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JP2016512332A - 被分析物の検出および定量化のためのシステムおよび方法 - Google Patents

被分析物の検出および定量化のためのシステムおよび方法 Download PDF

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JP2016512332A JP2016501354A JP2016501354A JP2016512332A JP 2016512332 A JP2016512332 A JP 2016512332A JP 2016501354 A JP2016501354 A JP 2016501354A JP 2016501354 A JP2016501354 A JP 2016501354A JP 2016512332 A JP2016512332 A JP 2016512332A
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Abstract

収集されたサンプル内の目的とする分子を検出するためのデバイス、システム、および方法が本明細書で説明される。ある実施形態では、再利用可能な読取機構成要素と、使い捨てカートリッジ構成要素と、使い捨てサンプル収集構成要素とを含む、内蔵サンプル分析システムが開示される。いくつかの実施形態では、読取機構成要素は、試験プロトコルおよび試験結果のデジタル伝送のために遠隔コンピュータデバイスと通信する。種々の開示された実施形態では、システム、構成要素、および方法は、例えば、サンプル中の１つまたはそれを上回る病原体および汚染物質の存在を試験するために、特定の核酸、タンパク質、または他の被分析物の存在、非存在、および／または数量を識別するように構成される。

Description

（関連出願の引用）
本願は、２０１３年３月１１日に出願され、ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＰＯＲＴＡＢＬＥ ＡＮＤ ＥＡＳＹ−ＴＯ−ＵＳＥ ＤＥＴＥＣＴＩＯＮ ＯＦ ＡＮＡＬＹＴＥＳ ＷＩＴＨ ＭＯＢＩＬＥ ＣＯＭＰＵＴＩＮＧ ＤＥＶＩＣＥと題された、米国仮出願第６１／７７６，２５４号に対する優先権を主張するものであり、該仮出願の全体は、参照により本明細書に援用される。
本技術は、概して、分子検出の分野に関する。具体的には、本技術は、収集されたサンプル内の１つまたはそれを上回る特定の被分析物の存在、非存在、および／または数量を検出するためのマイクロ流体デバイス、システム、および方法に関する。
サンプル内の核酸、タンパク質、および／または他の目的とする分子の存在、非存在、および／または数量を識別するための従来の技術は、多くの場合、高価な研究室機器および高度な訓練を受けた医療専門家の専門知識を必要とする。その結果として、そのような分析は、典型的には、研究室または医療施設内で行われる。そのような分子検出は、例えば、個人または他の動物内、あるいは環境内の病原体、疾患、汚染、過剰摂取、および中毒の存在を検出するために重要であり得る。残念ながら、現在、個人は、適正な試験を行うことができる前に、および結果を生成して分析することができる前に、長い待ち時間に直面し得る。長い待ち時間および研究室または医療施設への移動の不便さにより、疾患および汚染は、多くの場合、拡散し、該疾患または汚染の存在が識別される前でさえ、重大な有害を引き起こし得る。
改良型分子検出および定量化技術の有意な必要性がある。現在使用されている従来のデバイスより少ない時間で、かつ少ない技術的専門知識を用いて、目的とする分子を検出することができるデバイスの必要性がある。非臨床設定で、例えば、学校、勤務先、および家庭内で、消費者によって利用することができる、分子検出技術の必要性がある。また、薬局または医療施設に来院した消費者によって使用することができ、消費者が薬剤師または医療関係者と話す時間までに結果が入手可能であるように、迅速に結果を生成することができる、分子検出技術の必要性もある。また、生体有害リスクを最小限化するように構成される、消費者を標的にした分子検出デバイスの必要性もある。本明細書で開示される種々の実施形態は、これらの必要性のうちの１つまたはそれを上回るものを満たし得る。
本開示の一側面は、分子を検出するためのシステムを対象とする。種々の実施形態では、本システムは、カートリッジデバイスと、カートリッジデバイスに取り外し可能に連結される読取機デバイスと、サンプル収集デバイスとを含む。いくつかの実施形態では、カートリッジデバイスは、複数の貯留部、分析チャネル、および入力トンネルを画定する、内部障壁を有する、筐体と、カートリッジ筐体に連結されるか、または、カートリッジ筐体内に配置される回路基板であって、分析チャネルの壁を形成し、分析チャネルの一部分内に配置される複数のセンサを有する、回路基板とを含む。いくつかの実施形態では、読取機デバイスは、センサと整合させられる磁石と、センサに電気的に連結される回路と、その上に記憶された命令を伴うメモリを有する、プロセッサとを含む。そのような実施形態では、読取機デバイスはまた、磁石、回路、およびプロセッサが位置する、読取機筐体であって、サンプル分析カートリッジの少なくとも一部分を受容するドックを画定する、読取機筐体も含む。いくつかの実施形態では、サンプル収集デバイスは、入力トンネル内に少なくとも部分的に嵌合するように定寸される。加えて、いくつかの実施形態では、分子検出システムはまた、回路に電気的に連結され、複数の貯留部のうちの第１の貯留部と整合させられる、超音波処理構成要素も含む。超音波処理構成要素は、カートリッジデバイスまたは読取機デバイスの構成要素を形成してもよく、部分的または完全に圧電変換器から成ることができる。
本開示の別の側面は、サンプル分析カートリッジを対象とする。いくつかの実施形態では、カートリッジは、筐体と、筐体の上、下、または内に配置される回路基板とを含む。いくつかの実施形態では、筐体は、複数の貯留部、分析チャネル、および入力トンネルを画定する、内部障壁を有する。複数の貯留部は、サンプル調製試薬を含む第１の液体体積で少なくとも部分的に充填される、第１の貯留部と、化学基質を含む液体体積で少なくとも部分的に充填される、別の貯留部とを含む。いくつかの実施形態では、複数の貯留部は、加えて、洗浄液を含む液体体積で少なくとも部分的に充填される、貯留部を含み、ある実施形態では、入力トンネルは、筐体の表面における開口から第１の貯留部まで延在し、複数の貯留部のそれぞれは、少なくとも時として、分析チャネルと流体連通している。ある実施形態では、回路基板は、分析チャネルの一部分と整合させられる、複数のセンサを含む。
いくつかのそのような実施形態では、サンプル調製試薬は、表面結合親和性分子を有する、複数の磁気粒子と、複数の検出作用物質と、標的被分析物へのアクセス、および標的被分析物と表面結合親和性分子と検出作用物質との間の結合を促進する、複数の作用物質とを含む。他の実施形態では、カートリッジはまた、入力トンネルと第１の貯留部との間に配置される膜も含む。いくつかのそのような実施形態の膜は、複数の競合結合剤を乾燥貯蔵し、各競合結合剤は、信号伝達作用物質に結合される、事前結合標的被分析物を含む。加えて、そのような実施形態では、第１の貯留部中のサンプル調製試薬は、表面結合親和性分子を有する、複数の磁気粒子と、標的被分析物へのアクセスを促進し、かつ標的被分析物または競合結合剤への表面結合親和性分子の結合を促進する、複数の作用物質とを含む。種々の実施形態では、複数の磁気粒子は、２つまたはそれを上回るサイズの磁気粒子を含んでもよく、各サイズは、各サイズが異なる標的被分析物に結合するように、異なる表面結合親和性分子を有する。
サンプル分析カートリッジのいくつかの実施形態では、カートリッジは、複数の貯留部と対応する、複数の弁を備え、１つの弁は、複数の貯留部のうちの１つと分析チャネルとの間の各交差点に位置付けられる。いくつかのそのような実施形態では、複数の弁はそれぞれ、熱の印加時に相変化可能であり、回路基板は、複数の弁と整合させられる（例えば、直上または下に配置される）複数のビアを含み、そのようなビアは、加熱要素に物理的に連結される。いくつかの実施形態では、サンプル分析カートリッジはさらに、分析チャネルの下流端に配置される、吸収材料を含む。
カートリッジの種々の実施形態では、筐体は、固定構造を形成するようにともに連結される、カバー構成要素と、内部構成要素と、基礎構成要素とを含む。いくつかのそのような実施形態では、カバー構成要素は、内部構成要素の第１の側面上に配置され、基礎構成要素は、内部構成要素の第２の側面上に配置され、回路基板は、内部構成要素と基礎構成要素との間に位置付けられる。カバー構成要素および内部構成要素の第１の側面の特徴はともに、入力トンネルおよび複数の貯留部を画定してもよく、内部構成要素の第２の側面および回路基板の特徴は、分析チャネルをともに画定してもよい。
本開示の付加的な側面は、サンプル分析読取機を対象とする。種々の実施形態では、読取機は、磁場発生器と、カートリッジ検出ユニットを有する回路と、その上に記憶された命令を伴うメモリを有する、プロセッサと、サンプル分析カートリッジに連結するためのドックを伴う筐体とを含む。ある実施形態では、サンプル分析読取機がサンプル分析カートリッジに連結されるとき、磁場発生器によって生成される磁場は、サンプル分析カートリッジのセンサと実質的に整合させられ、回路は、サンプル分析カートリッジのセンサに電気的に連結される。種々の実施形態では、サンプル分析読取機は、複数のサンプル分析カートリッジに交換可能に連結する。
いくつかの実施形態では、読取機はまた、回路に電気的に連結される超音波処理構成要素も含む。そのような実施形態では、サンプル分析読取機がサンプル分析カートリッジに連結されるとき、超音波処理構成要素は、サンプル分析カートリッジ内のサンプル調製貯留部と整合させられる。
サンプル分析読取機のいくつかの実施形態では、磁場発生器は、複数の磁場発生器を含み、サンプル分析読取機がサンプル分析カートリッジに連結されるとき、複数の磁場発生器は、サンプル分析カートリッジの平面上に位置する複数のセンサと整合させられ、各磁場発生器は、異なる強度の磁場を生成するように構成される。そのような構成は、サンプル分析カートリッジの分析チャネル内で磁場勾配を生成する。いくつかの実施形態では、複数の磁場発生器は、センサの平面に対して異なる深度でそれぞれ配置される、複数の永久磁石で形成される。他の実施形態では、磁場勾配は、例えば、増大するサイズの複数の永久磁石、または増大するサイズあるいは増加する数のコイルの複数のインダクタを使用して、形成されてもよい。
読取機のいくつかの実施形態では、超音波処理構成要素は、プロセッサに電気的に連結される圧電構成要素であり、圧電構成要素は、貯留部内の機械的事象または機械的変化を電気信号に変換するように位置付けられる。そのような実施形態では、圧電構成要素に電気的に連結されるプロセッサおよび／または回路は、電気信号を受信して解釈するように構成される。貯留部内のこの機械的事象は、サンプル収集デバイスの進入時に、サンプル分析カートリッジのサンプル調製貯留部における屈曲を通して、圧電構成要素に印加される検出された圧力の形態で変換することができる。代替として、圧電構成要素の上方の機械的負荷または質量の変化は、プロセッサおよび／または回路によって検出可能および／または定量化可能である、圧電構成要素の共振周波数の偏移を引き起こし得る。他の実施形態では、圧電構成要素、ならびに接続されたプロセッサおよび／または回路は、圧電構成要素から放出されるパルスの反射波の変動を定量化する。いくつかのそのような実施形態では、プロセッサおよび／または回路は、反射波のそのような変動の閾値でプログラムされ、閾値は、貯留部内に収集デバイスがない状態と収集デバイス挿入状態とを区別するように設定される。貯留部内の機械的事象または機械的変化を電気信号に変換する、圧電構成要素のさらに別の実施例では、圧電構成要素は、入力トンネルまたは貯留部の特徴と相互作用するサンプル収集デバイスの機械部品によって作動させられる、クリック音と対応する音波等の音波を検出するように構成される。
サンプル分析読取機のいくつかの実施形態では、プロセッサは、実行されたときにプロセッサに方法を行わせる、メモリに記憶された命令を実行するように構成される。ある実施形態の方法は、回路から受信されるカートリッジ識別情報に少なくとも部分的に基づいて、連結されたサンプル分析カートリッジのための適正な試験プロトコルを識別するステップと、適正な試験プロトコルを実行するステップとを含む。いくつかの実施形態では、適正な試験プロトコルを実行するステップは、サンプル調製貯留部内で試験信号を生成するように、および帰還信号を検出するように、圧電構成要素を刺激するステップと、圧電構成要素から、検出信号であって、帰還信号および圧電構成要素の共鳴を含む、検出信号を受信するステップと、帰還信号の変化および／または圧電構成要素の共鳴の偏移に少なくとも部分的に基づいて、サンプル調製貯留部の中へのサンプル収集デバイスの進入を検出するステップと、超音波処理構成要素がサンプル調製貯留部内に配置された液体内の試薬およびサンプル粒子を混合するための超音波処理プロトコルを開始するステップであって、混合は、サンプル粒子との試薬のうちの少なくともいくつかのハイブリダイゼーションを促進する、ステップとを含む。
いくつかの実施形態では、適正な試験プロトコルを実行するときにプロセッサによって行われる方法は、加えて、または代替として、回路を介して、サンプル分析カートリッジのセンサによって生成される検出信号を受信するステップと、検出信号を処理するステップとを含む。本方法はまた、検出信号に少なくとも部分的に基づくデータを、モバイルコンピュータデバイスまたは表示デバイスに伝送するステップを含んでもよい。
本開示のさらなる側面は、非臨床疾患検出のための特殊化コンピュータを対象とする。種々の実施形態の特殊化コンピュータは、ハードウェアおよびソフトウェアの両方を含む。例えば、いくつかの実施形態では、コンピュータは、疾患検出カートリッジの少なくとも一部分に係合するためのドックまたはポートを含み、該ドックは、コンピュータ上または内に位置付けられる。種々の実施形態のコンピュータはまた、疾患検出カートリッジ内で起こる酸化反応から生成される信号を検出するための回路と、その上に記憶された命令を伴うメモリを有する、プロセッサとを含む。疾患検出カートリッジとの係合時に、プロセッサは、ある実施形態では、回路から受信される信号から、疾患検出カートリッジの分類を検出するステップと、分類に特有の試験プロトコルを開始するステップと、３０分未満で分類に特有の疾患検出結果を生成するステップとを含む、方法をプロセッサに行わせる、命令を実行する。本方法はさらに、さらなる処理、表示、および／または記憶のために、疾患検出結果を遠隔コンピュータデバイスに伝送するステップを含んでもよい。ある実施形態では、コンピュータは、高さが３０ｃｍ未満、幅が３０ｃｍ未満、および長さが３０ｃｍ未満である。ある実施形態では、コンピュータは、家庭、オフィス、または学校環境での訓練を受けていない消費者による使用のために意図される。
本開示の一側面は、被分析物の検出中および後に、全ての収集されたサンプル、および特定の被分析物を検出するために必要とされる全ての液体を確実に貯蔵する、内蔵被分析物検出キットを対象とする。種々の実施形態では、キットは、１回使い切りサンプル収集デバイスと、１回使い切り検出ユニットとを含む。検出ユニットは、サンプル収集デバイスを確実かつ永久的に受容するように定寸される、入力トンネルと、試薬、洗浄媒体、および基質を別個かつ確実に貯蔵する、複数のコンパートメントとを含む。いくつかの実施形態では、入力トンネルは、検出ユニットの表面上の開口から、試薬を保持する第１のコンパートメントの通路まで延在する。いくつかの実施形態では、サンプル収集デバイスの挿入に先立って、選択的に破れやすい膜が、入力トンネルの中への試薬の流動を遮断するように、第１のコンパートメントの通路を覆う。いくつかの実施形態では、補完的係止特徴が、入力トンネルの中へのサンプル収集デバイスの挿入時に、検出ユニットに対するサンプル収集デバイスの移動を制限するように、サンプル収集デバイスの上および入力トンネルの中に配置される。また、いくつかの実施形態では、サンプル収集デバイスおよび入力トンネルは、サンプル収集デバイスが入力チャネルの中へ前進すると、液密シールを形成するように定寸される。
開示された技術のなおもさらなる側面は、医療提供者または技術者が存在しない状態で、疾患を検出するための方法を対象とする。いくつかの実施形態では、そのような方法は、サンプルを収集するようにユーザの鼻の内部通路を綿棒で擦るステップと、疾患検出試験プロトコルを行うために必要とされる全ての試薬および基質を収納するカートリッジを、カートリッジを検出するように構成される特殊化コンピュータの中または上に配置するステップと、綿棒がカートリッジ内の定位置に係止し、除去することができないように、カートリッジに綿棒を挿入するステップとを含む。種々の実施形態では、特殊化コンピュータは、綿棒の挿入を感知し、試験プロトコルを開始する。いくつかのそのような実施形態では、特殊化コンピュータは、３０分未満で試験プロトコルを介してサンプル内の特定の疾患の存在または非存在を検出する。本方法はまた、結果が、有線または無線通信接続を介して、特殊化コンピュータから遠隔コンピュータデバイスに伝送された後に、遠隔コンピュータデバイスから試験の結果を読み取るステップを含んでもよい。
本開示の付加的側面は、サンプル内の標的被分析物の存在、非存在、および／または数量を検出するための方法を対象とする。種々の実施形態の方法は、被分析物読取機の中または上にカートリッジを装填するステップであって、カートリッジは、試薬で少なくとも部分的に充填される第１の貯留部と、基質で少なくとも部分的に充填される貯留部と、随意に、洗浄液で少なくとも部分的に充填される別の貯留部とを含む、複数の貯留部を有する、ステップと、滅菌パッケージからサンプル収集デバイスを除去するステップと、サンプルを収集するように、検体をサンプル収集デバイスの先端と接触させるステップと、少なくとも先端が第１の貯留部に進入するまで、カートリッジにサンプル収集デバイスを挿入するステップとを含む。ある実施形態では、第１の貯留部にサンプル収集デバイスの先端を挿入するステップは、被分析物読取機を起動し、サンプル収集デバイスによって収集されたサンプルを第１の貯留部中の試薬と混合させるように、被分析物読取機内の超音波処理デバイスに超音波処理プロトコルを行わせる。加えて、または代替として、第１の貯留部に先端を挿入するステップは、一連の加熱要素に、複数の貯留部内または付近に位置付けられる一連の弁を連続的に融解させ、それによって、被分析物読取機による分析のために、複数の貯留部の内容物を分析ゾーンの中へ連続的に放出する。いくつかのそのような実施形態では、カートリッジにサンプル収集デバイスの先端を挿入するステップは、サンプル収集デバイスの先端が、入力トンネルの遠位端に配置される膜障壁を破り、先端が第１の貯留部に進入し、サンプル収集デバイスが、サンプル収集デバイスと入力トンネルとの間に形成された液密シールを伴ってカートリッジと固定係合するように係止するまで、カートリッジの入力トンネルの中へサンプル収集デバイスを前進させるステップを伴う。
本開示の別の側面は、サンプル内の標的被分析物の存在、非存在、および／または数量を検出するための方法を対象とする。例えば、いくつかの実施形態では、コンピュータ化被分析物読取機によって行われる方法は、被分析物読取機の中または上に装填されるカートリッジの存在を検出するステップと、カートリッジと関連付けられる識別情報を検出するステップと、識別情報に少なくとも部分的に基づいて、カートリッジのための適正な試験プロトコルを識別するステップとを含む。いくつかの実施形態では、コンピュータ化方法は、加えて、または代替として、カートリッジの第１の貯留部に挿入されるサンプル収集デバイスを検出するステップと、第１の貯留部内で、複数の試薬、複数の磁気粒子、複数の検出作用物質または競合結合剤、および複数のサンプル粒子を混合するために、サンプル収集デバイス挿入時に超音波処理プロトコルを開始するステップとを含む。いくつかのそのような実施形態では、複数の磁気粒子は、少なくとも、第１の標的被分析物に結合するように構成される、その表面上に第１の表面親和性分子をそれぞれ有する、複数の大型磁気粒子と、第２の標的被分析物に結合するように構成される、その表面上に第２の表面親和性分子をそれぞれ有する、複数の小型磁気粒子とを含む。例えば、超音波処理プロトコルを介した混合時に、第１のおよび／または第２の標的被分析物が存在する場合、ハイブリダイゼーションが起こる。いくつかのそのような実施形態、具体的には、検出作用物質を伴う実施形態では、結果として生じる混合物は、磁気粒子の表面上の表面親和性分子および検出作用物質の両方に結合される標的被分析物でそれぞれ形成される、複数のサンドイッチ錯体を含む。他の実施形態、具体的には、競合結合剤を伴う実施形態では、結果として生じる混合物は、磁気粒子の表面上の表面親和性分子のみに結合される標的被分析物でそれぞれ形成される、複数の分子錯体を含む。
いくつかの実施形態では、本方法はまた、カートリッジ内の第１の弁が融解し、混合物がサンプル調製貯留部から分析チャネルに流入するように、第１の加熱要素を刺激するステップも含む。種々の実施形態では、混合物は、溶液中に懸濁させられ、溶液は、毛管作用を介して、第１の貯留部から下流の吸収材料に向かって分析チャネルの中へ混合物を輸送する、輸送媒体の役割を果たす。分析チャネル内で、混合物の磁気粒子は、分析チャネルの一部分内の複数の磁石または他の磁場発生器にわたって限局し、それによって、磁気粒子が複数の限局性サンプルを形成する。そのような実施形態では、磁気粒子は、大型磁気粒子がより小型の上流磁場内で限局し、小型磁気粒子がより大きい下流磁場内で限局するように、サイズおよび強度に基づいて限局する。いくつかの実施形態の方法はまた、カートリッジ内の第２の弁が融解し、洗浄液が第２の貯留部から流出して分析チャネルに流入し、複数の限局性サンプルから、磁気粒子に間接的に結合されていない検出作用物質および／または競合結合剤を除去するように、第２の加熱要素を刺激するステップも含む。いくつかの実施形態の方法はさらに、カートリッジ内の第３の弁が融解し、基質の溶液が第３の貯留部から流出して分析チャネルに流入するように、第３の抵抗加熱器を刺激するステップを含む。いくつかの実施形態では、検出作用物質および競合結合剤は、基質を酸化させる酸化酵素を含む。
コンピュータ化方法はさらに、より小さい磁場内に位置する第１の記録センサにおいて第１の信号を検出するステップであって、第１の信号の少なくとも一部分は、基質の酸化によって引き起こされる、ステップと、より大きい磁場付近に位置する第２の記録センサにおいて第２の信号を検出するステップであって、第２の信号の少なくとも一部分は、基質の酸化によって引き起こされる、ステップと、基準センサにおいて基準信号を検出するステップと、例えば、雑音を排除するように、第１の信号から基準信号を差し引くことによって、第１の結果として生じた信号を計算するステップと、第１の標的被分析物の存在および／または数量を識別するように、第１の結果として生じた信号を処理および分析するステップと、例えば、雑音を排除するように、第２の信号から基準信号を差し引くことによって、第２の結果として生じた信号を計算するステップと、第２の標的被分析物の存在および／または数量を識別するように、第２の結果として生じた信号を処理および分析するステップとを含んでもよい。いくつかの実施形態では、本方法はまた、試験結果を示す信号をモバイルコンピュータデバイスに伝送するステップも含む。
いくつかのそのような実施形態では、第１の結果として生じた信号は、限局性サンプル内に存在する第１の標的被分析物の数量に比例し、第２の結果として生じた信号は、限局性サンプル内に存在する第２の標的被分析物の数量に比例する。他の実施形態では、第１および第２の結果として生じた信号は、サンプル中に存在する第１および第２の標的被分析物の数量に間接的に比例する。他の実施形態では、第１の信号は、第１の被分析物の数量に間接的に比例し、第２の信号は、第２の標的被分析物の数量に正比例し、またはその逆も同様である。
サンプル内の標的被分析物の存在、非存在、および／または数量を検出するためのコンピュータ化方法の他の実施形態では、第１の貯留部は、１つのサイズの磁気粒子のみを含み、１つだけの磁石または他の磁場発生器が、分析チャネルの中または付近に提供される。そのような実施形態では、本方法は、単一の標的被分析物の存在、非存在、および／または数量の検出を可能にする。
コンピュータ化方法の他の実施形態では、３つまたはそれを上回るサイズの磁気粒子が、第１の貯留部中に存在し、等数の３つまたはそれを上回る磁場発生器が、分析チャネルの中または付近に提供される。そのような様式で、サンプル内の複数の被分析物の存在を試験するために、単一のデバイスおよび単一の方法が採用されてもよい。センサ信号が標的被分析物の数量と正比例しようと、または間接的に比例しようと、その信号と被分析物標的濃度との間に１対１のマッピングを作成するために、任意の数の粒径および磁場強度を利用することができる。そのような実施形態では、磁場の数は、両方とも、本システムが検出するように構成される、異なる標的被分析物の数に等しい、センサの数および一意的な磁気粒子集団の数に等しい。そのような方法およびデバイスは、例えば、多くの疾患の中でも、どれに個人が罹患しているか、多くの薬剤または毒の中でも、どれに個人が不利に反応しているか、多くの化学物質の中でも、どれが水を汚染したかを判定するために、使用されてもよい。他の実施例は、個人の体内の種々のビタミン、ホルモン、タンパク質、または他の目的とする被分析物を定量化するステップを含む。
類似数字が類似要素を表す、添付図面を参照して、例示的実施形態が以下で説明される。
図１Ａ−１Ｄは、本開示された被分析物検出システムの一実施形態内で見出される分子および反応の概略描写を提供する。 図２Ａ−２Ｂは、本開示された被分析物検出システムの別の実施形態内で見出される分子および反応の概略描写を提供する。 図３Ａ−３Ｂは、それぞれ、サンプル収集デバイスの一実施形態の側面図および斜視図を描写する。図３Ｃ−３Ｄは、それぞれ、図３Ａ−３Ｂのサンプル収集デバイスの実施形態において提供された収集ヘッドの斜視図および側面図を描写する。 図４Ａは、サンプル収集デバイスの別の実施形態の側面図を描写する。図４Ｂは、図４Ａのサンプル収集デバイスの斜視図を描写する。 図５は、サンプル収集デバイスの一実施形態の機能ブロック図を描写する。 図６は、サンプル収集デバイスの別の実施形態の側面図を描写する。 図７Ａは、組み立てられたカートリッジデバイスの一実施形態の斜視図を描写する。 図７Ｂは、分解構成で図７Ａのカートリッジデバイスを形成する構成要素の斜視図を描写する。 図８は、カートリッジデバイスの別の実施形態の分解図を描写する。 図９Ａ−９Ｃは、別のカートリッジデバイスの実施形態の分解、半分解、および非分解斜視図を描写する。 図１０Ａは、図８のカートリッジデバイスの実施形態の上面図を描写する。 図１０Ｂは、図８からのカートリッジデバイスの部分斜視図を描写する。 図１１Ａ−１１Ｂは、それぞれ、カートリッジデバイスの一実施形態で見出される内部構成要素および回路基板構成要素の上面図および斜視図を描写する。図１１Ｃは、特定の実施形態における貯留部の特徴を強調表示するように拡大された、図１１Ａの内部構成要素の部分図を描写する。 図１２Ａ−１２Ｂは、それぞれ、その中に配置された図４のサンプル収集デバイスの実施形態を有する、図８のカートリッジデバイスの実施形態の上面図および側面図を描写する。 図１３Ａ−１３Ｂは、カートリッジの残りの部分から単離して概略的に表される、サンプル調製貯留部の一実施形態の上面図および斜視図を描写する。 図１４は、入力トンネルの一実施形態の機能ブロック図を描写する。 図１５Ａ−１５Ｃは、それぞれ、入力トンネルの別の実施形態の上面図、側面図、および斜視図を描写する。 図１６Ａは、サンプル収集デバイスの一実施形態が係止構成でその中に配置される、入力トンネルの一実施形態の上面図を描写する。図１６Ｂ−１６Ｃは、それぞれ、実施形態の係止特徴および密閉特徴を強調表示するように拡大された、図１６Ａの入力トンネルおよびサンプル収集デバイスの部分図を描写する。 図１７Ａ−１７Ｉは、マイクロ流体分析チャネルの種々の実施形態の断面図を描写する。 図１７Ａ−１７Ｉは、マイクロ流体分析チャネルの種々の実施形態の断面図を描写する。 図１７Ａ−１７Ｉは、マイクロ流体分析チャネルの種々の実施形態の断面図を描写する。 図１７Ａ−１７Ｉは、マイクロ流体分析チャネルの種々の実施形態の断面図を描写する。 図１７Ａ−１７Ｉは、マイクロ流体分析チャネルの種々の実施形態の断面図を描写する。 図１７Ａ−１７Ｉは、マイクロ流体分析チャネルの種々の実施形態の断面図を描写する。 図１７Ａ−１７Ｉは、マイクロ流体分析チャネルの種々の実施形態の断面図を描写する。 図１７Ａ−１７Ｉは、マイクロ流体分析チャネルの種々の実施形態の断面図を描写する。 図１７Ａ−１７Ｉは、マイクロ流体分析チャネルの種々の実施形態の断面図を描写する。 図１８Ａ−１８Ｂは、それぞれ、図７Ａ−７Ｂのカートリッジの実施形態の回路基板構成要素の実施形態の上面図および底面図を描写する。 図１９は、図８のカートリッジの実施形態からの第１の貯留部の断面図を描写する。 図２０は、カートリッジの一実施形態内に位置付けられた弁を描写する。 図２１は、読取機デバイスの一実施形態を概略的に表す。 図２２は、読取機デバイスの一実施形態の分解図を描写する。 図２３Ａ−２３Ｃは、自動検出および自動開始プロトコルの種々の状態に従事した超音波発生装置を概略的に表す。 図２４は、弁フィードバックシステムの一実施形態の概略図を描写する。 図２５は、弁フィードバックシステムを有する読取機デバイスの一実施形態の部分図を描写する。 図２６Ａ−２６Ｃは、図７Ａ−７Ｂのカートリッジデバイスの実施形態との種々の係合段階で、図２２の読取機デバイスの実施形態の種々の図を描写する。 図２７Ａ−２７Ｂは、カートリッジデバイスの別の実施形態に連結された読取機デバイスの別の実施形態の側面図および断面図を提供する。 図２７Ａ−２７Ｂは、カートリッジデバイスの別の実施形態に連結された読取機デバイスの別の実施形態の側面図および断面図を提供する。 図２８Ａは、標的被分析物検出システムの一実施形態を備える、種々の構成要素を描写する。 図２８Ｂは、種々の構成要素がともに連結されて使用されている、図２８Ａの標的被分析物検出システムを描写する。 図２９Ａは、読取機デバイスの別の実施形態を描写する。図２９Ｂは、遠隔コンピュータデバイスに直接連結された図２９Ａの読取機デバイスを描写する。 図３０は、読取機デバイスの別の実施形態を描写する。 図３１は、被分析物検出システムの一実施形態の概略図を提供する。 図３２は、サンプル中の標的被分析物の存在、非存在、および／または数量を検出するための方法の一実施形態のフローチャートを提供する。
以下の詳細な説明では、本開示の一部を形成する、添付図面を参照する。図面および説明で説明される実施形態は、限定的ではなく例示的であることを目的としている。本明細書で示されるように、「例示的な」という用語は、「実施例または例証としての機能を果たすこと」を意味し、必ずしも他の実施形態と比べて好ましい、または有利であると解釈されるべきではない。本明細書で提示される主題の精神または範囲から逸脱することなく、他の実施形態が利用されてもよく、修正が行われてもよい。本明細書で説明および例証されるような本開示の側面は、種々の異なる構成で配列し、組み合わせ、および設計することができ、その全ては、明示的に考慮され、本開示の一部を形成する。
別様に定義されない限り、本明細書で使用される各技術または科学用語は、本開示が属する技術分野の当業者に一般的に理解されるものと同一の意味を有する。以下に続く請求項および本明細書で提供される本開示によると、以下の用語は、明示的に別様に記述されない限り、以下の意味で定義される。
「約」または「およそ」という用語は、数値指定または範囲（例えば、圧力または寸法）の前で使用されるときに、（＋）または（−）５％、１％、または０．１％だけ変動し得る近似値を示す。
本明細書および請求項で使用されるように、「ある（ａ、ａｎ）」および「該（ｔｈｅ）」という単数形は、文脈が明確に別様に決定付けない限り、単数および複数の参照の両方を含む。例えば、「１つの分子」という用語は、複数の分子を含んでもよく、かつ含むと考慮される。時として、請求項および開示は、「複数」、「１つまたはそれを上回る」、または「少なくとも１つ」等の用語を含んでもよいが、そのような用語の欠如は、複数が着想されないことを意味することを目的としておらず、かつ意味すると解釈されるべきではない。
本明細書で使用されるように、「〜を備える」または「備える」という用語は、デバイス、システム、および方法が、記載された要素を含み、加えて、任意の他の要素を含み得ることを意味することを目的としている。「本質的に〜から成る」は、デバイス、システム、および方法が、記載された要素を含み、記述された目的で組み合わせにとって本質的に意義のある他の要素を除外することを意味するものである。したがって、本質的に本明細書で定義されるような要素から成るデバイスまたは方法は、請求された発明の基本および新規の特性に物質的に影響を及ぼさない、他の材料またはステップを除外しないであろう。「〜から成る」は、デバイス、システム、および方法が、記載された要素を含み、ささいにすぎない、または重要ではない要素またはステップを除外することを意味するものとする。これらの移行用語のそれぞれによって定義される実施形態は、本開示の範囲内である。
本明細書で開示される種々のデバイス、システム、キット、および方法は、検体から採取されるサンプル内の標的被分析物を単離し、タグ付けし、検出することを目的としている。ある実施形態では、そのような検出を可能にするために、化学反応が採用される。例示的な化学反応が、以下で議論され、図１Ａ−２Ｂで描写される。
反応物質および反応
いくつかの実施形態では、標的被分析物１１０ａ、１１０ｂが、図１Ａおよび１Ｂに示されるように、サンプル調製試薬の溶液に添加される。この標的被分析物は、核酸、タンパク質、小分子、または重金属等の任意の分子であってもよい。サンプル調製試薬は、少なくとも、磁気マイクロビーズまたはナノ粒子１２０ａ、１２０ｂ（本明細書では「磁気粒子」と称される）を含む。種々の実施形態では、各磁気粒子１２０ａ、１２０ｂは、その表面に結合した親和性分子１３０ａ、１３０ｂを有する。親和性分子は、標的分子に結合するか、またはそれを捕捉することができる、任意の好適な分子または部分であってもよい。親和性分子の非限定的実施例は、抗体（一本鎖、多重鎖抗体、ダイアボディ、ヒト化抗体等を含む）、親和性を伴う抗体断片、リガンド、基質に対する結合親和性を伴うポリペプチドまたはタンパク質分子および部分、核酸分子（例えば、アプタマー）、結合親和性を伴う他の分子、および同等物を含む。図１Ａおよび１Ｂは、抗体１３０ａおよび核酸プローブ１３０ｂを描写するが、核酸アプタマー、または他の結合タンパク質あるいは分子を含む、任意の好適な親和性分子を使用することができる。いくつかの実施形態では、サンプル調製試薬はまた、例えば、信号伝達作用物質１５０ａに共役した抗体１６０ａ、または信号伝達作用物質１５０ｂに結合した標識核酸プローブ１６０ｂ等の検出作用物質１４０ａ、１４０ｂも含む。種々の実施形態の検出作用物質１４０のそれぞれは、例えば、酸化酵素または他の信号伝達酵素、メチレンブルーまたは他の電気化学応答性タグ、あるいは臭化エチジウム、フルオレセイン、緑色蛍光タンパク質、または他のフルオロフォア等の蛍光タグ等の信号伝達作用物質１５０を含む。
検出作用物質１４０を含む実施形態では、上記で記載される種々の試薬は、サンドイッチ錯体を形成するように交雑してもよい。例示的なサンドイッチ錯体１００ａ、１００ｂが、図１Ｃおよび１Ｄで図示されている。各サンドイッチ錯体は、（１）表面結合親和性分子１３０ａ、１３０ｂを有する磁気粒子１２０ａ、１２０ｂ、（２）標的被分析物１１０ａ、１１０ｂ、および（３）検出作用物質１４０ａ、１４０ｂで形成される。図１Ｃの例示的なサンドイッチ錯体１００ａは、親和性分子として抗体を使用し、標的被分析物は、目的とするタンパク質または小分子である。図１Ｄの例示的なサンドイッチ錯体１００ｂは、特定の核酸の配列を捕捉するように設計されている核酸プローブを使用する。
種々の実施形態では、信号伝達作用物質１５０は、例えば、西洋ワサビペルオキシダーゼ（ＨＲＰ）または大豆ペルオキシダーゼ等の酸化酵素である。そのような実施形態では、酵素は、特定の化学基質の存在下にあるときに、電気化学電池において起こる酸化反応を誘発する。したがって、特定の基質が、電気化学電池における標的被分析物および磁気粒子に結合した酸化酵素を越えて流動するか、または別様にそれに遭遇する場合に、酸化反応が起こる。そのような実施形態では、それに応じて、存在する標的被分析物の量に比例する数量で、酸化酵素によって基質から奪われた電子を補充するように、電子が電気化学電池の作業電極から放出される。電子の放出または流動は、例えば、電流の変化または電圧の変化として電極によって検出可能である、電流をもたらす。
図２Ａ−２Ｂの概略図によって表される実施形態等の他の実施形態では、サンプル調製試薬は、少なくとも、その表面に結合した親和性分子２３０をそれぞれ有する、磁気粒子２２０の集団を含む。いくつかのそのような実施形態では、競合結合剤２４０、および標的被分析物２１０を含有するサンプルが、サンプル調製試薬に添加される。種々の実施形態の競合結合剤２４０は、信号伝達作用物質２５０、例えば、上記で説明される信号伝達作用物質のうちのいずれかに事前に結合する、事前結合標的被分析物２７０を含む。事前結合標的被分析物２７０は、例えば、抗体、核酸プローブ、核酸アプタマー、または他の親和性分子２６０を介して、信号伝達作用物質２５０に間接的に結合されてもよい。種々の実施形態では、サンプルからの非結合標的被分析物２１０、および競合結合剤２４０が、磁気粒子２２０上の親和性分子２３０に結合するように相互と競合する。磁気粒子２２０に結合することが成功する競合結合剤２４０および信号伝達作用物質２５０の量は、サンプル中に存在する非結合標的被分析物２１０の量に反比例する。競合結合剤２４０の信号伝達作用物質２５０が酸化酵素である、実施形態では、特定の基質が、電気化学電池における競合結合剤２４０に結合した磁気粒子を越えて流動するか、または別様にそれに遭遇する場合に、酸化反応が起こる。それに応じて、サンプル中に存在する標的被分析物の量に反比例する数量で、酸化酵素によって基質から奪われた電子を補充するように、電子が電気化学電池の作業電極から放出される。電子の放出または流動は、例えば、電流の変化または電圧の変化として電極によって検出可能である、電流をもたらす。
本明細書で考慮されるいくつかの実施形態では、サンプル試薬は、磁気粒子の１つだけの集団と、検出作用物質または競合結合剤の１つの集団とを含む。そのような実施形態は、目的とする単一の標的被分析物の検出のために調節される。
他の実施形態では、磁気粒子ならびに検出作用物質および／または競合結合剤の複数の集団が提供され、各集団は、独自の親和性を有するように構築される。そのような実施形態では、磁気粒子の各集団は、その表面に結合した一意的な親和性分子を有し、それによって、磁気粒子の各集団は、異なる標的被分析物と結合するように設計されている。同様に、検出作用物質の各集団は、一意的な親和性分子を含み、それによって、異なる標的被分析物と結合するように設計されている。競合結合アプローチを採用する実施形態では、競合結合剤の各集団は、異なる事前結合標的被分析物を含み、それによって、異なる標的被分析物と競合するように設計されている。そのような実施形態は、複数の標的被分析物の検出を可能にする。
当業者であれば、磁気粒子結合錯体を形成する可能性は多数であり、全てのそのような可能性が本明細書で考慮されることを理解するであろう。例えば、サンプル調製試薬は、標的被分析物の一部分に結合する、ビオチン標識抗体を含んでもよい。いくつかの実施形態では、サンプル調製試薬の間で存在する抗体および／または核酸は、ストレプトアビジン共役信号伝達酵素がビオチン化検出剤と係合して錯体を形成することができるように、事前にビオチン化されてもよい。１つのそのようなストレプトアビジン共役信号伝達酵素は、ＨＲＰである。タグ付けの組み合わせは、ビオチン・ストレプトアビジンに限定されない。任意の好適なタグ付け方式が機能するであろう。別の実施例では、複数のＨＲＰ酵素が、結果として生じたサンドイッチ錯体の信号生成能力を増進するために、ポリＨＲＰ分子として一般的に知られている分子にともに共役される。
磁気粒子結合錯体を形成する構成要素に加えて、種々の実施形態のサンプル調製試薬は、（ａ）塩等の磁気粒子結合錯体の形成を促進する作用物質、（ｂ）細菌またはウイルスの溶解あるいは大分子またはヌクレオチドの切断のための洗剤および酵素等の標的被分析物へのアクセスおよび特異性を促進する作用物質、（ｃ）非特異的結合を減少させる阻害タンパク質、および（ｄ）サンプル調製試薬の保存可能期間を向上させることができる、例えば、トレハロース等の安定剤のうちの１つまたはそれを上回るものを含むことができる。
サンプル調製試薬の少なくともいくつかの実施形態では、結合の可能性を増進するために塩が必要である。例えば、いくつかの実施形態は、リン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ）を含む。他の実施形態では、電気化学検出に干渉しない任意の塩が試薬内で提供されてもよい。
サンプル調製試薬の間で存在する抗体、酵素、および／または他のタンパク質を安定させることに役立つように、周知のウシ血清アルブミン、カゼイン、フィブリノゲン、または他の阻害タンパク質等の阻害タンパク質が提供されてもよい。そのような阻害タンパク質はまた、磁気粒子、ならびに本明細書の他の場所で説明されるシステムおよびデバイスの壁への信号伝達酵素の非特異的結合を防止することにも役立ち得る。
加えて、目的とする分子または核酸にアクセスするために溶解を必要とする実施形態については、洗剤が採用されてもよい。種々の実施形態では、信号伝達酵素および／または抗体の変性を防止するように、イオン性洗剤よりもむしろ非イオン性洗剤が提供される。洗剤は、細菌の溶解を増進することができるが、インフルエンザウイルス等の種々のウイルスを穏やかに溶解させるためにも有用である。そのような溶解は、ウイルスの内部の核タンパク質等の標的被分析物へのアクセスを向上させるために望ましくあり得る。加えて、いくつかの実施形態では、サンプル調製試薬は、溶解を増進し、溶解中に粘度を低減させる酵素を含み、そのような試薬は、いくつかのサンプル、例えば、大腸菌等の細菌を含有するサンプルの調製のために必要であり得る。溶解を増進および促進する酵素は、磁気粒子の表面上の核酸プローブを妨害することなく、放出されたゲノムＤＮＡを切り刻む、リゾチームおよびデオキシリボヌクレアーゼを含んでもよい。
より大きいヌクレオチド配列をより小さい配列に選択的に切り刻む、リボヌクレアーゼまたはデオキシリボヌクレアーゼ等の酵素は、有利な結合反応速度を有する、より小さい断片を生成するために有用であり得る。そのような酵素は、いくつかの実施形態のサンプル調製試薬中に存在する。他の構成要素もまた、サンプル調製試薬内に含まれてもよい。例えば、トレハロース等の安定剤が存在してもよく、そのような安定剤は、酸化からタンパク質を保護することに役立ち、それによって、特に室温で、試薬の保存可能期間を増加させる。
本明細書で説明されるシステムの種々の実施形態は、上記で説明される化学反応のいずれかが、完全に自動的に、または実質的に人間の介入を伴わずに起こり得る、内蔵環境を生成するように設計されている。例えば、本明細書で説明されるいくつかの設計では、上記の化学反応のうちの１つまたはそれを上回るものは、オペレータが試薬を本システムに添加するか、または本システムから除去する必要なく進む。ある実施形態では、本システムは、検体から収集されたサンプルがこぼれるリスク等の生体有害リスクが最小限化されるように閉鎖される。種々の実施形態では、そのようなシステムは、少なくとも、サンプル収集デバイス、カートリッジデバイス、および読取機デバイスを含む。そのようなデバイスの例示的実施形態が、以下でさらに詳細に説明される。
サンプル収集デバイス
種々の実施形態のサンプル収集デバイスは、検体からサンプルを収集するように構成される。サンプル収集デバイスは、任意の所望の領域または場所、例えば、頬の内側、喉、鼻腔、耳から、尿から、血液から、または別の身体部分から、細胞および他の生物学的物質を収集するように構成されてもよい。１つの例示的なサンプル収集デバイスは、血液または尿の小液滴を小型毛管チャネルの中へ吸い上げるユニットを含む。他の実施形態では、サンプル収集デバイスは、例えば、空気または水から、あるいは物理的表面または他の構造から等、環境から生物学的物質、粒子状物質、または他の化学物質を収集するように構成されてもよい。
種々の実施形態のサンプル収集デバイスは、以下で説明される他のデバイスを使用して、検体中の標的被分析物の存在、非存在、および／または数量を検出することが可能であるように、検体の適切な場所から十分に大きいサンプルを収集するように定寸および成形される。例えば、インフルエンザまたは風邪ウイルスと関連付けられるもの等のいくつかの標的被分析物については、サンプル収集デバイスは、鼻挿入綿棒であってもよく、綿棒は、個人に存在する場合、インフルエンザまたは風邪ウイルスと関連付けられる標的被分析物の検出を可能にするように、個人の鼻腔から十分な量のサンプルを収集するように定寸および成形される。例えば、連鎖球菌性咽頭炎と関連付けられるもの等の他の標的被分析物については、サンプル収集デバイスは、個人の喉から十分な細胞を擦り取るように成形される、咽喉綿棒であってもよい。別の実施例として、ＨＩＶと関連付けられる標的被分析物を収集するために適切なサンプル収集デバイスは、血液ランセットを備えてもよい。別の実施例では、尿を収集するように構成されるサンプル収集デバイスは、例えば、テストステロンレベル、薬剤レベル、ビタミンレベル、および／または生殖能力を追跡するための検査を含む、種々の検査のために標的被分析物を収集するために適切であり得る。
サンプル収集デバイスの１つのそのような実施形態が、図３Ａ−３Ｄで提供される。サンプル収集デバイス３００は、検体から少量の尿を収集するように構成される。サンプル収集デバイス３００は、シャフト３１０、収集ヘッド３２０、先端３３０、および収集領域３４０を有し、収集領域３４０は、毛細管で形成される。いくつかの実施形態のシャフトは、収集者の手が収集部位から除去された状態で、容易かつ衛生的な収集を促進するように伸長である。先端３３０を有する収集ヘッド３２０は、図３Ｃ−３Ｄで単離して示されている。いくつかの実施形態では、収集ヘッド３２０は、例えば、補完的ねじ山または係止機構、および／またはカートリッジデバイスと係合するための密閉機構等の以下でさらに詳細に説明される特徴のうちの１つまたはそれを上回るものを有する、シャフトと組み合わせられる。
サンプル収集デバイス４００の別の実施形態が、図４Ａおよび４Ｂで提供される。提供されたサンプル収集デバイス４００は、鼻腔から生物学的物質を収集するために構成される、鼻綿棒である。サンプル収集デバイス４００は、シャフト４１０と、収集ヘッド４２０と、先端４３０とを有する。いくつかの実施形態では、先端４３０は、丸みを帯びている。他の実施形態では、任意の鈍的または実質的に鈍的な先端形状が使用されてもよい。種々の実施形態では、シャフト４１０は、個人の鼻内に嵌合するように伸長であり、収集ヘッド４２０は、鼻の内壁を優しく擦り、鼻内に存在する流体、細胞、および他の生物学的物質を収集するように構成される。いくつかの実施形態では、シャフト４１０および収集ヘッド４２０は、同一の材料で形成される。他の実施形態では、それらは、異なる材料で形成される。いくつかの実施形態では、シャフト４１０および収集ヘッド４２０の両方は、プラスチックで形成される。いくつかの実施形態では、サンプル収集デバイス４００は、滅菌包装内に事前包装され、１回限りの使用のために構成される。
いくつかの実施形態では、サンプル収集デバイス４００の先端４３０は、鈍的であり、鋭い縁を含まない。鈍的設計は、サンプル収集デバイスでユーザがけがをするリスクを低減させる。加えて、鈍的先端４３０の利点が、カートリッジデバイスの議論において以下でさらに詳細に説明される。種々の実施形態のサンプル収集デバイス４００は、そのようなカートリッジデバイスの中への完全または部分的挿入のために構成される。
図４Ａ−Ｂのサンプル収集デバイス４００を含む、サンプル収集デバイスの種々の実施形態では、本デバイスは、複数の機能構成要素を含む。そのような機能構成要素は、図５のブロック図で概略的に表される。これらの構成要素が機能的に説明されるため、当業者であれば、構成要素が多くの物理的形態を成し得ることを理解するであろう。全ての好適な物理的形態が、本明細書で考慮され、組み込まれる。描写されるように、種々の実施形態では、サンプル収集デバイス５００は、サンプルを収集し、カートリッジデバイス内の貯留部に送達するためにサンプルを貯蔵するための収集ゾーン５１０、カートリッジデバイスの中へのサンプル収集デバイス５００の挿入時に、サンプル収集デバイス５００とカートリッジデバイスとの間の液密シールの形成を促進するための密閉ゾーン５２０、カートリッジデバイスの中へのサンプル収集デバイス５００の挿入時に、収集デバイスがカートリッジと不可逆的かつ不可動に噛合されるように、サンプル収集デバイス５００とカートリッジデバイスとの間の固定係合を促進するための係止ゾーン５３０、およびユーザがサンプル収集デバイスを把持して操作するためのハンドルゾーン５４０のうちの１つまたはそれを上回るものを含む。いくつかの実施形態では、収集ゾーン５１０はまた、カートリッジデバイス内の貯留部の中へのアクセスを取得するために、カートリッジデバイス内の膜を破るように提供および構成される。いくつかの実施形態では、ハンドルゾーン５４０は、カートリッジデバイスの中へのサンプル収集デバイス５００の残りの部分の挿入に続いて、破れやすいか、または別様にサンプル収集デバイス５００の該残りの部分から取り外し可能である。
機能的ゾーンが顕著に表示された、サンプル収集デバイス６００の一実施形態が、図６で提供される。示されるように、サンプル収集デバイス６００は、デバイス６００を保持するためのハンドル６４０と、デバイス６００をカートリッジの中へ係止するための係止特徴６３０と、カートリッジの中の内部トンネルと液密シールを形成するための密閉特徴６２０と、サンプルを収集して一時的に貯蔵するための収集特徴６１０とを含む。
カートリッジデバイス
種々の実施形態では、カートリッジは、筐体で形成され、これは、封入空間を画定し、カートリッジが、サンプル収集デバイスから標的被分析物を伴うサンプルを受容すること、サンプル調製試薬とともにサンプルを貯蔵すること、標的被分析物をサンプル調製試薬と混合して交雑させるための空間を提供すること、交雑した標的被分析物が検出のためのセンサにわたって限局する、分析ゾーンを提供すること、交雑した標的被分析物を分析ゾーンに輸送するための液体媒体を提供すること、交雑した標的被分析物に導入されたときに検出可能な反応を受けることができる、基質を貯蔵して提供すること、基質を分析ゾーン内の交雑した標的被分析物に輸送するための液体媒体を提供すること、および廃棄物が貯蔵される廃棄物収集ゾーンを提供することのうちの１つまたはそれを上回るものを行うことを可能にする、種々の特徴を有する。
種々の実施形態では、カートリッジは、標的被分析物の存在、非存在、および／または数量を検出するために必要とされる反応が起こる、実質的に閉鎖型のシステムである。そのような実施形態のカートリッジは、カートリッジシステムの中へ必要とされる唯一の入力が、検体からのサンプル、混合およびハイブリダイゼーションを促進するエネルギー、および分析ゾーン内の交雑した標的被分析物の限局化を促進する磁力のうちの１つまたはそれを上回るものであり、カートリッジからの唯一の出力が電気信号であるため、「実質的に閉鎖型」と言われる。種々の実施形態では、カートリッジは、１つまたはそれを上回る特定の標的被分析物を検出するように選択される、包含されたサンプル調製試薬を伴って、標的被分析物特異的である。異なるカートリッジの種類は、異なる標的被分析物を識別することを目的としている、異なる試薬を含む。
カートリッジ７００の一実施形態が、図７Ａ−７Ｂで提供される。具体的には、図７Ａは、固定構成でともに連結されたカートリッジ７００の構成要素の種々の非限定的実施例を描写し、図７Ｂは、カートリッジ７００の種々の特徴を強調表示するために組立に先立って分離された、同一の構成要素を描写する。示されるように、種々の実施形態のカートリッジ７００は、カバー構成要素７２０で形成される筐体７１０と、内部構成要素７３０と、基礎構成要素７４０とを含む。組立時に、これらの構成要素は、入力トンネル７１２、複数の貯留部７２２、および分析チャネル７３２を有する、固定構造を形成するようにともに連結される。いくつかの実施形態では、これらの構成要素は、硬質プラスチックまたは他の実質的に剛性の材料で形成される。
類似カートリッジ実施形態の種々の構成要素、および相互に対する構成要素の配向もまた、図８の分解図に示される。示されるように、描写した実施形態の組立時に、カバー構成要素８２０は、内部構成要素８３０の第１の側面上に配置され、基礎構成要素８４０は、内部構成要素８３０の第２の側面上に配置される。回路基板構成要素８５０が、内部構成要素８３０と基礎構成要素８４０との間に位置付けられ、例えば、接着剤８６０の層を用いて、内部構成要素８３０に取り付けられる。カバー構成要素８２０および内部構成要素８３０の第１の側面の特徴は、入力トンネル８１２および複数の貯留部８２２をともに画定し、内部構成要素８３０の第２の側面および回路基板８５０の特徴は、分析チャネル８３２を画定する。
別のカートリッジの実施形態の種々の構成要素およびそのような構成要素の組立が、それぞれ、図９Ａ−９Ｃの分解、半分解、および非分解斜視図に示される。示されるように、カートリッジ９００の組立中に、第１のカバー構成要素９２０は、内部構成要素９３０の側方に配置され、第２のカバー構成要素９４０は、内部構成要素９３０の反対側面上に配置される。回路基板構成要素９５０が、内部構成要素９３０に取り付けられ、例えば、接着剤の層を使用して、内部構成要素９３０の裏面に取り付けられる。そのような実施形態では、内部構成要素９３０および回路基板構成要素９５０は、第１のカバー構成要素９２０と第２のカバー構成要素９４０との間にともに位置付けられる。第１のカバー構成要素９２０および内部構成要素９３０の特徴は、入力トンネル９１２をともに画定してもよく、内部構成要素９３０の裏面および回路基板９５０の特徴は、分析チャネル９３２を画定してもよい。いくつかの実施形態では、内部構成要素９３０は、複数の貯留部を画定する。いくつかのそのような実施形態では、各貯留部は、内部構成要素９３０の貯留部画定部分９２２にエッチングされ、彫刻され、切り込まれ、または別様に形成されたウェルである。いくつかの実施形態では、各貯留部の開放側は、ガス透過性／液体不透過性膜によって覆われる。
図８のカートリッジ実施形態８００に戻ると、内部構成要素８３０の種々の要素はまた、図１０Ａおよび１０Ｂの上面図および部分斜視図でも示される。描写した図では、入力トンネル８１２は、カートリッジ８００の中の第１の貯留部８２４につながる。第２の貯留部８２８および第３の貯留部８２６もまた、第１の貯留部８２４とともに提供される。複数の貯留部８２４、８２６、８２８のそれぞれは、マイクロ流体分析チャネル８３２へ開放する、貯留部の底部分付近の対応する出口を有する。
当業者であれば、３つの貯留部が描写されているが、種々の実施形態では、複数の貯留部は、２つの貯留部または４つまたはそれを上回る貯留部を含み得、かつ代替的な空間構成を採用し得ることを理解するであろう。ありとあらゆる可能な空間構成が、本明細書で考慮され、明示的に組み込まれる。別の可能な空間的構成の実施例が、図１１Ａ−１１Ｃで提供される。図１１Ａ−１１Ｃは、外部筐体構成要素が除去された、カートリッジ実施形態の内部構成要素１１３０および回路基板構成要素１１５０を描写する。描写した実施形態では、貯留部１１２２は、分析チャネル１１３２の周囲でクローバーの葉型に配向される。他の実施形態のように、入力トンネル１１１２は、カートリッジの開口１１０２から第１の貯留部１１２４まで延在し、分析チャネル１１３２は、内部構成要素１１３０の壁および回路基板構成要素１１５０の壁によって画定される。加えて、各貯留部１１２２は、貯留部１１２２を分析チャネル１１３２に接続する出口１１２３を含み、分析チャネル１１３２は、貯留部１１２２から吸収パッド１１３６まで延在する。描写した実施形態では、回路基板構成要素１１５０上のセンサ１１５８は、分析チャネル１１３２内に位置付けられる。加えて、描写した実施形態では、超音波発生装置要素１１２１が含まれ、超音波発生装置要素１１２１は、第１の貯留部１１２４の底面の全体または一部分を形成するように位置付けられる。
例えば、上記で説明される全ての実施形態等のカートリッジデバイスおよびサンプル収集デバイスの種々の実施形態では、カートリッジの入力トンネルは、サンプル収集デバイスの全体または一部分を受容するように構成される。一実施例が、図８のカートリッジ８００および図４のサンプル収集デバイス４００を使用して、図１１Ａおよび１１Ｂで提供される。示されるように、カートリッジ８００の入力トンネル８１２は、サンプル収集デバイス４００の全体または一部分を受容するように定寸および成形される。ある実施形態では、サンプル収集デバイス４００の全体または一部分をカートリッジ８００の中へ前進させることによって、収集されたサンプルの入力が起こる。例えば、図１１Ａおよび１１Ｂでは、サンプル収集デバイス４００は、最初に先端４３０が、入力トンネル８２２の中へ摺動させられる。サンプル収集デバイス４００は、サンプル収集デバイス４００のヘッド４２０の全体または一部分が第１の貯留部８２４内に配置されるまで、入力トンネル８２２の中へ摺動させられる。
いくつかの実施形態では、カートリッジ８００の中へのサンプル収集デバイス４００の挿入に先立って、内部膜が、入力トンネル内に、または入力トンネルと第１の貯留部との間に配置される。内部膜８２３の一実施形態が、図１０Ａで可視的である。内部膜は、図１０Ａで最も可視的であるが、本明細書で提供されるありとあらゆるカートリッジの実施形態もまた、内部膜を含み得ることが考慮される。描写されるように、内部膜８２３は、少なくとも、第１の貯留部８２４への通路で、またはその付近で、入力トンネル８１２の断面積の全体を覆う。いくつかの実施形態の内部膜８２３は、二重壁であり、２つの壁の間に液体の体積を含有する。膜液体は、サンプル収集デバイス４００からのサンプルの懸濁を促進し、第１の貯留部８２４の中へのサンプル粒子の輸送に役立つ。上記で説明される競合作用物資検出方法を採用する実施形態では、内部膜８２３はまた、競合結合剤も貯蔵する。種々の実施形態では、入力トンネル８１２の中へのサンプル収集デバイス４００の挿入は、内部膜８２３を破断させ、それによって、貯蔵された液体、任意の貯蔵された試薬、および収集されたサンプル粒子を第１の貯留部８２４の中へ放出する。図１３Ａおよび１３Ｂを参照して以下で説明されるような他の実施形態では、カートリッジ８００の内部膜８２３は、薄い単一壁膜である。いくつかのそのような実施形態では、１つまたはそれを上回る分子は、膜内で乾燥貯蔵される。
内部膜の別の構成が、図１３Ａおよび１３Ｂで提供される。図１３Ａ−Ｂは、内部膜１３２３の配置を強調表示するためにカートリッジの残り部分から除去され、単離して示される第１の貯留部１３２４（第１の貯留部７２４または８２４に類似する）上面図および斜視図を概略的に表す。描写した実施形態では、内部膜１３２３は、第１の貯留部１３２４の外壁上に配置される。そのような膜１３２３は、入力トンネル内に、入力トンネルと第１の貯留部１３２４との間の空間内にあろう。内部膜１３２３は、サンプル入力開口１３２１への進入を遮断し、それによって、第１の貯留部１３２４内に貯蔵された液体が、貯留部から、例えば、入力トンネルの中へ漏出することを防止する。いくつかのそのような実施形態では、内部膜１３２３は、図１で１５０として描写されるように、例えば、競合結合剤または信号伝達作用物質等の種々の分子１３１９を乾燥貯蔵する。
入力トンネルの種々の実施形態では、トンネルは、種々の実施形態のサンプル収集デバイスの機能的ゾーンおよび特徴を補完する、複数の機能構成要素を含む。そのような機能構成要素は、図１４のブロック図で概略的に表される。これらの構成要素が機能的に説明されるため、当業者であれば、構成要素が多くの物理的形態を成し得ることを理解するであろう。全ての好適な物理的形態が、本明細書で考慮され、組み込まれる。描写されるように、種々の実施形態では、入力トンネル１４００は、それを通ってサンプル収集デバイスがトンネルに進入することができる、開口部を提供する、進入ポートゾーン１４１０、軸に沿って第１の貯留部に向かって収集デバイスを指向し、軸に沿っていない移動を制限するための誘導ゾーン１４２０、２つのデバイスの間で確実な固定連結を達成するために、サンプル収集デバイス上の係止ゾーンを補完する機械的特徴を伴う係止ゾーン１４３０、２つの構造の間で液密シールを達成するために、サンプル収集デバイス上の密閉ゾーンを補完する機械的特徴を伴う密閉ゾーン１４４０、および膜が第１の貯留部からの漏出を防止するように添着される、膜ゾーン１４５０のうちの１つまたはそれを上回るものを含む。第１の貯留部１４６０はまた、入力トンネル１４００の遠位端を形成し得るため提供されてもよい。
機能的ゾーンが顕著に表示された、入力トンネル１５００の一実施形態が、図１５Ａ−１５Ｃで提供される。示されるように、入力トンネル１５００は、少なくとも部分的に、内部構成要素１５０１によって画定される。入力トンネル１５００は、それを通ってサンプル収集デバイスがトンネル１５００に進入することができる、開口１５１０と、軸に沿って第１の貯留部に向かって収集デバイスを指向するための伸長部分１５２０であって、サンプル収集デバイスの側方移動を制限する直径を有する、伸長部分１５２０と、サンプル収集デバイスを補完し、固定して連結する機械的特徴を伴う係止ゾーン１５３０と、内部トンネル１５００とサンプル収集デバイスとの間に液密シールを達成することに役立つ、狭小化直径、ガスケット、および／または他の機械的特徴を伴う密閉ゾーン１５４０と、膜１５５０とを含む。また、複数の貯留部１５６０も可視的である。トンネル１５００の中への収集デバイスの入力に抵抗する圧力を別様に生成し得る、空気の変位を可能にするように、通気孔１５７０もまた、入力トンネル１５００内で提供されてもよい。
上記のように、カートリッジの種々の実施形態は、サンプル収集デバイスの挿入に先立って、流体が第１の貯留部から流出して入力トンネルに流入することを防止する、膜を含む。そのような実施形態では、サンプル収集デバイスは、第１の貯留部の中へ前進しながら、内部膜を破断させる。ある実施形態では、サンプル収集デバイスが膜をその破断点まで押す瞬間に、または実質的にその瞬間に、２つの事象が起こり、すなわち、（１）収集ヘッドの基部における、例えば、ゴムガスケットまたは任意の他の好適な材料のガスケット等の可撓性特徴が、膜を包囲する構造筐体特徴と液密シールを形成するように定位置まで移動し、（２）サンプル収集デバイスのシャフトが、カートリッジの入力トンネル内の定位置で係止する場所まで前進する。係止は、例えば、サンプル収集デバイスのシャフトと周辺入力トンネルとの間に補完的な溝および隆起、溝および歯、または他の補完的特徴を提供することによって、達成されてもよい。入力トンネル内の構造的に係合した固定構成になることによって、種々の実施形態のサンプル収集デバイスは、定位置にとどまり、膜の破断中に収集ヘッドに及ぼされる圧力に抵抗することができる。加えて、または代替として、そのような構成は、ユーザがカートリッジを偶発的に開放することを防止し、それによって、カートリッジの潜在的生体有害成分への暴露を防止することによって、使用後のカートリッジの便利な処分を増進する。
図１６Ａ−Ｃは、図１５Ａ−Ｃの入力トンネルの実施形態内で係止係合しているサンプル収集デバイスの一実施例を描写する。描写した実施例では、サンプル収集デバイスは、図６からのサンプル収集デバイス６００である。図１６Ｂに示されるように、係止位置では、サンプル収集デバイス６００のシャフト上の補完的特徴６３０、１５３０および周辺入力トンネル１５００が係合し、図１６Ｃに示されるように、係止位置では、膜１５５０が破断し、収集デバイス１５００上の密閉機構１５４０が、入力トンネル６００の密閉部分６２０とシールを形成している。描写した実施形態では、入力トンネル１５００の密閉部分１５４０は、狭小化直径を有する、トンネル部分を含み、収集デバイスの密閉部分６２０は、ガスケットを含む。
別の実施例として図１２Ａおよび１２Ｂに戻ると、カートリッジ８００の中へのサンプル収集デバイス４００の挿入中に、サンプル収集デバイス４００は、第１の貯留部８２４の中へ前進しながら、内部膜８２３を破断させる。種々の実施形態では、サンプル収集デバイス４００の先端４３０は、内部膜８２３が変形し、次いで、先端４３０によって即時に穿刺されるよりもむしろ、制御された破断点で破裂することを確実にするように、鈍的である。
例えば、所望の破断特性および所望の破断点を有する内部膜８２３等の内部膜を取得するために、種々の実施形態では、内部膜は、所望の弾性係数、降伏点、および／または破断点を有するように慎重に選択された材料で形成される。弾性係数は、材料の弾性の程度を特徴付ける定数であり、その元の形状に依然として戻りながら、膜を伸張させることができる最大値を判定するために使用することができる。この点は、降伏点と呼ばれる。降伏点を超えると、材料が可塑性を呈し、不可逆的な変形を受ける。降伏点を超えると、破断点と呼ばれる別の臨界点がある。破断点は、膜が機能しなくなるか、または破れるときである。実施形態に所望される特定の弾性係数は、内部膜上に圧力を及ぼす、サンプル収集デバイス先端のサイズおよび形状に従って変動する。選択された膜材料は、例えば、ポリウレタン、ポリシリコーン、およびポリブタジエン、ニトリル、または他の弾性材料、あるいはそれらの組み合わせを含んでもよい。変形可能な膜の他の好適な材料は、例えば、パラフィルム、ラテックス、箔、ポリエチレンテレフタレートを含む。
種々の実施形態では、収集ヘッド４２０のサイズ、先端４３０の形状、内部膜材料の破断点、および補完的係止特徴の場所は、相互を考慮して選択される。
一実施形態では、補完的係止特徴は、入力トンネルの中に半径方向に配置される、正の溝（すなわち、隆起または他の突出部）と、サンプル収集デバイスのシャフト上に半径方向に配置される、負の溝または他の補完的なくぼみとを含む。半径方向配置は、サンプル収集デバイス４００の半径方向配向にかかわらず、入力トンネル８１２の中へのサンプル収集デバイス４００の挿入を可能にする。他の実施形態では、１つまたは複数の非半径方向の補完的係合特徴が提供されてもよい。いくつかの実施形態では、係合特徴は、シャフト４１０の係合特徴が入力トンネル８１２の係合特徴に対して移動するとき、係合特徴の一方または両方が、可逆的に圧縮または後退させられ、シャフト４１０が固定係合の場所に進入するときに、それらの最初の位置に戻るように、構築される。そのような構造は、サンプル収集デバイス４００の任意のさらなる前方または後方の側方移動を防止する。そのような構造は、サンプル収集デバイスが完全に正しく挿入されたというユーザのための触覚確認を提供し、加えて、二方向ロックが、破断／シール構造に構造支持を与える。カートリッジ８００からのサンプル収集デバイス４００の意図的かつ偶発的な除去を防止することによって、サンプルとの接触のリスクが最小限化される。したがって、生体有害リスクが最小限化される。そのような構造は、通常のごみの中への本システムの容易な処分を可能にする。
カートリッジ８００内で、いくつかの実施形態の入力トンネル８１２は、カートリッジ８００の表面上の開口から第１の貯留部８２４まで延在する。描写した実施形態では、複数の貯留部は、第１の貯留部８２４と、第２の貯留部８２８と、第３の貯留部８２６とを含む。他の実施形態では、２つだけ、または４つまたはそれを上回る貯留部が存在し得る。これらの貯留部８２２はそれぞれ、他の貯留部から分離しており、それらの内容物の相互混合は貯留部内で起こらない。図１０Ａ−１０Ｂの上面および斜視図で可視的であるように、複数の貯留部８２２のそれぞれは、少なくとも時として、貯留部出口を介して、マイクロ流体分析チャネル８３２と流体接続している。ある実施形態では、各貯留部の底「床面」または底内面は、平坦ではないが、むしろ、最低高度または最深の深度で位置する貯留部および分析チャネル８３２の交差点を伴って、出口に向かって下向きに傾斜している。そのような実施形態は、分析チャネル８３２の中への全ての貯留部内容物の流動を促すことに役立ち、それによって、死容積を最小限化する。種々の実施形態では、各貯留部出口は、出口を完全に密閉し、使用に先立って、液体が貯留部から分析チャネル８３２に流入することを防止する、その中に配置された弁（例えば、弁８２５、８２７、８２９等）を有する。使用中に、以下でさらに詳細に説明される方法によると、複数の弁は、複数の貯留部８２２のそれぞれからの内容物が連続的に分析チャネル８３２に流入することができるように、時限様式で開放することができる。
描写した実施形態では、第１の貯留部８２４は、さらに下流にあり、入力チャネル８２２に最も近い。これは、サンプル収集デバイス４００の挿入時に、ヘッド４２０が第１の貯留部に進入するように、計画的である。第１の貯留部８２４は、上記で説明されるサンプル調製試薬および第１の液体で少なくとも部分的に充填される。本開示内で、「第１の貯留部」および「サンプル調製貯留部」という用語は、同義的に使用されてもよい。種々の実施形態では、サンプル収集デバイス４００が第１の貯留部８２４に進入するとき、第１の貯留部８２４は、サンプル中に存在する場合、１つまたはそれを上回る標的被分析物を含む、サンプル粒子でさらに充填されるようになる。加えて、種々の実施形態では、サンプル収集デバイス４００が第１の貯留部８２４に進入するとき、液体は、貯留部内で粒子を懸濁および交雑させるように、穏やかに混合させられる。いくつかの実施形態では、サンプル中の標的被分析物は、少なくとも、磁気粒子結合錯体を形成する、サンプル調製試薬の間で存在する磁気粒子および親和性分子に交雑および結合する。第１の弁が開放するとき、第１の貯留部８２４からの液体は、磁気粒子結合錯体および他の粒子を第１の貯留部８２４から分析チャネル８３２に流入させる、輸送媒体の役割を果たす。有利なことには、第１の貯留部８２４内の混合媒体および貯蔵媒体としての機能を果たす液体はまた、ポンプを必要とすることなく、第１の貯留部８２４の内容物を分析チャネル８３２内の分析ゾーンに輸送するように、流動媒体の役割を果たす。
全てではないがいくつかの実施形態で存在する、第２の貯留部８２８は、洗浄液で少なくとも部分的に充填される。本明細書で使用されるような「第２の」という用語は、カートリッジ８００内の貯留部の位置よりもむしろ、貯留部からの溶液が分析チャネル８３２の中へ放出される順序を指す。第２の貯留部８２８は、種々の実施形態では、さらに上流に位置する。そのような実施形態では、対応する第２の弁８２９が開放するとき、洗浄液が第２の貯留部８２８から分析チャネル８３２に流入し、それによって、分析チャネル８３２から全てまたは実質的に全ての非結合検出作用物質および／または非結合競合結合剤を除去する。最上流貯留部の中に洗浄液を位置付けることにより、サンプル調製貯留部８２４からの全ての浮遊性非結合分子が、分析チャネル８３２から洗浄されることを確実にし、分析チャネル８３２の分析ゾーン内で生じる有意な任意の非特異的結合を有する可能性を低減させる。
第３の貯留部８２６は、例えば、第１の貯留部８２４と第２の貯留部８２８との間で、第１の貯留部８２４の上流に位置する。第３の貯留部８２６は、溶液中の化学基質で少なくとも部分的に充填される。種々の実施形態では、第３の貯留部８２６の溶液は、第１の貯留部８２４からの信号伝達作用物質の存在下で反応を受ける、基質を含む。例えば、いくつかの実施形態では、第３の貯留部８２６の基質は、第１の貯留部８２４からの酸化酵素の存在下で酸化反応を受ける。種々の実施形態では、第３の弁８２７が開放するとき、第３の貯留部８２６からの液体は、化学基質を第３の貯留部８２６から分析チャネル８３２に流入させる、輸送媒体の役割を果たす。
種々の実施形態では、液体は、複数の貯留部８２２のそれぞれから分析チャネル８３２に流入し、毛管作用の結果として、分析チャネル内で下流方向へ流動し続ける。ある実施形態では、空気が各貯留部から分析チャネルの中へ放出する液体に取って代わることを可能にするように、通気孔が各貯留部の中に、またはそれを覆って提供される。適正な換気がないと、流体がカートリッジ内で流動しない場合がある。いくつかの実施形態では、通気孔は、例えば、複数の貯留部を覆うＰＴＦＥ膜等の空気透過性膜を配置することによって形成される。いくつかのそのような実施形態では、カートリッジ筐体のカバー構成要素の少なくとも複数部分は、ＰＴＦＥで形成されてもよい。他の実施形態では、ＰＴＦＥ膜で密閉される開口部が、貯留部を覆うカバー構成要素内に提供されてもよい。有利なことには、空気透過性であるが液体透過性ではないＰＴＦＥ膜等の膜は、液体が貯留部から分析チャネルの中へ流出することを可能にしながら、液体漏出を防止するように、各貯留部の最上部を密閉するための手段を提供する。加えて、液体がチャネルに流入すると、変位された空気が放出することを可能にするために、１つまたはそれを上回る通気孔８３５、８３６が、分析チャネルの全体または一部分を覆って提供されてもよい。気泡が、多くの場合、マイクロ流体システムでは問題である。この問題は、いくつかの実施形態では、気泡の受動ガス抜きを可能にする、通気孔の方略的配置で対抗される。例えば、いくつかの実施形態では、（カートリッジの内部構成要素内の）マイクロ流体チャネルの上面の全体または一部分は、ＰＴＦＥ膜または他の空気透過性膜と置換される。そのような実施形態では、膜は、チャネルの大部分の天井を形成する。膜の細孔径は、変動し得、直径が０．１ミクロン〜３ミクロンの細孔を含むように選択されることができる。いくつかのそのような実施形態では、膜は、接着剤を用いて、チャネル上に、チャネルおよび／または貯留部を覆って密閉される。
組立中のカートリッジ内の空気透過性膜の取付は、任意の好適な製造プロセスを使用して達成されてもよい。いくつかの実施形態では、接着剤が膜の底側に適用され、膜は、分析チャネルの底壁にテープで貼付され、チャネルの底壁は、回路基板構成要素の表面で形成される。次いで、１つまたはそれを上回る通気孔に空気を押し通すことによって、真空が印加され、真空は、膜の接着部分が分析チャネルの側壁に接触して、接着シールを形成するように、膜を上昇させる。実際には、膜は、定位置に吸引され、印加された真空および接着剤の使用を通して、分析チャネルの側壁に接着されるであろう。
分析チャネル中の毛細管流動を促進するために、種々の実施形態では、チャネルの内面は、親水性であるように作製される。本明細書で使用されるように、「親水性」とは、表面および／または分子が水とのその接触面積を最大限化するための親和性を指す。親水性表面は、水滴の接触角が９０度未満である、表面である。本明細書で説明されるいくつかの実施形態では、６０度未満の接触面積を有する表面が達成される。本明細書で使用されるように、「毛細管流動」または「毛管作用」とは、流体およびチャネルの少なくとも２つの物理的性質によって駆動される、流体チャネルに沿った流体の移動を指す。物理的性質は、チャネルの表面と接触している流体の分子の親水性接着と、チャネルの親水性表面に最も近い分子がチャネル表面に沿って伝搬するにつれて、流体の大部分を引き寄せることに役立つ、液体内の分子間凝集力とを含む。
種々の実施形態では、分析チャネルは、２つまたはそれを上回る壁によって画定され、いくつかまたは全てのそのような表面は、親水性であるように作製される。いくつかの実施形態では、分析チャネルは、カートリッジの内部構成要素に形成される第１の半円形壁と、カートリッジの回路基板構成要素の表面で形成される第２の壁とを含む。例えば、図１７Ａの分析チャネルの断面図によって描写される実施形態等の他の実施形態では、分析チャネル１７３２の壁は、カートリッジの内部構成要素１７３０に彫刻され、エッチングされ、または別様に形成される、３つの壁を含み、第４の壁は、回路基板構成要素１７５０の表面で形成される。
親水性壁を有する分析チャネルを作成するために、種々の材料または表面化学修飾を使用することができる。例えば、内部構成要素１７３０、および内部構成要素１７３０で形成される分析チャネル壁は、図１７Ａに示されるように、熱可塑性樹脂から作製されてもよい。そのような実施形態はまた、図１７Ｂで描写され、図１７Ｂでは、分析チャネル１７３２を形成するように内部構成要素１７３０を回路基板構成要素１７５０に連結する、接着剤層１７６０も示されている。例えば、図１７Ｃで提供される実施形態等の別の実施例として、分析チャネル１７３２の壁を形成する表面を含む、内部構成要素１７３０の１つまたはそれを上回る表面は、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）がそれに結合し、親水性およびタンパク質耐性修飾表面１７３１を作製するように、プラズマ処理によって媒介されるペグ化接合を受けて表面を活性化してもよい。加えて、いくつかの実施形態では、市販の側方流動型膜は、チャネル内で吸い上げ材料を提供するように、チャネル内部に配置されてもよい。
上記で説明されるように、いくつかの実施形態では、カートリッジは、分析チャネルからガスを放出するための手段を含む。図１７Ｄおよび１７Ｅに示されるように、いくつかの実施形態では、ガスを放出するための手段は、内部構成要素１７３０内の小さい穴で形成される、１つまたはそれを上回る通気孔１７３６を含む。いくつかの実施形態では、通気孔１７３６を画定する壁は、疎水性であり、穴は、分析チャネル１７３２内の水性液体が通気孔１７３６から反発されて漏出しないように十分に小さい。図１７Ｆに示されるように、別の実施形態では、内部構成要素１７３０によって画定される気泡迂回区間１７３３が、分析チャネル１７３２の最上部分の中に提供される。気泡迂回区間１７３３は、分析チャネル内の液体が、チャネル１７３２の下部主要区画内にとどまっている間に、ガスが気泡迂回区間１７３３を通って流動することを可能にするように、定寸されて位置付けられる。いくつかの実施形態では、気泡迂回区間１７３３は、２つの通気孔１７３６の間に提供され、放出のために分析チャネルから通気孔１７３６にガスを輸送する働きをする。
他の実施形態では、分析チャネル１７３２からガスを放出するための手段は、内部構成要素１７３０で別様に形成される１つの分析チャネル壁に取って代わる、ＰＴＦＥ膜等の通気性膜を含む。１つのそのような実施形態は、分析チャネル１７３２の上壁が通気性膜１７３５によって置換された、図１７Ｇで描写される。通気のための通気性膜１７３５を有する、いくつかの実施形態では、ＰＴＦＥ等のいくつかの通気性材料が疎水性であるため、膜１７３５の事前湿潤が必要とされ得る。明確に異なる湿潤ステップの必要性を排除するために、いくつかの実施形態では、構造的湿潤が利用されてもよい。１つのそのような実施形態が、図１７Ｈで描写される。示されるように、通気性膜１７３５を「構造的に湿潤させる」ために、通気性膜の長さに及ぶ、親水性材料のレール１７３７が提供されてもよい。そのようなレール１７３７は、例えば、貯留部から分析チャネル１７３２の中へ、および／または分析チャネル１７３２の長さに沿って、レールに沿った液体の流動を助長する。親水性レール１７３７は、膜の疎水性抵抗を克服することに役立つ。これらのレール１７３７は、多数の方法で形成することができ、膜天井１７３５の長さに延設する細いプラスチックレールを含むように構築される。いくつかの実施形態では、膜の上に直接配置される接着剤が、レールを形成することができ、別の実施形態では、レールは、親水性表面修飾を分析チャネル１７３２の長さに延設させられる、膜のパターン化表面修飾によって形成されてもよい。
加えて、以下でさらに詳細に説明されるように、いくつかの実施形態では、１つまたはそれを上回るセンサが、分析チャネル１７３２内の回路基板構成要素１７５０上に配置される。図１７Ｄ−１７Ｉで描写され、図１７Ｉで具体的に識別されるように、センサ１７５８は、金または他の伝導金属で形成されてもよく、図１８Ａを参照して以下で説明されるように、付加的な表面化学修飾１７５７を含んでもよい。例えば、図７Ａ−Ｂのカートリッジ７００および図８のカートリッジ８００等の本明細書で説明される種々のカートリッジの実施形態では、分析チャネル７３２／８３２は、図１７Ａ−１７Ｉのうちのいずれかの内側で説明および／または描写される特徴のうちのいずれかまたは全て、あるいは当業者に公知である任意の他の特徴を含み得ることが考慮される。
加えて、分析チャネル内の毛管作用を介して流動を促進するために、種々の実施形態では、吸収材料が、分析チャネルの最下流端で提供される。吸収パッド８３４の形態の吸収材料の一実施例が、図１０Ａで可視的である。吸収材料またはパッド８３４は、分析チャネル８３２から液体を吸い上げ、それによって、吸収パッド８３４まで下流に流動するように液体を促す。いくつかの実施形態では、吸収パッド８３４は、分析チャネル８３２を通って流動した後に全ての廃液および廃棄粒子を収集する、廃棄物容器の役割を果たす。種々の実施形態では、吸収パッドのサイズおよび吸収の程度は、分析チャネル８３２内の液体および粒子の流量を計測するように選択される。例えば、いくつかの実施形態では、吸収パッド８３４が吸い上げることができる液体の体積は、第１の（サンプル調製）貯留部８２４および第２の（廃棄物）貯留部８２８から全ての液体を排出し、第３の（基質）貯留部８２６から化学基質を担持する液体を排出するために十分大きくなければならない。そのような条件は、吸収性の下限としての機能を果たしてもよい。加えて、上限の役割を果たすことは、化学基質が分析ゾーン内で限局される信号伝達作用物質と反応する時間を有するように、化学基質を担持する液体流が、分析チャネル８３２の分析ゾーンにわたって減速または停止しなければならないという要件である。
例えば、図７Ｂ、８、および１１Ａ−Ｃで明確に示されるように、種々の実施形態のカートリッジはまた、それぞれ、本明細書では回路基板または回路基板構成要素と称される、プリント回路基板７５０、８５０、および１１５０も含む。回路基板構成要素は、カートリッジの内部構成要素に連結される。図７Ｂの回路基板構成要素７５０は、図１８Ａ−１８Ｂで単離して提供される。回路基板構成要素７５０は、電気的構成要素、例えば、抵抗器、導線７５４、ビア７５６、および標的被分析物の検出のために必要とされるセンサ７５８のうちの１つまたはそれを上回るものを含む。別々に説明されているが、回路基板構成要素７５０の電気的構成要素は、別個の構造要素である必要はないことを理解されたい。１つまたはそれを上回る電気的構成要素および／または回路は、本明細書で説明される種々の構成要素の役割のうちのいくつかまたは全てを果たしてもよい。いくつかの実施形態では、抵抗器は、（以下でさらに詳細に説明される）読取機デバイスがカートリッジの種類を区別することを可能にする、一意的識別タグとして提供される。抵抗器は、小型表面搭載抵抗器、抵抗インクベースの抵抗要素、または読取機が抵抗器を「読み取り」、それによって、カートリッジの種類を識別することを可能にする、任意の他の抵抗要素を含んでもよい。本明細書で使用されるように、カートリッジは、異なる標的被分析物の検出のために構成される場合、「カートリッジの種類」が異なる。他の実施形態では、カートリッジの種類を識別するための異なる非抵抗手段が採用される。
以下でさらに詳細に説明されるように、種々の実施形態の導線７５４は、読取機デバイスとの電気的接続および導通を確立するように提供される。図１８Ｂに示されるように、導線７５４は、ビア７５６に電気的に連結され、読取機デバイスによって起動されるときに、電流をそのような構成要素に提供する。ビアは、プリント回路基板上の標準製品であり、典型的には、回路基板の１つの層の上の信号トレースが別の層と電気的に導通することを可能にするために使用される。ビアは、複数の層を通して電気的導通を提供する。そのようなビアは、優れた熱の導体であり、ほとんどの回路基板を備える周辺材料が優れた熱の絶縁体であるため、周辺領域に影響を及ぼすことなく、熱を非常に精密な場所に伝達することができる。したがって、種々の実施形態では、複数のビア７５６が回路基板構成要素の中で提供され、各ビア７５６は、弁作動要素を作成するように、貯留部出口の中に配置される相変化可能な熱作動型弁の下に、それを覆って、またはそれに隣接して配置される。ビア７５６と関連付けられる熱伝達の精度は、相互の近くに位置する弁の間の最小限のクロストークを可能にし、したがって、弁作動のタイミングを各弁について慎重に制御することができる。いくつかの実施形態では、弁は、ワックス、例えば、親水性ワックスで形成され、ビア７５６は、読取機デバイスによって制御されるような精密な時点でワックスを融解させるように、熱の導体の役割を果たす。１つまたはそれを上回る加熱要素は、ワックスが融解させられる必要がある正確な場所に伝導させられる熱を生成する。貯留部の出口の中に配置されるワックス弁の融解時に、出口は、もはや閉塞されなくなり、貯留部は、それを通ってその流体内容物が分析チャネルの中へ流出することができる、開口部を有する。いくつかの実施形態の加熱要素は、回路基板構成要素の一部を形成する。例えば、図１８Ｂの実施形態では、加熱要素は、ビア７５６を包囲する、回路基板構成要素７５０の底側に位置する蛇行トレース７５５のように見える、抵抗加熱要素である。他の実施形態では、加熱要素は、例えば、読取機上で、カートリッジの外部に位置する。熱を生成するために抵抗加熱要素が使用される、種々の実施形態では、例えば、トランジスタの作動を通して、電流が抵抗加熱要素を通って流動することを可能にさせられる。抵抗加熱要素を通過する電流は、ジュール加熱を通して熱を生成する。熱は、抵抗加熱要素とビアとの間の物理的接触により、ビアに伝導させられる。種々の実施形態では、次いで、熱は、ビアを通してワックス障壁まで伝導させられ、例えば、ワックスの融解等の相転移が起こる。
精密なタイミングでワックスの完全融解を確保するために、種々の実施形態では、ワックス弁が貯留部の出口内で慎重に構築される。例えば、いくつかの実施形態では、ワックス弁が、貯留部の出口を閉塞するために必要な最小高度を有することが好ましく、最小高度は、熱がワックスを融解させるために移動しなければならない距離を最小限化する。そのような特性を有するワックス障壁を実現するための１つの例示的方法は、融解したワックスを予熱したビアに適用することを伴う。有利なことには、ビアが予熱されるとき、ワックス弁が室温のビアに対して凝固するためにより長くかかり、したがって、ワックスは、硬化する前に平坦化して外向きに拡張するために、より多くの時間を有する。ワックスの「パンケーキ化」が、高度を最小限化するために望ましく、これは、弁の適正な融解作動の機会を最大限化するであろう。加えて、ビアの加熱は、ワックスの大部分が熱を受け、また、適正な弁作動の機会を最大限化するように、ワックスとビアとの間のより大きいレベルの接触面積を促進する。ワックスの堆積に先立ってビアを加熱する方法は、以下の方法でさらに増進される。ワックスが硬化するときに、ワックスが貯留部の複数の内壁およびビア自体に同時に付着するように、溶解したワックスが予熱したビアに適用されるとき、貯留部の底部における開口部がビアに空間的に近いように、貯留部の開口部がビアを覆って整合させられる。これは、貯留部からの不慮の液体流が発生しないように、分析チャネルへの開口部を完全に閉塞する、無傷の弁の製造収率を増進するために有利である。
弁８２５の一実施形態の断面図が、図１９で提供される。弁８２５は、カートリッジ８００の貯留部８２４の底部における出口内に位置する。図１９で描写されるように、貯留部８２４は、内部構成要素８３０の壁によって画定される。いくつかの実施形態では、出口は、内部構成要素８３０の底壁内の穴で形成される。種々の実施形態では、回路基板構成要素８５０は、内部構成要素８３０の下方に配置され、例えば、流体の毛細管流動を支援するように親水性であり得る、両面粘着テープ等の接着剤８６０の使用により、内部構成要素８３０に添着される。種々の実施形態では、弁８２５は、例えば、親水性ワックス等の感熱性の相変化可能な材料で形成される。作動に先立って、弁８２５のワックスまたは他の感熱材料は、固体または半固体状態であり、液体が貯留部８２４から分析チャネル８３２の中へ漏出することができないように、出口の断面全体を充填するよう定寸および成形される。描写されるように、いくつかの実施形態の熱作動型弁８２５は、ビア８５６または他の限局性熱伝導要素の直上で整合させられる。そのような整合は、任意の隣接弁の相変化を引き起こすことなく、弁８２５の相変化を誘発するように、熱の限局性印加を可能にする。種々の実施形態では、相変化は、出口の完全閉塞をもはや引き起こさなくなるが、代わりに、貯留部８２４中の液体が分析チャネル８３２に流入することを可能にするように、感熱材料を融解させるか、または別様に変換する。
いくつかの実施形態では、ビア上に配置され、液体が分析チャネルに流入することを防止するように貯留部の開口部を閉塞する、ワックス材料は、好ましくは、ヘキサデカノールまたはオクタデカノール等の親水性材料である。これは、有利なことには、弁作動後に分析チャネルの任意の領域内で硬化する任意のワックス片を過ぎた液体流を妨害するよりもむしろ、助長する。これらの材料はまた、好ましくは、バッテリ動作型デバイスの合理的な電力消費を伴う作動を可能にするが、一般的な取扱および貯蔵環境で、および／または超音波処理プロトコル中に、作動させられないままである、摂氏５０〜１００度の融解温度を有する。いくつかの実施形態では、ビアの上に配置されるワックスの量は、その液体状態で１マイクロリットルを下回り、いくつかのそのような実施形態では、量は、０．５マイクロリットル未満またはそれに等しい。少なくともいくつかの実施形態では、分析チャネルの任意の閉塞を低減させ、熱が印加されたときに完全弁作動を最大限化するために、可能な限り少しのワックスを使用することが好ましい。いくつかの実施形態では、弁はまた、一貫した弁作動のために、一貫した熱プロファイルがビアで達成されることを可能にする、フィードバックおよび制御システムも有する。さらに、このフィードバックおよび制御システムは、各弁が適正に作動したことを本システムが確認することを可能にするように、感知要素を組み込んでもよい。
いくつかの非限定的実施形態では、貯留部の底部における出口は、例えば、図２０Ａまたは図２０Ｂで描写されるように定寸および成形される。図２０Ａでは、各貯留部の底部における弁開口部／出口は、分析チャネルと流体連通している半円形として描写されている。いくつかのそのような実施形態では、半円形は、貯留部の流体が分析チャネルの中に進入することを抑えるために必要なワックスの量を低減させることに役立ち得るサイズである、約１ｍｍの直径を有する。代替として、図２０Ｂは、境界拡張を伴う半円形で形成された出口を描写する。いくつかのそのような実施形態では、境界拡張は、０．１ｍｍ〜１ｍｍの長さを有する。図２０Ａと比較して、図２０Ｂの境界拡張は、弁作動の経過中に融解させられるワックスが、分析チャネルの中に進入する前に凝固するために、より広い表面積を提供することによって、適正な弁作動および流動を増進してもよい。そのような構成は、分析チャネルの中に進入するワックスの量を低減させてもよい。同様に、弁構築中に、半円形開口部からの拡張は、分析チャネルを閉塞することなくワックスが硬化することができる、増大した領域を提供する。
図１８Ａに戻って、導線７５４もまた、センサ７５８に電気的に連結され、そのような電気的接続は、センサ７５８によって検出される信号が、処理のために読取機デバイスに送達されることを可能にする。種々の実施形態では、センサ７５８、およびそれらの上方の分析チャネルの領域が、本明細書の他の場所で記述される「分析ゾーン」を形成する。センサ７５８は、回路基板７５０が組み立てられたカートリッジ７００内に含まれ、回路基板７５０の表面が分析チャネル７３２の１つの壁を形成するときに、センサ７５８が分析チャネル７３２内に配置されるように、方略的に位置する。図１８Ａに示されるように、複数のセンサ７５８が提供され、それぞれ他方に対して離間され、全て分析チャネル７３２と整合させられてもよい。センサ７５８は、分析チャネル内で電気化学電池をそれぞれ形成する、電気化学センサである。本実施形態では、各センサ７５８は、作業電極７５８ａ、基準電極７５８ｂ、および対電極７５８ｃで形成される。いくつかの実施形態では、磁気粒子に間接的に結合した酸化酵素がセンサ７５８で存在し、適切な化学基質が分析チャネル７３２に導入される場合に、酸化反応が電気化学センサ７５８において起こり得る。そのような実施形態では、作業電極７５８ａは、存在する酸化酵素の量に比例する数量で、酸化酵素によって基質から奪われた電子を補充するように、電子を放出する。作業電極からの電子の放出は、センサ７５８に接続された回路内で信号として検出可能であり得る、電流である。それによって、センサ７５８は、そのような実施形態の分析ゾーンの中で限局される、酸化酵素の存在、非存在、および／または数量を間接的に検出することができる。次いで、例えば、以下で説明される読取機デバイス内のコンピュータは、標的被分析物の存在、非存在、および／または数量を、酸化酵素の存在、非存在、および／または数量に相関させることができる。そのようなコンピュータの機能が、以下でさらに詳細に説明される。種々の実施形態では、分析ゾーン内の酵素または他の信号伝達作用物質の限局化を促進するために、１つまたはそれを上回る磁場が使用される。有利なことには、そのような実施形態では、いかなる親和性分子も、限局化を達成するようにセンサに事前結合される必要がなく、これは別様に、拡散ベースのハイブリダイゼーション反応速度の限界により、被分析物定量化プロセスを有意に減速するであろう。磁場の詳細も以下で提供される。
いくつかの実施形態では、検出が行われる、電気化学センサ７５８が、ＥＮＩＧプロセスを通して作製され、したがって、表面上に金を有する。他の実施形態では、ＥＮＩＧプロセスを通して作製されていない金または金めっきセンサが使用される。いくつかの実施形態では、少なくとも各センサ７５８の作業電極７５８ａは、追加安定性のために、チオール化エチレングリコールおよび／またはヘキサエチレングリコールジチオール等のジチオールで形成される表面化学を有する。そのような表面化学の頭部基の親水性質は、流動およびタンパク質抵抗を促進する。加えて、または代替として、いくつかの実施形態では、電極のうちの１つまたはそれを上回る表面は、メルカプトウンデカン酸、メルカプトヘキサノール、または任意の他の裏込剤で裏込される。いくつかの実施形態では、センサ７５８内の電極のうちの１つまたはそれを上回る表面は、上昇していない温度で、エチレングリコールジチオールおよび裏込剤の連続的追加およびインキュベーションを通して形成される。
種々の実施形態では、１つまたはそれを上回る周囲電気化学雑音センサ、または基準センサ７５９が提供され、分析チャネル内で磁気粒子限局化の部位から離間される。その関連回路を伴う基準センサ７５９は、本システムにおける背景雑音を定量化する。そのような雑音は、例えば、非特異的に結合した酵素の存在によるものであり得る。種々の実施形態では、検出結果の処理中に、コンピュータは、システム雑音に対処し、および／または排除し、それによって、標的被分析物の適正な定量化または検出を可能にするように、検出センサ信号から基準センサ信号を除去するアルゴリズムを適用する。
いくつかの実施形態では、検出は、酸化／還元反応が進むために、基準電極で生成されるバイアス電位を利用する、標準電気化学回路を使用して実行される。電位は、作業電極に接続される、演算増幅器ベースの電流・電圧（演算増幅器）回路トポロジーを使用して、酸化分子への電流の流動を定量化することができるように、化学基質の還元電位（溶液中の還元可能種のわずかな非特異的還元があるように十分に低い）で保たれる。例えば、一般的な基質分子、すなわち、テトラメチルベンジジンが、ＨＲＰに使用される。存在するとき、ＨＲＰはＴＭＢ分子を酸化させ、これらの分子は順に、作業電極によって還元させられる。この事象は、存在するＨＲＰの量に比例して起こるため、電流・電圧演算増幅器測定の変化が、結果として生じる。アナログ・デジタル変換器を使用して、実際の信号を処理するためにプロセッサに送達することができる。以下でさらに詳細に説明されるように、種々の実施形態では、該プロセッサおよび信号処理構成要素は、読取機デバイス内で提供される。
読取機デバイス
種々の実施形態の読取機デバイスまたは読取機は、特殊化コンピュータを備えるか、または特殊化コンピュータから成る。コンピュータは、サンプル中の標的被分析物の存在、非存在、および／または数量を検出するための１つまたはそれを上回る方法を実行するために、その上に記憶された命令を有する、メモリを伴うプロセッサを含む。種々の実施形態では、読取機のコンピュータは、例えば、カートリッジの第１の貯留部中の流体の混合、弁の開放、および／またはセンサにわたる磁気粒子の限局化等のシステムの種々の機能が起こるときを制御し、そして、それらの機能がどのようにして起こるかを制御する、検出システムの動作を制御する。そのような動作を制御するために、コンピュータ化読取機は、読取機またはカートリッジ内に存在する物理的構成要素から情報を受信し、情報を物理的構成要素に送信するように構成される。
読取機の一実施形態の機能ブロック図が、図２１で描写される。別々に説明されているが、読取機２１００に関して説明される機能ブロックは、別個の構造要素である必要はないことを理解されたい。例えば、プロセッサ２１１０およびメモリ２１２０は、単一のチップに組み込まれてもよい。同様に、プロセッサ２１１０および通信インターフェース２１５０は、単一のチップに組み込まれてもよい。種々の実施形態では、読取機２１００は、バッテリ等の電力供給部２１６０を含む。
プロセッサ２１１０は、汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）または他のプログラマブル論理デバイス、離散ゲートまたはトランジスタ論理、離散ハードウェア構成要素、または本明細書で説明される機能を果たすように設計される、これらの任意の好適な組み合わせであり得る。プロセッサはまた、コンピュータデバイスの組み合わせ、例えば、ＤＳＰおよびマイクロプロセッサの組み合わせ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアと併せた１つまたはそれを上回るマイクロプロセッサ、または任意の他のそのような構成として実装されてもよい。
プロセッサ２１１０は、メモリ２１２０から情報を読み取り、または情報をメモリ２１２０に書き込むように、１つまたはそれを上回るバスを介して連結される。プロセッサは、加えて、または代替案では、プロセッサレジスタ等のメモリを含有してもよい。メモリ２１２０は、異なるレベルが異なる容量およびアクセス速度を有する、マルチレベル階層キャッシュを含む、プロセッサキャッシュを含むことができる。メモリ２１２０はまた、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、他の揮発性記憶デバイス、または不揮発性記憶デバイスを含むことができる。記憶デバイスは、例えば、ハードドライブ、光ディスク、フラッシュメモリ、およびジップドライブを含むことができる。
プロセッサ２１１０は、メモリ２１２０に記憶されたソフトウェアと併せて、例えば、Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）、Ｍａｃ ＯＳ、Ｕｎｉｘ（登録商標）、またはＳｏｌａｒｉｓ ５．１０等のオペレーティングシステムを実行する。プロセッサ２１１０はまた、メモリ２１２０に記憶されたソフトウェアアプリケーションも実行する。１つの非限定的実施形態では、ソフトウェアは、例えば、Ｕｎｉｘ（登録商標） Ｋｏｒｎシェルスクリプトを備える。他の実施形態では、ソフトウェアは、例えば、Ｃ＋＋、ＰＨＰ、またはＪａｖａ（登録商標）を含む、当業者に公知である任意の好適なプログラミング言語でのプログラムであり得る。
プロセッサ２１１０はまた、電気信号をカートリッジの回路基板構成要素に送信し、回路基板構成要素から電気信号を受信するように、ＥＤＧＥカードまたは他の電気コネクタを含み得る、カートリッジインターフェース２１３０にも連結される。
いくつかの実施形態では、プロセッサ２１１０は、ユーザインターフェース２１４０に連結されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、読取機２１００は、タッチスクリーン、ＬＥＤマトリクス、他のＬＥＤインジケータ、またはユーザから入力を受信し、出力をユーザに提供するための他の入出力デバイスを含んでもよい。他の実施形態では、ユーザインターフェース２１４０は、読取機２１００上に存在しないが、代わりに、通信インターフェース２１５０を介して読取機２１００に通信可能に接続される、遠隔コンピュータデバイス上に提供される。さらに依然として、他の実施形態では、ユーザインターフェースは、読取機上の要素および遠隔コンピュータデバイスの組み合わせであり得る。
種々の実施形態の通信インターフェース２１５０もまた、プロセッサ２１１０に連結される。いくつかの実施形態では、通信インターフェース２１５０は、無線で遠隔コンピュータデバイスからデータを受信し、データを遠隔コンピュータデバイスに伝送するために、受信機および伝送機、または送受信機を含む。いくつかのそのような実施形態では、遠隔コンピュータデバイスは、システムにユーザインターフェースを提供する、モバイルコンピュータデバイスであり、加えて、または代替として、いくつかの実施形態では、遠隔コンピュータデバイスは、サーバである。他のデバイスとの無線通信のための実施形態では、通信インターフェース２１５０は、１つまたはそれを上回るネットワーク規格に従って通信ネットワークを経由して伝送するために、プロセッサ２１１０によって生成されるデータを作成し、および／または１つまたはそれを上回るネットワーク規格に従って通信ネットワークを経由して受信されるデータを復調する。いくつかの実施形態の通信インターフェース２１５０は、加えて、または代替として、読取機２１００と遠隔コンピュータデバイスとの間の信号の有線通信のための電気的接続を含んでもよい。
コンピュータ構成要素に加えて、種々の実施形態の読取機は、標的被分析物検出を実装するために必要とされる、いくつかの付加的な物理的構成要素を含む。例えば、図２２の読取機２２００は、カートリッジを受容するために、本明細書ではドック２２１０と称される、スロット、開口部、床、ポート、または他のドッキング特徴を含む。カートリッジは、読取機２２００によって受容されるときに、読取機２２００の上または中に配置され、あるいは別様に読取機２２００に連結されてもよい。
読取機構成要素のうちのいくつかは、カートリッジとの所望の相互作用を達成するために、ドック２２１０に対して特定の場所に方略的に位置付けられる。例えば、描写した実施形態の読取機２２００は、電気コネクタ２２２０と、１つまたはそれを上回る磁場発生器２２４０とを含み、そのような構成要素の場所は、ドッキングされたカートリッジの特定の特徴と整合するように選択される。加えて、図２２の実施形態を含む、いくつかの実施形態は、超音波処理要素２２３０を含む。これらの構成要素のそれぞれは、以下でさらに詳細に説明される。
種々の実施形態の電気コネクタ２２２０は、電気的接続性のためのピンを有する、ＥＤＧＥカードまたは他のコネクタである。コネクタ２２２０は、ドック２２１０の上、下に、内に、またはそれに隣接して位置し、コネクタ２２２０のピンがドッキングされたカートリッジデバイスの導線と接触し、それと電気的接続性を確立するように位置付けられる。それによって、電気コネクタ２２２０は、カートリッジの回路基板構成要素上のセンサと読取機内の電気化学回路との間に電気的導通を確立する。いくつかの実施形態では、読取機の電気コネクタ２２２０はまた、カートリッジの回路基板構成要素上に存在する場合、加熱要素と電気的導通を確立してもよい。いくつかの実施形態では、読取機２２００は、電気コネクタ２２２０とカートリッジの導線との間の電気的導通に基づいて、カートリッジの追加により完成する、電気化学回路の一部分を含む。そのような実施形態では、カートリッジの追加は、回路を完成させるか、または閉鎖する。そのような実施形態では、カートリッジを読取機２２００に連結することにより、読取機を始動し、それを「起動」させる。いったん起動されると、電気コネクタ２２２０は、どのような種類のカートリッジがそのドックに連結されているかを識別するように、カートリッジの一部分から受信されている信号を識別してもよい。いくつかの実施形態では、電気コネクタ２２２０は、ドッキングされたカートリッジの種類を識別するために、特定のカートリッジの種類に特有である、例えば、カートリッジ上の抵抗ラベル等のラベルを識別してもよい。他の実施形態では、カートリッジの回路基板構成要素の導線内で符号化されるデジタルバーコードが、カートリッジの種類を識別するように、読取機内の電気ピンまたはパッドによって読み取られる。いくつかのそのような実施形態では、カートリッジの回路基板構成要素は、複数の導線を含み、そのうちのいくつかは接地線に接続され、そのうちのいくつかは接続されない。それらと接地ピンとの間の電気ピンおよび接続の組み合わせた使用を通して、および／または読取機上に位置するプルアップ／プルダウン抵抗器を用いて、各ピンの状態（例えば、接地または非接地）は、特定のピンが接地されているかどうかを判定するように、読取機のプロセッサで論理状況として読み取られる、設定電圧より高いまたは低い電圧として感知される。このようにして、カートリッジの部類を一意的に識別するように、接地および非接地ピンの組み合わせを読取機２２００によって検出し、認識することができる。
いくつかの実施形態では、いったん起動されると、読取機２２００はまた、識別されたカートリッジに対してどのような試験プロトコルを実行するかを判定し、および／または近くのモバイルコンピュータデバイスを検索し、それに接続する。
図２２を続けると、読取機２２００は、随意に、超音波処理構成要素、または超音波発生装置２２３０を含む。種々の実施形態の超音波発生装置２２３０は、ドック２２１０の中に、下に、またはそれを覆って位置し、直接的に、または実質的に、ドッキングされたカートリッジの第１の貯留部を覆って、またはその下に位置付けられる。いくつかの実施形態では、ドッキングされたカートリッジは、超音波発生装置２２３０と第１の貯留部との間の密接な関係を促進する特徴を含む。例えば、図７Bで見られるように、回路基板構成要素７５０および基礎構成要素７４０はそれぞれ、それらの構造の中で切り抜きまたは窓７４１、７５１を提供するように成形され、切り抜き７４１、７５１は、貯留部と整合させられる。したがって、種々の実施形態では、その間にいかなる構造も提供されていない状態で、音波発生装置２２３０およびカートリッジの第１の貯留部を整合させることができる。いくつかの実施形態では、ユーザがカートリッジをドックの中へ摺動させるとき、切り抜き７４１、７５１は、超音波発生装置２２３０が貯留部の直下に位置付けられることを可能にする。そのような構成は、超音波発生装置２２３０が制御された量のエネルギーを第１の貯留部の中へ伝送することを可能にする。他の実施形態では、超音波発生装置（または本明細書で開示される超音波処理ステップを行う他の構成要素）は、例えば、図１１に示されるように、第１の貯留部７２４の底壁の上に配置されるか、またはそれを形成する。他の実施形態では、いかなる超音波発生装置も提供されない。超音波発生装置２２３０を有する、種々の実施形態では、超音波処理エネルギーは、脆弱なＤＮＡプローブまたは他の分子に引き起こされる損傷を制限しながら、第１の貯留部内で構成要素の混合およびハイブリダイゼーションを達成するように制御される。
いくつかの実施形態では、超音波発生装置２２３０は、感圧性圧電円板２２３２を含む。随意に、いくつかの実施形態では、超音波発生装置２２３０はさらに、第１の貯留部と圧電円板との間に配置される、高含水ブリスターを含む。いくつかの実施形態では、高含水ブリスターは、カートリッジ生産プロセスにおいて第１の貯留部の下に添着され、他の実施形態では、これは、読取機内の超音波発生装置２２３０を覆って提供される。高含水ブリスターは、最小限の減衰を伴って、超音波発生装置２２３０から第１の貯留部への音響エネルギーの送達を促進してもよい。いくつかの実施形態では、ブリスターは、別の適切に伝導する超音波処理媒体と置換される。いくつかの実施形態では、超音波処理媒体としての機能を果たす構成要素は、好ましくは、液体残留物が存在しない状態で、外側が乾燥している。いくつかの実施形態では、カートリッジが読取機２２００の中へ摺動するとき、超音波発生装置に連結される音響的伝導媒体は、第１の貯留部の底部に添着される音響的伝導媒体と軟質シールを形成する。この「軟質シール」は、貯留部の底部上で共形の音響的伝導媒体を使用することによって増進されてもよい。
第１の貯留部の内容物を混合および交雑させるように、音響エネルギーを生成することに加えて、超音波発生装置２２３０を有する、種々の実施形態では、超音波発生装置２２３０は、第１の貯留部の中へのサンプル収集デバイスの導入を検出するために使用することができる。有利なことには、そのような検出は、第１の貯留部の中へのサンプルの導入の直後、または実質的に直後に、読取機２２００が試験プロトコルの自動開始を開始することを可能にする。自動開始は、横たわったユーザのために使い易さを向上させ、また、サンプル導入に対して一貫した開始時間を確保し、したがって、一貫した結果を提供する。
上記のように、いくつかのそのような実施形態では、超音波発生装置２２３０は、感圧性圧電要素である。そのような実施形態では、カートリッジの壁は、第１の貯留部の中へのサンプル収集デバイスの導入時にわずかに屈曲するように設計され、そのような屈曲は、超音波発生装置２２３０によって検出可能である、圧力の変化をもたらす。
他の実施形態では、第１の貯留部中のサンプル収集デバイスの検出は、共鳴または信号監視を通して起こる。具体的には、図２３Ａに示されるように、例えば、カートリッジを読取機に連結することの結果として、読取機の起動時に、超音波発生装置２３００、および／または超音波発生装置２３００の全体あるいは一部分を形成する圧電要素は、第１の貯留部に向かって指向される音波２３１０を生成する。いくつかの実施形態では、次いで、超音波発生装置２３００またはその一部分が、反射音波３１５の結果として変形し、および／または超音波発生装置の共振周波数が記録され、それによって、読取機内のプロセッサおよび／または回路が、基準無負荷状態を判定することを可能にする。その後、超音波発生装置２３００は、図２３Ｂに示される走査状態になり、第１の貯留部の中へ音波２３１０を周期的にｐｉｎｇ送信するため、読取機内のプロセッサまたは回路は、任意の変動が発生したかどうかを判定するために、帰還信号２３１５および／または超音波発生装置の共振周波数偏移を監視することができる。いくつかの実施形態では、いかなる変動も検出されなかった、および／または基準無負荷状態が確立されている場合、読取機は、カートリッジの中へサンプル収集デバイスを進入させるようにユーザを促す、１つまたはそれを上回る光または音を発する。図２３Ｃでは、サンプル収集デバイス２３５０の追加は、読取機内のプロセッサまたは回路がサンプル収集デバイス挿入として識別するようにプログラムされる、閾値を上回る、超音波発生装置の共鳴の偏移および／または音波帰還信号への変化を引き起こす。種々の実施形態では、次いで、プロセッサおよび／または回路は、試験プロトコルの超音波処理ステップを開始するように、命令を超音波発生装置２３００に返信する。いくつかの実施形態では、試験プロトコルが開始されたことを表すように、読取機上の光パターンが変化するか、または音が発せられる。いくつかの実施形態では、走査段階中に発せられる、ユーザ指示光または可聴ユーザ指示音パターンは、収集デバイスを入力する緊急性の増加をユーザに信号伝達するように、強度または周波数の変化を受ける。種々の実施形態では、ユーザに指示することと関連付けられる音波は、貯留部の負荷対無負荷状態を確立するように、超音波発生装置によって発せられる音波とは明確に異なる。
いくつかの実施形態では、存在する場合、標的被分析物を含む、サンプル粒子を、第１の貯留部の溶液の中へ活発に溶出させるように、高強度超音波処理手順が行われる。超音波処理手順はまた、標的と結合するために磁気粒子を溶液中で利用可能にするために、サンプル調製試薬、具体的には、磁気粒子の適正な懸濁を達成するように行われる。キャビテーションおよび大きな剪断力を回避しながら、高強度段階でさえも、穏やかな超音波処理を生成するという目標を達成することが可能である、任意の超音波発生装置が使用されてもよい。適切な超音波発生装置の一実施形態は、１５ワット未満の出力で、例えば、１．６メガワット屈曲変換器圧電円板等の圧電構成要素である。
高強度超音波処理に続いて、超音波発生装置の音波信号は、磁気粒子が定着することを防止するため、およびシステムの中へエネルギーを追加し続けるためにパルス状である。エネルギーの追加は、磁気粒子上の親和性分子、標的、および検出作用物質または競合結合剤の間のハイブリダイゼーションを増進する。
読取機によって選択される超音波処理プロファイルは、試験されているサンプルに従って変動する。本明細書で使用されるように、「超音波処理プロファイル」とは、超音波処理の時間の長さ、超音波処理の周波数、強度等の送達された超音波処理の特性を指す。種々の実施形態では、読取機は、そのような変数に対するきめの細かい制御を有する。いくつかの実施形態では、電力消費目的で、超音波発生装置は、それがパルスを発する「１周期」を有する。例えば、一実施形態では、超音波処理段階中に、超音波発生装置は、１０秒毎の窓内で３秒間起動され、これらの起動した３秒以内に、超音波発生装置は、規則的間隔でパルスを発する。例えば、超音波発生装置は、０．０２７秒毎に音波を生成してもよい。そのような方法は、電力の過剰消費およびサンプルの過熱を回避しながら、ハイブリダイゼーション、標的捕捉、および種々の分子錯体の形成を助長する環境を生成する。
図２２を続けると、種々の実施形態の読取機２２００はまた、１つまたはそれを上回る磁場発生器２２４０も含む。いくつかの実施形態では、磁場発生器２２４０は、読取機２２００内に添着されるインダクタまたは他の電磁構成要素であってもよい。図２２に示されるように、いくつかの実施形態では、磁場発生器２２４０は、永久磁石である。磁場発生器２２４０は、カートリッジがドック２２１０に連結されるときに、１つまたはそれを上回る検出センサがそれぞれ、磁場発生器２２４０によって生成される磁場内に直接配置されるように、位置付けられる。種々の実施形態では、磁場は、限局化の原因であり、磁場は、分析ゾーン内で限局するように、磁気粒子および付随交雑分子を誘導するものである。
種々の実施形態では、カートリッジの基礎構成要素は、少なくとも１つの永久磁石またはインダクタが、回路基板構成要素の検出センサの直下に位置付けられることを可能にする、切り抜きを有する。切り抜きは、磁石またはインダクタに衝突することなく、カートリッジがドック２２１０上の定位置に摺動することを可能にする。切り抜きはまた、磁場発生器２２４０が可能な限り検出センサの近くに位置付けられることも可能にする。磁場発生器２２４０がセンサに近いほど、磁場がより多くの力を及ぼすことができ、より小型の磁石またはインダクタが、より大型で高価な磁石またはンダクタと同等の磁場強度を及ぼすことが可能であることを意味する。小型磁石またはインダクタの使用は、磁石またはインダクタが小さいほど、より少なく磁場が重複するため、複数の磁場および複数の分析ゾーンを有する実施形態において（例えば、複数の異なる標的被分析物を検出するように構成される実施形態において）特に有利である。より小さい磁場は、異なる検出センサの下の磁石またはインダクタ間のクロストークの量を制限することができる。
加えて、カートリッジの議論で上記のように、被分析物検出システムのいくつかの実施形態では、貯留部出口内の熱作動型弁を起動するように、加熱要素が提供される。そのような実施形態では、加熱要素は、熱をカートリッジの回路基板構成要素上のビアに送達し、ビアは、精密な時点で、および／または精密な空間領域内で、ワックスを融解させるように、熱の導体の役割を果たす。いくつかの実施形態では、複数の加熱要素が、読取機２２００内に位置付けられ、ドッキングされたカートリッジのビアと整合するように位置付けられる。いくつかのそのような実施形態では、読取機の加熱要素とビアとの間で有効接触を形成するように、ばね荷重接点が読取機２２００内で提供される。いくつかのそのような実施形態では、加熱要素は、抵抗加熱要素である。
種々の実施形態では、（読取機またはカートリッジの中の）加熱要素の場所にかかわらず、熱伝達および弁開放のタイミングは、読取機デバイスによって精密に時間決定および制御される。例えば、いくつかの実施形態では、読取機コンピュータは、発熱電流が加熱要素を通って流動するときを制御する。弁は、以下の順序、すなわち、（１）サンプル調製貯留部、（２）存在する場合は洗浄剤貯留部、および（３）化学基質貯留部の順序において、そのような電流によって引き起こされる熱によって作動させられる。各弁の作動は、それぞれの弁が完全に作動し、関連貯留部が、その内容物を分析チャネルの中へ放出する時間を有し、次の貯留部の内容物が放出される前に、貯留部の内容物のうちの少なくともいくつかが、センサの下流に位置付けられる吸収パッドまで移動する時間を有するように、時間決定される。いくつかの実施形態では、弁作動間の時間は、吸収パッドが分析チャネル内に存在する液体を完全または実質的に吸収するために十分長く選択される。有利なことには、そのような実施形態では、非常に少ない混合が、連続貯留部の内容物の間で起こる。
いくつかの実施形態では、連続弁作動の精密なタイミングおよび／または成功した弁作動の判定は、プロセッサ上のアルゴリズム、およびサーミスタおよび電気化学センサ等の感知要素から導出される情報を利用する、フィードバック制御システムの使用を通して、プロセッサで判定することができる。例えば、センサの上方の液体の存在または非存在に応じて、センサにおいて生成される信号が異なるであろうため、分析チャネルが液体を有するかどうかを判定するように、分析チャネル中の電気化学センサに問い合わせを行うことができる。それによって、この信号は、信号を論理的に解釈するように設定されるプロセッサと組み合わせて、弁が適正に作動したかどうか、および／または貯留部がその液体内容物を完全に排出したとき、ならびにチャネルが液体を含まず、連続弁作動の準備ができているように、液体内容物が廃棄物パッドに吸収されたときを判定することができる。いくつかの実施形態では、フィードバックシステムを通して、分析チャネルが完全または部分的に一掃され、次のステップの準備ができているという確認をプロセッサおよび／または回路が受信した後のみ、読取機のプロセッサおよび／または回路は、後続の弁を作動させるように加熱要素に命令する信号を送信する。
加えて、図２４で概略的に示されるように、いくつかの実施形態では、熱作動型弁２４３０を作動させるように位置付けられる加熱要素２４２０と熱的に連通している、サーミスタ等の温度感知要素２４１０と、該加熱要素２４２０からの信号を論理的に解釈するように設定されるプロセッサ２４４０とを含む、付加的なフィードバックおよび制御システム２４００の使用を通して、弁作動のための加熱要素の所望の熱プロファイルを一貫して達成することができる。
熱プロファイル制御フィードバックおよび制御システムの一実施形態が、図２５で提供される。代替的な図２５は、弁作動要素の回路基板構成要素２５３０上のビア２５２０と熱的に連通している、温度感知要素２５１０の実施形態を描写する。具体的には、描写される温度感知要素は、その温度とともに変動する抵抗を有する、サーミスタである。他の回路、および／または、サーミスタからの電子信号を解釈するように構成されるプロセッサと電子通信しているとき、サーミスタから収集される情報は、前述のプロセッサと電子連通している加熱要素のコマンドおよび制御を通して、弁の一貫した熱作動を維持するために利用することができる。この感知要素は、加えて、温度が熱くなりすぎた場合に、プロセッサが加熱要素を停止させることを可能にするであろう、感知情報を与えることによって、該サーミスタと熱的に連通している加熱要素における温度の暴走上昇を防止することに役立つことによって、サンプル分析デバイスの安全性を向上させることができる。図２５の描写した実施形態は、読取機デバイスの回路基板上の熱伝導要素の使用を通して、加熱要素と熱的に連通しているサーミスタ２５１０を示し、該熱伝導要素は、金属トレース２５４０、例えば、銅トレースである。加えて、サーミスタ２５５１０は、典型的には、高い熱伝導率を有する、コネクタ２５５０（一実施形態では、ばね荷重コネクタピン）の使用を通して、弁ユニットのビア２５２０と熱的に連通している。加熱要素は、図２５で描写されていないが、サーミスタが、伝導トレースを通して、次いで、ビアと接触しているばね荷重ピンを通して、ビアに連結される際のトレースの使用を通した方法を含む、複数の方法で、加熱要素をビアに熱的に連結できることを理解することができる。
図２６Ａ−２６Ｃは、カートリッジ７００の種々の段階を通して示される、図２２の読取機デバイス２２００を描写する。示されるように、読取機２２００は、ドック２２１０と、電気コネクタ２２２０と、超音波発生装置２２３０と、永久磁石の形態の磁場発生器２２４０とを含む。カートリッジ７００は、ドック２２１０の中へ摺動し、読取機２２００に連結するように構成される。連結されたとき、カートリッジ７００の導線７５４は、電気コネクタ２２２０と直接接触しており、第１の貯留部７２４は、超音波発生装置２２３０を覆って配置され、マイクロ流体分析チャネル７３２の一部分は、磁場内の磁場発生器２２４０を覆って配置される。
図２７Ａ−２７Ｂは、カートリッジ２７０２に連結された読取機デバイス２７００の付加的な実施形態を提供する。図２７Ａ−２７Ｂの読取機デバイスは、カートリッジ２７０２がドックに連結されたときに、磁石２７４２、２７４４、２７４６、２７４８が、それぞれ、複数の検出センサ２７６２、２７６４、２７６６、２７６８の下方に位置するように位置付けられる、読取機２７００のドックの下方に直列に配列された複数の磁石２７４０を含む。サンプル中の複数の異なる標的被分析物の存在、非存在、および／または数量を検出するように設計されている、図２７Ａ−２７Ｂの実施形態等の実施形態では、本明細書で説明される他の実施形態に対して、カートリッジ２７０２および読取機２７００の設計の両方に修正が行われる。例えば、上記で説明されるように、複数の異なる標的被分析物の検出は、第１の貯留部２７２４内の磁気粒子の複数の集団ならびに検出作用物質および／または競合結合剤の複数の集団の包含を必要とする。貯留部２７２４中に存在する磁気粒子、検出作用物質、および競合結合剤の各集団は、異なる標的被分析物に対する親和性を有し、異なる捕捉抗体、捕捉ＤＮＡプローブ、または他の親和性分子を含むように設計されている。加えて、貯留部２７２４中に存在する磁気粒子の各集団は、異なるサイズ、磁気応答、密度、またはそれらの任意の組み合わせ等の一意的な識別物理特性を有する。
磁気粒子の複数の集団が、複数の異なる標的被分析物の存在を検出するために存在する、一実施形態では、検出のために集団を分離するために、デッドエンド濾過が使用される。そのような実施形態では、磁気粒子が第１の貯留部２７２４から流出し、分析チャネル２７０４に流入すると、分析チャネル２７０４内で提供される一連のフィルタに遭遇する。下流方向へ移動して、フィルタは、細孔径によって順序付けられ、第１のフィルタが最大細孔を有し、最後のフィルタが最小細孔を有する。各フィルタは、特定の検出作用物質または特定の検出作用物質の生成物を検出するように指定される、検出機構に近接近して配置される。例えば、いくつかの実施形態では、検出機構は、交雑した磁気粒子の特定の集団の間で起こる酸化を検出するように指定される、電気化学センサである。第１のフィルタ細孔より小さい磁気粒子は、チャネルを下る液体流とともに、フィルタを通過するであろう。第１のフィルタの細孔径より大きい磁気粒子は、第１のセンサ２７６２と近接近して後に残るであろう。減少する細孔径の連続フィルタの使用を通して、磁気粒子集団は、分離され、異なる検出センサ２７６０にわたって限局される。このようにして、次いで、交雑した磁気粒子および標的被分析物の異なる集団の間の酸化反応等の反応は、複数の標的被分析物のそれぞれの存在、非存在、および／または数量を識別するように、本明細書の他の場所で説明される様式で監視することができる。
このプロセスは、磁気の使用を通して増進させることができる。同一の材料組成の磁気粒子は、磁気粒子の直径の二乗とともに、それらの磁気応答が変動する。したがって、磁場は、異なるサイズの磁気粒子上で異なって相互作用し、したがって、選別機構が起こることを可能にするであろう。この磁気応答差は、いくつかの実施形態では、分離速度および特異性を増進するために活用されてもよい。磁気粒子が第１の貯留部から退出すると、少なくとも部分的に磁気粒子をサイズによって順序付けるために、磁場が分析チャネルに印加されてもよい。より大型の磁気粒子が、より小型の磁気粒子より強く磁力を感じるであろうため、より大型の磁気粒子は、より小型の磁気粒子に対して、よりゆっくりと下流に移動するであろう。これは、より小型の磁気粒子がより大型の磁気粒子より早く、分析チャネル２７０４を下って進行するための選好をもたらし、これは、細孔の磁気粒子ベースの詰まりの可能性を減少させる。細孔の磁気粒子ベースの詰まりは、多重化特異性を減少させ得、過剰な酵素を洗い流すため、および化学基質を捕捉された検出作用物質に提供するために必要とされる、液体流を制限することによって、適正な試験を完全に妨害し得る。
いくつかの実施形態では、デッドエンド濾過でよく見られる膜汚染を防止するために、クロスフロー濾過技術が使用される。そのような実施形態では、磁石またはインダクタは、流動の方向に対して垂直または他の非平行磁力を及ぼすように位置付けられる。整合磁石またはインダクタのそのような配置は、提供された磁場発生器によって作用されるために十分なサイズである場合に、フィルタが位置する分析チャネルの側面に磁気粒子を引き寄せられる。そのような実施形態では、磁場サイズは、磁気粒子のサイズより小さい細孔径を有する第１のフィルタのすぐ上流のフィルタに遭遇するよう、磁気粒子が分析チャネル２７０４の側面に引き寄せられるように選択される。
代替として、磁気粒子および標的被分析物の集団は、磁気のみの使用を通して分離することができる。磁気粒子の磁力応答が粒子の直径の二乗に伴って拡大するため、分析チャネル２７０４の異なる場所で異なる磁場強度を生成する、読取機デバイスまたはカートリッジ上に位置する複数の磁石またはインダクタを提供することによって、膜を使用することなく、磁気粒子集団の分離および限局化を単一のチャネルの中で達成することができる。具体的には、下流方向に移動して、増加する磁場強度の磁場発生器に遭遇する。最大磁気粒子は、最大磁気粒子を捕捉するためにちょうど強いが、任意の他のサイズの磁気粒子を捕捉するためには強くはない、第１の磁場から漏出することができないため、第１のセンサで限局される。磁気粒子集団は、それらの集団の間で酸化反応を検出するために提供される、検出センサ２７６０を覆って位置する特定の磁気粒子のサイズに合わせた磁場によって捕捉されるまで、液体流とともに下流に移動するであろう。２番目に最も弱い磁場は、２番目に最大の直径を伴う磁気粒子の集団を捕捉し、３番目に最も弱い磁場は、３番目に最大の直径を伴う磁気粒子の集団を捕捉する、等となるであろう。最小磁気粒子は、最も強い磁場によって捕捉される。これは、磁気粒子の各集団が異なる検出センサにわたって限局することを可能にし、検出が上記で説明されるように進む。磁場は、少なくともいくつかの方法を通して変動させることができる。いくつかの実施形態では、各磁石またはインダクタは、異なるサイズであり、磁石またはインダクタが大きいほど、その磁場が大きい。図２７Ａ−２７Ｂに示される実施形態等の他の実施形態では、磁石２７４０は、分析チャネル２７０４の平面に対して様々な深度で配置される。最上流磁石２７４８は、分析チャネル２７０２に最も遠く配置され、したがって、最も強い磁場をチャネル２７０４に及ぼす。最下流磁石２７４２は、分析チャネル２７０２に最も近く配置され、したがって、最も強い磁場をチャネル２７０４に及ぼす。
重要なことには、本明細書で説明される種々の実施形態では、磁気粒子と１つまたはそれを上回る磁場との間の磁気引力は、洗浄液および／または化学基質を担持する液体が磁気粒子を越えて流動すると、１つまたはそれを上回る磁場発生器を覆って磁気粒子を限局したままにさせるために十分強い。
検出システム
図４のサンプル収集デバイス４００と、図７Ａ−Ｂのカートリッジデバイス７００と、図２２の読取機デバイス２２００とを含む、検出システム２８００の一実施形態が、図２８Ａおよび２８Ｂで提供される。本システムを形成するデバイスは、図２８Ａでは使用に先立って、および図２８Ｂでは連結構成で、別々に示される。図２８Ａの実施形態を含む、種々の実施形態のサンプル収集デバイス４００は、使い捨てであり、１回限りの使用のために構成される。これは、取り外し可能な滅菌包装内で提供されてもよい。いったんカートリッジ７００の入力トンネル７１２に挿入されると、サンプル収集デバイス４００は、永久固定係合で係止され、再度使用することができない。同様に、描写したカートリッジ７００は、使い捨てであり、１回限りの使用のために構成される。いったんサンプル収集デバイス４００がカートリッジ７００の入力トンネル７１２内で定位置に係止すると、カートリッジ７００を再度使用することができない。しかしながら、カートリッジ７００を読取機２２００から除去することができる。種々の実施形態では、カートリッジ７００および読取機２２００は、別々に連結されるように構成され、カートリッジ７００は、少なくとも検出プロトコルの実装の前および後に、挿入し、読取機２２００のドックから除去することができる。いくつかの実施形態では、読取機２２００は、カートリッジ７００を一時的に定位置に係止し、検出試験サイクルの持続時間中に除去を制限するための係止機構を含んでもよい。種々の実施形態の読取機２２００は、再利用可能である。
加えて、ある実施形態では、読取機２２００および検出システム２８００全体は、非臨床的な消費者向けの用途のために構成される。したがって、いくつかの実施形態のシステム２８００は、使用しやすく、迅速に結果を生成する。いくつかの実施形態では、標的被分析物検出プロトコルの結果は、サンプル収集デバイス４００からサンプルがシステムのカートリッジ７００に挿入された時間から３０分未満で生成される。いくつかの実施形態では、結果は、２０分未満、いくつかの実施形態では、１０分未満で生成され、いくつかの実施形態では、結果は、５分未満で生成される。加えて、いくつかの実施形態の消費者向けのシステムは、家庭、学校、オフィス、または他の勤務先内で邪魔にならない存在のために小さい。いくつかの実施形態では、本システムは、高さが３０ｃｍ未満、幅が３０ｃｍ未満、および長さが３０ｃｍ未満であり、いくつかの実施形態では、高さ、幅、および長さは、それぞれ２０ｃｍ未満であり、いくつかの実施形態では、高さ、幅、および長さのうちの１つまたはそれを上回るものは、１０ｃｍ未満である。いくつかの実施形態では、カートリッジ７００、サンプル収集デバイス４００、および読取機２２００は、ほぼスマートフォンまたは他のモバイルコンピュータデバイスのサイズのシステム２８００をともに形成する。いくつかの実施形態では、本システムは、携帯用であるように定寸および構成される。そのような実施形態では、コンパクトな手持ち式設計に加えて、サンプル内の全ての液体は、持ち運んでいる間のシステム構成要素のぶつかり合いにより、漏出または時期尚早の酸化反応が起こらないように、適正に密閉および分離される。
非臨床設定で横たわった人々による使用を助長するために、いくつかの実施形態のシステム２８００は、自己起動および自己実行検出プロトコルを含むことによって、「ダミー防止」であるように設計されている。例えば、図２８Ｂは、カートリッジ７００が読取機２２００のドック２２１０の中に配置されており、サンプル収集デバイス４００がカートリッジ７００の入力トンネル７１２に挿入されている、実施例を描写する。描写した実施形態では、カートリッジ７００を読取機２２００の中へ装填することにより、カートリッジ７００のピンと読取機２２００との間で電気的接続を確立し、それによって、読取機２２００内の回路を完成させ、読取機を自動的に起動した。起動されると、いくつかの実施形態の読取機２２００は、存在する場合、その超音波発生装置を起動し、第１の貯留部の中へのサンプル収集デバイス４００の進入を検出するために超音波発生装置を利用する。検出時に、種々の実施形態の読取機２２００は、いかなるさらなる人間の介入も伴わずに、自動的に検出プロトコルを開始するように構成される。自動開始は、第１の貯留部内の試薬およびサンプルの混合が、サンプル収集デバイスの挿入に続いて固定時間で一貫して起こり、一貫した試験結果につながることを確実にする。超音波発生装置が存在しない、他の実施形態では、試験プロトコルは、ユーザが、読取機２２００または遠隔コンピュータデバイス２８２０上の「進む」、「実行」、および「開始」、または他の類似ボタンあるいはアイコンを押すときに開始してもよい。
以下でさらに詳細に説明されるように、かつ図２８Ａおよび２８Ｂに示されるように、いくつかの実施形態では、システム２８００は、遠隔コンピュータデバイス２８２０を含む。遠隔コンピュータデバイス２８２０は、例えば、スマートフォン、タブレット、または装着型デバイス等のモバイルコンピュータデバイス、あるいはラップトップまたは他のコンピュータであってもよい。図２８Ａに示されるように、いくつかの実施形態では、読取機２２００は、遠隔コンピュータデバイス２８２０と無線で通信する。他の実施形態では、ケーブル接続等の可撤性有線接続が、読取機２２００と遠隔コンピュータデバイス２８２０との間に提供される。図２９Ａ−Ｂの実施形態等のなおも他の実施形態では、システム２９００内にカートリッジドッキングステーション２９１５を有する、被分析物読取機２９１０は、例えば、プラグ２９１２を介してヘッドホンジャックまたは充電ポートの中へ接続することによって、遠隔コンピュータデバイス２９２０に取り外し可能に直接連結する。
種々の実施形態では、遠隔コンピュータデバイスが、より多くの計算能力および／またはより多くのメモリを提供するように、遠隔サーバからデータを引き出し、データを遠隔サーバに送信するための無線送受信機を提供するように、および／または表示画面ならびにユーザインターフェースを提供するように、本システム内に含まれてもよい。遠隔コンピュータデバイスは、全ての実施形態内で必要とされるわけではない。例えば、図３０に示されるように、いくつかの実施形態では、読取機３０００は、プロセッサおよびメモリ（図示せず）、カートリッジ用のドック３０１５、ならびにタッチスクリーンまたは他のユーザインターフェース３０１０を含む。そのような実施形態では、読取機は、適正な試験プロトコルを識別し、試験プロトコルを実行し、システム内のセンサから受信される未加工結果を分析し、デジタル結果をユーザに表示するように構成される。そのような実施形態の読取機はさらに、遠隔サーバからのデータにアクセスして伝送するための無線受信機および伝送機を含んでもよい。
被分析物検出システムの一実施形態が、図３１で概略的に示される。図３１は、被分析物検出システム３１００の一実施形態内のコンピュータ化構成要素の間の相互作用の概略図を提供する。当業者であれば、実施形態が本質的に例証的にすぎず、種々の構成要素が追加、削除、または置換され得、デバイス間の通信の種々の異なる階層およびモードが採用され得ることを理解するであろう。描写した実施例では、検出システム３１００は、読取機３１３０、ユーザインターフェースを有するデバイス３１４０、およびサーバ３１５０を含む、複数のコンピュータ化デバイスで形成される。コンピュータ化されていないが、システム３１００は、加えて、読取機３１３０に連結して示される、サンプル収集デバイス３１１０と、カートリッジ３１２０とを含む。図３１を参照して説明される、ある実施形態では、読取機３１３０は、例えば、読取機２２００、読取機２９１０、または読取機３０００等の本明細書の他の場所で説明される任意の読取機の実施形態を表し得ることを理解されたい。同様に、ユーザインターフェースを有するデバイス３１４０は、モバイルコンピュータデバイス２８２０または２９２０等の本明細書で説明される任意のそのようなデバイスを表してもよい。カートリッジ２８２０は、カートリッジ７００、８００、または９００等の本明細書で説明される任意のカートリッジの実施形態を表してもよく、サンプル収集デバイス２８１０は、サンプル収集デバイス４００または６００等の本明細書で説明される任意のサンプル収集デバイスを表してもよい。システム３１００は、それを通して種々のデバイスのうちのいくつかまたは全てが相互と通信する、通信ネットワーク３１６０を含む。ネットワークは、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）または広域ネットワーク（ＷＡＮ）であり得る。いくつかの実施形態では、ネットワークは、例えば、モバイルＷｉＭＡＸネットワーク、ＬＴＥネットワーク、Ｗｉ−Ｆｉネットワーク、または他の無線ネットワーク等の無線通信ネットワークである。他の実施形態では、ユーザインターフェースを有するコンピュータ３１４０とサーバ３１５０との間の通信は、ＤＳＬケーブル接続等の有線ネットワークを介したインターネットを経由して起こる。
いくつかの実施形態では、読取機３１３０、およびユーザインターフェースを有するデバイス３１４０は、別個のデバイスではないが、むしろ、例えば、図３０に示されるように、両方とも読取機デバイス３１３０内で提供される。そのような実施形態では、読取機プロセッサとユーザインターフェースとの間の通信は、電気信号の伝送を介して読取機３１３０内で内部に起こる。
他の実施形態では、読取機３１３０、およびユーザインターフェースを有するデバイス３１４０は、別個のデバイスである。いくつかの実施形態では、ユーザインターフェースを伴うデバイス３１４０は、スマートフォンまたは他のモバイルコンピュータデバイスである。読取機３１３０とモバイルコンピュータデバイス３１４０との間の通信は、例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、近距離通信、または他の高周波技術を使用して、無線で起こってもよい。代替として、読取機３１３０とモバイルコンピュータデバイス３１４０との間の信号の伝送は、コード、ケーブル、または他の有線あるいは直接接続を経由して起こってもよい。種々の実施形態では、モバイルコンピュータデバイスまたはユーザインターフェースを有する他のデバイス３１４０は、試験結果をユーザに提示するためのフロントエンドグラフィカルユーザインターフェースのためのソフトウェアアプリケーションを含む。
種々の実施形態では、読取機３１３０は、サンプル内の標的被分析物を検出および／または定量化するために必要とされる試験およびプロセスを制御するように構成される。そうするために、有意量の情報が読取機３１３０のメモリ内に記憶されてもよい。代替として、情報のうちの一部または全てが、サーバ３１５０内に記憶されてもよく、通信ネットワーク３１６０を介して読取機３１３０によってアクセス可能であり得る。そのような情報は、例えば、カートリッジの一意的な識別抵抗器ラベルによって生成される信号によって、各カートリッジの種類を識別する、カートリッジキーのデータベースを含む。情報はまた、各カートリッジキーと関連付けられる試験プロトコルも含む。試験プロトコルは、超音波処理を通してサンプル調製試薬をどれだけ長く混合するか、超音波処理の周波数、種々の感熱弁を加熱するとき等の詳細を特定してもよい。情報はまた、検出されたセンサ信号を標的被分析物の非存在、存在、および／または特定数量に相関させる、各カートリッジの種類の相関表を含んでもよい。加えて、読取機３１３０および／またはサーバ３１５０によって記憶される情報は、１つまたはそれを上回る過去の結果を含んでもよい。いくつかの実施形態では、読取機３１３０は、少なくとも読取機３１３０が遠隔コンピュータデバイスと通信するまで、試験結果を記憶し、そのようなときに、結果は、表示および／または長期記憶のために、遠隔コンピュータデバイス（モバイルコンピュータデバイス３１４０またはサーバ３１５０）に伝送されてもよい。
いくつかの実施形態では、サーバ３１５０はまた、ユーザインターフェースを有するデバイス３１４０を通して、ユーザによってシステムに入力される生物学的情報を含み得る、ユーザプロファイルも記憶する。いくつかのそのような実施形態では、各ユーザのための試験結果のログもまた、サーバ３１５０によって記憶され、ユーザインターフェースを伴うデバイス３１４０へのそのようなデータの伝送を通して、ユーザによって視認するためにアクセス可能である。
一実施形態では、カートリッジ３１２０が読取機３１３０の中に装填されるとき、読取機３１３０は、カートリッジの種類を検出するように、カートリッジ３１２０上の抵抗器ラベルまたは電子バーコード等のラベルから信号を検出する。読取機３１３０は、どのカートリッジの種類が存在するかを判定するように、検出された信号を、既知のラベル信号またはカートリッジキーのデータベースと比較する。検出されたラベル信号がカートリッジキーのデータベース内で見出されない場合、読取機３１３０は、カートリッジキーのデータベースへの更新を要求するメッセージをサーバ３１５０に伝送してもよい。読取機３１３０は、サーバ３１５０に直接、またはモバイルコンピュータデバイス３１４０を介して間接的に、メッセージを伝送してもよい。読取機３１３０は、加えて、カートリッジキーデータベース更新のためのデータを直接または間接的に受信してもよい。データは、新しいカートリッジの種類と、各新しいカートリッジの種類に対応するカートリッジキーおよび試験プロトコルとを含んでもよい。いくつかの実施形態では、次いで、読取機３１３０は、検出されたカートリッジの種類と関連付けられる試験プロトコルを識別して実装する。検出センサから信号を受信すると、いくつかの実施形態の読取機３１３０は、信号を処理して有意義な結果を生成するように、信号を相関表と比較する。結果は、ユーザに表示するために、ユーザインターフェースを伴うデバイス３１４０に伝送されてもよい。当業者であれば、検出器システム３１００のコンピュータデバイスによって記憶される種々の情報は、デバイスのうちのいずれか１つまたはそれを上回るものによって記憶され得、データ信号の受信および伝送を通して他のデバイスにアクセス可能であり得ることを理解するであろう。
検出のコンピュータ化方法
上記のように、コンピュータ化読取機は主に、検出システムの動作を制御する。読取機は、プロセッサと、メモリとを含み、メモリは、収集されたサンプル内の標的被分析物の存在、非存在、および／または数量の検出に成功するために必要とされる、種々の方法を実装するためのその上に記憶された命令を有する。例えば、自動的にコンピュータ化読取機によって行われる１つの方法の実施形態が、図３２で提供される。
ブロック３２０２では、コンピュータ化読取機が、読取機の中または上に装填されたカートリッジの存在を検出する。例えば、いくつかの実施形態では、カートリッジ上の導線が、読取機上の電気ピンと物理的に接触して、読取機をオンにし、カートリッジの存在を読取機に信号伝達する回路を完成させるように、カートリッジが読取機に連結される。
ブロック３２０４では、読取機が、カートリッジと関連付けられる識別情報を検出する。例えば、いくつかの実施形態のカートリッジは、カートリッジの特定のカートリッジ種類に特有の信号を生成し、読取機がカートリッジの種類を区別することを可能にする、一意的な識別キーをその回路基板構成要素上に含む。識別キーは、抵抗要素、例えば、一意的なサイズまたは形状を有する、表面搭載抵抗器または抵抗インクベースの要素であってもよく、または別の一意的な発電機であってもよい。
読取機のプロセッサは、信号を検出し、ブロック３２０６で示されるように、一意的な識別キーに基づいてカートリッジのための適正な試験プロトコルを識別する、一意的な識別キー信号を読取機の回路から受信する。いくつかの実施形態では、読取機のプロセッサは、一意的な識別キー信号を、メモリに記憶された識別キーのデータベースと比較する。いくつかの実施形態のデータベース内で、各識別キーは、特定のカートリッジの種類および試験プロトコルと関連付けられる。プロセッサから受信された識別キー信号がデータベース内のキーに一致する場合、対応する試験プロトコルが、プロセッサによって開かれて実行されるであろう。識別キー信号がデータベース内のキーに一致しない場合、プロセッサは、識別不能なカートリッジが検出されたことを信号伝達するように、モバイルコンピュータデバイスおよび／またはサーバ等の遠隔コンピュータデバイスと通信してもよい。いくつかの実施形態では、読取機は、サーバから直接、または中間物の役割を果たすモバイルコンピュータデバイスを用いて間接的に、更新をダウンロードする。いくつかの実施形態では、未知のカートリッジの種類が検出されるとき、ユーザは、モバイルコンピュータデバイスのユーザインターフェースを介して、更新をダウンロードするように指示され、他の実施形態では、更新は、自動的にダウンロードされる。種々の実施形態では、更新は、新たに開発されたカートリッジ識別キーおよび試験プロトコルを含む。いったん新しい識別キーおよび試験プロトコルがダウンロードされると、それらは、遠隔コンピュータデバイスと通信する必要なく、このカートリッジの種類を用いた将来の試験が自動的に認識されて実装されるように、読取機のサポートされた試験のデータベースに追加されるであろう。
ブロック３２０８で示されるように、種々の実施形態では、コンピュータ化読取機は、カートリッジの第１の貯留部の中へのサンプル収集デバイスの挿入を検出する。上記の超音波処理の議論でさらに詳細に提供されるように、この検出を達成するように、種々のプロセスを実行することができる。種々の実施形態では、読取機のプロセッサは、読取機の中の圧電要素から部分的または完全に成る、超音波発生装置要素から信号を受信する。貯留部内の機械的事象から生成される信号の変化を識別するように、超音波発生装置要素を監視することによって、プロセッサは、機械信号を、該圧電要素と電子通信している回路およびプロセッサの組み合わせを通して増幅および理解することができる電子信号に変換する、圧電構成要素の能力を通して、圧力の変化、および／または共鳴の変化、および／または反射信号（圧力または音波）の変化がカートリッジの第１の貯留部の中で起こったときを識別することができる。そのような変化は、貯留部の中へのサンプル収集デバイスの進入を示す。
ブロック３２１０では、読取機のプロセッサが、信号を超音波発生装置に送信して、超音波処理プロトコルを開始し、第１の貯留部内に配置された液体内で複数の試薬、親和性分子、およびサンプル粒子を混合するようにそれに命令する。種々の実施形態では、結果として生じる混合物は、標的被分析物、標的被分析物および検出作用物質、および／または競合結合剤に結合した磁気粒子を含む。本明細書で使用されるように、サンドイッチ錯体とは、標的被分析物および検出作用物質に直接または間接的に結合した磁気粒子を指し、競合結合錯体とは、競合結合剤に結合した磁気粒子を指す。各サンドイッチ錯体および競合結合錯体は、錯体内で結合した検出作用物質を含む。ここで説明される一実施形態では、検出作用物質は、酸化酵素である。
ブロック３２１２で示されるように、いくつかの実施形態では、読取機は、第１の加熱要素を加熱するか、または別様に刺激する、電流を生成し、それによって、カートリッジ内の第１の熱作動型弁に熱を伝達させる。いくつかの実施形態では、これは、弁を融解させるか、または別の相変化を受けさせ、これは、液体が、毛管作用を介して、第１の貯留部から流出して分析チャネルに流入することを可能にする。液体が流動すると、それとともに混合物を輸送し、サンドイッチ錯体および／または競合結合錯体内の磁気粒子を含む、混合物内の磁気粒子は、分析チャネル内の１つまたはそれを上回る磁場にわたって限局し、１つまたはそれを上回る限局性サンプルを形成する。
随意に、ブロック３２１４では、読取機は、カートリッジ内の第２の弁が相変化を受け、洗浄液が第２の貯留部から流出して分析チャネルに流入するように、第２の加熱要素を加熱するか、または別様に刺激する、電流を生成する。種々の実施形態では、洗浄液は、１つまたはそれを上回る限局性サンプルから、磁気粒子に間接的に結合されていない酸化酵素（または他の検出作用物質）を除去する。
ブロック３２１６では、読取機は、カートリッジ内の第３の弁が相変化を受け、基質の溶液が第３の貯留部から流出して分析チャネルに流入するように、第３の加熱要素を加熱するか、または別様に刺激する、電流を生成する。種々の実施形態では、検出作用物質が酸化酵素であるとき、各限局性サンプルのサンドイッチ錯体および／または競合結合錯体内の酸化酵素は、該基質分子を輸送するために使用される水性媒体中に存在する、該基質分子を酸化させる。サンドイッチ錯体が存在する実施形態では、酸化が電気化学センサによって形成される電気化学電池で起こり、実質的にそれを覆う液体の体積および電子が、限局性サンプル内に存在する標的被分析物の数量に比例する数量で、電気化学センサの作業電極から、該センサの実質的に上方の体積まで流動する。競合結合錯体が存在する実施形態では、酸化が電気化学センサによって形成される電気化学電池で起こり、実質的に該センサを覆う液体の体積および電子が、限局性サンプル内に存在する標的被分析物の数量に反比例する数量で、電気化学センサの作業電極から流動する。
ブロック３２１８では、読取機のプロセッサが、読取機の電気コネクタから、電気化学センサで検出される第１の信号を受信する。種々の実施形態では、信号は、電圧または電流信号である。信号の少なくとも一部分は、基質の酸化によって引き起こされる。ブロック３２２０では、読取機のプロセッサは、読取機の電気コネクタから、基準センサによって検出される第２の信号を受信する。ブロック３２２２では、読取機のプロセッサは、システム内に存在し得る雑音に対処し、および／または雑音を排除するように、減算すること、または第１の信号から第２の信号を除去する別のアルゴリズムを適用することによって、結果として生じた信号を計算する。ブロック３２２４では、読取機のプロセッサが、標的被分析物の存在および／または数量を識別するように、結果として生じた信号を処理および分析する。随意に、ブロック３２２６で示されるように、いくつかの実施形態では、読取機は、さらなる処理、記憶、サーバへの伝送、および／またはユーザへの結果の表示のために、試験結果を示す信号をモバイルコンピュータデバイスに伝送する。
前述の内容は、例証および一例として、いくつかの実施形態の詳細な説明を含んだが、これらの実施形態の教示に照らして、添付の請求項の精神または範囲から逸脱することなく、多数の変更および修正が行われ得ることが、当業者に容易に明白となるであろう。
コンピュータ化方法の他の実施形態では、３つまたはそれを上回るサイズの磁気粒子が、第１の貯留部中に存在し、等数の３つまたはそれを上回る磁場発生器が、分析チャネルの中または付近に提供される。そのような様式で、サンプル内の複数の被分析物の存在を試験するために、単一のデバイスおよび単一の方法が採用されてもよい。センサ信号が標的被分析物の数量と正比例しようと、または間接的に比例しようと、その信号と被分析物標的濃度との間に１対１のマッピングを作成するために、任意の数の粒径および磁場強度を利用することができる。そのような実施形態では、磁場の数は、両方とも、本システムが検出するように構成される、異なる標的被分析物の数に等しい、センサの数および一意的な磁気粒子集団の数に等しい。そのような方法およびデバイスは、例えば、多くの疾患の中でも、どれに個人が罹患しているか、多くの薬剤または毒の中でも、どれに個人が不利に反応しているか、多くの化学物質の中でも、どれが水を汚染したかを判定するために、使用されてもよい。他の実施例は、個人の体内の種々のビタミン、ホルモン、タンパク質、または他の目的とする被分析物を定量化するステップを含む。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
サンプル分析カートリッジであって、
複数の貯留部、分析チャネル、および入力トンネルを画定する、内部障壁を有する、筐体であって、
前記複数の貯留部は、サンプル調製試薬を含む第１の液体体積で少なくとも部分的に充填される、第１の貯留部と、洗浄液を含む第２の液体体積で少なくとも部分的に充填される、第２の貯留部と、化学基質を含む第３の液体体積で少なくとも部分的に充填される、第３の貯留部とを備え、
前記複数の貯留部のそれぞれは、少なくとも時として、前記分析チャネルと流体連通しており、
前記入力トンネルは、前記筐体の表面における開口から前記第１の貯留部まで延在する、
筐体と、
前記筐体に連結される回路基板であって、前記分析チャネルの一部分内に配置される複数のセンサを備える、回路基板と、
を備える、サンプル分析カートリッジ。
（項目２）
前記サンプル調製試薬は、
表面結合親和性分子を有する、複数の磁気粒子と、
複数の検出作用物質と、
標的被分析物へのアクセス、および前記標的被分析物と前記表面結合親和性分子と前記検出作用物質との間の結合を促進する、複数の作用物質と、
を含む、項目１に記載のカートリッジ。
（項目３）
前記入力トンネルと前記第１の貯留部との間に配置される膜
をさらに備え、
前記膜は、複数の競合結合剤を乾燥貯蔵し、各競合結合剤は、信号伝達作用物質に結合される、事前結合標的被分析物を含み、前記第１の貯留部中の前記サンプル調製試薬は、
表面結合親和性分子を有する、複数の磁気粒子と、
前記標的被分析物へのアクセスを促進し、かつ前記標的被分析物または前記競合結合剤への前記表面結合親和性分子の結合を促進する、複数の作用物質と、
を含む、項目１に記載のカートリッジ。
（項目４）
前記複数の磁気粒子は、２つまたはそれを上回るサイズの磁気粒子を含み、各サイズは、異なる標的被分析物に結合するための異なる表面結合親和性分子を有する、項目２または３に記載のカートリッジ。
（項目５）
前記複数の貯留部と対応する、複数の弁をさらに備え、１つの弁は、前記複数の貯留部のうちの１つと前記分析チャネルとの間の各交差点に位置付けられる、項目１、２、または３に記載のカートリッジ。
（項目６）
前記複数の弁はそれぞれ、熱の印加時に相変化可能であり、前記回路基板はさらに、前記複数の弁と整合させられ、それぞれ加熱要素に電気的に連結される、複数のビアを備える、項目５に記載のカートリッジ。
（項目７）
前記分析チャネルの下流端に配置される、吸収材料をさらに備える、項目１、２、または３に記載のカートリッジ。
（項目８）
前記筐体は、固定構造を形成するようにともに連結される、カバー構成要素と、内部構成要素と、基礎構成要素とを備え、
前記カバー構成要素は、前記内部構成要素の第１の側面上に配置され、前記基礎構成要素は、前記内部構成要素の第２の側面上に配置され、前記回路基板は、前記内部構成要素と前記基礎構成要素との間に位置付けられ、
前記カバー構成要素および前記内部構成要素の前記第１の側面の特徴はともに、前記入力トンネルおよび前記複数の貯留部を画定し、
前記内部構成要素の前記第２の側面および前記回路基板の特徴は、前記分析チャネルを画定する、項目１、２、または３に記載のカートリッジ。
（項目９）
サンプル分析読取機であって、
磁場発生器と、
カートリッジ検出ユニットを有する、回路と、
その上に記憶された命令を伴うメモリを有する、プロセッサと、
サンプル分析カートリッジに連結するためのドックを伴う筐体であって、前記サンプル分析読取機が前記サンプル分析カートリッジに連結されるとき、前記磁場発生器によって生成される磁場は、前記サンプル分析カートリッジのセンサと整合させられるか、または実質的に整合させられ、前記回路は、前記サンプル分析カートリッジの前記センサに電気的に連結される、筐体と、
を備え、
前記サンプル分析読取機は、複数のサンプル分析カートリッジに交換可能に連結する、サンプル分析読取機。
（項目１０）
前記回路に電気的に連結される超音波処理構成要素をさらに備え、前記サンプル分析読取機が前記サンプル分析カートリッジに連結されるとき、前記超音波処理構成要素は、前記サンプル分析カートリッジ内のサンプル調製貯留部と整合させられる、項目９に記載のサンプル分析読取機。
（項目１１）
前記超音波処理構成要素は、前記プロセッサに電気的に連結される圧電構成要素を備え、前記圧電構成要素は、前記サンプル調製貯留部の中へのサンプル収集デバイスの進入時に、前記サンプル分析カートリッジの前記サンプル調製貯留部中の流束、帰還音波の変化、または共振周波数の偏移を検出するように位置付けられる、項目１０に記載のサンプル分析読取機。
（項目１２）
前記磁場発生器は、永久磁石を備える、項目９、１０、または１１に記載のサンプル分析読取機。
（項目１３）
前記永久磁石は、複数の磁石を備え、前記サンプル分析読取機が前記サンプル分析カートリッジに連結されるとき、前記複数の磁石は、前記サンプル分析カートリッジの平面上に位置する複数のセンサと整合させられ、各磁石は、前記平面に対して異なる深度で配置される、項目１２に記載のサンプル分析読取機。
（項目１４）
前記プロセッサは、メモリに記憶された命令を実行するように構成されており、前記命令は、実行されたときに、
前記回路から受信されるカートリッジ識別情報に少なくとも部分的に基づいて、前記連結されたサンプル分析カートリッジのための適正な試験プロトコルを識別するステップと、
前記サンプル調製貯留部内で試験信号を生成するように、および帰還信号を検出するように、前記圧電構成要素を刺激するステップと、
前記圧電構成要素から前記帰還信号または共鳴信号を受信するステップと、
前記帰還信号の変化または前記圧電構成要素の前記共鳴信号の偏移に少なくとも部分的に基づいて、前記サンプル調製貯留部の中へのサンプル収集デバイスの進入を検出するステップと、
前記超音波処理構成要素が前記サンプル調製貯留部内に配置された液体内の試薬およびサンプル粒子を混合するための超音波処理プロトコルを開始するステップであって、混合は、前記サンプル粒子との前記試薬のうちの少なくともいくつかのハイブリダイゼーションを促進する、ステップと、
前記回路を介して、前記サンプル分析カートリッジの前記センサによって生成される検出信号を受信するステップと、
前記検出信号を処理するステップと、
を含む方法を前記プロセッサに行わせる、項目１１に記載のサンプル分析読取機。
（項目１５）
前記プロセッサによって行われる前記方法はさらに、電圧信号に少なくとも部分的に基づいてデータをモバイルコンピュータデバイスまたは表示デバイスに伝送するステップを含む、項目１４に記載のサンプル分析読取機。
（項目１６）
前記プロセッサによって行われる前記方法はさらに、電流を連続的に複数の加熱要素に送達するように、信号を前記電気回路に伝送するステップを含む、項目１４または１５に記載のサンプル分析読取機。
（項目１７）
分子検出システムであって、
カートリッジデバイスであって、
複数の貯留部、分析チャネル、および入力トンネルを画定する、内部障壁を有する、カートリッジ筐体と、
前記分析チャネルの壁を形成するように連結され、前記分析チャネルの一部分内に配置される複数のセンサを備える、回路基板と、
を備える、カートリッジデバイスと、
前記カートリッジデバイスに取り外し可能に連結される、読取機デバイスであって、
前記センサと整合させられる、磁場発生器と、
前記センサに電気的に連結される、回路と、
その上に記憶された命令を伴うメモリを有する、プロセッサと、
前記磁場発生器、回路、およびプロセッサが位置する、読取機筐体であって、前記サンプル分析カートリッジの少なくとも一部分を受容するドックを画定する、読取機筐体と、
を備える、読取機デバイスと、
前記入力トンネル内に少なくとも部分的に嵌合するように定寸される、サンプル収集デバイスと、
を備える、分子検出システム。
（項目１８）
前記回路に電気的に連結され、前記複数の貯留部のうちの第１の貯留部と整合させられる、超音波処理構成要素をさらに備え、前記超音波処理構成要素は、前記カートリッジデバイスまたは前記読取機デバイスの構成要素を形成する、項目１７に記載の分子検出システム。
（項目１９）
非臨床疾患検出のための特殊化コンピュータであって、
疾患検出カートリッジの少なくとも一部分に係合するためのドックであって、前記コンピュータ上または前記コンピュータ内に位置付けられるドックと、
少なくとも部分的に、前記疾患検出カートリッジの分析ゾーンの中に限局された信号伝達作用物質の結果として生成される、信号を検出するための回路と、
その上に記憶された命令を伴うメモリを有する、プロセッサと、
を備え、
前記疾患検出カートリッジとの係合時に、前記プロセッサは、命令を実行し、
前記命令は、
前記回路から受信される信号から、前記疾患検出カートリッジの分類を検出するステップと、
前記分類に特有の試験プロトコルを開始するステップと、
３０分未満で前記分類に特有の疾患検出結果を生成するステップと、
を含む方法を前記プロセッサに行わせる、特殊化コンピュータ。
（項目２０）
前記コンピュータは、高さが３０ｃｍ未満、幅が３０ｃｍ未満、および長さが３０ｃｍ未満である、項目１９に記載の特殊化コンピュータ。
（項目２１）
前記プロセッサによって行われる前記方法はさらに、前記疾患検出結果を遠隔コンピュータデバイスに伝送するステップを含む、項目１９または２０に記載の特殊化コンピュータ。
（項目２２）
被分析物の検出中および後に、全ての収集されたサンプル、および特定の被分析物を検出するために必要とされる全ての液体を確実に貯蔵する、内蔵被分析物検出キットであって、前記キットは、
１回使い切りサンプル収集デバイスと、
１回使い切り検出ユニットであって、
前記サンプル収集デバイスを確実かつ永久的に受容するように定寸される、入力トンネルと、
試薬および基質を別個かつ確実に貯蔵する、複数のコンパートメントと、
を備える、１回使い切り検出ユニットと、
を備え、
前記入力トンネルは、前記検出ユニットの表面上の開口から、前記試薬を保持する第１のコンパートメントの通路まで延在し、
前記サンプル収集デバイスの挿入に先立って、可撓性膜が、前記入力トンネルの中への前記試薬の流動を遮断するように、前記第１のコンパートメントの前記通路を覆い、
補完的係止特徴が、前記入力トンネルの中への前記サンプル収集デバイスの挿入時に、前記検出ユニットに対する前記サンプル収集デバイスの移動を制限するように、前記サンプル収集デバイスの上および前記受容チャネルの中に配置され、
前記サンプル収集デバイスおよび入力トンネルは、前記サンプル収集デバイスが前記入力チャネルの中へ前進すると、液密シールを形成するように定寸される、キット。
（項目２３）
医療提供者または技術者が存在しない状態で、疾患を検出するための方法であって、前記方法は、
サンプルを収集するようにユーザの鼻の内部通路を綿棒で擦るステップと、
疾患検出試験プロトコルを行うために必要とされる全ての試薬および基質を収納するカートリッジを、前記カートリッジを検出するように構成される特殊化コンピュータの中または上に配置するステップと、
前記綿棒が前記カートリッジ内の定位置に係止し、除去することができないように、前記カートリッジに前記綿棒を挿入するステップであって、前記特殊化コンピュータは、前記綿棒の挿入を感知し、試験プロトコルを開始し、前記特殊化コンピュータは、３０分未満で前記試験プロトコルを介して前記サンプル内の特定の疾患の存在または非存在を検出する、ステップと、
を含む、方法。
（項目２４）
遠隔コンピュータデバイスから前記試験の結果を読み取るステップをさらに含み、前記結果は、有線または無線通信接続を介して、前記特殊化コンピュータから前記遠隔コンピュータデバイスに伝送された、項目２３に記載の方法。
（項目２５）
サンプル内の標的被分析物の存在、非存在、および／または数量を検出するための方法であって、前記方法は、
被分析物読取機の中または上にカートリッジを装填するステップであって、前記カートリッジは、試薬で少なくとも部分的に充填される、第１の貯留部と、洗浄液で少なくとも部分的に充填される、第２の貯留部と、基質で少なくとも部分的に充填される、第３の貯留部とを備える、ステップと、
滅菌パッケージからサンプル収集デバイスを除去するステップと、
サンプルを収集するように、体液を前記サンプル収集デバイスの先端と接触させるステップと、
少なくとも前記先端が前記第１の貯留部に進入するまで、前記カートリッジに前記サンプル収集デバイスを挿入するステップと、
を含み、
前記第１の貯留部に前記サンプル収集デバイスの前記先端を挿入するステップは、前記被分析物読取機を起動し、前記サンプル収集デバイスによって収集された前記サンプルを前記第１の貯留部中の前記試薬と混合させるように、前記被分析物読取機内の超音波処理デバイスに超音波処理プロトコルを行わせ、一連の加熱要素に、前記第１、第２、および第３の貯留部内または付近に位置付けられる一連の弁を連続的に融解させ、それによって、前記被分析物読取機による分析のために、前記第１、第２、および第３の貯留部の内容物を分析ゾーンの中へ連続的に放出する、方法。
（項目２６）
前記カートリッジに前記サンプル収集デバイスの前記先端を挿入するステップは、前記サンプル収集デバイスの前記先端が、入力トンネルの遠位端に配置される膜障壁を破り、前記先端が前記第１の貯留部に進入し、前記サンプル収集デバイスが、前記サンプル収集デバイスと前記入力トンネルとの間に形成された液密シールを伴って前記カートリッジと固定係合するように係止するまで、前記カートリッジの前記入力トンネルの中へ前記サンプル収集デバイスを前進させるステップを含む、項目２５に記載の方法。
（項目２７）
サンプル内の標的被分析物の存在、非存在、および／または数量を検出するための方法であって、前記方法は、コンピュータ化被分析物読取機によって行われ、
前記被分析物読取機の中または上に装填されるカートリッジの存在を検出し、前記カートリッジと関連付けられる識別情報を検出するステップと、
前記識別情報に少なくとも部分的に基づいて、前記カートリッジのための適正な試験プロトコルを識別するステップと、
前記カートリッジの第１の貯留部に挿入されるサンプル収集デバイスを検出するステップと、
前記第１の貯留部内で、複数の試薬、複数の磁気粒子、複数の検出作用物質または競合結合剤、および複数のサンプル粒子を混合するプロトコルを開始するステップであって、
検出作用物質が提供される場合、結果として生じる混合物は、磁気粒子の表面上の表面親和性分子および検出作用物質の両方に結合される標的被分析物で形成される、複数のサンドイッチ錯体を含み、
競合結合剤が提供される場合、結果として生じる混合物は、磁気粒子の表面上の表面親和性分子に結合される競合結合剤でそれぞれ形成される、複数の分子錯体を含む、ステップと、
前記カートリッジ内の第１の弁が融解し、前記混合物が毛管作用を介して前記第１の貯留部から流出して前記分析チャネルに流入するように、第１の加熱要素を刺激するステップであって、前記混合物内の前記磁気粒子は、前記分析チャネルの少なくとも一部分内の磁場にわたって限局し、限局性サンプルを形成する、ステップと、
前記カートリッジ内の第２の弁が融解し、洗浄液が第２の貯留部から流出して前記分析チャネルに流入するように、第２の加熱要素を刺激するステップであって、前記洗浄液は、前記限局性サンプルから、磁気粒子に間接的に結合されていない検出作用物質または競合結合剤を除去する、ステップと、
前記カートリッジ内の第３の弁が融解し、基質の溶液が第３の貯留部から流出して前記分析チャネルに流入するように、第３の加熱要素を刺激するステップであって、前記限局性サンプル内の前記検出作用物質または競合結合剤は、前記基質を酸化させる酸化酵素を含み、電子を前記限局性サンプルの部位における電気化学センサから流動させ、
検出作用物質が存在する場合、電子は、前記限局性サンプル内に存在する標的被分析物の数量に比例する数量で流動し、
競合結合剤が存在する場合、電子は、前記限局性サンプル内に存在する標的被分析物の数量に反比例する数量で流動する、ステップと、
前記分析チャネル付近に位置する記録センサにおいて第１の信号を検出するステップであって、前記第１の信号の少なくとも一部分は、前記基質の酸化に起因する、ステップと、
基準センサにおいて第２の信号を検出するステップと、
雑音を排除するように、前記第１の信号から前記第２の信号を除去するアルゴリズムを適用することによって、結果として生じた信号を計算するステップと、
標的被分析物の存在および／または数量を識別するように、前記結果として生じた信号を処理および分析するステップと、
試験結果を示す信号をモバイルコンピュータデバイスに伝送するステップと、
を含む、方法。
（項目２８）
サンプル内の複数の標的被分析物の存在、非存在、および／または数量を検出するための方法であって、前記方法は、コンピュータ化被分析物読取機によって行われ、
前記被分析物読取機の中または上に装填されるカートリッジの存在を検出し、前記カートリッジと関連付けられる識別情報を検出するステップと、
前記識別情報に少なくとも部分的に基づいて、前記カートリッジのための適正な試験プロトコルを識別するステップと、
前記カートリッジの第１の貯留部に挿入されるサンプル収集デバイスを検出するステップと、
前記第１の貯留部内で、
複数の試薬、
少なくとも、第１の標的被分析物に結合するように構成される、その表面上に第１の表面親和性分子をそれぞれ有する、複数の大型磁気粒子と、第２の標的被分析物に結合するように構成される、その表面上に第２の表面親和性分子をそれぞれ有する、複数の小型磁気粒子とを含む、複数の磁気粒子と、
酸化酵素をそれぞれ含む、複数の検出作用物質、および
複数のサンプル粒子
を混合するように、超音波処理プロトコルを開始するステップであって、
結果として生じる混合物は、磁気粒子の表面上の表面親和性分子および検出作用物質の両方に結合される、標的被分析物でそれぞれ形成される、複数のサンドイッチ錯体を含む、ステップと、
前記カートリッジ内の第１の弁が融解し、前記混合物が前記サンプル調製貯留部から流出して分析チャネルに流入するように、第１の加熱要素を刺激するステップであって、サンドイッチ錯体内の標的被分析物に結合される磁気粒子を含む、前記混合物内の前記磁気粒子は、前記分析チャネルの少なくとも一部分内の複数の磁石にわたって限局して、複数の限局性サンプルを形成し、前記磁気粒子は、前記大型磁気粒子がより小型の上流磁石にわたって限局し、前記小型磁気粒子がより大型の下流磁石にわたって限局するように、サイズおよび強度に基づいて前記磁石にわたって限局する、ステップと、
前記カートリッジ内の第２の弁が融解し、洗浄液が第２の貯留部から流出して前記分析チャネルに流入するように、第２の加熱要素を刺激するステップであって、前記洗浄液は、前記複数の限局性サンプルから、磁気粒子に間接的に結合されていない検出作用物質を除去する、ステップと、
前記カートリッジ内の第３の弁が融解し、基質の溶液が前記第３の貯留部から流出して前記分析チャネルに流入するように、第３の加熱要素を刺激するステップであって、前記複数の限局性サンプルの前記サンドイッチ錯体内の前記酸化酵素は、前記基質を酸化させ、第１の記録センサが還元され、電子を前記第１の記録センサから流動させる、ステップと、
前記より小型の磁石付近に位置する前記第１の記録センサにおいて第１の信号を検出するステップであって、前記第１の信号の少なくとも一部分は、前記基質の酸化によって引き起こされる、ステップと、
前記より大型の磁石付近に位置する第２の記録センサにおいて第２の信号を検出するステップであって、前記第２の信号の少なくとも一部分は、前記基質の酸化によって引き起こされる、ステップと、
基準センサにおいて基準信号を検出するステップと、
雑音を排除するように、前記第１の信号から前記基準信号を除去するアルゴリズムを適用することによって、第１の結果として生じた信号を計算するステップと、
前記第１の標的被分析物の存在および／または数量を識別するように、前記第１の結果として生じた信号を処理および分析するステップと、
雑音を排除するように、前記第２の信号から前記基準信号を除去するアルゴリズムを適用することによって、第２の結果として生じた信号を計算するステップと、
前記第２の標的被分析物の存在および／または数量を識別するように、前記第２の結果として生じた信号を処理および分析するステップと、
を含む、方法。
（項目２９）
試験結果を示す信号をモバイルコンピュータデバイスに伝送するステップをさらに含む、項目２８に記載の方法。
（項目３０）
前記混合物は、溶液中に懸濁させられ、前記溶液は、毛管作用を介して、前記第１の貯留部から下流の吸収材料に向かって前記分析チャネルの中へ前記混合物を輸送する、輸送媒体の役割を果たす、項目２８または２９に記載の方法。
（項目３１）
前記第１の信号は、前記限局性サンプル内に存在する前記第１の標的被分析物の数量に比例し、前記第２の信号は、前記限局性サンプル内に存在する前記第２の標的被分析物の数量に比例する、項目２８または２９に記載の方法。

Claims (31)

  1. サンプル分析カートリッジであって、
    複数の貯留部、分析チャネル、および入力トンネルを画定する、内部障壁を有する、筐体であって、
    前記複数の貯留部は、サンプル調製試薬を含む第１の液体体積で少なくとも部分的に充填される、第１の貯留部と、洗浄液を含む第２の液体体積で少なくとも部分的に充填される、第２の貯留部と、化学基質を含む第３の液体体積で少なくとも部分的に充填される、第３の貯留部とを備え、
    前記複数の貯留部のそれぞれは、少なくとも時として、前記分析チャネルと流体連通しており、
    前記入力トンネルは、前記筐体の表面における開口から前記第１の貯留部まで延在する、
    筐体と、
    前記筐体に連結される回路基板であって、前記分析チャネルの一部分内に配置される複数のセンサを備える、回路基板と、
    を備える、サンプル分析カートリッジ。
  2. 前記サンプル調製試薬は、
    表面結合親和性分子を有する、複数の磁気粒子と、
    複数の検出作用物質と、
    標的被分析物へのアクセス、および前記標的被分析物と前記表面結合親和性分子と前記検出作用物質との間の結合を促進する、複数の作用物質と、
    を含む、請求項１に記載のカートリッジ。
  3. 前記入力トンネルと前記第１の貯留部との間に配置される膜
    をさらに備え、
    前記膜は、複数の競合結合剤を乾燥貯蔵し、各競合結合剤は、信号伝達作用物質に結合される、事前結合標的被分析物を含み、前記第１の貯留部中の前記サンプル調製試薬は、
    表面結合親和性分子を有する、複数の磁気粒子と、
    前記標的被分析物へのアクセスを促進し、かつ前記標的被分析物または前記競合結合剤への前記表面結合親和性分子の結合を促進する、複数の作用物質と、
    を含む、請求項１に記載のカートリッジ。
  4. 前記複数の磁気粒子は、２つまたはそれを上回るサイズの磁気粒子を含み、各サイズは、異なる標的被分析物に結合するための異なる表面結合親和性分子を有する、請求項２または３に記載のカートリッジ。
  5. 前記複数の貯留部と対応する、複数の弁をさらに備え、１つの弁は、前記複数の貯留部のうちの１つと前記分析チャネルとの間の各交差点に位置付けられる、請求項１、２、または３に記載のカートリッジ。
  6. 前記複数の弁はそれぞれ、熱の印加時に相変化可能であり、前記回路基板はさらに、前記複数の弁と整合させられ、それぞれ加熱要素に電気的に連結される、複数のビアを備える、請求項５に記載のカートリッジ。
  7. 前記分析チャネルの下流端に配置される、吸収材料をさらに備える、請求項１、２、または３に記載のカートリッジ。
  8. 前記筐体は、固定構造を形成するようにともに連結される、カバー構成要素と、内部構成要素と、基礎構成要素とを備え、
    前記カバー構成要素は、前記内部構成要素の第１の側面上に配置され、前記基礎構成要素は、前記内部構成要素の第２の側面上に配置され、前記回路基板は、前記内部構成要素と前記基礎構成要素との間に位置付けられ、
    前記カバー構成要素および前記内部構成要素の前記第１の側面の特徴はともに、前記入力トンネルおよび前記複数の貯留部を画定し、
    前記内部構成要素の前記第２の側面および前記回路基板の特徴は、前記分析チャネルを画定する、請求項１、２、または３に記載のカートリッジ。
  9. サンプル分析読取機であって、
    磁場発生器と、
    カートリッジ検出ユニットを有する、回路と、
    その上に記憶された命令を伴うメモリを有する、プロセッサと、
    サンプル分析カートリッジに連結するためのドックを伴う筐体であって、前記サンプル分析読取機が前記サンプル分析カートリッジに連結されるとき、前記磁場発生器によって生成される磁場は、前記サンプル分析カートリッジのセンサと整合させられるか、または実質的に整合させられ、前記回路は、前記サンプル分析カートリッジの前記センサに電気的に連結される、筐体と、
    を備え、
    前記サンプル分析読取機は、複数のサンプル分析カートリッジに交換可能に連結する、サンプル分析読取機。
  10. 前記回路に電気的に連結される超音波処理構成要素をさらに備え、前記サンプル分析読取機が前記サンプル分析カートリッジに連結されるとき、前記超音波処理構成要素は、前記サンプル分析カートリッジ内のサンプル調製貯留部と整合させられる、請求項９に記載のサンプル分析読取機。
  11. 前記超音波処理構成要素は、前記プロセッサに電気的に連結される圧電構成要素を備え、前記圧電構成要素は、前記サンプル調製貯留部の中へのサンプル収集デバイスの進入時に、前記サンプル分析カートリッジの前記サンプル調製貯留部中の流束、帰還音波の変化、または共振周波数の偏移を検出するように位置付けられる、請求項１０に記載のサンプル分析読取機。
  12. 前記磁場発生器は、永久磁石を備える、請求項９、１０、または１１に記載のサンプル分析読取機。
  13. 前記永久磁石は、複数の磁石を備え、前記サンプル分析読取機が前記サンプル分析カートリッジに連結されるとき、前記複数の磁石は、前記サンプル分析カートリッジの平面上に位置する複数のセンサと整合させられ、各磁石は、前記平面に対して異なる深度で配置される、請求項１２に記載のサンプル分析読取機。
  14. 前記プロセッサは、メモリに記憶された命令を実行するように構成されており、前記命令は、実行されたときに、
    前記回路から受信されるカートリッジ識別情報に少なくとも部分的に基づいて、前記連結されたサンプル分析カートリッジのための適正な試験プロトコルを識別するステップと、
    前記サンプル調製貯留部内で試験信号を生成するように、および帰還信号を検出するように、前記圧電構成要素を刺激するステップと、
    前記圧電構成要素から前記帰還信号または共鳴信号を受信するステップと、
    前記帰還信号の変化または前記圧電構成要素の前記共鳴信号の偏移に少なくとも部分的に基づいて、前記サンプル調製貯留部の中へのサンプル収集デバイスの進入を検出するステップと、
    前記超音波処理構成要素が前記サンプル調製貯留部内に配置された液体内の試薬およびサンプル粒子を混合するための超音波処理プロトコルを開始するステップであって、混合は、前記サンプル粒子との前記試薬のうちの少なくともいくつかのハイブリダイゼーションを促進する、ステップと、
    前記回路を介して、前記サンプル分析カートリッジの前記センサによって生成される検出信号を受信するステップと、
    前記検出信号を処理するステップと、
    を含む方法を前記プロセッサに行わせる、請求項１１に記載のサンプル分析読取機。
  15. 前記プロセッサによって行われる前記方法はさらに、電圧信号に少なくとも部分的に基づいてデータをモバイルコンピュータデバイスまたは表示デバイスに伝送するステップを含む、請求項１４に記載のサンプル分析読取機。
  16. 前記プロセッサによって行われる前記方法はさらに、電流を連続的に複数の加熱要素に送達するように、信号を前記電気回路に伝送するステップを含む、請求項１４または１５に記載のサンプル分析読取機。
  17. 分子検出システムであって、
    カートリッジデバイスであって、
    複数の貯留部、分析チャネル、および入力トンネルを画定する、内部障壁を有する、カートリッジ筐体と、
    前記分析チャネルの壁を形成するように連結され、前記分析チャネルの一部分内に配置される複数のセンサを備える、回路基板と、
    を備える、カートリッジデバイスと、
    前記カートリッジデバイスに取り外し可能に連結される、読取機デバイスであって、
    前記センサと整合させられる、磁場発生器と、
    前記センサに電気的に連結される、回路と、
    その上に記憶された命令を伴うメモリを有する、プロセッサと、
    前記磁場発生器、回路、およびプロセッサが位置する、読取機筐体であって、前記サンプル分析カートリッジの少なくとも一部分を受容するドックを画定する、読取機筐体と、
    を備える、読取機デバイスと、
    前記入力トンネル内に少なくとも部分的に嵌合するように定寸される、サンプル収集デバイスと、
    を備える、分子検出システム。
  18. 前記回路に電気的に連結され、前記複数の貯留部のうちの第１の貯留部と整合させられる、超音波処理構成要素をさらに備え、前記超音波処理構成要素は、前記カートリッジデバイスまたは前記読取機デバイスの構成要素を形成する、請求項１７に記載の分子検出システム。
  19. 非臨床疾患検出のための特殊化コンピュータであって、
    疾患検出カートリッジの少なくとも一部分に係合するためのドックであって、前記コンピュータ上または前記コンピュータ内に位置付けられるドックと、
    少なくとも部分的に、前記疾患検出カートリッジの分析ゾーンの中に限局された信号伝達作用物質の結果として生成される、信号を検出するための回路と、
    その上に記憶された命令を伴うメモリを有する、プロセッサと、
    を備え、
    前記疾患検出カートリッジとの係合時に、前記プロセッサは、命令を実行し、
    前記命令は、
    前記回路から受信される信号から、前記疾患検出カートリッジの分類を検出するステップと、
    前記分類に特有の試験プロトコルを開始するステップと、
    ３０分未満で前記分類に特有の疾患検出結果を生成するステップと、
    を含む方法を前記プロセッサに行わせる、特殊化コンピュータ。
  20. 前記コンピュータは、高さが３０ｃｍ未満、幅が３０ｃｍ未満、および長さが３０ｃｍ未満である、請求項１９に記載の特殊化コンピュータ。
  21. 前記プロセッサによって行われる前記方法はさらに、前記疾患検出結果を遠隔コンピュータデバイスに伝送するステップを含む、請求項１９または２０に記載の特殊化コンピュータ。
  22. 被分析物の検出中および後に、全ての収集されたサンプル、および特定の被分析物を検出するために必要とされる全ての液体を確実に貯蔵する、内蔵被分析物検出キットであって、前記キットは、
    １回使い切りサンプル収集デバイスと、
    １回使い切り検出ユニットであって、
    前記サンプル収集デバイスを確実かつ永久的に受容するように定寸される、入力トンネルと、
    試薬および基質を別個かつ確実に貯蔵する、複数のコンパートメントと、
    を備える、１回使い切り検出ユニットと、
    を備え、
    前記入力トンネルは、前記検出ユニットの表面上の開口から、前記試薬を保持する第１のコンパートメントの通路まで延在し、
    前記サンプル収集デバイスの挿入に先立って、可撓性膜が、前記入力トンネルの中への前記試薬の流動を遮断するように、前記第１のコンパートメントの前記通路を覆い、
    補完的係止特徴が、前記入力トンネルの中への前記サンプル収集デバイスの挿入時に、前記検出ユニットに対する前記サンプル収集デバイスの移動を制限するように、前記サンプル収集デバイスの上および前記受容チャネルの中に配置され、
    前記サンプル収集デバイスおよび入力トンネルは、前記サンプル収集デバイスが前記入力チャネルの中へ前進すると、液密シールを形成するように定寸される、キット。
  23. 医療提供者または技術者が存在しない状態で、疾患を検出するための方法であって、前記方法は、
    サンプルを収集するようにユーザの鼻の内部通路を綿棒で擦るステップと、
    疾患検出試験プロトコルを行うために必要とされる全ての試薬および基質を収納するカートリッジを、前記カートリッジを検出するように構成される特殊化コンピュータの中または上に配置するステップと、
    前記綿棒が前記カートリッジ内の定位置に係止し、除去することができないように、前記カートリッジに前記綿棒を挿入するステップであって、前記特殊化コンピュータは、前記綿棒の挿入を感知し、試験プロトコルを開始し、前記特殊化コンピュータは、３０分未満で前記試験プロトコルを介して前記サンプル内の特定の疾患の存在または非存在を検出する、ステップと、
    を含む、方法。
  24. 遠隔コンピュータデバイスから前記試験の結果を読み取るステップをさらに含み、前記結果は、有線または無線通信接続を介して、前記特殊化コンピュータから前記遠隔コンピュータデバイスに伝送された、請求項２３に記載の方法。
  25. サンプル内の標的被分析物の存在、非存在、および／または数量を検出するための方法であって、前記方法は、
    被分析物読取機の中または上にカートリッジを装填するステップであって、前記カートリッジは、試薬で少なくとも部分的に充填される、第１の貯留部と、洗浄液で少なくとも部分的に充填される、第２の貯留部と、基質で少なくとも部分的に充填される、第３の貯留部とを備える、ステップと、
    滅菌パッケージからサンプル収集デバイスを除去するステップと、
    サンプルを収集するように、体液を前記サンプル収集デバイスの先端と接触させるステップと、
    少なくとも前記先端が前記第１の貯留部に進入するまで、前記カートリッジに前記サンプル収集デバイスを挿入するステップと、
    を含み、
    前記第１の貯留部に前記サンプル収集デバイスの前記先端を挿入するステップは、前記被分析物読取機を起動し、前記サンプル収集デバイスによって収集された前記サンプルを前記第１の貯留部中の前記試薬と混合させるように、前記被分析物読取機内の超音波処理デバイスに超音波処理プロトコルを行わせ、一連の加熱要素に、前記第１、第２、および第３の貯留部内または付近に位置付けられる一連の弁を連続的に融解させ、それによって、前記被分析物読取機による分析のために、前記第１、第２、および第３の貯留部の内容物を分析ゾーンの中へ連続的に放出する、方法。
  26. 前記カートリッジに前記サンプル収集デバイスの前記先端を挿入するステップは、前記サンプル収集デバイスの前記先端が、入力トンネルの遠位端に配置される膜障壁を破り、前記先端が前記第１の貯留部に進入し、前記サンプル収集デバイスが、前記サンプル収集デバイスと前記入力トンネルとの間に形成された液密シールを伴って前記カートリッジと固定係合するように係止するまで、前記カートリッジの前記入力トンネルの中へ前記サンプル収集デバイスを前進させるステップを含む、請求項２５に記載の方法。
  27. サンプル内の標的被分析物の存在、非存在、および／または数量を検出するための方法であって、前記方法は、コンピュータ化被分析物読取機によって行われ、
    前記被分析物読取機の中または上に装填されるカートリッジの存在を検出し、前記カートリッジと関連付けられる識別情報を検出するステップと、
    前記識別情報に少なくとも部分的に基づいて、前記カートリッジのための適正な試験プロトコルを識別するステップと、
    前記カートリッジの第１の貯留部に挿入されるサンプル収集デバイスを検出するステップと、
    前記第１の貯留部内で、複数の試薬、複数の磁気粒子、複数の検出作用物質または競合結合剤、および複数のサンプル粒子を混合するプロトコルを開始するステップであって、
    検出作用物質が提供される場合、結果として生じる混合物は、磁気粒子の表面上の表面親和性分子および検出作用物質の両方に結合される標的被分析物で形成される、複数のサンドイッチ錯体を含み、
    競合結合剤が提供される場合、結果として生じる混合物は、磁気粒子の表面上の表面親和性分子に結合される競合結合剤でそれぞれ形成される、複数の分子錯体を含む、ステップと、
    前記カートリッジ内の第１の弁が融解し、前記混合物が毛管作用を介して前記第１の貯留部から流出して前記分析チャネルに流入するように、第１の加熱要素を刺激するステップであって、前記混合物内の前記磁気粒子は、前記分析チャネルの少なくとも一部分内の磁場にわたって限局し、限局性サンプルを形成する、ステップと、
    前記カートリッジ内の第２の弁が融解し、洗浄液が第２の貯留部から流出して前記分析チャネルに流入するように、第２の加熱要素を刺激するステップであって、前記洗浄液は、前記限局性サンプルから、磁気粒子に間接的に結合されていない検出作用物質または競合結合剤を除去する、ステップと、
    前記カートリッジ内の第３の弁が融解し、基質の溶液が第３の貯留部から流出して前記分析チャネルに流入するように、第３の加熱要素を刺激するステップであって、前記限局性サンプル内の前記検出作用物質または競合結合剤は、前記基質を酸化させる酸化酵素を含み、電子を前記限局性サンプルの部位における電気化学センサから流動させ、
    検出作用物質が存在する場合、電子は、前記限局性サンプル内に存在する標的被分析物の数量に比例する数量で流動し、
    競合結合剤が存在する場合、電子は、前記限局性サンプル内に存在する標的被分析物の数量に反比例する数量で流動する、ステップと、
    前記分析チャネル付近に位置する記録センサにおいて第１の信号を検出するステップであって、前記第１の信号の少なくとも一部分は、前記基質の酸化に起因する、ステップと、
    基準センサにおいて第２の信号を検出するステップと、
    雑音を排除するように、前記第１の信号から前記第２の信号を除去するアルゴリズムを適用することによって、結果として生じた信号を計算するステップと、
    標的被分析物の存在および／または数量を識別するように、前記結果として生じた信号を処理および分析するステップと、
    試験結果を示す信号をモバイルコンピュータデバイスに伝送するステップと、
    を含む、方法。
  28. サンプル内の複数の標的被分析物の存在、非存在、および／または数量を検出するための方法であって、前記方法は、コンピュータ化被分析物読取機によって行われ、
    前記被分析物読取機の中または上に装填されるカートリッジの存在を検出し、前記カートリッジと関連付けられる識別情報を検出するステップと、
    前記識別情報に少なくとも部分的に基づいて、前記カートリッジのための適正な試験プロトコルを識別するステップと、
    前記カートリッジの第１の貯留部に挿入されるサンプル収集デバイスを検出するステップと、
    前記第１の貯留部内で、
    複数の試薬、
    少なくとも、第１の標的被分析物に結合するように構成される、その表面上に第１の表面親和性分子をそれぞれ有する、複数の大型磁気粒子と、第２の標的被分析物に結合するように構成される、その表面上に第２の表面親和性分子をそれぞれ有する、複数の小型磁気粒子とを含む、複数の磁気粒子と、
    酸化酵素をそれぞれ含む、複数の検出作用物質、および
    複数のサンプル粒子
    を混合するように、超音波処理プロトコルを開始するステップであって、
    結果として生じる混合物は、磁気粒子の表面上の表面親和性分子および検出作用物質の両方に結合される、標的被分析物でそれぞれ形成される、複数のサンドイッチ錯体を含む、ステップと、
    前記カートリッジ内の第１の弁が融解し、前記混合物が前記サンプル調製貯留部から流出して分析チャネルに流入するように、第１の加熱要素を刺激するステップであって、サンドイッチ錯体内の標的被分析物に結合される磁気粒子を含む、前記混合物内の前記磁気粒子は、前記分析チャネルの少なくとも一部分内の複数の磁石にわたって限局して、複数の限局性サンプルを形成し、前記磁気粒子は、前記大型磁気粒子がより小型の上流磁石にわたって限局し、前記小型磁気粒子がより大型の下流磁石にわたって限局するように、サイズおよび強度に基づいて前記磁石にわたって限局する、ステップと、
    前記カートリッジ内の第２の弁が融解し、洗浄液が第２の貯留部から流出して前記分析チャネルに流入するように、第２の加熱要素を刺激するステップであって、前記洗浄液は、前記複数の限局性サンプルから、磁気粒子に間接的に結合されていない検出作用物質を除去する、ステップと、
    前記カートリッジ内の第３の弁が融解し、基質の溶液が前記第３の貯留部から流出して前記分析チャネルに流入するように、第３の加熱要素を刺激するステップであって、前記複数の限局性サンプルの前記サンドイッチ錯体内の前記酸化酵素は、前記基質を酸化させ、第１の記録センサが還元され、電子を前記第１の記録センサから流動させる、ステップと、
    前記より小型の磁石付近に位置する前記第１の記録センサにおいて第１の信号を検出するステップであって、前記第１の信号の少なくとも一部分は、前記基質の酸化によって引き起こされる、ステップと、
    前記より大型の磁石付近に位置する第２の記録センサにおいて第２の信号を検出するステップであって、前記第２の信号の少なくとも一部分は、前記基質の酸化によって引き起こされる、ステップと、
    基準センサにおいて基準信号を検出するステップと、
    雑音を排除するように、前記第１の信号から前記基準信号を除去するアルゴリズムを適用することによって、第１の結果として生じた信号を計算するステップと、
    前記第１の標的被分析物の存在および／または数量を識別するように、前記第１の結果として生じた信号を処理および分析するステップと、
    雑音を排除するように、前記第２の信号から前記基準信号を除去するアルゴリズムを適用することによって、第２の結果として生じた信号を計算するステップと、
    前記第２の標的被分析物の存在および／または数量を識別するように、前記第２の結果として生じた信号を処理および分析するステップと、
    を含む、方法。
  29. 試験結果を示す信号をモバイルコンピュータデバイスに伝送するステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
  30. 前記混合物は、溶液中に懸濁させられ、前記溶液は、毛管作用を介して、前記第１の貯留部から下流の吸収材料に向かって前記分析チャネルの中へ前記混合物を輸送する、輸送媒体の役割を果たす、請求項２８または２９に記載の方法。
  31. 前記第１の信号は、前記限局性サンプル内に存在する前記第１の標的被分析物の数量に比例し、前記第２の信号は、前記限局性サンプル内に存在する前記第２の標的被分析物の数量に比例する、請求項２８または２９に記載の方法。
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