JP5000666B2 - 流体を分析する装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体を分析する装置、装置の膜の異なる部分を介して磁性粒子及び流体を指向させる制御装置、及び流体を分析する方法に関する。

種々の流体内の、所謂、目標（ターゲット）を検出するために、益々、多様な用途に対して装置が開発されている。目標の例として、核酸、抗体、抗原、リセプタ、ハプテン又はリガンドが挙げられる。他の例は、例えば細胞破片、ウイルス又は食物破片内の物質等の装置による検出にかなうものである。目標は、時には、分子であり、この場合、分子種とも呼ばれる。目標を有する流体の例として、血液、唾液、尿、組織抽出液、間質液、食物抽出液及び環境的標本が挙げられる。他の流体は、検出されるべき目標を有するのに固有のものである。斯かる流体はソース（源）から処理無しで直接的に取り出すこともできるが、例えば濾過、溶解、粉砕、純化、濃縮、希釈、増幅等の1以上の前処理工程を先ず受けることもできる。本発明に使用される意味での装置は、少量の物質を含む装置である。本発明の意味での用語としての装置は、更に、マイクロ装置及びマイクロ流体装置を含む。例えば、斯かる装置は、バイオセンサチップ、生物学的マイクロチップ、遺伝子チップ又はＤＮＡチップとも呼ばれるバイオチップを有する。該バイオチップは、最も簡単な形態では、チップ上の良好に画定された領域上に多数の異なるプローブ分子が付着された基板からなり、これらプローブ分子には当該物質又は流体内の分析されるべき分子又は分子破片が、合致した場合、結合する。上記基板は、当該物質又は流体が移送される多孔質材料又は膜として設計することができる。例えば、1本鎖ＤＮＡ分子の破片は、１つの固有の相補的ＤＮＡ鎖（c-ＤＮＡ）破片に結合する。結合反応の発生は、例えば分析されるべき分子に連結される蛍光性、化学発光性、放射性又は吸収性マーカを用いることにより検出することができる。これは、少量の多数の異なる分子又は分子破片を短時間内に並列に分析する能力を提供する。１つのバイオチップは、数個から１０００又はそれ以上までの異なる分子破片に関して、分析されるべき検定物（ここでは、流体３と呼ぶ）を保持することができる。移送及び混合のために、当該装置内に含まれる物質又は流体は、マイクロポンプにより該装置を介してポンプ送りされる。この当該装置内での流体のポンプ送りは、該流体を基板に沿って又は膜を介して各々繰り返し搬送するためにも使用することができる。ポンプ送りすることにより、目標がプローブ分子に到達する確率が増加され、当該膜に付着されたプローブ分子に対する当該流体内の目標の固有の結合が改善される。装置内へのマイクロポンプの配設は、製造が困難であり、かなり費用が掛かり、故障し易い。マイクロポンプを備える装置1を用いると、流体の大きな無駄容積が生じ、これは、当該流体のかなりの部分は分析部に接近することができないことを意味する。従って、目標を含む大量の流体が必要であり、これは、費用、時間及び標本の取り出しに関する欠点となる。

本発明の目的は、流体を分析するための代替例を提供することにある。

この目的は、磁性粒子を有する流体を分析する装置であって、該磁性粒子に磁気力を生じさせて目標を有する当該流体の運動を生成するように設計された磁界を発生するための磁気手段を有するような装置により解決される。更に、装置における膜の異なる部分を介して磁性粒子及び流体を指向させるための制御装置が設けられ、該制御装置は当該装置を介して上記磁性粒子及び流体を指向させる目的で、磁気手段の磁界強度を変化させる手段を有する。更に、磁性粒子を含む流体を分析する方法が利用可能にされ、該方法は、上記流体の運動を生じさせる目的で、上記磁性粒子に対して磁気力を生じさせる磁界を発生し、これにより上記磁性粒子に磁気力を生じさせるステップを有する。上記磁性粒子に対する力は、磁界及び／又は磁界勾配を印加することにより得られる。

このようにして、分析する目的での装置を介しての流体の移動は、素直な態様で実現される。

本発明は、機械的手段無しで流体の移送を実現し、複雑な生物学的混合物を含み得るような少容量の流体に適している。該流体の移動は、目標を含む周囲の流体に対する磁性粒子の流体抵抗（drag force）により生じる。当該流体は上記磁性粒子により移動され、該流体には直接的には実質的に何の力も作用しないことに言及することが重要である。本発明は、標本としての小さな体積の流体による分析、小さなカートリッジを用いる小型の設計を提供し、低コスト及び高信頼度での高速分析を提供する。

当該流体を移動させる他の手段を、該流体の運動を生じさせる本発明のフィーチャと組み合わせることができる。

本発明の幾つかの実施例が、従属請求書に記載されている。

一つの実施例は、当該膜を介して流体を移動させると共に、目標を結合スポット、即ち捕捉分子（capture molecules）に結合させるための、斯かる結合スポットのアレイを備える膜を開示している。上記流体の移動と、当該装置内の多孔性膜との組み合わせは、当該膜を介しての流体の改善された且つ高速な通過を可能にさせる。

他の実施例においては、当該装置は、制御装置により制御されて互いに実質的に直交して延び、所定の態様で自身の方向及び／又は大きさを変化させる磁界を有し、上記制御装置は当該装置を介して上記磁性粒子及び流体を指向させるために斯かる磁性粒子に発生される磁気力を変化させる。斯かる磁気力は、例えば、当該装置に対して水平に配置された及び垂直に配置された磁気手段により発生される。更なる磁界、特には上記２つの磁界に対して垂直に配置された磁界を適用することができ、空間内の各方向の磁界を確立する。当該流体は当該装置を介して異なる方向に自由に移送される。当該装置における流体内の物質又は目標の改善された混合及び結合が、達成される。上記磁性粒子又はビードの力、従って運動は、磁界勾配を印加することにより達成することができる。上記制御装置は、他の実施例では、磁性粒子及び流体を前記膜の異なる部分を介して指向させるように設計される。主に、これは、特に幾つかの目標の場合において、流体及び膜内において遠い位置を有するような、目標と称される異なる物質の相互の結合を支援する。流体内の目標は、固有の結合を確立するために、膜内の（例えば、結合スポットに組み込まれた）物質に運ばれる。

上述した実施例の他の変形例は、前記磁性粒子及び前記流体を、前記膜の一方の側において第１の方向から前記膜を介して指向させ、前記膜に沿って第２の方向に指向させ、前記膜の反対側において前記第１の方向とは逆の方向の第３の方向から前記膜を介して指向させ、前記膜に沿って前記第２の方向とは逆の方向の第４の方向に指向させ、これにより前記磁性粒子及び前記流体の巡回的流れを生じさせるように設計された制御装置を開示している。

他の実施例では、当該装置を介しての流体の運動を改善するために、複数の前記磁性粒子が多粒子構造又は連鎖（strings）を形成する。多粒子構造は、単一の磁性粒子からなる構造よりも、磁気力に対して大幅に多くアクセス可能となる。かくして、より大きな力が磁性粒子に対して発生され、磁性粒子の一層大きな流体抵抗が、流体に対して該流体を移動させるように作用する。多粒子構造は、磁気的な又は他の力（例えば、化学的）の影響の下で形成することができる。磁気力を使用する利点は、多粒子構造を、印加される磁界の影響の下で可逆的に組み立て及び分解することができる点にある。

当該流体内の物質の量又は濃度を測定するために、磁性マーカの漂遊磁界を誘起させるような磁界を発生する磁界発生ワイヤ又はコイル、及び該漂遊磁界を測定するための巨大磁気抵抗センサが設けられる。この測定は、好ましくは、前記磁気手段による運動の終了後に実行される。当該流体の移動を生じさせる上記磁性粒子は、漂遊磁界を誘起させる上記マーカと同一とすることができる。それ以外では、当該流体の運動を生じさせる上記磁性粒子及び漂遊磁界を誘起させる目標は異なるものとし、１つの品目に統合されることはない。

当該流体内の物質の量又は濃度を測定する代替例は、目標の又はマーカの光学的検出のための、従って目標の量を測定する光学検出器により達成される。その利点は、例えば蛍光体（fluorophore）マーカによりラベル付けする等の、普通の光学ラベル付け技術を使用することができることにある。

当該流体を分析するための上記光学的検出処理を行う前に、好ましくは、磁性粒子は前記膜外に又は少なくとも分析される領域外に及び視界から離れて移動され、これにより、光散乱、吸収又は発光として参照されるような当該粒子からの望ましくない背景信号を防止する。

可能性のある膜の例は、多孔性のアルミニウム若しくは酸化アルミニウム、シリコン若しくはシリコン酸化物（電極付き又は電極無し）、例えばナイロン等のプラスチック膜、例えばニトロセルロース等の繊維性材料に基づく膜である。

本発明の代替例においては、磁界の発生のために、前記膜内に又は膜上に導電ワイヤが組み込まれる。

本発明の代替例においては、前記膜の機械的安定性を改善するために、該膜に機械的安定器が配設される。当該膜内に大量の磁性粒子又はビードが存在すると、前記磁界は該膜にも力を誘起する。上記機械的安定器は、例えば当該装置の上記膜に取り付けられる薄い層として構築された安定したセラミック基板又はワイヤグリッド等の支持膜として設計することができる。他の例として、例えば米国特許第６６３５４９３号に記載されているような、剛性の多孔性基板材料を使用することもできる。

代替例は、光学的検出用のマーカ（好ましくは発光、蛍光又は燐光マーカ）として設計された磁性粒子を提供する。この場合、斯かる磁性粒子は目標に対して直接的に又はカウンタ粒子を介して結合される。カウンタ粒子は、１つの種類の粒子に特に固有に結合される粒子である。この場合、斯かる粒子は、結果的に、少なくとも前記流体を移動させる機能を有すると共に、目標の量を測定する理由により検出される機能をも有する。

本発明の上記及び他の特徴、フィーチャ及び利点は、添付図面を参照してなされる下記の詳細な説明から明らかとなるであろうが、上記図面は例示として本発明の原理を図示するものである。本説明は、本発明の範囲を限定することなく、例示としてのみ示されるものである。

図１は、例えば血液、唾液、尿等の人又は動物のソースから得られる実質的に流体３であるような物質を分析する現行技術の装置１の構成を示している。従って、物質なる用語は、以下においては流体なる用語により置き換えられる。流体３は、分析されるべき目標３０ａ、３０ｂを有している。マイクロ流体装置なる用語は、定義により、装置１なる用語に含まれる。装置１は、流体３を収容するチェンバ２３を含むハウジングを有している。チェンバ２３内において、障壁２５が当該装置１の全高にわたり延在して、当該チェンバ２３内にダクト２６を形成し、巡回的な流体の流れを可能にしている。装置１は、該装置１の内部のチェンバ２３に流体３を投入するための入口２２を有している。流体３に圧力を生じさせ、これにより装置１の内部で障壁２５の周りに流体３の巡回的流れを発生させるために、装置１にはマイクロポンプ２４が設けられている。マイクロポンプ２４は、分析処理が進行している限り、流体３を当該装置１を介して障壁に沿い且つ巡って永久的にポンプ送りする。このポンプ送りは、典型的には、混成（hybridization）として段階的に実行され、これは幾らかの時間を要する。更に、流体のマイクロポンプ送りは、特別な（dedicated）温度サイクルが必要とされる場合に適用される。複数のポンプ送り及び混成ステップの後、当該流体の分析、特には光学的分析、が実行される。膜１０が、装置１のハウジングの内側と、該装置１のチェンバ２３の全高にわたって延びる障壁２５との間に配設され、該チェンバ２３を２つの部分に分割している。膜１０は、該膜１０を介しての流体３の流れを可能にするために、多孔質に設計されている。膜１０は、当該装置１における１つの本質的フィーチャであり、以下に述べるように、該膜１０に目標３０ａ、３０ｂを結合させるための相補的結合サイト（binding sites）３１ａ、３１ｂを有するような結合スポット３２ａ、３２ｂを有している。理想的には、目標３０ａ，３０ｂは、膜１０における結合スポット３２ａ，３２ｂ内の相補的結合サイト３１ａ，３１ｂに排他的に各々結合し、結合の後、目標３０ａ，３０ｂは、それらの相補的結合サイト３１ａ，３１ｂに固定される。理想的には、結合は、特別な目標３０ａ，３０ｂが、その相補的結合サイト３１ａ，３１ｂに正確に適合した場合にのみ生じる。膜１０を通過することにより、分析されるべき流体３内の目標３０ａ，３０ｂは、該膜１０における結合スポット３２ａ，３２ｂに結合する。膜１０を介しての流体３の通過は数回繰り返されて、結合スポット３２への目標３０ａ，３０ｂの結合率を向上させる。膜１０の方向及び反対の方向を指す図１の矢印２７は、照射、即ち光学マーカ３３の励起、及び該膜１０上への光の反射／蛍光、即ち光学的応答を示す。光学マーカ３３は、結合スポット３２に結合される目標３０ａ，３０ｂに付着され、これら光学マーカ３３を照射する光ビームを受光する光学検出器（図示略）により検出することができる。光学マーカ３３を測定することにより、各々が１つのマーカ３３に結合されているような、膜１０において結合された目標３０ａ，３０ｂの量を決定することができる。この処理は、流体３内の目標３０ａ，３０ｂの量を測定することを可能にする。

図２は、図１で述べたような目標３の検出のためにマーカ３３が目標３０ａ，３０ｂに連結されて、目標３０ａ，３０ｂをアレイ内の相補的結合サイト３１ａ，３１ｂにより基板又は膜１０に結合させる原理の概要図を示す。記載される結合検定の種類は例示のためのみのもので、膜１０は、例えば釈放（unbinding）、排除（displacement）、阻害（inhibition）、拮抗（competition）、アンチコンプレックス、多成分結合、又は例え分子ビーコン検定を実行するための他のフィーチャでもって設計することもできる。例えば結合スポット３２ａ，３２ｂが埋め込まれて膜１０又は基板にアレイ１１を形成するような膜１０又は基板が示されている。ここでは、アレイ１１の一部として、２つの結合スポット３２ａ，３２ｂのみが提示されている。結合スポット３２ａ，３２ｂは結合サイト３１ａ，３１ｂを有し、これらサイトは、それらの相補体である特別な目標３０ａ，３０ｂを専ら結合するように設計される。このために、結合サイト３１ａ，３１ｂは相補的結合サイト３１ａ，３１ｂと称す。当該装置１によっては異なる目標３０ａ，３０ｂを決定及び分析することができ、各々の特別な目標３０は結合スポット３２ａ，３２ｂ内に相補的結合サイト３１ａ，３１ｂを有する。一般的に、膜１０は好ましくは５０ｎｍから２０μｍの範囲の大きさを持つ孔からなるチャンネルを含み、これらチャンネルを介して流体３は膜１０を経て流れる。これらチャンネルは、例えば結合スポット３２ａ，３２ｂとしての、上述した結合、釈放等を得るためのフィーチャを備えている。

図３は、更に、結合サイト３１ａへの目標３０ａの結合過程を概念図により示している。基板又は膜１０には、特別且つ固有な相補的結合サイト３１ａが配設されており、該結合サイトは当該基板又は膜１０に連結されている。この相補的結合サイト３１ａには、理想的には、他の化学物質の如何なる他の目標３０ａも結合することはできない。該相補的結合サイト３１ａは、説明上、一方の側に特別な形状の半円の列を有している。この形状は概念的な結合過程を示すもので、これら半円は固有な形態で目標３０ａ内の凹部に完全に嵌り込み、目標３０ａと該目標の相補的結合サイト３１ａとの間の結合を生成する。この結合過程は、鍵を錠に嵌め込むのと類似している。上記目標３０ａは例示的にはＤＮＡ分子の破片である一方、上記相補的結合サイト３１ａは相補的ＤＮＡ（c-ＤＮＡ）分子破片である。更に、該目標３０ａにはマーカ３３が付着されている。このマーカ３３は、例えば図１で説明したような光学的検出等の種々の方法による検出のためのものである。光学的検出の場合、マーカ３３は蛍光的、化学発光的、放射性又は吸収性である。図３は、目標３０の隣に磁性粒子５を示している。これは、該粒子５の運動が目標３０を引きずることを示すためである。この引きずりは、粘性抵抗流（viscous drag flow）によるものであるか、又は粒子５と目標３０とが例えば物理化学的又は生化学的手段等を介して互いに結合されているからであり得る。粒子５が粘性抵抗のために使用される場合、流体３を移動させるための磁性粒子５は、好ましくは、適切な混合及び結合が達成された後に除去され、マーカ検出処理を妨害しないようにする。目標３０と粒子５との間の（生）化学的結合の場合、該結合は、例えばサンドイッチフォーマットにおけるように、例えば固有の生化学的結合であり得る。後者の場合、磁性粒子又はビードは、以下に述べるように流体３の運動を実現するために、又は磁気検出のためのマーカとして目標３０ａに付着される。後者の場合、光学式マーカ３３は使用されないものとなる。

図４は、更に、異なる目標３０ｂが異なる相補的結合サイト３１ｂと結合するような、図３と同様の概念図を示している。相補的結合サイト３１ａ及び相補的結合サイト３１ｂは同一の基板又は膜１０に配設することができ、目標３０ａ及び３０ｂは同一の流体３内に設けることができる。目標３０ｂ及び該目標の相補的結合サイト３１ｂの両者は、理想的には、これらの間においてのみ結合が生じる、即ち目標３０ａと相補的結合サイト３１ｂとの間では結合が生じないという理解において、固有である。ここでも、マーカ３３が、異なる検出方法のために目標３０ｂに連結されている。相補的結合サイト３１ｂは、解説的目的で、前記相補的結合サイト３１ａの半円形状とは異なる鋸歯状を有している。相補的結合サイト３１ｂに固有に適合する目標３０ｂは、該結合サイト３１ｂの鋸歯状とは相補的な鋸歯状を有している。当該装置１を経て上記基板又は膜１０に沿って（又は介して）移動する流体３は、目標３０ａ，３０ｂが、それらの対応する相補的結合サイト３１ａ，３１ｂに、各々、結合又は付着するのを可能にする。

図５は、磁気装置により目標３０ａ，３０ｂを検出するための本発明の特別な実施例を示す。図示されたのは流体３を分析する装置１の例示的概略側面図であり、この装置は該装置１に印加される磁界を発生する２つの磁気手段１５を備えている。図５の磁気手段１５は、例示としてコイルとして設計されているが、他の可能な設計は電磁石、永久磁石、回転磁石又は他の装置であろう。この構成では、当該装置１の上側に１つの磁気手段１５が配置され、他の磁気手段１５が装置１の下側に配置されている。容易な位置合わせのために、磁気手段１５は装置１に組み込むことができる。発生される磁界は、例示として、▽Ｂ＝１０〜１００Ｔ／ｍの磁界勾配である。装置１は、目標３０ａ，３０ｂを結合するための結合サイト３１ａ、３１ｂを備えた多孔膜１０を有している。装置１の内部には、目標３０ａ，３０ｂ及び磁性粒子５を含む流体３が取り入れられる。磁性粒子５は磁性ビードとも呼ばれ、これらは好ましくは常磁性、超常磁性又は強磁性とする。膜１０を介しての磁性粒子５の効果的移送を可能にするために、磁性粒子５の平均直径は膜１０の平均孔寸法より小さいものとする。磁性粒子５が膜１０の材料内に詰まる確率を最小化するために、磁性粒子５は、好ましくは、例えば製造の間におけるフィルタ処理又は分離によるサイズ選択を受けているものとする。磁性粒子５の外径は数十ナノメートルから数マイクロメートルの範囲であり、好ましくは該直径は＞５０ｎｍ且つ＜５μｍであり、最も好ましくは＞１００ｎｍ且つ＜２μｍである。典型的には、磁性粒子５は、有機又は無機材料からなる不活性シェル（殻）により囲まれた磁性材料のコア（核）を有する。斯かるシェルは、磁性粒子５の安定性を向上させると共に、磁性粒子５の凝集又は磁気特性の劣化を防止する。更に、上記シェルは良好な表面特性を提供し、斯かる特性によれば、磁性粒子５の表面が一緒にくっつくことがなく、意図されない物質への固有でない結合が防止され、粒子表面への固有の生化学分子の付着を可能にする。

水平に配置された磁気手段１５は、磁性粒子５に印加される略一様な磁界を発生する。該磁界は、目標３０ａ，３０ｂに粘着した磁性粒子５に力を発生し、該力は磁性粒子５を低い磁気エネルギの方向へ移動させる。当該装置１を介して磁性粒子５が移動されるのみならず、斯かる磁性粒子に接続された目標３０ａ，３０ｂ並びに磁性粒子５及び目標３０ａ，３０ｂを囲む流体３も移動される。

上記磁界は頻繁に変化され、これにより、磁気力の方向もそれに応じて変化される。図５は上方に向けられた矢印４０を示し、該矢印は磁気的に発生された流れの流線が同一の方向を指し、磁性粒子５に対して同じ方向に力を発生させることを示している。磁界を変化させることにより、磁気的に発生される流線も変化し、これにより、磁性粒子５に対する力を矢印４２により示すように反対方向に生じさせることができる。かくして、流体３は当該装置１内を上方に向かって及び下方に向かって移動される。これにより、流体３は、当該装置１を水平に分割する膜１０を介して、両方向から該膜１０に垂直に通過する。該装置１内における流体３の動きは、駆動されず且つ本質的に機械的力及びブラウン運動により影響されるような現状技術による流れの流体３と比較して速くなる。

上記流体３の運動は、流体３内の物質又は構成成分の混合を支援する。例えば、流体３内の磁性粒子５に対する該流体３内の目標３０ａ，３０ｂの結合のプロセスが改善及び加速される。この混合は当該装置１内で実行され得るので、装置１外での混合の処理ステップは省くことができる。また、流体３内の目標３０ａ，３０ｂの、膜１０内の対応する固有の結合サイト３１ａ，３１ｂに対する結合のプロセスも改善及び加速され得る。この改善はコヒーレントである。というのは、流体３は膜１０を数回通過し、一層高い結合の確率を提供するからである。本質的に機械的力を使用する現状技術と比較して、より多くの磁性粒子５が対応する目標３０ａ，３０ｂに結合すると共に、より多くの目標３０ａ，３０ｂが対応する結合サイト３１ａ，３１ｂに結合するので、結合の効果が改善される。膜１０を通過することにより、流体３内の目標３０ａ，３０ｂは、図３及び図４で詳細に説明したように、多孔膜１０内の対応する結合サイト３１ａ，３１ｂに結合する。目標３０ａ，３０ｂが膜１０を一層頻繁に通過するほど、一層多くの目標３０ａ，３０ｂが、これら目標の固有の結合サイト３１ａ，３１ｂに結合する。当該装置１内で移動する流体３の速度及びリフレッシュ率は改善され、これは、流体３を分析する処理の重要な期間が短縮されることを意味する。

結合の更なる改善のために、又は当該装置１における検定の運動性の改善のために、磁性粒子５は、磁性粒子５又はビードの鎖又は柱（column）等の多粒子構造を有する。この多粒子構造は、磁性粒子５に磁界を印加することにより形成することができる。該多粒子構造は、磁性粒子の鎖、磁性粒子の輪（リング）、磁性粒子の塊（クラスタ）又は他の多粒子構造とすることができる。その長軸の向きは、印加される磁界の向きに依存する。該長軸は真っ直ぐであっても又は湾曲されていてもよい。多粒子構造を使用する利点は、当該構造内の個々の粒子が、減磁磁界の低下により一層大きな磁気モーメントを有するということである。加えて、斯様な構造の全磁気モーメント、従って磁気力又は磁気モーメントも、個々の粒子５の場合におけるよりも大きくなる。磁性多粒子５構造に印加することが可能な力は、
Ｆ＝▽(ｍ.Ｂ) （１）
なる式（１）により与えられ、ここで、ｍは当該多粒子５構造の磁気モーメントであり、Ｂは印加される磁界である。解説目的で、粒子モーメントｍは概ね一定であると仮定する。この場合、Ｆ＝ｍ▽Ｂとなり、ここで、▽Ｂは上記の印加される磁界の勾配である。例えば１００個の粒子５の鎖は、該多粒子構造の一層大きな全磁気モーメントｍにより、単一の粒子５又はビードよりも約１００倍大きな力を受け得る。多粒子構造は、大きな及び小さな粒子の組み合わせを有することもできるが、同様の大きさの粒子５を有する構造とすることもできる。典型的に、多粒子構造は２つの磁性粒子５又はビードから数千の磁性粒子５又はビードを有することができるが、一層大きな数さえも可能である。磁性粒子５の鎖は、当該多粒子構造の一層大きな磁気モーメントにより、単一の磁性粒子５と比較して約ｘ倍の力を受け、ここで、ｘは上述したように磁性粒子５の数を意味する。使用することが可能な多粒子構造の一例は、磁性粒子５の鎖である。ビード間磁気力が熱運動を超えると磁性粒子５が鎖を形成することが知られている。磁性粒子５を磁化することは、隣接する磁性粒子５の間に双極子／双極子相互作用を誘起する効果を有し、その結果、磁界線の方向に磁性粒子５の鎖が形成される。時間にわたり、斯かる鎖は相互に作用して、柱を形成する。形成される多粒子５構造は、印加される磁界パターンと、磁界印加の持続時間と、変調周波数と、例えば大きさ、磁化率（susceptibility）、磁気異方性、形状、超常磁性又は強磁性の特性に依存して使用される磁性粒子５のタイプと、磁性粒子５の濃度とにより決定される。装置１には、例えば流体３を投入し、試薬を追加し、流体３又は溶液を洗浄バッファにより置換する等のために、当該装置１のチェンバに流体を投入し又は該チェンバから流体３を抽出する手段が設けられている。これらの場合においても、磁性粒子５は、流体３を混合するのを補助すると共に、膜１０を介しての流体の移送を向上させる。磁性粒子５は当該装置１に湿った又は乾燥した状態で、即ち溶液から又は試薬を含む乾燥磁性粒子５を、例えば調査されるべき標本流体３又はインキュベーションバッファである他の溶液に溶解することにより供給することができる。多粒子構造に関しては文献EP2005100618号（該文献は、参照により、本記載に組み込まれるものとする）を参照されたい。

図６は、図５と同様に装置１に４つの磁気手段１５、１６を備えるような、図５と同様の概略側面図を示す。装置１は、図５と同様に設計され、装置１を２つの半部に水平に分割する膜１０を備えている。２つの磁気手段１５が、図５で説明したように装置１の対向する側に水平に配置されている（以下においては、水平磁気手段１５という）。更に、２つの他の磁気手段１６が、装置１の対向する側に垂直に配置されている（以下においては、垂直磁気手段１６という）。水平磁気手段１５及び垂直磁気手段１６は、各々、互いに垂直に磁界を発生する。水平磁気手段１５は、矢印４０、４２により示されるように、磁性粒子５に対して垂直方向に（上方及び下方に）各々力を発生する。垂直磁気手段１６は、矢印４１，４３により示されるように、磁性粒子５に対して左及び右へと水平方向に力を各々発生する。これにより、装置１を経る流体３の流れは、矢印４０，４２及び４１，４３により各々示されるように、水平的に及び垂直的に指向される。制御装置２が設けられ、該制御装置は上記磁気手段１５，１６に接続されると共に、斯かる磁気手段１５，１６により発生される磁界の強さ即ち強度を制御するように設計されている。磁気手段１５，１６を制御することにより、当該装置１を介しての任意の流れが達成され、当該流体３を磁界の強さ又は強度に依存して異なる方向に向けることができる。これは、特に流体３の混合、並びに目標３０ａ，３０ｂの磁性粒子５への及び結合サイト３１への結合を支援する。

更なるステップにおいて、目標３０ａ，３０ｂは、異なる手段により、例えばＧＭＲ（巨大磁気抵抗）センサ、ホールセンサ、ＳＱＵＩＤ若しくは高周波コイル等の磁界センサ、又は光学検出器により、検出される。ＧＭＲは、磁性粒子５により発生される漂遊磁界を登録及び測定し、これにより、上述した混合及び結合が完了した後に流体３内の磁性粒子５の量を測定する。この磁性粒子５の量から、磁性粒子５に結合された分析されるべき目標３０ａ，３０ｂの量が決定される。他の応用例では、磁気タイプとして上述した追加のマーカ３３は、光学的検出を可能にするために光学タイプのものとすることができる。この場合、光学マーカ３３が目標３０ａ，３０ｂに付着され、検出は図１で述べたように光学検出器により実行される。この光学マーカ３３の検出率が高いほど、目標３０ａ，３０ｂの濃度が高い。目標３０ａ，３０ｂの光学的検出は、目標３０ａ，３０ｂが磁気手段１５，１６により移動する際に、同時に達成することができる。

図７は、当該膜１０を介して及び該膜に沿って流体３が移動されるような膜１０の他の概略側面図を示す。流体の移動の方向は、制御装置２により、当該流体が方向を数回変更するように制御される。当該流体の如何なる方向及び方向の変更も、制御装置２により磁化を変化させることにより発生することができる。例示によれば、膜１０の下側から上側へ向けられた矢印４０、その反対方向に向けられた矢印４２及び膜１０に沿って左から右に向けられた矢印４３により示されるように６回にわたる流体３の方向の変更が示されている。制御装置２は、例えば、制御手段２により駆動された場合に垂直方向に磁界を発生する磁気手段１５をオフし、同時に、別の強度で水平方向に磁界を発生する磁気手段１６を駆動する。これは、左から右を指す矢印４３により示されるように、磁性粒子５に対して水平方向に向けられた磁気力を発生させる。制御装置２は、磁界の強度を変更する目的で、磁気手段１５，１６を介して流れる電流を制御する。該制御装置２は、磁気手段１５，１６を、磁界を反転するように制御するようにも設計されている。これにより、流体３の方向は、図６に矢印４１により既に示されたように、装置１の右側から左側へ流れるように制御することもできる。

図８は、前述したように設計された膜１０により実質的に分離された２つのチェンバ２３ａ及び２３ｂを備える閉じた装置１の概略側面図を示す。かくして、当該装置１は流体３で満たされた２つの部分に分離され、該装置１の各部分はチェンバ２３ａ，２３ｂを有している。該装置１には、更に多くの数のチェンバ２３ａ，２３ｂを設計することもできる。装置１の左側において、下を指す点線矢印は第１チェンバ２３ａから膜１０を介して第２チェンバ２３ｂへの目標３０ａ，３０ｂを含む流体３の流れ（この図では、装置１の上から下への流体３の流れ）を示す。上記流体３の流れは、上述したように、当該流体に含まれる磁性粒子５又はビードに対して力を発生する磁界により生じる。一実施例において、図示のような上から下へ向けられた磁気力は、図示されるように当該装置１の左側部分において作用する。該装置１の右側部分では、磁気力は図示のように装置１の下から上に向けられ、流体３に対して当該装置１の右側部分における実線矢印により示されるような力を生じる。これにより、流体３は再び膜１０を介して第２チェンバ２３ｂから第１チェンバ２３ａへ流れ戻る。上述した２つの磁界は、好ましくは制御装置により制御されるような２つの磁気手段１５，１６により発生される。代わりに、装置１に対して単一の磁気手段１５（１６）が設けられ、該磁気手段は磁界が交番するように制御され、結果として、或る時点では上から下に向けられ、他の時点では他方向に向けられるような流体３の流れが得られる。他の実施例では、単一の磁気手段１５（１６）が設けられ、該磁気手段は一方向にのみ（例えば、図８に点線矢印により示すように上から下へ垂直方向に又はその逆に）磁界を発生し、同一方向に流れを生じさせる。実線矢印により示される第２チェンバ２３ｂから第１チェンバ２３ａへの戻りの流れは、第１チェンバ２３ａから第２チェンバ２３ｂへと流入する流体３から発生する圧力により生じる。第２チェンバ２３ｂにおける流体３は、第１チェンバ２３ａからの流体３により圧縮され、第１チェンバ２３ａへと流れるように強制される。更なる磁気手段１５，１６を設けることもできる。

図９は、当該装置１の大部分において膜１０により分離された２つのチェンバ２３ａ，２３ｂを備える閉じた装置１の概略側面図を示す。該装置１内の流体を移動させるために、磁気手段１５，１６が該装置１内に磁界を発生する。ここでも、点線の矢印が、第１チェンバ２３ａから膜１０を介して第２チェンバ２３ｂへの流体の流れを示している。図９に示された該実施例において、第１チェンバ２３ａ及び第２チェンバ２３ｂは膜１０により完全には分離されていない。代わりに、分割装置２９と呼ぶ装置が第１チェンバ２３ａの一部を第２チェンバ２３ｂから分割している。該分割装置は、膜１０に取り付けられると共に、図９の面の方向において装置１の全幅にわたり突出しているので、該分割装置は、左側における膜１０を備える装置１の一方の部分を、右側における膜１０を備えない該装置１の他方の部分から分割することになる。分割装置２９は、当該装置１内のチャンネルの一方の側面を形成し、該チャンネルの第２の側面は装置１の壁により形成される。図９において、チャンネルの一方の側面を形成する壁は、装置１の右壁である。上記チャンネルは、流体３が図９の下部における第２チェンバ２３ｂから図９の上部における第１チェンバ２３ａへと流れ戻るように作用し、戻り流チャンネル３４と呼ばれる。第１チェンバ２３ａへと戻る流体３の流れは、ここでも、戻り流チャンネル３４を介して到達する適切な方向の実線矢印により示されている。代替例として、戻り流チャンネル３４は、膜１０を介して延在するように、従って該膜１０に組み込まれるように設計される。図１０に示されるように、流体３が目標３０ａ，３０ｂを結合するためのアレイ１１を通過せずに膜１０を経るようにするためのダクトとして作用する複数の戻り流チャンネル３４を膜１０内に設けることができる。このようにして、戻り流チャンネル３４は、図２で説明した結合、釈放等のために膜１０内に装備されたチャンネルにより取り違えられることはない。前述したのと同様に、装置１の上から向けられた点線矢印は、第１チェンバ２３ａから膜１０を介し孔からなるチャンネルを通過して第２チェンバ２３ｂに至る流体３の流れを特徴付けるものであり、これにより目標３０ａ，３０ｂは結合、釈放等の作用を受ける。下から上に向けられた実線矢印は、第２チェンバ２３ｂから戻り流チャンネル３４を介して第１チェンバ２３ａに至る流体３の流れを特徴付けるものであり、これによれば、目標３０ａ，３０ｂは作用を受けず、戻り流チャンネル３４を通過するのみである。

装置１内で異なる流体３を混合する目的のためには、種々の流体３（少なくとも２つの流体３）が装置１に供給され、これら流体のうちの少なくとも１つの流体３は磁性粒子５を有さねばならない。混合処理の後、これら流体３は装置１外へ導かれるか、又は該流体３は上述したように扱われる。混合機能は、異なる試薬の流体３を混合するために、及び流体３内に乾燥状態から溶解された試薬を混合するために、又は装置１の運転の間に流体３を均一化するために有効である。試薬なる用語は、凝集の状態に無関係に分析されるべき物質を指す（前述した流体３なる用語の定義も参照されたい）。

本発明の応用の非排他的な例示的分野は、バイオセンサ及び分子診断、血液又は唾液等の複雑な生物学的混合物におけるタンパク質及び核酸の高速且つ高感度の検出、現場試験、集中試験室における診断、心臓学、感染症、腫瘍学等の医療診断、食品及び環境診断である。

上述したような高表面面積エレメントは、チップ上ラボ又はチップ上プロセスの用途に使用することができ、斯かる用途においては、例えば結合のため又は物質変換のために大きな流体／固体相互作用表面が必要とされる。変換の一例は、物質が斯かる高表面面積エレメントにおける酵素的又は触媒的反応により変換されるような装置である。このような高表面面積エレメントは、しばしば、単独型ではなく、例えばサンプルの取り込み、サンプルの前処理、物質の抽出のためのエレメント等の、より多くの機能が組み込まれた一層大きな装置の一部であろう。

図１は、装置内に組み込まれた膜を介して流体をポンプ送りするマイクロポンプを有するような現状技術の概略的装置を示す。 図２は、他の概略的装置を示し、目標を対応する結合スポットに結合させるアレイの結合スポットに運ばれる、目標を含む流体の滴を図示している。 図３は、目標に結合されたマーカを用いた相補的結合サイトにより目標を基板に結合する原理の概要図を示す。 図４は、目標に結合されたマーカを用いた、異なる相補的結合サイトに対する異なる目標結合の場合の、図３と同様の概要図を示す。 図５は、装置の上下に２つの水平磁気手段を備える装置の例示的概略側面図を示し、該手段は磁性ビードに印加される磁界又は磁界勾配を発生し、流体も流れ又は移動させ、これにより目標が検出サイトに結合する確率を増加させ、当該流体内の目標濃度を測定するのを可能にする。 図６は、装置を介して流体を制御可能に指向させるために該装置に配設された４つの磁気手段を備えるような、図５と同様の概略側面図を示す。 図７は、膜に沿って及び膜を介して当該流体が移動される他の経路を図示した概略側面図を示す。 図８は、２つのチェンバを備える閉じた装置の概略側面図を示し、流体は膜を介して第１チェンバから第２チェンバに流れると共に、該膜を介して第２チェンバから第１チェンバに戻る。 図９は、２つのチェンバを備える閉じた装置の概略側面図を示し、流体は膜を介して第１チェンバから第２チェンバに流れると共に、別のチャンネルを介して第２チェンバから第１チェンバに戻る。 図１０は、２つのチェンバを備える閉じた装置の概略側面図を示し、流体は膜を介して第１チェンバから第２チェンバに流れると共に、該膜内に形成された別のチャンネルを介して第２チェンバから第１チェンバに戻る。

Claims (21)

1. 磁性粒子を含む流体を分析する装置であって、該装置が、前記磁性粒子に磁気力をかけて目標を含む前記流体の運動を生じさせるように設計された磁界を発生する磁気手段と、アレイを備え、前記流体を該アレイを介して又は該アレイに沿って移動させる膜とを有し、前記磁気手段が制御装置により制御されて前記磁性粒子にかかる前記磁気力を変化させ、前記磁性粒子及び前記流体を当該装置を介して異なる方向に指向させる、装置。
2. 請求項１に記載の装置において、前記膜が該膜を介して通じる複数のチャンネルを有し、これらチャンネルを介して前記流体をポンプ送りする装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の装置において、前記磁性粒子が多粒子構造として又は磁性粒子の連鎖として構成されている装置。
4. 請求項１ないし３の何れか一項に記載の装置において、当該装置が、前記膜を介してポンプ送りされた前記流体により圧縮された流体を導くための少なくとも１つの戻り流チャンネルを含む装置。
5. 請求項１ないし４の何れか一項に記載の装置において、前記制御装置が前記磁性粒子及び前記流体を前記膜の異なる部分を介して指向させるように設計されている装置。
6. 請求項１ないし４の何れか一項に記載の装置において、前記制御装置が、前記磁性粒子及び前記流体を、前記膜の一方の側において第１の方向から前記膜を介して指向させ、前記膜に沿って第２の方向に指向させ、前記膜の反対側において前記第１の方向とは逆の方向の第３の方向から前記膜を介して指向させ、前記膜に沿って第４の方向に指向させ、これにより前記磁性粒子及び前記流体の巡回的流れを生じさせるように設計された装置。
7. 請求項１ないし６の何れか一項に記載の装置において、前記磁気手段がワイヤ又はコイルである装置。
8. 請求項１ないし７の何れか一項に記載の装置において、前記磁気手段が電磁石である装置。
9. 請求項１ないし８の何れか一項に記載の装置において、前記磁気手段が永久磁石である装置。
10. 請求項１ないし９の何れか一項に記載の装置において、前記磁気手段が、回転することにより前記膜に対する位置を変化させる磁石である装置。
11. 請求項１ないし１０の何れか一項に記載の装置において、複数の前記磁性粒子が多粒子構造を形成する装置。
12. 請求項１ないし１１の何れか一項に記載の装置において、前記目標を光学的に検出し、これら目標の量を測定するための光学検出器が設けられる装置。
13. 請求項１ないし１２の何れか一項に記載の装置において、前記磁性粒子の漂遊磁界を誘起させる磁界を発生するための磁気手段、及び前記漂遊磁界を測定するための巨大磁気抵抗センサである磁界センサが設けられた装置。
14. 請求項２ないし１１の何れか一項に記載の装置において、前記膜の機械的安定性を改善するために該膜に機械的安定器が配設された装置。
15. 請求項２ないし１１の何れか一項に記載の装置において、前記膜が２ないし１０００μｍの範囲内の厚さ及び５０ｎｍないし２０μｍの範囲内のチャンネルの孔寸法を持つように設計されている装置。
16. 請求項１ないし１５の何れか一項に記載の装置において、前記磁性粒子が、光学的検出のためのマーカとして、発光又は蛍光マーカとして設計されている装置。
17. 装置における膜の異なる部分を介して磁性粒子及び流体を指向させるための制御装置であって、前記装置を介して前記磁性粒子及び前記流体を異なる方向に指向させる目的で磁気手段の磁界強度を変化させる手段を有する制御装置。
18. 請求項１７に記載の制御装置において、水平磁気手段の及び垂直磁気手段の磁界強度を変化させるように設計されている制御装置。
19. 磁性粒子を含む流体を分析する方法であって、
    − 次のステップを目的として、前記磁性粒子に磁気力を生じさせるための磁界を発生するステップと、
    − 前記流体の運動を生じさせるステップと、
    − 次のステップを目的として、磁気手段の磁界強度を変化させるステップと、
    − 前記磁性粒子及び前記流体を、装置を介して異なる方向に指向させるステップと、
    を有する方法。
20. 請求項１９に記載の方法において、
    − 前記流体の運動を生じさせるための前記磁性粒子を除去するステップと、
    − 結合スポットに結合された目標を光学的に測定することにより前記流体を分析するステップと、
    を有する方法。
21. 請求項１９に記載の方法において、
    − 装置内の異なる流体成分又は流体を混合する目的で、前記流体の運動を生じさせるステップ、
    を有する方法。

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