サンプル処理カートリッジおよび遠心力の下でサンプルを処理および／または分析する方法
本発明は、遠心力に対してカートリッジの方向が変更されるとき、少なくとも２つの方向に作用する遠心力の下で処理を実施するためのサンプル処理カートリッジ（１０）に関し、カートリッジは、サンプルを収容するよう適合された第１キャビティ（１８）、第１キャビティと流体連通する第２キャビティ（２２）を含み、第１および第２キャビティは、カートリッジに働く遠心力が第１方向（３０）から第２方向（３６）に変更されるとき、第１キャビティ内のサンプルがそこから第２キャビティに移動するように配置され、第１キャビティは、第１方向に働く遠心力に垂直に延びて存在し、第２キャビティは第１キャビティと比較して浅く、第１キャビティが第１方向に働く遠心力の方向に延びる程度と比較して、第２方向に作用する遠心力の方向にさらに延びている。本発明は、遠心力の下でサンプルを処理および／または分析する方法にも関する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はサンプル処理カートリッジまたは容器に関する。本発明は、遠心力の下でサンプルを処理および／または分析する方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
細胞、粒子、および沈殿物の沈殿を促進するための、並びに密度が異なる液体または細胞の分離のための手段としての遠心分離は、長い間化学および生物化学の所定の手順として欠くことができない部分であった。
【０００３】
２次元の遠心分離は、一つの軸の周りの個々のカートリッジの回転を実行する装置内で一般的に得られ、これらのカートリッジは他の遠位の軸の周りの分離手段によって回転される。
【０００４】
米国特許第４，８８３，７６３号公報（Ｈｏｌｅｎら）は、その中に供給する試薬を含む実質的に閉じたチャンバで形成されるサンプルプロセッサカードを開示する。カードはサンプルをカードに供給するための入口手段、カードに供給されるサンプルを受け取るために入口手段と連通するキャピラリー手段、およびカードに与えられた第１方向の遠心力の影響下で入口手段からキャピラリー手段を通って進んできた過剰なサンプルを受け取るためにキャピラリー手段と連通するオーバーフロー手段を含む。カードは試薬供給から試薬を、第２方向でカードに作用する遠心力に対応してキャピラリー手段からサンプルを受け取るために使用される保持チャンバ手段、および、試薬とサンプルとの間の化学反応の測定を可能にする、保持チャンバ手段と連通するキュベット手段も含む。サンプルプロセッサカードの使用によって、カード内部の試薬およびサンプルの流れは、遠心分離機内でカードが高い遠心力を受けるとき、カード上の２つ以上の方向に働く遠心力のみによっておそらくは実現される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４，８８３，７６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、改良されたサンプル処理カートリッジおよび方法を提供することである。
【０００７】
この目的および以下の記載から明らかになる他の目的は、添付される独立請求項に規定される本発明によって実現されるだろう。さらなる実施形態が、添付される従属請求項に説明される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の局面によれば、遠心力が変更されるのに関してカートリッジの方向として少なくとも二つの方向に働く遠心力の下で処理を実行するためのサンプル処理カートリッジが提供され、カートリッジは、サンプルを収容するのに用いられる第１キャビティ、および第１キャビティと液体連通する第２キャビティを含む。ここで第１および第２キャビティは、カートリッジに作用する遠心力が第１方向から第２方向に変更されるとき、第１キャビティ内のサンプルがそこから第２キャビティに移動するように配置され、（ａ）第１キャビティは第１方向に働く遠心力に垂直に（カートリッジの平面内で）引き伸ばされ、（ｂ）第２キャビティは第１キャビティと比較して浅く、第１方向に働く遠心力の方向に第１キャビティが引き伸ばされるよりもさらに第２の方向に働く遠心力の方向に引き伸ばされている。
【０００９】
（ａ）からもたらされる技術的効果は、引き伸ばされたサンプル各点においてサンプルの他の部分よりも高い密度を有する材料の、第１キャビティの「底部」への距離が短いことである。（ｂ）からもたらされる技術的効果は、より浅い第２キャビティ内のサンプルが遠心力の方向により広げられ、これはサンプルからの、例えば血漿の除去を容易にすることである。一般的に、十分な遠心力が与えられたとき、カートリッジは様々な密度を有する流体要素（例えば、細胞からの血漿、または液体からのナノ／マイクロ粒子）の、非常に迅速でかつ正確なマイクロ分離を可能にする。これは、液体からの粒子（細胞を含む）の分離だけではなく、様々な密度の液体の分離（例えば血漿からの脂質）、様々な密度の粒子（細胞を含む）の分離を可能にする。
【００１０】
前記平面において、または前記平面と平行な平面において、第２キャビティは、第１キャビティが第１の方向に働く遠心力と垂直に延びて存在するのと比較して、第２方向に働く遠心力に対する垂直方向への延びが少なくてよい。
【００１１】
カートリッジは、そこを起点とするサンプルまたは材料が除かれてよい、少なくとも１つの追加のキャビティおよび／またはチャンネルを備えた、少なくとも１つの上部層および下部層をさらに含んでよい。これは、３次元の処理または試験または分析を可能にする。液体は小型のカートリッジ内で増加された機能を提供する複数の層の間で前後に動いてよい。
【００１２】
カートリッジは、そこから生じるサンプルまたは材料を測定するための、実質的にＶ−またはＵ−型のマイクロチャンネルをさらに含んでよい。カートリッジに、Ｖ−またはＵ−型のマイクロチャンネルの毛管力を超える遠心力を与えることによって、Ｖ−またはＵ−型のマイクロチャンネルの液体のメニスカスは常に遠心力に対して完全に垂直であってよく、それによってカートリッジの測定チャンネル内に含まれる液体体積の正確さを改善する。
【００１３】
カートリッジは、密度が高い流体粒子を阻止するように適合されるが、ただし低密度の液体および／または流体粒子を通過させる、１つ以上のトラップをさらに含んでよい。例示の目的のトラップは、入口チャンバ、中間のＵ形状のチャンネル、出口チャンバ、入口チャンバと中間チャンネルの一端との間の第１の２−チャンネルスプリッタ、および中間チャンネルの他方の端と出口チャンバとの間の第２の２−チャンネルスプリッタ、をさらに含んでよい。例として与えられる他のトラップは、その凹部分に入口と出口とを有する腎臓形状のループを含む。これらのトラップによって、粒子を保持するための多孔質バリアを含む必要がない。さらに、低密度の流体粒子は効果的にかつ繰り返し高密度流体粒子を通過し、それと相互作用する。
【００１４】
さらに、第１キャビティはカートリッジの平面内に延びて存在し、前記平面と垂直の深さを有し、第２キャビティは第１キャビティと比較して浅く、第１キャビティの幅と比較して、異なる方向に、かつ大きな量、前記平面内に延びている。
【００１５】
さらに、第２キャビティはチャンネルシステムとして構成されてよい。
【００１６】
さらに、カートリッジは、カートリッジのキャビティまたはチャンネル内に配置される少なくとも１つの多孔質材料を含んでよく、他の材料（例えば、そこから送られるサンプルまたは材料および／または少なくとも１つの試薬または類似のもの）が、遠心力に対してカートリッジの方向を変えることによって、多孔質材料を通って通過し得る（横断および／または横方向流れ）ようにする。例えば、多孔質材料が上部層および／または下部層への中間チャンネル内に配置されてよい。同様に、カートリッジが中間チャンネルへの入口を含んでよく、この入口はカートリッジの１つの層の中間チャンネルの一端に配置され、入口は中間チャンネルからの出口と実質的に同じ方向に配置され、この出口はカートリッジの他の層の中間チャンネルの他端に提供され、液体が中間チャンネルの全体積を通じて流れるようにする。例えば、多孔質材料はフィルタ、多孔質膜、交差流路フィルタ、ピラーを備えたチャンネルまたはキャビティ、ビーズまたは粒子状材料を保持するための１つ以上の多孔質ストッパ、粒子または繊維材料または球形ビーズなどで満たされたチャンネルであってよい。フィルタまたは多孔質膜はディスク状のカートリッジの面に対して０°から９０°の間の任意の角度で配置されてよい。多孔質材料は、濃縮、分離、および分画、または媒体交換の目的で使用されるとき、ただし化学的および／または電気化学特性にも基づき、様々な分子量を有する分子および粒子を保持するサイズフィルタとして機能してよい。さらに、多孔質材料は、それを通って流体／液体流が通過する、任意のタイプのセンサ、リアクタ、またはアクチュエータ、典型的にはフォトニック結晶センサであってもよい。さらに、前記多孔質材料の表面は、正または負に帯電された基、極性基、疎水性基、または流体内部の分子と相互作用し得る他のタイプの化学的特徴または活性を有する化学基により化学的に官能化されてよい。典型的に、これらはシリカ、イオン交換材料、など様々なタイプのクロマトグラフィー媒体であってよい。さらに、前記多孔質材料の表面は、酵素または他のタイプの触媒材料などの、特定の捕捉特性、化学活性を備えた分子で化学的に官能化されてよい。分子は特定の抗体、核酸プローブ、レクチン、または受容体リガンドシステムの任意の１要素、例えば（ストレプト）アビジンおよびビオチンなど、酵素およびその酵素基質であってよい。遠心力に関連するカートリッジの方向によって制御されるとき、体積比に対して大きな表面積を与える多孔質材料を通る液体流の組み合わせ、溶液中の分子と多孔質材料表面の反応基との間の広範囲の相互作用を可能にし、それによって、結合、捕捉、酵素転移などの化学または物理反応の速度を実質的に増加させる。遠心力に関して変更されたカートリッジの方向は、液体が多孔質材料、アクチュエータ、リアクタ、またはセンサを通って前後に洗浄するのに使用されてよく、それによって溶液中の分子が多孔質材料表面上の固定された基と相互作用する確率を増加させる。
【００１７】
本発明の他の局面によれば、遠心力の下でサンプルを処理および／または分析する方法が提供され、この方法は以下を含む：上述のサンプル処理カートリッジの第１キャビティ内にサンプルを準備する段階、カートリッジに第１方向に働く遠心力を与える段階、および遠心力を第１方向から第２方向に変更する段階。この局面は、前述した局面と同様の特徴および技術的効果を示し得る。
【００１８】
カートリッジは、外部軸に関してカートリッジを回転させることにより遠心力を与えられてよく、遠心力の方向がカートリッジ内部の軸に関してカートリッジを回転させることにより変更される。
【００１９】
さらに、カートリッジは、（上述の）Ｖ−またはＵ−形状マイクロチャンネルの細孔力を超える遠心力を与えられてよい。
【００２０】
さらに、そこから生じるサンプルまたは材料は、前記第１および第２キャビティを含むチャンネルおよびキャビティの第１システムに平行なカートリッジの平面に横方向に延びるチャンネルおよびキャビティの（第２）システムに入ることが可能とされてよい。
【００２１】
この方法は、他の材料流体が（上述の）多孔質材料を通過するような、遠心力に関するカートリッジの方向の変更をさらに含んでよい。
【００２２】
本発明によれば、少なくとも２つの方向に働く遠心力の下で処理などを実施するためのサンプル処理カートリッジも提供され、このカートリッジは以下を含む：サンプルを含むように適合された第１キャビティ、および第１キャビティと連通する液体内の第２キャビティまたはチャンネルシステム、ここで第１キャビティはカートリッジの面内に延ばされて存在し、前記面と垂直な深さを有し、第２キャビティまたはチャンネルシステムは第１キャビティと比較して浅く、第１キャビティの幅と比較して大きな量だけ、異なる方向で前記面（または前記面に平行な面）内に延びる。このカートリッジは、前述した局面と同じ特徴および技術的効果を示してよい。特に、それは、異なる密度を有する液体要素（例えば、細胞からの血漿、または液体からのナノ／マイクロ粒子）の非常に迅速なマイクロ分離を可能にする。
【００２３】
これらの特徴およびさらに本発明について、本発明の実施形態を示す、添付される図面を参照してさらに詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１ａ〜１ｃは本発明の実施形態によるサンプル処理カートリッジの上面図を表す。
【図２】図１ａ〜１ｃのカートリッジの概略的な断面側面図である。
【図３】図３ａ〜３ｅは本発明の実施形態によるトラップの上面図である。
【図４】本発明の他の実施形態によるトラップの上面図である。
【図５】本発明の実施形態によるサンプル処理カートリッジの概略的な断面側面図である。
【図６】本発明の１つまたは複数の実施形態による他のサンプル処理カートリッジの部分的な上面図である。
【図７】本発明の１つまたは複数の実施形態によるさらに他のサンプル処理カートリッジの上面図である。
【図８】本発明の１つまたは複数の実施形態によるさらに他のサンプル処理カートリッジの上面図である。
【図９】図８のカートリッジ内の多孔質フィルタ膜を示す拡大された上面図である。
【図１０】図９の印がついた部分の断面Ｂ−Ｂ’の断面である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
概して、本発明は分析サンプルおよび試薬処理装置（カートリッジ）および方法の提供を追求し、ここで装置はその中に保存される試薬を備えることができ、そこにサンプルを供給し、その後、液体を１つのキャビティまたはチャンバの中から１つ以上の他のチャンバに（分割）効果的に移動するために、遠心力に関連して制御された方法でカートリッジの方向を変更することによってそこに２またはそれ以上の次元で遠心力を与え、試薬とサンプルとを混合し、かつ可溶性試薬と機能化された表面との間の効果的な相互作用を可能にし、化学的反応を測定することによって、一連の化学分析を２次元または３次元で実行することができる。
【００２６】
本発明は、双方が様々な密度を有する流体要素（液体、細胞、溶解されたナノおよびマイクロ粒子、繊維、およびそのようなものの破片）の効果的な分離、並びにカートリッジ内部の様々な形状のマイクロチャンネルおよびキャビティ内部の様々な液体のｎＬ量、μＬ量、並びにｍＬ量の処理および移動に使用することができる、かつこれらの液体を、ナノおよび／またはマイクロ粒子を保持するチャンネルまたはキャビティ、多孔質構造（例えば多孔質膜および／またはフィルタ）、およびピラー構造内で得られるような、非常に大きな機能表面と相互作用させるために使用することができる、新規の流体の機能の提供をさらに追及する。これらの機能は、どのようなアクチュエータ（ポンプ、バルブ、またはカートリッジ内で流れを制御するための表面改質）も必要とせず、方向を有する液体流に関する細孔力に依存する必要はない。これは、カートリッジ内で流体要素に働く遠心力に関して単にカートリッジの方向を変更することによって、および流体要素の流れは可能となるキャビティおよびマイクロチャンネルの発明的設計によって、得ることができる（マイクロ流体素子）。
【００２７】
本発明の実施形態によるサンプル処理容器またはカートリッジ１０が図１ａ−１ｃおよび２を参照して記述される。
【００２８】
カートリッジ１０は、上部面１２および下部面１４を含み、これらは側壁１６とともに、概してプレートまたはディスク形状の本体を画定する。上部面１２および下部面１４はホイルのカバーであってよい。カートリッジ本体内には、上部面１２および下部面１４によって覆われた複数の相互接続されたチャンバまたはキャビティおよびチャンネルなどが提供される。カートリッジは光学的に透明であってよく、半透明であってもよい。カートリッジは例えば環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ポリスチレン、またはポリカーボネートなどのプラスチックで作られてよい。カートリッジは、使い捨てかつシール可能であってよい。さらに、カートリッジのキャビティおよびチャンネルは、成形、熱エンボス加工、フライス加工などで提供されてよい。
【００２９】
特に、カートリッジ１０は第１分離キャビティ１８を含む。第１キャビティ１８は、面１２および１４に平行なカートリッジの面Ｐ内に延びて（図１ａの点線に沿って）存在する。第１キャビティ１８の幅はＷ１８で示され、第１キャビティの長さはＬ１８で示される。さらに、カートリッジは、サンプルを第１キャビティ１８内部に供給する入口手段２０を含むか、またはそれと流体連通する。
【００３０】
第１キャビティ１８は、カートリッジ１０の第２キャビティ２２と流体連通する。図１ａ−１ｃおよび２に示される実施形態において、第１キャビティ１８および第２キャビティ２２は１つのキャビティの基本的に異なる部分であるが、あるいはそれらは分離されてよく、例えばチャンネル（図示されない）によって接続されてよい。
【００３１】
第２キャビティ２２は、Ｌ２２の量（この量または長さＬ２２＞Ｗ１８）、面１２および１４に平行な前記面内の方向（図１ａおよび１ｂに点線で示される）に延びて存在する。この方向は、図１ａ−１ｃの上面図に見られるように、第１キャビティの幅の方向と異なる。さらに、第２キャビティ２２は概して第１キャビティ１８の長さ（Ｌ１８）と比較して幅が狭い。また、図２の側面図に見られるように、第２キャビティ２２は（より深い）第１キャビティ１８と比較して浅い。第１キャビティ１８の深さはＤ１８で表され、第２キャビティ２２の深さはＤ２２で表される。深さの実際の差は、例えば２：１から１０：１であってよい。第１キャビティ１８と第２キャビティ２２との間は、いくらか丸みを有して、または斜めになって推移してよい。
【００３２】
使用の間、カートリッジ１０は概して水平に配置され、遠心分離装置（図示されない）内に提供される。使用されてよい遠心分離装置の例は、発明の名称が「Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｔｉｏｎ ａｐｐａｒａｔｕｓ、ｕｓｅ ｏｆ ｓｕｃｈ ａｎ ａｐｐａｒａｔｕｓ， ａｎｄ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ」である、その内容が参照によりここに組み込まれる、本出願人の同時係属特許出願に開示される。使用され得る遠心分離装置の他の例は、その内容が参照によりここに組み込まれる、米国特許第４，８１４，２８２号公報（Ｈｏｌｅｎら）に開示される。
【００３３】
遠心分離装置において、カートリッジ１０およびその中の任意のサンプルまたは試薬に遠心力を与えるため、カートリッジ１０は遠位の垂直軸２４に関して回転してよい。さらに、カートリッジ１０はカートリッジと交差する垂直軸２６に関して回転してよく、遠心力に関するカートリッジの向きを変更するようにする。これは、２次元の遠心分離と呼ばれてよい。
【００３４】
遠心力の下でサンプルを処理または分析する方法の例において、まずサンプル２８が入口手段２０を介して第１キャビティ１８に提供される。サンプル２８は例えば血液サンプルであってよく、典型的には約１０μＬ（マイクロリットル）であり、ただし原則として１マイクロリットルの数分の１から数ｍＬの範囲であり得る。
【００３５】
次いでカートリッジは、典型的には１００×Ｇから２０００×Ｇの間である（ここでＧは地球表面の重力）遠心力３０を受ける。図１ａに見られるように、遠心力３０は、第１キャビティ１８に実質的に垂直である方向に働く（第１キャビティ１８は遠心力３０に垂直に延びて存在する）。この段階において、血液サンプル２８内の血漿３２（血液サンプル２６中で血漿は血液細胞３４と比較して低い密度を有する）は、重い血液細胞３４から分離される。
【００３６】
その後、軸２４の周りの回転の間、カートリッジ１０も内部軸２６に関して回転され、カートリッジのマイクロチャンネルおよびキャビティに関する遠心力の方向が変更される。カートリッジに働く遠心力の「新たな」方向は３６で表され、図１ｂに示される。カートリッジがそのように回転されるので、サンプルは深い第１キャビティ１８から浅い第２キャビティ２２まで移動される。さらに、第２キャビティ２２は、第１キャビティが以前の遠心力３０の方向に延在されたのに比べて、「新たな」遠心力３６の方向にさらに延ばされて存在する。すなわち、第２キャビティ２２の長さＬ２２は、第１キャビティ１８の幅Ｗ１８と比較して大きい。
【００３７】
浅い第２キャビティ２２において、遠心力３６が与えられる一方で、分離されたサンプルは遠心力の方向にさらに広がる。これは、図１ｂに説明されるように、内部軸２６に関してカートリッジ１０をさらに回転することによって、血漿３２を除くことを容易にし、分離の総時間は低減される。次いで分離された血漿３２は、カートリッジ１０の他の部分において、さらなる処理または分析または試験を受けてよい。
【００３８】
カートリッジ１０は、Ｖ−またはＵ−形状のマイクロチャンネル３８をさらに含んでよい（例えば図１ｃ参照）。このチャンネルは様々な形状を有してよい。正確な測定を行うために、２つの相互接続されたチューブ３８ａ、３８ｂの間に、定義されたマイクロ流体ループがあるとよく、遠心分離に起因してそれらの間で液体は釣り合う（同じ高さになる）。Ｕ−形状（またはＶ−形状）マイクロチャンネル３８は、典型的には面Ｐなど面１２および１４に平行な面内に位置する。Ｕ−形状のマイクロチャンネル３８は典型的には約５０−２００μｍの幅を有する。Ｕ−形状のマイクロチャンネル３８は、例えば血漿３２を受け取りかつ測定するために、第２キャビティ２２に続いて配置されてよいが、その代わりに、他の測定を目的として、カートリッジ１０内の他の場所に配置されてもよい。
【００３９】
Ｕ−形状のマイクロチャンネル３８内の液体（例えば血漿３２）に連続的に働く遠心力は、マイクロチャンネル３８の細孔力を大きく上回るように随時調節されてよい。幅１００μｍのＵ−形状マイクロチャンネル３８に関して、細孔力を超える遠心力は典型的には約１００×Ｇである。表面張力および細孔力が上回り、Ｕ−形状の湾曲部分が実質的に遠心力の方向を指すとき、液体のメニスカス４０は液体に働く遠心力４１と完全に直角である。これは、カートリッジ内に含まれる液体の体積を測定するとき、精度を改善する。遠心力に関して（すなわち、内部軸２６に関して）カートリッジをさらに回転することによって、メニスカス４０は遠心力と直角に保持され、液体の正確かつ制御された移動を可能にする。
【００４０】
カートリッジ１０のようなサンプル処理カートリッジは、密度が高い流体粒子（典型的には粒子および細胞）を保持するための少なくとも１つのトラップをさらに含んでよく、一方で低密度の流体要素（液体および懸濁液中の粒子）は高密度の要素によって置き換えられ、故に低密度の要素はデカンテーションの原理に従ってトラップを通過および出ることが可能になる。カートリッジに働くｇ−力（遠心力）は、含有される流体要素の密度に従って沈殿を調節するよう変更されてよい。少なくとも１つのトラップが、免疫凝集（典型的にはラテックス免疫測定法）を通じて典型的に得られる凝集体を分離および洗浄するのに、および／または捕捉のための固相として働く機能化マイクロ粒子またはナノ粒子で作られたカラムを構築するのに、または化学的もしくは物理的相互作用に関する他のタイプの表面を構築するのに、使用されてよい。少なくとも１つのトラップを用いることによって、液体よりも高い密度の粒子を保持する多孔質バリアを有する必要がなくなる。粒子はカートリッジ内部の任意の場所に適切に分配されてよく、次いで懸濁液は２次元遠心分離を通じて少なくとも１つのトラップ内に移送されてよく、そこで粒子の密度とカートリッジに働く遠心力の方向に関連して液体の流れを制限するキャビティおよびチャンネルの構造とに起因して、粒子「カラム」または多孔質プラグが形成される。
【００４１】
液体（多孔質カラム／プラグの粒子と比較して密度が低い）は次いで２次元遠心分離作用により多孔質カラム／プラグを迅速に、１度または複数回通過させられてよい。もしもこれらの粒子が、例えば正もしくは負に帯電した基、極性基、疎水性基、または流体内部の分子と相互作用し得る他のタイプの化学特性もしくは作用を有する化学基、などの化学官能基を有する場合、固定された生体分子、典型的には酵素またはモノクローナル抗体もしくはそのフラグメントなどの生体特異性捕捉分子、ストレプトアビジン、単鎖核酸（Ｎ．Ａ．）フラグメント／プローブ、または他のレセプタ分子、付属の酵素基質、抗原、エピトープ、アビジン保持分子、核酸単鎖または溶液内リガンドは、固定化レセプタ分子と相互作用を強いられる。この方法によって、非常に迅速かつ効果的な相互作用、および全てのタイプのリガンド分子の粒子への捕捉、並びに洗浄工程において典型的に使用される高密度の粒子からの低密度の液体の非常に効果的な分離が得られてよい。これは、典型的にはクロマトグラフィー処理に適し、ここで随時流体の流れは遠心力の方向によって注意深く制御される。これらのタイプのトラップ構造は、図１に関連して記載されるデカンテーションによる、異なる密度の液体および／または粒子の非常に正確な分離を改善しかつ簡単化する。
【００４２】
トラップの例は図３ａ−３ｅに説明され、４２で示される。トラップ４２は、入口チャンバ４４、中間Ｕ形状チャンネル４６、出口チャンバ４８、入口チャンバ４４と中間チャンネル４６の一端５２との間の第１の２チャンネルスプリッタ５０、および中間チャンネル４６の他端５６と出口チャンバ４８との間の第２の２チャンネルスプリッタ５４を含む。トラップ４２は、典型的には、面１２および面１４に平行なカートリッジ１０の平面（面Ｐなど）内に位置するよう配置される。
【００４３】
操作または使用の間、カートリッジ内のトラップ４２は、図３ａに説明されるように、遠心力５８をまず受ける。入口チャンバ４４に到達する液体６０および粒子６２を含む懸濁液は、遠心力５８に起因して、トラップ４２を通って広がる。
【００４４】
懸濁液の粒子６２は、周囲の液体６０よりも密度が高いことに起因して、Ｕ形状チャンネル４６内で沈殿を開始し、遠心力５８は、図３ｂに説明されるように、最終的に多孔質プラグまたはカラムに粒子６２を詰める。
【００４５】
図３ｂに湾曲した矢印で示されるようなトラップ４２の傾き（例えば、外部軸に関して回転される間、内部軸の周りでカートリッジを回転することによる）は、粒子６２により形成されるカラムを通じて液体６０を効果的に勢いよく流す。液体６０および粒子６２はその時点での遠心力に従って随時移動してよいが、液体６０と比較して高い密度を有する粒子６２は、図３ｃおよび３ｄにさらに説明されるように、遠心分離中心から最も離れたトラップ４２の一部を占有する。図３ｃおよび３ｄに見られるように、２チャンネルスプリッタ５０および５４は各々、粒子６２をトラップし一方で液体６０が通過し得る、急な角度（＜９０°）を有する屈曲６４を有する。
【００４６】
繰り返されるカートリッジの（および、故にトラップ４２の）制御された傾きによりトラップ４２に粒子６２が保持されてよく、一方で液体６０は粒子６２で形成されたプラグまたはカラムを通って前後に流れ、液体６０内の分子を粒子６２の表面分子と相互作用させる。これは、様々なレセプタリガンド系における効果的な相互作用、並びに効果的な洗浄を可能にする。
【００４７】
液体６０の大部分は、粒子６２を囲む少量を除いては（空隙容量）、流子６２から分離され、図３ｅに説明されるように出口チャンバ４８の排出によりトラップ４２を空にする。
【００４８】
トラップの他の例が図４に説明され、６６で示される。トラップ６６は、その凹部に入口７０および出口７２を備えた腎臓形状のループチャンネル６８を含む。トラップ６６は、典型的には面１２および１４に平行なカートリッジ１０の面（例えば面Ｐ）に位置して配置され、トラップ６６の機能は図３ａ−３ｅに説明されるトラップ４２の機能と同様である。
【００４９】
図３および図４の構造の組み合わせおよびその変形は、分析に含まれる処理および材料に従って決定されてよい。
【００５０】
カートリッジ１０のようなサンプル処理カートリッジは、少なくとも１つの追加のチャンネルおよび／またはキャビティを備えた１つ以上の上部層および／または下部層をさらに含んでよい。言い換えれば、カートリッジは、前述のチャンネルおよびキャビティの組みに平行な面内に横方向に延びて存在するチャンネルおよびキャビティの１つ以上のシステムを含んでよい。そのようなカートリッジの例は図５に概略的に説明され、さらなる例が図８−１０に説明される。図５のカートリッジは、キャビティ７６を含む様々なキャビティおよびチャンネルを備えた階層または層７４を含む。層７４内の様々なキャビティおよびチャンネルは、例えば前述の第１および第２キャビティ、Ｕ形状マイクロチャンネルなどであってよい。
【００５１】
図５において、カートリッジはキャビティ８０を備えた上部層７８をさらに含む。上部層７８は層７４の上に配置される。上部層７８のキャビティ８０は中間レベルチャンネル８２によって層７４のキャビティ７６と流体連通する。中間レベルチャンネル８２は、それらの間に斜めにまたは対角線上に延びてよい。カートリッジ内でキャビティ７６、８０、および中間レベルチャンネル８２を適切に配置することによって、液体および懸濁液などの流体物が、カートリッジ内の流体物に働く遠心力の方向が変わるとき（例えば、外部軸に関して回転される間、内部軸に関してカートリッジを回転する）、キャビティ７６とキャビティ８０との間の中間レベルチャンネル８２を介して効果的に移送され得る。液体を低いキャビティ７６からキャビティ８０まで移送する場合、典型的にカートリッジに作用する約１０×Ｇから約１０００×Ｇの遠心力は、液体がキャビティ７６からキャビティ８０へと上方に動くとき、重力を超えるのに十分大きい。
【００５２】
上部層７８の代わりに、またはそれを補完するために、カートリッジは１つ以上の下部層８４を含んでよい。下部層８４は上部層７８と同様のものであってよいが、図５に示されるように、上部層に対して層７４の反対側に配置される。
【００５３】
それ故に、３次元の処理または試験または分析は、上部または下部層７８および８４への液体または流体要素の通過を可能にすることによって実現されてよい。要素が上部または下部層に達したとき、要素は、遠心力に関してカートリッジを回転することによって、元々の面または他の面内に戻されるまで、その面でマイクロチャンネルおよびキャビティの構造に従って処理されかつ横方向に移送され得る。液体は、プレート型カートリッジの領域を広げる必要なく小型デバイスにおける機能の増加を可能にする複数の層の間を、前後に動いてよい。
【００５４】
典型的には、過剰な液体または不要物を吸収および捕捉するための吸収パッドなどの吸収材料が、カートリッジのさらなる面に配置されてよい。
【００５５】
同様に、粒子を濾過するための、または特定の分子と化学的に相互作用する、もしくは捕捉するためのフィルタまたは多孔質膜が、ある層から他の層への通路（例えば中間レベルチャンネル８２）に配置されてよい。この種の多孔質フィルタは、吸収材料と直接組み合わせて、またはカートリッジの下部または上部層に延びる新たなキャビティおよびチャンネルと組み合わせて、使用されてよい。そのようなフィルタまたは多孔質膜の例は図１に示され、８５で示される。
【００５６】
図６は、本発明の１つまたは複数の実施形態による他のサンプル処理カートリッジの一部の上面図である。図６に説明されるカートリッジは、２次元遠心分離システムにおいて、ｇ−力（遠心力）と垂直に延びる深いチャンネルからの第２の遠心分離位置での半径方向に延びる浅いチャンネルシステムへの移送と、密度が高い細胞（粒子）を保持し一方で細胞よりも密度が低い血漿分は通過が可能であるトラップとしてのこの浅いチャンネルシステムの構造とを両方使用して、血液サンプル全体の細胞から２つの画定された血漿の一定分量を分離するよう設計される。そのような工程は、発明の名称が「Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｔｉｏｎ ａｐｐａｒａｔｕｓ、ｕｓｅ ｏｆ ｓｕｃｈ ａｎ ａｐｐａｒａｔｕｓ， ａｎｄ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｔｉｏｎ， ａｎｄ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ」である、本出願人の同時係属特許出願に開示されるカメラ−ストロボシステムにより監視され制御されてよい。浅いチャンネルシステムは、各フラクション（ａおよびｂの各々）の個々の正確な測定を可能にする液体分割システムにさらに接続される。
【００５７】
特に、図６のカートリッジは、全血液のための入口２０および深い（「第１」）キャビティ１８の一端に配置された不要物出口８６を含む。前述のように、深いキャビティ１８は、入口２０を介して提供された全血液サンプルの血液細胞から血漿を分離するよう働く。深いキャビティ１８の他端において、密度により液体要素（細胞／粒子）をトラップするための浅いチャンネルシステム２２’が接続される。浅いチャンネルシステム２２’は、全体的に遠心力３４の方向に引き延ばされ、前述の第２キャビティ２２の変形形態である。浅いチャンネルシステム２２’は、その一端が深いキャビティ１８と流体連通し、他端が急角度で浅いチャンネルシステム２２’のループチャンネル９０と接続される、入口チャンネル８８を含む。浅いチャンネルシステム２２’は、同様にループチャンネル９０と接続されるが、図６に示されるようにＹ形状の接続である、出口チャンネル９２をさらに含む。
【００５８】
図６のカートリッジは、ループチャンネルを洗浄し、測定されたサンプルフラクションが測定ループから任意の後続の反応チャンバ（例えば、キュベット、粒子カラム、またはフィルタ）へと完全に移送されることを確実にする、分析バッファーのための第２入口９４、過剰な血漿のための第２不要物出口９６、および個別のフラクション（例えば血漿）を分割および測定するためのシステム９８をさらに含む。前記システム９８は、互いに隣り合って配置された、１つが血漿の各フラクションａおよびｂに関する、２つのＵ形状マイクロチャンネル３８ａ、３８ｂを含んでよい。Ｕ形状マイクロチャンネル３８ａ、３８ｂは前述のＵ形状マイクロチャンネル３８として形成され操作されてよく、それによって同じかまたは異なるが正確な、遠心力に関してカートリッジの方向により決定される液体体積を測定する。血漿の分割フラクションは、同じ分析の平行操作、分析物の様々な感度範囲、または様々な解析を可能にする、同じ試薬または異なるタイプの試薬に曝されてよい。
【００５９】
規定される段階において遠心力に関連して図６のカートリッジの方向を前後に続いて変更することによって、カートリッジ内のサンプルまたは他の材料の分離、トラッピング、分割、乾燥試薬の溶解、混合、および測定が実施されてよい。
【００６０】
図７は本発明の１つまたは複数の実施形態による他のサンプル処理カートリッジの上面図である。図７に説明されるカートリッジは、全血液サンプルの血液細胞からの例えば血漿の分離に関する分離キャビティを含む。分離キャビティは、深い領域１８および浅い領域２２’を含む。深い領域１８は、前述の第１キャビティ１８と同じであり、浅い領域２２’は前述の第２キャビティ２２の変形形態である。分離キャビティは、その一端で、遠心分離のとき外部サンプル分配装置１０８からサンプル（例えば、全血液サンプル）を受け取る入口またはキャビティ２０’と流体連通する。分離キャビティは、その前記端において前述したように、下部の、または上部の流体システムに液体が入ることを可能にする開口またはチャンネル８２’とも流体連通する。分離キャビティの反対側の端において、前述のように、それは測定を目的としてＵ形状マイクロチャンネル３８と流体連通する。
【００６１】
図７のカートリッジは、バッファーを分割するためのチャンネルおよびキャビティのシステム１００、および溶解されバッファーと混合されかつ、説明されたような、プログラムされたシーケンスに従って処理される乾燥試薬を保持するためのチャンネルおよびキャビティのシステム１０２をさらに含んでよい。
【００６２】
同様に、図７のカートリッジは、トラップ１０４をさらに含んでよい。トラップ１０４は、密度が高い流体粒子を保持し、一方で低い密度の液体要素を通過可能にするよう適合され、図３ａ−３ｅおよび４の各々におけるトラップ４２および６６と同様のものであってよい。トラップ１０４の１つの入口は、キャビティ１０６を通ってＵ形状マイクロチャンネル３８から測定サンプルを、かつシステム１０２から試薬を供給するチャンネルシステムに接続される。トラップ１０４の他端は、出口８２”（典型的にはカートリッジの他の面において不要物チャンバまたは不要物パッド）と流体連通する。
【００６３】
図７のカートリッジに遠心力を与え、次いで遠心力に関して適切にカートリッジの方向を変えることによって、カートリッジ内のサンプルまたは他の材料の移送、分離、分割、洗い流し、乾燥試薬溶解、混合、トラッピング、洗浄、測定などは、続いておよび／または平行に部分的に実施されてよい。
【００６４】
サンプル分配装置１０８は、カートリッジ上に留められてよい。サンプル分配装置はサンプルを引き込む（典型的には指の血液から取り込まれるような、全血液１０μＬ）ためのキャビティ１１０、およびサンプル分配装置１０８がカートリッジに取り付けられるとき開口されるバッファーキャビティ１１２を含む。
【００６５】
図８−１０は本発明の１つまたは複数の実施形態による他のサンプル処理カートリッジを説明する。図８に説明されるような、および図９および１０に関してさらに詳細に記述されるようなカートリッジは、中間多孔質材料を含む。多孔質材料は、典型的には、サンプルと試薬が多孔質材料を通って洗い流されるとき起こる反応の任意のシーケンスを通じて、その上に着色された、蛍光の、または他のタイプの光学的に活性な化合物が形成された、フィルタまたは多孔質膜であってよい。回転するカートリッジの上方または下方に配置される光学的センサ（すなわちデジタルカメラ）によって着色された表面を見るために、多孔質膜の主たる表面は、カートリッジを保持する回転ディスク（図示されない）の面にあるのが好ましい。図８−１０に説明される構造は、回転ディスクの面に平行に配置される多孔質膜８５の全領域を通って、液体が遠心力に垂直に通過することを可能にする。液体は遠心力の下で混合キャビティ１０６’から、（入口）チャンネル８０を通って中間レベルチャンネル８２内部に流れる。次いで液体は、カートリッジの下部層内の（出口）チャンネル７６内部にさらに流れることができる前に、中間レベルチャンネル８２を満たす。遠心力の作用に関連してカートリッジの方向を変えることによって、液体はチャンネル７６の延長においてキャビティ１０７内に流れる。液体は中間レベルチャンネル８２内で、遠心力に関してカートリッジの方向を繰り返し変えることによって、キャビティ１０６’および１０７の間を多孔質膜８５を通って前後に洗い流してよい。さらに、液体は不要物キャビティ、典型的には吸収パッドに直接導かれてよく、またはチャンネル８０’を通ってさらなる処理のために他の中間レベルチャンネル８２’’’を通って流れることが可能である。
【００６６】
以下において、図８に示される構造を例として、本発明の技術的効果および利点が説明される。カートリッジは、発明の名称が「Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｔｉｏｎ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｕｓｅ ｏｆ ｓｕｃｈ ａｎ ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ」である、本出願人の同時係属特許出願に記載される遠心分離装置と組み合わせて使用されるのが好ましいが、米国特許第４，８１４，２８２号公報（Ｈｏｌｅｎら）に記載される装置と組み合わせて使用されてもよい。この特定の例において、分析システムを通って免疫膜流に基づく少量の血液サンプル内の特定の血漿−たんぱく質（抗原）の量の測定に使用されたカートリッジが記載された。
【００６７】
サンプル分配装置１０８は、開口キャビティ１１０の細孔力を使用して指を刺すことにより全血液として少ない体積を引き込むために使用される。引き込まれる全血液の体積は、キャビティ１１０の体積によって決定されるが、通常０．１μＬから１００μＬの間であり、典型的には１０μＬである。カートリッジの流体構造および自動化回転および回転が、自動化分析試験の遅い段階においてサンプルの１つまたはそれ以上の血漿フラクションの正確な測定結果を与えるため、全血液の正確な体積は手続のこの段階ではそれほど重要ではない。
【００６８】
次いで操作者はサンプル分配装置１０８をカートリッジ１０のコア要素と結合し、これらはスナップロックなどの適切なシステムによって互いに保持される。これによって、カートリッジは、小さな隠れた通気孔（図示されない）を除いては完全に密閉された、好ましい状態になり得る。
【００６９】
この一体化において、液体試薬を保持するキャビティ１１２は、例えばホイルを切断することによって開口される。液体試薬を含むキャビティ１１２はサンプル分配装置の一部である必要はないが、カートリッジのどこか（例えば上部または下部層）に配置されてよい。さらに、カートリッジまたはサンプル分配装置は様々な液体および／または乾燥試薬を備えた幾つかのキャビティを有してよい。サンプル分配装置１０８およびカートリッジ１０のコア要素を一体化した後、カートリッジは装置の操作者によって遠心分離装置内に配置される。遠心分離装置内の所定の位置にカートリッジを保持する機構を除いて、カートリッジと装置との間には、例えばポンプ結合、バルブコントローラ、電気コンタクトプラグ、または他のタイプの接合部分などの、どのような接合部分も必要ない。遠心分離装置は、この遠心分離プレートを回転することによってカートリッジを遠心力に曝す前に、遠心分離装置の主遠心分離プレート上で０°とみなされる規定された第１の方向にカートリッジを向けるように設計される。
【００７０】
遠心分離装置内部の手段は、初期段階の間、典型的にはカートリッジ上のバーコードなどを読み取り、このバーコードなどはカートリッジを識別し、装置が以下の手順で自動的に実施する遠心分離回転およびカートリッジ回転のための適切なプログラムを選択する。
【００７１】
図８に示されるような、遠心力３０＝０°である方向にあるカートリッジ１０の回転（典型的には４０Ｈｚ）において、キャビティ１１２の液体バッファー試薬は遠心力によってキャビティ１００に移動し、キャビティ１００、１０５、および１０７の間でさらに分割され、一方で全血液サンプルは入口手段２０を介して第１キャビティ１８内部に移動する。全血液サンプルは、遠心力（典型的には５００×Ｇ）に起因して、遠心軸から最も遠く離れた、キャビティ１８の一部に広がることを強いられる。このキャビティ１８（引き延ばされかつ深い）は、遠心力に垂直な面に延びて存在し、血液サンプルはキャビティの縁部（「底部」）１９に近い薄い層内に広がる。血液サンプル内部の血液細胞は、血漿よりも密度が高いことに起因して、遠心軸から最も遠い領域に移動し、壁１９に最も近い領域を占有し、それによって遠心軸の近くに薄いが識別可能である血漿層を形成する。血液細胞を含まない血漿薄膜は、遠心分離プレートの半径および遠心分離の速度に依存して、典型的には２０から１２０秒の間に形成される。
【００７２】
図８に記載されるカートリッジが時計回り（＜５６°）に回転するとき、血漿および血液細胞は２つの異なる層内に第２キャビティ２２内部に移動する。第１キャビティ１８と比較して遠心力の方向にはより延びて存在するが、遠心力に垂直な面内でより浅くかつ狭い、この第２キャビティ２２において、血液細胞からの血漿の分離は維持される。これは、血漿表面から血液細胞への距離が、その前のキャビティ１８内にあるときと比較して実質的に大きいことを暗に示している。
【００７３】
さらに時計回りに５６°にカートリッジを回転することによって、細胞を含まない血漿のフラクションは測定キャビティ３８内部に流れる。この回転の間、キャビティ１００、１０５、および１０７内の液体試薬は、遠心力に起因して、キャビティ１０２、１０３、および１０１内部に各々流れる。これらのキャビティにおいて、液体試薬は乾燥試薬を溶解してよい。例として述べた特定の免疫学的分析において、キャビティ１０２は目的とする抗原に特異性を有する、乾燥されるかまたは凍結乾燥された標識モノクローナル抗体を含む。抗体標識は典型的にはコロイド金、蛍光色素分子、酵素、または検知に適する他の標識などの強い染料である。
【００７４】
遠心分離回転は、分析の残りに関して、血液細胞から血漿を分離する間使用される速度と比較して低い速度（典型的には１０Ｈｚ）に低減されてよい。次いで図８のカートリッジは、反時計回りに８３°回転される。画定される血漿の測定されるフラクションは、キャビティ３８にトラップされる。キャビティ２２内の過剰の血漿および血液細胞はキャビティ１８および中間レベルチャンネル８２’、およびさらに吸収パッド８７の内部を通って流れ、吸収パッドはカートリッジの下部層８４に位置してよい。同時に、キャビティ１０１の液体試薬部分はキャビティ１０９内部に流れる。
【００７５】
次いでカートリッジは時計回りに６０°回転してキャビティ１０９内の液体がキャビティ２２内部に流れるのを可能にし、一方でキャビティ３８、１０１、１０２、および１０３内の他の液体はそれら各々のキャビティ内部に残る。カートリッジを反時計回りに６０°回転し、キャビティ２２内の液体はこのキャビティから吸収パッド８７内に流れ、それによって血液サンプルの残余物に関してキャビティ２２および１８を洗い流す。
【００７６】
次いでカートリッジは時計回りに１０８°回転し、それによってキャビティ１０１内の血漿および液体はチャンネル３８を通ってキャビティ１０６’内部に流れる。その後カートリッジは前後に傾けられ、血漿および続く希釈液体がキャビティ１０６’内部の高位を勢いよく流れ、それによって血漿と希釈液体を混合し、一方でキャビティ１０２および１０３内部の液体試薬がなおも各々のキャビティ内部に残ることを可能にする。次いで希釈された血漿は、反時計回りの適切な回転によって、多孔質材料８５（典型的には抗体でコーティングされた多孔質膜）を含む中間レベルチャンネル８２内部に流れることが可能となる。次の時計回りの回転において、希釈された血漿は、前述の図９に従って、この膜８５を通って勢いよく流される。多孔質膜上に固定化された抗体は、各々の抗原を特異的に捕捉し、一方で希釈サンプル内部の他の全ての分子は溶解されたままである。カートリッジをさらに時計回りに回転することによって、希釈されたサンプルの液体の全てが下部のキャビティ７６に移動し、最終的に中間レベルチャンネル８２’に入る。この時計回りの回転において、キャビティ１０２内の標識された抗原特異的抗体を含む液体試薬はキャビティ１０６’内部に流れ、一方でキャビティ１０３内の液体はこのキャビティ１０３内部に残る。次いで液体をキャビティ１０６’から多孔質膜８５を通ってさらに下部キャビティ７６内部に勢いよく流すための前述の一連の回転が、繰り返される。多孔質膜に捕捉されている抗原分子が対応する標識された抗体に結合する。その間に、希釈された血漿を使い果たした抗原はチャンネル８０’および中間レベルチャンネル８２”を通って吸収パッド８７内部に流される。
【００７７】
その後カートリッジは時計回りの方向にさらに回転され、キャビティ１０３の液体がキャビティ１０６’内部に流れるようにする。次いで液体をキャビティ１０６’から多孔質膜８５を通ってさらに下部キャビティ７６内部に勢いよく流すための前述されたのと同じ一連の回転が、繰り返される（３度目）。それによって洗浄液体は多孔質膜から非特異的に結合された標識抗体を除去する。最終的に、全ての液体試薬は吸収パッド８７に行き着く。
【００７８】
次いで多孔質膜上に捕捉された標識抗体は光学的手段または他の手段によって測定されてよい。典型的には、金コロイドで標識された抗体は膜上で赤色を生じ、一方で蛍光色素分子により標識された抗体は光励起で蛍光を放射する。
【００７９】
記載された分析シーケンスは多くの段階を含むが、そのような反応シーケンスは本発明の結果として数分以内、典型的には２から５分で実施され得る。
【００８０】
図８−１０に記載される特定のカートリッジ構造は、分析の間免疫学的膜による血漿−たんぱく質の流れの測定に適用されるとき、本発明の利点を示すのに使用される例である。本発明は、様々な用途の領域においてさらなる価値を提供し、宇宙空間であっても機能する。様々なサンプルは、任意のタイプの有機または無機材料、ウイルス、バクテリア、菌類、または真核生物、組織、および体液に由来して使用され得る。測定されるパラメータは、低分子量および高分子量材料、たんぱく質、脂質、栄養分、核酸、細胞、ウイルス、バクテリアなどを含む任意のタイプの無機、有機、または生体材料であってよい。様々な免疫学的分析、核酸抽出、精製および増幅解析、酵素分析、およびその他を含む様々な試薬および分析シーケンスが、図１から１０に記載される流体要素の変形を組み合わせる本発明の利点を生かして、迅速かつ効果的に実施され得る。
【００８１】
当業者は、本発明が前述の好ましい実施形態によって決して制限されないことを理解するだろう。対照的に、多くの修正および変更が添付される請求項の範囲内で可能である。
【００８２】
さらに、本願に記載される様々な特徴は、場合によって単独でまたは組み合わせて具現化されてよい。
【００８３】
この目的を達成するために、（少なくとも２つの方向に作用する遠心力の下で処理を実施するための）サンプル処理カートリッジが考えられ、カートリッジはそこを起点とするサンプルまたは材料が移動され得る少なくとも１つの追加のキャビティを有する上部層および下部層を含む（ただし、必然的に深い第１キャビティおよび浅い第２キャビティまたは任意の粒子トラップまたはＵ形状マイクロチャンネルではない）。
【００８４】
サンプル処理カートリッジ（少なくとも２つの方向に作用する遠心力の下で処理を実施する）も考えられ、カートリッジは、そこを起点とするサンプルおよび／または試薬または材料を測定するための、１つまたは複数の実質的にＵ形状のマイクロチャンネルを含む（ただし、必然的に深い第１キャビティおよび浅い第２キャビティまたは任意の上部／下部層ではない）。
【００８５】
サンプル処理カートリッジ（少なくとも２つの方向に作用する遠心力の下で処理を実施する）も考えられ、カートリッジは、高い密度の流体粒子を阻止し、かつ低い密度の流体粒子を通過させるように適合された少なくとも１つのトラップを含む（ただし、必然的に深い第１キャビティおよび浅い第２キャビティまたは任意の上部／下部層、またはＵ形状マイクロチャンネルではない）。
【００８６】
サンプル処理カートリッジ（少なくとも２つの方向に作用する遠心力の下で処理を実施する）も考えられ、カートリッジは、カートリッジのキャビティまたはチャンネル（例えば中間層チャンネル）内に配置された多孔質材料の少なくとも１つの構成単位を含み、遠心力に関してカートリッジの方向を変更することによって他の材料が多孔質材料を通過してよい。多孔質材料の少なくとも１つの構成単位は、多孔質材料の表面に固定化された反応基で溶液中の分子間のさらなる相互作用を可能にするように適合された、官能基を有するフィルタ、多孔質膜、センサ、反応器、またはアクチュエータであってよい。
【符号の説明】
【００８７】
１０ カートリッジ
１２ 上部面
１４ 下部面
１６ 側壁
１８ 第１分離キャビティ
２０ 入口手段
２２ 第２キャビティ
【図１ａ】
【図１ｂ】
【図１ｃ】
【技術分野】
【０００１】
本発明はサンプル処理カートリッジまたは容器に関する。本発明は、遠心力の下でサンプルを処理および／または分析する方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
細胞、粒子、および沈殿物の沈殿を促進するための、並びに密度が異なる液体または細胞の分離のための手段としての遠心分離は、長い間化学および生物化学の所定の手順として欠くことができない部分であった。
【０００３】
２次元の遠心分離は、一つの軸の周りの個々のカートリッジの回転を実行する装置内で一般的に得られ、これらのカートリッジは他の遠位の軸の周りの分離手段によって回転される。
【０００４】
米国特許第４，８８３，７６３号公報（Ｈｏｌｅｎら）は、その中に供給する試薬を含む実質的に閉じたチャンバで形成されるサンプルプロセッサカードを開示する。カードはサンプルをカードに供給するための入口手段、カードに供給されるサンプルを受け取るために入口手段と連通するキャピラリー手段、およびカードに与えられた第１方向の遠心力の影響下で入口手段からキャピラリー手段を通って進んできた過剰なサンプルを受け取るためにキャピラリー手段と連通するオーバーフロー手段を含む。カードは試薬供給から試薬を、第２方向でカードに作用する遠心力に対応してキャピラリー手段からサンプルを受け取るために使用される保持チャンバ手段、および、試薬とサンプルとの間の化学反応の測定を可能にする、保持チャンバ手段と連通するキュベット手段も含む。サンプルプロセッサカードの使用によって、カード内部の試薬およびサンプルの流れは、遠心分離機内でカードが高い遠心力を受けるとき、カード上の２つ以上の方向に働く遠心力のみによっておそらくは実現される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４，８８３，７６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、改良されたサンプル処理カートリッジおよび方法を提供することである。
【０００７】
この目的および以下の記載から明らかになる他の目的は、添付される独立請求項に規定される本発明によって実現されるだろう。さらなる実施形態が、添付される従属請求項に説明される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の局面によれば、遠心力が変更されるのに関してカートリッジの方向として少なくとも二つの方向に働く遠心力の下で処理を実行するためのサンプル処理カートリッジが提供され、カートリッジは、サンプルを収容するのに用いられる第１キャビティ、および第１キャビティと液体連通する第２キャビティを含む。ここで第１および第２キャビティは、カートリッジに作用する遠心力が第１方向から第２方向に変更されるとき、第１キャビティ内のサンプルがそこから第２キャビティに移動するように配置され、（ａ）第１キャビティは第１方向に働く遠心力に垂直に（カートリッジの平面内で）引き伸ばされ、（ｂ）第２キャビティは第１キャビティと比較して浅く、第１方向に働く遠心力の方向に第１キャビティが引き伸ばされるよりもさらに第２の方向に働く遠心力の方向に引き伸ばされている。
【０００９】
（ａ）からもたらされる技術的効果は、引き伸ばされたサンプル各点においてサンプルの他の部分よりも高い密度を有する材料の、第１キャビティの「底部」への距離が短いことである。（ｂ）からもたらされる技術的効果は、より浅い第２キャビティ内のサンプルが遠心力の方向により広げられ、これはサンプルからの、例えば血漿の除去を容易にすることである。一般的に、十分な遠心力が与えられたとき、カートリッジは様々な密度を有する流体要素（例えば、細胞からの血漿、または液体からのナノ／マイクロ粒子）の、非常に迅速でかつ正確なマイクロ分離を可能にする。これは、液体からの粒子（細胞を含む）の分離だけではなく、様々な密度の液体の分離（例えば血漿からの脂質）、様々な密度の粒子（細胞を含む）の分離を可能にする。
【００１０】
前記平面において、または前記平面と平行な平面において、第２キャビティは、第１キャビティが第１の方向に働く遠心力と垂直に延びて存在するのと比較して、第２方向に働く遠心力に対する垂直方向への延びが少なくてよい。
【００１１】
カートリッジは、そこを起点とするサンプルまたは材料が除かれてよい、少なくとも１つの追加のキャビティおよび／またはチャンネルを備えた、少なくとも１つの上部層および下部層をさらに含んでよい。これは、３次元の処理または試験または分析を可能にする。液体は小型のカートリッジ内で増加された機能を提供する複数の層の間で前後に動いてよい。
【００１２】
カートリッジは、そこから生じるサンプルまたは材料を測定するための、実質的にＶ−またはＵ−型のマイクロチャンネルをさらに含んでよい。カートリッジに、Ｖ−またはＵ−型のマイクロチャンネルの毛管力を超える遠心力を与えることによって、Ｖ−またはＵ−型のマイクロチャンネルの液体のメニスカスは常に遠心力に対して完全に垂直であってよく、それによってカートリッジの測定チャンネル内に含まれる液体体積の正確さを改善する。
【００１３】
カートリッジは、密度が高い流体粒子を阻止するように適合されるが、ただし低密度の液体および／または流体粒子を通過させる、１つ以上のトラップをさらに含んでよい。例示の目的のトラップは、入口チャンバ、中間のＵ形状のチャンネル、出口チャンバ、入口チャンバと中間チャンネルの一端との間の第１の２−チャンネルスプリッタ、および中間チャンネルの他方の端と出口チャンバとの間の第２の２−チャンネルスプリッタ、をさらに含んでよい。例として与えられる他のトラップは、その凹部分に入口と出口とを有する腎臓形状のループを含む。これらのトラップによって、粒子を保持するための多孔質バリアを含む必要がない。さらに、低密度の流体粒子は効果的にかつ繰り返し高密度流体粒子を通過し、それと相互作用する。
【００１４】
さらに、第１キャビティはカートリッジの平面内に延びて存在し、前記平面と垂直の深さを有し、第２キャビティは第１キャビティと比較して浅く、第１キャビティの幅と比較して、異なる方向に、かつ大きな量、前記平面内に延びている。
【００１５】
さらに、第２キャビティはチャンネルシステムとして構成されてよい。
【００１６】
さらに、カートリッジは、カートリッジのキャビティまたはチャンネル内に配置される少なくとも１つの多孔質材料を含んでよく、他の材料（例えば、そこから送られるサンプルまたは材料および／または少なくとも１つの試薬または類似のもの）が、遠心力に対してカートリッジの方向を変えることによって、多孔質材料を通って通過し得る（横断および／または横方向流れ）ようにする。例えば、多孔質材料が上部層および／または下部層への中間チャンネル内に配置されてよい。同様に、カートリッジが中間チャンネルへの入口を含んでよく、この入口はカートリッジの１つの層の中間チャンネルの一端に配置され、入口は中間チャンネルからの出口と実質的に同じ方向に配置され、この出口はカートリッジの他の層の中間チャンネルの他端に提供され、液体が中間チャンネルの全体積を通じて流れるようにする。例えば、多孔質材料はフィルタ、多孔質膜、交差流路フィルタ、ピラーを備えたチャンネルまたはキャビティ、ビーズまたは粒子状材料を保持するための１つ以上の多孔質ストッパ、粒子または繊維材料または球形ビーズなどで満たされたチャンネルであってよい。フィルタまたは多孔質膜はディスク状のカートリッジの面に対して０°から９０°の間の任意の角度で配置されてよい。多孔質材料は、濃縮、分離、および分画、または媒体交換の目的で使用されるとき、ただし化学的および／または電気化学特性にも基づき、様々な分子量を有する分子および粒子を保持するサイズフィルタとして機能してよい。さらに、多孔質材料は、それを通って流体／液体流が通過する、任意のタイプのセンサ、リアクタ、またはアクチュエータ、典型的にはフォトニック結晶センサであってもよい。さらに、前記多孔質材料の表面は、正または負に帯電された基、極性基、疎水性基、または流体内部の分子と相互作用し得る他のタイプの化学的特徴または活性を有する化学基により化学的に官能化されてよい。典型的に、これらはシリカ、イオン交換材料、など様々なタイプのクロマトグラフィー媒体であってよい。さらに、前記多孔質材料の表面は、酵素または他のタイプの触媒材料などの、特定の捕捉特性、化学活性を備えた分子で化学的に官能化されてよい。分子は特定の抗体、核酸プローブ、レクチン、または受容体リガンドシステムの任意の１要素、例えば（ストレプト）アビジンおよびビオチンなど、酵素およびその酵素基質であってよい。遠心力に関連するカートリッジの方向によって制御されるとき、体積比に対して大きな表面積を与える多孔質材料を通る液体流の組み合わせ、溶液中の分子と多孔質材料表面の反応基との間の広範囲の相互作用を可能にし、それによって、結合、捕捉、酵素転移などの化学または物理反応の速度を実質的に増加させる。遠心力に関して変更されたカートリッジの方向は、液体が多孔質材料、アクチュエータ、リアクタ、またはセンサを通って前後に洗浄するのに使用されてよく、それによって溶液中の分子が多孔質材料表面上の固定された基と相互作用する確率を増加させる。
【００１７】
本発明の他の局面によれば、遠心力の下でサンプルを処理および／または分析する方法が提供され、この方法は以下を含む：上述のサンプル処理カートリッジの第１キャビティ内にサンプルを準備する段階、カートリッジに第１方向に働く遠心力を与える段階、および遠心力を第１方向から第２方向に変更する段階。この局面は、前述した局面と同様の特徴および技術的効果を示し得る。
【００１８】
カートリッジは、外部軸に関してカートリッジを回転させることにより遠心力を与えられてよく、遠心力の方向がカートリッジ内部の軸に関してカートリッジを回転させることにより変更される。
【００１９】
さらに、カートリッジは、（上述の）Ｖ−またはＵ−形状マイクロチャンネルの細孔力を超える遠心力を与えられてよい。
【００２０】
さらに、そこから生じるサンプルまたは材料は、前記第１および第２キャビティを含むチャンネルおよびキャビティの第１システムに平行なカートリッジの平面に横方向に延びるチャンネルおよびキャビティの（第２）システムに入ることが可能とされてよい。
【００２１】
この方法は、他の材料流体が（上述の）多孔質材料を通過するような、遠心力に関するカートリッジの方向の変更をさらに含んでよい。
【００２２】
本発明によれば、少なくとも２つの方向に働く遠心力の下で処理などを実施するためのサンプル処理カートリッジも提供され、このカートリッジは以下を含む：サンプルを含むように適合された第１キャビティ、および第１キャビティと連通する液体内の第２キャビティまたはチャンネルシステム、ここで第１キャビティはカートリッジの面内に延ばされて存在し、前記面と垂直な深さを有し、第２キャビティまたはチャンネルシステムは第１キャビティと比較して浅く、第１キャビティの幅と比較して大きな量だけ、異なる方向で前記面（または前記面に平行な面）内に延びる。このカートリッジは、前述した局面と同じ特徴および技術的効果を示してよい。特に、それは、異なる密度を有する液体要素（例えば、細胞からの血漿、または液体からのナノ／マイクロ粒子）の非常に迅速なマイクロ分離を可能にする。
【００２３】
これらの特徴およびさらに本発明について、本発明の実施形態を示す、添付される図面を参照してさらに詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１ａ〜１ｃは本発明の実施形態によるサンプル処理カートリッジの上面図を表す。
【図２】図１ａ〜１ｃのカートリッジの概略的な断面側面図である。
【図３】図３ａ〜３ｅは本発明の実施形態によるトラップの上面図である。
【図４】本発明の他の実施形態によるトラップの上面図である。
【図５】本発明の実施形態によるサンプル処理カートリッジの概略的な断面側面図である。
【図６】本発明の１つまたは複数の実施形態による他のサンプル処理カートリッジの部分的な上面図である。
【図７】本発明の１つまたは複数の実施形態によるさらに他のサンプル処理カートリッジの上面図である。
【図８】本発明の１つまたは複数の実施形態によるさらに他のサンプル処理カートリッジの上面図である。
【図９】図８のカートリッジ内の多孔質フィルタ膜を示す拡大された上面図である。
【図１０】図９の印がついた部分の断面Ｂ−Ｂ’の断面である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
概して、本発明は分析サンプルおよび試薬処理装置（カートリッジ）および方法の提供を追求し、ここで装置はその中に保存される試薬を備えることができ、そこにサンプルを供給し、その後、液体を１つのキャビティまたはチャンバの中から１つ以上の他のチャンバに（分割）効果的に移動するために、遠心力に関連して制御された方法でカートリッジの方向を変更することによってそこに２またはそれ以上の次元で遠心力を与え、試薬とサンプルとを混合し、かつ可溶性試薬と機能化された表面との間の効果的な相互作用を可能にし、化学的反応を測定することによって、一連の化学分析を２次元または３次元で実行することができる。
【００２６】
本発明は、双方が様々な密度を有する流体要素（液体、細胞、溶解されたナノおよびマイクロ粒子、繊維、およびそのようなものの破片）の効果的な分離、並びにカートリッジ内部の様々な形状のマイクロチャンネルおよびキャビティ内部の様々な液体のｎＬ量、μＬ量、並びにｍＬ量の処理および移動に使用することができる、かつこれらの液体を、ナノおよび／またはマイクロ粒子を保持するチャンネルまたはキャビティ、多孔質構造（例えば多孔質膜および／またはフィルタ）、およびピラー構造内で得られるような、非常に大きな機能表面と相互作用させるために使用することができる、新規の流体の機能の提供をさらに追及する。これらの機能は、どのようなアクチュエータ（ポンプ、バルブ、またはカートリッジ内で流れを制御するための表面改質）も必要とせず、方向を有する液体流に関する細孔力に依存する必要はない。これは、カートリッジ内で流体要素に働く遠心力に関して単にカートリッジの方向を変更することによって、および流体要素の流れは可能となるキャビティおよびマイクロチャンネルの発明的設計によって、得ることができる（マイクロ流体素子）。
【００２７】
本発明の実施形態によるサンプル処理容器またはカートリッジ１０が図１ａ−１ｃおよび２を参照して記述される。
【００２８】
カートリッジ１０は、上部面１２および下部面１４を含み、これらは側壁１６とともに、概してプレートまたはディスク形状の本体を画定する。上部面１２および下部面１４はホイルのカバーであってよい。カートリッジ本体内には、上部面１２および下部面１４によって覆われた複数の相互接続されたチャンバまたはキャビティおよびチャンネルなどが提供される。カートリッジは光学的に透明であってよく、半透明であってもよい。カートリッジは例えば環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ポリスチレン、またはポリカーボネートなどのプラスチックで作られてよい。カートリッジは、使い捨てかつシール可能であってよい。さらに、カートリッジのキャビティおよびチャンネルは、成形、熱エンボス加工、フライス加工などで提供されてよい。
【００２９】
特に、カートリッジ１０は第１分離キャビティ１８を含む。第１キャビティ１８は、面１２および１４に平行なカートリッジの面Ｐ内に延びて（図１ａの点線に沿って）存在する。第１キャビティ１８の幅はＷ１８で示され、第１キャビティの長さはＬ１８で示される。さらに、カートリッジは、サンプルを第１キャビティ１８内部に供給する入口手段２０を含むか、またはそれと流体連通する。
【００３０】
第１キャビティ１８は、カートリッジ１０の第２キャビティ２２と流体連通する。図１ａ−１ｃおよび２に示される実施形態において、第１キャビティ１８および第２キャビティ２２は１つのキャビティの基本的に異なる部分であるが、あるいはそれらは分離されてよく、例えばチャンネル（図示されない）によって接続されてよい。
【００３１】
第２キャビティ２２は、Ｌ２２の量（この量または長さＬ２２＞Ｗ１８）、面１２および１４に平行な前記面内の方向（図１ａおよび１ｂに点線で示される）に延びて存在する。この方向は、図１ａ−１ｃの上面図に見られるように、第１キャビティの幅の方向と異なる。さらに、第２キャビティ２２は概して第１キャビティ１８の長さ（Ｌ１８）と比較して幅が狭い。また、図２の側面図に見られるように、第２キャビティ２２は（より深い）第１キャビティ１８と比較して浅い。第１キャビティ１８の深さはＤ１８で表され、第２キャビティ２２の深さはＤ２２で表される。深さの実際の差は、例えば２：１から１０：１であってよい。第１キャビティ１８と第２キャビティ２２との間は、いくらか丸みを有して、または斜めになって推移してよい。
【００３２】
使用の間、カートリッジ１０は概して水平に配置され、遠心分離装置（図示されない）内に提供される。使用されてよい遠心分離装置の例は、発明の名称が「Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｔｉｏｎ ａｐｐａｒａｔｕｓ、ｕｓｅ ｏｆ ｓｕｃｈ ａｎ ａｐｐａｒａｔｕｓ， ａｎｄ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ」である、その内容が参照によりここに組み込まれる、本出願人の同時係属特許出願に開示される。使用され得る遠心分離装置の他の例は、その内容が参照によりここに組み込まれる、米国特許第４，８１４，２８２号公報（Ｈｏｌｅｎら）に開示される。
【００３３】
遠心分離装置において、カートリッジ１０およびその中の任意のサンプルまたは試薬に遠心力を与えるため、カートリッジ１０は遠位の垂直軸２４に関して回転してよい。さらに、カートリッジ１０はカートリッジと交差する垂直軸２６に関して回転してよく、遠心力に関するカートリッジの向きを変更するようにする。これは、２次元の遠心分離と呼ばれてよい。
【００３４】
遠心力の下でサンプルを処理または分析する方法の例において、まずサンプル２８が入口手段２０を介して第１キャビティ１８に提供される。サンプル２８は例えば血液サンプルであってよく、典型的には約１０μＬ（マイクロリットル）であり、ただし原則として１マイクロリットルの数分の１から数ｍＬの範囲であり得る。
【００３５】
次いでカートリッジは、典型的には１００×Ｇから２０００×Ｇの間である（ここでＧは地球表面の重力）遠心力３０を受ける。図１ａに見られるように、遠心力３０は、第１キャビティ１８に実質的に垂直である方向に働く（第１キャビティ１８は遠心力３０に垂直に延びて存在する）。この段階において、血液サンプル２８内の血漿３２（血液サンプル２６中で血漿は血液細胞３４と比較して低い密度を有する）は、重い血液細胞３４から分離される。
【００３６】
その後、軸２４の周りの回転の間、カートリッジ１０も内部軸２６に関して回転され、カートリッジのマイクロチャンネルおよびキャビティに関する遠心力の方向が変更される。カートリッジに働く遠心力の「新たな」方向は３６で表され、図１ｂに示される。カートリッジがそのように回転されるので、サンプルは深い第１キャビティ１８から浅い第２キャビティ２２まで移動される。さらに、第２キャビティ２２は、第１キャビティが以前の遠心力３０の方向に延在されたのに比べて、「新たな」遠心力３６の方向にさらに延ばされて存在する。すなわち、第２キャビティ２２の長さＬ２２は、第１キャビティ１８の幅Ｗ１８と比較して大きい。
【００３７】
浅い第２キャビティ２２において、遠心力３６が与えられる一方で、分離されたサンプルは遠心力の方向にさらに広がる。これは、図１ｂに説明されるように、内部軸２６に関してカートリッジ１０をさらに回転することによって、血漿３２を除くことを容易にし、分離の総時間は低減される。次いで分離された血漿３２は、カートリッジ１０の他の部分において、さらなる処理または分析または試験を受けてよい。
【００３８】
カートリッジ１０は、Ｖ−またはＵ−形状のマイクロチャンネル３８をさらに含んでよい（例えば図１ｃ参照）。このチャンネルは様々な形状を有してよい。正確な測定を行うために、２つの相互接続されたチューブ３８ａ、３８ｂの間に、定義されたマイクロ流体ループがあるとよく、遠心分離に起因してそれらの間で液体は釣り合う（同じ高さになる）。Ｕ−形状（またはＶ−形状）マイクロチャンネル３８は、典型的には面Ｐなど面１２および１４に平行な面内に位置する。Ｕ−形状のマイクロチャンネル３８は典型的には約５０−２００μｍの幅を有する。Ｕ−形状のマイクロチャンネル３８は、例えば血漿３２を受け取りかつ測定するために、第２キャビティ２２に続いて配置されてよいが、その代わりに、他の測定を目的として、カートリッジ１０内の他の場所に配置されてもよい。
【００３９】
Ｕ−形状のマイクロチャンネル３８内の液体（例えば血漿３２）に連続的に働く遠心力は、マイクロチャンネル３８の細孔力を大きく上回るように随時調節されてよい。幅１００μｍのＵ−形状マイクロチャンネル３８に関して、細孔力を超える遠心力は典型的には約１００×Ｇである。表面張力および細孔力が上回り、Ｕ−形状の湾曲部分が実質的に遠心力の方向を指すとき、液体のメニスカス４０は液体に働く遠心力４１と完全に直角である。これは、カートリッジ内に含まれる液体の体積を測定するとき、精度を改善する。遠心力に関して（すなわち、内部軸２６に関して）カートリッジをさらに回転することによって、メニスカス４０は遠心力と直角に保持され、液体の正確かつ制御された移動を可能にする。
【００４０】
カートリッジ１０のようなサンプル処理カートリッジは、密度が高い流体粒子（典型的には粒子および細胞）を保持するための少なくとも１つのトラップをさらに含んでよく、一方で低密度の流体要素（液体および懸濁液中の粒子）は高密度の要素によって置き換えられ、故に低密度の要素はデカンテーションの原理に従ってトラップを通過および出ることが可能になる。カートリッジに働くｇ−力（遠心力）は、含有される流体要素の密度に従って沈殿を調節するよう変更されてよい。少なくとも１つのトラップが、免疫凝集（典型的にはラテックス免疫測定法）を通じて典型的に得られる凝集体を分離および洗浄するのに、および／または捕捉のための固相として働く機能化マイクロ粒子またはナノ粒子で作られたカラムを構築するのに、または化学的もしくは物理的相互作用に関する他のタイプの表面を構築するのに、使用されてよい。少なくとも１つのトラップを用いることによって、液体よりも高い密度の粒子を保持する多孔質バリアを有する必要がなくなる。粒子はカートリッジ内部の任意の場所に適切に分配されてよく、次いで懸濁液は２次元遠心分離を通じて少なくとも１つのトラップ内に移送されてよく、そこで粒子の密度とカートリッジに働く遠心力の方向に関連して液体の流れを制限するキャビティおよびチャンネルの構造とに起因して、粒子「カラム」または多孔質プラグが形成される。
【００４１】
液体（多孔質カラム／プラグの粒子と比較して密度が低い）は次いで２次元遠心分離作用により多孔質カラム／プラグを迅速に、１度または複数回通過させられてよい。もしもこれらの粒子が、例えば正もしくは負に帯電した基、極性基、疎水性基、または流体内部の分子と相互作用し得る他のタイプの化学特性もしくは作用を有する化学基、などの化学官能基を有する場合、固定された生体分子、典型的には酵素またはモノクローナル抗体もしくはそのフラグメントなどの生体特異性捕捉分子、ストレプトアビジン、単鎖核酸（Ｎ．Ａ．）フラグメント／プローブ、または他のレセプタ分子、付属の酵素基質、抗原、エピトープ、アビジン保持分子、核酸単鎖または溶液内リガンドは、固定化レセプタ分子と相互作用を強いられる。この方法によって、非常に迅速かつ効果的な相互作用、および全てのタイプのリガンド分子の粒子への捕捉、並びに洗浄工程において典型的に使用される高密度の粒子からの低密度の液体の非常に効果的な分離が得られてよい。これは、典型的にはクロマトグラフィー処理に適し、ここで随時流体の流れは遠心力の方向によって注意深く制御される。これらのタイプのトラップ構造は、図１に関連して記載されるデカンテーションによる、異なる密度の液体および／または粒子の非常に正確な分離を改善しかつ簡単化する。
【００４２】
トラップの例は図３ａ−３ｅに説明され、４２で示される。トラップ４２は、入口チャンバ４４、中間Ｕ形状チャンネル４６、出口チャンバ４８、入口チャンバ４４と中間チャンネル４６の一端５２との間の第１の２チャンネルスプリッタ５０、および中間チャンネル４６の他端５６と出口チャンバ４８との間の第２の２チャンネルスプリッタ５４を含む。トラップ４２は、典型的には、面１２および面１４に平行なカートリッジ１０の平面（面Ｐなど）内に位置するよう配置される。
【００４３】
操作または使用の間、カートリッジ内のトラップ４２は、図３ａに説明されるように、遠心力５８をまず受ける。入口チャンバ４４に到達する液体６０および粒子６２を含む懸濁液は、遠心力５８に起因して、トラップ４２を通って広がる。
【００４４】
懸濁液の粒子６２は、周囲の液体６０よりも密度が高いことに起因して、Ｕ形状チャンネル４６内で沈殿を開始し、遠心力５８は、図３ｂに説明されるように、最終的に多孔質プラグまたはカラムに粒子６２を詰める。
【００４５】
図３ｂに湾曲した矢印で示されるようなトラップ４２の傾き（例えば、外部軸に関して回転される間、内部軸の周りでカートリッジを回転することによる）は、粒子６２により形成されるカラムを通じて液体６０を効果的に勢いよく流す。液体６０および粒子６２はその時点での遠心力に従って随時移動してよいが、液体６０と比較して高い密度を有する粒子６２は、図３ｃおよび３ｄにさらに説明されるように、遠心分離中心から最も離れたトラップ４２の一部を占有する。図３ｃおよび３ｄに見られるように、２チャンネルスプリッタ５０および５４は各々、粒子６２をトラップし一方で液体６０が通過し得る、急な角度（＜９０°）を有する屈曲６４を有する。
【００４６】
繰り返されるカートリッジの（および、故にトラップ４２の）制御された傾きによりトラップ４２に粒子６２が保持されてよく、一方で液体６０は粒子６２で形成されたプラグまたはカラムを通って前後に流れ、液体６０内の分子を粒子６２の表面分子と相互作用させる。これは、様々なレセプタリガンド系における効果的な相互作用、並びに効果的な洗浄を可能にする。
【００４７】
液体６０の大部分は、粒子６２を囲む少量を除いては（空隙容量）、流子６２から分離され、図３ｅに説明されるように出口チャンバ４８の排出によりトラップ４２を空にする。
【００４８】
トラップの他の例が図４に説明され、６６で示される。トラップ６６は、その凹部に入口７０および出口７２を備えた腎臓形状のループチャンネル６８を含む。トラップ６６は、典型的には面１２および１４に平行なカートリッジ１０の面（例えば面Ｐ）に位置して配置され、トラップ６６の機能は図３ａ−３ｅに説明されるトラップ４２の機能と同様である。
【００４９】
図３および図４の構造の組み合わせおよびその変形は、分析に含まれる処理および材料に従って決定されてよい。
【００５０】
カートリッジ１０のようなサンプル処理カートリッジは、少なくとも１つの追加のチャンネルおよび／またはキャビティを備えた１つ以上の上部層および／または下部層をさらに含んでよい。言い換えれば、カートリッジは、前述のチャンネルおよびキャビティの組みに平行な面内に横方向に延びて存在するチャンネルおよびキャビティの１つ以上のシステムを含んでよい。そのようなカートリッジの例は図５に概略的に説明され、さらなる例が図８−１０に説明される。図５のカートリッジは、キャビティ７６を含む様々なキャビティおよびチャンネルを備えた階層または層７４を含む。層７４内の様々なキャビティおよびチャンネルは、例えば前述の第１および第２キャビティ、Ｕ形状マイクロチャンネルなどであってよい。
【００５１】
図５において、カートリッジはキャビティ８０を備えた上部層７８をさらに含む。上部層７８は層７４の上に配置される。上部層７８のキャビティ８０は中間レベルチャンネル８２によって層７４のキャビティ７６と流体連通する。中間レベルチャンネル８２は、それらの間に斜めにまたは対角線上に延びてよい。カートリッジ内でキャビティ７６、８０、および中間レベルチャンネル８２を適切に配置することによって、液体および懸濁液などの流体物が、カートリッジ内の流体物に働く遠心力の方向が変わるとき（例えば、外部軸に関して回転される間、内部軸に関してカートリッジを回転する）、キャビティ７６とキャビティ８０との間の中間レベルチャンネル８２を介して効果的に移送され得る。液体を低いキャビティ７６からキャビティ８０まで移送する場合、典型的にカートリッジに作用する約１０×Ｇから約１０００×Ｇの遠心力は、液体がキャビティ７６からキャビティ８０へと上方に動くとき、重力を超えるのに十分大きい。
【００５２】
上部層７８の代わりに、またはそれを補完するために、カートリッジは１つ以上の下部層８４を含んでよい。下部層８４は上部層７８と同様のものであってよいが、図５に示されるように、上部層に対して層７４の反対側に配置される。
【００５３】
それ故に、３次元の処理または試験または分析は、上部または下部層７８および８４への液体または流体要素の通過を可能にすることによって実現されてよい。要素が上部または下部層に達したとき、要素は、遠心力に関してカートリッジを回転することによって、元々の面または他の面内に戻されるまで、その面でマイクロチャンネルおよびキャビティの構造に従って処理されかつ横方向に移送され得る。液体は、プレート型カートリッジの領域を広げる必要なく小型デバイスにおける機能の増加を可能にする複数の層の間を、前後に動いてよい。
【００５４】
典型的には、過剰な液体または不要物を吸収および捕捉するための吸収パッドなどの吸収材料が、カートリッジのさらなる面に配置されてよい。
【００５５】
同様に、粒子を濾過するための、または特定の分子と化学的に相互作用する、もしくは捕捉するためのフィルタまたは多孔質膜が、ある層から他の層への通路（例えば中間レベルチャンネル８２）に配置されてよい。この種の多孔質フィルタは、吸収材料と直接組み合わせて、またはカートリッジの下部または上部層に延びる新たなキャビティおよびチャンネルと組み合わせて、使用されてよい。そのようなフィルタまたは多孔質膜の例は図１に示され、８５で示される。
【００５６】
図６は、本発明の１つまたは複数の実施形態による他のサンプル処理カートリッジの一部の上面図である。図６に説明されるカートリッジは、２次元遠心分離システムにおいて、ｇ−力（遠心力）と垂直に延びる深いチャンネルからの第２の遠心分離位置での半径方向に延びる浅いチャンネルシステムへの移送と、密度が高い細胞（粒子）を保持し一方で細胞よりも密度が低い血漿分は通過が可能であるトラップとしてのこの浅いチャンネルシステムの構造とを両方使用して、血液サンプル全体の細胞から２つの画定された血漿の一定分量を分離するよう設計される。そのような工程は、発明の名称が「Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｔｉｏｎ ａｐｐａｒａｔｕｓ、ｕｓｅ ｏｆ ｓｕｃｈ ａｎ ａｐｐａｒａｔｕｓ， ａｎｄ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｔｉｏｎ， ａｎｄ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ」である、本出願人の同時係属特許出願に開示されるカメラ−ストロボシステムにより監視され制御されてよい。浅いチャンネルシステムは、各フラクション（ａおよびｂの各々）の個々の正確な測定を可能にする液体分割システムにさらに接続される。
【００５７】
特に、図６のカートリッジは、全血液のための入口２０および深い（「第１」）キャビティ１８の一端に配置された不要物出口８６を含む。前述のように、深いキャビティ１８は、入口２０を介して提供された全血液サンプルの血液細胞から血漿を分離するよう働く。深いキャビティ１８の他端において、密度により液体要素（細胞／粒子）をトラップするための浅いチャンネルシステム２２’が接続される。浅いチャンネルシステム２２’は、全体的に遠心力３４の方向に引き延ばされ、前述の第２キャビティ２２の変形形態である。浅いチャンネルシステム２２’は、その一端が深いキャビティ１８と流体連通し、他端が急角度で浅いチャンネルシステム２２’のループチャンネル９０と接続される、入口チャンネル８８を含む。浅いチャンネルシステム２２’は、同様にループチャンネル９０と接続されるが、図６に示されるようにＹ形状の接続である、出口チャンネル９２をさらに含む。
【００５８】
図６のカートリッジは、ループチャンネルを洗浄し、測定されたサンプルフラクションが測定ループから任意の後続の反応チャンバ（例えば、キュベット、粒子カラム、またはフィルタ）へと完全に移送されることを確実にする、分析バッファーのための第２入口９４、過剰な血漿のための第２不要物出口９６、および個別のフラクション（例えば血漿）を分割および測定するためのシステム９８をさらに含む。前記システム９８は、互いに隣り合って配置された、１つが血漿の各フラクションａおよびｂに関する、２つのＵ形状マイクロチャンネル３８ａ、３８ｂを含んでよい。Ｕ形状マイクロチャンネル３８ａ、３８ｂは前述のＵ形状マイクロチャンネル３８として形成され操作されてよく、それによって同じかまたは異なるが正確な、遠心力に関してカートリッジの方向により決定される液体体積を測定する。血漿の分割フラクションは、同じ分析の平行操作、分析物の様々な感度範囲、または様々な解析を可能にする、同じ試薬または異なるタイプの試薬に曝されてよい。
【００５９】
規定される段階において遠心力に関連して図６のカートリッジの方向を前後に続いて変更することによって、カートリッジ内のサンプルまたは他の材料の分離、トラッピング、分割、乾燥試薬の溶解、混合、および測定が実施されてよい。
【００６０】
図７は本発明の１つまたは複数の実施形態による他のサンプル処理カートリッジの上面図である。図７に説明されるカートリッジは、全血液サンプルの血液細胞からの例えば血漿の分離に関する分離キャビティを含む。分離キャビティは、深い領域１８および浅い領域２２’を含む。深い領域１８は、前述の第１キャビティ１８と同じであり、浅い領域２２’は前述の第２キャビティ２２の変形形態である。分離キャビティは、その一端で、遠心分離のとき外部サンプル分配装置１０８からサンプル（例えば、全血液サンプル）を受け取る入口またはキャビティ２０’と流体連通する。分離キャビティは、その前記端において前述したように、下部の、または上部の流体システムに液体が入ることを可能にする開口またはチャンネル８２’とも流体連通する。分離キャビティの反対側の端において、前述のように、それは測定を目的としてＵ形状マイクロチャンネル３８と流体連通する。
【００６１】
図７のカートリッジは、バッファーを分割するためのチャンネルおよびキャビティのシステム１００、および溶解されバッファーと混合されかつ、説明されたような、プログラムされたシーケンスに従って処理される乾燥試薬を保持するためのチャンネルおよびキャビティのシステム１０２をさらに含んでよい。
【００６２】
同様に、図７のカートリッジは、トラップ１０４をさらに含んでよい。トラップ１０４は、密度が高い流体粒子を保持し、一方で低い密度の液体要素を通過可能にするよう適合され、図３ａ−３ｅおよび４の各々におけるトラップ４２および６６と同様のものであってよい。トラップ１０４の１つの入口は、キャビティ１０６を通ってＵ形状マイクロチャンネル３８から測定サンプルを、かつシステム１０２から試薬を供給するチャンネルシステムに接続される。トラップ１０４の他端は、出口８２”（典型的にはカートリッジの他の面において不要物チャンバまたは不要物パッド）と流体連通する。
【００６３】
図７のカートリッジに遠心力を与え、次いで遠心力に関して適切にカートリッジの方向を変えることによって、カートリッジ内のサンプルまたは他の材料の移送、分離、分割、洗い流し、乾燥試薬溶解、混合、トラッピング、洗浄、測定などは、続いておよび／または平行に部分的に実施されてよい。
【００６４】
サンプル分配装置１０８は、カートリッジ上に留められてよい。サンプル分配装置はサンプルを引き込む（典型的には指の血液から取り込まれるような、全血液１０μＬ）ためのキャビティ１１０、およびサンプル分配装置１０８がカートリッジに取り付けられるとき開口されるバッファーキャビティ１１２を含む。
【００６５】
図８−１０は本発明の１つまたは複数の実施形態による他のサンプル処理カートリッジを説明する。図８に説明されるような、および図９および１０に関してさらに詳細に記述されるようなカートリッジは、中間多孔質材料を含む。多孔質材料は、典型的には、サンプルと試薬が多孔質材料を通って洗い流されるとき起こる反応の任意のシーケンスを通じて、その上に着色された、蛍光の、または他のタイプの光学的に活性な化合物が形成された、フィルタまたは多孔質膜であってよい。回転するカートリッジの上方または下方に配置される光学的センサ（すなわちデジタルカメラ）によって着色された表面を見るために、多孔質膜の主たる表面は、カートリッジを保持する回転ディスク（図示されない）の面にあるのが好ましい。図８−１０に説明される構造は、回転ディスクの面に平行に配置される多孔質膜８５の全領域を通って、液体が遠心力に垂直に通過することを可能にする。液体は遠心力の下で混合キャビティ１０６’から、（入口）チャンネル８０を通って中間レベルチャンネル８２内部に流れる。次いで液体は、カートリッジの下部層内の（出口）チャンネル７６内部にさらに流れることができる前に、中間レベルチャンネル８２を満たす。遠心力の作用に関連してカートリッジの方向を変えることによって、液体はチャンネル７６の延長においてキャビティ１０７内に流れる。液体は中間レベルチャンネル８２内で、遠心力に関してカートリッジの方向を繰り返し変えることによって、キャビティ１０６’および１０７の間を多孔質膜８５を通って前後に洗い流してよい。さらに、液体は不要物キャビティ、典型的には吸収パッドに直接導かれてよく、またはチャンネル８０’を通ってさらなる処理のために他の中間レベルチャンネル８２’’’を通って流れることが可能である。
【００６６】
以下において、図８に示される構造を例として、本発明の技術的効果および利点が説明される。カートリッジは、発明の名称が「Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｔｉｏｎ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｕｓｅ ｏｆ ｓｕｃｈ ａｎ ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ」である、本出願人の同時係属特許出願に記載される遠心分離装置と組み合わせて使用されるのが好ましいが、米国特許第４，８１４，２８２号公報（Ｈｏｌｅｎら）に記載される装置と組み合わせて使用されてもよい。この特定の例において、分析システムを通って免疫膜流に基づく少量の血液サンプル内の特定の血漿−たんぱく質（抗原）の量の測定に使用されたカートリッジが記載された。
【００６７】
サンプル分配装置１０８は、開口キャビティ１１０の細孔力を使用して指を刺すことにより全血液として少ない体積を引き込むために使用される。引き込まれる全血液の体積は、キャビティ１１０の体積によって決定されるが、通常０．１μＬから１００μＬの間であり、典型的には１０μＬである。カートリッジの流体構造および自動化回転および回転が、自動化分析試験の遅い段階においてサンプルの１つまたはそれ以上の血漿フラクションの正確な測定結果を与えるため、全血液の正確な体積は手続のこの段階ではそれほど重要ではない。
【００６８】
次いで操作者はサンプル分配装置１０８をカートリッジ１０のコア要素と結合し、これらはスナップロックなどの適切なシステムによって互いに保持される。これによって、カートリッジは、小さな隠れた通気孔（図示されない）を除いては完全に密閉された、好ましい状態になり得る。
【００６９】
この一体化において、液体試薬を保持するキャビティ１１２は、例えばホイルを切断することによって開口される。液体試薬を含むキャビティ１１２はサンプル分配装置の一部である必要はないが、カートリッジのどこか（例えば上部または下部層）に配置されてよい。さらに、カートリッジまたはサンプル分配装置は様々な液体および／または乾燥試薬を備えた幾つかのキャビティを有してよい。サンプル分配装置１０８およびカートリッジ１０のコア要素を一体化した後、カートリッジは装置の操作者によって遠心分離装置内に配置される。遠心分離装置内の所定の位置にカートリッジを保持する機構を除いて、カートリッジと装置との間には、例えばポンプ結合、バルブコントローラ、電気コンタクトプラグ、または他のタイプの接合部分などの、どのような接合部分も必要ない。遠心分離装置は、この遠心分離プレートを回転することによってカートリッジを遠心力に曝す前に、遠心分離装置の主遠心分離プレート上で０°とみなされる規定された第１の方向にカートリッジを向けるように設計される。
【００７０】
遠心分離装置内部の手段は、初期段階の間、典型的にはカートリッジ上のバーコードなどを読み取り、このバーコードなどはカートリッジを識別し、装置が以下の手順で自動的に実施する遠心分離回転およびカートリッジ回転のための適切なプログラムを選択する。
【００７１】
図８に示されるような、遠心力３０＝０°である方向にあるカートリッジ１０の回転（典型的には４０Ｈｚ）において、キャビティ１１２の液体バッファー試薬は遠心力によってキャビティ１００に移動し、キャビティ１００、１０５、および１０７の間でさらに分割され、一方で全血液サンプルは入口手段２０を介して第１キャビティ１８内部に移動する。全血液サンプルは、遠心力（典型的には５００×Ｇ）に起因して、遠心軸から最も遠く離れた、キャビティ１８の一部に広がることを強いられる。このキャビティ１８（引き延ばされかつ深い）は、遠心力に垂直な面に延びて存在し、血液サンプルはキャビティの縁部（「底部」）１９に近い薄い層内に広がる。血液サンプル内部の血液細胞は、血漿よりも密度が高いことに起因して、遠心軸から最も遠い領域に移動し、壁１９に最も近い領域を占有し、それによって遠心軸の近くに薄いが識別可能である血漿層を形成する。血液細胞を含まない血漿薄膜は、遠心分離プレートの半径および遠心分離の速度に依存して、典型的には２０から１２０秒の間に形成される。
【００７２】
図８に記載されるカートリッジが時計回り（＜５６°）に回転するとき、血漿および血液細胞は２つの異なる層内に第２キャビティ２２内部に移動する。第１キャビティ１８と比較して遠心力の方向にはより延びて存在するが、遠心力に垂直な面内でより浅くかつ狭い、この第２キャビティ２２において、血液細胞からの血漿の分離は維持される。これは、血漿表面から血液細胞への距離が、その前のキャビティ１８内にあるときと比較して実質的に大きいことを暗に示している。
【００７３】
さらに時計回りに５６°にカートリッジを回転することによって、細胞を含まない血漿のフラクションは測定キャビティ３８内部に流れる。この回転の間、キャビティ１００、１０５、および１０７内の液体試薬は、遠心力に起因して、キャビティ１０２、１０３、および１０１内部に各々流れる。これらのキャビティにおいて、液体試薬は乾燥試薬を溶解してよい。例として述べた特定の免疫学的分析において、キャビティ１０２は目的とする抗原に特異性を有する、乾燥されるかまたは凍結乾燥された標識モノクローナル抗体を含む。抗体標識は典型的にはコロイド金、蛍光色素分子、酵素、または検知に適する他の標識などの強い染料である。
【００７４】
遠心分離回転は、分析の残りに関して、血液細胞から血漿を分離する間使用される速度と比較して低い速度（典型的には１０Ｈｚ）に低減されてよい。次いで図８のカートリッジは、反時計回りに８３°回転される。画定される血漿の測定されるフラクションは、キャビティ３８にトラップされる。キャビティ２２内の過剰の血漿および血液細胞はキャビティ１８および中間レベルチャンネル８２’、およびさらに吸収パッド８７の内部を通って流れ、吸収パッドはカートリッジの下部層８４に位置してよい。同時に、キャビティ１０１の液体試薬部分はキャビティ１０９内部に流れる。
【００７５】
次いでカートリッジは時計回りに６０°回転してキャビティ１０９内の液体がキャビティ２２内部に流れるのを可能にし、一方でキャビティ３８、１０１、１０２、および１０３内の他の液体はそれら各々のキャビティ内部に残る。カートリッジを反時計回りに６０°回転し、キャビティ２２内の液体はこのキャビティから吸収パッド８７内に流れ、それによって血液サンプルの残余物に関してキャビティ２２および１８を洗い流す。
【００７６】
次いでカートリッジは時計回りに１０８°回転し、それによってキャビティ１０１内の血漿および液体はチャンネル３８を通ってキャビティ１０６’内部に流れる。その後カートリッジは前後に傾けられ、血漿および続く希釈液体がキャビティ１０６’内部の高位を勢いよく流れ、それによって血漿と希釈液体を混合し、一方でキャビティ１０２および１０３内部の液体試薬がなおも各々のキャビティ内部に残ることを可能にする。次いで希釈された血漿は、反時計回りの適切な回転によって、多孔質材料８５（典型的には抗体でコーティングされた多孔質膜）を含む中間レベルチャンネル８２内部に流れることが可能となる。次の時計回りの回転において、希釈された血漿は、前述の図９に従って、この膜８５を通って勢いよく流される。多孔質膜上に固定化された抗体は、各々の抗原を特異的に捕捉し、一方で希釈サンプル内部の他の全ての分子は溶解されたままである。カートリッジをさらに時計回りに回転することによって、希釈されたサンプルの液体の全てが下部のキャビティ７６に移動し、最終的に中間レベルチャンネル８２’に入る。この時計回りの回転において、キャビティ１０２内の標識された抗原特異的抗体を含む液体試薬はキャビティ１０６’内部に流れ、一方でキャビティ１０３内の液体はこのキャビティ１０３内部に残る。次いで液体をキャビティ１０６’から多孔質膜８５を通ってさらに下部キャビティ７６内部に勢いよく流すための前述の一連の回転が、繰り返される。多孔質膜に捕捉されている抗原分子が対応する標識された抗体に結合する。その間に、希釈された血漿を使い果たした抗原はチャンネル８０’および中間レベルチャンネル８２”を通って吸収パッド８７内部に流される。
【００７７】
その後カートリッジは時計回りの方向にさらに回転され、キャビティ１０３の液体がキャビティ１０６’内部に流れるようにする。次いで液体をキャビティ１０６’から多孔質膜８５を通ってさらに下部キャビティ７６内部に勢いよく流すための前述されたのと同じ一連の回転が、繰り返される（３度目）。それによって洗浄液体は多孔質膜から非特異的に結合された標識抗体を除去する。最終的に、全ての液体試薬は吸収パッド８７に行き着く。
【００７８】
次いで多孔質膜上に捕捉された標識抗体は光学的手段または他の手段によって測定されてよい。典型的には、金コロイドで標識された抗体は膜上で赤色を生じ、一方で蛍光色素分子により標識された抗体は光励起で蛍光を放射する。
【００７９】
記載された分析シーケンスは多くの段階を含むが、そのような反応シーケンスは本発明の結果として数分以内、典型的には２から５分で実施され得る。
【００８０】
図８−１０に記載される特定のカートリッジ構造は、分析の間免疫学的膜による血漿−たんぱく質の流れの測定に適用されるとき、本発明の利点を示すのに使用される例である。本発明は、様々な用途の領域においてさらなる価値を提供し、宇宙空間であっても機能する。様々なサンプルは、任意のタイプの有機または無機材料、ウイルス、バクテリア、菌類、または真核生物、組織、および体液に由来して使用され得る。測定されるパラメータは、低分子量および高分子量材料、たんぱく質、脂質、栄養分、核酸、細胞、ウイルス、バクテリアなどを含む任意のタイプの無機、有機、または生体材料であってよい。様々な免疫学的分析、核酸抽出、精製および増幅解析、酵素分析、およびその他を含む様々な試薬および分析シーケンスが、図１から１０に記載される流体要素の変形を組み合わせる本発明の利点を生かして、迅速かつ効果的に実施され得る。
【００８１】
当業者は、本発明が前述の好ましい実施形態によって決して制限されないことを理解するだろう。対照的に、多くの修正および変更が添付される請求項の範囲内で可能である。
【００８２】
さらに、本願に記載される様々な特徴は、場合によって単独でまたは組み合わせて具現化されてよい。
【００８３】
この目的を達成するために、（少なくとも２つの方向に作用する遠心力の下で処理を実施するための）サンプル処理カートリッジが考えられ、カートリッジはそこを起点とするサンプルまたは材料が移動され得る少なくとも１つの追加のキャビティを有する上部層および下部層を含む（ただし、必然的に深い第１キャビティおよび浅い第２キャビティまたは任意の粒子トラップまたはＵ形状マイクロチャンネルではない）。
【００８４】
サンプル処理カートリッジ（少なくとも２つの方向に作用する遠心力の下で処理を実施する）も考えられ、カートリッジは、そこを起点とするサンプルおよび／または試薬または材料を測定するための、１つまたは複数の実質的にＵ形状のマイクロチャンネルを含む（ただし、必然的に深い第１キャビティおよび浅い第２キャビティまたは任意の上部／下部層ではない）。
【００８５】
サンプル処理カートリッジ（少なくとも２つの方向に作用する遠心力の下で処理を実施する）も考えられ、カートリッジは、高い密度の流体粒子を阻止し、かつ低い密度の流体粒子を通過させるように適合された少なくとも１つのトラップを含む（ただし、必然的に深い第１キャビティおよび浅い第２キャビティまたは任意の上部／下部層、またはＵ形状マイクロチャンネルではない）。
【００８６】
サンプル処理カートリッジ（少なくとも２つの方向に作用する遠心力の下で処理を実施する）も考えられ、カートリッジは、カートリッジのキャビティまたはチャンネル（例えば中間層チャンネル）内に配置された多孔質材料の少なくとも１つの構成単位を含み、遠心力に関してカートリッジの方向を変更することによって他の材料が多孔質材料を通過してよい。多孔質材料の少なくとも１つの構成単位は、多孔質材料の表面に固定化された反応基で溶液中の分子間のさらなる相互作用を可能にするように適合された、官能基を有するフィルタ、多孔質膜、センサ、反応器、またはアクチュエータであってよい。
【符号の説明】
【００８７】
１０ カートリッジ
１２ 上部面
１４ 下部面
１６ 側壁
１８ 第１分離キャビティ
２０ 入口手段
２２ 第２キャビティ
【図１ａ】
【図１ｂ】
【図１ｃ】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠心力に対してカートリッジの方向が変更されるとき、少なくとも２つの方向に作用する遠心力の下で処理を実施するためのサンプル処理カートリッジ（１０）であって、
サンプルを収容するよう適合された第１キャビティ（１８）、および
第１キャビティと流体連通する第２キャビティ（２２）を含み、
第１および第２キャビティは、カートリッジに働く遠心力が第１方向（３０）から第２方向（３６）に変更されるとき、第１キャビティ内のサンプルがそこから第２キャビティに移動するように配置され、
第１キャビティは、カートリッジの面（Ｐ）内で、第１方向に働く遠心力に垂直に延びて存在し、
第２キャビティは第１キャビティと比較して浅く、第１キャビティが第１方向に働く遠心力の方向に延びる程度と比較して、第２方向に作用する遠心力の方向にさらに延びている、サンプル処理カートリッジ。
【請求項２】
前記面または前記面に平行な面において、第１キャビティが第１方向に働く遠心力に垂直に延びる程度と比較して、第２キャビティが第２方向に作用する遠心力に垂直に延びる程度が少ない、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項３】
そこを起点とするサンプルまたは材料が移動され得る少なくとも１つのさらなるキャビティおよび／またはチャンネルを備える上部層（７８）および下部層（８４）の少なくとも１つをさらに含む、請求項１または２に記載のカートリッジ。
【請求項４】
そこを起点とするサンプルまたは材料を測定するための、実質的にＶ形状またはＵ形状のマイクロチャンネル（３８）をさらに含む、請求項１から３の何れか一項に記載のカートリッジ。
【請求項５】
密度が高い流体粒子を阻止するが、密度が低い液体および／または流体粒子を通過させるように適合された少なくとも１つのトラップ（４２、６６）をさらに含む、請求項１から４の何れか一項に記載のカートリッジ。
【請求項６】
前記トラップが、
入口チャンバ（４４）、
中間Ｕ形状チャンネル（４６）、
出口チャンバ（４８）、
入口チャンバと中間チャンネルの一端との間の、第１の２チャンネルスプリッタ（５０）、
中間チャンネルの反対側の端と出口チャンバとの間の、第２の２チャンネルスプリッタ（５４）、
を含む、請求項５に記載のカートリッジ。
【請求項７】
前記トラップが、その凹部に入口（７０）および出口（７２）を有する腎臓形状のループ（６８）を含む、請求項５に記載のカートリッジ。
【請求項８】
第１キャビティがカートリッジの面内に延びて存在し、前記面に垂直な深さを有し、第２キャビティが第１キャビティと比較して浅く、前記面内の異なる方向に、第１キャビティの幅よりも大きな量だけ延びて存在する、請求項１から７の何れか一項に記載のカートリッジ。
【請求項９】
第２キャビティがチャンネルシステムとして構成される、請求項１から８の何れか一項に記載のカートリッジ。
【請求項１０】
カートリッジのキャビティまたはチャンネル内に配置される少なくとも１つの多孔質材料をさらに含み、遠心力に対してカートリッジの方向を変更することによって、他の材料が多孔質材料を通過し得るようにする、請求項１から９の何れか一項に記載のカートリッジ。
【請求項１１】
多孔質材料（８５）が上部層および／または下部層への中間レベルチャンネル（８２）内に配置される、請求項３から１０の何れか一項に記載のカートリッジ。
【請求項１２】
中間レベルチャンネル（８２）への入口（８０）がカートリッジの１つの層（７４）内の中間レベルチャンネル（８２）の一端に提供され、入口は中間レベルチャンネル（８２）からの出口（７６）と実質的に同じ方向に配置され、この出口はカートリッジの他の層（８４）内の中間レベルチャンネル（８２）の他端に提供される、請求項１１に記載のカートリッジ。
【請求項１３】
遠心力の下で、サンプルを処理および／または分析する方法であって、
請求項１から１２の何れか一項に記載のサンプル処理カートリッジ（１０）の第１キャビティ（１８）にサンプルを提供する段階、
カートリッジに第１方向（３０）に働く遠心力を与える段階、
遠心力を第１方向から第２方向（３６）に変更する段階、
を含む方法。
【請求項１４】
外部軸（２４）に関してカートリッジを回転させることによって、カートリッジが遠心力を受け、遠心力の方向がカートリッジ内部の軸（２６）に関してカートリッジを回転させることによって変更される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
Ｖ形状またはＵ形状マイクロチャンネル（３８）の細孔力を超える遠心力をカートリッジに与える、請求項４を引用する請求項１３または１４に記載の方法。
【請求項１６】
そこを起点とするサンプルまたは材料が、前記第１および第２キャビティを含むチャンネルおよびキャビティの第１システムに平行な、カートリッジの面内に横方向に延びるチャンネルおよびキャビティのシステムに入ることが可能である、請求項１３から１５の何れか一項に記載の方法。
【請求項１７】
遠心力に対してカートリッジの方向を変更し、前記他の材料が多孔質材料を通過するようにする段階をさらに含む、請求項１０、１１、または１２を引用する請求項１３〜１６の何れか一項に記載の方法。
【請求項１８】
少なくとも２つの方向に作用する遠心力の下で処理を実施するためのサンプル処理カートリッジ（１０）であって、
サンプルを収容するよう適合された第１キャビティ（１８）、および
第１キャビティと流体連通する第２キャビティ（２２）またはチャンネルシステムを含み、
第１キャビティがカートリッジの面内に延びて存在し、前記面に垂直な深さを有し、第２キャビティまたはチャンネルシステムが第１キャビティと比較して浅く、前記面内に、または前記面と平行な面内の異なる方向に、第１キャビティの幅よりも大きな量だけ延びて存在する、サンプル処理カートリッジ。
【請求項１】
遠心力に対してカートリッジの方向が変更されるとき、少なくとも２つの方向に作用する遠心力の下で処理を実施するためのサンプル処理カートリッジ（１０）であって、
サンプルを収容するよう適合された第１キャビティ（１８）、および
第１キャビティと流体連通する第２キャビティ（２２）を含み、
第１および第２キャビティは、カートリッジに働く遠心力が第１方向（３０）から第２方向（３６）に変更されるとき、第１キャビティ内のサンプルがそこから第２キャビティに移動するように配置され、
第１キャビティは、カートリッジの面（Ｐ）内で、第１方向に働く遠心力に垂直に延びて存在し、
第２キャビティは第１キャビティと比較して浅く、第１キャビティが第１方向に働く遠心力の方向に延びる程度と比較して、第２方向に作用する遠心力の方向にさらに延びている、サンプル処理カートリッジ。
【請求項２】
前記面または前記面に平行な面において、第１キャビティが第１方向に働く遠心力に垂直に延びる程度と比較して、第２キャビティが第２方向に作用する遠心力に垂直に延びる程度が少ない、請求項１に記載のカートリッジ。
【請求項３】
そこを起点とするサンプルまたは材料が移動され得る少なくとも１つのさらなるキャビティおよび／またはチャンネルを備える上部層（７８）および下部層（８４）の少なくとも１つをさらに含む、請求項１または２に記載のカートリッジ。
【請求項４】
そこを起点とするサンプルまたは材料を測定するための、実質的にＶ形状またはＵ形状のマイクロチャンネル（３８）をさらに含む、請求項１から３の何れか一項に記載のカートリッジ。
【請求項５】
密度が高い流体粒子を阻止するが、密度が低い液体および／または流体粒子を通過させるように適合された少なくとも１つのトラップ（４２、６６）をさらに含む、請求項１から４の何れか一項に記載のカートリッジ。
【請求項６】
前記トラップが、
入口チャンバ（４４）、
中間Ｕ形状チャンネル（４６）、
出口チャンバ（４８）、
入口チャンバと中間チャンネルの一端との間の、第１の２チャンネルスプリッタ（５０）、
中間チャンネルの反対側の端と出口チャンバとの間の、第２の２チャンネルスプリッタ（５４）、
を含む、請求項５に記載のカートリッジ。
【請求項７】
前記トラップが、その凹部に入口（７０）および出口（７２）を有する腎臓形状のループ（６８）を含む、請求項５に記載のカートリッジ。
【請求項８】
第１キャビティがカートリッジの面内に延びて存在し、前記面に垂直な深さを有し、第２キャビティが第１キャビティと比較して浅く、前記面内の異なる方向に、第１キャビティの幅よりも大きな量だけ延びて存在する、請求項１から７の何れか一項に記載のカートリッジ。
【請求項９】
第２キャビティがチャンネルシステムとして構成される、請求項１から８の何れか一項に記載のカートリッジ。
【請求項１０】
カートリッジのキャビティまたはチャンネル内に配置される少なくとも１つの多孔質材料をさらに含み、遠心力に対してカートリッジの方向を変更することによって、他の材料が多孔質材料を通過し得るようにする、請求項１から９の何れか一項に記載のカートリッジ。
【請求項１１】
多孔質材料（８５）が上部層および／または下部層への中間レベルチャンネル（８２）内に配置される、請求項３から１０の何れか一項に記載のカートリッジ。
【請求項１２】
中間レベルチャンネル（８２）への入口（８０）がカートリッジの１つの層（７４）内の中間レベルチャンネル（８２）の一端に提供され、入口は中間レベルチャンネル（８２）からの出口（７６）と実質的に同じ方向に配置され、この出口はカートリッジの他の層（８４）内の中間レベルチャンネル（８２）の他端に提供される、請求項１１に記載のカートリッジ。
【請求項１３】
遠心力の下で、サンプルを処理および／または分析する方法であって、
請求項１から１２の何れか一項に記載のサンプル処理カートリッジ（１０）の第１キャビティ（１８）にサンプルを提供する段階、
カートリッジに第１方向（３０）に働く遠心力を与える段階、
遠心力を第１方向から第２方向（３６）に変更する段階、
を含む方法。
【請求項１４】
外部軸（２４）に関してカートリッジを回転させることによって、カートリッジが遠心力を受け、遠心力の方向がカートリッジ内部の軸（２６）に関してカートリッジを回転させることによって変更される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
Ｖ形状またはＵ形状マイクロチャンネル（３８）の細孔力を超える遠心力をカートリッジに与える、請求項４を引用する請求項１３または１４に記載の方法。
【請求項１６】
そこを起点とするサンプルまたは材料が、前記第１および第２キャビティを含むチャンネルおよびキャビティの第１システムに平行な、カートリッジの面内に横方向に延びるチャンネルおよびキャビティのシステムに入ることが可能である、請求項１３から１５の何れか一項に記載の方法。
【請求項１７】
遠心力に対してカートリッジの方向を変更し、前記他の材料が多孔質材料を通過するようにする段階をさらに含む、請求項１０、１１、または１２を引用する請求項１３〜１６の何れか一項に記載の方法。
【請求項１８】
少なくとも２つの方向に作用する遠心力の下で処理を実施するためのサンプル処理カートリッジ（１０）であって、
サンプルを収容するよう適合された第１キャビティ（１８）、および
第１キャビティと流体連通する第２キャビティ（２２）またはチャンネルシステムを含み、
第１キャビティがカートリッジの面内に延びて存在し、前記面に垂直な深さを有し、第２キャビティまたはチャンネルシステムが第１キャビティと比較して浅く、前記面内に、または前記面と平行な面内の異なる方向に、第１キャビティの幅よりも大きな量だけ延びて存在する、サンプル処理カートリッジ。
【図２】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図３ｃ】
【図３ｄ】
【図３ｅ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図３ｃ】
【図３ｄ】
【図３ｅ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公表番号】特表２０１３−５１５９６６（Ｐ２０１３−５１５９６６Ａ）
【公表日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５４７０４７（Ｐ２０１２−５４７０４７）
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＮＯ２０１０／０００４８８
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０８１５３０
【国際公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【出願人】（５１２１６９７８５）
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＮＯ２０１０／０００４８８
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０８１５３０
【国際公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【出願人】（５１２１６９７８５）
【Ｆターム（参考）】
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