KR20080041617A - 회전하는 다중 형광 검출 장치용 밸브 제어 시스템 - Google Patents

회전하는 다중 형광 검출 장치용 밸브 제어 시스템 Download PDF

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KR20080041617A
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윌리엄 베딩엄
피터 디. 루도와이스
배리 더블유. 로볼
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

실시간 PCR(폴리머라아제 연쇄 반응)에서 다수의 목표 화학종의 검출을 위한 기술이 설명되어 있다. 예를 들어, 시스템은 데이터 획득 장치와 이 데이터 획득 장치에 결합된 검출 장치를 포함한다. 검출 장치는 서로 다른 파장의 형광을 발산하는 복수의 화학종을 갖는 복수의 프로세스 챔버를 갖는 회전 디스크를 구비한다. 이 장치는 화학종을 여기하고 서로 다른 파장에서 이 화학종에 의해 발산되는 형광을 포착하도록 광학적으로 구성된 복수의 제거 가능한 광학 모듈을 추가로 구비한다. 복수의 제거 가능한 광학 모듈에 결합된 광섬유 번들은 광학 모듈로부터 단일 검출기로 형광을 전달한다. 또한, 이 장치는 챔버들을 분리하는 밸브의 위치를 찾고 레이저를 이용하여 이 밸브를 가열함으로써 선택적으로 밸브를 개방시켜 디스크 내의 유체의 유동을 제어할 수 있다.
모터, 에너지원, 디스크, 챔버, 검출 장치, 밸브

Description

회전하는 다중 형광 검출 장치용 밸브 제어 시스템{VALVE CONTROL SYSTEM FOR A ROTATING MULTIPLEX FLUORESCENCE DETECTION DEVICE}
본 발명은 분석 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 형광 염료를 이용하여 다수의 목표 화학종(multiple target species)을 검출하는 중에 유체 유동을 제어하는 기술에 관한 것이다.
광 디스크 시스템은 흔히 다양한 생물학적, 화학적 또는 생화학적 분석을 수행하기 위해 사용된다. 전형적인 시스템에 있어서, 유체 시편, 예컨대 혈액, 혈장, 혈청, 소변 또는 다른 유체를 보관 및 처리하는 매체로서 회전 가능한 디스크가 사용된다. 몇몇 경우에는, 디스크 내의 유체는 처리 중에 하나의 위치로부터 다른 위치로 이동될 필요가 있을 수도 있다.
일 유형의 분석법으로는 폴리머라아제 연쇄 반응(polymerase chain reaction, PCR)이 있으며, 이는 핵산 서열 분석을 위해 흔히 사용된다. 특히, PCR은 DNA 서열 결정(sequencing), 클로닝(cloning), 유전자 지도화(genetic mapping) 및 다른 형태의 핵산 서열 분석에 흔히 사용된다.
일반적으로, PCR은 DNA 복제 효소가 고온에서 여전히 안정한 채로 있는 능력에 의존한다. PCR에는 3개의 주요 단계, 즉 변성(denaturation), 어닐 링(annealing) 및 신장(extension)이 있다. 변성 중에, 액체 샘플은 대략 94℃로 가열된다. 이러한 공정 중에, DNA 이중 가닥(double DNA strands)은 단일 가닥의 DNA로 "융해되고" 모든 효소 반응이 정지된다. 어닐링 중에, 이 단일 가닥의 DNA는 54℃로 냉각된다. 이 온도에서, 프라이머(primer)는 DNA 가닥의 말단부에 결합(bind) 또는 "어닐링"된다. 신장 중에, 샘플은 75℃로 가열된다. 이 온도에서, 뉴클레오티드는 프라이머에 부가되어 궁극적으로 DNA 주형(template)의 상보성 카피(copy)가 형성된다.
PCR 중에 샘플의 특정 DNA 및 RNA 서열의 수준을 실시간으로 결정하도록 설계된 다수의 기존 PCR 기기가 있다. 이러한 다수의 기기는 형광 염료의 사용에 기초한다. 특히, 많은 종래의 실시간 PCR 기기는 PCR 생성물의 증폭 중에 비례적으로 생성되는 형광 신호를 검출한다.
종래의 실시간 PCR 기기는 다양한 형광 염료를 검출하는 다양한 방법을 이용한다. 예를 들어, 종래의 몇몇 PCR 기기는 각각의 염료를 분광학적으로 분해하기 위한 필터 휠을 갖는 백색 광원을 포함하고 있다. 이 백색 광원은 수명 최대치가 수천 시간인 텅스텐 할로겐 전구(bulb)이다. 필터 휠은 마모되기 쉬운 전형적으로 복잡한 전기기계적 부품이다.
일반적으로, 본 발명은 실시간 PCR (폴리머라아제 연쇄 반응) - 본 명세서에서 다중 PCR이라고 함 - 에서 다수의 목표 화학종의 검출을 위한 기술에 관한 것이다. 특히, 복수의 광학 모듈을 포함하는 다중 형광 검출 장치가 개시되어 있다. 각각의 광학 모듈은 별개의 파장 대역에서 각 형광 염료의 검출을 위해 최적화될 수 있다. 다시 말하면, 광학 모듈은 서로 다른 파장에서 다수의 유사 반응(multiple, parallel reactions)에 질문(interrogate)하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 이 반응은 회전 디스크의 하나의 프로세스 챔버(process chamber)(예컨대, 웰(well)) 내에서 발생할 수 있다. 추가적으로, 각 광학 모듈은 장치의 검출 능력을 신속하게 변경할 수 있도록 분리될 수 있다.
복수의 광학 모듈은 다수의 레그를 갖는 광섬유 번들(multi-legged optical fiber bundle)에 의해 단일 검출기에 광학적으로 결합될 수 있다. 이러한 방법으로, 복수의 광학 모듈 및 단일 검출기, 예컨대 광전자 증배관(photomultiplier tube)을 이용하여 다중화(multiplexing)를 달성할 수 있다. 각 광학 모듈 내의 광학 부품은 감도를 최대화하고 분광학적 간섭량, 즉 다른 광학 모듈 상의 어느 하나의 염료로부터의 신호를 최소화하도록 선택될 수 있다.
본 장치는 디스크 상의 밸브를 맵핑 및 개방하기 위한 레이저 밸브 제어 시스템을 또한 구비한다. 레이저 제어 밸브 제어 시스템은 2개의 파워 설정(power setting)을 가질 수 있다. 낮은 파워 설정에서, 시스템은 디스크 내의 슬롯을 통과하는 센서에 의해 검출되어 디스크를 회전시키는 회전 플랫폼(platform)에 대한 디스크 위치를 맵핑시키는 레이저 빔(beam)을 발산한다. 이어서, 이 맵은 디스크 상의 둘 이상의 챔버를 분리시키는 선택된 밸브를 찾아내는 데 사용될 수 있다. 일단 찾아지면, 레이저 제어 밸브는 디스크가 회전하는 동안 밸브를 개방하고 내용물이 홀딩 챔버(holding chamber)로부터 프로세스 챔버로 유동할 수 있도록 높은 에너지의 레이저 광을 밸브 상에 포커싱(focus)되게 할 수 있다.
일 실시예에서, 본 장치는 밸브를 갖는 채널에 의해 홀딩 챔버가 프로세스 챔버와 분리된 디스크를 회전시키는 모터와, 디스크의 위치를 결정하기 위해 제1 레벨로 전자기 에너지를 출력하고 밸브를 개방하여 유체가 홀딩 챔버에서 프로세스 챔버로 유동할 수 있도록 제2 레벨로 전자기 에너지를 출력하는 에너지원을 포함한다.
다른 실시예에서, 시스템은 데이터 획득 장치를 포함한다. 이 시스템은 데이터 획득 장치에 결합된 검출 장치를 추가로 포함하며, 이 검출 장치는 밸브를 갖는 채널에 의해 홀딩 챔버가 프로세스 챔버와 분리된 디스크를 회전시키는 모터와, 디스크의 위치를 결정하고 밸브를 개방하여 유체가 홀딩 챔버에서 프로세스 챔버로 유동할 수 있도록 전자기 에너지를 출력하는 에너지원과, 전자기 에너지 검출시 신호를 출력하는 센서를 포함한다.
추가 실시예에서, 본 방법은 밸브를 갖는 채널에 의해 홀딩 챔버가 프로세스 챔버와 분리된 디스크를 회전시키는 단계와, 디스크의 위치를 결정하기 위해 제1 레벨로 전자기 에너지를 발산하는 단계와, 밸브를 개방하여 유체가 홀딩 챔버에서 프로세스 챔버로 유동할 수 있도록 제2 레벨로 전자기 에너지를 발산하는 단계를 포함한다.
본 발명은 하나 이상의 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 레이저 밸브 제어 시스템은 디스크의 정확한 위치를 찾아 디스크 위치의 맵을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 더욱이, 본 시스템은 맵을 사용하여 필요에 따라 밸브를 개방하기 위해 디스크 상의 밸브 위로 레이저를 위치시킬 수 있다. 이러한 자기 보정 기술(self-calibrating technique)은 작동 시간을 감소시키고 레이저 정확도를 증가시킬 수 있다.
본 장치가 실시간 PCR을 수행할 수 있지만, 이 장치는 임의의 유형의 생물학적 반응이 일어날 때 이 반응을 분석할 수도 있다. 본 장치는 독립적으로 또는 선택된 그룹으로서 각 반응의 온도를 조절할 수 있고, 이 장치는 둘 이상의 챔버 사이에 밸브를 구비함으로써 다수 스테이지의 반응을 지원할 수 있다.
일부 실시예에서, 본 장치는 원격지나 임시 실험실에서의 작동을 가능하게 하도록 휴대할 수 있고 견고할 수 있다. 본 장치는 반응을 실시간으로 분석하기 위한 데이터 획득 컴퓨터를 구비할 수 있거나, 아니면 유무선 통신 인터페이스를 통해 다른 장치로 데이터를 전송할 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시예에 대한 상세 사항은 첨부 도면 및 후속의 상세한 설명에 기재된다. 본 발명의 다른 특징, 목적 및 이점이 상세한 설명 및 도면과 청구의 범위로부터 명백하게 될 것이다.
도 1은 다중 형광 검출 장치의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도.
도 2는 도 1의 형광 검출 장치의 복수의 검출 모듈 중 임의의 것에 대응할 수 있는 예시적인 검출 모듈을 도시하는 개략도.
도 3은 장치 하우징 내의 제거 가능한 광학 모듈의 예시적인 세트의 정면도를 도시하는 사시도.
도 4는 장치 하우징 내의 제거 가능한 광학 모듈의 예시적인 세트의 사시도.
도 5는 모듈 커넥터를 노출시키기 위해 하나의 모듈이 제거된 제거 가능한 광학 모듈의 예시적인 세트의 전방 측면도를 도시하는 사시도.
도 6은 예시적인 제거 가능한 주 광학 모듈 내의 구성 요소를 도시하는 사시도.
도 7은 예시적인 제거 가능한 보조 광학 모듈 내의 구성 요소를 도시하는 사시도.
도 8은 레이저 밸브 제어 시스템이 디스크 상의 슬롯 위로 위치된 장치 하우징 내의 제거 가능한 광학 모듈의 예시적인 세트의 측면도.
도 9A 및 도 9B는 검출 장치 내에 샘플을 보유하기 위해 사용될 수 있는 2개의 예시적인 디스크의 챔버 및 밸브를 도시한 도면.
도 10은 다중 형광 검출 장치의 예시적 실시예를 더욱 상세히 도시한 블록도.
도 11은 광섬유 번들의 4개의 광섬유에 결합된 단일 검출기의 블록도.
도 12는 다중 형광 검출 장치의 예시적인 작동을 도시하는 흐름도.
도 13은 검출 장치용 레이저 밸브 제어 시스템의 예시적인 작동을 도시하는 흐름도.
도 14A는 디스크 내의 슬롯의 내측 및 외측 에지(edge)를 검출하기 위한 예시적인 방법을 도시하는 타이밍도.
도 14B는 디스크 내의 슬롯의 예시적인 도면.
도 14C는 레이저 밸브 제어 시스템의 홈 위치(home position)를 결정하기 위한 예시적인 방법을 도시하는 타이밍도.
도 15는 레이저 밸브 제어 시스템의 홈 위치의 예시적인 결정을 도시하는 흐름도.
도 16 및 도 17은 다중 PCR용으로 사용될 수 있는 통상 사용되는 형광 염료의 흡수 및 방출 스펙트럼을 도시하는 도면.
도 18A 및 도 18B는 PCR 분석 중에 단일 검출기를 갖는 2개의 예시적인 검출 모듈로부터 획득한 원시 데이터(raw data)를 도시한 도면.
도 19는 시간 오프셋(time offset)을 위해 1회 조정된 데이터를 도시하는 그래프.
도 20A 및 도 20B는 2개의 예시적인 검출 모듈로부터 수신된 데이터에 대한 검출 한계(limit of detection, LOD)를 도시한 도면.
도 1은 다중 형광 검출 장치(10)의 예시적인 실시예를 도시하는 블록도이다. 도시된 예에서, 장치(10)는 4개의 서로 다른 염료의 광학적 검출을 위한 4개의 "채널"을 제공하는 4개의 광학 모듈(16)을 갖는다. 특히, 장치(10)는 임의의 주어진 시간에 회전 디스크(13)의 서로 다른 영역을 여기시켜 염료로부터 서로 다른 파장의 발산된 형광 에너지를 수집하는 4개의 광학 모듈(16)을 갖는다. 그 결과, 모듈(16)은 샘플(22) 내에서 발생하는 다수의 유사한 반응에 질문하기 위해 사용될 수 있다.
다수의 반응은, 예를 들어, 회전 디스크(13)의 단일 챔버 내에서 동시에 발생할 수 있다. 각각의 광학 모듈(16)은 샘플(22)에 질문하고, 디스크(13)가 회전함에 따라 서로 다른 파장의 형광 에너지를 수집한다. 예를 들어, 모듈(16) 내의 여기원은 대응하는 파장의 데이터를 수집하기에 충분한 기간 동안 순차적으로 작동될 수 있다. 즉, 광학 모듈(16A)은 제1 반응에 대응되는 제1 염료에 대해 선택된 제1 범위의 파장의 데이터를 수집하는 시간 동안 작동될 수 있다. 이어서, 이 여기원은 작동이 중지되고, 모듈(16B) 내의 여기원이 작동되어 제2 반응에 대응되는 제2 염료에 대해 선택된 제2 범위의 파장으로 샘플(22)에 질문하기 위해 작동될 수 있다. 이러한 과정은 모든 광학 모듈(16)로부터 데이터가 수집(capture)될 때까지 계속된다. 일 실시예에서, 광학 모듈(16) 내의 각각의 여기원은 대략 2초의 초기 기간 동안 작동되어 정상 상태에 도달하고, 디스크(13)의 10 내지 50 회전 동안 지속되는 질문 기간이 이어진다. 다른 실시예에서, 여기원은 더 짧거나(예컨대, 1 또는 2 밀리초) 또는 더 긴 기간 동안 일정한 순서로 배열(sequence)된다. 일부 실시예에서, 하나 초과의 광학 모듈이 디스크(13)의 회전을 멈추지 않고도 샘플(22)의 동시 질문을 위해 동시에 작동될 수 있다.
단 하나의 샘플(22)이 도시되어 있지만, 디스크(13)가 샘플들을 포함하는 복수의 챔버들을 포함할 수 있다. 광학 모듈(16)은 서로 다른 파장으로 서로 다른 챔버들의 일부 또는 모두에 질문할 수 있다. 일 실시예에서, 디스크(13)는 디스크(13)의 원주 주위에 96개 챔버의 공간을 구비한다. 96개 챔버의 디스크와 4개의 광학 모듈(16)을 이용하여, 장치(10)는 384개의 서로 다른 화학종으로부터 데이터 를 획득할 수도 있다.
일 실시예에서, 광학 모듈(16)은 다양한 파장의 것으로 구매할 수 있고 긴 수명(예컨대, 100,000 시간 이상)을 갖는 저가의 고출력 발광 다이오드(LED)인 여기원을 구비한다. 다른 실시예에서, 종래의 할로겐 전구 또는 수은 전구가 여기원으로서 사용될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 각각의 광학 모듈(16)은 광섬유 번들(14)의 하나의 레그에 결합될 수 있다. 광섬유 번들(14)은 감도 손실 없이 광학 모듈(16)로부터의 형광 신호 수집을 위한 가요성 메커니즘을 제공한다. 일반적으로, 광섬유 번들은 다수의 광섬유를 포함하는데, 이들 광섬유는 나란히 배치되고 단부에서 상호 접합되고 가요성 보호 재킷(flexible protective jacket) 내에 넣어진다. 대안적으로, 광섬유 번들(14)은 보다 작은 개수의 분리된 큰 직경의 다중 모드(multi-mode) 섬유를 갖는데, 이 섬유는 유리이거나 플라스틱이고 공통 단부를 갖는다. 예를 들어, 4개의 광학 모듈을 갖는 장치의 경우, 광섬유 번들(16)은 각각의 코어 직경이 1 ㎜인 4개의 분리된 다중 모드 섬유를 포함할 수 있다. 번들의 공통 단부는 서로 묶인 4개의 섬유를 포함한다. 이러한 예에서, 검출기(18)의 구경(aperture)은 8 ㎜일 수 있고, 이는 4개의 섬유와 결합하기에 충분한 것보다 크다.
이 예에서, 광섬유 번들(14)은 단일 검출기(18)에 광학 모듈(16)을 결합시킨다. 광섬유는 광학 모듈(16)에 의해 수집된 형광을 전송하고 포착(capture)된 광을 검출기(18)로 효과적으로 전달한다. 일 실시예에서, 검출기(18)는 광전자 증배 관이다. 다른 실시예에서, 검출기는 단일 검출기 내에 하나의 광섬유에 대해 하나씩 다수의 광전자 증배관 요소를 구비할 수 있다. 다른 실시예에서, 하나 이상의 고체 검출기(solid-state detector)가 이용될 수 있다.
단일 검출기(18)의 이용은 단지 하나의 검출기가 사용될 필요가 있다는 점에서 최소 비용을 유지하면서 감도가 아주 좋고 아마도 고가의 검출기(예컨대, 광전자 증배관)의 사용을 가능하게 한다는 점에서 효과적이다. 단일 검출기가 본 명세서에서 설명되지만, 하나 이상의 검출기가 더 많은 개수의 염료를 검출하기 위해 구비될 수도 있다. 예를 들어, 4개의 추가 광학 모듈(16) 및 제2 검출기가 본 시스템에 추가되어 하나의 디스크로부터 발산되는 8개의 서로 다른 파장의 검출을 가능하게 한다. 회전 디스크(13)와 함께 사용하기 위한 단일 검출기에 결합된 예시적인 광섬유 번들은 발명의 명칭이 "다수의 광학 모듈을 공통 검출기에 결합시키는 섬유 번들을 갖는 다중 형광 검출 장치"이고 2005년 7월 5일 출원된 미국 특허 출원 제11/174,755호에 설명되어 있다.
광학 모듈(16)은 본 장치로부터 제거 가능하며 서로 다른 파장에서의 질문을 위해 최적화되는 다른 광학 모듈과 용이하게 교환가능하다. 예를 들어, 광학 모듈(16)은 모듈 하우징의 위치 내에 물리적으로 장착될 수 있다. 각각의 광학 모듈(16)은 광학 모듈의 하나 이상의 표시(marking)(예컨대, 안내 핀)와 정합되는 안내부(예컨대, 오목한 홈)를 따라 하우징의 각각의 위치 내에 용이하게 삽입될 수 있다. 각각의 광학 모듈(16)은 래치(latch), 자석, 나사 또는 다른 체결 장치에 의해 캐리지(carriage) 내에 고정될 수 있다. 각각의 광학 모듈은 광섬유 번 들(14)의 하나의 레그에 결합하기 위한 하나의 광출력 포트(도 6 및 도 7에 도시됨)를 구비한다. 광출력 포트는 레그의 나사 가공된 커넥터에 결합된 나사 가공된 단부를 가질 수 있다. 대안적으로, 광섬유 번들(14)이 광출력 포트에 대해 활주 가능하게 맞물리고 해제될 수 있게 하는 "신속 접속"(quick-connect)의 일 형태(예컨대, o-링 및 걸림 핀을 갖는 활주 가능한 접속부)가 사용될 수 있다. 더욱이, 각각의 광학 모듈(16)은 완전히 삽입될 때 제어 유닛(23)에 전기적으로 결합되기 위한 하나 이상의 전기 접점 패드 또는 연성 회로(flex circuit)를 가질 수 있다. 회전 디스크(13)와 사용되기 위한 예시적인 제거 가능한 광학 모듈은 발명의 명칭이 "제거 가능한 광학 모듈을 갖는 다중 형광 검출 장치"이고 2005년 7월 5일 출원된 미국 특허 출원 제11/174,754호에 설명되어 있다.
장치(10)의 모듈형 구조(modular architecture)는 장치가 다중 PCR과 같은 주어진 분석 환경에 사용되는 모든 형광 염료에 대해 용이하게 적합하게 되도록 한다. 장치(10)에 사용될 수 있는 다른 화학적 기술은 인베이더(Invader) (써드 웨이브(Third Wave), 미국 위스콘신주 매디슨 소재), 전사 매개 증폭(Transcripted-mediated Amplification) (젠프로브(GenProbe), 미국 캘리포니아주 샌 디에고 소재), 형광 표지 효소 결합 면역 흡착 분석(fluorescence labeled enzyme linked immunosorbent assay(ELISA)) 또는 FISH(fluorescence in situ hybridization)를 포함한다. 장치(10)의 이러한 모듈형 구조는 다중 반응에서 대응하는 염료를 선택적으로 여기 및 검출하기 위해 대응하는 여기원(도시되지 않음) 및 작은 특정 목표 범위의 파장에 대한 여기 및 검출 필터를 선택함으로써 각각의 광학 모듈(16)의 감 도가 최적화될 수 있다는 다른 이점을 제공할 수 있다.
예시적으로, 장치(10)는 4색 다중 배치로 도시되어 있지만, 많거나 작은 채널이 적절한 광섬유 번들(14)과 함께 사용될 수 있다. 이러한 모듈형 설계는 사용자로 하여금 다른 하나의 광학 모듈(16)을 베이스(20)에 단순히 추가하고 광섬유 번들(14)의 하나의 레그를 새로운 광학 모듈에 삽입함으로써 본 기술 분야에서 장치(10)를 용이하게 개선할 수 있게 한다. 광학 모듈(16)은 광학 모듈을 식별하고 보정 데이터를 장치(10)의 내부 제어 모듈 또는 다른 내부 전자 장치(예컨대, 제어 유닛(23))로 다운로드하는 집적 전자 장치(integrated electronics)를 가질 수도 있다.
도 1의 예에서, 샘플(22)은 제어 유닛(23)의 제어 하에 회전 플랫폼 상에 장착되는 디스크(13)의 챔버들 내에 보유된다. 슬롯 센서 트리거(27, slot sensor trigger)는 디스크 회전 중에 데이터 획득 장치(21)를 챔버 위치와 동기화시키기 위해 제어 장치(23)에 의해 이용되는 출력 신호를 제공한다. 슬롯 센서 트리거(27)는 기계적, 전기적, 자기적 또는 광학적 센서일 수 있다. 예를 들어, 이하 더 상세히 설명되는 바와 같이, 슬롯 센서 트리거(27)는 디스크의 각 회전마다 검출되는 디스크(13)를 관통하여 형성된 슬롯을 통해 광 빔을 발산하는 광원을 포함할 수도 있다. 다른 예로서, 슬롯 센서 트리거는 디스크(13)의 회전과 모듈(16) 및 검출기(18)에 의한 데이터 획득을 동기화하기 위한 목적으로 반사광을 감지할 수 있다. 다른 실시예에서, 디스크(13)는 슬롯에 추가하여 또는 이를 대신하여 탭(tab), 돌출부 또는 반사 표면을 포함할 수 있다. 슬롯 센서 트리거(27)는 디스 크(13)가 회전함에 따라 그 반경 위치를 찾는 임의의 물리적 구조 또는 메커니즘을 이용할 수 있다. 광학 모듈(16)은 회전 플랫폼(25) 위에 물리적으로 장착될 수 있다. 그 결과, 광학 모듈(16)은 한번에 서로 다른 챔버와 중첩된다.
검출 장치(10)는 디스크(13) 상의 샘플(22)의 온도를 조절하기 위한 가열 요소(도시되지 않음)를 또한 구비한다. 가열 요소는 반사 인클로저(reflective enclosure) 내에 포함되는 원통형 할로겐 전구를 포함할 수 있다. 반사 챔버는 전구로부터의 방사가 디스크(13)의 반경방향 부분 상으로 포커싱되도록 형상화된다. 일반적으로, 디스크(13)의 가열된 면적이 디스크(13)가 회전함에 따라 환형 링으로 구성될 것이다. 이러한 실시예에서, 반사 인클로저의 형태는 정확한 포커싱(precise focusing)을 가능하게 하는 타원형 또는 구형 형상의 조합일 수 있다. 다른 실시예에서, 반사 인클로저는 다른 형태를 가질 수 있고, 전구는 보다 넓은 면적을 넓게 조사할 수 있다. 다른 실시예에서, 반사 인클로저는 전구로부터의 방사가 디스크(13), 예컨대 샘플(22)을 포함하는 단일 프로세스 챔버 상으로 포커싱되도록 형상화된다.
일부 실시예에서, 가열 요소는 공기를 가열하고 고온의 공기를 하나 이상의 샘플 위로 가게 하여 온도를 조절할 수 있다. 추가적으로, 샘플이 디스크에 의해 직접 가열될 수도 있다. 이러한 경우, 가열 요소는 플랫폼(25) 내에 위치되거나 디스크(13)에 열적으로 결합될 수도 있다. 가열 요소 내의 전기 저항은 제어 유닛(23)에 의해 제어되는 바와 같이 디스크의 선택된 영역을 가열할 수 있다. 예를 들어, 영역은 하나 이상의 챔버, 아마도 전체 디스크를 포함할 수 있다. 회전 디 스크(13)와 사용되기 위한 예시적인 가열 요소는 발명의 명칭이 "회전하는 다중 형광 검출 장치용 가열 요소"이고 2005년 7월 5일 출원된 미국 특허 출원 제11/174,691호에 설명되어 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 장치(10)는 (도시되지 않은) 냉각 구성 요소를 또한 구비한다. 팬(fan)이 장치(10) 내에 구비되어 찬 공기, 즉 상온의 공기를 디스크(13)로 공급한다. 실험이 종료된 후 샘플의 온도를 적절히 조절하고 샘플을 보관하기 위해 냉각이 필요할 수 있다. 다른 실시예에서, 냉각 요소는 필요할 때 플랫폼(25)의 온도가 낮춰질 수 있으므로 플랫폼(25)과 디스크(13) 사이의 열 커플링(thermal coupling)을 구비할 수 있다. 예를 들면, 일부 생물학적 샘플은 효소 활성 또는 단백질 변성을 감소시키기 위해 섭씨 4도에서 보관할 수 있다.
검출 장치(10)는 또한 프로세스 챔버 내에 포함된 반응 화학종을 제어할 수 있다. 예를 들면, 일부 화학종을 프로세스 챔버 내에 로딩(load)하여 하나의 반응을 일으키고 일단 제1 반응이 종료된 후 나중에 다른 화학종을 샘플에 첨가하는 것이 유리할 수 있다. 밸브 제어 시스템은 내측 홀딩 챔버를 프로세스 챔버로부터 분리하는 밸브를 제어하여 디스크(13)의 회전 중에 챔버로의 화학종의 첨가를 제어하는 데 이용될 수 있다. 밸브 제어 시스템은 광학 모듈(16) 중의 하나 내에 위치하거나 그에 장착될 수 있거나, 또는 광학 모듈과 분리될 수 있다. 레이저의 바로 아래에서, 디스크(13)에 대해 레이저를 위치시키기 위한 레이저 센서가 디스크(13) 아래에 있을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 밸브 제어 시스템은 센서와 조합하여 둘 이상의 파워 레벨로 구동되는 근적외선(NIR) 레이저를 구비한다. 낮은 파워 설정 하에서, 레이저는 디스크(13)를 위치 결정하고, 예컨대 디스크(13) 내의 슬롯을 통과하는 레이저에 의해 발산되는 NIR 광을 감지하는 센서에 의해 선택 밸브를 목표로 정하기 위해 사용될 수 있다. 일단 목표 밸브가 제 위치로 회전하면, 제어 유닛(23)은 밸브를 가열하고 목표 밸브를 개방시키기 위해 레이저가 고출력 에너지의 쇼트 버스트(short burst)를 출력하도록 지시한다. 에너지 버스트(burst of energy)는 예컨대 밸브를 관통하거나, 용융시키거나 또는 제거(ablating)함으로써 밸브 내에 공극(void)을 형성하여, 밸브가 개방되게 하고 유체가 내측 홀딩 챔버로부터 외측 프로세스 챔버로 채널을 통해 유동할 수 있게 한다. 일부 실시예에서, 디스크(13)는 다양한 크기 및 재질의 복수의 밸브를 포함하여 순차적으로 복수의 반응이 일어나게 할 수 있다. 다수의 챔버 밸브를 갖는 디스크를 이용할 때 하나 초과의 세트의 밸브 제어 시스템이 사용될 수 있다.
데이터 획득 장치(21)는 각 염료에 대해 순차적으로 또는 동시에 장치(10)로부터 데이터를 수집할 수 있다. 일 실시예에서, 데이터 획득 시스템(21)은 광학 모듈(16)로부터 순차적으로 데이터를 수집하여 슬롯 센서 트리거(27)로부터 수신된 출력 신호로부터 측정된 각각의 광학 모듈에 대한 트리거 지연(trigger delay)에 의한 공간적 중첩(spatial overlap)을 보정한다.
장치(10)에 대한 하나의 용도는 실시간 PCR이지만, 본 명세서에 설명된 기술은 다수의 파장에서의 형광 검출을 이용하는 다른 플랫폼으로 확장될 수 있다. 장치(10)는 핵산의 단리, 증폭 및 검출을 위해 신속 열 사이클링(rapid thermal cycling), 가열 요소의 사용 및 원심력으로 구동되는 미세유체 장치(microfluidics)를 조합할 수 있다. 다중 형광 검출을 이용함으로써, 다수의 목표 화학종이 동시에 검출 및 분석될 수 있다.
실시간 PCR의 경우, 형광은 3개의 일반적인 기술 중 하나에서 증폭량을 측정하는 데 사용된다. 제1 기술은 (오레곤주 유진 소재의 몰레큘라 프로브즈(Molecular Probes)의) Sybr Green과 같은 염료의 사용으로서, 그 형광이 이중 가닥 DNA로의 결합시 증가한다. 제2 기술은 증폭된 목표 서열에 결합될 때 그 형광이 변화하는 형광 표지된 프로브 (혼성화(hybridization) 프로브, 헤어핀(hairpin) 프로브 등)를 이용한다. 이러한 기술은 이중 가닥 DNA 결합 염료를 이용하는 것과 유사하지만, 프로브가 목표 서열의 특정 부분에만 결합할 것이므로 보다 특유하다. 제3 기술은 가수분해 프로브(캘리포니아주 포스터 시티 소재의 어플라이드 바이오시스템즈(Applied BioSystems)의 탁맨(Taqman™))를 사용하는 것으로서, 여기서 엑소뉴클레아제 활성의 폴리머라아제 효소는 PCR의 신장기(extension phase) 중에 프로브로부터의 켄쳐 분자(quencher molecule)를 절단하여 이것이 형광 활성을 갖게 한다.
이러한 각각의 대책에 있어서, 형광은 증폭된 목표 농도에 선형적으로 비례한다. 데이터 획득 시스템(21)은 실시간에 가깝게 증폭을 관측하기 위해 PCR 반응 중에 검출기(18)로부터 출력 신호를 측정한다(아니면, 대안적으로 제어 유닛(23)에 의해 선택적으로 샘플링되거나 통신된다). 다중 PCR에 있어서, 다수의 목표가 독립적으로 측정되는 서로 다른 염료로 표지된다. 일반적으로 말하면, 각각의 염료 는 서로 다른 흡수 및 방출 스펙트럼을 가질 것이다. 이런 이유로, 광학 모듈(16)은 서로 다른 파장에서 샘플(22)의 질문을 위해 광학적으로 선택된 여기원, 렌즈 및 관련 필터를 가질 수 있다.
본 발명과 관련하여 사용되도록 구성될 수 있는 적합한 구성 기술 및 재료의 일부 예는, 예컨대 공히 양도된 (베딩함(Bedingham) 등의) 미국 특허 제6,734,401호(발명의 명칭: "향상된 샘플 처리 장치 시스템 및 방법") 및 미국 특허 출원 공개 제2002/0064885호(발명의 명칭: "샘플 처리 장치")에 기재될 수 있다. 다른 이용가능한 장치 구성은, 예컨대 2000년 6월 28일 출원되고 발명의 명칭이 "열적 처리 장치 및 방법"인 미국 가특허 출원 제60/214,508호와, 2000년 6월 28일 출원되고 발명의 명칭이 "샘플 처리 장치, 시스템 및 방법"인 미국 가특허 출원 제60/214,642호와, 2000년 10월 2일 출원되고 발명의 명칭이 "샘플 처리 장치, 시스템 및 방법"인 미국 가특허 출원 제60/237,072호와, 2001년 1월 6일 출원되고 발명의 명칭이 "샘플 처리 장치, 시스템 및 방법"인 미국 가특허 출원 제60/260,063호와, 2001년 4월 18일 출원되고 발명의 명칭이 "향상된 샘플 처리 장치, 시스템 및 방법"인 미국 가특허 출원 제60/284,637호와, 발명의 명칭이 "샘플 처리 장치 및 캐리어"인 미국 특허 출원 공개 제2002/0048533호에서 발견될 수 있다. 다른 가능한 장치 구성은 (베딩함 등의) 미국 특허 제6,627,159호(발명의 명칭: "샘플 처리 장치의 원심식 충전")에서 발견될 수 있다.
도 2는 도 1의 임의의 광학 모듈(16)에 대응될 수 있는 예시적인 광학 모듈(16A)을 도시하는 개략도이다. 이 예에서, 광학 모듈(16A)은 고출력 여기원, LED(30), 조준 렌즈(32), 여기 필터(34), 다이크로익 필터(36), 초점 렌즈(38), 검출 필터(40), 및 형광을 광섬유 번들(14)의 하나의 레그로 포커싱하기 위한 렌즈(42)를 포함한다.
결과적으로, LED(30)로부터의 여기 광은 조준 렌즈(32)에 의해 조준되고, 여기 필터(34)에 의해 필터링되고, 다이크로익 필터(36)를 통과하고, 초점 렌즈(38)에 의해 샘플(22)로 포커싱된다. 샘플에 의해 발광된 생성된 형광은 동일한 초점 렌즈(38)에 의해 집광되고, 다이크로익 필터(36)로부터 반사되고, 광섬유 번들(14)의 하나의 레그 내로 포커싱되기 전에 검출 필터(40)에 의해 필터링된다. 이어서, 광섬유 번들(14)은 광을 검출기(18)로 전달한다.
LED(30), 조준 렌즈(32), 여기 필터(34), 다이크로익 필터(36), 초점 렌즈(38), 검출 필터(40) 및 렌즈(42)는 광학 모듈(16A)이 이용하고자 하는 다중 염료의 특정 흡수 및 방출 대역에 기초하여 선택된다. 이러한 방법으로, 다수의 광학 모듈(16)은 서로 다른 염료를 목표로 하여 장치(10) 내에 구성 및 로딩될 수 있다.
표 1은 다양한 형광 염료에 대해 4-채널 다중 형광 검출 장치(10)에 사용될 수 있는 예시적인 구성 요소를 열거하고 있다. FAM, HEX, JOE, VIC, TET, ROX는 캘리포니아주 노워크(Norwalk, California) 소재의 아펠라(Applera)의 상표명이다. 탐라(Tamra)는 캘리포니아주 새너제이(San Jose) 소재의 아나스펙(AnaSpec)의 상표명이다. 텍사스 레드(Texas Red)는 몰레큘라 프로브즈의 상표명이다. 씨와이(Cy) 5는 영국 버킹엄샤이어(Buckinghamshire, United Kingdom) 소재의 아머 샴(Amersham)의 상표명이다.
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전술한 모듈형 다중 검출 구조의 하나의 이점은 아주 다양한 염료에 대한 검출을 최적화하는 데에 있어서의 유연성이다. 생각하건대, 사용자는 필요에 따라 장치(10) 내로 끼워질 수 있는 일련의 몇몇 서로 다른 광학 모듈을 가질 수 있고, N개의 광학 모듈이 한번에 사용될 수 있는데 N은 장치에 의해 지원되는 채널의 최대 개수이다. 따라서, 장치(10)와 광학 모듈(16)은 임의의 형광 염료와 PCR 검출 방법을 이용하여 사용될 수 있다. 보다 큰 광섬유 번들이 더 많은 개수의 검출 채널을 지원하기 위해 사용될 수 있다. 더욱이, 다수의 광섬유 번들이 다수의 검출기와 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 4개의 레그를 가진 2개의 광섬유 번들이 8개의 광학 모듈(16)과 2개의 검출기(18)와 함께 사용될 수 있다.
도 3은 장치 하우징 내의 제거 가능한 광학 모듈의 예시적인 세트의 정면도를 도시하는 사시도이다. 도 3의 예에서, 장치(10)는 베이스 아암(44) 및 모듈 하우징(46)을 구비한다. 주 광학 모듈(48), 보조 광학 모듈(52) 및 보조 광학 모듈(56)은 모듈 하우징(46) 내에 포함된다. 광학 모듈(48, 52, 56)은 디스크(13)의 서로 다른 프로세스 챔버를 순차적으로 여기시키는 광출력 빔(43, 49, 53, 57)을 각각 생성한다. 다시 말하면, 출력 빔(43, 49, 53, 57)은 프로세스 챔버를 포함하는 디스크의 동일한 반경방향 위치를 각각 여기시키기 위해 디스크(13)의 굴곡(curvature)을 따른다. 광학 모듈(48)은 서로 다른 빔(43, 49)을 각각 출력하는 2개의 광 채널을 포함한다. 슬롯 센서 트리거(27)는 검출기(33)에 의해 검출되는 광(35)을 생성하는 적외선 광원(31)을 구비한다.
광학 모듈(48, 52, 56)의 각각은 모듈 하우징(46)과 결합하기 위한 각각의 해제 레버(50, 54 또는 58)를 구비한다. 각 해제 레버는 모듈 하우징(46) 내에 형성된 각각의 래치와 결합하기 위해 상향 바이어스(bias)를 제공할 수 있다. 기술자 또는 다른 사용자는 광학 모듈(48, 52 또는 56)을 모듈 하우징(46)으로부터 풀어서 제거하기 위해 해제 레버(50, 54 또는 58)를 각각 누른다. 바코드 리더(29)는 디스크(13) 식별을 위한 레이저(62)를 구비한다.
베이스 아암(44)은 검출 장치(10)로부터 연장하여 모듈 하우징(46) 및 광학 모듈(48, 52, 56)을 지지한다. 모듈 하우징(46)은 베이스 아암(44) 위에 안전하게 장착될 수 있다. 모듈 하우징(46)은 광학 모듈(48, 52, 56)의 각각을 수용하도록 구성된 위치를 포함할 수 있다. 모듈 하우징(46)에 관하여 예시적인 목적으로 설명하였지만, 검출 장치(10)의 모듈 하우징(46)은 광학 모듈(48, 52, 56)을 수용하기 위한 복수의 위치를 가질 수 있다. 다시 말하면, 광학 모듈(48, 52, 56)에 대해 개별 하우징이 사용될 필요가 없다.
모듈 하우징(46)의 각 위치는 기술자 또는 다른 사용자가 광학 모듈을 삽입할 때 그 위치에 관련 광학 모듈을 정확히 위치시키는 것을 돕는 하나 이상의 트랙(track) 또는 가이드(guide)를 포함할 수 있다. 이들 가이드는 각 위치의 상면, 바닥 또는 측면을 따라 위치할 수 있다. 광학 모듈(48, 52, 56)의 각각은 모듈 하우징(46)의 위치의 가이드 또는 트랙과 정합되는 가이드 또는 트랙을 구비할 수 있다. 예를 들어, 모듈 하우징(46)은 광학 모듈(48, 52, 56) 내의 오목한 가이드와 정합되는 돌출 가이드를 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 모듈 하우징(46)은 광학 모듈(48, 52, 56)의 각각을 완전히 둘러싸지 않을 수도 있다. 예를 들어, 모듈 하우징(46)은 각각의 광학 모듈(48, 52, 56)을 베이스 아암(44)에 고정시키기 위해 장착 지점을 제공하지만, 각 광학 모듈의 일부분 또는 모두가 노출될 수도 있다. 다른 실시예에서, 모듈 하우징(46)은 광학 모듈(48, 52, 56)의 각각을 완전히 둘러쌀 수도 있다. 예를 들어, 모듈 하우징(46)은 광학 모듈(48, 52, 56)을 덮어 가리는 단일 도어 또는 각 모듈에 대한 각각의 도어를 구비할 수 있다. 본 실시예는 모듈이 거의 제거되지 않거나 검출 장치(10)가 극심한 환경 조건을 받기 쉬운 적용예에 적합할 수 있다.
기술자는 임의의 광학 모듈(48, 52 또는 56)을 쉽게 제거할 수 있고, 이는 단지 한 손을 이용함으로써 완료될 수 있다. 예를 들어, 기술자는 그의 검지(forefinger)를 광학 모듈(52)의 해제 레버(54) 아래에 위치된 성형 립(lip) 밑에 놓을 수 있다. 이어서, 기술자의 엄지(thumb)는 해제 레버(54)를 눌러 광학 모듈(52)을 모듈 하우징(46)으로부터 해제할 수 있다. 광학 모듈(52)을 엄지와 검지 사이에 파지하고 있는 중에, 기술자는 광학 모듈을 다시 당겨 광학 모듈을 검출 장치(10)로부터 제거할 수 있다. 두 손을 이용하는 제거 방법을 포함하는 다른 방법이 임의의 광학 모듈(48, 52 또는 56)을 제거하기 위해 사용될 수 있다. 임의의 광학 모듈(48, 52 또는 56)의 삽입은 한 손 또는 양 손으로 거꾸로의 방식으로 달성될 수 있다.
도 3의 예에서, 2개의 광학 모듈의 구성 요소들은 조합되어 주 광학 모듈(48)을 형성한다. 주 광학 모듈(48)은 2개의 서로 다른 파장의 광을 생성하는 광원과, 디스크(13) 내의 샘플로부터의 서로 다른 각 파장의 형광을 검출하는 검출기를 포함할 수 있다. 따라서, 주 광학 모듈(48)은 광섬유 번들(14)의 2개의 레그에 연결될 수 있다. 이러한 방식으로, 주 광학 모듈(48)은 2개의 독립적인 광 여기 및 수집 채널을 갖는 이중 채널형 광학 모듈로 간주될 수 있다. 일부 실시예에서, 주 광학 모듈(48)은 2개 초과의 광학 모듈을 위한 광학적 구성 요소들을 포함할 수 있다. 다른 경우에, 모듈 하우징(46)은 복수의(예컨대, 2개 이상의) 단일 채널형 광학 모듈, 예컨대 보조 광학 모듈(52, 56)을 포함한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 주 광학 모듈(48)은 (광학 모듈(48) 내에 위치된) 레이저 밸브 제어 시스템(51)을 위한 구성 요소를 또한 포함할 수 있다. 레이저 밸브 제어 시스템(51)은 디스크(13)의 외측 에지 근처에 위치된 작은 슬롯에 의해 디스크(13)의 위치를 검출한다. (도시되지 않은) 검출기는 디스크(13)를 회전시키는 모터에 대하여 디스크의 위치를 맵핑시키기 위해 저출력 레이저 광(55)을 검출한다. 제어 유닛(23)은 이 맵을 이용하여 디스크(13) 상의 (도 3에는 도시되지 않은) 밸브의 위치를 결정하고 목표 밸브를 레이저 밸브 제어 시스템(51)을 통한 개방을 위한 위치로 회전시킨다.
일단 목표 밸브가 제 위치에 있게 되면, 레이저 밸브 제어 시스템(51)은 하나 이상의 고출력의 쇼트 버스트를 이용하여 레이저 광(55)을 밸브 상으로 포커싱되게 한다. 이 쇼트 버스트는, 예컨대 밸브를 관통하거나, 용융시키거나 또는 제거함으로써 목표 밸브 내에 공극을 형성하여, 디스크(13)가 회전됨에 따라 내측 홀딩 챔버의 내용물이 외측 프로세스 챔버로 유동할 수 있게 한다. 이어서, 검출 장치(10)는 프로세스 챔버 내의 후속 반응을 모니터링할 수 있다. 챔버 내의 내용물은 유체 또는 고체 상태의 물질을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 레이저 밸브 제어 시스템(51)은 단일 채널형 광학 모듈, 예컨대 보조 광학 모듈(54) 또는 보조 광학 모듈(56) 내에 포함될 수 있다. 다른 실시예에서, 레이저 밸브 제어 시스템(51)은 임의의 광학 모듈(48, 52 또는 56)과 별개로 검출 장치(10)에 장착될 수 있다. 이러한 경우, 레이저 밸브 제어 시스템(51)은 제거 가능하여 검출 장치(10)의 모듈 하우징(46) 또는 다른 하우징 내의 위치에 결합하도록 구성될 수 있다.
도 3의 예에서, 슬롯 센서 트리거(27)는 디스크(13)의 어느 한 쪽에 제거 가능한 모듈 근처에 위치된다. 일 실시예에서, 슬롯 센서 트리거(27)는 적외선(IR) 광(35)을 발산하기 위해 광원(31)을 포함한다. 디스크(13) 내의 슬롯이 광이 디스크를 통해 검출기(33)로 통과할 수 있게 할 때 검출기(33)는 IR 광(35)을 검출한다. 제어 유닛(23)은 검출기(33)에 의해 생성된 출력 신호를 이용하여 광학 모듈(48, 54, 56)로부터의 데이터 획득과 디스크(13)의 회전을 동기화시킨다. 일부 실시예에서, 슬롯 센서 트리거(27)는 베이스 아암(44)으로부터 연장하여 장치(10)의 작동 중에 디스크(13)의 외측 에지에 도달할 수 있다. 다른 실시예에서, 기계적 검출기가 디스크(13)의 위치를 검출하기 위해 사용될 수 있다.
바코드 리더(29)는 레이저(62)를 이용하여 디스크(13)의 측면 에지에 위치된 바코드를 판독한다. 바코드는 디스크(13)의 유형을 식별하여 장치(10)의 적당한 작동을 가능하게 한다. 일부 실시예에서, 바코드는 실제 디스크를 식별하여 기술자가 다수의 디스크(13)로부터의 특정 샘플에 대한 데이터 추적(tracking)에 도움을 줄 수 있다.
광학 모듈(48, 52, 56)의 모든 표면 구성 요소는 중합체, 복합재 또는 금속 합금으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 고분자량 폴리우레탄이 표면 구성 요소를 형성하는 데에 사용될 수 있다. 다른 경우에, 알루미늄 합금 또는 탄소 섬유 구조가 생성될 수 있다. 임의의 경우에, 그 재료는 내열성, 내피로성, 내응력성 및 내부식성을 갖는다. 검출 장치(10)가 생물학적 물질과 접촉할 수 있으므로, 이 구조는 챔버 내용물이 디스크(13) 밖으로 누설되는 경우에는 소독될 수 있다.
도 4는 검출 장치(10)의 모듈 하우징(46) 내의 제거 가능한 광학 모듈(48, 52, 56)의 예시적인 세트를 도시하는 사시도이다. 도 4의 예에서, 베이스 아암(44)은 모듈 하우징(46) 내에 부착된 제거 가능한 광학 모듈(48, 52, 56) 뿐만 아니라 바코드 리더(29)를 지지한다. 디스크(13)는 샘플(22)이 시간적으로 서로 다른 순간에 각 광학 모듈의 각각의 광 경로 하에 위치된 상태로 광학 모듈(48, 52, 56) 아래에 위치된다.
모듈 하우징(46) 내에서 보조 광학 모듈(56) 및 주 광학 모듈(48)의 전단을 볼 수 있다. 보조 모듈(56)은 성형 립(59) 및 해제 레버(58)를 포함한다. 전술한 바와 같이, 성형 립(59)은 모듈(56)을 모듈 하우징(46) 내로 제거 또는 삽입할 때 모듈을 파지하는 데 사용될 수 있다. 광학 모듈(48, 52, 56)의 모두는 각각의 성형 립 및 해제 레버를 가지며, 단일 해제 레버가 모든 광학 모듈을 제거하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 광학 모듈(48, 52, 56)은 모듈을 파지하기 위한 서로 다른 구성 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광학 모듈(48, 52, 56)의 각각은 각각의 모듈을 모듈 하우징(46)으로부터 수직 또는 수평 방향으로 제거하기 위한 핸들을 포함할 수 있다.
모듈 하우징(46) 내의 광학 모듈(48, 52, 56)의 위치는 시간적으로 특정 순간에 디스크(13) 내의 서로 다른 샘플을 개별적으로 여기시키도록 고정될 수 있다. 예를 들어, 주 광학 모듈(48)은 주 모듈의 양 쪽에서 일정 위치로 오프셋된 보조 광학 모듈(52, 56)보다 약간 더 베이스 아암(44) 쪽으로 위치될 수 있다. 게다가, 광학 모듈(48, 52, 56)은 모듈들에 의해 생성된 여기 광 빔이 디스크(13)의 굴곡을 따르도록 (도 4의 화살표 방향으로 도시된) 수평 방향으로 오프셋(여기서, X는 외측 광 빔이 내측 광 빔으로부터 오프셋된 거리임)될 수 있다. 이러한 배치에 있어서, 광학 모듈(48, 52, 56)에 의해 생성된 광 빔은 디스크(13)가 회전함에 따라 동일한 경로를 통과하여, 이 경로를 따라 위치된 프로세스 챔버로부터의 광을 여기하고 모은다. 다른 실시예에서, 광학 모듈(48, 52, 56)은 여기 광 빔이 회전하고 있는 디스크(13) 주위의 서로 다른 경로를 통과하도록 정렬된다.
이러한 예에서, 베이스 아암(44)은 모듈 하우징(46) 내로 연장하는 전기 접촉 보드(66)를 포함한다. 모듈 하우징(46) 내에서, 전기 접촉 보드(66)는 광학 모듈(48, 52, 56)의 각각에 대한 전기 접점을 포함할 수 있다. 전기 접촉 보드(66)는 제어 유닛(23)에 전기적으로 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 광학 모듈(48, 52, 56)의 각각은 제어 유닛(23)에 연결된 개별적인 관련 전기 접촉 보드를 가질 수 있다.
광섬유 커플러(68)는 광섬유 번들(14)의 하나의 레그를 광학 모듈(56)의 광출력 포트에 결합시킨다. 비록 도시되지는 않았지만, 광학 모듈(48, 52, 56)의 각각은 모듈 하우징(46)에 장착된 각각의 광섬유 커플러와 결합하도록 구성된 광출력 포트를 구비한다. 광섬유 커플러(68)와 광섬유 번들(14)의 레그 사이의 연결은 나사가공된 스크류 잠금(threaded screw lock), 스냅 밀폐(snap closure) 또는 마찰 끼움(friction fit)일 수 있다.
바코드 리더(29)는 디스크(13)의 바코드를 판독하기 위한 레이저 광(64)을 생성한다. 레이저 광(64)은 이 광이 디스크(13)의 외측 에지와 상호 작용하는 직접 경로를 따른다. 광(64)은 한번에 디스크(13)의 넓은 영역을 커버하도록 퍼지게 할 수 있다. 바코드 리더(29)는 디스크(13)가 느린 속도로 회전하고 있을 때 디스크 상의 바코드를 판독한다. 다른 실시예에서, 바코드 리더(29)는 신규 디스크가 장치(10) 내에 로딩되지 않았다는 것을 확인하기 위해 작동 중에 주기적으로 바코드를 판독할 수 있다. 다른 실시예에서, 바코드 리더(29)는 디스크(13) 상의 하나 초과의 바코드를 검출할 수 있다.
일부 실시예에서, 베이스 아암(44)은 디스크(13)에 대해 이동할 수도 있다. 이 경우, 베이스 아암(44)은 서로 다른 크기의 디스크 상의 샘플 또는 디스크(13)의 내부 안에 배치된 샘플을 검출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 베이스 아암(44)을 디스크(13)의 중심으로부터 더 멀어지게 이동시킴으로써 보다 많은 프로세스 챔버 또는 보다 큰 프로세스 챔버를 포함하는 더 큰 디스크가 사용될 수 있다. 모듈 하우징(46)은 각각의 광학 모듈(48, 52 또는 56)이 디스크(13) 주위의 프로세스 챔버의 하나 이상의 원형 경로로 이동할 수 있도록 각각의 광학 모듈에 대한 설정 가능한 위치(configurable position)를 가질 수 있다.
도 5는 모듈 커넥터를 노출시키기 위해 하나의 모듈이 제거된 제거 가능한 광학 모듈의 예시적인 세트의 전방 측면도를 도시하는 사시도이다. 특히, 모듈 하우징(46)은 도 5에는 도시되어 있지 않고, 광학 모듈(56)을 제거하여 광학 모듈(52, 48)과 제거된 모듈(56)에 대한 접속부를 함께 노출시켰다.
광학 모듈(56)의 해제 레버(58, 도 3)는 베이스 아암(44)에 장착된 부착 포스트(69)에 견고히 고정된다. 이 예에서, 부착 포스트(69)는 광학 모듈(56) 내로 연장하여 해제 레버(58)와 결합된다. 다른 실시예에서, 나사 또는 스냅 고정 장치와 같은 다른 부착 메커니즘이 광학 모듈(56)을 베이스 아암(44)에 고정하기 위해 사용될 수 있다.
베이스 아암(44)은 모듈 하우징(46) 내에 2개의 서로 다른 작동 접속부를 제공하는데, 이 접속부들은 일단 삽입되면 광학 모듈(56)을 수납하여 이와 결합된다. 특히, 베이스 아암(44)은 전기 접촉 보드(66)를 제공하는데, 이 보드는 광학 모듈(56) 내에 포함된 (도시되지 않은) 전기 접점과 결합하기 위한 전기 접속부(70)를 구비한다. 전기 접속부(70)는 제어 유닛(23)이 모듈(56) 내의 전기 요소와 통신할 수 있도록 한다. 예를 들어, 모듈(56)은 전기 회로, 하드웨어, 펌웨어 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일 예에서, 내부의 전기 요소는 일련번호와 같은 특유한 식별 정보를 저장하여 이를 제어 유닛(23)으로 출력할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 전기 요소는 제거 가능한 모듈(56) 내에 포함된 광학 요소의 특정 특징을 표현하는 정보를 제공할 수 있다. 예를 들어, 전기 요소는 프로그래머블 읽기 전용 메모리(PROM), 플래시 메모리, 또는 다른 내장 또는 분리가능한 저장 매체를 포함할 수 있다. 다른 실시예는 일 세트의 저항기(resistor), 회로 또는 광학 모듈(48, 52 또는 56)의 특유한 시그너처(signature)를 제어 유닛(23)으로 출력하는 내장된 프로세서를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 광학 모듈(56)은 레이저원 및 레이저 밸브 제어 시스템, 즉 레이저 밸브 제어 시스템(51)의 일부를 형성하는 다른 구성요소를 포함할 수 있다.
전기 접촉 보드(66)는 제거되거나 아니면 서로 다른 제거 가능한 광학 모듈과 관련된 다른 버전(version)으로 교체될 수 있다. 이러한 옵션(option)은 장치 성능(device capability)의 업그레이드(upgrade)를 지원할 수 있다. 다른 실시예에서, 접속부(70)는 어느 정도의 접속 핀을 가질 수 있다.
또한, 베이스 아암(44) 및 모듈 하우징(46)은 광학 모듈(56)을 수용하기 위한 위치 내에 광 채널(72)을 제공한다. 광 채널(72)은 광섬유 번들(14)의 레그와 이어지는 (도 4의) 광섬유 커플러(68)에 연결된다. 광 채널(72)은 광학 모듈(56) 내의 일정 위치 내에 삽입된다. 광학 모듈(56)에 의해 포착된 광은 광 채널(72), 광섬유 커플러(68) 및 광섬유 번들(15)을 통해 검출기로 향할 수 있게 된다. 이들 접속부 사이의 피팅(fitting)은 광 경로로부터 광이 누설되거나 광 경로로 유입되지 않도록 타이트(tight)할 수 있다.
일부 실시예에서, 광학 모듈(56)에 대한 접속부는 서로 다른 구성으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 접속부는 광학 모듈(56)을 다른 방향으로부터 수납하기 위해 다른 위치에 위치할 수도 있다. 다른 실시예에서, 전기 접속부는 광학 모듈(56)의 일 면에 위치될 수 있고, 광 접속부는 모듈(56)의 제2 표면에 위치된다. 임의의 경우에, 모듈 하우징(46)의 위치 내에 위치된 전기 및 광 접속부는 제거 가능한 광학 모듈, 즉 본 예에서는 광학 모듈(56)을 수용한다.
도 5에 설명된 모듈(56)의 광 및 전기 접속부는 광학 모듈(48, 52)을 포함하는 임의의 모듈과 함께 사용될 수 있다. 또한, 각각의 광학 모듈을 위한 접속부는 동일하지 않을 수도 있다. 원하는 제거 가능한 광학 모듈과의 결합을 위해 접속부가 변경될 수도 있으므로, 모듈 하우징(46)의 특정 위치에 삽입된 임의의 특정 광학 모듈에 이용되는 접속부는 아무 때나 변경될 수 있다.
도 6은 예시적인 제거 가능한 주 광학 모듈(48) 내의 구성 요소를 도시하는 사시도이다. 도 6의 예에서, 주 광학 모듈(48)은 해제 레버(50), 피벗 핀(51) 및 래치(74)를 구비한다. 내부 하우징(78)은 모듈(48)의 각 측을 분리시키고 리본(81)에 연결된 전기 접점 패드(80)를 보유한다. 광학 요소는 LED(82), 조준 렌즈(84), 여기 필터(86), 다이크로익 필터(88), 초점 렌즈(90), 검출 필터(92) 및 렌즈(94)를 포함한다. 광출력 포트(17)는 광섬유 번들(14)의 레그에 결합된다. (도시되지 않은) 제2 광 채널용의 별개 세트의 광학 요소는 내부 하우징(78)의 다른 측에 위치된다. 또한, 주 모듈(48)은 제어 유닛(23)에 의해 제어되는 레이저 밸브 제어 시스템(51)의 일부로서 커넥터(96), 레이저 다이오드(98) 및 초점 렌즈(100)를 포함한다.
해제 레버(50)는 피벗 핀(61)에 의해 광학 모듈(48)에 부착된다. 피벗 핀(61)은 해제 레버(50)가 상기 핀의 축선에 대해 회전할 수 있게 한다. 해제 레버(50)가 눌러질 때, 아암(63)은 반시계 방향으로 회전하여 래치(74)를 상승시킨다. 일단 래치(74)가 상승되면, 광학 모듈(48)은 모듈 하우징(46)으로부터 자유로이 제거될 수 있다. 래치(74)를 하방 위치로 유지하기 위해 해제 레버(50)에 대한 바이어스력(bias force)을 유지시키는 스프링 또는 다른 메커니즘이 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 래치(74)를 하방 또는 래칭된 위치에 유지시키는 모멘트 아암을 제공하기 위해 스프링이 피벗 핀(61) 주위로 포함될 수 있다. 다른 실시예에서, 다른 장착 메커니즘이 전술한 레버에 추가되거나 또는 레버 대신에 사용될 수 있다. 예를 들어, 광학 모듈(48)은 하나 이상의 나사 또는 핀에 의해 모듈 하우징(46)에 부착될 수 있다.
장착판(76)은 통신 리본(81)과 LED(82)를 부착하기 위해 광학 모듈(48) 내에 설치될 수 있다. 리본(81)은 전기 접점 패드(80)에 연결되고 광학 모듈(48) 내의 전기 요소 및 상기 패드 사이의 접속을 제공한다. 접점 패드(80)와 리본(81)은 레이저 밸브 제어 시스템(51) 및 임의의 내부 메모리 또는 다른 저장 매체를 비롯한 주 광학 모듈(48)의 양 측에 필요한 정보를 전달할 수 있다. 리본(81)은 광학 모듈(48) 내에서 누비듯이 나아갈 수 있도록 가요성일 수 있다. 리본(81)은 전기 요소 및 제어 유닛(23) 사이에서 신호를 전달하고/하거나 전기 요소로 동력을 전달하기 위해 복수의 전기 전도성 와이어를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 전기 요소는 전기 요소와 제어 유닛(23)을 연결시키는 개별 케이블을 가질 수 있다. 기술자는 광학 모듈(48)을 모듈 하우징(46)으로부터 제거할 때 케이블을 접속 해제하거나 회로를 모듈 하우징으로부터 구부릴 필요가 있을 수 있다.
일부 실시예에서, 광학 모듈(48)은 디스크(13)로부터의 광을 검출하기 위한 검출기와 데이터를 처리 및 저장하기 위한 전자 장치를 포함할 수 있다. 이 전자 장치는 검출된 광을 나타내는 데이터를 제어 유닛(23)으로 무선 전송하기 위한 원격 측정 회로(telemetry circuit)를 포함할 수 있다. 무선 통신은 적외선 광, 무선 주파수, 블루투스, 또는 다른 원격 측정 기술에 의해 수행될 수 있다. 광학 모듈(48)은 전자 장치에 동력을 공급하는 배터리를 또한 구비할 수 있는데, 이는 제어 유닛(23)에 의해 재충전될 수 있다.
LED(82)는 장착판(76)에 부착되고 리본(81)에 전기적으로 결합된다. LED(82)는 소정의 파장을 갖는 여기 광(49)을 생성하여 샘플(22)을 여기시킨다. 여기 광(43)은 (도시되지 않은) 제2 광 채널에 의해 생성된다. 광(49)이 LED(82)를 벗어난 후, 광은 여기 필터(86)에 들어가기 전에 조준 렌즈(84)에 의해 확대된다. 하나의 파장 대역의 광(49)은 다이크로익 필터(88)를 통과하여 초점 렌즈(90)에 의해 샘플 상으로 포커싱된다. 광(49)은 샘플을 여기시켜, 형광이 초점 렌즈(90)에 의해 모이게 되고 다이크로익 필터(88)에 의해 검출 필터(92)로 전달된다. 생성된 파장 대역의 광이 렌즈(94)에 의해 모이고, 이 광은 수집된 형광이 검출기(18)로의 전송을 위해 광섬유 번들(14)의 레그로 들어가는 광출력 포트(17)로 전달된다.
내부 하우징(78)은 선택된 파장에 대한 샘플의 여기 및 샘플에 의해 발광된 형광의 검출에 포함되는 모든 구성 요소를 지지할 수 있다. 내부 하우징(78)의 다른 측에는, 광학 요소의 유사한 구성이 구비되어 상이한 파장의 광을 생성하고 대응하는 상이한 형광 파장을 검출할 수 있다. 각 측의 분리는 일 측으로부터 다른 측의 광 채널로 들어가는 광 오염(light contamination)을 제거할 수 있다.
커넥터(96), 레이저 다이오드(98) 및 초점 렌즈(100)를 포함하는 레이저 밸브 제어 시스템(51)의 구성 요소가 모듈(48)의 각 측 사이에 부분적으로 내장될 수 있다. 내부 하우징(78)은 이들 구성 요소에 대한 물리적 지지를 제공할 수 있다. 리본(81)은 구동 신호 및 동력을 레이저원에 전달하기 위해 커넥터(96)에 연결된다. 레이저 다이오드(98)는 커넥터(96)에 연결되고 디스크(13) 상의 밸브를 개방하는 데 사용되는 레이저 에너지(55)를 생성한다. 레이저 다이오드(98)는 레이저 에너지(55)가 디스크(13) 상의 특정 밸브로 향하게 하기 위해 이러한 근적외선(NIR) 광을 초점 렌즈(100)에 전달한다. NIR 센서는 개방될 필요가 있는 특정 밸브의 위치를 결정하기 위해 디스크(13) 아래에 위치될 수 있다. 다른 실시예에서, 이들 구성 요소는 광학 요소와 별개로 내장될 수 있다.
일부 실시예에서, 레이저 밸브 제어 시스템(51)의 방출 렌즈(98) 및 초점 렌즈(100)는 단일 채널형 광학 모듈, 예컨대 (도 3의) 보조 광학 모듈(52, 56) 내에 포함될 수 있다.
도 7은 검출 장치(10)에 대해 쉽게 제거 및 삽입될 수 있는 예시적인 보조 광학 모듈 내의 구성 요소를 도시하는 사시도이다. 도 7의 예에서, 광학 모듈(56)은 주 광학 모듈(48)과 유사하게 해제 레버(58), 피벗 핀(59) 및 래치(102)를 구비한다. 광학 모듈(56)은 또한 리본(107)에 연결되는 전기 접점 패드(106)를 구비한다. 리본(107)은 장착판(104)에 또한 연결될 수 있다. 주 광학 모듈(48)과 유사하게, 광학 요소는 LED(108), 조준 렌즈(110), 여기 필터(112), 다이크로익 필터(114), 초점 렌즈(116), 검출 필터(118) 및 렌즈(120)를 포함할 수 있다. 광출력 포트(19)는 광섬유 번들(14)의 레그에 결합된다.
해제 레버(58)는 피벗 핀(65)에 의해 광학 모듈(56)에 부착된다. 피벗 핀(65)은 해제 레버가 상기 핀의 축선에 대해 회전할 수 있게 한다. 해제 레버(58)가 눌러질 때, 아암(67)은 반시계 방향으로 회전하여 래치(102)를 상승시킨다. 일단 래치(102)가 상승되면, 광학 모듈(56)은 모듈 하우징(46)으로부터 자유로이 제거될 수 있다. 래치(102)를 하방 위치로 유지하기 위해 해제 레버(58)에 대한 바이어스력을 유지시키는 스프링 또는 다른 메커니즘이 있을 수 있다. 대안적으로, 스프링이 래치(102) 위에 위치할 수 있다. 일부 실시예에서, 래치(102)를 하방 또는 래칭된 위치에 유지시키는 모멘트 아암을 제공하기 위해 스프링이 피벗 핀(65) 주위로 포함될 수 있다. 다른 실시예에서, 다른 장착 메커니즘이 전술한 레버에 추가되거나 또는 레버 대신에 사용될 수 있다. 예를 들어, 광학 모듈(56)은 하나 이상의 나사 또는 핀에 의해 모듈 하우징(46)에 부착될 수 있다.
장착판(104)은 통신 리본(107)과 LED(108)를 부착하기 위해 광학 모듈(56) 내에 설치될 수 있다. 리본(107)은 전기 접점 패드(106)에 연결되고 광학 모듈(56) 내의 전기 요소 및 상기 패드 사이의 접속을 제공한다. 접점 패드(106) 및 리본(107)은 광학 요소를 작동시키는 데에 필요한 정보를 전달할 수 있다. 리본(107)은 광학 모듈(56) 내에서 누비듯이 나아갈 수 있도록 가요성일 수 있다. 리본(107)은 전기 요소 및 제어 유닛(23) 사이에서 신호를 전달하고/하거나 전기 요소로 동력을 전달하기 위해 복수의 전기 전도성 와이어를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 전기 요소는 전기 요소와 제어 유닛(23)을 연결시키는 개별 케이블을 가질 수 있다. 기술자는 광학 모듈(56)을 모듈 하우징(46)으로부터 제거할 때 케이블을 접속 해제하거나 회로를 모듈 하우징으로부터 구부릴 필요가 있을 수 있다.
일부 실시예에서, 광학 모듈(56)은 디스크(13)로부터의 광을 검출하기 위한 검출기와 데이터를 처리 및 저장하기 위한 전자 장치를 포함할 수 있다. 이 전자 장치는 검출된 광을 나타내는 데이터를 제어 유닛(23)으로 무선 전송하기 위한 원격 측정 회로를 포함할 수 있다. 무선 통신은 적외선 광, 무선 주파수, 블루투스, 또는 다른 원격 측정 기술에 의해 수행될 수 있다. 광학 모듈(56)은 전자 장치에 동력을 공급하는 배터리를 또한 구비할 수 있는데, 이는 제어 유닛(23)에 의해 재충전될 수 있다.
LED(108)는 장착판(104)에 부착되고 리본(107)에 전기적으로 결합된다. LED(108)는 소정의 파장을 갖는 여기 광(101)을 생성하여 샘플(22)을 여기시킨다. 광(101)이 LED(108)를 벗어난 후, 광은 여기 필터(112)에 들어가기 전에 조준 렌즈(110)에 의해 확대된다. 하나의 파장 대역의 광(101)은 다이크로익 필터(114)를 통과하여 초점 렌즈(116)에 의해 샘플 상으로 포커싱된다. 광(101)은 샘플을 여기시켜, 형광이 초점 렌즈(116)에 의해 모이게 되고 다이크로익 필터(114)에 의해 검출 필터(118)로 전달된다. 생성된 파장 대역의 광이 렌즈(120)에 의해 모이고, 이 광은 수집된 형광이 검출기(18)로의 전송을 위해 광섬유 번들(14)의 레그로 들어가는 광출력 포트(19)로 전달된다.
보조 광학 모듈(56)은 레이저 밸브 제어 시스템(51)의 구성 요소를 또한 포함한다. 레이저 밸브 제어 시스템(51)은 장치(10) 내에서 사용되는 단 하나의 시스템이거나 복수의 레이저 밸브 제어 시스템들 중 하나일 수 있다. 이러한 시스템에 사용되는 구성 요소는 도 6의 광학 모듈(48)에서 설명된 구성 요소와 유사할 수 있다.
보조 광학 모듈(56)의 구성 요소는 하나의 파장 대역의 광을 발산 및 검출하기 위해 사용되는 임의의 광학 모듈 또는 임의의 보조 광학 모듈과 유사할 수도 있다. 일부 실시예에서, 이 구성 요소는 서로 다른 실험 용도에 적응하기 위해 구성 면에서 변경될 수 있다. 예를 들어, 임의의 광학 모듈은 서로 다른 방향으로 삽입되도록 또는 디스크(13)에 대해 서로 다른 위치에서 장치 내에 위치되도록 변형될 수 있다. 임의의 경우, 광학 모듈은 장치(10)에 대한 변경 유연성(modification flexibility)을 제공하도록 분리될 수 있다.
도 8은 레이저 밸브 제어 시스템이 디스크 상의 슬롯 위로 위치된 장치 하우징 내의 제거 가능한 광학 모듈(48, 52, 56)의 예시적인 세트의 측면도이다. 도 8의 예는 도 4와 유사하다. 그러나, 레이저 밸브 제어 시스템(51)은 에너지원, 즉 레이저 다이오드로부터의 레이저 광(71)이 디스크(13) 내의 슬롯(75)을 통과하도록 위치되었다. 센서(73)는 광이 슬롯(75)을 통과할 때 레이저 광(71)을 검출한다.
(도시되지 않은) 갠트리(gantry)는 디스크(13)의 중심에 대해 모듈 하우징(46) 및 이에 포함된 광학 모듈(48, 52, 56)을 (도 8에 화살표로 도시된) 수평 방향으로 이동시킨다. 레이저 광(71)은 디스크(13) 내의 슬롯(75)의 위치를 결정하기 위해 저출력의 근적외선(NIR) 광을 생성하도록 감소된 전류로 레이저로부터 발산될 수 있다. 일부 경우에, 갠트리는 레이저 밸브 제어 시스템(51)이 슬롯(75)의 위치를 결정하기 위해 레이저 광(71)을 출력하는 동안 모듈 하우징(46)을 수평 방향으로 병진 이동시킬 수 있다.
일단 레이저 광이 슬롯(75)을 통과하기만 하면 센서(73)는 레이저 광(71)을 검출할 수 있는데, 이에 의해 센서(73)는 감지된 NIR 레이저 광(71)을 나타내는 전기 신호를 제어 유닛(23)으로 출력하게 한다. 센서(73)로부터 전기 신호를 받자마자, 제어 유닛(23)은 감지된 디스크 위치를 회전하는 플랫폼(25)의 알려진 위치로 맵핑하고, 회전하는 플랫폼(25)의 알려진 위치에 대한 디스크(13)의 각 밸브의 위치를 식별하는 위치 맵을 구성한다. 이어서, 제어 유닛(23)은 구성된 위치 맵을 사용하여, 디스크(13)의 원하는 밸브를 목표로 정하기 위해 레이저를 이동시키거나 디스크를 회전시키거나 이 둘 모두를 수행할 수 있다. 다른 실시예에서, 센서(73)는 디스크(13)의 반사 부분 또는 부분들로부터의 레이저 광(71)을 검출하기 위해 레이저 밸브 제어 시스템(51)과 동일한 쪽의 디스크(13) 측에 위치될 수 있다.
레이저 밸브 제어 시스템(51)을 선택된 밸브 위로 위치시키면, 제어 유닛(23)은 레이저 밸브 제어 시스템이 짧은 펄스의 고출력 에너지를 전달하여 선택된 밸브를 개방하도록 지시한다. 밸브는 발산된 전자기 에너지, 즉 레이저 광(71)을 흡수하는 중합체 또는 유사한 재료로 구성될 수 있는데, 상기 광은 중합체를 파열시켜 내측 홀딩 챔버와 외측 프로세스 챔버 사이의 채널을 개방시킨다. 다른 에너지원(예컨대, 무선 주파수 에너지원)이 사용될 수 있고, 생성된 에너지를 흡수하여 파열(즉, 개방)될 수 있는 재료가 선택될 수 있다. 일단 밸브가 개방되면, 디스크(13)의 회전에 의해 각각의 내측 홀딩 챔버의 내용물이 각각의 외측 프로세스 챔버를 향하게 된다.
일부 실시예에서, 레이저 밸브 제어 시스템(51) 및 슬롯 센서 트리거(27)는 디스크(13)의 효과적인 위치 결정을 위해 통신할 수 있다. 예를 들어, 슬롯 센서 트리거(27)는 슬롯(75)의 존재를 감지함으로써 디스크(13)의 반경방향 위치를 대체적으로 찾을 수 있다. 레이저 밸브 제어 시스템(51)은 디스크(13)의 보다 정확한 반경방향 및 각방향 위치를 위해 슬롯(75)의 각각의 에지를 구체적으로 검출할 수 있다. 슬롯(75)의 에지가 슬롯(75)보다 작은 특징부이므로, 레이저 밸브 제어 시스템(51)은 슬롯 센서 트리거(27)보다 더 높은 공간 해상도 검출 시스템을 제공할 수 있다. 대안적으로, 슬롯(75) 위치가 높은 회전 속도로 검출될 수 있으므로, 슬롯 센서 트리거(27)는 더 높은 시간 해상도를 제공할 수 있다. 슬롯(75)의 에지는 고속의 회전 속도에서 레이저 밸브 제어 시스템(51)에 의해 검출되지 않을 수도 있다.
또한, 일부 실시예는 광 경로를 디스크(13) 상의 구조와 정렬시키기 위해 구성 요소를 수평으로 이동시키는 갠트리를 구비하지 않을 수도 있다. 예를 들어, 레이저 밸브 제어 시스템(51) 및 광학 모듈(48, 52, 56)은 디스크(13)의 중심으로부터 적절한 반경방향 거리에 고정될 수 있다. 다른 예로서, 레이저 밸브 제어 시스템(51) 및/또는 광학 모듈(48, 52, 56)은 레이저 광이 디스크(13)의 서로 다른 반경방향 위치를 향하도록 제어 유닛(23)의 관리 하에 피벗할 수 있다.
도 9A 및 도 9B는 예시적인 디스크(13A, 13B)의 부분들을 각각 도시하는 개략도이다. 도 9A의 예에서, 디스크(13A)는 장치(10)의 회전하는 플랫폼에 디스크를 부착하기 위한 중앙 구멍(121)을 포함한다. 일 세트의 내측 홀딩 챔버와 일 세트의 외측 프로세스 챔버는 중앙 구멍(121)으로부터 반경방향으로 동축상으로 위치된다. 이 예에서, 각각의 챔버는 동일한 체적과 간격을 갖는 것으로 도시되어 있으나, 디스크(13)의 다른 실시예는 서로 다른 체적 및 간격을 갖는 챔버를 구비할 수도 있다.
이 예에서, 각 홀딩 챔버는 채널에 의해 대응하는 프로세스 챔버에 연결되고, 각각의 채널은 채널을 통한 유동을 제어하기 위한 각각의 밸브를 포함한다. 예를 들어, 밸브(127)는 홀딩 챔버(125)를 프로세스 챔버(129)로부터 분리시킨다.
샘플의 일부 시약은 프로세스 챔버(129) 내에 직접 위치될 수 있는 반면, 홀딩 챔버(125)의 내용물은 로딩 챔버(123) 내로 먼저 로딩될 수 있다. 이어서, 로딩 챔버(123)의 내용물은 디스크(13)가 회전하기만 하면 홀딩 챔버(125)로 강제로 배출될 수 있다. 일부 실시예에서, 홀딩 챔버(125)는 프로세스 챔버(129) 내에서의 제2 반응을 위한 시약 또는 상기 반응을 중지(deactivate)시키는 제제(agent)를 포함하기 위해 사용될 수 있다. 밸브(127)는 홀딩 챔버(125) 및 프로세스 챔버(129) 사이에 위치된다.
도 9A의 예에서, 슬롯(131)은 디스크(13A)의 바깥쪽에 위치되고, 디스크 위치를 맵핑하기 위해 레이저 밸브 제어 시스템(51)에 의해 사용된다. 일 실시예에서, 슬롯(131)은 폭이 1 ㎜이고 길이가 2 ㎜이다. (도 8의) 레이저 광(71)은 슬롯(131)의 알려진 반경방향 위치에 대응하는 디스크(13A)의 알려진 반경에서 포커싱될 수 있다. 디스크(13A)가 회전함에 따라, 레이저 광(71)은 광이 디스크(13A)를 통과하여 (도 8의) 센서(73)에 의해 검출되는 슬롯(131)의 위치를 제외하고는 디스크(13A)에 의해 차단된다. 전술한 바와 같이, 제어 유닛(23)은 센서(73)로부터 수신한 출력 신호(예컨대, 트리거 신호)를 이용하여 회전하는 플랫폼(25)의 회전에 대한 디스크(13A)의 위치를 맵핑시킨다. 레이저 밸브 제어 시스템(51)은 슬롯(131)의 에지를 검출하는데, 그 이유는 에지의 보다 작은 특징부가 시스템으로 하여금 슬롯(131)의 위치를 단지 이용하는 것보다 디스크(13A)의 위치에 대한 더 정확하고 높은 해상도의 맵을 생성할 수 있게 하기 때문이다.
이 맵에 기초하여, 제어 유닛(23)은 중앙 구멍(121)으로부터 밸브, 예컨대 밸브(127)의 알려진 반경방향 거리에 레이저 밸브 제어 시스템(51)을 재위치시킨다. 예를 들어, 모듈 하우징(46)에 부착된 갠트리는 모듈 하우징(46)과 그에 포함된 광학 모듈을 디스크(13A)의 중앙 구멍으로부터의 밸브의 알려진 반경방향 거리로 이동시킬 수 있다. 이어서, 제어 유닛(23)은 맵을 이용하여, 회전하는 플랫폼과 디스크(13)의 회전을 제어하고 밸브(127)를 레이저 밸브 제어 시스템(51)의 바로 아래로 회전시킨다. 일단 제 위치에 있게 되면, 제어 유닛(23)은 밸브(127)를 가열하기 위해 레이저 밸브 제어 시스템(51)이 고전류 에너지 펄스를 출력하도록 지시한다. 그 결과, 열은 밸브(127) 내에 공극을 형성하여(예컨대, 밸브를 파열시켜) 홀딩 챔버(125)와 프로세스 챔버(129) 사이의 유체 연통로를 개방한다. 다른 실시예에서, 레이저 광(71)으로부터의 열은 밸브(127)의 구조(conformation)를 변경시켜 유체 연통로를 개방할 수 있다.
도 9B는 도 9A의 디스크(13A)와 유사한 다른 예시적인 디스크(13B)의 일 부분을 도시하고 있다. 도 9B의 예에서, 디스크(13B)는 회전하는 플랫폼(25)에 고정된 베이스 플레이트에 디스크를 부착하기 위해 중앙 구멍(133)을 구비하고 있다. 다시, 각 세트의 챔버는 동일한 체적을 갖는 것으로 도시되지만, 디스크(13B)의 다른 실시예는 서로 다른 체적 및 간격을 갖는 챔버를 구비할 수도 있다.
디스크(13B)는 디스크 위치를 추적하는 데 사용하기 위한 디스크 상의 슬롯(143)의 위치만 디스크(13A)와 다르다. 특히, 슬롯(143)은 슬롯(131)이 디스크(13A)의 중앙 구멍(121)으로부터 위치되는 것보다 디스크(13B)의 중앙 구멍(133)으로부터 다소 작은 반경에 위치된다. 본 예에서, 제어 유닛(23)은 레이저 밸브 제어 시스템(51)을 반경방향으로 재위치시킬 필요 없이 추적 기능과 밸브 개방 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제어 유닛(23)은 광(71)을 출력할 때 감소된 또는 최소 전류를 이용하는 저출력 모드로 레이저 밸브 제어 시스템(51)을 위치시켜, 디스크(13B)의 맵을 생성할 수 있다. 감소된 전류는 디스크(12B)의 임의의 밸브를 개방시키기에 충분한 에너지를 생성하기에는 불충분하지만, 슬롯 센서(73)에 의한 검출에는 충분하다. 그 후, 디스크(13B)의 맵을 생성하고 레이저 밸브 제어 시스템을 위치시킨 후에, 제어 유닛(23)은 선택된 밸브, 예컨대 밸브(137)를 개방하기에 충분히 높은 세기의 레이저 광을 생성하기 위해 더 큰 전류를 이용하는 고출력 모드로 레이저 밸브 제어 시스템(51)을 위치시킬 수 있다.
일반적으로, 슬롯(131)(또는 도 9A의 슬롯(143))은 디스크(13B)(또는 디스크(13A)) 상의 임의의 위치에 위치할 수 있다. 일부 실시예에서, 슬롯(143)은 디스크(13B)의 최외측 에지에 또는 그 부근에 위치할 수 있다. 대안적으로, 슬롯(143)은 슬롯(131)보다 중심에 더 가깝게 위치할 수도 있다. 또한, 슬롯(143)의 형태는 직사각형일 필요는 없다. 이러한 형태는 임의의 다각형, 원형, 정사각형, 삼각형, 초승달형 또는 임의의 불규칙한 형태일 수 있다. 또한, 디스크(13B)는 디스크 위치를 결정하기 위해 하나 초과의 슬롯(143)을 포함할 수 있고, 이 다수의 슬롯은 중앙 구멍(133)으로부터의 반경방향 거리, 크기 및 형태가 서로 다를 수 있다.
일반적으로, 디스크(13) 내에 형성된 챔버 및 채널은 덮이거나 덮이지 않을 수도 있다. 일부 실시예에서, 더 많은 챔버 및 밸브가 디스크(13) 내에 포함될 수도 있다. 또한, 챔버들을 연결하는 채널은 곡선 모양이거나 특정 챔버 또는 교차 지점에서 다른 채널과 만날 수도 있다. 디스크(13)가 3차원이므로, 챔버는 서로 다른 평면에 존재할 수 있고 채널은 다양한 깊이를 가질 수 있다.
디스크(13)는 고속으로 회전하기에 적합한 생체 적합성 재료로 구성될 수 있다. 예를 들어, 디스크(13)는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카르보네이트, 폴리우레탄, 또는 몇몇 다른 성형 가능한 중합체로 제조될 수 있다. 디스크(13)는 성형, 층화, 에칭 또는 다른 기술에 의해 구성될 수도 있다. 디스크(13)는 직경이 대략 120 ㎜이며, 다수 용도에 적응하는 복수의 크기를 또한 가질 수 있다. 디스크(13)에 고정된 바코드를 통해 바코드 리더(29)에 의해 판독되는 디스크(13)의 크기는 검출 장치(10) 내로 삽입되자마자 검출될 수 있거나, 아니면 기술자가 이러한 적용예에 사용되고 있는 디스크(13)의 유형을 입력할 수도 있다. 일부 실시예에서, 디스크(13)는 소독될 수 있는 반면에 다른 실시예는 1회 사용하는 소모성 디스크를 이용할 수도 있다.
도 10은 다중 형광 검출 장치(10)의 기능적 블록도이다. 특히, 도 10은 장치의 구성 요소들 사이의 전기 접속부와 이 구성 요소를 통과하는 광의 일반적인 경로를 나타내고 있다. 도 10의 예에서, 장치(10)는 적어도 하나의 프로세서(122) 또는 다른 제어 로직(control logic), 메모리(124), 디스크 모터(126), 광원(30), 여기 필터(34), 렌즈(38), 검출 필터(40), 집광 렌즈(42), 검출기(18), 슬롯 센서 트리거(27), 통신 인터페이스(130), 가열 요소(134), 레이저(136) 및 동력원(132)을 구비한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 렌즈(38) 및 집광 렌즈(42)는 다른 구성 요소에 전기적으로 연결될 필요가 없다. 또한, 광원(30), 필터(34, 40), 렌즈(38) 및 집광 렌즈(42)는 하나의 광학 모듈(16)을 나타낸다. 비록 도 10에는 도시되지 않았지만, 장치(10)는 전술한 바와 같이 추가의 광학 모듈(16)을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 각각의 추가 광학 모듈은 도 10에 도시된 것과 사실상 유사하게 배치된 구성 요소를 구비할 수 있다.
광은 도 10의 몇몇 구성 요소를 통과하는 특정 경로를 따른다. 일단 광이 광원(30)으로부터 발산되면, 이것은 여기 필터(34)로 들어가고 개별 파장의 광으로 나온다. 이어서, 광은 검출 장치(10)를 떠나 (도시되지 않은) 프로세스 챔버 내의 샘플(22)을 여기시키는 렌즈(38)를 통과한다. 샘플(22)은 서로 다른 파장에서 형광을 발함으로써 반응하고, 이때 이 광은 렌즈(38)로 들어가서 검출 필터(40)에 의해 필터링된다. 필터(40)는 샘플(22)로부터의 원하는 형광 범위 바깥의 파장을 갖는 배경광(background light)을 제거한다. 나머지 광은 집광 렌즈(42)를 통해 전송되고 검출기(18)에 의해 검출되기 전에 광섬유 번들(14)의 레그로 들어간다. 이어서, 검출기(18)는 수신된 광 신호를 증폭한다.
프로세서(122), 메모리(124) 및 통신 인터페이스(130)는 제어 유닛(23)의 일부일 수 있다. 프로세서(122)는 필요하다면 형광 정보를 수집하기 위해 디스크(13)를 회전시키거나 디스크(13)를 통해 유체를 이동시키도록 디스크 모터(126)를 제어한다. 프로세서(122)는 회전 중에 디스크(13) 상의 챔버의 위치를 식별하고 디스크로부터 받은 형광 데이터의 획득을 동기화시키기 위해 슬롯 센서 트리거(27)로부터 받은 디스크 위치 정보를 이용할 수 있다.
프로세서(122)는 광학 모듈(16) 내의 광원(30)이 온/오프되는 때를 또한 제어할 수 있다. 일부 실시예에서, 프로세서(122)는 여기 필터(34)와 검출 필터(40)를 제어한다. 조명되는 샘플에 따라, 프로세서(122)는 서로 다른 파장의 여기 광이 샘플에 도달하거나 서로 다른 파장의 형광이 집광 렌즈(42)에 도달할 수 있도록 필터를 변경할 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 또는 둘 모두의 필터는 특정 광학 모듈(16)의 광원(30)에 대해 최적화되어 프로세서(122)에 의해 변경되지 않을 수도 있다.
집광 렌즈(42)는 집광 렌즈로부터 검출기(18)로의 광에 대한 광 경로를 제공하는 광섬유 번들(14)의 하나의 레그에 결합된다. 프로세서(122)는 검출기(18)의 작동을 제어할 수 있다. 검출기(18)가 모든 광을 일정하게 검출할 수 있지만, 일부 실시예는 다른 획득 모드를 이용할 수 있다. 프로세서(122)는 검출기(18)가 데이터를 수집할 때를 결정하고 검출기(18)의 다른 구성 파라미터를 프로그램에 따라 설정할 수 있다. 일 실시예에서, 검출기(18)는 집광 렌즈(42)에 의해 제공되는 광으로부터 형광 정보를 수집하는 광전자 증배관이다. 응답시, 검출기(18)는 수신된 광을 나타내는 출력 신호(128)(예컨대, 아날로그 출력 신호)를 생성한다. 비록 도 10에는 도시되지 않았지만, 검출기(18)는 장치(10)의 다른 광학 모듈(16)로부터 광을 동시에 수신할 수 있다. 이러한 경우, 출력 신호(128)는 다양한 광학 모듈(16)로부터 검출기(18)에 의해 수신된 광 입력의 조합을 전기적으로 나타낸다.
프로세서(122)는 장치(10)로부터의 데이터 흐름을 또한 제어할 수 있다. 검출기(18)로부터의 샘플링된 형광, 가열 요소(134) 및 관련 센서에 의한 샘플의 온도, 및 디스크 회전 정보와 같은 데이터는 분석을 위해 메모리(124)에 저장될 수 있다. 프로세서(122)는 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서(DSP), 특정 용도 집적 회로(ASIC), 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA), 또는 다른 디지털 논리 회로 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다. 더욱이, 프로세서(122)는 메모리(124)와 같은 컴퓨터 판독 가능한 매체 상에 저장된 펌웨어, 소프트웨어 또는 그 조합을 위한 작동 환경을 제공한다.
메모리(124)는 다양한 정보를 저장하기 위해 하나 이상의 메모리를 구비할 수 있다. 예를 들어, 한 메모리는 특정 구성 파라미터, 실행가능한 명령을 포함할 수 있고, 하나는 수집된 데이터를 포함할 수 있다. 따라서, 프로세서(122)는 장치 작동 및 보정을 제어하기 위해 메모리(124) 내에 저장된 데이터를 사용할 수 있다. 메모리(124)는 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독 전용 메모리(ROM), 전기 소거식 프로그램 가능 롬(EEPROM) 또는 플래시 메모리 등에서 임의의 하나 이상의 것을 포함할 수 있다.
프로세서(122)는 가열 요소(134)를 추가적으로 제어할 수 있다. 메모리(124) 내에 보유된 명령에 기초하여, 가열 요소(134)는 선택적으로 구동되어 원하는 가열 프로파일(profile)에 따라 하나 이상의 챔버의 온도를 제어할 수 있다. 일반적으로, 가열 요소는 디스크가 회전함에 따라 디스크(13)의 하나의 반경방향 부분을 가열한다. 가열 요소(134)는 디스크(13) 상의 특정 영역에 가열 에너지를 집중시키기 위해 반사기 및 할로겐 전구를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 가열 요소(134)는 하나 이상의 챔버를 순차적으로 가열할 수 있다. 이러한 실시예는 챔버가 가열되는 동안에 디스크(13)가 움직이지 않을 것을 요한다. 임의의 실시예에서, 가열 요소(134)는 필요하다면 극단적으로 신속하게 온/오프될 수 있다.
레이저(136)는 홀딩 챔버의 내용물이 디스크(13) 상의 다른 챔버, 예컨대 프로세스 챔버로 유동할 수 있게 하는 밸브 개방을 제어하기 위해 사용된다. 프로세서(122) 및 지원 하드웨어는 레이저(136)를 구동하여 디스크(13) 내에 포함된 특정 밸브를 선택적으로 개방한다. 프로세서(122)는 원하는 밸브에 대한 레이저의 위치를 결정하기 위해 디스크(13) 아래의 레이저 센서와 상호 작용한다. 제 위치에 있을 때, 프로세서(122)는 신호를 출력하여 레이저(136)가 밸브로 목표가 정해진 에너지 버스트(burst of energy)를 생성하게 지시한다. 몇몇 경우에, 이 버스트는 대략 0.5초 동안 지속될 수 있는 반면, 다른 실시예는 더 짧거나 긴 지속 시간의 개방 시간을 포함할 수 있다. 레이저 에너지 및 펄스 지속 시간은 레이저(136)와의 통신을 통해 프로세서(122)에 의해 제어될 수 있다.
프로세서(122)는 데이터 획득 시스템(21)과 통신하기 위해 통신 인터페이스(130)를 이용한다. 통신 인터페이스(130)는 데이터 전달을 위한 단일 방법 또는 방법들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 방법은 고속의 데이터 전달 속도를 갖는 하드와이어 접속성(hardwire connectivity)을 위한 IEEE 1394 포트 또는 범용 직렬 버스(USB) 포트를 구비할 수 있다. 일부 실시예에서, 저장 장치는 후처리를 위한 데이터 저장용의 이들 포트들 중 하나에 직접 부착될 수 있다. 데이터는 프로세서(122)에 의해 전처리되고 도시를 위해 준비될 수 있으며, 원시 데이터는 분석이 시작되기 전에 완전히 처리될 필요가 있을 수 있다.
또한, 검출 장치(10)와의 통신은 무선 주파수(RF) 통신 또는 근거리 통신망(LAN) 접속에 의해 달성될 수도 있다. 더욱이, 접속성은 직접 접속에 의해, 또는 유선 또는 무선 통신을 지원할 수 있는 네트워크 액세스 포인트, 예컨대 허브 또는 라우터를 통해 달성될 수 있다. 예를 들어, 검출 장치(10)는 목표 데이터 획득 장치(21)에 의한 수신을 위해 특정 무선 주파수로 데이터를 전송할 수 있다. 데이터 획득 장치(21)는 범용 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 핸드헬드 컴퓨팅 장치 또는 특정 용도의 장치일 수 있다. 또한, 다수의 데이터 획득 장치는 데이터를 동시에 수신할 수 있다. 다른 실시예에서, 데이터 획득 장치(21)가 하나의 통합된 검출 및 획득 시스템으로서 검출 장치(10)와 함께 구비될 수 있다.
또한, 검출 장치(10)는 갱신된 소프트웨어, 펌웨어 및 보정 데이터를 인터넷과 같은 네트워크를 통해 원격 장치로부터 다운로드할 수 있다. 또한, 통신 인터페이스(130)는 프로세서(122)가 임의의 고장을 모니터링할 수 있게 한다. 만약 작동 문제가 발생하면, 프로세서(122)는 작동 데이터를 제공함으로써 사용자가 상기 문제를 진단(trouble shoot)하는 것을 돕기 위해 에러 정보를 출력할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(122)는 사용자가 고장난 가열 요소 또는 동기화 문제를 진단하는 것을 돕기 위해 정보를 제공할 수 있다.
동력원(132)은 작동 동력을 장치(10)의 구성 요소에 전달한다. 동력원(132)은 표준 115 볼트 전기 콘센트(electrical outlet)로부터 전기를 이용하거나 작동 동력을 생성하기 위해 동력 발생 회로 및 배터리를 구비할 수 있다. 일부 실시예에서, 배터리는 긴 작동을 가능하게 하기 위해 재충전될 수 있다. 예를 들어, 장치(10)는 재해 지역과 같은 비상사태(emergency)에서의 생물학적 샘플의 검출을 위해 휴대용일 수 있다. 재충전은 115 볼트 전기 콘센트를 통해 달성될 수 있다. 다른 실시예에서, 전통적인 배터리가 사용될 수 있다.
도 11은 광섬유 번들의 4개의 광섬유에 결합된 단일 검출기(18)의 기능적 블록도이다. 이러한 실시예에서, 검출기(18)는 광전자 증배관이다. 광섬유(14A), 광섬유(14B), 광섬유(14C) 및 광섬유(14D)의 광섬유 번들(14)의 각각의 레그는 검출기(18)의 광 입력 인터페이스(138)에 결합된다. 이러한 방법으로, 광섬유(14) 중 임의의 것에 의해 전달된 광은 검출기(18)의 단일 광 입력 인터페이스(138)에 제공된다. 광 입력 인터페이스(138)는 집합 광(aggregate light)을 전자 증배관(140)으로 제공한다. 애노드(142)는 전자를 모아 출력 신호로서 대응하는 아날로그 신호를 생성한다.
다시 말하면, 도시된 바와 같이 광섬유(14)는 검출기(18)용 입력 광 개구(optical aperture) 내에 끼워진다. 결과적으로, 검출기(18)는 광섬유 번들(14)의 각 레그로부터 광을 동시에 검출하기 위해 사용될 수 있다. 광 입력 인터페이스(138)는 광을 전자 증배관(140)으로 제공한다. 광전자 증배관의 경우, 광섬유로부터의 광자는 먼저 광전자 방출 캐소드에 부딪히고, 이 캐소드는 이어서 광전자를 방출한다. 이어서, 광전자는 일련의 다이노드(dynode)에 부딪힘으로써 단계적으로 행해져서, 광전자가 각 다이노드와의 접촉시 더 많이 방출된다. 얻어진 일 군의 전자는 광섬유(14)에 의해 원래 전송된 작은 광 신호를 본질적으로 증가시켰다. 증가된 개수의 전자는 최종적으로 애노드(142)에 의해 수집된다. 애노드(142)로부터의 이러한 전류는 복수의 광학 모듈(16)에 의해 제공된 샘플로부터의 광학적 형광 신호를 나타내는 아날로그 출력 신호로서 전류-전압 증폭기(144)에 의해 전달된다.
제어 유닛(23)은 아날로그 신호를 샘플링된 디지털 데이터의 스트림, 즉 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털(A/D) 변환기(146)를 구비한다. 프로세서(122)는 전술한 바와 같이 데이터 획득 장치(21)와의 통신을 위해 디지털 신호를 받아 샘플링된 데이터를 메모리(124)에 저장한다. 일부 실시예에서, A/D 변환기(146)는 제어 유닛(23) 대신 검출기(18) 내에 보유될 수 있다.
이러한 방법으로, 단일 검출기(18)는 광섬유 번들(14)로부터 모든 광을 수집하고 수집된 광을 나타내는 신호를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 일단 신호가 증폭기(144)에 의해 증폭되고 디지털 신호로 변환되면, 이 신호는 각각의 개별 광학 모듈(16)에 의해 수집된 광에 대응하는 데이터로 디지털 방식으로 분리될 수 있다. 전체(즉, 집합) 신호는 주파수 범위별로 각각의 형광을 나타내는 각각의 검출된 신호로 분리될 수 있다. 이들 주파수는 데이터 획득 장치(21)에 의해 또는 장치(10) 내에 적용된 디지털 필터에 의해 분리될 수 있다.
다른 실시예에서, 증폭된 신호는 아날로그 필터를 사용하여 주파수별로 분리되고 A/D 변환기(146) 전에 개별 채널로 전송될 수 있다. 이어서, 각 채널은 개별적으로 디지털화되어 데이터 획득 장치로 전송될 수 있다. 각 경우에, 단일 검출기는 각 광학 모듈(16)로부터 모든 형광 정보를 수집할 수 있다. 이어서, 데이터 획득 장치(21)는 디스크(13)의 각 웰(well)로부터 획득된 신호를 다중 검출기를 필요로 하지 않고도 실시간으로 도시(plot)하고 분석할 수 있다.
일부 실시예에서, 검출기(18)는 광전자 증배관이 아닐 수도 있다. 일반적으로, 검출기(18)는 광 전달 기구, 즉 광섬유 번들(14)의 다수의 레그로부터 광을 포착하고 포착된 광의 전달가능한 표시(representation)를 생성할 수 있는 임의의 유형의 아날로그 또는 디지털 검출 장치일 수 있다.
도 12는 다중 형광 검출 장치(10)의 작동을 도시하는 흐름도이다. 처음에, 사용자는 데이터 획득 장치(21) 상에 그리고 제어 유닛(23)과의 인터페이스를 통해 프로그램 파라미터를 명시한다(148). 예를 들어, 이들 파라미터는 디스크(13)를 회전시키기 위한 속도 및 시간을 포함하고, 반응을 위한 온도 프로파일 및 디스크(13) 상의 샘플 위치를 정의할 수 있다.
다음으로, 사용자는 디스크(13)를 검출 장치(10) 내로 로딩한다(150). 장치(10)를 고정하자마자, 사용자는 프로그램을 시작하여(152) 제어 유닛(23)이 명시된 속도로 디스크를 회전시키기 시작하게 한다(154). 디스크가 회전하기 시작한 후, 2개의 동시 공정(concurrent process)이 일어날 수 있다.
먼저, 검출 장치(10)는 하나 이상의 샘플 내의 하나 이상의 반응에 의해 생성되는 여기 광으로부터의 형광을 검출하기 시작한다(156). 검출기(18)는 각 샘플로부터의 형광 신호를 증폭하는데, 이 형광 신호는 각각의 샘플과 형광이 발산되는 시간에 동기화된다(158). 이러한 공정 중에, 프로세서(122)는 수집된 데이터를 메모리(124)에 세이브(save)하고 상기 데이터를 데이터 획득 장치(10)와 실시간으로 통신하여 런(run)의 경과와 추가 처리 과정을 모니터링할 수 있다(160). 대안적으로, 프로세서(122)는 프로그램이 종료될 때까지 장치(10) 내의 데이터를 세이브할 수 있다. 프로세서(122)는 샘플의 형광을 계속 검출하고 프로그램이 종료될 때까지 데이터를 세이브한다(162). 일단 런이 종료되면, 제어 유닛(23)은 디스크가 회전하지 않게 한다(164).
이러한 공정 중에, 제어 유닛(23)은 디스크 온도를 모니터링하고(166), 그 동안 목표 온도를 얻기 위해 디스크 또는 각 샘플 온도를 조절한다(168). 제어 유닛(23)은 프로그램이 종료될 때까지 온도를 계속 모니터링 및 제어한다(170). 일단 런이 종료되면, 제어 유닛(23)은 샘플의 온도를 목표 보관 온도, 통상 섭씨 4도로 유지한다(172).
장치(10)의 작동은 도 12의 예와 다를 수도 있다. 예를 들어, 분당 디스크 회전수는 프로그램 전체에 걸쳐 변경될 수 있고, 레이저(136)는 다수의 반응이 가능하도록 디스크 상의 챔버들 사이의 밸브를 개방하도록 이용될 수 있다. 이들 단계는 사용자가 정의한 프로그램에 따라 작동 중에 임의의 순서로 발생할 수 있다.
도 13은 검출 장치(10)의 레이저 밸브 제어 시스템(51)의 예시적인 작동을 도시하는 흐름도이다. 예시적인 목적을 위해, 도 13은 도 9A의 디스크(13A)에 대해 설명될 것이다.
처음에, 제어 유닛(23)은 감소된 전류를 이용하는 저출력 모드(또한 "목표 모드"(targeting mode)라고도 불림)로 레이저 밸브 제어 시스템(51)을 배치한다(149). 다음으로, 제어 유닛(23)은 디스크(13A)의 회전을 개시하게 한다(151). NIR 센서(73)는 디스크(13A)가 회전함에 따라 슬롯(131)의 에지를 검출하면 제어 유닛(23)으로 트리거 신호를 출력하여, 제어 유닛이 디스크(13A)의 배향과 디스크 상의 밸브의 위치를 장치(10)의 회전하는 플랫폼(25)의 알려진 위치로 정확하게 맵핑할 수 있게 한다(153).
이러한 맵핑 과정을 이용하여, 제어 유닛(23)은 갠트리로 하여금 레이저 밸브 제어 시스템(51)을 중앙 구멍(121)에 대해 밸브(127)의 알려진 위치로 이동시킨다(155). 이어서, 제어 유닛(23)은 개방될 제1 선택 밸브(127)로 디스크(13A)를 회전시킨다(157). 다음으로, 제어 유닛(23)은 레이저 밸브 제어 시스템(51)을 고출력 모드로 배치하고 시스템이 고에너지 레이저 광(71)의 펄스를 생성하여 밸브를 개방하도록 지시한다(159). 추가 밸브가 개방될 필요가 있다면(161), 제어 유닛(23)은 디스크(13A)를 다음 밸브로 회전시키고(157) 이 밸브를 개방한다(159). 모든 밸브가 개방되었다면, 제어 유닛(23)은 디스크(13A)를 회전시켜 유체를, 예컨대 홀딩 챔버(125)로부터 개방 밸브(127)를 통해 프로세스 챔버(129) 내로 이동시킨다(163). 다른 실시예에서, 제어 유닛(23)은 레이저 밸브 제어 시스템(51)이 밸브를 개방하게 지시하면서 디스크(13A)를 연속적으로 회전시킬 수 있다.
마지막으로, 제어 유닛(23)은 갠트리로 하여금 광학 모듈을 프로세스 챔버 위의 반경방향 위치로 이동시키게 하고, 프로세스 챔버 내의 반응으로부터 형광 검출을 시작한다(165). 일부 실시예에서, 홀딩 챔버(125)의 내용물이 프로세스 챔버(129) 내의 제품을 불활성화 또는 안정화시키도록 작용할 수 있다. 이러한 경우, 검출 장치(10)는 신규 샘플을 모니터링할 필요가 없을 수 있다.
도 14A는 디스크 내의 슬롯의 예시적인 도면이다. 도 14A, 도 14B 및 도 14C에 있어서, 디스크(13A)는 장치(10) 내의 예시적인 디스크로서 사용될 것이다. 디스크(13A)는 슬롯(131)을 포함한다. 슬롯(131)은 외측 에지(210), 내측 에지(214), 전방 에지(212) 및 후방 에지(216)를 포함한다. 레이저 밸브 제어 시스템(51)은 각각의 에지를 검출하여 디스크(13A) 위치의 정확한 맵을 제공한다. 거리(D)는 슬롯(131)의 외측 에지 반경방향 위치로부터 뺀 내측 에지 반경방향 위치이다. 각각의 에지(210, 212, 214, 216)는 디스크(13A) 재료와 슬롯(131)으로 설명된 디스크 내의 공극 사이의 검출 가능한 경계를 생성한다. 일부 실시예에서, 슬롯(131)은 임의의 형태 또는 크기의 것일 수 있다.
도 14B는 디스크 내의 슬롯의 내측 및 외측 에지를 검출하기 위한 예시적인 방법을 도시하는 타이밍도이다. 제어 유닛(23)은 레이저 밸브 제어 시스템(51)을 디스크(13)로부터 멀어지게 이동시킨다. 디스크(13A)는 갠트리가 레이저 밸브 제어 시스템을 디스크(13A)의 중심을 향해 이동시키는 동안에 회전한다.
센서(73)는 (도 8의) 레이저 광(71)이 디스크(13A)의 슬롯(131)을 통과할 때만 레이저 광(71)을 검출한다. 센서(73)로부터의 신호(218)는 갠트리가 내측으로 진행하면서 슬롯(131)의 외측 에지(210)가 검출됨에 따라 스파이크(220, spike)에서 변화한다. 신호(218)는 레이저 광(71)이 슬롯(131)을 간헐적으로 통과함에 따라 계속 변조된다. 스파이크(222)는 제어 유닛(23)이 슬롯(131)의 내측 에지(214)로서 표시하는 마지막 신호 변화를 나타낸다. 제어 유닛(23)은 이제 디스크(13) 위치의 맵의 반경방향 성분을 갖는다. 제어 유닛(23)은 레이저 밸브 제어 시스템(51)을 내측 및 외측 에지 반경방향 위치 사이의 중간 정도의 반경방향 위치로 이동시킨다. 이러한 위치는 내측 에지(214)의 반경방향 위치에 거리(D)의 절반을 더한 것이다. 레이저 밸브 제어 시스템(51)을 슬롯(131)의 이러한 위치로 위치시킴으로써, 시스템은 슬롯(131)의 코너, 예컨대 내측 에지(214)와 후방 에지(216) 사이의 코너의 원형화(이는 슬롯의 에지의 각방향 위치에 오차를 발생시킴) 없이도 슬롯(131)의 각방향 위치를 검출할 수 있게 한다. 일부 실시예에서, 디스크(13A)는 슬롯(131)의 내측 및 외측 에지를 검출하기 위해 레이저 밸브 제어 시스템(51)을 위해 회전할 필요가 없을 수 있다.
도 14C는 레이저 밸브 제어 시스템의 홈 위치(home position)를 결정하기 위한 예시적인 방법을 도시하는 타이밍도이다. 레이저 광(71)의 존재를 나타내는 신호(224)는 제어 유닛(23)으로 전달된다. 레이저 밸브 제어 시스템(51)은 디스크(13A) 상에 슬롯(131)의 전방 에지(212) 및 후방 에지(216)를 위치 결정한다.
신호(224)는 디스크(13A)가 움직이지 않음에 따라 일정하게 된다. 일단 디스크(13A)가 시계방향으로 천천히 회전함에 따라, 스파이크(226)는 슬롯(131)의 전방 에지(212)의 각방향 위치를 나타낸다. 레이저 광(71)은 후방 에지(216)가 스파이크(228)로서 검출될 때까지 센서(73)에 의해 검출된다. 제어 유닛(23)은 스파이크(230)가 후방 에지(216)의 존재를 한번 이상 나타낼 때 디스크(13A)를 정지시키고 디스크(13A)를 반시계방향으로 천천히 회전시킨다. 제어 유닛(23)은 이러한 각방향 위치를 각방향 홈 위치로서 저장한다. 레이저 밸브 제어 시스템(51)은 디스크(13A) 상의 밸브 또는 다른 구조의 위치를 결정하기 위해 도 14A로부터의 반경방향 위치와 도 14C로부터의 각방향 위치를 지금 이용한다. 다른 실시예에서, 레이저 밸브 제어 시스템(51)은 디스크(13A)의 효율적인 위치 결정을 위해 전방 에지(212)와 후방 에지(216)를 단지 검출할 수 있다.
일부 실시예에서, 디스크(13A)는 반대 방향으로 회전할 수도 있다. 다른 실시예에서, 도 14B 및 도 14C로부터의 예시적인 신호는 반전(invert)될 수 있고 시간에 따른 신호 강도와 비례 관계에 있을 수 있다. 다른 실시예에서, 레이저 밸브 제어 시스템(51)은 디스크(13A)의 반경방향 위치를 검출하기 전에 먼저 디스크(13A)의 각방향 위치를 검출할 수 있다. 전술한 위치 결정 방법의 순서는 특정 용도, 디스크 또는 기술자 선호도를 수용하기 위해 변경될 수 있다.
도 15는 레이저 밸브 제어 시스템의 홈 위치의 예시적인 결정을 도시하는 흐름도이다. 제어 유닛(23)은 디스크(13)를 회전시키는 것으로 시작한다(232). 디스크(13)의 바깥쪽으로부터, 갠트리는 레이저 밸브 제어 시스템(51)을 디스크(13)의 중심을 향해 이동시킨다(234). 레이저 밸브 제어 시스템(51)은 디스크(13) 내의 슬롯(131)의 외측 에지(210)의 위치를 결정하고 외측 반경방향 위치를 세이브한다(236). 갠트리가 계속 이동함에 따라, 레이저 밸브 제어 시스템(51)은 레이저 광(71)이 센서(73)에 의해 더 이상 검출되지 않을 때 슬롯(131)의 내측 에지(214)의 위치를 결정하고 내측 반경방향 위치를 세이브한다(238). 제어 유닛(23)은 이 2개의 반경방향 위치를 저장하고 디스크(13)의 회전을 중지시킨다(240).
제어 유닛(23)은 반경방향으로 내측 및 외측 반경방향 위치 사이의 바로 중간에 레이저 밸브 제어 시스템(51)을 이동시킨다(242). 제어 유닛(23)은 디스크(13)를 천천히 회전시켜 슬롯(131)의 전방 에지(212) 및 후방 에지(216) 모두를 레이저 밸브 제어 시스템(51)을 지나도록 이동시킨다(244). 일단 후방 에지(216)가 검출되면, 제어 유닛은 디스크(13)를 반대 방향으로 천천히 회전시킨다(246). 슬롯(13)의 후방 에지(216)를 다시 검출하면, 제어 유닛(23)은 후방 에지의 위치를 각방향 제로 위치 또는 각방향 홈 위치로 세이브한다(248). 제어 유닛(23)은 이제 슬롯(131)의 반경방향 및 각방향 위치를 갖고 이 정보를 디스크(13)의 홈 위치로 저장한다(250).
일부 경우에, 슬롯 센서 트리거(27)는 레이저 밸브 제어 시스템(51)과 함께 작용하여 디스크(13) 위치를 정확하게 맵핑한다. 예를 들어, 레이저 밸브 제어 시스템(51)이 고해상의도의 공간적 위치 정보를 제공하는 반면에 슬롯 센서 트리거(27)는 고해상도의 시간적 위치 정보를 제공한다. 양 시스템이 디스크(13)의 동일한 구조를 이용하므로, 협력적인 위치 결정은 보다 정확한 위치 결정 정보를 제공할 수 있다.
예
도 16 및 도 17은 다중 PCR용 장치(10)와 함께 사용될 수 있는 통상 사용되는 형광 염료의 흡수 및 방출 스펙트럼을 도시하는 도면이다. 이러한 예에서, 염료의 흡수 최대치는 480 내지 620 ㎚ 사이로 변하고, 생성된 방출 최대치는 520 내지 670 ㎚ 사이에서 변한다. 도 16의 각 염료에 대한 신호는 FAM 174, Sybr 176, JOE 178, TET 180, HEX 182, ROX 184, Tx Red 186, 및 Cy5 188로 번호가 매겨져 있다. 도 17의 신호는 FAM 190, Sybr 192, TET 194, JOE 196, HEX 198, ROX 200, Tx Red 202, 및 Cy5 204이다. FAM, HEX, JOE, VIC, TET, ROX는 캘리포니아주 노워크(Norwalk, California) 소재의 아펠라(Applera)의 상표명이다. 탐라는 캘리포니아주 새너제이 소재의 아나스펙의 상표명이다. 텍사스 레드는 몰레큘라 프로브즈의 상표명이다. Cy 5는 영국 버킹엄샤이어 소재의 아머샴의 상표명이다.
일 예에서, 96개의 챔버를 갖는 디스크를 표준 PCR 반응 버퍼(buffer) 중에 희석된 서로 다른 농도의 FAM 및 ROX로 채웠다. 각 염료의 4개의 복제물(replicate)을 200 nM FAM 및 2000 nM ROX로 시작하여 2x 희석 시리즈(2x dilution series)로 첨가하였다. 각 샘플 체적은 10 ㎕이었다. 챔버(82)는 5 ㎕의 200 nM FAM과 5 ㎕의 2000 nM ROX의 혼합물을 가졌다. 장치(10)는 염료의 검출을 위한 2개의 광학 모듈(16)을 갖는 2-채널 다중 PCR 검출 장치로서 구성하였다.
제1 광학 모듈(FAM 모듈)은 청색 LED, 475 ㎚ 여기 필터 및 520 ㎚ 검출 필터를 포함하였다. 제2 광학 모듈(ROX 모듈)은 560 ㎚ 여기 필터 및 610 ㎚ 검출 필터와 함께 녹색 LED를 포함하였다. 다른 옵션은 ROX 검출용으로 최적화하기 위해 580 ㎚의 여기 필터와 오렌지색 LED를 포함하는 것일 수 있다.
PCR 분석을 수행하였고, 샘플로부터의 형광 신호를 두 갈래로 분기된(bifurcated) 광섬유 번들로 다중화하였다. 광섬유 번들을 단일 검출기, 구체적으로 광전자 증배관(PMT)과 인터페이스로 접속하였다. 범용 컴퓨터 상에서 실행되는 비쥬얼 베이직 데이터 획득 프로그램과 인터페이스로 접속된 내셔널 인스트루먼츠 데이터 획득(DAQ) 보드에 의해 데이터를 수집하였다. 디스크를 (공칭) 104.7 rad/s (1000 rpm)의 속도로 회전시키면서 데이터를 획득하였다. 샘플에 질문하기 위해 FAM 모듈과 ROX 모듈을 순차적으로 사용하였다. 각 스캔(scan)은 평균 50 회전으로 구성하였다. 2개의 광학 모듈로부터의 원시 데이터는 도 18A 및 도 18B에 도시되어 있다.
도 18A의 그래프는 FAM 모듈 내의 LED에 동력을 공급함으로써 얻었고, 도 18B의 그래프는 ROX 모듈 내의 LED에 동력을 공급함으로써 얻었다.
이러한 분석 중에, 수집된 데이터는 임의로 한번에 서로 다른 챔버에 걸쳐 물리적으로 위치되는 광학 모듈과 관련된 시간 오프셋(time offset)이 있었다는 것을 명백히 나타냈다. 오프셋 값은 특정 챔버, 즉 이러한 경우에서는 챔버(82)에 대하여 광학 모듈(1, 2) 사이의 시간 오프셋을 결정함으로써 계산하였다. 다시 말하면, 시간 오프셋은 동일한 챔버에 대하여 FAM 모듈에 의해 수집된 데이터와 ROX 모듈에 의해 수집된 데이터 사이의 시간 지연량을 나타낸다.
도 19는 각각의 챔버에 대해 오프셋이 감해진 통합 데이터(offset-subtracted integrated data)를 나타내는 그래프이다. FAM은 점선 막대로 나타내고, ROX는 실선 막대로 나타내고, ROX 데이터는 FAM 데이터 위로 배치된다. 이 데이터는 광학 모듈(1) 상의 ROX 염료로부터 아무 신호가 없었고 광학 모듈(2) 상의 FAM 염료로부터 아무 신호가 없었다는 것을 나타냈다. 광학 모듈(1) 상에 보다 높은 배경(background)이 있었고, 이는 최적화된 필터 세트를 이용하여 수정될 수 있다. 기준 노이즈 레벨과 동등한 신호로서 설명되는 검출 한계(LOD)를 결정하기 위해 이 데이터를 분석하였다. 이 기준 노이즈 레벨은 빈 챔버의 10회 스캔의 평균에 표준 편차의 3배를 더한 것으로서 정의하였다.
LOD는 FAM 및 ROX 표준의 농도에 대해 도시된 통합 신호의 선형 최소 자승법(linear least squares fit)에 의해 결정하였다. FAM 및 ROX 모듈의 LOD는 도 20A 및 도 20B에 도시된 바와 같이 각각 1 및 4 nM이 되도록 계산되었다.

Claims (67)

  1. 밸브에 의해 홀딩 챔버가 프로세스 챔버와 분리되어 있는 디스크를 회전시키는 모터; 및
    디스크의 위치를 결정하기 위해 제1 레벨로 그리고 밸브를 개방하여 유체가 홀딩 챔버로부터 프로세스 챔버로 유동할 수 있도록 제2 레벨로 전자기 에너지를 출력하는 에너지원을 포함하는 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    전자기 에너지 검출시 신호를 출력하는 센서, 및
    센서에 결합되며 센서로부터의 신호 수신시 디스크 상의 밸브의 위치를 결정하는 제어 유닛을 추가로 포함하는 검출 장치.
  3. 제2항에 있어서, 디스크는 에너지원으로부터 센서로 전자기 에너지를 통과시키는 슬롯을 구비하는 검출 장치.
  4. 제3항에 있어서, 센서는 디스크 내의 슬롯이 에너지원과 센서 사이에 정렬될 때 에너지원으로부터 전자기 에너지를 검출하는 검출 장치.
  5. 제2항에 있어서, 디스크는 에너지원으로부터 센서로 전자기 에너지를 차단하 는 탭을 구비하는 검출 장치.
  6. 제5항에 있어서, 디스크 상의 탭이 에너지원과 센서 사이에 정렬되지 않을 때 에너지원으로부터 전자기 에너지를 검출하는 검출 장치.
  7. 제3항에 있어서, 디스크 내의 슬롯이 직사각형, 원형, 계란형, 타원형 또는 불규칙한 형태인 검출 장치.
  8. 제3항에 있어서, 슬롯은 직경이 0.5 내지 2 밀리미터인 검출 장치.
  9. 제2항에 있어서, 복수의 밸브를 추가로 포함하고,
    제어 유닛은 센서로부터의 신호 수신시 밸브 위치의 맵을 생성하는 검출 장치.
  10. 제9항에 있어서, 제어 유닛은 사용자에 의해 명시된 하나 이상의 반응에 기초하여 개방을 위한 하나 이상의 밸브를 선택하고 맵에 기초하여 디스크 상의 선택된 밸브로 전자기 에너지를 향하게 하는 검출 장치.
  11. 제10항에 있어서, 전자기 에너지 펄스는 홀딩 챔버와 프로세스 챔버 사이의 유체 연통이 가능하도록 하나 이상의 밸브를 가열하여 개방시키는 검출 장치.
  12. 제1항에 있어서, 에너지원을 디스크 상의 정확한 위치로 정렬시키는 갠트리를 추가로 포함하는 검출 장치.
  13. 제12항에 있어서, 갠트리는 복수의 광학 모듈을 하나 이상의 프로세스 챔버로 정렬시키는 검출 장치.
  14. 제1항에 있어서, 에너지원은 레이저인 검출 장치.
  15. 제14항에 있어서, 레이저는 디스크의 위치를 결정하기 위한 저에너지 근적외선 광과 밸브를 개방하기 위한 고에너지 근적외선 광을 생성하는 검출 장치.
  16. 제1항에 있어서, 프로세스 챔버는 샘플과 복수의 형광 염료를 보유하는 검출 장치.
  17. 제1항에 있어서, 복수의 제거 가능한 광학 모듈을 추가로 포함하고, 각각의 광학 모듈은 별개의 염료에 대해 선택된 광원과 디스크로부터 발산된 형광을 포착하는 렌즈를 갖는 광 채널을 구비하는 검출 장치.
  18. 제17항에 있어서, 에너지원은 복수의 제거 가능한 모듈 중의 하나에 포함되 는 검출 장치.
  19. 제1항에 있어서, 에너지원은
    디스크의 위치를 결정하기 위해 제1 레벨로 전자기 에너지를 출력하는 제1 에너지원; 및
    디스크의 위치를 결정하고 이어서 밸브를 개방하여 유체가 홀딩 챔버로부터 프로세스 챔버로 유동할 수 있도록 제2 레벨로 전자기 에너지를 출력하는 제2 에너지원을 포함하는 검출 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    제1 에너지원으로부터의 전자기 에너지를 검출하는 제1 센서; 및
    제2 에너지원으로부터의 전자기 에너지를 검출하는 제2 센서를 추가로 포함하는 검출 장치.
  21. 제20항에 있어서, 디스크는 디스크가 회전함에 따라 제1 센서에 의해 검출되는 제1 에너지원으로부터의 전자기 에너지의 양 또는 제2 센서에 의해 검출되는 제2 에너지원으로부터의 전자기 에너지의 양을 변화시키는 구조를 구비하는 검출 장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 구조는 디스크에 의해 형성된 슬롯, 탭 또는 반사 재 료인 검출 장치.
  23. 제21항에 있어서, 제1 검출기는 디스크의 위치를 결정하기 위해 디스크가 회전함에 따라 디스크 상의 구조를 검출할 수 있는 검출 장치.
  24. 제21항에 있어서, 제2 검출기는 디스크의 위치를 결정하기 위해 디스크가 회전하고/하거나 제2 에너지원이 디스크에 대해 이동함에 따라 디스크의 구조의 하나 이상의 특징부를 검출할 수 있는 검출 장치.
  25. 제24항에 있어서, 제2 에너지원은 제2 검출기에 의해 결정된 바와 같이 디스크의 위치에 기초하여 밸브를 가열하는 검출 장치.
  26. 제21항에 있어서, 제1 검출기 및 제2 검출기는 디스크의 위치를 협력적으로 맵핑하는 검출 장치.
  27. 데이터 획득 장치; 및
    데이터 획득 장치에 결합된 검출 장치를 포함하며,
    상기 검출 장치는
    밸브에 의해 홀딩 챔버가 프로세스 챔버와 분리되어 있는 디스크를 회전시키는 모터, 및
    디스크의 위치를 결정하고 이어서 밸브를 개방하여 유체가 홀딩 챔버에서 프로세스 챔버로 유동할 수 있도록 전자기 에너지를 출력하는 에너지원을 포함하는 검출 시스템.
  28. 제27항에 있어서,
    전자기 에너지 검출시 신호를 출력하는 센서, 및
    센서에 결합되며 센서로부터의 신호 수신시 디스크 상의 밸브의 위치를 결정하는 제어 유닛을 추가로 포함하는 검출 시스템.
  29. 제28항에 있어서, 디스크는 에너지원으로부터 센서로 전자기 에너지를 통과시키는 슬롯을 구비하는 검출 시스템.
  30. 제29항에 있어서, 센서는 디스크 내의 슬롯이 에너지원과 센서 사이에 정렬될 때 에너지원으로부터 전자기 에너지를 검출하는 검출 시스템.
  31. 제29항에 있어서, 디스크 내의 슬롯이 직사각형, 원형, 계란형, 타원형 또는 불규칙한 형태인 검출 시스템.
  32. 제29항에 있어서, 슬롯은 직경이 0.5 내지 2 밀리미터인 검출 시스템.
  33. 제28항에 있어서, 복수의 밸브를 추가로 포함하고,
    제어 유닛은 센서로부터의 신호 수신시 밸브 위치의 맵을 생성하는 검출 시스템.
  34. 제33항에 있어서, 제어 유닛은 사용자에 의해 명시된 하나 이상의 반응에 기초하여 개방을 위한 하나 이상의 밸브를 선택하고 맵에 기초하여 디스크 상의 선택된 밸브로 전자기 에너지를 향하게 하는 검출 시스템.
  35. 제34항에 있어서, 전자기 에너지 펄스는 홀딩 챔버와 프로세스 챔버 사이의 유체 연통이 가능하도록 하나 이상의 밸브를 가열하여 개방시키는 검출 시스템.
  36. 제27항에 있어서, 에너지원을 디스크 상의 정확한 위치로 정렬시키는 갠트리를 추가로 포함하는 검출 시스템.
  37. 제34항에 있어서, 갠트리는 복수의 광학 모듈을 하나 이상의 프로세스 챔버로 정렬시키는 검출 시스템.
  38. 제27항에 있어서, 에너지원은 레이저인 검출 시스템.
  39. 제38항에 있어서, 레이저는 디스크의 위치를 결정하기 위한 저에너지 근적외 선 광과 밸브를 개방하기 위한 고에너지 근적외선 광을 생성하는 검출 시스템.
  40. 제27항에 있어서, 프로세스 챔버는 샘플과 복수의 형광 염료를 보유하는 검출 시스템.
  41. 제27항에 있어서, 복수의 제거 가능한 광학 모듈을 추가로 포함하고, 각각의 광학 모듈은 상이한 염료에 대해 선택된 광원과 디스크로부터 발산된 형광을 포착하는 렌즈를 갖는 광 채널을 구비하는 검출 시스템.
  42. 제41항에 있어서, 에너지원은 복수의 제거 가능한 모듈 중의 하나에 포함되는 검출 시스템.
  43. 밸브에 의해 홀딩 챔버가 프로세스 챔버와 분리되어 있는 디스크를 회전시키는 단계;
    디스크의 위치를 결정하기 위해 제1 레벨로 전자기 에너지를 발산하는 단계; 및
    밸브를 개방하여 유체가 홀딩 챔버에서 프로세스 챔버로 유동할 수 있도록 제2 레벨로 전자기 에너지를 발산하는 단계를 포함하는 방법.
  44. 제43항에 있어서,
    센서를 이용하여 전자기 에너지를 검출하여 신호를 출력하는 단계; 및
    센서로부터의 신호 수신시 제어 유닛을 이용하여 디스크 상의 밸브의 위치를 결정하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  45. 제44항에 있어서, 디스크는 에너지원으로부터 센서로 전자기 에너지를 통과시키는 슬롯을 구비하는 방법.
  46. 제45항에 있어서, 센서는 디스크 내의 슬롯이 에너지원과 센서 사이에 정렬될 때 에너지원으로부터 전자기 에너지를 검출하는 방법.
  47. 제45항에 있어서, 디스크 내의 슬롯이 직사각형, 원형, 계란형, 타원형 또는 불규칙한 형태인 방법.
  48. 제45항에 있어서, 디스크 상의 밸브의 정확한 위치를 결정하기 위해 슬롯의 에지들을 검출하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  49. 제44항에 있어서, 디스크는 복수의 밸브를 포함하고 제어 유닛은 센서로부터의 신호 수신시 밸브 위치의 맵을 생성하는 방법.
  50. 제49항에 있어서, 사용자에 의해 명시된 하나 이상의 반응에 기초하여 개방 을 위한 하나 이상의 밸브를 선택하고 맵에 기초하여 디스크 상의 선택된 밸브로 전자기 에너지를 향하게 하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  51. 제50항에 있어서, 전자기 에너지 펄스를 생성하여 홀딩 챔버와 프로세스 챔버 사이의 유체 연통이 가능하도록 하나 이상의 밸브를 가열하여 개방시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  52. 제43항에 있어서, 갠트리를 이용하여 에너지원을 디스크 상의 정확한 위치로 정렬시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  53. 제52항에 있어서, 갠트리를 이용하여 복수의 광학 모듈을 하나 이상의 프로세스 챔버로 정렬시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  54. 제43항에 있어서, 전자기 에너지는 레이저에 의해 생성되는 방법.
  55. 제54항에 있어서, 레이저는 디스크의 위치를 결정하기 위한 저에너지 근적외선 광과 밸브를 개방하기 위한 고에너지 근적외선 광을 생성하는 방법.
  56. 제43항에 있어서, 프로세스 챔버는 샘플과 복수의 형광 염료를 보유하는 방법.
  57. 제43항에 있어서,
    복수의 광 빔으로 디스크를 여기시켜 복수의 발산된 형광 빔을 생성하는 단계; 및
    서로 다른 파장을 위하여 광학적으로 구성된 복수의 서로 다른 광학 모듈을 이용하여 형광 빔을 포착하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  58. 제57항에 있어서, 전자기 에너지는 복수의 제거 가능한 모듈 중의 하나에 포함되는 에너지원에 의해 발산되는 방법.
  59. 제43항에 있어서,
    제1 시스템을 이용하여 디스크의 구조의 위치를 검출하는 단계와; 및
    제2 시스템을 이용하여 디스크의 구조 내의 하나 이상의 특징부의 위치를 검출하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  60. 제59항에 있어서, 상기 구조는 디스크에 의해 형성된 슬롯, 탭 또는 반사 재료인 방법.
  61. 제60항에 있어서, 제1 시스템의 센서를 이용하여 제1 레벨의 전자기 에너지를 감지하는 단계를 추가로 포함하며, 제1 레벨의 전자기 에너지는 제1 시스템의 에너지원에 의해 생성되는 방법.
  62. 제61항에 있어서, 전자기 에너지는 적외선 광인 방법.
  63. 제60항에 있어서, 제2 시스템의 센서를 이용하여 제2 레벨의 전자기 에너지를 감지하는 단계를 추가로 포함하며, 제2 레벨의 전자기 에너지는 제2 시스템의 에너지원에 의해 생성되는 방법.
  64. 제63항에 있어서, 전자기 에너지는 레이저 또는 근적외선 광인 방법.
  65. 제59항에 있어서, 제2 시스템은 밸브를 가열하는 방법.
  66. 제59항에 있어서, 제1 시스템 및 제2 시스템은 디스크의 위치를 협력적으로 맵핑하는 방법.
  67. 제43항에 있어서,
    디스크의 구조의 반경방향 위치를 결정하기 위해 디스크를 회전시키면서 전자기 에너지를 발산하는 단계;
    디스크의 구조의 각방향 위치를 결정하기 위해 디스크를 회전시키면서 전자기 에너지를 발산하는 단계; 및
    홀딩 챔버와 프로세스 챔버 사이의 유체 연통이 가능하도록 반경방향 위치와 각방향 위치를 이용하여 전자기 에너지를 밸브로 향하게 하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
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