(57)【要約】現場配置可能なスモール・フォーマット・マイクロ流体システムは、簡略化された、低コスト・システム制御要素、光学装置、流体制御、および熱制御を含む。マイクロ流体チップの実施形態は、中に形成された、試薬ウェルと、空気口とを有する第１のプレート；反応ウェルと、各反応ウェルを１つの試薬ウェルと１つの空気口とに接続するマイクロ流体流路とが中に形成された、第２のプレート；およびヒータ・エレメントと、温度センサと、ＰＣＢを介して熱伝達をもたらす、サーマル・ビアとを備えるプリント回路板を含む。一実施形態において、反応ウェル、空気口、反応ウェル、およびサーマル・ビアは、マイクロ流体チップの幾何学中心に対して対称に形成され、反応ウェルを横切る熱的均一性を促進する。
2017503175.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ流体手順を実行するためのデバイスであって、
中に形成された、複数の試薬ウェルと空気口とを有する第１のプレートと、
前記第１のプレートの面に固定された第１の面を有するとともに、中に形成された、複数の反応ウェルと複数のマイクロ流路とを含む第２のプレートであって、前記マイクロ流路が、前記反応ウェルの各々を、前記試薬ウェルの１つと前記空気口の１つとに流体的に接続するように構成された、第２のプレートと、
前記第２のプレートの前記第１の面の反対側の前記第２のプレートの第２の面に固定された第１の面を有するプリント回路板（ＰＣＢ）とを備え、前記ＰＣＢは、
前記第１の面と反対側の前記ＰＣＢの第２の面に固定された１つまたは複数のヒータ・エレメントと、
前記ＰＣＢの前記第２の面に固定された１つまたは複数の温度センサと、
前記ヒータ・エレメントと関連づけられて、前記ヒータ・エレメントと前記反応ウェルの間の熱的結合をもたらすように構成された１つまたは複数の熱伝導性ビアと、
前記温度センサと関連づけられて、前記温度センサと前記反応ウェルとの熱的結合をもたらすように構成された１つまたは複数の熱伝導性ビアと
を含む、デバイス。
【請求項２】
前記反応ウェルを包囲するパターンに配設された複数のヒータ・エレメントを備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記温度センサが、前記反応ウェルの下方にランディングするビアの中に装着されている、請求項１または２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記第１および第２のプレートの少なくとも一方がプラスチック製である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項５】
前記プラスチックは、環状オレフィン共重合体を含む、請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
前記空気口が、前記第１のプレートの外周に外接するパターンに配設されており、前記試薬ウェルが、前記空気口の内側の場所で、前記第１のプレートの幾何学中心に外接するパターンに配設されている、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項７】
前記第１のプレート、前記第２のプレート、および前記ＰＣＢが、長方形または正方形である、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項８】
前記第１のプレート、前記第２のプレート、および前記ＰＣＢは長方形または正方形であって、同じ寸法を有する、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項９】
前記第１のプレートは、その中の、前記第２のプレート内の前記反応ウェルの場所に対応する場所に形成された、開口を含む、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記熱伝導性ビアが、銅で形成されている、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記試薬ウェルおよび前記空気口が、前記第１のプレートの幾何学中心に対して対称に配設されている、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記試薬ウェルの開放上端を覆う、穿孔可能なフォイルをさらに備える、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記空気口を覆う、液体不透過性で、気体透過性のメッシュをさらに備える、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１４】
各ヒータ・エレメントは、前記ＰＣＢの前記第２の面上に装着された抵抗器を備える、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記ヒータ・エレメントに電気的に接続されて、前記ＰＣＢの前記第２の面に位置するともに、処理器具において、接触要素と電気伝導接触するように構成されたヒータ導体パッドをさらに備える、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記センサ要素が、前記ＰＣＢの前記第２の面上に装着された抵抗温度検出器を備える、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１７】
前記センサ要素に電気的に接続されて、前記ＰＣＢの前記第２の面上に位置するセンサ導体パッドをさらに備えるとともに、処理器具において、接触要素と電気伝導接触をするように構成されている、請求項１６に記載のデバイス。
【請求項１８】
中に形成された、複数の試薬ウェルと空気口とを有する基板と、
前記基板の面に固定された第１の面を有するとともに、中に形成された、複数の反応ウェル、複数の第１のマイクロ流路および複数の第２のマイクロ流路を含む、マイクロ流路プレートであって、各第１のマイクロ流路が、前記反応ウェルの各々を、前記試薬ウェルの１つに流体的に接続するように構成されており、各第２のマイクロ流路が、前記反応ウェルの各々を、前記空気口の１つに流体的に接続するように構成されている、マイクロ流路プレートと、
各反応ウェルの内部に配置された温度センサと
を備えるマイクロ流体手順を実行するためのデバイス。
【請求項１９】
前記基板と前記マイクロ流路プレートの少なくとも一方がプラスチック製である、請求項１８に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記プラスチックが、環状オレフィン共重合体を含む、請求項１９に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記試薬ウェルの開放上端を覆う、穿孔可能なフォイルをさらに備える、請求項１８乃至２０のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記空気口を覆う、液体不透過性で、気体透過性のメッシュをさらに備える、請求項１８乃至２１のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項２３】
複数のサンプルウェルと、各々が前記投入ウェルの１つと流体的に接続されている複数の空気口と、前記空気口を覆う、液体不透過性で気体透過性の膜とを備える、マイクロ流体デバイス内部の固定場所内に液体を保持する方法であって、
前記投入ウェルからの液体を、前記空気口を覆う前記膜へと吸引するために、前記空気口において連続的な負圧をかけることを含み、前記膜は、前記液体に負圧かけることを可能にするが、前記液体が前記膜を通過して前記空気口から出ることを防止する、方法。
【請求項２４】
前記マイクロ流体デバイスが、前記サンプルウェルを覆う穿孔可能なフォイルをさらに含み、
前記試薬ウェルの少なくとも１つを覆う前記フォイルに穿孔することと、
液体サンプル材料を、前記ウェルを覆う前記フォイルに穿孔された開口を介して、前記試薬ウェル中に分注することとをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
マイクロ流体流路を介して前記空気口を覆う前記膜へ、前記液体を吸引することと、
前記流路の部分からの蛍光発光を測定することによって、マイクロ流体流路が充填されているかどうかを判定することとをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
穿孔可能なフォイルで覆われた複数の試薬ウェルと、各々が前記投入ウェルの１つに流体的に接続された複数の空気口とを備えるマイクロ流体デバイスに、流体材料を付加する方法であって、
前記試薬ウェルの少なくとも１つを覆う前記フォイルに穿孔することと、
前記ウェルを覆う前記フォイルに穿孔された開口を介して、前記試薬ウェル中に液体サンプル材料を分注することと、
前記フォイルに穿孔された各開口を、液体不透過性で、気体透過性の膜で覆うことと、
前記投入ウェルから、前記投入ウェルを前記空気口に接続する１つまたは複数のマイクロ流体流路中に、液体を吸引するために、前記空気口において圧力差をかけることと、
マイクロ流体流路が充填されているかどうかを、前記流路の部分からの蛍光発光を測定することによって判定することとを含む、方法。
【請求項２７】
前記マイクロ流体デバイスを揺動もしくは回転させるか、または前記マイクロ流体流路を介して液体を前後に圧送することによって、前記投入ウェル中に分注された前記流体を混合することさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
流体を前記投入ウェルから前記マイクロ流体流路へと吸引した後に、核酸増幅工程を実行することをさらに含む、請求項２６または２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記核酸増幅の生成物についての熱溶融分析を実行することをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記マイクロ流体流路から前記投入ウェルへと戻って流体を押圧するために、前記空気口においてかけられる前記圧力差を逆転させることをさらに含む、請求項２６乃至２９のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、その全体の開示が参照により本明細書に組み込まれている、２０１３年１２月３１日出願の米国特許仮出願第６１／９２２７９３号の出願日の３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）の下での利益を主張するものである。
【０００２】
本開示は、マイクロ流体システム、より具体的には、構築が簡単で、低コストであるマイクロ流体システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
核酸の検出は、医薬、法科学、産業処理、作物育種および家畜育種、ならびにその他多くの分野に対して中核となる。病状（例えば、癌）、感染性生物（例えば、ＨＩＶ）、遺伝系統、遺伝子マーカー、その他を検出する能力は、疾病診断および疾病予後、マーカー利用選抜、犯罪現場特徴の正しい識別、工業用有機体を増殖する能力、およびその他多くの技法のための、ユビキタス技術である。対象とする核酸の完全性を判定することは、感染または癌の病状と関係している可能性がある。少量の核酸を検出するための、最も強力で、基本的な技術の１つが、核酸配列の一部または全部を多数回、複製し、次いで、その増幅生成物を解析することである。ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）は、おそらく、多数の異なる増幅技法の中で最もよく知られているものである。
【０００４】
さらに最近では、ＰＣＲおよびその他の増幅反応を実行することに対する、多数の高スループット手法が、開発されており、例えば、マイクロ流体デバイスでの増幅反応に加えて、そのデバイス内またはその上で、増幅された核酸を検出して分析する方法がある。マイクロ流体チップが、ｉｎ−ｖｉｔｒｏ診断試験を実行するための「ラボ・オン・チップ」デバイス用に開発されている。ｉｎ−ｖｉｔｒｏ診断マイクロ流体チップにおける全体トレンドは、それらを小型化して、サンプル量、材料コスト、バイオハザード廃棄物量を節約するとともに、より迅速なＰＣＲサイクリングのためにチップの熱質量を低減することである。別のトレンドは、携帯能力、感度能力、および迅速応答能力を目指しての、リアルタイムＰＣＲ開発の推進である。いくつかの携帯用商用システムが、広範囲の冷凍乾燥ＰＣＲ試薬および特定の検出キットとともに、現場配置可能な機械として、入手可能である。そのようなシステムは、最小限の訓練を受けた人材による使用を可能にする、「プッシュ・ボタン」ソフトウェアを提供する。
【０００５】
多くのそのようなデバイスが開発されているが、現存の現場配置可能なユニットについての共通の問題は、実験室だけで製作可能な、高いコスト／複雑性の使い捨て器具、プラスチック・デバイスにおける遅い熱サイクリング、およびチップと外界の間のインターフェイスの困難性／低信頼性である。
【０００６】
１つの関係する開発が、マイクロ流体デバイスの製造のために、プリント回路板（ＰＣＢ）製作技術を使用することであった。具体的には、統合型オン・チップ電子制御とコスト低減のために、マイクロ流体デバイスは、おそらくＰＣＢ上に製作されてもよい。ＰＣＢは、高精度かつ低コストで、機能性構成要素と容易に一体化して、大量に生産することが可能であり、これをマイクロ流体技術用の魅力的なプラットフォームとすることができる。
【０００７】
上記のように、マイクロ流体システムを使用するものを含めて、現場配置可能なユニットは、共通して、使い捨て器具の高いコストと複雑さ、要求される熱サイクルを達成することの困難さ、およびマイクロ流体チップと外界の間の困難で／信頼できないインターフェイスなどの問題によって妨げられる。モジュール式マイクロ流体システムの生産は、別個に開発されたマイクロ流体構成要素を統合化デバイスに組み込むことができる、モジュール式マイクロ流体パッケージング・システムを可能にするので、これらの問題を克服するのに有用であり得る。したがって、そのようなシステムの複雑さとコストを低減すると同時に、迅速で正確な結果を提供する、現場配置可能なマイクロ流体システムに対するニーズがある。代替的に、または追加として、ＰＣＢ技術の便益と、モジュール式アプローチとを両立させるＰＣＲを含む、生物学的反応を実行するための、マイクロ流体システムが必要となる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７６２９１２４号
【発明の概要】
【０００９】
以下は、本明細書に記載されるいくつかの態様の基本的理解をもたらすために、簡略化した概要を提示する。この概要は、特許請求される主題の広範な全体像ではない。特許請求される主題のキー要素または重要要素を識別することを意図するものではなく、またその範囲を明示することを意図するものでもない。
【００１０】
本開示の態様は、マイクロ流体手順を実行するためのデバイスとして具現化される。このデバイスは、第１のプレート、第２のプレート、およびプリント回路板（ＰＣＢ）を備え、第２のプレートは、第１のプレートとＰＣＢの間に配置されている。第１のプレートは、その中に形成された、複数の試薬ウェルと、空気口とを有する。第２のプレートは、第１のプレートの面に固定された第１の面を有するとともに、その中に形成された、複数の反応ウェルと、複数のマイクロ流路とを含む。マイクロ流路は、反応ウェルの各々を、試薬ウェルの１つと、空気口の１つとに流体的に接続するように構成されている。ＰＣＢは、第２のプレートの第１の面の反対側の第２のプレートの第２の面に固定された、第１の面を有するとともに、第１の面の反対側のＰＣＢの第２の面に固定された、１つまたは複数のヒータ・エレメントと、ＰＣＢの第２の面に固定された１つまたは複数の温度センサと、ヒータ・エレメントに関連づけられるとともに、ヒータ・エレメントと反応ウェルとの間の熱的結合をもたらすように構成された、１つまたは複数の熱伝導性ビアと、温度センサと関連づけられるとともに、温度センサと反応ウェルとの熱的結合をもたらすように構成された、１つまたは複数の熱伝導性ビアとを備える。
【００１１】
さらなる態様によれば、複数のヒータ・エレメントが、反応ウェルを包囲するパターンに配設されている。
【００１２】
さらなる態様によれば、温度センサは、反応ウェルの下にランディングするビアの中に装着されている。
【００１３】
さらなる態様によれば、第１および第２のプレートの少なくとも一方がプラスチック製である。
【００１４】
さらなる態様によれば、プラスチックは、環状オレフィン共重合体を含む。
【００１５】
さらなる態様によれば、空気口が、第１のプレートの外周に外接するパターンに配設されており、試薬ウェルが、空気口の内側の場所で、第１のプレートの幾何学中心に外接するパターンに配設されている。
【００１６】
さらなる態様によれば、第１のプレート、第２のプレート、およびＰＣＢは、長方形または正方形である。
【００１７】
さらなる態様によれば、第１のプレート、第２のプレート、およびＰＣＢは長方形または正方形であって、同じ寸法を有する。
【００１８】
さらなる態様によれば、第１のプレートは、第２のプレート内の反応ウェルの場所に対応する場所に、その中に形成された、開口を含む。
【００１９】
さらなる態様によれば、熱伝導性ビアは銅で形成されている。
【００２０】
さらなる態様によれば、試薬ウェルおよび空気口は、第１のプレートの幾何学中心に対して対称に配設されている。
【００２１】
さらなる態様によれば、デバイスは、試薬ウェルの開放上端を覆う、穿孔可能なフォイルを備える。
【００２２】
さらなる態様によれば、デバイスは、空気口を覆う、液体不透過性で、気体透過性のメッシュを備える。
【００２３】
さらなる態様によれば、各ヒータ・エレメントは、ＰＣＢの第２の面上に装着された抵抗器を備える。
【００２４】
さらなる態様によれば、デバイスは、ヒータ・エレメントに電気的に接続されて、ＰＣＢの第２の面に位置するとともに、処理器具において、接触要素と電気伝導接触するように構成された、ヒータ導体パッドを備える。
【００２５】
さらなる態様によれば、センサ要素が、ＰＣＢの第２の面上に装着された抵抗温度検出器を備える。
【００２６】
さらなる態様によれば、デバイスは、センサ要素に電気的に接続されて、ＰＣＢの第２の面上に位置するとともに、処理器具において、接触要素と電気伝導接触をするように構成された、センサ導体パッドをさらに備える。
【００２７】
本開示の態様は、基板、マイクロ流路プレート、および少なくとも１つの温度センサを備える、核酸増幅手順をその上で実行するための、デバイスとして具現化される。基板は、その中に形成された、複数の試薬ウェルと、空気口とを有する。マイクロ流路プレートは、基板の面に固定された第１の面を有するとともに、その中に形成された、複数の反応ウェル、複数の第１のマイクロ流路、および複数の第２のマイクロ流路を有する。各第１のマイクロ流路は、反応ウェルの各々を、試薬ウェルの１つに流体的に接続するように構成されており、各第２のマイクロ流路は、反応ウェルの各々を、空気口の１つに流体的に接続するように構成されている。温度センサは、少なくとも１つの反応ウェルの内部に配置される。
【００２８】
さらなる態様によれば、基板とマイクロ流路プレートの少なくとも一方はプラスチック製である。
【００２９】
さらなる態様によれば、プラスチックは、環状オレフィン共重合体を含む。
【００３０】
さらなる態様によれば、デバイスは、試薬ウェルの開放上端を覆う、穿孔可能なフォイルをさらに備える。
【００３１】
さらなる態様によれば、デバイスは、空気口を覆う、液体不透過性で、気体透過性のメッシュをさらに備える。
【００３２】
本開示の態様は、複数のサンプルウェルと、各々が投入ウェルの１つと流体的に接続されている、複数の空気口と、空気口を覆う、液体不透過性で、気体透過性の膜とを備える、マイクロ流体デバイス内部の固定場所内に液体を保持する方法として具現化される。この方法は、投入ウェルからの液体を、空気口を覆う膜へと吸引するために、空気口において連続的な負圧をかけることを含み、膜は、液体に負圧をかけることを可能にするが、液体が膜を通過して空気口から出ることを防止する。
【００３３】
さらなる態様によれば、マイクロ流体デバイスは、サンプルウェルを覆う、穿孔可能なフォイルをさらに含み、この方法は、試薬ウェルの少なくとも１つを覆うフォイルに穿孔すること、および液体サンプル材料を、ウェルを覆うフォイルに穿孔された開口を介して、試薬ウェル中に分注することをさらに含む。
【００３４】
さらなる態様によれば、この方法は、マイクロ流体流路を介して空気口を覆う膜へ、液体を吸引すること、および流路の部分からの蛍光発光を測定することによって、マイクロ流体流路が充填されているかどうかを判定することをさらに含む。
【００３５】
本開示の態様は、穿孔可能なフォイルで覆われた複数の試薬ウェルと、各々が前記投入ウェルの１つに流体的に接続された、複数の空気口とを備える、マイクロ流体デバイスに、流体材料を付加する方法として具現化される。この方法は、試薬ウェルの少なくとも１つを覆うフォイルに穿孔すること、ウェルを覆うフォイルに穿孔された開口を介して、試薬ウェル中に液体サンプル材料を分注すること、フォイルに穿孔された各開口を、液体不透過性で、気体透過性の膜で覆うこと、投入ウェルから、投入ウェルを空気口に接続する１つまたは複数のマイクロ流体流路中に液体を吸引するために、空気口において圧力差をかけること、および流路の部分からの蛍光発光を測定することによって、マイクロ流体流路が充填されているかどうかを判定することを含む。
【００３６】
さらなる態様によれば、この方法は、マイクロ流体デバイスを揺動もしくは回転させるか、またはマイクロ流体流路を介して液体を前後に圧送することによって、投入ウェル中に分注された流体を混合することさらに含む。
【００３７】
さらなる態様によれば、この方法は、流体を投入ウェルからマイクロ流体流路へと吸引した後に、核酸増幅工程を実行することをさらに含む。
【００３８】
さらなる態様によれば、この方法は、核酸増幅の生成物についての熱溶融分析を実行することをさらに含む。
【００３９】
さらなる態様によれば、この方法は、マイクロ流体流路から投入ウェルへと戻って流体を押圧するために、空気口においてかけられる圧力差を逆転させることをさらに含む。
【００４０】
本開示の主題のその他の機能および特徴に加えて、動作の方法、構造の関係する要素の機能、および部品の組合せ、生産の経済性は、そのすべてがこの明細書の一部を形成する、添付の図面を参照して、以下の説明と添付の特許請求の範囲について考慮すればより明白になるであろう。なお、様々な図において同一の参照番号が対応する部品を表している。
【００４１】
本願に組み込まれており、明細書の一部を形成する、添付の図面は、本開示の主題の様々な実施形態を図解している。図面においては、同じ参照番号は、同一または機能的に類似する要素を示している。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】現場配置可能な小型フォーマットのマイクロ流体システムの実施形態の概略図である。
【図２】マイクロ流体チップの実施形態の部分分解斜視図である。
【図３】図２のマイクロ流体チップの上面図である。
【図４】マイクロ流体チップの代替実施形態の部分斜視図である。
【図５】マイクロ流体チップのさらなる代替実施形態の部分斜視図である。
【図６】マイクロ流体チップのさらなる代替実施形態の斜視図である。
【図７】マイクロ流体チップを形成する３つの別個のプレートを示す、図６の実施形態の斜視図である。
【図８】図６および７のマイクロ流体チップの中央プレートの底面斜視図である。
【図９】図６および７のマイクロ流体チップの中央プレートの上面斜視図である。
【図１０】図６および７のマイクロ流体チップの中央プレートの底面図である。
【図１１】図６および７のマイクロ流体チップの第３のプレートを含む、プリント回路板（ＰＣＢ）の底面図である。
【図１２】ＰＣＢの上面図である。
【図１３】図６および７のマイクロ流体チップのＰＣＢおよび中央プレートの部分横断横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
本開示の主題の態様は、様々な形態として具現化してもよいが、以下の説明および添付の図面は、単に、これらの形態の一部を主題の具体的な例として開示することを意図するものである。したがって、本開示の主題は、そのように記述され図解された形式または実施形態に限定することを意図するものではない。
【００４４】
特に断らない限りは、本明細書において使用される、すべての専門用語、表記およびその他の技術用語または語彙は、本開示が所属する当業者によって通常、理解されるのと同じ意味を有する。本明細書において参照する、すべての特許、出願、公開出願およびその他の出版物は、参照によりその全文が組み入れられる。この節に記載される定義が、参照により本明細書に組み入れられている、特許、出願、公開出願、およびその他の出版物に記載されている定義と相反するか、または別の意味で不整合である場合には、この節に記載される定義が、本明細書に参照により組み入れられた定義よりも優先する。
【００４５】
特に指示されるか、または文脈が示唆しない限り、本明細書において使用されるときは、「ａ」または「ａｎ」は、「少なくとも１つ」または「１つまたは複数」を意味するものである。
【００４６】
本明細書では、構成要素、装置、場所、特徴、またはそれらの一部分の位置および／または方位を記述するのに、相対的な空間用語および／または方位用語を使用することがある。特に言明するか、または説明の文脈によって特に断らない限り、限定ではなく、「頂部（top）」、「底部（bottom）」、「上方（above）」、「下方（below）」、「下側（under）」、「〜の上（on top of）」、「上側（upper）」、「下側（lower）」、「左側の（left of）」、「右側の（right of）」、「前方の（in front of）」、「後の（behind）」、「次の（next to）」、「隣接する（adjacent）」、「〜の間（between）」、「水平の（horizontal）」、「垂直のvertical」、「対角の（diagonal）」、「縦方向（longitudinal）、「横断方向（transverse）」、「半径方向（radial）」、「軸方向（axial）」、その他を含む用語は、便宜上、図面におけるそのような構成要素、装置、場所、特徴、またはその一部分を参照して使用されており、限定を意図するものではない。
【００４７】
さらに、特に言明しない限り、本明細書において言及した具体的な寸法は、単に、本開示の態様を具現化するデバイスの例示的な実現形態を表すものにすぎず、限定を意図するものではない。
【００４８】
システム概要
本開示は、非常に低コストで、短時間で結果を得る、小型フォーマットのマイクロ流体デバイスを稼働させるように構成された、モジュール式マイクロ流体処理システムについて記載する。このシステムには、構成要素が非常に少ない。このシステムには、広範なコストにわたる、様々な機能的な選択肢を含めることができる。処理器具のように、マイクロ流体デバイス（例えば、使い捨てマイクロ流体チップ）は、コストと複雑さにおいて範囲が広くなり得る。このシステムのモジュール式フォーマットは、様々な構成要素の互換性を可能にする。例えば、使い捨てマイクロ流体チップの異なるフォーマットを、ユーザのニーズに応じて、様々な光学システムまたは処理デバイスと相互交換することもできる。
【００４９】
図１は、本開示の様々な態様を具現化するように構成することのできる、現場配置可能なマイクロ流体システム１００のサブシステムを示すブロック図である。図１は、実施形態に対して好ましい特徴および機能を有するシステムを実現するために、様々な組合せで実装することのできる、サブシステムを示す。図１に示されるシステムは、必ずしも、その全体を実施する必要はなく、また図１に示されたシステムのすべてのサブシステムを、必ずしも、実施形態に対して好ましい特徴および機能を有するシステムで実施する必要はない。
【００５０】
図１に示されたシステム１００には、マイクロ流体デバイス、例えば、以下に記述するような、マイクロ流体チップを受け入れるための、チップ入力１０２を含めてもよい。チップ入力１０２は、システムを具現化する器具のシャーシとして形成されたスロットまたはチャンバを含み、マイクロ流体チップを受け入れて処理するように構成されてもよい。
【００５１】
制御サブシステム１０４には、プログラムされたコンピュータまたは、例えば、プリント回路板（ＰＣＢ）上に組み入れられた、その他のマイクロプロセッサを含めてもよい。マイクロ流体チップが相対的に簡潔であることから、マイクロ流体チップを制御するには、フィールド・プログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）もしくは特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）または類似のスモール・フォーマット・プロセッサで、十分であり得る。制御ロジックの少なくともいくつかの態様は、マイクロ流体チップの一部であるＰＣＢに組み入れてもよい。
【００５２】
本開示の全体を通して全般的かつ具体的に記載されているように、システムの態様は、制御／計算ハードウェア構成要素、ユーザ作成ソフトウェア、データ入力構成要素、およびデータ出力構成要素によって実現される。ハードウェア構成要素としては、１つまたは複数の入力値を受け入れて、入力値を操作するか、またはその他の方法でそれに作用するための命令を与える、非一時的機械可読媒体（例えば、ＦＰＧＡまたはＡＳＩＣとして具現化されたソフトウェア）に記憶された１つまたは複数のアルゴリズムを実行することによって、計算ステップおよび／または制御ステップを実施して、１つまたは複数の出力値を出力するように構成された、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ、マイクロプロセッサ、および／またはコンピュータなどの、計算／制御モジュール（例えば、システムコントローラ）を含む。そのような出力は、ユーザへの情報、例えば、器具の状態、それによって実行されているプロセス、またはプロセスの結果についての情報を提供するために、ユーザに対して表示するか、またその他の方法で指示し得るか、あるいはそのような出力は、その他のプロセスおよび／または制御アルゴリズムに対する入力を含んでもよい。データ入力構成要素は、制御／計算ハードウェア構成要素による使用のために、データがそれによって入力される、要素を含む。そのようなデータ入力には、センサに加えて、グラフィック・ユーザ・インターフェイス、キーボード、タッチ・スクリーン、マイクロフォン、スイッチ、手動スキャナ、音声起動入力、その他などの、手動入力要素を含めてもよい。データ出力構成要素には、ハードドライブまたはその他の記憶媒体、グラフィック・ユーザ・インターフェイス、モニタ、プリンタ、インジケータ・ライト、または可聴信号要素（例えば、ブザー、ホーン、ベル、その他）を含めてもよい。
【００５３】
ソフトウェアは、非一時的コンピュータ可読媒体に記憶される命令を含み、この命令は、制御／計算ハードウェアによって実行されると、制御／計算ハードウェアに、１つまたは複数の自動化または半自動化されたプロセスを実行させる。
【００５４】
マイクロ流体チップ内部でＤＮＡサンプル用のＰＣＲを達成するために、サンプルの温度は、当該技術においてよく知られているように、循環させなくてはならない。その他の増幅プロセスは、等温としてもよく、一定の温度プロファイルを維持することを必要とする。したがって、いくつかの実施形態においては、システム１００は、熱サブシステム１０８を含む。熱サブシステム１０８には、１つまたは複数の温度センサ、ヒータ／クーラ（１つまたは複数のヒータデバイスおよび／またはクーラデバイスを含んでもよい）、および温度コントローラを含めてもよく、この温度コントローラは、制御信号をヒータ／クーラに送り、かつ／または温度センサから信号を受ける、プログラムされたコンピュータまたはその他のマイクロプロセッサを含んでもよい。いくつかの実施形態においては、熱サブシステム１０８は、制御サブシステム１０４にインターフェイスされるか、またはその一部であり、マイクロ流体チップ内部のサンプルの温度を制御する。様々な実施形態において、加熱／冷却要素および／または温度センサなどの、熱サブシステム１０８の少なくともいくつかの要素は、マイクロ流体チップ中、例えば、マイクロ流体チップの一部であるＰＣＢ上、および／またはマイクロ流体チップ内部の反応チャンバ内部などに組み込まれてもよい。
【００５５】
熱は、マイクロ流体デバイスの外部にあるヒータ、または処理器具の一部であるぺルチエ素子によって、供給することも可能である。代替的に、または追加として、熱源は、マイクロ流体デバイスの一部とすることもできる。温度検知は、マイクロ流体デバイスの外部にあるセンサによるか、またはデバイスに接合されたＰＣＢ上に埋め込まれたセンサを用いることができる。
【００５６】
マイクロ流体チップ内部の反応ウェル内で発生する、ＰＣＲプロセスおよび／または溶融プロセスを、例えば、反応ウェルの内容物からの光学発光信号を検出することによって、監視するために、システム１００には、光学サブシステム１１０を含めてもよい。光学サブシステム１１０には、発光ダイオードまたはその他の光学信号源などの励振源、カメラ、光ダイオード、または光倍増管などの撮像デバイス、コントローラ、および画像記憶媒体を含めてもよい。光学サブシステム１１０のコントローラは、制御サブシステム１０４の一部としてもよい。
【００５７】
光学サブシステム１１０はまた、マイクロ流体デバイスのマイクロ流体流路を通過するサンプルの流れを監視するように構成してもよい。一実施形態においては、流れ監視システムは、例えば、米国特許第７６２９１２４号に示されているような、蛍光染料撮像／追跡システムとすることができる。一実施形態によれば、流路もしくは流路の一部分、または反応ウェルは、励振源によって励起することができ、サンプルから蛍光発光された光を、検出デバイスで検出して、流路および／または反応ウェルからのサンプルの有無を確認することができる。
【００５８】
現場配置可能な器具を簡略化して、コストを低く保つために、器具は、ロボット、ピペッター、ウェルプレート、高度な流れ制御、シリンジポンプ、ベントウェル、または嵩張る検出／撮像システムを備えなくても（例えば、カメラなしでも）よい。流体システムは、マイクロ流体チップの一部または全部の空気口に選択的に接続することのできる、１台だけのポンプを有してもよい。
【００５９】
様々な実施形態において、本明細書において開示されるマイクロ流体チップは、従来型のマイクロ流体デバイスよりも少ない部品を有し、はるかに低いコストの構成要素が、システムプロセッサ、すなわち制御プロセッサ１０４に対して必要とされる。様々な実施形態において、フィールド・プログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）／特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）または類似のスモール・フォーマット・プロセッサで、システムを制御することが可能である。
【００６０】
本明細書において開示される現場配置可能なシステムは、ポイント・オブ・ケア、バイオハザード、伝染病、学問（すなわち、教育）、および研究のために使用することができる。サンプル・ツー・アンサーを３０分未満で達成することが可能であり、さらに、その他のプロセス（例えば、配列決定）による後続の分析のために、生成物を、処理後にマイクロ流体チップから容易に抽出することが可能であると、考えられる。
【００６１】
マイクロ流体チップ
現場配置可能な小型フォーマットのマイクロ流体システムに使用するための、マイクロ流体チップの第１の実施形態が、図２および３において参照番号１２０で表されている。マイクロ流体チップ１２０は、第１の面、すなわち頂面１２４と、第１の面１２４と反対側の、第２の面、すなわち底面１２６を備える、基板１２２を含む。試薬ウェル１２８の１つまたは複数が、基板１２２内に形成されており、様々な実施形態において、頂面１２４から底面１２６へと延びる、円筒形のスルーホールを備えてもよい。図示された実施形態は、１２の試薬ウェル１２８を含むが、これは限定を意図するものではなく、マイクロ流体チップ１２０は、１２よりも少ない試薬ウェル１２８、または１２より多い試薬ウェル１２８を含んでもよい。
【００６２】
以下で説明するように、マイクロ流体チップ１２０上で処理しようとするサンプル材料は、試薬ウェル１２８中に分注されるので、試薬ウェル１２８は、サンプルウェルまたはサンプル投入ウェルとも呼ばれることがある。
【００６３】
複数の空気口１３０が、基板１２８内に形成されて、頂面１２４から底面１２６へと延びる、スルーホールを有してもよい。空気口１３０は、マイクロ流体チップ１２０を処理するように構成された器具内部の、ポンプまたは真空口と協働するように構成されている。様々な実施形態において、空気口１３０の数は、試薬ウェル１２８の数、例えば、図示された実施形態においては、１２の試薬ウェル１２８に対応する、１２の空気口１３０に等しい。
【００６４】
マイクロ流体チップ１２０は、様々な実施形態において、基板１２２内に形成された複数の反応ウェル１３２を備える、反応ゾーン１３４をさらに含む。様々な実施形態において、反応ウェル１３２は、円筒形を有し、底面１２６から部分的に基板１２２の厚みの中まで延びる、ブラインド開口を備えてもよい。様々な非限定の実施形態において、反応ウェル１３２は、約４μＬの容量を有してもよい。反応ウェル１３２の寸法を小さくすることにより、温度均一性が向上する。
【００６５】
様々な実施形態において、温度センサ１３６は、反応ウェル１３２の各々の中に設けるか、または１つまたは複数の反応ウェル１３２の各々に隣接して、基板１２２内部に埋め込んでもよい。センサ１３６には、例えば、工場較正された温度検知用の、サーミスタまたは抵抗温度検出器（ＲＴＤ）などの、表面実装技術（ＳＭＴ）センサを含めてもよい。様々な実施形態において、センサ（サーミスタまたはＲＴＤ）は、アクリル、パリレン、シリコーン、エポキシ、その他で皮膜保護することができる。
【００６６】
試薬ウェル１２８は、好適な試薬と、マイクロ流体チップ上で実行しようとするアッセイに必要なその他の材料、例えば、増幅試薬、プライマ、緩衝剤、プローブ、その他、またはそれらの２種以上の組合せとで、事前充填してもよい。穿孔可能なフォイル１３８は、試薬ウェル１２８の上に設けられており、この試薬ウェル１２８は、穿孔可能なフォイル１３８を付与する前に、１種または複数種の好適な試薬、またはその他の材料で事前充填してもよい。好適な穿孔可能なフォイルには、基板１２２にヒート・シールされるか、または圧力感応接着剤で基板１２２に取り付けられる、アルミニウム・フォイルを含めてもよい。類似のフォイルまたはその他の穿孔可能な層を、代替的に使用してもよい。
【００６７】
液体不透過性で、気体透過性のメッシュ１４０を、空気口１３０の開放上方端を覆うように、頂面１２４上に設けてもよい。メッシュ１４０は、好ましくは、ポート１３０からの液体漏洩を遅延させるか、または防止するが、空気口１３０の各々を介してマイクロ流体チップに加圧差をかけることを可能にするように気体透過性となるように構成される。好適なメッシュには、水性材料から脱気させることを可能にして、抽出物が少ない、フッ化ポリビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）、その他などの、疎水性の材料または被膜で製作された、疎水性の空気透過性膜を含めてもよい。孔サイズは、１０ｎｍから１０μｍ、好ましくは３０ｎｍから２２０μｍ、最も好ましくは１００ｎｍであってもよい。好適な膜は、ＥＭＤ  Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ社から入手可能な、ＶＶＨＰ０４７００  Ｄｕｒａｐｏｒｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｉｌｔｅｒである。
【００６８】
マイクロ流路プレート１４２は、基板１２２の底面１２６に固定されて、その少なくとも一部分を覆う。マイクロ流路プレート１４２は、試薬ウェル１２８、空気口１３０、および反応ウェル１３２の各々の下端を密閉する。図３に示されるように、基板１２２を通してマイクロ流路プレートの特徴を見ると、マイクロ流路プレートは、試薬ウェル１２８の各々を反応ウェル１３２の１つに接続する、１組の第１のマイクロ流路１４４と、反応ウェル１３２の各々を空気口１３０の１つに接続する、第２の組のマイクロ流路１４６とを含む。試薬ウェル１２８から、第１のマイクロ流路１４４および第２のマイクロ流路１４６を経由して、反応ウェル１３２へ、さらに空気口１３０への直接的な流体経路ゆえに、処理器具は、単に、空気口１３０において圧力差をかけることによって、マイクロ流体チップ１２０を通る流体流を与えることができる。
【００６９】
簡単にするために、図３は、１つの第１のマイクロ流路１４４と、１つの第２のマイクロ流路１４６とだけを示しているが、様々な実施形態においては、第１のマイクロ流路および第２のマイクロ流路は、各反応ウェル１３２と関連づけられて、各反応ウェル１３２を試薬ウェル１２８の１つと、空気口１３０の１つとに、それぞれ接続することになる。一実施形態において、マイクロ流路は、マイクロ流路プレート１６２の頂面（すなわち、基板１２２の底面１２６と接触する、マイクロ流路プレート１６２の面）上のマイクログルーブとして形成される。
【００７０】
図２および３には示されていないが、マイクロ流体チップ１２０には、ヒータ・エレメントと、チップ１２０と処理器具の間の接続をもたらすための電気コネクタなどの、その他の電気構成要素とを有する、プリント回路板（ＰＣＢ）を含めてもよい。代替実施形態においては、温度センサは、反応ウェル１３２の各々の中に、またはそれに隣接して設けられた温度センサ１３６に加えて、またはその代わりに、ＰＣＢ内に設けてもよい。
【００７１】
様々な実施形態において、基板１２２は、環状オレフィン共重合体、環状オレフィン重合体、ポリカーボネート、または類似の材料で製作される。一実施形態において、基板は透明材料で製作され、その結果として、ＰＣＲおよび／または熱溶融プロセス中に行われる、蛍光発光測定などの、光学測定を、反応ウェル１３２の各々の内部で発生する反応で行うことができる。
【００７２】
マイクロ流体チップの第２の実施形態は、図４において参照番号１５０で示されている。図４は、チップが、チップの中央を通って長さ方向に切断された状態の、チップの横半分の斜視図である。マイクロ流体チップ１５０は、基板１５２内に形成された、複数の試薬ウェル１５４、複数の空気口１５６、および複数の反応ウェル１５８を備える、基板１５２を含む。様々な実施形態において、試薬ウェル１５４、空気口１５６、および反応ウェル１５８の数は等しい。図４は、図２および３に示されたチップの構成と類似する構成を有するマイクロ流体チップの片側だけを示し、したがって６つだけの試薬ウェル１５４、空気口１５６、および試薬ウェル１５８が図４に示されている。
【００７３】
反応ウェル１５８は、図２および３に示されている、マイクロ流体チップ１２０の反応ウェル１３２の円筒形状に反して、半球形状を有する。反応ウェル１５８の半球形状は、サンプルの熱的均一性を向上させる。
【００７４】
様々な実施形態において、温度センサ１６０は、１つまたは複数の反応ウェル１５８の各々の内部に配置されるか、またはそれに隣接して埋め込まれる。
【００７５】
様々な実施形態において、基板１５２は、環状オレフィン共重合体、環状オレフィン重合体、ポリカーボネート、または類似の材料で製作される。
【００７６】
一実施形態において、基板は、透明材料で製作され、それによって、ＰＣＲ中および／または熱溶融プロセス中に行われる蛍光発光測定などの、光学測定を、反応ウェル１５８の各々の内部で発生する反応で行うことができる。
【００７７】
マイクロ流体チップ１５０は、基板１５２の底面に固定された、マイクロ流路プレート１６２をさらに含み、各試薬ウェル１５４と各空気口１５６とを反応ウェル１５８の１つに接続するための、第１および第２のマイクロ流路（図示せず）をその中に形成している。
【００７８】
様々な実施形態において、マイクロ流体チップ１５０には、ヒータ・エレメントと、チップ１５０と処理器具との接続を提供するための電気コネクタなどの、その他の電気構成要素とを有する、プリント回路板（ＰＣＢ）１６４を含めてもよい。代替実施形態において、反応ウェル１５８の各々の中、または、それに隣接して設けられた、温度センサ１６０に加えて、またはその代わりに、温度センサを、ＰＣＢ１６４内に設けてもよい。
【００７９】
マイクロ流体チップの第３の実施形態は、図５において参照番号１７０で示されている。図５は、チップの中央を通ってチップが長さ方向に切断された状態の、チップの横半分の斜視図である。マイクロ流体チップ１５０は、基板１７２内に形成された、複数の試薬ウェル１７４、複数の空気口１７６、および複数の反応ウェル１７８を備える、基板１７２を含む。様々な実施形態において、試薬ウェル１７４、空気口１７６、および反応ウェル１７８の数は等しい。図５は、図２および３に示された、チップの構成と類似の構成を有するマイクロ流体チップの半分だけを示しており、したがって、６つだけの試薬ウェル１７４、空気口１７６、および試薬ウェル１７８が、図５に示されている。
【００８０】
反応ウェル１７８は、図２および３に示されたマイクロ流体チップ１２０の反応ウェル１３２の円筒形状、または図４に示されたマイクロ流体チップ１５０の反応ウェル１５８の半球形状に反して、平坦化された半球形状を有する。平坦化された半球形状は、半球形状よりも、さらに良好な熱的均一性をもたらす。
【００８１】
様々な実施形態において、温度センサ１８０は、１つまたは複数の反応ウェル１７８の各々の内部に配置されるか、またはそれに隣接して埋め込まれる。
【００８２】
様々な実施形態において、基板１７２は、環状オレフィン共重合体、環状オレフィン重合体、ポリカーボネート、または類似の材料で製作される。一実施形態において、基板は、透明材料で製作され、その結果として、ＰＣＲおよび／または熱溶融プロセス中に行われる、蛍光発光測定などの、光学測定を、反応ウェル１７８の各々の内部で発生する反応で行うことができる。
【００８３】
マイクロ流体チップ１７０は、基板１７２の底面に固定された、マイクロ流路プレート１８２をさらに含み、各試薬ウェル１７４と各空気口１７６とを反応ウェル１７８の１つに接続するための、第１および第２のマイクロ流路（図示せず）をその中に形成している。
【００８４】
様々な実施形態において、マイクロ流体チップ１７０には、ヒータ・エレメントと、チップ１７０と処理器具との接続を提供するための電気コネクタなどの、その他の電気構成要素とを有する、プリント回路板（ＰＣＢ）１８４を含めてもよい。代替実施形態において、反応ウェル１７８の各々の中、または、それに隣接して設けられた、温度センサ１８０に加えて、またはその代わりに、温度センサを、ＰＣＢ１８４内に設けてもよい。
【００８５】
マイクロ流体チップの第４の実施形態が、図６において、参照番号１９０で表されている。図６および７を参照すると、様々な実施形態において、マイクロ流体チップ１９０は、第１のプレート、またはウェルプレート１９２、プリント回路板２２０、およびウェルプレート１９２とＰＣＢ２２０との間に挟まれた、第２のプレート、またはマイクロ流路プレート２００を含む、３つの別個の構成要素から形成される。例示的な実施形態においては、マイクロ流体チップ１９０は、２５ｍｍ×２５ｍｍ×３．５ｍｍの寸法を有する。
【００８６】
ウェルプレート１９２は、ウェルプレート１９２の厚みを通過して延びるスルーホールを備える、複数の試薬ウェル１９４を含む。例示的な実施形態において、試薬ウェルは、３．７ｍｍの外径を有し、２１．５μＬの容積で深さが２ｍｍである。図示された実施形態においては、ウェルプレート１９２は、ウェルプレート１９２の幾何学中心を包囲するか、またはそれに外接する、対称的な、正方形パターンに配設された、１２の試薬ウェル１９４を含む。その他の実施形態において、ウェルプレートには、１２よりも多いか、または少ない試薬ウェルを含めてもよく、試薬ウェルは、その他の、好ましくは、円または二軸対称多角形などの、二軸対称形状に配設してもよい。
【００８７】
試薬ウェル１９４は、例えば、穿孔可能なフォイルで覆ってもよい。
【００８８】
ウェルプレート１９２は、ウェルプレート１９２の厚みを通過して形成されるスルーホールを含めてもよい、複数の空気口１９６をさらに含む。空気口１９６は、ウェルプレート１９２の幾何学中心に対して、対称パターンに配設され、図示された実施形態においては、３つのポートの群が、その４辺の各々に沿って、ウェルプレート１９２の外周に沿って、またはそれに外接して配置された状態で、１２の空気口１９６を含む。その他の実施形態においては、ウェルプレートには、１２よりも多いか、または少ない空気口を含めてもよく、空気口は、その他の、好ましくは、円または二軸対称多角形などの、二軸対称形状に配設してもよい。様々な実施形態において、空気口１９６の数は、試薬ウェル１９４の数と等しく、ポート１９６の配設、例えば正方形は、試薬ウェル１９４の配設と同じである。図示された実施形態において、空気口１９６は、ウェルプレート１９２の幾何学中心に対して、試薬ウェル１９４から外側に配置されるとともに、ウェルプレート１９２の周縁に近接して配置されている。
【００８９】
空気口１９６は、例えば、液体不透過性で、気体透過性の膜またはメッシュで覆ってもよい。
【００９０】
ウェルプレート１９２は、高い温度抵抗を有する環状オレフィン共重合体（ＣＯＣ）で形成してもよい。その他の好適な材料としては、ポリカーボネート、またはＺＥＯＮ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓから入手可能な環状オレフィン重合体（ＣＯＰ）が挙げられる。ＣＯＣおよびＣＯＰは、可視域における高い透明度、良好な成型性、低い蛍光性、良好な耐薬品性、および高い耐熱性をもたらす。
【００９１】
図示された実施形態において、チップ１９０およびウェルプレート１９２において、マイクロ流路プレート２００、およびＰＣＢ２２０は、形状が正方形であるが、その他の、好ましくは、円形または二軸対称の多角形などの、二軸対称の形状を使用してもよい。
【００９２】
図７〜１０を参照すると、マイクロ流路プレート、または第２のプレート２００は、第１の面、または頂面２０２と、第２の面、または底面２０４とを含む。複数のウェル・スルーホール２０６が、マイクロ流路プレート２００の頂面２０２に固定されたウェルプレートの試薬ウェル１９４の場所に対応する場所において、マイクロ流路プレート２００を通過して延びる。同様に、複数の空気口スルーホール２０８が、ウェルプレート１９２の空気口１９６の場所に対応する場所において、マイクロ流路プレート２００を通過して延びる。
【００９３】
複数の反応ウェル２１０が、マイクロ流路プレート２００の第２の面、または底面２０４内にブラインド凹部として形成されている。マイクロ流路プレート２００は、試薬ウェル１９４と空気口１９６の数に、数において対応する、１２の反応ウェル２１０を含む。例示的な実施形態において、反応ウェルは、幅方向に（外径）８００μｍであり、４０ｎＬの容積で、高さが８０μｍである。様々な実施形態において、反応ウェル２１０は、マイクロ流路プレート２００の幾何学中心に外接する、対称パターンに配設されている。図示された実施形態において、反応ウェル２１０は、正方形リング・パターンに配設されている。その他の実施形態において、反応ウェルは、円形パターンなどの、異なる、好ましくは二軸対称のパターンに配設してもよい。
【００９４】
マイクロ流路プレート２００は、環状オレフィン共重合体（ＣＯＣ）で形成してもよい。
【００９５】
マイクロ流路プレート２００の底面２０４の平面図を示す、図１０を参照すると、マイクロ流路プレート２００には、ウェル・スルーホール２０６（および対応する試薬ウェル１９４）の各々を反応ウェル２１０の１つに接続する複数の第１のマイクロ流路２１２と、空気口スルーホール２０８（および対応する空気口１９６）の各々を反応ウェル２１０に接続する複数の第２のマイクロ流路２１４とを含めてもよい。第１および第２のマイクロ流路２１２、２１４は、マイクロ流路プレート２００の底面２０４に形成されるマイクログルーブとして形成してもよい。
【００９６】
一実施形態において、マイクロ流路プレート２００は透明材料で製作され、その結果として、ＰＣＲおよび／または熱溶融プロセス中に行われる、蛍光発光測定などの光学測定を、マイクロ流路プレート２００における反応ウェル２１０の場所に対応する場所において、ウェルプレート１９２内に形成された開口１９８を介して、反応ウェル２１０の各々の内部で発生する反応で行うことができる。
【００９７】
図１１および１２を参照すると、ＰＣＢ２２０は、第１の面、または頂面２２２（図１２）、および第２の面、または底面２２４（図１１）を含む。様々な実施形態において、頂面２２２の一部または全部が、平坦な銅プレート（または、その他の好適な熱伝導性材料）である。ＰＣＢ２２０は、第１の面または頂面２２２が、マイクロ流路プレート２００の第２の面または底面２０４の少なくとも一部分を覆う状態で、マイクロチップ１９０内部に配設されている。
【００９８】
様々な実施形態において、ＰＣＢ２２０は、底面２２４上に配置された、熱センサ２２６を含む。熱センサ２２６は、例えば、白金０６０３ＲＩＤを含むとともに、１つまたは複数の個々のセンサを含んでもよい。センサ・コネクタ２２８は、センサ２２６から、底面２２４に位置するセンサ導体パッド２３４に延びるとともに、処理器具内で、接触コネクタ、例えば、ポゴピンによって係合されるように構成される。
【００９９】
代替実施形態において、熱センサは、図２〜７の実施形態におけるのと同様に、各反応ウェル２１０内、またはそれに隣接して設けてもよい。
【０１００】
様々な実施形態において、マイクロ流路プレート２００およびＰＣＢ２２０は、それぞれ、協働する整列穴２１６および２４４を有する。
【０１０１】
様々な実施形態において、ＰＣＢ２２０は、複数のヒータ・エレメント２３０をさらに含み、このヒータ・エレメントは、例えば、ＰＣＢの底面２２４上に、ＳＭＴ抵抗器（例えば、４７０オーム）を備えてもよい。ヒータ・エレメント２３０は、バスバー２３２によって相互接続されており、このバスバーは、底面２２４に位置するヒータ導体パッド２３６に接続されて、処理器具において、接触コネクタ、例えば、ポゴピンによって係合されるように構成されている。ヒータ・エレメント２３０は、ＰＣＢ２２０の幾何学中心のまわりに対称に配設されている。ＰＣＢ２２０、マイクロ流路プレート２００、およびウェルプレート１９２は、共通の幾何学中心を共有する。すなわち、ヒータ・エレメント２３０はまた、マイクロ流路プレート２００とウェルプレート１９２の幾何学中心に対して対称に配設されている。
【０１０２】
ＰＣＢ２２０の頂面２２２と底面２２４の間の熱的結合は、メッキ・スルーホール（ＰＴＨ）、充填されたＰＴＨ、ブラインド・ビアまたはベリード・ビア、マイクロビア、サーマル・ビア、その他の追加によって達成される。様々な実施形態において、ＰＣＢ２２０は、ＰＣＢ２２０を通過して、底面２２４から頂面２２２へと延びるとともに、熱センタ２２６がそこに配置される、センサ・ビアがない、開放領域２４０で、全体的に熱センサ２２６を包囲するクラスタに配設された、複数のセンサ・ビア２３８をさらに含む。様々な実施形態において、センサ・ビア２３８は、マイクロ流路プレート２００の反応ウェル２１０によって外接される、領域に概して対応する領域を有する、クラスタまたはパターンに配設されている。図示された実施形態において、センサ・ビア２３８は、反応ウェル２１０の正方形パターンに概して対応する寸法を有する、正方形パターンに配設される。
【０１０３】
ＰＣＢ２２０には、ヒータ・エレメント２３０から頂面２２２へと延びるとともに、センサ・ビア２３８のクラスタを包囲するか、またはそれに外接するように、ＰＣＢ２２０の幾何学中心に対して対称なパターンに配設された、複数のヒータ・ビア２４２をさらに含めてもよい。固定されたマイクロ流路プレート２００を備える、ＰＣＢ２２０の部分横断面図である、図１３を参照すると、ヒータ・ビア２２４は、ヒータ・エレメント２３０から、ＰＣＢの頂面２２２とマイクロ流路プレート２００の底面２０４の間のインターフェイスまで、熱エネルギーを伝導する。ヒータ・エレメント２３０と対応するヒータ・ビア２４２は、反応ウェル２１０に外接するリング・パターンに構成されている。反応ウェル２１０とヒーティング・ビア２４２の対称配設は、反応ウェル２１０全体にわたる熱的均一性を向上させる。
【０１０４】
すなわち、ヒータ・エレメント２３０および関連するヒータ・ビア２４２は、反応ウェル２１０とその内容物を含む、ヒータ・ビア２４２によって外接される領域を、加熱するのに有効である。
【０１０５】
センサ・ビア２３８は、熱エネルギーを、ＰＣＢ２２０の頂面２２２とマイクロ流路プレート２００の底面２０４の間のインターフェイスから、ＰＣＢ２２０の底面２２４まで伝導する。熱センサ２２６は、ＰＣＢの頂面２２２に隣接する反応ウェル２１０の温度に対応する、ＰＣＢ２２０の底面２２４におけるセンサ・ビア２３８のクラスタの温度を検出する。温度センサ２２６の下のセンサ・ビア２３８は、反応ウェルの下に配置された大領域にわたる温度の均一性を促進する、大きいランディングを形成するように配設されている。
【０１０６】
様々な実施形態において、ビア２３８および２４２は、銅で製作されている。マイクロ流路プレート２００への接合を促進するために、ビア２３８、２４２は、好ましくは、ＰＣＢ２２０の頂面２２２に銅面平坦部を残す、ブラインド・ビアである。
【０１０７】
ＰＣＢ２２０内部の熱伝達機構のさらなる説明を、図１３を参照して行う。
【０１０８】
様々な実施形態において、目標は、ＰＣＢ２２０に、非常に異方性の高い熱伝導性を与えることである。このことは、ＰＣＢ２２０のビア２３８、２４２および頂面２２２がそれで構築されている材料、例えば、銅および／またはハンダは、ＰＣＢ２２０の基板がそれで作られている材料（例えば、グラスファイバ）より、ずっと高い熱伝導率を有するという事実によっている。具体的には、サーマル・ビア２３８、２４２は、底面２２４と頂面２２２の間で熱を伝達させるために設けられる。さらに、横方向における熱伝導性の経路は、頂面２２２の導電性材料によって与えられる。
【０１０９】
この概念は、ＰＣＢ２２０を介して熱流を選択的に導くための、並列および直列の熱回路における、２つの非常に異なるクラスの導体（銅などの良導体と、グラスファイバなどの不良導体）を使用する性質を利用している。すなわち、熱は、ヒータ・エレメント２３０からヒータ・ビア２４２を経由して頂面２２２へは容易に伝達するが、ヒータ・エレメント２３０から熱非伝導性の下面２２４を横切るか、またはＰＣＢ２２０の熱非伝導性の基板を通過して熱センサ２２６へと、横方向に容易に伝達しない。一方で、熱は、ヒータ・ビア２４２の頂部から、その少なくとも一部分が、伝導性材料で覆われている、頂面２２２を横切り、反応ウェル２１０へと横方向に容易に伝達する。ＰＣＢ２２０の外周縁と、ヒータ・ビア２４２の頂部との間の、頂面２２２の領域の一部または全部は、ヒータ・ビア２４２からＰＣＢ２２０の外周縁に向かって外向き横方向熱伝達を限定するように、伝導性材料で覆われなくてもよい。
【０１１０】
反応ウェル内部の反応容積は、ＰＣＢ２２０の頂面２２２の熱伝導性部分上に配置される。すなわち、熱は、頂面２２２から底面２２４へとセンサ・ビア２３８を経由して容易に伝達し、この底面上には、熱センサ２２６が、センサ・ビア２３８のクラスタの開放領域２４０内部に配置されている。図１２を参照。様々な実施形態において、熱センサ２２６は、底面２２４の一部分の上に設けられた、熱伝導性平面上に静止させてもよい。
【０１１１】
すなわち、ＰＣＢの基板と比較するときの、頂面２２２および底面２２４のビア２３８、２４２および熱伝導性部分によってもたらされる熱伝導性における大きな差によって、熱伝達を、ヒータ・エレメント２３０から、ヒータ・ビア２４２を上り、頂面２２２を横断して、反応ウェル２１０へ、次いで、センサ・ビア２３８を下り、熱センサ２２６へと導く。
【０１１２】
マイクロ流体チップ処理
マイクロ流体チップを使用するための手順は以下のとおりである。この方法を、図２および３に示されたマイクロ流体チップ１２０を参照して説明するが、類似または同一の方法を、図４、５または６に示されたマイクロ流体チップのいずれかを使用して実行することもできる。
【０１１３】
第１のステップにおいて、ユーザは、フォイル１３８に穿孔して、サンプル材料を試薬ウェル１２８に分注する。ユーザは、シリンジまたは類似のデバイスを使用してもよい。
【０１１４】
フォイル１３８に穿孔して、サンプルを試薬ウェル１２８中に分注した後に、ユーザは、試薬ウェル１２８を、液体不透過性で、ガス透過性の膜によって覆い、この膜は、接着剤裏当てなどによって、試薬ウェル１２８の上のチップ１２０の頂面１２４に固定してもよい。
【０１１５】
次いで、マイクロ流体チップ１２０は、処理器具内部に設置されて、この器具は、試薬ウェル１２８の内容物を、マイクロ流体チップ１２０の揺動、回転、振動、その他によって混合し、この混合には、磁気もしくは非磁気のビーズ、またはその他の類似の構造を必要とする手段を含めることができる。代替的に、混合は、反応ウェルおよびマイクロ流路を通過して、混合物を前後に圧送することによって達成してもよい。
【０１１６】
空気口１３０と連通する器具内部のポンプが真空を付加して、それによってサンプルと試薬材料の混合物を、試薬ウェル１２８の各々から、第１のマイクロ流路１４４を介して、反応ウェル１３２の各々の中に、次いで、第２のマイクロ流路１４６を介して、空気口１３０へと吸引する。真空を一定して付加することによって、サンプル混合物を、液体不透過性で、気体透過性のメッシュ、または膜１４０に対して保持し、それによって、サンプル混合物をマイクロ流体チップ内部で、固定して保持する。上述のように、発光ダイオードまたはその他の光学信号検出センサを利用して、各反応ウェル１３２からの蛍光発光を検出し、それによってその中のサンプル混合物の有無を確認してもよい。
【０１１７】
次に、増幅手順が、例えば、反応ウェル１３２と、その内容物とに熱を加えることによって、実行される。熱は、例えば、ＰＣＲ反応に対して、熱サイクル方式で加えてもよいし、または等温方式で加えてもよい。
【０１１８】
増幅手順に続いて、熱溶融分析を、熱を反応ウェル１３２の内容物に加えることによって実行してもよい。
【０１１９】
増幅および／または熱溶融プロセス中に、蛍光または、反応ウェル１３２の内容物から発生する、その他の光学発光を検出するのに、光学信号検出機構、例えば、光ダイオードを使用してもよい。
【０１２０】
増幅および／または熱溶融の終結において、器具ポンプは、空気口１３０に正の圧力を加え、それによって、必要な場合には、さらなる処理のために、その内容物が、抽出され得るように、サンプル混合物を、試薬ウェル１２８中に押し戻してもよい。
【０１２１】
本開示の主題について、機能の様々な組合せ、および下位の組合せを含み、ある例証的な実施形態を参照して、かなり詳細に、記述して示したが、当業者は、その他の実施形態および変形形態、ならびにそれらの修正形態が、本開示の範囲内に包含されるものと、容易に気づくであろう。さらに、そのような実施形態、組合せ、および下位の組合せの説明は、特許請求された主題が、特許請求の範囲に明示的に記載された特徴以外の特徴、または特徴の組合せを必要とすると伝えることを意図するものではない。したがって、本開示の範囲は、以下の添付の特許請求の範囲の趣旨と範囲に包含される、すべての修正形態および変形形態を含めることを意図するものである。
【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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【国際調査報告】
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