流体の処理および制御
【課題】装置内の流体の計測および分配を、様々なプロトコルに適応させることができる流体制御処理システムの提供。
【解決手段】複数のチャンバ間の流体の流れを制御するための流体制御処理システムは、流体移動領域５０に連続的に流体結合される流体処理領域３０を含む本体を含む。流体移動領域は、流体を流体移動領域に引き込むために減圧可能であり、また流体を流体移動領域から排出するために加圧可能である。本体は少なくとも１つの外部ポート４２を含む。流体処理領域は、本体の少なくとも１つの外部ポートに流体結合される。少なくとも１つの外部ポートを複数のチャンバに選択的に流体連通させるために、本体は複数のチャンバに対して調整可能である。１つまたはそれ以上のチャンバを、本体の少なくとも１つの外部ポートに選択的に係合するように構成された２つのポートと、濃縮材または減損材などの流体処理材とを収容する処理チャンバにしてもよい。
【解決手段】複数のチャンバ間の流体の流れを制御するための流体制御処理システムは、流体移動領域５０に連続的に流体結合される流体処理領域３０を含む本体を含む。流体移動領域は、流体を流体移動領域に引き込むために減圧可能であり、また流体を流体移動領域から排出するために加圧可能である。本体は少なくとも１つの外部ポート４２を含む。流体処理領域は、本体の少なくとも１つの外部ポートに流体結合される。少なくとも１つの外部ポートを複数のチャンバに選択的に流体連通させるために、本体は複数のチャンバに対して調整可能である。１つまたはそれ以上のチャンバを、本体の少なくとも１つの外部ポートに選択的に係合するように構成された２つのポートと、濃縮材または減損材などの流体処理材とを収容する処理チャンバにしてもよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の引用
本出願は、その開示内容全体が本明細書中に参考として援用される、２０００年８月２５日に出願された「流体制御処理システム」と題する、同一人に譲渡された同時係属中の米国特許出願第０９／６４８，５７０号に関連する。
【０００２】
発明の背景
本発明は、全般的には流体の操作に関し、特に、処理および分析のために流体を計測および分配するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
臨床流体または環境流体などの流体の分析は、一般に一連の処理ステップを伴うが、これらのステップは流体試料の化学的、光学的、電気的、機械的、熱的、または音響的な処理を含むことがある。このような処理は、ベンチトップ装置または使い捨てカートリッジ、あるいはこの２つの組み合わせのどれに組み込まれようと、複雑な流体アセンブリと処理アルゴリズムとを伴うのが一般的である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
流体試料を処理するための従来のシステムは、一連のチャンバを使用し、各チャンバが流体試料を特定の処理ステップにかけるように構成されている。流体試料は、チャンバからチャンバへと順番にシステムを通って流れながら、特定のプロトコルに従って複数の処理ステップにかけられる。異なるプロトコルには異なる構成が必要であるので、このような順次処理構成を採用した従来のシステムは融通性がなく、さまざまなプロトコルに適応させることは容易ではない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
発明の要旨
本発明は、試料内に分析物が存在するか否かを調べるなどのために流体を操作するための装置および方法を提供する。特定の一実施形態においては、たとえば試料チャンバと、廃棄物チャンバと、洗浄チャンバと、溶解物チャンバと、主要混合物つまり試薬チャンバとを含む複数のチャンバを選択的に流体処理領域に流体連通させるために、装置にロータリ弁構成を採用する。流体処理領域と各チャンバとの間の流体の流れは、ロータリ弁の位置を調節することによって制御される。したがって、装置内の流体の計測および分配は、特定のプロトコルに応じて変えることができる。従来の装置と異なり、流体の流れはもはや特定のプロトコルに限定されない。
【０００６】
本発明の一局面によると、流体制御処理システムは、複数のチャンバを有するハウジングと、流体移動領域に連続的に流体結合される第１の流体処理領域を含む弁本体とを含む。流体移動領域は、流体を流体移動領域に引き込むために減圧可能であり、また流体移動領域から流体を排出するために加圧可能である。弁本体は、複数の外部ポートを有する。第１の流体処理領域は、少なくとも２つの外部ポートに流体結合される。流体移動領域は、弁本体の外部ポートのうちの少なくとも１つに流体結合される。弁本体は、外部ポートと複数のチャンバとの間の流体連通を選択的に行えるように、ハウジングに対して調整可能である。複数のチャンバのうちの少なくとも１つは、弁本体の少なくとも１つの外部ポートに選択的に連通するための第１ポートと第２ポートとを有する処理チャンバである。処理チャンバは、追加の流体処理領域を提供する。
【０００７】
一部の実施形態においては、弁本体内または処理チャンバ内の少なくとも１つの流体処理領域は、濃縮材または減損材（または枯渇材）である流体処理材を収容する。流体処理材は、少なくとも１つの固相物質を含んでよい。固相物質は、ビーズ、ファイバ、膜、濾紙、ガラスウール、ポリマー、およびゲルのうちの少なくとも１つを含んでよい。流体処理材は、フィルタとビーズ、または少なくとも２種類のビーズを含んでよい。特定の一実施形態においては、細胞の捕獲、細胞の溶解、分析物の結合、および不要物質の結合とからなる群から選択された少なくとも２つの異なる機能を実行するために１種類のビーズを使用する。一部の実施形態においては、処理チャンバは、濃縮材または減損材を収容する処理モジュールを収容するための収容域を含む。特定の一実施形態においては、少なくとも１つのチャンバは、乾燥または凍結乾燥させた試薬を収容する試薬チャンバである。
【０００８】
一部の実施形態においては、流体処理材は、フィコール、デキストラン、ポリエチレングリコール、およびスクロースなどの液相物質を少なくとも１つ含む。流体処理材は、１つまたはそれ以上のフリットによって流体処理領域に封じ込められる。特定の一実施形態においては、外部ポートは、弁本体のほぼ平坦な外部ポート表面上に配置される。
【０００９】
本発明の別の局面によると、流体制御処理システムは、複数のチャンバと少なくとも１つの（たとえば、細管電気泳動または等電点電気泳動を行うための）分離チャンネルとを有するハウジングと、流体移動領域に連続的に流体結合される流体処理領域を有する弁本体とを含む。流体移動領域は、流体を流体移動領域に引き込むために減圧可能であり、また流体を流体移動領域から排出するために加圧可能である。弁本体は少なくとも１つの外部ポートを有し、流体処理領域は少なくとも１つの外部ポートに流体結合され、流体移動領域は弁本体の少なくとも１つの外部ポートに流体結合される。弁本体は、少なくとも１つの外部ポートを複数のチャンバおよび少なくとも１つの分離チャンネルに選択的に流体連通できるように、ハウジングに対して調整可能である。
【００１０】
一部の実施形態においては、分離チャンネルの少なくとも一部分の両端に電場を印加するために、複数の電極がハウジングに結合される。これらの電極は、一対の金属管を分離チャンネルの両端に設けることが好ましい。貯留槽を分離チャンネルの両端に設け、弁本体の少なくとも１つの外部ポートに連通させるための貯留槽ポートをこれらの貯留槽のうちの１つに設ける。
【００１１】
本発明の別の局面は、弁と、複数のチャンバと、少なくとも１つの分離チャンネルとの間の流体の流れを制御するための方法に関し、弁は少なくとも１つの外部ポートと、この少なくとも１つの外部ポートに流体結合する流体処理領域に連続的に流体結合される流体移動領域とを含む。この方法は、少なくとも１つの外部ポートを、複数のチャンバと少なくとも１つの分離チャンネルとに選択的に流体連通させるために、複数のチャンバと少なくとも１つの分離チャンネルとに対して弁を調整するステップを含む。
【００１２】
一部の実施形態においては、分離チャンネルの少なくとも一部分の両端に電場を印加する。この方法は、分離チャンネル内で種バンドを光学的に検出するステップを含んでもよい。
【００１３】
本発明の別の局面によると、流体制御処理システムは、複数のチャンバを有するハウジングと、流体移動領域に連続的に流体結合される流体処理領域を含む弁本体とを含む。流体移動領域は、流体を流体移動領域に引き込むために減圧可能であり、また流体を流体移動領域から排出するために加圧可能である。弁本体は、外部ポートを有する。流体処理領域は、この外部ポートに流体結合される。流体移動領域は、弁本体のこの外部ポートに流体結合される。弁本体は、この外部ポートを複数のチャンバに選択的に流体連通させるために、ハウジングに対して調整可能である。
【００１４】
一部の実施形態においては、弁本体は、外部ポートを閉じて流体移動領域と流体処理領域とをチャンバから流体隔離するために、ハウジングに対して調整可能である。チャンバのうちの少なくとも１つと流体処理領域とには、濃縮材または減損材を収容してよい。流体移動領域は、容積を拡大することによって減圧可能であり、また容積を縮小することによって加圧可能である。流体移動部材は流体移動領域内に配置され、流体移動領域の容積を調整するために移動可能である。エネルギー伝達部材は、エネルギーを流体処理領域に伝達してその中の流体を処理するために、流体処理領域に作動可能に結合される。
【００１５】
特定の実施形態においては、弁本体は交差チャンネルを含む。弁本体は、流体がソースチャンバから交差チャンネルを通じて吸引チャンバに吸引されるように、交差チャンネルを吸引チャンバとソースチャンバとに流体連通させるために、ハウジングに対して調整可能である。本体は、軸中心に回転自在に調整可能である。少なくとも１つの外部ポートは、軸からの外部ポート半径範囲内に配置され、交差チャンネルは、軸からの交差チャンネル半径範囲内に配置される。外部ポートの半径範囲と交差チャンネルの半径範囲とは重複しない。交差チャンネルは、軸からの共通交差チャンネル半径に位置する円弧でもよい。
【００１６】
本発明の別の局面によれば、複数のチャンバ間の流体の流れを制御するための流体制御処理システムは、流体移動領域に連続的に流体結合される流体処理領域を有する本体を含む。流体移動領域は、流体を流体移動領域に引き込むために減圧可能であり、流体を流体移動領域から排出するために加圧可能であり、本体は少なくとも１つの外部ポートを有する。流体処理領域は、少なくとも１つの外部ポートに流体結合される。流体移動領域は、弁本体の少なくとも１つの外部ポートに流体結合される。本体は、少なくとも１つの外部ポートを複数のチャンバに選択的に流体連通させるために、複数のチャンバに対して回転自在に調整可能である。
より特定すれば、本願発明は以下の項目に関し得る。
（項目１）
複数のチャンバを有するハウジングと、
流体移動領域に連続的に流体結合される第１流体処理領域を含む弁本体とを備える流体制御処理システムであって、
上記流体移動領域は流体を上記流体移動領域に引き込むために減圧可能であり、また流体を上記流体移動領域から排出するために加圧可能であり、上記弁本体は複数の外部ポートを含み、上記第１流体処理領域は上記外部ポートのうちの少なくとも２つに流体結合され、上記流体移動領域は上記弁本体の上記外部ポートのうちの少なくとも１つに流体結合され、上記外部ポートを上記複数のチャンバに選択的に流体連通させるために上記弁本体が上記ハウジングに対して調整可能であり、
上記複数のチャンバのうちの少なくとも１つは処理チャンバであり、上記処理チャンバは上記弁本体の上記外部ポートのうちの少なくとも１つに選択的に連通するための第１ポートと第２ポートとを含み、上記処理チャンバは追加の流体処理領域を提供する流体制御処理システム。
（項目２）
上記弁本体内または上記処理チャンバ内の上記流体処理領域のうちの少なくとも１つが濃縮材または減損材である流体処理材を収容する、項目１に記載のシステム。
（項目３）
上記流体処理材が少なくとも１つの固相物質を含む、項目２に記載のシステム。
（項目４）
上記固相物質がビーズ、ファイバ、膜、濾紙、ガラスウール、ポリマー、およびゲルのうちの少なくとも１つを含む、項目３に記載のシステム。
（項目５）
上記流体処理材がフィルタとビーズとを含む、項目３に記載のシステム。
（項目６）
上記流体処理材が少なくとも２種類のビーズを含む、項目３に記載のシステム。
（項目７）
上記少なくとも２種類のビーズが、細胞の捕獲と、細胞の溶解と、分析物の結合と、不要物質の結合とからなる群から選択された少なくとも２つの異なる機能を実行する、項目６に記載のシステム。
（項目８）
上記流体処理領域のうちの少なくとも１つが、細胞の捕獲と、細胞の溶解と、分析物の結合と、不要物質の結合とからなる群から選択された少なくとも２つの異なる機能を実行する固相物質を収容する、項目１に記載のシステム。
（項目９）
上記流体処理材が少なくとも１つの液相物質を含む、項目２に記載のシステム。
（項目１０）
上記液相物質が、フィコール、デキストラン、ポリエチレングリコール、およびスクロースのうちの少なくとも１つを含む、項目９に記載のシステム。
（項目１１）
１つまたはそれ以上のフリットによって上記流体処理材が上記流体処理領域に封じ込められる、項目２に記載のシステム。
（項目１２）
上記外部ポートが上記弁本体のほぼ平坦な外部ポート表面上に配置され、上記外部ポートを上記複数のチャンバに選択的に流体連通させるために上記弁本体が上記複数のチャンバに対して軸中心に回転自在であり、上記軸が上記外部ポート表面に対して直角であり、上記外部ポートが上記軸から半径方向に等距離で離れている、項目１に記載のシステム。（項目１３）
上記流体処理領域のうちの少なくとも１つが、細胞の捕獲と、細胞の溶解と、分析物の結合と、不要物質の結合とからなる群から選択された少なくとも２つの異なる機能を実行する１種類のビーズを収容する、項目１に記載のシステム。
（項目１４）
上記処理チャンバが、濃縮材または減損材を収容する処理モジュールを収容するための収容域を含む、項目１に記載のシステム。
（項目１５）
上記処理チャンバは上記処理モジュールを通って流れた流体を受けるための収集域をさらに含み、上記処理モジュールは上記濃縮材または減損材を上記処理モジュール内に保持する手段と、上記流体を上記収集域に導くための注ぎ口とを含む、項目１４に記載のシステム。
（項目１６）
上記チャンバのうちの少なくとも１つが乾燥または凍結乾燥された試薬を収容する試薬チャンバである、項目１に記載のシステム。
（項目１７）
複数のチャンバと少なくとも１つの分離チャンネルとを有するハウジングと、
流体移動領域に連続的に流体結合される流体処理領域を含む弁本体とを含む流体制御処理システムであって、
上記流体移動領域は流体を上記流体移動領域に引き込むために減圧可能であり、また流体を上記流体移動領域から排出するために加圧可能であり、上記弁本体は少なくとも１つの外部ポートを含み、上記流体処理領域は上記少なくとも１つの外部ポートに流体結合され、上記流体移動領域は上記弁本体の少なくとも１つの外部ポートに流体結合され、上記少なくとも１つの外部ポートを上記複数のチャンバと上記少なくとも１つの分離チャンネルとに選択的に流体連通させるために、上記弁本体が上記ハウジングに対して調整可能である流体制御処理システム。
（項目１８）
上記分離チャンネルの少なくとも一部分の両端に電場を印加するために上記ハウジングに結合された複数の電極をさらに含む、項目１７に記載のシステム。
（項目１９）
上記電極が一対の金属管を上記分離チャンネルの２つの両端に備える、項目１８に記載のシステム。
（項目２０）
上記分離チャンネルの両端に流体結合される貯留槽と、上記弁本体の少なくとも１つの外部ポートに連通するために上記貯留槽の１つに流体結合される貯留槽ポートとをさらに含む、項目１７に記載のシステム。
（項目２１）
上記チャンバのうちの少なくとも１つが乾燥または凍結乾燥された試薬を収容する試薬チャンバである、項目１７に記載のシステム。
（項目２２）
少なくとも１つの外部ポートと、上記少なくとも１つの外部ポートに流体結合される流体処理領域に連続的に流体結合される流体移動領域とを含む弁と、複数のチャンバと、少なくとも１つの分離チャンネルとの間の流体の流れを制御するための方法であって、
上記少なくとも１つの外部ポートを上記複数のチャンバと上記分離チャンネルとに選択的に流体連通させるために、上記複数のチャンバと上記少なくとも１つの分離チャンネルとに対して上記弁を調整するステップを含む方法。
（項目２３）
上記分離チャンネルの少なくとも一部分の両端に電場を印加するステップをさらに含む、項目２２に記載の方法。
（項目２４）
上記弁本体の上記少なくとも１つの外部ポートに連通するための貯留槽ポートを持ち上記分離チャンネルの一端に流体結合される貯留槽を介して、上記外部ポートを上記分離チャンネルに流体連通させる、項目２２に記載の方法。
（項目２５）
上記分離チャンネル内の種バンドを光学的に検出するステップをさらに含む、項目２２に記載の方法。
（項目２６）
複数のチャンバを有するハウジングと、
流体移動領域に連続的に流体結合される流体処理領域を含む弁本体とを含む流体制御処理システムであって、
上記流体移動領域は、流体を上記流体移動領域に引き込むために減圧可能であり、また流体を上記流体移動領域から排出するために加圧可能であり、上記弁本体は外部ポートを含み、上記流体処理領域が上記外部ポートに流体結合され、上記流体移動領域が上記弁本体の上記外部ポートに流体結合され、上記外部ポートを上記複数のチャンバに選択的に流体連通させるために上記弁本体が上記ハウジングに対して調整可能である、流体制御処理システム。
（項目２７）
上記外部ポートを閉じて上記流体移動領域と上記流体処理領域とを上記チャンバから流体隔離するために、上記弁本体が上記ハウジングに対して調整可能である、項目２６に記載のシステム。
（項目２８）
上記チャンバのうちの少なくとも１つまたは上記流体処理領域が濃縮材または減損材を収容する、項目２６に記載のシステム。
（項目２９）
上記濃縮材または減損材が細胞の捕獲と、細胞の溶解と、分析物の結合と、不要物質の結合とからなる群から選択された機能を実行する、項目２８に記載のシステム。
（項目３０）
上記チャンバのうちの少なくとも１つが、上記弁本体の上記外部ポートに選択的に連通するための入口ポートと出口ポートとを有する処理チャンバである、項目２６に記載のシステム。
（項目３１）
上記処理チャンバが濃縮材または減損材を収容する処理モジュールを収容するための収容域を含む、項目３０に記載のシステム。
（項目３２）
上記処理チャンバが上記処理モジュールを通って流れた流体を受けるための収集域をさらに含み、上記処理モジュールが上記処理モジュール内の濃縮材または減損材を保持する手段と、上記流体を上記収集域に導くための注ぎ口とを含む、項目３１に記載のシステム。
（項目３３）
上記チャンバのうちの少なくとも１つが乾燥または凍結乾燥された試薬を収容する試薬チャンバである、項目２６に記載のシステム。
（項目３４）
上記流体移動領域が、容積の拡大によって減圧可能であり、また容積の縮小によって加圧可能である、項目２６に記載のシステム。
（項目３５）
上記流体移動領域内に配置された流体移動部材をさらに含み、上記流体移動領域の容積を調整するために上記流体移動部材が移動可能である、項目３４に記載のシステム。
（項目３６）
上記流体移動部材が上記流体移動領域内で直線方向に移動可能なピストンを含む、項目３５に記載のシステム。
（項目３７）
上記流体移動部材が、上記流体移動領域内で移動するようにピストンシャフトを駆動するためのピストンロッドの遠位端部分に接続された、上記ピストンロッドの断面より小さい断面を有するピストンシャフトを含む、項目３６に記載のシステム。
（項目３８）
上記流体処理領域に収容されている流体を処理するためのエネルギーを上記流体処理領域に伝達するために、上記流体処理領域に作動的に結合されるエネルギー伝達部材をさらに含む、項目２６に記載のシステム。
（項目３９）
上記流体処理領域と上記エネルギー伝達部材との間に配置されたカバーをさらに含む、項目３８に記載のシステム。
（項目４０）
上記カバーが剛性シェルを有する、項目３９に記載のシステム。
（項目４１）
上記エネルギー伝達部材が超音波エネルギーを上記カバーを通して上記流体処理領域に伝達するための超音波部材を有する、項目３９に記載のシステム。
（項目４２）
上記弁本体が交差チャンネルを含み、流体をソースチャンバから上記交差チャンネルを介して吸引チャンバに吸引するために、上記交差チャンネルを上記吸引チャンバと上記ソースチャンバとに流体連通させるように、弁本体が上記ハウジングに対して調整可能である、項目２６に記載のシステム。
（項目４３）
上記本体が軸中心に回転自在に調整可能であり、上記少なくとも１つの外部ポートが上記軸からの外部ポート半径の範囲内に配置され、上記交差チャンネルが上記軸からの交差チャンネル半径の範囲内に配置され、上記外部ポートの半径範囲と上記交差チャンネルの半径範囲とが重ならない、項目４２に記載のシステム。
（項目４４）
上記交差チャンネルが上記軸からの共通交差チャンネル半径上に位置する円弧である、項目４３に記載のシステム。
（項目４５）
チャンバ間のチャンバ容積の切り換えを可能にするために、上記複数のチャンバのうちの少なくとも２つが可とう壁で隔てられている、項目２６に記載のシステム。
（項目４６）
複数のチャンバ間の流体の流れを制御するための流体制御処理システムであり、
流体移動領域に連続的に流体結合される流体処理領域を含む本体を含むシステムであって、上記流体移動領域は流体を上記流体移動領域に引き込むために減圧可能であり、また流体を上記流体移動領域から排出するために加圧可能であり、上記本体は少なくとも１つの外部ポートを含み、上記流体処理領域は上記少なくとも１つの外部ポートに流体結合され、上記流体移動領域は上記弁本体の少なくとも１つの外部ポートに流体結合され、上記少なくとも１つの外部ポートを上記複数のチャンバに選択的に流体連通させるために上記本体が上記複数のチャンバに対して回転自在に調整可能であるシステム。
（項目４７）
上記チャンバのうちの少なくとも１つまたは上記流体処理領域が濃縮材または減損材を収容する、項目４６に記載のシステム。
（項目４８）
上記チャンバのうちの少なくとも１つが乾燥または凍結乾燥された試薬を収容する試薬チャンバである、項目４６に記載のシステム。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による流体制御処理システムの斜視図である。
【図２】図２は、図１のシステムの別の斜視図である。
【図３】図３は、図１のシステムの分解図である。
【図４】図４は、図２のシステムの分解図である。
【図５】図５は、図１のシステム内の流体制御装置およびガスケットの立面図である。
【図６】図６は、図５の流体制御装置およびガスケットの底平面図である。
【図７】図７は、図５の流体制御装置およびガスケットの上平面図である。
【図８】図８は、図７の線８−８に沿った回転式流体制御装置の断面図である。
【図９−１】図９Ａ〜図９ＡＡは、図１の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図９−２】図９Ｂ〜図９ＢＢは、図１の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図９−３】図９Ｃ〜図９ＣＣは、図１の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図９−４】図９Ｄ〜図９ＤＤは、図１の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図９−５】図９Ｅ〜図９ＥＥは、図１の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図９−６】図９Ｆ〜図９ＦＦは、図１の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図９−７】図９Ｇ〜図９ＧＧは、図１の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図９−８】図９Ｈ〜図９ＨＨは、図１の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図９−９】図９Ｉ〜図９ＩＩは、図１の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図９−１０】図９Ｊ〜図９ＪＪは、図１の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図９−１１】図９Ｋ〜図９ＫＫは、図１の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図９−１２】図９Ｌ〜図９ＬＬは、図１の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の別の実施形態による流体制御処理システムの分解斜視図である。
【図１１】図１１は、図１０のシステム内の流体制御装置の断面図である。
【図１２−１】図１２Ａ〜図１２Ｂは、図１０の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図である。
【図１２−２】図１２Ｃ〜図１２Ｄは、図１０の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図である。
【図１２−３】図１２Ｅ〜図１２Ｆは、図１０の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図である。
【図１２−４】図１２Ｇ〜図１２Ｈは、図１０の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図である。
【図１２−５】図１２Ｉ〜図１２Ｊは、図１０の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図である。
【図１２−６】図１２Ｋ〜図１２Ｌは、図１０の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図である。
【図１２−７】図１２Ｍ〜図１２Ｎは、図１０の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図である。
【図１３】図１３は、軟質壁チャンバの断面図である。
【図１４】図１４は、ピストンアセンブリの断面図である。
【図１５】図１５は、側部フィルタリングチャンバの断面図である。
【図１６】図１６は、本発明の別の実施形態による処理チャンバを含む流体制御処理システムの上平面図である。
【図１７】図１７は、図１６の処理チャンバの斜視図である。
【図１８】図１８は、図１６の流体制御処理システムを部分的に切り取った断面図である。
【図１９】図１９は、図１６の処理チャンバの断面斜視図である。
【図２０】図２０は、図１６の処理チャンバの保持部材の斜視図である。
【図２１】図２１は、図２０の保持部材の立面図である。
【図２２】図２２は、図２０の保持部材の上平面図である。
【図２３】図２３は、図２２の線２３−２３に沿った保持部材の断面図である。
【図２４】図２４は、本発明の別の実施形態による分離チャンネルを含む流体制御処理システムの断面図である。
【図２５】図２５は、本発明の別の実施形態による流体制御処理システム内の流体制御装置の断面図である。
【図２６−１】図２６Ａ〜図２６ＡＡは、図２５の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するためのプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図２６−２】図２６Ｂ〜図２６ＢＢは、図２５の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するためのプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図２６−３】図２６Ｃ〜図２６ＣＣは、図２５の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するためのプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図２６−４】図２６Ｄ〜図２６Ｄ’Ｄ’は、図２５の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するためのプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図２６−５】図２６Ｅ〜図２６ＥＥは、図２５の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するためのプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
特定の実施形態の説明
図１〜図４は、複数のチャンバ１３を有するハウジング１２を含む流体制御処理システム１０を示す。図１は、例示のために露出されたチャンバ１３を示す。チャンバ１３を封じるために、一般に上部カバーが設けられる。図３および図４において最もよくわかるように、流体制御装置１６と反応容器１８とは、ハウジング１２のそれぞれ異なる部分に接続される。図示の本実施形態における流体制御装置は、回転式流体制御弁１６である。弁１６は、ディスク部２２と管状部２４とを有する弁本体２０を含む。ディスク部２２は、図３において最もよくわかるように、ほぼ平坦な外部ポート表面２３を有する。弁１６は、ハウジング１２に対して回転自在である。ハウジング１２は、チャンバ１３と弁１６との間の流体連通を可能とするために、弁１６（図４）のディスク部２２の外部ポート表面２３に面した複数のチャンバポート２５を有する。オプションのシールまたはガスケット２６は、ディスク部２２とハウジング１２との間に配置される。ディスク部２２は、フィルタまたはフィルタスタック２７と、外部カバー２８と、歯状外周部２９とをさらに含む。カバー２８は、剛性シェルでも、可とう性フィルムでもよい。
【００１９】
図４において最もよくわかるように、ディスク部２２は流体処理領域３０を含む。本願明細書で使用されている「流体処理領域」という用語は、流体が処理にかけられる領域を指すが、処理とは、化学的、光学的、電気的、機械的、熱的、または音響的処理を含むが、これだけに限定されるものではない。たとえば、化学的処理は触媒を含むことがあり、光学的処理は紫外線放射を含むことがあり、電気的処理は電気穿孔または電気泳動、あるいは等電点電気泳動を含むことがあり、機械的処理は混合、ろ過、加圧、および細胞破砕を含むことがあり、熱的処理は加熱または冷却を含むことがあり、音響的処理は超音波の使用を含むことがある。流体処理領域は、流体の処理を容易にするために、フィルタ２７などの能動部材を含んでもよい。能動部材の例として、微小流体チップ、固相物質、フィルタまたはフィルタスタック、親和性マトリックス、磁性分離マトリックス、サイズ排除カラム、毛細管などがある。適切な固相物質として、ビーズ、ファイバ、膜、濾紙、溶解剤を含浸させた溶解紙、ガラスウール、ポリマー、またはゲルを含むが、これだけに限定されるものではない。特定の一実施形態においては、流体処理領域は、たとえば反応容器１８内でさらに処理するための試料を用意するために使用される。
【００２０】
図５〜図８に示すように、外部カバー２８は、流体処理領域３０と弁１６のディスク部２２の底端部とを封じる。図８において、処理領域３０は、第１流体処理チャンネル３４に結合されている第１流体処理ポート３２と、第２流体処理チャンネル３８に結合されている第２流体処理ポート３６とを含む。第１流体処理チャンネル３４は、外部ポート表面２３で第１外部ポート４２に終端する第１外部導管４０に結合されており、第２流体処理チャンネル３８は、外部ポート表面２３で第２外部ポート４６に終端する第２外部導管４４に結合されている。流体移動チャンネル４８は、一方の端近くで、第１流体処理チャンネル３４と第１導管４０とに結合されており、他端で流体移動領域５０に結合されている。第１外部導管４０は、第１外部ポート４２を第１流体処理チャンネル３４または流体移動チャンネル４８に、あるいはこの両方に流体連通させるための共通導管として機能する。処理領域３０は、流体移動領域５０と連続的に流体連通する。
【００２１】
図６〜図８に示すように、外部ポート４２、４６は弁１６の軸５２に対して互いから約１８０°の角度間隔で配置されている。外部ポート４２、４６は、軸５２から半径方向に等距離で離れている。軸５２は、外部ポート表面２３に対して直角である。別の実施形態においては、外部ポート４２、４６間の角度間隔を違えてもよい。別の実施形態においては、ディスク部２２内のチャンネルの構成も違えてよい。たとえば、第１流体処理チャンネル３４と第１外部導管４０とを傾斜させ、流体移動領域５０に直接結合することによって、流体移動チャンネル４８をなくしてもよい。第２流体移動チャンネル３８を傾斜させ、第２流体処理ポート３６と第２外部ポート４６との間に直線的に延在させることによって、第２外部導管４４をなくしてもよい。また、より多くのチャンネルおよび外部ポートを弁１６に設けてもよい。図３において最もよくわかるように、交差チャンネルつまり溝５６は、外部ポート表面２３上に設けるのが望ましい。溝５６は彎曲され、軸５２から一定の半径距離に配置されることが望ましい。一実施形態においては、溝５６は、軸５２から共通の半径上に位置する円弧である。以下に詳しく説明するように、溝５６は容器を充填するために使用される。
【００２２】
図８に示すように、流体移動領域５０は、実質的に弁１６の管状部２４内に配置され、ディスク部２２内に部分的に延在する。好適な一実施形態においては、流体移動領域５０はポンピングチャンネルまたはチャンバである。プランジャーまたはピストン５４の形態をとる流体移動部材は、ポンピングチャンバ５０内に移動可能に配置される。ピストン５４が上方に動くと、ポンピングチャンバ５０の容積が拡大し、流体をポンピングチャンバ５０に引き込むための吸引力が生じる。ピストン５４が下方に動くと、ポンピングチャンバ５０の容積が縮小し、流体がチャンバ５０から押し出される。あるいは、移動領域５０の加圧および減圧を、たとえば、隔膜、外部空気圧、または圧力制御システムなどを用いて行ってもよい。
【００２３】
図１〜図４のハウジング１２に対してロータリ弁１６がその軸５２を中心に回転したときに、外部ポート４２、４６の１つを開いてチャンバ１３のうちの１つまたは反応容器１８に流体結合させてもよいし、あるいは両方の外部ポート４２、４６を塞ぐか閉じてもよい。本実施形態においては、外部ポート４２、４６のうちの多くとも１つがチャンバの１つまたは反応容器１８に流体結合する。他の実施形態においては、外部ポート４２、４６の両方がそれぞれ別のチャンバまたは反応容器１８に流体結合するように構成してもよい。このように、外部ポート４２、４６がチャンバ１３を含む複数のチャンバと反応容器１８とに選択的に流体連通されるように、弁１６はハウジング１２に対して回転可能である。外部ポート４２、４６を開くか閉じるか、またピストン５４を上方に動かすか下方に動かすかによって、弁１６内の流体の流れの方向を変え、外部ポート４２、４６をそれぞれ入口ポートから出口ポートに切り替えることができ、また流体の流れは処理領域３０を通ることも、処理領域３０を迂回することもある。特定の一実施形態においては、第１外部ポート４２は入口ポートであるので、処理領域３０の入口側は、処理領域３０の出口側より、流体移動領域５０に近い。
【００２４】
弁１６の流体測定分配機能を実証するために、図９Ａ〜図９ＬＬは、特定のプロトコルに対する弁１６の動作を示す。図９Ａおよび図９ＡＡにおいては、第１外部ポート４２が試料チャンバ６０に流体連通するように弁１６が回転されているので、ピストン５４を引き上げると、流体試料が試料チャンバ６０から第１外部導管４０と流体移動チャンネル４８とを通って、つまり処理領域３０を迂回して、流体移動領域５０に引き込まれる。簡単にするために、図９Ａ〜図９ＬＬにはピストン５４が示されていない。次に、図９Ｂおよび図９ＢＢに示すように弁１６を回転して、第２外部ポート４６を廃棄物チャンバ６４に流体連通させる。ピストン５４を押し下げると、流体試料は、流体処理領域３０を通って、廃棄物チャンバ６４に押し出される。特定の一実施形態においては、流体処理領域３０は、通過する流体試料から試料成分（たとえば、細胞、胞子、微生物、ウイルス、たんぱく質など）を捕獲するフィルタまたはフィルタスタック２７を含む。フィルタスタックの例は、その内容全体が本明細書中に参考として援用される、２０００年５月３０日に出願された「細胞破砕の装置と方法」と題する、同一人に譲渡された同時係属中の米国特許出願第０９／５８４，３２７号に記載されている。他の実施形態においては、他の能動部材を処理領域３０に設けてもよい。試料成分を捕獲するこれらの最初の２つのステップは、必要に応じて繰り返してもよい。
【００２５】
図９Ｃおよび図９ＣＣにおいては、第１外部ポート４２を洗浄チャンバ６６に流体連通させるように弁１６が回転されているので、ピストン５４を引き上げると、洗浄流体が洗浄チャンバ６６から、処理領域３０を迂回して、流体移動領域５０に引き込まれる。次に、図９Ｄおよび図９ＤＤに示すように弁１６を回転すると、第２外部ポート４６が廃棄物チャンバ６４に流体連通する。ピストン５４を押し下げると、洗浄流体は、流体処理領域３０を通って、廃棄物チャンバ６４に押し出される。上記の洗浄ステップは、必要に応じて繰り返してよい。中間洗浄は、弁１６内の不要な残留物を除去するために用いられる。
【００２６】
図９Ｅおよび図９ＥＥにおいては、第１外部ポート４２が溶解物チャンバ７０に流体連通するように弁１６が回転されているので、ピストン５４を引き上げると、溶解流体（たとえば、溶解試薬または緩衝剤）が溶解物チャンバ７０から、処理領域３０を迂回して、流体移動領域５０に流れる。次に、図９Ｆおよび図９ＦＦに示すように弁１６を回転して、第２外部ポート４６を廃棄物チャンバ６４に流体連通する。ピストン５４を押し下げると、溶解流体が流体処理領域３０を通って廃棄物チャンバ６４に押し出される。図９Ｇおよび図９ＧＧにおいては、外部ポート４２、４６を閉じるように、弁１６が回転されている。ピストン５４を押し下げると、流体処理領域３０内に捕獲されている試料成分と残存溶解流体とが加圧される。追加のエネルギーを処理領域３０内の混合物に加えてもよい。たとえば、超音波ホーンなどの音響部材７６を外部カバー２８に接触させ、音響エネルギーを処理領域３０内に伝達することによって、試料成分の溶解を促してもよい。一実施形態においては、外部カバー２８は、圧力を受けると伸張して音響部材７６に接触し、溶解中に音響エネルギーを処理領域３０内に伝達する可とう性フィルムで作られる。
【００２７】
一実施形態におけるカバー２８は、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、または他のポリマーなどの高分子材料の可とう性フィルムである。フィルムは、ラミネートなどの積層フィルムでも、均質フィルムでもよい。強度および構造的結合性において均質フィルムより全般的に優れている積層フィルムの方が好ましい。特に、ポリプロピレンはポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）に対して抑制的でないので、積層ポリプロピレンフィルムが現在では好ましい。また、カバー２８は、硬質のプラスチック片など他の材料を含んでもよい。好適な一実施形態においては、カバー２８は、たとえば、その開示内容全体が本明細書中に参考として援用される「細胞破砕のための装置および方法」と題する国際公開番号第ＷＯ００／７３４１３号、または２００１年１０月４日に出願された「細胞またはウイルスの高速破砕のための装置および方法」と題する同一人に譲渡された同時係属中の米国特許出願第０９／９７２，２２１号に示されているように、天蓋型の境界壁であるか、または補強用肋材を含む境界壁である。
【００２８】
一般に、エネルギーを伝達するために処理領域３０に作動的に結合されるエネルギー伝達部材は、超音波トランスデューサ、圧電トランスデューサ、磁気歪トランスデューサ、または静電トランスデューサでもよい。エネルギー伝達部材は、ボイスコイルモータやソレノイド装置などの、巻きコイルを有する電磁装置でもよい。エネルギー伝達部材は、現在では超音波ホーンなどの音響部材であることが好ましい。適切なホーンは、アメリカ合衆国０６４７０−１６１４コネチカット州ニュートン、チャーチヒル５３にオフィスのあるソニックスアンドマテリアル社から入手できる。あるいは、音響部材は、カバー２８に結合できる圧電ディスクまたは他の種類の超音波トランスデューサを含んでもよい。他の実施形態においては、エネルギー伝達部材は、熱エネルギーを処理領域３０に伝達するための熱要素（たとえばヒーター）、または電気エネルギーを処理領域３０に伝達するための電気要素でもよい。また、複数のエネルギー伝達部材を同時に使用することによって、たとえば、処理領域に捕獲されている細胞、胞子、ウイルス、または微生物を溶解するために、処理領域の加熱と超音波処理とを同時に行ってもよい。
【００２９】
図９Ｈおよび図９ＨＨにおいては、第２外部ポート４６が主要混合物または試薬チャンバ７８に流体連通するように弁１６が回転されているので、ピストン５４を押し下げると、混合物が処理領域３０から試薬チャンバ７８に溶出する。一般に、試薬チャンバ７８には、試料に混合するための試薬（たとえば、核酸増幅剤およびプローブ）を収容する。図９Ｉおよび図９ＩＩに示すように、弁１６を回転してポート４６を廃棄物チャンバ６４に流体連通させると、任意の過剰の混合物が第２外部ポート４６を通って廃棄物チャンバ６４に送り込まれる。その後、この混合物はトグリングによって試薬チャンバ７８内で混合される。これは、図９Ｊおよび図９ＪＪに示すように流体移動領域５０を試薬チャンバ７８に流体連通させ、ピストン５４を上下に動かすことによって行われる。たとえば、処理領域３０内のフィルタを通して混合物をトグリングすると、フィルタに捕獲されている大きい粒子が一時的に進路を開けるので、より小さい粒子を通過させることができる。試薬チャンバ７８には、流体に混ぜると元に戻る乾燥または凍結乾燥させた試薬を収容してもよい。
【００３０】
図９Ｋ、図９ＫＫ、および図９Ｋ’Ｋ’においては、第１外部ポート４２が反応容器１８に結合されている第１ブランチ８４に流体連通し、反応容器１８に結合されている第２ブランチ８６が交差溝５６に流体連通するように、弁１６が回転されている。第１ブランチ８４と第２ブランチ８６とは、弁１６の軸５２からそれぞれ異なる半径に配置されており、第１ブランチ８４は第１外部ポート４２と共通の半径を持ち、第２ブランチ８６は交差溝５６と共通の半径を持つ。交差溝５６もまた試薬チャンバ７８（図９Ｋ）に流体連通し、試薬チャンバ７８と第２ブランチ８６との間の空隙を架橋することによってその間に交差流をもたらす。外部ポートは軸からの外部ポート半径範囲内に配置され、交差溝は軸からの交差溝半径範囲内に配置されており、外部ポートの半径範囲と交差溝の半径範囲とは重ならない。交差溝５６を外部ポート４２、４６の半径とは異なる半径に配置することによって、弁１６の回転運動の結果として外部ポート４２、４６の半径位置における弁１６とハウジング１２との間の面近くの領域に生じ得る汚染物質による交差溝５６の二次汚染を回避できるという利点がある。従って、外部ポート４２、４６の半径に重なる形状などの他の交差溝形状を使用してもよいが、図示の実施形態は、外部ポート４２、４６の半径位置におけるハウジング１２と弁１６との間の面近くの領域の汚染から交差溝５６を隔離する好ましい配置である。
【００３１】
反応容器１８を充填するには、ピストン５４を引き上げ、試薬チャンバ７８内の混合物を交差溝５６と第２ブランチ８６とを通して反応容器１８に引き込む。このような構成においては、反応容器１８は吸引チャンバであり、第１チャンバとも呼ばれ、試薬チャンバ７８はソースチャンバであり、第２チャンバとも呼ばれる。次に、図９Ｌおよび図９ＬＬに示すように弁１６を回転すると、第２外部ポート４６が第１ブランチ８４に流体連通し、第１外部ポート４２が閉じられる。ピストン５４を押し下げると、反応容器１８内の混合物が加圧される。核酸の増幅および／または検出を行うために、反応容器１８を熱反応チャンバに挿入してもよい。反応容器１８の反応チャンバの充填および排出は、２つのブランチ８４、８６を通して行われる。容器は、超音波溶接や機械的結合などによってハウジングに接合してもよいし、成型などによってハウジング１２と一体に形成してもよい。流体試料の分析のための反応容器の使用は、２０００年５月３０日に出願された「化学反応を行うためのカートリッジ」と題する同一人に譲渡された同時係属中の米国特許出願第０９／５８４，３２８号に記載されている。
【００３２】
図３〜図８の弁１６を作動させるには、一般にはステップモータなどのモータをディスク部２２の歯状外周部２９に結合し、高精度で流体が分配されるようにハウジング１２に対して弁１６を回転させる。モータは、所望のプロトコルに従ってコンピュータで制御できる。計測を精密に行うために、ピストン５４を上下に正確に駆動するリニアモータなどが一般に使われるが、このリニアモータなども所望のプロトコルに従ってコンピュータで制御してよい。
【００３３】
図１０は、流体制御チャンネルハウジングつまりブロック１０２に回転自在に結合される、別の弁１００を示す。反応容器１０４は、ハウジング１０２に切り離し可能に結合される。図１１に示すように、弁１００は長手方向軸１０５を有するほぼ管状の部材である。ピストン１０６の上下移動に応じて流体移動領域１０８の容積が変わるように、ピストン１０６は弁１００に移動自在に接続される。カバー１０９は、弁１００の底部近くに配置される。流体処理領域１１０は弁１００内に配置され、流体移動領域１０８に連続的に流体連通される。図１１において最もよくわかるように、弁１００は、第１ポート１１１および第２ポート１１２として機能する一対の開口を含む。図示の実施形態においては、ポート１１１、１１２は約１２０°の角度間隔で配置されているが、他の実施形態においてはこの間隔を違えてもよい。図１０に示すように、交差チャンネルつまり溝１１４は弁１００の外面１１６に形成され、ほぼ長手方向に延在している。２つのポート１１１、１１２は、長手方向軸１０５に沿って長手方向に互に異なるレベルにオフセットされて配置されており、交差溝１１４は軸１０５の長手方向に延在し、ポート１１１、１１２の２つのレベル間を架橋する。
【００３４】
ハウジング１０２は、ポート１１１、１１２と溝１１４とを有する弁１００の部分を収容するための開口部１１８を有する。開口部１１８の周りの内面１２０は、弁１００の外面１１６と連係するように形成されている。内面１２０と外面１１６との間にガスケットを配置してもよいが、好適な実施形態においては、追加のガスケットを使わずに密封効果をもたらす傾斜付きつまり円錐状の面１２０、１１６を採用する。ハウジング１０２は複数のチャンネルとポートとを有し、弁１００は、ポート１１１、１１２をハウジング１０２内の複数のチャンネルに選択的に流体連通させるために、その軸１０５を中心として回転可能である。どのポートを開くか閉じるか、またピストン１０６を上方に移動するか下方に移動するかによって、弁１００内の流体の流れの方向を変えることができ、ポート１１１、１１２をそれぞれ入口ポートから出口ポートに切り替えることができる。
【００３５】
弁１００の流体測定分配機能を実証するために、図１２Ａ〜図１２Ｎは、特定のプロトコルに対する弁１００の動きを示す。図１２Ａに示すように、ハウジング１０２は複数の流体チャンネルを含む。便宜上、これらのチャンネルを試薬チャンネル１３０、溶解物チャンネル１３２、試料チャンネル１３４、洗浄チャンネル１３６、廃棄物チャンネル１３８、第１ブランチ１４０、および第２ブランチ１４２と呼ぶ。チャンネル１３０〜１３８は内面１２０からほぼ平坦な一外面１４４に延在しており、ブランチ１４０、１４２は内面１２０からこれもほぼ平坦な別の外面１４６に延在している（図１０）。組み立てると、第１ポート１１１とチャンネル１３０〜１３４とは長手方向軸１０５に直角な第１横断面上にあり、第２ポート１１２と、チャンネル１３６、１３８と、２つのブランチ１４０、１４２とは長手方向軸１０５に直角な第２横断面上にある。第２横断面は第１横断面から長手方向にオフセットされている。便宜上、第２ポート１１２と、チャンネル１３６、１３８と、ブランチ１４０、１４２とは、第１ポート１１１とチャンネル１３０〜１３４とから長手方向にオフセットされていることを示すために、網掛けしてある。第１横断面と第２横断面との間のオフセットを架橋するために、交差溝１１４が長手方向に延在している。チャンバ本体１５０はハウジング１０２（図１０）に接続され、それぞれチャンネル１３０〜１３８に流体結合される試薬チャンバ、溶解物チャンバ、試料チャンバ、洗浄チャンバ、および廃棄物チャンバを含む。第１および第２ブランチ１４０、１４２は反応容器１０４に流体結合する。
【００３６】
図１２Ａにおいては、第１ポート１１１が試料チャンネル１３４に流体連通しているので、ピストン１０６を引き上げると、流体試料が流体移動領域１０８（図１１）に引き込まれる。次に、図１２Ｂに示すように弁１００を回転すると、第２ポート１１２が廃棄物チャンネル１３８に流体連通するので、ピストン１０６を押し下げると、流体試料が移動領域１０８から処理領域１１０を通り、廃棄物チャンネル１３８を通って押し出される。一般に、これらのステップは、たとえば試料成分をフィルタなどの捕獲部材上に捕獲するために、試料全体が処理領域１１０を通って処理されるまで、繰り返される。
【００３７】
図１２Ｃにおいては、第２ポート１１２を洗浄チャンネル１３６に流体連通させるように弁１００が回転されているので、ピストン１０６を引き上げると、洗浄流体が処理領域１１０に吸い込まれる。次に、弁１００を回転して第２ポート１１２を廃棄物チャンネル１３８に流体連通させ、ピストン１０６を押し下げると、洗浄流体が処理領域１１０から廃棄物チャンネル１３８を通って押し出される。上記の洗浄ステップを必要に応じて繰り返すことによって、弁１００内の不要な残留物を除去することができる。
【００３８】
溶解の場合は、図１２Ｅに示すように弁１００を回転して第１ポート１１１を溶解物チャンネル１３２に流体連通させ、ピストン１０６を引き上げると、溶解流体が流体移動領域１０８に引き込まれる。図１２Ｆにおいては、両方のポート１１１、１１２を閉じるように弁１１０が回転されている。ピストン１０６を押し下げると、溶解流体が処理領域１１０に押し出され、流体処理領域１１０に捕獲されている試料成分と溶解流体とが加圧される。追加のエネルギーを処理領域１１０内の混合物に加えてもよく、たとえば音響エネルギーを処理領域１１０に伝達するには、音響部材をカバー１０９に作動的に結合する（図１１）。
【００３９】
図１２Ｇにおいては、事前に設定した所望量の洗浄流体が洗浄チャンネル１３６から第２ポート１１２を通って処理領域１１０に吸い込まれ、混合物が希釈される。次に、図１２Ｈに示すように弁１００を回転して第１ポート１１１を試薬チャンネル１３０に流体連通させると、事前に設定した量の混合物が処理領域１１０から試薬チャンバに排出される。ピストン１０６を上下に動かすと、トグリングによって混合物が攪拌および混合される。残存混合物は、図１２Ｉに示すように、第２ポート１１２を通って廃棄物チャンネル１３８に排出される。別の洗浄は、洗浄流体を洗浄チャンネル１３６から第２ポート１１２を通して処理領域１１０に引き込み（図１２Ｊ）、この洗浄流体を処理領域１１０から第２ポート１１２を通して廃棄物チャンネル１３８に排出することによって（図１２Ｋ）行われる。
【００４０】
図１２Ｌにおいては、第２ポート１１２を反応容器１０４に結合されている第１ブランチ１４０に流体連通させ、反応容器１０４に結合されている第２ブランチ１４２を交差溝１１４に流体連通させるように、弁１００が回転されている。第２ブランチ１４２は、試薬チャンネル１３０から長手方向にオフセットされている。図１２Ｌに示す位置において第２ブランチ１４２と試薬チャンネル１３０との間のオフセットを架橋して相互に流体連通させるために、交差溝１１４が長手方向に延在している。結果として、流体処理領域１１０は、第１ブランチ１４０と、反応容器１０４と、第２ブランチ１４２と、交差溝１１４とを介して、試薬チャンネル１３０に流体連通する。
【００４１】
ピストン１０６を引き上げると、試薬チャンバ内の混合物が試薬チャンネル１３０から交差溝１１４と第２ブランチ１４２とを通って反応容器１０４に引き込まれる。次に、図１２Ｍに示すように弁１００を回転すると、第２ポート１１２が第２ブランチ１４２に流体連通し、第１ポート１１１は閉じられる。ピストン１０６を押し下げると、反応容器１０４内の混合物が加圧される。図１２Ｎにおいては、ポート１１１、１１２を閉じて反応容器１０４を隔離するように、弁１００が回転されている。核酸の増幅および／または検出を行うために、反応容器１０４を熱反応チャンバに挿入してもよい。
【００４２】
上記の各実施形態に示したように、流体制御処理システムは、融通性と適応性が高い完全に自己完結型のシステムであることが都合がよい。流体移動領域は、システム内で流体を移動するための原動力である。流体移動領域と流体処理領域との間を連続的な流体連通状態に維持することによって、システム内で流体を移動するための原動力が処理領域に常に流体結合される。流体移動領域（原動力）は、システム内を通る流体の一時的な貯蔵域としても機能する。図示の各実施形態においては流体移動領域内を移動するピストンを原動力として使用しているが、たとえば、流体移動領域の容積を変えずに、圧力を原動力として使用する気圧ポンプ機構などの他の機構を使用してもよい。流体処理領域の入口側または出口側は、試薬および他の流体へのランダムアクセスを可能とするために、どのチャンバにも対応できる。複雑なプロトコルでも、比較的容易にコンピュータ制御装置にプログラミングでき、融通性の高い流体制御処理システムを使用して実行することができる。単一のプラットフォームを使用して、多数の異なるプロトコルを実行できる。
【００４３】
図示の各実施形態においては、一度に１つのみのポートが各チャンバに選択的に流体連通するように弁内の一対のポートを扱うことによって、流体の制御が行われる。これは、各チャンバに対する一対のポートの相をずらしておくことによって達成される。交差または迂回チャンネルは、追加の流体制御機能を提供する（たとえば、閉鎖系内部の反応容器の充填および排出の簡便化を可能にする）。もちろん、他の実施形態においては、異なるポート体系を使用して所望の流体制御を達成してもよい。さらに、図示の各実施形態は弁本体内に単一の流体処理領域を含むが、必要であれば追加の処理領域を弁本体内に設けることができる。概して、弁本体は、ｎ個の処理領域につき（ｎ＋１）個のポートを必要とする。
【００４４】
単一弁を使用すると、障害要素が１つだけになるので、製造時の歩留まりが向上する。流体の制御および処理用の構成部品を集中化することによって、装置が小型化し（たとえば、小型カートリッジの形態）、自動成型および組み立てが容易になる。上記のように、システムは希釈および混合機能と、中間洗浄機能と、正圧機能とを含むと都合がよい。システム内の流体経路は、汚染を最小限に抑え、システム内の流体の封じ込めと制御とを容易にするために、常態では閉ざされている。反応容器は取り外し可能な交換式のものが便利であり、実施形態によっては使い捨て式にしてもよい。
【００４５】
流体制御処理システムの構成部品は、使用する流体に適合したさまざまな材料で作ってよい。適切な材料の例として、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリカーボネート、アクリル、またはナイロンなどの高分子材料がある。システム内の各種のチャンバ、チャンネル、ポートなどは、さまざまな形状および寸法でよい。
【００４６】
上記の装置および方法の構成は単に本発明の原理の応用例を例示するものであり、請求項に記載の本発明の精神と範囲から逸脱することなくして、他の多くの実施形態および変更が可能である。
【００４７】
たとえば、図１３に示すように、軟質壁のチャンバ２００を流体制御処理システムに組み込んでもよい。一般に、オンボード試薬スタイルのカートリッジは、混合される試薬と試料との合計量の少なくとも２倍の総流体量を剛体システム内に必要とする。軟質壁のチャンバを使用すると、この必要量を減らすことができる。これらのチャンバは柔軟な壁を持ち、一般にフィルムを使用して熱成型によって形成することができる。軟質壁の別の利点は、チャンバが空になったときにつぶれるくらいに柔軟な壁であると、ベンティングを設ける必要がないことである。図１３では、試薬チャンバ２０４と廃棄物チャンバ２０６とが柔軟な側壁２０２によって隔てられている。廃棄物は試料と試薬とからなるので、廃棄物のために必要な容積は試料と試薬との合計量を超えない。試薬チャンバ２０４が縮小すると、廃棄物チャンバ２０６が拡大し、試薬チャンバ２０４が拡大すると、廃棄物チャンバ２０６が縮小する。これは、外部への接続がない閉鎖系とすることができる。この構成はカートリッジの外形寸法を縮小できるので、チャンバ容積の高速切り換えを可能にする。また、ベンティングをなくすことができるので、他の壁の場合にハードツーリングによって構築する必要があるプラットフォームの数を減らすことによってコストを削減できる。一実施形態においては、システム内の複数のチャンバのうちの少なくとも２つのチャンバが、チャンバ間のチャンバ容積の切り換えが可能なように、柔軟壁で隔たれている。
【００４８】
図１４は、ピストンシャフト２１４に接続されているピストンロッド２１２を含むピストンアセンブリ２１０を示すが、小量の流体を押し出すためにピストンシャフト２１４の断面はピストンロッド２１２より小さい。細いピストンシャフト２１４は、長すぎると、圧力が加えられたときに曲がることがある。ピストンロッド２１２は円筒部つまりハウジング２１６の上部に沿って移動し、一方ピストンシャフト２１４は円筒部２１６の下部に沿って移動する。ピストンロッド２１２の動きによってピストンシャフト２１４の動きが誘導され、加えられた力の多くが吸収されるので、細いピストンシャフト２１４には屈曲力がほとんど伝達されない。
【００４９】
図１５は、システムに組み込み得る側部チャンバ２２０を示す。側部チャンバ２２０は、入口ポート２２２と出口ポート２２４とを含む。この例では、側部チャンバ２２０は、入口ポート２２２に配置されたフィルタ２２６を含む。流体は、側部フィルタリングのために、入口ポート２２２を通って側部チャンバ２２０に流れ込み、出口ポート２２４を通って外へ出る。これによって、本発明の流体制御システムを用いた流体試料などのろ過が可能になる。フィルタ２２６によるろ過をより十分に行うために、流体を再循環させてもよい。この予備ろ過は、流体をシステムの主チャンバに送り込む前に粒子を取り除き、目詰まりを防止するために有効である。側部チャンバの使用は、たとえば、システム内の弁および主チャンバの汚染を避けるために好都合である。
【００５０】
流体試料は、手動または自動のさまざまな機構によって、流体制御処理システム１０のハウジング１２に導入してよく、ハウジング１２はカートリッジとして構成してもよい。手動で追加する場合は、測定した量の物質を投入ポートからハウジング１２の収容域（たとえば、複数のチャンバのうちの１つ）に投入してもよく、その後にこのポートに蓋をする。または、収容域をゴム製または同様の隔膜で覆ってもよく、針で隔膜に穴をあけ、針を通して試料を収容域に注入する。または、分析に必要な量を超える大量の試料物質をハウジング１２に加え、指定されたプロトコルに必要な試料をハウジング１２内の機構によって正確に測定し、小分けすることもできる。
【００５１】
生検組織物質、土壌、糞便、浸出液、他の複合物質などの特定の試料を別の装置または付属品に入れ、この二次装置または付属品を、混合、分割、または抽出などの機能を起こさせる機械的動きを引き起こすハウジングに入れることが望ましいこともある。たとえば、投入ポートの蓋として機能する、二次装置のルーメンに組織片を入れてもよい。蓋をポートに押し込むと、薄切りなどの方法で組織を分割する網を介して組織が押し込まれる。
【００５２】
試料の自動投入の場合は、ハウジングまたはカートリッジ設計の追加構成が採用され、多くの場合、試料収集機能がハウジングに直接付与される。人間のレトロウイルス病原体など、オペレータまたは環境に有害な特定の試料の場合は、試料をハウジングに移動するときに危険が伴うこともある。したがって、一実施形態においては、試料をハウジングに直接移動する手段を提供するために、注射器またはシッパーを装置に組み込んでもよい。または、試料を取得するために使用できるアセンブリを形成する静脈穿刺針と管とを装置に含めてもよい。収集後、管と針とを取り除いて廃棄してから、ハウジング１２を処理を行うための器具に配置する。このような方法の利点は、オペレータまたは環境が病原体にさらされない点である。
【００５３】
投入ポートは、目的の試料の性質に応じて、適切な人的要因を考慮して設計することができる。たとえば、呼吸器系試料は、下気道から咳による去痰時に取得するか、または喉の奥または鼻孔からスワブまたはブラシ試料として取得してもよい。前者の場合は、投入ポートは患者がハウジング１２内に直接咳をできるように設計することも、去痰した試料をハウジング内に容易に吐き出せるように設計することもできる。ブラシまたはスワブ試料の場合は、試料を投入ポート内に入れると、このポートと蓋との構成によって、スワブまたはブラシの端が容易に折られ、カートリッジ収容域内に保持される。
【００５４】
別の実施形態においては、ハウジング１２は１つまたはそれ以上の投入管またはシッパーを含むが、試料物質がハウジング１２内に流れ込むように、試料プール内にこれらの投入管またはシッパーを配置してもよい。あるいは、親水性ウィッキング材の機能によって、試料を装置に引き込むことができる。たとえば、カートリッジ全体を試料に直接浸すことができれば、十分な量の試料がウィッキング材に吸収され、毛管現象によってハウジング１２に移る。その後、ハウジングを取り出し、実験室に移送するか、または携帯型計測器を用いて直接分析することができる。別の実施形態においては、管の一端をハウジングに直接連通させて少なくとも１つのチャンバとの流体界面を設け、他端は外部環境からアクセス可能にすることによって、管を試料の収容器として利用することができる。その後、管を試料の中に入れ、シッパーとして使用する。このように、装置は、試料をさまざまなソースから収集し、この試料をハウジング１２に移動することによって、取り扱いおよび不都合さを減らすためのさまざまな特徴を含んでよい。
【００５５】
図１６は、ハウジング３１２に含まれる複数のチャンバ３１３のうちの１つが処理チャンバ３１４である流体制御処理システム３１０を示す。ハウジング３１２は、図１〜図４のシステム１０内のロータリ弁１６と同様の回転式流体制御弁などの流体制御装置に連通するように構成された複数のチャンバポート３２５を含む。弁は、システム１０内の流体移動領域５０と同様の流体移動領域を有する。チャンバ３１３は、図１〜図４の実施形態と同じチャンバ（すなわち、試料チャンバ６０、廃棄物チャンバ６４、洗浄チャンバ６６、溶解物チャンバ７０、試薬チャンバ７８、および反応容器１８）を含んでもよい。ハウジング３１２は、図１〜図４のシステム１０の流体処理領域３０と同様の流体処理領域または能動領域をさらに含む。このような構成において、チャンバポート３２５は、回転式流体制御弁のディスク部の外部ポート表面に向かい合う。
【００５６】
処理チャンバ３１４は、第１ポート３２６と第２ポート３２７とを有する。一例においては、第１ポート３２６は流体を取り込むための入口ポートとしてもよく、第２ポート３２７は処理チャンバ３１４から流体を排出するための出口ポートとしてもよい。処理チャンバ３１４は、ハウジング３１２の本体に一体に形成するか、またはハウジング３１２の本体に組み込んで、処理チャンバの入口ポートと出口ポートとをチャンバポートのうちの２つにするのが一般的である。または、処理チャンバ３１４を、ハウジング３１２の本体に挿入でき、挿入したときに入口ポートと出口ポートとがチャンバポートのうちの２つと位置合わせされる別個の部材として形成してもよい。
【００５７】
処理チャンバ３１４は、濃縮材つまり濃縮化媒体、または減損材つまり減損化媒体などの処理チャンバ物質を収容してもよい。濃縮材は、処理チャンバ３１４を通過する流体から分析物などの標的を捕獲する。減損材は、処理チャンバ３１４を通過する流体から不要な物質を捕捉または保持する。濃縮材または減損材は、１つまたはそれ以上の固相物質を含んでよい。全般的に、固相物質として、ビーズ、ファイバ、膜、濾紙、ガラスウール、ポリマー、およびゲルを含んでもよい。
【００５８】
たとえば、濃縮材として、クロマトグラフ物質、特に、結合要素が不溶性基質に共有結合される親和性クロマトグラフ物質、イオン交換物質、または逆相物質などの吸収相物質を含んでもよい。親和性クロマトグラフ物質の場合、結合要素は群特異（たとえば、レクチン、酵素補因子、プロテインＡなど）であっても、物質特異（たとえば、抗体またはその結合フラグメント、目的の特定の抗体の抗原、オリゴヌクレオチドなど）であってもよい。結合要素が結合される不溶性基質は、多孔質ガラスまたは高分子ビーズなどの粒子、ガラスストランドまたは糸状体の網、複数の細い桿状体または毛細管などでもよい。たとえば、不溶性基質は、免疫学的検定手順のための抗原またはハプテンを捕獲するための抗体によって官能化されたビーズを含んでもよい。
【００５９】
被覆粒子などの不溶性基質の代わりに、流体試料の画分を含む分析物を選択的に保持する一方で、残存試料を膜を通して処理チャンバから流し出すことができる被覆／含浸膜を使用してもよい。固相抽出のために、さまざまな親水性膜、疎水性膜、およびイオン交換膜が開発されている。
【００６０】
濃縮材の別の例としてゲル媒体があるが、これは多様なふるい機能を行うために使用することができる。処理チャンバ３１４を通る濃縮化チャンネルは、液体試料の画分を含む特定の分析物を濃縮するために使われる。媒体の細孔径を変え、多孔率の異なる２つまたはそれ以上のゲル媒体を使用し、さらに／または細孔径に傾斜を持たせることによって、初期試料の目的の画分を含む分析物をゲル媒体に確実に保持することができる。
【００６１】
濃縮材または減損材によっては、特定の物質を処理チャンバ内に保持するための保持機構を採用する必要があり得る。物質を処理チャンバ内に保持するために、ガラスフリットなどのフリットを使用してもよい。図１８〜図２３は、処理チャンバ３１４内に配置された２つのフリット３３０、３３２を示す。図示の各実施形態においては、フリット３３０、３３２は、保持構造つまり部材３３６によって定位置に支えられている。保持部材３３６は、処理チャンバ３１４内の収容域の適所に容易にはめ込むことができ、必要に応じて簡便に取り外すことができる処理モジュールまたはインサートとして構成してもよい。図１７に示すように、特定の一実施形態においては、処理チャンバ３１４は、濃縮材または減損材を収容する処理モジュールを収容するための収容域３２９を含む。他の実施形態においては、処理モジュールは、分離物質を収容するカラム、または細管電気泳動もしくは等電点電気泳動のための分離チャンネルを収容する構造を含んでもよい。処理チャンバ３１４は、処理モジュール３３６を通って流れた流体を受ける収集域３３１を有する。
【００６２】
図１８〜図２３において、処理モジュール３３６は、流体を収集域３３１に導く注ぎ口３３３を含むことが好ましい。処理モジュールは、第１ポート３２６に隣接して配置された第１フリット３３０を含み、第２フリット３３２は、濃縮材または減損材のための空間３３８を設けるために、第１フリット３３０から離して配置される。一実施形態においては、流体は第１ポート３２６を通って処理チャンバ３１４に入り、第１フリット３３０、空間３３８内の濃縮材または減損材、および第２フリット３３２を通ってから、第２ポート３２７の上にある処理チャンバの収集域３３１に重力によって流れ込み、処理チャンバ３１４からポート３２７を通って出る。空間３３８は、もう１つの流体処理領域として機能する。
【００６３】
一例においては、流体移動領域が第１外部ポートを介して試料チャンバに流体連通するように弁を回転すると、試料流体が試料チャンバから引き込まれる。この様子は、図１〜図４のシステム１０について図９Ａおよび図９ＡＡに示されているが、処理チャンバ３１４がシステム３１０内に追加されている点を除けば、図１６〜図２３のシステム３１０とほぼ同じである。試料流体は流体処理領域（システム１０内の領域３０）を迂回し、流体移動領域（システム１０内の領域５０）に入る。弁（システム１０内の弁１６）を回転し、第１外部ポートを処理チャンバ３１４に流体連通させる。試料流体は、流体移動領域から、流体処理領域を迂回し、入口ポート３２６を通って処理チャンバ３１４に入る。流体が、たとえば入口ポート３２６から濃縮材が入っている処理チャンバ３１４を通って流れると、試料画分を含む分析物が処理チャンバ３１４内のクロマトグラフ物質などの濃縮材によって保持される。第１外部ポートが処理チャンバ３１４の出口ポート３２７に流体連通するように弁を回転すると、流体の残存廃棄部分が出口ポート３２７を通って処理チャンバ３１４から出て、弁の流体移動領域に入る。次に、第１外部ポートが廃棄物チャンバ（システム１０内のチャンバ６４）に流体連通するように弁を回転すると、廃棄物流体が流体移動領域から廃棄物チャンバに排出される。その後、溶離液を処理チャンバ３１４内の濃縮材を通して流すことによって濃縮試料画分を濃縮材から遊離させ、処理チャンバ３１４から能動領域などの別の領域または別のチャンバに移してもよい。溶離液は、最初に別のチャンバから弁の流体移動領域に引き込み、次にロータリ弁を操作することによって、流体移動領域から処理チャンバ３１４の入口ポート３２６に流し込んでもよい。溶離液と遊離された濃縮試料画分とは、処理チャンバ３１４の出口ポート３２７から、流体処理領域を迂回して、第１外部ポート（システム１０のポート４２）を通して流体移動領域に引き込んでもよいし、または流体処理領域（システム１０の域３０）から第２外部ポート（システム１０のポート４６）を通して流体移動領域に引き込んでもよい。ロータリ弁をさらに操作して、流体をシステム３１０の他のチャンバまたは領域に移動してもよい。
【００６４】
別の例では、試料流体から不要物質を捕捉または除去するために、減損材を処理チャンバ３１４内に用意する。上記のように、弁を使用して、試料流体を試料チャンバから処理チャンバ３１４に移動することができる。流体が、入口ポート３２６から減損材が入った処理チャンバ３１４を通って流れると、流体内の細胞残屑、混入物質、または増幅阻害物質などの不要物質が激減する。流体移動領域が出口ポート３２７に流体連通するように弁を回転すると、残存流体が処理チャンバ３１４から出口ポート３２７を通って出る。流体を最初に第２外部ポート（システム１０のポート４６）を通して流体処理領域（システム１０内の領域３０）に引き込み、次に弁の流体移動領域に引き込んでもよい。または、流体を第１外部ポート（システム１０内のポート４２）を通して流体移動領域に引き込み、流体処理領域を迂回させてもよい。その後、ロータリ弁を操作して、流体を流体移動領域からシステム３１０の別のチャンバまたは領域に流してもよい。
【００６５】
処理チャンバ３１４には、固相物質の代わりに、たとえば、フィコール、デキストラン、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、スクロースなどの液相物質を入れてもよい。
【００６６】
流体処理システム３１０に１つまたはそれ以上の処理チャンバを設けると、システム３１０の融通性が高くなるので、弁本体内の能動領域または処理領域（たとえば、図８の処理領域３０）での試料調製ステップ以外の試料調製ステップを追加して、多段ろ過や連続的機能などを単一の装置で行えるようになる。さらに、大量処理を容易にするために、処理チャンバを大量の外部流体に流体結合してもよい。また、処理チャンバを、流体処理システム３１０の本体３１２内部には望ましくない物質を収容する外部チャンバに流体結合してもよい。
【００６７】
一般に、処理チャンバ（たとえば、図１６の処理チャンバ３１４）内および弁本体内の処理領域（たとえば、図８の処理領域３０）のそれぞれに、濃縮材または減損材を収容してもよい。一部の実施形態においては、各処理領域に、このような物質を１つまたはそれ以上収容してもよい。たとえば、細胞残屑などの不要物質を試料から除去するため、または細胞の濃縮を行うために、フィルタ（たとえば、図８のフィルタまたはフィルタスタック２７）またはビーズを処理領域に入れてもよい。試料内の個々の分子などの特定の標的を結合するため、またはたんぱく質や阻害物質などの特定の標的を除去するために、フィルタまたはビーズを使用してよい。一部の実施形態においては、分子標的の分子単離または分子物質の分子除去のために、フィルタおよびビーズ、ファイバ、ウールなどの別の固相物質を処理領域に含む。他の実施形態においては、磁気ビーズ、ガラスビーズ、高分子ビーズなどのさまざまな種類のビーズを処理領域に含んでもよい。ビーズを使用して、細胞の捕獲、細胞の溶解、分析物の結合、不要物質の結合などを行うことができる。一部の実施形態においては、１種類のビーズを使用して細胞の捕獲、細胞の溶解、分析物の結合、および不要物質の結合のうちの２つまたはそれ以上の機能を行ってもよい。たとえば、細胞をビーズに付着させ、溶解することによってその核酸分を遊離することができ、また溶解物を遊離した核酸と一緒に別の領域またはチャンバに移動してさらに処理することによって、ビーズとそれに付着した細胞残屑を置き去りにすることができる。
【００６８】
別の実施形態においては、細管電気泳動（ＣＥ）や等電点電気泳動（ＩＥＦ）などを行うための分離チャンネルを設ける。これは、核酸の増幅の前に行っても、後に行ってもよい。分離チャンネルは、別個の部材として流体処理システムのチャンバに挿入してもよいし、システムのハウジング内のマイクロチャンネルとして形成してもよいし、またはシステムのチャンバの１つに組み込んでもよい。
【００６９】
図２４は、流体制御処理システム３５４内の分離チャンネルつまり分離領域３５０を示す。分離チャンネル３５０は、システム３５４に組み合わせられる別個の部材として形成するのが一般的であるが、実施形態によっては、チャンバ３５２内に配置してもよい。または、分離チャンネル３５０をシステム３５４に一体に形成するか、または組み込んでもよい。分離チャンネル３５０は、少なくとも２つの電極間に結合される細いチャンネルつまり毛細管でよく、図示の特定の実施形態においては、これらの電極は２つの金属管３５６、３５８を含んでいる。チャンネル３５０の下端は、チャンバポートつまり貯留槽ポート３６０に流体結合される下部の貯留槽３６１に流体結合され、チャンネル３５０の上端は、分離チャンネル３５０を支持するための支持構造３６６に設けられた開放貯留槽３６２に流体結合される。金属管３５６、３５８は、電気エネルギーを受け取り、電場を分離チャンネル３５０内の流体に印加するための電極として機能する。金属管３５６、３５８に接触している導線は、樹脂に封止し、システム３５４のハウジング外面上の該当する接点域に導いてもよい。次に、電源を接点域に接続し、電圧差を接点域間に与えることによって、電極間に与えてもよい。または、電極を電場印加用の外部器具の一部として設け、分離チャンネル３５０の両端の貯留槽に浸漬してもよい。一般に、試料流体は弁３７０のピストン３６８によって、流体移動領域３７２から弁本体の外部ポートの１つ（たとえば、外部ポート３４２）を通り、貯留槽ポート３６０および貯留槽３６１を経由して、分離チャンネル３５０に送り出される。試料プラグを分離チャンネル３５０に導入し、その後にピストン３６８によって貯留槽３６１内の試料流体の残留分をチャンバポート３６０経由で弁３７０の流体移動領域３７２に引き込んでもよい。貯留槽３６２は、緩衝剤、溶離溶媒、試薬、すすぎおよび洗浄溶液などを分離チャンネル３５０の電気泳動流路に導入するために使用してもよい。
【００７０】
試料プラグ内の分子、粒子、細胞などの実体は、印加された電場の影響によって、分離チャンネル３５０内に収容された媒体を通って移動する。印加された電場の直接的影響によって、または電場の印加による電気浸透流などの流体が大きな流れとして経路を通る結果として、実体が、その性質（たとえば、電荷を帯びるかどうか）および電気泳動が行われる電気泳動チャンバの界面化学に応じて、媒体を通過するようにしてもよい。試料プラグは分離チャンネル３５０内で種バンドに分離するので、たとえば、定位置に配置された一点検出器によって光学的に、またはチャンネル３５０の長手方向に沿って走査する走査型検出器によって、バンドが検出される。光学的検出を容易にするために、ハウジングの一部分を光学的に透過または透明にしてもよい。または、検出器をハウジングに挿入し、チャンネル３５０に隣接させて（たとえば、チャンネル３５０を収容するチャンバ内に）配置してもよい。
【００７１】
分離は、たとえば図９Ａ〜図９ＬＬに示す方法を用いて、増幅後に行うのが一般的である。一例においては、増幅産物（たとえば、ＰＣＲによって増幅された核酸）を試料として貯留槽３６１に導入する。分離チャンネル３５０には、ゲルまたは緩衝剤などの分離物質を予め充填しておく。試料プラグを貯留槽３６１から導入するには、電圧を電極３５６、３５８を介して印加する。その後、試料の残りを貯留槽３６１から除去する。次に、電解液などの緩衝剤を貯留槽３６１に導入する。電圧差を電極３５６、３５８間に与えると、分離チャンネル３５０を通る試料プラグの流れを誘導する電場が形成され、そこで試料プラグが種バンドに分離するので、たとえば一点光学検出器または走査型検出器を用いて種バンドを検出する。
【００７２】
図２５は、弁４１６には外部ポート４４２が１つしかないことを除いて図１〜図４のシステム１０と同様の、複数のチャンバを含むハウジングを有する別のシステム４１０の弁４１６を示す。弁４１６は、ディスク部４２２と管状部４２４とを有する弁本体４２０を含む。ディスク部４２２は、ほぼ平坦な外部ポート表面４２３を有する。弁４１６は、システム４１０のハウジング４１２に対して回転自在である（図２６Ａおよび図２６ＡＡを参照）。ハウジング４１２は、ハウジング４１２の各チャンバと弁４１６との流体連通を可能にするために、弁４１６のディスク部４２２の外部ポート表面４２３に面して複数のチャンバポートを含む。ディスク部４２２は、流体処理領域４３０と、外部ポート４４２と流体処理領域４３０との間に延在する第１流路４４０と、流体処理領域４３０と弁４１６の管状部４２４内の流体移動領域４５０との間に延在する第２流路４３８とを含む。流体処理領域４３０は、流体移動領域４５０に連続的に流体連通する。外部カバー４２８は、流体処理領域４３０全体を覆って配置される。流体処理領域４３０は、そこを通って流れる流体を各種の音響的、光学的、熱的、電気的、機械的、または化学的な処理にかけるために使用してもよい。
【００７３】
図２５に示すように、プランジャーまたはピストンの形態をとる流体移動部材４５４は、軸４５２に沿って上下に移動するように、管状部４２４の移動領域４５０内に移動自在に配置される。ピストン４５４が上方に動くと、移動領域４５０の容積が拡大し、流体を移動領域４５０に引き込むための吸引が起こる。ピストン４５４が下方に動くと、移動領域４５０の容積が縮小し、流体が移動領域４５０から押し出される。ロータリ弁４１６をその軸４５２を中心としてハウジング４１２に対して回転したときに、外部ポート４４２をハウジング４１２内の１つのチャンバまたは反応容器に流体結合してもよい。ピストン４５４の動作に応じて、外部ポート４４２は入口ポートまたは出口ポートになる。
【００７４】
弁４１６の流体測定分配機能を実証するために、特定のプロトコルに対する弁４１６の動作を図２６Ａ〜図２６ＥＥに示す。図２６Ａおよび図２６ＡＡにおいては、外部ポート４４２が試料チャンバ４６０に流体連通するように弁４１６が回転されているので、ピストン４５４を引き上げると、流体試料が試料チャンバ４６０から第１流路４４０と、流体処理領域４３０と、第２流路４３８とを通って、流体移動領域４５０に引き込まれる。簡単にするために、ピストン４５４は図２６Ａ〜図２６ＥＥに図示されていない。
【００７５】
次に図２６Ｂおよび図２６ＢＢに示すように、外部ポート４４２が溶解流体（たとえば、溶解試薬または緩衝剤）が入っている貯蔵チャンバ４７０に流体連通するように、弁４１６を回転する。ピストン４５４を押し下げると、流体試料が流体移動領域４５０から貯蔵チャンバ４７０に移動する。次にピストン４５４を引き上げると、流体試料と溶解流体とが貯蔵チャンバ４７０から流体移動領域４５０に引き込まれる。溶解流体は試料と混合され、試料内の細胞またはウイルスの溶解を引き起こす。溶解プロセスを促進するために、追加のエネルギーを処理領域４３０に加えてもよい。流体が流体移動領域４５０から貯蔵チャンバ４７０に流れるとき、および／または貯蔵チャンバ４７０から流体移動領域４５０に戻るときに、たとえば、超音波ホーンなどの音響部材４７６を外部カバー４２８に接触させ、超音波エネルギーを処理領域４３０に伝達することによって、流体試料の細胞またはウイルスの溶解を促してもよい。好適な一実施形態における外部カバー４２８は、天蓋型または補強用肋材を含む境界壁である。
【００７６】
図２６Ｃおよび図２６ＣＣにおいては、外部ポート４４２を試薬チャンバ４７８に流体連通させるように弁４１６が回転されているので、ピストン４５４を押し下げると、溶解物が流体処理領域４３０から試薬チャンバ４７８に押し出される。一般に、試薬チャンバ４７８には、流体試料と混合する試薬（たとえば、ＰＣＲ試薬および蛍光プローブ）を収容する。次に、ピストン４５４を上下に動かすと、流体移動領域４５０と試薬チャンバ４７８との間で混合物がトグリングされ、試薬チャンバ４７８内で各流体が混合される。
【００７７】
図２６Ｄ、図２６ＤＤ、および図２６Ｄ’Ｄ’においては、外部ポート４４２を反応容器４１８に結合された第１ブランチ４８４に流体連通させ、反応容器４１８に結合された第２ブランチを交差溝４５６に流体連通させるように弁４１６が回転されている。第１ブランチ４８４と第２ブランチ４８６とは、弁４１６の軸４５２から異なる半径位置に配置されており、第１ブランチ４８４は、外部ポート４４２と共通の半径を持ち、第２ブランチ４８６は交差溝４５６と共通の半径を持つ。交差溝４５６も試薬チャンバ４７８（図２６Ｄ）に流体連通し、試薬チャンバ４７８と第２ブランチ４８６との間の空隙を架橋するので、その間に交差流が生じる。外部ポートは軸からの外部ポート半径の範囲内に配置され、交差溝は軸からの交差溝半径の範囲内に配置されており、外部ポート半径の範囲と交差溝半径の範囲は重ならない。交差溝４５６を外部ポート４４２の半径とは異なる半径に配置することによって、弁４１６の回転運動の結果として外部ポート４４２の半径位置の弁４１６とハウジング４１２との間の面付近に生じ得る汚染物質による交差溝４５６の二次汚染を避けられるという利点がある。
【００７８】
反応容器４１８を充填するには、ピストン４５４を引き上げて試薬チャンバ４１８内の混合物を交差溝４５６と第２ブランチ４８６とを通して反応容器４１８に引き込む。このような構成における反応容器４１８は吸引チャンバであり、第１チャンバとも呼ばれ、試薬チャンバ４７８はソースチャンバであり、第２チャンバとも呼ばれる。次に図２６Ｅおよび図２６ＥＥに示すように、弁４１６を回転して外部ポートを第１ブランチ４８４に流体連通させる。ピストン４５４を押し下げると、反応容器４１８内部の混合物が加圧される。核酸の増幅および／または検出を行うために、反応容器４１８を熱反応チャンバに挿入してもよい。反応容器４１８の反応チャンバの充填および排出は、２つのブランチ４８４、４８６を通して行われる。
【００７９】
図２６〜図２６ＥＥの流体制御処理システム４１０は、図１〜図９ＬＬのシステム１０を改造して外部ポートを１つにしたものである。同様に、図１０〜図１２の弁１００も改造して、２つの外部ポート１１１、１１２のうちの１つを取り除き、弁１００と各種のチャンバおよび反応容器１０４との間の流体チャンネル１３０〜１３８およびブランチ１４０、１４２を再構成することによって、外部ポートを１つにしてもよい。
【００８０】
したがって、本発明の範囲は、上記説明に言及して決定されるべきではなく、対応特許の全範囲とともに添付請求項に言及して決定されるべきである。
【技術分野】
【０００１】
関連出願の引用
本出願は、その開示内容全体が本明細書中に参考として援用される、２０００年８月２５日に出願された「流体制御処理システム」と題する、同一人に譲渡された同時係属中の米国特許出願第０９／６４８，５７０号に関連する。
【０００２】
発明の背景
本発明は、全般的には流体の操作に関し、特に、処理および分析のために流体を計測および分配するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
臨床流体または環境流体などの流体の分析は、一般に一連の処理ステップを伴うが、これらのステップは流体試料の化学的、光学的、電気的、機械的、熱的、または音響的な処理を含むことがある。このような処理は、ベンチトップ装置または使い捨てカートリッジ、あるいはこの２つの組み合わせのどれに組み込まれようと、複雑な流体アセンブリと処理アルゴリズムとを伴うのが一般的である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
流体試料を処理するための従来のシステムは、一連のチャンバを使用し、各チャンバが流体試料を特定の処理ステップにかけるように構成されている。流体試料は、チャンバからチャンバへと順番にシステムを通って流れながら、特定のプロトコルに従って複数の処理ステップにかけられる。異なるプロトコルには異なる構成が必要であるので、このような順次処理構成を採用した従来のシステムは融通性がなく、さまざまなプロトコルに適応させることは容易ではない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
発明の要旨
本発明は、試料内に分析物が存在するか否かを調べるなどのために流体を操作するための装置および方法を提供する。特定の一実施形態においては、たとえば試料チャンバと、廃棄物チャンバと、洗浄チャンバと、溶解物チャンバと、主要混合物つまり試薬チャンバとを含む複数のチャンバを選択的に流体処理領域に流体連通させるために、装置にロータリ弁構成を採用する。流体処理領域と各チャンバとの間の流体の流れは、ロータリ弁の位置を調節することによって制御される。したがって、装置内の流体の計測および分配は、特定のプロトコルに応じて変えることができる。従来の装置と異なり、流体の流れはもはや特定のプロトコルに限定されない。
【０００６】
本発明の一局面によると、流体制御処理システムは、複数のチャンバを有するハウジングと、流体移動領域に連続的に流体結合される第１の流体処理領域を含む弁本体とを含む。流体移動領域は、流体を流体移動領域に引き込むために減圧可能であり、また流体移動領域から流体を排出するために加圧可能である。弁本体は、複数の外部ポートを有する。第１の流体処理領域は、少なくとも２つの外部ポートに流体結合される。流体移動領域は、弁本体の外部ポートのうちの少なくとも１つに流体結合される。弁本体は、外部ポートと複数のチャンバとの間の流体連通を選択的に行えるように、ハウジングに対して調整可能である。複数のチャンバのうちの少なくとも１つは、弁本体の少なくとも１つの外部ポートに選択的に連通するための第１ポートと第２ポートとを有する処理チャンバである。処理チャンバは、追加の流体処理領域を提供する。
【０００７】
一部の実施形態においては、弁本体内または処理チャンバ内の少なくとも１つの流体処理領域は、濃縮材または減損材（または枯渇材）である流体処理材を収容する。流体処理材は、少なくとも１つの固相物質を含んでよい。固相物質は、ビーズ、ファイバ、膜、濾紙、ガラスウール、ポリマー、およびゲルのうちの少なくとも１つを含んでよい。流体処理材は、フィルタとビーズ、または少なくとも２種類のビーズを含んでよい。特定の一実施形態においては、細胞の捕獲、細胞の溶解、分析物の結合、および不要物質の結合とからなる群から選択された少なくとも２つの異なる機能を実行するために１種類のビーズを使用する。一部の実施形態においては、処理チャンバは、濃縮材または減損材を収容する処理モジュールを収容するための収容域を含む。特定の一実施形態においては、少なくとも１つのチャンバは、乾燥または凍結乾燥させた試薬を収容する試薬チャンバである。
【０００８】
一部の実施形態においては、流体処理材は、フィコール、デキストラン、ポリエチレングリコール、およびスクロースなどの液相物質を少なくとも１つ含む。流体処理材は、１つまたはそれ以上のフリットによって流体処理領域に封じ込められる。特定の一実施形態においては、外部ポートは、弁本体のほぼ平坦な外部ポート表面上に配置される。
【０００９】
本発明の別の局面によると、流体制御処理システムは、複数のチャンバと少なくとも１つの（たとえば、細管電気泳動または等電点電気泳動を行うための）分離チャンネルとを有するハウジングと、流体移動領域に連続的に流体結合される流体処理領域を有する弁本体とを含む。流体移動領域は、流体を流体移動領域に引き込むために減圧可能であり、また流体を流体移動領域から排出するために加圧可能である。弁本体は少なくとも１つの外部ポートを有し、流体処理領域は少なくとも１つの外部ポートに流体結合され、流体移動領域は弁本体の少なくとも１つの外部ポートに流体結合される。弁本体は、少なくとも１つの外部ポートを複数のチャンバおよび少なくとも１つの分離チャンネルに選択的に流体連通できるように、ハウジングに対して調整可能である。
【００１０】
一部の実施形態においては、分離チャンネルの少なくとも一部分の両端に電場を印加するために、複数の電極がハウジングに結合される。これらの電極は、一対の金属管を分離チャンネルの両端に設けることが好ましい。貯留槽を分離チャンネルの両端に設け、弁本体の少なくとも１つの外部ポートに連通させるための貯留槽ポートをこれらの貯留槽のうちの１つに設ける。
【００１１】
本発明の別の局面は、弁と、複数のチャンバと、少なくとも１つの分離チャンネルとの間の流体の流れを制御するための方法に関し、弁は少なくとも１つの外部ポートと、この少なくとも１つの外部ポートに流体結合する流体処理領域に連続的に流体結合される流体移動領域とを含む。この方法は、少なくとも１つの外部ポートを、複数のチャンバと少なくとも１つの分離チャンネルとに選択的に流体連通させるために、複数のチャンバと少なくとも１つの分離チャンネルとに対して弁を調整するステップを含む。
【００１２】
一部の実施形態においては、分離チャンネルの少なくとも一部分の両端に電場を印加する。この方法は、分離チャンネル内で種バンドを光学的に検出するステップを含んでもよい。
【００１３】
本発明の別の局面によると、流体制御処理システムは、複数のチャンバを有するハウジングと、流体移動領域に連続的に流体結合される流体処理領域を含む弁本体とを含む。流体移動領域は、流体を流体移動領域に引き込むために減圧可能であり、また流体を流体移動領域から排出するために加圧可能である。弁本体は、外部ポートを有する。流体処理領域は、この外部ポートに流体結合される。流体移動領域は、弁本体のこの外部ポートに流体結合される。弁本体は、この外部ポートを複数のチャンバに選択的に流体連通させるために、ハウジングに対して調整可能である。
【００１４】
一部の実施形態においては、弁本体は、外部ポートを閉じて流体移動領域と流体処理領域とをチャンバから流体隔離するために、ハウジングに対して調整可能である。チャンバのうちの少なくとも１つと流体処理領域とには、濃縮材または減損材を収容してよい。流体移動領域は、容積を拡大することによって減圧可能であり、また容積を縮小することによって加圧可能である。流体移動部材は流体移動領域内に配置され、流体移動領域の容積を調整するために移動可能である。エネルギー伝達部材は、エネルギーを流体処理領域に伝達してその中の流体を処理するために、流体処理領域に作動可能に結合される。
【００１５】
特定の実施形態においては、弁本体は交差チャンネルを含む。弁本体は、流体がソースチャンバから交差チャンネルを通じて吸引チャンバに吸引されるように、交差チャンネルを吸引チャンバとソースチャンバとに流体連通させるために、ハウジングに対して調整可能である。本体は、軸中心に回転自在に調整可能である。少なくとも１つの外部ポートは、軸からの外部ポート半径範囲内に配置され、交差チャンネルは、軸からの交差チャンネル半径範囲内に配置される。外部ポートの半径範囲と交差チャンネルの半径範囲とは重複しない。交差チャンネルは、軸からの共通交差チャンネル半径に位置する円弧でもよい。
【００１６】
本発明の別の局面によれば、複数のチャンバ間の流体の流れを制御するための流体制御処理システムは、流体移動領域に連続的に流体結合される流体処理領域を有する本体を含む。流体移動領域は、流体を流体移動領域に引き込むために減圧可能であり、流体を流体移動領域から排出するために加圧可能であり、本体は少なくとも１つの外部ポートを有する。流体処理領域は、少なくとも１つの外部ポートに流体結合される。流体移動領域は、弁本体の少なくとも１つの外部ポートに流体結合される。本体は、少なくとも１つの外部ポートを複数のチャンバに選択的に流体連通させるために、複数のチャンバに対して回転自在に調整可能である。
より特定すれば、本願発明は以下の項目に関し得る。
（項目１）
複数のチャンバを有するハウジングと、
流体移動領域に連続的に流体結合される第１流体処理領域を含む弁本体とを備える流体制御処理システムであって、
上記流体移動領域は流体を上記流体移動領域に引き込むために減圧可能であり、また流体を上記流体移動領域から排出するために加圧可能であり、上記弁本体は複数の外部ポートを含み、上記第１流体処理領域は上記外部ポートのうちの少なくとも２つに流体結合され、上記流体移動領域は上記弁本体の上記外部ポートのうちの少なくとも１つに流体結合され、上記外部ポートを上記複数のチャンバに選択的に流体連通させるために上記弁本体が上記ハウジングに対して調整可能であり、
上記複数のチャンバのうちの少なくとも１つは処理チャンバであり、上記処理チャンバは上記弁本体の上記外部ポートのうちの少なくとも１つに選択的に連通するための第１ポートと第２ポートとを含み、上記処理チャンバは追加の流体処理領域を提供する流体制御処理システム。
（項目２）
上記弁本体内または上記処理チャンバ内の上記流体処理領域のうちの少なくとも１つが濃縮材または減損材である流体処理材を収容する、項目１に記載のシステム。
（項目３）
上記流体処理材が少なくとも１つの固相物質を含む、項目２に記載のシステム。
（項目４）
上記固相物質がビーズ、ファイバ、膜、濾紙、ガラスウール、ポリマー、およびゲルのうちの少なくとも１つを含む、項目３に記載のシステム。
（項目５）
上記流体処理材がフィルタとビーズとを含む、項目３に記載のシステム。
（項目６）
上記流体処理材が少なくとも２種類のビーズを含む、項目３に記載のシステム。
（項目７）
上記少なくとも２種類のビーズが、細胞の捕獲と、細胞の溶解と、分析物の結合と、不要物質の結合とからなる群から選択された少なくとも２つの異なる機能を実行する、項目６に記載のシステム。
（項目８）
上記流体処理領域のうちの少なくとも１つが、細胞の捕獲と、細胞の溶解と、分析物の結合と、不要物質の結合とからなる群から選択された少なくとも２つの異なる機能を実行する固相物質を収容する、項目１に記載のシステム。
（項目９）
上記流体処理材が少なくとも１つの液相物質を含む、項目２に記載のシステム。
（項目１０）
上記液相物質が、フィコール、デキストラン、ポリエチレングリコール、およびスクロースのうちの少なくとも１つを含む、項目９に記載のシステム。
（項目１１）
１つまたはそれ以上のフリットによって上記流体処理材が上記流体処理領域に封じ込められる、項目２に記載のシステム。
（項目１２）
上記外部ポートが上記弁本体のほぼ平坦な外部ポート表面上に配置され、上記外部ポートを上記複数のチャンバに選択的に流体連通させるために上記弁本体が上記複数のチャンバに対して軸中心に回転自在であり、上記軸が上記外部ポート表面に対して直角であり、上記外部ポートが上記軸から半径方向に等距離で離れている、項目１に記載のシステム。（項目１３）
上記流体処理領域のうちの少なくとも１つが、細胞の捕獲と、細胞の溶解と、分析物の結合と、不要物質の結合とからなる群から選択された少なくとも２つの異なる機能を実行する１種類のビーズを収容する、項目１に記載のシステム。
（項目１４）
上記処理チャンバが、濃縮材または減損材を収容する処理モジュールを収容するための収容域を含む、項目１に記載のシステム。
（項目１５）
上記処理チャンバは上記処理モジュールを通って流れた流体を受けるための収集域をさらに含み、上記処理モジュールは上記濃縮材または減損材を上記処理モジュール内に保持する手段と、上記流体を上記収集域に導くための注ぎ口とを含む、項目１４に記載のシステム。
（項目１６）
上記チャンバのうちの少なくとも１つが乾燥または凍結乾燥された試薬を収容する試薬チャンバである、項目１に記載のシステム。
（項目１７）
複数のチャンバと少なくとも１つの分離チャンネルとを有するハウジングと、
流体移動領域に連続的に流体結合される流体処理領域を含む弁本体とを含む流体制御処理システムであって、
上記流体移動領域は流体を上記流体移動領域に引き込むために減圧可能であり、また流体を上記流体移動領域から排出するために加圧可能であり、上記弁本体は少なくとも１つの外部ポートを含み、上記流体処理領域は上記少なくとも１つの外部ポートに流体結合され、上記流体移動領域は上記弁本体の少なくとも１つの外部ポートに流体結合され、上記少なくとも１つの外部ポートを上記複数のチャンバと上記少なくとも１つの分離チャンネルとに選択的に流体連通させるために、上記弁本体が上記ハウジングに対して調整可能である流体制御処理システム。
（項目１８）
上記分離チャンネルの少なくとも一部分の両端に電場を印加するために上記ハウジングに結合された複数の電極をさらに含む、項目１７に記載のシステム。
（項目１９）
上記電極が一対の金属管を上記分離チャンネルの２つの両端に備える、項目１８に記載のシステム。
（項目２０）
上記分離チャンネルの両端に流体結合される貯留槽と、上記弁本体の少なくとも１つの外部ポートに連通するために上記貯留槽の１つに流体結合される貯留槽ポートとをさらに含む、項目１７に記載のシステム。
（項目２１）
上記チャンバのうちの少なくとも１つが乾燥または凍結乾燥された試薬を収容する試薬チャンバである、項目１７に記載のシステム。
（項目２２）
少なくとも１つの外部ポートと、上記少なくとも１つの外部ポートに流体結合される流体処理領域に連続的に流体結合される流体移動領域とを含む弁と、複数のチャンバと、少なくとも１つの分離チャンネルとの間の流体の流れを制御するための方法であって、
上記少なくとも１つの外部ポートを上記複数のチャンバと上記分離チャンネルとに選択的に流体連通させるために、上記複数のチャンバと上記少なくとも１つの分離チャンネルとに対して上記弁を調整するステップを含む方法。
（項目２３）
上記分離チャンネルの少なくとも一部分の両端に電場を印加するステップをさらに含む、項目２２に記載の方法。
（項目２４）
上記弁本体の上記少なくとも１つの外部ポートに連通するための貯留槽ポートを持ち上記分離チャンネルの一端に流体結合される貯留槽を介して、上記外部ポートを上記分離チャンネルに流体連通させる、項目２２に記載の方法。
（項目２５）
上記分離チャンネル内の種バンドを光学的に検出するステップをさらに含む、項目２２に記載の方法。
（項目２６）
複数のチャンバを有するハウジングと、
流体移動領域に連続的に流体結合される流体処理領域を含む弁本体とを含む流体制御処理システムであって、
上記流体移動領域は、流体を上記流体移動領域に引き込むために減圧可能であり、また流体を上記流体移動領域から排出するために加圧可能であり、上記弁本体は外部ポートを含み、上記流体処理領域が上記外部ポートに流体結合され、上記流体移動領域が上記弁本体の上記外部ポートに流体結合され、上記外部ポートを上記複数のチャンバに選択的に流体連通させるために上記弁本体が上記ハウジングに対して調整可能である、流体制御処理システム。
（項目２７）
上記外部ポートを閉じて上記流体移動領域と上記流体処理領域とを上記チャンバから流体隔離するために、上記弁本体が上記ハウジングに対して調整可能である、項目２６に記載のシステム。
（項目２８）
上記チャンバのうちの少なくとも１つまたは上記流体処理領域が濃縮材または減損材を収容する、項目２６に記載のシステム。
（項目２９）
上記濃縮材または減損材が細胞の捕獲と、細胞の溶解と、分析物の結合と、不要物質の結合とからなる群から選択された機能を実行する、項目２８に記載のシステム。
（項目３０）
上記チャンバのうちの少なくとも１つが、上記弁本体の上記外部ポートに選択的に連通するための入口ポートと出口ポートとを有する処理チャンバである、項目２６に記載のシステム。
（項目３１）
上記処理チャンバが濃縮材または減損材を収容する処理モジュールを収容するための収容域を含む、項目３０に記載のシステム。
（項目３２）
上記処理チャンバが上記処理モジュールを通って流れた流体を受けるための収集域をさらに含み、上記処理モジュールが上記処理モジュール内の濃縮材または減損材を保持する手段と、上記流体を上記収集域に導くための注ぎ口とを含む、項目３１に記載のシステム。
（項目３３）
上記チャンバのうちの少なくとも１つが乾燥または凍結乾燥された試薬を収容する試薬チャンバである、項目２６に記載のシステム。
（項目３４）
上記流体移動領域が、容積の拡大によって減圧可能であり、また容積の縮小によって加圧可能である、項目２６に記載のシステム。
（項目３５）
上記流体移動領域内に配置された流体移動部材をさらに含み、上記流体移動領域の容積を調整するために上記流体移動部材が移動可能である、項目３４に記載のシステム。
（項目３６）
上記流体移動部材が上記流体移動領域内で直線方向に移動可能なピストンを含む、項目３５に記載のシステム。
（項目３７）
上記流体移動部材が、上記流体移動領域内で移動するようにピストンシャフトを駆動するためのピストンロッドの遠位端部分に接続された、上記ピストンロッドの断面より小さい断面を有するピストンシャフトを含む、項目３６に記載のシステム。
（項目３８）
上記流体処理領域に収容されている流体を処理するためのエネルギーを上記流体処理領域に伝達するために、上記流体処理領域に作動的に結合されるエネルギー伝達部材をさらに含む、項目２６に記載のシステム。
（項目３９）
上記流体処理領域と上記エネルギー伝達部材との間に配置されたカバーをさらに含む、項目３８に記載のシステム。
（項目４０）
上記カバーが剛性シェルを有する、項目３９に記載のシステム。
（項目４１）
上記エネルギー伝達部材が超音波エネルギーを上記カバーを通して上記流体処理領域に伝達するための超音波部材を有する、項目３９に記載のシステム。
（項目４２）
上記弁本体が交差チャンネルを含み、流体をソースチャンバから上記交差チャンネルを介して吸引チャンバに吸引するために、上記交差チャンネルを上記吸引チャンバと上記ソースチャンバとに流体連通させるように、弁本体が上記ハウジングに対して調整可能である、項目２６に記載のシステム。
（項目４３）
上記本体が軸中心に回転自在に調整可能であり、上記少なくとも１つの外部ポートが上記軸からの外部ポート半径の範囲内に配置され、上記交差チャンネルが上記軸からの交差チャンネル半径の範囲内に配置され、上記外部ポートの半径範囲と上記交差チャンネルの半径範囲とが重ならない、項目４２に記載のシステム。
（項目４４）
上記交差チャンネルが上記軸からの共通交差チャンネル半径上に位置する円弧である、項目４３に記載のシステム。
（項目４５）
チャンバ間のチャンバ容積の切り換えを可能にするために、上記複数のチャンバのうちの少なくとも２つが可とう壁で隔てられている、項目２６に記載のシステム。
（項目４６）
複数のチャンバ間の流体の流れを制御するための流体制御処理システムであり、
流体移動領域に連続的に流体結合される流体処理領域を含む本体を含むシステムであって、上記流体移動領域は流体を上記流体移動領域に引き込むために減圧可能であり、また流体を上記流体移動領域から排出するために加圧可能であり、上記本体は少なくとも１つの外部ポートを含み、上記流体処理領域は上記少なくとも１つの外部ポートに流体結合され、上記流体移動領域は上記弁本体の少なくとも１つの外部ポートに流体結合され、上記少なくとも１つの外部ポートを上記複数のチャンバに選択的に流体連通させるために上記本体が上記複数のチャンバに対して回転自在に調整可能であるシステム。
（項目４７）
上記チャンバのうちの少なくとも１つまたは上記流体処理領域が濃縮材または減損材を収容する、項目４６に記載のシステム。
（項目４８）
上記チャンバのうちの少なくとも１つが乾燥または凍結乾燥された試薬を収容する試薬チャンバである、項目４６に記載のシステム。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による流体制御処理システムの斜視図である。
【図２】図２は、図１のシステムの別の斜視図である。
【図３】図３は、図１のシステムの分解図である。
【図４】図４は、図２のシステムの分解図である。
【図５】図５は、図１のシステム内の流体制御装置およびガスケットの立面図である。
【図６】図６は、図５の流体制御装置およびガスケットの底平面図である。
【図７】図７は、図５の流体制御装置およびガスケットの上平面図である。
【図８】図８は、図７の線８−８に沿った回転式流体制御装置の断面図である。
【図９−１】図９Ａ〜図９ＡＡは、図１の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図９−２】図９Ｂ〜図９ＢＢは、図１の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図９−３】図９Ｃ〜図９ＣＣは、図１の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図９−４】図９Ｄ〜図９ＤＤは、図１の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図９−５】図９Ｅ〜図９ＥＥは、図１の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図９−６】図９Ｆ〜図９ＦＦは、図１の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図９−７】図９Ｇ〜図９ＧＧは、図１の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図９−８】図９Ｈ〜図９ＨＨは、図１の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図９−９】図９Ｉ〜図９ＩＩは、図１の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図９−１０】図９Ｊ〜図９ＪＪは、図１の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図９−１１】図９Ｋ〜図９ＫＫは、図１の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図９−１２】図９Ｌ〜図９ＬＬは、図１の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の別の実施形態による流体制御処理システムの分解斜視図である。
【図１１】図１１は、図１０のシステム内の流体制御装置の断面図である。
【図１２−１】図１２Ａ〜図１２Ｂは、図１０の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図である。
【図１２−２】図１２Ｃ〜図１２Ｄは、図１０の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図である。
【図１２−３】図１２Ｅ〜図１２Ｆは、図１０の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図である。
【図１２−４】図１２Ｇ〜図１２Ｈは、図１０の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図である。
【図１２−５】図１２Ｉ〜図１２Ｊは、図１０の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図である。
【図１２−６】図１２Ｋ〜図１２Ｌは、図１０の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図である。
【図１２−７】図１２Ｍ〜図１２Ｎは、図１０の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するための特定のプロトコルを説明する上平面図である。
【図１３】図１３は、軟質壁チャンバの断面図である。
【図１４】図１４は、ピストンアセンブリの断面図である。
【図１５】図１５は、側部フィルタリングチャンバの断面図である。
【図１６】図１６は、本発明の別の実施形態による処理チャンバを含む流体制御処理システムの上平面図である。
【図１７】図１７は、図１６の処理チャンバの斜視図である。
【図１８】図１８は、図１６の流体制御処理システムを部分的に切り取った断面図である。
【図１９】図１９は、図１６の処理チャンバの断面斜視図である。
【図２０】図２０は、図１６の処理チャンバの保持部材の斜視図である。
【図２１】図２１は、図２０の保持部材の立面図である。
【図２２】図２２は、図２０の保持部材の上平面図である。
【図２３】図２３は、図２２の線２３−２３に沿った保持部材の断面図である。
【図２４】図２４は、本発明の別の実施形態による分離チャンネルを含む流体制御処理システムの断面図である。
【図２５】図２５は、本発明の別の実施形態による流体制御処理システム内の流体制御装置の断面図である。
【図２６−１】図２６Ａ〜図２６ＡＡは、図２５の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するためのプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図２６−２】図２６Ｂ〜図２６ＢＢは、図２５の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するためのプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図２６−３】図２６Ｃ〜図２６ＣＣは、図２５の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するためのプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図２６−４】図２６Ｄ〜図２６Ｄ’Ｄ’は、図２５の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するためのプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【図２６−５】図２６Ｅ〜図２６ＥＥは、図２５の流体制御処理システムを用いて流体を制御および処理するためのプロトコルを説明する上平面図および断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
特定の実施形態の説明
図１〜図４は、複数のチャンバ１３を有するハウジング１２を含む流体制御処理システム１０を示す。図１は、例示のために露出されたチャンバ１３を示す。チャンバ１３を封じるために、一般に上部カバーが設けられる。図３および図４において最もよくわかるように、流体制御装置１６と反応容器１８とは、ハウジング１２のそれぞれ異なる部分に接続される。図示の本実施形態における流体制御装置は、回転式流体制御弁１６である。弁１６は、ディスク部２２と管状部２４とを有する弁本体２０を含む。ディスク部２２は、図３において最もよくわかるように、ほぼ平坦な外部ポート表面２３を有する。弁１６は、ハウジング１２に対して回転自在である。ハウジング１２は、チャンバ１３と弁１６との間の流体連通を可能とするために、弁１６（図４）のディスク部２２の外部ポート表面２３に面した複数のチャンバポート２５を有する。オプションのシールまたはガスケット２６は、ディスク部２２とハウジング１２との間に配置される。ディスク部２２は、フィルタまたはフィルタスタック２７と、外部カバー２８と、歯状外周部２９とをさらに含む。カバー２８は、剛性シェルでも、可とう性フィルムでもよい。
【００１９】
図４において最もよくわかるように、ディスク部２２は流体処理領域３０を含む。本願明細書で使用されている「流体処理領域」という用語は、流体が処理にかけられる領域を指すが、処理とは、化学的、光学的、電気的、機械的、熱的、または音響的処理を含むが、これだけに限定されるものではない。たとえば、化学的処理は触媒を含むことがあり、光学的処理は紫外線放射を含むことがあり、電気的処理は電気穿孔または電気泳動、あるいは等電点電気泳動を含むことがあり、機械的処理は混合、ろ過、加圧、および細胞破砕を含むことがあり、熱的処理は加熱または冷却を含むことがあり、音響的処理は超音波の使用を含むことがある。流体処理領域は、流体の処理を容易にするために、フィルタ２７などの能動部材を含んでもよい。能動部材の例として、微小流体チップ、固相物質、フィルタまたはフィルタスタック、親和性マトリックス、磁性分離マトリックス、サイズ排除カラム、毛細管などがある。適切な固相物質として、ビーズ、ファイバ、膜、濾紙、溶解剤を含浸させた溶解紙、ガラスウール、ポリマー、またはゲルを含むが、これだけに限定されるものではない。特定の一実施形態においては、流体処理領域は、たとえば反応容器１８内でさらに処理するための試料を用意するために使用される。
【００２０】
図５〜図８に示すように、外部カバー２８は、流体処理領域３０と弁１６のディスク部２２の底端部とを封じる。図８において、処理領域３０は、第１流体処理チャンネル３４に結合されている第１流体処理ポート３２と、第２流体処理チャンネル３８に結合されている第２流体処理ポート３６とを含む。第１流体処理チャンネル３４は、外部ポート表面２３で第１外部ポート４２に終端する第１外部導管４０に結合されており、第２流体処理チャンネル３８は、外部ポート表面２３で第２外部ポート４６に終端する第２外部導管４４に結合されている。流体移動チャンネル４８は、一方の端近くで、第１流体処理チャンネル３４と第１導管４０とに結合されており、他端で流体移動領域５０に結合されている。第１外部導管４０は、第１外部ポート４２を第１流体処理チャンネル３４または流体移動チャンネル４８に、あるいはこの両方に流体連通させるための共通導管として機能する。処理領域３０は、流体移動領域５０と連続的に流体連通する。
【００２１】
図６〜図８に示すように、外部ポート４２、４６は弁１６の軸５２に対して互いから約１８０°の角度間隔で配置されている。外部ポート４２、４６は、軸５２から半径方向に等距離で離れている。軸５２は、外部ポート表面２３に対して直角である。別の実施形態においては、外部ポート４２、４６間の角度間隔を違えてもよい。別の実施形態においては、ディスク部２２内のチャンネルの構成も違えてよい。たとえば、第１流体処理チャンネル３４と第１外部導管４０とを傾斜させ、流体移動領域５０に直接結合することによって、流体移動チャンネル４８をなくしてもよい。第２流体移動チャンネル３８を傾斜させ、第２流体処理ポート３６と第２外部ポート４６との間に直線的に延在させることによって、第２外部導管４４をなくしてもよい。また、より多くのチャンネルおよび外部ポートを弁１６に設けてもよい。図３において最もよくわかるように、交差チャンネルつまり溝５６は、外部ポート表面２３上に設けるのが望ましい。溝５６は彎曲され、軸５２から一定の半径距離に配置されることが望ましい。一実施形態においては、溝５６は、軸５２から共通の半径上に位置する円弧である。以下に詳しく説明するように、溝５６は容器を充填するために使用される。
【００２２】
図８に示すように、流体移動領域５０は、実質的に弁１６の管状部２４内に配置され、ディスク部２２内に部分的に延在する。好適な一実施形態においては、流体移動領域５０はポンピングチャンネルまたはチャンバである。プランジャーまたはピストン５４の形態をとる流体移動部材は、ポンピングチャンバ５０内に移動可能に配置される。ピストン５４が上方に動くと、ポンピングチャンバ５０の容積が拡大し、流体をポンピングチャンバ５０に引き込むための吸引力が生じる。ピストン５４が下方に動くと、ポンピングチャンバ５０の容積が縮小し、流体がチャンバ５０から押し出される。あるいは、移動領域５０の加圧および減圧を、たとえば、隔膜、外部空気圧、または圧力制御システムなどを用いて行ってもよい。
【００２３】
図１〜図４のハウジング１２に対してロータリ弁１６がその軸５２を中心に回転したときに、外部ポート４２、４６の１つを開いてチャンバ１３のうちの１つまたは反応容器１８に流体結合させてもよいし、あるいは両方の外部ポート４２、４６を塞ぐか閉じてもよい。本実施形態においては、外部ポート４２、４６のうちの多くとも１つがチャンバの１つまたは反応容器１８に流体結合する。他の実施形態においては、外部ポート４２、４６の両方がそれぞれ別のチャンバまたは反応容器１８に流体結合するように構成してもよい。このように、外部ポート４２、４６がチャンバ１３を含む複数のチャンバと反応容器１８とに選択的に流体連通されるように、弁１６はハウジング１２に対して回転可能である。外部ポート４２、４６を開くか閉じるか、またピストン５４を上方に動かすか下方に動かすかによって、弁１６内の流体の流れの方向を変え、外部ポート４２、４６をそれぞれ入口ポートから出口ポートに切り替えることができ、また流体の流れは処理領域３０を通ることも、処理領域３０を迂回することもある。特定の一実施形態においては、第１外部ポート４２は入口ポートであるので、処理領域３０の入口側は、処理領域３０の出口側より、流体移動領域５０に近い。
【００２４】
弁１６の流体測定分配機能を実証するために、図９Ａ〜図９ＬＬは、特定のプロトコルに対する弁１６の動作を示す。図９Ａおよび図９ＡＡにおいては、第１外部ポート４２が試料チャンバ６０に流体連通するように弁１６が回転されているので、ピストン５４を引き上げると、流体試料が試料チャンバ６０から第１外部導管４０と流体移動チャンネル４８とを通って、つまり処理領域３０を迂回して、流体移動領域５０に引き込まれる。簡単にするために、図９Ａ〜図９ＬＬにはピストン５４が示されていない。次に、図９Ｂおよび図９ＢＢに示すように弁１６を回転して、第２外部ポート４６を廃棄物チャンバ６４に流体連通させる。ピストン５４を押し下げると、流体試料は、流体処理領域３０を通って、廃棄物チャンバ６４に押し出される。特定の一実施形態においては、流体処理領域３０は、通過する流体試料から試料成分（たとえば、細胞、胞子、微生物、ウイルス、たんぱく質など）を捕獲するフィルタまたはフィルタスタック２７を含む。フィルタスタックの例は、その内容全体が本明細書中に参考として援用される、２０００年５月３０日に出願された「細胞破砕の装置と方法」と題する、同一人に譲渡された同時係属中の米国特許出願第０９／５８４，３２７号に記載されている。他の実施形態においては、他の能動部材を処理領域３０に設けてもよい。試料成分を捕獲するこれらの最初の２つのステップは、必要に応じて繰り返してもよい。
【００２５】
図９Ｃおよび図９ＣＣにおいては、第１外部ポート４２を洗浄チャンバ６６に流体連通させるように弁１６が回転されているので、ピストン５４を引き上げると、洗浄流体が洗浄チャンバ６６から、処理領域３０を迂回して、流体移動領域５０に引き込まれる。次に、図９Ｄおよび図９ＤＤに示すように弁１６を回転すると、第２外部ポート４６が廃棄物チャンバ６４に流体連通する。ピストン５４を押し下げると、洗浄流体は、流体処理領域３０を通って、廃棄物チャンバ６４に押し出される。上記の洗浄ステップは、必要に応じて繰り返してよい。中間洗浄は、弁１６内の不要な残留物を除去するために用いられる。
【００２６】
図９Ｅおよび図９ＥＥにおいては、第１外部ポート４２が溶解物チャンバ７０に流体連通するように弁１６が回転されているので、ピストン５４を引き上げると、溶解流体（たとえば、溶解試薬または緩衝剤）が溶解物チャンバ７０から、処理領域３０を迂回して、流体移動領域５０に流れる。次に、図９Ｆおよび図９ＦＦに示すように弁１６を回転して、第２外部ポート４６を廃棄物チャンバ６４に流体連通する。ピストン５４を押し下げると、溶解流体が流体処理領域３０を通って廃棄物チャンバ６４に押し出される。図９Ｇおよび図９ＧＧにおいては、外部ポート４２、４６を閉じるように、弁１６が回転されている。ピストン５４を押し下げると、流体処理領域３０内に捕獲されている試料成分と残存溶解流体とが加圧される。追加のエネルギーを処理領域３０内の混合物に加えてもよい。たとえば、超音波ホーンなどの音響部材７６を外部カバー２８に接触させ、音響エネルギーを処理領域３０内に伝達することによって、試料成分の溶解を促してもよい。一実施形態においては、外部カバー２８は、圧力を受けると伸張して音響部材７６に接触し、溶解中に音響エネルギーを処理領域３０内に伝達する可とう性フィルムで作られる。
【００２７】
一実施形態におけるカバー２８は、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、または他のポリマーなどの高分子材料の可とう性フィルムである。フィルムは、ラミネートなどの積層フィルムでも、均質フィルムでもよい。強度および構造的結合性において均質フィルムより全般的に優れている積層フィルムの方が好ましい。特に、ポリプロピレンはポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）に対して抑制的でないので、積層ポリプロピレンフィルムが現在では好ましい。また、カバー２８は、硬質のプラスチック片など他の材料を含んでもよい。好適な一実施形態においては、カバー２８は、たとえば、その開示内容全体が本明細書中に参考として援用される「細胞破砕のための装置および方法」と題する国際公開番号第ＷＯ００／７３４１３号、または２００１年１０月４日に出願された「細胞またはウイルスの高速破砕のための装置および方法」と題する同一人に譲渡された同時係属中の米国特許出願第０９／９７２，２２１号に示されているように、天蓋型の境界壁であるか、または補強用肋材を含む境界壁である。
【００２８】
一般に、エネルギーを伝達するために処理領域３０に作動的に結合されるエネルギー伝達部材は、超音波トランスデューサ、圧電トランスデューサ、磁気歪トランスデューサ、または静電トランスデューサでもよい。エネルギー伝達部材は、ボイスコイルモータやソレノイド装置などの、巻きコイルを有する電磁装置でもよい。エネルギー伝達部材は、現在では超音波ホーンなどの音響部材であることが好ましい。適切なホーンは、アメリカ合衆国０６４７０−１６１４コネチカット州ニュートン、チャーチヒル５３にオフィスのあるソニックスアンドマテリアル社から入手できる。あるいは、音響部材は、カバー２８に結合できる圧電ディスクまたは他の種類の超音波トランスデューサを含んでもよい。他の実施形態においては、エネルギー伝達部材は、熱エネルギーを処理領域３０に伝達するための熱要素（たとえばヒーター）、または電気エネルギーを処理領域３０に伝達するための電気要素でもよい。また、複数のエネルギー伝達部材を同時に使用することによって、たとえば、処理領域に捕獲されている細胞、胞子、ウイルス、または微生物を溶解するために、処理領域の加熱と超音波処理とを同時に行ってもよい。
【００２９】
図９Ｈおよび図９ＨＨにおいては、第２外部ポート４６が主要混合物または試薬チャンバ７８に流体連通するように弁１６が回転されているので、ピストン５４を押し下げると、混合物が処理領域３０から試薬チャンバ７８に溶出する。一般に、試薬チャンバ７８には、試料に混合するための試薬（たとえば、核酸増幅剤およびプローブ）を収容する。図９Ｉおよび図９ＩＩに示すように、弁１６を回転してポート４６を廃棄物チャンバ６４に流体連通させると、任意の過剰の混合物が第２外部ポート４６を通って廃棄物チャンバ６４に送り込まれる。その後、この混合物はトグリングによって試薬チャンバ７８内で混合される。これは、図９Ｊおよび図９ＪＪに示すように流体移動領域５０を試薬チャンバ７８に流体連通させ、ピストン５４を上下に動かすことによって行われる。たとえば、処理領域３０内のフィルタを通して混合物をトグリングすると、フィルタに捕獲されている大きい粒子が一時的に進路を開けるので、より小さい粒子を通過させることができる。試薬チャンバ７８には、流体に混ぜると元に戻る乾燥または凍結乾燥させた試薬を収容してもよい。
【００３０】
図９Ｋ、図９ＫＫ、および図９Ｋ’Ｋ’においては、第１外部ポート４２が反応容器１８に結合されている第１ブランチ８４に流体連通し、反応容器１８に結合されている第２ブランチ８６が交差溝５６に流体連通するように、弁１６が回転されている。第１ブランチ８４と第２ブランチ８６とは、弁１６の軸５２からそれぞれ異なる半径に配置されており、第１ブランチ８４は第１外部ポート４２と共通の半径を持ち、第２ブランチ８６は交差溝５６と共通の半径を持つ。交差溝５６もまた試薬チャンバ７８（図９Ｋ）に流体連通し、試薬チャンバ７８と第２ブランチ８６との間の空隙を架橋することによってその間に交差流をもたらす。外部ポートは軸からの外部ポート半径範囲内に配置され、交差溝は軸からの交差溝半径範囲内に配置されており、外部ポートの半径範囲と交差溝の半径範囲とは重ならない。交差溝５６を外部ポート４２、４６の半径とは異なる半径に配置することによって、弁１６の回転運動の結果として外部ポート４２、４６の半径位置における弁１６とハウジング１２との間の面近くの領域に生じ得る汚染物質による交差溝５６の二次汚染を回避できるという利点がある。従って、外部ポート４２、４６の半径に重なる形状などの他の交差溝形状を使用してもよいが、図示の実施形態は、外部ポート４２、４６の半径位置におけるハウジング１２と弁１６との間の面近くの領域の汚染から交差溝５６を隔離する好ましい配置である。
【００３１】
反応容器１８を充填するには、ピストン５４を引き上げ、試薬チャンバ７８内の混合物を交差溝５６と第２ブランチ８６とを通して反応容器１８に引き込む。このような構成においては、反応容器１８は吸引チャンバであり、第１チャンバとも呼ばれ、試薬チャンバ７８はソースチャンバであり、第２チャンバとも呼ばれる。次に、図９Ｌおよび図９ＬＬに示すように弁１６を回転すると、第２外部ポート４６が第１ブランチ８４に流体連通し、第１外部ポート４２が閉じられる。ピストン５４を押し下げると、反応容器１８内の混合物が加圧される。核酸の増幅および／または検出を行うために、反応容器１８を熱反応チャンバに挿入してもよい。反応容器１８の反応チャンバの充填および排出は、２つのブランチ８４、８６を通して行われる。容器は、超音波溶接や機械的結合などによってハウジングに接合してもよいし、成型などによってハウジング１２と一体に形成してもよい。流体試料の分析のための反応容器の使用は、２０００年５月３０日に出願された「化学反応を行うためのカートリッジ」と題する同一人に譲渡された同時係属中の米国特許出願第０９／５８４，３２８号に記載されている。
【００３２】
図３〜図８の弁１６を作動させるには、一般にはステップモータなどのモータをディスク部２２の歯状外周部２９に結合し、高精度で流体が分配されるようにハウジング１２に対して弁１６を回転させる。モータは、所望のプロトコルに従ってコンピュータで制御できる。計測を精密に行うために、ピストン５４を上下に正確に駆動するリニアモータなどが一般に使われるが、このリニアモータなども所望のプロトコルに従ってコンピュータで制御してよい。
【００３３】
図１０は、流体制御チャンネルハウジングつまりブロック１０２に回転自在に結合される、別の弁１００を示す。反応容器１０４は、ハウジング１０２に切り離し可能に結合される。図１１に示すように、弁１００は長手方向軸１０５を有するほぼ管状の部材である。ピストン１０６の上下移動に応じて流体移動領域１０８の容積が変わるように、ピストン１０６は弁１００に移動自在に接続される。カバー１０９は、弁１００の底部近くに配置される。流体処理領域１１０は弁１００内に配置され、流体移動領域１０８に連続的に流体連通される。図１１において最もよくわかるように、弁１００は、第１ポート１１１および第２ポート１１２として機能する一対の開口を含む。図示の実施形態においては、ポート１１１、１１２は約１２０°の角度間隔で配置されているが、他の実施形態においてはこの間隔を違えてもよい。図１０に示すように、交差チャンネルつまり溝１１４は弁１００の外面１１６に形成され、ほぼ長手方向に延在している。２つのポート１１１、１１２は、長手方向軸１０５に沿って長手方向に互に異なるレベルにオフセットされて配置されており、交差溝１１４は軸１０５の長手方向に延在し、ポート１１１、１１２の２つのレベル間を架橋する。
【００３４】
ハウジング１０２は、ポート１１１、１１２と溝１１４とを有する弁１００の部分を収容するための開口部１１８を有する。開口部１１８の周りの内面１２０は、弁１００の外面１１６と連係するように形成されている。内面１２０と外面１１６との間にガスケットを配置してもよいが、好適な実施形態においては、追加のガスケットを使わずに密封効果をもたらす傾斜付きつまり円錐状の面１２０、１１６を採用する。ハウジング１０２は複数のチャンネルとポートとを有し、弁１００は、ポート１１１、１１２をハウジング１０２内の複数のチャンネルに選択的に流体連通させるために、その軸１０５を中心として回転可能である。どのポートを開くか閉じるか、またピストン１０６を上方に移動するか下方に移動するかによって、弁１００内の流体の流れの方向を変えることができ、ポート１１１、１１２をそれぞれ入口ポートから出口ポートに切り替えることができる。
【００３５】
弁１００の流体測定分配機能を実証するために、図１２Ａ〜図１２Ｎは、特定のプロトコルに対する弁１００の動きを示す。図１２Ａに示すように、ハウジング１０２は複数の流体チャンネルを含む。便宜上、これらのチャンネルを試薬チャンネル１３０、溶解物チャンネル１３２、試料チャンネル１３４、洗浄チャンネル１３６、廃棄物チャンネル１３８、第１ブランチ１４０、および第２ブランチ１４２と呼ぶ。チャンネル１３０〜１３８は内面１２０からほぼ平坦な一外面１４４に延在しており、ブランチ１４０、１４２は内面１２０からこれもほぼ平坦な別の外面１４６に延在している（図１０）。組み立てると、第１ポート１１１とチャンネル１３０〜１３４とは長手方向軸１０５に直角な第１横断面上にあり、第２ポート１１２と、チャンネル１３６、１３８と、２つのブランチ１４０、１４２とは長手方向軸１０５に直角な第２横断面上にある。第２横断面は第１横断面から長手方向にオフセットされている。便宜上、第２ポート１１２と、チャンネル１３６、１３８と、ブランチ１４０、１４２とは、第１ポート１１１とチャンネル１３０〜１３４とから長手方向にオフセットされていることを示すために、網掛けしてある。第１横断面と第２横断面との間のオフセットを架橋するために、交差溝１１４が長手方向に延在している。チャンバ本体１５０はハウジング１０２（図１０）に接続され、それぞれチャンネル１３０〜１３８に流体結合される試薬チャンバ、溶解物チャンバ、試料チャンバ、洗浄チャンバ、および廃棄物チャンバを含む。第１および第２ブランチ１４０、１４２は反応容器１０４に流体結合する。
【００３６】
図１２Ａにおいては、第１ポート１１１が試料チャンネル１３４に流体連通しているので、ピストン１０６を引き上げると、流体試料が流体移動領域１０８（図１１）に引き込まれる。次に、図１２Ｂに示すように弁１００を回転すると、第２ポート１１２が廃棄物チャンネル１３８に流体連通するので、ピストン１０６を押し下げると、流体試料が移動領域１０８から処理領域１１０を通り、廃棄物チャンネル１３８を通って押し出される。一般に、これらのステップは、たとえば試料成分をフィルタなどの捕獲部材上に捕獲するために、試料全体が処理領域１１０を通って処理されるまで、繰り返される。
【００３７】
図１２Ｃにおいては、第２ポート１１２を洗浄チャンネル１３６に流体連通させるように弁１００が回転されているので、ピストン１０６を引き上げると、洗浄流体が処理領域１１０に吸い込まれる。次に、弁１００を回転して第２ポート１１２を廃棄物チャンネル１３８に流体連通させ、ピストン１０６を押し下げると、洗浄流体が処理領域１１０から廃棄物チャンネル１３８を通って押し出される。上記の洗浄ステップを必要に応じて繰り返すことによって、弁１００内の不要な残留物を除去することができる。
【００３８】
溶解の場合は、図１２Ｅに示すように弁１００を回転して第１ポート１１１を溶解物チャンネル１３２に流体連通させ、ピストン１０６を引き上げると、溶解流体が流体移動領域１０８に引き込まれる。図１２Ｆにおいては、両方のポート１１１、１１２を閉じるように弁１１０が回転されている。ピストン１０６を押し下げると、溶解流体が処理領域１１０に押し出され、流体処理領域１１０に捕獲されている試料成分と溶解流体とが加圧される。追加のエネルギーを処理領域１１０内の混合物に加えてもよく、たとえば音響エネルギーを処理領域１１０に伝達するには、音響部材をカバー１０９に作動的に結合する（図１１）。
【００３９】
図１２Ｇにおいては、事前に設定した所望量の洗浄流体が洗浄チャンネル１３６から第２ポート１１２を通って処理領域１１０に吸い込まれ、混合物が希釈される。次に、図１２Ｈに示すように弁１００を回転して第１ポート１１１を試薬チャンネル１３０に流体連通させると、事前に設定した量の混合物が処理領域１１０から試薬チャンバに排出される。ピストン１０６を上下に動かすと、トグリングによって混合物が攪拌および混合される。残存混合物は、図１２Ｉに示すように、第２ポート１１２を通って廃棄物チャンネル１３８に排出される。別の洗浄は、洗浄流体を洗浄チャンネル１３６から第２ポート１１２を通して処理領域１１０に引き込み（図１２Ｊ）、この洗浄流体を処理領域１１０から第２ポート１１２を通して廃棄物チャンネル１３８に排出することによって（図１２Ｋ）行われる。
【００４０】
図１２Ｌにおいては、第２ポート１１２を反応容器１０４に結合されている第１ブランチ１４０に流体連通させ、反応容器１０４に結合されている第２ブランチ１４２を交差溝１１４に流体連通させるように、弁１００が回転されている。第２ブランチ１４２は、試薬チャンネル１３０から長手方向にオフセットされている。図１２Ｌに示す位置において第２ブランチ１４２と試薬チャンネル１３０との間のオフセットを架橋して相互に流体連通させるために、交差溝１１４が長手方向に延在している。結果として、流体処理領域１１０は、第１ブランチ１４０と、反応容器１０４と、第２ブランチ１４２と、交差溝１１４とを介して、試薬チャンネル１３０に流体連通する。
【００４１】
ピストン１０６を引き上げると、試薬チャンバ内の混合物が試薬チャンネル１３０から交差溝１１４と第２ブランチ１４２とを通って反応容器１０４に引き込まれる。次に、図１２Ｍに示すように弁１００を回転すると、第２ポート１１２が第２ブランチ１４２に流体連通し、第１ポート１１１は閉じられる。ピストン１０６を押し下げると、反応容器１０４内の混合物が加圧される。図１２Ｎにおいては、ポート１１１、１１２を閉じて反応容器１０４を隔離するように、弁１００が回転されている。核酸の増幅および／または検出を行うために、反応容器１０４を熱反応チャンバに挿入してもよい。
【００４２】
上記の各実施形態に示したように、流体制御処理システムは、融通性と適応性が高い完全に自己完結型のシステムであることが都合がよい。流体移動領域は、システム内で流体を移動するための原動力である。流体移動領域と流体処理領域との間を連続的な流体連通状態に維持することによって、システム内で流体を移動するための原動力が処理領域に常に流体結合される。流体移動領域（原動力）は、システム内を通る流体の一時的な貯蔵域としても機能する。図示の各実施形態においては流体移動領域内を移動するピストンを原動力として使用しているが、たとえば、流体移動領域の容積を変えずに、圧力を原動力として使用する気圧ポンプ機構などの他の機構を使用してもよい。流体処理領域の入口側または出口側は、試薬および他の流体へのランダムアクセスを可能とするために、どのチャンバにも対応できる。複雑なプロトコルでも、比較的容易にコンピュータ制御装置にプログラミングでき、融通性の高い流体制御処理システムを使用して実行することができる。単一のプラットフォームを使用して、多数の異なるプロトコルを実行できる。
【００４３】
図示の各実施形態においては、一度に１つのみのポートが各チャンバに選択的に流体連通するように弁内の一対のポートを扱うことによって、流体の制御が行われる。これは、各チャンバに対する一対のポートの相をずらしておくことによって達成される。交差または迂回チャンネルは、追加の流体制御機能を提供する（たとえば、閉鎖系内部の反応容器の充填および排出の簡便化を可能にする）。もちろん、他の実施形態においては、異なるポート体系を使用して所望の流体制御を達成してもよい。さらに、図示の各実施形態は弁本体内に単一の流体処理領域を含むが、必要であれば追加の処理領域を弁本体内に設けることができる。概して、弁本体は、ｎ個の処理領域につき（ｎ＋１）個のポートを必要とする。
【００４４】
単一弁を使用すると、障害要素が１つだけになるので、製造時の歩留まりが向上する。流体の制御および処理用の構成部品を集中化することによって、装置が小型化し（たとえば、小型カートリッジの形態）、自動成型および組み立てが容易になる。上記のように、システムは希釈および混合機能と、中間洗浄機能と、正圧機能とを含むと都合がよい。システム内の流体経路は、汚染を最小限に抑え、システム内の流体の封じ込めと制御とを容易にするために、常態では閉ざされている。反応容器は取り外し可能な交換式のものが便利であり、実施形態によっては使い捨て式にしてもよい。
【００４５】
流体制御処理システムの構成部品は、使用する流体に適合したさまざまな材料で作ってよい。適切な材料の例として、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリカーボネート、アクリル、またはナイロンなどの高分子材料がある。システム内の各種のチャンバ、チャンネル、ポートなどは、さまざまな形状および寸法でよい。
【００４６】
上記の装置および方法の構成は単に本発明の原理の応用例を例示するものであり、請求項に記載の本発明の精神と範囲から逸脱することなくして、他の多くの実施形態および変更が可能である。
【００４７】
たとえば、図１３に示すように、軟質壁のチャンバ２００を流体制御処理システムに組み込んでもよい。一般に、オンボード試薬スタイルのカートリッジは、混合される試薬と試料との合計量の少なくとも２倍の総流体量を剛体システム内に必要とする。軟質壁のチャンバを使用すると、この必要量を減らすことができる。これらのチャンバは柔軟な壁を持ち、一般にフィルムを使用して熱成型によって形成することができる。軟質壁の別の利点は、チャンバが空になったときにつぶれるくらいに柔軟な壁であると、ベンティングを設ける必要がないことである。図１３では、試薬チャンバ２０４と廃棄物チャンバ２０６とが柔軟な側壁２０２によって隔てられている。廃棄物は試料と試薬とからなるので、廃棄物のために必要な容積は試料と試薬との合計量を超えない。試薬チャンバ２０４が縮小すると、廃棄物チャンバ２０６が拡大し、試薬チャンバ２０４が拡大すると、廃棄物チャンバ２０６が縮小する。これは、外部への接続がない閉鎖系とすることができる。この構成はカートリッジの外形寸法を縮小できるので、チャンバ容積の高速切り換えを可能にする。また、ベンティングをなくすことができるので、他の壁の場合にハードツーリングによって構築する必要があるプラットフォームの数を減らすことによってコストを削減できる。一実施形態においては、システム内の複数のチャンバのうちの少なくとも２つのチャンバが、チャンバ間のチャンバ容積の切り換えが可能なように、柔軟壁で隔たれている。
【００４８】
図１４は、ピストンシャフト２１４に接続されているピストンロッド２１２を含むピストンアセンブリ２１０を示すが、小量の流体を押し出すためにピストンシャフト２１４の断面はピストンロッド２１２より小さい。細いピストンシャフト２１４は、長すぎると、圧力が加えられたときに曲がることがある。ピストンロッド２１２は円筒部つまりハウジング２１６の上部に沿って移動し、一方ピストンシャフト２１４は円筒部２１６の下部に沿って移動する。ピストンロッド２１２の動きによってピストンシャフト２１４の動きが誘導され、加えられた力の多くが吸収されるので、細いピストンシャフト２１４には屈曲力がほとんど伝達されない。
【００４９】
図１５は、システムに組み込み得る側部チャンバ２２０を示す。側部チャンバ２２０は、入口ポート２２２と出口ポート２２４とを含む。この例では、側部チャンバ２２０は、入口ポート２２２に配置されたフィルタ２２６を含む。流体は、側部フィルタリングのために、入口ポート２２２を通って側部チャンバ２２０に流れ込み、出口ポート２２４を通って外へ出る。これによって、本発明の流体制御システムを用いた流体試料などのろ過が可能になる。フィルタ２２６によるろ過をより十分に行うために、流体を再循環させてもよい。この予備ろ過は、流体をシステムの主チャンバに送り込む前に粒子を取り除き、目詰まりを防止するために有効である。側部チャンバの使用は、たとえば、システム内の弁および主チャンバの汚染を避けるために好都合である。
【００５０】
流体試料は、手動または自動のさまざまな機構によって、流体制御処理システム１０のハウジング１２に導入してよく、ハウジング１２はカートリッジとして構成してもよい。手動で追加する場合は、測定した量の物質を投入ポートからハウジング１２の収容域（たとえば、複数のチャンバのうちの１つ）に投入してもよく、その後にこのポートに蓋をする。または、収容域をゴム製または同様の隔膜で覆ってもよく、針で隔膜に穴をあけ、針を通して試料を収容域に注入する。または、分析に必要な量を超える大量の試料物質をハウジング１２に加え、指定されたプロトコルに必要な試料をハウジング１２内の機構によって正確に測定し、小分けすることもできる。
【００５１】
生検組織物質、土壌、糞便、浸出液、他の複合物質などの特定の試料を別の装置または付属品に入れ、この二次装置または付属品を、混合、分割、または抽出などの機能を起こさせる機械的動きを引き起こすハウジングに入れることが望ましいこともある。たとえば、投入ポートの蓋として機能する、二次装置のルーメンに組織片を入れてもよい。蓋をポートに押し込むと、薄切りなどの方法で組織を分割する網を介して組織が押し込まれる。
【００５２】
試料の自動投入の場合は、ハウジングまたはカートリッジ設計の追加構成が採用され、多くの場合、試料収集機能がハウジングに直接付与される。人間のレトロウイルス病原体など、オペレータまたは環境に有害な特定の試料の場合は、試料をハウジングに移動するときに危険が伴うこともある。したがって、一実施形態においては、試料をハウジングに直接移動する手段を提供するために、注射器またはシッパーを装置に組み込んでもよい。または、試料を取得するために使用できるアセンブリを形成する静脈穿刺針と管とを装置に含めてもよい。収集後、管と針とを取り除いて廃棄してから、ハウジング１２を処理を行うための器具に配置する。このような方法の利点は、オペレータまたは環境が病原体にさらされない点である。
【００５３】
投入ポートは、目的の試料の性質に応じて、適切な人的要因を考慮して設計することができる。たとえば、呼吸器系試料は、下気道から咳による去痰時に取得するか、または喉の奥または鼻孔からスワブまたはブラシ試料として取得してもよい。前者の場合は、投入ポートは患者がハウジング１２内に直接咳をできるように設計することも、去痰した試料をハウジング内に容易に吐き出せるように設計することもできる。ブラシまたはスワブ試料の場合は、試料を投入ポート内に入れると、このポートと蓋との構成によって、スワブまたはブラシの端が容易に折られ、カートリッジ収容域内に保持される。
【００５４】
別の実施形態においては、ハウジング１２は１つまたはそれ以上の投入管またはシッパーを含むが、試料物質がハウジング１２内に流れ込むように、試料プール内にこれらの投入管またはシッパーを配置してもよい。あるいは、親水性ウィッキング材の機能によって、試料を装置に引き込むことができる。たとえば、カートリッジ全体を試料に直接浸すことができれば、十分な量の試料がウィッキング材に吸収され、毛管現象によってハウジング１２に移る。その後、ハウジングを取り出し、実験室に移送するか、または携帯型計測器を用いて直接分析することができる。別の実施形態においては、管の一端をハウジングに直接連通させて少なくとも１つのチャンバとの流体界面を設け、他端は外部環境からアクセス可能にすることによって、管を試料の収容器として利用することができる。その後、管を試料の中に入れ、シッパーとして使用する。このように、装置は、試料をさまざまなソースから収集し、この試料をハウジング１２に移動することによって、取り扱いおよび不都合さを減らすためのさまざまな特徴を含んでよい。
【００５５】
図１６は、ハウジング３１２に含まれる複数のチャンバ３１３のうちの１つが処理チャンバ３１４である流体制御処理システム３１０を示す。ハウジング３１２は、図１〜図４のシステム１０内のロータリ弁１６と同様の回転式流体制御弁などの流体制御装置に連通するように構成された複数のチャンバポート３２５を含む。弁は、システム１０内の流体移動領域５０と同様の流体移動領域を有する。チャンバ３１３は、図１〜図４の実施形態と同じチャンバ（すなわち、試料チャンバ６０、廃棄物チャンバ６４、洗浄チャンバ６６、溶解物チャンバ７０、試薬チャンバ７８、および反応容器１８）を含んでもよい。ハウジング３１２は、図１〜図４のシステム１０の流体処理領域３０と同様の流体処理領域または能動領域をさらに含む。このような構成において、チャンバポート３２５は、回転式流体制御弁のディスク部の外部ポート表面に向かい合う。
【００５６】
処理チャンバ３１４は、第１ポート３２６と第２ポート３２７とを有する。一例においては、第１ポート３２６は流体を取り込むための入口ポートとしてもよく、第２ポート３２７は処理チャンバ３１４から流体を排出するための出口ポートとしてもよい。処理チャンバ３１４は、ハウジング３１２の本体に一体に形成するか、またはハウジング３１２の本体に組み込んで、処理チャンバの入口ポートと出口ポートとをチャンバポートのうちの２つにするのが一般的である。または、処理チャンバ３１４を、ハウジング３１２の本体に挿入でき、挿入したときに入口ポートと出口ポートとがチャンバポートのうちの２つと位置合わせされる別個の部材として形成してもよい。
【００５７】
処理チャンバ３１４は、濃縮材つまり濃縮化媒体、または減損材つまり減損化媒体などの処理チャンバ物質を収容してもよい。濃縮材は、処理チャンバ３１４を通過する流体から分析物などの標的を捕獲する。減損材は、処理チャンバ３１４を通過する流体から不要な物質を捕捉または保持する。濃縮材または減損材は、１つまたはそれ以上の固相物質を含んでよい。全般的に、固相物質として、ビーズ、ファイバ、膜、濾紙、ガラスウール、ポリマー、およびゲルを含んでもよい。
【００５８】
たとえば、濃縮材として、クロマトグラフ物質、特に、結合要素が不溶性基質に共有結合される親和性クロマトグラフ物質、イオン交換物質、または逆相物質などの吸収相物質を含んでもよい。親和性クロマトグラフ物質の場合、結合要素は群特異（たとえば、レクチン、酵素補因子、プロテインＡなど）であっても、物質特異（たとえば、抗体またはその結合フラグメント、目的の特定の抗体の抗原、オリゴヌクレオチドなど）であってもよい。結合要素が結合される不溶性基質は、多孔質ガラスまたは高分子ビーズなどの粒子、ガラスストランドまたは糸状体の網、複数の細い桿状体または毛細管などでもよい。たとえば、不溶性基質は、免疫学的検定手順のための抗原またはハプテンを捕獲するための抗体によって官能化されたビーズを含んでもよい。
【００５９】
被覆粒子などの不溶性基質の代わりに、流体試料の画分を含む分析物を選択的に保持する一方で、残存試料を膜を通して処理チャンバから流し出すことができる被覆／含浸膜を使用してもよい。固相抽出のために、さまざまな親水性膜、疎水性膜、およびイオン交換膜が開発されている。
【００６０】
濃縮材の別の例としてゲル媒体があるが、これは多様なふるい機能を行うために使用することができる。処理チャンバ３１４を通る濃縮化チャンネルは、液体試料の画分を含む特定の分析物を濃縮するために使われる。媒体の細孔径を変え、多孔率の異なる２つまたはそれ以上のゲル媒体を使用し、さらに／または細孔径に傾斜を持たせることによって、初期試料の目的の画分を含む分析物をゲル媒体に確実に保持することができる。
【００６１】
濃縮材または減損材によっては、特定の物質を処理チャンバ内に保持するための保持機構を採用する必要があり得る。物質を処理チャンバ内に保持するために、ガラスフリットなどのフリットを使用してもよい。図１８〜図２３は、処理チャンバ３１４内に配置された２つのフリット３３０、３３２を示す。図示の各実施形態においては、フリット３３０、３３２は、保持構造つまり部材３３６によって定位置に支えられている。保持部材３３６は、処理チャンバ３１４内の収容域の適所に容易にはめ込むことができ、必要に応じて簡便に取り外すことができる処理モジュールまたはインサートとして構成してもよい。図１７に示すように、特定の一実施形態においては、処理チャンバ３１４は、濃縮材または減損材を収容する処理モジュールを収容するための収容域３２９を含む。他の実施形態においては、処理モジュールは、分離物質を収容するカラム、または細管電気泳動もしくは等電点電気泳動のための分離チャンネルを収容する構造を含んでもよい。処理チャンバ３１４は、処理モジュール３３６を通って流れた流体を受ける収集域３３１を有する。
【００６２】
図１８〜図２３において、処理モジュール３３６は、流体を収集域３３１に導く注ぎ口３３３を含むことが好ましい。処理モジュールは、第１ポート３２６に隣接して配置された第１フリット３３０を含み、第２フリット３３２は、濃縮材または減損材のための空間３３８を設けるために、第１フリット３３０から離して配置される。一実施形態においては、流体は第１ポート３２６を通って処理チャンバ３１４に入り、第１フリット３３０、空間３３８内の濃縮材または減損材、および第２フリット３３２を通ってから、第２ポート３２７の上にある処理チャンバの収集域３３１に重力によって流れ込み、処理チャンバ３１４からポート３２７を通って出る。空間３３８は、もう１つの流体処理領域として機能する。
【００６３】
一例においては、流体移動領域が第１外部ポートを介して試料チャンバに流体連通するように弁を回転すると、試料流体が試料チャンバから引き込まれる。この様子は、図１〜図４のシステム１０について図９Ａおよび図９ＡＡに示されているが、処理チャンバ３１４がシステム３１０内に追加されている点を除けば、図１６〜図２３のシステム３１０とほぼ同じである。試料流体は流体処理領域（システム１０内の領域３０）を迂回し、流体移動領域（システム１０内の領域５０）に入る。弁（システム１０内の弁１６）を回転し、第１外部ポートを処理チャンバ３１４に流体連通させる。試料流体は、流体移動領域から、流体処理領域を迂回し、入口ポート３２６を通って処理チャンバ３１４に入る。流体が、たとえば入口ポート３２６から濃縮材が入っている処理チャンバ３１４を通って流れると、試料画分を含む分析物が処理チャンバ３１４内のクロマトグラフ物質などの濃縮材によって保持される。第１外部ポートが処理チャンバ３１４の出口ポート３２７に流体連通するように弁を回転すると、流体の残存廃棄部分が出口ポート３２７を通って処理チャンバ３１４から出て、弁の流体移動領域に入る。次に、第１外部ポートが廃棄物チャンバ（システム１０内のチャンバ６４）に流体連通するように弁を回転すると、廃棄物流体が流体移動領域から廃棄物チャンバに排出される。その後、溶離液を処理チャンバ３１４内の濃縮材を通して流すことによって濃縮試料画分を濃縮材から遊離させ、処理チャンバ３１４から能動領域などの別の領域または別のチャンバに移してもよい。溶離液は、最初に別のチャンバから弁の流体移動領域に引き込み、次にロータリ弁を操作することによって、流体移動領域から処理チャンバ３１４の入口ポート３２６に流し込んでもよい。溶離液と遊離された濃縮試料画分とは、処理チャンバ３１４の出口ポート３２７から、流体処理領域を迂回して、第１外部ポート（システム１０のポート４２）を通して流体移動領域に引き込んでもよいし、または流体処理領域（システム１０の域３０）から第２外部ポート（システム１０のポート４６）を通して流体移動領域に引き込んでもよい。ロータリ弁をさらに操作して、流体をシステム３１０の他のチャンバまたは領域に移動してもよい。
【００６４】
別の例では、試料流体から不要物質を捕捉または除去するために、減損材を処理チャンバ３１４内に用意する。上記のように、弁を使用して、試料流体を試料チャンバから処理チャンバ３１４に移動することができる。流体が、入口ポート３２６から減損材が入った処理チャンバ３１４を通って流れると、流体内の細胞残屑、混入物質、または増幅阻害物質などの不要物質が激減する。流体移動領域が出口ポート３２７に流体連通するように弁を回転すると、残存流体が処理チャンバ３１４から出口ポート３２７を通って出る。流体を最初に第２外部ポート（システム１０のポート４６）を通して流体処理領域（システム１０内の領域３０）に引き込み、次に弁の流体移動領域に引き込んでもよい。または、流体を第１外部ポート（システム１０内のポート４２）を通して流体移動領域に引き込み、流体処理領域を迂回させてもよい。その後、ロータリ弁を操作して、流体を流体移動領域からシステム３１０の別のチャンバまたは領域に流してもよい。
【００６５】
処理チャンバ３１４には、固相物質の代わりに、たとえば、フィコール、デキストラン、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、スクロースなどの液相物質を入れてもよい。
【００６６】
流体処理システム３１０に１つまたはそれ以上の処理チャンバを設けると、システム３１０の融通性が高くなるので、弁本体内の能動領域または処理領域（たとえば、図８の処理領域３０）での試料調製ステップ以外の試料調製ステップを追加して、多段ろ過や連続的機能などを単一の装置で行えるようになる。さらに、大量処理を容易にするために、処理チャンバを大量の外部流体に流体結合してもよい。また、処理チャンバを、流体処理システム３１０の本体３１２内部には望ましくない物質を収容する外部チャンバに流体結合してもよい。
【００６７】
一般に、処理チャンバ（たとえば、図１６の処理チャンバ３１４）内および弁本体内の処理領域（たとえば、図８の処理領域３０）のそれぞれに、濃縮材または減損材を収容してもよい。一部の実施形態においては、各処理領域に、このような物質を１つまたはそれ以上収容してもよい。たとえば、細胞残屑などの不要物質を試料から除去するため、または細胞の濃縮を行うために、フィルタ（たとえば、図８のフィルタまたはフィルタスタック２７）またはビーズを処理領域に入れてもよい。試料内の個々の分子などの特定の標的を結合するため、またはたんぱく質や阻害物質などの特定の標的を除去するために、フィルタまたはビーズを使用してよい。一部の実施形態においては、分子標的の分子単離または分子物質の分子除去のために、フィルタおよびビーズ、ファイバ、ウールなどの別の固相物質を処理領域に含む。他の実施形態においては、磁気ビーズ、ガラスビーズ、高分子ビーズなどのさまざまな種類のビーズを処理領域に含んでもよい。ビーズを使用して、細胞の捕獲、細胞の溶解、分析物の結合、不要物質の結合などを行うことができる。一部の実施形態においては、１種類のビーズを使用して細胞の捕獲、細胞の溶解、分析物の結合、および不要物質の結合のうちの２つまたはそれ以上の機能を行ってもよい。たとえば、細胞をビーズに付着させ、溶解することによってその核酸分を遊離することができ、また溶解物を遊離した核酸と一緒に別の領域またはチャンバに移動してさらに処理することによって、ビーズとそれに付着した細胞残屑を置き去りにすることができる。
【００６８】
別の実施形態においては、細管電気泳動（ＣＥ）や等電点電気泳動（ＩＥＦ）などを行うための分離チャンネルを設ける。これは、核酸の増幅の前に行っても、後に行ってもよい。分離チャンネルは、別個の部材として流体処理システムのチャンバに挿入してもよいし、システムのハウジング内のマイクロチャンネルとして形成してもよいし、またはシステムのチャンバの１つに組み込んでもよい。
【００６９】
図２４は、流体制御処理システム３５４内の分離チャンネルつまり分離領域３５０を示す。分離チャンネル３５０は、システム３５４に組み合わせられる別個の部材として形成するのが一般的であるが、実施形態によっては、チャンバ３５２内に配置してもよい。または、分離チャンネル３５０をシステム３５４に一体に形成するか、または組み込んでもよい。分離チャンネル３５０は、少なくとも２つの電極間に結合される細いチャンネルつまり毛細管でよく、図示の特定の実施形態においては、これらの電極は２つの金属管３５６、３５８を含んでいる。チャンネル３５０の下端は、チャンバポートつまり貯留槽ポート３６０に流体結合される下部の貯留槽３６１に流体結合され、チャンネル３５０の上端は、分離チャンネル３５０を支持するための支持構造３６６に設けられた開放貯留槽３６２に流体結合される。金属管３５６、３５８は、電気エネルギーを受け取り、電場を分離チャンネル３５０内の流体に印加するための電極として機能する。金属管３５６、３５８に接触している導線は、樹脂に封止し、システム３５４のハウジング外面上の該当する接点域に導いてもよい。次に、電源を接点域に接続し、電圧差を接点域間に与えることによって、電極間に与えてもよい。または、電極を電場印加用の外部器具の一部として設け、分離チャンネル３５０の両端の貯留槽に浸漬してもよい。一般に、試料流体は弁３７０のピストン３６８によって、流体移動領域３７２から弁本体の外部ポートの１つ（たとえば、外部ポート３４２）を通り、貯留槽ポート３６０および貯留槽３６１を経由して、分離チャンネル３５０に送り出される。試料プラグを分離チャンネル３５０に導入し、その後にピストン３６８によって貯留槽３６１内の試料流体の残留分をチャンバポート３６０経由で弁３７０の流体移動領域３７２に引き込んでもよい。貯留槽３６２は、緩衝剤、溶離溶媒、試薬、すすぎおよび洗浄溶液などを分離チャンネル３５０の電気泳動流路に導入するために使用してもよい。
【００７０】
試料プラグ内の分子、粒子、細胞などの実体は、印加された電場の影響によって、分離チャンネル３５０内に収容された媒体を通って移動する。印加された電場の直接的影響によって、または電場の印加による電気浸透流などの流体が大きな流れとして経路を通る結果として、実体が、その性質（たとえば、電荷を帯びるかどうか）および電気泳動が行われる電気泳動チャンバの界面化学に応じて、媒体を通過するようにしてもよい。試料プラグは分離チャンネル３５０内で種バンドに分離するので、たとえば、定位置に配置された一点検出器によって光学的に、またはチャンネル３５０の長手方向に沿って走査する走査型検出器によって、バンドが検出される。光学的検出を容易にするために、ハウジングの一部分を光学的に透過または透明にしてもよい。または、検出器をハウジングに挿入し、チャンネル３５０に隣接させて（たとえば、チャンネル３５０を収容するチャンバ内に）配置してもよい。
【００７１】
分離は、たとえば図９Ａ〜図９ＬＬに示す方法を用いて、増幅後に行うのが一般的である。一例においては、増幅産物（たとえば、ＰＣＲによって増幅された核酸）を試料として貯留槽３６１に導入する。分離チャンネル３５０には、ゲルまたは緩衝剤などの分離物質を予め充填しておく。試料プラグを貯留槽３６１から導入するには、電圧を電極３５６、３５８を介して印加する。その後、試料の残りを貯留槽３６１から除去する。次に、電解液などの緩衝剤を貯留槽３６１に導入する。電圧差を電極３５６、３５８間に与えると、分離チャンネル３５０を通る試料プラグの流れを誘導する電場が形成され、そこで試料プラグが種バンドに分離するので、たとえば一点光学検出器または走査型検出器を用いて種バンドを検出する。
【００７２】
図２５は、弁４１６には外部ポート４４２が１つしかないことを除いて図１〜図４のシステム１０と同様の、複数のチャンバを含むハウジングを有する別のシステム４１０の弁４１６を示す。弁４１６は、ディスク部４２２と管状部４２４とを有する弁本体４２０を含む。ディスク部４２２は、ほぼ平坦な外部ポート表面４２３を有する。弁４１６は、システム４１０のハウジング４１２に対して回転自在である（図２６Ａおよび図２６ＡＡを参照）。ハウジング４１２は、ハウジング４１２の各チャンバと弁４１６との流体連通を可能にするために、弁４１６のディスク部４２２の外部ポート表面４２３に面して複数のチャンバポートを含む。ディスク部４２２は、流体処理領域４３０と、外部ポート４４２と流体処理領域４３０との間に延在する第１流路４４０と、流体処理領域４３０と弁４１６の管状部４２４内の流体移動領域４５０との間に延在する第２流路４３８とを含む。流体処理領域４３０は、流体移動領域４５０に連続的に流体連通する。外部カバー４２８は、流体処理領域４３０全体を覆って配置される。流体処理領域４３０は、そこを通って流れる流体を各種の音響的、光学的、熱的、電気的、機械的、または化学的な処理にかけるために使用してもよい。
【００７３】
図２５に示すように、プランジャーまたはピストンの形態をとる流体移動部材４５４は、軸４５２に沿って上下に移動するように、管状部４２４の移動領域４５０内に移動自在に配置される。ピストン４５４が上方に動くと、移動領域４５０の容積が拡大し、流体を移動領域４５０に引き込むための吸引が起こる。ピストン４５４が下方に動くと、移動領域４５０の容積が縮小し、流体が移動領域４５０から押し出される。ロータリ弁４１６をその軸４５２を中心としてハウジング４１２に対して回転したときに、外部ポート４４２をハウジング４１２内の１つのチャンバまたは反応容器に流体結合してもよい。ピストン４５４の動作に応じて、外部ポート４４２は入口ポートまたは出口ポートになる。
【００７４】
弁４１６の流体測定分配機能を実証するために、特定のプロトコルに対する弁４１６の動作を図２６Ａ〜図２６ＥＥに示す。図２６Ａおよび図２６ＡＡにおいては、外部ポート４４２が試料チャンバ４６０に流体連通するように弁４１６が回転されているので、ピストン４５４を引き上げると、流体試料が試料チャンバ４６０から第１流路４４０と、流体処理領域４３０と、第２流路４３８とを通って、流体移動領域４５０に引き込まれる。簡単にするために、ピストン４５４は図２６Ａ〜図２６ＥＥに図示されていない。
【００７５】
次に図２６Ｂおよび図２６ＢＢに示すように、外部ポート４４２が溶解流体（たとえば、溶解試薬または緩衝剤）が入っている貯蔵チャンバ４７０に流体連通するように、弁４１６を回転する。ピストン４５４を押し下げると、流体試料が流体移動領域４５０から貯蔵チャンバ４７０に移動する。次にピストン４５４を引き上げると、流体試料と溶解流体とが貯蔵チャンバ４７０から流体移動領域４５０に引き込まれる。溶解流体は試料と混合され、試料内の細胞またはウイルスの溶解を引き起こす。溶解プロセスを促進するために、追加のエネルギーを処理領域４３０に加えてもよい。流体が流体移動領域４５０から貯蔵チャンバ４７０に流れるとき、および／または貯蔵チャンバ４７０から流体移動領域４５０に戻るときに、たとえば、超音波ホーンなどの音響部材４７６を外部カバー４２８に接触させ、超音波エネルギーを処理領域４３０に伝達することによって、流体試料の細胞またはウイルスの溶解を促してもよい。好適な一実施形態における外部カバー４２８は、天蓋型または補強用肋材を含む境界壁である。
【００７６】
図２６Ｃおよび図２６ＣＣにおいては、外部ポート４４２を試薬チャンバ４７８に流体連通させるように弁４１６が回転されているので、ピストン４５４を押し下げると、溶解物が流体処理領域４３０から試薬チャンバ４７８に押し出される。一般に、試薬チャンバ４７８には、流体試料と混合する試薬（たとえば、ＰＣＲ試薬および蛍光プローブ）を収容する。次に、ピストン４５４を上下に動かすと、流体移動領域４５０と試薬チャンバ４７８との間で混合物がトグリングされ、試薬チャンバ４７８内で各流体が混合される。
【００７７】
図２６Ｄ、図２６ＤＤ、および図２６Ｄ’Ｄ’においては、外部ポート４４２を反応容器４１８に結合された第１ブランチ４８４に流体連通させ、反応容器４１８に結合された第２ブランチを交差溝４５６に流体連通させるように弁４１６が回転されている。第１ブランチ４８４と第２ブランチ４８６とは、弁４１６の軸４５２から異なる半径位置に配置されており、第１ブランチ４８４は、外部ポート４４２と共通の半径を持ち、第２ブランチ４８６は交差溝４５６と共通の半径を持つ。交差溝４５６も試薬チャンバ４７８（図２６Ｄ）に流体連通し、試薬チャンバ４７８と第２ブランチ４８６との間の空隙を架橋するので、その間に交差流が生じる。外部ポートは軸からの外部ポート半径の範囲内に配置され、交差溝は軸からの交差溝半径の範囲内に配置されており、外部ポート半径の範囲と交差溝半径の範囲は重ならない。交差溝４５６を外部ポート４４２の半径とは異なる半径に配置することによって、弁４１６の回転運動の結果として外部ポート４４２の半径位置の弁４１６とハウジング４１２との間の面付近に生じ得る汚染物質による交差溝４５６の二次汚染を避けられるという利点がある。
【００７８】
反応容器４１８を充填するには、ピストン４５４を引き上げて試薬チャンバ４１８内の混合物を交差溝４５６と第２ブランチ４８６とを通して反応容器４１８に引き込む。このような構成における反応容器４１８は吸引チャンバであり、第１チャンバとも呼ばれ、試薬チャンバ４７８はソースチャンバであり、第２チャンバとも呼ばれる。次に図２６Ｅおよび図２６ＥＥに示すように、弁４１６を回転して外部ポートを第１ブランチ４８４に流体連通させる。ピストン４５４を押し下げると、反応容器４１８内部の混合物が加圧される。核酸の増幅および／または検出を行うために、反応容器４１８を熱反応チャンバに挿入してもよい。反応容器４１８の反応チャンバの充填および排出は、２つのブランチ４８４、４８６を通して行われる。
【００７９】
図２６〜図２６ＥＥの流体制御処理システム４１０は、図１〜図９ＬＬのシステム１０を改造して外部ポートを１つにしたものである。同様に、図１０〜図１２の弁１００も改造して、２つの外部ポート１１１、１１２のうちの１つを取り除き、弁１００と各種のチャンバおよび反応容器１０４との間の流体チャンネル１３０〜１３８およびブランチ１４０、１４２を再構成することによって、外部ポートを１つにしてもよい。
【００８０】
したがって、本発明の範囲は、上記説明に言及して決定されるべきではなく、対応特許の全範囲とともに添付請求項に言及して決定されるべきである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
明細書に記載の発明。
【請求項１】
明細書に記載の発明。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９−１】
【図９−２】
【図９−３】
【図９−４】
【図９−５】
【図９−６】
【図９−７】
【図９−８】
【図９−９】
【図９−１０】
【図９−１１】
【図９−１２】
【図１０】
【図１１】
【図１２−１】
【図１２−２】
【図１２−３】
【図１２−４】
【図１２−５】
【図１２−６】
【図１２−７】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６−１】
【図２６−２】
【図２６−３】
【図２６−４】
【図２６−５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９−１】
【図９−２】
【図９−３】
【図９−４】
【図９−５】
【図９−６】
【図９−７】
【図９−８】
【図９−９】
【図９−１０】
【図９−１１】
【図９−１２】
【図１０】
【図１１】
【図１２−１】
【図１２−２】
【図１２−３】
【図１２−４】
【図１２−５】
【図１２−６】
【図１２−７】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６−１】
【図２６−２】
【図２６−３】
【図２６−４】
【図２６−５】
【公開番号】特開２０１３−６４７５０（Ｐ２０１３−６４７５０Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２６０９３０（Ｐ２０１２−２６０９３０）
【出願日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【分割の表示】特願２０１０−９８２５９（Ｐ２０１０−９８２５９）の分割
【原出願日】平成１５年２月１４日（２００３．２．１４）
【出願人】（５０４３２１７０６）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【分割の表示】特願２０１０−９８２５９（Ｐ２０１０−９８２５９）の分割
【原出願日】平成１５年２月１４日（２００３．２．１４）
【出願人】（５０４３２１７０６）
【Ｆターム（参考）】
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