KR102607330B1 - 분자 구조들의 일괄 패터닝을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
핵산 분자 구조들의 일괄 패터닝을 위한 디바이스들, 시스템들 및 방법들이 개시된다. 디바이스들은 마이크로채널들 및 나노슬릿들을 포함할 수 있다. 마이크로채널들 및 나노슬릿들은 파킹 챔버들에 의해 연결될 수 있다. 시스템들 및 방법들은 파킹 챔버들 내의 핵산 분자들을 파킹하고 이어서 핵산 분자들을 나노슬릿들 내에 주입하기 위해 전압 인가 루틴과 협력하여 디바이스들의 기하학적 구조를 이용할 수 있다. 방법들은 게놈 분석에 적합한 방식으로 핵산 분자들을 제공하는 데 이용될 수 있다. 방법들은 또한 핵산 분자들의 크기 선택을 제공하는 데 이용될 수 있다.
Description
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 2017년 5월 16일자로 출원된 미국 특허 가출원 제62/506,992호와 관련되고, 그에 대해 우선권을 주장하며, 모든 목적들을 위해 그 전체를 본 명세서에 포함한다.
연방 정부 후원 연구에 관한 진술
본 발명은 미국 국립 보건원에 의해 수여된 HG000225에 따른 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대해 소정의 권리들을 가진다.
본 발명의 분야는 분자 조작이다. 더 상세하게는, 본 발명은 다양한 기술들에 의한 검사를 위해 핵산 분자들의 부분들을 더 양호하게 제시하거나 핵산 분자들의 다양한 상이한 모집단들을 격리하기 위해 핵산 분자들을 스트레칭하는 것에 관한 것이다.
정밀 의료 계획은 일백만 명의 참가자들의 큰 집단까지 증가할 수 있는 개인들의 상세한 측정을 통해 질병의 분자 토대(underpinning)를 알기 위한 새로운 접근법들의 개발을 계속 요구하고 있다. 이러한 과제를 충족시키는 것은, 게놈 분석 접근법들이 전체 인간 게놈에 걸쳐 더 유익하게 되도록 진행되어야 하는 동시에, 비용의 극적인 감소를 제공해야 한다는 것을 의미한다. 따라서, 단일 분자 분석물들을 이용하는 시스템들이 출현하였지만, 큰 생치통(teething pain)이 없지는 않았다. 초기의 단일 분자 시퀀싱 시스템들은 이러한 과제들을 충족시키기 위한 방법을 제시하였지만, 퍼시픽 바이오사이언스즈(Pacific Biosciences) 및 옥스포드 나노포어(Oxford Nanopore)에 의한 고비용의 상용화 노력에도 불구하고, 이러한 시스템들의 산업화된 버전들을 생물의학적 환경들 내에서 광범위하게 사용하기 위해서는 여전히 해결해야 할 문제들이 남아있다.
인간 게놈 매핑에 대한 단일 분자 접근법들은 시퀀스 분석을 피하는 방식들로 구조적 변화(SV)의 식별을 통해 시퀀싱 노력들에 대한 대응물을 제공한다. 바이오나노게노믹스(BioNanoGenomics)에 의해 현재 상용화되고 있는 광학 매핑 및 그의 진보된 버전 - 나노코딩의 발명은 정상적 인간 및 암 게놈들에 존재하는 구조적 변화에 대한 통찰력을 제공한다. 이러한 변종들은 시퀀싱에 의해 완전히 특성화하기가 어려운데, 이는 인간 게놈이 ENCODE 프로젝트에 의해 포괄적으로 기능화된 SV들을 수용하는 복잡한 반복 영역들의 거대한 스트레치들을 포함하기 때문이다. ENCODE에 의해 제공되는 새로운 통찰력은 인간 게놈 내의 이러한 이전에 무시된 부분들의 생물학적 중요성을 구체화하고 있으며, 이러한 새로운 지식은 또한 복잡한 변종들을 쉽게 드러내는 새로운 기술들의 개발을 유도한다.
따라서, 본 발명자들 중 하나 이상으로부터의 이전 작업은, 절단 제한 효소들로 분자들을 바코딩하는 강건한 DNA 라벨링 및 제시 접근법인 "나노코딩"의 개발을 통해 이러한 문제들을 다루었고, 이어서 절단 제한 효소들의 분열 부위들은 형광 색소로 라벨링된 뉴클레오티드들을 사용하여 절단 변환(nick translation)에 의해 또한 마킹된다. 이와 같이 형성된 반점들은 낮은 이온 강도(I) 조건들을 이용하는 나노 감금 체제들을 사용하여, 스트레칭된 분자들을 따라 형광 공명 에너지 전달(FRET) 현미경 검사에 의해 이미징된다. DNA 지속 길이는 용액 이온 강도의 감소에 따라 증가하므로, 이러한 조건들은 비교적 큰 슬릿들 내에서의 DNA 스트레칭을 상승시켰다. 다른 그룹들은 나중에 이러한 개발들에 기초하였다. 더 구체적으로, 이러한 노력들로 개발된 최초의 나노슬릿 디바이스들은 고종횡비 슬릿들(100 nm x 1000 nm)을 특징으로 하는 소프트 리소그래피 기술들을 사용하여 PDMS로부터 제조되었다. DNA 분자들을 스트레칭하기 위해서는 훨씬 더 작은 슬릿 치수들이 요구되지만, 매우 낮은 이온 강도 조건들(~0.2 mM)에 의해 가능해지는 정전기 효과를 사용함으로써 감금 조건들이 크게 향상되었다. 나중의 작업은 슬릿 기하학적 구조들(250 nm x 400 nm) 및 이온 강도 조건들을 수정하였으며, 이는 DNA 스트레치를 더 향상시켰지만( 여기서 L은 분자 윤곽 길이임), 나노슬릿들 내로 분자들을 로딩하는 것은 더 어렵게 되었다. 이것은 대부분의 나노 유체 디바이스들에 영향을 미치는 공통적인 문제인데, 이는 큰 랜덤 코일 분자들을 DNA 지속 길이에 필적하는 슬릿 기하학적 구조들 내로 스레딩(threading)할 때 엔트로피 비용이 상당하기 때문이다.
초기 연구들은, 낮은 이온 강도 조건들에서 큰 DNA 분자들이 때때로 나노슬릿들(100 nm x 1000 nm) 내로 부분적으로 로딩되지만, "DNA 덤벨들"을 형성한 랜덤 코일 부분들에 의해 슬릿들 외부에 브라켓(bracket)화된다는 것을 보여주었다. 중요하게는, 덤벨 형태의 DNA 분자들은 향상된 스트레칭(S = S/L = 1.06)을 보였으며, 이는 "분자 로브(lobe)들"에 의해 가해지는 사라지게 작은 엔트로피 힘들의 결과가 아니다. 대신, 이론적 처리들 및 시뮬레이션들은 정전기적 및 유체 역학적 상호작용들(HI)의 결합된 효과들을 향상된 스트레칭을 가능하게 하는 우세한 인자들로서 식별했다.
매우 큰 DNA 분자들을 덤벨들로서 쉽게 로딩하고 제시하는 방식들로 나노 유체 시스템들 내에서의 정전기 효과 및 DNA 폴리머 역학을 더 이해한 후에 이용할 필요성이 남는다. 이들은 중요한 고려사항들인데, 이는 DNA 덤벨들이 랜덤 로딩 이벤트들에 의해 형성될 때 일괄적으로 생성하기가 어렵기 때문이다.
따라서, 전술한 단점들을 극복하는 핵산 분자 덤벨들의 동기화된 형성에 대한 접근법에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명은 핵산 분자들의 일괄 패터닝을 위한 시스템들 및 방법들을 제공함으로써 전술한 단점들을 극복한다.
본 개시는 본 명세서에서 설명되고, 서술되고, 청구되는 디바이스들, 시스템들 및 방법들을 제공한다.
본 발명의 전술한 그리고 다른 양태들 및 이점들은 이하의 설명으로부터 나타날 것이다. 본 설명에서는, 본 설명의 일부를 형성하고 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 도시하는 첨부 도면들이 참조된다. 그러나, 이러한 실시예는 반드시 본 발명의 전체 범위를 나타내는 것은 아니며, 따라서 본 발명의 범위를 해석하기 위해 청구항들 및 본 명세서가 참조된다.
도 1a는 본 개시의 양태에 따른 디바이스의 개략 평면도이다.
도 1b는 본 개시의 양태에 따른 시스템 내의 디바이스에 걸친 정전기 전위의 플롯(plot)이다.
도 1c는 본 개시의 양태에 따른 디바이스의 현미경 검사 이미지이다.
도 1d는 본 개시에 따른, 관심 분자들에 작용하는 다양한 힘들을 보여주는 디바이스의 혼합된 개략도 및 현미경 검사 이미지이다.
도 1e는 본 개시의 양태에 따른, 로딩된 나노슬릿들의 예시적인 이온 분포들을 보여주는 로딩 챔버들(상부)의 주사 전자 현미경 이미지 및 디바이스의 예시이다.
도 1f는 본 개시의 양태에 따른, 낮은 이온 강도 조건 및 높은 이온 강도 조건에서의 이온 구름들을 보여주는 나노슬릿의 사시도이다.
도 2a1은 본 개시의 양태에 따른, 낮은 이온 강도 조건들에서의 로딩 챔버들의 로딩을 보여주는 이미지이다.
도 2a2는 본 개시의 양태에 따른, 높은 이온 강도 조건들에서의 로딩 챔버들의 시도된 로딩을 보여주는 이미지이다.
도 2b는 본 개시의 양태에 따른 로딩 효율 대 이온 강도의 플롯이다.
도 2c는 본 개시의 양태에 따른, 시간 경과에 따른 파킹(parking)된 분자들(주 플롯) 및 파킹되지 않은 분자들(삽화)의 로딩 빈도를 나타내는 히스토그램이다.
도 3a는 본 발명의 양태에 따른, 도 1b의 시스템에 적용되는 예시적인 전원 루틴을 도시하는 차트이다.
도 3b1은 본 개시의 양태에 따른, 전원 루틴의 적용 전에 도시된 도 1b의 시스템의 일부의 예시이다.
도 3b2는 본 발명의 양태에 따른, 도 3b1에 도시된 구성의 이미지이다.
도 3c1은 본 개시의 양태에 따른, 관심 분자 또는 입자 파킹 구성으로 도시된 도 3b1의 시스템의 일부의 예시이다.
도 3c2는 본 발명의 양태에 따른, 도 3c1에 도시된 구성의 이미지이다.
도 3d1은 본 개시의 양태에 따른, 관심 분자 또는 입자 로딩 구성으로 도시된 도3b1의 시스템의 일부의 예시이다.
도 3d2는 도 3d1에 도시된 구성의 이미지이다.
도 3e1은 본 개시의 양태에 따른, 관심 분자 또는 입자 덤벨 구성으로 도시된 도 3b1의 시스템의 일부의 예시이다.
도 3e2는 도 3e1에 도시된 구성의 이미지이다.
도 4는 본 개시의 양태에 따른, 상이한 크기의 관심 핵산 분자들에 대한 로딩 효율 대 전압(또는 대안적으로, 단계적 전압 증가에 대한 시간)의 플롯이다.
도 5는 본 개시의 양태에 따른, 본 명세서에 설명된 디바이스들을 근사화하는 저항기 네트워크(좌측) 및 본 명세서에 설명된 시스템에 대한 정전기 전위의 플롯(우측)이다.
도 6은 본 개시의 양태에 따른, 전극 배치 설계에 관한 예시 및 데이터이다.
도 7은 본 개시의 양태에 따른, "중간 전극" 셋업의 예시 및 상이한 이온 강도 조건들에서의 분자 운반에서의 우세한 힘들의 요약이다.
도 8a는 본 개시의 양태에 따른, 형광 라벨링된 카르복실 종단형 폴리스티렌 마이크로 구들의 로딩 역학을 나타내는 중첩 이미지이다.
도 8b는 본 개시의 양태에 따른, 형광 라벨링된 천연 폴리스티렌 마이크로 구들의 로딩 역학을 나타내는 중첩 이미지이다.
도 8c는 본 개시의 양태에 따른, 중성 로다민 B 염료의 이동을 나타내는 일련의 이미지들이다.
도 9는 본 개시의 양태에 따른, 복수의 관심 분자들 또는 입자들 중 적어도 일부를 복수의 나노슬릿들에 로딩하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1b는 본 개시의 양태에 따른 시스템 내의 디바이스에 걸친 정전기 전위의 플롯(plot)이다.
도 1c는 본 개시의 양태에 따른 디바이스의 현미경 검사 이미지이다.
도 1d는 본 개시에 따른, 관심 분자들에 작용하는 다양한 힘들을 보여주는 디바이스의 혼합된 개략도 및 현미경 검사 이미지이다.
도 1e는 본 개시의 양태에 따른, 로딩된 나노슬릿들의 예시적인 이온 분포들을 보여주는 로딩 챔버들(상부)의 주사 전자 현미경 이미지 및 디바이스의 예시이다.
도 1f는 본 개시의 양태에 따른, 낮은 이온 강도 조건 및 높은 이온 강도 조건에서의 이온 구름들을 보여주는 나노슬릿의 사시도이다.
도 2a1은 본 개시의 양태에 따른, 낮은 이온 강도 조건들에서의 로딩 챔버들의 로딩을 보여주는 이미지이다.
도 2a2는 본 개시의 양태에 따른, 높은 이온 강도 조건들에서의 로딩 챔버들의 시도된 로딩을 보여주는 이미지이다.
도 2b는 본 개시의 양태에 따른 로딩 효율 대 이온 강도의 플롯이다.
도 2c는 본 개시의 양태에 따른, 시간 경과에 따른 파킹(parking)된 분자들(주 플롯) 및 파킹되지 않은 분자들(삽화)의 로딩 빈도를 나타내는 히스토그램이다.
도 3a는 본 발명의 양태에 따른, 도 1b의 시스템에 적용되는 예시적인 전원 루틴을 도시하는 차트이다.
도 3b1은 본 개시의 양태에 따른, 전원 루틴의 적용 전에 도시된 도 1b의 시스템의 일부의 예시이다.
도 3b2는 본 발명의 양태에 따른, 도 3b1에 도시된 구성의 이미지이다.
도 3c1은 본 개시의 양태에 따른, 관심 분자 또는 입자 파킹 구성으로 도시된 도 3b1의 시스템의 일부의 예시이다.
도 3c2는 본 발명의 양태에 따른, 도 3c1에 도시된 구성의 이미지이다.
도 3d1은 본 개시의 양태에 따른, 관심 분자 또는 입자 로딩 구성으로 도시된 도3b1의 시스템의 일부의 예시이다.
도 3d2는 도 3d1에 도시된 구성의 이미지이다.
도 3e1은 본 개시의 양태에 따른, 관심 분자 또는 입자 덤벨 구성으로 도시된 도 3b1의 시스템의 일부의 예시이다.
도 3e2는 도 3e1에 도시된 구성의 이미지이다.
도 4는 본 개시의 양태에 따른, 상이한 크기의 관심 핵산 분자들에 대한 로딩 효율 대 전압(또는 대안적으로, 단계적 전압 증가에 대한 시간)의 플롯이다.
도 5는 본 개시의 양태에 따른, 본 명세서에 설명된 디바이스들을 근사화하는 저항기 네트워크(좌측) 및 본 명세서에 설명된 시스템에 대한 정전기 전위의 플롯(우측)이다.
도 6은 본 개시의 양태에 따른, 전극 배치 설계에 관한 예시 및 데이터이다.
도 7은 본 개시의 양태에 따른, "중간 전극" 셋업의 예시 및 상이한 이온 강도 조건들에서의 분자 운반에서의 우세한 힘들의 요약이다.
도 8a는 본 개시의 양태에 따른, 형광 라벨링된 카르복실 종단형 폴리스티렌 마이크로 구들의 로딩 역학을 나타내는 중첩 이미지이다.
도 8b는 본 개시의 양태에 따른, 형광 라벨링된 천연 폴리스티렌 마이크로 구들의 로딩 역학을 나타내는 중첩 이미지이다.
도 8c는 본 개시의 양태에 따른, 중성 로다민 B 염료의 이동을 나타내는 일련의 이미지들이다.
도 9는 본 개시의 양태에 따른, 복수의 관심 분자들 또는 입자들 중 적어도 일부를 복수의 나노슬릿들에 로딩하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
본 개시에서 인용된 모든 참조된 특허들, 출원들 및 비특허 문헌은 그 전체가 명세서에 참조로 통합된다. 참조 및 본 개시가 불일치하는 경우, 본 개시가 지배한다.
본 개시는 이하의 서술들, 청구항들 및 본 설명에서 설명되는 바와 같은 디바이스들, 시스템들 및 방법들을 제공한다.
분자, 관심 분자, 핵산 분자 또는 관심 핵산 분자가 본 명세서에서 참조될 때마다, 본 개시는 유효 전하를 갖거나 갖지 않는 입자들, 랜덤 코일 단백질들, 합성 다가 전해질들, 크로마틴, 합성 폴리머들 등과 같은 변형 가능한 물체들을 또한 고려한다. 대전되지 않은 물체들에 대하여, 발한력(diaphoretic force)들은 대전된 물체들 또는 분자들 및 대응하는 힘들에 대하여 본 명세서에 설명된 운반을 제공할 수 있다.
도 1a를 참조하면, 본 개시의 양태들에 따른 마이크로 유체 디바이스(10)가 도시된다. 마이크로 유체 디바이스(10)는 제1 일차 원위 마이크로채널 개구(first primary distal microchannel opening)(18)를 갖는 일차 원위 마이크로채널 표면(16)을 갖는 일차 마이크로채널 벽들(14)에 의해 규정되는 일차 마이크로채널(12)을 포함하고, 일차 마이크로채널(12)은 일차 마이크로채널 높이(도 1a에 도시된 바와 같은 페이지 내로의 거리)를 갖는다. 마이크로 유체 디바이스(10)는 제1 이차 근위 마이크로채널 개구(28)를 갖는 이차 근위 마이크로채널 표면(26)을 갖는 이차 마이크로채널 벽들(24)에 의해 규정되는 이차 마이크로채널(22)을 더 포함하고, 이차 마이크로채널(22)은 이차 마이크로채널 높이(도 1a에 도시된 바와 같은 페이지 내로의 거리)를 갖는다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 벽들은 임의의 방향에서 공간 또는 볼륨을 경계 짓는 표면들을 지칭할 수 있다(즉, 벽들은 공간 또는 볼륨의 "천장들" 및 "바닥들"을 포함하고, 따라서 폐쇄된 입방체 공간은 6 개의 벽을 갖는 것으로 설명될 수 있다).
마이크로 유체 디바이스(10)는 (도 1a에 도시된 바와 같은 페이지 내로의) 제1 일차 나노슬릿 높이, (도 1e에 도시된 제2 일차 나노슬릿 폭(36)과 유사한) 제1 일차 나노슬릿 폭 및 제1 일차 나노슬릿 길이(즉, 일차 원위 마이크로채널 표면(16)으로부터 이차 근위 마이크로채널 표면(26)까지의 제1 일차 나노슬릿(32)의 길이)를 갖는 제1 일차 나노슬릿(32)을 더 포함한다.
마이크로 유체 디바이스(10)는 제1 일차 근위 파킹 챔버 높이(도 1a에 도시된 바와 같은 페이지 내로의 거리), 제1 일차 근위 파킹 챔버 폭(일차 마이크로채널(12)의 세로축(44)을 따른 축방향 거리) 및 제1 일차 근위 파킹 챔버 길이(세로축(44)에 대한 방사상 거리)를 갖는 제1 일차 근위 파킹 챔버(40)를 더 포함한다. 제1 일차 나노슬릿(32)은 제1 일차 근위 파킹 챔버(40)에 연결된다. 제1 일차 근위 파킹 챔버(40)는 제1 일차 원위 마이크로채널 개구(18)를 통해 일차 마이크로채널(12)에 연결된다. 제1 일차 나노슬릿(32)은 제1 이차 근위 마이크로채널 개구(28)를 통해 이차 마이크로채널(22)과 유체 연통한다.
일부 비제한적인 예들에서, 제1 일차 근위 파킹 챔버(40)는 각각이 코일형 구조를 갖는 (도 3a-3e2에 도시된) 정수 개의 관심 분자 또는 입자(50)에 의해 점유되고, 추가적인 관심 분자들 또는 입자들(50)의 진입을 배제하도록 구성된다. 일부 사례들에서, 정수 개의 관심 분자 또는 입자(50)는 단일 관심 분자 또는 입자이다. 일부 사례들에서, 정수 개의 관심 분자 또는 입자(50) 및/또는 추가적인 관심 분자들 또는 입자들(50)은 핵산 분자들이다.
마이크로 유체 디바이스(10)는 제1 일차 원위 파킹 챔버 높이(도 1a에 도시된 바와 같은 페이지 내로의 거리), 제1 일차 원위 파킹 챔버 폭(이차 마이크로채널(22)의 세로축(52)을 따른 축방향 거리) 및 제1 일차 원위 파킹 챔버 길이(세로축(52)에 대한 방사상 거리)를 갖는 제1 일차 원위 파킹 챔버(48)를 더 포함한다. 제1 일차 나노슬릿(32)은 제1 일차 원위 파킹 챔버(48)에 연결된다. 제1 일차 원위 파킹 챔버(48)는 제1 이차 근위 마이크로채널 개구(28)를 통해 이차 마이크로채널(22)에 연결된다.
일부 사례들에서, 제1 일차 근위 파킹 챔버(40)는 1 nm3 내지 1 mm3의 제1 일차 근위 파킹 챔버 볼륨을 갖는다. 일부 다른 사례들에서, 제1 일차 근위 파킹 챔버 볼륨은 1 ㎛3 내지 250 ㎛3이다. 또 다른 일부 사례들에서, 제1 일차 원위 파킹 챔버(48)는 1 nm3 내지 1 mm3의 제1 일차 원위 파킹 챔버 볼륨을 갖는다. 또 다른 일부 사례들에서, 제1 일차 원위 파킹 챔버 볼륨은 1 ㎛3 내지 250 ㎛3이다.
일부 비제한적인 예들에서, 제1 일차 근위 파킹 챔버 높이는 일차 마이크로채널 높이의 1 % 내지 125 %이다. 일부 사례들에서, 제1 일차 근위 파킹 챔버 높이는 일차 마이크로채널 높이의 75 % 내지 100 %이다. 일부 사례들에서, 제1 일차 원위 파킹 챔버 높이는 이차 마이크로채널 높이의 1 % 내지 125 %이다. 일부 사례들에서, 제1 원위 파킹 챔버 높이는 이차 마이크로채널 높이의 75 % 내지 100 %이다. 일부 사례들에서, 제1 일차 근위 파킹 챔버 높이는 10 nm 내지 10 mm, 100 nm 내지 50 ㎛ 또는 1.0 ㎛ 내지 5.0 ㎛이다. 일부 사례들에서, 제1 일차 근위 파킹 챔버 폭은 10 nm 내지 10 mm, 100 nm 내지 50 ㎛, 또는 1.0 ㎛ 내지 5.0 ㎛이다. 일부 사례들에서, 제1 일차 근위 파킹 챔버 길이는 10 nm 내지 10 mm, 100 nm 내지 50 ㎛ 또는 1.0 ㎛ 내지 10.0 ㎛이다. 일부 사례들에서, 제1 일차 원위 파킹 챔버 높이는 10 nm 내지 10 mm, 100 nm 내지 50 ㎛ 또는 1.0 ㎛ 내지 5.0 ㎛이다. 일부 사례들에서, 제1 일차 원위 파킹 챔버 폭은 10 nm 내지 10 mm, 100 nm 내지 50 ㎛ 또는 1.0 ㎛ 내지 5.0 ㎛이다. 일부 사례들에서, 제1 일차 원위 파킹 챔버 길이는 10 nm 내지 10 mm, 100 nm 내지 50 ㎛ 또는 1.0 ㎛ 내지 10.0 ㎛이다. 일부 사례들에서, 제1 일차 나노슬릿 높이(34)는 제1 일차 근위 파킹 챔버 높이의 50 % 미만, 25 % 미만 또는 10 % 미만이다. 일부 사례들에서, 제1 일차 나노슬릿 높이(34)는 100 nm 이하이다. 일부 사례들에서, 제1 일차 나노슬릿 폭은 제1 일차 근위 파킹 챔버 폭의 50 % 미만, 25 % 미만 또는 10 % 미만이다. 일부 사례들에서, 제1 일차 나노슬릿 폭은 1 ㎛ 이하이다. 일부 사례들에서, 제1 일차 나노슬릿 길이는 1 ㎛ 내지 10 mm이다. 일부 사례들에서, 제1 일차 나노슬릿 길이는 10 ㎛ 내지 100 ㎛이다.
일부 사례들에서, 제1 일차 나노슬릿(32)은 일차 마이크로채널(12)의 세로축(44)에 대해 1° 내지 89°의 각도로 배향된다. 일부 사례들에서, 제1 일차 나노슬릿(32)은 일차 마이크로채널(12)의 세로축(44)에 대해 10° 내지 80°의 각도로 배향된다. 일부 사례들에서, 제1 일차 나노슬릿(32)은 일차 마이크로채널(12)의 세로축(44)에 대해 40° 내지 50°의 각도로 배향된다.
일부 사례들에서, 제1 일차 나노슬릿(32)은 제1 일차 근위 파킹 챔버(40)의 제1 일차 근위 파킹 챔버 단면적의 25 % 미만인 제1 일차 나노슬릿 단면적을 갖는다. 일부 사례들에서, 일차 원위 마이크로채널 표면(16) 및 이차 근위 마이크로채널 표면(26)은 1 ㎛ 내지 10 mm의 일차 마이크로채널 분리(60) 거리만큼 분리된다. 일부 사례들에서, 일차 마이크로채널 분리(60) 거리는 5 ㎛ 내지 1mm 또는 10 ㎛ 내지 100 ㎛이다.
도시된 바와 같이, 일차 원위 마이크로채널 표면(16)은 제2 일차 원위 마이크로채널 개구(62)를 더 포함한다. 이차 근위 마이크로채널 표면(26)은 제2 이차 근위 마이크로채널 개구(64)를 갖는다.
마이크로 유체 디바이스(10)는 (도 1a에 도시된 바와 같은 페이지 내로의) 제2 일차 나노슬릿 높이, (도 1e에 도시된) 제2 일차 나노슬릿 폭(36) 및 제2 일차 나노슬릿 길이(즉, 일차 원위 마이크로채널 표면(16)으로부터 이차 근위 마이크로채널 표면(26)까지의 제2 일차 나노슬릿(66)의 길이)를 갖는 제2 일차 나노슬릿(66)을 더 포함한다.
마이크로 유체 디바이스(10)는 (도 1a에 도시된 바와 같은 페이지 내로의) 제2 일차 근위 파킹 챔버 높이, 제2 일차 근위 파킹 챔버 폭(일차 마이크로채널(12)의 세로축(44)을 따른 축방향 거리) 및 제2 일차 근위 파킹 챔버 길이(세로축(44)에 대한 방사상 거리)를 갖는 제2 일차 근위 파킹 챔버(74)를 더 포함한다. 제2 일차 나노슬릿(66)은 제2 일차 근위 파킹 챔버(74)에 연결된다. 제2 일차 근위 파킹 챔버(74)는 제2 일차 원위 마이크로채널 개구(62)를 통해 일차 마이크로채널(12)에 연결된다. 제2 일차 나노슬릿(66)은 제2 이차 근위 마이크로채널 개구(64)를 통해 이차 마이크로채널(22)과 유체 연통한다.
일부 사례들에서, 마이크로 유체 디바이스(10)는 (도 1a에 도시된 바와 같은 페이지 내로의) 제2 일차 원위 파킹 챔버 높이, 제2 일차 원위 파킹 챔버 폭(이차 마이크로채널(22)의 세로축(52)을 따른 축방향 거리) 및 제2 일차 원위 파킹 챔버 길이(세로축(52)에 대한 방사상 거리)를 갖는 제2 일차 원위 파킹 챔버(82)를 더 포함한다. 제2 일차 나노슬릿(66)은 제2 일차 원위 파킹 챔버(82)에 연결된다. 제2 일차 원위 파킹 챔버(82)는 제2 이차 근위 마이크로채널 개구(64)를 통해 이차 마이크로채널(22)에 연결된다.
일부 사례들에서, 일차 원위 마이크로채널 표면(16)은 제1 및 제2 일차 원위 마이크로채널 개구들(18, 62)과 실질적으로 유사한 복수의 일차 원위 마이크로채널 개구들을 더 포함한다. 이차 근위 마이크로채널 표면(26)은 제1 및 제2 이차 근위 마이크로채널 개구들(28, 64)과 실질적으로 유사한 복수의 이차 근위 마이크로채널 개구들을 더 포함한다.
일부 비제한적인 예들에서, 마이크로 유체 디바이스(10)는 제1 및 제2 일차 나노슬릿들(32, 66)과 실질적으로 유사한 복수의 일차 나노슬릿들을 더 포함한다. 마이크로 유체 디바이스(10)는 제1 및 제2 일차 근위 파킹 챔버들(40, 74)과 실질적으로 유사한 복수의 일차 근위 파킹 챔버들을 더 포함한다. 복수의 일차 근위 나노슬릿들 각각은 복수의 일차 근위 파킹 챔버들 중 개개의 하나에 연결된다. 복수의 일차 근위 파킹 챔버들 각각은 복수의 일차 원위 마이크로채널 개구들 중 개개의 하나를 통해 일차 마이크로채널(12)에 연결된다. 복수의 일차 나노슬릿들 각각은 복수의 이차 근위 마이크로채널 개구들 중 개개의 하나를 통해 이차 마이크로채널(22)과 유체 연통한다.
일부 사례들에서, 마이크로 유체 디바이스(10)는 제1 및 제2 일차 원위 파킹 챔버들(48, 82)과 실질적으로 유사한 복수의 일차 원위 파킹 챔버들을 더 포함한다. 복수의 일차 나노슬릿들 각각은 복수의 일차 원위 파킹 챔버들 중 개개의 하나에 연결된다. 복수의 일차 원위 파킹 챔버들 각각은 복수의 이차 근위 마이크로채널 개구들 중 개개의 하나를 통해 제2 마이크로채널(22)에 연결된다.
일부 사례들에서, 제2 일차 근위 파킹 챔버(74), 제2 일차 원위 파킹 챔버(82), 복수의 일차 근위 파킹 챔버들 중 하나 이상, 또는 복수의 일차 원위 파킹 챔버들 중 하나 이상은 1 nm3 내지 1 mm3 또는 1 ㎛3 내지 250 ㎛3의 파킹 챔버 볼륨을 갖는다.
일부 사례들에서, 복수의 일차 근위 파킹 챔버들 각각 또는 복수의 일차 원위 파킹 챔버들 각각은 코일형 구조의 정수 개의 관심 분자 또는 입자(50) 또는 단일 관심 분자 또는 입자(50)에 의해 점유되고, 추가적인 관심 분자들 또는 입자들(50)의 진입을 배제하도록 구성된다.
일부 사례들에서, 복수의 일차 근위 파킹 챔버들 각각은 일차 마이크로채널 높이의 1 % 내지 125 % 또는 75 % 내지 100 %의 일차 근위 파킹 챔버 높이를 갖는다.
일부 사례들에서, 복수의 일차 원위 파킹 챔버들 각각은 이차 마이크로채널 높이의 1 % 내지 125 % 또는 75 % 내지 100 %의 일차 원위 파킹 챔버 높이를 갖는다.
일부 사례들에서, 복수의 일차 근위 파킹 챔버들 각각은 10 nm 내지 10 mm, 100 nm 내지 50 ㎛ 또는 1.0 ㎛ 내지 5.0 ㎛의 일차 근위 파킹 챔버 높이를 갖는다.
일부 사례들에서, 복수의 일차 근위 파킹 챔버들 각각은 10 nm 내지 10 mm, 100 nm 내지 50 ㎛ 또는 1.0 ㎛ 내지 5.0 ㎛의 일차 근위 파킹 챔버 폭을 갖는다.
일부 사례들에서, 복수의 일차 근위 파킹 챔버들 각각은 10 nm 내지 10 mm, 100 nm 내지 50 ㎛ 또는 1.0 ㎛ 내지 10.0 ㎛의 일차 근위 파킹 챔버 길이를 갖는다.
일부 사례들에서, 복수의 일차 원위 파킹 챔버들 각각은 10 nm 내지 10 mm, 100 nm 내지 50 ㎛ 또는 1.0 ㎛ 내지 5.0 ㎛의 일차 원위 파킹 챔버 높이를 갖는다.
일부 사례들에서, 복수의 일차 원위 파킹 챔버들 각각은 10 nm 내지 10 mm, 100 nm 내지 50 ㎛ 또는 1.0 ㎛ 내지 5.0 ㎛의 일차 원위 파킹 챔버 폭을 갖는다.
일부 사례들에서, 복수의 일차 원위 파킹 챔버들 각각은 10 nm 내지 10 mm, 100 nm 내지 50 ㎛ 또는 1.0 ㎛ 내지 10.0 ㎛의 일차 원위 파킹 챔버 길이를 갖는다.
일부 사례들에서, 복수의 일차 나노슬릿들 각각은 복수의 일차 나노슬릿들 각각에 연결되는 복수의 일차 근위 파킹 챔버들 중 개개의 하나에 대한 대응하는 일차 근위 파킹 챔버 높이의 50 % 미만, 25 % 미만 또는 10 % 미만의 일차 나노슬릿 높이를 갖는다.
일부 사례들에서, 일차 나노슬릿 높이는 100 nm 이하이다.
일부 사례들에서, 복수의 일차 나노슬릿들 각각은 복수의 일차 나노슬릿들 각각에 연결되는 복수의 일차 근위 파킹 챔버들 중 개개의 하나에 대한 대응하는 일차 근위 파킹 챔버 폭의 50 % 미만, 25 % 미만 또는 10 % 미만의 일차 나노슬릿 폭을 갖는다.
일부 사례들에서, 일차 나노슬릿 폭은 1 ㎛ 이하이다.
일부 사례들에서, 복수의 일차 나노슬릿들 각각은 1 ㎛ 내지 10 mm 또는 10 ㎛ 내지 100 ㎛의 일차 나노슬릿 길이를 갖는다.
일부 사례들에서, 복수의 일차 나노슬릿들 각각은 일차 마이크로채널(12)의 세로축(44)에 대해 1° 내지 89°, 10° 내지 80° 또는 40° 내지 50°의 각도로 배향된다.
일부 사례들에서, 복수의 일차 나노슬릿들 각각은 복수의 일차 나노슬릿들 각각에 연결되는 복수의 일차 근위 파킹 챔버들 중 개개의 하나의 일차 근위 파킹 챔버 단면적의 25 % 미만인 일차 나노슬릿 단면적을 갖는다.
일부 사례들에서, 복수의 일차 나노슬릿들은 서로 실질적으로 평행하다. 일부 사례들에서, 복수의 일차 나노슬릿들은 실질적으로 동일한 길이이다. 일부 사례들에서, 복수의 일차 나노슬릿들은 상이한 길이들의 통계적 분포를 갖는다. 일부 사례들에서, 복수의 일차 나노슬릿들은 적어도 100 개의 일차 나노슬릿을 포함한다. 일부 사례들에서, 복수의 일차 나노슬릿들은 적어도 500 개의 나노슬릿을 포함한다. 일부 사례들에서, 복수의 일차 나노슬릿들은 적어도 1000 개의 나노슬릿을 포함한다.
일부 사례들에서, 복수의 일차 원위 파킹 챔버들은 (도 1e에 도시된) 일차 원위 파킹 챔버 분리 거리(86)만큼 분리된다. 일차 원위 파킹 챔버 분리 거리(86)는 1 nm 내지 1 mm, 100 nm 내지 100 ㎛ 내지 또는 1 ㎛ 내지 25 ㎛일 수 있다. 복수의 일차 근위 파킹 챔버들은 1 nm 내지 1 mm, 100 nm 내지 100 ㎛ 내지 또는 1 ㎛ 내지 25 ㎛의 일차 원위 파킹 챔버 분리 거리(86)와 실질적으로 유사한 일차 파킹 챔버 분리 거리만큼 분리된다.
일부 비제한적인 예들에서, 이차 마이크로채널 벽들(24)은 제1 이차 원위 마이크로채널 개구(90)를 갖는 이차 원위 마이크로채널 표면(88)을 갖는다. 마이크로 유체 디바이스(10)는 제1 삼차 근위 마이크로채널 개구(98)를 갖는 삼차 근위 마이크로채널 표면(96)을 갖는 삼차 마이크로채널 벽들(94)에 의해 규정되는 삼차 마이크로 채널(92)을 더 포함한다. 삼차 마이크로채널(92)은 (도 1a에 도시된 바와 같은 페이지 내로의) 삼차 마이크로채널 높이를 갖는다.
마이크로 유체 디바이스(10)는 (도 1a에 도시된 바와 같은 페이지 내로의) 제1 이차 나노슬릿 높이, (제2 일차 나노슬릿 폭(36)과 유사한) 제1 이차 나노슬릿 폭 및 제1 이차 나노슬릿 길이(즉, 이차 원위 마이크로채널 표면(88)으로부터 삼차 근위 마이크로채널 표면(96)까지의 제1 이차 나노슬릿(102)의 길이)를 갖는 제1 이차 나노슬릿(102)을 더 포함한다.
마이크로 유체 디바이스(10)는 (도 1a에 도시된 바와 같은 페이지 내로의) 제1 이차 근위 파킹 챔버 높이, (다른 파킹 챔버 폭들 각각과 유사한) 제1 이차 근위 파킹 챔버 폭 및 (다른 파킹 챔버 길이들 각각과 유사한) 제1 이차 근위 파킹 챔버 길이를 갖는 제1 이차 근위 파킹 챔버(110)를 더 포함한다. 제1 이차 나노슬릿(102)은 제1 이차 근위 파킹 챔버(110)에 연결된다. 제1 이차 근위 파킹 챔버(110)는 제1 이차 원위 마이크로채널 개구(90)를 통해 이차 마이크로채널(22)에 연결된다. 제1 이차 나노슬릿(102)은 제1 삼차 근위 마이크로채널 개구(98)를 통해 삼차 마이크로채널(92)과 유체 연통한다.
일부 사례들에서, 마이크로 유체 디바이스(10)는 (다른 파킹 챔버 높이들 각각과 유사한) 제1 이차 원위 파킹 챔버 높이, (다른 파킹 챔버 폭들 각각과 유사한) 제1 이차 원위 파킹 챔버 폭 및 (다른 파킹 챔버 길이들 각각과 유사한) 제1 이차 원위 파킹 챔버 길이를 갖는 제1 이차 원위 파킹 챔버(118)를 더 포함한다. 제1 이차 나노슬릿(102)은 제1 이차 원위 파킹 챔버(118)에 연결된다. 제1 이차 원위 파킹 챔버(118)는 제1 삼차 근위 마이크로채널 개구(98)를 통해 삼차 마이크로채널(92)에 연결된다.
일부 사례들에서, 이차 원위 마이크로채널 표면(88)은 이차 원위 마이크로채널 개구(90)와 실질적으로 유사한 복수의 이차 원위 마이크로채널 개구들을 더 포함한다. 삼차 근위 마이크로채널 표면(96)은 제1 삼차 근위 마이크로채널 개구(98)와 실질적으로 유사한 복수의 삼차 근위 마이크로채널 개구들을 갖는다. 마이크로 유체 디바이스(10)는 제1 이차 나노슬릿(102)과 실질적으로 유사한 복수의 이차 나노슬릿들을 더 포함한다. 마이크로 유체 디바이스(10)는 제1 이차 근위 파킹 챔버(110)와 실질적으로 유사한 복수의 이차 근위 파킹 챔버들을 더 포함한다. 복수의 이차 근위 나노슬릿들 각각은 복수의 이차 근위 파킹 챔버들 중 개개의 하나에 연결된다. 복수의 이차 근위 파킹 챔버들 각각은 복수의 이차 원위 마이크로채널 개구들 중 개개의 하나를 통해 이차 마이크로채널(22)에 연결되고, 복수의 일차 나노슬릿들 각각은 복수의 삼차 근위 마이크로채널 개구들 중 각각의 하나를 통해 삼차 마이크로채널(92)과 유체 연통한다.
일부 사례들에서, 마이크로 유체 디바이스(10)는 제1 이차 원위 파킹 챔버(118)와 실질적으로 유사할 수 있는 복수의 이차 원위 파킹 챔버들을 더 포함한다. 복수의 이차 나노슬릿들 각각은 복수의 이차 원위 파킹 챔버들 중 개개의 하나에 연결된다. 복수의 이차 원위 파킹 챔버들 각각은 복수의 삼차 근위 마이크로채널 개구들 중 개개의 하나를 통해 삼차 마이크로채널(92)에 연결된다.
일부 사례들에서, 마이크로 유체 디바이스(10)는 일차, 이차 및 삼차 마이크로채널들(12, 22, 92)과 실질적으로 유사한 복수의 마이크로채널들을 더 포함한다. 복수의 마이크로채널들 각각은 복수의 원위 마이크로채널 개구들을 갖는 원위 마이크로채널 표면을 갖는 마이크로채널 벽들에 의해 규정된다. 마이크로채널 벽들 각각은 복수의 근위 마이크로채널 개구들을 갖는 근위 마이크로채널 표면을 갖는다.
마이크로 유체 디바이스(10)는 일련의 복수의 나노슬릿들 및 일련의 복수의 근위 파킹 챔버들을 더 포함한다. 일련의 복수의 나노슬릿들 내의 나노슬릿들 각각은 일련의 복수의 근위 파킹 챔버들 중 개개의 근위 파킹 챔버에 연결된다. 일련의 복수의 근위 파킹 챔버들 내의 근위 파킹 챔버들 각각은 복수의 근위 마이크로채널 개구들 중 개개의 근위 마이크로채널 개구를 통해 복수의 마이크로채널들 중 개개의 근위 마이크로채널에 연결된다. 일련의 복수의 나노슬릿들 내의 나노슬릿들 각각은 복수의 원위 마이크로채널 개구들 중 개개의 원위 마이크로채널 개구를 통해 개개의 원위 마이크로채널과 유체 연통한다. 개개의 원위 마이크로채널은 개개의 근위 마이크로채널에 이웃한다.
일부 비제한적인 예들에서, 마이크로 유체 디바이스(10)는 일련의 복수의 원위 파킹 챔버들을 더 포함한다. 일련의 복수의 나노슬릿들 내의 나노슬릿들 각각은 일련의 복수의 원위 파킹 챔버들 중 개개의 원위 파킹 챔버에 연결된다. 일련의 복수의 원위 파킹 챔버들 내의 원위 파킹 챔버들 각각은 복수의 마이크로채널들 중 개개의 원위 마이크로채널에 연결된다.
일부 사례들에서, 복수의 마이크로채널들은 개방형이다. 일부 사례들에서, 복수의 마이크로채널들은 균일하게 이격된다. 일부 사례들에서, 복수의 마이크로채널들은 상이한 거리들의 통계적 분포만큼 이격된다.
일부 비제한적인 예들에서, 마이크로 유체 디바이스(10)는 근위 마이크로채널 개구들(28, 64, 98)과 실질적으로 유사한 복수의 말단 근위 마이크로채널 개구들을 갖는 말단 근위 마이크로채널 표면(130)을 갖는 말단 마이크로채널 벽들(128)에 의해 규정되는 말단 마이크로채널(126)을 더 포함한다. 일차 마이크로채널(12) 및 말단 마이크로채널(126)은 복수의 마이크로채널들의 대향 단부들에 포지셔닝된다. 복수의 마이크로채널들은 말단 마이크로채널(126)에 가장 가까운 페널티메이트 마이크로채널(penultimate microchannel)(132)을 포함하고, 페널티메이트 마이크로채널(132)은 원위 마이크로채널 개구들(18, 62, 90)과 실질적으로 유사한 복수의 페널티메이트 원위 마이크로채널 개구들을 갖는 페널티메이트 원위 마이크로채널 표면(136)을 갖는 페널티메이트 마이크로채널 벽들(134)에 의해 규정된다.
마이크로 유체 디바이스(10)는 나노슬릿들(32, 66, 102), 근위 파킹 챔버들(40, 74, 110) 및 원위 파킹 챔버들(48, 82, 118)과 실질적으로 유사한 복수의 말단 나노슬릿들, 복수의 말단 근위 파킹 챔버들 및 복수의 말단 원위 파킹 챔버들을 더 포함한다. 복수의 말단 나노슬릿들 각각은 복수의 말단 근위 파킹 챔버들 중 개개의 말단 근위 파킹 챔버에 연결된다. 복수의 말단 나노슬릿들 각각은 복수의 말단 원위 파킹 챔버들 중 개개의 말단 원위 파킹 챔버에 연결된다. 복수의 말단 근위 파킹 챔버들 각각은 복수의 페널티메이트 원위 마이크로채널 개구들 중 개개의 하나를 통해 페널티메이트 마이크로채널(132)에 연결된다. 복수의 말단 원위 파킹 챔버들 각각은 복수의 말단 근위 마이크로채널 개구들 중 개개의 하나를 통해 말단 마이크로채널(126)에 연결된다.
일부 사례들에서, 일차 마이크로채널(12)과 말단 마이크로채널(126)은 유체 연통한다.
일부 사례들에서, 마이크로 유체 디바이스(10) 내의 모든 나노슬릿들 중 적어도 50 %, 적어도 75 % 또는 적어도 90 %가 단 하나의 관심 분자 또는 입자 또는 관심 핵산 분자에 의해 점유된다.
도 1b를 참조하면, 일부 비제한적인 예들에서, 전술한 마이크로 유체 디바이스(10)는 시스템(200) 내에 구현될 수 있다. 시스템(200)은 마이크로 유체 디바이스(10), 디바이스 수용 챔버(202), 전원(204) 및 전원 제어기(206)를 포함한다.
디바이스 수용 챔버(202)는 디바이스 배향 부분(208) 및 적어도 2 개의 전극들(210)을 포함하고, 디바이스 배향 부분(208)은 마이크로 유체 디바이스(10)를 수용하고, 적어도 2 개의 전극들(210)에 대해 마이크로 유체 디바이스(10)를 재현 가능하게 배향하도록 구성된다. 전원(204)은 적어도 2 개의 전극들(210)과 전자 통신한다. 전원 제어기(206)는 전원 루틴을 실행하도록 구성된다.
시스템(200)은 마이크로 유체 디바이스(10) 내의 그리고/또는 디바이스 수용 챔버(202) 내의 액체를 가열 또는 냉각하도록 구성된 가열기 또는 냉각기(212)를 더 포함한다.
시스템(200)은 마이크로 유체 디바이스 및/또는 디바이스 수용 챔버(202) 내의 유체의 온도를 측정하도록 구성된 온도 측정 디바이스(214)를 더 포함한다.
시스템(200)은 마이크로 유체 디바이스 내에 위치된 분자들을 광학적으로 조사하도록 구성된 분광계(216)를 더 포함한다. 분광계(216)는 인접한 나노슬릿들에 위치된 분자들을 구별하기에 충분한 공간 해상도를 갖는다. 분광계(216)는 하나 이상의 파킹 챔버들 및/또는 하나 이상의 나노슬릿들의 점유 상태를 모니터링하도록 구성된다. 분광계(216)는 형광 현미경일 수 있다. 시스템(200)은 당업자들에게 알려진 컴퓨팅 디바이스 입력(예를 들어, 키보드 및 마우스, 마이크로폰 및 음성 인식 소프트웨어, 터치스크린 등)과 같은 사용자 입력(218)을 더 포함할 수 있다.
일부 사례들에서, 전원 제어기(206)는 관심 분자들 또는 입자들(50)에 관한 핵산 정전기 또는 유체 역학 정보, 마이크로 유체 디바이스(10)에 관한 마이크로 유체 디바이스 정전기 또는 유체 역학 정보, 관심 버퍼에 관한 버퍼 이온 강도 정보 또는 이들의 조합으로 프로그래밍되거나 이들을 수신하도록 구성된다.
도 3a-3e2를 참조하면, 시스템(200) 내의 마이크로 유체 디바이스(10)의 예시적인 동작 모드가 예시된다. 예시적인 동작 모드에서, 관심 분자들 또는 입자들(50)은 마이크로 유체 디바이스(10)의 제1 이차 나노슬릿(102)뿐만 아니라 복수의 이차 나노슬릿들 내에 파킹되고 로딩되는 것으로 도시된다. 이러한 동작 모드가 본 명세서에 설명된 마이크로 유체 디바이스(10)의 다양한 일차, 이차, 삼차 및 모든 다른 나노슬릿들 각각의 로딩에 적용 가능하다는 것이 이해될 것이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 전원 루틴은 (시점 1과 2 사이의) 제1 시간 길이 동안 제1 전압(둔각)을, (시점 3과 4 사이의) 제2 시간 길이 동안 제2 전압(VL)을 그리고 (시점 5로부터 미리 결정된 시점까지의) 제3 시간 길이 동안 제3 전압(V0)을 제공하도록 구성된다. 제1 전압(VP) 및 제1 시간 길이는 관심 분자들 또는 입자들(50)을 마이크로 유체 디바이스(10)의 관련된 파킹 챔버들로 로딩하도록 구성된다. 제2 전압(VL) 및 제2 시간 길이는 관심 분자들 또는 입자들(50)을 관련된 파킹 챔버들로부터 관련된 파킹 챔버들 중 하나에 각각 연결되는 관련된 나노슬릿들로 로딩하도록 구성된다. 제3 전압(V0) 및 제3 시간 길이는 관련된 나노슬릿들에 로딩된 핵산 분자들과 같은 관심 분자들 또는 입자들(50)이 덤벨 구성을 갖는 것을 가능하게 하도록 구성된다.
따라서, 도 3b1 및 3b2에 도시된 바와 같이, 제1 전압(VP)을 인가하기 전에, 관심 분자들 또는 입자들(50)은 이차 마이크로채널(22) 내에 배치되어, 디바이스 수용 챔버(202)를 채우는 버퍼 내에 부유할 수 있다. 이어서, 도 3c1 및 3c2에 도시된 바와 같이, 관심 분자들 또는 입자들(50)을 디바이스(10)의 다양한 파킹 챔버들에 로딩하기 위해 제1 전압(VP)이 제1 시간 길이 동안 인가된다. 이어서, 도 3d1 및 3d2에 도시된 바와 같이, 관심 분자들 또는 입자들(50)을 관련된 파킹 챔버들로부터 관련된 파킹 챔버들 중 하나에 각각 연결되는 관련된 나노슬릿들로 로딩하기 위해 제2 전압(VL)이 제2 시간 길이 동안 인가된다. 마지막으로, 도 3e1 및 3e2에 도시된 바와 같이, 관련된 나노슬릿들에 로딩된 핵산 분자들일 수 있는 관심 분자들 또는 입자들(50)이 덤벨 구성을 갖는 것을 가능하게 하기 위해 제3 전압(V0)이 제3 시간 길이 동안 인가된다.
일부 사례들에서, 전원 루틴은 전기 삼투력이 분자들의 운동을 지배하는 조건들에서 분자들을 파킹 챔버들에 로딩하도록 구성된다.
일부 사례들에서, 전원 루틴은 제1 전압을 인가하여 복수의 관심 분자들 또는 입자들(50)을 대응하는 파킹 챔버들에 로딩하고, 분자의 제1 크기에 대해 50 % 로딩 효율보다 더 크고 분자의 제2 크기에 대해 50 % 로딩 효율보다 작은 제2 전압을 인가하여, 복수의 관심 분자들 또는 입자들(50)과 비교할 때 제1 크기를 향해 더 무겁게 가중되는 크기 분포를 갖는 복수의 관심 분자들 또는 입자들(50) 중 일부를 복수의 나노슬릿들에 선택적으로 로딩하는 전압 루틴을 적용하도록 구성된다.
따라서, 일부 비제한적인 예들에서, 시스템(200)은 복수의 관심 분자들 또는 입자들(50)을 격리하도록 구성되는 마이크로 유체 디바이스(10)를 포함한다. 마이크로 유체 디바이스(10)는 복수의 파킹 챔버들 및 복수의 나노슬릿들을 포함한다. 복수의 나노슬릿들 각각은 복수의 파킹 챔버들 중 관련된 파킹 챔버에 연결된다. 복수의 파킹 챔버들 각각은 복수의 나노슬릿들 중 관련된 나노슬릿에 연결된다.
시스템(200)은 적어도 2 개의 전극들(210)을 포함하고, 적어도 2 개의 전극들(210)은 적어도 2 개의 전극들(210)에 전압을 인가하는 것이 복수의 나노슬릿들 양단의 전압의 적어도 일부를 제공하도록 마이크로 유체 디바이스에 대해 포지셔닝된다. 시스템(200)은 적어도 2 개의 전극들(210)과 전자 통신하는 전원(204)을 더 포함한다. 시스템(200)은 선택적으로 로딩되는 관심 분자들 또는 입자들(50)의 운동이 전기 삼투력들의 방향과 적어도 부분적으로 정렬되는 조건들에서 복수의 파킹 챔버들 중 적어도 일부에 복수의 관심 분자들 또는 입자들(50) 중 단지 하나를 선택적으로 로딩하도록 구성되는 전원 루틴을 실행하도록 구성되는 전원 제어기(206)를 더 포함한다. 전원 루틴은 (a) 적어도 2 개의 전극들(210)에 대한 마이크로 유체 디바이스의 기하학적 구조(geometry), (b) 마이크로 유체 디바이스(10) 내의 이온 버퍼의 이온 강도 및 (c) 마이크로 유체 디바이스의 정전기 또는 유체 역학 특성들 및 복수의 관심 분자들 또는 입자들(50)의 정전기 또는 유체 역학 특성들을 이용한다.
따라서, 일부 다른 비제한적인 예들에서, 시스템(200)은 복수의 관심 분자들 또는 입자들(50)을 격리하도록 구성되는 마이크로 유체 디바이스(10)를 포함한다. 마이크로 유체 디바이스(10)는 복수의 파킹 챔버들 및 복수의 나노슬릿들을 포함한다. 복수의 나노슬릿들 각각은 복수의 파킹 챔버들 중 관련된 파킹 챔버에 연결된다. 복수의 파킹 챔버들 각각은 복수의 나노슬릿들 중 관련된 나노슬릿에 연결된다. 시스템(200)은 적어도 2 개의 전극들(210)을 더 포함한다. 적어도 2 개의 전극들(210)은 적어도 2 개의 전극들(210)에 전압을 인가하는 것이 복수의 나노슬릿들 양단의 전압의 적어도 일부를 제공하도록 마이크로 유체 디바이스에 대해 포지셔닝된다. 시스템(200)은 적어도 2 개의 전극들(210)과 전자 통신하는 전원을 더 포함한다. 전원 제어기(206)는 제1 전압을 인가하여 복수의 관심 분자들 또는 입자들(50)을 대응하는 파킹 챔버들에 로딩하고, 분자의 제1 크기에 대해 50 % 로딩 효율보다 더 크고 분자의 제2 크기에 대해 50 % 로딩 효율보다 작은 제2 전압을 인가하여, 복수의 관심 분자들 또는 입자들(50)과 비교할 때 제1 크기를 향해 더 무겁게 가중되는 크기 분포를 갖는 복수의 관심 분자들 또는 입자들(50) 중 일부를 복수의 나노슬릿들에 선택적으로 로딩하는 전압 루틴을 적용하도록 구성되는 전원 루틴을 실행하도록 구성된다.
이제, 도 9를 참조하면, 시스템(200)을 사용하여 복수의 관심 분자들 또는 입자들(50) 중 적어도 일부를 마이크로 유체 디바이스(10)의 복수의 나노슬릿들에 로딩하는 방법이 아래에 제공된다.
방법은 단계(1000)에서 복수의 관심 분자들 또는 입자들(50)을 대응하는 복수의 나노슬릿들에 연결된 복수의 파킹 챔버들과 연통하는 마이크로채널에 도입하는 단계를 포함하며, 마이크로채널, 복수의 파킹 챔버들 및 대응하는 복수의 나노슬릿들 각각은 이온 강도를 갖는 이온 버퍼를 포함한다.
방법은 단계(1002)에서 제1 시간 길이 동안 제1 전압 - 제1 전압은 제1 전압 임계치보다 크고 제2 전압 임계치보다 작음 - 을 인가하여, 복수의 파킹 챔버들 중 적어도 일부가 단 하나의 관심 분자 또는 입자에 의해 점유되게 하는 단계를 더 포함한다.
방법은 단계(1004)에서 제2 시간 길이 동안 제2 전압 - 제 2전압은 제2 전압 임계치보다 큼 - 을 인가하여, 복수의 나노슬릿들 중 적어도 일부에 단 하나의 관심 분자 또는 입자가 로딩되게 하는 단계를 더 포함한다.
방법은, 단계(1006)에서 제3 시간 길이 동안 제3 전압 - 제3 전압은 제로 전압 또는 제1 전압 임계치보다 작음 - 을 인가하여, 복수의 나노슬릿들 중 적어도 일부에 로딩된 관심 분자들 또는 입자들(50)이 덤벨 구성을 갖게 하는 단계를 더 포함한다.
일부 사례들에서, 방법은 단계(1008)에서 덤벨 구성을 갖는 분자들을 광학적으로 조사하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일부 사례들에서, 방법은 단계(1010)에서 관심 분자들 또는 입자들(50)의 시퀀스를 매핑하는 단계를 더 포함할 수 있다. 따라서, 단계(1010)는 복수의 핵산 분자들 중 일부를 매핑하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 사례들에서, 제1 전압은 전기 삼투력이 분자들의 운동의 적어도 50 %에 기여하는 조건들을 제공하도록 선택된다. 일부 사례들에서, 제1 전압은 마이크로채널로부터 복수의 파킹 챔버들 중 일부로 이동하는 분자들의 운동이 전기 삼투력들의 방향과 적어도 부분적으로 정렬되는 조건들을 제공하도록 선택된다.
일부 사례들에서, 제2 전압 및 제2 시간 길이는 분자의 제1 크기에 대해 50 % 초과의 로딩 효율을 제공하고 분자의 제2 크기에 대해 50 % 미만의 로딩 효율을 제공하여, 복수의 관심 분자들 또는 입자들(50) 전체와 비교할 때 제1 크기를 향해 더 무겁게 가중되는 크기 분포를 갖는 복수의 관심 분자들 또는 입자들(50) 중 일부를 복수의 나노슬릿들에 로딩하도록 선택된다.
일부 사례들에서, 제1 전압, 제2 전압, 제3 전압 또는 이들의 조합은 복수의 나노슬릿들의 적어도 일부에 대해 +45° 내지 -45°의 각도로 인가된다.
일부 사례들에서, 단분산 샘플(siz)이 이용된다. 일부 사례들에서, 분자 크기들의 분산 모집단을 동시에 로딩하기 위해, 혼합된 기하학적 구조들을 갖는 디바이스가 이용될 수 있다. 일부 사례들에서, 디바이스는 본 명세서에 설명된 방법들을 수행하기 전에 혼합물을 분별할 수 있다.
도 1은 DNA: 디바이스 고려사항들의 정전기 감금 및 조작을 도시한다. (A) 마이크로채널/나노슬릿 디바이스 개략도(평면도): 100 nm H x 1 ㎛ W x 28.3 ㎛ L 나노슬릿들을 연결하는 1.6 ㎛ 높이 x 20 ㎛ 폭 마이크로채널들(분자 버스). 전체 디바이스 0.5 cm x 0.5 cm 정사각형은 126 개의 마이크로채널을 포함하고, 이들 각각은 분자 게이트들에 의해 경계가 정해지는 1100 개의 나노슬릿을 수용한다. (B) 버퍼 챔버 내의 전체 디바이스의 유한 요소 시뮬레이션에 의해 결정된 정전기 전위. 이러한 시뮬레이션들은 마이크로채널/나노슬릿 디바이스 내에 적절한 장 라인들을 생성하기 위한 전극 위치들을 유도하였다. (C) 마이크로채널/나노슬릿 디바이스(DIC 현미경에 의해 이미징됨)는 디바이스 마이크로채널 및 나노슬릿 특징들(70 V가 인가됨) 내의 장 라인들의 방향 및 크기를 보여주는 화살표들과 중첩된다. (D) 카툰(평면도)은 낮은 이온 강도 조건 및 높은 이온 강도 조건을 위한 동전기력들의 방향 및 크기를 나타낸다. 삽화는 나노슬릿들 및 분자 게이트들을 상술하는 패터닝된 실리콘 마스터의 SEM 현미경 사진(평면도)이다. 나노코딩된 라벨들(적색 반점들)을 갖는 DNA 덤벨들의 현미경 사진들은 디바이스 내에 배치된 것으로 도시된다. 낮은 I에서, 전기 삼투(E0, 청색 화살표들)는 마이크로채널을 따라 분자들을 유도하는 반면, 전기 영동(EP, 황색 화살표들)은 그들을 분자 게이트들을 향해 구동한다. 높은 I에서, 양 방향들은 전기영동에 의해 지배된다. 분자 궤적들(점선)도 도시된다. (E) 실리콘 마스터의 컵형 분자 게이트 특징들 및 치수들(평면도)의 SEM(주사 전자 현미경) 이미지. 이하의 예시는 마이크로채널(1.6 ㎛ 높이) 내의 DNA 분자들(녹색)을 나타낸다. 여러 개의 분자 게이트가 덤벨들을 형성하기 위해 다른 쪽으로 통과하는 나노슬릿들(100 nm 높이) 내로 스레딩되는 DNA들을 갖는 것으로 도시된다. 분자 게이트들의 하부에 있는 작은 1 ㎛ x 1OO nm 슬릿 개구들에 유의한다. 단면도(삽화)는 DNA 및 나노슬릿 벽들(적색)을 둘러싸는 교차하는 이온 분포들(녹색)을 도시한다. (F) 마이크로채널 내의 DNA 분자들(녹색 볼들/스레드들)을 나타내는 사시도; 삽화는 DNA 및 디바이스 벽들을 둘러싸는 이온 구름들을 도시한다. DNA 분자(녹색) 및 나노슬릿(적색)을 둘러싸는 낮은 이온 강도 및 높은 이온 강도에서의 이온 구름들을 보여주는 나노슬릿 내의 측단면도[(E); 섹션 AA 참조]. 낮은 I에서, "정전기 병"이 이온 구름들의 중첩의 인해 생성되어, 이제 강화된 (지속 길이가 증가된) DNA 분자를 정전기적으로 감금한다. 대조적으로, 높은 I는 짧은 디바이(Debye) 길이를 유발하여, 분자가 나노슬릿의 전체 높이에 걸쳐 더 자유롭게 확산할 수 있게 한다. 또한, 이온 강도 조건들은 집합적으로 화살표들로 예시된 전기삼투 흐름 장들의 프로파일에 영향을 미치며, 여기서 최대 속도는 감금 치수들과 디바이 길이 사이의 비율에 직접 의존한다.
도 2는 DNA 파킹이 이온 강도 조건들에 의해 제어되는 나노슬릿 로딩과 어떻게 동기화되는지를 예시한다. (A1 및 A2) 녹색 트레이스들은 파킹 없이 마이크로채널을 통해 이동하여 174 개의 이미지 프레임(0.03 초 간격)의 중첩에 의해 캡처된 나노슬릿들 내에 로딩되는 아데노 DNA 분자들의 궤적들을 도시하고; 디바이스는 도 1에 상세히 도시된다. (A1) 황색 화살표들은 전기삼투 및 전기영동 힘들 하에서의 DNA 이동(낮은 이온 강도: 0.51 mM)의 전체 방향을 나타낸다. "분자 게이트"/마이크로채널 인터페이스를 따른 강한 형광의 축적(A2)은 나노슬릿들을 통한 통과의 결여를 나타낸다. 청색 화살표들을 제외한 동일한 조건들은 높은 이온 강도(8.5 mM) 하에서 전기영동 힘들에 의해 지배되는 DNA 이동을 나타낸다. (B) 플롯은 파킹 단계 없이 분자 게이트 - 이어서 분자 게이트는 나노슬릿들에 로딩하도록 계속 진행됨 - 에 존재하는 것으로 이미징된 바와 같은 아데노 DNA 분자들의 로딩 효율(Le,nP) 또는 수율이 이온 강도 및 인가 전압(구형파 신호들: 0 V 내지 70 V 또는 0 V 내지 50 V； 0.1 Hz)에 따라 어떻게 변하는지를 보여준다. 에러 바들은 평균들에 대한 표준 편차들이고; 실험들을 위한 샘플 크기는 18-94 개의 분자 범위에 걸친다. 컬러들은 DNA 로딩 체제들: [황색] 예각 로딩(EO-EP), [녹색] 전이 및 [청색] 둔각(EP)을 강조한다. (C) 파킹 후에 3 개의 DNA 크기: 아데노(35.9 kb), 람다(48.5 kb) 및 T4(165.6 kb)에 걸친 시간 경과에 따른 로딩의 빈도(fL,P)를 보여주는 히스토그램. 삽화: 파킹 단계가 없는 분자들에 대한 로딩 빈도들(fL,nP); 라인들은 각각의 DNA 샘플에 대한 누적 빈도(23-67 번의 측정)를 나타낸다. 현미경 사진들은 파킹 및 로딩된 것으로 도시된 람다 DNA 분자들(녹색)의 예를 나타내고; 백색 윤곽들은 분자 게이트들 및 나노슬릿 벽들을 규정한다.
도 3b1-3e2는 T4 DNA 덤벨들의 파킹, 로딩 및 동기화된 형성을 도시한다. 나노슬릿들 내로의 파킹된 DNA 분자들의 동기화된 로딩 및 덤벨 형성을 트리거링하는 전기 신호의 개략도. 카툰들을 수반하는 현미경 사진들은 T4 (165.6 kb) DNA 분자들을 나타낸다: (1) 파킹을 위해 분자 게이트들(VP = 20 V； t= 0 s)을 향해 이동하는 여러 개의 마이크로채널 내에서). (2) 이러한 DNA 분자들의 일부는 이제 분자 게이트들 내에 존재하고(VP = 20 V； t= 70.10 s), 이제 파킹된다. (3-4) 파킹된 분자들은 덤벨들(5)의 어레이를 형성하기 위해(t = 74.01 s) 짧은 더 높은 전압 펄스(1.0 s; VL = 70 V)에 의해 인접하는 슬릿들에 동시에 로딩하도록 트리거링된다(t= 70.32 s).
도 4는 파킹 후에 DNA 로딩 동역학이 크기 및 인가 전압에 의해 지배된다는 것을 나타내는 플롯이다. 103-123 개의 분자가 DNA 샘플마다 측정되었고, I는 0.62 mM으로 고정되었고; 분자들은 10 V에서 70 V(하부 x축)까지 5 초 간격으로 5 V씩 인가 전압을 증분적으로 스테핑시키기 전에 10 V에서 20 초 동안 안정적으로 파킹되었다. 플롯은 LE,P 대 VL(V)를 나타내고, VL은 파킹된 분자들의 50 %가 나노슬릿들에 로딩되는 것으로 관찰되는 전압이고(수평 적색 라인); 점선 적색 라인들은 pXba(22.6 kb), 아데노(35.9 kb) 및 λ(48.5 kb) DNA 분자들에 대한 LE,P = 50 %에서의 개개의 VL 값들을 나타낸다.
도 5는 전기장들이 본 개시의 디바이스들 내에서 어떻게 모델링되는지를 도시한다. 좌측: 나노슬릿-마이크로채널 네트워크에 대한 저항기 네트워크 근사화. 단위 셀은 마이크로채널 저항을 표현하는 하나의 저항기 및 나노슬릿을 표현하는 하나의 저항기로 구성된다. 저항기들의 값은 방정식들의 푸아송-볼츠만 및 내비어-스토크스 시스템을 수반하는 1D 좁은 전해질 채널 모델로부터 획득될 수 있다. 우측: 20 V의 전위차가 인가될 때의 디바이스 및 탱크 내의 전위 및 전기장 라인들.
도 6은 디바이스 설계를 돕기 위한 FE 시뮬레이션들의 두 레벨을 도시한다. 디바이스 도메인은 완전한 정전기 상세들(전위, 장, 힘들) 및 내비어-스토크스/넌스트-플랑크 분자 시뮬레이션들을 포함하는 2차원 및 삼차원 분석에 대해 구분된다. 양쪽 연구들에 대한 대표적인 메시들(meshes)이 포함된다. 설계의 일차 컴포넌트는 마이크로채널 축 방향에 대한 전기장의 각도이다. 이 각도는 전기영동 및 전기삼투 힘들의 방향을 제어한다. 전극들의 위치는 이 각도에 기초하여 선택되었고, 이는 전극의 위치 1 및 5에 대해 도시되어 있다.
도 7은 이온 강도 - "중간 전극"에 의해 영향을 받는 DNA 로딩 역학의 요약을 나타낸다. 중간 전극 형태를 사용하면, 아데노 DNA 분자들(39.5 kb)의 이동은, 상이한 이온 강도 조건들: 0.05X TE(I = 0.51 mM) 또는 1X TE(I = 8.5 mM) 하에서 마이크로채널 디바이스(MC, 나노슬릿들 없음; 100 ㎛ 폭 x 3.3 ㎛ 높이) 또는 마이크로채널-나노슬릿 디바이스(MC/NS)를 통해 구동될 때 전기영동 또는 전기삼투 힘들에 의해 지배된다. 이온 강도에 따라, 전기삼투 또는 전기영동 힘들이 지배할 것이다. 측면 전극 형태의 경우, 낮은 또는 높은 이온 강도 용액들에 대한 로딩 체제는 각각 예각 또는 둔각 로딩이다. 예각 로딩은 전기 삼투 흐름에 의해 지배되는 반면, 전기영동 힘들은 둔각 로딩을 지배한다. 황색 및 청색 화살표들은 각각 전기삼투 흐름 및 전기영동 흐름을 나타낸다. 백색 화살표들은 분자들 나노슬릿 내로 로딩되는 방향을 나타낸다(N = 30 번의 측정).
도 8은 로다민 B 염료, 천연 및 카르복실 종단형 폴리스티렌 마이크로 구들의 로딩 역학을 도시한다. (a 및 b) 측면 전극 형태("+"; "-"; 전극 배향 및 극성을 나타냄)를 사용하면, 형광 라벨링된 카르복실 종단형(a) 또는 천연(b) 폴리스티렌 마이크로 구들은 마이크로채널-나노슬릿 디바이스를 통해 전기 삼투적으로 구동된다. a 및 b에서의 이미지들은 마이크로채널 내의 비드의 진행을 문서화하기 위해 하나의 이미지에 중첩되는 다수의 이미지들이다. 각각의 이미지 사이의 시간은 a에 대해 0.5 s이고 b에 대해 0.6 s이다. (c) 중립 로다민 B 염료는 마이크로채널-나노슬릿 디바이스의 마이크로채널에서 전기 삼투적으로 이동한다. 마이크로채널-나노슬릿 디바이스의 DIC(differential interference contrast: 차동 간섭 콘트라스트) 이미지는 형광 현미경 사진들의 상부에 오버레이된다. 컬러 탐색표가 이미지의 우측에 도시된다. 황색 화살표들은 전기삼투 흐름을 나타낸다.
디바이스 설계 및 기능을 향한 멀티-스케일 이론적 접근법. 다수의 길이 스케일들을 사용하여 포괄적인 이론적 연구가 수행되었으며, 이는 마이크로채널 및 나노슬릿 기하학적 구조들(도 1a)을 특징으로 하는 나노 유체 디바이스의 설계 및 기능들에 대한 정보를 주었다. 디바이스 특징들 및 이온 강도 조건들에 의해 제기되는 정전기 조건들은, 전기삼투(전기 구동 유체 흐름들) 및 전기영동 힘들 양쪽에 영향을 주어, DNA 이동을 제어한다. 이러한 힘들은 폴리머 물리학으로부터의 브로니안 역학(BD), 연속체 유한 요소(FE) 시뮬레이션들 및 인수들을 사용하여 연구되었고, 따라서 분자 감금 및 정전기 효과들(재료들 및 방법들) 둘 다를 이용하는 디바이스 특징들을 엔지니어링하였다. FE 계산들은 2 개의 레벨: 마이크로채널/컵/나노슬릿 기하학적 구조(도 1e)를 탐구한 최대 운동량 및 질량 균형 시뮬레이션들(넌스트-플랑크/스토크스 흐름)에 의해 보완된 상세한 정전기 연구에서 수행되었다. 정전기 시뮬레이션들은 주변 버퍼 매질에 침지된 디바이스 내의 결과적인 전기장 라인들 및 정전기 전위들의 계산을 통해 전극 위치들을 유도하였다. BD 시뮬레이션들은 DNA 분자들의 이동, 파킹 및 로딩을 위한 디바이스 내의 동전기 효과들을 가능하게 하는 통찰력을 제공했다.
전기 효과들: 전기영동 대 전기삼투. 우리는 나노슬릿들 내의 효율적인 동전기 로딩을 위해 DNA 분자들 및 디바이스 특징들 모두의 디바이 길이들을 제어하기 위해 정전기 고려 사항들을 이용한다. (여기서, kB는 볼츠만 상수, T는 온도, NA는 아보가드로 수, e는 기본 전하, ε0은 진공 유전율, εr은 유전 상수, I는 이온 강도)로서 정의되는 디바이 길이는 대전된 벽들 및 DNA 분자들 근처의 전기 이중 층(이온 구름)의 길이를 결정한다. 여기서, 특이한 디자인 테마는 전기 삼투 흐름들을 방해하기보다는 촉진하는 것이다. 그러나, 우리의 생각은 순수한 전기영동 힘들이 얽힘을 겪고 매우 큰 DNA 분자들을 다루기에 적합하지 않은 마이크로필라들로 장식된 나노슬릿들 내에 분자들을 효율적으로 로딩하기에는 불충분할 수 있다는 것이다. 도 1a 내지 1d는 마이크로 유체/나노 유체 디바이스의 전체 레이아웃을 도시한다. 도 1d는 전기 삼투 흐름들을 일으키는 이온 강도 체제들을 사용하는 DNA 조작을 위한 디바이스의 설계 및 기능들을 상세히 나타낸다. 디바이스는 DNA 분자들을 각각 대각선으로 배향된 나노슬릿에 접하는 분자 게이트 특징들(컵형 구조들)로 운반하기 위해 일련의 병렬 마이크로채널들(분자 버스)을 사용한다. 우리는 낮은 이온 강도(I<0.75 mM) 버퍼 조건들 및 디바이스의 음으로 대전된 벽들의 존재(PDMS 벽들은 O2 플라즈마 처리됨)로 인해 DNA 이동의 전기 삼투 섭동이 예상했다. 이온 강도(I>2 mM)를 증가시킴으로써, 우리는 전극 극성에 대해, 이동하는 DNA 분자들의 순 방향이 역전되는 것을 보았고, 이는 전기 삼투에서 전기 영동으로 지배력이 전이된다는 것을 나타낸다.
FE 계산들은 디바이스 기하학적 설계 및 현미경 장착된 버퍼 탱크 내의 전극들의 배치들에 대한 정보를 주었으며; 다수의 시스템들은 분자 조작들(파킹 및 로딩; 다음 섹션 참조)을 향상시키는 유효 전기장의 최적화를 위해 시뮬레이션되었다. 전극 포지션들은 마이크로채널들 내의 장 크기 및 방향을 제어하여, (아래에 설명되는 바와 같이) 이온 강도 I에 따라 분자들을 게이트들로 유도한다. 도 1c는 전극들에서 인가되는 70 V 하에서 도 1b의 전극 구성에 대해 FE에 의해 계산되는 전기장의 크기 및 방향을 나타낸다. 마이크로채널들 내에서, 장은 ~5°의 각도를 갖는 반면, 나노슬릿에서는 45°의 기하학적 방향을 따른다. 중요하게는, 마이크로채널들에 비해 나노슬릿들의 작은 단면적은 전기 저항을 증가시키고, 이는 해당 디바이스 특징 내의 전기장 강도를 증가시킨다(18-20 V/cm 대 8-9 V/cm).
이어서, 우리는 낮은(I = 0.44-0.89 mM) 또는 높은(1 = 9.0 및 17 mM) 이온 강도 조건들 하에서 나노슬릿 특징들 및 마이크로채널들에 대한 DNA 이동 방향을 "예각"(전기삼투 흐름) 또는 "둔각"(전기영동)으로 정의한다. 도 2a는 낮은 이온 강도 조건 및 높은 이온 강도 조건 하에서 디바이스 내의 아데노 DNA 분자들(35.9 kb)의 이동 궤적들을 드러내는 하나의 합성 이미지로서 렌더링된 시간 경과 이미징을 도시한다. 현저하게, 낮은 이온 강도 조건들은 모든 디바이스 특징들 내의 희소 점유들에 의해 입증되는 바와 같이 아데노 DNA 분자들이 디바이스의 나노슬릿 특징 내에 용이하게 로딩된 후에 나갈 수 있게 한다. 대조적으로, 높은 이온 강도 조건들 하에서, 분자들은 "분자 게이트"/마이크로채널 인터페이스를 따라 스커팅(skirting)함으로써 이동하고, 결과적으로, 나노슬릿들에 로딩하거나 통과하지 못한다. 도 2b는 2 개의 인가 전압(50 V 및 70 V)에서 평가되고 나노슬릿들 내로의 로딩 효율(Le,nP)에 의해 판단된 이온 강도 조건들의 범위에 걸친 이러한 발견들을 반영한다. 매우 낮은 이온 강도(I = 0.44-0.89 mM)에서, 아데노 DNA 분자들은 50 V 및 70 V에서 나노슬릿들에 정량적으로 로딩되지만, 이어서 로딩이 극적으로 감소하여, 가장 높은 이온 강도 조건들(I = 9.0 및 17 mM； 50 V)에서 거의 제로로 떨어진다.
전기 삼투는 대전된 분자들을 유사하게 대전된 전극 쪽으로 운반하는 흐름 구동력을 생성하며; 여기서 흐름 장은 DNA 분자들을 끌어 당기므로, 전기 삼투압은 "Zimm" 마찰 계수(; 여기서 및 는 각각 분자 선회 반경, 유효 폭 및 지속 길이임), 전기삼투 이동성 및 인가 전기장 E에 의존한다. 대조적으로, DNA 전기 영동 동안, 분자들은 전기 영동 동안 반대 전하를 갖는 전극으로 이동한다. 다가 전해질들(즉, DNA)은 전기 영동 동안 자유롭게 배출되기 때문에(이는 유체 역학적 차단이 없다는 것을 의미함), 전기 영동 힘은 이제 "루즈(Rouse)" 마찰 계수()의 함수이다. 결과적으로, 전기 영동 이동성 및 인가 전기장은 로 스케일링된다.
DNA 분자들의 둔각 이동은 로딩을 향상시킨다는 것이 직관적인 것처럼 보일 수 있지만, 우리는 낮은 이온 강도 조건과 높은 이온 강도 조건 사이의 로딩 레이트의 현저한 차이를 관찰했다. 우리는 이러한 차이가 나노슬릿들 내의 전기 삼투 흐름들에 기인하는 것으로 보았는데, 높은 이온 강도 조건들 하에서는 분자들이 분자 게이트들로부터 멀어지게 "푸시"된다. 나노슬릿 내에서, 전기 삼투 속도 장은 특성 속도 에 대한 추정치를 제공하는 스토크스 방정식들로부터 제1 근사치로서 계산될 수 있으며; 여기서 uE0는 전기 삼투 속도의 크기이고, H는 슬릿 높이이고 λD는 디바이 길이이다. 높은 이온 강도에서, 디바이 길이는 나노슬릿 높이에 비해 작으며, 이는 나노슬릿 내에서의 완전히 발달된 전기 삼투 흐름을 가능하게 한다. 그러나, 낮은 이온 강도 조건들에서, 흐름 장은 이제 나노슬릿 높이에 필적하는 확대된 디바이 길이에 의해 감쇠되어(도 1e), 이 흐름이 제거되고 로딩이 방지된다.
분자 게이트들: 파킹 , 로딩 및 동기화된 덤벨 형성. DNA 코일들의 Rg에 필적하는 분자 게이트 치수들(도 1e)은 각각의 나노슬릿의 진입시에 개별 분자를 배치하고 유지하도록 설계된다. 따라서, 스케일이 상당히 다른 이러한 디바이스 특징들은 나노슬릿들로의 DNA 분자들의 제어식 및 동기식 로딩의 지원을 제공한다. 우리는 낮은 인가 전압(VP) 하의 분자들이 분자 게이트들 내에 "파킹"될 것이고, 이어서 높은 전압(VL)에서, 나노슬릿들 내에 동기적으로 "로딩"되도록 트리거링될 수 있다고 판단했다. 우리는 먼저, 35.9 kb, 48.5 kb 및 165.6 kb(도 2c) 크기의 개별 분자들의 모집단에 대한 로딩 시간들을 측정함으로써 이 개념을 테스트하였다. 이 플롯은 ~80 ms(80 %-90 %)에서 완료되는 나노슬릿들로의 로딩의 비교적 엄격한 분포를 나타낸다. 대조적으로(도 2c의 삽화), 파킹되지 않은 분자들은 파킹 없이 분자 게이트들을 통과함으로써 분자들이 마이크로채널들로부터 나노슬릿들로 직접 진입하기 때문에 이제 수 초에 걸치는 로딩 시간들의 다소 넓은 분포를 나타낸다. 이러한 로딩 시간들(파킹 없음)은 다수의 나노슬릿들에 걸친 동기 로딩을 촉진하지 않지만, 이 실험은 분자 게이트들이 파킹 단계 없이도 나노슬릿들 내로의 큰 DNA 분자들의 효율적인 로딩을 지원한다는 것을 보여준다.
파킹된 분자들이 짧은 기간(도 2c) 내에 로딩되는 것을 고려하며, 우리는 이어서 다수의 슬릿들 내의 덤벨들의 동시 형성에 대해 이 효과를 평가하였다. 도 3b1-3e2는 VP= 20 V으로 마이크로채널들을 통해 이동하는 T4 DNA 분자들이 분자 게이트 내에 안정적으로 파킹되는 것을 도시한다. 짧은 펄스(VL= 70 V)의 인가는 파킹된 분자들을 나노슬릿들 내에 동기적으로 로딩하고, V = 0일 때 그들을 덤벨들로서 트래핑(trap)한다. 파킹 동안, VP는 시각적으로 판단될 때 분자 게이트들 내의 분자들이 압축되지만, 인접하는 나노슬릿들에는 로딩되지 않도록 주의 깊게 선택된다. 파킹되면, 로딩 전압(VL)은 비확산 및 고속 전좌(translocation)를 통해 나노슬릿들로의 통과를 트리거링하여, 동기화된 로딩을 촉진한다. 파킹으로부터 로딩으로의 이러한 전이는 분자들의 모집단에 대해 뚜렷하며, 이는 프로세스에서의 운동 에너지 장벽을 나타낸다(도 2c). 나노슬릿들 내의 로딩에 대한 상세한 역학은 복잡하며, 다른 공보에서의 시뮬레이션들을 통해 개발될 것이다. 여기서, 우리는 디바이스의 설계 및 동작을 위해 사용된 스케일링 인수들을 개발한다.
치수들 W x H x L을 갖는 컵(분자 게이트)을 고려하며, 여기서 우리는 컵 폭(W) 및 높이(H)가 동일하고 L이 길이인 것으로 가정한다. DNA 분자들은 (파킹 전압(VP)에 의해 구동되는) 전기장(EP)으로 인해 컵들 내에 파킹하여, 볼륨 W x H x LP를 점유할 것이며, 여기서 LP는 파킹된 분자의 겉보기 길이이다(DNA 분자들은 전체 컵 길이에 걸치지 않음). 감금된/파킹된 분자들의 자유 에너지에 대한 두 가지 일차 기여: 분자 세그먼트들과 벽들 사이의 상호작용들에 의해 주어지는 엔트로피 기여() 및 정전기 기여()가 존재한다. 엔트로피 기여는 "드젠(de Gennes)" 블롭(blob)들의 수를 계산하고 블롭당 kBT의 패널티, 즉 를 가정하여 추정될 수 있는 반면, 정전기 기여는 에 의해 주어진다. 여기서, N은 자유롭게 체결된 사슬을 형성하는 bk 개의 세그먼트의 수이고, v는 플로리(Flory) 지수이고, q는 분자 세그먼트 전하이다. 총 자유 에너지 최소치는 파킹된 길이(LP)의 값을 결정할 것이고, 블롭당 분자 세그먼트의 수에 대한 식 이 획득된다. 따라서, 컵 내부의 총 자유 에너지는 이다. 분자들이 파킹된 후에, 로딩 전압(VL)이 (전기장 EL을 이용하여) 인가되어, n 개의 분자 세그먼트를 구동하여 높이 H의 나노슬릿 안에 넣는다. 이러한 세그먼트들의 자유 에너지에 대한 엔트로피 기여는 또한 형태이며, 여기서 는 나노슬릿 내부의 세그먼트들의 수이다. 내부의 세그먼트들에 대한 정전기 기여는 이다. 컵 내의 분자들의 에너지와 나노슬릿 내의 세그먼트들 사이의 자유 에너지 차이는 자유 에너지 장벽()에 대한 추정치를 제공할 것이다. 제1 근사화로서, 로딩에 대한 에너지 장벽(~)은 총 분자 전하(q)(DNA 분자량에 비례함), 감금 또는 디바이스 높이(H) 및 로딩 전기장(EL)에 반비례한다. 따라서, 더 긴 DNA 분자들은 파킹 동안 분자 게이트 내에서 더 높은 전하 밀도들을 제공하고, 짧은 DNA 분자들보다 더 낮은 전압에서 로딩되어야 한다. 또한, 로딩 전압이 증가함에 따라, 에너지 장벽이 감소하며, 이는 로딩을 더 가능하게 하도록 작용하게 된다.
인가 전압은 DNA 분자들을 크기의 함수로서 다르게 로딩한다. 우리의 스케일링 인수들은, 파킹 후에 주어진 인가 전압에서의 나노슬릿들 내로의 로딩이 DNA 코일의 크기에 대한 현저한 의존성을 보여야 하고, 더 큰 분자들은 더 작은 것들 전에 로딩되도록 트리거링된다는 것을 나타낸다. 우리는 단계적 방식으로 인가 전압을 증가시킴으로써(10 V-70 V； 5 초 간격당 5 V) 이러한 개념을 탐구했고, 상이한 DNA 분자 크기들: pXba(22.6 kb), 아데노(35.9 kb) 및 λ(48.5 kb)에 대해 로딩 효율(LE,P)을 평가하였다. 우리는 LE,P를 파킹 후에 로딩되는 분자들의 수로서, 그리고 VL을 파킹된 분자들의 50 %가 나노슬릿들 내에 로딩되는 전압으로서 정의한다. 도 4는 더 큰 분자들 λ 및 아데노에 대한 파킹에서 로딩 상태로의 가파른 전이들을 나타내는 LE,P 대 VL(V)를 플로팅하며, 이는 pXba에 대해서는 덜 그러하다. 차동 로딩 효과들은 이 전압 단계화 스킴 하에서 명백하며: 30 V에서 아데노 DNA 분자들의 단지 5 %에 비해 파킹된 λ DNA의 66 %가 로딩된다는 것을 고려한다. 이 플롯의 분석은 또한 크기 의존적 로딩에 대한 역 선형 관계, LE,P(0.5) = -0.77 Mw + 67.5； (kbp 단위의 Mw)를 나타내고, 이는 더 큰 분자들이 더 작은 것들 전에 로딩된다는 것을 확인시킨다. 분자들의 직접 분리가 시도되지 않았지만, 이 플롯은 우수한 크기-의존적 분리들이 가능하다는 것을 암시한다.
DNA 덤벨들을 통한 게놈 매핑 : 메소플라즈마 플로럼(Mesoplasm florum). 우리는 나노코딩을 위해 라벨링된 엠. 플로럼(793 kb) 게놈 DNA를 사용하여 게놈들을 매핑하기 위한 파킹 및 로딩의 유효성을 평가하였다[(10); 방법들]. 간략하게는, 절단 변환은 YOYO-1(녹색 도너) 착색 및 공유 통합된 알렉사 플루오르 647(적색 억셉터) 모이어티(moiety)들에 의해 형성된 FRET 쌍들로서 이미징되는 Nt.BspQI에 의해 생성되는 절단 부위들에 형광 라벨링된 뉴클레오티드들을 배치한다. 이 라벨링 단계는 이미지 처리를 사용하여 반점 간격의 후속 측정을 통해 개별 DNA 분자들을 효과적으로 바코딩하여, "Nmap"라고 하는 분자당 하나의 제한 맵을 생성한다. 그러한 거리 측정들(픽셀들, nm)은 이온 스트레치 및 DNA 분자들(8)로 향하는 YOYO-1의 양에 의해 달성되는, SOMA 소프트웨어를 사용하는 정렬에 의해 결정되는 DNA 스트레치 추정들을 사용함으로써 킬로 베이스 쌍들로서 프래그먼트 크기들로 변환된다[(6); (7); (8); 및 방법들]. 따라서, 엠. 플로럼 기준 맵에 대한 전체 Nmap 데이터세트(906 개의 Nmap)의 쌍별 정렬 레이트는 0.85의 스트레치를 사용하여 86 %(781 개 정렬/총 906 개)로 최대화되었으며; 도 5는 전체 게놈에 걸치는 이러한 정렬들을 나타낸다. 간략하게, SOMA는 일련의 에러 모델들을 사용하여, 라벨링 레이트들(거짓 및 누락) 및 크기 조정 에러들을 반영하여, Nmap들을 스코어링한 후에 기준 게놈 상에 최적으로 배치한다. 기준 게놈은 단지, 컴퓨터에서 이용가능한 시퀀스로부터 생성된 순서화된 제한 맵이다. 우리는 시퀀스 정렬들을 위해 워터만 및 빈그론에 의해 사용된 것과 유사한 접근법을 사용하여 신뢰도 점수들(p-값들)을 생성한다. Vingron M & Waterman MS (1994) Sequence alignment and penalty choice. Review of concepts, case studies and implications. J Mol Biol 235(1):1-12를 참조한다.
논의
우리는 DNA 분자들 및 디바이스 자체 둘 다에 의해 나타나는 일련의 상승적 기능들을 포괄하는 나노 유체 디바이스의 설계를 통해 게놈 분석을 위한 정전기적으로 유발된 접근법을 생성하였다. 여기서, 매우 낮은 이온 강도 조건들은 스트레칭을 증대시키고, 나노슬릿들 내로 로딩하는 분자들의 효과적인 운반 및 시간 제어를 위해 전략적으로 결합한다. 이러한 진보들은 DNA 스트레칭을 크게 향상시키는 파킹 및 로딩을 통해 DNA 덤벨들이 게놈 DNA 분자들을 사용하여 엠. 플로럼을 매핑하기 위해 동기적으로 형성되고 분석되는 것을 가능하게 한다. 우리는 2 개의 일차 정전기 효과들: (1) 비교적 크고 쉽게 제조된 나노슬릿들 내의 DNA 분자들의 향상된 감금; (2) 분자 게이트들을 통해 나노슬릿들 내에 DNA 분자들을 로딩하는 것을 크게 용이하게 하고 동기화하는 전기삼투 및 전기영동 힘들 모두를 사용하는 동전기 작용들의 설명 및 이용을 통해 이를 달성하였다.
이러한 디바이스 효과들 및 기능들은 버퍼 이온 강도 조건들을 변화시킴으로써 DNA 분자들(다가 전해질) 및 대전된 디바이스 특징들과 관련된 디바이 길이들(λD)을 제어하는 것에 의존한다. 여기서, 높은 이온 강도 용액들(~8 mM)은 간소한 이온 구름들(~1 nm)을 생산하는 반면, 낮은 이온 강도 용액들(~0.1 mM)은 광대한 이온 구름들(~30 nm)을 생성한다. 따라서, 낮은 이온 강도에서, DNA 감금 및 결과적인 스트레칭을 향상시키기 위해 디바이스 나노슬릿(100 nm 높이) 및 DNA(60 nm 디바이 직경) 디바이 층들이 교차한다(도 1f). 낮은 이온 강도 조건들은 또한 DNA 분자들의 "강성" 또는 지속 길이를 증가시키며, 이는 디바이스 내의 DNA 스트레치를 더 향상시키는 또 다른 효과이다. 이러한 강성은 오디크-스콜닉-픽스맨 이론(Odijk-Skolnik-Fixman theory)을 따르며, 여기서 는 정전기 고려들을 배제하는 지속 길이이고, 이는 회전 반경: 에 의해 명시적으로 설명되는 DNA 랜덤 코일의 평균 치수를 지배한다. 따라서, 이온 강도 증가는 코일 치수들을 감소시키고; 예를 들어 우리는 I가 증가함에 따라(0.1 대 8.5 mM), 가 감소하고(358 대 53 nm), 따라서 Rg가 감소한다(1.9 대 0.7 ㎛)는 것을 안다. 중요하게는, 우리의 이전 작업은 나노 감금 하에서 DNA 지속 길이를 증가시키는 것이 그의 스트레치를 크게 증가시킨다는 것을 보였으며: ; 여기서 X는 측정된 분자 길이이고, L은 폴리머 윤곽 길이이고, A 및 B는 슬릿 높이 및 폭이다.
정전기 고려들은 그의 광범위한 응용의 전조가 되는 방식들로 DNA 분자들을 나노슬릿 기하학적 구조들 내에 동기적으로 로딩하는 디바이스 양식을 엔지니어링하는 것을 가능하게 하였다. 낮은 이온 강도 조건들에 의해 보완되는 분자 게이트 기하학적 구조의 전반적인 유용성은 나노슬릿들 파킹/로딩 내에서의 동기식 덤벨 형성을 통한 게놈 분석에 대한 유용성, 및 거의 "디지털 형태의" 분리 능력(도 4)을 보여주었으며, 여기서, 소정 조건들 하에서, 밀접하게 크기 조정된 DNA 분자들은 큰 이동도를 나타내거나, 효과적으로 어느 것도 없다. 또한, 우리는 파킹 및 로딩 루틴(도 2c)을 사용하지 않고도, 큰 DNA 분자들의 나노슬릿들로의 용이한 진입을 보여주었다.
게놈 분석을 위한 초기의 시스템들은 높은 처리량의 동작을 위한 잠재력을 입증할 때 신뢰성을 얻는다. 우리의 디바이스의 제한된 부분이 엠. 플로럼의 완전한 매핑을 위해 샘플링되었지만, 디바이스는 각각이 길이가 28 ㎛인 138600 개의 나노슬릿을 수용한다. 거의 4 미터의 총 길이로, 디바이스는 ~4 개의 반수성 인간 게놈 등가물에 대응하는 DNA 분자들을 보유할 수 있다. 이러한 용량이 주어지면, 디바이스의 점유된 부분들에 걸친 직렬 덤벨 형성 및 협력 이미징이 높은 처리량 동작을 가능하게 하는 자동화된 데이터 획득 스킴들이 쉽게 구상된다.
방법들
디바이스 설계 및 제조. 디바이스 제조는 표준 포토리소그래피 및 전자 빔 리소그래피 기술들을 통한 다중 단계이었으며: (1) 기준 마크들, UVIII는 실리콘 웨이퍼 상에 스핀 코팅된 다음에(~600 nm) JBX5DII 전자 빔 리소그래피 시스템(JEOL; CNTech； UW-Madison)을 사용하여 노광되었다. 산소 세정 프로세스는 금속 증착 전에 유기 퇴적물들 또는 잔류 레지스트를 제거했다. 실리콘 웨이퍼 사이의 접착을 촉진하기 위해 백금의 ~20 nm 층이 전자 빔 증착(CNTech; UW-Madison)에 의해 배치되었고; 이어서 다수의 층들 사이의 정렬을 위해 높은 콘트라스트 마크를 위해 금 층(~60 nm 두께)이 퇴적되었다. 초음파 처리(아세톤)가 과잉 금속의 리프트오프를 용이하게 하고, 이어서 이소프로필 알콜(IPA) 린스, 물 린스 및 공기 건조가 이어졌다. (2) SU8 2000.5 포토레지스트(~250 nm； MicroChem, Newton, MA)가 정렬 마크들 위에 박스들로서 도포되고 노광되어, 후속 에칭 단계들에 대해 마크들을 보호하였다. (3) SU8 2000.5가 웨이퍼 상에 스핀 코팅되었고(~250 nm), 나노슬릿들이 SU8 제거기 및 IPA를 사용하여 노광되고 현상되었다. SU8 나노슬릿들이 CF4(8 분, 10 mTorr; Unaxis 790, Unaxis Wafer Processing, St. Petersburg, FL)로 실리콘 웨이퍼 내로 에칭되고, 잔류 SU8을 제거하기 위해 5 분 동안 피라냐 욕조(80 % H2SO4 및 20 % H2O2) 내에 배치되고, 산을 제거하기 위해 물로 린스되었다. 마지막으로, 글로벌 및 칩 기준 마크들에 의해 슬릿들과 정렬된 분자 게이트들을 갖는 마이크로채널이 전자 빔 리소그래피에 의해 노광되었다. SI 방법들은 실리콘 복제 생성을 상세히 설명한다.
디바이스 셋업, 파킹 및 로딩. 접착된 PDMS 디바이스를 갖는 산 세정된 유리 커버슬립들이 파라핀 왁스를 사용하여 Plexiglas® 홀더에 부착되었다. 모세관 작용은 DNA(0.615 ng/μl), YOYO-1(물 내에서, 0.38 μM), B-메르캅토에탄올(3.65 %) 및 POP6(0.091 %； ThermoFisher Scientific)의 최종 농도들을 함유하는 3 μl 용액을 사용하여 디바이스 마이크로채널들을 로딩하였다. 다음에, 저장소들에 삽입된 백금 전극들을 사용하여 나노슬릿들로의 DNA 분자들의 동전기 로딩 전에 20 분 동안 2 ml의 0.05 XTE 버퍼(10 mM Tris-HCl, 1 mM EDTA； pH = 7.9； 전도도에 의해 체크된 용액 희석물)에 디바이스들이 침지되었다. 2.5 cm 떨어진 전극들로 전기 신호[~20 초： 구형 파형(20 V-70 V； 0.025 Hz)]를 사용하여 파킹 및 로딩을 통해 나노슬릿들에 DNA가 로딩되었다. 이어서, 이렇게 파킹된 분자들은 인접한 나노슬릿들 내에 동시 로딩되었다(구형파 신호를 사용하여 70 V; ~1 초 지속기간).
SI 방법들
마스터 디바이스의 PDMS 복제. PDMS[폴리(디메틸실록산), Sylgard 184, Dow Corning, Midland, MI] 복제물들이 PDMS에 10:1 비율(wt/wt)의 프리폴리머 대 백금 촉매를 붓고, 24 시간 동안 65℃에서 경화시킴으로써 형성되었다. PDMS 디바이스들은 O2(100 W, ~0.67 mbar, 36 초, Technics Plasma GMBH 440, Florence, KY)로 플라즈마 처리되어, 친수성 채널들을 생성하고, 24 시간 동안 초순수에 저장되었다. 추가로, 처리된 디바이스들은 0.5 M EDTA(에틸렌디아민테트라아세트산) pH 8.5에서 30 분 동안 초음파 처리하여 Pt+ 이온들(PDMS 촉매에 존재함)이 추출되었는데, 그 이유는 Pt+ 이온들이 삽입된 YOYO-1을 Pt+로 대체하여 YOYO-1/DNA 형광을 감쇠시키기 때문이다(1). 디바이스들은 초순수에서 5 회 린스되었고, 각각의 린스에 대해 실온에서 흔들어졌다. 마지막으로, PDMS 디바이스들이 전술한 바와 같이 세정된 유리 표면들 상에 장착하였다(2).
엠. 플로럼 DNA 준비, 라벨링 및 매핑. 엠. 플로럼 게놈 DNA가 겔 삽입물들에서 제조되었고(3), Nd.BspQI 제한 효소 부위들에서 절단되고, 이어서 우리의 이전에 보고된 나노코딩 프로토콜에 후속하는 플루오로크롬 라벨링된 뉴클레오티드들(알렉사 플루오르 647)를 사용하여 E. 콜리 폴리머라제 I 절단 변환에 의해 라벨링되었다(4). (DNA 샘플들은 또한, 엠. 플로럼 게놈의 완전한 매핑을 또한 지원하는 선형 분자들의 모집단들을 생성하기 위해 SmaI 및 ApaI로 제한적으로 소화되었다. 이렇게 라벨링된 분자들은 YOYO-1로 염색되었고, 나노 유체 디바이스들(도 1) 내에 파킹(20 V) 및 로딩(70 V； 도 3a)을 통해 덤벨들(11)로서 제공되었다. 제한 부위들이 녹색 DNA 백본에 대해 적색 반점들로서 이미징되었고, 삽입된 YOYO-1 염료(도너)의 레이저 여기를 사용하여 FRET(형광 공명 에너지 전달)에 의해 노출되었으며, FRET는 DNA 분자 내에 공유적으로 통합된 알렉사 647 플루오르들(억셉터)에 에너지를 비방사적으로 전달한다. FEET 이미징은 유리하게 단지 하나의 여기 소소를 요구함으로써 이미지 획들을 간소화하면서도, 통합되지 않은 플루오르들로부터의 배경 형광을 최소화한다(4). 개별 DNA 분자의 맵 또는 "Nmap"의 제한은 제한 부위들을 라벨링한 반점들에서 결정된 중심들 사이의 이미지 J 소프트웨어(5)를 사용하여 거리 측정들(픽셀들)에 의해 구성되었다. 이어서, 프래그먼트 크기들(kb)은 픽셀 길이들과 변환 인자(kb/픽셀)의 곱셈에 의해 추정되었고, 이는 또한, 시퀀스로부터 계산된 엠. 플로럼 Nt.BspQI 제한 맵에 대해 SOMA 소프트웨어(6-8)를 사용하는 Nmap 데이터세트(906 개의 Nmap)의 쌍별 정렬의 최적화 후에 명백한 DNA 스트레치(X/L = 0.85; 최대 길이, X/L = 1)를 제공하였다. SOMA 정렬 파라미터들은 크기 조정 및 누락 또는 의사 반점들과 같은 예상된 실험적 에러들을 통합하였고, 781/906(86 %)개의 Nmap은 엠. 플로럼 기준 맵에 정렬되었다(도 5).
나노슬릿들을 이용한 가늘고 긴 DNA에 대한 현미경 검사 및 데이터 획득. 여기를 위한 아르곤 레이저(488 nm, Spectra Physics)에 결합된 Zeiss 135 M(63 X 대물렌즈)이 YOYO-1 착색된 DNA 분자들을 이미징하는 데 사용되었다. 매뉴얼 콜렉트 실험실 소프트웨어(1)가 정지 이미지들을 위한 Hamamatsu Orca-M (Hamamatsu City, Japan) 카메라를 제어하였거나, Andor iXon EMCCD (Andor Technology Ltd., UK) 카메라가 파킹 및 로딩 동안 영화들을 획득하는 데 사용되었다. FRET를 겪는 반점들을 갖는 분자들의 집합에 대해, 2개의 상이한 포지션에 있는 필터들을 갖는 필터 홀더: 포지션 1에서, YOYO-1 여기(XF3086) 및 포지션 2에서, 알렉사 플루오르 647 (XF3076; Omega Optical, Inc.)의 FRET 여기(1).
정전기 및 브로니안 동적 시뮬레이션들
나노슬릿-마이크로채널 네트워크 내에서 DNA 파킹 및 로딩을 위해 사용하는 디바이스의 설계를 유도하기 위해, 우리는 다음의 접근법들 및 근사화들을 사용하여 그의 전기적 특성들을 시뮬레이션하였다. 디바이스에 걸친 전위 분포는 2차원 정전기 푸아송 방정식에 의해 고려되고, 여기서 마이크로채널-나노슬릿 네트워크는 이방성 전도도 텐서에 의해 모델링되고, PDMS 외부의 도메인은 등방성 벌크 버퍼 전도도를 갖는다. 전류 연속성은 버퍼-PDMS 경계에서 가정되고, 전류 절연은 욕조/탱크 벽들에서 가정된다. 욕조의 대각선 코너들에서의 전극들은 서로에 대한 소정의 전위차, 파킹에 대한 약 20 V 및 로딩 단계에 대한 70 V에서 취해진다. 네트워크 내의 결과적인 전위 분포는 네트워크의 많은 기간들에 걸친 평균 전위 증가를 표현하고, 디바이 층들 및 전기 삼투 현상들을 수반하는 컵을 통한 마이크로채널 대 나노슬릿 전이의 복잡한 상세들을 캡처하지 못한다. 나노슬릿-마이크로채널 네트워크의 이방성 전도도 텐서를 도출하기 위해 우리는 그것을 주기적 저항기 네트워크로서 근사화하는데, 이러한 네트워크에서는 단위 셀이 단지 2 개의 "저항기"로 구성되고, 그 중 하나는 마이크로채널의 저항을 표현하고, 다른 하나는 나노슬릿의 저항을 표현한다(도 5). 저항기들의 값은 수학식 9-10의 푸아송-볼츠만 및 내비어-스토크스 시스템을 수반하는 1D 좁은 전해질 채널 모델의 분석 처리를 이용하여 획득된다.
네트워크 전도도 텐서는 다음과 같이 주어진다:
여기서, Px, Py는 각각 x 및 y 방향에서의 네트워크의 주기들이고, Ln은 나노슬릿 채널의 길이이고, Rn, Rm은 나노슬릿 및 마이크로채널 세그먼트들의 저항들이고, α는 양의 x 방향을 갖는 나노슬릿 각도이다. 저항 Rn, Rm에 대한 1D 문제는 COMSOL 다중 물리학 패키지를 통해 유한 요소 방법(FEM)을 사용하여 해결된다. 통상적인 전위 및 전류 분포가 도 5에 도시되어 있다. 예를 들어, (30 nm 정도의 디바이 층 길이를 생성하는) 0.5 mM 버퍼로 채워진 20 mm x 20 mm 탱크 내의 10 mm x 10 mm 디바이스, 및 70 V의 전극 전위차에 대해, PDMS 양단의 약 4 V 강하가 예상된다. 마이크로채널들 내의 대응하는 전기장은 약 8 V/cm이다.
전극들의 위치를 유도하고 정전기력들의 값 및 방향을 아는 데 필요한 상세한 정전기 연구에 대해, FEM 솔루션이 수행되며, 여기서 맥스웰 방정식들은 완전한 디바이스 상에서 수치적으로 해결된다. 이 작업을 위해 COMS0L 다중 물리학 패키지도 사용된다. 도메인 구분은 2차 삼각 요소들을 사용하고 126 개의 마이크로채널 및 138600 개의 나노슬릿을 포함하는 12.5 백만 개의 자유도를 갖는 시뮬레이션들을 유발하였다. 3 세트의 시뮬레이션들이 수행되었으며, 여기서 양 및 음의 전극들의 위치는 서로에 대해 변경되어, 분자 파킹 및 로딩을 보장하는 최적의 조건들, 즉 전기장의 방향 및 정전기력들을 탐구하였다.
도 6은 2차원 및 삼차원 FE 분석을 위한 대표적인 메시들을 도시한다. 도면에서, 우리는 정전기(2D) 및 내비어-스토크스/넌스트-플랑크(3D) 시뮬레이션들을 위한 대표적인 메시들을 포함한다. 이론적 설계의 일차 컴포넌트는 마이크로채널마다 마이크로채널 축 방향에 대해 전기장 각도를 제어할 수 있는 것이다. 이러한 고려는 DNA 분자들이 전기영동 또는 전기삼투 힘들 하에서 취하는 방향을 제어하는 데에 기본적이다. 도면에서, 전기장 각도는 전극들이 포지션 1 및 5에 있을 때 x 좌표의 함수로서 플로팅된다. 포지션 1에 대해, 마이크로채널들 내의 전기장 방향은 25° 내지 30°이고, 이는 전체 디바이스에 걸친 DNA 이동의 균일한 제어를 가능하게 한다는 점에 유의한다. 그러나, 전극이 포지션 5에 위치되면, 전기장 각도는 아래로부터 위로 극적으로 변하고; 일부 영역들에서, 각도는 90°보다 훨씬 더 높다. 포지션 1은 디바이스 전체에 걸쳐 제어된 이동 및 동기화된 파킹 및 로딩을 가능하게 한다. 이 장점은 높은 처리량 동작의 전조가 되는 디바이스 영역의 완전한 사용을 보장한다. 예를 들어, 이 작업에서 사용되는 디바이스는 2.28 kb/㎛(YOYO-1 염색 DNA) = 8.84 Gb의 속도로 DNA 분자들을 하우징할 수 있는 128 마이크로채널 x 1100 나노슬릿 x 28 ㎛ 길이 나노슬릿들을 포함하며, 이는 디바이스 로딩당 2.8 인간 게놈과 등가이다.
DNA들, 비드들 및 로다민 염료를 이용하는 전기삼투 흐름 실험들
이온 강도는 마이크로채널/ 나노슬릿 디바이스 내의 DNA 이동에 영향을 미친다. 상이한 이온 강도 조건들(IS = 0.5 mM(0.05 X TE) 또는 8.5 mM(1 X TE)； pH = 7.9)에서의 DNA 분자들을 사용하여 이온 강도 조건들이 마이크로채널들에서의 전기삼투 흐름에 어떻게 영향을 미치는지를 시험하였다(도 2a1, 2a2 및 2b). DNA 분자들은 모세관 흐름을 통해 마이크로채널 내로 로딩되었고, 디바이스는 버퍼에 침지되었고, 그 후 전기장이 인가되었다. 이 실험(도 7)에서는 2 개의 상이한 디바이스: 여기서 설명된 디바이스 및 마이크로채널(100 ㎛ 폭 x 3.3 ㎛ 높이; (2))만을 갖는 디바이스가 이용된다. 이온 강도는 마이크로채널들 내에서의 전기 삼투 및 전기영동 흐름들의 기여들을 알리기 위해 DNA 이동이 취하는 방향으로 변경되었다. 디바이스에 20 V의 전압을 인가하고, 피나클 스튜디오 소프트웨어에 연결된 SIT 카메라를 사용하여 분자들을 이미징하였다. 분자들은 분자의 중심 포지션을 추적하기 위해 이미지 J 소프트웨어를 사용하여 분석되었다. 더 낮은 이온 강도 환경들에서, 마이크로채널에서의 이동은 예각 전기삼투 흐름이 지배적이다. 높은 이온 강도 조건들에서, 전기영동 힘들이 지배적이다.
카르복실 종단형 또는 천연 폴리스티렌 비드들. 카르복실 종단형 비드들(0.11 ㎛ 직경; Molecular Probes, Eugene, OR) 및 천연 폴리스티렌 비드들(0.11 ㎛ 직경; Polysciences, Wiblington, PA)이 마이크로채널에서의 전기삼투 흐름의 후속 분석을 위해 0.5 mM NaCl pH = 6.4에 희석되었다. 비드들은 모세관 로딩을 통해 마이크로 셀들 내로 로딩되었고, 그 후 전체 디바이스는 버퍼(0.5 mM NaCl pH = 6.4)에 침지되었고, Plexiglas 홀더는 현미경 스탠드에 장착되었고, 전원은 전극들에 부착되었다. 비드들은 마이크로채널들 내에서 동전기적으로 이동되어(20 V), 로딩 방향: 둔각(전기영동에 의해 지배됨); 또는 예각(전기삼투에 의해 지배됨)을 체크하였다. 비드들의 양쪽 세트들, 카르복실 종단형(도 8a) 및 천연 폴리스티렌 비드들(도 8b)은 낮은 이온 강도 하에서, DNA 분자들과 동일한 방향인 (전기삼투 흐름을 통한) 예각 로딩으로 마이크로채널에서 이동되며, 이는 전기삼투 흐름이 마이크로채널들에서 지배적이라는 것을 나타낸다. 희석된 비드들, 카르복실 종단형 또는 천연 폴리스티렌은 프레임 레이트 ~15 프레임/초를 갖는 Andior iXon 카메라를 사용하여 마이크로채널들에서 이미징되었고, ImageJ를 사용하여 시간 경과에 따라 추적되었다(5).
로다민 B 염료. 전기삼투 흐름을 설명하기 위해 마이크로채널들 내에 0.9 mM 로다민 B(Thermo Fisher Science, Waltham, MA) 염료(pH 4.7)의 플러그를 형성하였다. 플러그를 형성하기 위해, 물이 디바이스 내에 도입되었고, 이후 과잉 물(디바이스 외부의 물)이 제거되었고, 로다민 B 샘플이 디바이스의 다른 쪽의 입구에 추가되었고; 흡인기(aspirator)가 물의 일부를 제거하기 위해 사용되었고, 마지막으로 디바이스가 물에 침지되었다. 전압(50 V)이 디바이스에 인가되어 마이크로채널들에서 염료 이동을 야기하였고, 마이크로채널들은 컴퓨터에 의해 제어되는 피나클 스튜디오 비디오 디지타이저에 결합된 SIT 68 카메라를 사용하여 이미징되었다. 결과적인 영화들은 염료 이동 패턴들을 추적하기 위해 수동으로 분석되었다(도 4a-4c). 애노드를 향한 로다민의 이동은 전기 삼투력들을 나타낸다.
카르복실 종단형 또는 천연 폴리스티렌 비드들의 제타 전위 측정들. 천연 및 카르복실 종단형 폴리스티렌 비드들(0.11 ㎛)은 각각 Polyscience 및 Invitrogen으로부터 구매되었다. 천연 폴리스티렌 비드들 및 카르복실화된 폴리스티렌 비드들의 제타 전위들이 측정되고 Zatasizer Nano ZS 인스트루먼트(Malvern Instruments, Worcestershire, UK)를 사용하여 표준 용액(68 + 6.8 mV； Malvern Instruments, Worcestershire, UK)에 대해 참조되었다. 천연 및 카르복실 종단형 폴리스티렌 비드들은 증류, 고압가열 및 필터링된 물(0.2 ㎛ 필터)을 사용하여 희석되고, 이어서 0.5 mM NaCl까지 이르렀다.
본 발명은 하나 이상의 바람직한 실시예들과 관련하여 설명되었으며, 명시적으로 언급된 것들 외의 많은 등가물들, 대안들, 변형들 및 수정들이 가능하고 본 발명의 범위 내에 있다는 것을 이해해야 한다.
도 1a 내지 9를 참조하면, 본 개시는 또한 이하의 진술들을 포함한다.
1. 마이크로 유체 디바이스로서,
제1 일차 원위 마이크로채널 개구를 갖는 일차 원위 마이크로채널 표면을 갖는 일차 마이크로채널 벽들에 의해 규정되는 일차 마이크로채널 - 일차 마이크로채널은 일차 마이크로채널 높이를 가짐 -;
제1 이차 근위 마이크로채널 개구를 갖는 이차 근위 마이크로채널 표면을 갖는 이차 마이크로채널 벽들에 의해 규정되는 이차 마이크로채널 - 이차 마이크로채널은 이차 마이크로채널 높이를 가짐 -;
제1 일차 나노슬릿 높이, 제1 일차 나노슬릿 폭 및 제1 일차 나노슬릿 길이를 갖는 제1 일차 나노슬릿; 및
제1 일차 근위 파킹 챔버 높이, 제1 일차 근위 파킹 챔버 폭 및 제1 일차 근위 파킹 챔버 길이를 갖는 제1 일차 근위 파킹 챔버 - 제1 일차 나노슬릿은 제1 일차 근위 파킹 챔버에 연결되고, 제1 일차 근위 파킹 챔버는 제1 일차 원위 마이크로채널 개구를 통해 일차 마이크로채널에 연결되고, 제1 일차 나노슬릿은 제1 이차 근위 마이크로채널 개구를 통해 이차 마이크로채널과 유체 연통함 - 를 포함하는 마이크로 유체 디바이스.
2. 진술 1에 있어서, 마이크로 유체 디바이스는 제1 일차 원위 파킹 챔버 높이, 제1 일차 원위 파킹 챔버 폭 및 제1 일차 원위 파킹 챔버 길이를 갖는 제1 일차 원위 파킹 챔버를 더 포함하고, 제1 일차 나노슬릿은 제1 일차 원위 파킹 챔버에 연결되고, 제1 일차 원위 파킹 챔버는 제1 이차 근위 마이크로채널 개구를 통해 이차 마이크로채널에 연결되는 마이크로 유체 디바이스.
3. 진술 1 또는 2에 있어서, 제1 일차 근위 파킹 챔버는 1 nm3 내지 1 mm3의 제1 일차 근위 파킹 챔버 볼륨을 갖는 마이크로 유체 디바이스.
4. 진술 3에 있어서, 제1 일차 근위 파킹 챔버 볼륨은 1 ㎛3 내지 250 ㎛3인 마이크로 유체 디바이스.
5. 진술 2 내지 4 중 하나에 있어서, 제1 일차 원위 파킹 챔버는 1 nm3 내지 1 mm3의 제1 일차 원위 파킹 챔버 볼륨을 갖는 마이크로 유체 디바이스.
6. 진술 5에 있어서, 제1 일차 원위 파킹 챔버 볼륨은 1 ㎛3 내지 250 ㎛3인 마이크로 유체 디바이스.
7. 진술 1 내지 6 중 어느 하나에 있어서, 제1 일차 근위 파킹 챔버는 각각이 코일형 구조를 갖는 정수 개의 관심 분자 또는 입자에 의해 점유되고, 추가적인 관심 분자들 또는 입자들의 진입을 배제하도록 구성되는 마이크로 유체 디바이스.
8. 진술 7에 있어서, 정수 개의 관심 분자 또는 입자는 단일 관심 분자 또는 입자인 마이크로 유체 디바이스.
9. 진술 7 또는 8에 있어서, 정수 개의 관심 분자 또는 입자 및/또는 추가적인 관심 분자들 또는 입자들은 핵산 분자들인 마이크로 유체 디바이스.
10. 진술 1 내지 9 중 어느 하나에 있어서, 제1 일차 근위 파킹 챔버 높이는 일차 마이크로채널 높이의 1 % 내지 125 %인 마이크로 유체 디바이스.
11. 진술 1 내지 10 중 어느 하나에 있어서, 제1 일차 근위 파킹 챔버 높이는 일차 마이크로채널 높이의 75 % 내지 100 %인 마이크로 유체 디바이스.
12. 진술 2 내지 11 중 어느 하나에 있어서, 제1 일차 원위 파킹 챔버 높이는 이차 마이크로채널 높이의 1 % 내지 125 %인 마이크로 유체 디바이스.
13. 진술 2 내지 12 중 어느 하나에 있어서, 제1 일차 원위 파킹 챔버 높이는 이차 마이크로채널 높이의 75 % 내지 100 %인 마이크로 유체 디바이스.
14. 진술 1 내지 13 중 어느 하나에 있어서, 제1 일차 근위 파킹 챔버 높이는 10 nm 내지 10 mm, 100 nm 내지 50 ㎛ 또는 1.0 ㎛ 내지 5.0 ㎛인 마이크로 유체 디바이스.
15. 진술 1 내지 14 중 어느 하나에 있어서, 제1 일차 근위 파킹 챔버 폭은 10 nm 내지 10 mm, 100 nm 내지 50 ㎛, 또는 1.0 ㎛ 내지 5.0 ㎛인 마이크로 유체 디바이스.
16. 진술 1 내지 15 중 어느 하나에 있어서, 제1 일차 근위 파킹 챔버 길이는 10 nm 내지 10 mm, 100 nm 내지 50 ㎛ 또는 1.0 ㎛ 내지 10.0 ㎛인 마이크로 유체 디바이스.
17. 진술 2 내지 16 중 어느 하나에 있어서, 제1 일차 원위 파킹 챔버 높이는 10 nm 내지 10 mm, 100 nm 내지 50 ㎛ 또는 1.0 ㎛ 내지 5.0 ㎛인 마이크로 유체 디바이스.
18. 진술 2 내지 17 중 어느 하나에 있어서, 제1 일차 원위 파킹 챔버 폭은 10 nm 내지 10 mm, 100 nm 내지 50 ㎛ 또는 1.0 ㎛ 내지 5.0 ㎛인 마이크로 유체 디바이스.
19. 진술 2 내지 18 중 어느 하나에 있어서, 제1 일차 원위 파킹 챔버 길이는 10 nm 내지 10 mm, 100 nm 내지 50 ㎛ 또는 1.0 ㎛ 내지 10.0 ㎛인 마이크로 유체 디바이스.
20. 진술 1 내지 19 중 어느 하나에 있어서, 제1 일차 나노슬릿 높이는 제1 일차 근위 파킹 챔버 높이의 50 % 미만, 25 % 미만 또는 10 % 미만인 마이크로 유체 디바이스.
21. 진술 1 내지 20 중 어느 하나에 있어서, 제1 일차 나노슬릿 높이는 100 nm 이하인 마이크로 유체 디바이스.
22. 진술 1 내지 21 중 어느 하나에 있어서, 제1 일차 나노슬릿 폭은 제1 일차 근위 파킹 챔버 폭의 50 % 미만, 25 % 미만 또는 10 % 미만인 마이크로 유체 디바이스.
23. 진술 1 내지 22 중 어느 하나에 있어서, 제1 일차 나노슬릿 폭은 1 ㎛ 이하인 마이크로 유체 디바이스.
24. 진술 1 내지 23 중 어느 하나에 있어서, 제1 일차 나노슬릿 길이는 1 ㎛ 내지 10 mm인 마이크로 유체 디바이스.
25. 진술 1 내지 24 중 어느 하나에 있어서, 이다. 제1 일차 나노슬릿 길이는 10 ㎛ 내지 100 ㎛인 마이크로 유체 디바이스.
26. 진술 1 내지 25 중 어느 하나에 있어서, 제1 일차 나노슬릿은 일차 마이크로채널의 세로축에 대해 1° 내지 89°의 각도로 배향되는 마이크로 유체 디바이스.
27. 진술 26에 있어서, 제1 일차 나노슬릿은 일차 마이크로채널의 세로축에 대해 10° 내지 80°의 각도로 배향되는 마이크로 유체 디바이스.
28. 진술 27에 있어서, 제1 일차 나노슬릿은 일차 마이크로채널의 세로축에 대해 40° 내지 50°의 각도로 배향되는 마이크로 유체 디바이스.
29. 진술 1 내지 28 중 어느 하나에 있어서, 제1 일차 나노슬릿은 제1 일차 근위 파킹 챔버의 제1 일차 근위 파킹 챔버 단면적의 25 % 미만인 제1 일차 나노슬릿 단면적을 갖는 마이크로 유체 디바이스.
30. 진술 1 내지 29 중 어느 하나에 있어서, 일차 원위 마이크로채널 표면 및 이차 근위 마이크로채널 표면은 1 ㎛ 내지 10 mm의 일차 마이크로채널 분리 거리만큼 분리되는 마이크로 유체 디바이스.
31. 진술 30에 있어서, 일차 마이크로채널 분리 거리는 5 ㎛ 내지 1mm 또는 10 ㎛ 내지 1OO ㎛인 마이크로 유체 디바이스.
32. 진술 1 내지 31 중 어느 하나에 있어서, 일차 원위 마이크로채널 표면은 제2 일차 원위 마이크로채널 개구를 더 갖고, 이차 근위 마이크로채널 표면은 제2 이차 근위 마이크로채널 개구를 갖고, 마이크로 유체 디바이스는,
제2 일차 나노슬릿 높이, 제2 일차 나노슬릿 폭 및 제2 일차 나노슬릿 길이를 갖는 제2 일차 나노슬릿; 및
제2 일차 근위 파킹 챔버 높이, 제2 일차 근위 파킹 챔버 폭 및 제2 일차 근위 파킹 챔버 길이를 갖는 제2 일차 근위 파킹 챔버 - 제2 일차 근위 나노슬릿은 제2 일차 근위 파킹 챔버에 연결되고, 제2 일차 근위 파킹 챔버는 제2 일차 원위 마이크로채널 개구를 통해 일차 마이크로채널에 연결되고, 제2 일차 나노슬릿은 제2 이차 근위 마이크로채널 개구를 통해 이차 마이크로채널과 유체 연통함 - 를 더 포함하는 마이크로 유체 디바이스.
33. 진술 32에 있어서, 마이크로 유체 디바이스는 제2 일차 원위 파킹 챔버 높이, 제2 일차 원위 파킹 챔버 폭 및 제2 일차 원위 파킹 챔버 길이를 갖는 제2 일차 원위 파킹 챔버를 더 포함하고, 제2 일차 나노슬릿은 제2 일차 원위 파킹 챔버에 연결되고, 제2 일차 원위 파킹 챔버는 제2 이차 근위 마이크로채널 개구를 통해 이차 마이크로채널에 연결되는 마이크로 유체 디바이스.
34. 진술 1 내지 33 중 어느 하나에 있어서, 일차 원위 마이크로채널 표면은 복수의 일차 원위 마이크로채널 개구들을 더 갖고, 이차 근위 마이크로채널 표면은 복수의 이차 근위 마이크로채널 개구들을 갖고, 마이크로 유체 디바이스는,
복수의 일차 나노슬릿들; 및
복수의 일차 근위 파킹 챔버들 - 복수의 일차 근위 나노슬릿들 각각은 복수의 일차 근위 파킹 챔버들 중 개개의 하나에 연결되고, 복수의 일차 근위 파킹 챔버들 각각은 복수의 일차 원위 마이크로채널 개구들 중 개개의 하나를 통해 일차 마이크로채널에 연결되고, 복수의 일차 나노슬릿들 각각은 복수의 이차 근위 마이크로채널 개구들 중 개개의 하나를 통해 이차 마이크로채널과 유체 연통함 -
를 더 포함하는, 마이크로 유체 디바이스.
35. 진술 34에 있어서, 마이크로 유체 디바이스는 복수의 일차 원위 파킹 챔버들을 더 포함하고, 복수의 일차 나노슬릿들 각각은 복수의 일차 원위 파킹 챔버들 중 개개의 하나에 연결되고, 복수의 일차 원위 파킹 챔버들 각각은 복수의 이차 근위 마이크로채널 개구들 중 개개의 하나를 통해 제2 마이크로채널에 연결되는 마이크로 유체 디바이스.
36. 진술 34 또는 35에 있어서, 제2 일차 근위 파킹 챔버, 제2 일차 원위 파킹 챔버, 복수의 일차 근위 파킹 챔버 중 하나 이상 또는 복수의 일차 원위 파킹 챔버 중 하나 이상은 1 nm3 내지 1 mm3 또는 1 ㎛3 내지 250 ㎛3의 파킹 챔버 볼륨을 갖는 마이크로 유체 디바이스.
37. 진술 34 내지 36 중 어느 하나에 있어서, 복수의 일차 근위 파킹 챔버들 각각 또는 복수의 일차 원위 파킹 챔버들 각각은 코일형 구조의 정수 개의 관심 분자 또는 입자 또는 단일 관심 분자 또는 입자에 의해 점유되고, 추가적인 관심 분자들 또는 입자들의 진입을 배제하도록 구성되는 마이크로 유체 디바이스.
38. 진술 34 내지 37 중 어느 하나에 있어서, 복수의 일차 근위 파킹 챔버들 각각은 일차 마이크로채널 높이의 1 % 내지 125 % 또는 75 % 내지 100 %의 일차 근위 파킹 챔버 높이를 갖는 마이크로 유체 디바이스.
39. 진술 35 내지 38 중 어느 하나에 있어서, 복수의 일차 원위 파킹 챔버들은 이차 마이크로채널 높이의 1 % 내지 125 % 또는 75 % 내지 100 %의 일차 원위 파킹 챔버 높이를 갖는 마이크로 유체 디바이스.
40. 진술 34 내지 39 중 어느 하나에 있어서, 복수의 일차 근위 파킹 챔버들 각각은 10 nm 내지 10 mm, 100 nm 내지 50 ㎛ 또는 1.0 ㎛ 내지 5.0 ㎛의 일차 근위 파킹 챔버 높이를 갖는 마이크로 유체 디바이스.
41. 진술 34 내지 40 중 어느 하나에 있어서, 복수의 일차 근위 파킹 챔버들 각각은 10 nm 내지 10 mm, 100 nm 내지 50 ㎛ 또는 1.0 ㎛ 내지 5.0 ㎛의 일차 근위 파킹 챔버 폭을 갖는 마이크로 유체 디바이스.
42. 진술 34 내지 41 중 어느 하나에 있어서, 복수의 일차 근위 파킹 챔버들 각각은 10 nm 내지 10 mm, 100 nm 내지 50 ㎛ 또는 1.0 ㎛ 내지 10.0 ㎛의 일차 근위 파킹 챔버 길이를 갖는 마이크로 유체 디바이스.
43. 진술 35 내지 42 중 어느 하나에 있어서, 복수의 일차 원위 파킹 챔버들 각각은 10 nm 내지 10 mm, 100 nm 내지 50 ㎛ 또는 1.0 ㎛ 내지 5.0 ㎛의 일차 원위 파킹 챔버 높이를 갖는 마이크로 유체 디바이스.
44. 진술 제35 내지 43 중 어느 하나에 있어서, 복수의 일차 원위 파킹 챔버들 각각은 10 nm 내지 10 mm, 100 nm 내지 50 ㎛ 또는 1.0 ㎛ 내지 5.0 ㎛의 일차 원위 파킹 챔버 폭을 갖는 마이크로 유체 디바이스.
45. 진술 35 내지 44 중 어느 하나에 있어서, 복수의 일차 원위 파킹 챔버들 각각은 10 nm 내지 10 mm, 100 nm 내지 50 ㎛ 또는 1.0 ㎛ 내지 10.0 ㎛의 일차 원위 파킹 챔버 길이를 갖는 마이크로 유체 디바이스.
46. 진술 34 내지 45 중 어느 하나에 있어서, 복수의 일차 나노슬릿들 각각은 복수의 일차 나노슬릿들 각각에 연결되는 복수의 일차 근위 파킹 챔버들 중 개개의 하나에 대한 대응하는 일차 근위 파킹 챔버 높이의 50 % 미만, 25 % 미만 또는 10 % 미만의 일차 나노슬릿 높이를 갖는 마이크로 유체 디바이스.
47. 진술 46에 있어서, 일차 나노슬릿 높이는 100 nm 이하인 마이크로 유체 디바이스.
48. 진술 34 내지 47 중 어느 하나에 있어서, 복수의 일차 나노슬릿들 각각은 복수의 일차 나노슬릿들 각각에 연결되는 복수의 일차 근위 파킹 챔버들 중 개개의 하나에 대한 대응하는 일차 근위 파킹 챔버 폭의 50 % 미만, 25 % 미만 또는 10 % 미만의 일차 나노슬릿 폭을 갖는 마이크로 유체 디바이스.
49. 진술 48에 있어서, 일차 나노슬릿 폭은 1 ㎛ 이하인 마이크로 유체 디바이스.
50. 진술 34 내지 49 중 어느 하나에 있어서, 복수의 일차 나노슬릿들 각각은 1 ㎛ 내지 10 mm 또는 10 ㎛ 내지 100 ㎛의 일차 나노슬릿 길이를 갖는 마이크로 유체 디바이스.
51. 진술 34 내지 50 중 어느 하나에 있어서, 복수의 일차 나노슬릿들 각각은 일차 마이크로채널의 세로축에 대해 1° 내지 89°, 10° 내지 80° 또는 40° 내지 50°의 각도로 배향되는 마이크로 유체 디바이스.
52. 진술 34 내지 51 중 어느 하나에 있어서, 복수의 일차 나노슬릿들 각각은 복수의 일차 나노슬릿들 각각에 연결되는 복수의 일차 근위 파킹 챔버들 중 개개의 하나의 일차 근위 파킹 챔버 단면적의 25 % 미만인 일차 나노슬릿 단면적을 갖는 마이크로 유체 디바이스.
53. 진술 34 내지 52 중 어느 하나에 있어서, 복수의 일차 나노슬릿들 각각은 서로 실질적으로 평행한 마이크로 유체 디바이스.
54. 진술 34 내지 53 중 어느 하나에 있어서, 복수의 일차 나노슬릿들 각각은 실질적으로 동일한 길이인 마이크로 유체 디바이스.
55. 진술 34 내지 57 중 어느 하나에 있어서, 복수의 일차 나노슬릿들 각각은 상이한 길이들의 통계적 분포를 갖는 마이크로 유체 디바이스.
56. 진술 34 내지 58 중 어느 하나에 있어서, 복수의 일차 근위 파킹 챔버들은 1 nm 내지 1 mm, 100 nm 내지 100 ㎛ 또는 1 ㎛ 내지 25 ㎛의 일차 파킹 챔버 분리 거리만큼 분리되는 마이크로 유체 디바이스.
57. 진술 34 내지 56 중 어느 하나에 있어서, 복수의 일차 나노슬릿들 각각은 적어도 100 개의 일차 나노슬릿을 포함하는 마이크로 유체 디바이스.
58. 진술 34 내지 57 중 어느 하나에 있어서, 복수의 일차 나노슬릿들 각각은 적어도 500 개의 나노슬릿을 포함하는 마이크로 유체 디바이스.
59. 진술 34 내지 58 중 어느 하나에 있어서, 복수의 일차 나노슬릿들 각각은 적어도 1000 개의 나노슬릿을 포함하는 마이크로 유체 디바이스.
60. 진술 1 내지 59 중 어느 하나에 있어서, 이차 마이크로채널 벽들은 제1 이차 원위 마이크로채널 개구를 갖는 이차 원위 마이크로채널 표면을 갖고, 마이크로 유체 디바이스는,
제1 삼차 근위 마이크로채널 개구를 갖는 삼차 근위 마이크로채널 표면을 갖는 삼차 마이크로채널 벽들에 의해 규정되는 삼차 마이크로채널 채널 - 삼차 마이크로채널은 삼차 마이크로채널 높이를 가짐 -;
제1 이차 나노슬릿 높이, 제1 이차 나노슬릿 폭 및 제1 이차 나노슬릿 길이를 갖는 제1 이차 나노슬릿; 및
제1 이차 근위 파킹 챔버 높이, 제1 이차 근위 파킹 챔버 폭 및 제1 이차 근위 파킹 챔버 길이를 갖는 제1 이차 근위 파킹 챔버 - 제1 이차 나노슬릿은 제1 이차 근위 파킹 챔버에 연결되고, 제1 이차 근위 파킹 챔버는 제1 이차 원위 마이크로채널 개구를 통해 일차 마이크로채널에 연결되고, 제1 이차 나노슬릿은 제1 삼차 근위 마이크로채널 개구를 통해 제3 마이크로채널과 유체 연통함 - 를 더 포함하는 마이크로 유체 디바이스.
61. 진술 60에 있어서, 마이크로 유체 디바이스는 제1 이차 원위 파킹 챔버 높이, 제1 이차 원위 파킹 챔버 폭 및 제1 이차 원위 파킹 챔버 길이를 갖는 제1 이차 원위 파킹 챔버를 더 포함하고, 제1 이차 나노슬릿은 제1 이차 원위 파킹 챔버에 연결되고, 제1 이차 원위 파킹 챔버는 제1 삼차 근위 마이크로채널 개구를 통해 삼차 마이크로채널에 연결되는 마이크로 유체 디바이스.
62. 진술 60 또는 61에 있어서, 이차 원위 마이크로채널 표면은 복수의 이차 원위 마이크로채널 개구들을 더 갖고, 삼차 근위 마이크로채널 표면은 복수의 삼차 근위 마이크로채널 개구들을 갖고, 마이크로 유체 디바이스는,
복수의 이차 나노슬릿들; 및
복수의 이차 근위 파킹 챔버들 - 복수의 이차 근위 나노슬릿들 각각은 복수의 이차 근위 파킹 챔버들 중 개개의 하나에 연결되고, 복수의 이차 근위 파킹 챔버들 각각은 복수의 이차 원위 마이크로채널 개구들 중 개개의 하나를 통해 이차 마이크로채널에 연결되고, 복수의 일차 나노슬릿들 각각은 복수의 삼차 근위 마이크로채널 개구들 중 개개의 하나를 통해 삼차 마이크로채널과 유체 연통함 - 을 더 포함하는 마이크로 유체 디바이스.
63. 진술 62에 있어서, 마이크로 유체 디바이스는 복수의 이차 원위 파킹 챔버들을 더 포함하고, 복수의 이차 나노슬릿들 각각은 복수의 이차 원위 파킹 챔버들 중 개개의 하나에 연결되고, 복수의 이차 원위 파킹 챔버들 각각은 복수의 삼차 근위 마이크로채널 개구들 중 개개의 하나를 통해 삼차 마이크로채널에 연결되는 마이크로 유체 디바이스.
64. 진술 1 내지 63 중 어느 하나에 있어서, 마이크로 유체 디바이스는,
복수의 마이크로채널들 - 복수의 마이크로채널들 각각은 복수의 원위 마이크로채널 개구들을 갖는 원위 마이크로채널 표면을 갖는 마이크로채널 벽들에 의해 규정되고, 마이크로채널 벽들은 복수의 근위 마이크로채널 개구들을 갖는 근위 마이크로채널 표면을 가짐 -;
일련의 복수의 나노슬릿들;
일련의 복수의 근위 파킹 챔버들을 더 포함하고,
일련의 복수의 나노슬릿들 내의 나노슬릿들 각각은 일련의 복수의 근위 파킹 챔버들 중 개개의 근위 파킹 챔버에 연결되고,
일련의 복수의 근위 파킹 챔버들 내의 근위 파킹 챔버들 각각은 복수의 근위 마이크로채널 개구들 중의 개개의 근위 마이크로채널 개구를 통해 복수의 마이크로채널들 중 개개의 근위 마이크로채널에 연결되고,
일련의 복수의 나노슬릿들 내의 나노슬릿들 각각은 복수의 원위 마이크로채널 개구들 중 개개의 원위 마이크로채널 개구를 통해 개개의 원위 마이크로채널과 유체 연통하고,
개개의 원위 마이크로채널은 개개의 근위 마이크로채널에 이웃하는 마이크로 유체 디바이스.
65. 진술 64에 있어서, 마이크로 유체 디바이스는,
일련의 복수의 원위 파킹 챔버들을 더 포함하고,
일련의 복수의 나노슬릿들 내의 나노슬릿들 각각은 일련의 복수의 원위 파킹 챔버들 중 개개의 원위 파킹 챔버에 연결되고,
일련의 복수의 원위 파킹 챔버들 내의 원위 파킹 챔버들 각각은 복수의 마이크로채널들 중 개개의 원위 마이크로채널에 연결되는 마이크로 유체 디바이스.
66. 진술 64 또는 65에 있어서, 복수의 마이크로채널들은 개방형인 마이크로 유체 디바이스.
67. 진술 64 내지 66 중 어느 하나에 있어서, 복수의 마이크로채널들 각각은 균일하게 이격되는 마이크로 유체 디바이스.
68. 진술 64 내지 67 중 어느 하나에 있어서, 복수의 마이크로채널들 각각은 상이한 거리들의 통계적 분포만큼 이격되는 마이크로 유체 디바이스.
69. 진술 64 내지 68 중 어느 하나에 있어서, 마이크로 유체 디바이스는,
복수의 말단 근위 마이크로채널 개구들을 갖는 말단 근위 마이크로채널 표면을 갖는 말단 마이크로채널 벽들에 의해 규정되는 말단 마이크로채널 - 제1 마이크로채널 및 말단 마이크로채널은 복수의 마이크로채널들의 대향 단부들에 배치되고, 복수의 마이크로채널들은 말단 마이크로채널에 가장 가까운 페널티메이트 마이크로채널을 포함하고, 페널티메이트 마이크로채널은 복수의 페널티메이트 원위 마이크로채널 개구들을 갖는 페널티메이트 원위 마이크로채널 표면을 갖는 페널티메이트 마이크로채널 벽들에 의해 규정됨 -;
복수의 말단 나노슬릿들;
복수의 말단 근위 파킹 챔버들; 및
복수의 말단 원위 파킹 챔버들을 더 포함하고,
복수의 말단 나노슬릿들 각각은 복수의 말단 근위 파킹 챔버들 중 개개의 말단 근위 파킹 챔버에 연결되고,
복수의 말단 나노슬릿들 각각은 복수의 말단 원위 파킹 챔버들 중 개개의 말단 원위 파킹 챔버에 연결되고,
복수의 말단 근위 파킹 챔버들 각각은 복수의 페널티메이트 원위 마이크로채널 개구들 중 개개의 하나를 통해 페널티메이트 마이크로채널에 연결되고,
복수의 말단 원위 파킹 챔버들 각각은 복수의 말단 근위 마이크로채널 개구들 중 개개의 하나를 통해 말단 마이크로채널에 연결되는 마이크로 유체 디바이스.
70. 진술 69에 있어서, 제1 마이크로채널과 말단 마이크로채널은 유체 연통하는 마이크로 유체 디바이스.
진술 1 내지 70 중 어느 하나에 있어서, 마이크로 유체 디바이스 내의 모든 나노슬릿들 중 적어도 50 %, 적어도 75 % 또는 적어도 90 %가 단 하나의 관심 분자 또는 입자 또는 관심 핵산 분자에 의해 점유되는 마이크로 유체 디바이스.
71. 시스템으로서,
진술 1 내지 70 중 어느 하나에 따른 마이크로 유체 디바이스;
디바이스 배향 부분 및 적어도 2 개의 전극들을 포함하는 디바이스 수용 챔버 - 디바이스 배향 부분은 마이크로 유체 디바이스를 수용하고, 적어도 2 개의 전극들에 대해 마이크로 유체 디바이스를 재현 가능하게 배향하도록 구성됨 -;
적어도 2 개의 전극들과 전자 통신하는 전원; 및
전원 루틴을 실행하도록 구성된 전원 제어기를 포함하는 시스템.
72. 진술 71에 있어서, 마이크로 유체 디바이스 내의 그리고/또는 디바이스 수용 챔버 내의 액체를 가열 또는 냉각하도록 구성된 가열기 또는 냉각기를 더 포함하는 시스템.
73. 진술 71 또는 72에 있어서, 마이크로 유체 디바이스 및/또는 디바이스 수용 챔버 내의 유체의 온도를 측정하도록 구성된 온도 측정 디바이스를 더 포함하는 시스템.
74. 진술 71 내지 73 중 어느 하나에 있어서, 시스템은 마이크로 유체 디바이스 내에 위치된 분자들을 광학적으로 조사하도록 구성된 분광계를 더 포함하는 시스템.
75. 진술 74에 있어서, 분광계는 인접한 나노슬릿들 내에 위치된 분자들을 구별하기에 충분한 공간 해상도를 갖는 시스템.
76. 진술 74 또는 75에 있어서, 분광계는 하나 이상의 파킹 챔버들 및/또는 하나 이상의 나노슬릿들의 점유 상태를 모니터링하도록 구성되는 시스템.
77. 진술 74 내지 76 중 어느 하나에 있어서, 분광계는 형광 현미경인 시스템.
78. 진술 71 내지 77 중 어느 하나에 있어서, 사용자 입력을 더 포함하는 시스템.
79. 진술 71 내지 78 중 어느 하나에 있어서, 전원 제어기는 관심 분자들 또는 입자들에 관한 핵산 정전기 또는 유체 역학 정보, 마이크로 유체 디바이스에 관한 마이크로 유체 디바이스 정전기 또는 유체역학 정보, 관심 버퍼에 관한 버퍼 이온 강도 정보 또는 이들의 조합으로 프로그래밍되거나 이들을 수신하도록 구성되는 시스템.
80. 진술 71 내지 79 중 어느 하나에 있어서, 전원 루틴은 제1 시간 길이 동안 제1 전압을, 제2 시간 길이 동안 제2 전압을 그리고 제3 시간 길이 동안 제3 전압을 제공하도록 구성되고, 제1 전압 및 제1 시간 길이는 분자들을 관련된 파킹 챔버들에 로딩하도록 구성되고, 제2 전압 및 제2 시간 길이는 분자들을 관련된 파킹 챔버들로부터 관련된 파킹 챔버들 중 하나에 각각 연결되는 관련된 나노슬릿들로 로딩하도록 구성되고, 제3 전압 및 제3 시간 길이는 관련된 나노슬릿들에 로딩된 핵산 분자들이 덤벨 구성을 갖는 것을 허용하게 하도록 구성되는 시스템.
81. 진술 71 내지 80 중 어느 하나에 있어서, 전원 루틴은 전기 삼투력이 분자들의 운동을 지배하는 조건들 하에서 분자들을 파킹 챔버들에 로딩하도록 구성되는 시스템.
82. 진술 71 내지 81 중 어느 하나에 있어서, 전원 루틴은 제1 전압을 인가하여 복수의 관심 분자들 또는 입자들을 대응하는 파킹 챔버들에 로딩하고, 분자의 제1 크기에 대해 50 % 로딩 효율보다 더 크고 분자의 제2 크기에 대해 50 % 로딩 효율보다 더 작은 제2 전압을 인가하여, 복수의 관심 분자들 또는 입자들과 비교할 때 제1 크기를 향해 더 무겁게 가중되는 크기 분포를 갖는 복수의 관심 분자들 또는 입자들 중 일부를 복수의 나노슬릿들에 선택적으로 로딩하는 전압 루틴을 적용하도록 구성되는 시스템.
83. 시스템으로서,
복수의 관심 분자들 또는 입자들을 격리하도록 구성된 마이크로 유체 디바이스 - 마이크로 유체 디바이스는 복수의 파킹 챔버들 및 복수의 나노슬릿들을 포함하고, 복수의 나노슬릿들 각각은 복수의 파킹 챔버들 중 관련된 파킹 챔버에 연결되고, 복수의 파킹 챔버들 각각은 복수의 나노슬릿들 중 관련된 나노슬릿에 연결됨 -;
적어도 2 개의 전극들 - 적어도 2 개의 전극들은 적어도 2 개의 전극들에 전압을 인가하는 것이 복수의 나노슬릿들 양단의 전압의 적어도 일부를 제공하도록 마이크로 유체 디바이스에 대해 포지셔닝됨 -;
적어도 2 개의 전극들과 전자 통신하는 전원; 및
선택적으로 로딩되는 관심 분자들 또는 입자들의 운동이 전기 삼투력들의 방향과 적어도 부분적으로 정렬되는 조건들에서 복수의 파킹 챔버들 중 적어도 일부에 복수의 관심 분자들 또는 입자들 중 단지 하나를 선택적으로 로딩하도록 구성되는 전원 루틴을 실행하도록 구성되는 전원 제어기 - 전원 루틴은 (a) 적어도 2 개의 전극들에 대한 마이크로 유체 디바이스의 기하학적 구조, (b) 마이크로 유체 디바이스 내의 이온 버퍼의 이온 강도 및 (c) 마이크로 유체 디바이스의 정전기 또는 유체 역학 특성들 및 복수의 관심 분자들 또는 입자들의 정전기 또는 유체 역학 특성들을 이용함 - 를 포함하는 시스템.
84. 시스템으로서,
복수의 관심 분자들 또는 입자들을 격리하도록 구성된 마이크로 유체 디바이스 - 마이크로 유체 디바이스는 복수의 파킹 챔버들 및 복수의 나노슬릿들을 포함하고, 복수의 나노슬릿들 각각은 복수의 파킹 챔버들 중 관련된 파킹 챔버에 연결되고, 복수의 파킹 챔버들 각각은 복수의 나노슬릿들 중 관련된 나노슬릿에 연결됨 -;
적어도 2 개의 전극들 - 적어도 2 개의 전극들은 적어도 2 개의 전극들에 전압을 인가하는 것이 복수의 나노슬릿들 양단의 전압의 적어도 일부를 제공하도록 마이크로 유체 디바이스에 대해 포지셔닝됨 -;
적어도 2 개의 전극들과 전자 통신하는 전원; 및
제1 전압을 인가하여 복수의 관심 분자들 또는 입자들을 대응하는 파킹 챔버들에 로딩하고, 분자의 제1 크기에 대해 50 % 로딩 효율보다 더 크고 분자의 제2 크기에 대해 50 % 로딩 효율보다 더 작은 제2 전압을 인가하여, 복수의 관심 분자들 또는 입자들과 비교할 때 제1 크기를 향해 더 무겁게 가중되는 크기 분포를 갖는 복수의 관심 분자들 또는 입자들 중 일부를 복수의 나노슬릿들에 선택적으로 로딩하는 전압 루틴을 적용하도록 구성되는 전원 루틴을 실행하도록 구성되는 전원 제어기를 포함하는 시스템.
85. 복수의 관심 분자들 또는 입자들 중 적어도 일부를 복수의 나노슬릿들에 로딩하는 방법으로서,
복수의 관심 분자들 또는 입자들을 대응하는 복수의 나노슬릿들에 연결된 복수의 파킹 챔버들과 연통하는 마이크로채널에 도입하는 단계 - 마이크로채널, 복수의 파킹 챔버들 및 대응하는 복수의 나노슬릿들 각각은 이온 강도를 갖는 이온 버퍼를 포함함 -;
제1 시간 길이 동안 제1 전압 임계치보다 크고 제2 전압 임계치보다 작은 제1 전압을 인가하여, 복수의 파킹 챔버들 중 적어도 일부가 단 하나의 관심 분자 또는 입자에 의해 점유되게 하는 단계;
제2 시간 길이 동안 제2 전압 임계치보다 큰 제2 전압을 인가하여, 복수의 나노슬릿들 중 적어도 일부에 단 하나의 관심 분자 또는 입자가 로딩되게 하는 단계; 및
제3 시간 길이 동안 제로 전압 또는 제1 전압 임계치보다 작은 제3 전압을 인가하여, 복수의 나노슬릿들 중 적어도 일부에 로딩된 관심 분자들 또는 입자들이 덤벨 구성을 갖게 하는 단계를 포함하는 방법.
86. 진술 85에 있어서, 덤벨 구성을 갖는 분자들을 광학적으로 조사하는 단계를 더 포함하는 방법.
87. 진술 85 또는 86에 있어서, 분자들의 시퀀스를 매핑하는 단계를 더 포함하는 방법.
88. 진술 85 내지 87 중 어느 하나에 있어서, 제1 전압은 전기 삼투력이 분자들의 운동의 적어도 50 %에 기여하는 조건들을 제공하도록 선택되는 방법.
89. 진술 85 내지 88 중 어느 하나에 있어서, 제2 전압 및 제2 시간 길이는 분자의 제1 크기에 대해 50 % 초과의 로딩 효율을 제공하고, 분자의 제2 크기에 대해 50 % 미만의 로딩 효율을 제공하여, 복수의 관심 분자들 또는 입자들 전체와 비교할 때 제1 크기를 향해 더 무겁게 가중되는 크기 분포를 갖는 복수의 관심 입자들 또는 입자들 중 일부를 복수의 나노슬릿들에 로딩하도록 선택되는 방법.
90. 진술 85 내지 89 중 어느 하나에 있어서, 제1 전압, 제2 전압, 제3 전압 또는 이들의 조합은 복수의 나노슬릿들 중 적어도 일부에 대해 +45° 내지 -45°의 각도로 인가되는 방법.
91. 진술 85 내지 90 중 어느 하나에 있어서, 방법은 진술 1 내지 0 중 어느 하나의 디바이스 또는 진술 71 내지 84 중 어느 하나의 시스템을 사용하여 수행되는 방법.
Claims (20)
- 복수의 관심 분자들 또는 입자들 중 적어도 일부를 복수의 나노슬릿들(nanoslits)에 로딩하는 방법으로서,
a) 상기 복수의 관심 분자들 또는 입자들을 대응하는 복수의 나노슬릿들에 연결된 복수의 파킹 챔버들(parking chambers)과 연통하는 마이크로채널에 도입하는 단계 ― 상기 마이크로채널, 상기 복수의 파킹 챔버들 및 상기 대응하는 복수의 나노슬릿들 각각은 이온 강도를 갖는 이온 버퍼를 포함함 ―;
b) 제1 시간 간격 동안, 제1 전압 임계치보다 크고 제2 전압 임계치보다 작은 제1 전압을 인가하여, 상기 복수의 파킹 챔버들 중 적어도 일부가 단 하나의 관심 분자 또는 입자에 의해 점유되게 하는 단계;
c) 제2 시간 간격 동안, 상기 제2 전압 임계치보다 큰 제2 전압을 인가하여, 상기 복수의 나노슬릿들 중 적어도 일부에 상기 복수의 파킹 챔버들 중 상기 적어도 일부로부터의 단 하나의 관심 분자 또는 입자가 로딩되게 하는 단계; 및
d) 제3 시간 간격 동안, 제로 전압 또는 상기 제1 전압 임계치보다 작은 제3 전압을 인가하여, 상기 복수의 나노슬릿들 중 상기 적어도 일부에 로딩된 상기 관심 분자들 또는 입자들이 덤벨 구성(dumbbell configuration)을 갖게 하는 단계를 포함하는,
복수의 관심 분자들 또는 입자들 중 적어도 일부를 복수의 나노슬릿들에 로딩하는 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 전압, 상기 제1 시간 간격, 상기 제2 전압, 상기 제2 시간 간격, 상기 제3 전압, 상기 제3 시간 간격 또는 이들의 조합은 상기 마이크로채널 내로 도입된 상기 복수의 관심 분자들 또는 입자들 중 적어도 50 %가 상기 나노슬릿들 내에 로딩되고 덤벨 구성을 갖도록 선택되는,
복수의 관심 분자들 또는 입자들 중 적어도 일부를 복수의 나노슬릿들에 로딩하는 방법. - 제1 항에 있어서,
e) 상기 복수의 관심 분자들 또는 입자들 중 적어도 일부를 광학적으로 조사하는 단계를 더 포함하는,
복수의 관심 분자들 또는 입자들 중 적어도 일부를 복수의 나노슬릿들에 로딩하는 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 관심 분자들 또는 입자들은 핵산 분자들(nucleic acid molecules)인,
복수의 관심 분자들 또는 입자들 중 적어도 일부를 복수의 나노슬릿들에 로딩하는 방법. - 제4 항에 있어서,
상기 복수의 핵산 분자들 중 일부를 매핑하는 단계를 더 포함하는,
복수의 관심 분자들 또는 입자들 중 적어도 일부를 복수의 나노슬릿들에 로딩하는 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 전압은, 상기 마이크로채널로부터 상기 복수의 파킹 챔버들 중 상기 일부로 이동하는 분자들의 운동이 전기 삼투력들(electroosmotic forces)의 방향과 적어도 부분적으로 정렬되는 조건들을 제공하도록 선택되는,
복수의 관심 분자들 또는 입자들 중 적어도 일부를 복수의 나노슬릿들에 로딩하는 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 제2 전압 및 상기 제2 시간 간격은 분자의 제1 크기에 대해 50 % 초과의 로딩 효율을 제공하고, 분자의 제2 크기에 대해 50 % 미만의 로딩 효율을 제공하여, 상기 복수의 관심 분자들 또는 입자들 전체와 비교할 때, 상기 제1 크기를 향해 더 무겁게 가중되는 크기 분포를 갖는 상기 복수의 관심 입자들 또는 입자들 중 일부를 상기 복수의 나노슬릿들에 로딩하도록 선택되는,
복수의 관심 분자들 또는 입자들 중 적어도 일부를 복수의 나노슬릿들에 로딩하는 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 전압, 상기 제2 전압, 상기 제3 전압 또는 이들의 조합은 상기 복수의 나노슬릿들 중 상기 적어도 일부에 대해 +45° 내지 -45°의 각도로 인가되는,
복수의 관심 분자들 또는 입자들 중 적어도 일부를 복수의 나노슬릿들에 로딩하는 방법. - 복수의 관심 분자들 또는 입자들을 격리하도록 구성된 마이크로 유체 디바이스(microfluidic device) ― 상기 마이크로 유체 디바이스는 복수의 파킹 챔버들 및 복수의 나노슬릿들을 포함하고, 상기 복수의 나노슬릿들 각각은 상기 복수의 파킹 챔버들 중 관련된 파킹 챔버에 연결되고, 상기 복수의 파킹 챔버들 각각은 상기 복수의 나노슬릿들 중 관련된 나노슬릿에 연결됨 ―;
적어도 2 개의 전극들 ― 상기 적어도 2 개의 전극들은, 상기 적어도 2 개의 전극들에 전압을 인가하는 것이 상기 복수의 나노슬릿들 양단의 전압 중 적어도 일부를 제공하도록 상기 마이크로 유체 디바이스에 대해 포지셔닝됨 ―;
상기 적어도 2 개의 전극들과 전자 통신하는 전원; 및
전원 루틴을 실행하도록 구성된 전원 제어기를 포함하고,
상기 전원 루틴은,
제1 시간 간격 동안 제1 전압을, 제2 시간 간격 동안 제2 전압을 그리고 제3 시간 간격 동안 제3 전압을 인가하는 것 ― 상기 제1 전압 및 상기 제1 시간 간격은 상기 복수의 파킹 챔버들 중 적어도 일부가 단 하나의 관심 분자 또는 입자에 의해 점유되게 하도록 구성되고, 상기 제2 전압 및 상기 제2 시간 간격은 상기 복수의 파킹 챔버들 중 상기 적어도 일부로부터의 단 하나의 관심 분자 또는 입자가 상기 복수의 나노슬릿들 중 적어도 일부에 로딩되게 하도록 구성되고, 상기 제3 전압 및 상기 제3 시간 간격은 상기 복수의 나노슬릿들 중 상기 적어도 일부에 로딩된 상기 관심 분자들 또는 입자들이 덤벨 구성을 갖는 것을 허용하게 하도록 구성됨 ―;
선택적으로 로딩되는 관심 분자들 또는 입자들의 운동이 전기 삼투력들의 방향과 적어도 부분적으로 정렬되는 조건들 하에서 상기 복수의 파킹 챔버들 중 상기 적어도 일부에 상기 복수의 관심 분자들 또는 입자들 중 단 하나를 선택적으로 로딩하는 것 ― 상기 전원 루틴은 (a) 상기 적어도 2 개의 전극들에 대한 상기 마이크로 유체 디바이스의 기하학적 구조, (b) 상기 마이크로 유체 디바이스 내의 이온 버퍼의 이온 강도 및 (c) 상기 마이크로 유체 디바이스의 정전기 또는 유체 역학 특성들 및 상기 복수의 관심 분자들 또는 입자들의 정전기 또는 유체 역학 특성들을 이용함 ―; 또는
일차 전압을 인가하여 상기 복수의 관심 분자들 또는 입자들 중 적어도 제2 부분을 대응하는 파킹 챔버들에 로딩하고, 분자의 제1 크기에 대해 50 % 로딩 효율보다 더 크고 분자의 제2 크기에 대해 50 % 로딩 효율보다 더 작은 이차 전압을 인가하여, 상기 복수의 관심 분자들 또는 입자들과 비교할 때, 상기 제1 크기를 향해 더 무겁게 가중되는 크기 분포를 갖는 상기 복수의 관심 분자들 또는 입자들 중 일부를 상기 복수의 나노슬릿들에 선택적으로 로딩하는 전압 루틴을 적용하는 것
중 하나 이상을 수행하도록 구성되는,
시스템. - 제9 항에 있어서,
상기 마이크로 유체 디바이스 내의 액체를 가열 또는 냉각하도록 구성된 가열기 또는 냉각기를 더 포함하는,
시스템. - 제9 항에 있어서,
상기 마이크로 유체 디바이스 내의 유체의 온도를 측정하도록 구성된 온도 측정 디바이스를 더 포함하는,
시스템. - 제9 항에 있어서,
상기 마이크로 유체 디바이스 내에 위치된 관심 분자들 또는 입자들을 광학적으로 조사하도록 구성된 분광계(spectrometer)를 더 포함하는,
시스템. - 제12 항에 있어서,
상기 분광계는 인접한 나노슬릿들 내에 로딩된 관심 분자들 또는 입자들을 구별하기에 충분한 공간 해상도를 갖는,
시스템. - 제12 항에 있어서,
상기 분광계는 상기 복수의 파킹 챔버들 하나 이상 또는 상기 복수의 나노슬릿들 중 하나 이상의 점유 상태를 모니터링하도록 구성되는,
시스템. - 제12 항에 있어서,
상기 분광계는 형광 현미경인,
시스템. - 제9 항에 있어서,
상기 전원 제어기는 상기 복수의 관심 분자들 또는 입자들의 정전기 또는 유체 역학 정보, 상기 마이크로 유체 디바이스의 정전기 또는 유체 역학 정보, 상기 마이크로 유체 디바이스 내의 상기 이온 버퍼에 관한 버퍼 이온 강도 정보 또는 이들의 조합으로 프로그래밍되거나 이들을 수신하도록 구성되는,
시스템. - 제9 항에 있어서,
상기 전원 루틴은 상기 제1 시간 간격 동안 상기 제1 전압을, 상기 제2 시간 간격 동안 상기 제2 전압을 그리고 상기 제3 시간 간격 동안 상기 제3 전압을 인가하도록 구성되고, 상기 제1 전압 및 상기 제1 시간 간격은 상기 복수의 파킹 챔버들 중 상기 적어도 일부가 단 하나의 관심 분자 또는 입자에 의해 점유되게 하도록 구성되고, 상기 제2 전압 및 상기 제2 시간 간격은 상기 복수의 파킹 챔버들 중 상기 적어도 일부로부터의 단 하나의 관심 분자 또는 입자가 상기 복수의 나노슬릿들 중 상기 적어도 일부에 로딩되게 하도록 구성되고, 상기 제3 전압 및 상기 제3 시간 간격은 상기 복수의 나노슬릿들 중 상기 적어도 일부에 로딩된 상기 관심 분자들 또는 입자들이 상기 덤벨 구성을 갖는 것을 허용하게 하도록 구성되는,
시스템. - 제9 항에 있어서,
상기 전원 루틴은 선택적으로 로딩되는 관심 분자들 또는 입자들의 운동이 상기 전기 삼투력들의 방향과 적어도 부분적으로 정렬되는 조건들 하에서 상기 복수의 파킹 챔버들 중 상기 적어도 일부에 상기 복수의 관심 분자들 또는 입자들 중 단 하나를 선택적으로 로딩하도록 구성되고, 상기 전원 루틴은 (a) 상기 적어도 2 개의 전극들에 대한 상기 마이크로 유체 디바이스의 상기 기하학적 구조, (b) 상기 마이크로 유체 디바이스 내의 상기 이온 버퍼의 상기 이온 강도 및 (c) 상기 마이크로 유체 디바이스의 상기 정전기 또는 유체 역학 특성들 및 상기 복수의 관심 분자들 또는 입자들의 상기 정전기 또는 유체 역학 특성들을 이용하는,
시스템. - 제9 항에 있어서,
상기 전원 루틴은 일차 전압을 인가하여 상기 복수의 관심 분자들 또는 입자들 중 적어도 제2 부분을 상기 대응하는 파킹 챔버들에 로딩하고, 분자의 제1 크기에 대해 50 % 로딩 효율보다 더 크고 분자의 제2 크기에 대해 50 % 로딩 효율보다 더 작은 이차 전압을 인가하여, 상기 복수의 관심 분자들 또는 입자들과 비교할 때, 상기 제1 크기를 향해 더 무겁게 가중되는 크기 분포를 갖는 상기 복수의 관심 분자들 또는 입자들 중 일부를 상기 복수의 나노슬릿들에 선택적으로 로딩하는 전압 루틴을 적용하도록 구성되는,
시스템. - 삭제
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