JP2017515118A - 複数病原体検出のためのフレキシブル光学式バイオセンサ - Google Patents

Abstract

完全に統合された小型光学的バイオセンサと、それを形成する方法を開示する。バイオセンサは流体移送システムと光学的システムを備えている。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１４年５月１日に出願された米国特許仮出願第６１／９８６，９７７号明細書及び２０１５年３月２日に出願された米国特許仮出願第６２／１２７，１５４号明細書に基づいて、優先権を主張し、その全体を参照によって本明細書に組み込むものとする。

（連邦支援の研究に関する宣言）
適用しない。

本発明は、全体的に複数病原体に対する蛍光バイオセンサに関する。

ますます不健康で高齢化した人々の間では、より頻繁に及び／又は連続的に、複数の慢性的症状を持った患者の家庭での監視が、健康で独立したライフスタイルを維持し支持することと併せて、より効果的な疾病自己管理及び改善された患者のケアの鍵となることが期待されている。より手頃でより身近な健康管理を助ける１つの有望なアプローチは、既存の高コストな医療診断テストを、サンプルを用いた低コストの使い捨てポイント・オブ・ケア（臨床現場即時検査）バイオセンサに置き換えることである。これらのポイント・オブ・ケア装置は、家庭内の患者又は薬局のような非臨床的設定内で非常に限定された訓練をされた医療従事者によって代わりに実施することで、洗練された高価な実験装置の必要性を削除することと、診断テストを実施する訓練された医療スタッフの必要性を削除することを組み合わせて、診断コストを低減する。

蛍光ベース検出システムは、対象の特定のタンパク質を視覚化し特定するために、蛍光色素分子でラベル化された一次又は二次抗体を利用する。この点において、研究者はこの技術を、低侵襲の生体指標（バイオマーカー）の発見と、下流の臨床用途に用いるために、移転することができる。人体の血清は、他の人体の体液（汗、唾液、涙、尿など）と共に、タンパク質、ペプチド、及び自己抗体を含み、これらは特定疾患の早期発見だけでなく、その後の疾患の進行及び退行を診断するのに用いることができる。標準的な蛍光ベース検出システムは、１つのタンパク質又はペプチドに対して特異的な抗体を利用する。抗体は最初に化学的に蛍光色素分子とラベル化（タグ付け）され、次に下流の反応チャンバに塗布された細胞、組織、又は抗原の表面に固定化された標的抗原とドッキング又は結合が許容される。抗体の対象となる抗原との結合は、免疫複合体と称される。

一対の（結合した）抗体と抗原で形成されるこの抗体免疫複合体の形成は、オリジナルのサンプル内の抗体の濃度に比例する。選択性は、特定の抗原と結合したラベル化された抗体によってのみ提供される。結合のための時間を与えた後、結合した抗体／抗原対を収容した反応（検出）チャンバは、次に特定の波長の光に照らされる。抗体に取り付けられた蛍光色素分子ラベルは、入射光を吸収し、次にわずかに長い波長、一般的に約３０〜５０ｎｍ長い光を再放出する（即ち、蛍光を発する）。例えば、緑色の光に照らされた蛍光色素分子は一般的に橙黄色の光を放射する。次に、再放射光の強度が光検出器を用いて測定されて、サンプル内の抗体濃度が求められる。より多くのドッキング対により生成されたより大きな放射光強度は、サンプル内のより高い抗体濃度に対応する。この光学的診断技術は、一般的に免疫学的測定法と呼ばれ、対応する抗体のみを目標とする抗原を用いてオリジナルのサンプル内の特定の抗体の検出を可能にする。

残念ながら、健康管理のための既存の低コストで完全に使い捨てのポイント・オブ・ケア・センサは、感度が限定され、患者体液サンプル内の単一の疾患又は病原体生体指標しか検出できない。例えば、一般的な測色（colorimetry）ベースの側方流動免疫測定法（LFIA）の妊娠テスト・ストリップでは、色テスト・ラインを人間の目で可視化するために、女性の尿内に比較的高濃度のタンパク質ｈＣＧを必要とする。より高感度で洗練された診断テストのためには、医院又は臨床検査室を訪問する必要がある。ポイント・オブ・ケア感度を著しく向上させる１つの方法は、測色に代えて蛍光ベースの生物学的認識（biorecognition）を用いることである。低コストで究極的に使い捨ての構成のために、多数の研究者が、有機発光ダイオード（OLED）と半導体（solid state）光検出器の間に挟まれた微小流体（microfluidic）検出層を用いたコンパクトな蛍光測定ベースの構成について報告している。OLED発光体が一般的な実験用蛍光測定計測器で用いられるレーザー光源を置き換え、光検出器が高感度（low light）デジタルカメラを置き換えている。これらの報告された使い捨て装置の１つの鍵になる制限は、単一の生体指標より多くの指標から放射された蛍光信号を検出できないことである。加えて、既存の構成における直交偏向板を通ることにより減衰された不十分な光が、ほとんど３桁の大きさでバイオセンサの感度を著しく制限することも観察されており、これらの報告された装置は臨床レベルの感度を提供する役に立たない。

別の有望な方法は、皮膚パッチにバイオセンサを統合することである。既存の装置では、人体の汗が一般的に収集され、微小流体層の投入口に供給されて、診断シーケンスが開始される。報告された皮膚パッチタイプのバイオセンサは、電気化学センシングを用いて、アスリートや軍人の汗の中の電解質と代謝産物をリアルタイムに生理学的モニタリングすることに主に焦点を合わせていた。しかし、低濃度の汗と人体の血清の両方の分子構成を与えても、電気化学的検出とは対照的に、慢性疾患に関連した生体指標の検出には、生物親和性（bioaffinity）の固定化が要求される。蛍光性生物学的認識を用いた酵素結合免疫吸着検査法（ELISA）が、1つの方法として広く知られており、汗、唾液、及び人体の血清内の多数の生体指標を検出するために必要な感度を備えた生物親和性をベースにした技術として実績がある。しかし、ELISAタイプの試験には、従来、解析のために体液サンプルを遠く離れた臨床検査室に移送する必要があった。

高感度で完全に使い捨て可能なポイント・オブ・ケア技術を研究室から家庭での広く行き渡った利用へ移転することを制限している別の鍵になる障害は、低コスト大量生産技術の利用性である。

結果的に、従来の技術アプローチのこのような制限を考量して、対象の複数の検体を収容していると考えられる流体サンプル内の対象の複数の検体をポータブルに検出又は定量化するシステム及び方法が望ましい。このシステムと方法の感度が、研究室ベースの解決法の感度と同等の臨床レベルの感度に達することができることがさらに望ましい。結局、大量生産のスケールメリットを利用して低コストで装置を製造するために、現在大量生産されている技術を利用したシステムと方法を開発することが望ましい。

本発明は、ポータブルな装置での多数病原体検知のための装置と方法を提供することによって、上述の問題点を解消する。

ここに記載した開示内容は、診断レベルでの信号検出を可能にする小型蛍光顕微鏡検査研究室として機能することを意図している。

1つの態様では、本開示は、対象となる複数の検体が含まれている可能性のある流体サンプル内の前記対象となる複数の検体を検出又は定量化するための装置であって、微小流体システム又はナノ流体システムと、光学システムと、を備えた装置を提供する。前記微小流体システム又は前記ナノ流体システムが、使用時に前記サンプルを受け取るサンプル投入口と、使用時にサンプルを１つ以上の選択的な結合蛍光ラベルと混合する混合チャンバと、第一固定化選択的結合種からなる第一ボリュームと、第二固定化選択的結合種からなる第二ボリュームと、を備えた検出チャンバと、サンプル出口と、を備え、前記サンプル投入口、前記混合チャンバ、前記検出チャンバ、及び前記サンプル出口は、流体連通するように接続される。前記光学システムが、光源と、検出器と、前記光源からの放射光（radiation）を前記検出器のところで減衰させる手段と、を備えている。前記光源は、前記第一ボリュームと前記第二ボリュームを照明するように構成されている。前記検出器は、前記第一ボリュームと前記第二ボリュームからの放射光を受光し検出するように構成されている。前記装置は、以下の条件の１つに合致することによって、対象の第一検体と対象の第二検体を検出又は定量化するように動作可能であり：
前記第一固定化選択的結合種が前記対象の第一検体と選択的に結合し、前記対象の第二検体とは結合せず、前記第二固定化選択的結合種が前記対象の第二検体と選択的に結合し、前記対象の第一検体とは結合しない；第一選択的結合ラベルが前記対象の第一検体と選択的に結合し、前記対象の第二検体とは結合せず、第二選択的結合ラベルが前記対象の第二検体と選択的に結合し、前記対象の第一検体とは結合しない；前記光源が、第一照明スペクトルを有する光で前記第一ボリュームを照明し、第二照明スペクトルを有する光で前記第二ボリュームを照明するように構成され；又は、前記光学的検出器が、第一発光スペクトルを有する前記第一ボリュームから放射された放射光と、第二発光スペクトルを有する前記第二ボリュームから放射された放射光と、を受け取り、検出するように構成されている。

本発明の別の態様では、装置を製作する方法は、アクティブマトリクス薄膜トランジスタディスプレイとアクティブマトリクス薄膜トランジスタフォトダイオードを、約１ｎｍから約１０ｍｍの間隔で互いに対向するように位置付けるステップと、前記ディスプレイと前記フォトダイオードの間に、微小流体システム又はナノ流体システムの検出チャンバを位置付けるステップと、を備える。

本発明のまた別の態様では、装置を製作する方法は、アクティブマトリクス薄膜トランジスタディスプレイとアクティブマトリクス薄膜トランジスタフォトダイオードを、フレキシブル又は剛直な基板に位置付けるステップと、前記ディスプレイと前記フォトダイオードを、約１ｎｍから約１０ｍｍの間隔で互いに対向するように位置付けるように前記フレキシブル又は剛直な基板を操作するステップと、前記ディスプレイと前記フォトダイオードの間に、微小流体システム又はナノ流体システムの検出チャンバを位置付けるステップと、を備える。

本発明のさらに別の態様では、前記装置を用いた生体指標検出デバイスは、微小流体層に設けられ、体液から生体指標を捕獲するように構成された蛍光性生物学的認識用マイクロアレイと、前記蛍光性生物学的認識用マイクロアレイと位置合わせされ、前記蛍光性生物学的認識用マイクロアレイ上に所望の波長の光を放射するように構成された有機発光ダイオード（OLED）アレイと、前記OLEDアレイから前記蛍光性生物学的認識用マイクロアレイの反対側で、前記蛍光性生物学的認識用マイクロアレイと位置合わせされ、前記生体指標から放射される光を受け取るように構成されたフォトダイオードアレイと、
を備えることができる。前記蛍光性生物学的認識用マイクロアレイが、フラットパネルディスプレイ技術を用いて形成される。前記蛍光性生物学的認識用マイクロアレイと、前記OLEDアレイと、前記フォトダイオードアレイと、のすべてがテスト片にモジュール化され、前記デバイスが、複数の前記テスト片を備えている。前記デバイスが、前記フォトダイオードアレイと電気的に連通し、前記フォトダイオードアレイの１つ以上のフォトダイオードによって生成された電荷を電圧に変換するように構成された積分回路を備えている。

本発明の別の態様では、蛍光性生物学的認識用マイクロアレイを有する生体指標検出デバイスは、フラットパネルディスプレイ技術を用いて製造でき、蛍光性生物学的認識用マイクロアレイに入射する光をフィルタリングする位置で蛍光性生物学的認識用マイクロアレイと位置合わせされた１つ以上の励起光用光学的フィルタを備え、さらに、蛍光性生物学的認識用マイクロアレイから放射される光をフィルタリングする位置で蛍光性生物学的認識用マイクロアレイと位置合わせされた１つ以上の放射光用光学的フィルタを備える。励起光用と放射光用光学的フィルタは、蛍光性生物学的認識用マイクロアレイのフラットパネルディスプレイ技術に適合する。このデバイスはさらに、蛍光性生物学的認識用マイクロアレイと流体連通した微小流体層を含み、微小流体層を横断する体液の側方流動が、前記体液内の１つ以上の生体指標を前記蛍光性生物学的認識用マイクロアレイに引き入れる。前記微小流体層が、可視光の約１０％から約１００％を透過させる。このデバイスはさらに、蛍光性生物学的認識用マイクロアレイによって生成された信号を表示するように構成されたフレキシブルディスプレイも備える。このデバイスは、フレキシブルディスプレイと蛍光性生物学的認識用マイクロアレイを含む装着型包帯とすることができる。

本発明のまた別の態様では、生体指標検出デバイスは、単一の側方流動メンブレンに設けられた複数の異なる病原体サイトを有する単一の使い捨てバイオセンサを用いて複数の異なる病原体を検出するように構成することができる。生物学的認識部位は、もし病原体が存在する場合、１つの波長の入射光を別の波長に変換し、変換した光を放出する蛍光性生物学的認識用マイクロアレイ内に構成される。側方流動メンブレンは、光学的に透明で、光が生物学的認識部位に達する（impinge）のを可能にする。側方流動メンブレンは、微小流体層に組み込まれている。バイオセンサは、フラットパネルディスプレイ技術を用いた大量生産の結果としての低コストによって使い捨てできる。

本発明の前述の及び他の態様は、以下の記述によって明らかになるであろう。以下の記述では、本明細書の一部を形成する添付の図面が参照され、そこには実例として本発明の好ましい態様が示される。このような態様は必ずしも本発明の全範囲を表現するものではなく、本発明の範囲を解釈するために請求項が参照される。当然のことながら、本発明の各態様は相互に排他的ではなく、明示的に記載されていなくても、特定の態様は他の態様と組み合わせることができる。

図１は本発明の一態様に係る装置の概略図である。 図２はフレキシブルプラスチック基板上のカラーOLEDディスプレイの画像（上部、主図）と、個別画素を強調した小さな領域の拡大図（上部、差し込み図）と、ディスプレイに用いられた２トランジスタ１キャパシタ（２T1C）で構成された１画素の回路図（右図）と、ボトムエミッションOLEDとTFTの両方の構造を備えた１画素の概略断面図（下図）である。 図３は４×４フォトダイオード画素アレイと、CMOSインタフェースチップと、基板に向けられた4×４OLED画素アレイとを備えたフレキシブル基板（上図）と、フォトダイオードアレイとOLEDアレイが対向するように操作され、その間に微小流体反応チャンバを位置付けたフレキシブル基板の断面図（下図）である。 フレキシブルフォトダイオード検出器アレイアーキテクチャの概略図である。 本発明の装置の一態様の概略図であって、個別のコンポーネントがより明らかになるように分解した図である。 本発明の装置の微小流体アセンブリの一態様を示す概略図である。 本発明の一態様に係る装置の４つの隣接するモジュールの一実施例を示す斜視図である。 図７の装置の概略図である。 本発明の一態様に係る、フォトダイオードからの信号を処理する電荷集積回路の概略図である。 本発明の一態様に係る、ここに記載の装置を動作させるためのデバイスの作動方法を示すフローチャートである。 本発明の一態様に係る、装置を含むテスト片の展開斜視図である。 本発明の一態様に係る、図１１のテスト片からなるアレイを示す斜視図である。 商業的検出デバイスを用いた本発明の装置の検出能力を比較したグラフである。

本発明をより詳細に記載する前に、本発明はここに記載の特定の態様に限定されるものではないことを理解すべきである。ここで用いる技術は、特定の態様を記載する目的でのみ用いられるのであって、本発明を限定することを意図したものでないことも理解すべきである。本発明の範囲は、請求項の記載によってのみ限定される。

ここで用いられる「a」「an」「the」という単数表現は、文脈上で明確に指定していない限り、複数の態様を含む。

フレキシブル光学的バイオセンサに関する特定の構造、デバイス、トランジスタ、及び方法を開示してきた。当業者には当然のことながら、既に記載したもの以外にも多くの追加の変形が、本発明の概念から逸脱することなく可能である。本開示を解釈するにあたり、用語はすべて文脈と一致する限り最も広く解釈すべきである。用語の変化形「備え（comprising）」は、非排他的に、要素やコンポーネント又は工程のステップに言及するものとして解釈すべきであり、言及された要素やコンポーネント又は工程のステップは、明示的に言及されていない他の要素やコンポーネント又は工程のステップと組み合わせることができる。「備え（comprising）」以下の一定の要素は、「基本的に〜から成る（consisting essentially of）」及び「から成る（consisting of）」以下のこれらの要素として扱われる（contemplated）。

本発明は、ユースポイントでのサンプル内の複数の生体指標又は病原体を検出するように設計された十分に集積された微小光学的バイオセンサを提供する。バイオセンサの構成は、低コストで製造できて、使用後に使い捨てできるように設計されている。

図１を参照して、本発明の１つの態様では、装置１０は、対象の複数の検体の１つ以上を含むことが疑われる対象の流体内の対象の複数の検体を現場検出するために提供される。この装置は、流体移送システムと光学システムを備えることができる。流体移送システムは検出チャンバ１２を備えることができる。光学システムは光源１４、光学的検出器１６、及び光源減衰器１８を備えることができる。装置は、光源１４からの光が検出チャンバ１２を照明し、検出チャンバ１２からの蛍光が光源減衰器１８を通過して検出のための光学的検出器１６に作用するように設けられている。装置の構成要素は、図１の左側の分割した構成（blown apart configuration）の側面図と、図１の右側の上面図で示されている。当然のことながら、図１の左側の要素は、小さな間隙をあけながら互いに接するように配置されるか、又は装置の機能性を保持した他の構成とすることができて、現場でのセンシングのために最適な小さな寸法の特徴が保持される。

検出チャンバ１２は、微小流体又はナノ流体チャンバとすることができる。検出チャンバ１２は複数の選択的結合サイトC1〜C16を備えることができる。複数の選択的結合サイトC1〜C16は、固定化された結合種を備えることができる。固定化された結合種は、選択的に対象の検体と結合することができ、それによって選択的な結合サイトで対象の検体を固定化する。幾つかの態様では、検出チャンバ１２は蛍光性生物学的認識用マイクロアレイである。

光源１４は、例えば有機発光ダイオード(OELDs)のような個別の光源のアレイS1〜S16とすることができる。幾つかの態様では、光源１４は、フラットパネルディスプレイ、OLEDsのアレイ、アクティブマトリクス薄膜トランジスタアレイ、フレキシブルディスプレイアレイ、又はそれらの組み合わせである。幾つかの態様では、光源はフレキシブルOLEDアレイである。

光学的検出器１６は、例えば個別のフォトダイオードのような個別の光学的検出器のアレイD1〜D16とすることができる。幾つかの態様では、光学的検出器１６はPiNフォトダイオードアレイである。幾つかの態様では、光学的検出器１６はアクティブマトリクス薄膜トランジスタアレイを備えている。幾つかの態様では、光学的検出器１６はフレキシブルPiNフォトダイオードセンサアクティブマトリクスアレイである。

光源減衰器１８は、光学的検出器１６に入力するために光源からの光を減衰する単一のコンポーネント（図１に示す）又は、個別の光学的検出器D1〜D16のために光源からの光をそれぞれのエレメントが減衰する一連の個別のエレメントである。

図１に示すように、装置１０は第二の減衰光学素子（optic）１８’を、光源１４からの光の特性を有する光をフィルタリングするフィルタの形状で備えることができる。幾つかの態様では、装置１０は第二減衰光学素子１８’としての偏向板と、光源減衰器１８としての直交偏向板を備えることができる。幾つかの態様では、装置１０は、第二減衰光学素子１８’として光源からの光の大部分を通過させ、選択的結合ラベルの蛍光照射スペクトラムと重なる光の波長をフィルタリングするようなフィルタを備える。幾つかの態様では、第二減衰光学素子１８’は所望の波長を許容するバンドパス（特定波長帯域通過）フィルタである。

幾つかの態様では、第二減衰光学素子１８’は光源全体にわたる単一の光学素子である（即ち、光源アレイの各要素をカバーする）。幾つかの態様では、第二減衰光学素子１８’は光源の各部分をそれぞれカバーする複数の減衰光学素子であり、光源アレイの単一の画素をそれぞれカバーする複数の減衰光学素子を含むが、これに限定されるものではない。幾つかの態様では、光源減衰器１８は光学的検出器全体にわたる単一の光学素子である（即ち、光学的検出器アレイの各要素をカバーする）。幾つかの態様では、光源減衰器１８は光学的検出器の各部分をそれぞれカバーする複数の減衰光学素子であり、光学的検知器アレイの単一の画素をそれぞれカバーする複数の減衰光学素子を含むが、これに限定されるものではない。

上述の構成に加えて、本発明の光源１４又は光学的検出器１６は、光源１４の単一画素又は光学的検出器１６の単一フォトダイオードをカバーするフィルタ、偏光板、又はこれらの組み合わせを含むように適合できる。例えば、光源に関して、青色OLED画素には青い光のみを通して緑の光をブロックするショートパス（短波長側通過）光学的フィルタを取り付けられ、一方で緑色OLED画素には緑の光のみを通してオレンジをブロックするショートパス光学的フィルタが取り付けられる。検出器に関して、青色OLED画素と対向するPiNフォトダイオードには、青い光をブロックして蛍光色素分子により発光される弱い緑の光を通すロングパス（長波長側通過）光学フィルタが取り付けられる一方で、緑色OLED画素と対向するPiNフォトダイオードには、緑の光をブロックして蛍光色素分子により発光される弱いオレンジの光を通すロングパス光学フィルタが取り付けられる。

幾つかの態様では、フィルタ素子は光源の画素の発光面又は検出器のPiNフォトダイオードの検出面に直接印刷される。光源の画素又は検出器のPiNフォトダイオード上に直接フィルタ素子を印刷する手段の非限定的な例では、画素又はフォトダイオードの表面上に直接カラージェル（color gel）光学的フィルタを印刷する。

検出チャンバ１２、光源１４、及び光学的検出器１６は、図１の右側に示すように、それぞれアレイとすることができる。当然のことながら、図１には単一のアレイ寸法を示すが、より大きな又はより小さなアレイも想定できる。検出チャンバ１２は図１のC1〜C16とラベルされた選択的結合サイトのアレイとすることができる。光源１４は図１のS1〜S16とラベルされたOLED発光体アレイとすることができる。光学的検出器１６は図１のD1〜D16とラベルされたフォトダイオードアレイとすることができる。各アレイは互いに位置合わせされて、OLED発光体S1から放射された光が選択的結合サイトC1を照明し、選択的結合サイトC1から放射された蛍光発光がフォトダイオードD1に作用する（impinge）ようになっている。番号付けされた他のOLED発光体、選択的結合サイト、及びフォトダイオードも同様である。

検出チャンバに加えて、流体移送システムはサンプル投入口と混合セクションとサンブル出口とを備えることができる。流体移送システムは微小流体、ナノ流体、又はこれらの組み合わせとすることができる。

サンプル投入口は流体サンプルを受け入れ、混合セクション又は検出チャンバに流体サンプルを供給するように働く。幾つかの態様では、サンプル投入口はサンプルパッド（sample pad）である。

混合セクションは２つの機能を有することができる。第一に、混合セクションは複数の選択的結合ラベルをストアすることができる。第二に、混合セクションは対象の検体が複数の選択的結合ラベルと十分に混合できる空間（volume）として働くことができる。幾つかの態様では、混合セクションは混合チャンバであり、幾つかの態様では、混合セクションは接合パッド（conjugate pad）である。

幾つかの態様では、サンプル投入口と混合セクションは単一のコンポーネントとすることができ、そこでサンプルは受け入れられて対象の検体が１つ以上の選択的な結合蛍光ラベルと混合される。

サンプル出口は検出チャンバからの流体サンプルを受け取るように働く。幾つかの態様では、サンプル出口は検出チャンバと流体連通した流体ウィック（fluid wick）である。

装置１０は、装置の各コンポーネントに電力を供給するように構成された例えばバッテリの様なパワーサプライを備えることができる。

装置１０は、光学的検出器１６からの信号を受け取り解釈するように構成されたプロセッサを備えることができる。

多数の病原体又は生体指標を追加する１つのアプローチは、対になった光源とフォトダイオードの数を増やすことである。例えば、８×８の個別の光源が対向する８×８の個別のフォトダイオードとそれぞれ対になることで、６４の異なる生体指標又は病原体を検出することが想定できる。６４の対になった光源と対向するフォトダイオードの間には、微小流体検出チャンバ内に６４の異なる固定化抗原スポットが存在できる。

しかし、このアプローチの鍵は、アレイの小型化であり、従来の個別コンポーネントを用いると、非常に高価になると共に非常に大きくなり、使い捨て用途に対する課題であった。例えば、それぞれ４×２×１．５ｍｍ（L×W×H）の設置面積を有する８×８アレイのVishay TEMD6010FX01小型表面実装PiNフォトダイオード（光検出器）は、直径１〜２インチのプリント基板を必要とする。それぞれ７０セント（執筆時のコスト）で、PCB上に搭載された６４個の個別のTEMD6010FX01に５０ドル程度かかる。表面実装LEDの８×８アレイも同様に大きくコストがかかる。LEDアレイを使う代わりに、３つの単色LED（赤、緑、青）をシンプルな光学素子と組み合わせても同様に機能するが、どの個別エレクトロニクスコンポーネントを用いたアプローチでも、微小流体検出チャンバはまだ直径１インチ以上になる。これは、一般的な低コストの使い捨て式吸い取り紙ベースの微小流体（microfluidics）より桁違いに大きな流体容積である。増加した流体容積を補うために、吸収性のある吸い取り紙ベースの微小流体に対する１つの代替案は、ユニットの端部に圧搾バルブ（squeeze bulb）を付加して、初期に上昇させる開始流体容積をより大きくすることである。小さな開始サンプル容量、例えば指腹での採血の血に対し、希釈流体も個別の一体化微小流体チャンバを用いて初期サンプル容量を増加させるために提供できる。微小流体希釈チャンバへのバルブは、圧搾バルブによって加えられた圧力で、自動的に勢いよく開き、流体を流すように設定できる。この個別コンポーネントベースのアプローチは比較的単刀直入である一方で、これらの追加のコンポーネントはセンサユニットコストと寸法を明らかに増加させるだけでなく、脆弱性も増加させ、所望の複数病原体検出のための低コスト使い捨てセンサのコンセプトを、それほど使い捨て可能でなく、それほど小型化できず、またより重要な点は、それほど低コストにならないものにする。

光源は、個別の周波数の光の生成が可能な多数の画素を有するディスプレイを備えることができる。幾つかの態様では、光源又は光学的検出器はアクティブマトリクス薄膜トランジスタ（TFT）アレイ技術を備えることができる。TFTアレイ技術では、一般的なフラットパネルディスプレイ画素又はPiNフォトダイオード画素の寸法は、約２００μｍである。従って、アクティブマトリクスディスプレイ技術を用いた６４画素８×８アレイの寸法は、１〜２インチの代わりに２ｍｍ以下になる。これは、限定されたサンプル容量に対して機能させるのに十分小さく、独立した圧搾バルブや希釈流体チャンバを不要とする。

光源は、有機発光ダイオード（OLED）ディスプレイ技術を備えることができる。図２に示すように、OLEDディスプレイは一般的に画素と称される発光可能なエレメントのアレイで構成される。図示のOLEDは、２つの薄膜トランジスタ（TFTs）とキャパシタを備え、これらはアレイの各OLED画素を個別にアドレスする（順番にオンさせる）能力を得るために用いられている。図２に示す薄いOLED有機層は、透明アノードと反射型カソード端子を横断して順方向に電圧が加わると明るく発光し、発光色はOLED有機層の材料に依存し、明るさは電流量に依存する。

動作時には、アクティブマトリクスアレイのOLED画素は、順番にオンして、独立して微小流体反応と検出を組み合わせたチャンバ内の個別の固定化抗原領域又はスポットをそれぞれ照明する。各OLED画素が順番にオンするのと同時に、対向する独立したフォトダイオードアクティブマトリクスアレイ内のPiNフォトダイオードも順番に選択されて、各個別のフォトダイオードに対する光学的信号を検出して、独立したCMOS集積回路を用いて読み出し記録する。

この連続した照明と読み出し動作は図３に示され、そこでは１６画素４×４アクティブマトリクスアレイ内の青色OLEDの１つがオンしている。青色の光はラベル化された蛍光色素分子に吸収されて、次により長波長の青緑色の光として再発光される。再び、直交直線偏向板が光源から選択された単一フォトダイオード画素に達した明るい青い光をブロックし、蛍光色素分子が発光した弱い（青緑色の）光をマスキングする。

検出器はPiNフォトダイオード画素アレイを備えることができる。概念レベルでは、PiNフォトダイオード画素アレイは本質的にデジタルカメラである。蛍光色素分子が発光した光が照明になり、フォトダイオードアレイがデジタルカメラの半導体CMOS又はCCDと同様に機能する。しかし、シリコンウエハ半導体加工を用いたCCDやCMOS撮像素子と異なり、従来のPiNフォトダイオード検出器アレイは一般的に、大型フラットパネル液晶ディスプレイ（LCDs）の製造に用いられるプロセスと同様の大型ガラス基板上の薄膜トランジスタ（TFT）技術を用いて製造される。PiNフォトダイオード検出器アレイをフレキシブルにするために、基板はポリマーで構成される。好ましい態様では、基板は１２５μｍ厚のフレキシブルで非常に頑丈なDuPont社のポリエチレンナフタレート（PEN）プラスチック基板で構成される。

図４に示すように、フレキシブルPiNフォトダイオード検出器アレイは、画素のアクティブマトリクスアレイでカバーされたフレキシブルプラスチック基板上に形成できる。アクティブマトリクスアレイ内の各画素は、１つのTFTトランジスタと１つのPiNフォトダイオードを有している。TFTはon/offスイッチとして機能し、ゲート線に大きな正電圧が印加されると、フォトダイオードをデータ線と電気的に接続する。画素PiNフォトダイオードは、本質的にミニチュアの太陽電池であって、入射したフォトンを電荷又は入射光強度に比例した電流に変換する。

構成を簡素化し、必要なコンポーネントの数を低減するために、光源（例えばOLEDアレイ）及び光学式検出器（例えばフォトダイオードアレイ）は、図３の４×４画素アレイで示すように、同一のフレキシブルエレクトロニクス基板上で製造される。CMOSインタフェース回路（チップ）は、集積化４×４ディスプレイ及びフォトダイオードアレイを備えたフレキシブル基板にボンディングされる。基板のフレキシビリティが、単一の集積エレクトロニクスアセンブリを図３に示すように微小流体チャンバ周りに屈曲又は包んで、OLEDと対向するフォトダイオード画素を、ピッチを合致させた対面構成で位置付ける。センサエレクトロニクスをただ一つに集積させたフレキシブルなアセンブリに簡素化するのに加えて、フレキシブルエレクトロニクス基板は個別コンポーネントアセンブリより薄くよりコンパクトになると同時に、剛直な基板より頑丈にもなる。

ディスプレイ寸法の関数としてのコストに関し、商業ベースでのOLEDディスプレイ技術では現在約８０セント／ｃｍ^２のコストがかかる。周辺回路、入出力（I/Os）に対向するPiNフォトダイオードアレイを追加したとしても、数平方センチメートル以下のディスプレイ基板面積しか各複数病原体使い捨てセンサに対して必要としない。これが、フレキシブルエレクトロニクス基板上の集積されたOLEDディスプレイとフォトダイオードアクティブマトリクスアレイに対するセンサコンポーネントコストの見積もりを２ドル以下に保ち、個別コンポーネントを用いた同等な構成より一桁以上安く見積もられる。

図５に本発明の装置の一態様の概略図を示す。光源は４×４マルチカラー（赤／緑／青）のOLED画素アレイである。検出器は４×４フォトダイオードアレイである。この組み合わせは、少なくとも１６の異なる病原体及び／又は疾患生体指標の検出を可能にする。４×４画素アレイは便宜上示したに過ぎず、アレイはより高い分解能を有することができることに留意すべきである。また、微小流体システムと光学システムは図５に示す寸法関係ではないことに留意すべきである。実際の装置では、アレイサイズは微小流体検出チャンバの寸法により合致している。

図６を参照して、微小流体又はナノ流体システムは、サンプルを受け入れるためのサンプル投入口１３と、サンプルを１つ以上の選択的な結合蛍光ラベルと混合する混合チャンバ１５と、第一固定化選択的結合種からなる第一ボリューム及び第二固定化選択的結合種からなる第二ボリュームを備えた検出チャンバ１２と、サンプル出口１７と、を備え、又はこれらの組み合わせを備えている。

幾つかの態様では、本発明のナノ流体又は微小流体システムは、図６に示すものと類似の構成を有している。この単純化した構成では、開始（液体）サンプルは、使い捨て微小流体アセンブリの投入口に設けられたサンプル収集チャンバに取り付けられた吸い取り紙の高吸収性の一片を用いて収集される（図６）。一般的な操作では、ユーザーは吸い取り紙を対象のサンプル、例えばグラスに入った水や体液中に載置する。水又は体液は次に吸い取り紙に吸収され、集積微小流体サンプル収集チャンバに収集されて、ラボオンアチップ（lab on a chip）スタイルの診断プロセスシーケンスが開始される。受動的な毛細管作用が、流体サンプルを収集チャンバから微小流体チャネルを通って下流の検出チャンバに向かって引き込む。図６に示すように、収集チャンバの後、開始サンプルはまず混合チャンバに入り、そこで初期の微小流体アセンブリプロセスの間、液体サンプルは混合チャンバ内に載置された乾燥蛍光ラベル化抗体又は抗原ビーズ（antigen beads）をもどす（reconstitutes）。

混合チャンバの直下流にある蛇行チャネルが、次にサンプルの移動を遅らせて、サンプルと乾燥蛍光ラベル化抗体との間の抗原／抗体反応が下流の検出チャンバに達する前に完了するように十分な時間をかせぐために用いられる。次に蛍光ラベル化されたサンプルが検出チャンバに達すると、検出チャンバの表面に固定化された第二抗体に捕獲され、開始サンプル内の生体指標又は病原体の同定が完了する。吸い取り紙の大きく厚い一片として単純化できる下流のサンプル出口ウイック（wick）が、すべての過剰な流体を引き込み、未反応の材料を検出チャンバから取り除くために用いられる。先に述べたように、検出チャンバはアレイ内の各OLED画素によって順次照明されて、サンプル内に存在する各抗原又は抗体の濃度は、ラベル化された抗体/抗原免疫複合体からの発光強度に比例し、対向するPiNフォトダイオード画素によって検出される。

図７を参照して、装置１００はフレキシブルエレクトロニクス及びディスプレイ技術とタンパク質ディスプレイ及び検出技術を組み合わせて、体液サンプル内の１つ以上の疾患及び病原体生体指標２０の検出を可能にしている。装置１００は、ELISAタイプの高密度蛍光性生物学的認識用マイクロアレイ１０２とフレキシブルOLEDアレイ１０４（即ち光源）及びPiNフォトダイオードセンサアクティブマトリクスアレイ１０６（即ち光学的検出器）技術を一体化して、例えば透明ナノ多孔質薄膜のような微小流体層１１０上の単一の薄くてフレキシブルなアセンブリにしたものである。PiNフォトダイオードは、必要な感度を有する任意の適切なフォトダイオード、例えばa-Si:H PiN又は有機PiNフォトダイオードである。

蛍光性ベースのLFIA（F-LFIA）の構成では、タンパク質２０が毛細管作用によって微小流体層１１０上の接合パッド１１２を通過すると、対象のタンパク質２０がまず二次抗体２２によって運ばれた蛍光色素分子２４にタグ付けされる。毛細管作用はさらに体液を引き込んで、下流の微小流体層１１０上に堆積された（印刷された）マイクロアレイ１０２の生物学的認識部位に向かわせる。アレイ１０２、１０４、１０６は一致して複数の生体指標の検出を可能にする一方で、蛍光性生物学的認識用マイクロアレイ１０２は、先に報告した直交直線偏向板の代わりに低コストの光学フィルタと組み合わせることで、診断用研究室レベル感度をさらに提供する。装置１００は、一般的な医療用臨床検査室にある機能のほとんどを、小さくて安価な（５ドル以下）十分に使い捨て可能な構成に効率的に小型化する。既存のポイント・オブ・ケア使い捨て装置と比較して、本願のアレイベースの装置１００は、検出可能な生体指標２０の数を１０倍以上、そして検出感度を１００倍以上に増加させる。

スケールメリットを最大化するために、たとえ装置１００を用いたデバイスが異なる方法で実施されても、装置１００は均一な工程（uniform process）で製造される。既知の使い捨て免疫センサ（immunosensors）のアナロジーとしての、本明細書で「テスト片」と称される装置１００の別々のモジュールは、大型（即ちテーブルトップサイズ）のフレキシブルエレクトロニクスシート又はエレクトロニクス層上に形成され、次に一緒にボンディング又はラミネートされて、完成したバイオセンサアセンブリを形成する。特定のデバイスのためのバイオセンサは次にシートから切り出されるかパンチ抜きされる。具体的には、装置１００の他の実施形態も想定されるが、本発明は装置１００の適応性を示す２つのデバイスを詳細に開示する。人体の血清中の複数の生体指標をテストする指先タイプの「フィンガースティック」デバイスは、本明細書中で「テスト片」と称する装置１００の単一モジュールをセンサとして用いる。例えば汗のような体液内の生体指標の連続的かつ非侵襲的モニタリングのための「救急絆」又は「皮膚パッチ」デバイスは、複数のテスト片からなるリニアアレイ（例えば図７のテスト片アレイ１２０）を用いる。指先のポイント・オブ・ケア用途では、個別の完成したテスト片は次にパンチ抜きされるが、スマートな救急絆タイプの複数テスト片用途では、１０〜２０の隣接したテスト片が１つのユニットとしてパンチ抜きされる。

図８を参照して、装置１００の１つの構成は、OLED発光素子アレイ２０４を含むフレキシブルOLED層２００とPiNフォトダイオード（光検出）アレイ２０６を含むフレキシブルフォトダイオード層２０６との間に薄い微小流体層２０２を備えている。検出可能な生体指標の数を増やすために、OLEDアレイ２０４の個々のOLED画素は、各生体指標のために、PiNフォトダイオードアレイ２０６の対向するPiNフォトダイオードと対になっている。図示の例では、個別の光源（OLED画素）からなる４×４アレイ２０４が、対向するフォトダイオードの４×４アレイ２０６と対になっている。この構成を用いて、１６個までの個別の生体指標が、タンパク質表示及び検出技術を用いた微小流体層２０２上に印刷された１６個の個別の生物学的認識部位との組み合わせを用いて検出される。動作時には、アレイ２０４の発光OLED画素は順番にオンされて、微小流体層２０２の側方流動薄膜パッド上の蛍光性生物学的認識用マイクロアレイ２０８内の固定化蛍光性生物学的認識部位をそれぞれ照明する。各OLED画素が順次オンされるのと同時に、別個のフォトダイオードアクティブマトリクスセンサアレイ２０６の対向するPiNフォトダイオード画素も、順次選択されて、外部CMOS集積回路を用いて各個別のフォトダイオードからの検出された光信号が読み出され、記録される。OLEDアレイ２０４とフォトダイオードアレイ２０６とは、例えば２層パッシブフレシキブル相互接続部材（interconnect）のような接続部材２１０によってCMOS集積回路と電源に電気的に接続され、これらCMOS集積回路と電源の両方は、着脱式エレクトロニクス及びバッテリ（battery payload）２１０として表される。

収集エリアが５×５ｃｍサイズのパッチと仮定すれば、最低限で数百マイクロリットルの人体の汗が、３０〜６０分（minute）のサンプル間隔の間に収集可能であるべきである。集積薄膜マイクロアクチュエータ（図示せず）が、マルチセンサアレイの個々のセンサの１つと、より大きな汗収集チャンバとを接続するために用いられる。タグ付けされたタンパク質に下流の捕獲された抗体サイトと結合するのに十分な時間を与えた後、蛍光性生物学的認識用マイクロアレイ２０８の裏側が次に、例えば青色OLEDの青色発光によって照明される。印刷された生物学的認識部位に捕獲された任意の照明された蛍光性材料は、次に（青色励起／緑色発光蛍光色素分子タグにつき）より長波長の緑色で発光（re-emit）する。緑色の発光は、次にロングパス光学フィルタ（図示せず）を透過し、そこでフォトダイオードによって検出される。一方で、青色OLEDからのより短波長の光は、同じロングパス光学フィルタによってフォトダイオードに達する前にブロックされる。このサンドイッチスタイルの光学的構成が、弱い蛍光発光信号がOLED発光素子からの明るい青色発光によって埋没することを防止し、臨床検査室の性能に近いポイント・オブ・ケア診断感度を提供する鍵である。

図９を参照して、簡略化したエレクトロニクスブロック図が、フォトダイオードアレイのうちの単一のフォトダイオード３０２に対する信号処理を示す。フォトダイオード３０２は暗電流の影響を最小化するために、光起電力モードで接続されている。蛍光性材料が発した緑色の光が入射すると、フォトダイオードの出力は低ノイズオペアンプ電荷集積回路３０４に向かい、そこでフォトダイオード３０２からの検出した電荷がバッテリ３１０で動作するマイクロプロセッサが読み取り可能な電圧に変換される。解析のために、マイクロプロセッサ３０６の入力での検出された信号レベルは、次に体液サンプル内のタンパク質生体指標の濃度に直接比例する。幾つかの内部デジタル信号処理の後、マイクロプロセッサ３０６はフォトダイオード３０２からの検出された入力信号レベルを利用可能なユーザー情報に直接翻訳する。この情報は、ポイント・オブ・ケアデバイスのディスプレイ３０８（例えば小さなLCDディスプレイ）に表示されるか、又はブルートゥース（登録商標）を介してスマートフォンに送られる。このシステムの長所は、最初の抗体（primary antibody）によって捕獲された非常に少数の蛍光色素分子からの極端に低い光レベルを検出するために、長いオペアンプ電荷蓄積時間（１サイト当たり１分程度）を用いることができることである。加えて、この構成は高感度を得るために少しの低コストコンポーネントしか必要とせず、全体のポイント・オブ・ケアシステムコストにほんの数ドル追加するだけである。

図１０を参照して、対象の検体を含んでいることが疑われる流体における１つ以上の対象の検体を検出する方法１０００を記載したフローチャートを示す。処理ブロック１００２では、方法１０００は流体の収集ステップを備える。処理ブロック１００４では、方法１０００は流体の選択的結合ラベルとの接触ステップを備え、それによって１つ以上の対象の検体に選択的結合ラベルを塗布する（apply）。処理ブロック１００６では、方法１０００は検出チャンバでの１つ以上の対象の検体の捕獲ステップを備える。幾つかの態様では、処理ブロック１００６は検出チャンバに固定された選択的結合種を使用するステップを備える。選択的結合種は、光源の画素及び光学的検出器の画素と位置合わせされたアレイの個別のセルに配置される。多数の異なる選択的結合種を用いることができる。異なる選択的結合種は、試験の必要性に基づき、異なる位置に設置される。処理ブロック１００８では、方法１０００は光源からの光を、選択的結合ラベルによって選択的結合種と結合した対象の検体に照射するステップを備える。処理ブロック１０１０では、方法１０００は選択的結合ラベルから放射された光の光学的検出器による受光ステップを備える。処理ブロック１０１２では、方法１０００は受光した光の電気信号への変換ステップを備える。処理ブロック１０１４では、方法１０００は電気信号処理ステップを備える。処理ブロック１０１６では、方法１０００は処理した信号を含むレポートの作成ステップを備える。

図１１と図１２は、検出アーキテクチャを実行するテスト片５００とテスト片５００のアレイの概略分解図を示す。人体の血清テストのための指先ポイント・オブ・ケア装置は、ただ一つの側方流動テスト片５００を用い（図１１）、一方で皮膚パッチ構成は一連の側方流動テスト片５００を用い（図１２）、順次オンして生体指標レベルを連続的にモニタすることを可能にし、各ELISA免疫測定のために同じサイトを再使用することを回避する。テスト片５００は、皮膚と接触し、体液５０１を受け取る側にサンプルパッド５０２を備えている。サンプルパッド５０２は、光学的に透明な裏板（backing）５０４に取り付けられている。蛍光ラベル化した二次抗体を有する接合パッド５０６は、サンプルパッド５０２と裏板５０４の間に設けられて、毛細管作用によって体液を受け取り、移送する。集積化された蛍光性生物学的認識用マイクロアレイ５１０を有する側方流動微小流体層５０８は、結合パッド５０６と流体連通して、そこから体液（マークされたタンパク質、抗体、及び／又は病原体の形状の生体指標を含む）を受け取る。パルスジェネレータ５１４からの電気信号を受け取るOLEDアレイ５１２はマイクロアレイ５１０と位置合わせされて、裏板５０４の外側に配置される。OLEDアレイ５１２は、マイクロアレイ５１０と同じレイアウトになっている−即ち、OLEDアレイ５１２内のOLED画素の配置は、マイクロアレイ５１０の生物学的認識部位の配置と位置合わせされている。OLEDアレイ５１２は、入射光をフィルタリングして所望の波長の光、例えば図示の例では青色光のみをマイクロアレイ５１０に届けるようなバンドパス光学フィルタ５１６によって、裏板５０４から切り離されている。

微小流体層５０８の皮膚側では、ロングパス光学フィルタ５１８とフォトダイオードアレイ５２０がマイクロアレイ５１０と位置合わせされ、OLEDアレイ５１２からマイクロアレイ５１０を透過した光を受け取る。具体的には、フォトダイオードアレイのフォトダイオードの配置は、マイクロアレイ５１０の生物学的認識部位の配置と位置合わせされている。ロングパス光学フィルタ５１８は、バンドパス光学フィルタ５１６が通過させた光の波長をフィルタリングする。従って、マイクロアレイ５１０内の蛍光性生体指標から放射された光のみが、フォトダイオードアレイ５２０に作用する。検出器５２２は、フォトダイオードアレイ５２０内のフォトダイオードからの信号を受け取り、上述のように処理する。図１２に示すように、マイクロアレイ５１０を含む検出領域５３０は、OLEDアレイ５１２を含む連続的なフレキシブルOLEDディスプレイ層５３２と、フォトダイオードアレイ５２０を含む連続的なフレキシブルフォトダイオードアセンサ層５３４に包まれている（encapsulated）。

当然のことながら、フォトダイオードアレイとOLEDアレイは皮膚に関連して記載してきたが、フォトダイオードアレイとOLEDアレイ、そして関連するフィルタ又は偏向板は、微小流体層のそれぞれ反対側に交換可能である。

検出アーキテクチャのモジュール設計は、単にフレキシブルエレクトロニクスアセンブリの寸法を大きくし、パンチ抜きされるテスト片の数を増やすことよって、指先ポイント・オブ・ケア装置の単一の側方流動テスト片から、スマートな包袋内の多数の側方流動テスト片まで、容易に拡張可能である。大面積フレキシブルエレクトロニクス技術は、皮膚パッチを一日中身に付けながら皮膚パッチが屈曲又は収縮する必要性のある皮膚パッチ用途にも、著しく魅力的である。加えて、従来の剛直な基板ベースのエレクトロニクスは、一般的に割れやすく、砕け散って鋭利な破片になる。これは、バイオセンサが人体の皮膚と直接接触する必要のある診断用途に問題を引き起こす。

本発明の検出アーキテクチャの拡張性に関するもう１つの長所は、フレキシブルエレクトロニクス層の寸法を拡張して、追加の診断機能を提供できることである。例えば、イオン感受性電界効果トランジスタ（ISFET）バイオセンサアレイは、OLEDフレキシブル基板上に集積でき、ISFETを用いて化学的に検出することがより容易な生体指標や病原体の同定ができる。大面積フレキシブルエレクトロニクス基板は、主に大きな寸法を（従来のCMOS）センサ領域より桁違いに大きくできるので、ISFET技術に対しても非常に魅力的である。大面積フレキシブルエレクトロニクス基板は、はるかに多くの数のユニークな生物学的かつ化学的認識部位を可能にするだけでなく、面積集約型の化学的かつ生物学的材料の集積も、より容易にする。多くの今日のマイクロエレクトロニクススケールのバイオセンサは本質的に一回しか使えないので、マルチセンササイトアレイ技術に適用できる能力は、連続的なモニタリングに対して有利である。再生方法は報告されてきており、それらは究極的に実行可能であるが、ここに示す薄膜バイオセンサアレイ技術は、現在より実行可能な選択肢である。

高い感度と特定性を備えた最小限に侵襲的な体液（血液）又は非侵襲的な体液（汗、唾液、又は尿）内の生体指標を検出する能力は、患者や臨床医にリアルタイムの臨床情報を提供する。本発明の装置は、疾患の進行や再発をモニタリングするだけでなく、臨床症状の発現に先立って、疾患を検出できる。生体指標は、極めて有益な手段であって、疾患の状態や再発率や治療法に対する反応性を予見できる。例えば、感染性疾患に対する抗体反応の検出や、癌に対する生体指標の出現は、ターゲットとする治療のための迅速な患者の同定に用いることができる。患者の血清内のタンパク質又はペプチドの同定は、複雑なタンパク質の混合物内の少量のタンパク質片の同定や、タンパク質の不安定性や、患者集団内のタンパク質含有量の自然変異といった困難に見舞われてきた。対照的に、患者の血清内の抗体は病状に対する非常に安定した指標となり、生体指標解析を介して特徴付けることができる。例えば、抗体は、ヒト、ウイルス、及びバクテリアのゲノムにわたって十分に配列検証された現在２５万以上の遺伝子をフレキシブルな発現ベクタ内に収容する公開されたプラスミド収納庫の記録（DNASU）と比較することができる。これらの新規なプロテオミクス手法は、生物医学研究に広く用いられてきており、乳がん、卵巣がん、及びHPV関連のがんの早期診断を助ける抗体生体指標の専門家委員会（panel）の最新の発見を含んでいる。

この仕事のために用いられるフレキシブルエレクトロニクスとディスプレイ技術では、一枚の紙と略等しい厚さの非常に薄い透明プラスチックシートに、連続的に層形成とナノメーター寸法でパターン形成を行った薄膜で構成される。このアプローチは、別々にボンディングした多数の個別エレクトロニクスコンポーネントとは対照的に、アクティブ薄膜デバイス（例えばOLEDエミッタ、PiNフォトダイオード、及びTFT）を用いて、エレクトロニクス機能をプラスチック基板上に直接設け、集積することを可能にする。このアプローチはまた、商業的なフラットパネルディスプレイ技術に固有の大規模でスケールメリットのある技術を活用し、今では１０ｍ^２に近づくGen11サイズのガラス基板上にディスプレイを製造できる。これは非官能性センサコストをペニー／ｃｍ^２にまで低減する可能性を有しており、低コスト使い捨て用途の鍵になっている。おそらくより重要なことに、フラットパネル産業ベースが既に確立され、莫大な数の大面積エレクトロニクスコンポーネントを毎年供給する能力があり、この技術を迅速に研究室から大量低コスト消費者向け製品に移転することが要求されている。見通しでは、２０１２年のフラットパネルディスプレイは、年率１００平方ｋｍで製造された。この既存のフラットパネルディスプレイ生産能力のわずか１％がポイント・オブ・ケアデバイスの製造に転用されれば、年間およそ４億個（〜２５ｃｍ^２）のスマート包帯を製造できる。

概念上は、フレキシブルなディスプレイを用いるアプローチは単刀直入である。フレキシブルディスプレイ製造プロセスは、ガラス基板上に商業的なフラットパネルLCDディスプレイを製造するために用いるプロセスと本質的に同じである。デバイスをフレキシブルに形成するために、開始時のガラス基板が、一時的に剛直なアルミナキャリアに貼り付けた１２５μｍ厚の帝人デュポンフィルム株式会社製テオネックス（商標登録）ポリエチレンナフタレート（PEN）フレキシブルプラスチック基板に、置き換えられる。薄膜プロセスが完了した後、パターン形成された薄膜層を上面に備えたフレキシブルプラスチックPEN基板は、ポストイット（登録商標）付箋紙を剥がすのと同様に、剥がされる。一時的な剛直なアルミナキャリアは、現在剛直なガラス基板又はシリコンウエハのみを取り扱うことができる未修整で容易に入手可能な薄膜半導体プロセス治具を用いて、フレキシブルディスプレイが処理されることを可能にする。しかし、PENプラスチック基板が転移温度を超えることを避ける（即ち、溶融を避ける）ために、全フレキシブルエレクトロニクス工程順序を通して最大処理温度は１８０℃以下に限定されているが、一方で一般的なガラス基板TFT又はシリコンウエハ処理は３００℃以上である。

フレキシブルエレクトロニクスデバイスは、１２５μｍ厚のPENプラスチック基板の代用として、２０μｍ厚のポリイミド基板上に製造できる。提案している皮膚パッチ／スマート包帯用途に対し、ポリイミド基板の使用は魅力的である。なぜなら、ポリイミド基板は既存のPENプラスチック基板より著しくフレキシブルであると共に、より一般的な３００℃以上の低コスト大量生産商業ベースディスプレイプロセスの使用を許容するからである。ポリイミドプロセスは、PENと同等である。しかし、一時的な接着剤を用いてプラスチック基板をキャリアに結合させる代わりに、ポリイミドは剛直な基板に液体状態で直接ディスペンス（dispensed）される。次にポリイミドは２００℃以上で硬化して、溶媒を放出する。この時点で、ポリイミド＋剛直基板は、標準的な薄膜プロセスに対して準備が整っている。薄膜プロセス工程の終了後、パターン形成されたTFT層を備えたフレキシブルなポリイミド基板は、先に述べたPEN基板からの剥離と同様に、上部が剥がされる。

ここに記載の装置の1つの用途は、個人が毎日薬を飲んだか否かを高い確実性で決定することである。アルツハイマー病の又は認知症の患者は、しばしば薬を飲んだことを覚えておくことができない。患者が自分の薬を飲んだか確認する介護者の能力は、彼らが健康であるために決定的に重要である。新しいアプローチでは、不活性で食品的に安全な生体指標が薬剤と組み合わされて、薬剤を投入した直後には生体指標は汗の中に排出される。（フレキシブルな）皮膚パッチを排出された生体指標を検出するように構成すれば、患者が自分の薬剤を飲んだか否かを確認する方法が提供できる。

フレキシブルなバイオセンサのもう一つの用途は、糖尿病患者の下肢の皮膚表面に直接貼る使い捨てスマート包帯で、床ずれの形成を検出したり、既存の潰瘍の感染部をモニタリングしたりする。ナイト（Knight）らは、人の汗に含まれる乳酸濃度が、糖尿病患者に共通の床ずれの形成中に、軟部組織の破壊（breakdown）に応じて変化することを報告している。その後、ダービシャー（Derbyshire）らは、深刻な（at-risk）糖尿病患者に形成される床ずれの指標として、人の汗に含まれる乳酸レベルをモニタするために、バイオセンサを皮膚表面に貼り付けることができると記載している。当然のことながら、現場での装置や方法に関連して、実験室ベースの技術における進歩がここに開示されている。例えば、新しく改善された選択的結合ラベルと選択的結合種が開発されたので、当業者はここに記載の枠組みの内でそれらを実施できる。

（例１）
光学的バイオセンサのコンセプトの初期実現可能性をさらに評価するために、図１の光学的構成を単一フレキシブル青色OLEDエミッタを用いて組み立て、光学的検出器として顕微鏡を用いた。蛍光性緑色ビーズ（beads）（Thermo Scientific社から商業的に利用可能な１０μｍの微小粒子G1000）の一滴を加えたスライドガラスを、微小流体検出チャンバ内のラベル化された蛍光性免疫複合体の代用品として用いた。蛍光性ビーズは、２枚の直交直線偏向板（偏向板１と偏向板２）の間に置き、下部偏向板（偏向板１）は青色OLEDエミッタの上に重ねた。光源は、直交偏向度を変化させることで、各種光量になるように減衰した。

（例２）
図１の光学的構成を例１に記載のように組み立て、第二偏向板（偏向板２）と検出器との間に緑色のロングパス光学フィルタを追加して置いた。緑色のロングパス光学フィルタの追加は、光源からの光を著しく減衰させた。

（例３）
図１の光学的構成を例１に記載のように組み立て、第一直線偏向板（偏向板１）の代わりに４６０ｎｍ中心のバンドパスフィルタを、直交偏向板（偏向板２）の代わりに緑色ロングパス光学フィルタを用いた。このフィルタの組み合わせは、光源からの光の著しい減衰に加えて、緑色の蛍光発光の検出を可能に（afforded）した。

（例４）
単一のOLEDエミッタ構成の実物大模型（mocked up）を、本用途で用いるはずのディスプレイ（アレイ）の一画素の動作を擬態するために、アリゾナ州立大学（ASU）のフレキシブルエレクトロニクス＆ディスプレイセンタ（FEDC）で製造した５１５ｎｍ緑色OLEDテスト構造を用いて作成した。OLED素子は、９ボルトのバイアス電圧で６Hzのパルスモードで動作させた。これにより０．３ｍＷ／ｍｍ^２の瞬間照度を得たが、これは先に報告された直交偏向板を用いた光学的バイオセンサ（ポイント・オブ・ケア）構成で使用したOLEDより約３００倍明るい。電源のパルスを調整すれば（pulsing）、OLED動作電圧が増加して、OLED有機層を劣化させたり損傷したりすることなく著しく瞬間光強度を増加できるが、約７ボルトの連続的なDCバイアスでは、OLED有機層内に発生した電流誘導の局所ジュール熱によって有機層の劣化が見られた。

蛍光性生物学的認識用材料の能力を評価するために、１μｍ直径のナイルレッド蛍光性色素分子（５２０ｎｍ励起／５７０ｎｍ発光）を、１：１００〜１：１，０００，０００の対数尺度の希釈液（in PBS）を用いて、一連の顕微鏡スライドに固定化した。単純な３Ｄ印刷されたアセンブリが設計され組み立てられて、顕微鏡スライドの中央をChroma社製光学フィルタセットと位置合わせした。緑色OLEDエミッタをベースに設置し、その上に５２０ｎｍ／４０ｎｍバンドパスChroma光学フィルタを位置付け、顕微鏡スライドに用いるスロットの上の溝に６０５ｎｍ／７０ｎｍバンドパスChroma光学フィルタを設置した。この構成に対して提案されている変更は、光学的に透明なフレキシブル基板上の光学（干渉）フィルタとして用いられる薄膜層の堆積を含む。これがスマート包帯アセンブリ全体のフレキシビリティを保ち、さらにこのアプローチには、アセンブリ全体の厚さを低減すると共に、別個の光学フィルタを用いた場合の追加のコストを削減することも期待され、センサ性能の更なる向上が期待される。

この光学的構成を用いた場合の低コストポイント・オブ・ケアアセンブリの感度を、９６穴プレート（96-well plate）内に同じナイルレッド蛍光色素分子希釈液を用いて、１０万ドルのパーキンエルマー社製２１０４ 96-well プレートリーダーと比較した。図９に示す単純で（かつ非常に安価な）オペアンプ集積回路を、単純なポイント・オブ・ケアテスト構成の信号読み出しに用いた。図１３に示すように、低コスト（使い捨て）ポイント・オブ・ケア構成は、１：１００，０００までの蛍光色素分子希釈液を成功裏に測定できて、一方で臨床検査室級のパーキンエルマー社製96-well プレートリーダーは、１：１，０００，０００までの希釈液を検出できた。これは、１０万ドルのパーキンエルマー社製96-well プレートリーダーが、我々の数ドルの使い捨てポイント・オブ・ケアコンセプトの構成より、かろうじて１０倍高感度であり、我々の提案する構成は、非常に高感度であることを示す。

１つ以上の好ましい態様の観点から本発明を記載してきたが、当然のことながら、これらの明確に述べたものに加えて、多くの等価物、代替物、変形、及び変更も可能であり、本発明の範囲内である。

Claims (21)

1. 対象となる複数の検体が含まれている可能性のある流体サンプル内の前記対象となる複数の検体を検出又は定量化するための装置であって、
   微小流体システム又はナノ流体システムと、光学システムと、を備え、
   前記微小流体システム又は前記ナノ流体システムが、
   使用時に前記サンプルを受け取るサンプル投入口と、
   使用時にサンプルを１つ以上の選択的な結合蛍光ラベルと混合する混合チャンバと、
   第一固定化選択的結合種からなる第一ボリューム及び第二固定化選択的結合種からなる第二ボリュームを備えた検出チャンバと、
   サンプル出口と、を備え、
   前記サンプル投入口、前記混合チャンバ、前記検出チャンバ、及び前記サンプル出口は、流体連通するように接続され、
   前記光学システムが、
   前記第一ボリュームと前記第二ボリュームを照明するように構成された光源と、
   前記第一ボリュームと前記第二ボリュームからの放射光を受光し検出するように構成された光学的検出器と、
   前記検出チャンバと前記光学的検出器の間に位置する光源減衰器と、を備えていることを特徴とする装置。
2. 前記システムが対象の第一検体と対象の第二検体を検出又は定量化するように動作可能であり、
   前記第一固定化選択的結合種が前記対象の第一検体と選択的に結合し、前記対象の第二検体とは結合せず、前記第二固定化選択的結合種が前記対象の第二検体と選択的に結合し、前記対象の第一検体とは結合しないことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記システムが対象の第一検体と第二検体を検出又は定量化するように動作可能であり、第一選択的結合ラベルが前記対象の第一検体と選択的に結合し、前記対象の第二検体とは結合せず、第二選択的結合ラベルが前記対象の第二検体と選択的に結合し、前記対象の第一検体とは結合しないことを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記光源が、第一照明スペクトルを有する光で前記第一ボリュームを照明し、第二照明スペクトルを有する光で前記第二ボリュームを照明するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記光学的検出器が、第一発光スペクトルを有する前記第一ボリュームから放射された放射光と、第二発光スペクトルを有する前記第二ボリュームから放射された放射光と、を受け取り、検出するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記光源が有機発光ダイオードアレイであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 前記光学的検出器がPiNフォトダイオードアレイであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記光源と前記光学的検出器がそれぞれ薄膜トランジスタアレイを備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 装置を製作する方法であって、
   アクティブマトリクス薄膜トランジスタディスプレイとアクティブマトリクス薄膜トランジスタフォトダイオードを、約１ｎｍから約１０ｍｍの間隔で互いに対向するように位置付け、
   前記ディスプレイと前記フォトダイオードの間に、微小流体システム又はナノ流体システムの検出チャンバを位置付ける
   ことを特徴とする方法。
10. 装置を製作する方法であって、
    アクティブマトリクス薄膜トランジスタディスプレイとアクティブマトリクス薄膜トランジスタフォトダイオードを、フレキシブル又は剛直な基板に位置付け、
    前記ディスプレイと前記フォトダイオードを、約１ｎｍから約１０ｍｍの間隔で互いに対向するように位置付けるように前記フレキシブル又は剛直な基板を操作し、
    前記ディスプレイと前記フォトダイオードの間に、微小流体システム又はナノ流体システムの検出チャンバを位置付ける
    ことを特徴とする方法。
11. 微小流体層に設けられ、体液から生体指標を捕獲するように構成された蛍光性生物学的認識用マイクロアレイと、
    前記蛍光性生物学的認識用マイクロアレイと位置合わせされ、前記蛍光性生物学的認識用マイクロアレイ上に所望の波長の光を放射するように構成された有機発光ダイオード（OLED）アレイと、
    前記OLEDアレイから前記蛍光性生物学的認識用マイクロアレイの反対側で、前記蛍光性生物学的認識用マイクロアレイと位置合わせされ、前記生体指標から放射される光を受け取るように構成されたフォトダイオードアレイと、
    を備えた生体指標検出デバイス。
12. 前記蛍光性生物学的認識用マイクロアレイが、フラットパネルディスプレイ技術を用いて形成されることを特徴とする請求項１１に記載のデバイス。
13. テスト片が、前記蛍光性生物学的認識用マイクロアレイと、前記OLEDアレイと、前記フォトダイオードアレイと、を備え、
    前記生体指標検出デバイスが、複数の前記テスト片を備えていることを特徴とする請求項１１に記載のデバイス。
14. 前記フォトダイオードアレイと電気的に連通し、前記フォトダイオードアレイの１つ以上のフォトダイオードによって生成された電荷を電圧に変換するように構成された積分回路をさらに備えていることを特徴とする請求項１１に記載のデバイス。
15. フラットパネルディスプレイ光源と光学的検出器の間に設けられた蛍光性生物学的認識用マイクロアレイを備えた生体指標検出デバイス。
16. 前記光源と前記蛍光性生物学的認識用マイクロアレイの間の、前記光源から放射されて前記蛍光性生物学的認識用マイクロアレイに入射する光をフィルタにかける位置に設けられた１つ以上の励起光用光学的フィルタをさらに備えていることを特徴とする請求項１５に記載の生体指標検出デバイス。
17. 前記蛍光性生物学的認識用マイクロアレイと前記光学的検出器の間の、前記蛍光性生物学的認識用マイクロアレイによって放射された光をフィルタにかける位置に設けられた１つ以上の放射光用光学的フィルタをさらに備えていることを特徴とする請求項１５に記載の生体指標検出デバイス。
18. 前記蛍光性生物学的認識用マイクロアレイと流体連通した微小流体層をさらに備え、前記微小流体層を横断する体液の側方流動が、前記体液内の１つ以上の生体指標を前記蛍光性生物学的認識用マイクロアレイに引き入れることを特徴とする請求項１５に記載の生体指標検出デバイス。
19. 前記微小流体層が、可視光の約１０％から約１００％を透過させることを特徴とする請求項１８に記載の生体指標検出デバイス。
20. 使用時に前記光学的検出器によって生成された信号を生体指標濃度に変換するマイクロプロセッサと、使用時に前記生体指標濃度を表示するフレキシブルディスプレイと、をさらに備える請求項１５に記載の生体指標検出デバイス。
21. 請求項１５に記載の生体指標検出デバイスを備えた装着型包帯。