施の形態の例示的な機能ブロック図である。
【図３】制御モジュールの例示的なブロック図である。
【図４】保管モジュールの例示的な概略図である。
【図５】毒素捕捉及び検出モジュールの例示的な概略図である。
【図６】溶解及び捕捉モジュールの例示的な概略図である。
【図７】計量及び熱サイクルモジュールの例示的な概略図である。
【図８】光学検出モジュールの例示的な概略図である。
【図９】微粒子収集及び検出装置の第１の実施の形態において実行される例示的な自動プロセスのフローチャートである。
【図１０】一体型の収集及び検出装置の第２の実施の形態の例示的な機能ブロック図である。
【図１１】微粒子収集及び検出装置の第２の実施の形態において実行される例示的な自動プロセスのフローチャートである。
【図１２】一体型の収集及び検出装置の第３の実施の形態の例示的な機能ブロック図である。
【図１３】微粒子収集及び検出装置の第３の実施の形態において実行される例示的な自動プロセスのフローチャートである。
【図１４】微粒子収集及び検出装置の第３の実施の形態において実行される例示的な自動プロセスのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照して、一体型の微粒子収集及び検出装置の実施の形態を説明する。同じ要素が複数の図面に示されている場合にのみ、適切であれば、これらの同じ要素に同じ参照符号を付している。
【０００９】
本発明の実施の形態は、特別な微粒子、例えば病原体について環境空気を監視する、完全に一体化された自律的な収集及び検出装置を目的とするものである。幾つかの実施の形態では、収集及び検出装置は、一体型のカートリッジ（integrated cartridge）として構成されている。幾つかの実施の形態では、収集及び検出装置は、完全に自律した装置として構成される。空気収集デバイス（air collector）は、浮遊微粒子を捕捉し、流体溶液に捕捉された微粒子を含む流体試料を出力する。収集及び検出装置は、一体型のカートリッジ内の１種類以上の微粒子を完全に自動的に検出するように、流体試料の処理を制御する制御モジュールを備える。処理して検出する微粒子の種類は、以下に限定されるものではないが、細胞、バクテリア、ウイルス、核酸、毒素及び他の病原体を含む。１つ以上の特定の種類の微粒子が検出された場合、システムアラーム（system alarm）が起動される。幾つかの実施の形態では、システムアラームは、通信ネットワークを介してローカル又は中央監視位置のどちらかに伝送される警告信号（alarm signal）である。２つ以上の収集及び検出装置をネットワークに接続し、中央監視位置によって監視してもよい。他の実施の形態では、システムアラームは、収集及び検出装置自体によって発生される音声信号及び／又は視覚信号である。
【００１０】
図１は、複数の収集及び検出装置１０を含む例示的なネットワーク構成を示している。各収集及び検出装置１０は、独立して動作することができ、あるいは図１に示すように、遠隔監視位置にネットワークで接続してもよい。監視位置は、例えばローカル監視点４０のように、ローカルであってもよく、又は例えば中央監視点５０のように、中央であってもよい。図１に示すように、各収集及び検出装置１０は、独立して動作することができ、中央監視点５０に接続されたローカル監視点４０に接続してもよく、又は中央監視点５０に接続してもよい。収集及び検出装置１０は、従来の何らかのネットワーク６０を介して、ローカル監視点４０又は中央監視点５０に接続されている。また、ネットワーク接続によって、収集及び検出装置１０に遠隔制御信号を供給することもできる。
【００１１】
一体型の収集及び検出装置の第１の実施の形態は、特別な微粒子を識別する検出及び処理装置を目的とするものである。図２は、一体型の収集及び検出装置の第１の実施の形態の例示的な機能ブロック図を示している。収集及び検出装置１０は、制御モジュール１２と、空気収集モジュール１４と、分配モジュール１６と、保管モジュール１８と、溶解及び捕捉モジュール（lysis and capture module）２０と、毒素捕捉及び検出モジュール２２と、溶液モジュール（solutions module）２４と、溶液モジュール２６と、廃棄物モジュール（waste module）２８と、計量及び熱サイクルモジュール３０と、溶液モジュール３２と、光学検出モジュール３４とを備える。流体は、マイクロ流体回路（microfluidic circuitry）とも呼ばれるマイクロ流路（microfluidic pathways）及びバルブを用いて、各モジュール間及び各モジュール内を流れる。
【００１２】
空気収集モジュール１４は、環境空気を取り込み、空気中の浮遊微粒子を収集する。空気は、所定の時間収集され、その後、収集微粒子は、液体試料内に溶離され、液体試料は、空気収集モジュール１４から出力される。空気収集モジュール１４から出力される流体試料は、流体及び微粒子溶液を含んでいる。
【００１３】
分配モジュール１６は、空気収集モジュール１４から出力される流体試料を計量し、分配する。流体試料は、計量され、所定の比率で分配される。流体試料の第１の部分は、保管モジュール１８に供給され、第２の部分は、溶解及び捕捉モジュール２０に供給され、第３の部分は、毒素捕捉及び検出モジュール２２に供給される。一実施の形態においては、マイクロ流体回路の一部として、シリンジポンプを用いて、流体試料を計量する。シリンジポンプは、用途の切替に応じて適応化することができ、例えば、ある用途から次の用途に切り替える毎に、分配比を変えることができる。他の実施の形態においては、マイクロ流体回路の一部として排水口（drain hole）を有するリザーバを設ける。各排水口の位置は、所望の分配比に対応している。ラン（runs）間の流体試料の収集及び分配を制御するために、各排水口のドレン管路（drain line）には、バルブが連結されている。このような構成は、排水口の位置が固定された仕様であるので、分配比が固定である場合に適している。更に他の実施の形態では、例えば、分配比が固定される構成、例えば排水口を有するリザーバの特徴と、分配比が調整可能な構成、例えばシリンジポンプの特徴とを組み合わせている。なお、流体試料を固定分配比及び可変分配比の両方で計量して分配するために、他のマイクロ流体回路構成を用いることもできる。
【００１４】
保管モジュール１８は、１つ以上の流体試料を保存する。流体試料は、必要に応じて、後の分析及び／又は確認のために保存される。溶解及び捕捉モジュール２０は、分配モジュール１６から供給された流体試料に対して、溶解、精製（purification）及び濃縮プロセスを実行する。溶解は、供給された流体試料内の溶解可能な細胞に対して実行される。溶解は、超音波処理を用いて実行される。あるいはこれに代えて、従来のあらゆる溶解法を用いてもよい。一旦、細胞が溶解されると、これにより得られる核酸が精製され、濃縮され、計量及び熱サイクルモジュール３０に供給される。溶液モジュール２４は、溶解及び捕捉モジュール２０によって実行される溶解、精製及び濃縮工程中に使用される溶液を供給する。溶液モジュール２４は、例えば、洗浄と、溶離緩衝液（elution buffers）とを含んでいる。
【００１５】
計量及び熱サイクルモジュール３０は、溶解及び捕捉モジュール２０から濃縮流体試料が供給される。供給された流体試料は、計量され、所定数の収集容器（collection vessel）に分配される。計量及び熱サイクルモジュール３０は、溶液モジュール３２に接続されており、混合溶液が供給され、混合溶液を計量して、各収集容器に分配し、濃縮流体試料と混合溶液の組合せは、各収集容器内に一時的に保存される。各収集容器は、対応する熱サイクルチャンバに接続されており、組み合わされた溶液は、逐次加熱及び冷却される。このようにして、各収集容器内の流体試料と混合溶液の組合せは、熱サイクルチャンバ内で熱サイクルプロセスを受け、流体試料内に存在する何らかの核酸が増幅される。熱サイクルは、何回でも実行することができる。この増幅プロセスは、繰り返すことができ、例えば、前プリ増幅工程（pre-amplification step）と増幅工程とを実行することができる。
【００１６】
各熱サイクルチャンバからの増幅流体試料は、計量及び熱サイクルモジュール３０から逐次出力される。計量及び熱サイクルモジュール３０から出力される各増幅流体試料は、光学検出モジュール３４によって検査される。通常、生物学的検出（biological detection）を実行するためには、従来のあらゆる発光検出技術（luminescence detection technology）を用いることができる。光学検出モジュール３４によって得られた生データは、制御モジュール１２に供給され、制御モジュール１２は、これを用いて、１種類以上の核酸の存在を判定する。核酸が検出された場合、制御モジュール１２は、警告信号を発生する。あるいは、光学検出モジュール３４によって収集された生データは、分析のために、遠隔位置、例えば中央監視点５０（図１）に送信される。
【００１７】
毒素捕捉及び検出モジュール２２は、分配モジュール１６から供給された流体試料内に存在する毒素を捕捉する。また、毒素捕捉及び検出モジュール２２は、従来のあらゆる発光検出技術を用いて、あらゆる捕捉毒素の存在を検出する。毒素捕捉及び検出モジュール２２によって得られた生データは、制御モジュール１２に供給され、制御モジュール１２は、これを用いて、１つ以上の特定の種類の毒素の存在及び正体（identity）を判定する。特定の毒素が検出された場合、制御モジュール１２は、警告信号を発生する。あるいは、毒素捕捉及び検出モジュール２２によって収集された生データは、分析のために、遠隔位置、例えば中央監視点５０（図１）に送信される。一実施の形態においては、毒素捕捉及び検出モジュール２２は、捕捉毒素の１つ以上の性質を評価する光学検出デバイスを備える。溶液モジュール２６は、毒素捕捉及び検出モジュール２２で実行される毒素捕捉工程中使用される溶液を供給する。例えば、溶液モジュール２６は、洗浄液と、抗体溶液（antibody solutions）とを含んでいる。
【００１８】
収集及び検出装置１０は、空気収集モジュール１４によって逐次出力される流体試料が処理されるように、再利用される。このように、分配モジュール１６、溶解及び捕捉モジュール２０、毒素捕捉及び検出モジュール２２、計量及び熱サイクルモジュール３０、並びに計量及び熱サイクルモジュール３０と光学検出モジュール３４を接続するマイクロ流体回路を含む相互接続された全てのマイクロ流体回路は、サイクル間に浄化（decontaminated）される。浄化中、すすぎ及び洗浄工程を実行するためには、様々な溶液が使用され、これらの溶液は、溶液モジュール２４及び溶液モジュール２６に含まれている。
【００１９】
制御モジュール１２は、各モジュールに接続されており、収集及び検出装置１０の動作を制御する。このような制御によって、人間の介入を必要としない、収集及び検出プロセスの完全自動化が可能となる。また、制御モジュール１２は、毒素捕捉及び検出モジュール２２及び光学検出モジュール３４によって供給される生データを分析して、何らかの適切な警告信号を発生する。制御モジュール１２は、警告信号に応じて、ローカルな音声警告（audio alarm）及び／又は警告表示（visual alarm）を開始し、及び／又は通知信号を、ネットワークで接続されたローカル監視位置又は中央監視位置に送信する。
【００２０】
分析された流体試料、溶離緩衝液、混合溶液、すすぎ液、洗浄液、除去する（purged）保管試料、並びに流体試料の処理及びその後の収集及び検出装置１０の浄化に関連した他の溶液は、廃棄物モジュール２８に流される。あるいは、分析が済み、毒素捕捉及び検出モジュール２２及び光学検出モジュール３４から出力された流体試料は、保管モジュール１８又は補足的な保管モジュール（図示せず）に保管することができる。上述した微粒子収集及び検出装置１０の実施の形態では、３つの溶液モジュール２４、２６、３２を備えている。あるいは、溶液モジュール２４、２６、３２のうちの１つ以上を統合してもよく、あるいは、４つ以上の溶液モジュールを用いてもよい。
【００２１】
図２に示す収集及び検出装置１０の構成は、説明を目的として例示的に示しているに過ぎない。一体型の収集及び検出装置は、マイクロ流体回路を用いてモジュールを相互に接続するとともに、モジュールを関連したサブモジュラ部品（sub-modular components）の所望に組合せで構成するモジュール性（module nature）により、柔軟性と拡張性を有する。例えば、流体試料を更なる部分に計量して、各部分を更に小さい部分に分割することができる。これらの部分は、溶解及び捕捉モジュール２０及び計量及び熱サイクルモジュール３０を介する流路と、毒素捕捉及び検出モジュール２２を介する流路と、上述したモジュール及び／又はサブモジュールの１つ以上に基づいて構成された他のあらゆる流路を含む多数の流体処理経路（fluid processing pathways）とのうちの何れにも分配することができる。更なる具体例として、毒素捕捉及び検出モジュール２２に流体試料を供給する前に細胞を溶解させるために、毒素捕捉及び検出モジュール２２の前段に溶解及び捕捉モジュール２０の溶解部品と同様の溶解モジュールを追加することができる。また、同様の平行する流路を構成し、流体試料の一部を、溶解しないで毒素捕捉及び検出モジュール２２に供給し、流体試料の他の部分を、溶解部品によって先ず溶解し、そして、溶解流体試料を他の毒素捕捉及び検出モジュールに供給するようにしてもよい。更に、各モジュールについて説明した特定の構成は、例示的なものに過ぎない。マイクロ流体回路及び各モジュールの構成部品は、説明した機能を実行する多くの構成に応用することができる。
【００２２】
図３は、制御モジュール１２の例示的なブロック図を示している。制御モジュール１２は、プロセッサ１２２と、ホストメモリ（host memory）１２４と、大容量記憶装置１２６と、Ｉ／Ｏインタフェース１３０とを備え、これらは全て、システムバス１２８によって接続されている。大容量記憶装置１２６は、磁気、光又は光磁気記憶技術、又は他のあらゆる大容量記憶技術のうちの１つ以上を用いた固定媒体及びリムーバブル媒体の何れをも含むことができる。ホストメモリ１２４は、ランダムアクセスメモリ（random access memory：ＲＡＭ）である。プロセッサ１２２は、収集及び検出装置１０の動作を制御する。Ｉ／Ｏインタフェース１３０は、ユーザインタフェースと、ネットワークインタフェースとを備える。幾つかの実施の形態では、ユーザインタフェースは、ユーザ指示及び入力されたユーザコマンドに関連したフィードバックを表示するディスプレイを備える。ネットワークインタフェースは、従来のネットワークを介して、例えば、ローカル監視位置又は中央監視位置にデータ及び制御信号を送受信するための物理インタフェース回路を備える。
【００２３】
図４は、保管モジュール１８に接続された分配モジュール１６の例示的な概略図を示している。この例示的な構成では、分配モジュール１６は、計量モジュール１６２と、洗浄注射器（wash syringe）１６４と、シリンジポンプ（syringe pump）１６６と、蠕動ポンプ（peristaltic pump）１６８とを備え、これらは、バルブ１６９〜１８０を含むマイクロ流体回路によって互いに接続されている。保管モジュール１８は、バルブ１８６〜１９５を含むマイクロ流体回路を介して分配モジュール１６に接続された５つの保管チャンバ１８１〜１８５を備える。
【００２４】
空気収集モジュール１４によって供給される流体試料は、計量モジュール１６２に保存される。通常、空気収集モジュール１４によって供給される流体試料の量は、一定ではない。一実施の形態においては、収集及び検出装置１０は、特定の量、例えば１０ｍｌの流体試料を処理する。したがって、第１の工程として、計量モジュール１６２から余分な流体試料を取り除く。図４の構成においては、余分な流体試料は、バルブ１７３及びバルブ１７９を開くことによって、計量モジュール１６２から取り除かれ、廃棄物モジュール２８に流される。特定の量の流体試料が、計量モジュール１６２に残される。
【００２５】
各保管チャンバ１８１〜１８５は、所定量の流体試料を保存する。一実施の形態においては、各保管チャンバ１８１〜１８５は、１ｍｌの流体試料を保存する。この所定量の流体試料は、計量モジュール１６２において計量され、バルブ１６９、１７４及び保管チャンバに対応するバルブ、例えば保管チャンバ１８１のバルブ１８６、１９１を開き、蠕動ポンプ１６８を第１の方向に回転し、バルブ１６９の通気口から計量モジュール１６２に空気を送ることによって、保管チャンバ１８１〜１８５のうちの１つに供給される。これにより、計量モジュール１６２が加圧され、内部の流体試料が、開かれたバルブ１７４、１９１を介して、保管チャンバ１８１に送られる。
【００２６】
１つの保管チャンバは、現在のサイクルの流体試料を保存し、残りの４つの保管チャンバは、前の４つのサイクルの流体試料を保存する。次のサイクルでは、保管モジュールのうちの最も古い流体試料が取り除かれ、次の流体試料によって置換される。例えば、第１のサイクルでは、分配モジュール１６からの第１の流体試料が保管チャンバ１８１に供給されて、保存される。第２のサイクルでは、第２の流体試料が保管チャンバ１８２に供給されて、保存される。第３のサイクルでは、第３の流体試料が保管チャンバ１８３に供給されて、保存される。第４のサイクルでは、第４の流体試料が保管チャンバ１８４に供給されて、保存される。第５のサイクルでは、第５の流体試料が保管チャンバ１８５に供給されて、保存される。第６のサイクルでは、保管チャンバ１８１に保存されている第１の流体試料が、まず、廃棄物モジュール２８に除去される。保管チャンバ１８１から流体試料を除去するためには、バルブ１７２、１８６、１９１、１７９を開き、蠕動ポンプ１６８を第２の方向に回転し、バルブ１７２の通気口から保管チャンバ１８１に空気を送る。これにより、保管チャンバ１８１が加圧され、内部の流体試料が、開かれたバルブ１９１、１７９を介して、廃棄物モジュール２８に除去される。そして、バルブ１７２、１８６、１９１、１７９を閉じ、洗浄注射器１６４によって供給される溶液を用いて、保管チャンバ１８１を洗浄する。そして、分配モジュール１６から空になった保管チャンバ１８１に、第６の流体試料が供給される。以降の流体試料は、同様にして保存され、常に最新の５つの流体試料が保管モジュール１８に保存される。
【００２７】
計量モジュール１６２の流体試料の第１の部分が保存された後、残りの流体試料は、計量され、毒素捕捉及び検出モジュール２２及び溶解及び捕捉モジュール２０に分配される。流体試料の第２の部分を計量し、毒素捕捉及び検出モジュール２２に分配するためには、バルブ１７２、１７６、１７７を開き、シリンジポンプ１６６を第１の方向に動作させ、開かれたバルブ１７６、１７７を介してシリンジポンプ１６６に第２の部分を吸い込む。そして、バルブ１７２、１７６を閉じ、バルブ１７７を開いたままにし、バルブ１７８を開く。そして、シリンジポンプ１６６を第２の方向に動作させて、流体試料の第２の部分をシリンジポンプ１６６から、開かれた１７７、１７８を介して、毒素捕捉及び検出モジュール２２に送る。
【００２８】
流体試料の第３の部分を計量し、溶解及び捕捉モジュール２０に分配するためには、バルブ１７２、１７６、１７７を開き、シリンジポンプ１６６を第１の方向に動作させ、開かれたバルブ１７６、１７７を介してシリンジポンプ１６６に第３の部分を吸い込む。そして、バルブ１７２、１７６を閉じ、バルブ１７７を開いたままにし、バルブ１８０を開く。そして、シリンジポンプ１６６を第２の方向に動作させて、流体試料の第３の部分をシリンジポンプ１６６から、開かれたバルブ１７７、１８０を介して溶解及び捕捉モジュール２０に送る。シリンジポンプ１６６は、用途の要求に応じて、任意の量の流体試料を吸い込むようにプログラム可能である。これにより、毒素捕捉及び検出モジュール２２及び溶解及び捕捉モジュール２０に供給する流体試料の量を柔軟に決定することができる。一実施の形態においては、流体試料の第２の部分は、３ｍｌであり、流体試料の第３の部分は、６ｍｌである。
【００２９】
図４に示す保管モジュール１８は、５つの保管チャンバ１８１〜１８５を備えているが、保管モジュール１８が備える保管チャンバは、５つより多くても少なくてもよい。更に、上述した保存法は、例示的なものに過ぎず、従来のあらゆる方法を用いて、後続する流体試料を除去及び保存することができる。更にまた、図４に関連して上述した計量及び分配の構成及び方法は、一実施の形態に過ぎない。なお、任意の数の流体試料の部分を、任意の量で計量し、分配するために、他の構成及び方法を用いてもよいことは明らかである。
【００３０】
図５は、毒素捕捉及び検出モジュール２２の例示的な概略図を示している。毒素捕捉及び検出モジュール２２は、シリンジポンプ２２２及び分配弁２２３を含むポンプアセンブリ２２０と、捕捉モジュール２２４と、光学検出器（optical detector）２３４とを備える。捕捉モジュール２２４は、捕捉デバイス２２８と、リザーバ２２６とを備える。分配モジュール１６によって供給される流体試料は、分配弁２２３を介して、捕捉モジュール２２４に供給され、ここで、流体試料は、捕捉デバイス２２８を流れる。また、分配弁２２３は、溶液モジュール２６内の１つ以上の試薬容器に接続されている。
【００３１】
一実施の形態においては、捕捉デバイス２２８は、複数の柱を含む捕捉チップ（capture chip、以下、捕捉チップ２２８ともいう。）であり、流体は、柱に接触しながら、柱の周りを流れる。柱は、流体が流れると、流体試料内の特定の毒素が柱の表面に付着するように調整されている。流体試料は、捕捉チップ２２８を流れ、捕捉モジュール２２４から廃棄物モジュール２８に出力され、流体試料内に存在する特定の毒素は、捕捉チップ２２８に残る。一実施の形態においては、各柱は、特定の抗体がプリコーティングされている。各抗体は、特定の種類の毒素に付着する。流体試料が柱を流れると、流体試料内に存在する特定の毒素が、柱上の抗体に付着する。捕捉チップ２２８の具体例は、米国特許番号５，７０７，７９９及び米国特許番号５，９５２，１７３に記載されており、これらは、引用によって本願に援用される。
【００３２】
他の実施の形態では、柱は、２種類以上の抗体によってプリコーティングされており、各捕捉チップは、２つ以上の異なる種類の毒素を捕捉する。２つ以上の捕捉チップを直列又は並列に接続し、収集される毒素の種類を多様化及び拡大することもできる。例えば、シーケンス内の第１の捕捉チップを第１の抗体でプリコーティングし、シーケンス内の第２の捕捉チップを第２の抗体でプリコーティングする等、多くの捕捉チップを直列に接続してもよい。更に、直列に接続された捕捉チップのうちの１つ、幾つか又は全てを、２つ以上の抗体でプリコーティングすることができる。例えば、１つの捕捉チップを複数の抗体でプリコーティングすることができる。各抗体は、特定の種類の毒素に付着する。そして、捕捉された異なる毒素は、識別特性、例えば、異なる光波長に基づいて区別することができる。直列構成では、流体試料は、第１の捕捉チップから第２の捕捉チップ等、直列に流れる。上述では、捕捉デバイス２２８を捕捉チップとして説明したが、捕捉デバイス２２８は、１つ以上の毒素を捕捉することができる従来のあらゆるデバイスであってもよい。
【００３３】
毒素捕捉及び検出モジュール２２は、捕捉デバイス２２８に接続された光学検出器２３４を備える。捕捉デバイス２２８は、その中で捕捉された毒素に光学検出器２３４が光学的にアクセスできるように構成されている。一実施の形態においては、捕捉デバイス２２８は、光学的に透明な蓋を備える。あるいは、捕捉デバイス２２８からの捕捉毒素は、溶離して、別の収集手段、例えば容器又はリザーバに収集してもよい。そして、収集手段内の溶離毒素に対して、光検出を実行してもよい。
【００３４】
この実施の形態では、光学検出器２３４は、例えばＬＥＤ又はレーザからなる光源２３６と、例えば１つ以上のレンズ、フィルタ及びビームスプリッタからなる光路２３８と、光ファイバ２４０と、光センサ２４２とを備える。光学検出器２３４は、捕捉デバイス２２８に光を向け、反射光の特性を収集及び測定する。反射光の特性は、捕捉デバイス２２８において捕捉された毒素を識別するために使用される。図５に示す光学検出器２３４の構成は、例示的なものに過ぎない。幾つかの実施の形態では、光学検出器２３４は、光源と、捕捉デバイス２２８の特定の位置に光を向け、捕捉デバイス２２８からの反射光を光学検出器に向ける光路と、光学検出器とを備える。他の実施の形態では、光源を設けない。このような場合、光は、例えば化学発光によって、捕捉毒素から放出される。放出光は、光センサによって検出される。一実施の形態においては、光学検出器は、１つ以上の異なる波長を測定できる従来の光学検出デバイスである。測定特性は、分析のために光学検出器２３４から制御モジュール１２に供給される。
【００３５】
幾つかの実施の形態では、捕捉デバイス２２８において捕捉された毒素は、蛍光マーカ（fluorescent marker）を含むサンドイッチ分析（sandwich assay）を行い、そして、蛍光マーカを検出することによって識別される。蛍光マーカは、光学検出器２３４を用いて、光学的に検出することができる。それぞれの種類の毒素は、特定の種類の蛍光マーカに関連している。なお、毒素をマークして識別する従来の他の手段を用いてもよい。
【００３６】
捕捉毒素を光学検出器２３４によって一旦検査すると、捕捉デバイス２２８は、溶液モジュール２６から捕捉デバイス２２８に供給される洗浄液を用いて洗浄される。洗浄液は、溶液モジュール２６から、分配弁２２３によって供給される。
【００３７】
捕捉デバイス２２８が直列に接続された複数の捕捉デバイスからなる場合、直列に接続された各捕捉デバイスは、上述した種類の光学検出器にそれぞれ接続されている。
【００３８】
図６は、溶解及び捕捉モジュール２０の例示的な概略図を示している。溶解及び捕捉モジュール２０は、流体試料に存在する細胞を溶解して、溶解された細胞の核酸を捕捉する。溶解及び捕捉モジュール２０は、溶解チャンバ２６０と、混合チャンバ２６２と、蠕動ポンプ２６４と、シリンジポンプ２６８及び分配弁２７０を含むポンプアセンブリ２６６と、シリンジポンプ２７４及び分配弁２７６を含むポンプアセンブリ２７２と、精製デバイス２７８（purification device）と、例えば熱電気冷却器（thermal electric cooler）からなる冷却素子（cooling element）２８０と、バルブ１９６〜２１３とを備える。蠕動ポンプ２６４、ポンプアセンブリ２６６、ポンプアセンブリ２７２及びバルブ１９６〜２１３を含むマイクロ流体回路は、溶解及び捕捉モジュール２０に流体試料を流すとともに、処理及び浄化で用いられる様々な溶液を流す。混合チャンバ２６２は、溶液を混合し、保持する。例えば、幾つかの用途では、溶解前に流体試料に１つ以上の更なる溶液を加え、及び／又は溶解後に１つ以上の更なる溶液を加える。
【００３９】
蠕動ポンプ２６４は、溶解チャンバ２６０を加圧して、溶解チャンバ２６０から混合チャンバ２６２に流体を流し、あるいは、混合チャンバ２６２を加圧して、混合チャンバ２６２から溶解チャンバ２６０に流体を流す。何れの動作においても、このような流体の流れを可能にするために、適切なバルブが開かれる。
【００４０】
分配モジュール１６によって供給される流体試料は、溶解チャンバ２６０に流される。一実施の形態においては、溶解は、超音波処理を用いて行われる。幾つかの実施の形態では、選択的溶解が実行され、特定の種類の細胞は、異なる超音波処理エネルギで溶解される。この実施の形態では、溶解及び捕捉モジュール２０は、特定の種類の細胞を、対応する超音波処理エネルギで選択的に溶解する。そして、溶解された細胞は、流体試料から分離される。更なる超音波処理工程を残りの流体試料に対して実行し、１つ以上の更なる種類の細胞を選択的に溶解することができる。このような選択的溶解プロセスを実行する例示的な装置及び方法は、同じ出願人によって２００４年９月１７日に出願された、係属中の米国特許出願第１０／９４３，６０１号、発明の名称「Microfluidic Differential Extraction Cartridge」に記載されており、この文献の全体は、引用によって本願に援用される。あるいは、他の従来の溶解方法、例えば加熱及び／又は化学処理を用いることができる。
【００４１】
ポンプアセンブリ２６６は、溶解流体試料を冷却素子２８０及び精製デバイス２７８に流し、バルブ２０４を介して廃棄物モジュール２８に出力する。溶解液（lysate：ライセート）が精製デバイス２７８を流れると、溶解液内の核酸は、精製され、濃縮される。
【００４２】
一実施の形態においては、精製デバイス２７８は、複数の柱を含む精製チップ（以下、精製チップ２７８ともいう。）であり、流体は、柱に接触しながら、柱の周りを流れる。核酸は、シリコンに引き付けられることが知られている。一実施の形態においては、精製チップ２７８内の柱は、シリコンからなり、流体が柱を流れると、流体内の核酸が柱に付着する。あるいは、柱は、シリコン以外の材料からなり、シリコンによってコーティングされている。更にあるいは、柱は、核酸が付着する材料からなり、又はこのような材料によってコーティングされている。流体試料は、精製チップ２７８を流れ、溶解及び捕捉モジュール２０から廃棄物モジュール２８に出力され、流体試料に存在する核酸は、精製チップ２７８に残る。精製チップ２７８の具体例についても、米国特許番号５，７０７，７９９及び米国特許番号５，９５２，１７３に記載されている。２つ以上の精製チップ２７８を直列又は並列に接続してもよい。例えば直列構成では、流体試料は、第１の精製チップから第２の精製チップ等、直列に流れる。上述では、精製デバイス２７８を精製チップとして説明したが、精製デバイス２７８は、核酸を捕捉することができる従来のあらゆるデバイスであってもよい。
【００４３】
また、ポンプアセンブリ２６６は、精製デバイス２７８に洗浄液を流し、残りの流体試料溶液を取り除く。洗浄液は、溶液モジュール２４から分配弁２７０によって供給され、バルブ２０４を介して、廃棄物モジュール２８に出力される。そして、残りの洗浄液を除去するために、精製デバイス２７８に空気が吹き付けられる。捕捉された核酸は、溶離緩衝液を用いて、精製デバイス２７８から取り除かれる。ポンプアセンブリ２７２は、溶離緩衝液を溶液モジュール２４から精製デバイス２７８に流し、核酸を溶離する。精製され、濃縮された核酸溶液は、精製デバイス２７８から出力されるとともに、溶解及び捕捉モジュール２０からバルブ２１３を介して、出力される。一実施の形態においては、精製デバイス２７８に加熱素子（図示せず）を接続する。この場合、精製デバイス２７８から核酸を溶離する前に、加熱素子が精製デバイス２７８を加熱し、溶離プロセスを容易にする。
【００４４】
また、溶解及び捕捉モジュール２０は、精製デバイス２７８から障害物を除去するために、又は除去及び浄化プロセスの一部として、洗浄液を精製デバイス２７８に逆流させる（back-flushed）。マイクロ流体回路は、精製デバイス２７８内に逆方向に洗浄液を流し、バルブ２１０を介して廃棄物モジュール２８に出力する。
【００４５】
図７は、計量及び熱サイクルモジュール３０の例示的な概略図を示している。計量及び熱サイクルモジュール３０は、溶解及び捕捉モジュール２０によって供給される核酸溶液内に存在する何らかの核酸を前増幅及び増幅（pre-amplify and amplify）する。また、計量及び熱サイクルモジュール３０は、増幅核酸溶液（amplified nucleic acid solution）内に存在する場合、１つ以上の特定の種類の核酸にタグを付ける。１つ以上の特定の核酸は、各特定の核酸について異なる蛍光マーカを含む標識抗体溶液（conjugated antibody solution）を用いてタグが付けられる。計量及び熱サイクルモジュール３０は、複数の溶液リザーバ３２１〜３２５と、保持リザーバ３１９と、計量リザーバ３２０と、複数のバルブ２８０〜３１７と、蠕動ポンプ３１８と、複数の熱サイクルチャンバ３３１〜３３５と、複数の混合リザーバ３２６〜３３０とを備える。
【００４６】
複数の溶液リザーバ３２１〜３２５は、溶液モジュール３２に接続されており、溶液モジュール３２から供給される特定の量の主混合溶液（master mix solution）を保存する。保持リザーバ３１９は、溶解及び捕捉モジュール２０から出力される核酸溶液（nucleic acid solution）を保存する。計量リザーバ３２０は、保持リザーバ３１９からの特定の量の核酸溶液を計量して、保存する。一実施の形態においては、各溶液リザーバ３２１〜３２５は、１５μｌを保存し、計量リザーバ３２０は、１０μｌを保存する。核酸溶液の第１の計量された部分は、計量リザーバ３２０から混合リザーバ３２６に流され、溶液リザーバ３２５からの特定の量の混合溶液が混合リザーバ３２６に供給される。そして、核酸溶液の第２の部分が計量されて、計量リザーバ３２０に保存される。第２の計量された部分は、計量リザーバ３２０から混合リザーバ３２７に流され、溶液リザーバ３２４からの特定の量の混合溶液が混合リザーバ３２７に供給される。核酸溶液の計量された部分及び特定の量の混合溶液は、同様に、残りの混合リザーバ３２８〜３３０に供給される。
【００４７】
混合リザーバ３２６の混合溶液は、熱サイクルチャンバ３３１に流され、混合リザーバ３２７の混合溶液は、熱サイクルチャンバ３３２に流され、混合リザーバ３２８の混合溶液は、熱サイクルチャンバ３３３に流され、混合リザーバ３２９の混合溶液は、熱サイクルチャンバ３３４に流され、混合リザーバ３３０の混合溶液は、熱サイクルチャンバ３３５に流される。熱サイクルプロセスを実行するために、熱サイクルチャンバ３３１〜３３５のそれぞれには、加熱素子（図示せず）が接続されている。一実施の形態においては、熱サイクルチャンバ３３１〜３３５は、細長いチューブとして構成されており、各端部は、バルブによって蓋をされ、チューブは、加熱メッシュに接続されており、加熱及びチューブアセンブリを形成している。このような加熱及びチューブアセンブリの具体例は、引用によって本願に援用される、同じ出願人によって２００５年８月１０日に出願された、係属中の米国特許出願第１１／２０１，６１５号、発明の名称「Disposable Integrated Heater and Tube Assembly for Thermally-driven Chemical Reactions」に記載されている。
【００４８】
計量及び熱サイクルモジュール３０内のマイクロ流体回路は、複数の異なる熱サイクルプロセスを実行することができる。上述のようにして、第１の混合溶液に対して第１の熱サイクルプロセスが実行された後に、熱サイクルチャンバ３３１〜３３５内の得られる溶液は、対応する混合リザーバ３２６〜３３０に逆流される。あるいは、熱サイクルチャンバ３３１〜３３５から、それぞれの対応する混合リザーバ３２６〜３３０に溶液を流す更なるマイクロ流体回路を設けてもよい。溶液リザーバ３２１〜３２５から混合リザーバ３２６〜３３０に更なる混合溶液を供給してもよい。この工程中に供給される混合溶液は、第１の熱サイクルプロセス中に供給された混合溶液と同じであっても、異なっていてもよい。そして、混合溶液は、第２の熱サイクルプロセスのために、熱サイクルチャンバ３３１〜３３５に戻される。更なる熱サイクルプロセスは、同様に実行することができる。一応用例においては、第１の熱サイクルプロセス中に前増幅プロセス（pre-amplification process）を実行し、第２の熱サイクルプロセス中に増幅プロセスを実行する。このような前増幅プロセス及び増幅プロセスの一具体例については、引用によって本願に援用される、同じ出願人による係属中の米国特許出願第１１／５０９，８６８号に記載されている。増幅プロセスの結果、増幅核酸溶液が得られる。増幅核酸溶液は、計量及び熱サイクルモジュール３０から出力される。
【００４９】
増幅核酸溶液が計量及び熱サイクルモジュール３０から出力される前に、１つ以上の更なる処理工程を増幅核酸溶液に施すことができる。このような更なる処理工程は、光学検出モジュール３４による検査のために、増幅核酸溶液を準備する。増幅核酸溶液は、熱サイクルチャンバ３３１〜３３５から対応する混合リザーバ３２６〜３３０に逆流される。そして、更なる溶液を混合リザーバ３２６〜３３０のそれぞれに加える。更なる溶液は、増幅核酸溶液内に存在する場合、１つ以上の特定の種類の核酸に付着する。得られる生成物（resulting product）は、各特定の核酸のための異なる蛍光マーカを含んでいる。そして、この生成物は、計量及び熱サイクルモジュール３０から出力される。なお、特定の種類の核酸の存在を検出するために他の化学処理を用いることができる。
【００５０】
図７に示す計量及び熱サイクルモジュール３０は、５つの熱サイクルチャンバと、５つの混合リザーバと、５つの溶液リザーバとによって構成されているが、計量及び熱サイクルモジュール３０は、５つよりも多い又は少ない熱サイクルチャンバ、混合リザーバ及び溶液リザーバによって構成してもよい。更にあるいは、代替となる混合方法として、混合リザーバを設けずに、溶液リザーバから熱サイクルチャンバへの流体の輸送中に、流体管路（fluid line）自体の内部で混合を行うようにしてもよい。
【００５１】
図８は、光学検出モジュール３４の例示的な概略図を示している。光学検出モジュール３４は、シリンジポンプ３４１及び分配弁３４２を含むポンプアセンブリ３４０と、検査チャンネル（interrogation channel）３４３を含む流体管路（fluid line）３４４と、光学検出器３４６とを備える。流体管路３４４には、計量及び熱サイクルモジュール３０から出力された増幅核酸溶液が供給される。検査チャンネル３４３は、流体管路３４４の光学的に透明な部分であり、これにより、増幅核酸溶液が光学的に透明な部分を通過するときに、光学検出器３４６が光学的分析を行うことができる。一実施の形態においては、検査チャンネル３４３は、計量及び熱サイクルモジュール３０を廃棄物モジュール２８（図２）に接続するマイクロ流体回路内に一体化されている。この構成では、溶液が廃棄物モジュール２８に流れるときに、増幅核酸溶液に対する光学的測定を行う。あるいは、流体管路３４４に収集容器を接続し、増幅核酸溶液を収集容器に収集して、光学的測定を行ってもよい。
【００５２】
光学検出器３４６は、例えば白色光ＬＥＤ又はレーザからなる光源３４８と、例えば１つ以上のレンズ、フィルタ及びビームスプリッタからなる光路３５０と、光ファイバ３５２と、光センサ３５４とを備える。光学検出器３４６は、毒素捕捉及び検出モジュール２２内の光学検出器２３４（図５）と機能的に同じである。光学検出器３４６は、検査チャンネル３４３に光を向け、反射光の特性を収集及び測定する。反射光の特性は、特定の種類の核酸が増幅核酸溶液内に存在しているかを判定するために使用される。図８に示す光学検出器３４６の構成は、例示的なものに過ぎない。幾つかの実施の形態では、光学検出器３４６は、光源と、検査チャンネル３４３に光を向け、検査チャンネル３４３からの反射光を光学検出器に向ける光路と、光学検出器とを備える。他の実施の形態では、光源を設けない。このような場合、光は、例えば化学発光によって、核酸から放出される。放出光は、光センサによって検出される。一実施の形態においては、光学検出器は、１つ以上の異なる波長を測定できる従来の光学検出デバイスである。測定特性は、分析のために光学検出器３４６から制御モジュール１２に供給される。
【００５３】
微粒子収集及び検出装置１０は、特定の浮遊微粒子の存在を検出する完全に一体化され、自動化された装置である。微粒子収集及び検出装置１０が実行する例示的な自動プロセスを図９に示す。ステップ４００において、空気収集モジュール１４に環境空気を取り込む。環境空気は、プロセスの全体に亘って、空気収集モジュール１４に連続して取り込まれる。ステップ４０５において、定義されたスケジュールに基づいて、空気収集モジュール１４から流体試料を周期的に出力する。出力流体試料は、環境空気から収集された浮遊微粒子を含んでいる。ステップ４１０において、流体試料を計量し、分配する。ステップ４１５において、流体試料の第１の部分を保存する。ステップ４２０において、流体試料の第２の部分から毒素を捕捉し、精製し、濃縮する。ステップ４２５において、ステップ４２０で捕捉された毒素の存在を判定する。一実施の形態においては、光検出を用いて毒素の存在を検出する。
【００５４】
ステップ４３０において、流体試料の第３の部分内の細胞を溶解させる。これによって、溶解液が生成される。ステップ４３５において、溶解液を計量し、分配する。ステップ４４０において、第１の溶解液の各計量された部分に対して前増幅プロセスを実行する。ステップ４４５において、第１の溶解液の各計量された部分に対して増幅プロセスを実行し、増幅核酸溶液を生成する。前増幅プロセス及び増幅プロセスは、熱サイクルを含んでいる。ステップ４５０において、増幅核酸溶液内の１つ以上の特定の種類の核酸の存在を判定し、１つ以上の特定の種類の核酸を識別する。ステップ４３０〜４５０は、ステップ４２０〜４２５と並列して実行し、これにより、流体試料を同時に処理する。
【００５５】
ステップ４２５において、１つ以上の毒素が存在すると判定された場合、又はステップ４５０において、１つ以上の特定の核酸が存在すると判定された場合、ステップ４５５において、警告信号を発生する。ステップ４６０において、この微粒子収集及び検出装置１０をリセットし、空気収集モジュール１４によって出力される次の流体試料を処理する。微粒子収集及び検出装置１０は、流体試料が通るマイクロ流体回路と、全ての流体試料収集容器と、毒素を捕捉するために用いられた捕捉デバイスと、核酸を精製するために用いられた精製デバイスと、除去された保管チャンバと、熱サイクルチャンバとを浄化することによってリセットされる。浄化は、従来のあらゆるすすぎ及び洗浄工程を用いて実行される。微粒子収集及び検出装置１０がリセットされた後、次の予定された期間において、次の流体試料が空気収集モジュール１４から出力され、上述のように処理される。このプロセスは、後続の流体試料に対し、連続して繰り返される。微粒子収集及び検出装置１０は、独立して動作し、又は遠隔監視及び／又は制御位置にネットワークで接続され、ここに、測定された特性及び／又はポスト分析結果が送信され、及び／又はここから制御信号が受信される。
【００５６】
例示的な用途では、収集及び検出装置１０は、１日２４時間、連続して動作する。空気収集モジュール１４は、３時間毎に１０ｍｌの流体試料を分配モジュール１６に出力する。１０ｍｌの流体試料のうちの１ｍｌが計量されて、保管モジュール１８に分配され、３ｍｌが、毒素捕捉及び検出モジュール２２に分配され、６ｍｌが、溶解及び捕捉モジュール２０に分配される。溶解及び捕捉モジュール２０は、入力される各６ｍｌの試料毎に５０μｌの試料を出力する。計量及び熱サイクルモジュール３０には、溶解及び捕捉モジュール２０から５０μｌサンプルが入力され、及び溶液モジュール３２から１５μｌのアリコート（aliquots）が供給される。計量及び熱サイクルモジュール３０は、溶解及び捕捉モジュール２０から供給された５０μｌの入力試料のそれぞれについて、５つの２５μｌの試料を出力する。５つの２５μｌの試料は、光学検出モジュール３４によって分析される。上述したタイミング、試料の量、分配比は、例示的なものに過ぎない。タイミング、試料の量及び分配比は、用途に特化されており、収集及び検出装置１０は、これに応じて構成される。計量及び熱サイクルモジュール３０が処理する２５μｌの流体試料の１つ以上を陰性及び陽性の対照試料（control samples）に置換することによって、あらゆる入力流体試料に対して実行された分析の精度を検証することができる。
【００５７】
収集及び検出装置の第２の実施の形態は、検出−警告装置を目的とするものであり、この場合、特定の種類の微粒子の存在が検出されるが、微粒子の種類は識別してもしなくてもよい。図１０は、一体型の収集及び検出装置の第２の実施の形態の例示的な機能ブロック図である。一体型の収集及び検出装置５００は、空気収集モジュール５１０と、確認デバイス５２０と、制御モジュール５３０とを備える。流体は、マイクロ流体回路を用いて、流体インタフェース５１４と確認デバイス５２０間及び確認デバイス５２０内を流れる。
【００５８】
空気収集モジュール５１０は、環境空気を取り込み、環境空気中の１つ以上の異なる種類の浮遊微粒子の存在を検出し、浮遊微粒子を、例えば流体内に収集する。空気収集モジュール５１０は、トリガ機構５１２と、流体インタフェース（fluid interface）５１４とを備える。流体インタフェース５１４は、収集及び検出装置５００に吸い込まれた浮遊微粒子が存在する環境空気が供給され、浮遊微粒子を、流体試料とも呼ばれる流体溶液に収集する。流体インタフェース５１４は、収集及び検出装置５００内に空気流（airflow）を発生するファンを備える。幾つかの実施の形態では、浮遊微粒子は、ファンによって収集された微粒子を溶離し、溶離微粒子を含む得られた流体溶液を収集することによって、収集される。浮遊微粒子を流体溶液に収集する方法の一具体例については、引用によって本願に援用される、同じ出願人による係属中の米国特許出願第１１／５０９，８７８号、発明の名称「Automated Particle Collection Off of Fan Blades into a Liquid Buffer」に記載されている。流体溶液は、流体インタフェース５１４内の収集容器に保存してもよく、流体インタフェース５１４及び／又は空気収集モジュール５１０の外部の収集容器に保存してもよい。
【００５９】
トリガ機構５１２は、流体インタフェース５１４に向けられる空気流及びこの空気流中の浮遊微粒子を連続して監視するように配置されている。トリガ機構５１２は、例えばレーザ又は白色光ＬＥＤからなる光源を備え、光ビームを発生して、空気流に向ける。光ビームは、空気流中の浮遊微粒子に衝突する。また、トリガ機構５１２は、集光器（light collector）、例えば光センサを備え、浮遊微粒子に衝突した後の光に関連した１つ以上の光学特性を測定する。幾つかの実施の形態では、浮遊微粒子から反射する光の波長を測定する。トリガ機構５１２は、浮遊微粒子に対して非破壊的である。
【００６０】
トリガ機構５１２によって測定された光学特性は、制御モジュール５３０に供給される。制御モジュール５３０は、光学特性を既知の光学特性と比較して、１つ以上の異なる種類の生物学的微粒子（biological particles）が空気流中に存在しているかを判定する。１つ以上の異なる種類の生物学的微粒子が存在していると判定した場合、制御モジュール５３０は、トリガ信号を発生する。あるいは、トリガ機構５１２は、１つ以上の異なる種類の特定の生物学的微粒子が存在しているかを判定し、必要に応じて、トリガ信号を発生する論理回路を備えている。更にあるいは、トリガ機構５１２は、１つ以上の異なる種類の特定の生物学的微粒子が存在しているかを判定する論理回路を備え、制御モジュール５３０が、必要に応じて、トリガ信号を発生する。
【００６１】
トリガ信号に応じて、流体試料又はその一部は、確認デバイス５２０に供給され、確認デバイス５２０は、１つ以上の異なる種類の特定の生物学的微粒子の存在を確認する。確認デバイス５２０は、溶液モジュール５２２と、毒素捕捉及び検出モジュール５２４とを備える。
【００６２】
第２の実施の形態の毒素捕捉及び検出モジュール５２４は、毒素捕捉及び検出モジュール５２４内の１つ以上の捕捉デバイス及び光学検出モジュールが、特定の毒素に加えて特定の病原体を捕捉及び検出する点を除いて、第１の実施の形態の毒素捕捉及び検出モジュール２２と物理的及び動作的にも等価である。幾つかの病原体は、免疫測定法（immuno assay）を用いて検出することができる。幾つかの実施の形態では、毒素捕捉及び検出モジュール５２４内の１つ以上の捕捉デバイスを、毒素捕捉及び検出モジュール２２に関連して説明したように、特定の毒素に付着することが知られている１つ以上の特異抗体に加えて、特定の病原体に付着することが知られている１つ以上の特異抗体によってプリコーティングする。これらの実施の形態では、毒素捕捉及び検出モジュール５２４内の光学検出モジュールは、特異抗体の存在を判定するために使用される、捕捉された毒素又は病原体の１つ以上の光学特性を測定する。
【００６３】
毒素捕捉及び検出モジュール５２４によって得られた生データ、例えば測定光学特性は、制御モジュール５３０に供給され、制御モジュール５３０は、この生データを用いて、１つ以上の特定の種類の毒素及び／又は病原体の存在を判定するとともに、これらを識別する。特定の毒素又は病原体が検出された場合、制御モジュール５３０は、警告信号を発生する。あるいは、毒素捕捉及び検出モジュール５２４によって収集された生データは、分析のために、中央監視点５０（図１）等の遠隔位置に送信される。
【００６４】
溶液モジュール５２２は、毒素捕捉及び検出モジュール５２４において実行される捕捉工程中に用いられる溶液を供給するという点で、溶液モジュール２６（図２）と同様である。溶液モジュール５２２は、例えば、洗浄液と、抗体溶液とを含んでいる。
【００６５】
収集及び検出装置５００は、環境空気が連続して検査され、空気収集モジュール５１０によって逐次出力される流体試料が処理されるように、再利用される。したがって、毒素捕捉及び検出モジュール５２４及び相互接続される全てのマイクロ流体回路は、サイクル間に浄化される。浄化中、すすぎ及び洗浄工程を実行するために、様々な溶液が使用され、これらの溶液は、溶液モジュール５２２内に含まれている。
【００６６】
制御モジュール５３０は、各モジュールに接続されており、収集及び検出装置５００の動作を制御する。このような制御によって、人間の介入を必要としない、収集及び検出プロセスの完全自動化が可能となる。また、制御モジュール５３０は、毒素捕捉及び検出モジュール５２４によって供給される生データを分析して、何らかの適切な警告信号又はトリガ信号を発生する。制御モジュール５３０は、警告信号に応じて、ローカルな音声警告及び／又は警告表示を開始し、及び／又は通知信号を、ネットワークで接続されたローカル監視位置又は中央監視位置に送信する。
【００６７】
分析された流体試料、溶離緩衝液、混合溶液、すすぎ液、洗浄液、除去する保管試料、並びに流体試料の処理及びその後の収集及び検出装置５００の浄化に関連した他の溶液は、廃棄物モジュール（図示せず）に流される。あるいは、分析が済み、毒素捕捉及び検出モジュール５２４から出力された流体試料は、ローカル又はリモートの保存容器に保管することができる。
【００６８】
微粒子収集及び検出装置５００が実行する例示的な自動プロセスを図１１に示す。ステップ５４０において、空気収集モジュール５１０に環境空気を取り込む。環境空気は、プロセスの全体に亘って、空気収集モジュール５１０に連続して取り込まれる。ステップ５４５において、環境空気中の浮遊微粒子を検査し、浮遊微粒子に関連した１つ以上の光学特性を測定する。幾つかの実施の形態では、レーザビームを用いて、浮遊微粒子を検査するために、浮遊微粒子に衝突したレーザビームの反射光の光の波長を測定する。ステップ５５０において、測定光学特性を、１つ以上の異なる種類の生物学的微粒子に関連した既知の光学特性と比較する。ステップ５５０において、一致が判定されない場合、処理は、ステップ５４０、５４５を繰り返す。一方、ステップ５５０において一致が判定された場合、ステップ５５５において、トリガ信号を発生する。トリガ信号の発生は、少なくとも１つの種類の生物学的微粒子が環境空気から検出されたことを示す。
【００６９】
ステップ５６０において、環境空気からの微粒子を含む流体試料を生成する。トリガ信号に応じて、流体試料又はその一部を確認デバイス５２０に供給する。測定光学特性と既知の光学特性との間に一致が認められたか否かにかかわらず、流体試料が常に生成されるように、ステップ５４５の後にステップ５６０を実行してもよい。また、ステップ５６０は、ステップ５５０及び必要に応じて、ステップ５５５と同時に実行することもできる。ステップ５６５において、確認デバイス５２０が、１つ以上の特定の種類の生物学的微粒子が存在していることを確認する。生物学的微粒子は、特定の種類の毒素又は特定の種類の病原体である。幾つかの実施の形態では、確認デバイス５２０は、免疫測定法を用いて、１つ以上の異なる種類の毒素及び／又は病原体の存在を確認する。幾つかの実施の形態では、確認デバイス５２０は、１つ以上の異なる種類の毒素及び／又は病原体を識別する。幾つかの実施の形態では、確認デバイス５２０は、１つ以上の異なる種類の毒素及び／又は病原体の存在を確認した場合、警告信号を発生する。
【００７０】
収集及び検出装置の第３の実施の形態は、図１の収集及び検出装置１０の機能と、図１０の収集及び検出装置５００とを結合する。この第３の実施の形態では、収集及び検出装置５００は、第１のレベルの検出を実行するように適応化され、ここでは、１つ以上の毒素及び／又は病原体の存在を検出し、及びこのような検出に応じて、収集及び検出装置１０は、１つ以上の毒素及び／又は病原体を識別する第２のレベルの検出を実行する。
【００７１】
図１２は、一体型の収集及び検出装置の第３の実施の形態の例示的な機能ブロック図である。一体型の収集及び検出装置６００は、収集及び検出装置５００の空気収集モジュール５１０及び確認デバイス５２０と、収集及び検出装置１０の分配モジュール１６、保管モジュール１８、溶解及び捕捉モジュール２０、毒素捕捉及び検出モジュール２２、溶液モジュール２４、溶液モジュール２６、廃棄物モジュール２８、計量及び熱サイクルモジュール３０、溶液モジュール３２及び光学検出モジュール３４とを備える。また、収集及び検出装置６００は、分配モジュール６１０と、制御モジュール６２０とを備える。各モジュールは、収集及び検出装置６００内で流体試料及び溶液を流すことができるように流体工学的に適切に接続されている。
【００７２】
収集及び検出装置６００の制御は、収集及び検出装置１０の制御モジュール１２の機能及び収集及び検出装置５００の制御モジュール５３０の機能を含む制御モジュール６２０によって維持される。あるいは、例えば、第１のレベルの検出を制御する制御モジュール５３０を追加し、及び第２のレベルの検出を制御する制御モジュール１２を追加することによって、制御を局所的に分散させてもよい。このような局所制御モジュールは、互いに通信し、それぞれの機能を調整する。更にあるいは、例えば、制御モジュール５３０及び制御モジュール１２を追加し、局所制御モジュールに接続された包括的なモジュールによって、収集及び検出装置６００に亘るハイレベルの制御を維持することによって、制御を局所的に分散させてもよい。制御モジュール６２０は、収集及び検出装置６００の各モジュールに接続される。
【００７３】
分配モジュール６１０は、流体インタフェース５１４から出力された流体試料が供給される。分配モジュール６１０は、マイクロ流体回路及び保存容器を備える。流体インタフェース５１４から供給された流体試料は、所定の比率に基づいて計量及び分配される。流体試料の第１の部分は、トリガ信号に応じて、計量され、確認デバイス５２０に分配される。流体試料の残りの部分は、分配モジュール６１０内に保存されたまま残る。確認デバイス５２０が１つ以上の特定の種類の生物学的微粒子の存在を確認すると、警告信号が発生される。警告信号に応じて、流体試料の残りの部分は、分配モジュール６１０から分配モジュール１６に分配される。そして、流体試料は、毒素捕捉及び検出モジュール２２、溶解及び捕捉モジュール２０、計量及び熱サイクルモジュール３０及び光学検出モジュール３４によって処理され、流体試料内の微粒子が識別される。幾つかの実施の形態では、分配モジュール６１０及び分配モジュール１６の機能を結合して、単一の分配モジュールを構成してもよい。
【００７４】
トリガ機構５１２がトリガ信号を発生しない場合、流体試料は、処理のために分配モジュール１６に流体試料を供給する、次の周期的な間隔まで、分配モジュール６１０に保存される。トリガ機構５１２がトリガ信号を発生したが、確認デバイス５２０が警告信号を発生しない場合、残りの流体試料は、次の周期的な間隔まで分配モジュール６１０内に保存される。あるいは、トリガ機構５１２がトリガ信号を発生した場合、確認デバイス５２０が警告信号を発生したか否かにかかわらず、残りの流体試料を分配モジュール１６に分配し、処理するようにしてもよい。流体インタフェース５１４は、トリガ信号又は警告信号が発生されているか否かにかかわらず、分配モジュール６１０に保存する流体試料の出力を続ける。
【００７５】
収集及び検出装置６００の実際の動作では、トリガ機構５１２及び確認デバイス５２０は、環境空気中に特定の種類の生物学的微粒子が存在しているかを判定する第１のレベルの検出を実行する。第１のレベルの検出によって１つ以上の特定の種類の生物学的微粒子の存在が確認された場合、毒素捕捉及び検出モジュール２２、溶解及び捕捉モジュール２０、計量及び熱サイクルモジュール３０及び光学検出モジュール３４によって第２のレベルの検出が実行される。第２のレベルの検出は、１つ以上の特定の種類の毒素及び／又は１つ以上の特定の種類の病原体を識別する。
【００７６】
微粒子収集及び検出装置の第３の実施の形態によって実行される例示的な自動プロセスを図１３に示す。ステップ６２５において、空気収集モジュール５１０に環境空気を取り込む。空気は、プロセスの全体に亘って、空気収集モジュール５１０に連続して取り込まれる。ステップ６３０において、環境空気中の浮遊微粒子を検査し、浮遊微粒子に関連した１つ以上の光学特性を測定する。幾つかの実施の形態では、レーザビームを用いて、浮遊微粒子を検査するために、浮遊微粒子に衝突したレーザビームの反射光の光の波長を測定する。ステップ６３５において、環境空気からの微粒子を含む流体試料を生成する。ステップ６４０において、測定光学特性を、１つ以上の異なる種類の生物学的微粒子に関連した既知の光学特性と比較する。ステップ６４０において、一致が判定されない場合、処理は、ステップ６２５に戻る。一方、ステップ６４０において一致が判定された場合、ステップ６４５において、トリガ信号を発生する。トリガ信号の発生は、少なくとも１つの種類の生物学的微粒子が環境空気から検出されたことを示す。
【００７７】
トリガ信号に応じて、ステップ６５０において、流体試料の第１の部分を計量し、確認デバイス５２０に分配する。ステップ６５５において、確認デバイス５２０が、１つ以上の特定の種類の生物学的微粒子が存在していることを確認する。生物学的微粒子は、特定の種類の毒素又は特定の種類の病原体である。幾つかの実施の形態では、確認デバイス５２０は、免疫測定法を用いて、１つ以上の異なる種類の毒素及び／又は病原体の存在を確認する。幾つかの実施の形態では、確認デバイス５２０は、１つ以上の異なる種類の毒素及び／又は病原体を識別する。ステップ６５５において、流体試料の第１の部分に１つ以上の特定の種類の生物学的微粒子が存在していないと判定された場合、処理は、ステップ６２５に戻る。一方、ステップ６５５において、流体試料の第１の部分に１つ以上の特定の種類の生物学的微粒子が存在していると判定された場合、ステップ６６０において、第１の警告信号を発生する。第１の警告信号の発生は、少なくとも１つの種類の生物学的微粒子が流体試料の第１の部分から検出されたことを示す。
【００７８】
ステップ６６５において、流体試料の残りの部分を計量し、保管モジュール１８、毒素捕捉及び検出モジュール２２及び溶解及び捕捉モジュール２０に分配する。ステップ６７０において、流体試料の第２の部分を保存する。ステップ６７５において、流体試料の第３の部分からの毒素を捕捉、精製及び濃縮する。ステップ６８０において、ステップ６７５で捕捉された毒素の存在を判定し、毒素を識別する。一実施の形態においては、光検出を用いて毒素の存在を検出し、毒素を識別する。
【００７９】
ステップ６８５において、流体試料の第４の部分内の細胞を溶解させる。これによって、溶解液が生成される。ステップ６９０において、溶解液を計量し、分配する。ステップ６９５において、第１の溶解液の各計量された部分に対して前増幅プロセスを実行する。ステップ７００において、第１の溶解液の各計量された部分に対して増幅プロセスを実行し、増幅核酸溶液を生成する。前増幅プロセス及び増幅プロセスは、熱サイクルを含む。ステップ７０５において、増幅核酸溶液内における１つ以上の特定の種類の核酸の存在を判定し、１つ以上の特定の種類の核酸を識別する。ステップ６８５〜７０５は、ステップ６７５〜６８０と並列して実行し、これにより、流体試料を同時に処理する。
【００８０】
ステップ６８０において、１つ以上の毒素が存在すると判定された場合、又はステップ７０５において、１つ以上の特定の核酸が存在すると判定された場合、ステップ７１０において、警告信号を発生する。ステップ７１５において、この収集及び検出装置６００をリセットし、空気収集モジュール５１０によって出力される次の流体試料を処理する。収集及び検出装置６００は、流体試料が通るマイクロ流体回路と、全ての流体試料収集容器と、毒素を捕捉するために用いられた捕捉デバイスと、核酸を精製するために用いられた精製デバイスと、除去された保管チャンバと、熱サイクルチャンバとを浄化することによってリセットされる。浄化は、従来のあらゆるすすぎ及び洗浄工程を用いて実行される。
【００８１】
以上、生物脅威の用途に関連した一体型の微粒子収集及び検出装置の実施の形態を説明した。なお、一体型の微粒子収集及び検出装置は、有害ではない空気微粒子の収集にも使用することができ、通常、一体型の微粒子収集及び検出装置は、如何なる浮遊微粒子の収集及び分析にも使用することができる。
【００８２】
図１に関連して説明したネットワーク構成は、収集及び検出装置の第１の実施の形態、すなわち収集及び検出装置１０を含む。ここで、幾つか又は収集及び検出装置の実施の形態、例えば、収集及び検出装置１０、収集及び検出装置５００、収集及び検出装置６００の幾つか及び全ては、任意の組合せで、同様の方法でネットワーク化してもよい。
【００８３】
上述した収集及び検出装置の実施の形態は、例示的に示しているに過ぎない。一体型の収集及び検出装置は、マイクロ流体回路を用いてモジュールを相互に接続するとともに、モジュールを関連したサブモジュラ部品の所望の組合せで構成するモジュール性により、柔軟性と拡張性を有する。更に、各モジュールについて説明した特定の構成は、例示的なものに過ぎない。マイクロ流体回路及び各モジュールの構成部品は、説明した機能を実行する多くの構成に応用することができる。
【００８４】
本発明の構成及び動作原理を明瞭に説明するために、様々な詳細を含む特定の実施の形態を用いて本発明を説明した。ここに示した特別な構成、並びに様々なモジュールに関連して記述した処理の方法及びこれらの間の相互接続は、例示的なものに過ぎない。このような特定の実施の形態の説明及びその詳細は、特許請求の範囲を制限するものではない。本発明の主旨及び範囲から逸脱することなく、例示的に選択された実施の形態を変更できることは、当業者にとって明らかである。