KR20100050543A

KR20100050543A - 마이크로파티클의 선택적 여기를 위한 장치

Info

Publication number: KR20100050543A
Application number: KR1020107004824A
Authority: KR
Inventors: 스탠리 에스. 홍; 재관 류; 종 범 박
Original assignee: 라이트스피드 지노믹스, 아이엔씨.
Priority date: 2007-08-28
Filing date: 2008-08-15
Publication date: 2010-05-13
Also published as: US20140242683A1; CN101790585B; US9458501B2; US8759077B2; US20090061505A1; CN101790585A; TW200916772A; WO2009032510A1

Abstract

핵산 마이크로파티클은, 하나 이상의 시퀀싱 시약을 사용하여 핵산 마이크로파티클에서 적어도 하나의 시퀀싱 반응을 수행하는 단계, 여기 패턴(excitation pattern)에서 핵산 마이크로파티클을 선택적으로 여기시키는 단계, 개개의 마이크로파티클을 분석하기에 불충분한 해상도에서 핵산 마이크로파티클을 광학적 이미징하는 단계 및 여기 패턴에 대한 정보를 사용하여, 핵산의 시퀀스 정보를 나타내는 적어도 하나의 광학 신호(optical signature)의 존재 또는 부재를 결정하기 위하여 핵산 마이크로파티클의 광학적 이미지를 프로세싱하는 단계를 통하여 시퀀싱된다. 마이크로파티클의 광학적 여기 장치는, 제1 레이저 빔을 이동시키는 광섬유, 및 광섬유에 연결된 방해 패턴 생성 모듈을 포함한다. 방해 패턴 생성 모듈은 제1 레이저 빔을 제2 레이저 빔과 제3 레이저 빔으로 쪼개고, 제2 레이저 빔과 제3 레이저 빔 사이에 방해에 의해 마이크로파티클을 선택적으로 여기시킴으로써 여기 패턴을 생성한다.

Description

마이크로파티클의 선택적 여기를 위한 장치{APPARATUS FOR SELECTIVE EXCITATION OF MICROPARTICLES}

본 발명은, 핵산 시퀀싱(nucleic acid sequencing) 분야, 더욱 구체적으로는, 마이크로파티클의 선택적 여기에 의한 DNA (디옥시리보핵산, deoxyribonucleic acid) 시퀀싱 방법 및 시스템에 관한 것이다.

도 1은 마이크로파티클을 사용한 DNA 시퀀싱의 통상적인 방법을 도시한 것이다. 도 1의 방법은, 마이크로파티클 어레이(102)(microparticle array)로부터 시퀀싱 반응(104)(sequencing reactions), 마이크로파티클의 비선택적 여기(106)(non-selective excitation) 및 광학적 신호 감지(108)(optical signature detection)의 사이클을 통하여 DNA 시퀀스 데이터(112)(sequence data)를 얻는다. 마이크로파티클 어레이(102)에서의 각 마이크로파티클은, 결정이 될 미지의 시퀀스(unknown sequences)와 시퀀싱 반응에 사용된 기지의 시퀀스(known sequences) 모두의 DNA 분자를 전형적으로 포함한다. 이와 같은 마이크로파티클의 수천 내지 수백만(잠재적으로는 수조 이상)은, 마이크로파티클 어레이(102)의 예시를 나타내고 있는 도 2에 개념적으로 나타난 바와 같이, 유리 기판(glass substrate)에 분포(distributed) 및 부동화(immobilized)되어 있다. 마이크로파티클 어레이(102)는, 기판(202)에 분포 및 부동화된 DNA 시퀀싱 마이크로파티클(204)(DNA sequencing microparticles)을 포함한다. 마이크로파티클(204)은 예컨대, 유중수화 에멀젼(water-in-oil emulsion) PCR(중합효소 연쇄 반응;polymerase chain reaction) 기술에 의해 증폭된 DNA 분자들로 덮여진 1-마이크론 직경의 비드(1-micron diameter beads), 브릿지 증폭 기술(bridge amplification technique)에 의해 증폭된 DNA 분자의 클러스터(clusters), 또는 개개의 비증폭 DNA 분자들과 같이 다양한 형태일 수 있다. 마이크로파티클(204)은 기판(202) 상에 랜덤하게(예컨대, 불규칙한 공간으로) 또는 규칙적인 패턴(예컨대 사각 그리드 패턴(square grid pattern) 또는 육각형 그리드 패턴(hexagonal grid pattern)과 같은 규칙적인 공간의 패턴)으로 분포될 수 있다. 기판(202)은 전형적으로 유리로 만들어지고, 플로우 셀(flow cell) 내부에 위치하는데, 이는 마이크로파티클(204)이 일련의 시약이 노출되어 시퀀싱 반응이 수행되도록 한다. 시퀀싱 반응의 각 사이클의 끝에, 각 마이크로파티클은 광학 신호를 발생시키는데, 이는 Cy3, Cy5, 텍사스 레드(Texas Red) 및 FRET(fluorescence resonance energy transfer) 페어과 같은 4 개의 형광물질(fluorophores) 중 하나를 포합(incorporation)한 결과로, 이는 상응하는 DNA의 염기 아데닌(약어로 "a"), 시토신(약어로 "c"), 구아닌(약어로 "g") 및 티민(약어로 "t")이다.

도 3A 내지 3C 는, DNA 시퀀싱에 사용될 수 있는 개개의 시퀀싱 마이크로파티클의 상이한 유형을 도시한다. 도 3A 는, 유중수화 에멀전 PCR 기술(water-in-oil emulsion PCR technique)에 의해 미리 증폭된 클로날 DNA 분자(304)로 덮여진 1-마이크로미터 직경의 비드(302)(1-micrometer diameter bead)에 의해 형성된 개개의 마이크로파티클(204)을 도시한다. 비드(302)는 플루이드(306) 중에 기판(202)에 직접 부착된다. 도 3B 는 기판(202)에 부착되고 플루이드(306)에 위치하는 클로날 DNA 분자(304)의 클러스터인 개개의 마이크로파티클(204)을 도시한다. DNA 분자는 브릿지 증폭 기술(bridge amplification technique)에 의해 미리 증폭된다. 도 3C 는, 기판(202)에 부착되고 플루이드(306)에 위치하는 싱글 DNA 분자(304)인 개개의 마이크로파티클을 도시한다. 싱글 DNA 분자(304)는 증폭 없이 시퀀스된다.

도 1, 및 도 2 및 3A 내지 3C을 참조하면, 마이크로파티클에 의한 DNA 시퀀싱은, 마이크로파티클 어레이(102) 상에서 시퀀싱 반응(104)을 수행하여 각 마이크로파티클(204)이 DNA 시퀀스 정보를 나타내는 광학 신호를 나타내도록 하는 것을 포함한다. 마이크로파티클 어레이(102)는 시퀀싱 시약(sequencing reagents)에 노출되는데, 이는 각 시퀸싱 반응의 사이클을 주로 패러랠한 방법으로 수행되도록 한다. 예컨대, 시퀀싱 반응의 하나의 사이클은, 앵커 프라이머(anchor primers)를 하이브리다이징(hybridizing)하고, 일단의 형광-라벨된 4급 프라이머(a pool of fluorescently-labeled query primers)를 접합하는(ligating) 것을 포함할 수 있다. 시퀀싱 반응(104)의 각 사이클의 끝에, 각 마이크로파티클은 마이크로파티클과 연관이 있는 DNA 시퀀스 정보를 나타내는 광학 신호를 나타낸다. 예컨대, 광학 신호는, DNA(304)의 "a", "c", "g", "t" 염기에 상응하는 4개의 형광 물질 중 하나와의 포합(incorporation)의 결과일 수 있다.

다음 단계는, 마이크로파티클(204)의 광학적 여기(106) 및 마이크로파티클의 광학 신호의 감지(108)이다. 도 4A 내지 4C를 참조하면, 통상적인 광학 여기는 비선택적이다. 이러한 반응(104) 사이클, 비선택적 여기(106) 및 광학 신호 감지(108)은 수회 반복되어 각 마이크로파티클(204)에서 DNA(304)를 시퀀스한다. DNA 시퀀스 데이터(112)는 이러한 과정의 산물이다.

마이크로파티클에 의한 통상적인 DNA 시퀀싱 방법은, 낮은 처리량(throughput, 초당 염기로 측정(measured in bases per second))이 문제였는데, 마이크로파티클의 광학 신호가 감지되는 속도가 제한되기 때문이다. 이는, 주로, 통상적인 DNA 시퀀싱 방법에서와 같이, 통상적인 비선택적 여기 패턴과 이에 이어 광학 마이크로스코피(optical microscopy)를 사용한 광학 이미징의 사용으로 인한 것이다. 도 4A 내지 4C 는, 마이크로파티클을 여기시키는데 사용되는 통상적인 비선택적 여기 패턴 및 광학 마이크로스코피를 사용한 후속적 이미징을 도시한다. 특히, 도 4A는, 기판(202) 상에 마이크로파티클(204)을 사용한 와이드-필드 여기 패턴(402)을 도시하는데, FOV(field of view)에서 모든 마이크로파티클에 빛이 비추어진다. 도 4B 는, 라인-스캐닝 여기(line-scanning excitation)를 도시하는데, 기판(202)을 스캔하는 빛의 선(402)에 의해 마이크로파티클(204)에 빛이 비추어진다. 도 4C는 스팟-스캐닝 여기(spot-scanning excitation)를 도시하는데, 마이크로파티클(204)에 기판(202)을 스캔하는 빛의 스팟(406)에 의해 빛이 비추어진다.

통상적인 비선택적 여기 패턴은, 다양한 방법으로 생성될 수 있다. 와이드-필드 여기 패턴(402)은, 아크 램프 광원(arc lamp source)을 퀄러 에피-일루미네이션 컨피규레이션(Kohler epi-illumination configuration)에서 마이크로스코프 광학 트레인(microscope optical train)을 통하여 포커싱(focusing)함으로써, 또는 오프-액시스(off-axis) 또는 내부전반사(TIR;total internal reflection) 일루미네이션 컨피규레이션에서 스팁 앵글(steep angle)로 레이저 광원을 비춤으로써 전형적으로 발생된다. 라인-스캐닝 여기 패턴(404)은, 마이크로스코프 광학 트레인을 통하여 공간적으로-간섭하는(spatially-coherent) 레이저를 포커싱하고, 스캐닝 엘리먼트를 포합(incorporating)함으로써 전형적으로 생성된다. 스팟-스캐닝 여기 패턴(406)은, 공초점 컨피규레이션(confocal configuration)에서 마이크로스코프 광학 트레인을 통하여 공간적으로-합치되는 레이저를 포커싱함으로써 전형적으로 생성된다.

상기와 같은 통상적인 DNA 시퀀싱 방법에 있어서, 마이크로파티클 광학 신호의 감지는, 도 4A 내지 4C에 나타난 바와 같이 비선택적 여기 패턴으로 빛을 발하는 마이크로파티클의 광학-마이크로스코프 이미징을 수행함으로써 전형적으로 수행된다. 이러한 접근의 속도는, 몇 가지 이유로 기본적으로 제한된다. 우선, 광학적 마이크로스코프(optical microscope)의 FOV(field of view)는, 기본적으로 해상도(resolution)와 관련이 있는데, 즉 해상도가 높을 수록, FOV는 작아진다. 이와 유사하게, 광학적 마이크로스코프의 DOF(depth of field)는, 기본적으로 해상도와 관련이 있으며, 즉, 해상도가 높아질수록 DOF는 작아진다. 통상적인 시퀀싱 방법을 사용한 마이크로파티클의 분석에 고-해상도 광학 마이크로스코프가 필요하기 때문에, FOV 및 DOF는 상대적으로 작다. 결과적으로, 마이크로파티클 기판의 이미징에는, 타일처럼 슬라이드를 집합적으로 덮는 수백 내지 수천의 작은 이미지들의 획득이 필요하다. 광학적 마이크로스코프가 연속적인 데이터를 얻을 수 없는 시간 동안에는, 각 이미지들 사이에는, 기판 또는 광학적 마이크로스코프는 마이크로스코프 목적물에 대하여 번역 및 정밀하게 포커스되어야 한다. 둘째로, 마이크로파티클 슬라이드의 고-해상도 이미지는, 마이크로파티클에 포함된 시퀀스 정보를 매우 부족하게 나타낸다. 예컨대, 마이크로파티클 슬라이드의 전형적인 고해상도 이미지에 있어서, 이미지의 픽셀 수는 이미지의 마이크로파티클의 수를 크게 초과한다. 그러나, 각 마이크로파티클이 4 개의 광학 신호 중 오직 하나만을 나타낸다고 가정하였을 때, 각 마이크로파티클은 2 비트의 시퀀스 정보를 전달한다. 결과적으로, 통상적인 시퀀싱 방법에 따르면, 시퀀스 정보를 생성하는데 필요한 것 보다 수 천배의 데이터를 얻게 된다.

따라서, 더욱 효율적이고, 빠르며, 편리한 핵산 시퀀싱 방법이 필요하였다.

더욱 효율적이고, 빠르며, 편리한 핵산 시퀀싱 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예는, 핵산 마이크로파티클의 선택적 여기 및 이미지 프로세싱 알고리즘을 사용함으로써 마이크로파티클의 광학적 신호를 추출함으로써, 빠른 속도로 DNA 또는 RNA(리보핵산)과 같은 핵산의 시퀀싱 방법을 포함한다. 본 명세서에서 "핵산"이라는 용어는 DNA와 RNA를 모두 포함한다. 본 발명의 장점은, 비교적 저해상도의 광학적 마이크로스코프로 선택적으로 여기된 마이크로파티클을 이미지할 수 있다는 점인데, 이는 마이크로파티클 광학적 신호의 감지가 극히 큰 FOV(field of view) 및 DOF(depth of field)로 수행되도록 한다. 본 발명의 또 다른 장점은, 선택적 여기된 마이크로파티클의 상대적인 저해상도가 비선택적으로 여기된 마이크로파티클의 고해상도 이미지에 비해서 시퀀스 정보의 데이터 구현(data representation)에 더욱 유리하다는 점이며, 시퀀싱을 통해 구한 데이터의 양은 크게 감소될 수 있다.

일 실시예로, 핵산 마이크로파티클의 시퀀싱 방법은, 하나 이상의 시퀀싱 시약을 사용하여 핵산 마이크로파티클에 시퀀싱 반응을 수행하는 단계, 여기 패턴에서 핵산 마이크로파티클을 선택적으로 여기시키는 단계, 개개의 마이크로파티클을 분석하기에 불충분한 해상도에서 여기된 핵산 마이크로파티클을 광학적으로 이미징하는 단계, 및 적어도 하나의 광학적 신호(optical signature)의 존재 또는 부재를 결정하기 위하여 여기 패턴에 대한 정보를 사용하여, 여기된 핵산 마이크로파티클의 광학적 이미지를 프로세싱하는 단계를 포함한다. 광학적 신호의 존재 또는 부재는 핵산의 시퀀스 정보를 나타낸다. 여기된 핵산 마이크로파티클의 이미지를 개개의 마이크로파티클을 분석하기에 불충분한 해상도에서 수득하지만, 핵산 마이크로파티클의 선택적 여기는 개개의 마이크로파티클을 분석하기에 충분한 해상도에서 수행된다. 시퀀싱 반응, 선택적 여기, 및 이미지 프로세싱 단계는 시퀀싱을 완성하기 위하여 동일 또는 상이한 시약을 사용하여 반복될 수 있다.

일 실시예로, 핵산 마이크로파티클의 광학적 여기 장치는, 제1 레이저 빔을 생성하기 위한 레이저(laser for generating a first laser beam), 제1 레이저 빔을 받도록 연결되는 광섬유(optical fiber coupled to receive the first laser beam), 제1 광섬유와 연결되고 광섬유를 통해 전달되는 제1 레이저 빔을 수신하기 위한 방해 패턴 생성 모듈(interference pattern generation module)을 포함하는데, 방해 패턴 생성 모듈은 제1 레이저 빔을 제2 레이저 빔과 제3 레이저 빔으로 쪼개고, 제2 레이저 빔과 제3 레이저 빔 사이의 방해에 의해 타겟을 선택적으로 여기하기 위하여 여기 패턴을 생성한다.

방해 패턴 생성 모듈은 제1 레이저 빔을 제2 레이저 빔과 제3 레이저 빔으로 쪼개기 위한 빔 스플리터(beam splitter)와, 제3 레이저 빔의 광학적 경로-길이를 변화시키는 범위에서 움직일 수 있고, 제3 레이저 빔을 반사하는 미러를 포함할 수 있다. 또한, 방해 패턴 생성 모듈은 제1 레이저 빔을 제2 레이저 빔과 제3 레이저 빔으로 쪼개기 위한 빔 스플리터(beam splitter)와, 제3 레이저 빔과 연결되고 제3 레이저 빔의 광학적 상을 조절하도록 회전되는 창문(window)을 포함할 수 있다.

본 발명의 핵산 시퀀싱 방법은, 적어도 두 가지 이유에서 빠르고 효율적이다. 첫째로, 마이크로파티클 광학적 신호의 감지를 위한 FOV 및 DOF가 증가되기 때문에, 스캐닝 및 포커싱에 필요한 기계적 움직임이 크게 감소된다. 둘째로, 시퀀싱에 요구되는 수득된 데이터의 양이 감소되기 때문에(개개의 마이크로파티클을 분석하기에 불충분한 저해상도 이미지의 사용으로, 광학 이미지의 프로세싱에서 여기 패턴에 대한 정보를 사용하게 됨), 시퀀싱에 요구되는 시간이 크게 감소된다.

본 명세서에 기재된 특성 및 장점들은 모두 포함된 것은 아니며, 특히 많은 부가적인 특성 및 장점이 도면,명세서, 및 청구항을 통하여 당업자에게 명백하게 될 것이다. 더구나, 본 명세서에 사용된 용어는 가독가능하고 지시적인 목적으로 원칙적으로 선택되었으며 본 발명을 제한하기 위하여 선택된 것은 아니다.

본 발명의 핵산 시퀀싱 방법은, 빠르고 효율적인 시퀀싱 방법을 제공한다.

본 발명의 구체예는 하기 도면을 통하여 더욱 이해될 수 있다.
도 1은 마이크로파티클에 의한 통상적인 DNA 시퀀싱 방법을 도시한 것이다.
도 2는 마이크로파티클 어레이의 예를 도시한 것이다.
도 3A, 3B, 및 3C은 DNA 시퀀싱에 사용될 수 있는 개개의 시퀀싱 마이크로파티클의 상이한 유형을 도시한 것이다.
도 4A, 4B, 및 4C은 마이크로파티클을 여기시키는 데 사용되는 통상적인 비선택적 여기 패턴을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조적 일루미네이션(structured illumination)을 사용한 마이크로파티클의 선택적 여기에 의한 핵산(예컨대 DNA 또는 RNA) 시퀀싱 방법을 도시한 것이다.
도 6A, 6B, 및 6C은 본 발명의 일 실시예에 따른, 마이크로파티클이 여기 패턴 시퀀스에 의해 선택적으로 여기되는 것을 도시한 것이다.
도 7A 는 본 발명에 따른 마이크로파티클의 선택적 여기를 위한 구조적 일루미네이션 장치(structured illumination apparatus)를 도시한 것이다.
도 7B 는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른, 도 7A의 구조적 일루미네이션 장치로 사용될 수 있는 방해 패턴 생성 모듈(interference pattern generation module)의 상이한 유형을 도시한 것이다.
도 7C, 7D, 및 7E 는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 7A 또는 도 7B의 구조적 일루미네이션 장치로부터의 빔이 플루이드로 연결되어 마이크로파티클에 빛을 비추는 것을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, DNA 시퀀싱에 있어서 도 5의 이미지 프로세싱을 더욱 상세하게 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른, 감지된 광학적 패턴의 마이크로파티클 형광물질 분포 함수의 결과물 및 여기 패턴으로서 모델링을 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른, 프리퀀시 도메인에 있어서의 샘플링 패턴과 여기 패턴을 생성하는데 사용되는 레이저 빔의 기하학 사이의 관계를 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른, 각 마이크로파티클에 있어서 DNA 염기쌍의 규명 과정을 개념적으로 도시한 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 5에 나타난 구조적 일루미네이션 장치를 캘리브레이팅하는 과정을 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른, 마이크로파티클의 선택적 여기에 의해 DNA 시퀀싱에 사용된 하드웨어 시스템을 도시한 것이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 13의 시퀀싱 하드웨어를 위한 컨트롤 시스템 설계를 도시한 것이다.

도면들 및 하기 기재는 본 발명의 예시에 불과하다. 하기 기재들로부터, 기재된 구조 및 방법에 있어서 대체될 수 있는 구체예가 본 발명에서 청구하고 있는 원칙에 따라 다양하게 채용될 수 있다.

본 발명의 구체예, 첨부된 도면으로 예시되는 실시예를 개시한다. 실행가능한 유사 또는 동일한 참조 번호가 도면에서 사용되었고 이들은 유사 또는 동일한 기능을 나타낸다. 본 발명에서의 구체예를 나타내는 도면은 예시의 목적으로만 기재된 것이다. 당업자는 본 명세서에 기재된 구조 및 방법의 구체예가 본 발명의 원칙의 범주 내에서 대체 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

도 5는 구조적 일루미네이션(structured illumination)을 사용한 마이크로파티클의 선택적 여기에 의한 핵산(예컨대 DNA 또는 RNA) 시퀀싱 방법을 도시한 것이다. DNA 시퀀싱 기재에 있어서 핵산 시퀀싱 방법을 개시하고 있으나, "시퀀싱(sequencing)"이라는 용어의 사용은 본 발명의 범주를 DNA 시퀀싱에 한정하려는 것은 아니며, 본 명세서에서 "시퀀싱"은 RNA 시퀀싱과 다른 유형의 핵산 시퀀싱을 포함한다. 본 명세서에서 "시퀀싱" 또는 "시퀀스"는, 예컨대 싱글 뉴클레오타이드 폴리몰피즘(SNPs; single nucleotide polymorphisms), 유전자 복제 수 변형(gene copy number variations), 단일 염기 복제(single base duplications), 인버전(inversions), 삽입(insertions) 및 결손(deletions)과 같은 모든 시퀀스 변형(sequence variations)을 의미하며, 또한, 상기 시퀀싱의 적용, 예컨대 지노타이핑(genotyping), 유전자 발현 분석(gene expression analysis), 및 의학적 적용을 의미한다.

DNA 에 있어서 마이크로파티클 어레이(502)는 시퀀싱 반응(504) 사이클에 도입된다. 시퀀싱 반응(504)은 마이크로파티클을 일련의 시약에 노출시키고, 마이크로파티클을 일련의 온도에서 인큐베이팅하는 것을 포함한다. 시퀀싱 반응 사이클의 최종-생성물로서, 각 마이크로파티클은 마이크로파티클과 연관된 시퀀스 정보를 나타내는 광학적 신호를 나타낸다. 광학적 신호는 형광 염색(fluorescent dyes), 콜로이달 골드(colloidal gold) 및 퀀텀 닷츠(quantum dots)와 같은 광학적으로 감지가능한 라벨 하나 이상과 포합(incorporation)하게 된 결과일 수 있다. 예컨대, 각 시퀀싱 반응(504)은 광학적 신호가 DNA(304)의 "a", "c", "g" 및 "t"염기들에 상응하는 4개의 형광물질(fluorophores) 중 하나에 포합(incorporation)된 결과인 것으로 디자인될 수 있다. 마이크로파티클은 도 3A 내지 3C에서 나타난 타입들 중 하나이거나 DNA 시퀀싱에 적합한 다른 타입일 수 있음을 주의한다. 또한, 수 개의 부가적이고 통상적인 단계가 수행되어 DNA 샘플로부터의 DNA로 마이크로파티클 어레이를 준비할 수 있는데, 이는 본 발명에 기재되어 있지 않다.

통상적인 DNA 시퀀싱 방법과는 반대로, 도 6A 내지 6C에서 설명될 바와 같이 마이크로파티클(204)은 선택적 여기 패턴으로 선택적으로 여기(506)된다. 선택적으로 여기된 마이크로파티클 어레이는 광학적 마이크로스코프를 사용하여 이미지(508)된다. 이어서, 현재 선택적인 여기 패턴이 적용하기에 최종의 패턴인지를 결정(510)하게 된다. 만약, 최종 패턴이 아니라면, 여기 패턴은 변화되고(512), 여기-및-이미지 사이클(506, 508, 510)이 반복된다.

도 6A 내지 6C는 506, 508, 510 단계에서 여기-및-이미지 사이클(excite-and-image cycle)에서 보여준 일련의 여기 패턴에 의해 마이크로파티클이 어떻게 선택적으로 여기되는지를 도시한다. 도 6A를 참조하면, 선택적 여기 패턴(602)은 시간 N에서 마이크로파티클(204)에서 생성된다. 도 6B를 참조하면, 또다른 선택적 여기 패턴(604)이 시간 N+1에서 마이크로파티클(204)에서 생성된다. 도 6C를 참조하면, 여전히 또 다른 선택적 여기 패턴(606)이 시간 N+2에서 마이크로파티클(204)에서 생성된다.

선택적 여기 패턴(602, 604, 606)은 적지 않은 패턴 시퀀스(non-trivial sequence of patterns)에서 마이크로파티클(204)을 여기시킨다는 점에서 "선택적"이라는 점을 주의한다. 반대로, 도 4A 내지 4C에서 나타난 통상적인 여기 패턴은 공간 및/또는 시간의 함수로 구역(region)의 이미지(즉, 사진적 복제(photographic replica))를 생성할 목적으로 작은 패턴(trivial pattern)에서 공간의 구역(region of space)을 구별 없이 여기시킨다. 예컨대, 도 4A의 와이드-필드 스캐닝 여기(wide-field scanning excitation)에 의하면, 2차원적 공간의 함수로서 구역의 이미지를 생성하게 된다. 도 4B의 라인-스캐닝 여기(line-scanning excitation)는 공간에 대한 일차원 및 시간에 대한 일차원 함수로서 구역의 이미지를 생성한다. 도 4C의 스팟-스캐닝 여기(spot-scanning excitation)는 시간에 대한 이차원 함수로 구역의 이미지를 생성한다. 다시 말하면, 통상적인 여기는, 마이크로파티클(502)의 사진적 복제(photographic replica)인 단일 고해상도 이미지(single high-resolution image)를 생성하기 위하여 사용된다. 반대로, 본 발명에 따른 선택적인 여기는, 마이크로파티클 어레이(502)의 일련의 저-해상도 이미지를 생성하는데 사용되는 것으로, 상기 저-해상도 이미지는 마이크로파티클 어레이(502)의 사진적 복제가 아니고; 그 대신 선택적 여기는 일련의 저해상도 이미지(개개의 마이크로파티클(204)를 분석하기에 충분하지 않은 해상도)의 시퀀스 정보를 인코드하며, 상기 이미지들은 선택적 여기 패턴 기술을 사용하여 시퀀스 정보를 디코드한다. 또한, 통상적인 여기의 사용은 작은 여기 패턴, 예컨대 사각형(402), 선(404) 또는 원(406)dmf 단순히 번역하는 것에 불과하다. 반대로, 본 발명에 따른 선택적 여기의 사용은, 보다 복잡한 패턴 변화, 예컨대 피쳐 사이즈(feature size) 및/또는 오리엔테이션, 및 더욱 복잡한 패턴의 사용을 수반한다.

도 7A 내지 7B와 관련하여 설명하겠지만, 구체예에서 선택적 여기 패턴(602, 604, 606)은 구조적 일루미네이션용 합성 구경 광학 장치(synthetic aperture optics apparatus)에 의해 생성된다(패턴화된 여기(patterned excitation) 또는 스탠딩 웨이브 여기(standing wave excitation)라고도 한다). 선택적 여기 패턴(602, 604, 606)은, 마이크로파티클 어레이(502)에 최적화되도록 생성된다. 예컨대, 도 10에서 설명하겠으나, 선택적 여기 패턴(602, 604, 606)은 프리퀀시 도메인(frequency domain)에서 샘플의 분포를 결정한다. 프리퀀시 도메인에서 샘플의 분포 정도는, 마이크로파티클 어레이의 피쳐 사이즈(608)와 일치한다. 핵산 마이크로파티클(204)의 선택적 여기는 개개의 마이크로파티클을 분석하기에 충분한 해상도에서 수행된다. 예컨대, 다른 다양한 일루미네이션 피리어드(illumination periods)가 다른 실시예에서 사용될 수 있지만, 마이크로파티클 센터(204) 사이에서 공간의 두 배인 기간에서의 사이 곡선 일루미네이션(sine wave illumination)은, 선택적 여기 패턴(602, 604, 606)을 생성하는데 사용될 수 있다.

또한, 여기 패턴의 시퀀스 및 수는, 상대적으로 저해상도인 이미지의 여기된 마이크로파티클 어레이(502)가 마이크로파티클(204)의 광학적 신호를 유효하면서 완전하고 정확하게 생성하고, 이에 상응하게 마이크로파티클 어레이(502)에 있어서의 시퀀스 정보를 생성하도록 디자인 될 수 있다. 예컨대, 도 10에서 설명하겠으나, 선택적 여기 패턴(602, 604, 606)은 프리퀀시 도메인에서 샘플의 분포를 결정한다. 프리퀀시 도메인에서 샘플의 수는 마이크로파티클 어레이(502)의 광학적 신호의 피쳐 밀도(feature density)와 일치한다.

다시 도 5를 참조하면, 최종 여기-및-이미지 사이클이 최종 여기 패턴(510)에서 완성된 후에, 현재 FOV가 마이크로파티클 어레이(502)에 있어서 최종 FOV인지 여부를 결정한다.현재 FOV가 최종 FOV가 아닌 경우에는, 마이크로파티클 어레이(502)는 다음 FOV로 번역(상태 이동)(516)되어, 여기-및-이미지 사이클 단계(506, 508, 510, 512)가 다음 FOV에서 반복된다. 예컨대, 마이크로파티클 어레이(502)는 이동되어(516) 마이크로파티클 어레이(502)의 다른 FOV로 노출된다. 달리 말하면, 선택적 여기 패턴을 생성하는 구조적 일루미네이션 장치는 마이크로파티클 어레이(502)의 다른 FOV를 노출시키기 위하여 이동될 수 있다.

전체 마이크로파티클 어레이(502)가 이미지화된 후에(즉, 514단계에서 최종 FOV 후에), 마이크로파티클 어레이가 또다른 시퀀싱 반응 사이클에 도입될지 여부를 결정한다(518). 현재 반응(504)이 최종 반응이 아니라면, 새로운 시퀀싱 반응(504) 사이클을 동일 또는 상이한 시퀀싱 시약으로 수행하고, 이어서 단계 506 내지 518을 반복한다. 최종 시퀀싱-반응 사이클(518) 후에, 이미지 프로세싱(520)을 마이크로파티클 어레이(502)의 광학적 신호 데이터에서 수행하여 마이크로파티클 어레이(502)에서 DNA 분자에 포함되어 있는 시퀀스 데이터(522)를 추출한다.

도 7A는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파티클의 선택적 여기를 위한 합성 구경 광학 구조적 일루미네이션 장치(synthetic aperture optics structured illumination apparatus)를 도시한 것이다. 높은 수준에서 구조적 일루미네이션 장치는 다중 상호-간섭 레이저 빔(multiple mutually-coherent laser beams)를 생성하고, 이들의 방해는 방해 패턴(interference patterns)을 생성한다. 이러한 방해 패턴은 마이크로파티클 어레이(502)에 투영되어 선택적으로 마이크로파티클(204)을 여기시킨다. 방해 패턴을 생성하는 다중 레이저 빔(multiple laser beams)의 방해를 사용하는 것은 여러가지 이유에서 유리한 점이 있다. 예컨대, 이는 매우 큰 FOV 및 DOF를 나타내는 고-해상도 여기 패턴이 가능하게 된다. 도 7A (및 도 7B)의 구조적 일루미네이션 장치가 마이크로파티클 어레이(502)에 대한 여기 패턴 생성의 예로서 기재되어 있지만, 도 7A (및 도 7B)의 구조적 일루미네이션 장치는 다른 유형의 타겟에 있어서 여기 패턴을 생성하는 다른 타입의 적용으로 사용될 수 있다.

도 7A를 참조하면, 구조적 일루미네이션 장치(700)은, 레이저(702), 빔 스플리터(704), 셔터(705, 707), 섬유 커플러(708, 709), 한 쌍의 광섬유(710, 711) 및 한 쌍의 방해 패턴 생성 모듈(712, 713)을 포함한다. 레이저(702)의 빔(703)은 빔 스플리터(704)에 의해 두 개의 빔(740, 742)로 쪼개진다. 고속 셔터(705, 707)는 각각의 빔(740, 742)을 "온" 또는 "오프" 각각으로 바꾸는데 사용되거나, 각 빔(740, 742)의 진폭(amplitude)을 조절하는데 사용된다. 이와 같이 스위치되는 레이저 빔은 섬유 커플러(709, 708)(fiber couplers)를 경유하여 한 쌍의 극성-유지 광섬유(711, 710)(polarization-maintaining optical fibers)로 커플링된다. 각각의 섬유(711, 710)는 상응하는 방해 패턴 생성 모듈(713, 712)로 연결된다. 방해 패턴 생성 모듈(713)은 콜리메이팅 렌즈(714'), 빔 스플리터(716'), 및 트랜스레이팅 미러(718')를 포함하고, 이와 마찬가지로 방해 패턴 생성 모듈(712)은 콜리메이팅 렌즈(714), 빔 스플리터(716), 및 트랜스레이팅 미러(718)를 포함한다.

광섬유(710)로부터의 빔(744)은, 콜리메이팅 렌즈(714)에 의해 평행하게 되고, 빔 스플리터(716)에 의해 두 개의 빔(724, 726)으로 쪼개진다. 미러(718)는 액츄에이터(720)에 의해 바뀌어 빔(726)의 광학적 경로-길이(path-length)를 변화시킨다. 따라서, 기판(202) 상의 두 개의 레이저 빔(724, 726) 사이에서 겹치는 구역에서 빔(726)의 광학적 경로-길이(path-length)를 변화시킴에 따라 변화되는 패턴을 갖는 방해 패턴(722)이 생성된다(즉, 트랜스레이팅 미러(718)의 사용에 의해 빔(726)의 광학적 상이 조절됨으로써).

유사하게, 광섬유(711)로부터의 빔(746)은 콜리메이팅 렌즈(714')에 의해 평행하게 되고, 빔 스플리터(716')에 의해 두 개의 빔(728, 730)으로 쪼개진다. 미러(718')는 액츄에이터(720')에 의해 바뀌어 빔(728)의 광학적 경로-길이(path-length)를 변화시킨다. 따라서, 기판(202) 상의 두 개의 레이저 빔(728, 730) 사이에서 겹치는 구역에서 빔(728)의 광학적 경로-길이(path-length)를 변화시킴에 따라 변화되는 패턴을 갖는 방해 패턴(722)이 생성된다(즉, 트랜스레이팅 미러(718)의 사용에 의해 빔(728)의 광학적 상이 조절됨으로써). 실제적으로, 방해 패턴(722)은 4개의 레이저 빔(726, 724, 728, 730) 사이에서 겹치는 구역에서 기판(202) 상에 생성된다. 일 실시예로, 사인 곡선형(sinusoidal) 방해 패턴의 생성에 있어서, 두 개의 상(0 및 90도) 또는 세 개의 상(0, 120, 및 240도)만이 사용되고 마이크로파티클의 선택적 여기에 충분하다.

도 7A에 도시되어 있는 이러한 이행은 이의 단순함으로 인해 사용되는 반면, 다른 다양한 접근이 본 발명의 범주에서 사용될 수 있다. 예컨대, 광학적 진폭 및 상에 더하여, 또는 이에 대신하여, 하나 이상의 빔(724, 726, 728, 730)의 진폭(amplitude), 분극화(polarization), 방향(direction) 및 파장(wavelength)이 패턴(722)의 여기를 변화시키도록 조절할 수 있다. 또한, 구조적 일루미네이션은 마이크로파티클 어레이의 관점에서 여기 패턴을 변화시키도록 단순히 바뀔 수 있다. 이와 유사하게, 마이크로파티클 어레이는, 구조적 일루미네이션의 관점에서 여기 패턴을 변화시키도록 바뀔 수 있다. 또한, 광학적 모듈레이터(optical modulators)의 다양한 유형이 어쿠스토-옵틱 모듈레이터(acousto-optic modulators), 일렉트로-옵틱 모듈레이터(electro-optic modulators) 및 마이크로-일렉트로-미케니컬 시스템 모듈레이터(MEMS modulators; micro-electro-mechanical systems modulators)와 같은 트랜스레이팅 미러(718, 718')에 더하여 또는 이에 대신하여 사용될 수 있다. 또한, 도 7A(및 도 7B)의 구조적 일루미네이션 장치가 간섭 일렉트로-마그네틱 라디에이션(coherent electro-magnetic radiation)에 있어서의 일루미네이션 소스(illumination source)로 레이저(702)를 사용하는 것으로 기재되어 있으나, 예컨대 SLD(super-luminescent diode)와 같은 간섭 일렉트로-마그네틱 라디에이션 소스의 다른 유형들이 레이저(702)에 대신하여 사용될 수 있다.

또한, 도 7A 에 방해 패턴(722)을 생성하는데 4 개의 빔(724, 726, 728, 730)을 사용함을 예시하고 있으나, 대다수의 레이저 빔이 2 이상의 빔으로 광원 레이저 빔을 쪼개는 데 사용될 수 있다. 예컨대, 64 개의 빔이 방해 패턴(722)을 생성하는 데 사용될 수 있다. 또한, 빔 컴비네이션(beam combinations)은 페어-와이즈 컴비네이션(pair-wise combinations)을 제한하는데 사용될 필요가 없다. 예컨대, 세 개의 빔(724, 726, 728) 또는 세 개의 빔(724, 726, 730), 또는 세 개의 빔(724, 728, 730) 또는 세 개의 빔(726, 729, 730) 또는 모든 네 개의 빔(724, 726, 728, 730)이 방해 패턴(722)을 생성하는데 사용될 수 있다. 전형적으로, 빔 컴비네이션의 최소 세트가 속도를 최대화하기 위하여 선택된다. 일 실시예에서, 빔 컴비네이션의 수는 마이크로파티클 어레이(502)에서 미지의 정보의 양과 일치한다. 예컨대, 일단 마이크로파티클 어레이(502)에서 마이크로파티클의 위치를 알게 되면, 마이크로파티클의 광학적 신호, 이어서 시퀀스 정보를 여기 패턴의 상대적으로 작은 수를 사용하여 결정할 수 있다. 또한, 빔은 평형화(collimated), 수렴(converging) 또는 분산(diverging)될 수 있다. 도 7A 및 7B의 특정 실시예와 상이하고 다른 적용이기는 하지만, 다중 빔 페어(multiple beam pairs)를 이용한 방해 패턴의 생성에 있어서의 부가적인 일반적인 배경 정보는 하기를 통하여 얻을 수 있으며; (i) 미국 특허 제 6,016,196호, 2000.1.18 발행, Mermelstein, 발명의 명칭 "다중 빔 페어 광학적 이미징(Multiple Beam Pair Optical Imaging)" (ii) 미국 특허 제6,140,660호, 2000.10.31 발행, Mermelstein, 발명의 명칭 "광학적 합성 구경 어레이(Optical Synthetic Aperture Array)" 및 (iii) 미국 특허 제 6,548,820호, 2003.4.15 발행, Mermelstein, 발명의 명칭 "광학적 합성 구경 어레이(Optical Synthetic Aperture Array)", 상기 문헌들은 본 발명에 참조로 포함된다.

도 7B는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른, 도 7A의 장치로 사용될 수 있는 방해 패턴 생성 모듈(interference pattern generation module)의 상이한 유형을 도시한 것이다. 도 7B의 방해 패턴 생성 모듈(750)은 도 7A의 방해 패턴 생성 모듈(712 또는 713) 대신 사용될 수 있다. 도 7B가 도 7A의 방해 패턴 생성 모듈(712)이 도 7B의 방해 패턴 생성 모듈(750)을 대신할 수 있는 것으로 도시되어 있으나, 방해 패턴 생성 모듈(713)는 유사하게 도 7B의 방해 패턴 생성 모듈(750)에 대신하여 사용될 수 있다. 도 7B를 참조하면, 섬유(710)의 아웃빔(770)은 콜리메이터(754)(collimator)에 의해 평형으로 되고, 빔 스플리터(756)에 의해 두 개의 빔(772, 774)으로 쪼개진다. 광학 창문(760)은 하나의 빔(774)의 광학 경로(optical path)로 삽입되고, 검류계(galvanometer)를 사용하여 회전되어 빔(774)의 광학적 경로-길이를 조절하며, 상응하는 빔(774)의 광학적 상(optical phase)을 조절하게 되어 조절된 빔(776)을 생성한다. 각각의 두 개의 빔에 대하여 오직 하나의 상 조절기(phase modulator)(광학 창문(760)을 회전시키는)를 가짐으로써, 방해 패턴 생성 모듈(750)이 컴팩트하고 효율적으로 디자인되게 된다. 두개의 스테이셔너리 미러(758, 762)는 빔(772, 776)을 각각 반사하여, 광학적 경로-길이를 대략적으로 유지하는 동안 방해 패턴(780)을 생성한다.

도 7A 및 7B 의 구조적 일루미네이션 장치는, 통상적인 구조적 일루미네이션 장치와 비교하였을 때 기술적 장점이 많이 있다. 장점들은 다음을 포함한다:

(i) 고해상도 여기 패턴을 생성하기 위하여 다중 레이저 빔의 방해를 사용함으로써 통상적인 렌즈 프로젝션 시스템(lens projection system)을 사용할 때 얻을 수 없는 매우 큰 FOV 및 DOF를 얻을 수 있다.

(ii) 레이저빔을 전달(deliver)하는 데 사용는 광섬유(710, 711)는 레이저(702) 광원으로부터 바이브레이션의 전달(transmission)을 제거하고, 이로 인해 더 우수한 포인팅 안정성(pointing stability)과 더 우수한 생산성(manufacturability)을 제공한다.

(iii) 방해 패턴 생성 모듈을 사용한 조절된 디자인(modularized design)은 더욱 유연한 빔 지오메트리 디자인(beam geometry design)을 제공하는데, 이로 인하 많은 수의 빔이 복잡성과 제조 비용이 감소되어 사용될 수 있다.

(iv) 광섬유-기반 디자인은 기계적 및 열적 안정성이 우수한, 컴팩트하고 가벼운 장치를 가능하게 한다. 컴팩트한 어셈블리는 또한, 대기 터뷸런스(atmospheric turbulence)에 의해 발생된 방해(disturbances)를 감소하며, 프리-스페이스 빔 프로퍼게이션(free-space beam propagation)을 최소화한다.

(v) 도 7B의 방해 패턴 생성 모듈은 광학적 경로-길이에 일치되는데, 이로 인해 싱글 길이방향 모드 레이저 소스(single longitudinal mode laser source)일 필요가 없게 된다.

(vi) 광섬유-기반 디자인은 두 개의 스테이지(하나의 스테이지는 빔 스플리터(704)에서, 다른 스테이지는 방해 모듈 생성 모듈(712,713)에서의 빔 스플리터(716, 716'))로 빔을 쪼개는데, 섬유의 온도 변화 및 기계적 방해(mechanical disturbances)는 방해 패턴에 현저하게 영향을 미치지 않는다.

(vii) 8 또는 그 이상의 상과는 달리, 오직 두 개의 상(0 및 90도) 또는 세 개의 상(0, 120 및 240도)이 시누소이달 방해 패턴(sinusoidal interference patterns)을 생성하는 데 사용되기 때문에, 데이터 수집에 필요한 시간을 크게 줄인다.

(viii) 셔터의 사용 및 진폭(amplitude) 및 상 조절(phase modulation)에 대한 광학 창문의 회전은, 저 비용, 단순한 제어 전기장치, 그리고 높은 광학 효율을 갖는 컴팩트하고 가벼운 장치를 가능하게 한다. 예컨대, 도 7B 의 방해 패턴 생성 모듈(750)의 광학적 효율은 95% 이상일 수 있다.

도 7C, 7D, 및 7E는 본 발명에 따른 일 실시예로서, 도 7A 또는 7B 의 구조적 일루미네이션 장치로부터의 빔이 어떻게 플루이드로 커플링되어 마이크로파티클에 빛을 비추는지를 도시한 것이다. 특히, 도 7C는 레이저빔(724)이 창문(792)을 통해 플루이드(306)로 들어가서 빛을 비추고 수직의 마이크로파티클 어레이(502)의 기판(202) 상에서 마이크로파티클(204)을 선택적으로 여기시키는 것이 도시되어 잇다. 마이크로파티클(204)은 창문(792)을 통해서 이미지될 수 있다. 도 7D는 레이저빔(724)이 기판(202)의 뒤쪽 면(즉, 기판(202)에 대하여 마이크로파티클(204)이 놓여져 있는 면의 반대쪽 면)을 통해 플루이드(306)로 들어가서 전환된(inverted) 마이크로파티클 어레이(502)에 빛을 비춘다. 마이크로파티클(204)은 기판(202)을 통해 이미지될 수 있다. 도 7E는 레이저빔(724)이 커플링 프리즘(794)(coupling prism)을 통해 플루이드(306)로 들어가서 빛을 비추고, 기판(202)의 내부 전반사(TIR; total internal reflection) 일루미네이션 컨피규레이션 오프(illumination configuration off)에 있어서 전환된 마이크로파티클 어레이(502)의 기판(202) 상에 마이크로파티클(204)을 선택적으로 여기시키는 것을 도시한 것이다. 마이크로파티클(204)은 기판(202)을 통하여 이미지될 수 있다. 명확하게는 오직 하나의 빔이 도 7C 내지 7E에 도시되어 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 더욱 상세한 시퀀싱에 있어서의 도 5의 이미지 프로세싱(520)을 도시한 것이다. 광학 이미징(508)(도 5)로부터의 선택적-여기 마이크로파티클 아웃풋의 로 이미지(802)(raw images)는 이미지 합성 알고리즘(804)(image synthesis algorithms)으로 도입된다. 로 이미지(802)는 저해상도 이미지이므로, 선택적 여기(506)(도 5) 및 선택적 여기 패턴에 대한 지식이 고해상도 이미지일 필요는 없다. 로 이미지의 낮은 해상도는 개개의 마이크로파티클을 분석하기에 불충분하다. 그러나, 이미지 합성 알고리즘(804)은 마이크로파티클을 여기시키는데 사용되는 여기 패턴에 대한 정보(806) 및 마이크로파티클 어레이(502)에 대한 정보(808)(예컨대 마이크로파티클의 사이즈 및 위치 등)와 함께, 로 이미지(802)를 가공하여 마이크로파티클 어레이(502)의 합성 고-해상도 이미지(810)를 생성한다. 합성 이미지(810)(synthetic image)는 마이크로파티클 신호 규명(MSI; microparticle signature identification) 알고리즘으로 도입되는데, 이는 마이크로파티클 어레이(502)에 대한 정보(808)와 함께 합성 이미지(810)를 가공하여 각 마이크로파티클의 광학 신호(814)를 결정한다. 마이크로파티클 광학 신호 데이터(814)는 DNA 염기들의 시퀀스(522)를 생성하는 염기-콜링 알고리즘(816)(base-calling algorithms)으로 도입된다. 도 8의 실행은 이의 투명성(transparency) 및 단순성(simplicity)으로 인해 유리하고, 다양한 다른 접근 역시 이미지 프로세싱(520)에 사용될 수 있다.

도 8의 이미지 합성 알고리즘(804)은 방해 패턴 생성 모듈(712, 713)(도 7)이 시누소이드(sinusoids) 또는 시누소이드의 총합에 잘 추산되는 여기 패턴을 생성한다는 장점이 있다. 도 9는 검출된 광학 패턴(detected optical pattern)이 어떻게 마이크로파티클 형광물질 분포 함수 및 여기 패턴의 산물을 모델링하는지를 도시한 것이다. 도 9에서 일차원적 나타나듯이, 광학 이미징(508)(도 5)에 의해 검출된 광학 패턴(802)(도 8)은 마이크로파티클 형광물질 분포 함수 및 시누소이달 함수(또는 시누소이달 함수의 총합)의 결과물로서 표현될 수 있는데, 이는 푸리에 총합 표상(Fourier sum representation)을 제공한다. 예컨대, 검출된 광학 패턴(902)은 마이크로파티클 형광물질 분포 함수 (f(x))(908) 및 여기 패턴(g₁(x)) (910)의 결과물일 수 있다. 검출된 광학 패턴(904)은 동일한 마이크로파티클 형광물질 분포 함수 (f(x))(908) 및 상이한 여기 패턴(g₂(x))(910)(해당 실시예에서는 여기 패턴(g₁(x)) (910)을 갖는 상에서 180도)의 결과물일 수 있다. 검출된 광학 패턴(906)은 마이크로파티클 형광물질 분포 함수 (f(x))(908) 및 또 다른 여기 패턴(g₃(x))(910)(해당 실시예에서는 여기 패턴(910, 912)과 비교하여 상이한 기간임)의 결과물일 수 있다.

로 이미지 데이터(802)가 일단 푸리에 총합(Fourier sum)으로 표현되면, 합성 고해상도 이미지(810)의 생성 문제는 일반적인 푸리에-인버전 문제(Fourier-inversion problem)가 될 수 있고, 이는 이미 공지된 다양한 방법들을 사용하여 해결할 수 있다. 이미지 합성 알고리즘의 더욱 일반적인 시행은 여기 패턴이 시누소이드(sinusoids) 또는 시누소이드의 총합을 가정하지 않는다. 이러한 경우에 있어서, 로 이미지(802) 데이터는 더욱 일반적인 행렬 곱셈(matrix multiplication)으로 표현될 수 있다. 합성 고해상도 이미지(810)를 생성하는 문제는, 일반적인 행렬-인버전 문제(matrix-inversion problem)가 될 수 있으며, 이는 통상적인 방법으로 해결될 수 있다.

도 10은 프리퀀시 도메인에서의 샘플링 패턴과, 여기 패턴을 생성하는 데 사용되는 레이저 빔의 지오메트리와의 관계를 도시한 것이다. 도 10을 참조하면, 프리퀀시 도메인에서 상기와 같은 샘플의 분포는 구조적 일루미네이션 장치에서 레이자 빔의 지오메트리에 의해 결정된다. 예컨대, 만약 지오메트리 1002 에서 레이저 빔의 k-벡터인 경우에 프리퀀시 샘플은 직선 분포(rectilinear distribution) 1004 (2DFT 분포, 카테시안 분포(Cartesian distribution) 또는 균일한 분포)일 것이다. 다른 예로, 지오메트리 1006에서 레이저 빔의 k-벡터인 경우에 프리퀀시 샘플은 비직선분포(non-rectilinear distribution) 1008일 것이다.

도 8에서 MSI 알고리즘(812) 및 염기-콜링 알코리즘(816)은 마이크로파티클 어레이의 고해상도 합성 이미지(810)를 도입하여 각 마이크로파티클에 대하여 DNA 염기 시퀀스(522)를 생성한다. 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라, 각 마이크로파티클에 대한 DNA 염기의 규명 과정을 도시한 것이다. 도 11을 참조하면, 1102 내지 1122 의 12 개의 이미지 각각은 동일한 FOV를 나타내고, 상기 샘플에서 각각의 FOV에서 두 개의 시퀀싱 마이크로파티클(1172, 1174)이 있다.

합성 이미지 세트(1150)은 첫 번째 시퀀싱 반응 사이클 후에 마이크로파티클(1172, 1174)를 도시한다. 첫 번째 반응 사이클 동안, 마이크로파티클(1172, 1174)은 각 마이크로파티클(1172, 1174)에 대한 첫 번째의 알려지지 않은 DNA 염기에 상응하는 4 개의 광학 신호 중 하나를 나타낸다. 합성 이미지 세트(1150)은 4 개의 고해상도 합성 이미지(810)를 포함하며, 각각은 네 개의 광학 신호 중 하나를 감지하도록 최적화되어 있다. 세트(1150)의 첫 번째 이미지(1102)는 DNA 염기 "a"에 상응하는 광학 신호를 감지하도록 최적화되어 있다. 세트(1150)의 두 번째 이미지(1104)는 DNA 염기 "t"에 상응하는 광학 신호를 감지하도록 최적화되어 있다. 세트(1150)의 세 번째 이미지(1106)는 DNA 염기 "g"에 상응하는 광학 신호를 감지하도록 최적화되어 있다. 세트(1150)의 네 번째 이미지(1106)는 DNA 염기 "c"에 상응하는 광학 신호를 감지하도록 최적화되어 있다.

두 번째 합성 이미지 세트(1160)은 두 번째 시퀀싱 반응 사이클 후에 마이크로파티클(1172, 1174)를 도시한다. 두 번째 반응 사이클 동안, 마이크로파티클(1172, 1174)은 각 마이크로파티클(1172, 1174)에 대한 두 번째의 알려지지 않은 DNA 염기에 상응하는 4 개의 광학 신호 중 하나를 나타낸다. 합성 이미지 세트(1160)은 4 개의 고해상도 합성 이미지(810)를 포함하며, 각각은 네 개의 광학 신호 중 하나를 감지하도록 최적화되어 있다. 세트(1160)의 첫 번째 이미지(1110)는 DNA 염기 "a"에 상응하는 광학 신호를 감지하도록 최적화되어 있다. 세트(1160)의 두 번째 이미지(1112)는 DNA 염기 "t"에 상응하는 광학 신호를 감지하도록 최적화되어 있다. 세트(1160)의 세 번째 이미지(1113)는 DNA 염기 "g"에 상응하는 광학 신호를 감지하도록 최적화되어 있다. 세트(1160)의 네 번째 이미지(1114)는 DNA 염기 "c"에 상응하는 광학 신호를 감지하도록 최적화되어 있다.

두 번째 합성 이미지 세트(1170)은 세 번째 시퀀싱 반응 사이클 후에 마이크로파티클(1172, 1174)를 도시한다. 세 번째 반응 사이클 동안, 마이크로파티클(1172, 1174)은 각 마이크로파티클(1172, 1174)에 대한 두 번째의 알려지지 않은 DNA 염기에 상응하는 4 개의 광학 신호 중 하나를 나타낸다. 합성 이미지 세트(1170)은 4 개의 고해상도 합성 이미지(810)를 포함하며, 각각은 네 개의 광학 신호 중 하나를 감지하도록 최적화되어 있다. 세트(1170)의 첫 번째 이미지(1116)는 DNA 염기 "a"에 상응하는 광학 신호를 감지하도록 최적화되어 있다. 세트(1170)의 두 번째 이미지(1118)는 DNA 염기 "t"에 상응하는 광학 신호를 감지하도록 최적화되어 있다. 세트(1170)의 세 번째 이미지(1120)는 DNA 염기 "g"에 상응하는 광학 신호를 감지하도록 최적화되어 있다. 세트(1170)의 네 번째 이미지(1122)는 DNA 염기 "c"에 상응하는 광학 신호를 감지하도록 최적화되어 있다.

첫 번째 미지의 DNA 염기에 상응하는 이미지 세트(1150)에 있어서, 첫 번째 마이크로파티클(1172)은 "a"에 상응하는 이미지(1102)에서 가장 밝았고, 두 번째 마이크로파티클(1174)은 "g"에 상응하는 이미지(1106)에서 가장 밝았으나 "t" 및 "c"에 각각 상응하는 이미지(1104, 1108)에서 마이크로파티클은 밝지 않았다. 두 번째 미지의 DNA 염기에 상응하는 이미지 세트(1160)에 있어서, 마이크로파티클(1172, 1174)에서 모두 "a"에 상응하는 이미지(1110)에서 가장 밝았고 "t", "g" 및 "c"에 각각 상응하는 이미지들(1112, 1113, 1114)에서는 마이크로파티클은 밝지 않았다. 세 미지의 DNA 염기에 상응하는 이미지 세트(1170)에 있어서, 첫 번째 마이크로파티클(1172)은 "t"에 상응하는 이미지(1118)에서 가장 밝았고, 두 번째 마이크로파티클(1174)은 "c"에 상응사는 이미지(1122)에서 가장 밝앗으나, "a" 및 "g" 에 각각 상응하는 이미지들(1116, 1120)에서는 마이크로파티클은 밝지 않았다. 따라서, 이와 같은 간단한 개념적 실시예에 있어서, 첫 번째 마이크로파티클(1172)과 연관이 있는 DNA 시퀀스는 "aat"이고, 두 번째 마이크로파티클(1174)과 연관이 있는 DNA 시퀀스는 "gac"이다. 도 11에서의 실시예는 이미지된 파티클의 밝기를 사용한 시퀀스 정보의 결정을 나타내는 것이지만, 시퀀스 정보는 이미지된 마이크로파티클의 상이한 스펙트럼 특성을 감지함으로써 구할 수 있다.

이러한 간단한 개념적 실시예 외의 구체예에 있어서, 시퀀싱 반응 사이클은 더욱 자주 일어날 수 있으며, 광학적 신호의 수는 4 정도 이다. 예컨대, 구체예에서, 시퀀싱 반응은 합성 이미지 세트(1150, 1160) 사이에서보다는 고해상도 합성 이미지(1102, 1104) 사이에서 일어날 수 있다. 다른 구체예에 있어서, 각각의 마이크로파티클(1172, 1174)은 단지 하나의 광학적 신호를 나타내고, 광학적 신호의 부재는 시퀀스 정보를 전달한다. 또다른 구체예에서, 각각의 마이크로파티클(1172, 1174)은 동시적으로 다중의 광학 신호를 나타낸다. 또다른 실시예에 있어서, 단순한 광학적 신호와 DNA 염기들 사이의 일대일 상응(one-to-one correspondence)은 광학적 신호가 있는 DNA 시퀀스 정보에 대한 인코딩(예컨대 두 개 염기 인코딩)에 있어서 더욱 섬세한 스킴(scheme)으로 대체될 수 있다. 다른 통상적인 시퀀싱 화학이 다수 있음을 주의한다. 본 발명의 시퀀싱 방법은 시퀀싱 화학에 주로 사용될 수 있고, 이에 부합된다.

도 8을 다시 참조하면, MSI 알고리즘(812)은 1102 내지 1122의 각각의 고해상도 합성 이미지에 있어서 마이크로파티클(1172, 1174)을 규명하고, 각각의 마이크로파티클에 대한 광학적 신호 데이터를 추출한다. 실제적으로, 이는 각각의 합성 이미지에 있어서 마이크로파티클을 육안으로 확인하도록 이미지를 넘기며, 각각의 마이크로파티클의 이미지를 2차원 가우스 함수(Gaussian function)에 맞추어 위치 및 밝기를 추산한다.

도 8을 다시 참조하면, 염기-콜링 알고리즘(816)은 마이크로파티클 광학 신호 데이터(814)를 주입하고 각각의 마이크로파티클에 대한 DNA 시퀀스를 생성한다. 첫 번째 단계는 마이크로파티클 광학 신호 데이터(814) 세트를 통한 각각의 마이크로파티클의 위치를 추적하는 것이다. 실질적으로, 마이크로파티클 어레이의 위치는 각각의 이미징 사이클에 있어서 동일하지 않다. 결과적으로, 마이크로파티클 광학 신호 데이터(814) 세트는 전형적으로 공간 정합(spatial registration)을 필요로 한다. 일 실시예로, 공간 정합은 시퀀싱 마이크로파티클로 믹스된 정합 마이크로파티클을 사용함으로써 이루어진다. 전형적으로, 정합 마이크로파티클은 1-마이크론 직경의 비드(1-micron diameter beads)인데, 이들은 시퀀싱 마이크로파티클과 비교했을 때 몇 배 더 밝다. 정합 마이크로파티클의 밝기는 시퀀싱 마이크로파티클과의 구별을 용이하게 하고, 시퀀싱 마이크로파티클에 대한 정합 마이크로파티클의 비율은 시퀀싱 트루풋(sequencing throughput)이 현저하게 영향을 받지 않는 정도로 낮다(대략 1 내지 1000). 정합 단계(registration step) 후에, 두 번째 단계는 마이크로파티클 광학 신호 데이터(814) 세트에 대한 각각의 마이크로파티클의 광학적 신호를 결정하는 것이다. 상기 언급한 바와 같이, 각각의 마이크로파티클은 각각의 마이크로파티클 광학 신호 데이터(814) 세트에 있어서 네 개의 광학적 신호 중 하나를 나타낸다. 네 개의 광학적 신호는 네 개의 가능한 염기 신호(즉, "a", "t", "g" 및 "c")에 상응한다. 퀄러티 매트릭(quality metric)은 전형적으로 각각의 염기 신호(base call)에 의한 것이다. 통상적인 다양한 알고리즘은 로 염기 신호(raw base calls)를 번역하는데 사용될 수 있는데, 이들은 본 발명에서는 기재되어 있지 않음을 참고한다.

도 12는 도 5에 나타난 구조적 일루미네이션 장치를 캘리브레이팅(calibrating)하는 과정을 도시한 것이다. 캘리브레이션(Calibration)은 특정한 정도의 정확성이 있는 여기 패턴을 확인하기 위한 것으로 DNA 시퀀스 데이터는 이미지 프로세싱을 통하여 성공적으로 생성될 수 있다. 예컨대, 상기 여기 패턴 데이터(806)(도 8)는 이미지 합성 알고리즘(804)(도 8)에 인풋된다. 도 7A 및 7B 의 합성 구경 광학 구조 일루미네이션 장치(synthetic aperture optics structured illumination apparatus)에서의 전형적인 캘리브레이션 파라미터는, 방향(direction), 웨이브프론트(wavefront), 형상(shape), 진폭(amplitude), 극성( polarization), 파장(wavelength), 및 각각의 빔(724, 726, 728, 730)의 상대적 광학 상(relative optical phase)이다. 도 12를 참조하면, 구체예에서, 캘리브레이션은 마이크로파티클 어레이 대신 캘리브레이션 타겟(1202)를 위치시킴으로써 수행된다. 캘리브레이션 타겟(1202)은 이론적으로 공지된 피쳐(features)에 타겟이 될 수 있다. 예컨대, 캘리브레이션 타겟(1202)은 실질적으로 동일한 밝기를 갖는 형광 1-마이크론 직경 비드의 랜덤 어레이일 수 있다. 도 5에 도시된 과정과 유사하게, 캘리브레이션 타겟(1202)은 여기 패턴으로 선택적으로 여기(506)된다. 선택적으로 여기된 캘리브레이션 타겟 마이크로파티클 어레이는 광학적 마이크로스코프를 사용하여 이미지된다(508). 여기 패턴은 변화(512)되고, 여기-및-이미지 사이클(excite-and-image cycle)이 최후 패턴(510)에 도달할 때까지 반복된다. 최후의 여기-및-이미지 사이클이 완료되면(510), 이미지를 가공(520)한다. 구조적 일루미네이션 장치에 있어서 이전의 캘리브레이션 파라미터(1206) 및 캘리브레이션 타겟(1202)에 대한 지식을 바탕으로, 캘리브레이션 이미지의 컨텐츠를 예측할 수 있다. 예측된 캘리브레이션 이미지(이전의 캘리브레이션 파라미터에 기초한) 및 이미지 프로세싱(520)을 통하여 측정된 캘리브레이션 이미지 사이의 차이점은 새로운 캘리브레이션 파라미터(1204)을 생성하는데 사용된다.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른, 마이크로파티클의 선택적 여기에 의한 시퀀싱에 사용되는 하드웨어 시스템을 개념적으로 도시한 것이다. 상기 하드웨어 시스템은, 플로우 셀(1302)(flow cell), 시약 핸들링 모듈(1304)(reagent handling module), 온도 제어 모듈(1306), 선택적 마이크로파티클 여기 모듈(1308), 광학적 이미징 모듈(1310), 이미지 프로세싱 모듈(1312), 및 시퀀스 데이터 저장 모듈(1314)을 포함한다. 마이크로파티클 어레이는 마이크로파티클이 시퀀싱 시약에 노출되도록 플로우 셀(1302) 내부에 전형적으로 위치한다. 시약 핸들링 모듈(1304)은 시약을 적용하여 마이크로파티클 어레이(502)가 시퀀싱 시약에 노출되도록 한다. 온도 제어 모듈(1306)은 시퀀싱 시약으로 반응하는 동안 적절한 온도에서 플로우 셀(1302)의 반응 온도를 제어한다. 선택적 마이크로파티클 여기 모듈(1308)은 상기 설명한 바와 같이 마이크로파티클을 선택적으로 여기시키고, 광학적 이미징 모듈(1310)은 선택적으로 여기된 마이크로파티클의 이미지를 얻는다. 선택적으로 여기된 마이크로파티클의 이미지는 이미지 프로세싱 모듈(1312)에서 이미지 프로세싱 알고리즘을 이용하여, 마이크로파티클의 광학적 신호를 추출하고 시퀀스 정보를 생성한다. 시퀀스 정보는 시퀀스 데이터 저장 모듈(1314)에 저장된다.

도 14는 도 13의 시퀀싱 하드웨어에 대한 제어 시스템 아키텍쳐(control system architecture)를 도시한 것이다. 제어 시스템 아키텍쳐는, 유저 인터페이스(1404)(user interface)의 데이터 수집 컴퓨터(1402)(data acquisition computer), 프레임 그래버(1410)(frame grabber), 카메라(1418), 프로그램화 로직 컨트롤러(PLC; programmable logic controller)(1414)가 있는 스테이지 컨트롤러(stage controllers), (스캐닝) 스테이지(1420), 셔터(1422), 빔 모듈레이터(1424), 오토샘플러(1426), 펌프(1428), 온도 컨트롤러(1430), 포커스 컨트롤러(1432) 및 이미지 프로세싱 컴퓨터 클러스터(1406)을 포함한다. 프레임 그래버(1410)는 PCI(peripheral component interconnect) 인터페이스(1412)를 통하여 데이터 수집 컴퓨터(1402)에 연결된다. 프레임 그래버(1410) 및 카메라(1418)은 데이터 수집 컴퓨터(1402)의 제어 하에 선택적으로 여기된 마이크로파티클의 이미지를 수집한다. 높은 속도로, PLC (1414)는 셔터(1422) 및 빔 모듈레이터(1424)를 제어하여 여기 패턴을 변화시키고, 스테이지를 이동하며(1420) 카메라(1418)를 트리거하여 타이트한 동기화(tight synchronization)가 이루어지는데 사용한다. PLC (1414)는 PLC (1414)는 파이어와이어 인터페이스(1416)(Firewire interface)를 통하여 데이터 수집 컴퓨터(1402)에 연결된다. 오토샘플러(1426)(autosampler), 펌프(1428), 온도 컨트롤러(1430) 및 포커스 컨트롤러(1432)와 같이 시간에 덜 영향을 받는 하드웨어(less-critically-timed hardware)는 RS-232와 같은 느린 인터페이스를 통하여 제어한다. 오토샘플러(1426)는 시퀀싱 시약을 샘플한다. 펌프(1428)는 시퀀싱 시약을 플로우 셀(1302)로 펌프하여 마이크로파티클 어레이(502)를 시퀀싱 시약에 노출시킨다. 온도 컨트롤러(1430)는 시퀀싱 시약과의 반응에 적절한 온도에서 플로우 셀(1302)의 반응 온도를 제어한다. 포커스 컨트롤러(1432)는 광학 이미징 모듈(1310)의 포커스를 맞추어 스테이지(1420) 이동에 있어서 포커스를 마이크로파티클 어레이(502)에 유지시킨다. 데이터 수집 컴퓨터(1402)은 유저 인터페이스(UI; user interface)(1404)를 작동시켜, 하드웨어의 다양성을 제어하고, 카메라(1418)로부터 이미지 데이터를 수신한다. 이미지 데이터를 이더넷 인터페이스(1408)(Ethernet interface)를 통해 이미지 프로세싱을 위한 컴퓨터 클러스터(1406)로 보낸다. 스캐닝 스테이지(1420) 및 포커스 컨트롤러(1432)는 큰 구역의 마이크로파티클 어레이 스캐닝 다중 필드 오브 뷰(large area microparticle arrays spanning multiple fields of view)를 이미지화시킬 수 있게 한다.

본 명세서를 통하여, 당업자는 마이크로파티클의 선택적 여기를 통하여 핵산 시퀀싱 방법 및 시스템에 대한 부가적이며 대체적인 구조적 및 기능적 디자인을 설계할 수 있을 것이다. 예컨대, 공간적 광 모듈레이터(spatial light modulator)(액체 결정 모듈레이터(liquid-crystal modulator) 또는 MEMS-미러-어레이 모듈레이터(MEMS-mirror-array modulator)와 같은) 및 프로젝션 렌즈(projection lens)를 사용하여 여기 패턴을 또한 제조할 수 있다. 따라서, 본 발명의 특정한 구체예 및 적용이 예시되고 기재되어 있으나, 본 발명은 본 명세서에 기재된 구체적인 구성 및 성분에 한정되는 것은 아니며, 당업자에게 명백한 다양한 변형, 변화 및 변주들이 첨부된 청구항에서 정의된 본 발명의 범주에 속하는 범위에서 본 명세서에 기재된 본 발명의 방법 및 장치의 세부적인 부분에서 이루어질 수 있다.

Claims

하기를 포함하는 타겟의 광학적 여기 장치:
제1 레이저 빔을 생성하는 레이저;
상기 제1 레이저 빔을 수신하도록 연결된 제1 광섬유;
상기 제1 광섬유를 경유하여 이동되는 상기 제1 레이저 빔을 수신하도록 상기 제1 광섬유에 연결된 제1 방해 패턴 생성 모듈로, 상기 제1 방해 패턴 생성 모듈은 제1 레이저 빔을 제2 레이저 빔과 제3 레이저 빔으로 쪼개고, 상기 제2 레이저 빔과 제3 레이저 빔 사이에서 방해에 의해 타겟을 선택적으로 여기시키기 위하여 여기 패턴을 생성하도록 설계되어 있는 제1 방해 패턴 생성 모듈.
제1항에 있어서,
상기 제1 방해 패턴 생성 모듈은 하기를 포함하는 장치:
상기 제1 레이저 빔을 제2 레이저 빔과 제3 레이저 빔으로 쪼개는 빔 스플리터; 및
상기 제3 레이저 빔의 광학적 경로-길이를 변화시키는 범위에서 이동 가능한, 제3 레이저 빔을 반사하는 미러.
제2항에 있어서,
상기 제2 레이저 빔의 상(phase)에 대하여 상기 제3 레이저 빔의 상(phase)은 상기 범위에서 변화되는 상기 제3 레이저 빔의 광학적 경로-길이에 반응하여 변화되는 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 방해 패턴 생성 모듈은 하기를 포함하는 장치:
상기 제1 레이저 빔을 제2 레이저 빔과 제3 레이저 빔으로 쪼개는 빔 스플리터; 및
상기 제3 레이저 빔에 결합되고 상기 제3 레이저 빔의 광학적 상(optical phase)을 조절하도록 회전되는 창문(window).
제4항에 있어서,
상기 창문은 검류계(galvanometer)를 이용하여 회전되는 장치.
제1항에 있어서,
하기를 더 포함하는 장치:
상기 제1 레이저 빔을 제1 레이저 빔과 제4 레이저 빔으로 쪼개는 빔 스플리터;
상기 제4 레이저 빔을 수신하는 제2 광섬유;
상기 제2 광섬유에 결합되고 상기 제2 광섬유를 경유하여 이동되는 상기 제4 레이저 빔을 수신하기 위한 제2 방해 패턴 생성 모듈로, 상기 제2 방해 패턴 생성 모듈은 제4 레이저 빔을 제5 레이저 빔과 제6 레이저 빔으로 쪼개고, 상기 제2 레이저 빔, 제3 레이저 빔, 제5 레이저 빔 및 제6 레이저 빔 사이에서 방해에 의해 타겟을 선택적으로 여기시키기 위하여 여기 패턴을 생성하는 제2 방해 패턴 생성 모듈.
제1항에 있어서,
상기 제1 레이저 빔의 진폭이 변화되는 장치.
제1항에 있어서,
상기 타겟이 핵산 마이크로파티클 어레이인 장치.
제1항에 있어서,
상기 여기 패턴이 프리퀀시 도메인의 직선 샘플링(rectilinear sampling)을 생성하는 장치.
제1항에 있어서,
상기 여기 패턴이 프리퀀시 도메인의 비직선 샘플링(non-rectilinear sampling)을 생성하는 장치.
하나 이상의 시퀀싱 시약(sequencing reagents)을 핵산 마이크로파티클에 적용하도록 설정된 시퀀스 반응 모듈(sequence reaction module);
핵산 마이크로파티클에 대한 복수의 일루미네이션 빔의 방해에 의해 생성된 여기 패턴에서 핵산 마이크로파티클을 선택적으로 여기시키도록 설정된 선택적 마이크로파티클 여기 모듈(selective microparticle excitation module);
개개의 마이크로파티클을 분석하기에 불충분한 해상도에서 핵산 마이크로파티클의 하나 이상의 광학적 이미지를 생성하도록 설정된 광학 이미징 모듈(optical imaging module); 및
여기 패턴의 정보를 사용하여 핵산 마이크로파티클의 광학적 이미지를 프로세스하고, 광학 신호의 존재 또는 부재가 핵산의 시퀀스 정보를 나타내는 적어도 광학 신호의 존재 또는 부재를 결정하도록 설정된 이미지 프로세싱 모듈을 포함하는 핵산 마이크로파티클 시퀀싱 시스템으로,
상기 선택적 마이크로파티클 여기 모듈은,
제1 레이저 빔을 생성하는 레이저;
상기 제1 레이저 빔을 수신하도록 연결된 제1 광섬유;
상기 제1 광섬유에 연결되고 상기 제1 광섬유를 경유하여 이동되는 상기 제1 레이저 빔을 수신하기 위한 제1 방해 패턴 생성 모듈로, 상기 제1 방해 패턴 생성 모듈은 상기 제1 레이저 빔을 제2 레이저 빔과 제3 레이저 빔으로 쪼개고, 상기 제2 레이저 빔과 제3 레이저 빔 사이에서 방해에 의해 핵산 마이크로파티클을 선택적으로 여기시키기 위하여 여기 패턴을 생성하는 제1 방해 패턴 생성 모듈을 포함하는, 핵산 마이크로파티클 시퀀싱 시스템.
제11항에 있어서,
상기 제1 방해 패턴 생성 모듈은 하기를 포함하는 시스템:
상기 제1 레이저 빔을 제2 레이저 빔과 제3 레이저 빔으로 쪼개는 빔 스플리터; 및
상기 제3 레이저 빔의 광학적 경로-길이를 변화시키는 범위에서 이동 가능한, 제3 레이저 빔을 반사하는 미러.
제12항에 있어서,
상기 제2 레이저 빔의 상(phase)에 대하여 상기 제3 레이저 빔의 상(phase)은 상기 범위에서 변화되는 상기 제3 레이저 빔의 광학적 경로-길이에 반응하여 변화되는 시스템.
제11항에 있어서,
상기 제1 방해 패턴 생성 모듈은 하기를 포함하는 시스템:
상기 제1 레이저 빔을 제2 레이저 빔과 제3 레이저 빔으로 쪼개는 빔 스플리터; 및
상기 제3 레이저 빔에 결합되고 상기 제3 레이저 빔의 광학적 상(optical phase)을 조절하도록 회전되는 창문(window).
제14항에 있어서,
상기 창문은 검류계(galvanometer)를 이용하여 회전되는 시스템.
제11항에 있어서,
상기 선택적 마이크로파티클 여기 모듈은 하기를 더 포함하는 시스템:
상기 제1 레이저 빔을 제1 레이저 빔과 제4 레이저 빔으로 쪼개는 빔 스플리터;
상기 제4 레이저 빔을 수신하는 제2 광섬유;
상기 제2 광섬유에 결합되고 상기 제2 광섬유를 경유하여 이동되는 상기 제4 레이저 빔을 수신하기 위한 제2 방해 패턴 생성 모듈로, 상기 제2 방해 패턴 생성 모듈은 제4 레이저 빔을 제5 레이저 빔과 제6 레이저 빔으로 쪼개고, 상기 제2 레이저 빔, 제3 레이저 빔, 제5 레이저 빔 및 제6 레이저 빔 사이에서 방해에 의해 핵산 마이크로파티클을 선택적으로 여기시키기 위하여 여기 패턴을 생성하는 제2 방해 패턴 생성 모듈.
제11항에 있어서,
상기 제1 레이저 빔의 진폭이 변화되는 시스템.
제11항에 있어서,
상기 여기 패턴이 프리퀀시 도메인의 직선 샘플링(rectilinear sampling)을 생성하는 시스템.
제11항에 있어서,
상기 여기 패턴이 프리퀀시 도메인의 비직선 샘플링(non-rectilinear sampling)을 생성하는 시스템.
하기를 포함하는, 타겟의 광학적 여기 장치:
제1 빔을 생성하기 위한 간섭성 전자기적 방사(coherent electromagnetic radiation) 광원(source);
제 빔을 수신하도록 연결된 광섬유;
상기 광섬유를 경유하여 이동되는 상기 제1 빔을 수신하도록 상기 광섬유에 연결된 방해 패턴 생성 모듈로, 상기 방해 패턴 생성 모듈은 제1 빔을 제2 빔과 제3 빔으로 쪼개고, 상기 제2 빔과 제3 빔 사이에서 방해에 의해 타겟을 선택적으로 여기시키기 위하여 여기 패턴을 생성하도록 설계되어 있는 방해 패턴 생성 모듈.