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▶ ジーイー・ヘルスケア・バイオサイエンス・アクチボラグの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6018636
(24)【登録日】2016年10月7日
(45)【発行日】2016年11月2日
(54)【発明の名称】マルチチャネルフローセル
(51)【国際特許分類】
G01N 21/05 20060101AFI20161020BHJP
G01N 21/41 20060101ALI20161020BHJP
【ＦＩ】
G01N21/05
G01N21/41 101
【請求項の数】10
【全頁数】18
(21)【出願番号】特願2014-533245(P2014-533245)
(86)(22)【出願日】2012年9月28日
(65)【公表番号】特表2014-528574(P2014-528574A)
(43)【公表日】2014年10月27日
(86)【国際出願番号】SE2012051036
(87)【国際公開番号】WO2013055281
(87)【国際公開日】20130418
【審査請求日】2015年9月25日
(31)【優先権主張番号】1100724-2
(32)【優先日】2011年9月30日
(33)【優先権主張国】SE
(73)【特許権者】
【識別番号】597064713
【氏名又は名称】ジーイー・ヘルスケア・バイオサイエンス・アクチボラグ
(74)【代理人】
【識別番号】100137545
【弁理士】
【氏名又は名称】荒川 聡志
(74)【代理人】
【識別番号】100105588
【弁理士】
【氏名又は名称】小倉 博
(74)【代理人】
【識別番号】100129779
【弁理士】
【氏名又は名称】黒川 俊久
(72)【発明者】
【氏名】スヨランダー，ステファン
【審査官】
横尾 雅一
(56)【参考文献】
【文献】
特表平０４−５０１４６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００９−００２８０６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表２００７−５１０９２３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２００４／０２５３８２１（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｇ０１Ｎ ２１／００−２１／６１
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
閉フローセル構成を形成するために平坦な蓋表面に連結されるフローセルユニットであって、３以上の隣接する延長フローチャネルを画定する弾性材料の突き出た壁を持つ上面を備え、各フローチャネルは第１の流体ポート及び第２の流体ポートを備え、
隣接するフローチャネルを分離する前記壁は、低い高さのバルブセクションを備え、それによりフローセルと前記蓋表面との間の連結力を、それぞれ開いた連結状態及び閉じた連結状態に制御することによって、前記延長フローチャネルと交差するフロー経路を選択的に開閉できるようにする、フローセルユニット。
隣接するフローチャネルを分離する前記壁は、低い高さのバルブセクションを備え、それによりフローセルと前記蓋表面との間の連結力を、それぞれ開いた連結状態及び閉じた連結状態に制御することによって、前記延長フローチャネルと交差するフロー経路を選択的に開閉できるようにする、フローセルユニット。
【請求項2】
一方又は両方の連結状態において、前記壁をさらに圧迫するために必要な前記連結力を段階的に高めるように配置された弾性材料の１以上の力制御要素を備える、請求項１記載のフローセルユニット。
【請求項3】
交差するフロー経路に沿って交差する層流チャネルを提供するように配置された１以上の交差するように配置された入口−出口ペアを備える、請求項１又は請求項２記載のフローセルユニット。
【請求項4】
閉フローセル構成を形成するために平坦な蓋表面に連結される請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフローセルユニットと、前記フローセルユニットの前記第１及び第２の流体ポートに接続された流体管と、前記流体管を経由する流体のフローを制御するための流体制御システムと、フローセルと前記蓋表面の間の連結力をそれぞれ開いた連結状態及び閉じた連結状態に制御するように配置された連結ユニットとを備える、流体システム。
【請求項5】
連結ユニットは、前記２つの連結状態に事前定義済みの連結力を供給するように配置された力制御構成を備える、請求項４記載の流体システム。
【請求項6】
連結力センサを備え、前記連結ユニットは前記力センサからのフィードバックに基づいて事前定義済みの力を印加するように配置される、請求項４記載の流体システム。
【請求項7】
請求項４乃至６のいずれか１項記載の流体システムを備えるバイオセンサシステム。
【請求項8】
平坦な蓋表面はＳＰＲセンサ表面である、請求項４乃至６のいずれか１項記載の流体システムを備える、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）バイオセンサシステム。
【請求項9】
前記隣接する延長フローチャネルに交差する前記ＳＰＲセンサ表面上の２以上の間隔をあけた線形の検出領域においてＳＰＲレスポンスを記録するように配置された、請求項８記載のＳＰＲバイオセンサシステム。
【請求項10】
前記全ＳＰＲセンサ表面にわたり前記ＳＰＲレスポンスを空間的に記録するように配置された、請求項８記載のＳＰＲバイオセンサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、バイオセンサシステム又は同種のシステム向けのフローセルユニット及び流体システムに関し、詳細には、容量を増大したバイオセンサシステム向けのフローセルユニット及び流体システムに関する。
【背景技術】
【0002】
生体分子など分子間の相互作用をリアルタイムで監視することができるバイオセンサシステムには、ますます関心が高まっている。そのようなバイオセンサシステムの代表的なものは、ＧＥ Ｈｅａｌｔｈｃａｒｅにより販売されたＢＩＡＣＯＲＥ（登録商標）表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）機器であり、これはサンプル内の分子間の相互作用、及び検知表面上で固定化された分子構造を検出するために表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を使用する。サンプルがセンサ表面を通過する際、結合の進行状況は、相互作用が発生する速度を直接反映している。サンプル注入後、緩衝液流が続き、その間の検出器のレスポンスは、表面上の複合体の解離速度を反映している。ＢＩＡＣＯＲＥ（登録商標）システムからの通常の出力は、時間経過に伴う分子間相互作用の進行を説明するグラフ又は曲線であり、結合位相部分及び解離位相部分を含む。この結合曲線は、通常はコンピュータ画面に表示され、「センサグラム」と称されることが多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】国際公開第２００８１２７２６９号
【発明の概要】
【0004】
本発明の目的は、新たなフローセルユニットと、これを使用する流体システムを提供することであり、このフローセルユニット及び流体システムは、従来技術のフローセルユニット及び流体システムの１以上の欠点を克服するものである。その克服は、独立クレームに定義されるように、フローセルユニット及び流体システムによって達成される。
【0005】
本発明のフローセル構成による１つの利点は、堅固で、簡易な、低コストの効率的な方法で、相互作用研究のための検出器スポットの数を増やすことができることである。さらにフローセル構成の別の実施形態により、２次元検出スポットアレイをより迅速に提供することができる。
【0006】
本発明のさらに深い理解、及び本発明のさらなる特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び図面を参照することにより得られるであろう。
【発明を実施するための形態】
【0008】
前記術のように、本発明は、バイオセンサシステム又は同種のシステム向けのフローセルユニット及び流体システムに関し、詳細には、容量を増大したバイオセンサシステム向けのフローセルユニット及び流体システムに関する。
【0009】
他に特に定義のない限り、本明細書において使用されるすべての技術及び科学用語は、本発明に関連する技術分野の当業者によって一般に理解される意味と同様の意味を有する。また、単数形の「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、特に指示のない限り、複数の参照を含むことが意図される。
【0010】
本明細書において言及されるすべての出版物、特許出願、特許、及びその他の参考文献は、参照によりそれらの全体を本明細書に援用する。
【0011】
しかし、本発明をさらに詳細に説明する前に、本発明を使用することが企図される一般的なコンテキストについて説明する。
【0012】
化学センサ又はバイオセンサは通常、ラベルフリーの技法に基づいており、例えば質量、屈折率、又は固定化層の厚さなど、センサ表面の特性の変化を検出するが、ある種のラベリングに依存するセンサもある。通常のセンサ検出技法は、光学、熱光学、及び圧電又は音波方法（例えば、弾性表面波（ＳＡＷ：ｓｕｒｆａｃｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ）及び水晶発振子マイクロバランス（ＱＣＭ：ｑｕａｒｔｚ ｃｒｙｓｔａｌ ｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ）方法を含む）など質量検出方法、並びに電位差測定、伝導性測定、電流測定、及び静電容量／インピーダンス方法など電気化学的方法を含むが、これらに限定されることはない。光学検出の方法に関して、代表的な方法は、例えばエバネッセント波偏光解析法（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ ｗａｖｅ ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｙ）及びエバネッセント波分光法（ＥＷＳ、又は内部反射分光法（Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ））などの、角度、波長、偏光、又は位相分解である、外部及び内部反射法を含む反射光学方法など、質量表面濃度を検出する方法を含み、エバネッセント波偏光解析法及びエバネッセント波分光法はいずれも、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）、ブリュースター角屈折計法（Ｂｒｅｗｓｔｅｒ ａｎｇｌｅ ｒｅｆｒａｃｔｏｍｅｔｒｙ）、臨界角屈折計法（ｃｒｉｔｉｃａｌ ａｎｇｌｅ ｒｅｆｒａｃｔｏｍｅｔｒｙ）、屈折全反射（ＦＴＲ：ｆｒｕｓｔｒａｔｅｄ ｔｏｔａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）、内面全乱反射（ＳＴＩＲ：ｓｃａｔｔｅｒｅｄ ｔｏｔａｌ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）（散乱増強ラベル（ｓｃａｔｔｅｒ ｅｎｈａｎｃｉｎｇ ｌａｂｅｌ）を含む）、光導波路センサ、外部反射イメージング、臨界角度分解イメージングなどエバネッセント波ベースのイメージング、ブリュースター角度分解イメージング、ＳＰＲ角度分解イメージングなどを介したエバネッセント電界増強を含むことができる。さらに、例えば表面増強ラマン分光法（ＳＥＲＳ：ｓｕｒｆａｃｅ ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｒａｍａｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）、表面増強共鳴ラマン分光法（ＳＥＲＲＳ：ｓｕｒｆａｃｅ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｒｅｓｏｎｅｎａｃｅ Ｒａｍａｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）、エバネッセント波蛍光（ＴＩＲＦ：ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ ｗａｖｅ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ）、及び燐光 に基づく、単独の、又は反射法と組み合わせた、光度測定及び画像処理／顕微鏡法は、導波路干渉計、導波路漏洩モード分光法、反射干渉分光法（ＲＩｆＳ：ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）、透過干渉分光法、ホログラフィック分光法、及び原子間力顕微鏡法（ＡＦＲ：ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）と併せて言及することができる。
【0013】
市販されているバイオセンサは、ＧＥ Ｈｅａｌｔｈｃａｒｅによって製造され販売されている前述のＢＩＡＣＯＲＥ（登録商標）システム機器であり、これは表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）に基づいて、結合リガンドと関心対象のアナライトとの間の表面結合相互作用をリアルタイムで監視できるようにする。このコンテキストにおいて、「リガンド」は、所与のアナライトについて既知又は未知のアフィニティを有する分子であり、表面の検知量（検出量）内の固定化されたキャプチャ又は捕捉剤を含むが、一方「アナライト」は、任意の固有の結合パートナーを含む。
【0014】
後段の詳細な説明及び実施例において、本発明はＳＰＲ分光法、詳細にはＢＩＡＣＯＲＥ（登録商標）システムのコンテキストで説明されるが、本発明がこの検出方法に限定されないことを理解されたい。むしろ、固定化されたリガンドへのアナライトの結合を定量的に示す検知表面における変化を測定できることを前提として、アフィニティに基づく任意の検出方法を採用することができる。
【0015】
ＳＰＲの現象はよく知られているので、ＳＰＲとは、光が屈折率の異なる２つの媒質間の境界面において特定の条件下で反射される場合に生じるものであること、及びその境界面は通常銀又は金の金属フィルムで被覆されていることを説明するにとどめておく。ＢＩＡＣＯＲＥ（登録商標）機器において、媒質は、サンプル、及び微小流体フローシステムによりサンプルと接触させるセンサチップのガラスである。金属フィルムは、チップ表面上の金の薄層である。ＳＰＲは、反射の固有の角度範囲において反射光の強度を低減させる。最小反射光強度の角度、いわゆるＳＰＲ角度は、ＢＩＡＣＯＲＥ（登録商標）システムのサンプル側の、反射光と対向する側の金属表面に近接する屈折率に応じて異なる。
【0016】
ＢＩＡＣＯＲＥ（登録商標）システムの概略図を図１に示す。センサチップ１は、フローチャネル５を通じて、例えば抗原などアナライト４のサンプル流にさらされた、例えば抗体などキャプチャ分子（リガンド）３を支持する金フィルム２を有する。照明ユニット７（例えば、ＬＥＤ）からの主として単色のｐ偏光６は、プリズム８によってガラス／金属境界面９に結合され、ここで光は、ＳＰＲにより全反射を減衰させて、ＳＰＲ曲線を形成する。反射光ビーム１０の強度は、光検出ユニット１１（例えば、光検出器アレイ）によって検出される。
【0017】
サンプル内の分子がセンサチップ表面上のキャプチャ分子に結合する場合、濃度、ひいては表面の屈折率が変化し、ＳＰＲ曲線角度位置のシフトに起因する、ＳＰＲ反応、ＳＰＲ角度、強度、又はＳＰＲ曲線状パラメータの変化が検出される。相互作用の経過中の時間に対するレスポンスをプロットすることで、相互作用の進行を定量的に測定することができる。そのようなプロット、又はカイネティクス若しくは結合曲線（結合等温線）は通常、センサグラムと呼ばれるが、場合によっては、当技術分野において「アフィニティトレース」又は「アフィノグラム」と称されることもある。ＢＩＡＣＯＲＥ（登録商標）システムにおいて、ＳＰＲレスポンス値は、共鳴単位（ＲＵ）で表される。１つのＲＵは、最小反射光強度の角度、又はＳＰＲ曲線重心角度における０．０００１°の変化を表すが、これはほとんどのタンパク質及びその他の生体分子の場合、センサ表面における約１ｐｇ／ｍｍ2の濃度の変化に相当する。アナライトを含むサンプルがセンサ表面と接触すると、センサ表面に結合されたキャプチャ分子（リガンド）は、「結合（ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）」と称される段階においてアナライトと相互作用する。この段階は、サンプルを最初にセンサ表面と接触させた際のＲＵの増加によりセンサグラムで指示される。逆に、「解離（ｄｉｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）」は通常、サンプルの流れが、例えば緩衝液流に置き換えられる場合に生じる。この段階は、アナライトが表面結合リガンドから解離する際の経時的なＲＵの降下によりセンサグラムで指示される。
【0018】
図２に、センサチップ表面における可逆相互作用の代表的なセンサグラム（結合曲線）を示すが、検知表面は、例えば、サンプル内の結合対象、すなわちアナライトと相互作用する抗体など、固定化されたキャプチャ分子、すなわちリガンドを有する。縦軸（ｙ軸）は、レスポンス（共鳴単位、ＲＵで表示）を示し、横軸（ｘ軸）は、時間（秒単位で表示）を示す。最初、緩衝液は、検知表面を通過し、センサグラムにベースラインレスポンスＡをもたらす。サンプル注入中、アナライトの結合に起因する信号の増大が観察される。結合曲線のこの部分Ｂは、通常、「結合位相（ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｐｈａｓｅ）」と称される。最終的に結合位相の最後又は最後付近において定常状態条件に到達し、共鳴信号はＣにおいて安定状態になる（しかし、常にこの状態に到達するとは限らない）。本明細書において、「定常状態（ｓｔｅａｄｙ ｓｔａｔｅ）」という用語は、「平衡（ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ）」という用語の同義語として使用されることに留意されたい（他のコンテキストにおいて、たとえシステムが平衡状態ではない場合でも実際に結合が経時的に一定となりうるので、「平衡」という用語は、理想相互作用モデルを説明する場合に備えて使用を控える場合もある）。サンプルの注入の終えると、サンプルは、緩衝液の連続流に置き換えられ、信号の減少は、表面からアナライトが解離したこと、すなわち解放されたことを反映する。結合曲線のこの部分Ｄは、通常、「解離位相（ｄｉｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｐｈａｓｅ）」と称される。解析は、再生成段階により終了し、ここで表面から結合アナライトを除去することができ、しかも（理想的に）リガンドの作用を保持することができる溶液が、センサ表面に注入される。これは、センサグラムの部分Ｅに示される。緩衝液の注入により、ベースラインＡが回復し、表面は新たな解析を行なう準備が整っている。
【0019】
結合位相Ｂ及び解離位相Ｄのそれぞれのプロファイルから、結合及び解離のカイネティクスに関する情報が得られ、Ｃにおける共鳴信号の高さはアフィニティを表す（相互作用から生じたレスポンスが、表面上の質量濃度の変化に関連する）。このことについては、後段でさらに詳細に説明する。
【0020】
ＢＩＡＣＯＲＥ（登録商標）機器の技術的側面及び基本光学原理、並びにＳＰＲの現象についての詳細な説明は、米国特許第５，３１３，２６４号に記述されている。
【0021】
図３ａ及び図３ｂは、そのような従来技術のＢＩＡＣＯＲＥ（登録商標）システムにおける光学システムを概略的に示し、図３ｂは上面図であり、図３ａは図３ｂの平面Ｐの断側面図である。そのようなシステムは、光の伝播方向と交差するＳＰＲセンサ表面２上の線形の検出領域９において光のくさび形ビーム６を方向付けるように配置された、光源２４及びくさび形成光学系２６とを備える照明ユニット７を備える。説明のため、光路内のすべての屈折性の要素は省略されている（例えば、図１に示されるプリズムのような、ビームをセンサ表面に結合する光学系）か、又は一般的な「光学系」ユニット（例えば、２０及び２６）で置き換えられている。光のくさび形ビーム６は、図３ｂに示されるように交差方向に基本的に均一であり、６２から７８度など、ＳＰＲ検出に関連する入射角において示される線形の検出領域９を照らす。中間（例えば、６２°と７８°の間）入射角すべてを有する光線が、このビーム内にある。システムは、反射の角度が１つの次元（列）に沿ってイメージングされ、検出領域の幅がもう１つの次元（行）に沿ってイメージングされるように、ＳＰＲセンサ表面１から２次元光検出器ユニット２２に反射された光を方向付けるための特殊なアナモルフィック検出光学系２０を持つ検出ユニット１１をさらに備える。説明のため、１つの入射平面のみを検討することとし、例えば６２°の光入射は、感光性表面９上に反射され、２次元光検出器ユニット２２の単一の検出要素２８Ａでのみ検出光学系２０によってイメージングされる。同様に、角度７８°の光入射は、１つの単一検出要素２８Ｈでイメージングされる。６２度から７８度の入射角値を有する光は、同様に、同じ検出器列で要素２８Ａと２８Ｈの間にある単一の検出要素を照らし、これは図３ａ及び図３ｂにおいて、垂直の列として示される。
【0022】
例えば発光ダイオードなど光源２４は、概ね単色の特性を備え（帯域幅〜５０ｎｍ）、さらにインコヒーレントで、ほぼ約６５０から約８５０ｎｍ程度の中心波長を持つ光の種類を放射する。或いは、光源２４は、例えば半導体レーザ、色素レーザ、又はガスレーザなどレーザであり、概ね単色でコヒーレントな光を放射する。或いは、光源２４はまた、超発光又は超放射ダイオード（ＳＬＤ）、又はＥＬＥＤのいずれかのような、低コヒーレントエッジ発光ダイオードの形態をとることもある。
【0023】
入射面Ｐに平行な異なる入射面を持つ光線は、２次元光検出器ユニット２２の他方の列に属する個々の検出要素上に同様にイメージングされる。したがって、行のすべての検出要素は、１つの固有の入射角に対応する。したがって、導管部分の交差方向に見られるように、検知表面のそれぞれの部分が、２次元光検出器ユニット２２の各列に対応する。サンプルのフローチャネルの幅、検出光学系の倍率、個々の検出要素の表面積、それらの検出要素の間隔に応じて、当該のフローチャネル部分の合計幅をイメージングするために特定数の検出要素の列が必要であってもよい。
【0024】
図３ａ及び図３ｂの実施形態では、同時に最大９つの独立した相互作用を登録できるようにする、相互作用解析用の９つの検出スポット１３ａ〜１３ｉが示される。当技術分野において定着しているように、リガンドは各検出スポットで固定化され（１以上のスポットは、ＳＰＲレスポンスへの非特定の寄与を軽減するための基準チャネルとして機能を果たすため、意図的にリガンドなしの状態であってもよい）、同一又は異なるアナライトをセンサスポットに接触させる。一実施形態では、米国特許第５３１３２６４号に示されるように、各検出スポット１３は、アナライトがスポットを通過するためのフローチャネルに関連付けられるが、代替として２以上の検出スポット１３は、例えば（米国特許第７８１１５１５号に開示されるように）個々の検出スポット１３を流体力学的に処置することができる、１つの単一フローセルで配置されてもよい。
【0025】
図３ａ及び図３ｂに示されるタイプの従来技術のシステムにおいて、検出スポットの理論的最大数は、２次元光検出器ユニット２２のピクセル行の数によって制限されるが、実際の数は、検出スポット１３及び関連する流体システムのサイズによって異なる。しかし、多くの状況において、より高いスループットが必要となるので、センサ表面上にはさらに多くの検出スポットが求められる。
【0026】
図４ａ〜図５ｂは、新しい表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）バイオセンサシステムの概念の概略的な実施形態を示すが、検出スポット１３の数は、システムの光学系を大幅に再設計する必要なく２倍になる。このシステム概念は、スウェーデン同時係属特許出願公開第１１５０８９０−０号に極めて詳細に開示されている。
【0027】
平面Ｐで適切な距離だけ第１の光源２４ａと間隔をあけて第２の光源２４ｂを設置し、光源からの光の放射を適切に制御することにより、照明ユニットは、光の伝播の方向と交差するＳＰＲセンサ表面１上で、それぞれ２つの間隔をあけた線形の検出領域９ａ及び９ｂにおいて光のくさび形ビーム６を選択的に方向付けるように配置される。概して、図３ａ及び図３ｂの従来技術のＳＰＲシステムのすべての要素に変更を加えることはないが、最適化が行なわれてもよいことが当業者には理解されよう。第２の光源２４ｂ及び関連するビーム経路の変位は、例示するために誇張されており、実用的な光設計における実際の変位は、センサ表面上の検出領域９ａ及び９ｂの間に適切な距離をあけるためにごくわずかなものであってもよい。実際の変位はさらに、経路に沿ったすべての他の光コンポーネントの光学的特性（例えば、口径／イメージング領域）によって制限されてもよい。
【0028】
約０．３ｍｍ離れた２つの光源２４ａ及び２４ｂを含む一実施形態では、２つの光ビームは、同時に生成されて、センサ表面１で約１ｍｍ離れた２つの検出領域９ａ及び９ｂをもたらす。
【0029】
各検出スポット１３ペア（平面Ｐと平行な同一平面内に配置されたスポット）の２つの検出領域９ａ及び９ｂは、２次元光検出器ユニット２２の同じピクセル列にイメージングされるので、その時点において１つのＳＰＲ曲線（反射率曲線の１つの降下）として測定される２つの相互作用レスポンスは、完全に同時には記録されない可能性がある。したがって、２つの検出領域９ａ及び９ｂに沿って検出スポット１３から独立して相互作用データを記録するために、２次元光検出器ユニット２２からの読み出しと同期して、２つの光源２４ａ及び２４ｂのオンとオフを適切な頻度で交互に切り替える。このようにすることで、２つの検出スポット行の各々について１つずつ、２つのほぼ同時のセンサグラムのセットを生成することができる。
【0031】
さらに、検出スポットの数を大幅に増大させるもう１つの方法は、光の入射角をスキャンしながら、センサ表面全体が２次元光検出ユニット２２にイメージングされる真の２次元ＳＰＲ検出システムを使用することであり、このようなシステムの一実施形態は、図６及び図６ｂにおいて概略的に開示されるが、検出スポット１３の数は図６ａ及び図６ｂの実施形態の場合と等しい。２Ｄ ＳＰＲシステムのさらなる詳細は、例えば米国特許出願公開第２００９−０２１３３８２号に記載されている。
【0032】
しかし、増大した光学検出容量の利点を十分に活かすために、効率的な方法で個々の検出スポットを対応する数だけ提供するように液体処理を行なうことができるフローセル構成が必要である。
【0033】
図８ａ及び図８ｂは、連結力を印加することによってセンサ表面１に連結されて２つの検出領域９ａ及び９ｂと交差する別個の延長フローチャネル３４ａ〜ｉを形成するフローセルユニット３２を備える。各フローチャネル３４ａ〜ｉは、フローチャネル３４内を流体が流れるようにするための第１の流体ポート３６及び第２の流体ポート３８を備える。後段において明らかになるように、第１の流体ポート３６及び第２の流体ポート３８は、フローセル構成３０内に望ましいフローパターンをもたらすために、入口ポート及び／又は出口ポートとして使用することができる。
【0034】
開示される実施形態では、フローセルユニット３２は、ＳＰＲバイオセンサ要素のセンサ表面に連結されているように示されるが、一般的な流体システムにおいて、フローセルユニット３２は、例えば閉フローセル構成をフローセルユニット３２と共に形成することができる任意の適切な平坦な蓋状表面に連結することもできる。
【0035】
フローセル構成を経由する流体フローは、流体管４０によりフローセルユニット３２の第１の流体ポート３６及び第２の流体ポート３８に接続された流体制御システム４２によって制御される。開示される実施形態では、流体管４０は、１つの単一フローチャネル３４のポート３６、３８にのみ接続されていることが示されるが、すべてのフローチャネル３４ａ〜ｉのすべてのポート３６、３８が対応する管４０によって流体制御システム４２に接続されていることを理解されたい。さらに、管４０は、例えばチューブ又は毛管のように示されているが、別の実施形態では、管は一体型の流体ブロックに形成することができる。流体制御システム４２は、フローセル構成が使用される流体システムの固有の要件に従って、フローセル構成内のフローを制御することができる任意の適切なシステムであってもよい。一実施形態では、流体制御システム４２は、各フローチャネル３４内の流体フローを独立して制御するために、各フローチャネル３４及び関連するバルブ（図示せず）ごとに１つの専用のポンプ（図示せず）を備える。或いは、流体制御システム４２は、例えばマルチチャネル蠕動ポンプなど、２以上のフローチャネルで同時に流体フローを制御するためのマルチチャネルポンプを備える。
【0036】
検出スポットの望ましい２次元構造をもたらすため、本発明によるフローセル構成は、図９ａ〜図１５ｄを参照してさらに詳細に開示されるように、延長フローチャネル３４ａ〜ｉと交差する代替のフローパターンを可能にするように配置される。一実施形態では、全センサ表面１は、検出スポット１３を画定するように処理可能であってもよく、検出スポットは、光検出システムなどと直線状に流体プロセスによって画定され、それにより得られた検出スポットは概してフローチャネルと交差フローパターンとの交差点により画定される。或いは、センサ表面１は、フローセル構成と位置をそろえる配置に配置されるか、又はフローセル構成によって処理可能な別個のセンサ表面を備える。
【0037】
図９ａ及び図９ｂは、２つの透視図において、フローセルユニット３２の上面４６を突き出す弾性材料４４の壁により画定される隣接する延長フローチャネル３４ａ〜ｈを備える本発明によるフローセルユニット３２の一実施形態を示す。隣接するフローチャネル３４を分離する壁４４ｂは、低い高さのバルブセクション４８を備え、それによりフローセルユニット３２とＳＰＲセンサ表面１との間の連結力を、それぞれ開いた連結状態及び閉じた連結状態に制御することによって、延長フローチャネル３４と交差するフロー経路を選択的に開閉できるようにする（図１０ｂ〜図１０ｄに概略的に示す）。選択的な開いた、及び閉じた連結状態を達成するため、壁４４は、システムに使用される流体に関して適切な化学安定性を持ちながらバルブ機能を達成するように変形可能な適切な弾性材料で作成される必要がある。一実施形態では、壁は、シリコンゴム（ＰＤＭＡ、ＰＤＭＳ）などエラストマー製である。全フローセルユニット３２は、例えば適切な弾性材料で成形されてもよいが、或いは、フローセルユニット３２のセクションは、連結中の支持を強める剛体材料など別の材料で形成することもでき、それにより弾性の壁４４が共射出成形などのような適切な手段によってフローセルユニット３２の上面４６に取り付けられる。図９ａ及び図９ｂに示すように、バルブセクション４８は、フラットバルブ面と、閉じた連結状態で壁とセンサ表面とのシーリング密着が確実になるように上面とバルブ面の間に滑らかな移行を達成するためにバルブ面から壁４４の上面に延びる傾斜部分で形成される。
【0038】
それぞれ開いた連結状態及び閉じた連結状態に対して明確な力の範囲を達成するため、フローセルユニット３２は、一方又は両方の連結状態において、壁４４をさらに圧迫するために必要な連結力を段階的に高めるように配置された、弾性材料の１以上の力制御要素５０ａ及び５０ｂを備えることができる。
【0039】
図１０ａは、壁４４によって画定された９つの隣接する延長フローチャネル３４ａ〜ｉを備えるフローセルユニット３２の上面図である。図１０ｂ〜図１０ｄは、３つの異なる連結力状態における図１０ａのフローセルユニット３２を示す断面図である。図１０ｄに概略的に開示される一実施形態では、壁４４は、力制御要素５０ａよりも上面４６からわずかにさらに突き出ている。それにより、図１０ｃに示されるように、壁４４は、力制御要素５０ａがセンサ表面１に接する前にわずかに圧迫され、それによってフローセルユニット３２の壁４４を圧迫するために必要な力は段階的に増大し、開いた連結状態の明確で十分に幅広い力の範囲を作り出す。同様に、さらに力を印加して、壁４４と力制御要素５０ａを力制御要素５０ｂに達するまでさらに圧迫すると、壁４４を圧迫するために必要な力が再び段階的にさらに増大するので、閉じた連結状態の明確で十分に幅広い力の範囲を作り出す。連結力を十分に正確な方法で制御できる場合には、力制御要素５０ａ及び５０ｂの一方又は両方を省略できることに留意されたい。壁４４、フローチャネル３４、バルブ部分４８、力制御要素５０ａ及び５０ｂなどの寸法は、固有のフローセルの寸法及び要件に適合させる必要があるが、これらは当業者には明らかであろう。
【0040】
図１１ａ及び図１１ｂは、それぞれ開いた連結状態及び閉じた連結状態にフローセルとセンサ表面１の間の連結力を制御するように配置された連結ユニット５２の１つの概略的な例を示す。開示される連結ユニット５２は、それぞれ開いた状態及び閉じた状態に対して事前定義済みの連結力位置５４ａ及び５４ｂを備える、カムタイプの作動装置５４に基づく機械的構成である。２つの連結状態に事前定義済みの連結力をもたらすために、連結ユニット５２は、例えば異なる長さの２つの平行するスプリング要素５６ａ及び５６ｂから成る力制御構成を備える。このようにして、１つのスプリング要素５６ａのみが図１１ｂに示される開いた連結状態に係合され、これにより印加される力はスプリング要素５６ａの特性によって制御される。一方、閉じた連結状態においては、両方のスプリング要素５６ａ及び５６ｂが係合され、印加される力は２つのスプリング要素５６ａ及び５６ｂの複合された特性によって制御される。
【0041】
別の実施形態では、連結力センサが提供され、連結ユニットは、力センサからのフィードバックに基づいて事前定義済みの力を印加するように配置される。ＳＰＲバイオセンサシステムにおいて、バルブ面４８がセンサ表面１に接するときにＳＰＲレスポンスの変化を記録することが可能になるので、連結力センサを、ＳＰＲベースの連結力状態の検知に置き換えることができる。
【0042】
当業者には理解されるように、それぞれ異なる開いた状態及び閉じた状態の望ましい連結力レベルは、連結力の任意の記録又は固有の制御を行なうことなく、連結ユニット５２の正確で再現可能な位置決めによって達成することができる。
【0043】
図１２ａは、閉じた連結力状態にある図１０ａのフローセルユニット３２を示し、９つの別個のフローチャネル３４ａ〜ｉが形成され、９つの異なるサンプル溶液を、例えば並行して導入することができる。同様に、図１２ｂは、開いた連結力状態にあるフローセルユニット３２を示し、それにより延長フローチャネルと交差するフロー経路が提供される。開示される例において示されるように、２つの異なるサンプル流体は、交差する方向に一方の端部のポート３６ｉ及び３８ｉ経由で導入され、もう一方の端部のポート３６ａ及び３８ａで抽出されて、明確な境界面６０との交差する層流を作り出す。このようにして、センサ表面の２つの異なる交差するセクション５８ａ及び５８ｂは、適切な試薬によって独立して処理されて、例えばバイオセンサシステムの固定化及び／又は検出段階中に、２つの異なる検出表面状態を作り出すことができる。
【0044】
図１３ａ〜ｆは、一連の可能なプロセス段階を示し、本発明によるフローセル構成は、２列のＳＰＲバイオセンサを用いた検出用にリガンドを固定化するために使用される。１． ポート３８ｉからポート３８ａへ、例えば緩衝液などの保護流体を流しながら、ポート３６ｉからポート３６ａに活性化流体を流すことによる第１のセクション５８ａの活性化（図１３ａ）
２． フローチャネル３４ａ〜ｉに沿ってリガンド溶液を流すこと、それによりリガンドは各チャネルとＳＰＲ検出線９ｂに沿って検出スポットを形成する第１のセクション５８ａの交差領域で固定化される（図１３ｂ）
３． ポート３８ｉからポート３８ａへ、例えば緩衝液などの保護流体を流しながら、ポート３６ｉからポート３６ａに非活性化流体を流すことによる第１のセクション５８ａの非活性化（図１３ｃ）
４． 適宜、第２のセクション５８ｂに段階ａからｃを繰り返し、相応してＳＰＲ検出線９ａに沿った検出スポットを形成する前記セクションの交差領域でリガンドを固定化すること（図１３ａ〜ｃ）。或いは、第２のセクション５８ｂの検出スポットは基準スポットとして空白にしておく。
５． ＳＰＲ検出線９ａ及び９ｂに沿った検出スポット１３の相互作用レスポンスを記録しながら、フローチャネル３４ａ〜ｉに沿ってアナライト溶液を流すこと（図１３ｄ）
６． ポート３６ｉ及び３８ｉからポート３６ａ及び３８ａに再生成流体を流すことによってすべての検出スポット１３において同時に固定化されたリガンドを再生成すること（図１３ｅ）
図１４ａ及び図１４ｂは、交差するフロー経路の境界面位置６０が、例えば１以上の追加の交差する検出線９ｃを流体力学的に処理するために、２つの流体の相対流量を制御することによって変位される一実施形態を示す。そのような境界面の流体力学的な位置決めを達成するさまざまな方法は、例えば、参照によって全体をここに援用する、米国特許第７８１１５１５号、米国特許第７２１９５２８号、米国特許第７０１５０４３号、及び国際公開第２００３１０２５８０号に開示されている。
【0045】
図１５ａから図１５ｄは、開いた連結力状態中に交差するフロー経路に沿って専用の交差する層流チャネル６６ａ〜ｅを提供するように配置され、センサ表面１の追加の検出領域を処理するために境界面６０の流体学的な位置決めを行なう必要をなくす、５つの交差するように配置された入口−出口ペア６２〜６４ａ〜ｅを備える別の実施形態を示す。開示される実施形態では、入口−出口ペア６２〜６４ａ〜ｅのポートは、それぞれ外部フローチャネル３４ａ及び３４ｉに配置され、前記外部フローチャネルは、例えば固定化及び／又は検出中に通常のフローチャネルとして使用されることが示されているが、別の実施形態（図示せず）において、入口−出口ペア６２〜６４ａ〜ｅは、フローチャネルとしては使用されない別個の外部コンパートメントに配置されてもよく、対応するバルブセクション４８によって開閉される。図１５ｃに開示されるように、入口−出口ペア６２〜６４ａ〜ｅは、層流チャネル６６ａ〜ｅを提供するように配置され、それぞれ外部層流チャネル６６ａ及び６６ｅにおける歪みを防ぐために、層流はまた、それぞれ最も外側の第１の流体ポート３６と第２の流体ポート３８の間で確立することもできる。この構成により、多数の検出スポットは、フローチャネル３４ａ〜ｉが層流チャネル６６ａ〜ｅと交差する構成で、すなわち４５の独立した検出スポットとして提供される。
【0046】
図１６ａ及び図１６ｂは、図１２ａから図１４ｂに開示されているフローセル構成の代替の使用を示し、再外部のチャネル３４ａ及び３４ｉ、並びに関連するポート３６ａ、３６ｉ、３８ａ、及び３８ｉは交差するフローのみに専用である。このように制約することで、活性化、非活性化、及び再生成流体の形態での試薬の液体処理は、リガンド及びアナライトのサンプル溶液の液体処理とは分離される。この分離によって、多くの種類の相互作用の実験で、多大な時間を要する洗浄段階などを省くことができる。別の実施形態では、交差するフローに専用のポート３６ａ、３６ｉ、３８ａ、及び３８ｉのみが、図１５ａの入口−出口ペア６２ａ〜６４ａと同様の方法でフローセル内の交差する層流に最適化された位置に配置される。
【符号の説明】
【0047】
１ センサチップ２ フローチャネル
３ アナライト
４ キャプチャ分子（リガンド）
５ 照明ユニット
６ ｐ偏光
７ プリズム
８ 境界面
９ ＳＰＲ曲線
１０ 反射光ビーム
１１ 光検出ユニット
１２ ＳＰＲセンサ表面
１３ 検出領域
１４ くさび形ビーム
１５ 光源
１６ くさび形成光学系
１７ ２次元光検出器ユニット
１８ 検出スポット
１９ 線形の検出領域
２０ フローチャネル
２１ フローセルユニット
２２ 流体ポート
２３ フローセル構成
２４ 流体管
２５ 流体制御システム
２６ バルブセクション
２７ 壁
２８ 力制御要素
２９ 連結ユニット
３０ 連結力位置
３１ 作動装置
３２ スプリング要素
３３ 入口−出口ペア
３４ 層流チャネル