KR102627913B1 - 서멀 제어 기기 및 사용 방법 - Google Patents

Abstract

온도 사이클링에서 개선된 제어 및 효율을 제공하도록 적용된 서멀 제어 기기가 본원 명세서에 제공된다. 이러한 서멀 제어 기기는 열전기 냉각기의 대향 면 및/또는 미세환경을 제어하기 위해 또 다른 서멀 처리기기와 협력하여 제어되는 열전기 냉각기를 포함할 수 있다. 일부 그러한 서멀 제어 기기는 서멀 커패시터에 의해 분리된 제1 및 제2 열전기 냉각기를 포함한다. 서멀 제어 기기는 반응 용기 내의 유체 샘플의 중합효소 연쇄 반응에서의 서멀 사이클링에 사용하기 위한 샘플 분석기의 평면 반응 용기와 열적으로 결합하기 위한 수단을 갖는 평면 형상으로 구성될 수 있다. 이러한 서멀 제어 기기를 사용하는 서멀 사이클링 방법이 또한 제공된다.

Description

서멀 제어 기기 및 사용 방법

관련 출원에 대한 상호 참조

본원은 2015년 7월 23일자로 출원된 "서멀 제어 기기 및 사용 방법(Thermal Control Device and Methods of Use)"이라는 명칭의 미국 임시특허출원 제62/196,267호를 기초로 우선권을 주장한 것이며 상기 미국 임시특허출원의 전체 내용은 인용에 의해 본원에 보완된다.

본원은 일반적으로는 2013년 3월 15일자로 출원된 "벌집 튜브(Honeycomb tube)"라는 제목의 미국 특허출원 제13/843,739호; 2002년 2월 25일자로 출원된 "유체 처리 및 제어(Fluid Processing and Control)"라는 제목의 미국 특허 제8,048,386호; 및 2000년 8월 25일자로 출원된 "유체 제어 및 처리 시스템(Fluid Control and Processing System)"이라는 명칭의 미국 특허 제6,374,684호;에 관련된 것이며, 이러한 미국 특허출원 및 특허 각각의 전체는 모든 목적을 위해 인용에 의해 본원에 보완된다.

기술분야

본 발명은 일반적으로는 서멀 제어 기기에 관한 것이며, 더 구체적으로는 핵산 분석에서의 서멀 사이클링을 위한 기기, 시스템 및 방법에 관한 것이다.

다양한 생물학적 검사 절차들은 열 교환을 통한 화학 반응을 촉진하기 위해 서멀 사이클링을 요구한다. 그러한 절차의 일 예는 DNA 증폭을 위한 중합효소 연쇄 반응(polymerase chain reaction; PCR)이다. 추가의 예에는 급속-PCR, 리가제연쇄 반응(ligase chain reaction; LCR), 자가-유지 염기서열 복제(self- sustained sequence replication), 효소 작용 연구(enzyme kinetic studies), 균일한 리간드 결합 어세이(homogeneous ligand binding assays), 복합적인 온도 변화들을 요구하는 복합적인 생화학적 메커니즘 연구(complex biochemical mechanistic studies)가 포함된다.

이러한 절차들에는 샘플 온도를 정밀하고 급속하게 정확히 올리고 내릴 수 있는 시스템이 요구된다. 종래의 시스템들은 일반적으로 대량의 물리적 공간을 점유하고 요구되는 정도의 성능(다시 말하면, 급속한 온도 강하)을 제공하기 위해 상당한 전력을 요구하는 냉각 기기들(예컨대, 팬)을 사용하는 것이 전형적이다. 팬 기반 냉각 시스템들은 기동 지연 시간 및 셧다운 오버랩 관련 문제에 직면하고 있는데, 다시 말하면, 팬 기반 냉각 시스템들은 셧오프된 다음에 기능을 수행하게 되고, 결과적으로는 급속한 디지털-같은 정밀도로 동작하지 못한다. 예를 들면, 원심 팬은 턴온(turn on)될 때 전체 체적 용량으로 즉시 블로잉(blowing)하지 않고 전원이 셧오프된 직후에도 계속 회전을 계속하게 되며, 결과적으로는 검사 중에 고려되어야 하는 오버랩 시간을 할당하게 된다. 이러한 지연 및 오버랩 문제는 기기 노화에 따라 빈번하게 악화하고 있다.

상기 팬 기반 냉각 시스템들은 전형적으로 저비용, 비교적 수용 가능한 성능 및 용이한 구현이 이루어지는 시스템용으로 제공되어 왔고 결과적으로는 업계에 이러한 문제점들을 해결하려는 인센티브가 거의 제공되어 있지 않다. 지금까지의 해결수법은 더 큰 체적 출력 비율을 갖는 더 강력한 팬들을 합체하는 것이었는데, 이 또한 공간 및 전력 요구를 증가시키는 것이다. 이의 한 대가(price)로 예를 들어 바이러스/세균 발병 지역을 급속하게 탐지하는데 사용될 수 있는 현장 검사 시스템들의 휴대성에 부정적인 영향이 미치게 된다. 다른 한 문제는 이러한 수법이 열대 지방에서 발견될 수 있는 것과 같은 더 높은 온도 환경에서는 덜 성공적이라는 것이다. 따라서, 생물학적 검사 시스템들에서 사용되는 공지된 가열/냉각 기기들의 결점들에 대처하도록 하는 요구가 해결되어 있지 않다.

서멀 사이클링은 전형적으로 유체 샘플의 온도가 낮은 어닐링 온도(예컨대, 60도) 내지 높은 변성 온도(예컨대, 95도)에서 50회 만큼 사이클링 되는 대부분의 핵산 증폭 프로세스의 기본적인 실시형태이다. 이러한 서멀 사이클링은 전형적으로 큰 서멀 매스(thermal mass)(예컨대, 알루미늄 블록)를 사용해 유체 샘플 및 팬들을 가열하여 상기 유체 샘플을 냉각시키도록 수행된다. 상기 알루미늄 블록의 서멀 매스가 크기 때문에 가열 및 냉각 비율은 약 1℃/초로 제한되고, 그럼으로써 50-사이클 PCR 프로세스가 완료되는데 2시간 이상이 소요될 수 있다. 주변 온도가 상승 가능한 열대성 기후에서는 냉각 비율이 악영향을 받을 수가 있고 그럼으로써 서멀 사이클링 시간이 예를 들면 2시간으로부터 6시간으로 연장될 수 있다.

일부 상업용 장비는 냉각 비율이 현저히 떨어진 채로 5℃/초 정도의 가열 비율들을 제공한다. 이러한 비교적 느린 가열 및 냉각 비율로, PCR과 같은 일부 프로세스들이 비효율적이고 비효과적 일 수 있다는 것이 관찰되었다. 예를 들면, 중간 온도에서 반응이 일어나서, 의도된 PCR 반응에 필요한 시약들이 소비됨과 아울러, "프라이머-다이머(primer-dimer)" 또는 비정상적 앰플리콘(anomalous amplicicon)과 같은 원하지 않고 간섭하는 DNA 프로덕트들이 생성될 수 있다. 불균일한 온도 환경에서 수행될 때, 리간드 결합 또는 다른 생화학적 반응과 같은 다른 프로세스들은 마찬가지로 분석 방법에 잠재적으로 해로운 부반응 및 프로덕트들에 직면하게 된다.

PCR 및 기타 화학 검출 방법들의 일부 응용 분야에서, 검사되는 샘플 유체 체적은 서멀 사이클링에 상당한 영향을 줄 수 있다.

핵산 증폭 프로세스 및 유사한 생화학적 반응 프로세스들의 최적화는 전형적으로 원하는 최적 반응 온도에 가능한 한 급속하게 도달할 수 있도록 급속한 가열 및 냉각 비율을 요구한다. 이는 시설들에 종종 기후 조절 기능이 없을 수 있는 열대성 기후에서 발견되는 바와 같은 고온 환경에서 서멀 사이클링을 수행할 때 특히 어려울 수 있다. 이러한 조건들은 구체적인 결과들이 적으면서(다시 말하면, 원하지 않는 부 반응들이 많으면서) 서멀 사이클링 시간이 길어지는 결과를 초래할 수 있다. 따라서, 주위 환경에 의존하지 않고 진단 기기들에 포함 시키기 위해 저비용 및 최소 크기로 제조될 수 있는 더 큰 가열 및 냉각 비율을 갖는 서멀 제어 기기들에 대한 요구가 충족되어 있지 않다. 전류 생성 시스템의 요구되는 속도, 정확도 및 정밀도 범위 내에서 반응 챔버 내의 온도 사이클링을 더 양호하게 제어하는 서멀 제어 기기들이 추가로 필요하다.

US 2004/149725 (2004.08.05.) US 2011/165628 (2011.07.07.)

본 발명은 개선된 제어, 급속성 및 효율성으로 생물학적 반응 용기의 서멀 사이클링을 수행하는 서멀 제어 기기에 관한 것이다. 제1 실시형태에서, 상기 서멀 제어 기기는 활성 면 및 기준 면을 갖는 제1 열전기 냉각기; 활성 면 및 기준 면을 갖는 제2 열전기 냉각기; 및 상기 제1 열전기 냉각기의 상기 기준 면이 서멀 커패시터를 통해 상기 제2 열전기 냉각기의 상기 활성 면과 열적으로 결합 되도록 상기 제1 열전기 냉각기 및 상기 제2 열전기 냉각기 사이에 배치된 서멀 커패시터를 포함한다. 일부 실시 예들에서, 상기 서멀 제어 기기는 상기 제1 및 제2 열전기 냉각기 각각에 동작 가능하게 결합 된 컨트롤러를 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 제1 열전기 냉각기와 함께 상기 제2 열전기 냉각기를 동작시켜, 상기 제1 열전기 냉각기의 활성 면의 온도가 초기 온도로부터 원하는 타깃 온도로 변함에 따라 상기 제1 열전기 냉각기의 동작에 있어서의 속도 및 효율을 증가시키도록 구성된다.

일부 실시 예들에서, 서멀 인터포저(thermal interposer)는 상기 제1 및 제2 열전기 냉각기 기기들 사이에 위치되고, 일부 실시 예들에서 서멀 인터포저는 서멀 커패시터로서 작용한다. 일부 실시 예들에서, 상기 서멀 제어 기기는 서멀 사이클링 동안 유체 샘플의 증가 된 가열 및 냉각 비율들을 촉진하기에 충분한 서멀 에너지를 저장하기에 충분한 매스(mass)의 열적으로 전도성이 있는 물질로 형성된 서멀 커패시터를 포함한다. 일부 실시 예들에서, 상기 서멀 커패시터는 상기 제1 및 제2 열전기 냉각기들의 활성 및/또는 기준 면보다 높은 서멀 매스를 갖는 재료를 포함하며, 상기 재료는 일부 실시 예들에서 세라믹 재료로 형성된다. 일부 실시 예들에서, 상기 서멀 커패시터는 두께가 약 10mm 이하(예컨대, 약 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 또는 1mm 이하)인 구리층으로 형성된다. 이러한 구성은 감소 된 크기의 핵산 분석 기기에서 평면 반응 용기와 함께 사용하기에 적합하도록 비교적 얇은 평면 구조의 서멀 제어 기기를 허용한다.

일부 실시 예들에서, 상기 서멀 제어 기기는 상기 제1 열전기 냉각기의 활성 면의 온도를 감지하도록 구성된 제1 온도 센서; 및 상기 서멀 커패시터의 온도를 감지하도록 구성된 제2 온도 센서를 포함한다. 일부 실시 예들에서, 상기 제1 및 제2 온도 센서는 상기 제1 및 제2 열전기 냉각기의 동작이 적어도 부분적으로 상기 제1 및 제2 온도 센서로부터 상기 컨트롤러로의 입력에 각각 기초하도록 상기 컨트롤러와 결합 된다. 일부 실시 예들에서, 상기 제2 온도 센서는 상기 서멀 커패시터의 열적으로 전도성이 있는 물질에 매립되거나 적어도 상기 서멀 커패시터의 열적으로 전도성이 있는 물질과 열적으로 접촉한다. 본원 명세서에 기재되어 있는 실시 예들 중 어느 한 실시 예에서 상기 온도 센서는 상기 온도 센서가 대응하는 층과 충분히 열적으로 접촉하여 상기 층의 온도를 감지하는 한, 다른 여러 위치에 배치될 수 있는 것으로 이해될 것이다.

일부 실시 예들에서, 상기 서멀 제어 기기는 상기 제1 온도 센서의 입력이 제공되는 1차 제어 루프 및 상기 제2 온도 센서의 입력이 제공되는 2차 제어 루프로 구성된 컨트롤러를 포함한다. 상기 컨트롤러는 상기 1차 제어 루프의 대역폭 응답이 상기 2차 제어 루프의 대역폭 응답보다 빠르게(또는 느리게) 타이밍 되도록 구성될 수 있다. 전형적으로, 상기 1차 및 2차 제어 루프 양자 모두는 폐쇄 루프이다. 일부 실시 예들에서, 상기 제어 루프들은 직렬로(병렬로 와는 대조적임) 연결된다. 일부 실시 예들에서, 상기 컨트롤러는 상기 제1 열전기 냉각기의 활성 면이 상승 된 타깃 온도로 가열되는 가열 사이클 및 상기 제1 열전기 냉각기의 활성 면이 감소 된 냉각 온도로 냉각되는 냉각 사이클 사이로 사이클링 하도록 구성된다. 상기 컨트롤러는, 상기 1차 제어 루프가 상기 서멀 커패시터에 열적으로 부하가 걸리도록 가열과 냉각 사이로 스위칭 되기 전에 상기 2차 제어 루프가 가열 모드 및 냉각 모드 사이로 상기 제2 열전기 냉각기를 스위칭하도록 구성될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 상기 2차 제어 루프는 상기 제1 열전기 냉각기의 활성 면의 온도로부터 약 40℃ 내에서 상기 서멀 커패시터의 온도를 유지한다. 일부 실시 예들에서, 상기 2차 제어 루프는 상기 제1 열전기 냉각기의 활성 면의 온도로부터 약 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 또는 50℃ 내에서 상기 서멀 커패시터의 온도를 유지한다. 상기 컨트롤러는 상기 제1 열전기 냉각기의 활성 면이 초당 약 10℃ 이하의 램프 비율(ramp rate)로 가열 및 냉각되게 하기 위해 상기 제1 열전기 냉각기의 효율이 상기 제2 열전기 냉각기의 동작에 의해 유지되도록 구성될 수 있다. 본 발명으로 달성될 수 있는 비-제한적인 전형적인 램프 비율은 초당 20, 19, 18, 17, 16, 15, 14, 13, 12, 11, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 또는 1℃이다. 일부 실시 예들에서, 상기 상승 된 타깃 온도는 약 90℃ 이상이고 상기 감소 된 타깃 온도는 약 40℃ 이하이다. 일부 실시 예들에서, 상기 감소 된 타깃 온도는 약 40℃ 내지 약 75℃ 범위이다. 일부 실시 예들에서, 상기 감소 된 타깃 온도는 약 45, 50, 55, 60, 65 또는 약 70℃이다.

일부 실시 예들에서, 상기 서멀 제어 기기는 사이클링 동안 서멀 런웨이(thermal runaway)를 방지하도록 상기 제2 열전기 냉각기의 기준 면과 결합 된 방열판(heat sink)을 더 포함한다. 상기 서멀 제어 기기는 대체로 평면인 형상으로 구성되고 샘플 분석 기기 내 반응 용기의 평면 부분에 대응하도록 치수가 정해질 수 있다. 일부 실시 예들에서, 평면 크기는 PCR 분석 기기 내 반응 용기와 함께 사용하기에 적합하도록 약 45mm 이하의 길이 및 약 20mm 이하의 폭, 또는 약 40mm의 길이 x 약 12.5mm의 폭, 예컨대 약 11mm x 13mm를 갖는다. 대체로 평면인 형상은 상기 제1 열전기 냉각기의 활성 면에서부터 상기 방열판의 대향 측면에 이르기까지의 약 20mm 이하의 두께를 갖도록 구성되고 치수가 정해질 수 있다. 유리하게는, 일부 실시 예들에서, 상기 서멀 제어 기기는 서멀 사이클링 동안 반응 용기의 대향 측면으로부터의 타깃 분석물의 광학적 검출을 허용하기 위해 상기 반응 용기의 단일 측면 상에서의 서멀 사이클링을 위해 상기 반응 용기와 결합하도록 구성될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 2개의 서멀 제어 기기가 반응 용기의 대향 하는 평면 측면을 가열하는데 사용된다. 2개의 서멀 제어 기기가 상기 반응 용기의 대향 측면들 상에 사용(예컨대, 양면 가열)되는 일부 실시 예들에서, 광학적 검출은 상기 반응 용기의 소벽(小壁; minor wall)들을 통해 광 에너지를 전달 및 수용하고, 그럼으로써 상기 반응 용기의 동시적 가열 및 광학적 인터로게이션(interrogation)을 허용하도록 수행된다.

일부 실시 예들에서, 온도를 제어하는 방법이 본원 명세서에서 제공된다. 이러한 방법은 초기 온도로부터 타깃 온도로 활성 면을 가열 및/또는 냉각시키도록 활성 면 및 기준 면을 갖는 제1 열전기 냉각기를 동작하는 단계; 및 상기 제1 열전기 냉각기의 활성 면의 온도가 상기 초기 온도로부터 원하는 타깃 온도로 변화함에 따라 상기 제1 열전기 냉각기의 효율을 증가시키도록(활성 면 및 기준 면을 갖는) 제2 열전기 냉각기를 동작하는 단계를 포함하고, 상기 제2 열전기 냉각기의 활성 면이 서멀 커패시터를 통해 상기 제1 열전기 냉각기의 기준 면에 열적으로 결합 된다. 이러한 방법은 상기 제1 열전기 냉각기를 동작하는 단계가 상기 제1 열전기 냉각기의 활성 면에서 온도 센서로부터의 온도 입력을 갖는 1차 제어 루프를 동작하는 단계를 포함하고, 상기 제2 열전기 냉각기를 동작하는 단계가 상기 서멀 커패시터 내 온도 센서로부터의 온도 입력을 갖는 2차 제어 루프를 동작하는 단계를 포함하는 것을 더 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 상기 방법은 상기 제1 열전기 기기의 활성 면이 상승 된 타깃 온도로 가열되는 가열 모드 및 상기 활성 면이 감소 된 타깃 온도로 냉각되는 냉각 모드 사이로 사이클링하는 단계; 및 상기 서멀 커패시터 내에 상기 가열 모드 및 상기 냉각 모드 간 열적 변동들로부터의 서멀 에너지를 저장하는 단계를 더 포함하며, 상기 서멀 커패시터는 상기 제1 및 제2 열전 냉각기의 활성 및 기준 면과 각각 비교하여 증가 된 열적 전도성을 갖는 층을 포함한다.

본 발명의 일부 실시 예들은 서멀 사이클링 반응에서 온도를 제어하는 방법을 제공한다. 예를 들면, 일부 실시 예들에서, 본 발명은 제1 열전기 기기의 가열 모드 및 냉각 모드 사이로의 사이클링과 함께 제2 열전기 기기의 가열 모드 및 냉각 모드 사이로의 사이클링을 제공함으로써 싸이클링 동안 제1 열전기 기기의 효율을 유지한다. 일부 실시 예들에서, 상기 컨트롤러는 상기 제1 열전기 기기에 대한 1차 제어 루프의 대역폭 응답이 상기 제2 열전기 기기에 대한 2차 제어 루프의 대역폭 응답보다 빠르도록 구성된다. 상기 컨트롤러는 상기 제1 열전기 기기를 모드들 사이로 스위칭하기 전에 상기 제2 열전기 기기를 모드 사이로 스위칭하여 상기 서멀 커패시터에 열적으로 부하가 걸리게 하기 위해 상기 컨트롤러에 의해 사이클링이 타이밍되도록 구성될 수 있다. 일부 응용 분야에서는 상기 상승 된 타깃 온도가 약 90℃ 이상이고 상기 감소 된 타깃 온도는 약 75℃ 이하이다.

일부 실시 예들에서, 온도를 제어하는 방법은 사이클링 동안 상기 제1 열전기 냉각기의 효율을 유지하도록 상기 제1 열전기 냉각기의 사이클링 동안 상기 제2 열전기 냉각기의 제어된 동작에 의해 상기 제1 열전기 냉각기의 활성 면의 온도로부터 약 40℃ 내로 상기 서멀 커패시터의 온도를 유지하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시 예들에서, 상기 제1 열전기 냉각기의 효율은 상기 제1 열전기 냉각기의 활성 면이 초당 10℃ 이하의 램프 비율로 가열 및/또는 냉각되도록 상기 제2 열전기 냉각기의 동작에 의해 유지된다. 이러한 방법은 서멀 런어웨이를 방지하도록 상기 제1 및 제2 열전기 냉각기로 서멀 사이클링하는 동안 상기 제2 열전기 냉각기의 기준 면과 결합 된 방열판을 동작하는 단계를 더 포함할 수 있다.

일부 실시 예들에서, 중합 효소 연쇄 반응 프로세스에서의 서멀 사이클링 방법이 본원 명세서에서 제공된다. 이러한 방법은 유체 샘플에 함유된 타깃 폴리뉴클레오타이드를 증폭하기 위한 중합효소 연쇄 반응을 수행하기 위한 내부에 상기 유체 샘플이 수용된 반응 용기와 상기 서멀 제어 기기와 결합하여 상기 제1 열전기 냉각기의 활성 면이 상기 반응 용기와 열적으로 결합하게 하는 단계; 및 상기 서멀 제어 기기를 특정 프로토콜에 따라 서멀 사이클링하여 PCR 프로세스 동안 상기 유체 샘플을 가열 및 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 상기 반응 용기와 상기 서멀 제어 기기를 결합하는 것은 상기 반응 용기의 한 측에 대해 상기 제1 열전기 냉각기의 활성 면을 결합하여, 반대 측이 상기 서멀 기기에 의해 덮이지 않은 상태로 유지되게 함으로써 상기 반대 측으로부터의 광학적 검출을 허용하는 것을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 상기 가열 모드 및 상기 냉각 모드 각각은 하나 이상의 동작 매개변수를 가지며, 하나 이상의 동작 매개변수는 상기 가열 모드 및 상기 냉각 모드 사이에서 비대칭이다. 예를 들면, 상기 가열 모드 및 냉각 모드 각각은 대역폭 및 루프 이득을 가지며, 상기 가열 모드 및 상기 냉각 모드의 대역폭 및 루프 이득은 서로 상이하다.

일부 실시 예들에서, 서멀 제어 기기로 온도를 제어하는 방법이 제공된다. 이러한 방법은, 서멀 제어 기기에 제1 열전기 냉각기 및 제2 열전기 냉각기를 제공하는 단계 - 상기 제1 열전기 냉각기 및 상기 제2 열전기 냉각기 사이에 서멀 커패시터가 구비되고, 상기 제1 열전기 냉각기 및 상기 제2 열전기 냉각기 각각이 활성 면 및 기준 면을 가짐 -; 상기 활성 면을 가열하는 단계; 상기 활성 면을 냉각하는 단계; 상기 기준 면을 가열하는 단계; 및 기준 면을 냉각하는 단계를 포함한다. 일부 실시 예들에서, 각각의 활성 가열 면 및 각각의 활성 냉각 면은 하나 이상의 동작 매개변수에 의해 제어된다. 일부 실시 예들에서, 상기 하나 이상의 동작 매개변수의 크기는 상기 활성 면을 냉각하는 것과 비교하여 상기 활성 면을 가열하는 동안 상이하다.

제1 및 제2 열전기 냉각기를 포함하는 앞서 기재한 실시 예들 중 어느 한 실시 예에서, 상기 제2 열전기 냉각기는 서멀 처리 기기로 대체될 수 있다. 이러한 서멀 처리 기기는 가열기, 냉각기 또는 온도 조절에 적합한 임의의 수단 중 어느 하나를 포함한다. 일부 실시 예들에서, 상기 서멀 처리 기기는 상기 서멀 처리 기기의 동작이 주변 온도에 비례하여 미세환경의 온도를 변화시키도록 상기 제1 열전기 냉각기와 공통인 미세환경에 포함된다. 이러한 실시형태에서, 상기 기기는 제1 열전기 냉각기가 제1 온도(예컨대, 60-70℃의 증폭 온도) 및 상대적으로 높은 제2 온도(예컨대, 약 95℃의 변성 온도) 사이로 사이클링하여, 이러한 온도들 사이로 가능한 한 급속하게 사이클링하는 것을 허용하도록 주변 환경을 변화시킨다. 상기 제1 및 제2 온도 양자 모두가 실제의 주위 온도보다 높으면, 미세환경 내의 제2 열원(heat source)(예컨대, 열전기 냉각기 또는 가열기)이 주변 온도 이상으로 상기 미세환경 내의 온도를 상승시키는 것이 더 효율적이다. 대안적으로, 주변 온도가 상대적으로 높은 제2 온도를 초과하면, 상기 서멀 처리 기기는 상기 미세환경을 이상적인 온도로 냉각시켜 상기 제1 및 제2 온도 사이로의 급속한 사이클링을 더 효과적으로 허용할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 상기 미세환경은 상기 제1 열전기 기기 및 상기 서멀 처리 기기 사이에 서멀 인터포저를 포함한다.

일부 실시 예들에서, 상기 서멀 제어 기기는 활성 면 및 기준 면을 갖는 제1 열전기 냉각기, 서멀 처리 기기, 및 상기 제1 열전기 냉각기 및 상기 서멀 처리 기기 각각에 동작 가능하게 결합 된 컨트롤러를 포함한다. 상기 컨트롤러는 상기 제1 열전기 냉각기의 활성 면의 온도가 초기 온도로부터 원하는 타깃 온도로 변화함에 따라 상기 제1 열전기 냉각기의 효율을 증가시키기 위해 상기 서멀 처리 기기와 협력하여 상기 제1 열전기 냉각기를 동작시키도록 구성될 수 있다. 상기 서멀 처리 기기는 내열성 가열 요소 또는 제2 열전기 냉각기 또는 온도 조정을 위한 임의의 적절한 수단을 포함할 수 있다.

일부 실시 예들에서, 상기 서멀 제어 기기는 상기 컨트롤러와 결합 되고 상기 제1 열전기 냉각기, 상기 서멀 처리 기기 및/또는 상기 제1 열전기 냉각기 및 서멀 처리 기기와 공통인 미세환경을 따라 또는 상기 제1 열전기 냉각기, 상기 서멀 처리 기기 및/또는 상기 제1 열전기 냉각기 및 서멀 처리 기기와 공통인 미세환경 부근에 배치된 하나 이상의 온도 센서들을 더 포함한다. 상기 서멀 처리 기기는상기 서멀 처리 기기가 배치된 분석 기기 내에 형성된 미세환경(서멀 커패시터를 포함할 수 있음)을 통해 상기 제1 열전기 냉각기와 열적으로 결합 될 수 있고, 그럼으로써 상기 미세환경의 온도가 상기 분석 기기 외부의 주변 온도로부터 제어 및 조정될 수 있다.

일부 실시 예들에서, 상기 서멀 제어 기기는 상기 서멀 제어 기기와 열적으로 연통하여 반응 용기의 챔버 내 온도를 제어하기 위해 온도를 제어하도록 구성된 서멀 처리 기기 및 열전기 냉각기의 각각과 결합 된 컨트롤러를 포함한다. 일부 실시 예들에서, 상기 컨트롤러는 상기 반응 용기 내 원위치 반응 챔버 온도의 서멀 모델링에 기초하여 상기 제1 열전기 냉각기를 동작시키도록 구성된다. 상기 서멀 모델링은 실시간으로 수행될 수 있으며 모델의 정확도에 따라 칼만 필터링(Kalman filtering)을 활용할 수 있다.

일부 실시 예들에서, 상기 서멀 제어 기기는 분석 기기 내에 배치되고 상기 분석 기기 내에 배치된 샘플 카트리지의 반응 용기와 열적으로 연통하도록 위치된다. 상기 컨트롤러는 상기 반응 용기의 챔버 내에서 중합효소 연쇄 반응 프로세스에서의 서멀 사이클링을 수행하도록 구성될 수 있다.

일부 실시 예들에서, 상기 서멀 제어 기기는 활성 면 및 기준 면을 갖는 제1 열전기 냉각기, 서멀 처리 기기, 상기 제1 열전기 냉각기의 기준 면이 서멀 인터포저를 통해 상기 서멀 처리 기기와 열적으로 결합 되도록 상기 제1 열전기 냉각기 및 상기 서멀 처리 기기 사이에 배치된 서멀 인터포저, 및 상기 제1 열전기 냉각기의 활성 면의 온도를 감지하도록 구성된 제1 온도 센서를 포함한다. 상기 기기는 상기 제1 열전기 냉각기 및 상기 서멀 처리 기기 각각에 동작 가능하게 연결된 컨트롤러를 더 포함할 수 있다. 상기 컨트롤러는 상기 제1 열전기 냉각기의 활성 면의 온도가 초기 온도로부터 원하는 타깃 온도로 변화됨에 따라 상기 제1 열전기 냉각기와 협력하여 상기 서멀 처리 기기를 동작시켜 상기 제1 열전기 냉각기의 속도 및 효율을 증가시키도록 구성될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 상기 컨트롤러는 상기 제1 온도 센서로부터의 입력을 포함하는 서멀 모델에 기초한 예측된 온도의 피드백 입력을 갖는 폐쇄 제어 루프로 구성된다.

도 1a 및 도 1b는 반응 용기 및 본 발명의 일부 실시 예들에 따른 상기 반응 용기와의 결합을 위해 구성된 제거 가능한 모듈로서 구성된 서멀 제어 기기를 갖는 샘플 카트리지를 포함하는 샘플 분석 시스템의 개관을 제공하는 도면들이다.
도 2는 본 발명의 일부 실시 예들에 따른 서멀 제어 기기의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일부 실시 예들에 따른 서멀 제어 기기의 프로토-타입(proto-type)을 보여주는 도면이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 일부 실시 예들과 함께 사용하기에 적합하고 서멀 제어 기기 모듈이 본 발명의 일부 실시 예들에 따라 구성될 수 있는 다중-웰 샘플 반응 용기의 평면 영역을 보여주는 도면들이다.
도 5는 본 발명의 일부 실시 예들에 따른 서멀 제어 기기 프로토-타입의 CAD 모델을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일부 실시 예들에 따른 반응 용기와의 결합을 위한 서멀 제어 기기의 클램핑 고정구를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일부 실시 예들에 따른 폐쇄 루프 제어 하에서의 서멀 사이클을 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일부 실시 예들에 따른 PCR 서모-사이클링(thermo-cycling)의 전체 범위에 걸친 10개의 연속 서멀 사이클을 보여주는 도면이다.
도 9는 서멀 사이클링의 개시시 그리고 2일(day)의 연속 서멀 사이클링 후 5개의 사이클에 대한 서모-사이클링 성능을 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일부 실시 예들에 따른 제어 루프들에 사용된 설정 포인트들의 다이어그램을 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일부 실시 예들에 따른 제어 루프들에 사용된 설정 포인트들의 다이어그램을 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일부 실시 예들에 따른 서멀 모델에 의해 제어된 서멀 사이클링 동안의 입력들 및 측정된 온도 값들의 그래프를 보여주는 도면이다.
도 13 내지 도 15는 본 발명의 일부 실시 예들에 따른 서멀 사이클링을 제어하는 방법을 보여주는 도면들이다.

본 발명은 일반적으로 기술하면 화학 반응에서 서멀 사이클들을 제어하는 시스템, 기기 및 방법에 관한 것으로 특히, 핵산 증폭 반응에서 서멀 사이클링을 제어하는데 사용하기 위해 구성된 서멀 제어 기기 모듈에 관한 것이다.

제1 실시형태에서, 본 발명은 서멀 사이클링에서 개선된 제어 및 효율을 제공하는 서멀 제어 기기를 제공한다. 일부 실시 예들에서, 이러한 서멀 제어 기기는 반응 용기에서 유체 샘플의 중합효소 연쇄 반응에 대한 서멀 사이클링을 수행하도록 구성될 수 있다. 이러한 기기는 열전기 냉각기 형상의 활성 면의 온도가 상기 반응 용기 내 유체 샘플의 온도에 상응하도록 상기 반응 용기와 직접 접촉하거나 상기 반응 용기에 바로 인접하여 배치된 적어도 하나의 열전기 냉각기를 포함할 수 있다. 이러한 수법은 상기 반응 용기 내 유체 샘플의 온도를 평형화하기에 충분한 열적 전도를 위한 시간을 가정한다. 이러한 개선된 서멀 제어 기기는 기존의 서멀 제어 기기를 대체하여 종래의 서멀 사이클링 절차를 수행함에 있어서 개선된 제어, 속도 및 효율을 제공하는데 사용될 수 있다.

제2 실시형태에서, 본원 명세서에서 기술한 서멀 제어 기기에 의해 허용되는 개선된 제어 및 효율은 이러한 기기가 최적화된 서멀 순환 절차를 수행하도록 구성되는 것을 허용한다. 일부 실시 예들에서, 이러한 서멀 제어 기기는 반응 용기의 챔버 내 온도의 서멀 모델을 이용하여 상기 반응 용기 내 유체 샘플의 중합효소 연쇄 반응을 수행하는 서멀 사이클링을 수행하도록 구성될 수 있다. 이러한 서멀 모델링은 상기 서멀 제어 기기의 컨트롤러 내에서 구현될 수 있다. 그러한 서멀 모델링은 이론적 그리고/또는 경험적 값들에 기초한 모델을 이용할 수도 있고 실시간 모델링을 이용할 수도 있다. 이러한 모델링은 칼만 필터링을 더 사용하여 상기 반응 용기 내에서 더 정확한 온도 추정치를 제공할 수 있다. 이러한 수법은 종래의 서멀 사이클링 절차보다 급속하고 효율적인 서멀 사이클링을 허용한다.

서멀 사이클링에 대한 위의 수법들 중 어느 하나가 본원 명세서에서 설명한 서멀 제어 기기에 의해 수행될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 상기 서멀 제어 기기는 생물학적 샘플 분석 기기 내 반응 용기와 열적으로 결합 된 활성 면을 갖는 제1 열전기 냉각기를 이용하고, 다른 한 서멀 처리 기기(예컨대, 제2 열전기 냉각기, 가열기, 냉각기)를 이용하여 상기 제1 열전기 냉각기의 대향하는 기준 면의 온도를 제어한다. 일부 실시 예들에서, 상기 서멀 제어 기기는 가열 및 냉각 사이로 스위칭할 때 시간을 줄여서, 급속하고 효율적인 서멀 사이클링을 제공하기 위해 서멀 에너지를 전달하고 저장하기에 충분한 열적 전도성 및 매스(mass)를 갖는 서멀 커패시터를 통해 열적으로 결합 된 제1 및 제2 열전기 냉각기를 포함한다. 일부 실시 예들에서, 상기 기기는 상기 제1 열전기 냉각기 기기 내에서 한 서미스터를 이용하고 상기 서멀 커패시터 층 내에서 다른 한 서미스터를 이용하고 그러한 제1 및 제2 서미스터의 온도에 각각 기초하여 제1 및 제2 폐쇄 제어 루프를 사용하여 동작한다. 상기 서멀 커패시터 층에 저장된 서멀 에너지를 이용하기 위해, 상기 제2 제어 루프는 상기 제1 제어 루프에 앞서거나 뒤지도록 구성될 수 있다. 본원 명세서에서 설명한 이러한 실시형태들 중 하나 이상의 실시형태들을 사용함으로써, 본 발명의 실시 예들은 위에서 설명한 문제시 되는 고온 환경에서조차도, 바람직하게는 약 2시간 이내에 급속 서멀 사이클링을 수행하기 위한 빠르고 견고한 서멀 제어 기기를 제공한다.

I. 전형적인 시스템 개요

A. 생물학적 샘플 분석 기기

일부 실시 예들에서, 본 발명은 샘플 분석 기기에서 반응 용기와 함께 사용하기에 적합하고 핵산 증폭 반응을 수행하기 위해 상기 반응 용기에서 서멀 사이클링을 제어하도록 구성된 서멀 제어 기기에 관한 것이다. 일부 실시 예들에서, 상기 서멀 제어 기기는 특정 분석을 위해 필요에 따라 서멀 사이클링을 허용하도록, 예를 들면 상기 반응 용기 내에 배치된 유체 샘플 내 타깃 분석물의 증폭을 허용하도록 상기 반응 용기와 결합하고 그리고/또는 상기 반응 용기와의 접촉을 유지하는 착탈 가능 모듈로서 구성된다. 일부 실시 예들에서, 상기 서멀 제어 기기는 평면 형상을 가지며, 서멀 사이클링이 요구되는 반응 용기의 평면 부분에 대응하도록 크기 및 치수가 정해진다. 일부 실시 예들에서, 상기 서멀 제어 기기는 상기 서멀 제어 기기가 상기 반응 용기의 적어도 한 측과 접촉하게 그리고/또는 상기 반응 용기의 적어도 한 측에 근접하게 유지됨으로써 내부에 수용된 유체 샘플의 가열 및 냉각을 용이하게 하는 커플링부 또는 커플링 메커니즘을 포함한다. 다른 실시 예들에서, 상기 서멀 제어 기기는 상기 반응 용기 내에서 서멀 사이클링을 제어하기 위한 적절한 위치에서 고정구 또는 다른 수단에 의해 고정된다. 예를 들면, 상기 서멀 제어 기기는 샘플 분석 기기 내에 부착될 수 있으며, 상기 샘플 분석 기기 내에는 샘플 카트리지가 타깃 분석물에 대한 검사를 수행하기 위한 위치에 있을 때 상기 서멀 제어 기기가 내부에서 서멀 사이클링을 제어하기 위한 적절한 위치에 있도록 일회용 샘플 카트리지가 배치된다.

일부 실시 예들에서, 서멀 제어 기기는 핵산 증폭 검사(nucleic acid amplification test; NAAT), 예컨대 중합효소 연쇄 반응(Polymerase Chain Reaction; PCR) 어세이에서의 핵산 타깃의 검출을 위해 구성된 샘플 분석 카트리지로부터 연장되는 반응 용기 또는 튜브와 결합 될 수 있는 착탈 가능한 모듈로서 구성된다. 이러한 카트리지 내 유체 샘플의 준비는 일반적으로, 특정 프로토콜에 따른 화학적, 전기적, 기계적, 열적, 광학적 또는 음향적 처리 단계들을 포함할 수 있는 일련의 처리 단계들을 포함한다. 그러한 단계들은 세포 포획, 세포 용해, 정제, 분석물의 결합 및/또는 원하지 않는 물질의 결합과 같은 다양한 샘플 준비 기능을 수행하는데 사용될 수 있다. 이러한 샘플 처리 카트리지는 샘플 준비 단계들을 수행하기에 적합한 하나 이상의 챔버를 포함할 수 있다. 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 샘플 카트리지는 2000년 8월 25일자로 출원된 "유체 제어 및 처리 시스템(Fluid Control and Processing System)"이라는 제목의 미국 특허 제6,374,684호 및 2002년 2월 25일자로 출원된 "유체 처리 및 제어(Fluid Processing and Control)"라는 명칭의 미국 특허 제8,048,386호에 도시되고 기재되어 있고, 상기 미국 특허들의 전체 내용은 모든 목적을 위해 전부 인용에 의해 본원 명세서에 보완된다.

한 실시형태에서, 상기 서멀 제어 기기는 반응 용기를 포함하는 일회용 어세이 카트리지와 함께 사용하도록 구성된다. 일부 실시 예들에서, 상기 서멀 제어 기기는 복합적인 유체 관리 및 처리 태스크를 용이하게 하는 비-계측식 일회용 어셈블리와 함께 사용하기 위해 구성된다. 반응 용기를 포함하는 이러한 일회용 어셈블리는 반응 용기 내의 온보드 챔버인 최종 검출 예정지에 시약 및 샘플의 믹싱, 용해 및 다중 딜리버리의 복합적이지만 통합된 노력을 가능하게 한다. 이러한 반응 챔버 내부는 복잡한 생화학적 프로세스들이 공정이 수행되는 곳이고, 그럼으로써 반응이 성공적이고 효율적이게 정확한 환경 조건을 유지하는 것이 중요하다. PCR 및 rtPCR 반응들은 온도를 급속하고 정확하게 사이클링하는 것이 특히 중요하며, 반응 현장에서 물리적인 센서 없이 그렇게 하는 것은 불가능하지는 않더라도 어려운 일이다. 현재의 수법들은 근처에 위치한 온도 센서들로부터 온도 오프셋들(교정들)을 사용하여 반응 챔버 내부의 온도가 어떠한 지를 추정한다. 이러한 수법과 관련하여 상당한 단점들이 있다. 온도 센서들 및 상기 반응 용기 간의 물리적 분리가 작더라도 오프셋들은 정상 상태에서 결정되며 반응들의 급속한 온도 사이클링 시간과 결합 된 서멀 시스템의 물리적 역학으로 인해 대부분의 반응이 진정한 정상 상태에 이르지 않는다. 이 때문에 상기 반응 용기 내의 온도는 절대로 알 수 없다. 이러한 도전 과제를 해결하기 위해, 현재 전형적으로 최적화된 서멀 사이클링을 통해 "이상적인" 반응 온도 및 서멀 설정점 유지 시간을 찾기 위해 성공할 때까지 서멀 조건들을 연속적으로 반복한다. 이러한 프로세스는 지루하고 어세이 설계자들이 실제의 반응 온도 챔버가 어세이 중에 어떠한지를 진정으로 알지 못하기 때문에 최적화된 어세이 성능이 실현될 수 없다. 이러한 프로세스는 종종 유체 샘플의 온도가 원하는 온도에 이르는 것을 보장하는데 필요한 것보다 더 긴 설정점 유지 시간을 초래한다.

서멀 모델링은 다른 수법이며 본원 명세서에서 설명한 개선된 서멀 제어 기기들의 사용에 의해 분석 시스템 내에서 구현될 수 있다. 모델링은 현장 반응 챔버 온도의 정확하고 정밀한 실시간 예측을 허용한다. 추가로, 서멀 모델링은 또한, 속도(사이클링 시간)를 더 양호하게 제어하고 미래의 어세이 발전을 위한 더 강력한 시스템의 토대를 마련하는 데 사용될 수 있는 역학의 해설을 가능하게 한다. 더 중요한 점은 상기 반응 챔버에 실제로 물리적 센서가 장착된 것처럼 이러한 모델들이 실제의 온도를 정확하게 반영하도록 검증되고 조정될 수 있다는 점이다. 마지막으로, 서멀 모델링은 주변 온도의 변화를 고려할 수 있는데, 이는 높은(또는 낮은) 주변 온도가 달리 고려되어 있지 않는 반응 챔버 온도에 영향을 주는 현장 현시(elucidation; POC) 시스템 배치에 매우 중요하다. 따라서, 어세이 설계자들은 반응 챔버 내부의 온도가 항상 원하는 수준으로 정밀하게 제어될 것이라고 확신할 수 있다.

칼만 필터링은 시스템 모델, 오프라인에서 얻은 측정 데이터(예컨대, 시스템 요소들의 효율성, 재료 특성, 적절한 입력 전력 등), 및 실시간으로 측정된 온도의 사용에 의해 최적의 추정이 이루어질 수 있는 제어 방법이다. 본질적으로, 알고리즘은 모델이 자신의 상태들(예컨대, 온도), 결합 된 실제 측정 상태들(예컨대, 하나 이상의 온도 센서들) 모두에 대해 예측하는 것을 취한다. 적절한 모델은 또한, 그러한 측정들(센서)의 잡음 및 고유 프로세스의 잡음을 고려한다. 상기 알고리즘은 이러한 모든 정보를 취하고 현재의 측정들이 이전 값들과 비교되는 방식에 따라 모델 예측을 측정에 활용하거나 그 반대로 활용하는 동적 가중 수법을 적용한다. 최적 예측을 위해 칼만 알고리즘을 사용하려면, 상기 모델이 물리적 시스템의 정확한 표현이어야 한다.

도 1a에는 전형적인 샘플 분석 기기(100)가 도시되어 있으며, 상기 기기(100)는 상기 기기(100) 내에 수용된 일회용 샘플 카트리지(110) 내에 준비된 유체 샘플 내 타깃 분석물을 테스트하기 위한 것이다. 상기 카트리지는 준비된 유체 샘플이 타깃 분석물에 대한 PCR 분석 동안 증폭, 여기 및 광학적 검출을 위해 공급되는 반응 용기(20)를 포함한다. 일부 실시 예들에서, 상기 반응 용기는 도 4b에 도시된 바와 같은 프리-앰프(pre-amp) 챔버와 같은 복수의 개별 반응 웰들 및/또는 추가 챔버들을 포함할 수 있다. 상기 시스템은 분석 동안 내부에서의 유체 샘플의 서멀 사이클링을 제어하기 위해 상기 반응 용기(20)에 인접 배치된 서멀 제어 기기(10)를 더 포함한다. 도 1b에는 상기 서멀 제어 기기(10)가 후속 분석에서 다른 샘플 카트리지들 상에 사용될 수 있게 하는 착탈 가능한 모듈로서의 상기 서멀 제어 기기(10)가 도시되어 있다. 상기 서멀 제어 기기(10)는 서멀 사이클링 동안 상기 서멀 제어 기기에 전력을 공급하기 위해 상기 샘플 분석 기기(100) 내의 전기 접점들과 인터페이스하도록 구성될 수 있다.

일부 실시 예들에서, 상기 서멀 제어 기기는 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같은 반응 용기와 함께 사용하기 위해 구성될 수 있으며, 도 4a 및 도 4b에는 샘플 준비와 아울러 분석물의 검출 및 분석을 수행하는 샘플 처리 기기(100) 내에서 샘플 준비 및 분석을 허용하는 전형적인 샘플 처리 카트리지(110) 및 관련 반응 용기(20)가 예시되어 있다. 도 4a에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 전형적인 샘플 처리 카트리지(110)는 도 4b에 도시된 바와 같은 반응 용기(20)가 부착되어 있는 샘플 준비를 위한 하나 이상의 챔버들을 갖는 메인 하우징을 포함하는 다양한 컴포넌트들을 포함한다. 상기 샘플 처리 카트리지(110) 및 상기 반응 용기(20)가 (도 4a에 도시된 바와 같이) 조립된 후에, 유체 샘플이 상기 카트리지의 챔버 내에 침착(depositione)되고 상기 카트리지가 샘플 분석 기기 내에 삽입된다. 그런 다음, 상기 기기는 샘플 준비를 수행하는 데 필요한 처리 단계들을 수행하고 준비된 샘플은 한 쌍의 이송 포트 중 하나를 통해 카트리지 하우징에 부착된 반응 용기의 유체 도관으로 이송된다. 준비된 유체 샘플은 상기 반응 용기(20)의 챔버로 운반되는 한편, 여기 수단 및 광학 검출 수단은 하나 이상의 관심 있는 타깃 핵산 분석물들(예컨대, 박테리아, 바이러스, 병원체, 독소 또는 기타 타깃)의 존재 또는 부재를 광학적으로 감지하는데 사용된다. 여기서 이해할 점은 그러한 반응 용기는 타깃 분석물(들)을 검출하는데 사용하기 위한 다른 여러 챔버, 도관, 처리 영역 및/또는 마이크로-웰(micro-well)을 포함할 수 있다는 점이다. 유체 샘플을 분석하기 위한 그러한 용기의 전형적인 사용은 2000년 5월 30일자로 출원된 "화학 반응을 수행하기 위한 카트리지(Cartridge for Conducting a Chemical Reaction)"라는 명칭의 공동 양도된 미국 특허 제6,818,185호에 기재되어 있으며, 상기 미국 특허출원의 전체 내용은 모든 목적을 위해 인용에 의해 본원 명세서에 보완된다.

본 발명과 함께 사용하기에 적합한 제한적이지 않은 전형적인 핵산 증폭 방법은 중합효소 연쇄 반응(polymerase chain reaction; PCR), 역전사 효소 PCR(reverse-transcriptase PCR; RT-PCR), 리가제 연쇄 반응( Ligase chain reaction; LCR), 전사 매개 증폭(transcription mediated amplification; TMA) 및 핵산 서열 기반 증폭(Nucleic Acid Sequence Based Amplification; NASBA)을 포함한다. 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 추가의 핵산 검사는 통상의 기술자에게 잘 알려져 있다. 유체 샘플의 분석은 일반적으로 특정 프로토콜에 따른 광학적 또는 화학적 검출을 포함할 수 있는 일련의 단계들을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 제2 샘플 처리 장치는 이전에 인용되고 전체 내용이 인용에 의해 본원 명세서에 병합된 미국 특허출원 제6,818,185호에 기재된 타깃의 분석 및 검출에 관한 실시형태들 중 어느 하나를 수행하는데 사용될 수 있다.

B. 서멀 제어 기기

일 실시형태에서, 본 발명은 온도의 개선 된 제어를 제공하는 동시에 적어도 2개의 상이한 온도 영역 사이로 급속하고 효율적인 사이클링을 제공하도록 구성된 서멀 제어 기기를 제공한다. 이러한 서멀 제어 기기는 다른 서멀 처리 기기와 함께 제어되는 열전 냉각기를 포함할 수 있다. 상기 서멀 처리 기기는 가열기, 냉각기, 다른 열전기 냉각기, 또는 온도를 수정하기 위한 임의의 적절한 수단을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 상기 기기는 상기 기기의 절연 부분을 통한 광학적 검출을 허용하는 투명한 절연 물질의 사용을 포함한다. 상기 서멀 제어 기기는 하나 이상의 열 센서들(예를 들어, 열전쌍들), 서멀 커패시터, 서멀 버퍼, 서멀 절연체 또는 이러한 요소들의 임의의 조합의 사용을 더 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 상기 서멀 처리 기기는 내열성 가열기를 포함한다. 일부 실시 예들에서, 상기 서멀 제어 기기는 반응 용기의 일면 가열용으로 구성되는 반면, 다른 실시 예들에서는 상기 기기가 양면 가열(예컨대, 를 들어, 대향하는 주요 면)용으로 구성된다. 여기서 이해할 점은 본원 명세서에서 설명한 특징들 중 어느 한 특징이라도 어느 한 수법에 적용 가능하고 상기 특징이 설명되어 있는 특정 실시 예에 국한되는 것이 아니라는 점이다.

일부 실시 예들에서, 본 발명의 실시 예들에 따른 서멀 제어 기기는 서멀 커패시터에 의해 분리된 제1 열전기 냉각기 및 제2 열전기 냉각기를 포함한다. 상기 서멀 커패시터는 상기 제1 및 제2 열전기 냉각기를 사용하여 열적 가열 및 냉각 사이클들 사이로 스위칭할 때 열적 가열 및/또는 냉각의 효율 및 속도를 증가시키도록 서멀 에너지를 전도 및 저장하기에 충분한 열적 전도성 및 매스를 갖는 물질을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 상기 제1 및 제2 열전기 냉각기들 각각은 활성 면 및 기준 면을 가지며, 상기 서멀 커패시터는 상기 제1 열전기 냉각기의 기준 면이 상기 서멀 커패시터를 통해 상기 제2 열전기 냉각기의 활성 면과 열적으로 결합 되도록 상기 제1 및 제2 열전기 냉각기들 사이에 배치된다. 일부 실시 예들에서, 상기 서멀 커패시터는 상기 제1 및 제2 열전기 냉각기들 각각과 직접 접촉한다.

일부 실시 예들에서, 상기 서멀 제어 기기는 서멀 사이클링 동안 상기 제1 열전기 냉각기의 효율을 유지 및/또는 증가시키도록 상기 제1 및 제2 열전기 냉각기를 동시에 동작시키기 위해 상기 제1 및 제2 열전기 냉각기들 각각에 동작 가능하게 결합 된 컨트롤러를 포함한다. 이러한 서멀 사이클링은 활성 면을 초기 온도로부터 원하는 타깃 온도로 가열하는 단계 및/또는 활성 면을 초기 온도로부터 더 낮은 원하는 타깃 온도로 냉각시키는 단계를 포함한다.

일부 실시 예들에서, 상기 서멀 커패시터는 상기 제1 열전기 냉각기를 사용하여 가열 및/또는 냉각할 때, 특히 서멀 사이클링 동안 가열 및 냉각 사이로 스위칭할 때 효율을 유지하거나 증가시키도록 상기 제1 열전기 냉각의 효율을 개선할 정도로 충분히 서멀 에너지를 흡수 및 저장하기 위해 충분한 열적 매스 및 전도성을 갖는 재료의 층을 포함한다. 일부 실시 예들에서, 상기 서멀 커패시터 층은 상기 제1 및 제2 열전기 냉각기 중 어느 하나보다 얇고 상기 제1 또는 제2 열전기 냉각기 중 어느 하나보다 단위 두께당 더 높은 열적 매스를 갖는다. 예를 들면, 상기 서멀 커패시터는 상기 제1 및 제2 열전기 냉각기의 세라믹층과 비교하여 충분한 열적 전도성 및 단위 두께당 더 높은 열적 매스를 갖는 구리와 같은 금속을 포함할 수 있다. 더 두껍고 더 낮은 열적 매스 물질이 열적 전도성 층으로서 사용될 수 있지만, 상기 서멀 커패시터 층에 비해 높은 열적 매스를 갖는 재료를 이용하는 것이 유리한데, 그 이유는 이러한 것이 전체의 서멀 제어 기기가 크기가 감소 된 화학 분석 시스템과 함께 사용하기에 적합한 크기 및 두께를 갖게 하기 때문이다. 구리는 서멀 커패시터로서 특히 유용한데, 그 이유는 이러한 것이 상기 서멀 커패시터 층이 서멀 에너지를 저장할 수 있게 하도록 상대적으로 높은 열적 전도성 및 상대적으로 높은 열적 매스를 가지기 때문이다. 일부 실시 예들에서, 구리층은 약 5mm 이하, 전형적으로 약 1mm 이하의 두께를 갖는다. 본 발명과 함께 서멀 커패시터로서 사용하기에 적합한 제한적이지 않은 전형적인 재료에는 알루미늄, 은, 금, 강철, 철, 아연, 코발트, 황동, 니켈뿐만 아니라 다양한 비금속 옵션(예컨대, 흑연, 고-전도성 탄소, 전도성 세라믹)이 포함된다. 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 추가 재료는 통상의 기술자에게 잘 알려져 있다.

일부 실시 예들에서, 상기 서멀 제어 기기는 제1 열전기 냉각기, 및 내열성 가열 요소를 포함하는 서멀 처리 기기를 포함한다. 여기서 이해할 점은 이러한 서멀 처리 기기가 본원의 실시 예들 중 어느 하나에서 설명한 상기 제2 열전기 냉각기를 명세서열적 조작 장치는 본원의 실시 예들 중 어느 하나에 기술 된 제2 열전기 냉각 장치를 대신할 수 있다는 점이다.

II. 서멀 제어 기기 프로토 -타입( proto -type)

본 섹션에는 본 발명의 일부 실시 예들에 따른 제한적이 않은 전형적인 프로토-타입인 서멀 제어 기기의 초기 설계, 구성 및 성능 특성이 설명되어 있다. 이러한 전형적인 프로토-타입은 유체 샘플 상에서 PCR 분석을 수행하기 위해 크기가 감소 된 샘플 분석 장비에 사용하기 위해 구성된 통합 가열/냉각 모듈이다.

프로토-타입이 구성된 샘플 분석 기기에 대한 장비 사양에 의해 지시된 공간 제약 및 재료 비용의 제한 때문에, 실체의 반응용기를 가열 및 냉각하기 위한 대체 방법이 실현된다. 2개의 열전기 냉각기(2개의 펠티어 모듈), 드라이브 전자기기, 샘플 분석 기기 내의 포장에 적합한 방열판 시스템 크기, 및 장비 하드웨어에서 구현된 2-중 제어 루프로 이루어진 통합된 완전-솔리드-스테이트 가열 및 냉각 모듈이 개발되었다. 이러한 프로토-타입에서 상기 서멀 제어 기기 모듈은 반응 용기의 한 면에만 접촉하고, 다른 한 면은 PCR 프로덕트들의 광학적 인터로게이션(interrogation)을 위해 제공되게 하도록 설계되었다. 여기서 이해할 점은 이러한 설계의 다른 변형 예들이 실현될 수 있으며, 예를 들면 서멀 제어 기기가 반응 용기의 부-주요(minor) 면들을 통해 이루어지는 광학적 검출과 함께 상기 반응 용기의 주요 면들 각각에 2-중 가열용으로 배치될 수 있다. 이러한 프로토-타입 시스템에 의해 검사되고 충족된 주요 사양들은 하기 표 1에 요약되어 있다.

A. 기본 설계 원리

일부 실시 예들에서, 본 발명의 서멀 제어 기기 모듈은 펠티어 냉각기(Peltier cooler)로도 알려진 열전기 냉각기(thermoelectric cooler; TEC)를 사용한다. TEC는 바둑판 모양의 패턴으로 배열되고 직렬로 배선되며 병렬로 열적으로 연결된 p- 및 n- 도핑 된 반도체 필러들이 번갈아 가며 이루어진 적층들을 샌드위칭(sandwiching) 하는 두 개의 세라믹 플레이트로 구성된 솔리드-스테이트 전자 기기이다. 전압이 반도체들의 단부들에 인가될 때, 상기 기기를 통한 전류 흐름은 2개의 세라믹 플레이트 간의 현저한 온도차를 야기한다. 순방향 전압 바이어스의 경우, 상부 플레이트가 하부 플레이트보다 차갑게 되고(규칙에 따라 전기 리드가 있는 면과는 반대편에 있는 면이 "차가운" 면으로 간주함) 솔리드-스테이트 냉장고로 사용된다. 전압을 반전시킴으로 인해 "차가운" 면이 현재 바닥 면보다 현저하게 뜨거워진다. 따라서, TEC 기기는 오랫동안 서멀-사이클링 응용 분야에서 널리 선택되어 왔다. TEC 가열/냉각 효율은 소형의 저전력 기기에서 극적으로 증가한다.

재료의 발전으로 냉각/가열 효율이 상당히 향상되고 GX 반응 용기(10x10 mm)와 유사한 활성 영역을 갖는 극히 얇은(~ 3mm) TEC의 생산이 가능하게 되었다. 상업적으로 이용 가능한 소형 TEC는 전형적으로 ~ 60%의 효율, 감소 된 폐열, 및 열적 스트레스 손상을 줄여 주기 위한 작은 크기, 및 PCR에 반복적인 사이클링이 필요한 주된 고장 모드를 지닌다. 소형 TEC는 작고 가격이 저렴한 통합된 가열/냉각 해결수법이며 효율이 높은 주변 온도에 따라 악화되는 강제 공기 냉각과 달리 넓은 대기 온도 범위에 걸쳐 효율적인 냉각 성능을 나타나게 되기 때문에 크기가 감소 된 핵산 어세이 검사 시스템에 매력적이다.

효율적인 TEC 가열/냉각은 3가지 요인에 의존한다. 첫째로, TEC 기기에 가해지는 열적 부하를 제한하기 위해 주의가 기울여져야 한다. 상기 반응 용기의 작은 크기 및 전형적인 작은 반응 용적(<100 ㎕)으로 인해, 열적 부하는 중요한 관심사는 아니지만 기기는 검사를 위해 완충액으로 채워진 반응 용기에 적절히 장전되어야 한다. 둘째, 냉온 열 열교환기 성능은 반복적인 사이클링으로 폐열(입력 시스템 전력의 약 40%)을 분산하는데 충분하여야 한다. 폐열을 관리하지 않으면 열적 효율이 현저히 떨어질 수 있으며, 최악의 경우에 전체 TEC 조립품 내에서 시스템 서멀 런어웨이(system thermal runaway)를 유발할 수 있다. 실제로, 서멀 런어웨이는 수 분 내에 발생하는데, 이 경우에. 고온 면 및 저온 면의 온도 양자 모두가 상기 기기 내의 전기 연결부들의 땜납을 제거하기에 충분히 뜨거워진다. 크기가 감소 된 분석 시스템 내의 공간 제약 때문에 방열판의 크기가 제한적이다. 따라서, 표면적(핀(fins))이 최대화된) 알루미늄 방열판(열적 전도성 및 열적 용량 때문에 선택됨)은 상기 방열판의 알루미늄/공기 인터페이스로부터 멀리 고온 공기를 추가로 분산시키기 위해 소형 팬과 함께 통합된다. 이러한 유닛은 휴대 가능하며 크기가 감소 된 핵산 분석 시스템용으로 공간에 적합하도록 크기가 정해져 있다.

잘 작동되는 TEC 시스템의 경우, 펠티어 기기의 고온 면과 저온 면 사이에서 달성할 수 있는 온도 차(dT)에 물리적 한계, 다시 말하면 상업적으로 이용 가능한 가장 효율적인 TEC의 경우 최대 dT ~ 70 ℃가 있다. 이러한 dT는 필요한 서모-사이클링 온도가 일반적으로 45-95 ℃ 범위이므로 PCR에 충분하다. 따라서 대부분의 펠티어-기반 PCR 시스템은 주변 온도(~ 30℃)보다 약간 높은 온도에서 방열판을 지니고 그러한 기준 온도로부터 반대편에 있는 면을 사이클링 한다. 그러나 서멀 효율은 최대 dT에 도달하면 지연되기 시작한다. 가열/냉각 속도를 유지하고, 시스템 효율을 최대화하며, 시스템 스트레스를 최소화하기 위해, 열적 관리는 도 2에 도시된 전형적인 실시 예에서와같이 본 발명의 실시 예에 따른 다중 TEC 기기를 사용하여 개발되어 왔다.

도 2에는 서멀 커패시터 층(13)을 통해 열적으로 결합 된 제1 TEC(11)(1차 TEC) 및 제2 TEC(12)(2차 TEC)를 포함하는 전형적인 서멀 제어 기기가 도시되어 있다. 상기 TEC들은 상기 제1 TEC(11)의 활성 면(11a)이 내부에서의 서멀 사이클링의 제어를 용이하게 하기 위해 PCR 반응 용기(20)와 열적으로 결합 된다. 상기 기기는 상기 반응 용기 상에 상기 기기를 장착하기 위한 연결 고정구(19)를 옵션으로 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 상기 기기는 상기 반응 용기에 상기 기기를 인접 배치시키는 고정구에 고정될 수 있다. 상기 제1 TEC의 대향하는 기준 면(11b)은 상기 서멀 커패시터 층을 통해 상기 제2 TEC(12)의 활성 면(12a)과 열적으로 결합 된다. 이러한 구성은 또한 상기 기준 면(11b)이 상기 서멀 커패시터 층(13)의 한 면과 직접 접촉하고 상기 활성 면(12b)이 상기 서멀 커패시터 층(13)의 대향 면과 직접 접촉하는 것으로 설명될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 상기 제2 TEC의 기준 면(12b)은 도 3의 실시 예에 도시된 바와 같이 방열판(17) 및/또는 냉각 팬(18)과 열적으로 결합 된다. 이러한 실시 예에서, 상기 서멀 제어 기기(10)는 상기 반응 용기(20)의 평면 부분의 일 면을 따라 열적으로 결합 되어, 광학 여기 수단(30)을 사용한 다른 방향(예컨대, 상기 반응 용기의 한 면)으로부터의 광학적 여기, 및 광학 검출 수단(31)을 사용한 다른 방향(예컨대, 상기 반응 용기의 반대편에 있는 면)으로부터의 광학적 검출을 허용하도록 구성된다. 이러한 구성의 다른 견지가 도 5 및 도 6에 도시되어 있다.

서미스터(16)는 상기 반응 용기의 온도를 정밀하게 제어할 수 있게 하도록 상기 제1 TEC(11)에서 상기 활성 면(11a)에 또는 상기 활성 면(11a) 부근에 포함된다. 이러한 서미스터의 온도 출력은 활성 면(11a)에 대한 가열 및 냉각을 제어하는 제1 제어 루프(15)에서 사용된다. 제2 서미스터(16')는 상기 서멀 커패시터 층 내에 또는 상기 서멀 커패시터 층 부근에 포함되며, 관련된 온도 출력은 상기 제2 TEC의 활성 면(12a)에 대한 가열 및 냉각을 제어하는 제2 제어 루프(15')에서 사용된다. 일 실시형태에서, 상기 제1 제어 루프는 상기 제2 제어 루프보다 빠른데(예컨대, 상기 제2 제어 루프가 상기 제1 제어 루프에 뒤지는데), 이는 상기 서멀 커패시터 층 내에 전달되고 저장되는 서멀 에너지를 고려한 것이다. 이러한 2개의 제어 루프를 사용함으로써, 상기 제1 TEC(11)의 활성 면(11a) 및 기준 면(11b) 간의 온도차가 상기 제1 TEC의 효율을 최적화 및 개선하도록 제어될 수 있는데, 이는 상기 제1 TEC를 사용한 더 빠르고 더 일관된 가열 및 냉각을 고려한 것이지만, 상기 서멀 커패시터는 본원 명세서에서 설명하고 이하에서 제시되는 실험 결과들에서 입증되는 바와 같이 가열 및 냉각 간의 더 급속한 스위칭을 고려한 것이다.

상기 반응 용기 반대편에 있는 세라믹 플레이트에 표준 방열판을 본딩(bonding) 하는 대신에, 다른(2차) TEC를 사용하여 상기 1차 TEC의 활성 면의 약 40℃ 내의 온도를 유지한다. 일부 실시 예들에서, 2개의 PID(Proportional Integral Derivative gain) 제어 루프는 이러한 동작을 유지하는데 사용된다. 일부 실시 예들에서, 비-PID 제어 루프들은 상기 1차 TEC의 활성 면의 온도를 유지하는데 사용된다. 전형적으로, 고속 PID 제어 루프는 상기 반응 용기와 접촉하여 상기 세라믹 플레이트 하부에 장착된 서미스터에 의해 모니터링되는 소정의 온도 설정 점으로 상기 1차 TEC를 구동한다. 이러한 루프는 최고 속도로 동작하여 제어 온도에 급속하고 정확하게 도달할 수 있게 한다. 일부 실시 예들에서, 더 느린 제2 PID 제어 루프는 열적 효율을 최대화하도록 상기 1차 TEC의 바닥 면에 대한 온도(실험적으로 상기 활성 면 온도로부터 ~ 40 ℃ 내에 있도록 결정됨)를 유지한다. 위에서 검토한 바와 같이, 비-PID 제어 루프들은 또한, 열적 효율을 최대화하기 위해 상기 TEC의 온도를 유지하는데 사용될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 하나의 루프가 다른 루프를 제어하지 못하게 하기 위해 2개의 제어 루프 간의 상호 작용을 댐퍼닝(dampen) 시키는 것이 유리하다. 가열 및 냉각 간의 급속한 스위칭을 용이하게 하기 위해 상기 서멀 캐패시터 층의 사용에 의해 상기 제1 및/또는 제2 TEC로부터 서멀 에너지를 흡수 및 저장하는 것이 더 유리하다.

본 발명의 일부 실시 예들에서 사용된 바와 같은 가열 및 냉각 간의 급속하고 효율적인 스위칭을 달성하기 위한 2가지의 제한적이 않은 대표적인 방법이 본원 명세서에서 상세하게 설명된다. 첫째, 상기 2차 제어 루프에 대한 대역폭 응답은 의도적으로 고속 1차 루프보다 훨씬 낮도록 제한되는데, 이는 소위 "지연 루프(Lazy Loop)"이다. 둘째, 2개의 TEC 사이에 서멀 커패시터가 샌드위칭된다. 전체의 서멀 제어 기기가 PCR 프로세스에서 전형적으로 사용되는 소형 반응 용기 상에서의 상기 기기의 사용을 허용하기 위해 비교적 얇은 것이 바람직하지만, 여기서 이해할 점은 상기 서멀 커패시터의 어느 한 면 상에서 상기 TEC들에 대한 서멀 커패시터로서 기능을 수행하도록 상기 서멀 커패시터 층이 충분한 매스 및 전도성을 제공하는 한 상기 서멀 커패시터 층이 더 두꺼울 수 있다는 점이다. 일부 실시 예들에서, 상기 서멀 커패시터 층은 약 1mm 두께 이하의 얇은 구리 플레이트이다. 구리는 매우 높은 열적 전도성 때문에 유리하지만, 1mm 두께는 서멀 커패시터로서 작용하기 위해 상기 얇은 층이 서멀 에너지를 저장하기에 충분한 매스를 제공하는 동안 2개의 TEC를 충분히 댐퍼닝 시키도록 실험적으로 결정된 것이다. 구리가 열적 전도성 및 높은 매스 때문에 특히 유용하지만, 여기서 이해할 점은 유사한 열적 전도 특성 및 높은 매스를 갖는 다른 여러 금속 또는 재료, 바람직하게는 상기 층이 열적 에너지를 저장하는데 서멀 커패시터로서 동작하는 것을 허용하도록 열적으로 전도성이 있고(비록 어느 한 TEC보다 작은 경우라도) 어느 한 TEC와 동일하거나 높은 매스를 갖는 재료가 사용될 수 있다는 점이다. 다른 한 실시형태에서, 상기 서멀 커패시터 층은 상기 2차 PID 제어 루프에 의해 사용되는 "이면(backside)" 온도(예컨대, 기준 면)를 모니터링 하는데 사용되는 제2 서미스터를 포함할 수 있다. 양자 모두의 제어 루프들은 제어 신호들을 2개의 바이폴라 펠티어 전류 공급원으로 보내는 단일 PSoC(Programmable System on Chip) 칩 내에서 디지털 방식으로 구현된다. 통상의 기술자라면 이해하겠지만, 일부 실시 예들에서, 비-PSOC 칩들이 제어를 위해 사용될 수 있으며, 예컨대 필드 프로그래머블 게이트 어레이(field programmable gate array; FPGA) 등이 본 발명과 함께 사용하기에 적합하다. 일부 실시 예들에서, 2-중 TEC 모듈은 서멀 런어웨이를 방지하도록 하는 방열판을 포함하며, 이는 예컨대 열적으로 전도성이 있는 은 에폭시를 사용하여 상기 2차 TEC의 이면에 본딩될 수 있다. 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 대안적인 본딩 방법 및 재료는 통상의 기술자에게 잘 알려져 있다.

도 2는 2-중 TEC 설계의 개략도이다. 상기 PCR 반응 용기의 온도(음영이 있는 타원으로 표시된 서미스터(16)에 의해 측정됨)는 상기 1차 TEC에 의해 관리되며 PSoC 펌웨어의 루프에 의해 제어된다. 상기 1차 TEC의 최적의 열적 효율은 2차 서미스터(16')(음영이 있는 타원으로 표시됨)에 의해 구리층과의 열적 접촉으로 유지되며, 상기 구리층은 2차 PSoC 루프로 공급되어 제2 TEC를 제어한다.

B. 초기 프로토 -타이프 제작

도 3은 프로토-타입 2-중-TEC 가열/냉각 모듈의 사진이다. 1차 및 2차 TEC(Laird, OptoTEC HOT20,65,F2A,1312, 하기 데이터시트) 양자 모두는 13(w) x 13(I) x 2.2(t) mm를 측정하며 최대 열적 효율 ~ 60%를 갖는다. 도 4에는 GX 반응 용기와의 TEC들의 평면 치수들이 비교되어 있다. 일부 실시 예들에서, 상기 TEC 모듈에 의해 영향을 받는 평면 영역은 상기 GX 반응 용기와 매치(match)된다. 이는 유체의 용량이 약 25 ㎕(사진에 나타냄) ~ 약 100 ㎕ 범위인 반응 용기를 수용한다.

도 3에는 화학 분석 시스템에서 반응 용기의 단면(single-sided) 가열 및 냉각을 위한 전형적인 프로토-타입 2-중 TEC 모듈이 도시되어 있다. 알 수 있는 바와 같이, 상기 방열판에는 열을 방출하고 TEC 효율을 유지하도록 하는 미니-팬이 있다. 상기 1차 TEC(상부)는 상기 튜브와 접촉하는 세라믹 하부면에 설치된 서미스터에 의해 모니터링되는, 상기 반응 용기 내 온도를 사이클링시킨다. "이면" TEC는 (서미스터의 사용에 의해) 격자 간 구리층의 온도를 유지하여 상기 1차 TEC의 최적의 열적 효율을 보장한다. 통합된 미니-팬이 있는 방열판은 전체 모듈을 열적 평형상태로 유지한다.

일부 실시 예들에서, +/- 0.1℃ 온도 허용오차를 갖는 소형 서미스터는 은 에폭시를 사용하여 상기 1차 TEC의 상부면 하부에 본딩된다. 이러한 서미스터는 상기 반응 용기에 가해지는 온도를 탐침하고 상기 PSoC의 1차 제어 루프에 대한 입력이며 이는 상기 1차 TEC의 구동 전류를 제어한다. 상기 1차 TEC의 바닥 면은 은 에폭시로 1 mm-두께의 구리 플레이트에 본딩된다. 상기 구리 플레이트는 상기 PSoC의 2차 제어 루프에 대한 신호 입력인 "이면 온도"를 모니터하기 위해 은 에폭시로 포팅(potting)된 제2 TR136-170 서미스터가 들어있는 슬롯을 갖는다. 그리고 나서, 상기 2차 제어 루프에 의해 제어되는 2차 TEC는 구리 플레이트 및 알루미늄 방열판 사이에 샌드위칭된다. 상기 방열판은 전체 두께 = 6.5mm로 가공되어 전체 패키지 두께가 13mm 미만이고 평면 크기가 40.0(1) x 12.5(w)로, 이는 크기가 감소된 장비 내에서 공간 제약으로 인해 필요하다. 12 x 12mm Sunon Mighty 미니 팬은 상기 TEC가 방열판과 상호 작용하는 경우에 상기 방열판 내로 가공된 인서트(insert) 내에 접착된다. 여기서 유념할 점은 상기 미니-팬은 상기 방열판을 직접 냉각할 필요가 없는데, 조용하고 내구성이 있고 값이 싼 저전압(3.3V 최대)의 브러시리스 모터가 (상기 GX 또는 다른 그러한 기기들과 같은 일부 종래의 분석 기기들에서와 같은) 직접적인 공기 냉각과 달리, 전단 흐름(shear flow)을 사용하여 알루미늄/공기 계면에서 고온 표면을 제거함으로써 방열판 성능을 유지하는 데 충분하다는 점이다.

프로토-타입 유닛의 검사는 가열/냉각 속도, 열적 안정성, 증가 된 주변 온도에 대한 견고성, 및 전반적인 시스템 신뢰성이 엔지니어링 요구 사양을 충족시키기에 충분한지를 결정하게 된다. 열적 성능은 크기가 작고 견고하며 저렴한(양면 가열/냉각 기능을 갖는 것보다 적은 부품 수가 요구됨) 전형적인 크기가 감소 된 프로토-타입 시스템에 대한 설계 타깃이 충족될 만큼 수용 가능한 것으로 나타나 있다. 또한, 단면 가열/냉각은 상기 반응 용기의 측면을 통한 더 효율적인 광학적 검출을 가능하게 한다. 도 5는 2-중-TEC 모듈, LED 여기- 및 검출-블록들, 및 전형적인 프로토-타입 시스템 내 반응 용기의 CAD 도면이다.

도 5에는 2-중-TEC 가열/냉각 모듈의 CAD 모델이 도시되어 있다. 상기 반응 용기는 한 면(상기 반응 용기의 제1 주요 면)에서 서멀-사이클링되고 반대편에 있는 면(상기 반응 용기의 제2 주요 표)을 통해 형광(fluorescence)이 검출된다. LED 조명은 상기 반응 용기의 에지(주요 면이 아닌 면)를 통해 남아 있다.

C. 초기 가열/냉각 성능

전형적인 프로토-타입 TEC 어셈블리의 가열 및 냉각 성능은 상기 반응 용기의 한 표면에 상기 TEC 어셈블리를 단단히 체결하는 맞춤형 고정구를 사용하여 측정되었다(도 6). 델린(Derin)과 같은 단열재로 상기 TEC 어셈블리를 상기 고정구에서 열적으로 분리하는 데 주의가 기울여졌다. 열적 부하를 모방하기 위해, 상기 반응 용기가 유체 샘플로 채워지고 상기 TEC 어셈블리 반대편에 있는 상기 반응 용기 표면상의 형광 검출 블록 프로토-타입과 확실하게 접촉되었다. 여기서 유념해야 할 점은 이러한 기하학적 구조에서 상기 반응 용기에 접촉하는 상부 TEC 표면상의 온도는 상기 1차 TEC 서미스터 상에서 측정된 온도와 같거나 그보다 더 높도록 독립적으로 측정되었다는 점이다. 따라서, 초기에 상기 2-중-TEC 가열/냉각 시스템의 열적 성능을 특성화하도록 상기 1차 TEC 서미스터의 판독 온도를 사용하는 것이 합리적이다. 서미스터 및 반응 용기 온도 간의 임의의 비-매치는 상기 1차 TEC 서미스터 및 상기 반응 용기 내 유체 샘플의 온도 간의 피드백 루프들을 사용하기 위해 특성화 및 조정될 수 있다.

도 6에는 열적 특성화를 위해 상기 서멀 제어 기기를 PCR 튜브에 고정하기 위한 전형적인 체결 고정구(clamping fixture)가 도시되어 있다. 일 예에서, 반응 용기는 유체 샘플로 채워질 수 있고 가열/냉각 모듈과 상기 반응 용기의 일 면 사이에서 열적으로 접촉하도록 고정될 수 있다. 상기 반응 용기의 다른 면은 형광 검출 블록에 체결된다. LED 여기 블록은 상기 반응 용기의 주요 면이 아닌 면(예컨대, 에지)을 통해 용액을 조명한다.

프로토-타입 PSoC 제어 보드는 PID 제어를 채용하여 상기 1차 TEC 서미스터의 온도 설정점을 유지하고 상기 TEC 기기들에 2-중-극성의 구동 전류(가열시에는 양(+) 전압, 냉각시에는 음(-) 전압)를 제공하며, 그리고 상기 미니-팬에 전력을 공급한다. 이러한 PID 루프는 상기 1차 TEC의 성능을 최대화하기 위해 조정되었다. PCR 서모-사이클링의 특성인 고온 극단 및 저온 극단 사이로 상기 반응 용기의 설정점을 사이클링하도록 하는 스크립트가 작성되었다. 특히, 일단 측정된 온도가 1초 동안 +/- 0.1℃ 내에 있으면 개시하여, 체류 시간이 12초일 경우 저온 설정점 = 50℃가 된다. 마찬가지로 일단 온도가 1초 동안 설정점으로부터 +/- 0.1℃로 유지되면 개시하여 12초 동안 고온 설정점 = 95℃가 된다. 상기 스크립트는 50℃에서 95℃ 사이로 무한 사이클링되었다.

상기 2차 제어 루프는 또한 동일한 PSoC 칩 내에 유지되어 구리 댐퍼닝/서멀 커패시터 층(도 2 참조)과 열적으로 접촉하는 상기 2차 서미스터의 온도를 판독하고 상기 2차 TEC에 작용하게 된다. 다른 PID 조정 매개변수 세트가 이러한 구리층의 온도, 소위 "이면" 온도를 제어함으로써 시스템 열적 성능을 적절히 유지하는 것으로 밝혀졌다. 이러한 제어 루프는 예상대로 상기 1차 TEC 제어 루프보다 상당히 낮은 대역폭을 가졌다. 또한, 상기 PSoC 및 관련 프로그램은 이면 온도의 다중 설정점포인트를 허용하는데, 이는 최적으로 효율적인 열적 조건하에서 상기 1차 TEC를 계속 동작시킴으로써 램프 비율 성능을 최대화하는 데 유용하다.

도 7에는 반응 용기 온도로부터의 전형적인 서멀 사이클로서, 폐쇄-루프 제어 하에서 50℃ → 95℃ → 50℃로의 서멀 사이클에 대해 측정된 트레이스들이 도시되어 있다. 폐쇄-루프 가열 및 냉각 비율은 ~ 7℃/초이다. 사각형 트레이스는 원하는 온도 설정점이고 다른 트레이스는 반응 용기의 측정 온도이다. 이는 상기 1차 TEC의 열적 효율이 상기 PCR 튜브 및 이면 간의 온도차가 30℃ 이하일 경우 가장 높았고, 그래서 최대 온도(PCR 튜브 95℃)로 가열하면 이면 온도는 65℃로 제어되었고 상기 PCR 튜브를 50℃에 이르기까지 냉각하면 45℃(트레이스 참조)로 제어되었던 것으로 결정되었다. 일단 상기 1차 TEC가 더 높은 온도로 상승하면 이면 온도는 다음 열적 주기를 예상하여 느리게 그리고 제어 가능하게 낮은 온도로 진행될 수 있다(곡선 참조). 이러한 스킴은 상기 이면 TEC를 사용하여 상기 1차 TEC에 작요하는 "서멀 스프링(thermal spring)"에 적절히 부하가 걸리게 하는 것과 유사하며, 특정 PCR 어세이에 적용될 서멀 프로파일이 어세이 설계자에 의해 선험적으로 알려져 있기 때문에 PCR 시스템과 함께 사용하기 위해 적용 가능하다. 여기서 유념할 점은 안정적이고 반복 가능한 가열 및 냉각을 위한 폐쇄-루프 램프 비율이 도 8에 도시된 바와 같이 10개의 연속적인 서멀 사이클에 대해 도시된 바와 같이, 45 ℃ 범위에 대해 ~ 6.5 초이며, 이는 가열 및 냉각 양자 모두에 대해 진정한 폐쇄 루프 램프 비율 ~ 7℃/초에 상응한다는 점이다. 전체 서멀-사이클링 범위에서 다중 사이클에 걸쳐 성능이 유지된다.

D. 조기 및 단기 신뢰도 실험

전형적인 PCR 어세이는 어닐링 온도(~ 65℃)로부터 DNA 변성 온도(~ 95℃)로 그리고 다시 상기 어닐링 온도로 약 40회의 서멀 사이클을 가진다. 신뢰성을 평가하기 위해 상기 프로토-타입 모듈은 시스템이 열적 평형상태에 이를 수 있게 하도록 각각의 온도에서 10초 대기시간으로 50℃(PCR 실험에 사용된 최소 온도 순서에 따름) 및 95℃ 사이로 사이클링되었다.

도 9에는 5,000회의 사이클 검사의 첫 번째 및 마지막 번째의 5회 사이클의 비교가 도시되어 있다. 여기서 유념할 점은 우측 상의 트레이스의 시간 축이 작은 데이터-샘플링 범위에서 나온 것이며, 5,000회 사이클이 약 2일 걸렸다는 점이다. 이러한 모듈은 유지관리된 성능으로 10,000회 이상 사이클링 되었다. 알 수 있는 바와 같이, 사이클 1-5(좌측)에 대한 서모-사이클링 성능은 5,000회 사이클(우측으로 사이클 4,995-5,000) 후에도 일정하게 유지되며 초기 사이클과 최종 사이클 간의 열적 성능에는 변화가 없다. 이는 2가지의 이유에서 고무적이다. 첫째, 급속한 가열/냉각을 위한 폐쇄-루프 매개변수는 반복된 서멀 사이클링으로 아주 안정적이다. 작은 열적 불안정성이라도 상기 1차 및 이면 TEC들 양자 모두에 대해 측정된 온도 곡선이 드리프트되어 서멀 런어웨이로 신속하게 확대된다(이는 펌웨어에 과전류 셧다운 고장을 유발하게 된다). 제대로 조정된 시스템은 이러한 동작을 나타내지 않아 시스템의 견고성을 보여주었다. 둘째, 상기 모듈의 열적 효율은 5,000회 사이클 이상 안정적이다. 실제로, 이러한 유닛은 파국적인 고장 또는 성능의 점진적인 침식 없이 연속적으로 10,000회 이상 사이클링되었다.

E. 대체 설계

모듈 구성의 가변성으로 인해 기기 성능에 약간의 차이가 발생할 수 있다. 예를 들면, 현재의 모듈들은 가공된 방열판 및 격자 간 구리층을 사용하여 손으로 어셈블링되고, 모든 컴포넌트들은 전도성 에폭시를 사용하여 손으로 함께 본딩된다. 상기 모듈의 샌드위치 구성 내 컴포넌트들 간의 작은 각도의 생성 또는 에폭시 두께의 변화로 인해 다양한 열적 성능이 발생한다. 가장 중요한 점으로는 서미스터들이 또한, 서멀 에폭시를 사용하여 세라믹에 부착된다는 점이다. 서미스터 및 세라믹 간은 작은 갭들은 제어와 측정 온도들 간의 오차로 이어진다.

일부 실시 예들에서, 상기 서멀 기기는 상기 반응 용기의 각각의 주요 면(대향하는 면들) 상에 가열 및 냉각 표면(예컨대, 본원 명세서에서 설명한 바와 같은 TEC 기기)을 포함한다. 그러한 실시 예들에서, 광학적 검출은 주요 면이 아닌 면(예를 들어, 에지)을 따라 수행될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 광학적 검출은 제1 주요 면이 아닌 면을 따라 수행되고 광학적 여기는 상기 제1 주요 면이 아닌 면에 직각인 제2 주요 면이 아닌 면을 따라 수행된다. 그러한 실시 예들은 (유체 샘플 25㎕ 이상의 )더 큰 유체 용량의 가열 및 냉각이 필요한 경우 특히 유용할 수 있다.

일부 실시 예들에서, 상기 서멀 제어 기기 모듈들은 상기 반응 용기와 접촉하여 세라믹 플레이트 하부면 상에 장착된 일체형 표면-장착 서미스터를 수용하는 맞춤형 펠티어 기기를 사용한다. 부품 두께를 제한함으로써 온도 변화를 야기하는 펠티어 기기 내부의 대류를 최소화하기 위해 작은, 0201 패키지 서미스터(0.60(l) x 0.30(w) x 0.23(t) mm)가 사용될 수 있다. 또한, 표면 장착 서미스터의 열적 접촉 및 위치를 정밀하게 제어될 수 있기 때문에 이러한 부품들은 측정된 세라믹 온도 및 실제의 세라믹 온도 간에 매우 일관되고 특성이 다른 차이를 갖게 된다.

일부 실시 예들에서, 상기 서멀 제어 기기는 반도체 양산 기법("픽 앤드 플레이스(pick and place)" 머신들 및 리플로우 솔더링)을 사용하여 가열/냉각 모듈에 완전히 통합되도록 설계된 맞춤형 펠티어를 포함할 수 있다. 격자 간 구리 기판은 베르그퀴스트(Bergquist) 서멀 인터페이스 PC 보드(1mm 두께 구리 기판) 대신 사용 가능하며, 이는 정밀하게 제어된 구리 두께 및 패드 치수를 갖는다. 상기 베르그퀴스트(Bergquist) 기판은 또한, 이면 서미스터용 패드 리드들 및 모듈 내부 및 외부의 모든 전기 접속부들을 제공하게 된다. 상기 이면 펠티어는 현재 사용되고 있는 것과 유사한 기기로 유지된다. 마지막으로, 전체 TEC 어셈블리는 실리콘으로 캡슐화되어 방수 기능을 발휘하게 된다. 일부 실시 예들에서, 알루미늄 장착 브래킷은 또한, 방열판(heat-sink)의 두 배가 될 수 있다.

F. 프로토 -타입 기기를 사용한 서멀 사이클링 제어를 위한 대표적인 커맨드

1. 개요

상기 시스템은, 예컨대 상기 시스템의 기록 가능한 메모리 상에, 본원 명세서에서 설명한 원리들에 따라 상기 서멀 제어 기기를 동작시키도록 상기 시스템 내에서 실행될 수 있는 커맨드들의 리스트를 포함할 수 있다. 이러한 커맨드들은 상기 반응 용기 내에서 가열/냉각 및 광학적 검출을 실행하기 위한 최종 기능을 구축하기 위해 블록들에 함께 추가될 수 있는 기본 기능들이다. 상기 광학 블록들은 LED 온도를 유지하기 위해 작은 열전기 냉각기(TEC)와 함께 5개의 상이한 LED 및 6개의 광 검출기(컬러로 표시됨)를 가질 수 있다. 서모-사이클링 하드웨어는 2-중-TEC 모듈이다. 상기 커맨드들은 기능, 즉 서모 사이클링 및 광학적 인터로게이션(interrogation) 별로 발생된다.

2. 서모-사이클링 커맨드 :

명료성을 위해, 도 1에는 PCR용으로 사용된 2-중-TEC 어셈블리가 개략적으로 도시되어 있다. 여기서 유념할 점은 상기 1차 TEC가 상기 반응 용기와 상호작용하고 상기 2차 TEC가 성능을 최적화하기 위해 상기 시스템의 전체적인 열적 효율을 관리한다. 상기 1차 서미스터를 사용하여 상기 1차 TEC 온도가 모니터링 되고 상기 2차 서미스터는 2차 TEC를 모니터링한다.

도 2에는 본 발명의 일부 실시 예들에 따른 서멀 제어 기기, 특히 본원 명세서에서 설명한 프로토-타이프의 2-중-TEC 설계가 개략적으로 도시되어 있다. (음영이 있는 타원으로 표시된 서미스터(16)에 의해 측정되는) 상기 PCR 반응 용기의 온도는 상기 1차 TEC에 의해 관리되며 PSoC 펌웨어의 루프에 의해 제어된다. 상기 1차 TEC의 최적의 열적 효율은 2차 서미스터(16')(음영이 있는 타원으로 표시됨)에 의해 구리층과의 열적 접촉으로 유지되며, 상기 구리층은 2차 PSoC 루프로 공급되어 제2 TEC를 제어한다. 도 11에는 상기 제1 및 제2 서미스터들과 연관된 설정점들의 상승 및 하강이 예시되어 있다.

SETPOINT1: 상기 1차 TEC의 온도 설정점(1/100℃ 단위). 포맷 XXXX.

SETPOINT2: 상기 2차 TEC의 온도 설정점(1/100℃ 단위). 포맷 XXXX.

PGAINRl: 증가하는 온도의 1차 TEC에 대한 제어 루프 P 이득 설정. 4 sig. figs.

IGAINRl: 증가하는 온도의 1차 TEC에 대한 제어 루프 I 이득 설정. 4 sig. figs.

DGAINR1: 증가하는 온도의 1차 TEC에 대한 제어 루프 D 이득 설정. 4 sig. figs.

PGAINR2: 증가하는 온도의 2차 TEC에 대한 제어 루프 P 이득 설정. 4 sig. figs.

IGAINR2: 증가하는 온도의 2차 TEC에 대한 제어 루프 I 이득 설정. 4 sig. figs.

DGAINR2: 증가하는 온도의 2차 TEC에 대한 제어 루프 D 이득 설정. 4 sig. figs.

PGAINFl: 감소하는 온도의 1차 TEC에 대한 제어 루프 P 이득 설정. 4 sig. figs.

IGAINF1: 감소하는 온도의 1차 TEC에 대한 제어 루프 I 이득 설정. 4 sig. figs.

DGAINF1: 감소하는 온도의 1차 TEC에 대한 제어 루프 D 이득 설정. 4 sig. figs.

PGAINF2: 감소하는 온도의 2차 TEC에 대한 제어 루프 P 이득 설정. 4 sig. figs.

IGAINF2: 감소하는 온도의 2차 TEC에 대한 제어 루프 I 이득 설정. 4 sig. figs.

DGAINF2: 감소하는 온도의 2차 TEC에 대한 제어 루프 D 이득 설정. 4 sig. figs.

DELTARISE: 위에 표시된 바와 같이 증가하는 온도들에 대한 1차 및 2차 TEC들의 온도 설정점들 간의 시간차(ms 단위). 양(+)의 DELTARISE 값들에 대하여, 2차 TEC에 대해 활성화된 설정점은 1차 TEC의 온도 단계보다 앞서 사용자-입력 값만큼 증가한다. 음(-)의 DELTARISE 값들은 1차 TEC가 활성 상태로 된 후에 2차 TEC 설정점을 증가시킨다. 포맷 XXXX.

DELTAFALL: 위에 표시된 바와 같이 감소하는 온도들에 대한 1차 및 2차 TEC들의 온도 설정 점들 간의 시간차(ms 단위). 양(+)의 DELTAFALL 값들에 대하여, 2차 TEC에 대해 활성화된 설정점은 1차 TEC에 대한 온도 단계보다 앞서 사용자-입력 값 만큼 증가한다. 음(-)의 DELTAFALL 값들은 1차 TEC가 활성 상태로 된 후에 2차 TEC 설정 값을 증가시킨다. 포맷 XXXX.

SOAKTIME: 반응 용기가 TEC 모듈과 열적으로 평형상태를 유지할 수 있게 하도록 지정된 시간(ms 단위). 소크(soak) 동안 어떠한 광학적 판독도 수행되지 않게 된다. 포맷 XXXXX.

HOLDTIME: 표준 서모-사이클링 동안 광학적 판독을 수행하도록 할당된 각각의 온도 단계 후에 지정된 시간(ms 단위). 포맷 XXXXXX.

RAMPPOS: 사용자가 지정한 정상 상태 램프 비율(10분의 1도/초 단위). 이는 표준 PID 제어 하에서 얻을 수 있는 최대 비율보다 적은 비율로 램프-업 비율을 늦추도록 범례의 어세이들에 대해서만 사용되게 된다. 포맷 XXX.

RAMPNEG: 사용자가 지정한 정상 상태 램프 비율(10분의 1도/초). 이는 표준 PID 제어 하에서 얻을 수 있는 최대 비율보다 적은 비율로 램프-다운 비율을 늦추도록 범례의 어세이들에 대해서만 사용되게 된다. 포맷 XXX.

WAITTRIGGER: 외부 트리거가 수신될 때까지 ICORE를 유휴 상태로 되게 함.

ADDTRIGGER: 단계가 완료된 후에 외부 트리거 펄스를 추가함.

MANUAL TRIGGER: 수동 트리거 펄스를 실행함.

FANPCR: PCR용 2-중-TEC 모듈 상에 방열판을 지지하는 팬(들)의 온/오프 비트.

3. 광학적 커맨드 :

SETPOINT3: 광학 블록 TEC에 대한 온도 설정점(1/100℃ 단위). 포맷 XXXX.

PGAIN3: 광학 TEC에 대한 제어 루프 P 이득 설정. 4 sig. figs.

IGAIN3: 광학 TEC에 대한 제어 루프 I 이득 설정. 4 sig. figs.

DGAIN3: 광학 TEC에 대한 제어 루프 D 이득 설정. 4 sig. figs.

FANOPTICS: 광학 블록 TEC 상에 방열판을 지지하는 팬에 대한 온/오프 비트.

각각의 LED/검출기(DET) 쌍에 대한 광학적 판독을 위한 매트릭스 값들. 유효한 형광 채널들이 적절한 LED에 대해 각각의 컬러로 표시된다. 자세한 내용은 하기 표 2를 참조하라.

READCHANNEL: 각각의 광학적 판독에 대해 어느 LED/검출기 쌍(들)이 판독되는 지를 지정함. 1 내지 30 매트릭스 쌍들 간에 문자열(string)을 수용하고 간격을 띄움. 예를 들면, 적색 LED 조명으로 진홍색 및 IR 검출기들을 판독하기 위해서는, 커맨드가 "READCHANNEL 44 45"일 것이다. 형광 신호들은 여기 컬러보다 긴 파장에서만 생성되는데, 유효 신호들은 위 표에서 각각의 LED에 대해 컬러로 표시된다.

READFLUORESCENCE 0: UV 여기(00, 01, 02, 03, 04 및 OS)에 대한 모든 적절한 검출기들을 판독함.

READFLUORESCENCE 1: 청색 여기(11, 12, 13, 14 및 15)에 대한 모든 적절한 검출기들을 판독함.

READFLUORESCENCE 2: 녹색 여기(22, 23, 24 및 25)에 적합한 모든 적절한 검출기들을 판독함.

READFLUORESCENCE 3: 황색 여기(33, 34 및 35)에 대한 모든 적절한 검출기들을 판독함.

READFLUORESCENCE 4: 적색 여기(44 및 45)에 대한 모든 적절한 검출기들을 판독함.

LEDWU: 광학적 판독을 시작하기 전에 LED들에 대한 예열 시간(ms 단위). 포맷 XXXX.

OPTICSINT: 광학적 판독을 위한 적분 시간(ms 단위). 포맷 XXXX.

PLL: 위상 고정 루프 검출 모드에 대한 온/오프 비트(달리 AC-모드라고 알려짐). AC-모드 펄스들

(PSoC에서 생성된) 고정 주파수의 LED들 및 검출기들은 위상 고정 루프 방식을 사용하여 판독된다.

LEDCURRENT X: LED 전류(mA 단위), 포맷 XXXX. 예: LEDCURRENT 0 300: UV LED를 300 mA로 설정함. AC-모드가 활성화되면(PLL이 온됨), LEDCURRENT는 LED 전류에 대해 DC-오프셋 레벨을 설정한하고, 이러한 LED 전류 상에 펄스가 중첩된다.

LEDSLEWDEPTH X: AC-모드에서만, LEDSLEWDEPTH는 LED 구동 신호의 AC 성분의 크기(mA 단위)를 설정함. 슬루(slew) 깊이는 LED에 적용된 평균 전류와 최대 전류 간의 크기로 지정되며, LEDCURRENT 커맨드와 함께 사용된다. 예를 들면, 0-100 mA 범위의 대칭적인 펄스로 적색 LED를 구동하기 위해, 50 mA DC 오프셋(LEDCURRENT 4 SO)과 +/- 50 mA 펄스(LEDSLEWDEPTH 4 50)가 존재한다.

LEDPULSESHAPE X: AC-모드에서의 LED에 대한 입력 구동 전류의 형상(정현파, 삼각파, 델타 함수, 기타 형상)을 지정함.

G. 서멀 사이클링 제어를 위한 서멀 모델링 수법

다른 일 실시형태에서, 상기 서멀 제어 기기는 서멀 모델링에 기초하여 온도를 제어하도록 구성될 수 있다. 이러한 실시형태는 일면 가열 또는 양면 가열을 위해 구성된 서멀 제어 기기에서 사용될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 이러한 기기들은 제1 열전기 냉각기 및 다른 한 서멀 처리 기기를 포함하며, 각각의 서멀 처리 기기는 상기 제1 열전기 냉각기를 통한 가열 및/또는 냉각시 제어, 속도 및 효율을 개선하도록 상기 서멀 처리 기기와 협력하여 상기 제1 열전기 냉각기를 제어하는 컨트롤러에 결합 된다. 그러나 여기서 이해할 점은 이러한 서멀 모델링 실시형태가 본원 명세서에서 설명한 구성들 중 어느 하나의 대조군으로 통합될 수 있다는 점이다.

이러한 수법의 일 예가 도 11에 도시된 상태 모델 다이어그램에 예시되어 있다. 본 도면에는 상기 서멀 제어 기기의 단면(single-sided) 버전과 함께 사용하기 위한 7가지 상태 모델이 예시되어 있다. 이러한 모델은 전기 이론을 적용하여 열전기 냉각기 면들, 반응 용기 및 상기 반응 용기 내 유체 샘플의 온도들을 포함하는 실제 온도의 서멀 시스템을 모델링 한다. 상기 다이어그램은 반응 용기 내용물이 물이라고 가정할 때 반응 용기 내용물의 최적의 평가에 이르도록 상기 모델의 7가지 상태와 칼만 알고리즘에서 사용된 3가지 측정 상태를 보여 준다.

도 11의 회로 모델에서, 커패시터들은 재료의 열적 커패시턴스를 나타내고, 저항기들은 재료의 열전 전도성을 나타내며, 각각의 커패시터 및 소스에 걸린 전압은 온도를 나타내고, 전류 소스는 반응 용기 면에 인접한 전면(front side) 열전기 냉각기(TEC)로부터 입력되는 서멀 출력(thermal power)을 나타낸다. 이러한 실시 예에서, 모델에 대한 입력들은 모델 T1-T7, 정면 열전기 냉각기 열 입력(와트), 및 대향하는 용기 면에 인접해 있는 "블록(block)" 온도로부터 예측될 수 있는 이면 TEC 온도이다. 이는 알고리즘의 모델 부분을 완성한다. 앞서 주지한 바와 같이, 칼만 알고리즘은 전형적으로 또한 모델 출력들 중 일부인 측정된 센서 신호/신호들과 함께 모델을 사용한다. 여기에서, 온도로 변환되는 측정된 서미스터 신호들은 전면 열전기 냉각기 및 이면 열전기 냉각기용으로 사용된다. 상기 이면 측정 온도의 경우에, 이는 상기 모델의 출력이 아니지만 그들이 동일하다고 가정한다. 이러한 가정에 대한 한 가지 이유는 R1이 전체적인 열적 전도성의 측면에서 무시할 수 있기 때문이다.

도 12에는 최적의 추정 기법들에 결합 될 때 이러한 모델의 고수준의 정확도를 나타내는 일면 가열 및 냉각 시스템이 도시되어 있다. 모델 입력들(측정된 T1(T1 Measured), 블록 온도(Block Temp) 및 전면 열전기 냉각기로부터의 입력 와트(Input Watts))은 실제로 측정 값(T1Measured, T3Measured, T5Measured 및 BlockTemp)과 함께 표시되어 있는데, 이는 상기 모델이 실행될 때 모든 예측되고 측정된 곡선들이 오버랩되도록 R 및 C 매개변수들을 미세 조정하는데 사용된다.

이러한 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 폐쇄-루프 서멀 제어에서 피드백으로서 사용될 수 있는 매우 정확하고 현실적인 예상 반응 용기 온도를 얻는 것이 가능하다. 이러한 데이터는 또한, 특정 반응 용기 온도를 생성하는 데 필요한 서멀 제어 설정점들에 대한 주변 온도의 영향 및 프로세스의 가열 및 냉각 단계 동안에 온도 어떻게 동적으로 변화하는지를 알 수 있는 능력을 나타낸다. 이러한 특징들은 미래의 어세이 및 계측기 개발을 위한 강력한 도구들인 것으로 입증된다. 또한, 본 도면에 도시된 모델은 단면 가열/냉각 시스템에 유효하지만, 이러한 개념은 양면 활성 가열/냉각 모듈을 고려하도록 확장될 수 있다.

유효성 확인을 위해, 계측된 반응 용기가 사용될 수 있고, 그럼으로써 열전쌍이 상기 용기의 반응 챔버에 삽입되어 있다. 유효성 확인은 일련의 실험들을 행함으로써 수행될 수 있으며 여기서 C 및 R 값들에 대한 초기 조건들은 알려진 물리적 물질 특성으로부터 취해진다.

본 발명의 실시 예들에 따른 서멀 사이클링 방법들은 도 13 내지 도 15의 예들에서 보인 바와 같이, 본원 명세서에 제공된다. 도 13에 도시된 방법은, 활성 면 및 기준 면을 갖는 제1 열전기 냉각기를 동작시켜 초기 온도로부터 타깃 온도로 상기 활성 면을 가열 및/또는 냉각하는 단계; 다른 한 서멀 처리 기기(예컨대, 열전기 냉각기, 가열기, 냉각기)를 동작시켜 상기 제1 열전기 냉각기의 활성 면의 온도가 상기 초기 온도로부터 상기 원하는 타깃 온도로 변화함에 따라 상기 제1 열전기 냉각기의 효율을 증가하는 단계; 상기 제1 열전기 기기의 활성 면이 상승 된 타깃 온도로 가열되는 가열 모드 및 상기 활성 면이 감소 된 타깃 온도로 냉각되는 냉각 모드 사이로 서멀 사이클링 하는 단계; 를 포함한다. 상기 방법은 2가지 수법 중 하나에 의해 서멀 사이클링을 제어하는 단계를 더 포함한다. 제1 수법은 상기 제1 열전기 냉각기의 활성 면에서 또는 상기 제1 열전기 냉각기 부근에서 얻어진 온도에 기초하여 적어도 부분적으로 서멀 사이클링을 제어한다. 제2 수법은 상기 제1 열전기 냉각기의 활성 면을 따라 또는 상기 제1 열전기 냉각기의 활성면 부근에 배치된 반응 용기 내 유체 샘플의 온도의 서멀 모델에 적어도 부분적으로 기초하여 서멀 사이클링을 제어한다.

도 14에는 활성 면 및 기준 면을 갖는 제1 열전기 냉각기를 동작시켜 초기 온도로부터 타깃 온도로 상기 활성 면을 가열 및/또는 냉각하는 단계 및 상기 제1 열전기 냉각기와 열적으로 결합 된 활성 면을 갖는 제2 열전기 냉각기를 동작시켜 상기 제1 열전기 냉각기의 활성 면의 온도가 상기 초기 온도로부터 상기 원하는 타깃 온도로 변함에 따라 상기 제1 열전기 냉각기의 효율을 증가하는 단계; 를 포함하는 방법이 도시되어 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 제2 열전기 냉각기 대신에 내열성 가열기와 같은 서멀 처리 기기가 사용될 수 있다. 전형적으로, 그러한 방법은 상기 제1 열전기 기기의 활성 면이 상승 된 타깃 온도로 가열되는 가열 모드 및 상기 활성 면이 감소 된 타깃 온도로 냉각되는 냉각 모드 사이로 사이클링하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시 예들에서, 방법은 상기 가열 모드 및 상기 냉각 모드 사이의 열적 변동을 댐퍼닝(dampening)하고 상기 제1 및 제2 열전기 냉각기들의 활성 및 기준 면들과 각각 비교하여 증가 된 서멀 전도성을 갖는 층을 포함하는 서멀 커패시터 또는 인터포저로 서멀 에너지를 저장하는 단계를 포함한다. 이러한 방법은 상기 활성 면 및/또는 상기 서멀 인터포저로부터의 온도 센서 입력들을 사용하는 제어 루프를 사용하여 사이클링시 속도 및 효율을 더 개선하는 단계를 더 포함한다.

도 15에는 서멀 커패시터를 사이에 구비하는 제1 및 제2 열전기 냉각기를 갖는 서멀 제어 기기를 동작하는 단계 - 상기 제1 및 제2 열전기 냉각기들 각각은 활성 면 및 기준 면을 가짐 - , 및 상기 제1 열전기 냉각기의 활성 면을 가열하는 단계를 포함하는 방법이 도시되어 있다. 이러한 방법은 상기 제2 열전기 냉각기를 대신하기 위해 내저항성 가열기와 같은 서멀 처리 기기를 더 사용할 수 있다. 그리고 나서, 상기 방법은 제1 열전기 냉각기의 기준 면을 상기 제2 열전기 냉각기 및 서멀 커패시터로 냉각시키고 상기 제1 열전기 냉각기의 활성 면을 냉각시킨 후, 상기 제1 열전기 냉각기의 기준 면을 제2 열전기 냉각기 및 서멀 커패시터로 가열하는 단계를 포함한다. 이러한 방법은 서멀 사이클링시 속도 및 효율을 더 개선하기 위해 상기 열전기 냉각기들 사이에 서멀 커패시터 또는 서멀 인터포저를 추가로 활용할 수 있다.

전술한 명세서에서, 본 발명은 본 발명의 특정 실시 예들을 참조하여 설명되었지만, 통상의 기술자라면 본 발명이 이에 국한되지 않음을 인식할 것이다. 위에서 설명한 본 발명의 다양한 특징, 실시 예 및 실시형태는 개별적으로 또는 공동으로 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 본 명세서의 더 넓은 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 본원 명세서에서 설명한 것 외의 임의의 수의 환경들 및 애플리케이션들에서 활용될 수 있다. 따라서, 본원 명세서 및 도면들은 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 간주하여야 한다. 본원 명세서에 사용된, "(어떤 구성요소로) 이루어지는", "(어떤 구성요소를) 포함하는", 및 "(어떤 구성요소를) 갖는"이라는 용어는 구체적으로 개방된 기술 용어로 읽히도록 의도된 것으로 인식된다.

Claims (49)

1. 서멀 제어 기기로서,
   활성 면 및 기준 면을 갖는 제1 열전기 냉각기;
   활성 면 및 기준 면을 갖는 제2 열전기 냉각기;
   상기 제1 열전기 냉각기 및 상기 제2 열전기 냉각기 사이에 배치된 서멀 커패시터로서, 서멀 커패시터가 상기 제1 열전기 냉각기 및 상기 제2 열전기 냉각기 사이에 배치됨으로써, 상기 제1 열전기 냉각기의 상기 기준 면이 서멀 커패시터에 결합되게 이루어지고 상기 제2 열전기 냉각기의 상기 활성 면이 서멀 커패시터에 결합되게 이루어진, 서멀 커패시터 - 상기 서멀 커패시터는 상기 제1 및 제2 열전기 냉각기들의 상기 활성 면들 및 상기 기준 면들의 열적 전도성보다 높은 열적 전도성을 지니는 열적으로 전도성이 있는 재료의 층으로 형성됨 -;
   상기 제1 열전기 냉각기의 상기 활성 면의 제1 온도를 감지하도록 구성된 제1 온도 센서;
   상기 서멀 커패시터의 제2 온도를 감지하도록 구성된 제2 온도 센서; 및
   상기 제1 및 제2 열전기 냉각기들 각각에 동작 가능하게 결합된 컨트롤러;
   를 포함하고,
   상기 컨트롤러는 상기 제1 열전기 냉각기와 함께 상기 제2 열전기 냉각기를 동작시켜, 상기 제1 열전기 냉각기의 상기 활성 면의 온도가 초기 온도로부터 원하는 타깃 온도로 변함에 따라 상기 제1 열전기 냉각기의 효율을 증가시키도록 구성되며, 상기 제1 및 제2 온도 센서들은 상기 제1 온도 센서로부터의 입력 및 상기 제2 온도 센서로부터의 입력에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 컨트롤러에 결합되고,
   상기 컨트롤러는, 상기 제1 온도 센서의 입력이 제공되어 있는 1차 제어 루프에 따라 상기 제1 열전기 냉각기를 동작시키도록 구성되고, 상기 제2 온도 센서의 입력이 제공되어 있는 2차 제어 루프에 따라 상기 제2 열전기 냉각기를 동작시키도록 구성되며,
   상기 1차 제어 루프는 상기 제1 열전기 냉각기의 상기 활성 면이 상승된 타깃 온도로 가열되는, 상기 제1 열전기 냉각기의 가열 모드 및 상기 제1 열전기 냉각기의 상기 활성 면이 감소된 타깃 온도로 냉각되는, 상기 제1 열전기 냉각기의 냉각 모드 사이로 사이클링 하도록 구성됨과 동시에, 상기 2차 제어 루프는 상기 제2 열전기 냉각기의 가열 모드 및 냉각 모드 사이로 사이클링 하도록 구성되고,
   상기 제2 열전기 냉각기의 상기 가열 모드 및 상기 냉각 모드 동안, 상기 2차 제어 루프는 시간에 대해 상기 1차 제어 루프에 앞서거나 뒤서고 그럼으로써 상기 서멀 커패시터의 온도가 상기 제1 및 제2 열전기 냉각기들의 동시 사이클링 동안 변하게 함으로써 상기 제1 열전기 냉각기의 상기 활성 면의 서멀 사이클링의 속도 및 효율을 개선하도록 상기 서멀 커패시터에서의 서멀 에너지의 저장 및 방출이 제어되게 하는, 서멀 제어 기기.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 제2 온도 센서는 상기 서멀 커패시터의 열적으로 전도성이 있는 물질과 열적으로 접촉하는, 서멀 제어 기기.
6. 제1항에 있어서,
   상기 서멀 커패시터는 두께가 5mm 이하인 구리층인, 서멀 제어 기기.
7. 제1항에 있어서,
   상기 서멀 커패시터는 두께가 1mm 이하인 구리층인, 서멀 제어 기기.
8. 삭제
9. 제1항에 있어서,
   상기 컨트롤러는 상기 1차 제어 루프의 대역폭 응답이 상기 2차 제어 루프의 대역폭 응답보다 빠르게 타이밍 되도록 구성되는, 서멀 제어 기기.
10. 제1항에 있어서,
    상기 1차 및 2차 제어 루프들 각각은 폐쇄 루프인, 서멀 제어 기기.
11. 삭제
12. 삭제
13. 제1항에 있어서,
    상기 2차 제어 루프는 상기 제1 열전기 냉각기의 상기 활성 면의 온도로부터 40℃ 내에서 상기 서멀 커패시터의 온도를 유지하는, 서멀 제어 기기.
14. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 제1 열전기 냉각기의 상기 활성 면이 초당 10℃ 이하의 램프 비율(ramp rate)로 가열 및 냉각되게 하기 위해 상기 제1 열전기 냉각기의 효율이 상기 제2 열전기 냉각기의 동작에 의해 유지되도록 구성되는, 서멀 제어 기기.
15. 제1항에 있어서,
    상기 상승된 타깃 온도는 90℃ 이상이고 상기 감소된 타깃 온도는 40℃ 이하인, 서멀 제어 기기.
16. 제1항에 있어서,
    상기 서멀 제어 기기는 사이클링 동안 서멀 런웨이(thermal runaway)를 방지하도록 상기 제2 열전기 냉각기의 기준 면과 결합된 방열판(heat sink)을 더 포함하는, 서멀 제어 기기.
17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 열전기 냉각기의 상기 활성 면에서부터 상기 방열판의 대향 측면에 이르기까지의 두께가 20mm 이하인, 서멀 제어 기기.
18. 제17항에 있어서,
    상기 서멀 제어 기기의 평면 크기는 45mm 이하의 길이 및 20mm 이하의 폭을 지니는, 서멀 제어 기기.
19. 제17항에 있어서,
    상기 서멀 제어 기기의 평면 크기는 40mm의 길이 x 12.5mm의 폭을 지니는, 서멀 제어 기기.
20. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열전기 냉각기의 상기 활성 면은 11mm x 13mm인, 서멀 제어 기기.
21. 제20항에 있어서,
    반응 용기의 대향 측면으로부터의 타깃 분석물의 광학적 검출을 허용하기 위해 상기 반응 용기의 단일 측면 상에서의 상기 반응 용기의 서멀 사이클링을 위해 상기 반응 용기와 결합하도록 구성되는, 서멀 제어 기기.
22. 각각이 제1항에 기재된 바와 같은 2개 이상의 서멀 제어 기기; 및
    대응하는 서멀 제어 기기로 가열 및/또는 냉각 사이클링을 수행하고 상기 2개 이상의 서멀 제어 기기를 번갈아 선택하도록 활성 위치에서 상기 2개 이상의 서멀 제어 기기를 번갈아 배치하도록 구성된 고정구;
    를 포함하는, 서멀 관리 시스템.
23. 온도를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 방법은,
    활성 면 및 기준 면을 갖는 제1 열전기 냉각기를 동작시키는 단계 - 상기 제1 열전기 냉각기는 초기 온도로부터 상승된 타깃 온도로 상기 활성 면을 가열시키도록 구성되고 상기 상승된 타깃 온도에 비해 감소된 타깃 온도로 상기 활성 면을 냉각시키도록 구성되며, 상기 제1 열전기 냉각기의 가열 및 냉각 동안, 상기 제1 열전기 냉각기는 1차 제어 루프로 동작되고, 상기 1차 제어 루프는 상기 제1 열전기 냉각기의 상기 활성 면에서나 또는 상기 제1 열전기 냉각기의 상기 활성 면 부근에서 온도를 감지하도록 구성된 제1 온도 센서로부터 제1 온도 입력을 수신함 -;
    활성 면 및 기준 면을 갖는 제2 열전기 냉각기를 동작시키는 단계 - 상기 제2 열전기 냉각기의 상기 활성 면이 서멀 커패시터에 연결되고 상기 제1 열전기 냉각기의 상기 기준 면이 상기 서멀 커패시터에 연결되며, 상기 서멀 커패시터는 상기 제1 및 제2 열전기 냉각기들의 활성 면들 및 기준 면들의 열적 전도성보다 높은 열적 전도성을 지니고, 상기 제2 열전기 냉각기는 2차 제어 루프로 동작되며, 상기 2차 제어 루프는 상기 서멀 커패시터의 온도를 감지하도록 구성된 제2 온도 센서로부터 제2 온도 입력을 수신함 -; 및
    상기 제1 열전기 냉각기의 상기 활성 면이 상승된 타깃 온도로 가열되는, 상기 제1 열전기 냉각기의 가열 모드 및 상기 제1 열전기 냉각기의 상기 활성 면이 감소된 타깃 온도로 냉각되는, 상기 제1 열전기 냉각기의 냉각 모드 사이로 사이클링 함과 동시에, 상기 제2 열전기 냉각기의 가열 모드 및 냉각 모드 사이로 사이클링 하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 제2 열전기 냉각기의 상기 가열 모드 및 상기 냉각 모드 동안, 상기 2차 제어 루프는 시간에 대해 상기 1차 제어 루프에 앞서거나 뒤서고 그럼으로써 상기 서멀 커패시터의 온도가 상기 제1 및 제2 열전기 냉각기들의 동시 사이클링 동안 변하게 함으로써 상기 제1 열전기 냉각기의 상기 활성 면의 서멀 사이클링의 속도 및 효율을 개선하도록 상기 서멀 커패시터에서의 서멀 에너지의 저장 및 방출이 제어되게 하는, 온도 제어 방법.
24. 삭제
25. 삭제
26. 삭제
27. 제23항에 있어서,
    상기 1차 제어 루프의 대역폭 응답은 컨트롤러에 의해 상기 2차 제어 루프의 대역폭 응답보다 빠르도록 제한되는, 온도 제어 방법.
28. 삭제
29. 제23항에 있어서,
    상기 상승된 타깃 온도가 95℃ 이상이고 상기 감소된 타깃 온도는 50℃ 이하인, 온도 제어 방법.
30. 제23항에 있어서,
    상기 온도 제어 방법은,
    사이클링 동안 상기 제1 열전기 냉각기의 효율을 유지하도록 상기 제1 열전기 냉각기의 사이클링 동안 상기 제2 열전기 냉각기의 제어된 동작에 의해 상기 제1 열전기 냉각기의 상기 활성 면의 온도로부터 40℃ 내로 상기 서멀 커패시터의 온도를 유지하는 단계;
    를 더 포함하는, 온도 제어 방법.
31. 제30항에 있어서,
    상기 제1 열전기 냉각기의 효율은 상기 제1 열전기 냉각기의 상기 활성 면이 초당 10℃ 이하의 램프 비율로 가열 및/또는 냉각되도록 상기 제2 열전기 냉각기의 동작에 의해 유지되는, 온도 제어 방법.
32. 제23항에 있어서,
    상기 온도 제어 방법은,
    서멀 런어웨이를 방지하도록 상기 제1 및 제2 열전기 냉각기로 사이클링하는 동안 상기 제2 열전기 냉각기의 기준 면과 결합된 방열판을 동작하는 단계;
    를 더 포함하는, 온도 제어 방법.
33. 중합효소 연쇄 반응 프로세스에서의 서멀 사이클링 방법으로서,
    상기 방법은,
    타깃 폴리뉴클레오타이드를 증폭하기 위한 중합효소 연쇄 반응을 수행하기 위한 내부에 샘플을 지니는 반응 용기와 제1항의 서멀 제어 기기를 결합하여 제1 열전기 냉각기의 활성 면이 상기 반응 용기와 열적으로 결합하게 하는 단계; 및
    상기 서멀 제어 기기를 상기 타깃 폴리뉴클레오타이드를 증폭하기 위한 특정 프로토콜에 따라 서멀 사이클링하는 단계;
    를 포함하는, 서멀 사이클링 방법.
34. 제33항에 있어서,
    상기 반응 용기와 상기 서멀 제어 기기를 결합하는 것은 상기 반응 용기의 한 측에 대해 상기 제1 열전기 냉각기의 활성 면을 결합하여, 반대 측이 상기 서멀 제어 기기에 의해 덮이지 않은 상태로 유지되게 함으로써 상기 반대 측으로부터의 광학적 검출을 허용하는 것을 포함하는, 서멀 사이클링 방법.
35. 제33항에 있어서,
    가열 모드 및 냉각 모드 각각은 하나 이상의 동작 매개변수들을 가지며, 상기 하나 이상의 동작 매개변수들은 상기 가열 모드 및 상기 냉각 모드 사이에서 비대칭인, 서멀 사이클링 방법.
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