KR20060017850A - 마이크로 유체 장치상에서의 가열, 냉각 및 열 순환 시스템및 방법 - Google Patents

마이크로 유체 장치상에서의 가열, 냉각 및 열 순환 시스템및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로 유체 카드상에 통합된 열 교환 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 하나의 양태에 따라 휴대용 마이크로 유체 카드는 가열, 냉각 및 열 교환 시스템이 내장되어 카드를 휴대용으로 사용할 수 있게 된다. 마이크로 유체 카드는 발열 또는 흡열 물질을 함유하는 하나 이상의 저장기를 포함한다. 일단 저장기 물질의 화학공정이 활성화되면, 저장기는 마이크로 유체 카드 중의 특정한 위치를 가열 또는 냉각시킨다. 다중 저장기가 단일 카드상에 포함되어 다양한 온도를 제공할 수 있다. 분석 화학물질을 다양한 저장기로 이동시켜 예를 들면 중합효소 연쇄 반응(PCR) 또는 rtPCR과 같은 다수의 생물학적 반응에 유용한 열 순환을 생성할 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시양태에 따라, 통합된 열 교환기가 인접한 회로에서 유체가 독립적인 회로에서의 분석 유체에 온도에 있어서의 변화를 부여할 수 있도록 독립적으로 가열되거나 냉각되는 분석 유체를 함유하는 인접한 마이크로 유체 회로이거나, 발열 또는 흡열 물질이다. 본 발명의 또 다른 실시양태에 따라, 열 전기 냉각기(TEC)는 마이크로 유체 카드의 증폭 챔버를 열 순환시키기 위해 사용된다.
마이크로 유체 장치, 열 교환 시스템, 중합효소 연쇄 반응, 열 전기 냉각기

Description

마이크로 유체 장치상에서의 가열, 냉각 및 열 순환 시스템 및 방법{System and method for heating, cooling and heat cycling on microfluidic device}
본 발명은 열 순환에 사용하기 위한 마이크로 유체 장치상에 통합된 가열기 및 냉각기에 관한 것이고, 더욱 구체적으로는 가열, 냉각 및 열 순환 시스템이 내장된 휴대용 마이크로 유체 카드에 관한 것이다. 또한 본 발명은 통합된 열 교환 회로, 또는 예를 들면 PCR 또는 rtPCR에 사용하기 위한 열 순환을 제공하는 마이크로 유체 장치와 연관되어 사용하기 위한 열 전기 냉각기(TEC)를 갖는 마이크로 유체 카드에 관한 것이다.
용적이 nℓ 크기의 액체에 대한 조절을 제공하는 통합된 마이크로 유체 조작 시스템은 현재의 분석 시험을 축소하고 생의학적 시험에 종종 사용되는 미소한 샘플의 크기를 조작하는 둘 다에서 유용한다. 전체적인 화학 분석은 단일 마이크로 유체 장치에서 수행될 수 있다. 마이크로 유체 장치는 채널, 밸브, 펌프, 유동 센서, 혼합 챔버 및 광학적 검출기와 같은 구성요소를 포함한다. 이러한 구성요소와 시스템의 예는 미국 특허 제 5,932,100호, 제5,922,210호, 제6,387,290호, 제 5,747,349호, 제5,748,827호, 제5,726,751호, 제5,724,404호, 제5,716,852호, 제5,974,867호, 제6,007,775호, 제5,972,710호, 제5,971,158호, 제5,948,684호 및 제6,171,865호(이들 특허는 본원에 전체적으로 참조로 인용된다)에서 찾아볼 수 있다.
마이크로 유체에 의한 분석을 수행하는 성능은 처리량, 시제 소모 및 자동화도의 사실상의 이점을 제공한다. 마이크로 유체 시스템의 또 다른 이점은 분석 및/도는 합성용 반응물들의 공정을 수행하기 위해 단일 "하나의-칩상의-실험" 장치에서 다수의 상이한 작동을 통합할 수 있다는 점이다. 마이크로 유체 장치의 이점으로부터 유리할 수 있는 작동의 한 가지 예는 통상적으로 PCR로 알려진 중합효소 연쇄 반응 또는 통상적으로 역 전사효소-중합효소 연쇄 반응으로 알려진 rtPCR이다.
PCR은 DNA의 특정한 단편을 증폭시키기 위해 사용되는 기술이다. 간단하게 말해서 DNA는 DNA 중합효소, 미결합 뉴클레오티드 염기 및 "프라이머"(즉 목적하는 DNA 단편의 단편과 결합하는 뉴클레오티드의 짧은 서열)를 함유하는 용액과 접촉한다. 2개의 프라이머가 사용된다. 첫 번째 프라이머는 두 쌍의 DNA 가닥 중의 하나에 목적하는 단편의 말단에서 결합하는 반면, 두 번째 프라이머는 또 다른 DNA 가닥 중의 도 다른 말단에서 결합한다. 용액을 약 95℃ 온도로 가열하여 DNA 가닥 사이의 결합을 분해한다. 프라이머는 이러한 고온에서 DNA 가닥을 결합할 수 없기 때문에, 용액을 약 55℃로 냉각시킨다. 이 온도에서 프라이머는 분리된 가닥에 대해 결합하거나 "어닐링"한다. DNA 중합효소가 약 72℃에서 최상으로 작용하기 때문에, 온도를 다시 상승시켜야 하고 DNA 중합효소는 프라이머에 대해 자유 뉴클레 오티드 염기를 결합시킴으로써 새로운 가닥을 형성한다. 이러한 공정이 반복되면 하나의 프라이머와 함께 형성된 가닥은 또 다른 프라이머에 결합하여, 목적하는 단편에 단독으로 한정되는 새로운 가닥을 형성한다. 따라서 프라이머들 사이의 DNA의 부분은 선별적으로 복제된다. 또한 공정을 반복하면 불과 수시간 안에 미소한 조각의 DNA 수억만 개의 사본을 생성할 수 있다.
특정한 박테리아 또는 바이러스, 또는 유전학적 질환을 검출하기 위해, PCR은 인간의 진단학에 유용한 가장 강력한 수단 중의 하나가 되었다. PCR은 DNA의 단일 분자와 같은 미소한 분자를 증폭시킬 수 있기 때문에 오염의 문제가 대두된다. 오염의 위험을 최소화하기 위해 많은 실험실은 PCR 기기를 놓을 별도의 방을 마련할 필요가 있었다.
rtPCR은 역 전사효소-중합효소 연쇄 반응의 약자이다. 이것은 RNA가 DNA 보충요소 속으로 전사되어 PCR을 증폭시킬 수 있는 기술이다. RNA 가닥을 DNA 보충요소 속으로 전사하는 것을 역 전사라 하고 이는 역 전사효소에 의해 수행된다.
PCR계 분석은 3개의 기본 단계를 갖는다: DNA의 분리, DNA의 증폭 및 DNA의 검출이다. 과거에 DNA 분리공정은 매우 지루한 과정을 포함했고 진단학의 PCR에 대한 제한 요인이었다. 기술상의 발전과 함께 DNA 분리공정은 DNA가 시제의 첨가와 원심분리를 사용하여 신속하게 추출될 수 있을 정도로 단순화되었다. 단순화되었음에도 불구하고, 통상의 분리방법은 비용이 비싸고 부담이 되는 설비, 예를 들면 상대적인 원심분리력(RCF)이 약 16000g인 1300rpm 이상의 비냉장 원심분리기를 포함하는 설비를 필요로 한다. 또한 고압 멸균성의 양호한 마이크로-피펫 셋트뿐 만 아니라 다양한 속도의 대량 보르텍스 혼합기, 세포 용해를 위한 마이크로웨이브 오븐 및 비등 및 배양을 위한 수조를 필요로 한다.
DNA를 분리시킨 후, 단일 DNA 분자를 위에서 기술한 바와 같이 열 순환기의 도움으로 온도를 매 순환마다 96℃로부터 55℃로 다시 72℃로 변화시켜 수억개 이상의 사본으로 증폭시킬 수 있다. 통상적인 PCR에 있어서 유리 모세관을 반응용기로 사용하여 PCR 반응 혼합물을 신속하게 가열 및 냉각시켜 증폭시간을 단축시키는데 사용되어 왔다. 그러나 이러한 발전에도 불구하고, PCR의 시스템 및 방법은 단순화될 필요가 있고, 오염의 위험 또는 인간의 실수를 최소화할 필요가 있고 휴대용이고 비용상 효율적이며 가속될 필요가 있다. 일단 증폭되면 DNA는 예를 들면 광학 기기를 사용하는 것을 포함하는 다수의 통용되는 기술에 의해 검출될 수 있다. 또한 DNA의 검출은 확인을 위한 것이냐 수량화를 위한 것이냐에 따라 전기영동에 의해 또는 액체 혼성화에 의해 성취될 수 있다.
마이크로 유체 장치가 다양한 용도범위에서 사용되어 왔음에도 불구하고, 분리, 증폭 및 검출의 단계를 수행하는 것과 관련하여 다수의 문제점들이 마이크로 유체에 의해 효과적으로 수행하기 위한 PCR에 대해 남아있다. 하나의 문제점은 열 순환기의 통합이다. 마이크로 유체 장치상에서 온도를 모니터하고 변화시키기 위한 적합한 장치를 개발하기 위한 다양한 시도가 이루어져 왔다. 예를 들면 국제 특허원 제PCT/US98/1791호는 유체에 전류를 공급하여 유체에 열을 생성할 뿐만 아니라 용액의 전도도를 유체의 온도 측정치로서 측정하기 위해 마이크로 유체 시스템 내에서 온도를 조절하고 모니터하는 장치에 관한 것이다.
마이크로 유체 장치상에서 온도를 조절하는 또 다른 시스템은 미국 특허 제6,541,274호에 기술되어 있다. 이 특허는 기판에 다수의 저장기(reservoir)를 갖는 반응기 시스템에 관한 것이다. 열 교화기를 반응기에 삽입시켜 온도를 조절한다. 마이크로 유체 장치상에서 온도를 조절하기 위해 존재하는 장치의 또 다른 예는 미국 특허 제6,018,616호에 기술된 바와 같은 방사열을 사용하는 것과 미국 특허 제6,020,187호에 기술된 바와 같은 온도 조절된 조절블록이 있다.
일반적으로 마이크로 유체학 분야에서, 특히 PCR 또는 rtPCR에서 중요한 개선이 이루어져 왔지만, 마이크로 유체 장치를 위한 기술분야에서 특히 마이크로 유체 PCR 또는 rtPCR와 관련하여 열 순환기를 함유하는 장치에 대한 요구가 여전히 남아있다. 본 발명은 이러한 요구를 충족시키고 관련되는 추가의 이점을 제공하는 것이다.
발명의 간단한 요약
일반적으로 본 발명은 가열, 냉각 및 열 순환 시스템이 내장된 마이크로 유체 장치, 및 통합된 열 교환기 회로 또는 열 전기 냉각기(TEC)를 갖는 마이크로 유체 장치에 관한 것이다.
하나의 실시양태에 있어서, 마이크로 유체 장치를 휴대용으로 사용할 수 있도록(예를 들면 카드의 형태로) 가열, 냉각 및 열 순환 시스템이 내장된 마이크로 유체 장치가 기술된다. 마이크로 유체 장치는 발열 또는 흡열 물질을 함유하는 하나 이상의 저장기를 포함한다. 일단 저장기 물질의 화학공정이 활성화되면, 저장 기는 마이크로 유체 카드 중의 특정한 위치를 가열 또는 냉각시킨다. 다중 저장기가 단일 카드상에 포함되어 카드상의 다양한 위치에서 다양한 온도를 제공할 수 있다. 임의의 목적하는 분석 화학물질을 다양한 저장기로 이동시켜 예를 들면 PCR을 포함하는 다수의 생물학적 반응에 유용한 열 순환을 생성할 수 있다.
또 다른 실시양태에 있어서, 통합된 열 교환기가 기술된다. 교환기는 인접한 회로에서 유체가 독립적인 분석회로에서의 분석 유체에 온도에 있어서의 변화를 부여할 수 있도록 독립적으로 가열되거나 냉각되거나, 또는 분석 유체를 함유하는 마이크로 유체 회로에 인접하여 위치하는 발열 또는 흡열 물질인 유체를 함유하는 마이크로 유체 회로이다. 열 교환기 회로 및 분석 회로 둘 다 마이크로 유체 장치상에 함유된다. 열 교환기 회로에서의 유체는 펌핑 수단을 제공하기 위해 장치를 다기관 또는 기기에 연결시킴으로써 순환될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시양태에 있어서 열 전기 냉각기(TEC)는 마이크로 유체 장치에 함유되는 증폭 저장기에 인접하여 위치한다. TEC 조절기를 제공하여 TEC의 온도를 조작하고 반대로 증폭 저장기를 조작하고, 전압 공급원을 제공하여 TEC에 전력을 제공한다.
본 발명의 이러한 양태와 기타의 양태는 첨부하는 도면과 이후의 상세한 기술을 참조로 하여 분명해질 것이다.
도 1은 본 발명의 원리에 따라 열 순환 마이크로 유체 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 원리에 따라 열 순환 마이크로 유체 장치의 하나의 실시양태에 대한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 원리에 따라 도 2의 3A-3A 선을 따른 마이크로 유체 장치의 단면도이다.
도 4A 내지 도 4C는 본 발명의 원리에 따라 다기관 속에서 열 순환 마이크로 유체 장치를 나타내는 순서도와 사진이다.
도 5는 본 발명의 원리에 따라 시간에 대한 열 챔버의 단계 반응을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 원리에 따라 시간에 대한 열 챔버의 열 상승을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 원리에 따라 시간에 대한 열 챔버의 열 하강을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 원리에 따라 3개의 수준의 PCR 온도 조절 대 시간을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 원리에 따른 유체 열 순환기의 구성요소들을 나타내는 순서도이다.
도 10은 본 발명의 원리에 따른 열 전기 순환기의 구성요소들을 나타내는 순서도이다.
도 11은 본 발명의 원리에 따라 증폭 챔버 속에 삽입된 열커플을 갖는 마이크로 유체 시험 라미네이트의 개략도이다.
도 12는 본 발명의 원리에 따라 TEC와 마이크로 유체 카드 사이에서 열 접촉면 물질 없이 TEC가 스테인레스 강 테이블 상의 9에 직접 위치하는 경우 시간에 대한 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 원리에 따라 TEC가 열 싱크 상에 위치하고 흑연 열 접촉면 TEC와 라미네이트 사이에 위치하는 경우 시간에 대한 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 원리에 따라 도 13의 카드에 대한 사진이다.
도 15는 본 발명의 원리에 따라 TEC가 열 싱크 상에 위치하고 흑연 패드가 TEC와 증폭 챔버 사이에 위치하는 경우 시간에 대한 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 16은 도 15의 그래프의 일부분을 클로즈 업한 그래프이다.
도 17은 본 발명의 원리에 따라 TEC가 서마갭 열 싱크상에 위치하는 경우 시간에 대한 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 18은 본 발명의 원리에 따라 열 순환기 그래픽 접촉면(GUI)의 스크린 쇼트이다.
도 19는 본 발명의 원리에 따라 프로필의 첨가 또는 제거를 나타내는 GUI의 스크린 쇼트이다.
도 20은 본 발명의 원리에 따른 GUI의 또 다른 스크린 쇼트이다.
도 21은 본 발명의 원리에 따른 GUI의 또 다른 스크린 쇼트이다.
도 22는 본 발명의 원리에 따른 GUI의 또 다른 스크린 쇼트이다.
도 23은 본 발명의 원리에 따른 GUI의 또 다른 스크린 쇼트이다.
도 24는 본 발명의 원리에 따른 GUI의 또 다른 스크린 쇼트이다.
도 25는 본 발명의 원리에 따른 GUI의 또 다른 스크린 쇼트이다.
도 26은 본 발명의 원리에 따른 GUI의 또 다른 스크린 쇼트이다.
도 27은 본 발명의 원리에 따른 GUI의 또 다른 스크린 쇼트이다.
도 28은 본 발명의 원리에 따른 GUI의 또 다른 스크린 쇼트이다.
도 29는 본 발명의 원리에 따라 열 순환을 위한 TEC를 사용하는 마이크로 유체 카드의 단면도이다.
발명의 상세한 설명
위에서 언급한 바와 같이, 본 발명은 일반적으로 가열, 냉각 및 열 순환 시스템이 내장된 마이크로 유체 장치, 및 통합된 열 교환 회로 또는 열의 순환을 제공하기 위한 마이크로 유체 장치와 관련하여 사용되는 TEC를 갖는 마이크로 유체 장치에 관한 것이다.
본 발명의 하나의 양태에 따라, 마이크로 유체 장치는 카드 형태이고 가열, 냉각 및 열 교환 시스템이 내장되어 있어서, 카드를 휴대용으로 사용할 수 있다(본원에서 일반적으로 평면상의 "카드"의 형태로 논의되는 본 발명의 마이크로 유체 장치는 임의의 숫자의 물리적 형태를 취할 수 있다). 마이크로 유체 카드는 발열 물질 또는 흡열 물질을 함유하는 하나 이상의 저장기를 포함한다. 일단 저장기 물질의 화학공정이 활성화되면, 저장기는 마이크로 유체 카드의 특정한 위치에 가열 또는 냉각작용을 제공한다. 다수의 저장기가 단일 카드상에 포함되어 다양한 온도를 제공할 수 있다. 분석 화학물질이 다양한 저장기에로 옮겨져서, 예를 들면 PCR을 포함하는 다수의 생물학적 반응에 유용한 열 순환을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 예시적인 실시양태를 나타낸다. 마이크로 유체 카드(100)는 발열 또는 흡열 분말 혼합물을 함유하기 위한 저장기(110)를 포함한다. 저장기(110)는 충전홀(120)을 갖는데, 이는 가열 또는 냉각 순환이 개시되기 전까지 예를 들면 테이프로 커버될 수 있다. 고체 또는 액체 혼합물의 상이한 성분들 사이에서 다수의 화학적 및 물리적 공정이 현저하게 발열 공정인지 또는 흡열 공정인지 공지되었다. 예를 들면 철 분말, 활성화된 숯 분말 및 셀룰로즈의 혼합물은 수 시간에 걸쳐 60℃의 일정한 온도를 제공할 수 있다. 반면에 염화암모늄이 첨가되는 경우 수용액의 온도는 저하된다. 정확한 농도로 제공되는 경우, 성분들이 완전히 사용될 때까지(즉, 반응이 완결되거나 성분들의 농도가 평형을 이룰 때까지) 특정한 열의 흡착 또는 방출을 제공할 수백 가지의 상이한 혼합물이 있다.
예시적인 실시양태에서, 발열 또는 흡열 물질의 혼합물은 저장기(110)에 함유된다. 충전홀 또는 투입구에서 테이프를 제거하자마자 공기가 혼합물과 접촉하게 되고 혼합물 내에서의 반응을 개시하여, 저장기 속에 있는 물질의 선택 여하에 따라 저장기 위에서의 온도가 상승 (또는 하강)한다. 하나의 예에서, 철 분말, 활성화된 숯 분말 및 셀룰로즈의 혼합물을 사용하면 (10분 후) 온도를 62℃(±3℃)에서 4시간 동안 유지함을 관측하게 된다. 이러한 혼합물은 마이크로 유체 카드상의 다양한 장소에 위치할 수 있고, 이들이 공기, 습기 또는 또 다른 화학물질에 노출 되면 가열 (또는 냉각) 공정이 개시된다.
이러한 카드의 실질적인 적용분야는 예를 들면 배양을 위해 수분 동안 온도가 37℃에서 유지되어야 하는 것과 같은 일정한 온도에서의 배양을 요하는 생물학적 반응을 수행하기 위한 수동 또는 휴대용 마이크로 유체 카드를 포함한다. 기타 다수의 생물학적 반응이 수분 또는 수시간 동안 37℃에서 효소를 배양하는 것에 기초로 한다. 이들 효소는 특히 DNA-의존성 DNA 합성효소, 제한 효소, RNA-의존성 DNA 합성효소, 루프-매개되는 등온 증폭(LAMP), 및 핵산 서열에 기초하는 증폭(NASBA)을 포함한다.
또 다른 실시양태는 마이크로 유체 회로가 임의의 순서로 그리고 임의의 목적하는 접촉시간 동안 뜨거운 및/또는 차가운 영역에 걸쳐 목적하는 유체를 운반하는 마이크로 유체 카드상에서 뜨거운 및/또는 차가운 구역을 제공하는 상이한 혼합물을 사용하는 다중 영역을 포함한다. 예를 들면 핵산 증폭을 위한 열 순환 실험이 이러한 장치에서 수행될 수 있다. 샘플이 함유되어 있는 고정 위치에서 온도를 변화시키기 위해 시도하는 통상의 열 순환기와는 달리, 본 발명의 양태는 마이크로 유체를 통해 카드의 상이한 위치로 샘플을 순환시킬 수 있다. 이들 상이한 위치는 목적하는 온도를 유지할 수 있다.
예를 들면, PCR 카드는 온도가 95℃, 55℃ 및 72℃인 세 위치를 가질 수 있다. 이러한 양태는 온도 변환시간(하나의 온도에서 다른 온도로 넘어가기 위한 시간)이 훨씬 단축됨에 따라 순환시간이 더욱 단축되는 결과를 낳는다. 변환시간은 전형적인 열 순환기에서 순환시간의 50% 이상 기여한다. 또 다른 이점은 사용 용 적이 훨씬 작아질 수 있는 성능이다. 전형적인 열 순환기에서 전형적인 용적은 10 내지 25㎕로서, 대부분 실험실의 피펫에 의해 측정될 수 있는 양으로 한정되었다. 하지만 본 발명의 양태에 있어서는, 예를 들면, ㎕ 또는 심지어 100nℓ 만큼 작은 용적의 증폭을 성취할 수 있다. 또한 더욱 낮은 중량과 전력을 요하기 때문에, 본 발명은 작동을 위해 거의 또는 전혀 외부 기기를 필요로 하지 않는 손에 쥘 만한 크기의 수동 열 순환 카드로 디자인될 수 있다.
수동 또는 휴대용 PCR 마이크로 유체 카드에 대해 많은 이점이 있다. PCR-계 분석의 첫 번째 두 단계(즉, 분리 및 증폭단계)는 이제 마이크로 유체방식 및 마이크로 플럼빙 방식임에도 불구하고 신용카드 크기로 분산성 플라스틱 장치 속에 통합될 수 있어서 다음과 같은 이점들을 가져온다: (1) 오염의 최소화; (2) 샘플/시제 양의 감소; (3) 분석시간의 감소; (4) 휴대 가능성(조심스런 적용이라는 점을 포함); (5) 단순성; (6) 후면 및 전면 통합(예를 들면 단일 카드상에서 샘플의 준비 및 분석의 조합); 및 (7) 다중 분석 시스템의 폐기.
구체적으로 기기 및 설비와 관련하여 PCR-계 마이크로 유체 카드에 대한 다수의 이점이 있다. PCR 카드에서 비냉장 원심분리기를 필요로 하던 DNA-추출을 위해 사전에 요구되는 단계들이 혼합, 분자 확산 및 함침된 막 또는 매트릭스의 사용을 통해 DNA-분리에 의해 대체될 수 있다. RNA 분리에 대해서도 유사하게 기기들이 대체될 수 있고, 또한 온도는 화학 반응물질들을 사용함으로써 변화시킬 수 있다. 마이크로-피펫은 유체가 유체 정압에 의해 이동함에 따라 PCR-카드를 사용하여 제거된다. 확산을 통해 혼합이 이루어지고, 세포 용해는 용해제와 함께 혼합함 으로써 마이크로웨이브 오븐을 사용하지 않고도 수행된다. 온도가 카드 내에서 화학 반응물질을 통해 변화될 수 있기 때문에, 마찬가지로 수조를 필요로 하지 않는다. DNA 증폭과 관련하여, 본 발명의 PCR 카드에서 열 순환기는 내장되는 저장기 또는 분석회로에 인접하는 마이크로 유체 회로에 의해 대체된다. 또한 포함되는 멸균 조건하에 모든 단계들이 PCR 카드 내에서 일어날 수 있고 별도의 깨끗한 방을 필요로 하지 않기 때문에 공간적으로 현저히 감소한다.
유체 가열 및 냉각: 열 교환기
본 발명의 또 다른 양태에 따라 통합된 열 교환기는 독립적으로 가열되거나 냉각되거나, 또는 분석 유체를 함유하는 마이크로 유체 회로에 인접하여 위치하는 발열 또는 흡열 물질인 유체를 함유하여, 인접한 회로에서 유체가 독립적인 회로에서의 분석 유체에 대해 온도에 있어서의 변화를 제공하는 마이크로 유체 회로이다. 열 교환 회로 및 회로를 함유하는 분석 둘 다 마이크로 유체 카드상에 함유된다. 열 교환 회로에서의 유체는 카드를 다기관의 기기들에 연결함으로써 순환되어 펌핑 수단을 제공할 수 있다.
마이크로 유체 카드의 임의의 예시적인 실시양태에 있어서, 통합형 가열 및 냉각은 2개 이상의 펌프 및 밸브로 조절되는 마이크로 유체 회로를 근접하여(예를 들면 하나가 다른 하나의 위에 있거나 그렇지 않으면 옆에 인접하여) 포함한다. 하나의 회로는 특정한 양의 가열 또는 냉각 혼합물의 두 부분의 상호확산을 허용하고, 다른 회로는 가열 및/또는 냉각을 필요로 하는 분석 화학물질을 함유하는 마이 크로 유체 회로이다. 가열 혼합물의 성분들의 상호확산을 조절함으로써, 예를 들면 정확한 온도를 조절할 수 있고, 가열 혼합물의 두 성분들이 유동하는 만큼의 오랜 시간 동안 정확한 온도를 유지시킬 수 있다.
이와 같은 신속한 열 순환기의 한 가지 실시양태는 도 2에 나타낸 바와 같은 마이크로 유체 카드이다. 이러한 배치는 표준 열 순환기보다 4배 이상 빠른 PCR 크기의 열 교환 중의 열 전달 성능을 가능하게 한다. 이러한 결과는 실험에 의해 측정되었고 3초 이내에 50℃의 변화를 나타내거나 초당 17℃의 온도 변환율을 나타내는 변환율 17℃/sec를 나타내는 실제 데이타와 함께 나타났다.
가열 및/또는 냉각을 제공하기 위한 활성 마이크로 유체 회로를 갖는 마이크로 유체 카드에 대한 다수의 조작상의, 제작상의 및 기술상의 이점이 있다. 예를 들면, 이들 시스템은 상대적으로 낮은 전력을 필요로 하고; 마이크로 유체 카드는 크기가 작고 가열/냉각 유니트가 예를 들면 4in3가 되는 것을 목표로 하며, 수성 범위에서 임의의 중간 온도가 적합한 열 조절기를 사용하여 성취될 수 있고/있거나(0 내지 100℃), 수성 샘플은 동결될 뿐만 아니라 비등될 수 있다. 또한 크기가 작고 사용되는 플라스틱의 절연 특성을 제공하는 마이크로 유체 밸브의 성능은 밸브 및 카드 플라스틱에서 큰 열량의 온도를 변화시키지 않고도 온도를 신속하게 변화시킬 수 있는 성능을 제공한다. 유사하게, 낮은 열량은 매우 신속한 열 변화를 허용한다.
도 2는 시험 카드가 그려진 열 순환 열 교환기의 하나의 실시양태에 대한 상평면도이다. 이렇게 특별히 디자인되고 제작된 카드는 가열 및 냉각 계획의 효율 도를 측정하기 위해 제조되었다. 도 3은 도 2에 나타낸 시험 카드의 3A-3A 선을 따른 단면도이다. 도 4A는 시험 카드의 순서도이다. 도 4B는 다기관에 삽입된 시험 카드의 사진이다. 도 4C는 함침된 열커플을 갖는 시험 카드의 사진이다.
도 5 내지 도 8에 있어서, 도면 기호의 정의는 다음과 같다.
ColdSrc - 차가운 유체 저장탱크에서 차가운 유체의 온도를 나타낸다(이 경우 얼음물의 온도는 약 0.3℃이다).
HotSrc - 뜨거운 유체 저장탱크에서 뜨거운 유체의 온도를 나타낸다(이 경우 이것은 약 80℃로 가열된 물이다).
ColdIN - 카드 주입구에서 순환하는 차가운 물의 측정된 온도이다. 이것은 시험중에 카드로 이동하는 차가운 유체의 온도 상승을 지시하는 지시계이다. 이러한 온도 상승은 이들 실험을 위해 중요하지는 않지만, 밀접하게 커플링된 작은 유체 가열기/냉각기의 디자인과 함께 최소화될 수 있다.
HotIN - 카드 주입구에서 순환하는 뜨거운 물의 측정된 온도이다. 이것은 시험중에 카드로 이동하는 뜨거운 유체의 (실온 근처까지) 온도 하강을 지시하는 지시계이다.
Mixer - 유체가 채널을 통해 직접 샘플 유체 위와 아래로 이동하기 전에 뜨겁고 차가운 유체의 혼합을 평형화시키기 위해 사용되는 챔버의 온도이다. 이것은 뜨겁거나 차가운 유체 밸브의 상태에서 및 뜨겁고 차가운 혼합물의 온도의 상태에서 변화를 지시함으로써 요구되는 온도 변화의 시간을 지시한다.
Chamber - 시험 카드의 25㎕ 샘플 챔버에 함침되는 열커플의 온도이다. 이 것은 샘플의 측정되는 열 반응이다.
도 5는 열 챔버 온도 단계 반응의 그래프이다. 단계 반응은 조절 시스템의 표준 선형 시스템의 특성화이다. 도 5에 나타낸 바와 같은 개방형 루프 단계 반응은 우리가 시험하는 구조를 위한 최대 순환시간을 특성화할 수 있는 상승 및 하강시간을 지시한다. 단계 반응은 차가운 유체 밸브의 개방과 함께 챔버 온도를 평형화하고 나서, 차가운 유체 밸브를 닫고 동시에 뜨거운 유체 밸브를 50초 동안 개방한 다음 뜨거운 유체 밸브를 닫고 다시 차가운 유체 밸브를 개방함으로써 유도된다.
도 6은 시간에 대한 챔버의 열 상승의 그래프이다. 챔버 온도 반응의 상승시간은 혼합기의 열 교환 유체로부터 약 1초간 지연된다. 이는 대부분 유체의 유동속도 및 열커플의 분리에 의해 계산된다. 유동속도는 추동 온도로부터 반응 온도까지 감소된 지연을 위해 증가될 수 있다. 카드의 배치는 샘플 온도의 50℃ 상승이 3초 이내에 유효하도록 디자인되었다. PCR에 대한 하나의 프로토콜은 50℃의 온도 안정기를 95℃로, 75℃로, 다시 50℃로 변이시키는 것을 요한다. 정확하게 가열되고 조절되는 추동 유체를 사용하여 이러한 양성 열 상승이 3초 미만의 시간 내에 이루어질 수 있다.
도 7은 시간에 대한 챔버의 열 하강의 그래프이다. 열 교환을 위한 하강시간으로서 3초 이내에 40℃의 온도를 하강시킨다. 다시, 전형적인 PCR 프로토콜에 있어서 20 내지 30℃의 열 하강이 요구된다. 대략적으로 디자인된 닫힌 루프 열 유동 조절기를 사용하여, 이러한 25㎕의 샘플이 약 10초 동안에 3개의 PCR 온도를 통해 열적으로 순환될 수 있다. 따라서 PCR의 30 정도의 순환이 약 5분 동안에 일어날 수 있다.
도 8은 3-수준 형태(예를 들면 PCR)의 변조 그래프이다. 샘플의 개방 루프 3-수준 온도 순환은 중간 온도를 이루기 위해 뜨겁고 차가운 유체 밸브를 동시에 개방시킴으로써 나타난다. 이것은 뜨거운 유체한계와 차가운 유체한계 사이에서 중간 온도를 성취하기 위한 밸브 시스템의 성능을 나타낸다. 대략적으로 디자인된 혼합기를 갖는 뜨거운 밸브와 차가운 밸브의 순환 변조를 활용하는 밸브 조절 시스템은 임의의 중간 온도를 성취할 수 있다. 또한 이것은 더욱 신속한 순환시간과 안정한 중간 온도를 성취하기 위한 추동 온도 기능의 맞춤조절을 허용할 수 있다.
도 9는 위에서 상세히 기술한 유체 열 순환기에서의 유체의 유동을 나타내는 순서도이다.
라미네이트 카드상에서 가열 영역에 접근하는 열 유체에는 다수의 이점이 있다. 하나의 주요 이점은 카드상에서 하나의 고정되지 않은 위치에서의 증폭을 위해 열 구역을 위치시키는 성능이다. 두 번째 이점은 샘플을 균일하고 신속하게 가열할 수 있게 증폭 챔버를 이동하는 열 유체를 사용하여 "둘러싸는" 또는 "덮는" 성능이다.
시스템은 2개의 펌프, 열이 조절되는(뜨거운 및 차가운) 2개의 열 교환기, 열 유체 저장기, 관련되는 튜브 연결부, 펌프로부터 펄스를 완화하기 위한 제한기 및 축전기, 플루오리너트(Fluorinert) 열 유체를 가열함으로써 형성되는 거품을 제거하기 위한 거품기 회로를 갖는다.
열 유체와 관련하여 작동 온도가 비등점에 접근하기 때문에 물은 열 유체로서 사용하기에 실용적이지 않고, 따라서 이의 내부 특성과 155℃인 이의 상대적인 높은 비등점 때문에 플루오리너트 FC-40은 대안으로서 시험된다. FC-40은 물(중량당)의 열의 1/4의 특정한 열 및 물의 약 1/10의 열 전도율을 갖는다. FC-40은 유출물과 누출물이 신속하게 증발하는데 충분하도록 극도로 비활성이고 휘발성이다. 당해 기술 분야의 숙련가들은 기타 다수의 열 유체가 본 발명의 기술에 따라 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
열 유체가 효과적인 열 전달 물질이 아니기 때문에, 유입지점으로부터 얼마나 멀리 있느냐와 증폭 챔버(들)가 얼마나 클 수 있느냐에 대한 한계가 있다. 카드에 대한 열 교환기로부터의 모든 구성성분들은 열 순환 중에 가열되거나 냉각되어야 하는 어느 정도의 열 물질량을 갖는다. 더욱 큰 증폭 영역을 조화롭게 제공하기 위해서는 유동을 증가시키거나 순환속도를 느리게 할 필요가 있다.
플루오리너트 FC-40을 요구되는 온도로 가열하는 경우 하나의 문제점은 유체 속에 용해되는 임의의 공기가 고온에서 유체 밖으로 빠져나온다는 점이다. 작은 거품들은 회로의 높은 온도에서 모이는 경향이 있다. 축적된 공기가 유체의 흐름을 방해할 정도로 충분히 큰 거품을 형성하게 되면 온도 조절에 문제점을 발생시키는 결과를 낳는다. 열 유체 시스템이 대기로부터 쉽게 분리될 수 없고 순환 유체가 공기를 재흡수하는 경향이 있기 때문에 배기는 실용적인 수단이 아니다. 이러한 문제점을 완화시키기 위해 회로의 블리드(bleed)를 사용하여 거품을 "트랩"하는 것이 고안되었다. 나가는 유체가 챔버의 아랫쪽으로부터 나가야 하는 챔버의 중간 지점으로 열 교환기로부터 유체를 펌핑한다. 주입지점 위에 거품을 모을 수 있는 챔버가 있다. 블리드 튜브에 연결된 이러한 챔버의 상단에 하나의 지점이 있다. 블리드 튜브는 열 유체 저장기를 향해 뒤쪽으로 유도된다. 블리드 튜브의 저장기 말단에서 제한기가 유동을 감소시킨다. 짧은 길이가 0.020"인 PEEK 튜브가 제한기로서 작동한다.
열 전기 냉각기( TEC ) 펠티어(Peltier)를 사용하는 열 순환
본 발명의 또 다른 실시양태에 있어서, 열 순환은 예를 들면 펠티어와 같은 열 전기 냉각기(TEC)를 사용하여 이루어질 수 있다. 도 10은 이후에 보다 더 기술되는 바와 같이 본 발명의 열 전기 순환기의 구성요소들의 순서도를 나타낸다. 이러한 배치는 PCR 및 rtPCR과 함께 사용하기 위한 마이크로 유체 증폭 챔버를 위한 가열 및 냉각 공급원으로서 TEC의 사용 가능성을 시험하기 위해 사용된다.
사용된 기기:
전력 공급 0-20vdc(7.5VDC로 설정)
DPDT 역 전류 방향으로 스위치
열 싱크
DVM
TEC(Melcor CPO-8-63-06MM, 12mm x 25mm, Imax 2.1A, Vmax 7.62vdc)
열커플
마이크로닉스 "수행 모터" 소프트웨어 및 열 순환기 Dart, 데이타 포착을 위해.
예시적인 TEC 조절기 배열:
PC를 통해 전달
· RS-232
· USP
· GPIB
서미스터 센서 20 내지 100℃
온도 상승 및 온도 하강시키는 TEC 구동 능력.
전류 부하 3.7amps, 19VDC(가능하게는 7.4amps)
조절성 전압 출력 0-20vdc, 전류 한계(또는 분리된 전력 공급을 사용 분리하는 능력)
데이타를 풀링하고 수집하는 능력.
빠른 PID 루프
P = 1 내지 200℃
I = 1sec 미만
D = 1sec 미만
가열 및 냉각을 위한 상이한 PID 루프를 사용하는 성능.
3개의 온도에 대한 온도 변환 및 유지의 최소값. 초당 변환률 6℃ 또는 이 보다 더 빠름.
하나의 예시적인 목적 프로필: 65 내지 75℃로 가열하고 60초 동안 유지. 94 내지 95℃로 가능한 한 신속하게 온도 변환시킨 다음 5초 동안 유지; 65 내지 70℃로 변환시킨 다음 또 다시 5초 동안 유지. 위의 두 단계(94℃와 72℃)를 반복. 전체 반복수를 각각 40으로 산정.
온도 및 유지시간은 증폭을 위해 선택된 화학물질에 기초하여 변화시킬 수 있다.
두 번째 예시적인 목적 프로필: 95℃에서 3분 동안, 27℃에서 30초 동안, 65℃에서 10분 동안. 다양한 시간과 함께 27 내지 95℃의 온도를 사용하는 또 다른 5 단계의 변형이 있다. 그러나 PID 요건으로부터 나오는 아이디어를 제공한다.
세 번째 예시적인 목적 프로필: 온도를 90분 동안 유지.
시험 배열 및 결과: 모든 시험에서 TEC는 7.5V에서 작동된다.
시험 작동:
TEC를 열 싱크로서 기능하는 스테인레스 강 테이블에 놓는다. 열커플이 TEC의 상부면에 테이프로 부착된다. TEC가 뜨거운 것으로부터 차가운 것으로 순환함에 따라 데이타를 취한다. 이 시험은 전이시간 4.25초를 나타내어 60℃로부터 95℃로 가는 또는 8.65℃/sec가 되는 데이타를 수득한다. 냉각 시간은 96℃로부터 60℃ 가는 또는 12℃/sec인 3초이다.
이 시험은 TEC를 사용하는 온도를 변화시키는 가능성을 검사한다.
증폭 챔버 시험:
샘플 라미네이트 카드는 0.004" Mylar의 한 층에 의해 커버되는 증폭 챔버를 사용하여 디자인된다. 이것은 챔버를 커버하는 층이 TEC와 직접 접촉하여 위치하게 만든다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 열커플을 증폭 챔버에 삽입하고 챔버를 플루오리너트 FC-40으로 충전시킨다.
고안되는 증폭 챔버의 용적은 약 10㎕이다. 이것은 열커플이 챔버 속에서 팽창되기 때문에 약간 증가한다. 실질적인 용적은 아마 15 내지 20㎕이다. 열커플은 증폭 챔버의 온도를 모니터한다.
첫 번째 시험은 TEC에 직접 반대로 놓인 라미네이트를 사용한다. 절연 패드를 라미네이트 위에 위치시키고 약간의 압력을 제공하기 위해 상부에 3.5oz의 무게를 위치시킨다.
도 12의 그래프에서 직접 테이블상에서의 7.5v, 접촉면 없는 물질, TEC에서 열의 상승이 특히 첫 부분에서 냉각보다 더 느리다는 것을 볼 수 있다. 도 13은 도 12에서의 일부 데이타의 클로즈 업을 나타낸다.
두 번째 시험을 수행한다. 이번에는 TEC가 열 싱크상에 위치하고 흑연 열 접촉면 패드의 층이 TEC와 라미네이트 사이에 위치한다. 도 13은 열 싱크 및 흑연 패드를 갖는 TEC상의 카드를 나타낸다. 도 14는 도 13에서의 결과를 도출하며 시험되는 카드의 사진이다.
도 15는 열 싱크상의 TEC 및 TEC와 증폭 챔버 사이의 흑연 패드를 나타낸다. 도면의 첫 부분을 주목하면, 열의 상승이 (열 상승이 개시된 후) 결국 속도의 감소 없이 더욱 일정해진다. 그러나 냉각 속도는 감소한다. 도 16은 상기 데이타의 클로즈 업을 나타낸다. 전체적인 순환시간은 15.2초이다.
논평:
TEC는 열을 한 측면으로부터 다른 측면으로 이동시킨다. 공정에 있어서 이것은 열을 추가한다(TEC는 상당한 전류를 끌어당긴다). 만약 차가운 측면이 이미 차가운 표면에 반대되는 경우, 열은 표면이 최소가 되는 곳으로부터 이전되고 "뜨거운" 측면상에서 일어나는 열은 TEC를 통과해 지나가는 전류로부터 주로 최소가 된다. 이것은 TEC가 차가운 스테인레스 강 테이블(약 17℃)과 직접 접촉하는 첫 번째 시험에서 분명하다. 다수의 순환 후 TEC 아래쪽 영역은 약간 열이 상승하고 70℃로부터 95℃로의 상승시간은 더욱 빨라진다.
TEC와 테이블 사이의 온도차가 충분하여 열을 빨리 제거할 수 있기 때문에 냉각시간은 신속하다.
TEC가 열 싱크상에 탑재되면, 열 싱크는 라미네이트로 신속하게 전이될 수 있는 열을 저장할 수 있다. 따라서 상승 시간이 더욱 빨라진다. 그러나 TEC와 싱크 사이의 온도차가 과도한 열을 매우 빠르게 제거할 수 없기 때문에, 냉각시간은 더 길다.
위와 같은 사실은 효율적인(그리고 일정한) 작동을 위해 성취되어야 하는 열 평형을 나타낸다. 열 싱크는 라미네이트로 신속하게 전이시키기 위해 저장되는 충 분한 열을 가져야 하고 동시에 냉각 공정을 느려지게 할 정도로 그렇게 뜨겁지 않아야 한다.
사용되는 흑연 열 접촉면 물질은 오로지 시험된 물질이고, 기타의 적합한 물질이 사용될 수 있다.
이러한 시험에 사용되는 TEC는 상대적으로 비싸지 않고 효율적이지 않았다. 최근에는 더욱 높은 전력의 TEC가 시판중이다. 뜨거운 측면과 차가운 측면 사이의 최대 온도차는 캐스캐이딩 없이 약 60℃이다. 본 발명의 실시양태에 있어서, 캐스캐이딩된(집결된) TEC를 사용하는 것을 고려해야 한다. 몇몇 적용예는 27 내지 95℃ 범위를 필요로 할 수 있다. 캐스캐이딩된 TEC는 열을 이동시키는데 도움이 될 수 있고 카드로부터 열의 형성을 방지할 수 있다.
결론:
순환시간 16초(시험에 있어서 가장 불량한 경우)는 적합한 크기의 열 싱크, TEC 및 보다 효율적인 열 접촉면 물질을 사용하여 현저하게 개선될 수 있다. 심지어 16초에서 30의 전체 순환이 단지 8분 걸릴 수 있다. TEC는 카드의 증폭기 영역에 크기를 맞출 수 있다.
최신 시험:
위의 순환 시험을 Parker Chomerics Thermagap 물질 61-02-0404-F574(두께 0.020")를 사용하여 반복한다. 572 시리즈는 열 전도율 1.6W/m-K을 제공하기 위해 압력 5 내지 10psi를 필요로 하는 유연한 탄성체(<5 Shore A)다.
전체 순환을 위한 시간은 순환의 위와 아래에서의 시간을 주위로 회전하는 1초를 포함하여 13 내지 14초이다. 30의 완전한 순환은 7분이 걸린다. 상승율은 약 5℃/sec이다. 하강율은 약 4℃/sec이다.
도 17에 나타낸 다음의 그래프를 살펴보면, 온도 상승 및 하강의 변환이 도를 지나치지 않기 위해 목표 온도에서 "순회"하는 것을 필요로 한다. 오버슈팅(overshooting)하게 되면 전체적으로 순환시간을 현저하게 증가시킬 수 있다. 밀착된 PID 조절 루프는 이러한 순회를 최소화할 수 있다.
열 순환기 그래픽 접촉면(GUI)
도 18에서 나타낸 바와 같이, 열 순환 그래픽 접촉면은 과학자 또는 기술자들이 분석을 개발하기 위한 열 프로필을 개발 및 조정할 수 있다. 기성 프로필은 상이한 가열 및 냉각 요건을 위해 개발될 수 있다.
도 19에서 그래프는 콘트롤 서미스터(Control Thermistor)에서 온도를 나타낸다. PID(비례 적분 및 미분) 루프는 각각의 프로필을 조정하기 위해 상부 패널에서 조절할 수 있다. 타이밍을 각각의 프로필의 낮은 패널에서 설정할 수 있다. 데이타는 "Save Data" 버튼을 누름으로써 기록할 수 있다. 저장을 중단하고 싶으면 "Save Data" 버튼을 누른다. CSV 파일로서 저장한다.
도 19에 나타낸 바와 같이, D 또는 P. Select 근처의 PID 패널 삽입 또는 삭제를 바르게 클릭하여 하나의 시리즈에 프로필(요소)을 첨가 또는 삭제할 수 있다.
도 20에 나타낸 바와 같이, 새로운 요소를 프로필 2와 3 사이에 삽입한다. 이러한 경우 온도 조절기가 "꺼짐"으로 바뀌는 경우 5초의 "프로필"을 포함한다. 한 시리즈의 프로필을 회전하면 때때로 수초 동안 TEC가 꺼지는 이점이 있다. 이것은 오버슈팅을 피하기 위한 냉각인 경우 특히 도움이 될 수가 있다.
도 21에 나타낸 바와 같이, 저장 후에는 새로운 프로필이 프로필 3이 되고 본래의 프로필 3은 프로필 4가 된다.
도 22에 나타낸 바와 같이, 하나의 시리즈를 출발시킨다. Start Profile 등에 불빛이 켜진다. In Use 불빛은 프로필이 활성화되었음을 나타낸다(또한 Power 불빛은 이것이 시뮬레이션으로부터가 아닌 경우 켜진다). 측정 타이머는 프로필이 얼마나 오래 활성화되었는지를 나타낸다. 수행되는 사이클의 수는 "사이클 수" 박스에서 선택된다. 모든 프로필 시리즈가 순환되어야 함을 나타내는 검사된 하나 이상의 박스를 가져야 함에 유의한다. "사이클 수" 박스에서 1 순환을 나타냄으로써 전체적인 시리즈는 임의의 반복 없이 출발부터 종료까지 수행될 수 있다. 순환하기에 긴 시리즈의 프로필은 함께 연장될 수 있다. 개별적으로 반복되지 않는 프로필을 순환된 시리즈의 전과 후에 위치시킬 수 있다.
도 23에 나타낸 바와 같이, TEC의 상부 표면에 탑재된 두 번째 서미스터가 있다. 이것을 모니터하여 TEC의 과열 또는 냉각에 반하여 보호한다. 순환기가 작동하는 장소에서 항상 조절 서미스터를 갖는 것이 중요하다.
도 24는 긴 시리즈의 예를 나타낸다. 프로필 1 및 2는 한번에 수행될 수 있다. 프로필 3 내지 7은 모두 검사된 순환 박스를 갖는다. 이들은 하나가 수행되 면 다음 하나가 수행될 것이고, 결국 39회(순환 수=39) 반복될 것이다. 프로필 7이 39번째 수행된 후, 프로필 8 내지 10은 한번에 수행될 수 있다. 프로필 10이 수행된 후 프로그램은 TEC에 대한 조절기 아웃풋을 끌 수 있다.
도 25는 오버슈팅이 최소한인 온도에 도달하기 위해 2개의 프로필을 사용하는 예를 나타낸다. 좀더 낮은 P(비례적인 증진)는 조절기가 TEC를 신속하게 추동하도록 유발한다. 그리고 나서 좀더 높은 P를 스위칭하면 조절기 아웃풋이 낮아지고 온도는 프로필 3 및 4에서 목표를 지나치지 않게 된다. TEC는 58.5℃로 냉각된다. 시스템 속에서 잠복하기 때문에 그것은 TEC에서 온도를 지나치게 되거나 되돌린다. TEC로 들어가는 열은 오버슈팅을 감소시킬 수 있다. 설정 온도, 비례적인 증진 및 타이밍을 조정함으로써 온도를 오버슈팅 없이 목적하는 온도 수준으로 맞출 수 있다. 유지되는 프로필은 온도를 자극한다. 아웃풋이 꺼지지 않으면 조절기가 TEC를 설정 온도의 위 또는 아래로 추동하려고 시도할 수 있다. 충분한 시간이 제공되면 이것은 "평평한 직선"으로 동일 수준이 될 수 있지만 신속한 열 순환을 위해 온도의 상승 및 하강 변환을 조절하는 것이 유용하다.
도 26 내지 도 28은 GUI의 다양한 양태를 나타낸다. 풀 다운 메뉴를 사용하여 마지막 개방된 파일을 선택할 수 있다. 나타낸 그래프의 시간은 30초 내지 5분으로 선택될 수 있다. "실온"을 선택할 수 있을 뿐만 아니라 아웃풋을 키거나 끌 수 있다. 조절기 아웃풋이 하나의 시리즈가 완결된 후 커지는 것에 주목한다. 이것은 종종 시리즈의 마지막에 실온 프로필을 갖기에 유용하다. 조절기가 켜지는 경우 이것은 TEC를 마지막 "설정 온도"로 추동한다.
도 29는 위에서 기술된 바와 같은 본 발명의 원리에 따른 열 순환을 위한 TEC를 사용하는 마이크로 유체 카드의 단면도이다. 도 29에서 다중 증폭 저장기 또는 유체 챔버는 TEC에 의해 동시에 순환된다. 증폭 저장기는 PET 물질과 ACA(접착제 담체 접착제)의 층 사이에 함유되어 분산성 마이크로 유체 카드를 제공한다.
도 29에서 추가로 나타내는 바와 같이, 열 스페이서 또는 열 전파기를 TEC 및 증폭 저장기 사이에서 사용하여 TEC 표면에 걸쳐 더욱 균일한 열을 제공할 수 있다. 열 전파기는 TEC의 열 프로필에 의해 결정될 수 있지만, 하나의 예시적인 열 전파기는 구리 층들 사이의 PTFE 층이지만, 당해 기술 분야의 숙련가들은 매우 다양한 열 전파기가 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
도 29에 나타낸 접촉면 패드는 열을 마이크로 유체 카드에 더욱 효율적으로 전이시키는 열 패드이다. 유사하게 TEC와 열 전파기 또는 열 스페이서 사이에서 열 수지는 열 전이를 추가로 개선하기 위해 당해 기술분야에 공지되었다.
예시적인 증폭 방법 및 온도 순환
다음의 온도 프로필은 본 발명의 방법 및 장치를 사용하는 마이크로 유체 카드상에서 이루어졌다.
A. 중합효소 연쇄 반응( PCR ) 온도 프로필
Figure 112005071252433-PCT00001
일차적인 목표
1) 일치성
2) 어닐링 단계를 위해 조절 가능하고 정확한 온도(가장 낮은 T)
3) 어닐링 단계를 위해 조절 가능한 유지시간
4) 신장단계에서(72℃) 조절 하능한 유지시간
5) 95℃ 초과 금지(효소의 변성 방지)
6) 신속성
B. 핵산 서열계 분석( NASBA ) 온도 프로필
Figure 112005071252433-PCT00002
일차적인 목표
1) 안정한 40℃ 온도(> 42℃ 변성 효소). +/- 1.0℃.
2) 65℃ 및 40℃를 위해 조절 가능한 유지시간. 40℃를 위한 최대 90분.
3) 65℃에서 2 내지 5분 유지가 표준이지만 더 짧아도 OK일 수 있다(비공지)
4) 65℃ 이후 40℃에 대한 일치 시간(프로그램된 효소 첨가)
5) 더 짧은 수록 더 양호하지만 65℃로부터 40℃로 냉각시키기 위해 1 내지 2분이 OK이다.
- DART와 함께 전류 블록 가열기는 약 10분 걸린다
- 전류 열 순환기는 약 1분 걸린다.
C. 역 전사효소( rt ) 온도 프로필
Figure 112005071252433-PCT00003
일차적인 목표:
1) 제로 또는 최소의 오버슈트를 갖는 안정한 47℃ 온도.
2) 47℃를 위한 조절 가능한 유지시간. 최대 60분.
3) 75℃ 또는 그 이상으로 10분 동안 신속한 상승.
D. 루프 중계되는 증폭( LAMP ) 온도 프로필
Figure 112005071252433-PCT00004
일차적인 목표:
1) 최소의 오버슈트를 갖는 안정한 62℃
2) 62℃를 위해 조절 가능한 유지시간. 최대 60분.
결론
위에서 기술하여 나타낸 본 발명에 따른 실시양태는 기술되는 상세한 형태에 본 발명을 총망라한 것이거나 이에 한정하는 것을 의도하지는 않는다. 구체적인 실시양태 중에서 예를 들면 당해 기술 분야의 숙련가들이 인식할 수 있는 바와 같이 본 발명은 본원에서 구체적인 목적을 위해 기술된 것이고, 다양한 등가의 변형이 본 발명의 취지 내에서 가능하다. 본 발명에 제공된 교시를 위에서 기술한 PCR 및 rtPCR 카드를 필요로 하지 않는 기타의 마이크로 유체 장치에 적용할 수 있다.
위에서 기술된 바로부터 본 발명의 구체적인 양태가 예시를 목적으로 기술되었음에도 불구하고, 본 발명의 취지와 범위를 벗어나지 않는 다양한 변형이 이루어 질 수 있음은 명백할 것이다. 따라서 본 발명은 특허청구범위에 청구되는 바를 제외하고 한정되지 않는다.

Claims (10)

  1. 제1판 및 제2판을 갖고, 제1판이 제1 표면 및 제2 표면을 갖는데, 여기서 유체 운반 회로는 제1 표면에 형성되고, 제2판은 내부 측면 및 외부 측면을 갖는데, 여기서 제2판의 내부 측면은 제1판의 제1 표면에 밀봉되어 있는 마이크로 유체장치; 및 상기 외부 표면에 부착되고 회로의 부분과 열 접촉하여 회로에서 유체의 온도가 저장기의 온도에 의해 영향을 받으며, 저장기는 개구부를 갖는 주입 지점을 추가로 포함하는 하나 이상의 저장기를 포함하는, 통합된 열 순환 시스템을 갖는 마이크로 유체 장치.
  2. 제1항에 있어서, 저장기가 여기에 함유된 발열 물질을 추가로 포함하고, 저장기의 주입 지점이 개방되면 발열 물질을 활성화시키고 저장기 및 저장기와 열 접촉하는 회로의 부분에서 온도의 변화를 개시하는 마이크로 유체 장치.
  3. 제1항에 있어서, 저장기가 여기에 함유된 흡열 물질을 추가로 포함하고, 저장기의 주입 지점이 개방되면 발열 물질을 활성화시키고 저장기 및 저장기와 열 접촉하는 회로의 부분에서 온도의 변화를 개시하는 마이크로 유체 장치.
  4. 제1항에 있어서, 마이크로 유체 장치의 외부 표면상에 위치하는 2개 이상의 저장기, 회로의 제1 부분과 열 접촉하는 제1 저장기 및 회로의 제2 부분과 열 접촉 하는 제2 저장기를 추가로 포함하는 마이크로 유체 장치.
  5. 제1항에 있어서, 마이크로 유체 장치의 외부 표면상에 위치하는 3개의 저장기를 추가로 포함하고, 여기서 3개의 저장기가 열적으로 인접한 회로 부분의 온도를 중합효소 연쇄 반응(PCR)을 완결시키기 위해 적합한 온도까지 증가시키는 마이크로 유체 장치.
  6. 제1항에 있어서, 저장기 주입 지점의 개구부상에 공기 밀폐된 밀봉부를 추가로 포함하는 마이크로 유체 장치.
  7. 제1항에 있어서, 손에 휴대할 수 있는 마이크로 유체 장치.
  8. 제1판 및 제2판을 갖고, 제1판이 제1 표면 및 제2 표면을 갖고, 제1 표면이 여기에 형성되는 제1 유체 운반 회로 및 제2 유체 운반 회로를 갖는데, 여기서 제1 및 제2 유체 운반 회로가 열 접촉하고, 제2판이 제1판의 제1 표면에 밀봉되는 마이크로 유체 장치를 포함하는, 통합된 열 교환 회로를 갖는 마이크로 유체 장치.
  9. 유체 유동 회로를 함유하는 장치; 장치 내에 함유되는 제1 유체 유동 회로; 및 제2 유체 회로의 온도가 제1 회로의 온도에 영향을 주도록 제1 유체 유동 회로와 열 접촉하는 제2 유체 유동 회로를 포함하는 열 교환 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 제2 유체 유동 회로가 연속적으로 유동하는 유체를 함유하는 열 교환 시스템.
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