(57)【要約】本発明は、イムノアッセイ技術と磁気イムノアッセイ技術との組み合わせを利用して、拡大した指定濃度範囲内で分析対象物を検出するシステムに関する。特に、生物学的試料中の分析対象物を検出するための装置が提供される。装置は、基板上に配置された第一の電気化学センサを含む。第一の電気化学センサは、分析対象物に結合するように構成された抗体固定化層を含む。装置はさらに、基板上で第一の電気化学センサに隣接して配置された第二の電気化学センサと、第二の電気化学センサに対して整列する磁場を発生させる磁性材料とを含む。磁場は、分析対象物に結合するように構成された抗体固定化層を有する磁気ビーズを捕捉し、第二の電気化学センサの表面上または表面の近くに磁気ビーズを集める。2020504813.tif 000003
2020504813.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面的な上面および下面を含む基板；
分析対象物に結合するように構成された抗体固定化層を含む、該基板の該上面に配置された第一の電気化学センサ；
該基板の該上面に配置され、該第一の電気化学センサに隣接する、第二の電気化学センサ；
該第二の電気化学センサの下方の該基板中の領域へ延びている、該基板の該下面中の開口；ならびに
該開口を実質的に埋めている、バインダと粒子状磁性材料とを含む複合材料
を含み、
該開口の形状が実質的に三角形の断面を含み、該実質的に三角形の断面の底辺が該基板の該下面と同一平面上にあり、該実質的に三角形の断面の頂点が該第二の電気化学センサの下方にあり、
該粒子状磁性材料が、該第二の電気化学センサに対して整列する磁場を発生させる、
生物学的試料中の分析対象物を検出するための装置。
【請求項２】
分析対象物に対する抗体酵素コンジュゲートでコーティングされた第一の試薬領域をさらに含む、請求項1記載の装置。
【請求項３】
磁気ビーズでコーティングされた第二の試薬領域をさらに含み、該磁気ビーズが、該磁気ビーズの表面に固定化された、分析対象物に対する抗体を含む、請求項2記載の装置。
【請求項４】
第一の試薬領域および第二の試薬領域が基板上に位置しており、磁場は、磁気ビーズが生物学的試料と混合されると該磁気ビーズを第二の電気化学センサの表面上に集中させ引き寄せるように構成されている、請求項3記載の装置。
【請求項５】
開口の形状が、円錐、角錐、四面体、円錐形の多角形、およびV字形トレンチからなる群より選択される、請求項1記載の装置。
【請求項６】
実質的に三角形の断面が、基板の下面から該基板の上面までの距離の少なくとも75％にかけて延びている、請求項1記載の装置。
【請求項７】
バインダが熱硬化性インク、ポリイミドまたはポリビニルアルコール（PVA）である、請求項1記載の装置。
【請求項８】
粒子状磁性材料が、ネオジム鉄ホウ素（NdFeB）合金またはアルミニウムニッケルコバルト（AlNiCo）合金で構成されている、請求項1記載の装置。
【請求項９】
磁場が、約0.1テスラよりも大きく、かつ基板の上面の水平面に対して直交している、請求項1記載の装置。
【請求項１０】
磁場が、約0.5テスラよりも大きく、かつ基板の上面の水平面に対して直交している、請求項1記載の装置。
【請求項１１】
第一の電気化学センサおよび第二の電気化学センサが金マイクロアレイ電極を含む、請求項1記載の装置。
【請求項１２】
分析対象物が心筋トロポニンI（cTnI）である、請求項4記載の装置。
【請求項１３】
第一の電気化学センサの抗体固定化層が、cTnIに結合するように構成されている、請求項12記載の装置。
【請求項１４】
磁気ビーズの表面に固定化された抗体が、cTnIに結合するように構成されている、請求項12記載の装置。
【請求項１５】
導管；
該導管内に配置された、平面的な上面および下面を含む基板；
分析対象物に結合するように構成された抗体固定化層を含む、該基板の該上面に配置された第一の電気化学センサ；
該基板の該上面に配置された第二の電気化学センサ；
該第二の電気化学センサの下方の該基板中の領域へ延びている、該基板の該下面中の開口；
バインダと粒子状磁性材料とを含む複合材料；
該分析対象物に結合するように構成された抗体固定化層を含む磁気ビーズを含む、該導管とともに配置された第一の乾燥試薬；ならびに
該分析対象物に結合するように構成されたシグナル抗体を含む、該導管とともに配置された第二の乾燥試薬
を含み、
該粒子状磁性材料が、該第二の電気化学センサに対して整列する磁場を発生させる、
装置。
【請求項１６】
第一の乾燥試薬および第二の乾燥試薬の少なくとも一方が基板の上面上に印刷されている、請求項15記載の装置。
【請求項１７】
第一の乾燥試薬および第二の乾燥試薬の少なくとも一方が導管の壁上に印刷されている、請求項15記載の装置。
【請求項１８】
分析対象物に結合するように構成された抗体固定化層を含む、基板上に形成された第一の電気化学センサ；
該基板上に形成され、かつ該第一の電気化学センサから所定の距離だけ離隔した、第二の電気化学センサ；
該第二の電気化学センサに対して垂直方向に整列する該基板中の領域へ延びている、該基板の下面中の開口；
該開口を実質的に埋めている、粒子状磁性材料を含む複合材料；および
該分析対象物に結合するように構成された抗体固定化層を含む磁気ビーズ
を含み、
該粒子状磁性材料が、該第二の電気化学センサに対して垂直方向に整列する磁場を発生させる、
生物学的試料中の分析対象物を検出するための装置。
【請求項１９】
磁場が、第一の電気化学センサと第二の電気化学センサとの間の前記所定の距離に基づいて該第二の電気化学センサの周囲に局在し、該磁場が約0.1テスラよりも大きい、請求項18記載の装置。
【請求項２０】
第一の電気化学センサおよび第二の電気化学センサに対する導管中の生物学的試料の位置を決定するように構成された導電率センサをさらに含む、請求項18記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権主張
本出願は、全体が参照により本明細書に組み入れられる、2016年12月9日に出願された米国特許仮出願第62/432,279号への優先権を主張する。
【０００２】
発明の分野
本発明は、ポイントオブケア検査において分析対象物を測定するシステムおよび方法に関する。特に、本発明は、イムノアッセイ技術と磁気イムノアッセイ技術との組み合わせを利用して、拡大した指定濃度範囲内で分析対象物を検出するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
ポイントオブケア（POC）試料分析システムは概して、一回限り使い捨ての検査装置、たとえば、pH、酸素およびグルコースなどの分析対象物を感知するための電極または光学素子といった分析要素を含むカートリッジまたはストリップを使用して試料検査を実行する、1つまたは複数の再使用可能な検査機器（たとえば読み取り装置）に基づく。使い捨て検査装置は、流体要素（たとえば、試料を受け、感知電極または光学素子に送るための導管）、較正要素（たとえば、既知の分析対象物濃度で電極を標準化するための水性流体）および光学素子を標準化するための既知の吸光係数の色素を含むことができる。機器または読み取り装置は、電極または光学素子を作動させ、計測を実施し、計算を実行するための電気回路および他の構成部品を含む。機器または読み取り装置はまた、結果を表示し、そのような結果を、たとえばコンピュータワークステーションまたは他のデータ管理システムを介して臨床検査情報システムおよび病院情報システム（それぞれ、LISおよびHIS）に送信する能力を有する。機器または読み取り装置とワークステーションとの間およびワークステーションとLISまたはHISとの間の通信は、たとえば、赤外線リンク、有線接続、無線通信または電気情報を送受信することができる任意の他の形態のデータ通信もしくはそれらの任意の組み合わせを介することができる。血液または他の体液に対して多様な計測を実施するための、ハンドヘルド型分析器とともに作動する使い捨て装置を含む、注目に値するポイントオブケアシステム（i-STAT（登録商標）System、Abbott Point of Care Inc.、Princeton, NJ）が米国特許第5,096,669号（特許文献1）に開示されている。
【０００４】
ポイントオブケア試料検査システムの1つの利点は、試料を検査のために中央検査室に送るための、時間を要する必要性をなくせることである。ポイントオブケア試料検査システムは、看護師または医師（ユーザまたはオペレータ）が、患者のベッドサイドで、検査室で得られるであろうものと品質において匹敵しうることもある信頼しうる定量的分析結果を得ることを可能にする。操作中、看護師は、必要とされる検査のパネルを有する検査装置を選択し、患者から生物学的試料を抜き取り、それを検査装置の中に分注し、任意選択で検査装置を密封し、検査装置を機器または読み取り装置に挿入する。工程が実施される特定の順序は様々なポイントオブケアシステムおよび提供者の間で異なり得るが、患者の居場所の近くで迅速な試料検査結果を提供する意図はそのままである。そして、機器または読み取り装置が、検査サイクル、すなわち、検査を実施するために必要な他すべての分析工程を実施する。そのような簡単さが、患者の生理学的状態へのより速やかな洞察を医師に与え、診断またはモニタリングのためのターンアラウンドタイムを減らすことにより、医師による、適切な治療に関するより速やかな判断を可能にし、ひいては、好ましい患者転帰の見込みを高める。
【０００５】
トロポニン検査などの心臓マーカ検査が、POC試料分析システムによって提供される、より速やかなターンアラウンドタイムから恩恵を受ける1つのそのような診断検査である。国内および国際的な心臓病学ガイドラインは、トロポニンなどの心臓マーカの結果を救急科スタッフに報告する場合、採血時から報告までで計測して1時間のターンアラウンドタイムを推奨している。POC試料分析システムの使用は、心臓マーカの結果を報告する場合のターンアラウンドタイムを中央検査室アッセイの場合のターンアラウンドタイムよりも減らすが、現行のPOC試料分析システムは中央検査室アッセイほど高精度または高感度ではない。事実、中央検査室アッセイとPOC試料分析システムとの間の精度および感度の隔たりは、中央検査室アッセイの製造者が、約10ng/Lの99パーセンタイルカットオフと、現行のPOC検査アッセイには今のところ不可能である＜1ng/Lの検出限界とを有するトロポニンアッセイを有するかまたは市販すると考えられるので、増大しつつある。このような高感度アッセイは、健康な被験者の大多数においてトロポニンを検出することができ、臨床的に、より多くの心外傷症例の検出を可能にする。
【０００６】
このような中央検査室アッセイと分析的に競合するために、次世代POC検査アッセイは技術的進歩を達成する必要がある。したがって、病院または医療を実施するための他の場所でのPOCで1つまたは複数の検査機器とともに使用される試料検査装置、たとえば使い捨て血液検査カートリッジの感度範囲を拡大するためのシステムおよび方法の必要性が残る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第5,096,669号
【発明の概要】
【０００８】
1つの態様においては、生物学的試料中の分析対象物を検出するための装置が提供される。装置は、平面的な上面および下面を含む基板と、基板の上面に配置された第一の電気化学センサとを含む。第一の電気化学センサは、分析対象物に結合するように構成された抗体固定化層を含む。装置はさらに、基板の上面に配置されかつ第一の電気化学センサに隣接する第二の電気化学センサ、第二の電気化学センサの下方の基板中の領域へ延びている、基板の下面中の開口、および開口を実質的に埋めている、バインダと粒子状磁性材料とを含む複合材料を含む。開口の形状は実質的に三角形の断面を含み、実質的に三角形の断面の底辺が基板の下面と同一平面上にあり、実質的に三角形の断面の頂点が第二の電気化学センサの下方にある。粒子状磁性材料は、第二の電気化学センサに対して整列する磁場を発生させる。
【０００９】
任意選択で、装置はさらに、分析対象物に対する抗体酵素コンジュゲートでコーティングされた第一の試薬領域と、分析対象物に対する、表面に固定化された抗体を含む磁気ビーズでコーティングされた第二の試薬領域とを含む。第一の試薬領域および第二の試薬領域は基板上に位置しており、磁場は、磁気ビーズが生物学的試料と混合されると磁気ビーズを第二の電気化学センサの表面に集中させ引き寄せるように構成されている。
【００１０】
いくつかの態様において、分析対象物は心筋トロポニンI（cTnI）であり、第一の電気化学センサの抗体固定化層は、cTnIに結合するように構成され、磁気ビーズの表面に固定化された抗体は、cTnIに結合するように構成されている。
【００１１】
別の態様においては、導管と、導管内に配置された、平面的な上面および下面を含む基板と、基板の上面に配置された第一の電気化学センサとを含む装置が提供される。第一の電気化学センサは、分析対象物に結合するように構成された抗体固定化層を含む。装置はさらに、基板の上面に配置された第二の電気化学センサ、第二の電気化学センサの下方の基板中の領域へ延びている、基板の下面中の開口、バインダと粒子状磁性材料とを含む複合材料、および導管とともに配置された第一の乾燥試薬を含む。第一の乾燥試薬は、分析対象物に結合するように構成された抗体固定化層を含む磁気ビーズを含む。装置はさらに、導管とともに配置された第二の乾燥試薬を含む。第二の乾燥試薬は、分析対象物に結合するように構成されたシグナル抗体を含む。粒子状磁性材料は、第二の電気化学センサに対して整列する磁場を発生させる。
【００１２】
いくつかの態様において、第一の乾燥試薬および第二の乾燥試薬の少なくとも一方は基板の上面上に印刷されている。代替態様において、第一の乾燥試薬および第二の乾燥試薬の少なくとも一方は導管の壁上に印刷されている。
【００１３】
さらに別の態様においては、生物学的試料中の分析対象物を検出するための装置が提供される。装置は、基板上に形成された第一の電気化学センサを含む。第一の電気化学センサは、分析対象物に結合するように構成された抗体固定化層を含む。装置はさらに、基板上に形成され、第一の電気化学センサから所定の距離だけ離隔した第二の電気化学センサと、第二の電気化学センサに対して垂直方向に整列する基板中の領域へ延びている、基板の下面中の開口と、開口を実質的に埋めている、粒子状磁性材料を含む複合材料と、分析対象物に結合するように構成された抗体固定化層を含む磁気ビーズとを含む。粒子状磁性材料は、第二の電気化学センサに対して垂直方向に整列する磁場を発生させる。
【００１４】
任意選択で、磁場は、第一の電気化学センサと第二の電気化学センサとの間の所定の距離に基づいて第二の電気化学センサの周囲に局在し、磁場は約0.1テスラよりも大きい。
【００１５】
いくつかの態様において、装置はさらに、第一の電気化学センサおよび第二の電気化学センサに対する導管中の生物学的試料の位置を決定するように構成された導電率センサを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
本発明は、以下の非限定的な図面を参照して、よりよく理解されよう。
【００１７】
【図１】本発明のいくつかの局面のトロポニンイムノアッセイの漸進的変化を示す。
【図２】本発明のいくつかの局面の複合イムノアッセイの原理を示す。
【図３】本発明のいくつかの局面のポイントオブケア機器システムを示す。
【図４】本発明のいくつかの局面の感知装置またはカートリッジを示す。
【図５Ａ】本発明のいくつかの局面の感知装置またはカートリッジを示す。
【図５Ｂ】本発明のいくつかの局面の感知装置またはカートリッジを示す。
【図５Ｃ】本発明のいくつかの局面の感知装置またはカートリッジを示す。
【図５Ｄ】本発明のいくつかの局面の感知装置またはカートリッジを示す。
【図５Ｅ】本発明のいくつかの局面の感知装置またはカートリッジを示す。
【図５Ｆ】本発明のいくつかの局面の感知装置またはカートリッジを示す。
【図５Ｇ】本発明のいくつかの局面の感知装置またはカートリッジを示す。
【図５Ｈ】本発明のいくつかの局面の感知装置またはカートリッジを示す。
【図５Ｉ】本発明のいくつかの局面の感知装置またはカートリッジを示す。
【図５Ｊ】本発明のいくつかの局面の感知装置またはカートリッジを示す。
【図６】図6Aは、本発明のいくつかの局面のセンサチップの作製の側面図を示す。図6Bは、本発明のいくつかの局面のセンサチップ構成を示す。
【図７】本発明のいくつかの局面のセンサチップ構成を示す。
【図８Ａ】本発明のいくつかの局面のセンサチップ構成を示す。
【図８Ｂ】本発明のいくつかの局面のセンサチップ構成を示す。
【図９】図9A〜9Cは、本発明のいくつかの局面の、カートリッジ内のセンサチップの下方に磁石を配置する場合の様々な例示的構成を示す。
【図１０】本発明のいくつかの局面の、カートリッジ内のセンサチップの上にセンサを配置する場合の例示的構成を示す。
【図１１】図11Aおよび11Bは、本発明のいくつかの局面の、印刷された磁性層で部分的に被覆されて周囲の一部分を露出したままに残した例示的な免疫センサを示す。
【図１２】本発明のいくつかの局面のトレンチエッチングプロセスを示す。
【図１３】本発明のいくつかの局面の、カートリッジ内のセンサチップの上にセンサを配置する場合の例示的構成を示す。
【図１４】本発明のいくつかの局面のプロセスを示す。
【図１５】本発明のいくつかの局面のプロセスを示す。
【図１６】本発明のいくつかの局面のプロセスを示す。
【図１７】本発明のいくつかの局面のプロセスを示す。
【図１８】本発明のいくつかの局面の、試料中の分析対象物の濃度を拡大した濃度範囲で決定することができる影響を示すグラフを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
発明の詳細な説明
序文
心筋トロポニン（cTn）は、急性心筋梗塞（AMI）の診断および将来の有害な心臓イベントのリスク層別化に使用される主要なバイオマーカである。しかし、心筋トロポニン検査の場合の中央検査室アッセイとPOC試料分析システムとの間の分析感度の隔たりは拡大しており、一部の病院にとってPOC検査の採用を妨げることがある。また、他のバイオマーカまたは複数のバイオマーカを検出することができるPOC試料分析システムの必要性があり得る。たとえば、心筋トロポニンはAMI診断のための主要な分析対象物であるが、B型ナトリウム利尿ペプチド（BNP）およびNT-proBNPが短期的リスク層別化に有用であることが示されている。また、高感度心筋トロポニン（hs-cTn）の検出は、プライマリケアにおけるリスク層別化マーカとして、すなわち無症候性である患者の場合に有用であり得る。これは、急性冠症候群の非存在下では、心筋トロポニンの増加は有害な心臓転帰の高いリスクを伴うという観察に基づく。これらのバイオマーカの検出が高リスク患者の日常医療の一部として採用されるならば、hs-cTnのためのPOC検査は、開業医および診療所において検査されるとき、有用かつ簡便であり得る。
【００１９】
トロポニンは概して健康な患者において検出されない。トロポニンの絶対異常値は、患者が評価される臨床状況および使用されるアッセイに依存して異なる。胸痛および考えられる心筋梗塞（MI）を呈する患者において、異常値は一般的に、許容可能な精度のアッセイを使用したときで、カットオフとして健常者集団の99パーセンタイルを超える。cTnTおよびcTnI検出の99パーセンタイルは、それぞれ0.012〜0.016ng/mLおよび0.008〜0.058ng/mLとして周知である。cTnIアッセイの場合の99パーセンタイル濃度のより広い範囲は、異なる抗体およびアッセイ手法を使用する多くの異なる検出アッセイから生じる。POCのcTnアッセイは、現行の検査室cTnアッセイと比べ、一部には分析ノイズの増大および感度の低下のせいで、多くの場合、より高い99パーセンタイル値を有する。たとえば、中央検査室アッセイにおけるcTnT検出の場合の99パーセンタイルカットオフ点は0.01ng/mLであることが周知である。対照的に、トロポニンPOC試料分析システムにおけるcTnT検出の場合の99パーセンタイルカットオフ点は一般的に約0.05〜0.08ng/mLである。
【００２０】
トロポニンPOC試料分析システムは一般的に分析対象物と抗体との反応に基づく。検出ゾーンの有限限界内で、分析感度は、アッセイが分析対象物の可能な限り多くを最適な精度で捕捉する能力の一次関数である。アッセイごとの上限基準の99パーセンタイルにおける変動係数（CV）（図1に示す）によって記されるように、最適精度は概して10％以下と定められる。より高い精度（10％以下のCV）はより高感度のアッセイを可能にし、変化する値の検出を容易にし、アッセイの99パーセンタイル判断限界を下げる。それにもかかわらず、これらの必要性を満たし、アッセイの99パーセンタイル判断限界を下げるPOC試料分析システムを開発することは難題であった。
【００２１】
アッセイ性能の改善は、（i）ブランク限界（LoB）と検出限界（LoD）との間および（ii）LoDと99パーセンタイルとの間の分解能を高めることを必要とする。LoBとは、分析対象物を含まないブランク試料の複製物を検査したとき見いだされると予想される最高の見掛け分析対象物濃度である。LoDは、LoBから確実に区別される可能性が高く、かつ検出が実行可能であるところの最低分析対象物濃度である。LoDは、計測されたLoBと、低濃度の分析対象物を含有することが知られている試料の試験複製物とを利用することによって決定される。定量限界（LoQ）は、分析対象物を確実に検出することができるだけでなく、偏りおよび不正確さに関する何らかの既定の目標が達成される最低濃度である。LoQはLoDに等しくてもよいし、はるかに高い濃度であることもできる。感度、分析感度、検出下限、LoB、LoDおよびLoQはすべて、アッセイによって確実に計測することができる分析対象物の最低濃度を表すために使用される語である。
【００２２】
イムノアッセイにおいて（i）LoBとLoDとの間および（ii）LoDと99パーセンタイルとの間で感度を改善する、または分解能を高める方法の1つが信号対雑音比を改善することである。たとえば、イムノアッセイにおける感度の改善は、システムのシグナル生成能力を高めること、またはシステムによって生成されるバックグラウンドシグナルを減らすことによって達成され得る。シグナル生成能力は、「感度勾配」または分析対象物の単位あたり生成されるシグナルの量に関して考慮され得る：勾配＝（電流（nA））／（濃度（ng/ml））、よって濃度（ng/ml）＝（電流（nA））／（勾配（nA/ng/ml））。全体として参照により本明細書に組み入れられる米国特許第7,419,821号に記載されているものなどの従来のPOC試料分析システムにおいて、センサは、共有結合した抗トロポニン抗体を含むバイオ層でコーティングされており、この抗トロポニン抗体に、トロポニンと酵素抗体コンジュゲートとの複合体が結合する。それにより、酵素抗体コンジュゲートは、試料中にはじめから存在するトロポニンの量に比例して電極の近くに固定化される。特異的結合に加えて、酵素抗体コンジュゲートはセンサに非特異的にも結合し得る。非特異的結合は、望ましくない、最小化されるべきであるセンサからのバックグラウンドシグナルを提供する。この問題を解決するために、米国特許第7,419,821号は、バックグラウンドシグナルを減らすための手段として、すすぎプロトコルの使用、特にセンサをすすぐためのセグメント化された流体の使用を開示している。米国特許第7,419,821号に記載されているものなどのPOC試料分析システムは、約4nA/ng/mlのシグナル生成能力または「感度勾配」を有し、トロポニンなどのバイオマーカの高いレベルの検出（すなわちハイエンド感度）に特に有効である。
【００２３】
しかし、一般的にはPOC試料分析システムのものである10μLの試料サイズおよびそのような試料サイズ中に存在し得るいくつかの分析対象物分子に基づくと、理論的最大勾配は約1200nA/ng/mLである。共有結合した抗トロポニン抗体を含むバイオ層はセンサ表面上またはセンサ表面の近くに固定化されており、したがって、センサ表面と接触する分析対象物だけが捕捉および分析を受けるため（たとえば、試料中の全分析対象物の推定0.3％が捕捉および分析を受ける）、従来のPOC試料分析システムは約4nA/ng/mlのシグナル生成能力しか有しないと考えられる。
【００２４】
シグナル生成能力または「感度勾配」を4nA/ng/mlよりも高め、トロポニンなどのバイオマーカの低いレベルの検出（すなわちローエンド感度）の場合のイムノアッセイの有効性を高めるために、従来のPOC試料分析システム、たとえば全体として本明細書に組み入れられる米国特許第9,233,370号に記載されているシステムが、磁気感受性ビーズ捕捉技術によって開発された。磁気感受性ビーズ捕捉技術は、酵素抗体コンジュゲートがセンサ表面上またはセンサ表面の近くに局在することを可能にし、非特異的結合を除くための未結合試料の除去およびセンサの洗浄の間、酵素抗体コンジュゲートをセンサ上またはその近くに実質的に保持するように機能する。米国特許第9,233,370号に記載されているものなどのPOC試料分析システムは、約40nA/ng/mlのシグナル生成能力または「感度勾配」（すなわち、非磁気イムノアッセイのシグナル生成能力の10倍）を有し、トロポニンなどのバイオマーカの低いレベルの検出（すなわちローエンド感度）に特に有効である。それにもかかわらず、従来のPOC試料分析システムは、約1200nA/ng/mLの理論的最大勾配を達成するのには程遠い。
【００２５】
従来のPOC試料分析システムのシグナル生成能力を改善し、トロポニンなどのバイオマーカの低いレベルの検出（ローエンド感度）のためのイムノアッセイの有効性を高めるために、本発明の1つの態様は、第一のセンサ（たとえば電流測定センサ）の上に位置する固定された抗体捕捉部位と、第二のセンサ（たとえば電流測定センサ）の上に位置するもう1つの抗体捕捉部位とを、下に位置する高磁場磁石とともに有する範囲拡大磁気センサ装置に関する。2つのセンサはそれぞれ分析対象物（たとえばcTn）に対する感度を有するが、それぞれのセンサに使用されている捕捉試薬の違いにより、感度は異なる。第一のセンサは一般的に、より低感度のセンサであり（勾配5nA/ng/ml未満）、トロポニンなどの分析対象物の高いレベルの検出（すなわちハイエンド感度）に特に有効である。第二のセンサは一般的に、より高感度のセンサであり（勾配7nA/ng/ml超）であり、トロポニンなどの分析対象物の低いレベルの検出（すなわちローエンド感度）に特に有効である。その結果、1つの装置上での低感度センサおよび高感度センサ両方の実現は、装置を使用して検出され得る分析対象物の濃度の範囲を拡大する。
【００２６】
2つのセンサ間での、分析対象物と標識試薬との結合の位置の違いが、分析対象物に対する感度の違いを主に説明する。2つのセンサ間の感度の違いは、試料中への常磁性試薬の溶解と、第一のセンサ上での試料の配置との間の時間の変化によってさらに制御され得る。2つのセンサ間の感度のさらなる制御は、アッセイに使用される常磁性抗体コーティングされた粒子の濃度を変えることによって達成され得る。センサ感度を制御する別の技術は、第一のセンサおよび常磁性試薬における抗体濃度、親和力または結合力の制御による技術であり得る。
【００２７】
POC試料分析システムのシグナル生成能力を改善し、トロポニンなどのバイオマーカの低いレベルの検出（すなわちローエンド感度）のためのイムノアッセイの有効性を高めるための前述の技術的解決手段の利点は、それが（i）ブランク限界（LoB）と検出限界（LoD）との間および（ii）LoDと99パーセンタイルとの間の分解能を高めることで技術的問題を解決することである。たとえば、本発明の技術的特徴は、低感度センサおよび高感度センサの両方を1つの装置上に提供するように相互作用し、それが、装置を使用して検出され得る分析対象物の濃度の範囲を拡大するため、本発明の態様は、従来のPOC試料分析システムおよび方法に対する技術的貢献を提供する。
【００２８】
イムノアッセイ
図2は、分析器を使用して検出され得る標的分析対象物、たとえばトロポニンI（TnI）または心筋トロポニンI（cTnI）の濃度の範囲を拡大する、本発明の特定の態様の複合イムノアッセイ（たとえば一工程複合イムノアッセイ）200の原理を説明する。様々な態様において、複合イムノアッセイ200は、標的分析対象物215に結合するように構成された酵素生体分子コンジュゲート210と、非磁気センサ（すなわち不均一性表面捕捉免疫センサ）の表面上または表面の近くに固定化された捕捉生体分子220（たとえば、捕捉生体分子でコーティングされたラテックスビーズまたはミクロスフェア）とを利用する非磁気イムノアッセイ技術205を含む。捕捉生体分子220は、酵素生体分子コンジュゲート210に結合した標的分析対象物215に結合して、酵素生体分子コンジュゲート210が捕捉され、非磁気センサの表面上または表面の近くに固定化されるように構成されている。非磁気センサが、加水分解した基質の生成物を酸化または還元する（基質を直接ではなく）のに十分な一定の電気化学電位に固定されてもよいし、電位が、適切な範囲で一回または複数回スイープされてもよい。複合イムノアッセイ200はさらに、標的分析対象物215に結合するように構成された酵素生体分子コンジュゲート210と、捕捉生体分子230（たとえば、捕捉生体分子でコーティングされた磁気ビーズまたはミクロスフェア）とを利用する磁気イムノアッセイ技術225を含む。捕捉生体分子230は、酵素生体分子コンジュゲート210に結合している標的分析対象物215に結合するように構成されている。酵素生体分子コンジュゲート210に結合している標的分析対象物215に結合した捕捉生体分子230は、磁石により、磁気センサ（すなわち均一性磁気ビーズ捕捉免疫センサ）の表面上または表面の近くに引き寄せられ得、酵素生体分子コンジュゲート210が捕捉され、磁気センサの表面上または表面の近くに固定化されるようになる。磁気センサが、加水分解した基質の生成物を酸化または還元する（基板を直接ではなく）のに十分な一定の電気化学電位に固定されてもよいし、電位が、適切な範囲で一回または複数回スイープされてもよい。
【００２９】
酵素生体分子コンジュゲート210は、関心対象の分析対象物に結合するように選択された生体分子にコンジュゲートした酵素を含む。いくつかの態様において、酵素はアルカリホスファターゼ（ALP）、西洋ワサビペルオキシダーゼまたはグルコースオキシダーゼであり、生体分子は、イオノフォア、補因子、ポリペプチド、タンパク質、糖ペプチド、酵素、免疫グロブリン、抗体、抗原、レクチン、神経化学受容体、オリゴヌクレオチド、ポリヌクレオチド、DNA、RNAまたは適当な混合物の中から選択される。いくつかの態様において、生体分子は、ヒト絨毛性ゴナドトロピン、トロポニンI、トロポニンT、トロポニンC、トロポニン複合体、クレアチンキナーゼ、クレアチンキナーゼサブユニットM、クレアチンキナーゼサブユニットB、ミオグロビン、ミオシン軽鎖またはこれらの修飾断片の1つまたは複数に結合するように選択され得る。そのような修飾断片は、天然部分または合成部分による化学的修飾を含む、少なくとも1つのアミノ酸の酸化、還元、欠失、付加または修飾によって生成される。たとえば、生体分子はモノクローナルまたはポリクローナル抗トロポニンI抗体として選択され得る（たとえば、BiosPacificのPeptide 4（G-130-C）、HyTestの560（19C7、Cat# 4T21―モノクロナールトロポニンI抗体）およびInternational Point of Careの8I7（Cat# MA-1040）。特定の態様において、生体分子は、分析対象物に特異的に結合し、分析対象物リガンドに結合する場合で約107〜1015M-1の親和定数を有する。
【００３０】
捕捉生体分子220は、非磁気センサの少なくとも一部分の上またはその近くに付着されたバイオ層として提供され得る。バイオ層とは、関心対象の分析対象物に結合することができる、または計測可能である変化を生じさせることによってそのような分析対象物の存在に応答することができる、十分な量の生体分子をその表面に含む多孔質層である。任意選択で、全体として本明細書に組み入れられる米国特許第5,200,051号に記載されているように、選択透過性のスクリーニング層を非磁気センサとバイオ層との間に挿入して、電気化学干渉物質をスクリーニングしてもよい。
【００３１】
いくつかの態様において、バイオ層は、約0.001〜50ミクロンの範囲の特定の直径のラテックスビーズ（たとえば、ThermoFisher OptiLink Carboxylate-Modifies Microparticles（Catalog# 83000591100351）、直径0.2μm）から構築されている。ビーズは、関心対象の分析対象物に結合することができる、または計測可能である変化を生じさせることによってそのような分析対象物の存在に応答することができる任意の適当な生体分子の共有結合によって修飾され得る。タンパク質のリシンまたはN末端アミン基の容易な結合のためにアミン反応性N-ヒドロキシスクシンイミドエステル基を提供することを含め、多くの結合方法が当技術分野に存在する。特定の態様において、生体分子は、イオノフォア、補因子、ポリペプチド、タンパク質、糖ペプチド、酵素、免疫グロブリン、抗体、抗原、レクチン、神経化学受容体、オリゴヌクレオチド、ポリヌクレオチド、DNA、RNAまたは適当な混合物の中から選択される。いくつかの態様において、生体分子は、ヒト絨毛性ゴナドトロピン、トロポニンI、トロポニンT、トロポニンC、トロポニン複合体、クレアチンキナーゼ、クレアチンキナーゼサブユニットM、クレアチンキナーゼサブユニットB、ミオグロビン、ミオシン軽鎖またはこれらの修飾断片の1つまたは複数に結合するように選択され得る。そのような修飾断片は、天然部分または合成部分による化学的修飾を含む、少なくとも1つのアミノ酸の酸化、還元、欠失、付加または修飾によって生成される。たとえば、生体分子はモノクローナルまたはポリクローナル抗トロポニンI抗体として選択され得る（たとえば、SDIXのM06（# D2440MA06-MA）およびHyTestのCap1（19C7、Cat# 4T21―モノクロナールトロポニンI抗体)。特定の態様において、生体分子は、分析対象物に特異的に結合し、分析対象物リガンドに結合する場合で約107〜1015M-11の親和定数を有する。
【００３２】
捕捉生体分子230は、磁気感受性ビーズに付着した生体分子として提供され得る。磁気感受性ビーズは、本発明の装置において利用されるまたは本発明の装置とともに利用される磁石（たとえば永久磁石または電磁石）による動きに敏感である、当技術分野において公知の任意の材料で構成され得る。そのようなものとして、ビーズに関する語「磁気」および「磁気感受性」は互換可能に使用されることができる。
【００３３】
いくつかの態様において、ビーズは、好ましくはコーティング材料で完全または部分的にコーティングされている磁気コアを含む。磁気コアは強磁性、常磁性または超常磁性材料を含み得る。好ましい態様において、磁気感受性ビーズはコアおよび外側のポリマーコーティングを含む。他の態様において、磁気ビーズは、たとえば、ポリスチレン、ポリアクリル酸およびデキストランからなる群より選択される材料で形成された非磁性基材ビーズを含み、その上に磁気コーティングが配置されている。磁気感受性ビーズがコアを含む特定の態様において、磁気コアは、フェライト、Fe、Co、Mn、Ni、これらの元素の1つまたは複数を含む金属、これらの元素の規則合金、これら元素で構成された結晶、磁気酸化物構造、たとえばフェライトおよびそれらの組み合わせの1つまたは複数を含み得る。磁気感受性ビーズがコアを含む他の態様において、磁気コアは、マグネタイト（Fe3O4）、マグヘマイト（γ-Fe2O3）または式Me1-xOFe3+x03（式中、Meは、たとえば、Cu、Fe、Ni、Co、Mn、MgまたはZnもしくはこれらの材料の組み合わせであり、xは0.01〜99の範囲である）によって示される二価金属フェライトで構成され得る。コアを覆う外側ポリマーコーティングに適した材料は、合成および生物学的ポリマー、コポリマーおよびポリマーブレンドならびに無機材料を含む。ポリマー材料は、アクリレート、シロキサン、スチレン、アセテート、アルキレングリコール、アルキレン、アルキレンオキシド、パリレン、乳酸およびグリコール酸のポリマーの様々な組み合わせを含み得る。バイオポリマー材料はデンプンまたは類似の糖を含む。無機コーティング材料は、金属、金属合金およびセラミックの任意の組み合わせを含み得る。セラミック材料の例は、ヒドロキシアパタイト、炭化ケイ素、カルボキシレート、スルホネート、ホスフェート、フェライト、ホスホネートおよび元素周期表のIV族元素の酸化物を含み得る。
【００３４】
原則として、本発明の磁石によって配置することができる任意の正確な大きさの磁気感受性ビーズを、磁気感受性ビーズの分散性要件を考慮に入れながら、利用し得る。好ましい態様においては、少なくとも50重量％、たとえば少なくとも75重量％の磁気感受性ビーズがセンサ表面にまたはその近くに保持される。いくつかの例示的な態様において、磁気感受性ビーズの平均粒径は、0.01μm〜20μm、たとえば0.1μm〜10μm、0.1μm〜5μmまたは0.2μm〜1.5μmの範囲であり得る。本明細書において使用される語「平均粒径」とは、当技術分野において周知の方法によって測定される、粒子、たとえばビーズの平均最長寸法、たとえば球状粒子の直径をいう。磁気感受性ビーズの粒径分布は好ましくは単峰性であるが、本発明にしたがって多峰性分布が使用されてもよい。球状の磁気感受性ビーズの使用が好ましいが、他の態様においては、他のビーズ形状および構造、たとえば楕円形、亜球形、円柱形および他の不規則形状の粒子が、本明細書において使用される語「ビーズ」および「微粒子」の意味の範囲内である。
【００３５】
磁気感受性ビーズ調製物の供給業者は、Life Technologies（商標）によるInvitrogen（商標）(Carlsbad, California, U.S.A.）、Ademtech（Pessac, France）、Chemicell GmbH（Berlin, Germany）、Bangs Laboratories, Inc.（商標）（Fishers, IN）およびSeradyn, Inc.（Indianapolis, IN）（たとえば、Life（商標） TechnologiesによるInvitrogen（商標）のDynabeads（登録商標）MyOne（商標）ストレプトアビジンT1（Catalog# 65601/65602）、直径1μm）を含む。市販製品の多くは、抗体（たとえばIgG）などの生体分子をビーズ表面に固定化するために用いることができる表面官能化を組み込む。例示的な官能化は、カルボキシル、アミノまたはストレプトアビジンで修飾された磁気感受性ビーズを含む。
【００３６】
いくつかの態様において、磁気感受性ビーズは、関心対象の分析対象物に結合することができる、または計測可能である変化を生じさせることによってそのような分析対象物の存在に応答することができる任意の適当な生体分子でコーティングされている。タンパク質のリシンまたはN末端アミン基の容易な結合のためにアミン反応性N-ヒドロキシスクシンイミドエステル基を提供することを含め、多くの結合方法が当技術分野に存在する。ストレプトアビジンで修飾された磁気感受性ビーズの場合、生体分子は、ビーズ表面上の生体分子に付くための、ビオチンなどのバインダを含むように修飾され得る。たとえば、生体分子は、ビオチン（たとえば、Thermo ScientificのEZ-リンクスルホ-NHS-LC-LC-ビオチン（製品# 21338）またはEZ-リンクスルホ-NHS-LC-ビオチン（製品# 21335））に結合し得る。特定の態様において、生体分子は、イオノフォア、補因子、ポリペプチド、タンパク質、糖ペプチド、酵素、免疫グロブリン、抗体、抗原、レクチン、神経化学受容体、オリゴヌクレオチド、ポリヌクレオチド、DNA、RNAまたは適当な混合物の中から選択される。生体分子は、ヒト絨毛性ゴナドトロピン、トロポニンI、トロポニンT、トロポニンC、トロポニン複合体、クレアチンキナーゼ、クレアチンキナーゼサブユニットM、クレアチンキナーゼサブユニットB、ミオグロビン、ミオシン軽鎖またはこれらの修飾断片の1つまたは複数に結合するように選択され得る。そのような修飾断片は、天然部分または合成部分による化学的修飾を含む、少なくとも1つのアミノ酸の酸化、還元、欠失、付加または修飾によって生成される。たとえば、生体分子はモノクローナルまたはポリクローナル抗トロポニンI抗体として選択され得る（たとえば、BiosPacificのPeptide 3（G-129-C）およびHyTestのCap1（19C7、Cat# 4T21−モノクロナールトロポニンI抗体）。特定の態様において、生体分子は、分析対象物に特異的に結合し、分析対象物リガンドに結合する場合で約107〜1015M-11の親和定数を有する。
【００３７】
理解されるように、本発明の態様は、多様な異なるシステムおよび状況において実現され得る。特定の態様は、基質（たとえば4-アミノフェニルホスフェート）と抗体酵素コンジュゲート（たとえば、アルカリホスファターゼ（ALP）に結合した1つまたは複数の抗体）との反応から酵素的に生成される電気活性種（たとえば4-アミノフェノール）を検出するイムノアッセイに特に適用可能である。しかし、本明細書に記載されるシステムおよび技術は、酵素以外の様々な標識で標識された抗体以外の生体分子を使用して分析対象物を検出するために使用されてもよい。たとえば、本明細書中に記載される生体分子は、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、放射標識、発色団、蛍光体、化学発光種、イオノフォア、電気活性種および当技術分野において公知の他の標識を含む標識に付けられてもよい。
【００３８】
さらに理解されるように、本発明の態様は、多様な異なるシステムおよび構成において実現され得、本明細書中、「センサの表面上または表面の近く」なる語は、生体分子複合体と特定のセンサの表面との間の関係を説明するために使用される。センサの表面上または表面の近くで生体分子複合体と基質との反応によって生成されたシグナルを特定のセンサの表面で計測することができるように維持される必要がある作動距離が、生体分子複合体と特定のセンサの表面との間に画定される。いくつかの態様において、作動距離は、800μm未満、たとえば600μm未満または500μm未満である。
【００３９】
イムノアッセイを実施するための生物学的試料検査システム
本発明は、内蔵型使い捨て感知装置またはカートリッジ（装置）と、患者のベッドサイドで使用するために構成されたリーダまたは分析器（機器）とを含むハンドヘルド型POC機器システムに関する。計測される流体試料がカートリッジ中の試料入口オリフィスまたはポートの中に引き込まれ、そのカートリッジが、スロット付きの開口またはポートに通して分析器に挿入される。分析器によって実施される計測は、コンピュータポートに通じる分析器上のポートを介してディスプレイまたは他の出力装置、たとえばプリンタまたはデータ管理システムに出力される。送信は、Wi-Fi、Bluetoothリンク、赤外線などを介することができる。たとえば、ハンドヘルド型IVD機器システムは、いずれも全体として参照により本明細書に組み入れられる米国特許第5,096,669号および米国特許第7,419,821号に開示されているシステムと類似の設計であり得る。
【００４０】
図3は、典型的なハンドヘルド型POC機器システムの構成部品および相互作用を示す。システム300は、分析器305、使い捨て感知装置310および中央データステーションまたはデータマネージャ315を含み得る。分析器305は、たとえば、視覚的参照のためのディスプレイ320およびデータ入力のための1つまたは複数の入力装置325を含み得る。1つまたは複数の入力装置325は、オペレータが情報を分析器305に入力することを可能にする1つまたは複数の機構、たとえば非限定的に、タッチパッド、ダイヤル、クリックホイール、スクロールホイール、タッチスクリーン、1つまたは複数のボタン（たとえばキーボード）、マウス、ゲームコントローラ、トラックボール、マイク、カメラ、近接センサ、光検出器、モーションセンサ、バイオメトリックセンサおよびそれらの組み合わせを含み得る。感知装置310は、たとえば、患者試料を受けるためのポート330と、生物学的試料中の分析対象物を検出するためのセンサアレイ335とを含み得る。たとえば、感知装置310は、一定範囲の生物学的試料タイプに対して分析を実施するように構成され得る。これらの試料タイプは、たとえば、血液、血漿、血清、痰、脳脊髄液、涙液、尿、体組織、糞便などを含み得る。感知装置310は、分析器305が、本発明の機能、工程および／または性能を実現するために感知装置310と電気的に接触するよう、開口340を通して分析器305に挿入され得る。
【００４１】
分析器305は、たとえば、無線接続、赤外線リンク、光リンク、ネットワーク接続345、350または任意の形態の通信プロトコルを使用して情報を転送する任意の他の形態の通信リンクを使用してデータマネージャ315と通信し得る。データマネージャ315は、クラウド環境内など、ネットワークインフラストラクチャ上に常駐することもできるし、別個の独立したコンピューティング装置（たとえば、サービスプロバイダのコンピューティング装置）であってもよい。データマネージャ315は、バス、プロセッサ、記憶装置、システムメモリ（ハードウェア装置）、1つまたは複数の入力装置、1つまたは複数の出力装置および通信インターフェースを含み得る。データマネージャ315は、分析器305と中央の場所との間、たとえばLISまたはHIS（臨床検査情報システムまたは病院情報システム）と感知装置305との間の接続性を提供するように構成され得る。データマネージャ315は、電子情報を送受信することができる任意のタイプの通信接続、たとえばEthernet接続または他のコンピュータネットワーク接続を使用して様々なシステム構成要素と接続され得る。データマネージャ315はまた、任意選択で、たとえばインタネット、ダイヤルアップ接続または他の直接もしくは間接通信リンクを介して、またはLISもしくはHISを通して、ベンダ（製造業者）の情報システムへ戻る直接リンクを提供することができる。そのような例示的態様は、病院で所定のレベルの在庫を維持するための感知装置305の自動再注文を提供し、ベンダが需要を予測し、装置305の製造を適切に計画することを許すことができる。また、装置情報、たとえばカートリッジ属性およびプロファイルならびにコントロール流体情報、たとえば予想される分析対象物検査範囲を更新するための手段を提供することができる。
【００４２】
分析器305はさらに、プロセッサ、記憶装置およびシステムメモリを含み得る。プロセッサは、1つまたは複数の従来のプロセッサ、マイクロプロセッサまたは、コンピュータ可読プログラム命令、たとえば、本発明の機能、工程および／または性能を実現するために分析器305および／または感知装置310の様々な他の構成要素の1つまたは複数の動作および性能を制御するためのプログラム命令を解釈し、実行するように作動する処理回路を含む、特化された専用プロセッサであり得る。特定の態様において、プロセッサは、コンピュータ可読プログラム命令によって機能的に実現され得る本発明のプロセス、工程、機能および／または動作を解釈し、実行する。たとえば、プロセッサは、感知装置310のセンサにおいて生成されたシグナル（たとえば、生物学的試料中の分析対象物の存在および／または濃度を示すシグナル）を計測し、計測されたシグナルに基づいて生物学的試料中の分析対象物の濃度を決定し、決定された濃度を報告する（たとえば、決定された濃度をディスプレイ320上に表示する）ことができる。いくつかの態様において、プロセッサによって取得または生成された情報、たとえば感知装置310の識別情報、感知装置310の有効期間、決定された濃度などは記憶装置に記憶されることができる。
【００４３】
記憶装置は、リムーバブル／非リムーバブルな揮発性／不揮発性のコンピュータ可読媒体、たとえば非限定的に非一時的機械可読記憶媒体、たとえば磁気および／または光記録媒体ならびにそれらの対応するドライブを含み得る。ドライブおよびそれらの関連するコンピュータ可読媒体は、本発明の様々な局面にしたがって、分析器305の動作のためのコンピュータ可読プログラム命令、データ構造、プログラムモジュールおよび他のデータの記憶を提供する。いくつかの態様において、記憶装置は、本発明の局面にしたがって、オペレーティングシステム、アプリケーションプログラムおよびプログラムデータを記憶し得る。
【００４４】
システムメモリは、1つまたは複数の記憶媒体、たとえば非一時的機械可読記憶媒体、たとえばフラッシュメモリ、永久的メモリ、たとえば読み出し専用メモリ（「ROM」）、半永久的メモリ、たとえばランダムアクセスメモリ（「RAM」）、任意の他の適当なタイプの非一時的記憶部品またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。いくつかの態様においては、起動時、分析器305およびシステム300の様々な他の部品の間で情報を転送するのに役立つ基本ルーチンを含む入出力システム（BIOS）がROMに記憶され得る。加えて、プロセッサにとってアクセス可能な、および／または現在プロセッサによって操作されているデータおよび／またはプログラムモジュール、たとえばオペレーティングシステム、プログラムモジュール、アプリケーションプログラムおよび／またはプロセッサデータの少なくとも一部分がRAMに含まれ得る。いくつかの態様において、プログラムモジュールおよび／またはアプリケーションプログラムは、ルックアップテーブル、アルゴリズム、たとえば拡大した濃度範囲で分析対象物の濃度を決定するために識別するためのアルゴリズムおよびプロセッサの実行のための命令を提供する比較ツールを含むことができる。
【００４５】
分析器305はさらに、患者のバーコード付きリストバンドから、感知装置310上のバーコードから、または分析器305とともに使用される任意の他の物品（たとえば、感知装置の箱、コントロール流体の箱など）から情報を読み取るためのバーコードリーダを含み得る。他のそのようなコード化構成を使用することができる。たとえば、分析器305はまた、各個々の感知装置または装置の各箱の上または中に含まれるRFタグを識別することができる無線周波数（RF）識別装置を含み得る（バーコードリーダの代わりに、またはそれに加えて）。本発明の別の例示的態様にしたがって、コード化構成の1つまたは複数は、たとえば、全体として参照により本明細書に組み入れられる米国特許第4,954,087号に開示されているタイプのバイナリコード化ピンアレイに基づき得る。様々なコード化構成は、関連情報、たとえば、特定の装置タイプの識別情報、製造日および製造場所、製造ロット番号、有効期限、装置に関連する固有番号、血液または他の試料パラメータの計算に関して分析器305が使用する係数などを伝達し得る。
【００４６】
感知装置またはカートリッジ
図4に示すような1つの態様において、感知装置またはカートリッジ400は、上部405（たとえばカバー）および下部410（たとえばベース）を含み、そこに、電気接点を有する少なくとも1つの微細加工センサチップ415と、流体、たとえば洗浄液を含むパウチ420とが取り付けられる。少なくとも1つのセンサチップ415は、陥凹領域418中に配置され得、流体試料、たとえば患者からの血液試料中の特定の化学種の濃度に基づいて電気シグナルを生成するように構成され得る。いくつかの態様において、パウチ420中の流体の組成は、水、較正流体、試薬流体、コントロール流体、洗浄液およびそれらの組み合わせからなる群より選択される。ガスケット425が上部405と下部410との間に位置してそれらを合わせて接着し、カートリッジ400内にいくつかのキャビティおよび導管を画定し、密封する。ガスケット425は、図4に示すように、カートリッジ400の上部405と下部410との間の実質的に全区域を被覆してもよいし、カートリッジ400の所定の構造的形体、たとえば少なくとも1つのセンサチップ415の上だけおよびそれらの間だけに局在してもよい（図示せず）。ガスケット425は、上部405および下部410の構造的形体の間の物理的、流体的および／または気体的連通を可能にするための開口部430を含み得る。ガスケット425は、接着面を有しても有さなくてもよいし、その両側に接着面を有し、すなわち両面接着層を形成してもよい。
【００４７】
図5A〜5Jに示すように、いくつかの態様において、感知装置またはカートリッジ500（たとえば、図4に関して説明したようなカートリッジ400）は、材料の硬質ゾーンおよび軟質ゾーンで形成された上部502（たとえばカバー）および下部504（たとえばベース）を含むハウジングを有する。図5A〜5Jに示すように、カバー502およびベース504の硬質ゾーン（非網掛け部分）はそれぞれ、好ましくは1つのつながったゾーンであるが、成形プロセスは、複数のつながっていない実質的に硬質のゾーンを提供することもできる。カバー502およびベース504の軟質ゾーン（網掛け部分）はそれぞれ、好ましくは、いくつかのつながっていないゾーンのセットである。たとえば、変位可能な膜の周囲の軟質ゾーンは、閉鎖可能な密封部材における軟質ゾーンから離れ、別個であり得る。または、軟質ゾーンは1つのつながったゾーンを含んでもよい。
【００４８】
感知装置またはカートリッジ500はさらに、密封可能な試料入口506と、試料入口502を閉じるための閉鎖可能な密封部材508と、試料入口506の下流に位置する試料保持チャンバ510と、毛管ストッパ512と、センサ領域514と、センサ領域508の下流に位置する廃棄物チャンバ516とを含む。好ましくは、試料保持チャンバ510の一部分の断面積は、図5Hの傾斜路518によって示されるように、試料入口506に対して末端方向に減少する。パウチ（たとえば、図4に関して説明したパウチ420）が、陥凹領域520中に配置され、任意選択で導管524を介して、センサ領域514に通じる導管522と流体連通し得る。パウチは、いずれも全体として参照により本明細書に組み入れられる米国特許第5,096,669号またはより好ましくは米国特許第8,216,529号に記載されている設計であり得る。陥凹領域520は、好ましくは、たとえばリーダまたは分析器（たとえば、図3に関して説明した分析器305）によってパウチに力が加えられるとパウチを破裂させるように構成されたスパイク525を含む。システムは、パウチが破裂したならば、パウチからの流体内容物を導管522の中へ送り出すように構成されている。導管522の中へのおよびセンサ領域514へのおよび／または導管524内への流体の移送は、ポンプ、たとえば導管522または524に接続された空気ポンプによって実施され得る。好ましくは、空気ポンプは、陥凹領域またはエアブラダ528の上に形成されたハウジングの軟質ゾーン527の部分によって形成された変位可能な膜526を含む。図5A〜5Jに示す態様において、変位可能な膜526を繰り返し押し下げると、装置は、導管524、529、530および531を介してポンピングして、破裂したパウチ206からの流体を導管270に通し、導管275の中およびセンサ領域230の上に流す。
【００４９】
閉鎖可能な密封部材508は、いくつかの態様において、密封部材532を形成する硬質ゾーンの部分と、シール533を形成する軟質ゾーンの部分とを含む。密封部材508は、ヒンジ534を中心に回転し、閉鎖位置にくると、シール533を試料入口506と係合させ、したがって気密シールを提供することができる。または、気密シールは、2つの軟質材料、たとえば熱可塑性エラストマー（TPE）へのTPEの接触によって形成されてもよい。任意選択で、密封可能な試料入口506はまた、通気穴（図示せず）を含む。1つの代替態様において、硬質ゾーンの部分が密封部材を形成し、軟質ゾーンの部分が試料入口の周囲に周囲シールを形成し、それにより、密封部材はヒンジを中心に回転し、閉鎖位置にくると、周囲シールと係合し、したがって気密シールを提供することができる。または、周囲シールは、2つの軟質材料の接触によって形成されてもよい。さらに別の態様において、密封部材は、全体が参照により本明細書に組み入れられる、係属中の米国特許第7,682,833号に記載されているスライド可能な閉鎖要素を含んでもよい。
【００５０】
センサ凹部514は、いくつかの態様において、1つまたは複数の異なる分析対象物（または血液検査）のための1つまたは複数のセンサを含むセンサアレイを含む。たとえば、センサアレイは、1つまたは複数の異なる分析対象物（または血液検査）のための免疫センサおよび／または磁気的免疫センサを含み得る。免疫センサは、実質的に平面的なチップ（たとえば微細加工センサチップ、たとえば、図4に関して説明した少なくとも1つのセンサチップ415）上にベースセンサまたは感知電極を含み得、感知電極は、試薬と混合した試料を受けるための導管524中に配置される。磁気的免疫センサは、実質的に平面的なチップ（好ましくは、免疫センサを含むものと同じセンサチップ）上にベースセンサまたは感知電極を含み得、感知電極は、磁石に引き寄せられる、または磁気的免疫センサの近くに配置される磁場に応答することができるビーズを含む試薬と混合した試料を受けるための導管524中に配置される。代替態様において、センサアレイは、複数の異なる分析対象物（または血液検査）のための複数のセンサを含む。したがって、カートリッジ500は、それぞれが少なくとも1つのセンサを有する1つまたは複数のセンサ凹部514を有し得る。
【００５１】
センサが応答する分析対象物／性質は、pH、pCO2、pO2、グルコース、乳酸、クレアチニン、尿素、ナトリウム、カリウム、塩化物、カルシウム、マグネシウム、リン酸、ヘマトクリット、プロトロンビン時間（PT）、活性化部分トロンボプラスチン時間（APTT）、活性化凝固時間（ACT）、Dダイマー、前立腺特異抗原（PSA）、クレアチンキナーゼ-MB（CKMB）、脳性ナトリウム利尿ペプチド（BNP）、トロポニンI（TnI）、心筋トロポニン（cTnI）、ヒト絨毛性ゴナドトロピン、トロポニンT、トロポニンC、ミオグロビンなど、およびそれらの組み合わせの中から選択され得る。好ましくは、分析対象物は、全血である液体試料中で検査されるが、血液、血清、血漿、尿、脳脊髄液、唾液およびそれらの改変形態を含む他の試料を使用することもできる。改変は、希釈、濃縮、抗凝固剤などの試薬の添加などを含むことができる。試料のタイプが何であれ、それはカートリッジ500の試料入口502によって収容されることができる。
【００５２】
カートリッジ500はさらに、陥凹領域520内に圧力を加えるためにポンプのように動くように構成されている、陥凹領域520上に配置された軟質ゾーン536の部分を含み得る。いくつかの態様において、軟質ゾーン536は、圧力がユーザによって軟質ゾーン536に加えられるべきではないことをユーザに示すための包括記号説明を含み得る。たとえば、記号は、クロスバー付きのエンボス加工された円を含み得る。軟質ゾーン536の部分は、陥凹領域520中で下にあるパウチに力を加え、破裂させるための分析器（たとえば、図3に関して説明した分析器305）のアクチュエータ機構を収容することができる表面を提供する。軟質ゾーン536中のプラスチックの厚さは、好ましくは約200〜約800μm、たとえば約400μmであり得る。本質的に、軟質ゾーン536は、容易に撓むのに十分な薄さであるべきであるが、物理的完全性を維持し、裂けることのない十分な厚さであるべきである。
【００５３】
センサおよびチップ設計
1つの態様において、微細加工センサチップ（たとえば、図4に関して説明した少なくとも1つのセンサチップ415）は、少なくとも1つのセンサまたはトランスデューサ（たとえば作用電極または光検出器）を含む。たとえば、微細加工センサチップは、第一のセンサ（たとえばローエンド感度センサ）および任意選択で第二のセンサ（たとえばハイエンド感度センサ）を含むセンサの対を含み得る。いくつかの態様において、センサは、それぞれ、シリコンチップ上で隣接する構造として作製され得る。
【００５４】
様々な態様において、センサは、電気活性種が酸化され得るところの小さな金電極（たとえば金マイクロアレイ電極）のグリッドを画定するための開口を含む光画定されたポリイミド層でコーティングされた金表面を有する電極として形成され得る。たとえば、センサチップの好ましい態様のウェーハレベル微細加工が、図6Aに示すように達成され得る。平面的な上面および下面を有する非導電性基板600をセンサチップのためのベースとして使用し得る。導電層602を、従来の手段、たとえば導電印刷または当業者に公知の微細加工技術によって基板600上に付着させて少なくとも1つのトランジスタを形成し得る。導電層602は、貴金属、たとえば金、白金、銀、パラジウム、イリジウムまたはそれらの合金を含み得るが、黒鉛、導電性ポリマーまたは他の材料の多くの非金属電極が使用されるため、他の非反応性金属、たとえばチタンおよびタングステンまたはそれらの合金が使用されてもよい。微細加工センサチップはまた、電極を一時的電気コネクタなどの導電ピンに接続する電気接続603を含み得る。
【００５５】
いくつかの態様において、センサは、15μmセンタ上に5〜10μmの貴金属ディスク、たとえば7μmの貴金属ディスクのアレイを含み得る。貴金属ディスクまたは電極のアレイは、領域、たとえば直径約300〜900μm、任意選択で直径400〜800μmまたは約600μmの円形領域を被覆し得、Si、Si02、TiWおよび／またはAuもしくはそれらの組み合わせを含む一連の層から作られた基板の上に厚さ1.5μmまでの薄いポリイミドまたはフォトレジストの層を光パターニングすることによって形成され得る。いくつかの態様において、電極は、約130,000〜300,000μm2の作用面積を有し（すなわちマイクロ電極）、電極の真上の試料量は約0.1〜0.3μLであり得、センサチップ上の試料の量は1〜3μLであり得る。本発明のこれらの局面にしたがって、電極の領域（たとえば、図5A〜5Jに関して説明した1つまたは複数のセンサ凹部514）中の導管（たとえば、図5Aに関して説明した導管524）は、約６μL：約1mm2未満、好ましくは約50mm：約2mm2未満、より好ましくは約100μm：約500μm2未満の、容積：センサ面積の比を有する。したがって、電極のアレイは、電気活性種である検出可能部分の高い収集効率を与え、露出した金属の静電容量と関連する任意の電気化学バックグラウンド電流からの寄与が少ない。特に、絶縁性ポリイミドまたはフォトレジスト層中の開口は、電気活性種、たとえば4-アミノフェノールがたとえば1分子あたり電子2個の反応で酸化され得る貴金属電極の領域を画定する。
【００５６】
限られた空間中に多層センサ構造を構築するためには、微細加工技術（たとえばフォトリソグラフィーおよびプラズマ蒸着）を利用し得る。たとえば、シリコン基板上に電気化学免疫センサを微細加工する方法が、全体として参照により本明細書に組み入れられる米国特許第5,200,051号に開示されており、たとえば、分注法、光形成層を含む表面に基質および試薬を取り付ける方法ならびに電気化学アッセイを実施する方法を含む。
【００５７】
図6Bに示すように、いくつかの態様において、微細加工された範囲拡大センサチップ604は、第一のセンサ605（たとえばローエンド感度電流測定センサ）および任意選択で第二のセンサ610（たとえばハイエンド感度電流測定センサ）を含む。第一および第二のセンサ605、610は、それぞれ、センサチップ604上で隣接する構造として作製され得る。しかし、センサチップ604が正確な分析対象物濃度を決定するために、ローエンド感度センサ605はハイエンド感度センサ610から十分に離隔し得る。たとえば、低〜中の分析対象物濃度で、ハイエンド感度センサ610は、抗体でコーティングされた磁気ビーズに付着している高濃度の標識試薬のせいで、高い電流測定シグナルを生成し得る。標識試薬が酵素を使用して基質を切断して電気活性種を生成する態様において、ハイエンド感度センサ610における高濃度の電気活性種は、センサチップ604に沿って移動し、ローエンド感度センサ605上で電流測定シグナルを生成することができる。または、ローエンド感度センサにおける低濃度の電気活性種が、センサチップに沿って移動し、ハイエンド感度センサ上で電流測定シグナルを生成することもできる。センサ間のこのクロストークの大きさは、多くの要因に依存し、感知装置運用の間で可変性を示して、ローエンド感度センサおよび／またはハイエンド感度センサの電流測定読み取りにおける不正確さの増大を招く可能性がある。したがって、センサ間のクロストークを減らすために、特定の態様においては、2つのセンサを互いから所定の距離だけ離隔させることが有益であり得る。
【００５８】
第一のセンサ605および第二のセンサ610は互いから所定の距離「x」だけ離隔している。たとえば、第一のセンサ605は第二のセンサ610から少なくとも0.03mm、好ましくは少なくとも0.06mm離隔し得る。第一のセンサ605は、配線615を介して第一の導電ピン620（たとえば一時的な電気コネクタ）に接続され得、第二のセンサ610は、配線625を介して第二の導電ピン630（たとえば一時的な電気コネクタ）に接続され得る。いくつかの態様において、第一のセンサ605は免疫センサ（たとえばローエンド感度電流測定センサ）として構成され得、第二のセンサ610は磁気的免疫センサ（たとえばハイエンド感度電流測定センサ）として構成され得、いずれも、1つのセンサチップ604上に形成され、ポイントオブケア検査カートリッジの1つまたは複数の導管内に配置される。図6Bには、第二のセンサ610が第一のセンサ605よりも上流に位置するように示されているが、本発明の代替態様は、第二のセンサ610を第一のセンサ605よりも下流に位置させることをも考慮していることが理解されるべきである。
【００５９】
図6Bに示すように、第一のセンサ605は、センサチップ604の第一の区域中の円形領域を被覆する金属ディスクまたは電極のアレイで構成され得、第二のセンサ610は、センサチップ604の第二の区域中の円形領域を被覆する金属ディスクまたは電極のアレイで構成され得る。センサチップ604上の第一および第二のセンサ605および610の設計および配置は、好ましくは、第一および第二のセンサ605および610それぞれの印刷および性能特性（たとえば、センサ間のクロストークを最小限にする）に基づいて選択される。しかし、当業者には、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、センサの任意の設計または配置が考えられるということが理解されるべきである。さらに、図6Bの例において、第一および第二のセンサ605および610は電流測定センサとして記載されているが、他の電気化学もしくは光センサ、たとえば光導波路および電荷結合素子（CCD）カメラチップを使用する他の電気化学プロセスまたは光学プロセスを使用することもできる。たとえば、電位差測定センサを使用して、Na+またはK+などのイオン種を検出し得る。
【００６０】
本明細書に記載されるように、第一および第二のセンサ605および610は、導管の内部環境に曝露され（たとえば、ポリイミドまたはフォトレジスト被覆を有しない）、導管内に配置された生物学的試料と直接接触するように構成されている金表面を有する電極として形成され得る。配線615および620は、配線615および620が導管内に配置された生物学的試料への曝露から防護されるように、光画定されたポリイミドまたはフォトレジスト層でコーティングされている金表面で形成され得る。配線615および620は、封じ込めリング構造635および640を含むように形成され得る。いくつかの態様において、第一のセンサ605のための封じ込めリング構造635は、電極の表面上または表面の近くに固定化された捕捉抗体を含むように構成され得る。たとえば、捕捉抗体（本明細書に記載される）は、封じ込めリング構造635内の第一のセンサ605の少なくとも一部分に付着させ得る。配線605および620はそれぞれ第一の導電ピン620および第二の導電ピン630で終端し、これらの導電ピンは、分析器またはカートリッジリーダ（たとえば、全体が参照により本明細書に組み入れられる米国特許第4,954,087号に記載されているi-STAT（登録商標）カートリッジリーダ）中のコネクタとの接触を形成するために使用される。
【００６１】
様々な態様において、第一のセンサ605は、生物学的試料内の標的分析対象物に結合するように構成されている抗体酵素コンジュゲートと混合した生物学的試料を受けるための導管中に配置された免疫センサである。第一のセンサ605は、基質（たとえば4-アミノフェニルホスフェート）と抗体酵素コンジュゲート（たとえば、アルカリホスファターゼ（ALP）に結合した1つまたは複数の抗体）との反応から酵素的に生成された電気活性種（たとえば4-アミノフェノール）を検出するように構成され得る。これらの局面にしたがって、第一のセンサ605は、抗体酵素コンジュゲートに結合した標的分析対象物に結合するように構成されている捕捉抗体645でコーティングされた捕捉領域を含む。捕捉領域645は封じ込めリング構造635によって画定され得る。いくつかの態様において、封じ込めリング構造635は、ポリイミドの疎水性リングまたは別のフォトリソグラフィーで製造された層である。たとえばビーズまたはミクロスフェアに結合した、何らかの形態の捕捉抗体を含有する1つの微小液滴またはいくつかの微小液滴（サイズ約5〜40nL）が第一のセンサ605の表面に分注され得る。光画定リング構造635がこの水性液滴を封じ込めて、捕捉領域645が数ミクロンの精度で局在することを可能にする。捕捉領域645は、0.03〜約2mm2のサイズに作られることができる。このサイズの上限は、本態様における導管およびセンサチップ604のサイズによって制限され、本発明の限定ではない。
【００６２】
いくつかの態様において、センサチップ604の一部分（たとえば基板の上面）、導管（たとえば、図5Aに関して説明した導管524）の壁および／または試料チャンバ（たとえば、図5Gおよび5Hに関して説明した試料チャンバ510）の壁は、生物学的試料を改変するための1つまたは複数の乾燥試薬でコーティングされることができる。たとえば、センサチップ604は、関心対象の分析対象物に対する抗体酵素コンジュゲートでコーティングされた試薬領域650を含み得る。試薬領域650は封じ込めリング構造655によって画定され得る。いくつかの態様において、封じ込めリング構造655は、ポリイミドの疎水性リングまたは別のフォトリソグラフィーで製造された層である。何らかの形態の抗体酵素コンジュゲートを含有する1つの微小液滴またはいくつかの微小液滴（サイズ約5〜40nL）もしくは一連の約100のナノ液滴（サイズ約50〜1000pL）がセンサチップ604の表面に分注または印刷され得る。光画定リング構造655がこの水性液滴を封じ込めて、試薬領域650が数ミクロンの精度で局在することを可能にする。試薬領域650は、0.03〜約2mm2のサイズに作られることができる。このサイズの上限は、本態様における導管およびセンサチップ604のサイズによって制限され、本発明の限定ではない。
【００６３】
生物学的試料または流体を乾燥試薬、たとえば試薬領域650の上に少なくとも一度通過させて、生物学的試料または流体内に試薬を溶解させ得る。カートリッジ内の生物学的試料または流体を改変するために使用される試薬は、抗体酵素コンジュゲート、捕捉抗体でコーティングされた磁気ビーズまたはアッセイ化合物間の特異的もしくは非特異的結合反応を防ぐ遮断物質を含み得る。生物学的試料または流体のセグメント内で、試薬はセグメントの所定の領域内で優先的に溶解され、濃縮されることができる。これは、セグメントの位置および動きの制御を通して達成される。したがって、たとえば、前縁などのセグメントの一部分だけが試薬上で往復運動するならば、前縁の近くで試薬の高い局所濃度が達成されることができる。または、試薬の均一な分散が望まれるならば、たとえば既知の濃度の試薬が定量分析に必要とされるならば、試料または流体のさらなる往復運動が混合および均一な分散をもたらすであろう。
【００６４】
本発明の好ましい態様において、分析器は、第一の導電ピン620を介して第一のセンサ605および参照電極に電位を印加し、基質からの酸化電流によって生じる電流変化を電気化学シグナルとして計測する。電気化学シグナルは生物学的試料中の分析対象物の濃度に比例する。第一のセンサ605は、参照電極に対して約＋0mV〜90mV、たとえば＋60mVの印加電位を有し、別の好ましい態様において、第一のセンサ605は、参照電極に対して約＋40mVの印加電位を有する。約＋10mVで酵素反応生成物によって生成されたシグナルは、約＋200mVで未反応基質によって生成されたシグナルから区別可能である。基質および分析対象物を電流測定的に検出するために使用される正確な電圧は、基質の化学構造に依存して変化するということが留意されるべきである。基質を検出するために使用される電圧の差が、読み取り間の干渉を防ぐのに十分な大きさであることが重要である。
【００６５】
様々な態様において、第二のセンサ610は、磁石に引き寄せられる、または磁場に応答することができるビーズと混合した生物学的試料を受けるための導管中に配置された磁気的免疫センサである。ビーズは、抗体酵素コンジュゲート、たとえば試薬領域650中に配置され、その後、生物学的試料中に溶解した抗体酵素コンジュゲートに結合した標的分析対象物に結合するように構成されている捕捉抗体でコーティングされている。第二のセンサ610は、基質（たとえば4-アミノフェニルホスフェート）と抗体酵素コンジュゲート（たとえば、アルカリホスファターゼ（ALP）に結合した1つまたは複数の抗体）との反応から酵素的に生成された電気活性種（たとえば4-アミノフェノール）を検出するように構成され得る。これらの局面にしたがって、高磁場磁石、たとえば永久磁石または電磁石が、センサチップ604の近くに（たとえば下方に）配置されて、またはセンサチップ604に組み込まれて、導管中の生物学的試料と混合したビーズを、第二のセンサ610に実質的に近接する位置へ引き寄せるための磁場を生成し得る。磁場は、第一のセンサ605と第二のセンサ610との間の所定の距離「x」に基づいて第二のセンサ610の周囲に局在し、未結合試料の除去および電極の洗浄中、ビーズを第二のセンサ610の表面またはその近くに実質的に保持するように機能する。
【００６６】
本発明の高磁場磁石は、高い磁場（たとえば、約0.1テスラよりも大きい、0.4テスラよりも大きい、または１テスラよりも大きい）を提供する任意の材料を含み得る。磁場は、たとえば、磁石の実質的に平坦な表面区域の残留磁場として計測することができる。いくつかの態様において、高磁場磁石は、一般的に0.1テスラよりも大きい、たとえば0.5テスラよりも大きい、または0.1〜1テスラの磁場を示す材料、たとえばネオジム鉄ホウ素（NdFeB）合金（たとえばNd2Fe14B）またはフェライトまたはアルミニウムニッケルコバルト（AlNiCo）で構成されている。他の態様において、高磁場磁石は、0.1テスラよりも大きい、たとえば1.2テスラよりも大きい、または1.4テスラよりも大きい磁場を示す希土類元素の合金（たとえばネオジム合金およびサマリウムコバルト（SmCo）合金）で構成されている。代替態様において、高磁場磁石は、電流によって磁場が生成される電磁石を含む。電流は、感知装置が挿入され、かつ感知装置が電気的に接触する分析器によって提供され得る。
【００６７】
高磁場磁石は、本明細書に詳細に記載されるいくつかの技術を使用して、センサチップ604の近くに（たとえば下方に）提供されることもできるし、センサチップ604に組み込まれることもできる。いくつかの態様において、第二のセンサ610は、実質的に平面的な基板上の感知電極と、電極の近くに（たとえば、センサチップ604の下方または反対側に）配置されたバルク永久高磁場磁石とを含む。特定の好ましい態様において、バルク永久高磁場磁石は、感知装置のハウジング（たとえば、カートリッジの硬質ゾーンの切り欠き部またはトレンチ）中に配置される。たとえば、バルク永久高磁場磁石はカートリッジハウジングのベース内に（たとえば、センサチップと非同一平面上に）配置され得る。他の態様において、高磁場磁石は、感知装置が挿入される分析器に隣接して、またはその内部に配置される。バルク高磁場永久磁石は、約0.1mm〜約5mmの範囲の直径および約0.1mm〜約5mmの長さを有する実質的に円柱形であり得、短時間（たとえば1〜5分）内でのビーズ捕捉に適した「事象の地平面」（本明細書に定義する）を導管中に生じさせるように配置される。導管は概して、約0.2mm〜約5mmの高さおよび約0.2mm〜約5mmの幅ならびに均一または不均一な断面積を有する。または、バルク磁石形状は、正方形、長方形、楕円形、フレーク状、角錐形、球形、亜球形または他の形状形態であり得る。
【００６８】
代替態様において、第二のセンサ610は、実質的に平面的な基板上の感知電極と、磁化層（たとえば微細加工磁性層）とを含む。磁化層は、チップ上に含まれてもよいし（たとえば、センサチップ604の任意の表面上に配置される、直接取り付けられる、コーティングされる、またはパターニングされる）、チップに埋め込まれてもよい（たとえば、チップ内に配置され、チップと一体化する）。この構成は、磁気感受性ビーズを実質的に感知電極の近くまたは感知電極上に引き寄せ、未結合試料の除去および感知電極の洗浄中、実質的にそれらを感知電極において保持する。
【００６９】
磁化層は、バインダまたは支持マトリックス（たとえば熱硬化性インク、ポリイミド、ポリビニルアルコール（PVA）または熱可塑性の等価物）中に高磁場永久磁場を維持することができる粒子状磁性材料、たとえばNdFeB合金から形成された複合材料であり得る。熱硬化性インク、ポリイミド、PVAおよび熱可塑性の等価物に加えて、二液型化学硬化エポキシ樹脂、カプトンなどを、粒子状磁性材料をセンサチップに固定するためのバインダとして使用し得る。いくつかの態様において、バインダは、熱硬化性インク、たとえば溶液型封入剤スクリーン印刷インクまたは溶媒中のアクリル酸ポリマーで構成される。代替態様において、バインダは他の光形成マトリックス材料で構成される。複合材料を硬化させる方法は、光開始、熱的開始または化学的開始プロセスに基づき得る。複合材料は粘度によって限定されず、適用に適した任意の粘度を含むことができる。いくつかの態様において、複合材料は、0.3〜300,000CPS、たとえば100〜100,000CPSまたは1,000〜10,000CPSの範囲である粘度を有する。特定の態様の複合材料中の磁性粒子は、0.01μm〜100μm、たとえば0.1μm〜10μmまたは3μm〜7μmの平均粒径を有する。
【００７０】
複合材料は、感知装置中または上の多様な場所（たとえば、ウェーハまたはチップの前面または背面、電極、ハウジング、リーダなど）に適用されることができる。たとえば、いくつかの態様において、複合材料は、パターニングされたやり方で（たとえばマスクを使用して）センサチップに適用される。他の態様において、複合材料は感知電極に適用される。他の態様において、複合材料は、感知電極の下方の磁化層に適用される。適用の前、磁化層は、磁化されていても磁化されていなくてもよい。しかし、適用後、磁化層は、好ましくは、磁化層によって生成される磁場に指向性を与えるように磁化される。
【００７１】
いくつかの態様において、センサチップ604の一部分（たとえば基板の上面）、導管（たとえば、図5Aに関して説明した導管524）の壁および／または試料チャンバ（たとえば、図5Gおよび5Hに関して説明した試料チャンバ510）の壁は、生物学的試料を改変するための1つまたは複数の乾燥試薬でコーティングされることができる。たとえば、センサチップ604は、関心対象の分析対象物に対する捕捉抗体を有する磁気ビーズでコーティングされた試薬領域660を含み得る。試薬領域660は封じ込めリング構造665によって画定され得る。いくつかの態様において、封じ込めリング構造665は、ポリイミドの疎水性リングまたは別のフォトリソグラフィーで製造された層である。何らかの形態の抗体酵素コンジュゲートを含有する1つの微小液滴またはいくつかの微小液滴（サイズ約5〜40nL）がセンサチップ604の表面に分注または印刷され得る。光画定リング構造665がこの水性液滴を封じ込めて、試薬領域660が数ミクロンの精度で局在することを可能にする。試薬領域665は、0.03〜約2mm2のサイズに作られることができる。このサイズの上限は、本態様における導管およびセンサチップ604のサイズによって制限され、本発明の限定ではない。図6Bには、試薬領域660が試薬領域650よりも上流に位置するように示されているが、本発明の代替態様は、試薬領域660を試薬領域650よりも下流に位置させることをも考慮していることが理解されるべきである。
【００７２】
生物学的試料または流体を乾燥試薬、たとえば試薬領域660の上に少なくとも一度通過させて、生物学的試料または流体内に試薬を溶解させ得る。カートリッジ内の生物学的試料または流体を改変するために使用される試薬は、抗体酵素コンジュゲート、捕捉抗体でコーティングされた磁気ビーズまたはアッセイ化合物間の特異的もしくは非特異的結合反応を防ぐ遮断物質を含み得る。生物学的試料または流体のセグメント内で、試薬はセグメントの所定の領域内で優先的に溶解され、濃縮されることができる。これは、セグメントの位置および動きの制御を通して達成される。したがって、たとえば、前縁などのセグメントの一部分だけが試薬上で往復運動するならば、前縁の近くで試薬の高い局所濃度が達成されることができる。または、試薬の均一な分散が望まれるならば、たとえば既知の濃度の試薬が定量分析に必要とされるならば、試料または流体のさらなる往復運動が混合および均一な分散をもたらすであろう。
【００７３】
本発明の好ましい態様において、分析器は、第二の導電ピン630を介して第二のセンサ610および参照電極に電位を印加し、基質からの酸化電流によって生じる電流変化を電気化学シグナルとして計測する。電気化学シグナルは生物学的試料中の分析対象物の濃度に比例する。第二のセンサ610は、参照電極に対して約＋0mV〜90mV、たとえば60mVの印加電位を有し、別の好ましい態様において、第一のセンサ605は、参照電極に対して約＋40mVの印加電位を有する。約＋10mVで酵素反応生成物によって生成されたシグナルは、約＋200mVで未反応基質によって生成されたシグナルから区別可能である。基質および分析対象物を電流測定的に検出するために使用される正確な電圧は、基質の化学構造に依存して変化するということが留意されるべきである。基質を検出するために使用される電圧の差が、読み取り間の干渉を防ぐのに十分な大きさであることが重要である。
【００７４】
いくつかの態様において、センサチップ604はさらに、導電率測定センサ670（たとえばヘマトクリットセンサ）を含み得る。導電率測定センサ670は、試薬領域650および660における生物学的試料の到着および／または出発ならびに第一および第二のセンサ605および610における生物学的試料の到着および／または出発を決定するように構成されている。より具体的には、導電率測定センサ670は導管またはセンサ導管の長手に対して垂直に位置し、センサのための電極対の間の電気抵抗を使用して生物学的試料の流体前面の相対位置をモニタし得る。両極値で、開回路読み取りが、生物学的試料が試薬領域650および660から押し出されたことを示し、閉回路読み取りが、試薬領域650および660が生物学的試料で被覆されていることを示す。
【００７５】
図6Bに示すように、導電率測定センサ670は、第一および第二のセンサ605および610の下流に配置された少なくとも2つの電極675および680（すなわち電極対）を含み得る。電極675および680は、それぞれ、配線685および690を介して導電率測定ローピン692およびAC電源もしくは導電率測定ハイピン695（たとえば一時的な電気コネクタ）に接続され得る。配線685および690は、配線685および690が導管内に配置された生物学的試料への曝露から防護されるように、光画定されたポリイミドまたはフォトレジスト層でコーティングされている金表面で形成され得る。そのようなものとして、いくつかの態様において、生物学的試料または流体は、導管中で電極対に到達し（たとえば、第一および第二のセンサ605および610に到達する前に）、その後、第一および第二のセンサ605および610に到達する（たとえば、試薬領域650および660を離れた後）。
【００７６】
図7に示すように、代替態様において、微細加工センサチップ700は、図6Bに関して同様に記載したように、第一のセンサ705（たとえばローエンド感度電流測定センサ）および任意選択で第二のセンサ710（たとえばハイエンド感度電流測定センサ）を含む。しかし、図7に示すように、第一のセンサ705は、センサチップ700の第一の区域中の円形領域を被覆する金属ディスクまたは電極のアレイで構成され得、第二のセンサ710は、センサチップ700の第二の区域中の正方形または細長い領域715を被覆する金属ディスクまたは電極のアレイで構成され得る。センサチップ700の第二の区域中の正方形または細長い領域715は、生物学的試料が導管中でセンサの上を通過するとき、磁石または磁場が、生物学的試料とともに分散した、捕捉抗体でコーティングされたビーズを捕捉するための、より大きな表面積を提供する。理解されるように、微細加工センサチップ700は、同じさらなる特徴の1つまたは複数、たとえば、センサチップ604および図6Bに関して説明した試薬領域および導電率測定センサを含み得る。
【００７７】
図8Aおよび8Bに示すように、2つのセンサの間のクロストークを減らすように設計された他の態様においては、第一のセンサ（たとえばローエンド感度センサ）および第二のセンサ（たとえばハイエンド感度センサ）を含むセンサの対と、センサ間に提供されたスカベンジング電極とを含む微細加工範囲拡大センサチップ800（たとえば、図4に関して説明した少なくとも1つのセンサチップ415）が考慮される。いくつかの態様において、第一および第二のセンサは、それぞれ、シリコンチップ上で隣接する構造として作製され得る。しかし、範囲拡大センサチップが正確な分析対象物濃度を決定するために、ローエンド感度センサはハイエンド感度センサから十分に隔てられ得る。たとえば、低〜中の分析対象物濃度で、ハイエンド感度センサは、抗体でコーティングされた磁気ビーズに付着している標識試薬の高い濃度のせいで、高い電流測定シグナルを生成し得る。標識試薬が酵素を使用して基質を切断して電気活性種を生成する態様において、ハイエンド感度センサにおける高濃度の電気活性種は、センサチップに沿って移動し、ローエンド感度センサ上で電流測定シグナルを生成することができる。または、ローエンド感度センサにおける低濃度の電気活性種が、センサチップに沿って移動し、ハイエンド感度センサ上で電流測定シグナルを生成することもできる。センサ間のこのクロストークの大きさは、多くの要因に依存し、感知装置運用の間で可変性を示して、ローエンド感度センサおよび／またはハイエンド感度センサの電流測定読み取りにおける不正確さの増大を招く可能性がある。したがって、特定の状況では、スカベンジング電極を使用して範囲拡大センサチップ中の2つのセンサの間のクロストークを減らすことが有益であり得る。
【００７８】
微細加工センサチップ800は、図6Bに関して同様に記載したように、第一のセンサ805（たとえばローエンド感度電流測定センサ）および第二のセンサ810（たとえばハイエンド感度電流測定センサ）を含む。しかし、第一のセンサ805および第二のセンサ810は、図6Bに示すセンサチップ604と比べて増大した距離「y」だけ互いから離隔している。たとえば、第一のセンサ805は第二のセンサ810から少なくとも0.2mm、好ましくは少なくとも0.5mm離隔し得る。第一のセンサ805は、配線815を介して第一の導電ピン820（たとえば一時的な電気コネクタ）に接続され得、第二のセンサ810は、配線825を介して第二の導電ピン830（たとえば一時的な電気コネクタ）に接続され得る。いくつかの態様において、第一のセンサ805は免疫センサ（たとえばローエンド感度電流測定センサ）として構成され得、第二のセンサ810は磁気的免疫センサ（たとえばハイエンド感度電流測定センサ）として構成され得、いずれも、1つのセンサチップ800上に形成され、ポイントオブケア検査カートリッジの1つまたは複数の導管内に配置される。
【００７９】
図8Aおよび8Bに示すように、第一のセンサ805と第二のセンサ810との間の増大した間隔「y」は、第一のセンサ805と第二のセンサ810との間にスカベンジング電極835が配置されることを可能にする。具体的には、センサチップ800上の第一および第二のセンサ805および810の設計および配置は、第一のセンサ805と第二のセンサ810との間へのスカベンジング電極835の追加を可能にするように選択される。スカベンジング電極835は、第二のセンサ810における高いシグナルが第一のセンサ805において有意なクロストークを生じさせないよう、および／または、第一のセンサ805における低いシグナルが第二のセンサ810において有意なクロストークを生じさせないよう、第二のセンサ810において生成された電気活性種を酸化させるように構成されている。たとえば、スカベンジング電極は、（i）第二のセンサの領域中で生成された電気活性種が第一のセンサに拡散することを防ぐ、（ii）第二のセンサの領域中で生成された電気活性種が第一のセンサへ運ばれることを防ぐ、（iii）第二のセンサの領域中で生成された電気活性種が第一のセンサにおいて検出されることを防ぐ、（iv）第一のセンサの領域中で生成された電気活性種が第二のセンサに拡散することを防ぐ、（v）第一のセンサの領域中で生成された電気活性種が第二のセンサへ運ばれることを防ぐ、および／または（vi）第一のセンサの領域中で生成された電気活性種が第二のセンサにおいて検出されることを防ぐ、ように構成されている。
【００８０】
いくつかの態様において、図8Aに示すように、スカベンジング電極835は、配線840を介して第二のセンサ810に接続される。代替態様において、図8Bに示すように、スカベンジング電極1735は、配線845を介して導電率測定ローピン850（たとえば、導電率センサのための一時的な電気コネクタ）に接続される。スカベンジング電極835の両構成は、第二のセンサ810において生成されるシグナルおよび第一のセンサ805において生成されるシグナルに対する影響を減らしながら、クロストークを最小限にするように設計されている。理解されるように、微細加工センサチップ800は、同じさらなる特徴の1つまたは複数、たとえば、センサチップ604および図6Bに関して説明した試薬領域および導電率測定センサを含み得る。
【００８１】
磁気的免疫センサ構成
図9A〜9Cは、磁気部品が感知装置のベースまたはカートリッジハウジングに直接組み込まれている磁気的免疫センサ（たとえば、図6Bに関して説明したハイエンド感度電流測定センサ610）の3つの例示的態様を示す。図9A〜9Cに示す各態様において、センサチップ900は、導管910中に配置され、高磁場磁石920の上方で基板915の表面に配置された免疫センサ905を含む。高磁場磁石920は円柱形であり得、長さ1mm〜10mm、たとえば2mm〜5mm、好ましくは約3mmであり、直径0.1mm〜5mm、たとえば0.5mm〜2mmである。図9A〜9Cにおいて、高磁場磁石920は、それぞれ約1mm、約0.5mmおよび約0.3mmの直径を有する。高磁場磁石920は、感知装置のベースまたはカートリッジハウジング925（たとえば、図5A〜5Jに関して説明した下部またはベース504）内にあり、任意選択で、好ましくは約0.2mm〜5mm、たとえば0.5mm〜2mmまたは好ましくは約1mmの厚さを有するセンサチップ900の下側に当接する。これらの局面にしたがって、導管中で磁気感受性ビーズを実質的にセンサ905の近くまたはセンサ905上に引き寄せるために、高磁場磁石、たとえば永久磁石または電磁石がセンサチップ900の近くに（たとえば下方に）配置され得る。
【００８２】
図10に示すように、本発明のいくつかの局面の、生物学的試料中の分析対象物を検出するための装置1000は、平面的な上面および下面1010、1015を含む基板1005と、基板1005の上面1010に配置された第一の電気化学センサ1020（たとえばローエンド感度電流測定センサ）と、基板1005の上面1010に配置され、第一の電気化学センサ1020に隣接する第二の電気化学センサ1025（たとえばハイエンド感度電流測定センサ）とを含む。いくつかの態様において、基板1005は装置1000の導管1027内に配置される。基板1005は、ケイ素、ガラスおよびプラスチックからなる群より選択されるベース材料で構成され得る。第一の電気化学センサ1020は、cTnIなどの分析対象物に結合するように構成された抗体固定化層1030を含み得る。第一の電気化学センサ1020および第二の電気化学センサ1025は、金マイクロアレイ電極を含み、約100μm〜約500μmまたは約200μm〜約1500μmの直径を有し得る。
【００８３】
装置1000はさらに、（i）分析対象物に対する抗体酵素コンジュゲートでコーティングされた基板1005上の第一の試薬領域1035および／または（ii）分析対象物に対する捕捉抗体を有する磁気ビーズでコーティングされた基板1005上の第二の試薬領域1040を含む。試薬領域1035、1040はそれぞれ封じ込めリング構造1045、1050によって画定され得る。他の態様において、試薬領域1035、1040は、導管1027（たとえば、図5Aに関して説明した導管524）上および／または試料チャンバ（たとえば、図5Gおよび5Hに関して説明した試料チャンバ510）中に位置し得る。
【００８４】
装置1000はさらに、基板1005を支持するハウジング1055を含む。ハウジング1055は、第二の電気化学センサ1025の下方のハウジング中の領域1065へ延びている開口またはトレンチ1060を有する。開口またはトレンチ1060は、任意選択で基板1005の平面的な下面1015に当接する高磁場磁石1070（たとえばバルク永久高磁場磁石）を含む。高磁場磁石1070は、開口またはトレンチ1060内に嵌まる形状（たとえば、実質的に三角形、台形、柱状、長方形、正方形、円形、角錐形などである形状（実質的にこの文脈において、視覚的に形状が概ね三角形、台形、柱状、長方形、正方形、円形、角錐形などであることを意味することが当業者によって理解されよう））を有する。そのうえ、高磁場磁石1070は、第二の電気化学センサ1025に対して整列する（たとえば同じ垂直平面上で）および／または基板1005の上面1010の水平面に対して直交する磁場1075を生成する。磁場1075は、磁気ビーズが生物学的試料と混合されると磁気ビーズを第二の電気化学センサ1025の表面に集中させ引き寄せるように構成されている。
【００８５】
代替態様においては、磁気部品が、感知装置のベースまたはカートリッジハウジングへの組み立てを要する別個の部品（たとえばバルク永久高磁場磁石）ではなく、センサ製造に直接組み込まれる部品である、磁気的免疫センサ（たとえば、図6Bに関して説明したハイエンド感度電流測定センサ610）が提供される。磁化層は、バインダまたは支持マトリックス（たとえばポリイミド、ポリビニルアルコール（PVA）または熱可塑性等価物）中で高磁場永久磁場を維持することができる粒子状磁性材料、たとえばNdFeB合金を含む複合材料、たとえばスラリーから形成され得る。1つの態様においては、Nd2Fe14B粉末と光形成可能なポリビニルアルコール（PVA）との混合物が、全体として参照により本明細書に組み入れられる米国特許第5,554,339号に記載されるタイプの微量分注装置を使用してウェーハに印刷される。印刷区域は、約400μmまたは200〜600μmの直径であり得る。図11Aおよび11Bは、印刷されたポリイミドおよびNdFeB粒子マトリックス1105で部分的に被覆されて磁気的免疫センサの周囲の一部分1110を露出したままに残した例示的な免疫センサ1100を示す。
【００８６】
別の態様においては、磁化可能な粒子（たとえばNd2Fe14B粉末）のスラリーを微細加工センサチップの非導電性基板またはウェーハ内のトレンチ中に付着させる。図12は、フォトレジスト1205の表面コーティングを有する非導電性基板1200（たとえばシリコンウェーハ）を、まずフッ化水素酸（HF）でエッチングする工程、および次いで高温の水酸化カリウム（KOH）または水酸化トリメチルアンモニウム（TMAH）でエッチングして、制御されたプロファイル（たとえば、実質的に三角形、台形、柱状、長方形、正方形、円形、角錐形などである形状（実質的にこの文脈において、視覚的に形状が概ね三角形、台形、柱状、長方形、正方形、円形、角錐形などであることを意味することが当業者によって理解されよう））および寸法（たとえば、約5μm〜約600μmの深さおよび幅）のトレンチ1210を残す工程を含む、トレンチ形成プロセスを示す。次いで、熱可塑性マトリックス（たとえばポリイミド）中の磁化可能な粒子（たとえばNdFeB合金粉末）のスラリーをトレンチ1210中に微量分注（1215）またはスピンコーティング（1220）して、基板1200と同一平面である実質的に平坦な表面を有する磁化層1225を形成する。全体として参照により本明細書に組み入れられる、同一所有者による米国特許第7,419,821号および第7,723,099号に記載されているように、基板1200をさらに処理して、基板1200上の各エッチングされたトレンチ1210上に免疫センサアレイ1230を提供してもよい。免疫センサアレイ1230は、（a）に示すように磁化層1225に直接付着させてもよいし、（b）に示すように磁化層1225の上方に付着させてもよい。
【００８７】
図13に示すように、本発明のいくつかの局面の、生物学的試料中の分析対象物を検出するための装置1300は、平面的な上面および下面1310、1315を含む基板1305と、基板1305の上面1310に配置された第一の電気化学センサ1320（たとえばローエンド感度電流測定センサ）と、基板1305の上面1310に配置され、第一の電気化学センサ1320に隣接する第二の電気化学センサ1325（たとえばハイエンド感度電流測定センサ）とを含む。いくつかの態様において、基板1305は装置1000の導管1327内に配置される。基板1305は、ケイ素、ガラスおよびプラスチックからなる群より選択されるベース材料で構成され得る。第一の電気化学センサ1320は、cTnIなどの抗体に結合するように構成された抗体固定化層1330を含み得る。第一の電気化学センサ1320および第二の電気化学センサ1325は、金マイクロアレイ電極を含み、約100μm〜約500μmまたは約200μm〜約1500μmの直径を有し得る。
【００８８】
装置1300はさらに、（i）分析対象物に対する抗体酵素コンジュゲートでコーティングされた基板1305上の第一の試薬領域1335および／または（ii）分析対象物に対する捕捉抗体を有する磁気ビーズでコーティングされた基板1005上の第二の試薬領域1340を含む。試薬領域1335、1340はそれぞれ封じ込めリング構造1345、1350によって画定され得る。他の態様において、試薬領域1335、1340は、導管1327（たとえば、図5Aに関して説明した導管524）上および／または試料チャンバ（たとえば、図5Gおよび5Hに関して説明した試料チャンバ510）中に位置し得る。
【００８９】
装置1300はさらに、第二の電気化学センサ1325の下方の基板1305中の領域1360へ延びている開口またはトレンチ1355を基板の下面1315に含む。開口またはトレンチ1355は、バインダ（たとえば、バインダはポリイミドまたはポリビニルアルコールで構成されている）と、任意選択で開口またはトレンチ1355を埋める粒子状磁性材料（たとえば、粒子状磁性材料はネオジム鉄ホウ素（NdFeB）合金またはアルミニウムニッケルコバルト（AlNiCo）合金で構成されている）とを含む複合材料1365を含む。複合材料1365は、開口またはトレンチ1355の形状（たとえば、実質的に三角形、台形、柱状、長方形、正方形、円形、角錐形などである形状（実質的にこの文脈において、視覚的に形状が概ね三角形、台形、柱状、長方形、正方形、円形、角錐形などであることを意味することが当業者によって理解されよう））を帯びるように構成されている。
【００９０】
いくつかの態様において、開口またはトレンチ1355の形状は実質的に三角形の断面を含み、実質的に三角形の断面の底辺1370が基板1305の下面1315と同一平面上にあり、実質的に三角形の断面の頂点1375が第二の電気化学センサ1325の下方にある。開口またはトレンチ1355は、約200μm〜約1500μm、たとえば500μm〜1000μmの直径を有し得る。開口の実質的に三角形の断面形状は、円錐、角錐、四面体、円錐形の多角形、およびV字形トレンチからなる群より選択され得る。実質的に三角形の断面は、基板1305の下面1315から上面1310までの距離の少なくとも75％、90％または95％にかけて延び得る。複合材料1365は、第二の電気化学センサ1325に対して整列する（たとえば同じ垂直平面上で）および／または基板1305の上面1310の水平面に対して直交する磁場1380を生成する。磁場1380は、磁気ビーズが生物学的試料と混合されると磁気ビーズを第二の電気化学センサ1325の表面に集中させ引き寄せるように構成されている。
【００９１】
複合イムノアッセイ法
図14〜17は、本発明のプロセス工程を実行するための例示的なフローチャートを示す。図14〜17の工程は、図1〜13に関して先に説明したコンピューティング装置およびシステムを使用して実現され得る。具体的に、図14〜17のフローチャートは、本発明のいくつかの態様のシステム、方法およびコンピュータプログラム製品の可能な態様のアーキテクチャ、機能および動作を示す。これに関し、フローチャート中の各ブロックは、1つまたは複数のプロセッサ（たとえば分析器のプロセッサ）によって実行されると、1つまたは複数のプロセッサをして、1つまたは複数の実行可能な命令内で指定された論理機能を実行させる、非一時的機械可読記憶媒体に記憶された1つまたは複数の実行可能な命令を含むモジュール、セグメントまたはコードの部分を表し得る。また、いくつかの代替態様において、ブロックに記された機能は、図面に記された順序以外で実施されてもよいことが留意されるべきである。たとえば、関与する機能に依存して、連続して示される2つのブロックが実際には実質的に同時並行に実行されてもよいし、ブロックがときには逆の順序で実行されてもよい。また、フローチャート図の各ブロックおよびフローチャート図のブロックの組み合わせが、指定された機能または動作を実行する専用ハードウェアベースのシステムまたは専用ハードウェアとコンピュータ命令との組み合わせによって実現されることもできることが留意されよう。
【００９２】
図14は、本発明の1つの態様にしたがって感知装置を使用する方法1400（図5A〜5Jに示す感知装置500を参照する）を示す。工程1405で、未計量の生物学的試料を、試料入口（たとえば、図5Bおよび5Cに関して説明した密封可能な試料入口506）に通して感知装置の試料チャンバ（たとえば、図5Gおよび5Hに関して説明した試料チャンバ510）に導入し得る。工程1410で、毛管ストッパ（たとえば、図5Gおよび5Hに関して説明した毛管ストッパ512）が、この段階における第一の導管（たとえば、図5Aに関して説明した導管531）の中への試料の通過を防ぎ得、試料チャンバは試料で満たされる。試料チャンバの端部の毛管ストッパが生物学的試料の計量部分の範囲を定める。工程1415で、蓋（たとえば、図5Aおよび5Bに関して説明した閉鎖可能な密封部材508）を閉じて、感知装置からの生物学的試料の漏れを防ぎ得る。生物学的試料が試料チャンバ内にあるとき、生物学的試料は、任意選択で、工程1420で、チャンバの内面に乾燥コーティングとしてはじめから存在する化合物（たとえば、抗体でコーティングされた磁気感受性ビーズおよび酵素標識された抗体コンジュゲートなどの試薬）によって改変されてもよい。
【００９３】
工程1425で、本発明のいくつかの局面にしたがって、感知装置を分析器（たとえば、図3に関して説明した分析器305）に挿入し得る。工程1430で、分析器への感知装置の挿入が、第一のポンプ（たとえば、図5Aおよび5Bに関して説明した軟質ゾーン536の部分）またはパッケージがスパイク（たとえば、図5Gおよび5Hに関して説明したスパイク525）に押し当てられたとき流体含有パッケージを穿刺する機構を起動し得る。それにより、流体（たとえば基質）が、第一の導管と流体連通している第二の導管（たとえば、図5Gおよび5Hに関して説明した導管522）中に放出し得る。第二の導管中の狭窄部が流体のさらなる移動を防ぐ。工程1435で、分析器による第二のポンプ（たとえば、図5A、5B、5Gおよび5Hに関して説明した変位可能な膜526）の動作が、感知装置のエアブラダに圧力を加えて、空気を第三の導管（たとえば、図5Gおよび5Hに関して説明した導管529）に通し、所定の位置で試料チャンバに押し込む。
【００９４】
工程1440で、工程1435でエアブラダ内で発生した空気圧により、生物学的試料の計量された部分を毛管ストッパに通して第一の導管の中へ放出する。工程1445で、エアブラダ内で発生した空気圧により、生物学的試料を、第一の導管内で、第一の導管（たとえば、図5Aに関して説明した導管524）の、センサチップ（たとえば、図6Bに関して説明したセンサチップ604）に曝露される部分まで前進させる。任意選択で工程1450で、生物学的試料を、センサチップの一部分（すなわち1つまたは複数の試薬領域）上の乾燥コーティングとしてはじめから存在する化合物（たとえば、抗体でコーティングされた磁気感受性ビーズおよび酵素標識された抗体コンジュゲートなどの試薬）で改変する。生物学的試料中の化合物の溶解を容易にする、および／または磁気感受性ビーズ上での効率的なサンドイッチ形成を促進するために、エアブラダ内で発生した空気圧により、生物学的試料を1つまたは複数の試薬領域上で振動させてもよい。1つの態様においては、約0.2Hz〜約5Hz、もっとも好ましくは約0.7Hzの振動周波数を使用する。工程1455で、エアブラダ内で発生した空気圧により、改変された生物学的試料を、第一の導管内で、第一のセンサ（たとえばローエンド感度電流測定センサ）および任意選択で第二のセンサ（たとえばハイエンド感度電流測定センサ）の上の位置まで前進させる。任意選択で工程1460で、第二のセンサの表面上または表面の近くの磁場内への磁気感受性ビースの閉じ込めを容易にする、および／またはバイオ層を含む第一のセンサの表面上または表面の近くでの効率的なサンドイッチ形成を促進するために、エアブラダ内で発生した空気圧により、生物学的試料を第一および第二のセンサ上で振動させてもよい。1つの態様においては、約0.2Hz〜約5Hz、もっとも好ましくは約0.7Hzの振動周波数を使用する。
【００９５】
工程1465で、エアブラダに加えられるさらなる圧力によって生物学的試料を第一の導管から移動させると、生物学的試料は廃棄物チャンバ（たとえば、図5Aおよび5Gに関して説明した廃棄物チャンバ516）へ進む。任意選択の工程1470で、受動的手段（その態様は、全体として参照により本明細書に組み入れられる米国特許第7,682,833号に詳細に記載されている）または空気をフラップまたは弁に通して第一の導管の中に引き込む第二のポンプを使用して第一の導管内の圧力を一時的に下げることを含む能動的手段を含む任意の適当な手段により、第一の導管内に1つまたは複数のエアセグメント（メニスカス）を生成し得る。1つまたは複数のエアセグメントは、生物学的試料が混入した流体を第一の導管から清浄除去するまたはすすぎ落とすのにきわめて効果的である。たとえば、生物学的試料から付着したおそれのある異物をすすぎ落とし、再懸濁させるために、1つまたは複数のエアセグメントの前縁および／または後縁を第一および第二のセンサの上に何度も通し得る。異物は、特異的に結合した分析対象物または分析対象物／抗体酵素コンジュゲート複合体以外の任意の物質を含む。しかし、様々な態様にしたがって、1つまたは複数のエアセグメントを使用する清浄またはすすぎ工程1470は、磁気感受性ビーズの実質的な再懸濁またはビーズもしくはバイオ層からの特異的に結合した分析対象物もしくは分析対象物／抗体酵素コンジュゲート複合体の解離を促進するのに十分なほど長くはないし激しいものでもない。
【００９６】
工程1475で、第一のポンプによって生成された空気圧により、第二の導管中の流体を狭窄部に通して第一の導管に入れ、第一および第二のセンサと接触させる。流体は基質またはシグナル物質を含み得、第一の導管内に残る、第一および第二のセンサの上またはそれらの近くに固定化された酵素が、電気不活性基質から電気活性種を生成する、または電気活性基質を破壊する。いくつかの態様においては、第一および第二のセンサから生物学的試料を洗浄するために、流体が第一の免疫センサおよび第二の免疫センサに加えられてもよい。感知装置の動作モードに応じて適切に、第一および第二のセンサにおける電気活性種の生成または破壊によって発生する電流または電位の変化を時間の関数として記録し、それが生物学的試料中の標的分析対象物の存在を決定する。
【００９７】
図15は、本発明の1つの態様にしたがって生物学的試料（たとえば全血）中の分析対象物の濃度を決定するためのイムノアッセイを実行する方法1500を示す。工程1505で、第一の乾燥試薬を生物学的試料中に溶解する。第一の乾燥試薬は、トロポニンI（TnI）または心筋トロポニンI（cTnI）などの分析対象物に結合するように構成された酵素生体分子コンジュゲート（たとえばシグナル抗体）を含み得る。酵素生体分子コンジュゲートは、関心対象の分析対象物に結合するように選択された生体分子にコンジュゲートした酵素を含む。工程1510で、生物学的試料を含む第一の液相中で、シグナル抗体と分析対象物との第一の複合体を形成する。工程1515で、第二の乾燥試薬を生物学的試料中に溶解する。第二の乾燥試薬は、分析対象物に結合するように構成された捕捉生体分子（たとえば、磁気ビーズに固定化された捕捉抗体）でコーティングされた磁気ビーズまたはミクロスフェアを含み得る。工程1520で、生物学的試料を含む第二の液相中で、第一の複合体（たとえば、分析対象物に結合したシグナル抗体）と磁気ビーズに固定化された捕捉抗体との第二の複合体を形成する。
【００９８】
工程1525で、第一の複合体および第二の複合体を含む生物学的試料を第一の免疫センサと接触させる。第一の免疫センサは、第一の免疫センサの表面上または表面の近くに固定化された捕捉生体分子（たとえば、捕捉抗体でコーティングされたラテックスビーズまたはミクロスフェア）を含む。捕捉抗体は、分析対象物に結合して、第一の免疫センサの固相境界（たとえば表面）の上またはその近くに局在する第三の複合体を形成するように構成されている。第三の複合体は、第一の複合体（たとえば、分析対象物に結合したシグナル抗体）と、第一の免疫センサの固定化された捕捉抗体とを含む。第一の免疫センサの表面上または表面の近くでの分析対象物の局在または捕捉は、第一の液相中の第一の複合体の形成と、固相境界上または固相境界の近くでの第三の複合体の形成とを含む不均一反応の結果である。したがって、第一の免疫センサは不均一性表面捕捉免疫センサとして認識され得る。
【００９９】
工程1530で、第一の複合体および第二の複合体を含む生物学的試料を、第二の免疫センサの周囲に局在する磁場と接触させる。磁場は、第一の複合体（たとえば、分析対象物に結合したシグナル抗体）と磁気ビーズに固定化された捕捉抗体との第二の複合体が第二の免疫センサの表面上または表面の近くに局在するよう、生物学的試料中の磁気ビーズを引き寄せるように構成されている。第二の免疫センサの表面上または表面の近くでの分析対象物の局在または捕捉は、第一の液相中の第一の複合体の形成と、第二の液相中の第二の複合体の形成とを含む均一系反応の結果である。したがって、第二の免疫センサは均一性磁気ビーズ捕捉免疫センサとして認識され得る。
【０１００】
工程1535で、流体（たとえば洗浄液）を第一の免疫センサおよび第二の免疫センサに適用して、第一の免疫センサおよび第二の免疫センサから生物学的試料を洗い落とし得る。洗浄液は基質またはシグナル物質（たとえば、4-アミノフェニルホスフェートなどのリン酸化分子）を含み得る。工程1540で、基質と、第一の免疫センサの上またはその近くに局在する第三の複合体との反応からの第一のシグナルを第一の免疫センサにおいて検出し、計測する。たとえば、第一の免疫センサの表面における酵素的に生成された電気活性種（たとえば4-アミノフェノール）の酸化から第一の電気化学シグナルを検出し、計測する。電気活性種は、基質と、第三の複合体中の酵素生体分子コンジュゲートとの反応から酵素的に生成される。様々な態様において、基質は、ホスフェート部分が酵素生体分子コンジュゲート（たとえば、アルカリホスファターゼに結合した1つまたは複数の抗体）によって除去されると電気活性になるように構成されたリン酸化分子（たとえば4-アミノフェニルホスフェート）である。工程1545で、基質と、第二の免疫センサの上またはその近くに局在する第二の複合体との反応からの第二のシグナルを第二の免疫センサにおいて検出し、計測する。たとえば、第二の免疫センサの表面における酵素的に生成された電気活性種（たとえば4-アミノフェノール）の酸化から第二の電気化学シグナルを検出し、計測する。電気活性種は、基質（たとえば4-アミノフェニルホスフェート）と、第二の複合体中の酵素生体分子コンジュゲート（たとえば、アルカリホスファターゼに結合した1つまたは複数の抗体）との反応から酵素的に生成される。
【０１０１】
工程1550で、第一のシグナルおよび第二のシグナルの少なくとも一方から生物学的試料中の分析対象物の濃度を決定する。いくつかの態様において、第一の免疫センサは、基質と第三の複合体との反応から第一の範囲（たとえば、下濃度範囲よりも高い上濃度範囲）の分析対象物の濃度を示す第一のシグナルを生成するように構成され、第二の免疫センサは、基質と第二の複合体との反応から第二の範囲（たとえば、上濃度範囲よりも低い下濃度範囲）の分析対象物の濃度を示す第二のシグナルを生成するように構成されている。
【０１０２】
分析対象物が心筋トロポニンである他の態様において、第一の免疫センサは、基質と第三の複合体との反応から、約1000pg/mLを超える第一の範囲の心筋トロポニン濃度を示す第一のシグナルを生成するように構成され、第二の免疫センサは、基質と第二の複合体との反応から、約0〜約1000pg/mLの第二の範囲の心筋トロポニン濃度を示す第二のシグナルを生成するように構成されている（約は、各範囲の終点を中心に＋／−10pg/mLである）。そのようなものとして、第一の免疫センサは、第一のシグナルに基づいて、約1000pg/mLを超える第一の範囲の心筋トロポニンの濃度を決定し、第二の免疫センサは、第二のシグナルに基づいて、約0〜約1000pg/mLの第二の範囲の心筋トロポニンの濃度を決定する。代替態様において、第一の範囲は2000pg/mLを超え、第二の範囲は0〜250pg/mlであり、第一のシグナルおよび第二のシグナルは、組み合わさって（たとえば重み付き平均で）、250〜2000pg/mlの範囲の心筋トロポニン濃度を示す（約は、各範囲の終点を中心に＋／−10pg/mlである）。平均は、計算結果と規定の上下クロスオーバ点との近接、センサ電流対時間のプロットの形状の理想形およびセンサの1つにおけるエラー状態の検出を含む1つまたは複数の要因に基づいて重み付けされ得る。そのようなものとして、第一の免疫センサは、第一のシグナルに基づいて、約2000pg/mLを超える第一の範囲の心筋トロポニンの濃度を決定し、第二の免疫センサは、第二のシグナルに基づいて、約0〜約250pg/mLの第二の範囲の心筋トロポニンの濃度を決定し、第一の免疫センサと第二の免疫センサとの組み合わせは、第一のシグナルおよび第二のシグナルに基づいて、約250〜約2000pg/mLの第三の範囲の心筋トロポニンの濃度を決定する。
【０１０３】
下濃度範囲（たとえば約0〜約250pg/mL）は、試料中への磁気ビーズの溶解と、均一性磁気ビーズ捕捉免疫センサの上またはその近くでの磁気ビーズの磁気捕捉との間の持続時間によって制御され得る。様々な態様において、持続時間は1〜20分、好ましくは5〜10分である。下濃度範囲はさらに、試料中の磁気ビーズの溶解濃度によって制御され得る。いくつかの態様において、試料中の磁気ビーズの溶解濃度は、1マイクロリットルあたり約10000〜200000個、好ましくは1マイクロリットルあたり10000〜40000個の範囲である。下濃度範囲はさらに、シグナル抗体それぞれの親和力、シグナル抗体それぞれの結合力、磁気ビーズの表面に固定化された捕捉抗体それぞれの親和力および／または磁気ビーズの表面に固定化された捕捉抗体それぞれの結合力によって制御され得る。いくつかの態様において、シグナル抗体それぞれの親和力は、約1×107〜約1×1013M-1、好ましくは約1×1010〜約1×1013M-1の範囲である。いくつかの態様において、シグナル抗体それぞれの結合力は、約1×107〜約1×1013M-1、好ましくは約1×1010〜約1×1013M-1の範囲である。いくつかの態様において、磁気ビーズの表面に固定化された捕捉抗体それぞれの親和力は、約1×107〜約1×1013M-1、好ましくは約1×1010〜約1×1013M-1の範囲である。いくつかの態様において、磁気ビーズの表面に固定化された捕捉抗体それぞれの結合力は、約1×107〜約1×1013M-1、好ましくは約1×1010〜約1×1013M-1の範囲である。理解されるように、下濃度範囲（たとえば約0〜約250pg/mL）は、任意の数の前述の単独のまたは組み合わせた要因によって制御され得、たとえば、下濃度範囲は、試料中への磁気ビーズの溶解と、均一性磁気ビーズ捕捉免疫センサの上またはその近くでの磁気ビーズの磁気捕捉との間の持続時間、シグナル抗体それぞれの親和力、シグナル抗体それぞれの結合力、試料中の磁気ビーズの溶解濃度、磁気ビーズの表面に固定化された捕捉抗体それぞれの親和力および磁気ビーズの表面に固定化された捕捉抗体それぞれの結合力の少なくとも1つによって制御され得る。
【０１０４】
上濃度範囲（たとえば約2000pg/mL超）は、試料が不均一性表面捕捉免疫センサ上に配置される持続時間によって制御され得る。様々な態様において、持続時間は1〜20分、好ましくは5〜10分である。上濃度範囲はさらに、シグナル抗体それぞれの親和力、シグナル抗体それぞれの結合力、不均一性表面捕捉免疫センサの上またはその近くに固定化された捕捉抗体それぞれの親和力および／または不均一性表面捕捉免疫センサの上またはその近くに固定化された捕捉抗体それぞれの結合力によって制御され得る。いくつかの態様において、シグナル抗体それぞれの親和力は、約1×107〜約1×1013M-1、好ましくは約1×1010〜約1×1013M-1の範囲である。いくつかの態様において、シグナル抗体それぞれの結合力は、約1×107〜約1×1013M-1、好ましくは約1×1010〜約1×1013M-1の範囲である。いくつかの態様において、不均一性表面捕捉免疫センサの上またはその近くに固定化された捕捉抗体それぞれの親和力は、約1×107〜約1×1013M-1、好ましくは約1×1010〜約1×1013M-1の範囲である。いくつかの態様において、不均一性表面捕捉免疫センサの上またはその近くに固定化された捕捉抗体それぞれの結合力は、約1×107〜約1×1013M-1、好ましくは約1×1010〜約1×1013M-1の範囲である。理解されるように、上濃度範囲（たとえば約2000pg/mL超）は、任意の数の前述の単独のまたは組み合わせた要因によって制御され得、たとえば、上濃度範囲は、試料が不均一性表面捕捉免疫センサ上に配置される持続時間、シグナル抗体それぞれの親和力、シグナル抗体それぞれの結合力、不均一性表面捕捉免疫センサの上またはその近くに固定化された捕捉抗体それぞれの親和力および不均一性表面捕捉免疫センサの上またはその近くに固定化された捕捉抗体それぞれの結合力の少なくとも1つによって制御され得る。
【０１０５】
図16は、本発明の1つの態様にしたがって、拡大した濃度範囲にわたって試料中の分析対象物の濃度を決定する方法1600を示す。工程1605で、方法1500の工程1505〜1540にしたがって、基質と、第一の免疫センサの上またはその近くに局在する第三の複合体との反応からの第一のシグナルを第一の免疫センサにおいて検出し、計測する。工程1610で、方法1500の工程1505〜1545にしたがって、基質と、第二の免疫センサの上またはその近くに局在する第二の複合体との反応からの第二のシグナルを第二の免疫センサにおいて検出し、計測する。工程1615で、第一のシグナルから生物学的試料中の分析対象物の第一の濃度を決定し、第二のシグナルから生物学的試料中の分析対象物の第二の濃度を決定する。任意選択の工程1620で、第一の濃度および第二の濃度の重み付き平均を計算する。平均は、計算結果と規定の上下クロスオーバ点との近接、センサ電流対時間のプロットの形状の理想形およびセンサの1つにおけるエラー状態の検出を含む1つまたは複数の要因に基づいて重み付けされ得る。工程1625で、第一の濃度および第二の濃度または任意選択で重み付き平均を所定のクロスオーバ濃度点と比較する。様々な態様において、所定のクロスオーバ濃度点は、1000pg/ml、1200pg/ml、1400pg/ml、1600pg/ml、1800pg/mlまたは2000pg/mlである。工程1630で、第一の濃度および第二の濃度の一方もしくは両方または任意選択で重み付き平均が所定のクロスオーバ濃度点よりも高いとき、第一のシグナルから決定された分析対象物の第一の濃度を生物学的試料中の分析対象物の最終濃度として装置のユーザに報告する。工程1635で、第一の濃度および第二の濃度の一方もしくは両方または任意選択で重み付き平均が所定のクロスオーバ濃度点よりも低いとき、第二のシグナルから決定された分析対象物の第二の濃度を生物学的試料中の分析対象物の最終濃度として装置のユーザに報告する。
【０１０６】
図17は、本発明の1つの態様にしたがって、拡大した濃度範囲にわたって試料中の分析対象物の濃度を決定する方法1700を示す。工程1705で、方法1700の工程1705〜1745にしたがって、基質と、第一の免疫センサの上またはその近くに局在する第三の複合体との反応からの第一のシグナルを第一の免疫センサにおいて検出し、計測する。工程1710で、方法1700の工程1705〜1750にしたがって、基質と、第二の免疫センサの上またはその近くに局在する第二の複合体との反応からの第二のシグナルを第二の免疫センサにおいて検出し、計測する。工程1715で、第一のシグナルから生物学的試料中の分析対象物の第一の濃度を決定し、第二のシグナルから生物学的試料中の分析対象物の第二の濃度を決定する。任意選択の工程1720で、第一の濃度および第二の濃度の重み付き平均を計算する。平均は、計算結果と規定の上下クロスオーバ点との近接、センサ電流対時間のプロットの形状の理想形およびセンサの1つにおけるエラー状態の検出を含む1つまたは複数の要因に基づいて重み付けされ得る。工程1725で、第一の濃度および第二の濃度または任意選択で重み付き平均を所定のクロスオーバ濃度ゾーンと比較する。様々な態様において、所定のクロスオーバ濃度ゾーンは、400〜2000pg/ml、600〜1800pg/ml、400〜1800pg/ml、800〜1600pg/mlまたは250〜2000pg/mLである。
【０１０７】
工程1730で、第一の濃度および第二の濃度の一方もしくは両方または任意選択で重み付き平均が所定のクロスオーバ濃度ゾーンよりも高いとき、第一のシグナルから決定された分析対象物の第一の濃度を生物学的試料中の分析対象物の最終濃度として装置のユーザに報告する。工程1735で、第一の濃度および第二の濃度の一方もしくは両方または任意選択で重み付き平均が所定のクロスオーバ濃度ゾーンよりも低いとき、第二のシグナルから決定された分析対象物の第二の濃度を生物学的試料中の分析対象物の最終濃度として装置のユーザに報告する。工程1740で、第一の濃度および第二の濃度の両方または任意選択で重み付き平均が所定のクロスオーバ濃度ゾーン内であるとき、第一の濃度および第二の濃度の重み付き平均を生物学的試料中の分析対象物の最終濃度として装置のユーザに報告する。
【０１０８】
図18は、本発明の様々な態様にしたがって、拡大した濃度範囲にわたって試料中の分析対象物の濃度を決定することができることの影響を示すグラフ1800を示す。微細加工範囲拡大センサチップは、本明細書に記載したように、第一の免疫センサ1805（たとえば、捕捉抗体固定化層を有するローエンド感度電流測定センサ）および第二の免疫センサ1810（たとえば、捕捉抗体固定化層を有する磁気ビーズを引き寄せるための磁場を有するハイエンド感度電流測定センサ）を含み得る。グラフ1800は、第一の免疫センサ1805が、たとえば400pg/mlを超える高めの濃度を有する分析対象物を検出する場合に特に適し、第二の免疫センサ1810が、たとえば2000pg/ml未満の低めの濃度を有する分析対象物を検出する場合に特に適していることを示す。したがって、第一の免疫センサ1805（たとえば、捕捉抗体固定化層を有するローエンド感度電流測定センサ）および第二の免疫センサ1810（たとえば、捕捉抗体固定化層を有する磁気ビーズを引き寄せるための磁場を有するハイエンド感度電流測定センサ）の両方を有する、本明細書に記載されるセンサチップを有するシステムを使用することにより、方法1500、1600および1700に関して先に説明したように、それぞれの免疫センサにおいて生成される第一および第二のシグナルを使用することにより、分析対象物が検出され得る濃度の範囲を拡大することが可能である。
【０１０９】
様々な好ましい態様に関して本発明を説明したが、当業者は、本発明の精神を逸脱することなく、様々な修飾、置換、省略および変更を加えることができることを認識するであろう。本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることが意図される。加えて、上記のような発明の複数の様々な態様を互いに合わせ、1つのリーダ装置に組み込み得ることが当業者によって理解されるはずである。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図５Ｇ】
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【図５Ｈ】
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【図５Ｉ】
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【図５Ｊ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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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１８】
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【国際調査報告】
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