KR101431778B1 - 자성 비즈를 이용하는 액적 작동기 장치 및 방법 - Google Patents

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뱀씨 케이. 파뮬라
마이클 쥐. 폴락
비제이 스리니바산
앨런 이. 에크하르트
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어드밴스드 리퀴드 로직, 아이엔씨.
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Abstract

저감된 양의 물질을 지니고 자기 반응성 비드와 접촉하는 액적을 제공하는 방법이 제공된다. 이 방법은 일반적으로 (a) (i) 표면 상에서 액적 작업을 수행하기 위하여 배열된 전극(214)을 포함하는 기판(210); (ii) (1) 1개 이상의 자기 반응성 비즈(220); (2) 출발량의 물질; 및 (3) 출발 용적을 포함하는 출발 액적(218/222)을 포함하는 액적 작동기(200)를 제공하는 단계; (b) 표적 액적 분할 영역(224)으로부터 소정 거리에 있는 위치에 1개 이상의 자기 반응성 비즈를 자기적으로 고정화하는 단계; 및 (c) (i) 출발 농도에 대해서 상대적으로 감소된 양의 물질을 지니며 1개 이상의 자기 반응성 비즈를 실질적으로 모두 포함하는 액적(218); 및 (ii) 자기 반응성 비즈가 실질적으로 결여되어 있는 액적(222)을 포함하는 액적 세트를 얻기 위하여, 조합된 액적을 분할하도록 선택된 액적 분할 작업을 포함하는 하나 이상의 액적 작업을 수행하는 단계를 포함한다.
액적 작동기, 기판, 전극 어레이, 자기 반응성 비즈

Description

자성 비즈를 이용하는 액적 작동기 장치 및 방법{DROPLET ACTUATOR DEVICES AND METHODS EMPLOYING MAGNETIC BEADS}
1. 수여 정보
본 발명은 미합중국의 국립 보건원(National Institutes of Health)에 의해 수여된 CA 114993-01 A2 및 DK066956-02 하의 정보 지원에 의해 행해진 것이다. 미합중국 정부는 본 발명에 있어서 소정의 권리를 가진다.
2. 관련 출원
본 출원은 관련된 미국 가특허 출원 제60/900,653호(출원일: 2007년 2월 9일, 발명의 명칭: "Immobilization of magnetically-responsive beads during droplet operations"); 미국 가특허 출원 제60/980,772호(출원일: 2007년 10월 17일, 발명의 명칭: "Immobilization of magnetically-responsive beads in droplets"); 미국 가특허 출원 제60/969,736호(출원일: 2007년 9월 4일, 발명의 명칭: "Droplet actuator assay improvements"); 및 미국 가특허 출원 제60/980,762호(출원일: 2007년 10월 17일, 발명의 명칭: "Droplet actuator assay improvements")를 우선권으로 주장하며, 이들 기초 출원을 참조로 원용한다.
3. 발명의 기술분야
본 발명은 일반적으로, 액적 작동기(droplet actuator), 특히, 비즈(beads), 특별히 자기적으로 반응하는(이하, 간단히 "자기 반응성"이라 칭함) 비즈를 포함하는 액적(droplet; 즉, 작은 방울)을 이용해서 수행하여야 할 액적 작업(droplet operations)을 필요로 하는 액적 기반 프로토콜을 수행하기 위해 구성된 액적 작동기에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 액적 작동기의 제조 방법 및 이용 방법에 관한 것이다.
4. 발명의 배경 기술
액적 작동기는 광범위한 액적 작업을 행하는 데 이용된다. 액적 작동기는 전형적으로 그 액적 작업 표면 상에서 액적 작업을 행하기 위한 전극들과 관련된 기판을 포함하고, 또한, 액적 작업이 그 안에서 수행되는 간극을 형성하도록 상기 액적 작업 표면에 관하여 일반적으로 병렬 방식으로 배열된 제2기판도 포함할 수 있다. 상기 간극은 전형적으로 상기 액적 작동기 상에서 액적 작업될 유체와 혼화되지 않는 충전물 유체로 채워져 있다.
액적 작동기의 몇몇 응용에 있어서, 각종 분석시험(assay)을 위해 "비즈"를 이용할 필요가 있다. 비즈를 이용하는 프로토콜에 대해서, 당해 비즈는 전형적으로 물질의 혼합물에 있어서 1개 이상의 표적 물질에 결합하는 데 이용된다. 상기 표적 물질은 예를 들어 피분석물(analyte) 혹은 오염물일 수 있다. 비드(bead) 혹은 비즈의 표면에 노출되거나 접촉할 수도 있는 비드-함유 액적 내에서 1종 이상의 물질의 양을 저감시키기 위하여 액적 작동기 상에서 비드 세정에 대한 효과적인 접근법을 필요로 한다.
5. 발명의 간단한 설명
본 발명의 일 측면은 액적-기반 응용에 있어서 자기 반응성 비즈를 이용하는 액적 작업용의 자기 반응성 비즈의 효과적인 고정화를 제공한다. 그 예로는 파이로시퀀싱(pyrosequencing) 응용 및 면역분석시험 응용 등의 비드 세정 프로토콜의 수행을 필요로 하는 분석시험(혹은 에세이)을 포함한다. 일례에 있어서, 본 발명은 액적 분할 작업 동안 자기 반응성 비즈를 고정화시키기 위하여 자기력을 이용하는 기술을 제공한다. 본 발명의 이 기술은 액적 작동기 내에서 자기 반응성 비즈를 세정하기 위한 프로토콜에 특히 유용하다. 기타 이점 중에서, 본 발명의 상기 기술은 자기 반응성 비즈의 과도한 응괴화(clumping) 혹은 응집(aggregation)을 피한다. 액적 분할 작업 동안, 상기 기술은 액적 내에 실질적으로 모든 자기 반응성 비즈를 유용하게 고정화할 수 있다. 본 발명의 기술은 액적 세정 작업 동안 실질적으로 모든 자기 반응성 비즈의 고정화 및 보유를 확실하게 할 수 있다. 세정 과정의 완료 시, 본 발명의 기술은 액체 내에서 실질적으로 모든 자기 반응성 비즈의 재현탁을 실질적으로 그의 응괴화 혹은 응집 없이 확실하게 한다.
본 발명의 다른 측면은 개선된 액적 작동기 및 개선된 액적-기반 분석시험 작업을 실시하기 위한 관련된 방법을 제공한다. 본 발명의 실시형태는 액적 작동기 내의 자계의 교차(crossover)를 저감시키는 기구(mechanism)를 제공한다. 본 발명의 다른 실시형태는 액적 작동기 내의 비즈 및 기타 물질의 잔효(혹은 잔류오염)(carryover)를 저감시키는 기구를 제공한다. 본 발명의 또 다른 실시형태는 액적 작동기 내의 액적 검출 작업을 개선하기 위한 기구를 제공한다.
6. 정의
본 명세서에서 이용되는 바와 같이, 이하의 용어는 표시된 의미를 지닌다.
1개 이상의 전극과 관련해서 "활성화하다"란 액적 작업에서 초래되는 1개 이상의 전극의 전기적 상태의 변화를 수행하는 것을 의미한다.
액적 작동기 상의 비즈와 관련해서 "비드"란, 액적 작동기 상에 혹은 그 부근에 있는 액적과 상호작용할 수 있는 능력을 지닌 비드 혹은 입자라면 어떠한 것이라도 의미한다. 비즈는 구형, 일반적으로는 구형상, 달걀형상, 원반 형상, 입상체 형상 및 기타 3차원 형상 등의 광범위한 각종 형상의 어느 것일 수도 있다. 비드는, 예를 들어, 액적 작동기 상에서 액적 내에서 이송될 수 있거나, 또는 다르게는, 액적 작동기 상의 액적이 당해 액적 작동기 상에서 및/또는 액적 작동기를 벗어나서 비드와 접촉하게 되는 방식으로 액적 작동기에 대해서 구성될 수 있다. 비즈는 예를 들어, 수지 및 폴리머를 비롯한 각종 광범위한 재료를 이용해서 제조될 수 있다. 비즈는, 예를 들어, 마이크로비즈, 미립자, 나노비즈 및 나노입자를 비롯한 임의의 적절한 크기일 수 있다. 몇몇 경우에 있어서, 비즈는 자기적으로 반응성이고; 다른 경우에는, 비즈는 상당히 자기적으로 반응성이 아니다. 자기 반응성 비즈에 대해서, 자기 반응성 재료는 실질적으로 모두 비드로, 혹은 비드의 단지 1성분을 구성할 수 있다. 비드의 나머지는, 무엇보다도, 중합체 재료, 코팅, 및 분석시험 시약의 부착을 허용하는 부분을 포함할 수 있다. 적절한 자기 반응성 비즈의 예는 미국 특허 공개 제2005-0260686호 공보(공개일: 2005년 11월 24일, 발명의 명칭: "Multiplex flow assays preferably with magnetic particles as solid phase")에 기재되어 있고, 이 공보의 전체적인 개시내용은 자기 반응성 재료 및 비즈에 관한 그의 교시를 위해 참조로 본원에 병합된다. 비즈는 이에 부착되는 생물학적 세포의 1개 이상의 모집단(population)을 포함할 수 있다. 몇몇 경우에 있어서, 생물학적 세포는 실질적으로 순수한 모집단이다. 다른 경우에 있어서, 생물학적 세포는 상이한 세포 모집단, 예컨대, 서로 상호작용하는 세포 모집단을 포함한다.
"액적"이란 충전물 유체에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인 액적 작동기 상의 액체의 용적을 의미한다. 예를 들어, 액적은 충전물 유체에 의해 완전히 둘러싸일 수 있거나, 혹은 충전물 유체와 액적 작동기의 1개 이상의 면에 의해 둘러싸일 수 있다. 액적은 광범위하게 다양한 형상을 취할 수 있고; 비제한적인 예로는 일반적으로 원반 형상, 슬러그(slug) 형상, 절두된 구, 타원체, 구형상, 부분적으로 압착된 구, 반구, 계란형, 원통형 및 액적 작업 동안 형성된 각종 형상, 예컨대, 액적 작동기의 1개 이상의 면과 이러한 형상의 접촉 결과로서 형성되거나 융합되거나 분할된 바와 같은 형상을 들 수 있다.
"액적 작업"이란 액적 작동기 상에서의 액적의 임의의 조작(manipulation)을 의미한다. 액적 작업으로는, 예를 들어, 액적을 액적 작동기 속으로 반입(loading)하는 단계; 소스 액적으로부터 1개 이상의 액적을 분배하는 단계; 액적을 2개 이상의 액적으로 분리 혹은 분할 혹은 쪼개는 단계; 액적을 하나의 위치에서부터 임의의 방향의 다른 위치로 이송하는 단계; 2개 이상의 액적을 단일의 액적으로 융합하거나 조합하는 단계; 액적을 희석하는 단계; 액적을 혼합하는 단계; 액적을 교반하는 단계; 액적을 변형시키는 단계; 액적을 적소에 유지시키는 단계; 액적을 배양하는 단계; 액적을 가열하는 단계; 액적을 기화시키는 단계; 액적을 냉각시키는 단계; 액적을 배치시키는 단계; 액적 작동기로부터 액적을 이송하는 단계; 본 명세서에 기재된 기타 액적 작업; 및/또는 이들의 임의의 조합을 들 수 있다. "융합하다", "융합", "조합하다", "조합" 등의 용어는 2개 이상의 액적으로부터 1개의 액적을 작성하는 것을 기술하는 데 이용된다. 단, 이러한 용어가 2개 이상의 액적과 관련하여 이용될 경우, 2개 이상의 액적을 1개의 액적으로 조합한 결과를 얻는 데 충분한 액적 작업의 조합이면 어떠한 것이라도 사용할 수 있음을 이해할 필요가 있다. 예를 들어, "액적 A를 액적 B와 융합"하는 것은 액적 A를 정지 상태의 액적 B와 접촉시켜 이송시키거나, 액적 B를 정지 상태의 액적 A와 접촉시켜 이송시키거나, 또는 액적 A 및 액적 B를 서로 접촉시켜 이송시킴으로써 실현될 수 있다. "분할", "분리" 및 "쪼갬"이란 용어는 얻어지는 액적의 크기(즉, 얻어지는 액적의 크기는 동일하거나 상이할 수 있음) 또는 얻어지는 액적의 개수(얻어지는 액적의 개수는 2, 3, 4, 5 이상일 수 있음)와 관련해서 임의의 특별한 성과를 의미하도록 의도된 것은 아니다. "혼합"이란 용어는 액적 내의 1개 이상의 성분의 더욱 균질한 분포를 가져오는 액적 작업을 의미한다. "반입" 액적 작업의 예로는, 미세 투석 반입, 압력 원조 반입, 로봇 반입, 수동 반입 및 피펫 반입 등을 들 수 있다.
자기 반응성 비즈에 관한 "고정화"란, 비즈가 액적 작동기 상의 액적 내 혹은 충전물 유체 내의 적소에 실질적으로 규제되는 것을 의미한다. 예를 들어, 일 실시형태에 있어서, 고정화된 비즈는 액적의 분할 작업의 수행을 허용하도록 적소에 충분히 규제되어, 실질적으로 모든 비즈를 지닌 하나의 액적 및 실질적으로 비즈가 결여된 하나의 액적이 얻어진다.
"자기 반응성"이란 자계에 대해서 반응성인 것을 의미한다. "자기 반응성 비즈"는 자기 반응성 재료로 구성된다. 자기 반응성 재료의 예로는 상자성 재료, 강자성 재료, 페리 자성 재료 및 준자성 재료를 들 수 있다. 적절한 상자성 재료의 예로는 철, 니켈, 코발트뿐만 아니라, Fe3O4, BaFe12O19, CoO, NiO, Mn2O3, Cr2O3 및 CoMnP 등의 금속 산화물을 들 수 있다.
자기 반응성 비드를 세정하는 것과 관련한 "세정"이란, 자기 반응성 비드와 접촉하는 1개 이상의 물질의 양 및/또는 농도를 저감시키는 것, 또는 자기 반응성 비드와 접촉하는 액적으로부터 당해 자기 반응성 비드에 대해서 노출되는 것을 의미한다. 물질의 양 및/또는 농도의 저감은 부분적으로, 실질적으로 완전히 혹은 심지어 완전히 이루어질 수 있다. 상기 물질은 광범위하게 다양한 임의의 물질일 수 있고; 그 예로는 추가의 분석용의 표적 물질, 바람직스럽지 않은 물질, 예컨대, 샘플, 오염물 및/또는 과잉의 시약의 성분 등을 들 수 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 세정 작업은 출발 액적을 자기 반응성 비드와 접촉시켜 시작하며, 이때, 액적은 물질의 초기량 및 초기 농도를 포함한다. 세정 작업은 각종 액적 작업을 이용해서 진행될 수 있다. 세정 작업은 자기 반응성 비드를 포함하는 액적을 얻을 수 있고, 이때, 액적은 상기 물질의 초기량 및/또는 농도보다 적은 당해 물질의 전체량 및/또는 농도를 지닌다. 다른 실시형태가 본 명세서의 어디엔가에 기술되어 있으며, 또 다른 것도 본 명세서의 개시 내용에 비추어 직접적으로 명백해질 것이다.
"상부" 및 "하부"란 용어는, 액적 작동기가 공간 내의 그의 위치에 관계없이 실용적이므로, 단지 편의상 액적 작동기의 상부 기판 및 하부 기판과 관련한 설명 부분에서 이용된다.
층, 영역 혹은 기판 등의 주어진 구성 요소(component)가 다른 구성 요소 "위"에 배치 혹은 형성되는 것으로 여기서 언급되고 있을 경우, 그 주어진 구성 요소는 다른 구성 요소 위에 직접 있을 수 있거나, 혹은 대안적으로는, 중개 구성 요소(예를 들어, 1개 이상의 피막, 층, 중간층, 전극 혹은 컨택트)도 존재할 수 있다. 또한, "위에 배치된" 및 "위에 형성된"이라는 용어는, 주어진 구성 요소가 다른 구성 요소와 관련해서 위치결정되거나 놓이는 방법을 기술하는 데 호환적으로 사용되는 것도 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, "위에 배치된" 및 "위에 형성된"이라는 용어는 재료 이송, 증착 혹은 제조의 특정 방법과 관련해서 어떠한 제한을 도입하기 위해 의도된 것은 아니다.
임의의 형태의 액체(예를 들어, 이동 중이든지 정지 상태이든지 간에 액적 혹은 연속체 등)가 전극, 어레이, 기질(matrix) 혹은 표면 "위에"(혹은 "상에"), 혹은 "위쪽에" 있는 것으로 기술될 경우, 이러한 액체는 전극/어레이/기질/표면과 직접 접촉하고 있을 수 있거나, 혹은, 당해 액체와 전극/어레이/기질/표면 사이에 개입된 1개 이상의 층 혹은 막과 접촉하고 있을 수도 있다.
액적이 액적 작동기 "위에" 있거나 혹은 "위에 반입"되는 것으로 기술될 경우, 액적은 당해 액적에 대해 하나 이상의 액적 작업을 수행하기 위하여 액적 작동기를 이용해서 용이하게 하는 방식으로 액적 작동기 위에 배열되고/되거나, 액적은 당해 액적으로부터 신호의 성질(즉, 특성)의 감지를 용이하게 하는 방식으로 액적 작동기 위에 배열되고/되거나, 액적은 액적 작동기 상에서 액적 작업을 받게 되는 것임을 이해할 필요가 있다.
7. 도면의 간단한 설명
도 1A 및 도 1B는 각각, 액적 분할 작업의 각각의 제1 및 제2상 동안 이용 중인 액적 작동기의 일부의 제1평면도 및 제2평면도;
도 2A 및 도 2B는 각각 분할 영역으로부터 멀리 떨어진 위치에 놓인 자석을 포함하는 액적 작동기의 단면의 측면도 및 평면도;
도 3은 액적 위쪽 및 아래쪽에 배열된 2개의 자석을 포함하는 액적 작동기의 단면의 측면도;
도 4A 및 도 4B는 각각 액적을 둘러싸는 각 위치에 배열된 4개의 자석을 포함하는 액적 작동기의 단면의 측면도;
도 5A 및 5B는 각각 액적 분할 작업의 제1상과 제2상 동안 액적 작동기의 단면의 제1평면도 및 제2평면도;
도 6은 자계의 교차를 저감시키기 위한 자기 차폐부를 포함하는 액적 작동기의 단면의 측면도;
도 7은 자계의 교차를 저감시키기 위하여 반대로 배열된 극을 지닌 자석을 포함하는 액적 작동기의 단면의 평면도;
도 8은 도 7에 도시된 것과 같은 관계로 배열된 자계의 맵을 나타낸 도면;
도 9는 액적 검출 영역에서 잔효를 저감시키기 위해 배열된 액적 작동기의 단면의 평면도;
도 10A 및 도 10B는 잔효를 저감시키기 위해 구성된 액적 작동기의 단면의 평면도;
도 11A, 도 11B 및 도 11C는 액적 검출의 감도를 향상시키기 위하여 구성된 액적 작동기의 단면의 측면도;
도 12는 액적 검출의 감도를 향상시키기 위하여 구성된 액적 작동기의 단면의 평면도;
도 13은 액적 검출의 감도를 향상시키기 위하여 구성된 액적 작동기의 단면의 측면도;
도 14A 및 도 14B는 각각 액적 작동기에 대해서 자석 조립체를 배향시키기 위한 범용 조립체(universal assembly)를 제공하는 모듈방식(modular) 액적 작동기 조립체의 평면도;
도 15는 액적 작동기에 대해서 자석 조립체를 배향시키기 위한 범용 조립체의 다른 비제한적인 예인 모듈방식 액적 작동기 조립체의 측면도.
8.본 발명의 상세한 설명
본 발명은 무엇보다도 자기 반응성 비즈를 고정화시키기 위하여 구성된 액적 작동기, 그리고, 이러한 액적 작동기의 제조 방법 및 이용 방법에 관한 것이다. 일례로서, 액적 작동기는 당해 액적 작동기 상에 액적 내의 비즈를 고정화시키는 데 유용하고, 이에 따라, 이러한 비즈를 고정화시키는 데 필요한 프로토콜, 예컨대, 비즈 세정 프로토콜의 수행을 용이하게 한다. 본 발명은 또한 액적 작동기 내에서 액적에서 액적으로 물질의 잔효를 저감시키거나 제거하기 위한 기술 및 액적 작동기 상에서의 신호 검출을 최대화하기 위한 기술도 제공한다.
8.1 액적 분할 동안의 비드 손실
도 1A 및 도 1B는 , 각각, 액적 분할 작업의 각각의 제1 및 제2상 동안 이용 중인 액적 작동기(100)의 제1평면도 및 제2평면도를 나타내고 있다. 액적 작동기(100)는 자기 반응성 비즈의 손실 없이 도시된 구체적인 기술을 이용해서 액적을 효과적으로 분할하기 위하여 적절하게 배열되지 않은 구성을 이용한다. 액적 작동기(100)는 유체 통로로서 제공되는 간극을 사이에 두고 배열된 제1기판(110)과 제2기판(도시 생략)을 포함한다. 제1기판(110)은 충전물 유체 내에 현탁되어 자기 반응성 비즈(116)를 포함하는 슬러그 형상 액적(114)에 대해 액적 작업을 수행하도록 구성된 한 세트의 액적 작업 전극(112)을 포함한다. 자석(118)은 자기 반응성 비즈(116)의 어느 정도의 고정화를 허용하도록 액적 작업 전극(112)에 충분히 근접해서 배열될 수 있다.
도 1A 및 도 1B는 자석(118)에 의해 액적 작동기(100) 내에 생성된 자계의 존재 시 일어나는 분할 작업을 나타내고 있다. 자석(118)의 배치는 분할 작업 후 비즈를 유지하도록 선택된 액적(114)의 부분 내에 중앙 집중된 위치에(예를 들어, 액적의 에지로부터 떨어져서) 자기 반응성 비즈(116)를 실질적으로 모두 편재화시키는 데 적합하지 않다. 따라서, 소정량의 자기 반응성 비즈(116)는, 도 1A에 나타낸 바와 같이, 액적 분할 작업 동안 분할 영역(120)의 가교역할을 하여, 도 1B에 나타낸 바와 같이, 비즈의 손실을 초래한다. 도 1B는 원래 양의 자기 반응성 비즈(116) 중 소정량을 함유하는 제1액적(122)과, 원래 양의 자기 반응성 비즈(116) 중 소정의 나머지량을 함유하는 제2액적(124)을 도시하고 있다. 즉, 예시된 분할 작업의 최종 결과는 자기 반응성 비즈(116)의 손실로 된다. 본 발명자들은, 비즈의 손실에 대한 기여 인자가 자기 반응성 비즈(116)의 전체량이 액적(114) 내의 중앙 집중된 위치에 및/또는 분할 영역(120)으로부터 충분한 거리에서 적절하게 유인(즉, 끌어 당겨짐), 고정화 및 보유되지 않는 점이라는 것을 발견하였다.
8.2 비드 손실을 방지/ 저감하기 위한 자석 배치
본 발명은, 특히, 자석이 비드-함유 액적을 효과적으로 분할하고 자기 반응성 비즈를 세정하기 위하여 배열되어 있는 각종 자석 배치를 지니는 개선된 액적 작동기를 제공하며, 이들은 도 2, 도 3, 도 4, 도 5A 및 도 5B를 참조해서 설명한다. 이들 도면은 비드 손실이 거의 혹은 전혀 없는 액적 작동기 분할 액적과 조합된 자석 배치의 비제한적인 예를 나타내고 있고, 특히, 자기 반응성 비즈를 효과적으로 세정하는 데 유용하다. 1개 이상의 자석은, 자기 반응성 비즈가 액적 내에서, 바람직하게는, 분할 작업 동안 형성되는 목 부분(neck)으로부터 떨어진 중앙 집중된 위치에서 적절하게 끌어 당겨져서 고정화되도록 액적 작동기 상에서 액적 부근에 배열될 수 있다. 이러한 접근법에 있어서, 모든 혹은 실질적으로 모든 자기 반응성 비즈는 액적 분할 작업의 완료시 단일의 액적 내에 유지된다. 마찬가지로, 분할 작업은 비드 손실을 저감시키거나 제거시키는 데 충분한 고정화된 비즈로부터의 거리에 있는 액적 슬러그에서 수행될 수 있다. 이하의 예와 관련해서 설명하는 바와 같이, 1개 이상의 자석이 이 목적을 달성하기 위하여 자기 반응성 비드-함유 액적의 위쪽, 아래쪽 및/또는 옆쪽에 있는 액적 작동기 구조 및 이들의 임의의 조합에 관하여 배열될 수 있다.
8.2.1 분할 영역에 대한 자석의 위치
도 2A 및 도 2B는 각각 액적 작동기(200)의 측면도 및 평면도를 나타내고 있다. 본 실시예에 있어서, 자석은, 액적 분할 작업 동안 비드 손실을 저감하거나 제거하기 위하여, 분할 작업 동안 파괴되는 액적의 부분으로부터 충분히 떨어진 위치, 즉, 분할 영역(224)에 놓여 있다(또는 그 반대로, 즉, 분할 영역은 자석 위치로부터 충분한 거리에 놓여 있다고도 말할 수 있다). 또한, 자석은 비드가 액적의 횡방향 직경(L)(평면도)을 따라서 일반적으로 중앙에 배치되도록 위치결정되어 있다. 액적 작동기(200)는, 단지 하나의 기판이 필요할 경우도 있지만, 액적 작업을 행하기 위한 간극을 제공하도록 서로 분리된 제1기판(210) 및 제2기판(212)을 포함한다. 1세트의 액적 작업 전극(214)은 한쪽 혹은 양쪽의 기판과 관련되어 있고, 하나 이상의 액적 작업을 수행하기 위해 배열되어 있다. 액적 작동기(200)는 액적 분할 작업 동안 자기 반응성 비즈(220)를 실질적으로 고정화하기 위하여 액적(218)/(222)에 충분히 근접하여 배열된 자석(216)을 포함할 수도 있다. 예를 들 어, 자석은 간극에 있어서 액적(218)/(222) 내의 자기 반응성 비즈를 고정화하기 위하여 액적 작동기의 구성 요소로서 및/또는 액적 작동기에 충분히 근접하여 배열될 수 있다. 액적(218)/(222)은 충전물 유체(도시 생략)에 의해 둘러싸여 있을 수 있다. 액적(218)/(222)은 자석(216)에 의해 고정화된 소정량의 자기 반응성 비즈(220)를 포함한다.
자석(216)은, 액적(222)에 대한 액적 분할 작업 동안 비즈(218)의 실질적인 손실을 허용하는 일없이 액적(218)을 형성하는 것인 액적(218)/(222)의 일부의 영역에 비즈(220)를 편재화하기 위하여, 하나 이상의 액적 작업 전극(214)에 대해서 위치결정되어 있다.
작업 시, 분할 작업은, (201)에 나타낸 바와 같이, 조합된 액적(218)/(222)을 형성하기 위하여 전극을 활성화시킨 상태에서(ON) 액적 작동기(200)를 제공함으로써 자성 비즈(220)의 실질적인 손실없이 달성되며, 자석(216)은 액적(222)에 대한 자기 반응성 비즈(220)의 실질적인 손실을 방지하는 액적(218)/(222)의 영역에서 실질적으로 모든 자기 반응성 비즈(220)가 자석(216)에 끌어당겨지는 위치에 배열되어 있다. 자석(216)은 여기에 끌어당겨진 자기 반응성 비즈(220)가 조합된 액적(218)/(222) 내에서 액적 분할 영역(224)으로부터 멀리 횡방향 직경(L)을 따라서 전반적으로 중앙 집중된 위치에서 편재되도록 배열될 수 있다. (202)에 나타낸 바와 같은 액적 분할 작업 동안, 중개 전극은 불활성화되어(OFF), 분할 영역(224)에서 분할을 일으킨다. 실질적으로 모든 자기 반응성 비즈(220)가 액적(218) 내에 보유되고, 액적(222)이 형성되어, (203)에 나타낸 바와 같이, 자기 반응성 비 즈(220)가 실질적으로 없다.
자기 반응성 비즈(220)를 세정하기 위한 과정은, 일 실시예에 있어서, 허용가능한 수준의 세정이 달성될 때까지 액적 융합(세정 액적과 함께), 비드 고정화, 분할, 및 비드 재현탁 작업의 반복을 포함할 수 있다.
8.2.2 비드 기둥을 생성하는 2-자석 배열
도 3 은 액적 작동기(300)의 측면도를 나타낸다. 액적 작동기(300)는, 액적(218)의 위쪽과 아래쪽에 배열된 2개의 자석, 즉, 자석(310a), (310b)을 포함하는 것을 제외하고, 전반적으로 도 2에서 설명된 바와 같이 구성되어 있다. 자석은 액적 작동기(300)와 일체일 수 있고/있거나 제1기판(210) 및 제2기판(212)의 외측에 근접하여 배열될 수 있다. 일반적으로, 자석(310a), (310b)은 대향하는(즉, 반대) 극들이 서로 대면하도록 배열될 수 있다. 일례에 있어서, 자석(310a)의 북극 혹은 양극은, 도 3에 나타낸 바와 같이, 자석(310b)의 남극 혹은 음극과 대면하고 있다.
자석(310a), (310b)은 개별적인 자석일 수 있거나, 또는, 대안적으로는, 자석(310a), (310b)은 단일의 U자 형상, C자 형상 또는 말굽 형상 영구 자석 혹은 전자석의 반대 극일 수도 있다. 이러한 자석(310a), (310b)의 배열에 의해, 자기 반응성 비즈(220)가 기둥 형상 군집체(column-shaped cluster)에 고정화되거나 보유될 수 있다. 자석은 바람직하게는 비드가 보유되어 있는 조합된 액적(도시 생략)의 일부에 분할 영역(224)으로부터 먼 위치에 액적(218) 내에 비즈를 편재화시키도록 배열되어 있다. 또한, 자석은 바람직하게는 조합된 액적(도시 생략) 내에 횡방 향 직경(L)을 따라서 비즈를 중앙에 편재시키도록 정렬되어 있다.
8.2.3 비드를 집중화시키는 다수의 자석쌍
도 4A 및 도 4B 는 액적 작동기(400)의 측면도를 나타내고 있다. 액적 작동기(400)는 액적을 둘러싸고 있는 위치에 배열된 4개의 자석을 포함하는 것을 제외하고, 전반적으로 도 2에서 설명된 액적 작동기(200)처럼 구성되어 있다. 일반적으로, 이 구성은, 양극/음극이 서로 대면하고 있는 다수의 자석쌍이 일반적으로 분할 전에 조합된 액적 내에 비즈(220)를 중앙에 편재되도록 배열된 실시예를 나타내고 있다. 도 4B에 나타낸 바와 같이, 비즈는 수직방향 치수(V) 및 횡방향 치수(L)를 따라서 일반적으로 중앙에 편재되어 있다. 예시된 이 예에 있어서, 액적 작동기(400)는 4개의 자석, 예컨대, 자석(410a), (410b), (410c), (410d)을 포함한다.
자석(410a), (410b)은, 반대 극이 서로 대면하고 있는 상태에서, 액적의 어느 한쪽 상에 등간격으로 이격해서 당해 액적에 밀접하게 배열될 수도 있다. 예를 들어, 자석(410a)의 북극은 자석(410b)의 남극과 대면할 수 있다. 자석(410c), (410d)은, 반대 극이 서로 대면하고 있는 상태에서, 액적의 어느 한쪽 상에 등간격으로 이격해서 당해 액적에 밀접하게 배열될 수도 있다. 예를 들어, 자석(410d)의 북극은 자석(410c)의 남극과 대면할 수 있다. 자석쌍(410a/410b)은 일반적으로 자석쌍(410c/410d)에 대해서 액적 둘레에 직각으로 정렬될 수 있다. 예시된 실시예에 있어서, 자석쌍(410a/410b)은 액적 주위에 수직 배향을 지니고, 자석쌍(410c/410d)은 액적 주위에 수평 배향을 지닌다. 횡방향 치수(L) 및 수직방향 치수(V)를 따라서 비즈의 일반적으로 중앙 편재화를 달성하는 액적 주위의 어떠한 배향도 소정의 중앙 고정화를 달성하는 데 충분할 것이다.
자석(410a), (410b)은, 자석(410a), (410b)의 자계가 액적 작동기(400)의 제1기판(210)과 제2기판(212) 사이의 간극을 통과할 수 있도록, 각각, 제1기판(210) 및 제2기판(212)의 외측에 밀접하게 배열될 수 있다. 자석(410a), (410b)은 반대 극이 서로 대면하도록 배열되어 있다. 일례에 있어서, 자석(410a)의 북극은, 도 4에 나타낸 바와 같이, 자석(410b)의 남극과 대면하고 있다. 마찬가지로, 자석(410c), (410d)은, 자석(410c), (410d)의 자계가 자석(410a), (410b)의 자계에 수직이고 액적 작동기(400)의 간극을 통할 수 있도록, 각각 액적 작동기(400)의 제1측면과 제2측면에 밀접하게 배열되어 있다. 자석(410c), (410d)은 반대 극이 서로 대면하도록 배열되어 있다. 일례에 있어서, 자석(410d)의 북극은, 도 4에 나타낸 바와 같이, 자석(410c)의 남극과 대면하고 있다.
자석(410a), (410b)은 개별적인 자석일 수 있거나, 또는, 대안적으로는, 자석(410a), (410b)은 단일의 U자 형상, C자 형상 또는 말굽 형상 영구 자석 혹은 전자석의 반대 극일 수도 있다. 마찬가지로, 자석(410c), (410d)은 개별적인 자석일 수 있거나, 또는, 대안적으로는, 자석(410c), (410d)은 단일의 U자 형상, C자 형상 또는 말굽 형상 영구 자석 혹은 전자석의 반대 극일 수도 있다. 자석(410a), (410b)의 자계 및 자석(410c), (410d)의 자계는 각각 액적 작동기(400) 내의 유체 경로의 중앙에서 교차하기 때문에, 자기 반응성 비즈(220)는 조합된 액적 내에 중앙 집중화되어 분할 작업 후 액적(218) 내에 보유되는 군집체 내에 자기적으로 고정화되어 보유된다.
8.2.4 실질적으로 비드 손실이 없는 분할 예시
도 5A 및 도 5B 는 각각 액적 분할 작업의 제1상과 제2상 동안 액적 작동기(500)의 제1평면도 및 제2평면도를 나타내고 있다. 액적 작동기(500)는 대안적으로는 액적 작동기(200), (300), (400)의 예의 어느 하나와 같이 구성될 수도 있다. 도 5A 및 도 5B의 액적 작동기(500)는, 자기 반응성 비즈를 세정하는 과정 등과 같이, 단일의 액적 내에 비즈의 실질적으로 완전한 보유를 가져오도록 설계된 분할 작업에 이용하기 위해 적절하게 배열된 자기력을 이용한다.
특히, 도 5A 및 도 5B는, 자기 반응성 비즈가 실질적으로 없는 액적 및 액적(218) 내에 자기 반응성 비즈의 실질적으로 완전한 보유로 되는 분할 작업을 허용하도록, 편재화된 비즈(220)로부터 충분한 거리에서 일어나는 분할 작업을 도시하고 있다. 자석면(510)의 위치는, 액적 내에 중앙 집중된 위치에서, 액적(218) 내에 자기 반응성 비즈(220)의 원하는 보유를 얻는 데 충분한 분할 영역으로부터 소정 거리에서 실질적으로 모든 자기 반응성 비즈(220)를 자기적으로 고정화하도록 적절하게 배열되어 있다. 그 결과, 자기 반응성 비즈(220)가 액적 분할 작업 동안 도 5A에 나타낸 바와 같이 분할 영역(512)의 가교역할을 하는 양은 실질적으로 없고, 비즈의 손실도 실질적으로 일어나지 않는다. 도 5B는 실질적으로 모든 자기 반응성 비즈(220)를 포함하는 액적(218)을 나타낸다. 즉, 자기력의 실질적으로 외부에 일어나는 분할 작업의 최종 결과는, 실질적으로 모든 자기 반응성 비즈(220)가 유체 내의 중앙 집중된 위치에 적절하게 끌어 당겨져서, 고정화되어 보유되기 때문에 자기 반응성 비즈(220)의 손실이 실질적으로 없는 것이다.
8.3 자석을 구비한 액적 작동기 구성
8.3.1 자기 차폐부를 갖춘 액적 작동기
도 6 은 자계의 교차를 저감시키기 위한 자기 차폐부를 포함하는 액적 작동기(600)의 측면도를 나타내고 있다. 액적 작동기(600)는 상부 판(610)과 하부 판(614)을 포함하며 이들 판은 간극(618)을 사이에 두고 배치되어 있다. 전극(622), 예컨대, 전기습윤 전극(electrowetting electrode)의 배열은 소정량의 유체(634)를 수용하는 유체 저장소(630)와 관련된 저장소 전극(626)과 같은 전극, 및 액적 작업을 수행하기 위한 하부 판(614)과 관련될 수 있다. 1개 이상의 액적(도시 생략)은 전극(622)을 따른 조작을 위한 저장소(630)의 유체(634)의 양으로부터 분배될 수 있다. 또한, 유체(634) 및 그로부터 분배된 임의의 액적은, 경우에 따라, 자기적으로 반응할 수도 있는 비즈(도시 생략)를 임의선택적으로 포함할 수도 있다.
액적 작동기(600)는 1개 이상의 전극(622) 부근에 배열된 자석(638)을 추가로 포함한다. 자석(638)은, 예컨대, 전극 위에 위치결정된 액적 내에 자기 반응성 비즈(도시 생략)의 고정화를 허용하기 위하여 전극(622)에 충분히 근접하여 배열될 수 있다. 일례에 있어서, 자석(638)의 목적은 자기 반응성 비즈를 액적 분할 작업 동안, 예컨대, 자기 반응성 비즈를 세정하기 위한 과정에서 수행될 수 있는 분할 작업 동안, 자기적으로 고정하여 보유하기 위함이다.
또한, 액적 작동기(600)는 바로 이웃하는 자계, 예컨대, 자석(638)의 자계로부터 그의 내용물을 차폐하기 위하여 유체 저장소(630)에 대해 충분히 근접하여 배 열된 자기 차폐부(642)를 포함한다. 자기 차폐부(642)는, 예를 들어, 충분히 높은 투자율(magnetic permeability)을 지니며 유체 저장소(630) 내에 자석으로부터 바람직하지 않은 자계를 저감, 바람직하게는 실질적으로 제거하는 데 적합한 Mu-금속으로 형성될 수 있다. 일례에 있어서, 자기 차폐부(642)는 McMaster-Carr(일리노이주의 엘름허스트시에 소재함)에 의해 공급된 Mu-금속으로 형성될 수 있다. 자기 차폐부(642) 재료의 다른 예로는 퍼말로이, 철, 강철 및 니켈을 들 수 있다.
액적 작동기(600)는 하나의 자기 차폐부와 하나의 자석만으로 한정되지 않고, 임의의 개수의 자기 차폐부 및 자석이 내부에 설치될 수 있다. 따라서, 1개 이상의 자기 차폐부를 이용함으로써, 자계에 대한 액적 내의 자성 비즈(도시 생략)의 노출은 액적 작동기(600)의 원하는 영역만으로 제한될 수 있다. 자기 차폐부는 액적 작동기의 임의의 표면 상에, 그리고, 적절한 차폐를 용이하게 해주는 임의의 배열 내에 포함될 수 있다.
하나의 적용예에 있어서, 액적 작동기는 다수의 분석시험을 병렬로 수행하는 데 이용될 수 있고, 결과적으로, 전극의 다수의 레인(lane) 내에 조정될 수 있는 각종 자성 비즈의 전반적인 동시 세정을 위한 필요성이 있을 수 있다. 자기 차폐부 없이, 관련된 자석을 이용하여 소정의 장소에서 수행되는 세정 작업 혹은 분석시험은 멀리 떨어진 자석의 자계(즉, 자계의 교차)에 의해 영향받을 수도 있다. 이에 대해서, 임의의 두 자석 간의 자계의 교차는, 액적 작동기 내에 1개 이상의 자기 차폐부, 예컨대 자기 차폐부(642) 등의 전략적인 배치를 통해, 저감될 수 있고, 바람직하게는 실질적으로 제거될 수 있다.
8.3.2 교호 자석 배치를 지닌 액적 작동기
도 7 은 자계의 교차를 저감시키기 위해 극이 반대로 배열되어 있는 자석을 포함하는 액적 작동기(700)의 평면도를 나타내고 있다. 액적 작동기(700)는 1개 이상의 액적(도시 생략)에 대해 액적 작업을 수행하기 위한 전극(710), 예컨대, 전기습윤 전극의 배열을 포함한다. 또한, 자석(714)은 전극(710)의 제1레인에 밀접하게 배열되고, 자석(718)은 전극(710)의 제2레인에 밀접하게 배열되며, 자석(722)은 전극(710)의 제3레인에 밀접하게 배열되고, 자석(726)은 전극(710)의 제4레인에 밀접하게 배열된다. 자석(714), (718), (722) 및 (726)은 1개 이상의 전극에 위치된 1개 이상의 액적(도시 생략) 내에 자기 반응성 비즈(도시 생략)의 고정화를 허용하기 위하여, 전극(710)에 충분히 근접하여 배열될 수 있다.
인접하는 자석 간의 자계의 교차를 저감, 바람직하게는 실질적으로 제거하기 위해서, 인접하는 자석의 극은 반대로 배열되고, 이것에 의해, 인접하는 자계가 상쇄되게 된다. 예를 들어 도 7을 재차 참조하면, 자석(722)의 북극은 위쪽으로 배향되고, 자석(726)의 남극은 위쪽으로 배향된다. 이와 같이 해서, 자계는 상쇄되고, 자석(714), (718), (722) 및 (726 ) 간의 자계의 교차는 저감, 바람직하게는 실질적으로 제거될 수 있다.
도 8 은 도 7에 도시된 것과 같은 관계로 배열된 자계의 맵(800)을 나타내고 있다.
8.4 기타 기술
본 발명은 또한 검출 작업을 향상시키기 위한 기술뿐만 아니라 액적 작동기 내에서 잔효를 저감하기 위한 기술도 제공한다.
8.4.1 액적 작동기 내의 잔효를 저감시키는 기술
도 9 는 액적 검출 영역에서 잔효를 저감하기 위한 작업이 수행될 수 있는 액적 작동기(900)의 평면도를 나타내고 있다. 액적 작동기(900)는 액적에 액적 작업을 수행하기 위한 전극(910), 예컨대, 전기습윤 전극의 배열을 포함한다. 또한, 액적 작동기(900)는 예를 들어, 소정의 전극(910)에서 지정된 검출 영역(914)을 포함한다. 검출 영역(914)은 액적 작업 동안 그 위에 위치되거나 그곳을 통과하는 액적을 검출하는 데 이용된다. 일례에 있어서, 액적 검출은 검출 영역(914)과 관련된 PMT(photomultiplier tube) 또는 광자-계수(photon-counting) PMT를 이용해서 수행된다. PMT(도시 생략)는 검출 영역(914)과 관련된 전극에 있을 때 액적으로부터 (예컨대, 형광 및/또는 화학발광으로 인해) 방출되는 광을 측정(즉, 광자를 검출)하는 데 이용된다.
몇몇 경우에 있어서, 검출 영역, 예컨대, 검출 영역(914)에서 물질의 축적은 잔효로 인해 일어날 수 있고, 이 잔효는 액적 작업 동안 충전물 유체 내에 및/또는 표면 상에 남겨지는 비즈 혹은 기타 물질을 포함한다. 잔효는 후속의 액적으로부터 신호의 정확한 검출을 방해하고/하거나 영향받은 전극에 의한 액적 작업을 방해할 수 있다.
도 9를 재차 참조하면, 본 발명의 액적 시퀀싱 작업(sequencing operation)은 일련의 교대로 배치된 분석시험 액적(918)과 세정 액적(922)을 제공함으로써 검출 영역(914)에서 잔효를 저감, 바람직하게는 실질적으로 제거한다. 일례에 있어 서, 분석시험 액적(918a)은 검출 영역(914)을 통과하고, 이어서 세정 액적(922a)이, 그 후, 분석시험 액적(918b)이, 이어서 세정 액적(922b)이, 그 후에 분석시험 액적(918c)이, 이어서 세정 액적(922c)이, 그 후에 분석시험 액적(918d)이, 이어서, 세정 액적(922d)이 통과한다. 분석시험 액적(918a), (918b), (918c), (918d)이 교차에 의해 검출 영역(914)의 기능을 열화시키는 잠재력을 지님에 따라, 세정 액적(922a), (922b), (922c), (922d)은 검출 영역(914)과 관련된 표면의 청소 작업을 수행한다. 본 발명의 청소 과정은 도 9에 도시된 순서로 제한되지 않는다. 검출 영역을 적절하게 청소하기 위하여, 그 수순이 적절한 수의 세정 액적을 포함하는 한 어떠한 수순도 가능하다. 예를 들어, 특정 분석시험의 요건에 따라, 다수의 세정 액적이 분석시험 액적 사이에 제공될 수 있고/있거나 다수의 분석시험 액적이 세정 액적 사이에 제공될 수 있으며, 그 예로는 AAWAAWAAW, AAAWAAAWAAAW, AWWAWWAWW, AWWWAWWWAWWW, AAWWAAWWAAWW, AAAWWWAAAWWWAAAWWW 등을 들 수 있고, 여기서, A = 분석시험 액적이고, W = 세정 액적이다. 단, 분석시험 액적과 세정 액적을 동일 크기로 할 필요는 없다. 분석시험 액적이 보다 클 수 있거나, 혹은 세정 액적이 보다 클 수 있다. 보다 큰 액적이 슬러그(예컨대, 4개의 전극을 점유하는 슬러그)로서 혹은 단일의 큰 액적(예컨대, 슬러그로 형성되는 일없이 당연히 커버되는 전극의 수의 4배를 점유하는 액적)으로서 액적 작업을 받을 수 있다. 각 배열은 상이한 청소 결과를 가져올 수 있다. 또한, 분석시험 액적과 세정 액적은 동일한 경로를 따를 필요는 없다. 예를 들어, 그들의 경로는 청소할 필요가 있는 장소에서 교차될 수도 있다.
도 10A 및 도 10B 는 잔효를 저감시키는 다른 작업이 수행될 수 있는 액적 작동기(1000)의 평면도를 나타내고 있다. 액적 작동기(1000)는 1개 이상의 액적, 예컨대, 분석시험 액적(1014), (1018)(도 10A) 및 세정 액적(1022)(도 10B)에 대해 액적 작업을 수행하기 위한 전극(1010), 예컨대, 전기습윤 전극의 배열을 포함한다. 또한, 자석(1026)은 소정의 전극(1010)에 밀접하게 배열되어 있다. 자석(1026)은 분석시험 액적(1014) 내에 1개 이상의 액적 내의 자성 반응성 비즈, 예를 들어, 자성 비즈(1030)의 고정화를 허용하기 위하여, 소정의 전극(1010)에 충분히 근접하여 배열될 수 있다.
예를 들어, 액적 분할 작업 동안, 소정량의 "위성"(satellite) 액적이 분할이 일어나는 지점에서 남겨질 수 있다. 예를 들어, 도 10A를 참조하면, 분석시험 액적(1018)으로부터의 분할에 의해 형성되는 액적 분할 작업에 의해, 소정의 전극(1010) 상에 소정량의 위성 액적(1034)이 남겨질 수 있게 된다. 위성 액적(1034) 등과 같은 위성 액적은 하나의 액적으로부터 다른 액적으로의 잔효(교차 오염)의 공급원일 수 있으며, 이것은 바람직스럽지 않다. 도 10B는 세정 액적(1022) 등과 같은 세정 액적이, 다음의 분석시험 작업이 일어나기 전에 위성 액적(1034)을 포획하여 이들을 멀리 이송하기 위하여, 예를 들어, 분석시험 액적(1018), (1014)의 분석시험 작업에 이어서 전극(1010)을 따라서 이송될 수 있는 것을 예시하고 있다. 이와 같이 해서, 전극(1010)은 분석시험 작업 사이에 청소된다. 본 발명의 청소 과정은 도 10A 및 도 10B에 도시된 수순으로 제한되지 않는다. 전극을 적절하게 청소하기 위하여, 그 수순이 적절한 수의 세정 액적을 포함 하는 한 어떠한 수순도 가능하다.
8.4.2 액적 작동기 내에서의 검출 작업의 개선
도 11A, 도 11B 및 도 11C 는 액적 검출의 감도를 향상시키기 위한 각각의 작업이 수행될 수 있는 액적 작동기(1100)의 측면도를 나타내고 있다. 액적 작동기(1100)는 상부 판(1110)과 하부 판(1114)을 포함하며, 이들 판 사이에는 간극(1118)이 배열되어 있다. 전극(1122), 예컨대, 전기습윤 전극의 배열은, 액적(1126)에 대한 액적 작업을 수행하기 위한 하부 판(1114)과 관련되어 있을 수 있다. PMT 창(1130)은 상부 판(1110)과 관련되어 있을 수 있고, 이것에 의해 PMT(도시 생략)는 액적(1126)으로부터 방출되는 광을 측정(즉, 광자(1134)를 검출)하는 데 이용된다.
도 11A는, PMT 창(1130)에 노출되는 표면적을 증가시키고, 이에 따라 검출될 수 있는 광자(1134)의 수를 증가시키기 위하여, 액적, 예컨대, 액적(1126)을 퍼지게 함으로써 액적 검출의 감도를 향상시키는 방법을 도시하고 있다. 액적은 해당 액적의 용적에 따라 1개 이상의 전극(1122)을 직선적으로 가로질러 퍼질 수 있다. 작은 용적의 액적의 경우, 완충 액적(buffer droplet)에 의한 희석으로 인한 손실이 PMT에 노출된 증가된 액적 면적에 의해 상쇄되는 한, 액적을 보다 커지게 하기 위하여 당해 완충 액적이 첨가될 수 있다. 예를 들어, 도 11B는 다수의 전극(1122)에 걸쳐 연속적으로 퍼지는 액적(1126)을 도시하고 있으며, 이것은 PMT 창(1130)에 도달할 수 있고 PMT에 의해 검출될 수 있는 광자(1134)의 수를 증가시킨다.
도 11C는 액적(1126)이 다수의 전극(1122) 상에 있는 다수의 액적(1126), 예컨대, 액적(1126a), (1126b), (1126c), (1126d)으로 분할되는 시나리오를 도시하고 있다. 재차, PMT 창(1130)에 노출되는 표면적은 증가되고, 이것에 의해 PMT 창(1130)에 도달할 수 있고 PMT에 의해 검출될 수 있는 광자(1134)의 수가 증가한다. 대안적으로 도 11A, 도 11B 및 도 11C를 재차 참조하면, 액적, 예컨대, 액적(1126)의 퍼짐은 직선 확산으로 제한되지 않는다. 액적은, PMT 창(1130)에 노출되는 표면적을 증가시키기 위하여, 그리드 혹은 어레이 혹은 전극(1122)을 거치는 등의 2차원적으로 퍼질 수 있다. 대안적으로는, 1개 이상의 대면적 전극이 제공될 수 있고, 이것을 가로질러 1개 이상의 액적이 퍼질 수도 있다.
도 12 는 액적 검출의 감도를 향상시키기 위한 액적 작동기(1200)의 평면도를 나타내고 있다. 액적 작동기(1200)는 다수의 액적(1214)에 대해 액적 작업을 수행하기 위한 전극(1210), 예컨대, 전기습윤 전극의 배열을 포함한다.
또한, 액적 작동기(1200)는 존재할 경우 소정의 액적(1214)으로부터 방출되는 광을 측정하기 위한 관련된 PMT(도시 생략)를 지닌 액적 검출 영역(1218)을 포함할 수 있다. 멀리 떨어진 액적(1214)으로부터 액적 검출 영역(1218)까지 광의 잔효를 저감, 바람직하게는 실질적으로 제거하기 위해서, 최소 거리(d)는, 도 12에 나타낸 바와 같이, 액적 검출 영역(1218)의 외부 주변과 액적 작동기(1200) 내의 임의의 멀리 떨어진 액적(1214) 간의 모든 방향에서 유지된다. 최소 거리(d)는 멀리 떨어진 액적(1214)으로부터 액적 검출 영역(1218)까지 광의 잔효를 저감, 바람직하게는 실질적으로 제거하는 데 충분히 큰 것이다. 그 결과, 다수의 액적(1214) 을 포함하는 액적 작동기에 있어서, 소정의 간극은 측정 중인 표적 액적(1214)과 멀리 떨어진 액적(1214) 간의 검출 동안 유지되므로, 멀리 떨어진 액적(1214)으로부터 액적 검출 영역(1218)까지의 광의 잔효가 저감, 바람직하게는 실질적으로 제거된다. 구체적인 경우로서, 거리(d)가 단위 전극 크기의 정수배 m이면, 액적 검출은 m 위상 버스로서 전기적으로 접속된 1세트의 전극에 대해 수행될 수 있다. 대안적으로는, 도 13(이하에 설명됨)은 액적 작동기를 지닌 부동산이 제한되고 있고, 따라서, 액적 간의 충분한 간극이 도 12에 기술된 바와 같이 달성될 수 없다는 시나리오를 기술하고 있다.
대안적인 실시예에 있어서, 바로 이웃하는 액적으로부터의 교차는, 센서 상에 응답 신호를 보내고 있는 액적으로부터의 광만을 집광하고 다른 액적으로부터의 신호는 제거하는 광학 소자, 예컨대 1개 이상의 렌즈를 이용해서 제거된다.
도 13 은 액적 검출의 감도를 향상시키기 위한 액적 작동기(1300)의 측면도를 나타내고 있다. 액적 작동기(1300)는 상부판(1310)과 하부 판(1314)을 포함하며, 이들 사이에 간극(1318)이 배열되어 있다. 전극(1322), 예컨대, 전기습윤 전극의 배열은 액적, 예컨대, 액적(1326) 및 액적(1330)에 대해 액적 작업을 수행하기 위한 하부 판(1314)과 관련될 수 있다. PMT 창(1334)은 상부판(1310)과 관련될 수 있고, 이것에 의해 PMT(도시 생략)는, 예컨대, 액적(1326)으로부터 방출되는 광을 측정(예를 들어, 광자(1338)를 검출)하는 데 이용된다. 예를 들어, PMT 창(1334)에 있는 액적(1326)과 멀리 떨어진 액적(1330) 사이의 간극은 액적(1330)으로부터 PMT 창(1334)으로 광의 잔효를 피하는 데 적절하게 충분하지 않기 때문에, 마스 크(1342)가 상부판(1310) 상에 설치되어 있다. 마스크(1342)의 목적은 멀리 떨어진 액적으로부터의 광이 PMT 창(1334)으로 들어가는 것을 차단하는 것이며, 상기 PMT 창은 표적 액적의 검출 영역이다.
마스크(1342)는, 사용되는 재료가 전기습윤 과정과 조화를 이루며 액적 작동기 작업을 과도하게 방해하지 않는 한, 임의의 흡광 재료의 층을 통해서 상부판(1310) 위에 형성될 수 있다. 일례에 있어서, 마스크(1342)는 상부판(1310)에 흑색 도료층을 도포함으로써 형성될 수 있으므로, 예컨대, PMT 창(1334) 등과 같이 1개 이상의 창이 액적 작동기(1300)의 선택된 검출 영역에 제공된다. 도 13에 도시된 예에 있어서, 마스크(1342)는 멀리 떨어진 액적(1330)으로부터 표적 액적(1326)으로 PMT 창(1334)에서 광의 잔효를 저감, 바람직하게는 실질적으로 제거한다. 다른 예에 있어서, 마스크(1342)는 액적과 대면하는 상부판(1310) 측 위에 불투명한 도체에 의해 형성된다. 당해 도체는, 예를 들어, 알루미늄, 크롬, 구리 또는 백금일 수 있다. 상기 도체는 추가로 전기적 기준 전극으로서 역할할 수도 있다.
8.5 자석 조립체를 구비한 액적 작동기
도 14A 및 도 14B 는 각각 액적 작동기에 대해서 자석 조립체를 배향시키기 위한 범용 조립체의 비제한적인 일례인 모듈방식 액적 작동기 조립체(1400)의 평면도를 나타내고 있다. 모듈방식 액적 작동기 조립체(1400)는, 예를 들어, 장착대(1410), 자석 조립체(1420) 및 액적 작동기(1430)를 포함할 수 있다. 도 14A는 분해되었을 경우의 모듈방식 액적 작동기 조립체(1400)를 도시하고 있다. 도 14B 는 조립되었을 경우의 모듈방식 액적 작동기 조립체(1400)를 도시하고 있다.
자석 조립체(1420)는, 도 14A에 나타낸 바와 같이, 1개 이상의 자석(1428)이 장착되는 기판(1424)을 포함할 수 있다. 자석(1428)은 기판(1424)에 영구적으로 부착될 수 있거나, 혹은 제거가능할 수도 있다. 제거가능한 자석(1428)은 예컨대 소정의 자석 강도 등과 같이 소정의 특성을 지닌 자석의 사용자에 의한 선택을 용이하게 한다. 일 실시예에 있어서, 액적 작동기 기구에는 자석 없이 자석 조립체(1420)와 장착대(1410)를 포함하는 액적 작동기 조립체(1400)가 설치되어 있다. 다른 실시예에 있어서, 사용자는 자석 조립체(1420)에 당해 사용자에 의해 부착될 수 있는 특수화된 성질을 지닌 자석을 공급한다. 다른 실시예에 있어서, 사용자는 또한, 당해 사용자가 소정의 특성을 지닌 1개 이상의 자석의 세트를 선택하고 당해 선택된 세트를 자석 조립체(1420)에 부착시킬 수 있도록 각종 특수화된 특성을 지닌 자석 세트를 공급한다.
자석은 적절한 성질을 지닌 자석의 선택을 용이하게 하도록 마킹(marking)되거나 코드부착(혹은 코드화)(coded)(예컨대, 컬러 코드부착)될 수 있을 뿐만 아니라, 자석의 자계의 배향이 보이도록 (예컨대, 컬러 코드부착하거나 혹은 자석의 북쪽면과 남쪽면에 마킹함으로써) 마킹되어 있을 수 있다. 마찬가지로, 자석 조립체(1420)는 내부에 삽입된 자석의 바람직한 배향이 보이도록 마킹되어 있을 수 있고, 몇몇 실시형태에 있어서, 자석은 적절한 배향으로만 자석 조립체(1420)에 부착되도록 형상화되어 있을 수도 있다.
또한, 다른 실시예에 있어서, 사용자에게는 이미 자석이 부착되어 있는 자석 조립체(1420)가 제공될 수 있고, 이때 자석 조립체(1420)는 각각 상이한 자석 배치, 예컨대, 상이한 성질을 지닌 자석 세트를 지닌다. 사용자는 기구를 위한 사용자의 바람직한 이용에 적합한 성질을 지닌 자석을 구비한 자석 배치를 선택할 수 있다. 자석 조립체(1420)는 사용자에 의한 선택을 용이하게 하도록 마킹되거나 혹은 다르게는 컬러 코드부착되어 있을 수 있다. 자석 성질은, 예를 들어, 사용자에 의해 선택된 비즈의 특성에 의거해서 선택될 수 있다.
액적 작동기(1430)는 상부에 전극(1438), 예컨대, 도 14A에 나타낸 바와 같이, 전기습윤 전극의 배열이 되어 있는 기판(1434)을 포함할 수 있다. 제2(상부) 기판(도시 생략)도 포함되어 있을 수 있다.
자석 조립체(1420)는 자석(1428)이 액적 작동기(1430)와 관련된 소정의 전극(1438)과 실질적으로 정렬되도록 설계되어 있다. 예를 들어, 몇몇 실시형태에 있어서, 자석의 병렬 배치는 액적 작동기(1430)에 대한 병렬 분석시험 단계를 수행하기 위해 고려될 수 있다. 자석은, 예를 들어, 본 명세서에 기재된 각종 배치 및 배향에 따라 구성 및 배향될 수 있다.
장착대(1410)는 자석 조립체(1420) 등과 같은 자석 조립체 및 액적 작동기(1430) 등과 같은 액적 작동기를 장착하기 위한 범용 플랫폼으로서 역할할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 장착대(1410)는 각종 광범위한 자석 조립체(1420) 및 각종 광범위한 액적 작동기(1430)를 수용하도록 구성되어 있다. 자석 조립체(1420)는 각종 자석 성질 중 어느 하나를 이용해서 각종 패턴의 어느 하나로 배열된 1개 이상의 자석을 포함할 수 있다. 도 14는 줄지어 있는 자석을 예시하고 있지만, 자 석은 액적 작동기 상에서의 소정의 작업을 용이하게 하기 위하여 액적 작동기(1430)에 관한 그들의 적절한 위치에 자석을 배치하는 임의의 배열 혹은 그리드로 제공될 수도 있다.
일례에 있어서, 자석 조립체(1420) 및 액적 작동기(1430)는 각각의 끼워맞춤부(fittings)(1418), (1414)를 통해서 장착대(1410) 내에 설치될 수 있다. 끼워맞춤부는, 예를 들어, 장착대(1410)가 끼워맞춤될 수 있는 슬롯, 자석 조립체(1420) 상에 있는 기둥부를 수용하기 위하여 장착대(1410) 상에 있는 개구부 혹은 그 반대, 자석 조립체(1420) 상에 있는 나사를 수용하기 위하여 장착대(1410) 상에 있는 개구부, 볼트를 수용하기 위한 나선형성된 기둥부, 각종 스프링 장입된 기구, 오목한 트레이, 상보성 끼워맞춤부 등을 포함할 수 있다. 장치가 그의 의도된 목적을 위해 기능할 수 있도록 충분히 확고한 부착을 용이하게 하는 기구라면 어떠한 것이라도 충분하다.
또한, 장착대(1410)는 단일의 장착대(1410)에 있어서 자석 조립체(1420) 및/또는 액적 작동기(1430)의 다수의 가능한 위치를 위한, 및/또는 다수의 자석 조립체(1420) 및/또는 다수의 액적 작동기(1430)를 장착하기 위한 다수의 끼워맞춤부를 포함할 수 있다. 또, 장착대(1410)는, 액적 작동기(1430)의 위쪽, 아래쪽 및/또는 옆에, 예컨대, 액적 작동기와 임의의 관계로 자석 조립체(1420)가 장착될 수 있도록 구성되어 있을 수 있다. 모듈방식 장착대(1410)에 액적 작동기(1430)를 설치한 상태에서, 자석 조립체(1420) 등과 같은 관련된 임의의 자석 조립체는, 예를 들어, 슬롯을 통해 모듈방식 액적 작동기 조립체(1400)에 삽입될 수 있다.
도 15 는, 장착대(1410)가 장착대(1510)로 교체된 것을 제외하고, 도 14에 도시된 조립체(1400)와 유사한, 액적 작동기에 대해서 자석 조립체를 배향시키기 위한 범용 조립체의 다른 비제한적인 예인 모듈방식 액적 작동기 조립체(1500)의 측면도를 나타내고 있다. 장착대(1510)는 자석 조립체(1420)와 액적 작동기(1430)가 반입의 "드랍 인"(drop in) 방법을 제공하기 위하여 끼워맞춤될 수 있다.
도 14A, 도 14B 및 도 15를 참조하면, 본 발명의 일 측면은, 슬롯 혹은 기타 부착 수단이, 자석 조립체 상에 있는 자석을 액적 작동기 상에 있는 적절한 전극 혹은 전극 경로와 정렬시키기 위하여, 자석 기판 및 액적 작동기를 배향시키는 역할을 하는 것이다. 이와 같이 해서, 자석은 분석시험에 필요하지 않을 경우 제거될 수 있다. 또한, 상이한 분포의 자석을 지닌 상이한 자석 장착대가 상이한 유형의 분석시험 혹은 상이한 액적 작동기 레이아웃을 위해 제공될 수 있다.
8.6 자석
이미 설명한 다른 측면에 부가해서, 본 발명에 이용하기 위해 선택된 자석은 영구자석 혹은 전자석일 수 있다는 것을 이해할 필요가 있다. 액적 내의 비즈의 자기 반응성 범위와 자기 강도/인력 간에 소정의 관계가 있을 수 있다. 따라서, 자석의 자기 강도/인력은 다음과 같은 자성 비즈의 반응성에 대해서 선택될 수 있다:
· 자기 반응성 비즈를 실질적으로 고정화시키기 위하여 비즈의 자기 반응성에 대해서 충분히 강함;
· 비즈를 유의하게 자화시키고, 따라서 비즈의 군집의 비가역적인 형성을 일으키는 비즈의 자기 반응성에 대해서 그만큼 강하지 않음;
· 자계가 제거된 경우 재현탁이 불충분하게 일어나는 비즈의 자기 반응성에 대해서 그만큼 강하지 않음; 및/또는
· 비즈가 전적으로 액적으로부터 당겨지는 비즈의 자기 반응성에 대해서 그만큼 강하지 않음.
몇몇 실시형태에 있어서, 자석은 인력(파운드 단위)이 적을수록 높은 자기 강도(테슬러 단위)를 지닐 수 있다. 일례에 있어서, 자석은 약 1 테슬러(T)의 표면 자계 강도를 지니는 네오디뮴 영구 자석이다. 다른 예에 있어서, 자석은 약 1 T의 표면 자계강도를 지니는 전자석이며, 이것은 전기적으로 온/오프 전환될 수 있다. 영구 자석이 이용되는 경우, 자석은 자계의 영향을 제거하는 것이 바람직한 용도를 위해 자기 반응성 비드-함유 액적으로부터 제거될 수 있다. 이하의 범위로 제한되는 것은 아니지만, 본 발명의 유용한 강도를 전반적으로 포괄하는 자기 강도의 범위는 0.01 T 내지 100 T(펄스화) 또는 45 T(연속)의 넓은 범위; 0.01 T 내지 10 T의 중간 범위; 및 0.1 T 내지 1 T(바람직하게는 0.5 T)의 좁은 범위를 포함할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
8.7 액적 조성
자성 비즈를 포함하고 액적 분할 작업이 실시되는 액적은 비즈를 이용해서 분석시험을 수행하는 데 유용한 각종 광범위한 샘플, 시약 및 완충제의 어느 것이라도 포함할 수 있다. 예를 들어, 세정 동안, 액적은 완충제, 예컨대, 자성을 토대로 한 면역분석시험에 이용하는 데 적합한 계면활성제를 지닌 인산염-완충 식염 수(PBS) 완충제를 포함할 수 있다. 바람직한 계면활성제는 자기력에 의한 고정화 후의 비즈의 고정화 및/또는 재현탁을 용이하게 하는 것들이다. 계면활성제 및 계면활성제의 양은 계면활성제가 결여된 대조용액에 비해서 재현탁 시 실제적인 향상을 제공하도록 조정될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 액적은 약 0.01% 트윈 20을 지닌 PBS 완충제를 포함한다.
친수성 폴리머 및/또는 계면활성제는 분할 작업 동안 자기 반응성 비즈의 보유 및 재현탁을 용이하게 하기 위하여 액적 중에 포함되어 있을 수 있다. 액적은 충전물 유체와 혼화되지 않는 각종 다양한 액체를 포함할 수 있다. 완충제의 예로는 인산염-완충 식염수(PBS) 완충제 및 트리스(Tris) 완충 식염수를 들 수 있지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. 일 실시예에 있어서, 액적 유체는 PBS 완충제 등의 완충제, 및 자성을 토대로 한 면역분석시험에 이용하는 데 적합한 소정의 계면활성제를 포함한다.
바람직한 친수성 폴리머 및 계면활성제는 자기력에 의한 고정화 후의 비즈의 재현탁을 용이하게 하는 것들이다. 계면활성제 및 계면활성제의 양은 계면활성제가 결여된 대조용액에 비해서 재현탁 시 실제적인 향상을 제공하도록 조정될 수 있다. 자성을 토대로 한 면역분석시험에 이용하기에 적합한 계면활성제는, 트윈(Tween)(등록상표) 20으로서 상업적으로 공지된 폴리소르베이트(polysorbate) 20, 및 트리톤(Triton)(등록상표) X-100를 들 수 있지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. 트윈(등록상표) 20은, 예를 들어, 피어스 바이오테크놀로지사(Pierce Biotechnology, Inc.)(메사추세츠주의 워번시에 소재)에 의해 공급될 수 있다. 트 리톤(등록상표) X-100은, 예를 들어, 롬 앤 하스사(Rohm & Haas Co.)(펜실베니아주의 필라델피아시에 소재)에 의해 공급될 수 있다. 일례에 있어서, 액적 작동기 내의 액적 유체는 약 0.001% 내지 약 0.1%의 범위의 트윈 20과 PBS의 믹스이다. 다른 예에 있어서, 액적 작동기 내의 액적 유체는 0.01% 트윈(등록상표) 20을 지닌 PBS의 믹스이다.
기타 예로는 플루로닉 계면활성제, 폴리에틸렌 글라이콜(PEG), 메톡시폴리에틸렌 글라이콜(MPEG), 폴리-소르베이트(폴리옥시에틸렌 소르비탄 모노올레에이트 또는 트윈(등록상표)), 폴리옥시에틸렌 옥틸 페닐 에터(트리톤 X-100(등록상표)), 폴리비닐 피롤리돈, 폴리아크릴산(및 카보머 등의 가교 폴리아크릴산), 폴리글라이코사이드류(옥틸 글루코피라노사이드 등의 비이온성 글라이코사이드 계면활성제) 및 가용성 다당류(및 그의 유도체), 예컨대, 헤파린, 덱스트란, 메틸 셀룰로스, 프로필 메틸 셀룰로스(및 기타 셀룰로스 에스터류 및 에터류), 덱스트린류, 말토덱스트린류, 갈락토만난류, 아라비노갈락탄류, 베타 글루칸류, 알긴산염류, 한천, 카라게닌, 및 식물성 검류, 예컨대, 잔탄 검, 금불초, 구아 검, 트래거캔스 검, 카라야 검, 가티 검 및 아카시아 검 등을 들 수 있다. 특별한 첨가제가 특정 미세 유체 샘플과 최대의 상용성을 위해 선택될 수 있다.
8.8 액적 작동기
본 발명에 이용하는 데 적합한 액적 작동기 구성의 예는 미국 특허 제6,911,132호(공고일: 2005년 6월 28일, 발명자: Pamula et al., 발명의 명칭: "Apparatus for Manipulating Droplets by Electrowetting-Based Techniques"; 미 국 특허 출원 제11/343,284호(출원일: 2006년 1월 30일, 발명의 명칭: "Apparatuses and Methods for Manipulating Droplets on a Printed Circuit Board"); 미국 특허 제6,773,566호(공고일: 2004년 8월 10일, 발명자: Shenderov et al., 발명의 명칭: "Electrostatic Actuators for Microfluidics and Methods for Using Same"), 미국 특허 제6,565,727호(공고일: 2000년 1월 24일, 발명자: Shenderov et al., 발명의 명칭: "Actuators for Microfluidics Without Moving Parts"); 및 국제 특허 출원 제PCT/US 06/47486호(출원일: 2006년 12월 11일, 발명자: Pollack et al., 발명의 명칭: "Droplet-Based Biochemistry")를 참조할 수 있고, 이들 개시 내용은 참조로 본원에 병합된다. 자성 비즈 및/또 비자성 비즈를 고정화하기 위한 액적 작동기 기술은, 전술한 국제 특허 출원과, 미국 특허 출원 제60/900,653호(출원일: 2007년 2월 9일, 발명자: Sista, et al., 발명의 명칭: "Immobilization of magnetically-responsive beads during droplet operations"); 미국 특허 출원 제60/969,736호(출원일: 2007년 9월 4일, 발명자: Sista et al., 발명의 명칭: "Droplet actuator Assay Improvements"); 및 미국 특허 출원 제60/957,717호(출원일: 2007년 8월 24일, 발명자: Allen et al., 발명의 명칭: "Bead washing using physical barriers")를 참조할 수 있고, 이들 문헌의 전체 개시 내용은 참조로 본원에 병합된다. 이들 각종 기술의 조합도 본 발명의 범위 내이다.
8.9 유체
본 발명의 액적 작업이 수행될 수 있는 유체의 예는 상기 8.8 부문에 열거된 특허, 특히, 국제 특허 출원 제PCT/US 06/47486호(출원일: 2006년 12월 11일, 발명의 명칭: "Droplet-Based Biochemistry")를 참조하면 된다. 몇몇 실시형태에 있어서, 액적은 샘플 유체, 예컨대, 생물학적 샘플, 예컨대, 전혈(whole blood), 림프 유체, 혈청, 혈장, 땀, 눈물, 타액, 가래, 뇌척수액, 약막액, 정액, 질 분비액, 장액(serous fluid), 윤활액, 심장막액, 복수(peritoneal fluid), 흉수, 누출액, 삼출액, 낭액(cystic fluid), 담즙, 소변, 위액, 장관액(intestinal), 배설물 샘플, 유체화된 조직, 유체화된 유기체, 생물학적 약솜 및 생물학적 세정액이다. 몇몇 실시형태에 있어서, 반입되는 유체로는 물, 탈이온수, 식염 용액, 산성 용액, 염기성 용액, 세제 용액 및/또는 완충제 등의 시약을 포함한다. 몇몇 실시형태에 있어서, 반입되는 유체는 시약, 예컨대, 생화학 프로토콜용의 시약, 예컨대, 핵산 증폭 프로토콜, 친화도(affinity)-기반 분석시험 프로토콜, 시퀀싱(서열결정) 프로토콜, 및/또는 생물학적 유체의 분석을 위한 프로토콜을 포함한다.
8.10 충전물 유체
주지된 바와 같이, 상기 간극은 전형적으로 충전물 유체로 충전된다. 충전물 유체는, 예를 들어, 실리콘 오일 등의 저점도 오일일 수 있다. 충전물 유체의 기타 예는 국제 특허 출원 제PCT/US 06/47486호(출원일: 2006년 12월 11일, 발명의 명칭: "Droplet-Based Biochemistry")에서 제공된다.
8.11 세정 자기 반응성 비즈
비즈를 이용하는 프로토콜에 대해서, 비즈를 지닌 액적은 1개 이상의 세정 액적으로 액적 작업을 이용해서 배합될 수 있다. 다음에, 본 발명의 자석 배치를 이용하는 비즈를 유지하는 동안(예컨대, 물리적으로 혹은 자기적으로), 융합된 액적은 2개 이상의 액적, 즉, 비즈를 지닌 1개 이상의 액적과 실질적인 양의 비즈가 없는 1개 이상의 액적으로 액적 작업을 이용해서 분할될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 융합된 액적은 비즈를 지닌 하나의 액적과 실질적인 양의 비즈가 없는 하나의 액적으로 액적 작업을 이용해서 분할된다.
일반적으로, 세정 프로토콜의 각 수행은 분석시험의 결과에 과도하게 유해한 효과없이 의도된 분석시험을 수행하기 위한 충분한 비즈의 보유를 초래한다. 소정의 실시예에 있어서, 융합된 액적의 각 분할은 비즈의 90, 95, 97, 98, 99, 99.1, 99.2, 99.3, 99.4, 99.5, 99.6, 99.7, 99.8, 99.9, 99.99, 99.999, 99.9999, 99.99999 또는 99.999999% 이상의 보유를 가져온다. 다른 실시예에 있어서, 제거된 물질의 농도 및/또는 양의 소정의 저감을 달성하기 위한 세정 프로토콜의 각 수행은 비즈의 99, 99.1, 99.2, 99.3, 99.4, 99.5, 99.6, 99.7, 99.8, 99.9, 99.99, 99.999, 99.9999, 99.99999 또는 99.999999% 이상의 보유를 가져온다. 또 다른 실시예에 있어서, 보유된 비즈의 양은 계산되고, 따라서, 그 결과는 조정된다.
몇몇 실시형태에 있어서, 비즈는 비드-함유 액적 및 세정 액적이 조합되는 저장소에서 세정될 수 있고, 비즈는 보유되며(예를 들어, 자석에 의해, 물리적 구조에 의해, 정전력에 의해), 및 비즈가 결여된 액적은 액적 작업을 이용해서 저장소로부터 분배된다. 예를 들어, 비즈는 희석-및-분배 전략에 의해 세정될 수 있고, 이에 따라, 세정 완충제가 저장소에 첨가되어 내용물을 희석시키고, 자기 반응성 비즈는 자석을 지닌 저장소 내에 편재되며, 대부분의 용액은 저장소로부터 분배 되고, 이 사이클은 허용가능한 수준의 세정이 달성될 때까지 반복된다.
일례로서, 세정 자기 반응성 비즈는 일반적으로 이하의 단계를 포함할 수 있다:
(1) 자석 부근에 자기 반응성 비즈와 미결합(unbound) 물질을 포함하는 액적을 제공하는 단계;
(2) 상기 자기 반응성 비즈를 포함하는 액적과 세정 액적을 조합시키는 액적 작업을 이용하는 단계;
(3) 자계의 인가에 의해 상기 비즈를 고정화시키는 단계;
(4) 저감된 농도의 미결합 구성 요소를 지닌 비즈를 포함하는 액적과 미결합 구성 요소를 포함하는 액적을 얻기 위하여, 상기 비즈를 둘러싸고 있는 액적의 일부 혹은 전부를 제거하는 액적 작업을 이용하는 단계;
(5) 자계를 제거하여 상기 비즈를 해방시키는 단계; 및
(6) 미리 결정된 정제도가 얻어질 때까지 상기 단계 (2) 내지 (3) 또는 단계 (2) 내지 (4)를 반복하여 실시하는 단계.
이와 같이 해서, 미결합 물질, 예컨대, 오염물, 부산물 혹은 과잉의 시약 등은 비즈로부터 분리될 수 있다. 각 사이클은 비즈를 포함하지만 감소된 수준의 바람직하지 않은 물질을 지닌 액적을 생성한다. 상기 단계 (5)는 각 세정 사이클에서 요구되지 않지만; 고정화된 비즈에 포획될 수 있는 오염물을 제거함으로써 세정을 증강시키는 데 유용할 수 있다. 상기 각 단계들은 상이한 순서로 수행될 수도 있으며, 예컨대, 단계 (2)와 (3)을 역전시킬 수도 있다. 세정 프로토콜에서의 단 계들은 본 명세서에 기재된 바와 같은 액적 작업을 이용해서 액적 작동기 상에서 수행될 수도 있다.
자기 반응성 비즈가 이용되는 실시예에 있어서, 본 발명자들은, 자계의 적용이, 비즈를 일시적으로 고정화시키고/시키거나, 비즈를 이동하고/하거나, 비즈를 위치결정하기 위해 유용하더라도, 때로는 비즈의 바람직하지 않은 응집을 초래할 경우도 있다는 것을 발견하였다. 이미 주지된 바와 같이, 일 실시예에 있어서, 친수성 폴리머 및/또는 계면활성제는 비드 응집을 방지하거나 저감시키기 위해 포함되어 있다. 친수성 폴리머와 계면활성제는, 비드 응집을 저감시키거나 제거하고 비특이적 흡수를 최소화하는 한편 동시에 액적으로부터 표적 피분석물 혹은 시약의 상당한 손실을 초래하지 않는 양으로 선택해서 이용될 필요가 있다. 일 실시예에 있어서, 친수성 폴리머 및/또는 계면활성제는 비가스(non-gaseous) 충전물 유체 내 액적에서 비드 응괴화를 저감시키고, 구체적으로는 액적 작동기의 표면에 대한 액적 구성 요소의 몰흡수를 저감시키도록 기능하지는 않는다.
비즈의 응괴화 응집을 제거하거나 저감시키기 위한 다른 접근법은 보다 큰 비즈를 보다 적은 수로 이용하는 것을 포함한다. 하나 이상의 액적 작업 동안 액적 내에 포함될 수 있는 임의의 개수의 비즈를 이용할 수도 있다. 몇몇 실시형태에 있어서, 자기 반응성 비즈의 개수는 1 내지 수십만개의 범위일 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에 있어서, 본 발명은 액적 당 1 내지 100개의 자기 반응성 비즈를 이용한다. 예를 들어, 본 발명은 액적 당 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, ..., 100개의 자기 반응성 비즈를 이용할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 자기 반응성 비즈의 개수는 1 내지 10개이다. 보다 적은 수의 자기 반응성 비즈를 이용하는 것은 보다 큰 비즈를 이용하는 것을 허용한다. 예를 들어, 일 실시예에 있어서, 본 발명은 액적 당 1 내지 100개의 자기 반응성 비즈를 이용하며, 이때 비즈의 평균 직경은 약 25 내지 약 100미크론이다. 다른 실시예에 있어서, 본 발명은 액적 당 1 내지 10개의 자기 반응성 비즈를 이용하며, 이때, 비즈의 평균 직경은 약 50 내지 약 100미크론이다.
9. 끝맺는 말
이상의 실시예의 상세한 설명은, 본 발명의 구체적인 실시예를 예시한 첨부도면을 참조하고 있다. 상이한 구조 및 작업을 구비한 기타 실시예는 본 발명의 범주로부터 벗어나는 것은 아니다.
본 명세서는 단지 독자의 편의를 위해 각 부분으로 분할되어 있다. 표제는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주해서는 안된다.
단, 본 발명의 각종 상세는 본 발명의 범주로부터 벗어나는 일없이 변경될 수 있다. 또한, 위에서 서술된 내용은 단지 설명을 목적으로 한 것일 뿐, 제한의 목적으로 제시된 것은 아니며, 본 발명은 이하의 청구의 범위에 의해 규정된다.

Claims (114)

  1. 자기 반응성 비드와 접촉하는 감소된 양의 물질을 지니는 액적(droplet)을 제공하는 방법으로서,
    (a) (i) 표면 상에 액적 작업(droplet operations)을 수행하기 위해 배열된 전극들을 포함하는 기판; 및
    (ii) (1) 1개 이상의 자기 반응성 비즈;
    (2) 출발량의 상기 물질; 및
    (3) 출발 용적
    을 포함하는 출발 액적
    을 포함하는 액적 작동기를 제공하는 단계;
    (b) 목표 액적 분할 영역으로부터 떨어져 있는 위치에 1개 이상의 자기 반응성 비즈를 자기적으로 고정화시키는 단계; 및
    (c) (i) 출발 농도에 대해서 감소된 양의 물질을 지니며 1개 이상의 자기 반응성 비즈를 실질적으로 모두 포함하는 액적; 및
    (ii) 자기 반응성 비즈가 실질적으로 결여되어 있는 액적
    을 포함하는 액적 세트를 얻기 위하여, 출발 액적을 분할하도록 선택된 액적 분할 작업을 포함하는 하나 이상의 액적 작업을 수행하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 단계 (b)에서, 출발 액적의 위쪽과 아래쪽에 반대 극이 서로 대면하면서 배열되는 2개의 자석에 의하여, 1개 이상의 자기 반응성 비즈를 자기적으로 고정화시키는 액적 제공 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 출발 액적은 상기 물질의 출발 농도를 포함하고, 상기 하나 이상의 액적 작업은 상기 출발 농도 및 출발량에 대해서 저감된 농도 및 저감된 양의 상기 물질을 포함하는 액적을 수득하는 것인 액적 제공 방법.
  3. 제1항에 있어서, 조합된 액적을 수득하기 위하여, 세정 액적을 상기 단계 (a)에서 제공된 액적과 융합시키는 하나 이상의 액적 작업을 수행하는 단계를 추가로 포함하는 액적 제공 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 단계 (c) 후에 1개 이상의 비즈를 해방 혹은 재현탁시키는 단계를 추가로 포함하는 액적 제공 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 액적 내에 계면활성제를 제공하여, 계면활성제가 결여된 대응하는 액적에 비해 재현탁을 향상시키는 단계를 추가로 포함하는 액적 제공 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 단계 (c) 후에 초음파 발생장치(sonicator)를 이용해서 상기 1개 이상의 비즈를 교반하는 단계를 추가로 포함하는 액적 제공 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    a) 상기 단계 (b)는 1개 이상의 전극에 근접하여 자계를 작용시키기 위한 상기 자석 부근에 상기 비즈를 포함하는 액적을 위치시키는 단계를 포함하고;
    b) 상기 자계의 강도 및 위치는 하나의 액적 내에 실질적으로 모든 자성 비즈를 보유시키는 데 충분한 표적 분할 영역으로부터 떨어져서 상기 액적 내에 자기 반응성 비즈를 고정화시키도록 선택된 것인 액적 제공 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    a) 상기 단계 (b)는 1개 이상의 전극에 근접하여 자계를 작용시키기 위한 상기 자석 부근에 상기 비즈를 포함하는 액적을 위치시키는 단계를 포함하고;
    b) 상기 자석의 위치는 액적의 횡방향 치수를 따라서 자성 비즈를 중앙에 위치시키도록 선택되는 것인 액적 제공 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    a) 상기 단계 (b)는 1개 이상의 전극에 근접하여 자계를 작용시키기 위한 상기 자석 부근에 상기 비즈를 포함하는 액적을 위치시키는 단계를 포함하고;
    b) 상기 자석의 위치는 액적의 수직방향 치수를 따라서 자성 비즈를 중앙에 위치시키도록 선택되는 것인 액적 제공 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 단계 (b)는
    a) 상기 자석; 및
    b) 1개 이상의 전극 부근 속으로 또한 당해 전극 부근 밖으로 자석을 이동시키는 이동 수단
    을 포함하는 수단을 이용해서 1개 이상의 자기 반응성 비즈를 자기적으로 고정화시키는 단계를 포함하는 것인 액적 제공 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 단계 (c)는 전극-매개되는 것인 액적 제공 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 단계 (c)는 전기습윤-매개되는(electrowetting-mediated) 것인 액적 제공 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 단계 (c)는 유전영동-매개되는(dielectrophoresis-mediated) 것인 액적 제공 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 단계 (c)는 전계-매개되는(electric field-mediated) 것인 액적 제공 방법.
  15. 제1항에 있어서, 추가적으로 자석이 제공되어, 반대 극이 서로 대면하는 복수개의 자석쌍이 상기 출발 액적을 둘러싸는 위치에 배열되는 액적 제공 방법.
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