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(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】
(24)【登録日】2025-02-21
(45)【発行日】2025-03-04
(54)【発明の名称】マイクロ流体カートリッジ
(51)【国際特許分類】
C12M 1/00 20060101AFI20250225BHJP
G01N 37/00 20060101ALI20250225BHJP
G01N 35/08 20060101ALI20250225BHJP
【ＦＩ】
C12M1/00 A
G01N37/00 101
G01N35/08 A
【請求項の数】
17
(21)【出願番号】P 2023019666
(22)【出願日】2023-02-13
(65)【公開番号】P2023118107
(43)【公開日】2023-08-24
【審査請求日】2023-02-13
(31)【優先権主張番号】63/309,662
(32)【優先日】2022-02-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】63/343,066
(32)【優先日】2022-05-17
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】18/162,211
(32)【優先日】2023-01-31
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】523050162
【氏名又は名称】ライフオーエス ゲノミクス コーポレーション
【氏名又は名称原語表記】ＬｉｆｅＯＳ Ｇｅｎｏｍｉｃｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ
【住所又は居所原語表記】Ｔｈｅ Ｇｒａｎｄ Ｐａｖｉｌｉｏｎ Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ Ｃｅｎｔｒｅ， Ｏｌｅａｎｄｅｒ Ｗａｙ， ８０２ Ｗｅｓｔ Ｂａｙ Ｒｏａｄ， Ｐ． Ｏ． Ｂｏｘ ３２０５２， Ｇｒａｎｄ Ｃａｙｍａｎ ＫＹ１－１２０８， Ｃａｙｍａｎ Ｉｓｌａｎｄｓ
(74)【代理人】
【識別番号】100087398
【弁理士】
【氏名又は名称】水野 勝文
(74)【代理人】
【識別番号】100128783
【弁理士】
【氏名又は名称】井出 真
(74)【代理人】
【識別番号】100128473
【弁理士】
【氏名又は名称】須澤 洋
(74)【代理人】
【識別番号】100160886
【弁理士】
【氏名又は名称】久松 洋輔
(74)【代理人】
【識別番号】100209060
【弁理士】
【氏名又は名称】冨所 剛
(72)【発明者】
【氏名】劉朝暉
(72)【発明者】
【氏名】▲らい▼成展
【審査官】高山 敏充
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１９－５０９７４０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－２５６３７９（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１１／０００８２２３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特表２００６－５１８４４９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－２１８７１６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特公平０８－０２０３９６（ＪＰ，Ｂ２）
【文献】国際公開第２０１７／０６１６１９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】中国特許出願公開第１１１９０９８４２（ＣＮ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１１０６５３０１５（ＣＮ，Ａ）
【文献】特表２０１７－５０１３７９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１７－５０２６８７（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２５８９４４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特表２０１１－５０５１１８（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１１／０３０６０８１（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０２０／１７２５６４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１３－２４２２４７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ１２Ｍ
Ｃ１２Ｑ
ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
突出した流入トレンチを備える第１の基板、および前記第１の基板より上に突き出ており、中空である注入口カラム
を備える下側カートリッジ本体部と、
前記下側カートリッジ本体部の前記第１の基板に取り付けられるバイオチップと、
前記下側カートリッジ本体部の上に配設された上側カートリッジ本体部と、
を備え、
前記上側カートリッジ本体部は、
第２の基板、
前記第２の基板を貫通し、前記下側カートリッジ本体部の前記注入口カラムが挿入される第１の開口部、および
前記第１の開口部内に配設されている第１のＯリング
を備え、
前記注入口カラムおよび前記第１の開口部は、入口ポート内に組み付けられ、
前記第１の基板上の前記突出した流入トレンチを前記第２の基板に接着することによって、前記下側カートリッジ本体部と前記上側カートリッジ本体部が組み立てられた状態において、前記流入トレンチと前記第２の基板の底面の一部とによって流体流入チャネルが画成され、前記バイオチップと前記第２の基板の前記底面の他の部分とによって反応チャネルが画成され、前記流体流入チャネルが前記入口ポートと前記反応チャネルとを接続する、
マイクロ流体カートリッジ。
【請求項2】
前記第１のＯリングは、前記第１の開口部内の第１の内壁に直接接触する、請求項１に記載のマイクロ流体カートリッジ。
【請求項3】
前記第１のＯリングは、機械的拘束または接着剤を介して前記第１の開口部内に固定される、請求項１に記載のマイクロ流体カートリッジ。
【請求項4】
前記下側カートリッジ本体部は、前記流入トレンチと接続されているバイオチップスロット
をさらに備え、
前記バイオチップは、前記バイオチップスロット内に配設される、
請求項１に記載のマイクロ流体カートリッジ。
【請求項5】
前記流入トレンチは第１の幅を有し、前記バイオチップスロットは第２の幅を有し、前記第１の幅は前記第２の幅より小さい、請求項４に記載のマイクロ流体カートリッジ。
【請求項6】
前記バイオチップの頂面は、前記流入トレンチの底面よりも低い、請求項４に記載のマイクロ流体カートリッジ。
【請求項7】
前記バイオチップは複数のマイクロウェルを含み、前記マイクロウェルの数は少なくとも１，０００である、請求項１に記載のマイクロ流体カートリッジ。
【請求項8】
第１の基板、前記第１の基板内に配設され、第１の方向に延在する流入トレンチ、および
前記流入トレンチが接続されるバイオチップスロット
を備える、下側カートリッジ本体部と、
前記バイオチップスロット内に配設され、複数のマイクロウェルを備えるバイオチップと、
前記下側カートリッジ本体部の上に配設された上側カートリッジ本体部と、
を備え、
前記上側カートリッジ本体部は、
第２の基板であって、前記流入トレンチおよび前記第２の基板の底面が流体流入チャネルを画成する、第２の基板、
前記第２の基板を貫通し、前記流体流入チャネルに接続する第１の開口部、
前記バイオチップの上に配設された光学窓であって、前記光学窓の下側表面および前記バイオチップは、反応チャネルを画成する、光学窓、
前記第１の方向において、前記第１の開口部と前記光学窓との間に配設された複数のサンプル注入ポート、および
前記上側カートリッジ本体部の下側表面上に配設された少なくとも１つの反応チャネルスペーサであって、前記第１の方向に延在し、前記反応チャネルを複数の反応サブチャネルに分割する、少なくとも１つの反応チャネルスペーサを備え、前記複数のサンプル注入ポートのそれぞれが、前記複数の反応サブチャネルの各サブチャネルに接続されている、
マイクロ流体カートリッジ。
【請求項9】
前記複数のサンプル注入ポートの各々は、前記複数の反応サブチャネルのそれぞれのサブチャネル内に配設される、請求項８に記載のマイクロ流体カートリッジ。
【請求項10】
少なくとも１つの流入チャネルスペーサをさらに備え、前記少なくとも１つの流入チャネルスペーサは、前記流体流入チャネルを複数の流体流入サブチャネルに分割するように構成される、請求項８に記載のマイクロ流体カートリッジ。
【請求項11】
前記複数のサンプル注入ポートの各々は、封止要素によって封止可能である、請求項８に記載のマイクロ流体カートリッジ。
【請求項12】
前記複数のサンプル注入ポート内にそれぞれ配設されている、複数の注入ポートＯリングをさらに備える、請求項８に記載のマイクロ流体カートリッジ。
【請求項13】
第１の基板、前記第１の基板内に配設される流入トレンチ、および
前記流入トレンチが接続されるバイオチップスロット
を備える、下側カートリッジ本体部と、
第２の基板であって、前記流入トレンチおよび前記第２の基板の底面は、流体流入チャネルを画成する、第２の基板、
前記第２の基板を貫通し、前記流体流入チャネルに接続する第１の開口部、および
光学窓
を備える、前記下側カートリッジ本体部の上に配設された上側カートリッジ本体部と、
前記バイオチップスロット内および前記光学窓の下に配設されたバイオチップと、
を備え、
前記バイオチップは、複数のマイクロウェルを有し、前記光学窓の下側表面および前記バイオチップは、反応チャネルを画成し、前記バイオチップの上側表面は、前記流入トレンチの底面より低く、前記反応チャネルの上側表面は、前記流入トレンチの底面より低い、マイクロ流体カートリッジ。
【請求項14】
前記マイクロウェルの底面の各々は、親水性である、請求項１３に記載のマイクロ流体カートリッジ。
【請求項15】
前記バイオチップは、シリコン層を備え、前記複数のマイクロウェルは、前記シリコン層の陥凹部である、請求項１３に記載のマイクロ流体カートリッジ。
【請求項16】
前記バイオチップは、熱伝導層と、
前記熱伝導層上に配設され、複数の貫通孔を備えるパターン層と、
を備える、請求項１３に記載のマイクロ流体カートリッジ。
【請求項17】
前記熱伝導層は、金、銅、アルミニウム、鉄、鋼、シリコン、グラファイト、またはグラフェンを含み、前記パターン層は、ガラス、シリコン、またはポリマーを含む、請求項１６に記載のマイクロ流体カートリッジ。【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、２０２２年２月１４日に出願した米国仮出願第６３／３０９，６６２号、２０２２年５月１７日に出願した米国仮出願第６３／３４３，０６６号及び２０２３年１月３１日に出願した米国特許出願第１８／１６２，２１１号の優先権を主張するものであり、これらは参照により全体が本明細書に組み込まれている。
本出願は、２０２２年２月１４日に出願した米国仮出願第６３／３０９，６６２号、２０２２年５月１７日に出願した米国仮出願第６３／３４３，０６６号及び２０２３年１月３１日に出願した米国特許出願第１８／１６２，２１１号の優先権を主張するものであり、これらは参照により全体が本明細書に組み込まれている。
【0002】
本開示は、生体サンプルを分析するための核酸分析用マイクロ流体カートリッジに関する。
【背景技術】
【0003】
遺伝子分析は、これまでに生物医学研究および疾病診断のために広く使用されており、特に日常的医療の一部としての標的療法の利用機会が増え、精密医療が世界中で徐々に現実のものとなりつつある。医療現場における遺伝子分析の日常的な使用をさらに円滑にするために、デジタルＰＣＲベースのアッセイは、感度、定量能力、および使い勝手に関して、従来のＰＣＲやシーケンシングベースの技術に勝る利点を提供する。デジタルＰＣＲは、特にサンプル量が限られているときに、疾病早期スクリーニングまたは診断におけるリキッドバイオプシーに大きな潜在的可能性を有する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0004】
【文献】Ｔ． Ｈ． ＫｉｍらによるＲｅｃｅｎｔ Ａｄｖａｎｃｅｓ ｏｆ Ｆｌｕｉｄ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｉｎ Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ Ｐａｐｅｒ－Ｂａｓｅｄ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｄｅｖｉｃｅｓ （μＰＡＤｓ） ｔｏｗａｒｄ Ｍｕｌｔｉ－Ｓｔｅｐ Ａｓｓａｙｓ， Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｓ ２０２０， １１， ２６９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、目下のところ、自動デジタルＰＣＲ機器における流体の流量制御はまだ理想的とは言えない。たとえば、デバイス内の流体のデッドボリュームが存在し、１つのカートリッジで一度に１つのサンプルしか分析できないことがある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示のいくつかの実施形態は、自動デジタルＰＣＲ分析装置上で使用され得るマイクロ流体カートリッジを提供する。上側カートリッジ本体部および下側カートリッジ本体部の配置構成により、マイクロ流体カートリッジ内の流体チャネルは、より明確になり、マイクロ流体カートリッジ内の流体流がより正確に自動的に制御され得る。
【0007】
本開示のいくつかの実施形態は、下側カートリッジ本体部と、バイオチップと、上側カートリッジ本体部とを含むマイクロ流体カートリッジを提供する。下側カートリッジ本体部は、第１の基板および注入口カラム（ｉｎｌｅｔ ｃｏｌｕｍｎ）を備える。注入口カラムは、第１の基板より上に突き出ており、中空である。バイオチップは、下側カートリッジ本体部の第１の基板に取り付けられる。上側カートリッジ本体部は、下側カートリッジ本体部の上に配設され、第２の基板、第１の開口部、および第１のＯリングを含む。第１の開口部は、第２の基板を貫通し、下側カートリッジ本体部の注入口カラムは、第１の開口部に挿入され、注入口カラムおよび第１の開口部は、入口ポート（ｉｎｌｅｔ ｐｏｒｔ）内に組み付けられる。第１のＯリングは、第１の開口部内に配設され、下側カートリッジ本体部の注入口カラムに当接する。
【0008】
いくつかの実施形態において、第１のＯリングは、下側カートリッジ本体部の注入口カラムに当接する。
【0009】
いくつかの実施形態において、マイクロ流体カートリッジは、反応チャネルをさらに備え、反応チャネルは、第２の基板の底面およびバイオチップによって画成される。
【0010】
いくつかの実施形態において、マイクロ流体カートリッジは、流入チャネル（ｉｎｆｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌ）をさらに備え、流体流入チャネルは、入口ポートと反応チャネルとを接続し、流体流入チャネルは、第１の基板の頂面と第２の基板の底面とによって画成される。
【0011】
いくつかの実施形態において、第１のＯリングは、下側カートリッジ本体部の注入口カラムに当接する。
【0012】
いくつかの実施形態において、第１のＯリングは、第１の開口部内の第１の内壁に直接接触する。
【0013】
いくつかの実施形態において、第１のＯリングは、機械的拘束または接着剤を介して第１の開口部内に固定される。
【0014】
いくつかの実施形態において、下側カートリッジ本体部は、流入トレンチと、バイオチップスロットとをさらに備える。流入トレンチは、注入口カラムと接続される。バイオチップスロットは、流入トレンチと接続され、バイオチップは、バイオチップスロット内に配設される。
【0015】
いくつかの実施形態において、流入トレンチは第１の幅を有し、バイオチップスロットは第２の幅を有し、第１の幅は第２の幅より小さい。
【0016】
いくつかの実施形態において、バイオチップの頂面は、流入トレンチの底面よりも低い。
【0017】
いくつかの実施形態において、流入トレンチは、溶接線によって画成される。
【0018】
いくつかの実施形態において、バイオチップは複数のマイクロウェルを含み、マイクロウェルの数は少なくとも１，０００である。
【0019】
いくつかの実施形態において、上側カートリッジ本体部の第２の基板は、第１の厚さＤ１を有し、第１の開口部内に挿入される注入口カラムの深さは、約１／３Ｄ１とＤ１との間である。
【0020】
いくつかの実施形態において、下側カートリッジ本体部および上側カートリッジ本体部は、接着剤、超音波溶接、または機械的留め具によって組み立てられている。
【0021】
本開示のいくつかの実施形態は、下側カートリッジ本体部と、バイオチップと、上側カートリッジ本体部とを含むマイクロ流体カートリッジを提供する。下側カートリッジ本体部は、第１の基板と、流入トレンチと、バイオチップスロットとを含む。流入トレンチは、第１の基板内に配設され、第１の方向に延在する。流入トレンチおよびバイオチップスロットは接続されている。バイオチップは、バイオチップスロット内に配設される。上側カートリッジ本体部は、下側カートリッジ本体部の上に配設され、第２の基板、第１の開口部、光学窓、複数のサンプル注入ポート（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｐｏｒｔ）、および少なくとも１つの反応チャネルスペーサを含む。流入トレンチおよび第２の基板の底面は、流体流入チャネルを画成する。第１の開口部は、第２の基板を貫通し、流入チャネルに接続する。光学窓は、バイオチップの上に配設され、光学窓の下側表面およびバイオチップは、反応チャネルを画成する。複数のサンプル注入ポートは、第１の方向において、第１の開口部と光学窓との間に配設される。少なくとも１つの反応チャネルスペーサは、上側カートリッジ本体部の下側表面上に配設され、少なくとも１つの反応チャネルスペーサは、第１の方向に延在し、反応チャネルを複数の反応サブチャネルに分割する。
【0022】
いくつかの実施形態において、複数のサンプル注入ポートの各々は、複数の反応サブチャネルのそれぞれのサブチャネル内に配設される。
【0023】
いくつかの実施形態において、流入トレンチは、頂面図において三角形である。
【0024】
いくつかの実施形態において、デジタルＰＣＲ用マイクロ流体カートリッジは、少なくとも１つの流入チャネルスペーサをさらに備える。少なくとも１つの流入チャネルスペーサは、流体流入チャネルを複数の流体流入サブチャネルに分割するように構成される。
【0025】
いくつかの実施形態において、デジタルＰＣＲ用マイクロ流体カートリッジは、第１のＯリングをさらに備える。第１のＯリングは、第１の開口部内に配設され、下側カートリッジ本体部の注入口カラムに当接する。
【0026】
いくつかの実施形態において、複数のサンプル注入ポートの各々は、封止要素によって封止可能である。
【0027】
いくつかの実施形態において、デジタルＰＣＲ用マイクロ流体カートリッジは、複数の注入ポートＯリングをさらに備える。複数の注入ポートＯリングは、複数のサンプル注入ポート内にそれぞれ配設される。
【0028】
本開示のいくつかの実施形態は、下側カートリッジ本体部と、上側カートリッジ本体部と、バイオチップとを含むマイクロ流体カートリッジを提供する。下側カートリッジ本体部は、第１の基板と、流入トレンチと、バイオチップスロットとを含む。流入トレンチは、第１の基板内に配設される。流入トレンチおよびバイオチップスロットは接続されている。上側カートリッジ本体部は、下側カートリッジ本体部の上に配設され、第２の基板、第１の開口部、光学窓、および第２の開口部を含む。流入トレンチおよび第２の基板の底面は、流体流入チャネルを画成する。第１の開口部は、第２の基板を貫通し、流体流入チャネルに接続する。バイオチップは、バイオチップスロット内および光学窓の下に配設され、バイオチップは、複数のマイクロウェルを有し、光学窓の下側表面およびバイオチップは、反応チャネルを画成し、バイオチップの上側表面は、流入トレンチの底面より低い。
【0029】
いくつかの実施形態において、マイクロウェルの底面の各々は、親水性である。
【0030】
いくつかの実施形態において、バイオチップは、シリコン層を備え、複数のマイクロウェルは、シリコン層の陥凹部である。
【0031】
いくつかの実施形態において、バイオチップは、熱伝導層とパターン層とを備える。パターン層は、熱伝導層上に配設される。パターン層は、複数の貫通孔を備える。
【0032】
いくつかの実施形態において、熱伝導層は、金、銅、アルミニウム、鉄、鋼、シリコン、グラファイト、またはグラフェンを含み、パターン層は、ガラス、シリコン、またはポリマーを含む。
【0033】
本出願の開示は、次のように添付図面を参照しつつ、実施形態の次の詳細な説明を読むことによってより完全に理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【0034】
【図1】本開示のいくつかの実施形態によるマイクロ流体カートリッジの斜視図である。
【図2A】本開示のいくつかの実施形態によるマイクロ流体カートリッジの断面図である。
【図2B】本開示のいくつかの実施形態によるマイクロ流体カートリッジの断面図である。
【図3A】本開示のいくつかの実施形態による下側カートリッジ本体部の頂面図である。
【図3B】本開示のいくつかの実施形態による下側カートリッジ本体部の概略頂面図である。
【図4A】本開示のいくつかの実施形態によるマイクロ流体カートリッジの一部分の断面図である。
【図4B】本開示のいくつかの実施形態によるマイクロ流体カートリッジの一部分の断面図である。
【図5A】本開示のいくつかの実施形態によるバイオチップの斜視図である。
【図5B】本開示のいくつかの実施形態によるバイオチップの断面図である。
【図5C】本開示のいくつかの実施形態によるバイオチップの断面図である。
【図6】本開示のいくつかの実施形態によるマイクロ流体カートリッジの斜視図である。
【図7】本開示のいくつかの実施形態によるマイクロ流体カートリッジの断面図である。
【図8】本開示のいくつかの実施形態によるマイクロ流体カートリッジの断面図である。
【図9A】本開示のいくつかの実施形態によるマイクロ流体カートリッジの頂面図である。
【図9B】本開示のいくつかの実施形態によるマイクロ流体カートリッジの頂面図である。
【図9C】本開示のいくつかの実施形態によるマイクロ流体カートリッジの頂面図である。
【図10】本開示のいくつかの実施形態によるマイクロ流体カートリッジの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0035】
次に、例が添付図面に示されている、本発明の本実施形態が詳細に参照される。可能な限り、同じまたは類似の部分を指すために図面および説明において同じ参照番号が使用される。
【0036】
いくつかの実施形態において、マイクロ流体カートリッジは、生体サンプルの遺伝的変異のデジタルＰＣＲ分析に使用され、サンプルは、低存在量の標的バリアントを正確に定量するために多数の個別のＰＣＲ反応に分割される。
【0037】
【0038】
図１を参照すると、マイクロ流体カートリッジ１００は、下側カートリッジ本体部１０２および上側カートリッジ本体部１０４を含む。入口ポート１７０は、マイクロ流体カートリッジ１００の一方の側面の近くに配設され、デジタルＰＣＲに関係する流体をマイクロ流体カートリッジ１００の内側に搬送するように構成され、出口ポート１７８は、マイクロ流体カートリッジ１００の反対側の近くに配設され、マイクロ流体カートリッジ１００から流体を放出するように構成される。光学窓１４４は、入口ポート１７０と出口ポート１７８との間で、バイオチップ（これは、以下でより詳細に説明される）の上に配設される。光学窓１４４は、バイオチップのマイクロウェルから発せられる反応信号が透過されるように構成されており、それにより反応信号が検出され得る。
【0039】
図２Ａを参照すると、下側カートリッジ本体部１０２、上側カートリッジ本体部１０４、およびバイオチップ１６０は、マイクロ流体カートリッジ１００を形成するように組み立てられる。組み立て後、流体流入チャネル１７２および流体流出チャネル１７６が、下側カートリッジ本体部１０２と上側カートリッジ本体部１０４との間に形成され、反応チャネル１７４が、バイオチップ１６０と上側カートリッジ本体部１０４の光学窓１４４との間に形成される。言い換えると、前記下側および上側カートリッジ本体部１０２、１０４が、機能的マイクロ流体カートリッジ１００を製造するために前記バイオチップ１６０と一緒に組み立てられるときに、流体チャネル（流体流入チャネル１７２、反応チャネル１７４、および流体流出チャネル１７６を含む）が形成され、前記流体チャネルは、液体、粒子、ガスまたは他の形態の物質であり得るサンプルおよび反応試薬の物質交換のために外部流体制御機構に接続され得る。前記流体チャネルおよび流体ポート（入口ポート１７０および出口ポート１７８を含む）は、カートリッジ内に取り付けられた前記バイオチップ上で生じる生体反応に影響を与えるために使用される外部デバイスとの流体的連通導管を備える。そのような生体反応の光信号変化は、上側カートリッジ本体部１０４の光学窓１４４を通して検出される。
【0040】
図３Ａは、下側カートリッジ本体部１０２の頂面図を例示している。図２Ａおよび図３Ａに示されているように、下側カートリッジ本体部１０２は、第１の基板１１０と、注入口カラム１１２と、流入トレンチ１１６と、バイオチップスロット１１８と、流出トレンチ１２０と、排出口カラム１２２とを備える。
【0041】
いくつかの実施形態において、下側カートリッジ本体部１０２の第１の基板１１０は、プラスチック、ガラス、カーボン、または金属を含む。下側カートリッジ本体部１０２の加工は、３Ｄ印刷、プラスチック射出成形、またはコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）機械加工部品などの様々な手段によって達成され得る。
【0042】
図３Ｂは、下側カートリッジ本体部１０２の別の頂面図である。いくつかの実施形態において、下側カートリッジ本体部１０２は、その機械的強度を高め、使用中の組み立て済みカートリッジの歪みを最小限度に抑えるために、リブ１９０などの特徴を付けて作られ得る。
【0043】
図２Ａを参照すると、注入口カラム１１２は、第１の基板１１０より上に突き出ている。注入口カラム１１２は、中空構造である。それに加えて、排出口カラム１２２も第１の基板１１０より上に突き出ている。排出口カラム１２２は、中空構造である。
【0044】
図２Ａおよび図３Ａに示されているように、流入トレンチ１１６は、注入口カラム１１２およびバイオチップスロット１１８と接続されている。いくつかの実施形態において、流入トレンチ１１６は、第１の基板１１０上の２つの突出線によって画成される。図２Ａに示されているように、流入トレンチ１１６の底面１１６ＢＳは、バイオチップ１６０の頂面より高い。
【0045】
図２Ａおよび図３Ａに示されているように、バイオチップ１６０は、下側カートリッジ本体部１０２のバイオチップスロット１１８内に配設される。図５Ａを参照すると、これはバイオチップ１６０の斜視図を示している。バイオチップ１６０は、複数のマイクロウェルを含み、マイクロウェルの数は、少なくとも１，０００、たとえば、１，０００、５，０００、１０，０００、５０，０００、１００，０００、２００，０００、５００，０００、または同様の数であってよい。
【0046】
図２Ａおよび図３Ａに示されているように、流出トレンチ１２０は、バイオチップスロット１１８および排出口カラム１２２と接続されている。いくつかの実施形態において、流出トレンチ１２０は、第１の基板１１０上の２つの突出線によって画成される。図２Ａに示されているように、流出トレンチ１２０の底面１２０ＢＳは、バイオチップ１６０の頂面より高い。
【0047】
図２Ａを参照すると、上側カートリッジ本体部１０４は、第２の基板１４０と、第１の開口部１４２と、光学窓１４４と、第２の開口部１４６とを備えている。
【0048】
いくつかの実施形態において、上側カートリッジ本体部１０４の第２の基板１４０は、プラスチック、ガラス、カーボン、または金属を含む。上側カートリッジ本体部１０４の加工は、３Ｄ印刷、プラスチック射出成形、またはＣＮＣ機械加工部品などの様々な手段によって達成され得る。いくつかの実施形態において、上側カートリッジ本体部１０４は、その機械的強度を高め、使用中の組み立て済みカートリッジの歪みを最小限度に抑えるために、リブなどの特徴を付けて作られ得る。
【0049】
図２Ａに示されているように、第１の開口部１４２は、下側カートリッジ本体部１０２の注入口カラム１１２に対応する。注入口カラム１１２は、第１の開口部１４２内に挿入される。下側カートリッジ本体部１０２の注入口カラム１１２および上側カートリッジ本体部１０４の第１の開口部１４２は、入口ポート１７０内に組み付けられる。入口ポート１７０は、デジタルＰＣＲに関係する流体を搬送するためのピペット先端部または針を収容するように構成される。図２Ａに示されているように、上側カートリッジ本体部１０４の第２の基板１４０は、第１の厚さＤ１を有する。いくつかの実施形態において、第１の開口部１４２に挿入する入口カラム１１２の深さは、約１／３Ｄ１とＤ１との間である。
【0050】
光学窓１４４は、バイオチップ１６０の上に配設される。光学窓１４４は、透明材料から作られる。
【0051】
図２Ａに示されているように、第２の開口部１４６は、下側カートリッジ本体部１０２の排出口カラム１２２に対応する。排出口カラム１２２は、第２の開口部１４６内に挿入される。下側カートリッジ本体部１０２の排出口カラム１２２および上側カートリッジ本体部１０４の第２の開口部１４６は、出口ポート１７８内に組み付けられる。出口ポート１７８は、デジタルＰＣＲに関係する流体を搬送するためのピペット先端部または針を収容するように構成される。
【0052】
図２Ａに示されているように、下側カートリッジ本体部１０２、バイオチップ１６０、および上側カートリッジ本体部１０４が組み立てられた後、流体流入チャネル１７２は、流入トレンチ１１６および第２の基板１４０の底面１４０ＢＳによって画成され、流体流出チャネル１７６は、流出トレンチ１２０および第２の基板１４０の底面１４０ＢＳによって画成される。
【0053】
いくつかの実施形態において、下側カートリッジ本体部１０２および上側カートリッジ本体部１０４の組み立ては、接着剤、超音波溶接、または機械的固定具を使用することによって達成され得る。
【0054】
超音波溶接は、互換性のある材料の部品を１つに接着するためにしばしば使用される手段であり、業界でよく確立されている。溶接線は、マイクロ流体カートリッジ１００の組み立て時に上側および下側カートリッジ本体部を１つに接着するために使用される。いくつかの実施形態において、プラスチック製の上側および下側カートリッジ本体部は、超音波溶接によって接着される。溶接線は、ぴったり接着するように下側カートリッジ本体部１０２および上側カートリッジ本体部１０４の両方に設計され得る。いくつかの実施形態において、図３Ｂに示されているように、溶接線１２６は、下側カートリッジ本体部１０２内の流入チャネルおよび流出チャネルも画成する。溶接線１２６は、図２Ａおよび２Ｂに示されているような単一の溶接線、または図４Ａおよび４Ｂに示されているような二重溶接線であってよく、流体チャネルの空気および液体密封品質を向上させる。
【0055】
いくつかの実施形態において、チャネルに沿った流体の流量を規定する流体チャネル（これは、流体流入チャネル１７２、反応チャネル１７４、および流体流出チャネル１７６を含む）の寸法は、チャネルに沿って一定に保たれる。いくつかの実施形態において、流体チャネルに沿った流体の流量を規定する、流体チャネルの特徴および寸法は、流量制御の必要性に応じて異なる。流体チャネルの異なるセクションの寸法の変化は、意図された使用、特に小さな体積の生体サンプルに依存する。いくつかの実施形態において、流体ポートに接続するチャネルの幅は、バイオチップの上のチャネルと著しく異なる。
【0056】
図３Ａに示されているように、流入トレンチ１１６は第１の幅Ｗ１を有し、バイオチップスロット１１８は第２の幅Ｗ２を有し、第１の幅Ｗ１は第２の幅Ｗ２より小さい。
【0057】
いくつかの実施形態において、図３Ａおよび３Ｂに例示されているように、溶接線１２６によって規定される、幅が１または２ｍｍ、高さが５００マイクロメートル（μｍ）の流体チャネルは、カートリッジ本体部のいずれかの側の接続継手のところで類似の直径の流体ポートに接続され、チャネルの寸法は、カートリッジが組み立てられたときに取り付けられたバイオチップの表面領域全体にわたって、たとえば幅が１０ｍｍ程度、高さが５００マイクロメートル（μｍ）未満となる。チャネルの異なるセクションは、マイクロ流体カートリッジ１００の一端の入口ポート１７０から他端の出口ポート１７８への連続的な液体流のためにきつく接続される。いくつかの実施形態において、マイクロ流体カートリッジ１００内の流体チャネルに接続される流体ポートが２つより多くあることも企図され得る。
【0058】
図３Ｂに示されているように、流出トレンチ１２０は、トレンチに沿って受動的弁１９２を備える。受動的弁１９２は、流体の流量を調節するように構成される。いくつかの配置でチャネルの寸法を変化させることによって、流体チャネルの内側の異なる流体の流量を調節しやすくなる。
【0059】
図２Ａを参照すると、第１のＯリング１５０は、上側カートリッジ本体部１０４の第１の開口部１４２内に配設され、下側カートリッジ本体部１０２の注入口カラム１１２に当接している。第２のＯリング１５２は、上側カートリッジ本体部１０４の第２の開口部１４６内に配設され、下側カートリッジ本体部１０２の排出口カラム１２２に当接する。これらの弾性Ｏリングは、マイクロ流体カートリッジ１００が接続器具、たとえば、自動化ピペット先端部または針に結合されるときに、チャネルを通して流体または空気の流量制御を維持するための封止要素として働く。流体ポートを介した流量制御は、圧力制御、試薬の交換、および他の手段によってバイオチップ上の生体反応に影響を及ぼし得る。
【0060】
図２Ｂは、マイクロ流体カートリッジ１００の断面図を例示しており、第１のピペット先端部１８０が入口ポート１７０内に挿入され、第２のピペット先端部１８２が出口ポート１７８に挿入されている。弾性のある第１および第２のＯリング１５０、１５２は、第１および第２のピペット先端部１８０、１８２の周りでそれぞれ封止要素として働く。
【0061】
図４Ａを参照すると、これは入口ポート１７０の断面図を例示している。いくつかの実施形態において、第１のＯリング１５０は、上側カートリッジ本体部１０４の一体部分である。言い換えると、第１のＯリング１５０は、第１の開口部１４２内の第１の内壁１４２ｉに直接接触する。第１のＯリング１５０は、上側カートリッジ本体部１０４の一部として加工される。たとえば、上側カートリッジ本体部１０４のプラスチック射出成形において複数の材料が使用され得る。
【0062】
図４Ｂを参照すると、これは入口ポート１７０の断面図を例示している。いくつかの実施形態において、第１のＯリング１５０は、機械的拘束または接着剤を介して第１の開口部内に固定される。第１のＯリング１５０は弾性的であり、追加の留め具１９４によって上側カートリッジ本体部１０４の第１の開口部１４２内に固定される。いくつかの実施形態において、第１のＯリングの固定具は、接着剤、ネジ、または他の手段によって上側カートリッジ本体部１０４に取り付けられる。
【0063】
上側カートリッジ本体部１０４に固定されたＯリングを有する流体ポートは、下側カートリッジ本体部１０２から独立して機能する。図４Ａおよび図４Ｂに示されているように、流体ポートは、自動化ピペット先端部または針などの外部器具によって生体サンプルおよび他の試薬が流体チャネル内に導入されるときに残留デッドボリュームを減少させることができる。
【0064】
図５Ａを参照すると、これはバイオチップ１６０の斜視図を示している。いくつかの実施形態において、バイオチップ１６０は、接着剤によって下側カートリッジ本体部１０２に接着される。この目的のための接着剤の選択は、バイオチップおよびカートリッジ本体部の材料との親和性によって決定され得る。接着剤は、サンプル分析プロセスにおいてバイオチップの周りに液密または気密シールを形成するために必要である。バイオチップ１６０は、様々な材料のものであってよく、特定の用途に合わせて様々な機能を含むことができる。
【0065】
図５Ｂは、バイオチップの部分断面図である。いくつかの実施形態において、バイオチップ１６０は、シリコン層１６４を備え、複数のマイクロウェル１６２は、シリコン層１６４の陥凹部１６４Ｒである。いくつかの実施形態において、バイオチップ１６０はシリコンベースであり、ウェットエッチングまたはドライエッチングなどの、半導体処理技術によってシリコン基板内にエッチングされた、１０～２００μｍの間のサイズの六角形の形状の反応マイクロウェルのマトリックスを含んでいる。いくつかの実施形態において、マイクロウェルの表面は、また、マイクロウェル間の壁の表面を疎水性に保ちながら、親水性にするための様々な手段で誘導体化され得る。
【0066】
図５Ｃは、バイオチップの部分断面図を例示している。いくつかの実施形態において、バイオチップ１６０は、熱伝導層１６６と、熱伝導層１６６上に配設されたパターン層１６８とを備える。パターン層１６８は、多数の貫通孔１６８Ｈを備える。熱伝導層１６６は、パターン層１６８の１つの表面に貼り付けられるので、前記貫通孔１６８Ｈに由来するマイクロウェル１６２が生成される。マイクロウェル１６２の各々は、熱伝導層１６６によって一端が封止されている。熱伝導層１６６のパターン層１６８の底面への付着は、貫通孔１６８Ｈの各々の底面に気密および液密シールを形成し、貫通孔１６８Ｈの各々の他端は液体連通のために開放されている。貫通孔１６８Ｈの形状およびサイズは、液体分配に適合するものであり、ポリメラーゼ連鎖反応を促すものである。
【0067】
いくつかの実施形態において、貫通孔１６８Ｈの寸法は、横が１０μｍから１００００μｍ（図５ＢにおいてＤａとラベル表示されている）および深さが１０μｍから１００００μｍ（図５ＢにおいてＤｂとラベル表示されている）の範囲であり得る。熱伝導層１６６の厚さは、材料の機械的強度および熱伝導率に応じて著しく変化し得、たとえば、１０μｍから１０００μｍの範囲内である（図５ＢにおいてＤｃとラベル表示されている）。貫通孔１６８Ｈの形状は、マイクロウェルの底部に関して様々な壁角度αで丸形、方形、六角形などから変化し得る。いくつかの実施形態において、マイクロウェルの形状は六角形であり、図５Ｂに例示されているように、角度αは９０°である。マイクロウェルの他の幾何学的変形も可能である。
【0068】
パターン層１６８の材料は、生体サンプル分析用の当該技術分野において知られている様々な材料、たとえば、ガラス、シリコン、ＰＭＭＡまたはポリプロピレンなどのポリマー材料などから選択され得る。熱の良導体または不良導体であり得る。パターン層内にパターン化された貫通孔１６８Ｈを作るための加工方法は、射出成形、ＣＮＣ機械加工、および３Ｄプリンティングなどであってよい。熱伝導層１６６は、当技術分野において知られている熱の良導体、たとえば、金、銅、アルミニウム、鉄、ステンレス鋼などの金属、シリコン、グラフェンまたはグラファイトなどの炭素、などを含む。熱伝導層１６６をバイオチップ１６０のパターン層１６８に貼り付けるための、接着剤または超音波溶接などの、当技術分野において知られている様々な方法が使用され得る。
【0069】
生体サンプル分析中に反応混合物と接触するバイオチップ１６０のマイクロウェル１６２の底面および貫通孔１６８Ｈの内面は、好ましくは親水性である。これらの表面は、様々な化学修飾によって親水性を高めるように修飾されるか、誘導体化され得る。表面を作るための技術は、たとえば、プラズマ表面処理、ヒドロキシル基またはカルボキシル基の付着、表面へのヒドロゲル堆積などであり得る。
【0070】
図６は、本開示のいくつかの実施形態によるマイクロ流体カートリッジの斜視図を例示している。マイクロ流体カートリッジ２００は、複数のサンプルの同時分析のために、特に自動化器具上のこれらのサンプルの注目する標的のデジタルＰＣＲ増幅および定量において使用される。開示されているマイクロ流体カートリッジ２００は、複数のサンプル注入ポート２４８、複数の物理的に分離された個別のマイクロ流体チャネル（図９Ａ～９Ｃ参照）、入口ポート２７０、および出口ポート２７８、ならびにサンプル分割が行われる多数のマイクロウェルを有するバイオチップ２６０を有する（図９Ａ～９Ｃ参照）。マイクロ流体カートリッジ２００は、下側カートリッジ本体部２０２、バイオチップ２６０、および上側カートリッジ本体部２０４から組み立てられる。前記マイクロ流体カートリッジ２００内の複数のサブチャネルは、上側カートリッジ本体部２０４とバイオチップ２６０とが１つに接着されるときに形成され、囲まれたサブチャネルを形成し、サブチャネルの各々は、入口ポート２７０、出口ポート２７８、それぞれのサンプル注入ポート２４８、流体チャネル、およびバイオチップ２６０の部分のマイクロウェルと接続される。複数のサブチャネルは、アッセイプロセスにおいて、異なるサンプル、または同じサンプルの注目する異なる標的に使用され得る。
【0071】
図７は、図６の線Ｃ－Ｃに沿って切り取られた断面図である。図７に示されているように、マイクロ流体カートリッジ２００は、下側カートリッジ本体部２０２と、上側カートリッジ本体部２０４と、バイオチップ２６０とを備える。下側カートリッジ本体部２０２は、第１の基板２１０と、注入口カラム２１２と、流入トレンチ２１６と、バイオチップスロット２１８と、流出トレンチ２２０と、排出口カラム２２２とを備える。注入口カラム２１２は、第１の基板２１０より上に突き出ている。注入口カラム２１２は、中空構造である。それに加えて、排出口カラム２２２も第１の基板２１０より上に突き出ている。排出口カラム２２２は、中空構造である。注入口カラム２１２、流入トレンチ２１６、バイオチップスロット２１８、流出トレンチ２２０、および排出口カラム２２２は、順に接続される。バイオチップ２６０は、下側カートリッジ本体部２０２のバイオチップスロット２１８内に配設される。
【0072】
上側カートリッジ本体部２０４は、第２の基板２４０と、第１の開口部２４２と、光学窓２４４と、第２の開口部２４６とを備えている。図７に示されているように、第１の開口部２４２は、下側カートリッジ本体部２０２の注入口カラム２１２に対応する。注入口カラム２１２は、第１の開口部２４２内に挿入される。下側カートリッジ本体部２０２の注入口カラム２１２および上側カートリッジ本体部２０４の第１の開口部２４２は、入口ポート２７０内に組み付けられる。入口ポート２７０は、デジタルＰＣＲに関係する流体を搬送するためのピペット先端部または針を収容するように構成される。光学窓２４４は、バイオチップ２６０の上に配設される。光学窓２４４は、透明材料から作られる。
【0073】
図７に示されているように、第２の開口部２４６は、下側カートリッジ本体部２０２の排出口カラム２２２に対応する。排出口カラム２２２は、第２の開口部２４６内に挿入される。下側カートリッジ本体部２０２の排出口カラム２２２および上側カートリッジ本体部２０４の第２の開口部２４６は、出口ポート２７８内に組み付けられる。出口ポート２７８は、デジタルＰＣＲに関係する流体を搬送するためのピペット先端部または針を収容するように構成される。
【0074】
図７に示されているように、マイクロ流体カートリッジ２００の流体チャネルは、下側カートリッジ本体部２０２、上側カートリッジ本体部２０４、およびバイオチップ２６０の組み立てによって画成される。
【0075】
図７に示されているように、第１のＯリング２５０は、上側カートリッジ本体部２０４の第１の開口部２４２内に配設され、下側カートリッジ本体部２０２の注入口カラム２１２に当接している。第２のＯリング２５２は、上側カートリッジ本体部２０４の第２の開口部２４６内に配設され、下側カートリッジ本体部２０２の排出口カラム２２２に当接する。これらの弾性Ｏリングは、マイクロ流体カートリッジ２００が接続器具、たとえば、自動化ピペット先端部または針に結合されるときに、チャネルを通して流体または空気の流量制御を維持するための封止要素として働く。流体ポートを介した流量制御は、圧力制御、試薬の交換、および他の手段によってバイオチップ上の生体反応に影響を及ぼし得る。
【0076】
下側カートリッジ本体部２０２、バイオチップ２６０、および上側カートリッジ本体部２０４がマイクロ流体カートリッジ２００内に組み付けられた後、流体流入チャネル２７２は流入トレンチ２１６および第２の基板２４０の下側表面によって画成され、反応チャネル２７４はバイオチップ２６０および光学窓２４４の下側表面によって画成され、流体流出チャネル２７６は流出トレンチ２２０および第２の基板２４０の下側表面によって画成される。
【0077】
図８は、図６の線Ｄ－Ｄに沿って切り取られた断面図である。上側カートリッジ本体部２０４は、複数の反応チャネルスペーサ２８４をさらに含む。図８は３つの反応チャネルスペーサ２８４を示しているが、実装される反応チャネルスペーサ２８４はそれより増やすことも減らすこともできる。反応チャネルスペーサ２８４は、上側カートリッジ本体部２０４の下側表面に配設され、マイクロ流体カートリッジ２００が組み立てられた後、反応チャネル２７４は反応チャネルスペーサ２８４によって複数の反応サブチャネル２７４ａ、２７４ｂ、２７４ｃ、および２７４ｄに物理的に分割される。隣接する個別のマイクロ流体サブチャネルのそのような物理的分離は、各個別のサブチャネル内のサンプル分析が独立して進行し、他のチャネルからの干渉がないことを確実にする。いくつかの実施形態において、開示されているマイクロ流体サブチャネルのクロス寸法は、５μｍ、または１０μｍ、または１００μｍ、または１０００μｍ程度、または１０，０００μｍよりさらに大きくてもよく、チャネルの断面の輪郭は、矩形、または方形、または丸形、または他の形状からなる。個別のマイクロ流体サブチャネルの数、クロス寸法、または形状は、必要に応じて変えることができ、当業者であれば、開示された設計原理に基づき設計変更形態を形成することができるであろう。
【0078】
図９Ａに示されているように、いくつかの実施形態において、流入トレンチ２１６、流出トレンチ２２０、および反応チャネルスペーサ２８４は、第１の方向（たとえば、Ｘ方向）に延在し、複数のサンプル注入ポート２４８は第２の方向（たとえば、Ｙ方向）に配置構成されている。
【0079】
図９Ａは、マイクロ流体カートリッジ２００の頂面図である。マイクロ流体カートリッジ２００の構造をより明確に示すために、下側カートリッジ本体部２０２内の流入トレンチ２１６および流出トレンチ２２０、ならびに上側カートリッジ本体部２０４内の反応チャネルスペーサ２８４が図示されている。
【0080】
図９Ａに示されているように、個別のマイクロ流体サブチャネル２７４ａ、２７４ｂ、２７４ｃ、および２７４ｄの各々は、それぞれのサブチャネル内に位置決めされたサンプル注入ポート２４８を備える。それぞれのサンプル注入ポート２４８を通して、注入されたサンプルは、流体流出チャネル２７６の方向に向かって導かれ、流体流入チャネル２７２から遠ざかる方向に導かれる。実線の矢印は、流体の方向を意味する。中空の矢印は、サブチャネルの各々に対する流体の流れ方向を意味する。サンプル注入ポート２４８の主な機能は、個別のマイクロ流体サブチャネルへのサンプルの導入を可能にし、そこで流体流出チャネル２７６に向かうサンプルの方向性流れに影響を及ぼすことである。サンプル注入ポート２４８の幾何学的設計は、使用中の滑らかで完全なサンプルの導入を目的としてマイクロ流体カートリッジ２００が結合される機器における、ピペット先端部またはカスタマイズされた針などのサンプル注入器具に適合するものであるべきである。前記サンプル注入ポート２４８とサンプル注入器具との間の前述の結合は、サンプルが導入されるときに個別のマイクロ流体サブチャネルの内部に生じる任意の抵抗に打ち勝つための適切な封止を必要とする。いくつかの実施形態において、複数の注入ポートＯリング２５４が、図７に示されているように、複数のサンプル注入ポート２４８内にそれぞれ配設される。
【0081】
いくつかの実施形態において、機器の前記サンプル注入器具は、潜在的なサンプル交差汚染を回避するために生体サンプル分析において日常的に使用される１回限りの使い捨てピペット先端部を使用することを含む。
【0082】
いくつかの実施形態において、図７に示されているように、個別のマイクロ流体サブチャネルは、好ましくは、各個別のサブチャネルの内側の液体流を流体流出チャネル２７６に向かう方向に向けるのを助ける、流体工学制御２９６Ａおよび流体工学制御２９６Ｂによって示される流体工学制御機能を備える。これらの流体工学制御機能の様々な設計は、限定はしないが、マイクロ流体チャネルにおける幾何学的形状を変化させることによる受動的弁を含み、参考として本明細書に組み込まれているＴ． Ｈ． ＫｉｍらによるＲｅｃｅｎｔ Ａｄｖａｎｃｅｓ ｏｆ Ｆｌｕｉｄ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｉｎ Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ Ｐａｐｅｒ－Ｂａｓｅｄ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｄｅｖｉｃｅｓ （μＰＡＤｓ） ｔｏｗａｒｄ Ｍｕｌｔｉ－Ｓｔｅｐ Ａｓｓａｙｓ， Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｓ ２０２０， １１， ２６９において要約されている。これらの前記流体工学制御２９６Ａおよび２９６Ｂは、機器の流体工学制御機構、たとえばシリンジポンプまたはエアコンプレッサなどとともに、サンプル分析プロセスでの方向と同じ方向、すなわちマイクロ流体カートリッジ２００内の流体流入チャネル２７２から流体流出チャネル２７６の方向にすべての個別のサブチャネル内の平行液体流を駆動することを確実にする。
【0083】
図９Ａに示されているように、いくつかの実施形態において、入口ポート２７０および出口ポート２７８、さらには流体流入チャネル２７２および流体流出チャネル２７６は、すべての前記個別のマイクロ流体サブチャネルの間で共有される。流体流入チャネル２７２が共有されるときに、図９Ａのマイクロ流体カートリッジ２００の左側の三角形領域として示され、これは滑らかな共有表面または構造化された共有表面のいずれかを含み、その上で流入ポート２７０からの流入液体は、すべての接続されたサブマイクロ流体チャネル内に自由に流入することができる。同様に、流体流出チャネル２７６が共有されているときに、これは図９Ａのマイクロ流体カートリッジ２００の右側の三角形領域として示されているが、滑らかなまたは構造化された表面のいずれかを含むことができ、その上ですべてのマイクロ流体サブチャネルからの液体流出は合流して出口ポート２７８に向かう連続流を形成する。他の実施形態では、共有された流体流入チャネル２７２および流体流出チャネル２７６は、異なる個別のマイクロ流体チャネル間での流体工学性能を均一化しやすくするために、異なる設計および特徴を有し得る。
【0084】
図９Ｂは、いくつかの実施形態によるマイクロ流体カートリッジ２００の別の頂面図である。マイクロ流体カートリッジ２００は、反応チャネルスペーサ２８４とそれぞれ接続されている複数の流入チャネルスペーサ２８６をさらに備える。流入チャネルスペーサ２８６は、流体流入チャネル２７２を複数の流体流入サブチャネル２７２ａ、２７２ｂ、２７２ｃ、および２７２ｄに分割するように構成される。いくつかの実施形態において、複数の流入チャネルスペーサ２８６は、下側カートリッジ本体部２０２内に画成され、第１の基板２１０の上側表面に配設される。他の実施形態では、複数の流入チャネルスペーサ２８６は、上側カートリッジ本体部２０４内に画成され、第２の基板２４０の下側表面に配設される。いくつかの実施形態において、複数の流入チャネルスペーサ２８６の各々は、反応チャネルスペーサ２８４のそれぞれの１つに接続している。
【0085】
図９Ｂに示されているように、マイクロ流体カートリッジ２００は、反応チャネルスペーサ２８４とそれぞれ接続されている複数の流出チャネルスペーサ２８８をさらに備える。流出チャネルスペーサ２８８は、流体流出チャネル２７６を複数の流体流出サブチャネル２７６ａ、２７６ｂ、２７６ｃ、および２７６ｄに分割するように構成される。いくつかの実施形態において、複数の流出チャネルスペーサ２８８は、下側カートリッジ本体部２０２内に画成され、第１の基板２１０の上側表面に配設される。他の実施形態では、複数の流出チャネルスペーサ２８８は、上側カートリッジ本体部２０４内に画成され、第２の基板２４０の下側表面に配設される。いくつかの実施形態において、複数の流出チャネルスペーサ２８８の各々は、反応チャネルスペーサ２８４のそれぞれの１つに接続している。
【0086】
いくつかの実施形態において、入口ポート２７０および出口ポート２７８は共有されるが、マイクロ流体カートリッジ２００の流体流入チャネル２７２および流体流出チャネル２７６は、前記個別のマイクロ流体サブチャネルの間で共有されず、液体連通のためのそれぞれの個別のマイクロ流体チャネルに接続されている個別の流入サブチャネルおよび個別の流出サブチャネルを有するマイクロ流体カートリッジ２００を形成し、その結果、図９Ｂに例示されているように、共通の入口ポート２７０と出口ポート２７８との間に完全に物理的に隔離された個別チャネルが得られる。当業者であれば、共通または区画化された機能性の観点から、流入チャネルおよび流出チャネルの他の設計の組合せで複数のサブチャネルを有するマイクロ流体カートリッジを製造することも可能である。
【0087】
図９Ｃは、いくつかの実施形態によるマイクロ流体カートリッジ２００の別の頂面図である。マイクロ流体カートリッジ２００は、複数のサブチャネルと、共有入口ポート２７０および共有出口ポート２７８とを有する。流体流入チャネル２７２は、複数の流体流入サブチャネル２７２ａ、２７２ｂ、２７２ｃ、および２７２ｄに分割される。流体流入サブチャネル２７２ａ、２７２ｂ、２７２ｃ、２７２ｄの各々は、反応サブチャネル２７４ａ、２７４ｂ、２７４ｃ、２７４ｄの対応する１つに接続されている。いくつかの実施形態において、流体流入チャネル２７２および流体流入サブチャネル２７２ａ、２７２ｂ、２７２ｃ、２７２ｄの形状（またはパターン）は、下側カートリッジ本体部２０２において定められ、第１の基板２１０の上側表面に配設される。
【0088】
図９Ｃに示されているように、複数の流体流出サブチャネル２７６ａ、２７６ｂ、２７６ｃおよび２７６ｄは、流体流出チャネル２７６に収束する。流体流出サブチャネル２７６ａ、２７６ｂ、２７６ｃ、２７６ｄの各々は、反応サブチャネル２７４ａ、２７４ｂ、２７４ｃ、２７４ｄの対応する１つに接続されている。いくつかの実施形態において、流体流出サブチャネル２７６ａ、２７６ｂ、２７６ｃ、および２７６ｄならびに流体流出チャネル２７６の形状（またはパターン）は、下側カートリッジ本体部２０２において定められ、第１の基板２１０の上側表面に配設される。
【0089】
いくつかの実施形態において、マイクロ流体カートリッジ２００を作るための加工方法は、射出成形、ＣＮＣ機械加工、および３Ｄプリンティングなどとすることができる。いくつかの実施形態において、マイクロ流体カートリッジ２００は、超音波溶接または接着剤など、当分野で知られている技術による異なる部品またはセクションの接着によって加工される。マイクロ流体カートリッジ２００の選択の材料は、調査対象の生体サンプル、および好ましくは低光学的検出背景、たとえば、ガラス、シリコン、ＰＭＭＡまたはポリプロピレンなどのポリマー材料などとの親和性を有することを必要とする。マイクロ流体カートリッジ２００は、また、化学変化および温度変化を含む、分析プロセスの条件に耐えることができるべきである。
【0090】
この開示されているマイクロ流体カートリッジ２００は、それぞれの個別のマイクロ流体サブチャネル内で隔離される複数のサンプルのアッセイ、または特定のサブチャネル内で分析される検体のサブセットで個別のマイクロ流体チャネルにおいて隔離される同じサンプルの複数のアッセイに使用される。
【0091】
いくつかの実施形態において、前記アッセイは、サンプルおよびＰＣＲ試薬混合物が、マイクロ流体カートリッジの個別のマイクロ流体サブチャネル内のバイオチップの多数のマイクロウェル内に分割されるデジタルＰＣＲ（ｄＰＣＲ）ベースのアッセイであり、マイクロウェルの各々は、頂部開口部において水不混和性液体によって隣接するマイクロウェルから物理的に隔離され、続く分析プロセスの間、温度調節は、標的増幅および検出のための機器上のマイクロ流体カートリッジ２００のバイオチップ２６０に適用される。図１０は、デジタルＰＣＲアッセイにおけるマイクロ流体の個別のマイクロ流体サブチャネル内のサンプル分配プロセスを示す説明図である。マイクロ流体カートリッジ２００におけるデジタルＰＣＲアッセイは、自動化機器で実行され、以下のステップを含む。
【0092】
（１）サンプル注入：４つの水性サンプル３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄが、それぞれのサンプル注入ポート２４８を通してそれぞれの個別の反応サブチャネル２７４ａ、２７４ｂ、２７４ｃ、２７４ｄに注入される。
【0093】
（２）サンプル注入ポートの封止：サンプル注入ポート２４８は、サンプルがマイクロ流体カートリッジ２００に注入された後、その後のプロセスにおいて液体および／または空気の漏れを防ぐために、封止要素３３０によって密閉される。
【0094】
（３）個別の反応サブチャネル内のサンプル分割：前述のサンプル３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄは、カートリッジの左側の共有流入路を通して個別のマイクロ流体チャネル内に導入される水不混和性疎水性液体３２０によって個別のマイクロ流体チャネルに沿って押し出されるときにバイオチップ２６０のマイクロウェルを徐々に充填する。疎水性液体３２０は、共有流出チャネルおよび液体出口ポートに向かってマイクロ流体チャネルに沿って流れるときにバイオチップの頂部のすべてのマイクロウェルを封止、隔離する。このプロセスの結果、サンプル３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄは、物理的に分離された反応サブチャネル２７４ａ、２７４ｂ、２７４ｃ、２７４ｄ内のマイクロウェル内で均一に分割され、疎水性液体３２０によって隣接するマイクロウェルから完全に分離される。
【0095】
（４）デジタルＰＣＲ標的増幅および分析：次いで、マイクロ流体カートリッジ２００のバイオチップの底側が、標的増幅およびそれに続く信号分析を可能にするために温度調節および／または他の化学的もしくは物理的条件に曝され、それによりサンプル中の注目する標的の組成および量を解明する。
【0096】
サンプル分配プロセスにおいて、サンプル体積は、バイオチップのマイクロウェルを充填するにつれて徐々に減少し、任意の残留体積は、流出チャネルおよび液体出口ポートを通してマイクロ流体カートリッジ２００から流し出される。前記サンプル注入ポートを封止するための様々な方法がステップ（２）に使用されるものとしてよく、この方法は粘着テープ、熱もしくは紫外線開始接着剤、またはマイクロ流体カートリッジ２００が使用される機器の機械的プランジャー状器具を含む。疎水性液体がカートリッジ内に導入される流量および圧力などの他の要因は、マイクロウェル内のサンプル分割の効率に著しい影響を及ぼす。サンプル中の注目する標的は、バイオチップのそれらのマイクロウェルからの増幅信号の統計的分析によって識別され、定量化され、単一のアッセイにおいて複数のサンプルの結果をもたらす。
【0097】
本発明は、これらのいくつかの実施形態を参照しつつかなり詳細に説明されているが、他の実施形態も可能である。したがって、付属の特許請求の精神および範囲は、本明細書に含まれる実施形態の説明に限定されるべきではない。
【0098】
様々な修正および変更が本発明の範囲または精神から逸脱することなく本発明の構造に加えられ得ることは当業者には明らかであろう。前述を鑑みて、本発明は、次の請求項の範囲内に収まることを条件として本発明の修正形態および変形形態をも対象とすることが意図されている。
【符号の説明】
【0099】
１００ マイクロ流体カートリッジ
１０２ 下側カートリッジ本体部
１０４ 上側カートリッジ本体部
１１０ 第１の基板
１１２ 注入口カラム
１１６ 流入トレンチ
１１６ＢＳ 底面
１１８ バイオチップスロット
１２０ 流出トレンチ
１２０ＢＳ 底面
１２２ 排出口カラム
１２６ 溶接線
１４０ 第２の基板
１４０ＢＳ 底面
１４２ 第１の開口部
１４２ｉ 第１の内壁
１４４ 光学窓
１４６ 第２の開口部
１５０ 第１のＯリング
１５２ 第２のＯリング
１６０ バイオチップ
１６２ マイクロウェル
１６４ シリコン層
１６４Ｒ 陥凹部
１６６ 熱伝導層
１６８ パターン層
１６８Ｈ 貫通孔
１７０ 入口ポート
１７２ 流体流入チャネル
１７４ 反応チャネル
１７６ 流体流出チャネル
１７８ 出口ポート
１８０ 第１のピペット先端部
１８２ 第２のピペット先端部
１９０ リブ
１９２ 受動的弁
１９４ 留め具
２００ マイクロ流体カートリッジ
２０２ 下側カートリッジ本体部
２０４ 上側カートリッジ本体部
２１０ 第１の基板
２１２ 注入口カラム
２１６ 流入トレンチ
２１８ バイオチップスロット
２２０ 流出トレンチ
２２２ 排出口カラム
２４０ 第２の基板
２４２ 第１の開口部
２４４ 光学窓
２４６ 第２の開口部
２４８ サンプル注入ポート
２５０ 第１のＯリング
２５２ 第２のＯリング
２５４ 注入ポートＯリング
２６０ バイオチップ
２７０ 入口ポート
２７２ 流体流入チャネル
２７２ａ、２７２ｂ、２７２ｃ、２７２ｄ 流体流入サブチャネル
２７４ 反応チャネル
２７４ａ、２７４ｂ、２７４ｃ、２７４ｄ 反応サブチャネル
２７６ 流体流出チャネル
２７６ａ、２７６ｂ、２７６ｃ、２７６ｄ 流体流出サブチャネル
２７８ 出口ポート
２８４ 反応チャネルスペーサ
２８６ 流入チャネルスペーサ
２８８ 流出チャネルスペーサ
２９６Ａ、２９６Ｂ 流体工学制御
３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄ 水性サンプル
１０２ 下側カートリッジ本体部
１０４ 上側カートリッジ本体部
１１０ 第１の基板
１１２ 注入口カラム
１１６ 流入トレンチ
１１６ＢＳ 底面
１１８ バイオチップスロット
１２０ 流出トレンチ
１２０ＢＳ 底面
１２２ 排出口カラム
１２６ 溶接線
１４０ 第２の基板
１４０ＢＳ 底面
１４２ 第１の開口部
１４２ｉ 第１の内壁
１４４ 光学窓
１４６ 第２の開口部
１５０ 第１のＯリング
１５２ 第２のＯリング
１６０ バイオチップ
１６２ マイクロウェル
１６４ シリコン層
１６４Ｒ 陥凹部
１６６ 熱伝導層
１６８ パターン層
１６８Ｈ 貫通孔
１７０ 入口ポート
１７２ 流体流入チャネル
１７４ 反応チャネル
１７６ 流体流出チャネル
１７８ 出口ポート
１８０ 第１のピペット先端部
１８２ 第２のピペット先端部
１９０ リブ
１９２ 受動的弁
１９４ 留め具
２００ マイクロ流体カートリッジ
２０２ 下側カートリッジ本体部
２０４ 上側カートリッジ本体部
２１０ 第１の基板
２１２ 注入口カラム
２１６ 流入トレンチ
２１８ バイオチップスロット
２２０ 流出トレンチ
２２２ 排出口カラム
２４０ 第２の基板
２４２ 第１の開口部
２４４ 光学窓
２４６ 第２の開口部
２４８ サンプル注入ポート
２５０ 第１のＯリング
２５２ 第２のＯリング
２５４ 注入ポートＯリング
２６０ バイオチップ
２７０ 入口ポート
２７２ 流体流入チャネル
２７２ａ、２７２ｂ、２７２ｃ、２７２ｄ 流体流入サブチャネル
２７４ 反応チャネル
２７４ａ、２７４ｂ、２７４ｃ、２７４ｄ 反応サブチャネル
２７６ 流体流出チャネル
２７６ａ、２７６ｂ、２７６ｃ、２７６ｄ 流体流出サブチャネル
２７８ 出口ポート
２８４ 反応チャネルスペーサ
２８６ 流入チャネルスペーサ
２８８ 流出チャネルスペーサ
２９６Ａ、２９６Ｂ 流体工学制御
３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄ 水性サンプル
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図10】
