KR20120031218A - 만능 샘플 제조 시스템 및 집적 분석 시스템에서의 사용 - Google Patents

만능 샘플 제조 시스템 및 집적 분석 시스템에서의 사용 Download PDF

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KR20120031218A
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microfluidic
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cartridge
fluid
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KR20127000333A
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스테판 비. 요바노비치
윌리엄 디. 닐슨
데이빗 에스. 코헨
마이클 레크노
마티아스 방보
에즈라 반 겔더
라스 마즈로프
오마르 엘-시시
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인터젠엑스 인크.
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Abstract

본 발명은 가공하지 않은 생물학적 샘플을 처리하고, 생화학 반응을 수행하고 분석 판독을 제공할 수 있는 시스템을 제공한다. 예컨대, 시스템은 DNA를 스왑으로부터 추출하고, STR 유전자 자리를 DNA로부터 증폭하고, 증폭된 유전자 자리 및 STR 표지를 상기 샘플에서 분석할 수 있다. 시스템은 매크로유체 기능일 수 있는 것을 접속하기 위해 마이크로유체 구성요소를 사용함으로써 이들 기능을 통합한다. 일실시예에 있어서 시스템은 샘플 정제 모듈, 반응 모듈, 반응후 세정 모듈, 모세관 전기영동 모듈 및 컴퓨터를 포함한다. 어떤 실시예에 있어서, 시스템은 분석물 포획을 수행하기 위한 일회용 카트리지를 포함한다. 카트리지는 챔버 사이에서 액체를 라우팅하는 마이크로 유체 칩과 맞물리는 매크로유체 챔버를 구비한 유체 매니폴드를 포함할 수 있다. 시스템은 10 ft3이하의 인클로저 내에 설치되고 폐쇄, 휴대용, 및/또는 배터리로 작동되는 시스템일 수 있다. 시스템은 4시간 미만으로 원래의 샘플로부터 분석을 진행하는데에 사용될 수 있다.

Description

만능 샘플 제조 시스템 및 집적 분석 시스템에서의 사용{UNIVERSAL SAMPLE PREPARATION SYSTEM AND USE IN AN INTEGRATED ANALYSIS SYSTEM}
본원은 2009년 6월 5일자로 출원된 USSN 61/184,759호 및 2009년 8월 20일자로 출원된 USSN 61/235,664호 관한 것으로, 상기 문헌은 모든 목적을 위해 본원에 그 전문이 참고로 포함되어 있다.
본 발명은 미국 중앙 정보국에 의해 수여된 계약 번호 2004*H838109*000 하에 정부 지원으로 이루어진 것이다. 미국 정부는 본 발명에 있어서 특정 권리를 가질 수 있다.
샘플 제조는 생물학적 분석 시스템에서 아주 흔한 문제점이다. 하류 분석 검정을 믿을 수 있게 수행하기 위해 다양한 원래의 샘플 유형으로부터 충분히 정제된 표적을 제공하는 것에 대한 문제는 보편적이고, 세포 생물학, 게놈학, 프로테오믹스, 메타볼로믹스, 음식 생물학, 분자 진단학, 및 많은 다른 생물학적 및 의학적 검정을 망라한다. 샘플 제조에 대한 많은 발전이 이루어졌으나, 주요 해결책은 샘플을 조작하기 위해 직선 단 또는 다축 팔을 사용하는 로봇 시스템에서 또는 수동으로 사용되는 시약을 개발하는 것이었다.
마이크로유체공학 및 나노유체공학은 소형화된 샘플 용적이 분석을 위해 제조되는 것을 허용한다. 장점은 작동 비용을 감소시키는 시약의 나노규모 소비 및 오퍼레이터 변동을 제거하는 완전 자동화를 포함한다. 마이크로유체 샘플 제조는 현존 또는 미래 검출 방법과 조화될 수 있거나, 완전 집적 시스템의 일부일 수 있다. 본원에서, 샘플 제조 및 분석을 위한 10 mL 초과의 용적을 갖는 완전 용적 샘플 제조를 마이크로리터 및 더 작은 용적으로 집적하는 방법 및 기구가 개시되어 있다.
샘플로부터 출발하여, 본 발명은 ELISA, PCR 또는 다른 핵산 증폭 기술에 의한 분석, 단일 분자 검출, 단백질 어레이, 질량 분광법, 및 통상의 기술자에게 익히 공지된 다른 분석 방법으로 에어로졸 샘플, 물, 액체, 혈액, 대변, 비내, 협측 및 다른 면봉, 체액, 환경 샘플을 포함하는 매트릭스에서 유기체를 검출하고 분류하는 추가 가공을 위해 구성성분을 농축시키고 예비분리하는데 적용될 수 있다.
마이크로유체 핵산 정제는 핵산 검정을 위한 샘플의 제조에서 수행될 수 있다. DNA 분석의 경우, PCR 증폭이 현재 방법 중 하나이다. 마이크로어레이 DNA, RNA 및 단백질 분석은 또한 샘플을 반응 및 판독을 위해 마이크로어레이에 적용할 수 있기 전에 광범위한 샘플 제조를 필요로 한다.
샘플은 다양한 기질 및 매트릭스에 의해 수득될 수 있다. 매트릭스는 DNA-기재 증폭을 방해하는 억제성 화합물, 예컨대 헴, 인디고, 흄산, 이가 양이온 및 단백질 등을 포함하는 복잡한 혼합물을 함유할 수 있다. 에어로졸은 PCR 증폭을 방해하는 다량의 곰팡이, 금속 및 토양 흄산 및 다른 산을 함유할 수 있다(절대 표준(gold 표준)).
초기 작업은 겨우 3개의 시딩된 유기체가 토양 추출물의 희석된 샘플로부터, 이어서 2개의 16S 리보솜 유전자 단편의 PCR 증폭에 의해 검출될 수 있다는 것을 나타내었다. 만능(universal) 프라이머를 사용하여 16S 및 18S rDNA PCR 증폭을 위해 토양 샘플로부터 DNA를 추출하는데 저융점 아가로스가 사용되어 왔다. 컬럼 포맷의 스펀 분리 겔, 예컨대 세파덱스(Sephadex) 컬럼이 사용될 수 있다. 다단계 정제, 예컨대 세파덱스 컬럼과 조합된 유기 추출이 개발되었다. 비드 비팅은 많은 수의 유기체에 대한 샘플을 제조하는데 있어서 효과적인 방법이고, 액체 질소에서의 분쇄는 적은 수의 유기체를 검출하는데 있어서 효과적인 방법으로 밝혀졌다. 이들 방법은 효과적이면서, 연구 실험실 환경에 가장 적합하였다.
컬럼, 비드 및 표면으로의 고체상 추출이 DNA 분석 전에 DNA를 정제하기 위해 사용될 수 있다. 프로테이나제 K, 이어서 퀴아젠(Qiagen) QIA Amp 실리카-겔 막 컬럼 및 이소코드 스틱스(IsoCode Stix), 함침 막-기재 기술, 이어서 가열, 세척 및 간단한 원심분리를, 완충액, 혈청 및 전혈 중 탄저균(B. anthracis) 스턴 무성 세포 및 완충액 중 포자에 대해 비교하였고, 잘 작동하는 것으로 밝혀졌다.
본 발명의 장치 및 방법을 사용하여 다양한 분리를 수행할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 장치 및 방법을 사용하여 크로마토그래피, 상-기재 또는 자성-기재 분리, 전기영동, 증류, 추출 및 여과를 수행할 수 있다. 예를 들어, 크로마토그래피 또는 전기영동을 위해 마이크로유체 채널 또는 모세관을 사용할 수 있다. 또한, 상-기재 분리 및 자성-기재 분리를 위해 비드, 예컨대 자성 비드를 사용할 수 있다. 비드 또는 본원에 기재된 임의의 다른 표면은 표적에 대한 특이적 또는 비특이적 결합을 나타내는 결합 잔기로 관능화될 수 있다. 결합은 정전기, 반데르 발스 상호작용, 소수성, 친수성, 수소 결합, 이온 상호작용, 뿐만 아니라 부분적 공유결합 상호작용, 예컨대 금과 황 사이에서 나타나는 상호작용을 기초로 할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 본 발명의 장치 및 방법은 면역자기 분리를 사용한다.
면역자기 분리(IMS)는 상자성 비드 및 자기장을 사용하는 기계론적으로 단순화된 포맷을 사용하여 단일 단계로 표적을 포획하고 농축시키는 강력한 기술이다(문헌 [Grodzinski P, Liu R, Yang J, Ward MD. Micro유체 시스템 집적 in sample preparation 마이크로칩-sets-a summary. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc.2004;4:2615-8], [Peoples MC, Karnes HT. Micro유체 immunoaffmity separations for bioana용해. J Chromatogr B Analyt Technol Biomed Life Sci. 2007 Aug 30] 및 [Stevens KA, Jaykus LA. Bacterial separation and concentration from complex sample matrices: a review. Crit Rev Microbiol. 2004; 30(1):7-24] 참조). IMS는 특이적 표적 항원, 단백질, 독소, 핵산, 세포 및 포자를 포획하고, 농축시키고 이어서 정제하는데 사용될 수 있다. 본래 사용되는 IMS는 항체를 사용하는 것과 관련되나, 본 발명자들은 IMS의 사용을 다른 특이적 친화성 상호작용, 예를 들어 렉틴, DNA-DNA, DNA-RNA, 바이오틴-스트렙타비딘, 및 고체상에 커플링된 다른 친화성 상호작용을 포함하는 것으로 보편화한다. IMS는 특이적 친화성 시약, 전형적으로 항체 또는 DNA를 외부 자기장의 존재하에 오직 자성인 상자성 비드에 결합시킴으로써 작용한다. 비드를 복잡한 샘플, 예컨대 에어로졸, 액체, 체액 또는 음식에 첨가할 수 있다. 친화성 시약(그 자체가 상자성 비드에 결합됨)으로의 표적의 결합 후, 자기장의 적용에 의해 비드를 포획한다. 결합되지 않은 또는 느슨하게 결합된 물질을 상용성 완충액으로 세척함으로써 제거하며, 이는 본래 샘플 중의 기타 원치않는 물질로부터 표적을 정제한다. 비드는 작고(약 1 nm 내지 약 1 um) 높은 수준의 표적에 결합하기 때문에, 자기력에 의해 비드가 농축되는 경우, 비드는 전형적으로 단지 1 nL-1 uL 용적의 비드층을 형성하여, 정제와 동시에 표적을 농축시킨다. 정제되고 농축된 표적을 편리하게는 온-비드 도중 수송하거나, 변성하거나, 용해하거나 또는 분석할 수 있거나, 또는 추가 샘플 제조 또는 분석을 위해 비드를 용리시킬 수 있다.
면역자기 분리는 음식, 체액 및 다른 매트릭스 중의 미생물의 검출을 포함하는 많은 적용을 위해 광범위하게 사용된다. 상자성 비드는 용이하게 혼합되고 조작될 수 있고, 마이크로규모 및 마이크로유체 적용으로 개질가능하다. 이 기술은 거시적 규모-대-마이크로규모 경계면에 대한 우수한 해결책을 제공한다: 비드는 샘플을 거시적 규모에서 정제한 후, 마이크로유체 또는 나노유체 플랫폼으로의 도입을 위해 나노규모(수백 nL)로 농축시키는데 있어서 거의 이상적인 비히클이다. 면역자기 분리는 통상적으로 실시간 PCR, 전기화학 발광 및 자기력 식별 전에 상류 정제 단계로서 사용된다.
마이크로칩 상의 유체를 이동시키는 능력은 매우 중요하다. 본 발명은 샘플 포획 및 정제, 마이크로-분리, 마이크로-밸브, 마이크로-펌프 및 마이크로-라우터, 나노유체 제어 및 나노규모 생화학에서의 기술을 기재한다. 기술의 핵심 구성성분은 마이크로-로봇 온-칩 밸브(Micro-robotic 온칩 밸브; MOVe) 기술(도 1에 나타낸 예) 및 복잡한 작업 흐름을 소형화하고 자동화하는 그의 적용이다. 집합적으로, MOVe 밸브, 펌프 및 라우터, 및 이들을 작동시키는 한벌의 기계는 마이크로칩 유체 가공 플랫폼이라고 지칭될 수 있다.
마이크로칩 유체 가공 플랫폼 기술의 핵심은 샘플을 수송하고 가공하고 분석을 가능하게 하는 MOVe 펌프, 밸브 및 라우터이다. 본래 캘리포니아대학교 버클리캠퍼스(U. C. Berkeley)에 있는 마티스(Mathies) 실험실에서 개발된 이들 신규 외부로 구동되는, 공압식으로-추진되는, 온-칩 밸브, 펌프 및 라우터(문헌 [Grover, W.H. A. M. Skelley, C. N. Liu, E. T. Lagally, 및 R. M. Mathies. 2003. Sensor and Actuator B89:315-323]; 리차드 에이. 마티스(Richard A. Mathies) 등의 미국 특허 출원 제 20040209354 A1호(2004년 10월 21일); 이들 모두는 그 전문이 본원에 참고로 도입됨)는 20 nL 내지 10 ㎕의 조작 용적에서 유체 흐름을 제어할 수 있다.
MOVe 밸브 및 펌프(도 1)는 밸브를 개방하고 폐쇄하는 폴리디메틸 실록산(PDMS) 변형가능한 막 층, 및 막을 변형시키고 밸브를 구동시키는 공압층과 2개의 유리 및/또는 플라스틱 마이크로유체 층을 조합할 수 있다. 상단 유리 유체 웨이퍼에서 에칭된 마이크로유체 채널은 불연속적이고, 통상적으로 폐쇄된 밸브 자리로 인도한다(도 1a). 진공이 통상적 규모 진공 공급원 및 압력원에 의해 공압 변위 챔버에 가해지는 경우, 통상적으로 폐쇄된 PDMS 막이 밸브 자리로부터 상승하여, 밸브를 개방시킨다(도 1b). 도 1c는 다른 패널과 유사한 규모로 밸브의 상면도를 나타낸다.
마이크로칩 A 상의 입력 구역으로부터 출력 구역으로 유체를 이동시키기 위한 마이크로칩 상의 마이크로펌프를 제조하기 위해 3개의 마이크로밸브가 사용될 수 있다. 유체는 3개 이상의 밸브에 의해 이동된다. 밸브는 변형가능한 구조의 구동에 의해 생성될 수 있다. 몇몇 이행에서는 밸브 자리가 생성되고, 다른 실시예에서는 밸브 자리가 필요하지 않을 수 있다. 도 2는 상단으로부터 바닥으로 MOVe 장치를 나타낸다: 밸브, 라우터, 믹서, 비드 포획부. 자가-프라이밍 MOVe 펌프(도 2, 상단)는 3개의 밸브의 작동을 조정함으로써 제조되고, 어느 한 방향으로 흐름을 생성할 수 있다. 라우터는 3개 이상의 MOVe 밸브로부터 제조된다(도 2, 상단 중간 패널). 혼합은 마이크로유체에 대한 성배였다: MOVe 믹서(도 2, 바닥 중간 패널)는 샘플 및 시약을 신속하게 혼합한다. MOVe 장치는 비드 세트를 펌핑 또는 트래핑하기 위해 자성 비드와 정교하게 작용한다(도 2, 바닥 패널).
통상적으로 폐쇄된 MOVe 밸브, 펌프 및 라우터는 내구성이 있고, 낮은 비용으로 용이하게 제작되고, 조밀 어레이에서 작동할 수 있고, 낮은 불용 용적을 갖는다. MOVe 밸브, 펌프 및 라우터의 어레이는 마이크로칩 상에서 용이하게 제작된다. 중요하게는, 마이크로칩 상의 모든 MOVe 밸브, 펌프 및 라우터는 PDMS 막의 단일 시트를 사용하여 간단한 제조 공정으로 동시에 제조된다(마이크로칩 상의 5개의 MOVe 마이크로펌프를 제조하는데 드는 비용으로 500개를 제조할 수 있음). 이 획기적인 기술은 처음으로 마이크로칩 상의 복잡한 마이크로유체 회로 및 나노유체 회로를 제조하는 능력을 제공한다.
마이크로칩의 용도 및 설계에 대해 논의하는 특허 및 출원은 2007년 12월 25일에 허여된 미국 특허 제7,312,611호; 2001년 2월 20일에 허여된 미국 특허 제6,190,616호; 2002년 7월 23일에 허여된 미국 특허 제6,423,536호; 2005년 3월 22일에 허여된 미국 특허 제10,633,171호; 2005년 3월 22일에 허여된 미국 특허 제6,870,185호; 2001년 1월 25일에 출원된 미국 특허 출원 제2001-0007641호; 2002년 4월 18일에 출원된 미국 특허 출원 제20020110900호; 2005년 9월 15일에 출원된 미국 특허 출원 제20070248958호; 2003년 12월 29일에 출원된 미국 특허 출원 제20040209354호; 2003년 12월 29일에 출원된 미국 특허 출원 제2006/0073484호; 2005년 5월 25일에 출원된 제20050287572호; 2007년 3월 21일에 출원된 미국 특허 출원 제20070237686호; 2004년 11월 24일에 출원된 미국 특허 출원 제20050224352호; 2005년 9월 15일에 출원된 미국 특허 출원 제20070248958호; 2007년 2월 2일에 출원된 미국 특허 출원제20080014576호; 및 2006년 7월 26일에 출원된 미국 특허 출원 제20070175756호를 포함하며, 상기 문헌들은 모두 그 전문이 본원에 참고로 도입된다.
본 발명의 목적은 만능 샘플 제조 시스템 및 집적 분석 시스템에서의 용도를 제공하는 것에 있다.
본 발명은 가공하지 않은 생물학적 샘플을 처리하고, 생화학 반응을 수행하고 분석 판독을 제공할 수 있는 시스템을 제공한다. 예컨대, 시스템은 DNA를 스왑(swab)으로부터 추출하고, STR 유전자 자리를 DNA로부터 증폭하고, 증폭된 유전자 자리 및 STR 표지를 샘플에서 분석할 수 있다. 시스템은 매크로유체 기능일 수 있는 것을 연결하기 위해 마이크로유체 구성요소를 사용함으로써 이들 기능을 통합한다. 일 실시예에 있어서 시스템은 샘플 정제 모듈, 반응 모듈, 반응후 세정 모듈, 모세관 전기영동 모듈 및 컴퓨터를 포함한다. 어떤 실시예에 있어서, 시스템은 분석물 포획을 수행하기 위한 일회용 카트리지를 포함한다. 카트리지는 챔버 사이에서 액체를 라우팅하는 마이크로 유체 칩과 맞물리는 매크로유체 챔버를 구비한 유체 매니폴드를 포함할 수 있다. 시스템은 단지 10 ft3의 인클로저 내에 끼워맞춰지고 폐쇄, 휴대용, 및/또는 배터리 작동 시스템일 수 있다. 상기 시스템은 4보다 작은 시간에 원래의 샘플로부터 분석으로 진행되는데 사용될 수 있다.
일 양태에 있어서, 본 발명은 단지 10 ft3의 인클로저 내에 끼워맞춰지는 시스템을 제공하며, 상기 시스템은 (a) 분석물을 포획 입자 상의 비-마이크로유체 용적으로부터 포획하고 포획된 분석물을 마이크로유체 채널을 통해 라우팅하도록 구성된 샘플 제조 모듈; (b) 포획된 분석물을 고정시키고 생화학 반응을 비-마이크로유체 용적 내의 분석물 상에 수행해서 반응 생성물을 생성하도록 구성된 마이크로유체 채널과 유체가 통하도록 연결되는 반응 챔버를 구비한 반응 모듈; 및 (c) 분석을 반응 생성물 상에 수행하도록 구성된 반응 챔버와 유체가 통하도록 연결되는 분석 모듈을 포함한다. 일실시예에 있어서, 상기 시스템은 분석물을 포획하고, 생화학 반응을 분석물 상에 수행하고, 분석을 4시간 미만, 3시간 미만, 또는 2시간 미만에 생성물 상에서 수행하도록 구성된다. 일 실시예에 있어서, 상기 시스템은 분석에 관한 데이터를 분석 모듈로부터 수신하도록 구성되고 데이터를 변환하고 분석의 결과를 출력하는 실행가능 코드를 구비한 데이터 분석 모듈을 더 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 상기 시스템은 반응 챔버 및 분석 모듈과 유체가 통하도록 연결되고 (1) 반응 생성물을 제 2 마이크로유체 채널을 통해 비-마이크로유체 처리 챔버로 라우팅하고; (2) 반응 생성물을 처리하고 (3) 처리된 반응 생성물을 분석 모듈로 라우팅하도록 구성된 처리 모듈을 더 포함한다. 하나의 특정 실시예에 있어서, 상기 시스템은 8 ft3이하, 5 ft3이하 또는 2.5 ft3이하의 인클로저 내에 끼워맞춰진다. 시스템의 다른 실시예에 있어서, 샘플 제조 모듈은 분석물을 세포로부터 방출하도록 된다. 시스템의 다른 실시예에 있어서, 포획 입자는 자성 반응 포획 입자이고 반응 모듈은 포획된 분석물을 고정하도록 구성된 자기력원을 포함한다. 시스템의 다른 실시예에 있어서, 반응 모듈은 열 순환을 수행하도록 되어 있다. 시스템의 다른 실시예에 있어서, 상기 시스템은 폐쇄 시스템이며 그리고/또는 배터리 작동된다.
다른 양태에 있어서, 본 발명은 카트리지 커버, 카트리지 및 공압 매니폴드를 포함하는 시스템을 제공하며, 상기 카트리지는 카트리지 커버 및 공압 매니폴드와 해제가능하게 맞물릴 수 있고, 상기 카트리지는 하나 이상의 공압 작동 밸브 및 하나 이상의 마이크로유체 채널을 포함하고, 공압 매니폴드 및 카트리지 커버는 적어도 1개의 압력원에 각각 유체가 통하도록 연결되고, 공압 매니폴드 및 카트리지 커버는 각각 카트리지 내에서 유체 흐름을 제어하도록 각각 되어 있다. 일실시예에 있어서, 공압 매니폴드는 공압 작동 밸브를 작동시키도록 되고 카트리지 커버는 압력을 카트리지 내의 하나 이상의 챔버에 인가하도록 되어 있다.
다른 양태에 있어서, 본 발명은 a) 서로 유체가 통하도록 연결되는 샘플 챔버, 혼합 챔버 및 열 순환 챔버를 구비한 적어도 1개의 유체 챔버 세트와, 열 순환을 수반하는 화학 반응을 수행하기 위한 시약을 구비한 시약 카드를 포함하되, 시약 카드는 폐쇄 구성에서 카트리지 상에 유지되고 적어도 1개의 유체 챔버 세트와의 유체가 통하도록 연결되어 이동되도록 구성된 일회용 카트리지; b) 상기 카트리지가 구동기 어셈블리와 맞물릴 때 챔버 사이에서 유체를 이동시키도록 구성된 구동기 어셈블리; c) 상기 카트리지가 구동기 어셈블리와 맞물릴 때 열 순환 챔버에서 온도를 순환시키도록 구성된 열 순환기; d) 상기 카트리지가 구동기 어셈블리와 맞물릴 때 카트리지로부터 샘플을 수용하고 모세관 전기영동을 샘플 상에 수행하도록 구성된 모세관 전기영동 어셈블리; 및 (e) 구동기 어셈블리, 열 순환기 및 모세관 전기영동 어셈블리를 제어하도록 구성된 컴퓨터 제어 시스템을 포함하는 시스템을 제공한다.
다른 양태에 있어서, 본 발명은 a) 유체 측 및 시약 카드 측을 포함하되, (i) 유체 측 상에 포트를 각각 포함하는 적어도 1개의 유체 챔버 세트와; (ii) 적어도 1개의 포트를 포함하는 적어도 1개의 열 순환 챔버와; (iii) 적어도 1개의 출구 포트와; (iv) 시약 카드와 맞물리도록 구성된 시약 카드 측 상의 슬롯으로서, 시약 카드 측 상에 캐뉼러를 구비하고 측들 사이에서 교류하는 복수의 슬롯 채널을 포함하는 슬롯을 포함하는 유체 매니폴드; b) 적어도 1개의 마이크로유체 칩으로서, (i) 적어도 1개의 유체 회로와; (ii) 유체 회로와 유체가 통하도록 연결되는 복수의 포트와; (iii) 유체 회로 내에서 유체 흐름을 조절하도록 구성된 적어도 1개의 공압 작동 다이어프램 밸브를 포함하되; 적어도 1개의 칩은 적어도 1개의 칩 내의 포트가 챔버의 포트 및 슬롯 채널과 유체가 통하도록 연결되어 유체 매니폴드와 맞물리고 각 유체 챔버는 적어도 1개의 다른 유체 챔버와 유체가 통하도록 연결되고 각 캐뉼러는 유체 챔버와 교류하는 적어도 1개의 마이크로유체 칩; 및 c) 슬롯과 맞물리고, 시약을 구비한 복수의 시약 챔버를 포함하고, 적어도 1개의 캐뉼러와 각각 정렬되고, 시약 챔버가 캐뉼러에 의해 펑처링되지 않는 제 1 맞물림 위치 및 시약 챔버가 캐뉼러에 의해 펑처링되는 제 2 맞물림 위치를 취함으로써 유체 회로와 유체가 통하도록 연통되는 시약 챔버를 배치시키도록 구성된 시약 카드를 포함하는 카트리지를 제공한다. 일 실시예에 있어서 시약은 PCR을 수행하기 위한 시약을 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 시약은 복수의 짧은 연쇄 반복을 증폭하기 위한 프라이머를 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 적어도 1개의 유체 챔버 세트는 복수의 유체 챔버 세트이다. 또 다른 실시예에 있어서 카트리지는 유체 매니폴드가 이 매니폴드의 유체 측 상에 적어도 1개의 보조 유체 채널을 더 포함하고, 적어도 1개의 칩이 복수의 칩이고 복수의 칩 각각에서의 유체 회로가 보조 유체 채널을 통해 적어도 1개의 다른 칩의 유체 회로와 유체가 통하도록 연결되도록 되어 있다. 이 실시예에 있어서, 카트리지는 칩과 매니폴드 사이에 개스킷을 더 포함할 수 있고, 개스킷은 매니폴드 상의 채널을 밀봉한다. 카트리지의 다른 실시예에 있어서, 유체 챔버는 분배 챔버, 포획 챔버, 샘플 챔버, 및 세정 챔버를 포함한다. 카트리지의 다른 실시예에 있어서, 적어도 1개의 유체 챔버는 자기적으로 반응하는 입자를 포함한다. 카트리지의 다른 실시예에 있어서, 적어도 1개의 유체 챔버 세트는 적어도 4 세트 또는 적어도 8 세트이다. 카트리지의 다른 실시예에 있어서, 칩은 적어도 1개의 다이어프램 밸브를 포함한다.
다른 양태에 있어서, 본 발명은 a) 공압 어셈블리로서, (i) 유체 측 상에서 제 16 항의 카트리지와 제거가능하게 맞물리도록 되되, 적어도 1개의 마이크로유체 칩에서 공압 채널과 맞물리고 다이어프램 밸브를 작동시키도록 복수의 공압 포트를 구비하는 공압 매니폴드와; (ii) 정압 또는 부압을 공압 채널에 공급하도록 구성된 압력원을 포함하는 공압 어셈블리; b) 시약 카드 측 상에 카트리지와 맞물리도록 구성된 카트리지 활성화 어셈블리로서, (i) 공압 측 및 시약 카드 측을 포함하되, 2개의 측 사이에서 교류되고 시약 카드 측 상에 캐뉼러를 구비한 시약 공압 매니폴드 채널을 포함하는 시약 공압 매니폴드와; (ii) 정압 또는 부압을 시약 공압 매니폴드 채널에 공급하도록 구성된 압력원과; (iii) 시약 카드를 제 1 맞물림 위치로부터 제 2 맞물림 위치로 이동시키도록 구성되되, 클램핑은 시약 챔버를 펑처링하고 압력원과 교류하는 시약 챔버를 배치시키는 시약 공압 매니폴드의 캐뉼러에서 끝나는 클램프를 구비하는 카트리지 활성화 어셈블리; c) 상기 카트리지가 클램핑될 때 적어도 1개의 열 순환 챔버에서 온도를 순환시키도록 구성된 열 순환기; d) 모세관 전기영동 어셈블리로서, (i) 상기 카트리지가 클램핑될 때 출구 포트와 유체 맞물리는 적어도 1개의 분리 채널과; (ii) 신호를 적어도 1개의 분리 채널로부터 검출하도록 구성된 광학 서브어셈블리를 포함하는 모세관 전기영동 어셈블리; 및 (e) 공압 어셈블리, 카트리지 활성화 어셈블리, 열 순환기 및 모세관 전기영동 어셈블리를 제어하도록 구성된 컴퓨터 제어 시스템을 포함하는 시스템을 제공한다. 시스템의 일실시예에 있어서, 클램핑은 챔버 포트 및 슬롯 채널을 적어도 1개의 마이크로유체 칩으로 밀봉한다. 이 시스템의 다른 실시예에 있어서. 카트리지 활성화 어셈블리는 시약 공압 매니폴드가 카트리지와 맞물릴 때 유체 챔버의 적어도 1개를 가열하도록 구성된 적어도 1개의 가열기를 더 포함한다. 이 시스템의 다른 실시예에 있어서, 카트리지 활성화 어셈블리는 위치로 그리고 위치로부터 이동되도록 구성된 가동 자석을 더 포함하며 자석은 자기력을 적어도 1개의 유체 챔버 상에 가한다. 이 시스템의 다른 실시예에 있어서, 카트리지 활성화 어셈블리는 유체 매니폴드의 샘플 챔버에서 샘플의 존재를 검출하도록 구성된 센서를 더 포함한다. 이 시스템의 다른 실시예에 있어서, 열 순환기는 펠티에 소자를 포함한다. 일실시예에 있어서 상기 시스템은 휴대용 케이스에 포함된다. 하나의 구체적인 실시예에 있어서, 케이스는 10 ft3이하 또는 2.5 ft3이하의 내부 용적을 갖는다. 이 시스템의 관련 실시예에 있어서, 본 발명은 시스템을 작동시키기 위한 코드를 포함하는 아티클을 제공한다.
다른 양태에 있어서 본 발명은 DNA를 포함하는 적어도 1개의 세포를 구비한 샘플로부터 복수의 STR 표지를 DNA에서 식별하는 컴퓨터 파일을 생성하는 단계를 포함하는 방법을 제공하고, 상기 방법은 4시간 미만의 시간에 수행된다. 일 실시예에 있어서 상기 방법은 3보다 작은 시간에 수행된다. 다른 실시예에 있어서 상기 방법은 2시간 미만의 시간에 수행된다. 관련 실시예에 있어서, 생성 단계는 DNA를 적어도 1개의 세포로부터 추출하는 단계, STR 표지를 DNA로부터 증폭하는 단계, 모세관 전기영동을 증폭된 표지 상에 수행하는 단계, 증폭된 표지를 검출하는 단계, 및 표지를 식별하기 위해 검출된 증폭 표지 상에 컴퓨터 분석을 수행하는 단계를 포함한다. 일실시예에 있어서, 복수의 STR 표지는 적어도 5개의 STR 표지이다. 다른 실시예에 있어서 복수의 표지는 CODIS STR 표지이다. 관련 실시예에 있어서, 복수의 STR 표지는 적어도 5, 10, 또는 13개의 CODIS STR 표지이다. 이들 실시예에 있어서, 적어도 1개의 세포는 복수의 세포일 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 샘플은 포렌식 샘플이다. 구체적인 실시예에 있어서, 상기 방법은 샘플 수집의 부위에서 수행된다. 샘플은 혈액을 포함할 수 있거나, 치크 스왑을 포함할 수 있다. 상기 방법은 여기에 기재된 어떤 시스템에 의해 수행될 수 있다.
관련 양태에 있어서, 본 발명은 방법을 수행하도록 구성된 시스템을 제공하며, 상기 방법은 DNA를 포함하는 적어도 1개의 세포를 구비한 샘플로부터 복수의 STR 표지를 DNA에서 식별하는 컴퓨터 파일을 생성하는 단계를 포함하고, 상기 방법은 4보다 작은 시간에 수행된다.
다른 양태에 있어서, 본 발명은 a) i) 서로 유체가 통하도록 연결되는 샘플 챔버, 혼합 챔버 및 열 순환 챔버를 구비한 적어도 1개의 유체 챔버 세트와, 열 순환을 수반하는 화학 반응을 수행하기 위한 시약을 구비한 시약 카드를 포함하되, 시약 카드는 폐쇄 구성에서 카트리지 상에 유지되고 적어도 1개의 유체 챔버 세트와의 유체가 통하도록 연결되어 이동되도록 구성된 일회용 카트리지; ii) 상기 카트리지가 구동기 어셈블리와 맞물릴 때 챔버 사이에서 유체를 이동시키도록 구성된 구동기 어셈블리; iii) 상기 카트리지가 구동기 어셈블리와 맞물릴 때 열 순환 챔버에서 온도를 순환시키도록 구성된 열 순환기; iv) 상기 카트리지가 구동기 어셈블리와 맞물릴 때 카트리지로부터 샘플을 수용하고 모세관 전기영동을 샘플 상에 수행하도록 구성된 모세관 전기영동 어셈블리; 및 v) 구동기 어셈블리, 열 순환기 및 모세관 전기영동 어셈블리를 제어하도록 구성된 컴퓨터 제어 시스템을 포함하는 시스템을 제공하는 단계; b) 시약 카드를 적어도 1개의 유체 챔버 세트와 유체가 통하도록 연결되어 이동시키는 단계; c) 핵산 분자를 포함하는 샘플을 샘플 챔버에 제공하는 단계; 및 d) 적어도 1개의 핵산 시퀀스를 샘플에서 증폭 및 검출하기 위해 상기 시스템을 작동시키는 단계를 포함하는 방법을 제공한다. 일 실시예에 있어서 단계 b)로부터 단계 d)로 진행되는데 걸리는 시간은 4보다 작다. 일실시예에 있어서, 상기 방법은 복수의 샘플 각각을 상이한 샘플 챔버에 제공하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 상기 방법은 복수의 핵산 시퀀스를 샘플에서 증폭 및 검출하는 단계를 포함한다. 관련 실시예에 있어서, 복수의 핵산 시퀀스는 짧은 연쇄 반복(STR)을 포함한다. 구체적인 실시예에 있어서, 짧은 연쇄 반복은 복수의 결합 DNA 인덱스 시스템(CODIS) 표지를 포함한다. 다른 실시예에 있어서 CODIS 표지는 AMEL, D3S1358, THOl, D21s1 1, D18s51, D5s818, D13s317, D7s820, D16s539, CSFlPO, vWA, D8S1179, TPOX 및 FGA로부터 선택된 복수의 표지를 포함한다. 일실시예에 있어서, 상기 시스템은 a) 공압 어셈블리로서, (i) 유체 측 상에서 제 16 항의 카트리지와 제거가능하게 맞물리도록 구성되되, 적어도 1개의 마이크로유체 칩에서 공압 채널과 맞물리고 다이어프램 밸브를 작동시키도록 복수의 공압 포트를 구비하는 공압 매니폴드와; (ii) 정압 또는 부압을 공압 채널에 공급하도록 구성된 압력원을 포함하는 공압 어셈블리; b) 시약 카드 측 상에 카트리지와 맞물리도록 구성된 카트리지 활성화 어셈블리로서, (i) 공압 측 및 시약 카드 측을 포함하되, 2개의 측 사이에 교류되고 시약 카드 측 상에 캐뉼러를 구비한 시약 공압 매니폴드 채널을 포함하는 시약 공압 매니폴드; (ii) 정압 또는 부압을 시약 공압 매니폴드 채널에 공급하도록 구성된 압력원; (iii) 시약 카드를 제 1 맞물림 위치로부터 제 2 맞물림 위치로 이동시키도록 구성되되, 클램핑은 시약 챔버를 펑처링하고 압력원과 교류하는 시약 챔버를 배치시키는 시약 공압 매니폴드의 캐뉼러에서 끝나는 클램프를 구비하는 카트리지 활성화 어셈블리; c) 상기 카트리지가 클램핑될 때 적어도 1개의 열 순환 챔버에서 온도를 순환시키도록 구성된 열 순환기; d) 모세관 전기영동 어셈블리로서, (i) 상기 카트리지가 클램핑될 때 출구 포트와 유체 맞물리는 적어도 1개의 분리 채널; (ii) 신호를 적어도 1개의 분리 채널로부터 검출하도록 구성된 광학 서브어셈블리를 포함하는 모세관 전기영동 어셈블리; 및 (e) 공압 어셈블리, 카트리지 활성화 어셈블리, 열 순환기 및 모세관 전기영동 어셈블리를 제어하도록 구성된 컴퓨터 제어 시스템을 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 상기 시스템은 여기에 명명된 어떤 시스템이다. 일실시예에 있어서, 샘플은 포렌식 샘플이다. 관련 실시예에 있어서, 샘플은 협측 스왑, 혈액, 헤어 또는 정액으로부터 선택된다. 다른 실시예에 있어서, 샘플은 원래의 샘플이다. 일부 실시예에 있어서, 상기 방법은 상기 시스템을 포렌식 부위로 수송하는 단계를 더 포함한다.
다른 양태에 있어서, 본 발명은 a) 복수의 광학적 투과 채널; b) 복수의 광학적 투과 채널에 향하도록 구성된 광원; c) 광학적 투과 채널을 통과하는 광을 파장 의존 방식으로 분산시키는 분산 요소; 및 d) 분산된 광을 수신하도록 구성된 검출기를 포함하는 광학 시스템을 제공한다. 일실시예에 있어서 복수의 광학적 투과 채널은 적어도 8개의 모세관을 포함한다. 다른 실시예에 있어서 광학적 투과 채널은 제 1 면에 정렬되고 분산 요소는 제 2 면을 따라 광을 분산시키고, 제 1 면 및 제 2 면은 다르다. 다른 실시예에 있어서, 제 1 면은 제 2 면에 직교한다.
다른 양태에 있어서, 본 발명은 a) 여기광을 피사체에 송신하는 여기원; b) 피사체를 캐리어로서, 피사체는 여기 에너지에 의해 여기될 때 여기광 이외의 광을 방출하는 캐리어; c) 여기 에너지를 필터링하고 방출 광의 투과를 허용하는 저지 필터; d) 방출 광의 초점을 맞추도록 구성된 이미징 렌즈; e) 여기 에너지에 실질적으로 투과되고 방출 광을 검출기에 반사시키도록 구성된 이색성 거울; f) 이색성 거울로부터 반사된 광의 초점을 맞추도록 구성된 적어도 1개의 렌즈를 포함하는 포커싱 시스템; 및 g) 반사 광을 수신하도록 구성된 광검출기(CCD 카메라)를 포함하는 광학 시스템을 제공한다. 광학 시스템의 일실시예에 있어서, 여기광은 0.3 미크론과 1 미크론의 파장의 광을 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 캐리어는 모세관 튜브의 어레이를 포함하고 피사체는 형광종을 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 거울은 방출 광 및 입사각에서 약 5도와 약 10도 벗어난 각을 반사시킨다. 다른 실시예에 있어서, 이색성 거울는 실질적으로 모든 광을 투과시키는 부분을 더 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 포커싱 시스템은 적어도 1개의 폴딩 거울을 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 광검출기는 CCD 카메라를 포함한다. 관련 실시예에 있어서, 광학 시스템은 피사체와 이미징 렌즈 사이에 배치된 프리즘을 더 포함할 수 있다.
다른 양태에 있어서, 본 발명은 a) 실질적으로 평행하게 그리고 실질적으로 면에 종렬된 모세관 튜브의 어레이; b) 여기원을 포함하고 여기광을 여기원으로부터 어레이로 전달하도록 구성된 여기 어셈블리로서, 광 전달 어셈블리는 (i) 어레이를 커버하는 얇은 대역의 광을 전달하고 (ii) 광을 면에 대해 90도 이외의 각에서 어레이에 전달하도록 구성된 여기 어셈블리; 및 c) 여기광에 의해 여기된 어레이에서 피사체에 의해 어레이로부터 방출된 광을 수집하도록 구성된 수집 렌즈를 포함하고; 여기 어셈블리 및 수집 렌즈는 어레이를 통과하는 여기광이 수집 렌즈에 의한 수집을 실질적으로 회피하도록 어레이에 대해 구성되는 광학 시스템을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 각은 약 10도 내지 약 85도이다.
다른 양태에 있어서, 본 발명은 a) 복수의 교차 마이크로유체 채널과 교차 채널 사이에서 유체의 흐름을 조절하도록 구성된 적어도 1개의 제어가능 밸브를 포함하는 마이크로유체 구성요소; 및 b) 복수의 비-마이크로유체 챔버를 포함하는 비-마이크로유체 구성요소로서, 각 비-마이크로유체 챔버가 마이크로유체 채널의 적어도 하나에 유체가 통하도록 연결되는 비-마이크로유체 구성요소를 포함하는 기계에 있어서; 상기 기계는 유체를 적어도 1개의 비-마이크로유체 챔버로부터 다른 비-마이크로유체 챔버로 마이크로유체 채널을 통해 흐르게 하도록 구성되고 흐름은 적어도 1개의 밸브에 의해 조절되는 기계를 제공한다. 기계의 일실시예에 있어서, 복수의 비-마이크로유체 챔버는 적어도 3개의 챔버를 포함하고 적어도 1개의 밸브는 유체를 1개의 챔버로부터 적어도 2개의 다른 챔버 중 어느 하나로 선택적으로 향하게 한다. 다른 실시예에 있어서, 기계는 유체를 비-마이크로유체 챔버로부터 마이크로유체 채널로 펌핑하는 펌프를 더 포함한다. 기계의 다른 실시예에 있어서 적어도 1개의 밸브는 다이어프램 밸브이다. 관련 실시예에 있어서, 펌프는 직렬의 3개의 다이어프램 밸브를 포함하는 다이어프램 펌프이다. 다른 실시예에 있어서, 마이크로유체 구성요소는 단일체 장치를 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 마이크로유체 구성요소 및 비-마이크로유체 구성요소의 조합은 유체 회로를 형성하고 상기 기계는 복수의 유체 회로를 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 비-마이크로유체 구성요소는 미립자 포획제를 더 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 입자는 자기장에 반응하고 기계는 입자를 고정시키도록 구성된 자석을 더 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 본 발명은 공통 마이크로유체 채널에 유체가 통하도록 연결된 복수의 비-마이크로유체 챔버를 포함하는 장치를 제공한다.
다른 양태에 있어서, 본 발명은 a) i) 복수의 교차 마이크로유체 채널과 교차 채널 사이에서 유체의 흐름을 조절하도록 구성된 적어도 1개의 제어가능 밸브를 구비하는 마이크로유체 구성요소와; ii) 복수의 비-마이크로유체 챔버를 포함하는 비-마이크로유체 구성요소로서, 각 비-마이크로유체 챔버가 마이크로유체 채널의 적어도 1개에 유체가 통하도록 연결되는 비-마이크로유체 구성요소를 포함하는 장치를 제공하는 단계로서; 기계는 유체를 적어도 1개의 비-마이크로유체 챔버로부터 다른 비-마이크로유체 챔버로 마이크로유체 채널을 통해 흐르게 하도록 구성되고 흐름은 적어도 1개의 밸브에 의해 조절되고; 제 1 비-마이크로유체 챔버는 분석물을 포함하는 제 1 용적을 포함하는 단계; b) 선택된 양의 분석물을 샘플로부터 결합하기 위해 제 1 비-마이크로유체 챔버에 미립자 포획제의 양을 제공하는 단계; c) 분석물에 대한 미립자 포획제 바운드를 마이크로유체 장치 내의 마이크로유체 채널을 통해 제 2 비-마이크로유체 챔버로 이동시키는 단계; d) 분석물에 대한 미립자 포획제 바운드를 제 2 비-마이크로유체 챔버 내의 시약과 접촉시키는 단계; 및 e) 시약을 사용하여 분석물 상에서 화학 반응을 수행하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다. 상기 방법의 일실시예에 있어서 접촉 단계는 시약을 제 3 비-마이크로유체 챔버로부터 마이크로유체 장치 내의 마이크로유체 채널을 통해 제 2 비-마이크로유체 챔버로 흐르게 하는 단계를 포함힌다. 상기 방법의 다른 실시예에 있어서, 입자는 자기력에 반응하고 상기 방법은 분석물에 대한 미립자 포획제 바운드를 자기력으로 기계에 고정시키는 단계를 더 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 상기 방법은 분석물에 대한 미립자 포획제 바운드를 적어도 샘플 용적보다 작은 자릿수의 용적에서 기계에 부유시키는 단계를 포함한다.
다른 양태에 있어서, 본 발명은 a) 제 1 반응 생성물을 생성하기 위해 비-마이크로유체 챔버인 제 1 챔버 내의 분석물 상에 제 1 화학 반응을 수행하는 단계; 및 b) 제 1 반응 생성물을 마이크로유체 채널을 통해 비-마이크로유체 챔버인 제 2 챔버로 이동시켜 제 2 반응 생성물을 생성하기 위해 제 1 생성물 상에 제 2 화학 반응을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
다른 양태에 있어서, 본 발명은 a) 제 1 반응 생성물을 생성하기 위해 비-마이크로유체 챔버인 제 1 챔버 내의 분석물 상에 제 1 화학 반응을 수행하는 단계; 및 b) 제 1 반응 생성물을 마이크로유체 채널을 통해 마이크로유체 챔버인 제 2 챔버로 이동시켜 제 2 반응 생성물을 생성하기 위해 제 1 생성물 상에 제 2 화학 반응을 수행하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다. 본 발명의 관련 양상에 있어서, a) 제 1 반응 생성물을 생성하기 위해 마이크로유체 챔버인 제 1 챔버 내의 분석물 상에 제 1 화학 반응을 수행하는 단계; 및 b) 제 1 반응 생성물을 마이크로유체 채널을 통해 비-마이크로유체 챔버인 제 2 챔버로 이동시켜 제 2 반응 생성물을 생성하기 위해 제 1 생성물 상에 제 2 화학 반응을 수행하는 단계를 포함하는 방법이 여기에 제공된. 일실시예에 있어서, 이 관련 양상의 방법은 제 1 반응 생성물을 제 2 챔버로 이동시키기 전에 제 1 반응 생성물을 세척하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 이 관련 양상의 방법은 적어도 한번 반응 생성물을 마이크로유체 채널을 통해 후속 비-마이크로유체 챔버로 이동시키는 단계 및 후속 반응 생성물을 생성하기 위해 반응 생성물 상에 후속 화학 반응을 수행하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 이 관련 양상의 방법은 적어도 한번 그리고 반응 생성물을 비-마이크로유체 챔버로 이동시키기 전에, 반응 생성물을 마이크로유체 채널을 통해 마이크로유체 챔버로 이동시키는 단계 및 후속 반응 생성물을 생성하기 위해 반응 생성물 상에 후속 화학 반응을 수행하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 있어서, a) 채널 입구와 채널 출구를 갖는 샘플 채널; b) 모세관 입구와 모세관 출구를 갖고, 도전성 매체를 포함하고 접속점에서 샘플 채널과 교류하는 전기영동 모세관; c) 전압을 모세관 입구 및 모세관 출구에 걸쳐 인가하도록 구성된 애노드 및 캐소드로서, 애노드 또는 캐소드 중 하나는 포크형 전극을 포함하고 포크는 접속점의 다른 측 상의 샘플 채널과 전기 통신되는 애노드 및 캐소드; 및 d) 접속점과 실질적으로 대향하는 샘플 채널과 전기 통신하는 제 2 전극을 포함하는 장치가 여기에 제공된다. 상기 장치의 일실시예에 있어서, 제 2 전극은 포크형 전극에 제 3 포크로서 포함된다.
본 명세서에 언급된 모든 공개문헌 및 특허 출원서는 각 개별 공개문헌 또는 특허 출원서가 구체적으로 및 개별적으로 본원에 참고로 도입된 바와 동일한 정도로 본원에 참고로 포함된다.
본 발명의 신규 특징은 첨부된 청구항에 구체적으로 나열되어 있다. 본 발명의 원리를 이용하는 예시적인 실시예를 나열한 하기 발명의 상세한 설명 및 하기 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 특징 및 장점을 더 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 마이크로규모 온-칩 밸브(MOVe)의 예를 도시한다.
도 2는 마이크로칩 상의 MOVe 마이크로밸브, 마이크로라우터, MOVe 믹서 및 비드 포획부를 나타낸다.
도 3은 MOVe 마이크로밸브를 갖는 유체 카트리지를 나타낸다.
도 4는 마이크로밸브를 갖는 마이크로유체 마이크로칩으로의 포트를 갖는 유체 카트리지를 나타낸다.
도 5는 카트리지에서 흐름을 제어하는 MOVe 밸브를 갖는 마이크로유체 마이크로칩을 나타낸다.
도 6은 반응 챔버에 연결된 카트리지, 및 하류 MOVe 펌프 및 시약을 갖는 검출기를 나타낸다.
도 7은 열 순환할 수 있고 자성 포획부, 핀치 클램프 및 7개의 반응을 동시에 순환시키는 능력을 포함한 온도 제어 장치를 나타낸다.
도 8은 열 순환할 수 있고 자성 포획부, 핀치 클램프 및 7개의 반응을 동시에 순환시키는 능력을 포함한 온도 제어 장치를 나타낸다.
도 9는 수동적 테플론(PTFE) 기재 튜브 반응 챔버에서 수행되는 파워플렉스(PowerPlex)16 STR(단일 직렬 반복) 증폭 반응을 나타낸다.
도 10은 69', 23.5', 10.5' 및 4.5'에서 혈액 25 μL로부터의 DNA의 정제를 나타내고; 수율(ng)은 막대로 나타낸다.
도 11은 마이크로칩 상의 비드를 포획하기 위해 마이크로밸브를 사용하는 개략도를 나타낸다.
도 12는 MOVe 마이크로밸브를 사용하는 마이크로칩 상의 카트리지로부터의 비드 포획을 나타낸다.
도 13은 MOVe 마이크로밸브를 사용하는 마이크로칩 상의 카트리지로부터의 비드 포획을 나타낸다.
도 14는 MOVe 마이크로밸브를 사용하는 포획 및 반응 마이크로칩을 나타낸다.
도 15는 MOVe 마이크로밸브를 사용하는 포획 및 반응 마이크로칩을 나타낸다.
도 16은 4-카트리지 어셈블리를 나타낸다.
도 17은 마이크로칩 상의 STR 반응의 예를 나타낸다.
도 18은 핵산 및 독소를 제조하기 위한 만능 샘플 제조 작업 흐름을 나타낸다.
도 19는 상자성 비드를 사용하는 카트리지에서의 샘플의 정제를 나타낸다.
도 20은 카트리지 내의 MOVe 마이크로밸브를 작동시키기 위한 집적 공압 매니폴드를 나타낸다.
도 21은 컴퓨터 제어된 장치상에 탑재된 카트리지를 나타낸다.
도 22는 컴퓨터 제어된 장치 상에 탑재된 카트리지를 나타낸다.
도 23은 5개의 추출/단리 또는 다른 장치로 5개의 시약을 분포시킬 수 있는 MOVe 기술을 기반으로 하는 시약 분포 매니폴드를 나타낸다.
도 24는 5개의 추출/단리 또는 다른 장치로 5개의 시약을 분포시킬 수 있는 MOVe 기술을 기반으로 하는 시약 분포 매니폴드를 나타낸다.
도 25는 샘플 루프 및 MOVe 마이크로밸브를 갖는 분포 매니폴드를 나타낸다.
도 26은 공압 매니폴드를 나타내고, 위 패널은 상단 측면을 나타내고, 아래 패널은 바닥 측면을 나타낸다.
도 27은 면역자기 분리, 이어서 알칼리 용해 및 자성 비드 상의 PEG-촉진 포획에 의한 대장균의 검출, 및 실시간 PCR에 의한 분석을 나타낸다.
도 28은 게놈 라이브러리 및 다른 적용을 구축하는데 사용될 수 있는 3개의 챔버를 갖는 카트리지의 적용을 나타낸다.
도 29는 카트리지를 사용하여 게놈 라이브러리를 제조하기 위한 작업 흐름을 나타낸다.
도 30은 마이크로칩 기재 전기영동을 위한 포크형 주입기를 나타낸다.
도 31은 포크형 주입기에 의한 샘플 적재를 나타낸다.
도 32는 MOVe 마이크로밸브에 커플링된 포크형 주입기를 나타낸다.
도 33은 MOVe 마이크로칩과 커플링된 포크형 캐소드(캐소드) 주입기를 나타낸다.
도 34는 포크형 주입기를 갖는 마이크로칩의 사진을 나타낸다.
도 35는 포크형 주입기를 갖는 마이크로칩의 사진을 나타낸다.
도 36은 포크형 캐소드 주입기로부터 DNA 서열분석 추적으로부터 단일 색상의 전기영동도를 나타낸다.
도 37은 포크형 캐소드 주입 시스템에서의 STR 분리를 나타낸다.
도 38은 셔틀 로딩을 위한 MOVe 마이크로유체를 갖는 포크형 캐소드를 나타낸다.
도 39는 핵산 단리, 증폭(들), 분리 및 검출을 위한 집적 시스템을 나타낸다.
도 40은 카트리지, 마이크로유체 마이크로칩 및 자석을 갖는 장치를 도시한다.
도 41은 유체층, 탄성층 및 공압층을 갖는 마이크로유체 마이크로칩을 도시한다.
도 42는 2개의 물질 층으로 제조된 유체층을 도시한다.
도 43은 단일 물질 층으로 제조된 유체층을 도시한다.
도 44는 mRNA 증폭에 대한 반응식을 도시한다.
도 45는 카트리지 내의 흐름을 제어하는 MOVe 밸브를 갖는 마이크로유체 마이크로칩을 나타낸다.
도 46은 포크형 전극을 나타낸다.
도 47은 포크형 전극, 와이어 실행 전극을 갖는 포크형 전극, 및 캐뉼라형 전극을 갖는 포크형 전극을 나타낸다.
도 48은 분리 채널로의 샘플 주입을 나타낸다.
도 49는 주입 배관과 분리 모세관을 맞물리게 하기 위한 장치를 나타낸다.
도 50은 4개의 주입 배관과 분리 모세관을 맞물리게 하기 위한 장치를 나타낸다.
도 51은 울템(Ultem) 핀치 클램프를 갖는 열순환기를 나타낸다.
도 52는 4-채널 병렬 가공 장치의 구성성분 간의 시약의 이동을 나타내는 다이어그램을 나타낸다.
도 53은 4-채널 병렬 시약 전달 장치를 나타낸다: 칩 C 마이크로칩 설계는 왼쪽 위에 나타내고, 유체 매니폴드는 왼쪽 아래에 나타내고, 제작되고 조립된 장치는 오른쪽에 나타낸다.
도 54는 4-채널 샘플 제조 장치(왼쪽) 및 단일체 공압 매니폴드 상에 탑재된 4-채널 샘플 제조 장치(오른쪽)를 나타낸다.
도 55는 4-채널 샘플 제조 장치의 MOVe 마이크로칩 설계를 나타낸다.
도 56은 4-채널 샘플 제조 장치에서 제조된 DNA 샘플의 아이덴티필러(IdentiFiler) STR 프로파일을 나타내며, 여기서 STR 증폭은 급속 프로토콜(1.5 시간)을 사용하여 STR 반응 서브시스템 열순환기에서 수행하였다.
도 57은 유체 매니폴드를 갖는 칩 A 마이크로칩과 조합된 4-채널 증폭 후 장치를 나타낸다: 칩 A 마이크로칩 설계는 왼쪽에 나타내고, 제작된 마이크로칩은 가운데에 나타내고, 조립된 유체 매니폴드 및 마이크로칩은 오른쪽에 나타낸다.
도 58은 증폭 후 장치를 갖는 증폭 후 STR 세정 서브시스템을 나타낸다.
도 59는 증폭 후 장치에서 사용될 수 있는 칩 E 마이크로칩 설계를 나타낸다.
도 60은 믹서의 다이어그램을 나타낸다.
도 61은 믹서의 다이어그램을 나타낸다.
도 62는 세포를 용해하기 위해 믹서를 사용한 결과를 나타낸다.
도 63은 집적 분석 시스템의 구성요소를 도시한다.
도 64는 집적 분석 시스템의 하드웨어 구성요소를 도시한다.
도 65는 집적 분석 시스템의 소프트웨어 구성요소를 도시한다.
도 66은 집적 분석 시스템의 소모성 구성요소를 도시한다.
도 67은 집적 분석 시스템의 설명서 구성요소를 도시한다.
도 68은 내장된 집적 분석 시스템의 사진을 나타낸다.
도 69는 내장된 집적 분석 시스템의 개략도를 나타낸다.
도 70은 내장된 휴대용 집적 분석 시스템의 개략도를 나타낸다.
도 71은 휴대용 집적 분석 시스템 및 폴리머 주입 시스템의 개략도를 나타낸다.
도 72는 광학 검출 시스템 및 공압 시스템의 개략도를 나타낸다.
도 73은 집적 분석 시스템의 다이어그램을 나타낸다.
도 74는 카트리지 커버 및 공압 구성요소의 개략도를 나타낸다.
도 75는 카트리지 커버, 카트리지, 공압 매니폴드, 및 열 순환기의 개략도를 나타낸다.
도 76은 시약 카세트를 갖는 카트리지를 도시한다.
도 77은 시약 카세트를 갖는 카트리지를 도시한다.
도 78은 시약 카세트를 갖는 카트리지의 평면도를 도시한다.
도 79는 시약 카세트를 갖지 않는 카트리지의 평면도를 도시한다.
도 80은 카트리지의 저면도를 도시한다.
도 81은 튜브를 갖는 카트리지의 저면도를 도시한다.
도 82는 튜브를 갖는 카트리지의 저면도를 도시한다.
도 83은 내장된 집적 분석 시스템으로 카트리지의 로딩을 도시한다.
도 84는 내장된 집적 분석 시스템으로 카트리지의 로딩을 도시한다.
도 85는 내장된 집적 분석 시스템으로 카트리지의 로딩을 도시한다.
도 86은 샘플 분석 절차의 다이어그램을 나타낸다.
도 87은 샘플 분석 절차의 다이어그램을 나타낸다.
도 88a는 샘플 분석 절차의 타임라인을 나타낸다.
도 88b는 샘플 분석 절차의 타임라인을 나타낸다.
도 88c는 샘플 분석 절차의 타임라인을 나타낸다.
도 89는 마이크로모세관의 집합체를 갖고, 광학에 의해 수집된 미광의 양을 제한하는 천공부를 포함하는 플랫폼을 나타낸다.
도 90은 광학 어셈블리를 나타낸다.
도 91은 개별 이미지를 각각 형성하는 복수의 모세관을 통한 광 투과를 나타낸다.
도 92는 여기원으로부터 광 투과를 허용하는 이색성 거울(폴딩 거울 1) 및 어셈블리의 풋프린트를 감소시키는 제 2 폴딩 거울을 포함하는 광학 어셈블리를 나타낸다.
도 93은 방출된 형광이 수집될 수 있는 평면에 수직으로 모세관을 통과하는 광이 향하지 않도록 모세관의 집합체가 배치되는, 평면에 대하여 사각에서의 여기 광의 방향을 나타낸다.
도 94는 도 93 구성의 하향도(top-down view)이다.
도 95는 형광종을 갖고 광에 의해 여기된 8개의 모세관 튜브에 의해 생성되는 이미지를 나타낸다.
도 96은 샘플을 전기영동 모세관으로 주입하는 주입 시스템을 나타낸다.
도 96a는 배관의 루멘 내에서 모세관에 대향하는 3개의 전극을 나타낸다. 제 3 전극은 전기가 통하도록 연결되는 것이 아니라, 독립적으로 대전된다.
도 96b는 배관의 루멘 내에서 모세관에 대향하는 3개의 전극을 나타낸다. 모든 전극은 전기가 통하도록 연결되어 있다.
도 97은 집적 서브시스템을 나타낸다.
도 98a 및 b는 전기영동 모세관, 예컨대 모세관 집합체의 온도를 조절하기 위한 장치의 실시예를 나타낸다. 전기 절연 회로 기판은 일반적으로 모세관의 배치를 위한 S자형 경로를 갖는다.
도 99는 분석물을 모세관 집합체에서 검출하기 위한 광학 시스템의 일 실시예를 나타낸다.
도 100은 장치에서의 '귀중한 시약 카트리지'의 배치의 '귀중한 시약' 전달 일 실시예를 나타낸다.
도 101은 증폭 후 모듈을 형성하기 위해 유체 카트리지와 맞물리는 마이크로유체 칩의 유체 및 공압 아키텍처를 나타낸다.
도 102는 2 x 2 x 2 ft를 측정하는 시스템 인클로저의 일 실시예를 나타낸다.
도 103은 시약 전달 모듈을 형성하기 위해 유체 카트리지와 맞물리는 마이크로유체 칩의 유체 및 공압 아키텍처를 나타낸다.
도 104는 유체층이 복수의 서브층을 포함하는 장치의 일부를 분해도로 나타낸다. 상면 또는 외부 서브층(121)은 "에치" 층으로 지칭되고 저면 또는 서브층(122)은 "비아" 층으로 지칭된다. 에치 층 내의 채널에서 이동하는 유체는 탄성 층을 마주보는 비아 층 내의 도관으로 흐를 수 있다.
본 발명은 유체의 이동을 제어하기 위해 밸브, 예컨대 마이크로밸브(공압식으로 구동되는 밸브 및 마이크로규모 온-칩 밸브를 포함하나 이에 제한되지 않음)를 그의 설계에 일부로서 포함한 장치를 포함한다. 이러한 장치는 구성성분의 풍부화, 샘플 제조, 및/또는 샘플 중의 또는 샘플로부터의 하나 이상의 구성성분의 분석을 위해 사용될 수 있다.
본 발명은 유체 및 분석물질 가공을 위한 장치 및 이의 사용 방법을 제공한다. 본 발명의 장치는 유체 및 분석 물질에 대한 다양한 작용을 수행하는데 사용될 수 있다. 이들 작용은 이동, 혼합, 분리, 가열, 냉각 및 분석을 포함할 수 있다. 장치는 다수의 구성성분, 예컨대 카트리지, 마이크로유체 마이크로칩 및 공압 매니폴드를 포함할 수 있다.
마이크로유체-비-마이크로유체 집적
일 양태에 있어서, 본 발명은 비-마이크로유체 규모상에서 수행된 기능을 집적하기 위해 마이크로유체 구성요소를 사용하는 기계를 제공한다. 상기 기계는 서로 유체가 통하도록 연결되고 마이크로유체 장치, 예컨대 마이크로유체 칩 내의 마이크로유체 채널을 통해 마이크로유체 챔버에 연결되는 비-마이크로유체 챔버를 포함한다. 마이크로유체 장치는 밸브 및 펌프와 같은 방향 제어 메커니즘을 포함하며, 그것에 의해 유체는 상이한 챔버 사이에서 그리고 상이한 채널을 따라 선택적으로 라우팅될 수 있고, 단일 챔버는 다수의 다른 챔버와 교류될 수 있다. 이런 연결 및 라우팅 기구는 기능의 자동화를 가능하게 한다. 특정 실시예에 있어서, 상기 기계는 분석물을 결합하며, 원하는 유체 용적에 고정되며, 부유되거나 재부유되고 마이크로유체 채널을 통해 챔버로 그리고 챔버로부터 라우팅될 수 있는 미립자 포획제를 사용한다. 이것은 비-마이크로유체 환경으로부터 마이크로유체 환경으로 그리고 원래의 비-마이크로유체 환경으로 분석물의 전이를 단순화한다. 포획제의 양은 원하는 양의 분석물을 샘플로부터 포획하기 위해, 예컨대 분석물을 희석 샘플로부터 농축하며, 모든 또는 실질적으로 모든 분석물을 샘플로부터 정량적으로 포획하거나 분석물의 일부를 더 농축된 샘플로부터 선택하기 위해 선택될 수 있다. 이것은 반응에 사용된 분석물의 양을 "조정"하게 해서 유체 취급 단계를 더욱 감소시킨다. 상기 장치는 유체 조작이 병렬로 수행될 수 있게 하는 복수의 병렬 유체 회로를 포함할 수 있다. 장치상의 마이크로유체 및 비-마이크로유체 구성요소의 집적은 화학 반응들(예컨대, 화학 반응, 생화학 반응 및 효소 반응)의 수행 동안 샘플 취급을 단순화한다. 또한, 그것은 조작의 사이즈 감소를 허용해서, 풋프린트 및 시스템에 의해 점유되는 전체 공간을 감소시킨다. 따라서, 본 발명의 기계는 비-마이크로유체 및 마이크로유체 환경을 집적한다.
보다 구체적으로, 본 발명은 서로 유체가 통하도록 연결되는 마이크로유체 구성요소 및 비-마이크로유체 구성요소를 포함하는 기계를 제공한다. 마이크로유체 구성요소는 적어도 1개의 마이크로유체 채널을 포함한다. 마이크로유체 채널은 통상 1 ㎟보다 작은 단면적 또는 약 0.1 미크론에서 약 500 미크론까지, 예컨대 약 350 미크론보다 아래의 범위에 있는 적어도 1개의 단면 치수를 갖는다. 비-마이크로유체 구성요소는 적어도 1개의 비-마이크로유체 챔버(개방 또는 폐쇄), 즉 비-마이크로유체 용적 예컨대, 적어도 10 마이크로리터, 적어도 20 마이크로리터, 적어도 50 마이크로리터, 적어도 100 마이크로리터, 적어도 500 마이크로리터, 적어도 1 ml, 적어도 10 ml 또는 적어도 100 ml를 유지하는 챔버를 포함한다. 따라서, 본 발명의 기계에서, 비-마이크로유체 챔버는 마이크로유체 채널과 유체가 통하도록 연결되어 있다. 상기 기계는 유체 샘플(예컨대, 액체)을 비-마이크로유체 챔버로부터 마이크로유체 채널로 및/또는 마이크로유체 채널로부터 비-마이크로유체 챔버로 또는 그렇지 않으면 마이크로유체 장치로부터 수송하도록 되어 있다. 다른 실시예에 있어서 마이크로유체 장치는 마이크로유체 채널과 유체가 통하도록 연결되어 있는 마이크로유체 챔버를 포함한다. 이 경우에, 상기 기계는 마이크로유체 챔버와 비-마이크로유체 챔버 사이의 유체 샘플을 마이크로유체 채널을 통해 수송하도록 되어 있다. 마이크로유체 채널로부터 비-마이크로유체 챔버로 이동된 유체는 장치로부터 제거될 수 있다.
분석물의 조작은 여러 단계를 포함할 수 있다. 이것은, 예컨대 화학 반응을 위한 분석물을 준비하는 것, 다양한 서열을 갖는 하나 이상의 시약을 혼합하는 것, 분석물과의 화학 반응을 수행하는 것, 폐기물 및 세척액을 제거하는 것을 포함할 수 있다. 본 발명의 기계는 분석물, 시약, 폐기물 및 세척액을 구획부 사이에서 라우팅함으로써 이 기능을 수행하는데 사용될 수 있다. 따라서, 특정 실시예에 있어서 상기 장치의 기계는 마이크로유체 채널을 통해 서로 연결된 복수의 비-마이크로유체 챔버를 포함한다. 유체는 어떤 적절한 원동력, 예컨대 연속 압력 또는 비-연속 압력(예컨대, 용적형 펌프), 전기삼투 흐름 또는 원심분리에 의해 한쪽 챔버로부터 다른 쪽 챔버로 이동될 수 있다. 압력은 내부에서(예컨대, 온-칩 다이어프램 밸브에 의해) 또는 외부에서 발생될 수 있다. 채널은 요구대로 챔버 사이에서 유체를 선택적으로 라우팅하기 위해 방향 제어 기구를 포함할 수 있다. 이 기구는 본원의 다른 곳에 기재된 다이어프램 밸브와 같은 밸브, 왁스 밸브와 같은 단일 용도 밸브 또는 다른 밸브일 수 있다. 밸브를 적당한 시퀀스에서 개방 및 폐쇄함으로써, 분석물, 시약 및 폐기물은 적절한 위치로 라우팅될 수 있다. 이와 같이, 기계의 마이크로유체 부분은 각종 기능이 분석물 상에서 수행될 수 있는 비-마이크로유체 환경 사이에서 유체를 라우팅하기 위해 사용된다.
비-마이크로유체 챔버는 분석물을 결합하기 위해 포획제를 포함할 수 있다. 포획제는 일반적으로 고형 기질를 포함하고 분석물을 특이적으로 또는 비특이적으로 결합할 수 있다. 기질은 결합력을 보일 수 있거나, 결합 특성을 갖는 분자가 기질, 예컨대 항체에 부착될 수 있다. 포획제는 미립자 포획제일 수 있다. 대안으로, 재료는 크로마토그래픽 물질일 수 있다. 이 경우에, 샘플은 크로마토그래픽 물질 및 분리된 단편을 통과하여 마이크로유체 장치 안으로 도입될 수 있다. 대안으로, 포획제는 단일체일 수 있다. 대안으로, 포획제는 포스트와 같은 챔버의 표면에 부착될 수 있거나, 챔버의 표면은 포획 분자로 유도체화될 수 있다.
또한, 장치는 마이크로유체 채널과 비-마이크로유체 챔버 사이에 비드와 같은 입자를 이동시키도록 되어 있다. 입자는 자기력, 전기력, 또는 다른 힘에 반응할 수 있다. 예컨대, 그것은 상자성 또는 자기 입자일 수 있다. 이것은 전자석을 포함하는 고정 또는 가동 자석을 사용한 자기장의 인가에 의해 장치 내에서 입자의 다른 조작을 허용한다. 입자는 하나 이상의 분석물을 샘플로부터 포획하기 위해 포획제로 작용할 수 있다. 예컨대, 입자는 분석물에 대해 특정 또는 비특정 친화성을 가질 수 있다. 입자가 고체이기 때문에, 입자를 고정하고 그것이 포함되는 유체 용적을 변경함으로써 비-마이크로유체의 유체 용적과 마이크로유체의 유체 용적 사이에서 전이되게 한다. 입자는 비-마이크로유체 챔버에서 또는 마이크로유체 장치에서 고정될 수 있다.
본 발명의 기계는 선택된 분석물의 양을 샘플로부터 비-마이크로유체 챔버에서 포획하기 위해 그리고 그 분석물의 양을 챔버로부터 마이크로유체 채널로 수송하기 위해 사용될 수 있다. 이전에 마이크로유체 채널에서, 입자는 저장 또는 가공을 위해 비-마이크로유체 챔버로 라우팅될 수 있다. 예컨대, 샘플의 비-마이크로유체 용적이 챔버에 제공된다. 샘플은 예컨대 분석물에 대해 희석되거나 농축될 수 있다. 포획제의 양 및 조건을 적절히 조정함으로써, 선택된 분석물의 양이 포획제에 의해 포획될 수 있다. 예컨대, 농축된 샘플에서, 소량의 포획제는 반응에서 사용될 분석물의 일부만이 포획되도록 선택될 수 있다. 이것은 샘플 용적, 예컨대 화학 반응을 수행하기에 충분하거나 적절한 양으로 분석물 일부의 샘플링을 가능하게한다. 대안으로, 희석 샘플에서, 대량의 포획제는 제공된 대부분의 또는 실질적으로 모든 분석물이 포획제 상에 포획되도록 사용될 수 있다. 이것은 분석물을 효율적으로 농축시킨다. 분석물을 세척하는 것은 불순물을 제거해서 억제제, 다른 분석물 등과 같은 샘플의 바람직하지 않은 성분으로부터 분석물을 효과적으로 정제할 수 있다. 또한, 포획의 특이성은 분석물의 더 넓은 또는 더 좁은 범위, 예컨대 DNA의 더 긴 또는 더 짧은 조각을 선택하기 위해 화학을 조정함으로써, DNA를 RNA로부터 식별함으로써, 또는 더 넓은 또는 더 좁은 특이성을 갖는 친화성 시약을 사용함으로써 제어될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 다중 분석물은 친화성 시약을 결합함으로써 또는 비드의 한 유형 상에 포획의 다중 모드를 어느 한쪽에 사용함으로써 또는 다수의 비드 또는 입자 종류를 혼합함으로써 포획될 수 있다. 특정 실시예에 있어서, 상기 기계는 가공의 일부 단계에서 분자를 검출하기 위한 검출기, 예컨대 광 검출기를 더 포함한다.
여러 가지 반응 시퀀스가 계획된다. 화학 반응은 분석물 상에서 수행될 수 있다. 그 다음, 반응 생성물이 세정되고 상이한 화학 반응이 수행된다. 반응 생성물을 세정하고 후속 상이한 반응을 수행하는 시퀀스가 반복된다. 특히, 본 발명은 세정 단계에 의해 분리되는 일련의 생화학적 또는 효소 반응을 수행하는 것을 계획한다. 이러한 일 예는 Eberwine 화학이며, 여기서 제 1 화학 반응, 역전사 뒤에 제 2 반응이 이어지고, 제 2 가닥을 합성한 뒤에 제 3 반응 전사가 이어진다. 각 후속 반응 전에, 그리고 통상 마지막 반응 후에, 생성물은 다음 단계의 준비 시에 오염물이 제거된다. 일 실시예에 있어서, 비-마이크로유체 챔버 내의 반응 생성물은 마이크로유체 채널을 통해 다른 비-마이크로유체 챔버로 이동된다. 다른 실시예에 있어서, 비-마이크로유체 챔버 내의 반응 생성물은 마이크로유체 채널을 통해 마이크로유체 챔버, 예컨대 온-칩으로 이동된다. 다른 실시예에 있어서, 마이크로유체 챔버 내의 반응 생성물은 마이크로유체 채널을 통해 비-마이크로유체 챔버로 이동된다. 따라서, 본 발명은 작은 분석물 용적 및 작은 시약 용적의 사용을 제공함으로써, 시약의 폐기물을 감소시킨다.
예컨대, 상기 기계는 DNA 증폭과 같은 핵산 상에 화학 반응을 수행하기 위해 사용될 수 있다. DNA를 포함하는 샘플의 비-마이크로유체 용적(예컨대, 수백 마이크로리터)은 이 장치의 비-마이크로유체 챔버에서 수집될 수 있다. 상자성 포획 입자는 조정된 양의 핵산을 포획하기 위해 마이크로유체 회로를 통해 챔버로 흐를 수 있다. 상자성 입자는 자기력에 의해 챔버에서 유지될 수 있고 비-포획된 샘플은 예컨대 마이크로유체 채널을 통해 폐기물로서 제거될 수 있다. 마이크로유체 장치 내의 밸브는 이 때 세척액의 용적, 예컨대 비-마이크로유체 용적을 챔버로 라우팅하기 위해 구성될 수 있다. 분석물 및 입자가 세척되어 고정될 수 있고 폐기물이 제거될 수 있다. 그 다음에, 입자와 포획되고 정화된 분석물이 용적 내에 재부유될 수 있고 챔버로부터 마이크로유체 채널을 통해 비-마이크로유체 반응 챔버 또는 마이크로유체 반응 챔버일 수 있는 열 순환 챔버로 이동된다. 거기서, 입자가 고정되고 액체가 제거될 수 있다. 이것은 입자를 대략 입자 용적으로(예컨대, 나노리터 범위에서) 농축시킬 수 있다. 핵산 증폭을 적당한 용적으로 수행하기 위한 시약은 마이크로유체 채널을 통해 열 순환 챔버로 라우팅될 수 있다. 어떤 조건 하에서, 반응 혼합은 핵산을 입자로부터 용출시킬 것이다. 따라서, 본 발명은 분석물이 입자에 부착된 채로 분석물을 입자로부터 우선 용출시키지 않고 PCR, 순환 서열분석, 실시간 PCR, 롤링 순환 증폭, 제한 소화, RNA 단편, 단백질 소화 등과 같은 화학 반응을 수행하기 위한 시약과 접촉시키는 것, 및 예컨대 시약과 혼합하기 위한 농도를 결정하고 분석물의 양을 선택하는 것을 계획한다. 이것은 분석물을 포획하기 위해 사용된 포획제를 적절히 조정함으로써 부분적으로 가능해지고, 그 결과 적절한 양의 분석물은 이미 제공되어 있다. 효소 반응 또는 열 순환 후에, 생성물은 세정을 위한 마이크로유체 채널, 예컨대 마이크로유체 챔버에서 또는 비-마이크로유체 챔버로 이동될 수 있다. 이것은 염 농도를 감소시키기 위해 생성물을 희석시키는 것을 포함할 수 있다. 또한, 그것은 분석물을 비드에 결합하고, 이들을 고정시키고, 이들을 세척하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 그것은 크로마토그래피, 고체상 추출, 또는 다른 세정 방법을 마이크로유체 규모 또는 비-마이크로유체 규모로 포함할 수 있다. 이 시점에서, 마이크로유체 구성요소는 생성물을 분석을 위한 절절한 위치, 예컨대 모세관 전기영동을 위한 모세관 튜브로 라우팅할 수 있거나 생성물은 상용 모세관 집합체 전기영동 기계, 질량 분석기, 또는 다른 분석 기계와 같은 비-집적 시스템에 의한 분석을 위해 비-마이크로유체 용적으로 출력될 수 있다. 또한, 마이크로유체 장치는 폐기물 제한 영역을 포함할 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 본 발명의 마이크로유체 장치는 단일체 장치이다. 단일체 장치에서는, 복수의 회로가 단일 기판상에 제공된다. 다이어프램 밸브를 포함하는 장치의 경우에, 단일체 장치는 복수의 밸브를 위한 다이어프램으로 작용하는 단일 탄성층을 포함한다. 어떤 실시예에 있어서, 하나의 작동 채널은 단일체 장치상의 복수의 밸브를 작동시킬 수 있다. 이것은 다수의 유체 회로의 병렬 활성화를 허용한다. 단일체 장치는 마이크로유체 회로의 밀집된 배열을 가질 수 있다. 이 회로는 각 회로 내의 채널이 독립적으로 이루어지고 함께 조립되는 것보다 오히려 단일 기판상에 동시에 제작되기 때문에 부분적으로 높은 신뢰성으로 기능 한다.
이 장치의 유체 회로는 밀하게 팩킹될 수 있다. 회로는 개방 또는 폐쇄 유체 도관을 포함할 수 있다. 특정 실시예에 있어서, 상기 장치는 1000 ㎟ 당 적어도 1개의 유체 회로, 1000 ㎟ 당 적어도 2개의 유체 회로, 1000 ㎟ 당 적어도 5개의 유체 회로, 1000 ㎟ 당 적어도 10개의 유체 회로, 1000 ㎟ 당 적어도 20개의 유체 회로, 1000 ㎟ 당 적어도 50개의 유체 회로를 포함할 수 있다. 대안적으로, 상기 장치는 10 ㎟ 면적 당 적어도 1 mm의 채널 길이, 10 ㎟ 당 적어도 5 mm 채널 길이, 10 ㎟ 당 적어도 10 mm의 채널 길이 또는 10 ㎟ 당 적어도 20 mm의 채널 길이를 포함할 수 있다. 대안적으로, 상기 장치는 ㎠ 당 적어도 1개의 밸브, ㎠ 당 적어도 4개의 밸브, 또는 ㎠ 당 적어도 10개의 밸브를 갖는 밀도로 밸브(안착되거나 안착되지 않은)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 상기 장치는 에지 대 에지가 5 mm이하로 떨어진, 2 mm 이하로 떨어진, 1 mm 이하로 떨어진, 500 미크론 이하로 떨어지거나 250 미크론 이하로 떨어진 채널과 같은 특징을 포함할 수 있다.
만능 샘플 제조 시스템
본 발명은 만능 샘플 제조 시스템을 제공한다. 이 시스템은 정제되지 않은 형태로 분석물에 포함되는 생물학적 샘플을 수용하고, 분석물을 정제하고, 적어도 1개의 생화학 반응을 분석물 상에서 수행하고, 생화학 반응의 생성물을 분석하도록 구성된다.
만능 샘플 제조 시스템은 6 ft3이하, 7 ft3이하, 8 ft3이하, 97 ft3이하, 또는 10 ft3이하의 용적 내에 맞도록 구성될 수 있다. 하나의 구체적인 실시예에 있어서, 만능 샘플 제조 시스템은 약 8 ft3의 내에 맞도록 구성된다. 다른 구체적인 실시예에 있어서, 만능 샘플 제조 시스템은 약 10 ft3의 용적 내에 맞도록 구성된다.
만능 샘플 제조 시스템은 이하의 모듈: 샘플 제조 모듈, 반응 모듈, 반응 후 모듈, 분석 모듈, 및/또는 컴퓨터 모듈을 포함할 수 있다. 샘플 제조 모듈은 분석물에서, 예컨대 DNA를 비-마이크로유체 용적을 갖는 샘플로부터 포획하고, 포획된 분석물을 제 1 마이크로유체 채널로 이동시키도록 구성될 수 있다. 이것은 분석물을 농축하기 위해, 예컨대 자기적으로 반응하는 포획 입자를 사용하여 달성될 수 있다. 반응 모듈은 제 1 마이크로유체 채널에 유체가 통하도록 연결되고 반응 생성물을 생성하기 위해 반응 챔버에서 분석물 상에 적어도 1개의 생화학 반응을 수행하도록 구성된다. 통상적으로, 반응 챔버 내의 분석물은 샘플 제조 모듈에서 그 농도에 따라서 농축된다. 반응 후 모듈은 반응 모듈과 유체가 통하도록 연결되어 있고 분석을 위한 반응 생성물을 가공하도록 구성된다. 반응 후 모듈은 반응 생성물을 제 2 마이크로유체 채널을 통해 반응 후 모듈 내의 비-마이크로유체 챔버로 이동시키도록 구성될 수 있다. 분석 모듈은 반응 모듈 또는 반응 후 모듈에 유체가 통하도록 연결되고 모세관 전기영동과 같은 분석을 반응 생성물 상에서 수행하도록 구성된다. 분석 모듈은 반응 생성물에 대한 데이터를 발생시킨다. 컴퓨터 모듈은 데이터를 처리 및/또는 분석하고, 데이터를 범용 포맷으로 포맷하는 것을 포함하는 컴퓨터 실행가능 코드를 포함한다. 이 시스템은 또한 인터넷에 액세스하고, 데이터를 오프 사이트 서버에 송신하고 정보를 서버로부터 수신하도록 구성될 수 있다.
예시적인 장치는 도 6에 나타낸다. 도 6은 집적 마이크로칩 (1), 온도 조절 장치 (400) 및 하류 분석 장치 (500)를 갖는 카트리지를 나타낸다. 특정 실시양태에서, 장치는 마이크로칩에 맞물리거나 또는 다르게 유체가 통하도록 연결된 카트리지를 포함하는 유체 제조 모듈; 카트리지를 통해 유체 채널, 예컨대 튜브를 갖는 유체 수송기를 통해 유체 제조 모듈에 연결되고, 유체 수송기에서 온도를 조절하도록 배치된 오프-칩 열 조절 모듈을 포함하며, 여기서 유체 수송기는 추가로 유체를 하나 이상의 후속 장치로 선택적으로 보낼 수 있는 유체 채널 및 밸브를 갖는 제2 마이크로칩에 유체가 통하도록 연결된다. 이 장치는 열 순환 또는 등온 반응에서 사용될 수 있다.
하나의 적용에 있어서, 시스템은 생물학적 샘플로부터 CODIS 데이터베이스를 탐색하기 위한 CODIS-호환 파일을 준비하도록 구성된다. CODIS는 13개의 STR(short tandem repeat) 유전자 자리를 유전자 식별 표지로서 현재 사용하는 포렌식 시스템이다(예컨대, www.fbi.gov/hq/lab/html/codisl.htm 참조). 13개보다 다소 많은 표지로부터의 정보는 식별의 증거를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 샘플 제조 모듈은 DNA를 포렌식 물질로부터 추출하고, 소 정량의 DNA를 포획 입자상에 예컨대 자기적으로 반응하는 입자에서 포획하고, DNA를 반응 모듈의 비-마이크로유체 반응 챔버로 전달하며, 여기서 입자는 예컨대 자기력에 의해 고정된다. 거기서, PCR을 위한 시약은 반응 챔버에 전달되고 CODIS에 사용된 STR 표지는 PCR을 사용하여 증폭된다. 증폭은 Promega(예컨대, PowerPlex 생성물 시리즈)로부터 이용가능한 것과 같은 사용 시약을 사용하여 수행될 수 있다. 이 생성물은 4개의 상이한 컬러의 형광 표지를 사용한다. PCR 생성물은 반응후 모듈로 라우팅되어 모세관 전기영동을 위해 적절한 농도로 희석된다. 새로운 생성물은 분석 모듈로 향하게 되며, 여기서 모세관 전기영동이 수행된다. 이 생성물에서의 분석물은 형광 검출에 의해 검출된다. 이 때, 생성된 데이터는 각 형광종에 대한 추적을 발생시키는 알고리즘에 영향을 받게 된다. 그 다음, 이 추적은 CODIS에 사용되는 STR 유전자 자리에서 표지를 식별하기 위해 컴퓨터에 의해 분석될 수 있다. 그러한 소프트웨어는 예컨대 GeneMapper™ ID-X 소프트웨어 또는 NIST 소프트웨어 툴(www.cstl.nist.gov/biotech/strbase/software htm)과 같은 Life Technologies로부터 상용가능하다. 소프트웨어는 이 데이터를 CODIS와 호환가능한 파일 포맷으로 변환할 수 있다. 예컨대 www.ncjrs.gov/pdf파일sl/nij/sl413apf.pdf 참조. CODIS 호환가능 파일은 CODIS 데이터베이스와 같은 포렌식 데이터베이스에 질문하기 위해 사용될 수 있다. 이 시스템은 인터넷에 액세스해서 파일을 적절한 분석용 데이터베이스에 전달하고 초기 샘플과 개체 사이의 가능한 매치를 나타내는 데이터베이스로부터 결과를 수신하기 위해 구성될 수 있다.
I. 샘플 제조 모듈
샘플 제조 모듈은 분석물을 비-마이크로유체 용적으로 경질 기질 상으로 포획하고 포획된 분석물을 마이크로유체 채널을 통해 반응 모듈의 반응 챔버로 라우팅하기 위해 구성된다. 분석물은 샘플로부터 포획될 수 있으며 여기서 분석물은 단리되지 않은 형태로 되어 있다. 분석물은 본래 관련되는 다른 세포 또는 생체 분자 성분과 함께 존재하면 단리되지 않는다. 이는 예컨대, 세포질 성분 또는 바이러스성 성분을 포함할 수 있다. 샘플 제조 모듈은 분석물을 원래의 샘플로부터 포획하기 위해 구성될 수 있다. 원래의 샘플은 분석물이 세포 또는 바이러스 내에 포함되는 것이다. 예컨대, 혈액, 치크 스왑(cheek swab) 및 정액은 분석물 DNA룰 포함하는 원래의 샘플이다. 이 경우에, 샘플 제조 모듈은 세포를 용해하고 DNA를 용해물로부터 추출하는 물질을 포함할 수 있다.
일 양태에 있어서 도 16에 도시된 바와 같은 샘플 제조 장치, 도 21 및 도 22와, 도 54에서의 장치(1000)는 카트리지를 작동시키기 위해 마이크로밸브 및 구성요소를 통하여 카트리지에서 유체의 이동을 제어하는 마이크로유체 마이크로칩이 집적된 카트리지를 포함한다. 카트리지 및/또는 이의 구획부는 거기서 자동화된 장치에서 1 ml 이상의 입력 샘플을 가공하기에 충분한 크기일 수 있다. 카트리지는 마이크로밸브에 의해 조절되는 압력-추진 흐름 또는 진공을 사용하여 이동될 수 있는 성분을 출력하기 위해 샘플을 가공할 수 있다. 카트리지는 혈액, 에어로졸 액, 스왑, 체액, 스와이프, 다른 액체, 고체, 및 가스 샘플과 같은 매크로규모 샘플을 포함하는 전달 장치에 인터페이스를 제공할 수 있다. 카트리지는 마이크로규모 샘플 제조 및 분석을 사용하여 매크로규모 샘플 용적을 가공할 수 있다. 카트리지는 마이크로유체 장치를 사용하여 매크로규모 또는 큰 용적 샘플을 가공할 수 있고 성분은 물질의 손상을 감소시키는 공극(void) 용적을 감소시켰다.
A. 카트리지
카트리지(또한, 본원에서 유체 매니폴드라고 지칭됨)는 수많은 목적을 위해 사용될 수 있다. 일반적으로, 카트리지는 대규모 장치뿐만 아니라 마이크로유체 장치와 연결되도록 크기조절된 포트를 가질 수 있다. 카트리지 또는 유체 매니폴드는 미국 특허 공개 20090253181호에 기재되어 있다. 카트리지는 공급원으로부터 물질, 예컨대 샘플, 시약 또는 고체 입자를 수용하고 이를 마이크로유체 마이크로칩에 전달하는데 사용될 수 있다. 물질은 카트리지 및 마이크로유체 마이크로칩의 맞물린 개구부를 통해 카트리지와 마이크로유체 마이크로칩 사이에서 이동될 수 있다. 예를 들어, 피펫을 사용하여 물질을 카트리지로 이동시킬 수 있으며, 다시 물질을 마이크로유체 장치로 전달할 수 있다. 다른 실시예에서, 배관이 물질을 카트리지로 이동시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 주사기가 물질을 카트리지로 이동시킬 수 있다. 또한, 카트리지는 나노리터, 마이크로리터, 밀리리터 또는 리터의 유체를 보유할 수 있는 용적을 갖는 저장소를 가질 수 있다. 저장소는 홀딩 챔버, 반응 챔버(예를 들어, 반응을 수행하기 위한 시약을 포함하는 챔버), 가열 또는 냉각을 제공하기 위한 챔버(예를 들어, 열 제어 요소를 함유하거나 열 제어 장치에 열로 연결된 챔버) 또는 분리 챔버(예를 들어, 상자성 비드 분리, 친화성 포획 매트릭스 및 크로마토그래피)로서 사용될 수 있다. 임의의 유형의 챔버, 예를 들어 미국 특허 공개 제 2007/0248958호(본원에 참고로 도입)에 기재된 챔버가 본원에 기재된 장치에서 사용될 수 있다. 저장소는 카트리지의 내부 및 외부에 온도 제어된 유체의 이동을 위한 유입구 및 유출구를 가짐으로써 가열 또는 냉각을 제공하는데 사용될 수 있으며, 따라서 마이크로유체 마이크로칩에 온도 제어를 제공할 수 있다. 대안으로, 저장소는 펠티어(Peltier) 요소, 또는 통상의 기술자에게 공지된 임의의 다른 가열 또는 냉각 요소(히트 싱크 또는 열원을 제공함)를 하우징할 수 있다. 카트리지 저장소 또는 챔버는 적어도 약 0.1, 0.5, 1, 5, 10, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 750, 1000, 2000, 3000, 4000, 5000 ㎕ 이상의 용적을 가질 수 있다. 챔버 또는 저장소의 상대적인 용적은 마이크로유체 마이크로칩 내의 채널 또는 밸브보다 약 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000, 2000, 5000, 10000 이상 더 클 수 있다. 마이크로유체 마이크로칩에 맞물릴 수 있는 카트리지의 챔버 및 저장소의 크기는 큰 용적을 갖는 샘플, 예컨대 약 1, 5, 10, 50, 100, 500, 1000, 5000, 10000, 50000 μL 이상의 샘플을 가공할 수 있도록 선택될 수 있으며, 여기서 샘플을 가공하기 위한 유체의 흐름은 마이크로유체 마이크로칩 내의 밸브에 의해 제어된다. 이는 다른 흐름 제어 장치, 예컨대 피펫 및 대규모 밸브와 비교하여 마이크로유체 마이크로칩 내의 감소된 공극 용적으로 인해 샘플 및 시약 손실의 양을 감소시킬 수 있다. 마이크로유체 마이크로칩 내의 공극 용적은 1000, 500, 100, 50, 10, 5, 1, 0.5, 0.1 또는 0.05 ㎕ 미만일 수 있다. 이는 샘플의 가공 도중 샘플 또는 시약 손실의 양이 20, 15, 10, 7, 5, 3, 2, 1, 0.5, 0.05 ％ 미만이 되게 할 수 있다.
카트리지는 통상의 기술자에게 공지된 임의의 물질로 구축될 수 있다. 예를 들어, 카트리지는 플라스틱, 유리 또는 금속으로 구축될 수 있다. 플라스틱 물질은 통상의 기술자에게 공지된 임의의 플라스틱, 예컨대 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리(염화비닐), 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 폴리비닐디엔 클로라이드, 시클릭 올레핀 공중합체 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 카트리지는 통상의 기술자에게 공지된 임의의 기술, 예컨대 소프트-리소그래피, 하드-리소그래피, 밀링, 엠보싱, 융삭, 드릴링, 식각, 사출 성형 또는 이들의 임의의 조합을 사용하여 형성될 수 있다.
도 3 및 도 4에 예시된 바와 같이, 카트리지(1)는 평평한 측면을 갖는 직선 배치를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 카트리지는 굽은, 둥근, 톱니형이거나 또는 돌출부를 포함하는 표면을 포함한다. 한 실시예에서, 카트리지는 마이크로유체 마이크로칩에 인접한 하나 이상의 실질적으로 평평한 표면을 갖는다. 카트리지는 마이크로칩 내의 포트와 유체가 통하도록 연결되도록 개질된다. 예를 들어, 카트리지의 표면 내의 개구부는 마이크로칩 내의 포트와 일렬로 정렬될 수 있다. 카트리지 및 마이크로칩이 서로 맞물리는 경우, 개구부는 액체가 카트리지로부터 마이크로칩의 포트로 통과하게 하는 유체 연결부를 생성하도록 일렬로 정렬되고, 이는 유체 회로를 형성하는 밸브를 전형적으로 갖는 채널에 연결된다.
일 실시예에서, 카트리지는 챔버, 포트, 채널 또는 자석을 포함하나 이에 제한되지 않는 하나 이상의 특징부를 함유한다. 일 실시예에서, 마이크로밸브, 예컨대 공압식으로 구동되는 밸브가 마이크로유체 카트리지와 조합된다. 몇몇 실시예에서, 마이크로밸브는 능동 기계적 마이크로밸브(예컨대, 자기, 전기, 또는 압전열 마이크로밸브), 비-기계적 마이크로밸브(예컨대, 쌍안정 전기기계적 상 변화 또는 유변학적 마이크로밸브), 외부 마이크로밸브(예컨대, 모듈식 또는 공압식), 수동적 기계적(예컨대, 체크 마이크로밸브 또는 수동 비-기계적(예컨대, 모세관 마이크로밸브)(문헌 [Oh 등, A review of microvalves, J. Micromech Microeng.16(2006) R13-R39])이다.
다른 실시예에서, 공압식으로 구동되는 밸브, 예컨대 MOVe 밸브는 마이크로유체 마이크로칩(2) 또는 다수의 마이크로유체 마이크로칩에서 기압, 진공 또는 유체의 흐름을 조절한다. MOVe 밸브는 마이크로규모 온-칩 밸브, 마이크로유체 온-칩 밸브 또는 마이크로-로봇 온-칩 밸브일 수 있다. 일 실시예에서, 기압, 진공 또는 유체의 흐름은 하나 이상의 가변 압력 펌프, 예컨대 솔레노이드 밸브 또는 솔레노이드 펌프에 의해 조정된다. 일 실시예에서, 마이크로유체 마이크로칩은 마이크로채널 및/또는 마이크로트렌치를 함유하는 구조이며, 여기서 마이크로채널은 폐쇄 구조이고, 마이크로트렌치는 개방 구조이다. 일 실시예에서, 마이크로유체 마이크로칩은 평면 구조이다. 관련 실시예에서, 마이크로유체 장치는 카트리지의 한 측면 상에 군집화된 마이크로밸브를 갖는 마이크로유체 마이크로칩을 포함한다. 일 실시예(도 3 및 도 4)에서, 카트리지(1)는 외부 유체, 공기 또는 진공으로의 하나 이상의 포트(4, 5, 6, 7, 8, 9)를 포함할 수 있다. 포트의 기능은 폐기물(4), 시약 진입(5), 환기(6), 샘플 유입(7), 생성물 유출(8)을 위한 것일 수 있다. 카트리지(1)는 하나 이상의 샘플 유입 또는 반응 챔버(7 및 3)를 함유할 수 있다.
카트리지 내의 단일 챔버, 예컨대 반응 챔버는 1개 이상 또는 적어도 1, 2 또는 3개의 마이크로칩으로의 유체 연결부를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 3 및 도 4에서, 반응 챔버(3)는 챔버의 기저에 있는 마이크로칩 관통 연결부(120)로의 유체 연결부, 및 챔버의 상단에 위치된 통로를 통해 챔버(3)에 연결된 마이크로칩 관통 포트(9)로의 다른 유체 연결부를 가질 수 있다. 챔버(3)의 상단, 포트(9), 및 챔버(3)와 포트(9) 사이의 통로는 외부 환경으로부터 폐쇄되어, 챔버(3)가 가득찼을 때 챔버(3) 내의 유체가 반드시 포트(9)로 펌핑되도록 할 수 있으며 그 반대도 가능하다. 이러한 챔버 또는 챔버 및 포트의 조합은 폐쇄 챔버라고 지칭될 수 있다. 유체 연결부의 위치는 반드시 챔버의 기저 및 상단에 있을 필요는 없으나, 챔버의 기저 및 상단에 있는 유체 연결부는 챔버에서 기체의 트래핑을 감소시킨다. 대안으로, 반응 챔버(3)는 카트리지 내에 있을 수 있는 상단 위치에서 서로 유체가 통하도록 연결된 2개의 챔버의 조합으로 보여질 수 있고, 각 챔버는 또한 기저 위치에 개구부를 갖는다. 기저 위치에 있는 개구부(또한 챔버 천공부라고 함)는 마이크로칩 상의 포트 천공부에 유체가 통하도록 연결될 수 있다. 2개의 유체 연결부는 유체가 마이크로유체 마이크로칩을 통해 챔버의 내부 및 외부를 향하게 할 수 있다.
다른 실시예에서, 장치는 하나 이상의 표면 또는 구조상에 비선형 방식으로 위치된 하나 이상의 공압식으로 구동되는 밸브, 예컨대 MOVe 밸브를 포함하는 카트리지를 포함한다. 카트리지는 카트리지의 기저 이외의 위치에, 카트리지 내에 위치된 하나 이상의 공압식으로 구동되는 밸브를 포함할 수 있다.
카트리지의 기능적 요소는 포트, 채널, 챔버, 필터, 자석 또는 벤트를 포함할 수 있으며, 챔버는 집합적으로 기능적 요소라고 지칭될 수 있다. 일 실시예(도 4)에서, 기능적 요소는 접합부(100, 120, 140, 160 및 230)에서 마이크로밸브를 함유하는 마이크로유체 마이크로칩에 연결한다. 기능적 요소는 세척 연결부 또는 끼워맞춤에 의해 포트에 삽입된 배관 또는 모세관과 연결할 수 있다. 일 실시예에서, 세척 연결부는 마이크로유체 마이크로칩의 천공부와 직접 일렬로 정렬된 카트리지의 포트를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 카트리지 및 마이크로유체 마이크로칩은 집적 모듈을 형성한다. 다른 실시예에서, 카트리지 및 마이크로유체 마이크로칩은 사용 전에 함께 부착되는 2개의 별개의 조각이다.
카트리지는 하나 이상의 챔버, 샘플 입력 포트, 시약 포트, 출구 포트, 폐기물 포트 및 자석을 포함할 수 있다. 자석은 자석에 의해 생성된 자기력이 상기 챔버 내의 상자성 입자를 챔버의 벽으로 끌어당길 수 있도록 챔버에 인접하게 위치될 수 있다. 일 실시예에서, 상자성 입자는 자성 반응성이 부여된 비드 또는 세포(예를 들어, 질산나트륨으로 처리된 헤모글로빈을 포함하는 세포)이다. 자석은 전자석 또는 영구 자석, 예컨대 희토류 금속 자석일 수 있다.
일 실시예(도 4)에서, 연결부 또는 포트(4, 5, 6, 7, 8 및 9)는 각각 카트리지 내의 채널(14, 15, 16, 17, 18 및 19)로 인도한다. 포트(4, 5, 6, 7 및 8)는 연결장치 또는 배관을 함몰부, 예컨대 연결부(7)에서 보여진 함몰부에 믿을 수 있게 부착하는 함몰부를 나타낸다.(채널(17)과 연결부(7)의 직경의 차이 참조). 일 실시예에서, 포트 또는 포트들은 다양한 연결장치 또는 튜브, 예컨대 모세관(미국 특허 제6,190,616호, 미국 특허 제6,423,536호, 미국 특허 출원 제09/770,412호, 1-25-01, 미국 특허 출원 제60/402,959호에 기재된 바와 같음) 또는 모듈식 마이크로유체 포트를 갖는 하나 이상의 마이크로칩(미국 특허 제6,870,185호 및 미국 특허 출원 제11/229,065호에 기재된 바와 같음)과 연결될 수 있으며, 상기 문헌들은 모두 그 전문이 본원에 참고로 포함된다. 일 실시예에서, 모듈식 마이크로유체 포트는 마이크로칩 또는 모세관이 불용 용적 또는 누출없이 가역적으로 결합되도록 할 수 있다.
다른 실시예에서, 챔버(3)는 통로(9) 및 원뿔부(13)에 연결되어, 접합부(120)로 인도한다. 챔버(3)는 임의의 채널에서와 같이 반응을 위해 사용될 수 있다. 도 4에서, 카트리지 채널은 마이크로칩(2) 상의 포트의 천공부로 직접 인도한다. 카트리지의 채널은 필요에 따라 서로 상호연결할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 카트리지 내의 하나 이상의 채널은 마이크로유체 마이크로칩에 물리적으로 연결되지 않는다. 다른 실시예에서, 카트리지 내의 하나 이상의 채널은 마이크로유체 마이크로칩 내의 하나 이상의 마이크로채널에 유체가 통하도록 연결된다. 연결부는 마이크로유체 마이크로칩 상의 천공부를 사용하거나 사용하지 않을 수 있다. 천공부는 마이크로칩과 카트리지 사이에 맞물리도록 설계된 개구부 또는 피팅부일 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 피팅부(fitting)는 밀봉부, 예컨대 개스킷 또는 o-링을 포함한다.
B. 마이크로유체 장치
일 실시예에서, 카트리지 및 마이크로유체 마이크로칩은 함께 집적되어 단일 모듈 장치를 형성한다. 카트리지 및 마이크로유체 마이크로칩은 유체 또는 고체 접착제에 의해 또는 기계적으로 부착될 수 있다. 일 실시예에서, 접착제는 폴리아크릴레이트, 접착 테이프, 양면 테이프 또는 통상의 기술자에게 공지된 임의의 다른 접착제이다. 카트리지는, 도 4에 예시된 바와 같이, 마이크로유체 마이크로칩과 카트리지 사이의 접합부로 유체-기반 접착제를 운반할 수 있는 특징부(12)를 포함할 수 있다. 예로서, 다른 실시예에서, 카트리지는 비-유체 접착제 층에 의해 마이크로유체 마이크로칩에 부착된다. 대안으로, 카트리지 및 마이크로칩은 클립, 클램프 또는 다른 홀딩 장치에 의해 함께 유지될 수 있다. 카트리지 및 마이크로칩은 시각적 단서에 의해(현미경에 의하거나 그렇지 않음) 또는 물리적 인도 특징부에 의해 집적 전에 일렬로 정렬될 수 있다. 시각적 단서는 카트리지, 마이크로칩 또는 양자 모두에서 연신(drawn)되거나, 식각되거나 또는 다르게 존재하는 라인 또는 특징부를 포함할 수 있다. 물리적 인도 특징부는 적절한 어셈블리를 보조하거나 확실하게 하기 위해 "열쇠"채워질 수 있는 함몰부, 돌출부 및 엣지부(edges)를 포함한다.
몇몇 경우에, 마이크로유체 마이크로칩은 유체 흐름의 제어를 위한 격막식 밸브를 갖는다. 유체 흐름을 제어하는 격막식 밸브를 갖는 마이크로유체 장치는 미국 특허 제7,445,926호, 미국 특허 공개 제2006/0073484호, 제2006/0073484호, 제2007/0248958호 및 제2008/0014576호 및 PCT 공개 제WO2008/115626호에 기재되어 있으며, 상기 문헌들은 그 전문이 본원에 참고로 포함된다. 밸브는 공압 매니폴드를 통해 마이크로칩의 공압층에 양압 또는 음압을 가함으로서 제어될 수 있다.
일 실시예에서, 마이크로칩은 "MOVe" 마이크로칩이다. 이러한 마이크로칩은 3개의 기능적 층을 포함한다(마이크로유체 채널을 포함하는 유체층; 공압 채널을 포함하는 공압층; 및 2개의 다른 층 사이에 샌드위치된 구동층). 특정 실시예에서, 유체층은 2개의 층을 포함한다. 한 층은 마이크로유체 채널 및 비아(via)를 제공하는 그루브, 또는 외부 표면으로부터 유체 채널로 통과하는 홀을 포함할 수 있다. 제 2 층은 구동층과 접촉하는 표면으로부터 다른 층 상의 공압 채널과 접촉하는 표면으로 통과하는 비아를 포함할 수 있다. 외부로 개방하여 채널을 유체 매니폴드와 연결하거나 또는 내부로 개방하여 채널을 활성화 층과 연결하는 내부 채널 및 비아를 포함하는 단일 유체층으로부터의 이들 2개의 층은 함께 접촉시 밸브, 챔버 또는 다른 기능적 물품을 형성한다. 구동층은 전형적으로 진공 또는 압력이 가해질 때 변형할 수 있는 변형가능한 물질, 예를 들어 엘라스토머 물질로 형성된다. 유체 채널 또는 공압 채널이 개방되거나, 이와 다르게 구동층과 접촉하는 점에서, 기능적 장치, 예컨대 밸브가 형성될 수 있다. 이러한 밸브는 도 1에 단면도로 도시된다. 유체층 및 공압층 양자 모두는 채널을 외부 표면에 포트로서 연결하는 포트를 포함할 수 있다. 이러한 포트는 유체 매니폴드, 예를 들어 카트리지 또는 공압 매니폴드를 결착시키도록 개질될 수 있다.
도 40에 나타낸 바와 같이, 마이크로유체 마이크로칩(103)은 카트리지(101)와 연결될 수 있다. 마이크로유체 마이크로칩은 카트리지(101)의 개구부(117)에 맞물린 개구부를 갖는 챔버(105)를 가질 수 있다. 챔버는 다양한 목적을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 챔버는 반응 챔버, 혼합 챔버 또는 포획 챔버로서 사용될 수 있다. 챔버는 자성 입자, 예컨대 자성 비드, 상자성 비드, 고체상 추출 물질, 모놀리스(monoliths) 또는 크로마토그래피 매트릭스를 포획하는데 사용될 수 있다.
자성 구성성분(109)은 카트리지 저장소(107) 및/또는 마이크로유체 챔버(105) 내의 자성 입자가 마이크로유체 챔버(105)의 표면에서 포획되도록 위치될 수 있다. 자성 구성성분은 영구 자석 및/또는 전자석을 사용하여 자기장 및/또는 전자기장을 생성할 수 있다. 영구 자석이 사용되는 경우, 자석은 마이크로유체 챔버에 자기장을 가하기 위해 자석을 마이크로유체 마이크로칩의 근처로 가져오도록 하나 이상의 방향으로 구동될 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 자석은 도 40에 나타낸 방향(111)으로 구동된다.
대안으로, 임의의 다양한 장치가 마이크로유체 마이크로칩과 연결될 수 있다. 예를 들어, 검출기, 분리 장치(예를 들어, 기체 크로마토그래프, 액체 크로마토그래프, 모세관 전기영동, 질량 분광계 등), 광원 또는 온도 제어 장치가 마이크로유체 마이크로칩 다음에 위치되거나 또는 마이크로유체 마이크로칩과 함께 사용될 수 있다. 이들 장치는 저항, 정전용량, 흡광도 또는 방출, 형광, 또는 온도 또는 다른 화학적 또는 물리적 측정을 검출함으로써 분석물질을 검출할 수 있다. 대안으로, 이들 장치는 빛을 마이크로유체 마이크로칩의 영역 또는 구역에 도입할 수 있다.
마이크로유체 장치는 자성 입자의 포획을 위해 배치된 다수의 챔버를 갖도록 설계될 수 있다. 다수의 챔버 및 자성 구성성분은 자기장이 모든 챔버에 동시에 가해지도록 또는 다른 챔버와 독립적인 챔버 각각 또는 몇몇에 가해질 수 있도록 배열될 수 있다. 챔버 및 자성 구성성분의 배열은 자성 입자의 더 신속한 또는 더 효율적인 회수를 촉진할 수 있다. 특히, 배열은 다수의 챔버 내의 자성 입자의 회수를 촉진할 수 있다.
도 41에 나타낸 바와 같이, 마이크로유체 마이크로칩(103)은 유체층(203), 탄성층(205) 및 공압층(207)으로 형성될 수 있다. 유체층은 특징부, 예컨대 챔버(105), 뿐만 아니라 채널, 밸브 및 포트를 함유할 수 있다. 채널은 챔버 및/또는 포트 사이에서 유체의 이동을 위해 사용되는 마이크로유체 채널일 수 있다. 밸브는 마이크로유체 장치에서 사용되는 임의의 유형의 밸브일 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 밸브는 마이크로규모 온-칩 밸브(MOVe)(또한, 본원에서 마이크로유체 격막식 밸브라고 지칭됨)를 포함한다. 일련의 3개의 MOVe는 MOVe 펌프를 형성할 수 있다. MOVe 및 MOVe 펌프는 공압을 사용하여 구동될 수 있다. 공압 공급원은 마이크로유체 마이크로칩의 내부 또는 외부에 있을 수 있다.
MOVe 밸브의 예는 도 1에 나타낸다. 뚜껑이 달린 MOVe 밸브의 그림은 도 1a에 나타낸다. 개방된 MOVe 밸브의 단면도는 도 1b에 나타낸다. 도 1c는 MOVe 밸브의 하향도를 나타낸다. 유체층으로부터 유래하는 채널(251)은 하나 이상의 비아(257)에 의해 탄성층(259)과 상호접촉할 수 있다. 채널은 탄성층(259)이 자리(255)와 접촉하는 경우 채널을 통한 흐름을 방해하도록 하나 이상의 자리(255)를 가질 수 있다. 탄성층은 통상적으로 자리와 접촉하거나 또는 통상적으로 자리와 접촉하지 않을 수 있다. 유체 채널(251)에 비해 공압 챔버(253) 내의 압력을 증가시키거나 감소시키기 위해 공압 라인(261)을 통한 양압 또는 음압의 적용은 탄성층이 자리에 대항하여 밀려나거나 또는 자리로부터 멀리 당겨지도록 탄성층을 변형시킬 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, MOVe는 밸브 시트를 갖지 않고, 유체 채널을 통한 유체 흐름은 양압 또는 음압의 적용 하에서 완전히 방해되지 않는다. 이런 유형의 밸브는 유체 저장소 및 펌핑 챔버로서 유용하고 펌핑 밸브로 지칭될 수 있다. 가해질 수 있는 진공은 극히 높은 진공, 중간 진공, 낮은 진공, 하우스 진공, 및 압력, 예컨대 5 psi, 10 psi, 15 psi, 25 psi, 30 psi, 40 psi, 45 psi 및 50 psi를 포함한다.
일련의 3개의 MOVe 밸브는 유입구 밸브로서 제1 MOVe, 펌핑 밸브로서 제 2 MOVe 및 유출구 밸브로서 제3 MOVe를 사용하여 펌프를 형성할 수 있다. MOVe의 순차적 개방 및 폐쇄에 의해 유체는 일련의 MOVe를 통해 이동될 수 있다. 유체가 유입구 밸브에 공급되기 위해, 예시적 순서는 3개의 MOVe 모두가 폐쇄된 상태로부터 출발하여 (a) 유입구 밸브의 개방,(b) 펌핑 밸브의 개방,(c) 유입구 밸브의 폐쇄 및 유출구 밸브의 개방,(d) 펌핑 밸브의 폐쇄, 및 (e) 유출구 밸브의 폐쇄를 포함할 수 있다. 유입구 및 유출구 밸브는 동일한 구조를 가질 수 있기 때문에, MOVe 펌프는 유입구 또는 유출구 밸브의 개방 순서의 재프로그래밍에 의해 어느 한 방향으로 유체를 이동시킬 수 있다.
유체층(203)은 하나 이상의 물질 층으로 구축될 수 있다. 도 42에 나타낸 바와 같이, 유체층(203)은 2개의 물질 층으로 구축될 수 있다. 채널(301, 303, 305)은 2개의 물질 층 사이의 경계면에서 형성될 수 있고, 챔버(105)는 1개의 물질 층의 일부의 완전한 제거에 의해 형성될 수 있다. 채널은 임의의 형상, 예를 들어, 한 측면이 둥근형(301), 직사각형(303) 또는 원형(305)을 가질 수 있다. 채널은 오직 한 층(301, 303)의 함몰에 의해 또는 두 층(305)의 함몰에 의해 형성될 수 있다. 채널 및 챔버는 보여진 채널 및 챔버를 횡단하는 유체 채널에 의해 연결될 수 있다. 또한, 유체 채널 및 연결부가 다수의 유체층 사이에 제조된 다차원 마이크로칩이 본 발명의 범위 내에 포함된다.
제 2 물질 층의 두께(307)는 임의의 두께일 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 제 2 층은 외부 자성 구성 성분으로부터 제 2 층을 가로질러 적용되는 챔버(105) 내의 자기장의 감소를 최소화하거나 또는 열 이동의 감소를 최소화하는 두께를 갖는다.
도 43에 나타낸 바와 같이, 유체층(203)은 단일 물질 층의 구축될 수 있다. 이어서, 채널(305, 303) 및 챔버(305)가 유체층과 탄성층(205) 사이에 형성되도록, 단일 층이 탄성층와 상호접촉된다.
마이크로유체 마이크로칩은 통상의 기술자에게 공지된 임의의 물질로부터 구축될 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 유체층 및 공압층은 유리로 구축되고, 탄성층은 PDMS로부터 형성된다. 대안적인 실시예에서, 엘라스토머는 변형가능한 물질, 예컨대 테플론(PTFE), 규소의 박막 또는 다른 막에 의해 대체될 수 있다. 유체층 및 공압층의 특징부는 통상의 기술자에게 공지된 임의의 마이크로제작 기술, 예컨대 패턴화, 식각, 밀링, 성형, 엠보싱, 스크린 인쇄, 레이저 융삭, 기판 침착, 화학적 증착 또는 이들의 임의의 조합을 사용하여 형성될 수 있다.
마이크로유체 장치는 밸브가 접착성이 덜하도록 구성될 수 있다. 이는 탄성층과 접촉할 것 같은 유체가 흐르는 밸브 시트 및 다른 표면을 저 에너지 물질, 예를 들어 귀금속(예, 금) 또는 과불화 폴리머(예, 태플론)으로 코팅함으로써 달성될 수 있다. 이러한 장치는 미국 특허 출원 제12/789,186호에 구체적으로 설명되어 있다.
일 실시예에서, 마이크로채널과 마이크로밸브 세트를 연결하는 마이크로채널 회로가 도 5에 나타낸 바와 같이 마이크로유체 마이크로칩(2) 상에 형성된다. 일 실시예에서, 마이크로밸브는 공압식으로 구동되는 밸브이다. 일 실시예에서, 공압식으로 구동되는 밸브는 MOVe 마이크로밸브이다. 일 실시예에서, 카트리지와 마이크로유체 마이크로칩 사이, 예컨대 챔버, 포트, 채널, 마이크로채널 및 다른 기능적 요소 사이의 유체 통로는 하나 이상의 마이크로밸브의 개방 또는 폐쇄에 의해 제어될 수 있다. 일 실시예에서, 마이크로밸브는 컴퓨터와 같은 마이크로프로세서 제어에 의해 제어된다. 컴퓨터는 입력/출력 제어기, 또는 통상의 기술자에게 공지된 임의의 다른 구성요소, 예컨대 기억 장치 및 프로세서를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 마이크로밸브는 공압 공급원에 의해, 예컨대 공압 포트(10, 20, 30, 40, 50, 60 또는 70)를 통해 구동되는 MOVe 밸브이다. 일 실시예에서, 공압원은 하나 이상의 솔레노이드에 의해 제어된다. 일 실시예에서, 솔레노이드는 소형화되고, 진공원 또는 압력원에 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 공압원은 클램핑, 용수철, 공압 또는 나사 힘과 같은 힘을 사용하여 선택적으로 o-링에 의해 제공된 밀봉부를 갖는 공압 포트에 연결된다.
일 실시예에서, 도 5는 마이크로유체 마이크로칩(2)의 상면도를 나타내고, 이 측면은 카트리지(1)의 바닥과 접촉한다. 마이크로밸브(110)는 마이크로채널(101) 및 (121) 사이의 유체 통로를 제어한다. 마이크로밸브(130)는 마이크로채널(131) 및 (141) 사이의 유체 통로를 제어한다. 마이크로밸브(150)는 마이크로채널(151) 및 (152) 사이의 유체 통로를 제어한다. 마이크로밸브(180)는 마이크로채널(181) 및 (191) 사이의 유체 통로를 제어한다. 마이크로밸브(200)는 마이크로채널(201) 및 (212) 사이의 유체 통로를 제어한다. 마이크로밸브(220)는 마이크로채널(221) 및 (231) 사이의 유체 통로를 제어한다.
일 실시예에서, 접합부는 하나 이상의 마이크로채널을 연결할 수 있다. 도 5는 도 4에 나타낸 카트리지와 맞물릴 수 있는 마이크로칩에 대한 개략도를 나타낸다. 도 5에서, 접합부(100)는 단일 마이크로채널(101)에 연결되고, 접합부(140)는 단일 마이크로채널(141)에 연결되고, 접합부(160)는 단일 마이크로채널(161)에 연결되고, 접합부(230)는 단일 마이크로채널(231)에 연결된다. 접합부(190)는 2개의 마이크로채널(191 및 201)에 연결된다. 접합부(120)는 3개의 마이크로채널(121, 131 및 151)에 연결된다. 일 실시예에서, 3개를 초과하는 마이크로채널이 단일 접합부에 연결될 수 있다.
마이크로채널은 하나 이상의 기술, 예컨대 포토리소그래피, 성형, 엠보싱, 주형 또는 밀링에 의해 제작될 수 있다. 마이크로채널은 유리, 플라스틱, 중합체, 세라믹, 겔, 금속 또는 다른 적합한 고체과 같은 물질로 제조될 수 있다.
일 실시예에서, 카트리지는 샘플 포트에 의한 챔버로의 샘플의 전달 및 시약 포트에 의한 챔버로의 상자성 입자의 전달을 포함하는 샘플 풍부화 방법에서 사용된다. 상자성 입자(예를 들어, 상자성 비드)는 샘플 중의 하나 이상의 구성성분(예컨대, DNA, RNA, 마이크로RNA, 단백질, 지질, 다당류 또는 다른 리간드)에 결합한다. 상자성 입자는 챔버 밖에 위치된 자석에 의해 발휘되는 자기력의 도움으로 챔버의 벽으로 끌어당겨진다. 상자성 입자는 시약 포트에 의해 상자성 입자를 포함하는 챔버로 전달된 세척 용액으로 세척되고, 세척 용액은 폐기물 포트에 의해 제거된다. 시약은 상자성 입자로부터 샘플의 구성성분을 용리하고 추가 가공 또는 분석을 위해 다른 장치로 샘플 구성성분을 출력하기 위해 첨가될 수 있다. 바람직한 실시예는 상자성 입자상의 샘플 중 구성성분의 출력이다.
일 실시예에서, 마이크로유체 마이크로칩을 포함하는 장치는 진단 방법에 사용된다. 일 실시예에서, 진단은 샘플 내의 감염원의 검출을 포함한다. 일 실시예에서, 감염원은 박테리아, 바이러스, 진균, 미코플라즘 또는 프리온이다. 다른 실시예에서, 마이크로유체 마이크로칩을 포함하는 장치는 유전병의 진단 방법에서 사용된다. 일 실시예에서, 유전병은 하나 이상의 DNA 돌연변이에 의해 유발되며, 이러한 돌연변이는 삼염기 확장(triplet base expansion), 염기 치환 돌연변이, 결실 돌연변이, 첨가 돌연변이, 넌센스 돌연변이, 조기 스탑 코돈, 염색체 결실, 염색체 중복, 이수배수체, 부분 이수배수체 또는 일염색체를 포함하나 이에 제한되지 않는다. 다른 실시예에서, 마이크로유체 마이크로칩을 포함하는 장치는 암 또는 암에 대한 소인의 진단 방법에서 사용된다. 다른 실시예에서, 마이크로유체 마이크로칩을 포함하는 장치는 유전병, 예컨대 자폐증, 다운 증후군, 삼염색체, 테이색스병(Tay-Sachs) 또는 기타 유전병의 진단 방법에서 사용된다. 몇몇 실시예에서, 마이크로유체 마이크로칩을 포함하는 장치에서 진단에 사용되는 샘플은 혈액 샘플, 점액 샘플, 폐 세척액 샘플, 소변 샘플, 대변 샘플, 피부 샘플, 모발 샘플, 정액 샘플, 질 샘플 또는 양막 샘플이다.
다른 실시예에서, 마이크로유체 마이크로칩을 포함하는 장치는 작용제의 환경 오염의 존재를 확인하는데 사용된다. 일 실시예에서, 작용제는 생물학적 작용제, 예컨대 환경 샘플 내의 박테리아, 바이러스, 진균 또는 미코플라즘이다. 다른 실시예에서, 작용제는 오염 작용제, 예컨대 살충제, 제초제 또는 비료이다. 일 실시예에서, 환경 샘플은 토양 샘플, 물 샘플, 공기 샘플, 고기 샘플, 야채 샘플 또는 과일 샘플이다. 다른 실시예에서, 작용제는 유전자 변형 유기체이다.
다른 실시예에서, 마이크로유체 마이크로칩을 포함하는 장치는 유전자형분석, 개별 포유동물(예컨대, 인간)의 확인, 법의학, 유전자 발현, 유전자 변형, 마이크로RNA 분석 또는 리보타이핑(ribotyping)을 위해 사용된다.
다른 실시예에서, 마이크로유체 마이크로칩을 포함하는 장치는 샘플 내의 핵산의 중합효소 연쇄 반응(PCR) 증폭(예컨대, 대립유전자-특이적 PCR, 어셈블리 PCR, 비대칭 PCR, 콜로니 PCR, 헬리카제-의존적 증폭, 핫스타트(Hot-start) PCR, 서열간-특이적(ISSR) PCR, 역 PCR, 라이게이션-매개 PCR, 메틸화-특이적 PCR 다중 라이게이션-의존적 프로브 증폭, 다중-PCR, 네스티드(Nested) PCR, 중첩-연장 PCR, 정량 PCR 역전사 PCR-PCR, 열 비대칭 얽힌-PCR, 터치다운 PCR 또는 PAN-AC PCR), 등온 핵산 증폭(예컨대, 루프-매개 등온 증폭(LAMP); 닉 치환 증폭; 헬리카제 의존적 증폭 플랫폼(HDA); 및 프리마제-기재 전체 게놈 증폭 플랫폼(pWGA); 단일 프라이머 등온 증폭(SPIA) 및 RNA에 대한 Ribo-SPIA; 가닥 치환 증폭(SDA); EXPAR [문헌 [Van Ness J, Van Ness LK, Galas DJ.(2003) Isothermal 반응 for the amplification of oligonucleotides. Proc Natl Acad Sci U S A. 100:4504-9]]; 회전환 증폭(RCA); 전사-기재 증폭 시스템(TAS) 및 그의 유도체, 예를 들어 자가-유지 서열 복제(3SR), 등온 핵산 서열-기재 증폭(NASBA) 및 전사-매개 증폭(TMA); 리가아제 연쇄 반응(LCR)), DNA 또는 RNA의 서열분석 반응(예컨대, 맥삼-길버트(Maxam-Gilbert) 서열분석, 생어(Sanger) 사슬-종결 방법, 염료-터미네이터 서열분석 유화 PCR 서열분석, 대용량 병렬 서열분석, 폴로니 서열분석, 라이게이션에 의한 서열분석, 합성에 의한 서열분석 또는 혼성화에 의한 서열분석), 제한 단편 길이 다형성(RFLP) 분석, 단일 뉴클레오티드 다형성(SNP) 분석, 짧은 직렬 반복(STR) 분석, 미세위성 분석, DNA 지문 분석, DNA 족문 분석 또는 DNA 메틸화 분석을 포함하나 이에 제한되지 않는 분자 생물학적 분석을 포함하는 방법에서 사용된다.
일 실시예에서, 카트리지는 결합 수용체, 트랜스페린, 항체 또는 그의 단편(예컨대, Fc 단편 또는 Fab 단편), 렉틴, 또는 DNA 또는 RNA 서열을 포함하나 이에 제한되지 않는 결합 잔기에 커플링된 비드를 사용한다. 다른 실시예에서, 카트리지는 항응고제, 정착액, 안정화 시약, 보존제 또는 침전 시약과 같은 시약을 포함한다.
C. 공압 매니폴드
공압 매니폴드는 기압 또는 진공의 분포를 촉진하기 위해 본원에 기재된 임의의 마이크로칩 및/또는 카트리지와 집적될 수 있다. 기압 또는 진공은 마이크로칩 상의 밸브를 구동하는데 사용될 수 있다. 대안으로, 기압 또는 진공이 유체층 내의 유체 또는 기체를 이동시키는데 사용될 수 있는 마이크로칩의 유체층 내의 마이크로채널에 제공되도록, 기압 또는 진공이 카트리지에 공급될 수 있다. 공압 매니폴드는 도 3의 카트리지(1) 상의 마이크로칩(2) 상의 마이크로밸브를 작동시키거나 다른 장치 내의 마이크로밸브를 작동시키기 위해 기압 또는 진공을 제공한다.
공압 매니폴드는 마이크로유체 마이크로칩의 공압 라인을 외부 압력원에 맞물리게 하기 위해 사용될 수 있다. 공압 매니폴드는 마이크로유체 마이크로칩의 공압층 상의 포트와 일렬로 정렬하는 포트, 및 외부 압력원에 연결하는 배관에 연결될 수 있는 포트를 가질 수 있다. 포트는 액체 또는 기체 또는 포트 사이의 다른 물질의 유체가 통하는 것을 허용하는 하나 이상의 채널에 의해 연결될 수 있다.
공압 매니폴드는 마이크로칩의 임의의 표면상에서 마이크로유체 마이크로칩과 상호접촉될 수 있다. 공압 매니폴드는 카트리지와 마이크로유체 마이크로칩의 동일한 또는 상이한 측면 상에 존재할 수 있다. 도 40에 나타낸 바와 같이, 공압 매니폴드(113)는 카트리지와 반대편에 마이크로유체 마이크로칩의 표면 상에 위치될 수 있다. 또한, 공압 매니폴드는 마이크로유체 마이크로칩의 표면의 오직 일부를 차지하도록 설계될 수 있다. 공압 매니폴드의 배치, 설계 및/또는 형상은 마이크로유체 마이크로칩으로의 다른 구성성분의 접근을 허용할 수 있다. 공압 매니폴드는 다른 구성성분이 마이크로유체 마이크로칩에 인접하게 또는 근접하게 위치하는 것을 허용하는 컷-아웃 또는 환상 공간을 가질 수 있다. 이는 예를 들어, 자성 구성성분(109)이 마이크로유체 마이크로칩 내의 챔버에 근접하게 위치하는 것을 허용할 수 있다.
공압 매니폴드는 통상의 기술자에게 공지된 임의의 물질로 구축될 수 있다. 예를 들어, 카트리지는 플라스틱, 유리 또는 금속으로 구축될 수 있다. 플라스틱 물질은 통상의 기술자에게 공지된 임의의 플라스틱, 예컨대 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리(염화비닐), 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 폴리비닐디엔 클로라이드, 시클릭 올레핀 공중합체 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 공압 매니폴드는 통상의 기술자에게 공지된 임의의 기술, 예컨대 소프트-리소그래피, 통상적인 리소그래피, 밀링, 성형, 엠보싱, 드릴링, 식각 또는 이들의 임의의 조합을 사용하여 형성될 수 있다.
도 21 및 도 22에 나타낸 기구는 공압 매니폴드를 포함할 수 있다. 기구는 본원에 기재된 바와 같이 샘플 제조를 위해 사용될 수 있고, 카트리지를 포함할 수 있다. 카트리지(1)('큐브'라고 표지됨)는 솔레노이드(1819)에 의해 매니폴드(370)에 부착된다. 카트리지 및 매니폴드의 어셈블리는 기구의 기저 플레이트 상에 탑재된다. 공압 매니폴드는 IO 제어기(1803)에 의해 제어될 수 있다.
기체 공급부, 예컨대 원하는 압력 또는 진공에서 유지될 수 있는 저장소가 매니폴드에 기체를 공급할 수 있다. 기체 공급부는 외부 압력원 또는 진공 공급원에 연결될 수 있다. 기체 공급부 매니폴드에 공급하는 기체 공급부는 유입구 압력을 모니터링하기 위해 압력 게이지를 가질 수 있다. 기체 공급부는 기체 공급부 매니폴드(1821)를 통해 시스템의 다수의 구성성분에 기체를 공급할 수 있다. 기체 공급부 매니폴드는 공압 매니폴드(370) 및 개별 시약 용기(1809) 및 (1807)에 기체를 공급할 수 있다. 분배 밸브(390)에 기체를 공급하는 라인은 조정기(1815)에 의해 조정될 수 있다.
시약 및/또는 샘플은 또한 시약 저장 영역(380) 내의 용기(1809) 및 비드 믹서(1805) 상에 탑재된 비드 용액 용기(1807)에 연결된 시약 분포 밸브(390)를 통해 카트리지로 공급될 수 있다. 어댑터(1817)는 전달 장치, 예컨대 주사기가 카트리지에 물질을 전달할 수 있도록 카트리지와 일렬로 정렬되고/되거나 탑재될 수 있다. 어댑터(1817)는 히터 컨트롤(1801)에 의해 열적으로 조정될 수 있다. 어댑터는 히터 코일 또는 펠티어 장치에 의해 생성된 열을 분포시키기 위한 열 도체, 예컨대 베어링을 가질 수 있다. 어댑터는 약 20 내지 100, 20 내지 75, 또는 50 내지 60℃의 온도를 유지할 수 있다.
자석 어셈블리(1811)는 카트리지에 인접하여 위치될 수 있다. 자석이 카트리지, 또는 카트리지와 집적되거나, 맞물리거나 또는 연결된 마이크로칩 내에서 자기장을 가할 수 있도록, 자석 어셈블리의 자석(300)은 카트리지(1)에 인접하여 위치되고, 구동기에 의해 이동될 수 있다. 자기장은 카트리지 또는 마이크로칩 내의 상자성 또는 자성 입자, 예컨대 비드를 포획하고, 폐기물 물질로부터 입자에 결합된 물질을 분리하는데 사용될 수 있다. 카트리지 및/또는 마이크로칩으로부터의 폐기물은 폐기물 용기(1813)로 전달될 수 있다.
도 21 및 도 22에 나타낸 기구는 카트리지(1)를 작동시키기 위해 7개의 솔레노이드 밸브를 사용할 수 있다. 기구의 크기 및 복잡성은 MOVe 마이크로밸브로 추가로 감소될 수 있다. 도 23 및 도 24는 대략 2 인치 폭의 마이크로유체 마이크로칩(600)을 함유하는 시약 분포 장치를 나타낸다. 솔레노이드 뱅크(680 및 684)는 연결장치(681, 682, 685 및 686)를 통해 실물 크기 외부 진공 및 압력으로의 연결부를 제공한다. 솔레노이드는 전기 접합부(689 및 687)를 통해 제어된다. MOVe 밸브를 갖는 마이크로유체 마이크로칩(600)은 클램프(710)를 사용하여 부착부(711)에 의해 매니폴드(700)와 접촉하여 유지된다. 통상의 기술자에게 공지된 다른 방법이 마이크로칩을 공압 매니폴드(700)에 연결하는데 사용될 수 있다.
D. 샘플의 병렬 가공
본 발명의 몇몇 실시예에서, 하나 이상의 카트리지가 샘플의 병렬 가공을 허용하도록 동시에 작동될 수 있다. 도 16은 면봉 추출 어셈블리(800) 내의 단일 공압 매니폴드 상의 마이크로밸브를 갖는 다수의 카트리지의 병렬 또는 집단 작동을 예시한다. 매니폴드(370)는 솔레노이드(680)를 사용하여 도면에 나타낸 4개의 카트리지(1)를 작동하기 위해 조정된 진공 및 압력을 분포시킨다. 솔레노이드(680)는 공압 매니폴드(370, 380, 390)를 통해 각 카트리지와 집적된 마이크로칩의 공압층으로의 압력을 제어한다. 공압 매니폴드는 상단 플레이트(370), 개스킷(380) 및 바닥 플레이트(390)에 의해 형성된다. 상단 플레이트는 식각된 채널을 가질 수 있다. 채널은 바닥 플레이트(390)에 의해 상단 플레이트에 대해 샌드위치된 개스킷에 의해 밀봉될 수 있다. 구동기(310)는 자석(320)을 카트리지(1)로 인접하게 또는 멀리 떨어지게 이동시키기 위해 막대(810)를 이동시킨다. 클램프(805)는 카트리지(1)를 정위치에서 유지한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 마이크로칩과 집적된 단일 카트리지는 병렬 채널을 사용하여 한번에 다수의 샘플을 가공할 수 있다. 예컨대, 장치는 4, 8, 또는 심지어 12개의 채널을 갖도록 구성될 수 있다. 도 14 및 도 15는 모세관 공급부 및 자석을 갖는 조립된 포획 및 반응 마이크로칩을 나타낸다. 이 마이크로칩은 비드 용액을 포획하고 4개의 STR-PCR 반응을 동시에 수행할 수 있다. 도 14는 마이크로칩에 접착된 카트리지(1203), 및 마이크로칩의 안/밖으로 인도하는 튜브(1205, 1207, 1209, 1211, 1213, 1215, 1217 및 1219)와 함께 마이크로칩(1201)을 나타낸다. 총 8개의 튜브가 보여지고, 병렬 반응 당 2개의 튜브가 사용된다. 예를 들어, 병렬 가공 장치의 한 유닛은 튜브(1205 및 1213)에 의해 작동된다.
예시적 실시예에서, 4-채널 샘플 제조 장치(도 53)는 4개의 샘플이 동시에 그리고 신속하게 가공될 수 있게 하는, 시약을 동시에 단일 집적된 카트리지(도 68)의 4개의 채널 모두로 계량하고 전달하는 4-채널 병렬 시약 전달 장치(도 54)를 조합한다.
4-채널 병렬 시약 전달 장치는 공압 제어 매니폴드 상에 탑재된 유체 매니폴드와 마이크로칩(도 53 참조)을 조합한다. 도 53은 샘플 추출 모듈이 마이크로유체 칩에 맞물리는 카트리지를 포함하는 것을 도시한다. 카트리지는 주사기(6701)를 위한 천공부 및 분석물(6702)의 비드 포획을 위한 구획부를 포함한다. 이 구획부는 카트리지의 하면에 맞물리는 마이크로유체 칩에서 채널(6703)을 통해 유체 연결된다. 시약 분배 카트리지는 도 3의 것과 유사하게 구성된 구획부를 포함할 수 있다. 2개는 예컨대, 튜브에 의해 유체가 통하도록 연결될 수 있고, 시약은 시약 저장소로부터 시약 카트리지 상의 챔버로 그 다음 샘플 추출 모듈로 펌핑될 수 있다. 4, 8, 12개의 채널 및 그 이상의 채널을 갖는 장치가 계획된다. 시약은 각 채널에 대해 본원에 기재된 샘플 루프와 유사할 수 있는 2개의 상이한 크기 시약 루프 중 하나를 사용하여 계량되고, 샘플 제조 장치의 4개의 채널 모두에 병렬로 전달된다. 병렬 시약 전달 장치를 사용하여 샘플 제조 장치의 4개의 채널 모두에 동시에 시약을 전달하는 것은 <4 분 걸릴 수 있으며, 이는 가공되는 4개의 샘플 당 약 15 분 걸리는 제1 세대 일련의 시약 전달 장치와 비교하여 >11 분의 가공 시간 절약을 나타낸다.
결합된 공압 매니폴드는 접착제 결합 접근법을 사용하여 매니폴드를 제작함으로써 시약 전달 및 샘플 제조 장치를 제어하는데 사용될 수 있으나, 이들은 서브시스템에서 사용되는 공압 압력, 및 매니폴드의 크기 및 복잡성으로 인해 시간에 따라 박리하는 경향이 있을 수 있다. 열로 결합된 매니폴드는 박리 문제를 경감시킬 수 있으나, 오직 시약 전달 장치와 같은 상대적으로 작고 덜 복잡한 매니폴드 설계에 대한 실용적인 접근법일 수 있다. 솔레노이드 제어 밸브에 공압 포트를 연결하는 배관을 갖는 폴리카보네이트의 단일 조각으로 제조된 단일체 매니폴드는 4-채널 샘플 제조 카트리지를 작동시킬 수 있고, 결합된 공압 매니폴드의 대안으로서 실용적인 것으로 입증되었다. 이 공압 매니폴드 설계 컨셉은 또한 증폭후 STR(단일 직렬 반복) 세정 서브시스템상의 칩 A 마이크로칩의 제어에 사용되고 있다.
4-채널 샘플 제조 카트리지의 유체 매니폴드 및 마이크로칩에 대한 어셈블리 공정이 또한 개선되었다. 역사적으로, 규소 에폭시는 마이크로칩과 큐브 사이에 접착제를 운반함으로써 그의 회합 MOVe 마이크로칩에 카트리지를 부착시키는데 사용될 수 있다. 에폭시의 이동 제어의 고유의 결핍은 마이크로칩 또는 큐브 상의 포트로 이를 때때로 운반하여, 장치를 쓸모없게 하는 유체 통로의 차단을 생성하게 할 수 있다. 이 공정은 유체 큐브 및 마이크로칩을 조립하기 위해 양면 접착 테이프(Adhesives Research ARcare90106)를 사용함으로써 개선되었고; 이는 이제 하기 기재된 증폭후 STR 세정 서브시스템 내의 증폭후 장치, 4-채널 시약 전달 카트리지 및 샘플 제조 장치에서 사용되는 바람직한 어셈블리 방법이다.
069 마이크로칩과 집적된 4-채널 샘플 제조 카트리지(도 55 참조)를 시험하였다. 069 마이크로칩 설계는 샘플 추출 카트리지와 사용된다. 다른 칩, 예컨대 070 칩은 증폭후 카트리지와 사용된다.
본원에 기재된 시스템 및 장치로의 섬유의 우연한 도입으로 인한 마이크로칩 차단은 마이크로유체공학에서 문제가 될 수 있다. 차단을 최소화하기 위해, 상자성 비드 용액을 제외한 모든 시약은 마이크로칩 차단을 최소화하는데 사용되는 로딩 및 인라인 필터 전에 여과될 수 있다.
E. 분리 및 세정
다양한 분리가 본원에 기재된 장치를 사용하여 수행될 수 있다. 이들 분리에는 크로마토그래피, 친화성, 정전기, 소수성, 이온-교환, 자성, 드래그-기재 및 밀도-기재 분리가 포함된다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 친화성 또는 이온-교환 상호작용은 비드와 같은 고체상 물질에 물질을 결합시키는데 사용된다. 비드는 통상의 기술자에게 공지된 임의의 방법을 사용하여 유체 용액으로부터 분리될 수 있다.
자기적으로 분리하는 것은 상자성 비드 및 자기장을 사용하는 기계론적으로 단순화된 포맷을 사용하여 단일 단계로 물질을 포획하고 농축시키는데 사용될 수 있다. 비드는 특이적 표적 항원, 단백질, 탄수화물, 독소, 핵산, 세포, 바이러스 및 포자를 포획하고, 농축시키고 이어서 정제하는데 사용될 수 있다. 비드는 특이적 친화성 시약, 전형적으로 표적에 결합하는 항체, 압타머 또는 DNA를 가질 수 있다. 대안으로, 정전기 또는 이온-짝짓기 또는 염-브릿지 상호작용이 표적에 결합시킬 수 있다. 비드는 외부 자기장의 존재하에서만 자성인 상자성 비드일 수 있다. 대안으로, 비드는 영구 자석을 함유할 수 있다. 비드는 복잡한 샘플, 예컨대 에어로졸, 액체, 체액, 추출물 또는 음식에 첨가될 수 있다. 표적 물질, 예컨대 DNA의 결합 후(또는 전), 자기장의 적용에 의해 비드가 포획될 수 있다. 결합되지 않은 또는 느슨하게 결합된 물질은 상용성 완충액으로 세척함으로써 제거되며, 이는 표적을 본래 샘플 내의 다른 원치않는 물질로부터 정제한다. 비드는 작을 수 있고(nm 내지 μm), 높은 수준의 표적에 결합할 수 있다. 자기력에 의해 비드가 농축되는 경우, 비드는 nL-μL 부피의 비드층을 형성할 수 있으며, 그러므로 표적을 농축시키면서 동시에 정제시킨다. 정제되고 농축된 표적을 편리하게는 온-비드 도중 수송하거나, 변성하거나, 용해하거나 또는 분석할 수 있거나, 또는 추가 샘플 제조 또는 분석을 위해 비드를 용리시킬 수 있다.
분리는 음식, 체액 및 다른 매트릭스 내의 미생물의 검출을 포함하는 많은 적용에서 광범위하게 사용된다. 상자성 비드는 용이하게 혼합되고 조작될 수 있으며, 마이크로규모 및 마이크로유체 적용으로 개질 가능하다. 이러한 기술은 거시적 규모-내지-마이크로규모 경계면으로 우수한 해결책을 제공한다: 비드는 거시적 규모에서 샘플을 정제한 후, 마이크로유체 또는 나노유체 플랫폼으로의 도입을 위해 나노규모(수백 nL)로 농축시킬 수 있다. 자기 분리는 실시간 PCR, 전기화학 발광, 자기력 식별, 자기영동, 모세관 전기영동, 자기장-흐름 분리, 또는 통상의 기술자에게 익히 공지된 다른 분리 방법 전에 상류 정제 단계로서 사용될 수 있다.
본 발명의 장치는 자성 비드의 사용을 수용할 수 있다. 예를 들어, 비드 또는 비드 슬러리는 카트리지의 포트로 공급될 수 있다. 비드는 펌핑, 자기장 또는 외부 믹서를 사용하여 카트리지 내의 용액에서 혼합되거나 현탁될 수 있다. 그 후, 비드는 마이크로유체 장치 또는 카트리지 내의 원하는 챔버 또는 저장소로 펌핑될 수 있다. 비드는 자기장을 사용하여 챔버 내에서 포획될 수 있다. 용액 중의 비드는 용액이 자기장을 따라 움직이기 때문에 포획될 수 있거나, 또는 비드는 정체 용액에서 포획될 수 있다.
카트리지의 사용 방법을 예시하기 위해 여러 실시예가 하기 기재되어 있다. 제1 실시예는 샘플의 정제를 위한 상자성 비드에 의한 협측 면봉으로부터의 핵산의 가공, 이어서 PCR 증폭 및 PCR 생성물의 비드 정제를 기재한다. 제 2 실시예는 비드에 커플링된 결합 잔기를 사용하여 세포, 단백질 또는 다른 항원성 물질을 정제하기 위한 면역자기 분리의 수행을 기재한다. 제3 실시예는 서열분석 기술, 예컨대 합성에 의한 서열분석, 혼성화에 의한 서열분석 또는 라이게이션에 의한 서열분석을 위한 샘플의 제조를 위한 분자 생물학의 수행을 기재한다. 많은 상이한 화학 및 생화학이 본 발명에서 사용될 수 있다는 것을 통상의 기술자는 알 것이다. 이들에는 효소 반응, 겔 상의 정제, 모놀리스, 비드, 패킹층, 표면 반응, 분자 생물학, 및 다른 화학적 및 생화학 반응이 포함되지만 이에 한정되지 않는다.
마이크로칩이 집적된 카트리지는 여기에 기재된 어떤 카트리지 및 마이크로칩으로 형성될 수 있다. 예컨대, 카트리지 및 마이크로칩은 도 3, 도 4, 및 도 5에 도시되어 있다. 가동 자석(300)은 카트리지에 인접하여 위치될 수 있다. 가동 자석은 구동기(310)에 의해 이동될 수 있다. 가동 자석은 자기장을 카트리지 또는 마이크로칩 내에 인가하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 가동 자석은 카트리지 또는 마이크로칩 내에서 챔버의 벽에 대하여 비드의 채집 또는 수집을 용이하게 하기 위해 사용될 수 있다.
II. 반응 모듈
반응 모듈은 마이크로유체 채널에 유체 연결된 반응 챔버 및 분석물이 통과되는 샘플 제조 챔버를 포함할 것이다. 반응 모듈은 분석물을 용적, 예컨대 원래의 샘플 용적보다 작은 비-마이크로유체 용적에 위치시키도록 되어 있다. 예컨대, 반응 모듈은 분석물이 포획되는 자기적으로 반응하는 입자를 고정하도록 구성된 자기력과 교류하는 챔버를 포함할 수 있다. 비드 베드는 통상 원래의 샘플 용적보다 작은 용적을 갖는다. 분석물은 반응 챔버에서 입자로부터 방출될 수 있고 PCR과 같은 생화학 반응은 분석물 상에 수행될 수 있다. 반응 챔버에서의 액체 용적은 비-마이크로유체 용적 예컨대 10 내지 50 μl일 수 있다. 따라서, 흐를 수 있고 고정가능한 분석물 포획 물질의 사용은 분석물의 포획, 전사 및 농축을 허용한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 온도 조절기는 반응 채널(250)을 통해 카트리지 및 마이크로칩에 유체적으로 연결될 수 있다. 반응 챔버(250)는 말단(251)에서 카트리지에 연결될 수 있다. 온도 조절기는 샘플(집합적으로 PCR 반응 샘플이라고 지칭됨)로부터 풍부하게 된 핵산 및 반응 혼합물을 함유하는 반응 채널(250)의 온도를 열 순환하는데 사용될 수 있다. 제어 메카니즘은 온도 조절기의 작동을 제어하는데 사용될 수 있다. 광학 어셈블리는 반응을 모니터링하거나 제어하는데 사용될 수 있다. 광학 어셈블리는 빛을 도입하거나 검출할 수 있다. 예를 들어, 광학 어셈블리(410)는 실시간 PCR 또는 다른 실시간 또는 종점 측정을 수행하는데 사용될 수 있다. 특정 실시예에서, 온도 조절기는 열-커플링된 펠티어 열전기 모듈, 통상적인 열전기 모듈, 고온 공기, 적외선 또는 마이크로웨이브를 사용한다. 한 실시예에서, 온도 조절기는 필요한 만큼 PCR 반응 샘플을 가열하고 냉각하기 위해 반응 채널의 외부의 펠티어 열전기 모듈을 사용한다. 열전기 모듈의 가열 및 냉각은 영역(350)에 걸쳐 분포될 수 있다. 온도 조절기(400)의 추가 도면은 도 7 및 도 8에 나타낸다. 도 7은 온도 제어된 영역(350)과 접촉하는 반응 채널(250)을 나타낸다. 온도 조절기는 또한 구동기(330)에 의해 위치된 이동가능한 자석(320)을 포함할 수 있다. 이동가능한 자석은 도 6에 나타낸 바와 같은 위치(340)에서 자성 입자를 포획하는데 사용될 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 온도 제어된 영역은 2개의 부분을 포함한다. 2개의 부분은 반응 채널(250)와 열 접촉을 유지하기 위해 함께 클램핑되거나, 채워지거나 또는 유지되는 뚜껑이 달린 부분일 수 있다. 온도 제어된 영역의 한 부분인 도 8의 부분(711)은 온도 제어된 영역의 제 2 부분으로 힌지될 수 있다. 온도 제어된 영역은 도 7의 오른쪽 및 도 8에 나타낸 바와 같이 하나 이상의 반응 채널의 배치를 위해 그루브 채널을 가질 수 있다. 도 7의 왼쪽은 폐쇄된 배치에서 온도 제어된 영역을 나타낸다. 또한, 온도 제어된 영역은 하나 이상의 수축 구성성분(도 8에서(709) 및(701)로서 나타냄)을 포함할 수 있다. 수축점은 반응 채널의 한 부분이 반응 채널의 다른 부분으로부터 단리되도록 반응 채널을 핀칭할 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 반응 채널은 유체의 몸체, 예컨대 반응 혼합물이 단리되도록 두 위치에서 핀칭된다. 수축 구성성분(709 및 701)은 반응 채널의 핀칭을 촉진하기 위해 추가 수축 구성성분(707 및 705)과 맞물릴 수 있다.
대안으로, 온도 조절기는 도 65에 나타낸 바와 같은 핀치 클램프를 사용하여 반응 배관을 수축시킬 수 있다. 울템과 같은 플라스틱으로 형성될 수 있는 핀치 클램프의 사용은 반응 채널로의 열 이동을 감소시킬 수 있다. 열 이동의 감소는 반응 채널이 열순환 또는 온도 조정 도중 용접 폐쇄될 가능성을 감소시킬 수 있다. 대안으로, 상이한 물질 배관은 반응 채널이 열순환 또는 온도 조정 공정 전 및 후에 그의 형상을 유지할 수 있다는 것을 확실하게 하기 위해 반응 채널로서 사용될 수 있다. 상이한 물질 배관은 또한 온도 조절 공정 도중 증발률을 감소시키는데 사용될 수 있다. 물질의 예로는 에틸비닐 아세테이트, 실리콘 및 실란화된 c-플렉스 배관이 포함된다.
온도 조절 장치는 초당 0.5 내지 3℃ 초과의 속도로 온도를 조절할 수 있다. 히터는 약 25 내지 100 와트를 사용할 수 있고, 온도 조절 장치를 냉각시키는데 사용될 수 있는 팬은 적어도 약 75, 100, 130, 150, 200, 250 또는 300 cfm의 공기 유속을 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 카트리지에서 유체의 이동을 제어하는데 사용될 수 있는 마이크로유체 마이크로칩과 집적된 카트리지를 포함하는 샘플 제조 장치는 흐름-관통(flow-through) PCR 열 순환기로서 온도 조절기(400)와 함께 사용될 수 있다. 유체를 이동시키기 위한 추진력은 외부 압력원 또는 내부 압력원, 예컨대 마이크로칩 내의 MOVe 밸브일 수 있다. 흐름-관통 PCR 열 순환기는 고도로 민감한 또는 높은 처리량 PCR이 바람직한 경우 사용될 수 있다. 민감한 PCR 검정에서 공기, 혈액, 물, 타액, 세포 샘플 또는 다른 배지를 샘플링할 것을 원하는 많은 상황이 존재한다. 이는 인플루엔자, 박테리아 병원체 및 임의의 수의 바이러스 또는 박테리아 병원체를 포함하는 다양한 생물학적 오염물질을 검출하는데 사용될 수 있다. 흐름-관통 PCR은 PCR이 인간 상호작용을 필요로 하지 않고 자동화 방식으로 실시되도록 할 수 있다. 흐름-관통 PCR 시스템은 또한 건물, 비행기, 버스 및 다른 수송수단의 HVAC 시스템에서 조기 경보 시스템으로서 작용할 수 있고, 감염원 또는 오염물질의 존재에 대해 혈액, 물 또는 다른 샘플 공급원을 모니터링하는데 사용될 수 있다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 흐름-관통 PCR 장치는 수집 장치, 예컨대 협측 면봉, 주사기, 공기 샘플러, 유체 샘플러 또는 다른 샘플러로부터 샘플을 취하고, 이를 샘플 제조 장치(1)로 전달한다(도 6은 척도를 위해 반드시 연신되어야 하는 것은 아니다). 샘플은 제조 장치(1)에서 제조되며, 이는 몇몇 실시예에서 세포 용해, DNA, RNA 또는 마이크로RNA 풍부화 또는 정제, 여과 또는 역전사를 포함할 수 있다. 한 실시예에서, 하나 이상의 핵산이 풍부하게 된다. 다른 실시예에서, 하나 이상의 풍부하게 된 핵산은 핵산을 PCR 시약(예컨대, 하나 이상의 DNA 중합효소, RNA 중합효소, dNTP, 완충액 또는 염) 및 프라이머(예컨대, 검정-특이적 프라이머 또는 다수의 표적 병원체에 대해 광범위하게 적용가능한 프라이머 세트)에 첨가함으로써 PCR을 위해 제조된다. 이들 프라이머는 특정 병원체(예컨대, 곰팡이, 바이러스, 박테리아, 기생충 또는 아메바)로부터 단리된 하나 이상의 핵산, 유전자, 다른 원하는 핵산 또는 이들의 임의의 조합을 선택적으로 증폭시키기 위해 선택될 수 있다. 샘플로부터 풍부하게 된 하나 이상의 핵산, PCR 시약 및 프라이머를 포함하는 조성물은 PCR 반응 샘플이라고 불린다. 한 실시예에서, 흐름-관통 PCR은 연속적 흐름 장치로서 사용될 수 있으며, 다른 실시예에서 샘플은 열 순환 영역으로 이동되고 정지된다.
그 후, PCR 반응 샘플은 반응 채널(250)을 통해 온도 제어된 장치 또는 영역(350)으로 흐른다. 몇몇 실시예에서, 반응 채널은 깨끗하거나 또는 투명하다. 다른 실시예에서, 반응 채널은 불투명하다. 한 실시예에서, 반응 채널은 원통형이다. 다른 실시예에서, 반응 채널의 단면도는 삼각형, 정사각형, 직사각형, 오각형, 육각형, 칠각형, 팔각형, 구각형, 십각형 또는 기타 다각형과 같은 형상을 형성하는 하나 이상의 평면을 포함한다. 한 실시예에서, PCR 반응 샘플의 용적은 반응 채널 내의 공간의 작은 개별 길이를 차지하고, 나머지는 공기, 기체 또는 비반응성 액체, 예컨대 광유에 의해 채워지도록 한다. 공기, 기체 또는 비반응성 액체는 개별 PCR 반응 샘플을 서로 분리하는데 사용될 수 있다. 한 실시예에서, 온도 제어된 영역(350)은 열-커플링된 펠티어 열전기 모듈, 통상적인 열전기 모듈, 고온 공기, 마이크로웨이브 또는 적외선을 포함하나 이에 제한되지 않는 하나 이상의 모듈에 의해 열로 조절된다. 한 실시예에서, 열 순환기는 필요한 만큼 샘플을 가열하고 냉각하기 위해 튜브의 외부의 펠티어 열전기 모듈을 사용한다. 한 실시예에서, 검출 모듈(410)은 온도 제어 영역과 위치되는 동안 또는 온도 제어 영역을 떠난 후에 PCR 반응 샘플로부터 방출된 신호를 검출하기 위해 형광, 발광, 흡광도 또는 다른 광학 특성을 측정한다. 검출 모듈은 PCR 반응 샘플 중의 형광 염료(예컨대, 브롬화 에티디움 또는 사이버 그린(Syber green)을 포함하나 이에 제한되지 않는 삽입성 염료)를 여기시키는데 사용되는 광원(예컨대, 간섭성 광원 또는 비간섭성 광원)을 포함할 수 있고, 여기광은 광검출기(예컨대, CCD, CMOS, PMT 또는 다른 광학 검출기)로 감지된다. 검출 전자기기는 검출 모듈(410)로부터 보내진 신호를 평가할 수 있다.
일 실시예에서, 원하는 수의 열 순환이 완료된 후, PCR 반응 샘플은 압력 또는 진공을 사용하여 펌핑되거나 반응 채널 아래로 추가로 밀리며, 온도 제어된 영역에서 배출되고 제 2 마이크로유체 마이크로칩(500)으로 통과한다. 제 2 마이크로칩(500)은 말단(252)에서 반응 채널(250)에 부착될 수 있다. 마이크로유체 마이크로칩(500)은 마이크로밸브(510, 520, 530 및 545)를 포함할 수 있다. 임의의 3개의 마이크로밸브(예컨대 (510, 520 및 530) 또는(510, 520 및 545))는 펌프를 형성할 수 있다. 마이크로채널(505, 515, 525 및 540)은 마이크로칩 상의 펌프를 연결할 수 있다. 하류 장치(535 및 550)는 마이크로칩에 연결될 수 있다. 장치(535 및 550)로의 물질의 흐름은 마이크로밸브에 의해, 예를 들어 유체의 펌핑 또는 이동 도중 밸브(530 또는 545)를 폐쇄된 상태로 유지함으로써 제어될 수 있다. 한 바람직한 실시예에서, 하류 장치는 전기영동, 질량 분광법 또는 통상의 기술자에게 공지된 다른 분석 기술을 수행하기 위해 사용될 수 있는 분석 장치이다.
III . 반응 후 모듈
어떤 실시예에 있어서, 생화학 반응이 완료된 후, 반응 생성물은 분석 전에 가공된다. 시스템은 반응 생성물을 가공하도록 된 반응후 모듈을 포함할 수 있다. 반응후 모듈은 반응 생성물을 포함하는 유체를 마이크로유체 채널을 통해 가공 챔버 예컨대, 비-마이크로유체 챔버로 라우팅하도록 된 온디바이스 밸브 및 펌프를 포함하는 마이크로유체 장치를 포함할 수 있다. 예컨대, 생화학 반응이 DNA 증폭, 예컨대 PCR이고, 분석이 예컨대 모세관 전기영동을 수반하면, 가공은 생성물 함유 용적의 염 농도를 조정하는 것을 수반할 수 있다. 이것은 예컨대, 반응 생성물 용적을 희석하는 것을 수반할 수 있다.
다른 실시양태에서, 다수의 반응 채널은 샘플 처리량을 증가시키기 위해 병렬로 사용될 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 시스템은 표적 서열이 존재한다는 것을 나타내는 증폭이 발생했을 때 (양성 결과) 사용자에게 경보를 발할 수 있다. 한 실시양태에서, 반응 채널은 오직 단일 사용을 위해 사용된 후, 처분된다. 대안적인 실시양태에서, 반응 채널은 다수의 샘플 중의 PCR 증폭 생성물을 증폭시키고 그의 존재 또는 부재를 검출하는데 사용될 수 있다. 하나 초과의 PCR 반응 샘플은 간격을 두고 로딩되고, 상호혼합을 방지하기 위한 기체 또는 액체의 장벽 볼루스로 공간을 둘 수 있다. 한 실시양태에서, 한 샘플은 열 순환 진행중에 있고 다른 샘플은 의문부호 진행중 검출 영역에 있게 하는 방식으로 샘플을 서로 떨어트린다. PCR 증폭이 열 순환을 사용할 수 있거나 또는 등온 반응일 수 있는 다른 핵산 증폭 기술에 의해 대체될 수 있다는 것이 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
다른 실시양태에서, 장치는 존재하는 표적의 양의 판독을 제공하는 검출 모듈 (도 6, 410)에 의해 세포, 단백질, 독소 또는 다른 표적이 존재하는가를 결정하기 위해 항체 또는 압타머(aptamer)와 같은 친화성 시약을 사용하여 샌드위치 검정과 같은 등온 반응을 수행할 수 있다. 이들 적용에서, 카트리지 (1)는 IMS 정제와 같은 친화성 정제를 수행한 후, 부착된 형광 라벨을 가질 수 있는 이차 항체를 첨가할 수 있다. 그 후, 샘플은 열 제어가 반응을 최적화하도록 설정된 영역 (350)으로 이동할 수 있다. 그 후, 검출 모듈 (410)은 반응을 모니터링할 수 있다. 한 실시양태에서, 다수의 카트리지는 반응 채널 (250)로 군집화되고, 일련의 볼루스는 검출기 (410)로 판독될 수 있다.
IV. 생성물 분석(예컨대. 모세관 전기영동)을 위한 장치
한 실시예에서, 완전한 샘플-투-앤써(sample to answer) 시스템이 제공되며, 이는 용적 및 농도를 매칭하기 위해 모든 단계를 함께 커플링하는 것을 필요로 하는 마이크로유체공학을 포함할 수 있다. 모세관 전기영동을 사용하는 샘플 분석은 상기 기재된 바와 같은 마이크로유체 샘플 제조 방법과 함께 사용될 수 있는 표준 분석 방법이다. 모세관 전기영동은 마이크로유체 마이크로칩으로 용이하게 개질가능하다. 본 발명에서, 마이크로칩 상의 모세관 전기영동은 MOVe 밸브와 조합되어, 샘플의 제어를 제공하고, 비드를 가공하여 샘플을 농축시키고, 로딩 및 분리를 개선시킨다.
도 48은 분리 채널(6011)과 맞물린 샘플 채널(6005)(또한 로딩 채널이라고 지칭됨)에 연결된 샘플 공급원(6009)을 나타낸다. 분리 채널에 전기장을 가하기 위해 2개의 전극(6003 및 6001)이 사용될 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 샘플 공급원은 샘플 채널 내에서 유체 흐름을 추진하는데 사용되는 마이크로칩 내의 MOVe 펌프를 통해 통과할 수 있다. 샘플 채널은 마이크로유체 채널 또는 주입 배관일 수 있다. 주입 배관은 가요성 배관 또는 다른 가요성 연결장치일 수 있다. 가요성 배관의 예로는 폴리테트라플루오로에틸렌 배관 또는 규소 배관이 포함된다. 또한, 가요성 연결장치는 마이크로칩과 상호접촉된 다른 카트리지에 연결할 수 있다. 대안으로, 가요성 연결장치는 가요성 연결장치로부터 유래된 카트리지로 돌아갈 수 있다. 분리 채널은 마이크로유체 채널, 모세관 배관 또는 모세관 전기영동 배관일 수 있다. 모세관 배관은 약 150 내지 500 마이크로미터의 외부 직경 및 약 10 내지 100 마이크로미터의 내부 직경을 가질 수 있다. 모세관은 폴리이미드 또는 폴리테트라 플루오로에틸렌 클래드일 수 있다. 모세관은 약 2 내지 100 cm 길이일 수 있다. 모세관은 먼저 주입 배관으로 홀을 드릴링한 후 가요성 배관으로 모세관을 삽입함으로써 주입 배관 또는 가요성 배관에 맞물릴 수 있다. 대안으로, 모세관은 가요성 배관을 예비드릴링하지 않고 가요성 배관으로 삽입될 수 있다.
2개의 전극 중 하나, 예를 들어 전극(6003)은 캐소드일 수 있고, 다른 전극, 예를 들어(6001)은 애노드일 수 있다. 캐소드는 임의의 캐소드, 예컨대 본원에 기재된 포크형 캐소드일 수 있다. 애노드는 통상의 기술자에게 공지된 임의의 장치를 사용하여 분리 채널에 연결될 수 있다. 예를 들어, 분리 채널은 금속성 전극일 수 있는 애노드와 전기 접촉하는 업처치 피팅(Upchurch fitting)에 의해 저장소에 결합될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 도 49에서 분리 모세관 및 주입 배관의 교차점에 나타낸 안정화 구성성분은 분리 모세관과 주입 배관 사이의 연결부를 일렬로 정렬하고/거나 밀봉하고/거나 보호하는데 사용될 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 다수의 주입 배관은 안정화 구성성분을 사용하여 다수의 분리 모세관과 일렬로 정렬된다. 도 50에 나타낸 바와 같이, 안정화 구성성분은 4개의 주입 배관(도면에 수직 배관으로 나타냄)을 보유하고, 4개의 분리 모세관(나타내지 않음)과의 연결부를 안정화시킬 수 있다.
도 48의 패널 1 내지 6은 샘플을 분리 채널로 주입하는 공정을 나타낸다. 패널 1에서, 샘플 채널(6005)에 샘플이 존재하지 않는다. 패널 2에서, 샘플 공급원(6009)으로부터 샘플 채널에 진입하는 샘플을 나타낸다. 샘플이 샘플 채널 아래로 이동하기 때문에, 샘플이 분리 모세관과 교차한다(패널 3에 나타냄). 샘플에 대한 상류 및 하류에서 기체의 볼루스에 의해 샘플을 단리할 수 있다. 샘플이 분리 채널에 인접하면, 전기장(25 내지 500 V/cm일 수 있음)이 제1 전극(6003)(캐소드 또는 포크형 캐소드일 수 있음)과 제 2 전극(6001)(애노드일 수 있음) 사이에 가해진다. 전기영동 완충액(샘플 공급원으로부터 샘플 채널로 진입하는 것으로 나타냄)이 또한 샘플 채널에 진입할 수 있다(패널 3에 나타냄). 애노드와 캐소드 사이의 전위 및/또는 전류는 샘플 채널과 분리 채널 사이의 접합부에 의해 공기 볼루스가 통과할 때 강하할 수 있으며, 이는 분리 채널로의 공기의 주입을 감소시키거나 방지한다. 샘플 및/또는 전기영동 완충액이 분리 채널에 인접하는 것을 확인하기 위해 전위 및/또는 전류 강하를 검출할 수 있다. 전기영동 완충액이 분리 채널에 인접하면(패널 5에 나타냄), 애노드와 캐소드 사이의 전류 및/또는 전압 강하가 증가될 수 있다. 이는 전기영동 완충액이 고성능 분리를 위한 이온을 제공하기 때문에, 패널 6에 나타낸 바와 같이 분리 채널 내의 분석물질의 분리를 허용할 수 있다.
한 실시예에서, STR 분석을 위한 주입 공정은 다음과 같다:
A. 마이크로유체 채널이 완충액으로 충전될 수 있다.
B. 완충액이 샘플 채널을 가로질러 당겨지면서 분리 채널이 겔로 충전될 수 있으며, 그러므로 분리 채널 및 샘플채널에 의해 형성된 단면으로부터 분리된 중합체를 쓸어내린다.
C. STR 증폭된 샘플(탈염되고 비드 상에 포획됨)이 마이크로칩(500)에서 포획되고, 크기 표준을 함유하는 낮은 전도성 유체(물)에서 용리되고, MOVe 기술에 의해 샘플 채널로 펌핑될 수 있다.
D. 샘플 및 폐기물 암에 대한 "후진력" 전압으로 캐소드 및 애노드를 가로질러 전기장을 적용하여, 샘플을 분리 채널로 추진할 수 있으며, 여기서 샘플은 분리 중합체의 헤드에서 적재된다. 샘플이 주입되기 때문에, 샘플 채널의 전도성은 단일 단계 주입을 제공하는 캐소드 암에서 완충액과 신속하게 평형화될 수 있다.
포크형 전극 또는 캐소드는 도 46에서 나타낸 바와 같이 2개의 금속성 도체일 수 있다. 도 46에 나타낸 바와 같은 분석될 샘플을 위한 유체 통로는 로딩 채널을 따라 존재할 수 있다. 샘플의 위치가 분리 채널에 인접한 경우, 포크형 전극은 본원에 기재된 바와 같이 샘플을 분리 채널로 주입하는데 사용될 수 있다. 샘플 채널 내의 물질의 전도도는 분리 중합체일 수 있는 분리 채널 내의 물질의 전도도보다 낮을 수 있다. 전도도의 차이는 전기장이 포크형 전극(캐소드일 수 있음) 및 하류 전극(애노드일 수 있음)을 통해 가해지는 경우 샘플 적재를 유발할 수 있다. 포크형 전극 및 하류 전극의 극성은 포크형 캐소드가 애노드이고 하류 전극이 캐소드가 되도록 역전될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 분리 채널에 가해진 전기장의 손실을 야기할 수 있는 분리 채널로의 기체의 주입 또는 샘플 로딩 채널 내의 버블 형성을 감소시키기 위해 추가 전극이 사용될 수 있다. 분리 채널로의 기체의 주입 또는 샘플 로딩 채널 내의 버블 형성은 분석물질의 일관성없는 분리를 초래할 수 있고, 분리 채널에 전기장을 가하기 위해 사용된 애노드와 캐소드 사이의 일관성없는 전류에 의해 검출될 수 있다. 분리 채널로의 기체 또는 버블의 주입을 우회하거나 감소시키기 위한 추가 전극의 사용은 도 47에 나타낸다. 추가 전극은 단일 와이어 실행 전극 또는 캐뉼라형 실행 전극일 수 있다. 캐뉼라형 실행 전극의 증가된 표면적 및/또는 더 큰 내부 직경은 분리 채널로의 버블 형성 또는 차단 및/또는 주입을 유의하게 감소시킬 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 캐뉼라형 실행 전극을 위해 사용되는 캐뉼라는 약 1/64, 1/32, 1/16, 1/8 또는 1/4 인치 이상의 내부 직경을 갖는다.
도 96a 및 b에 도시된 다른 실시예에 있어서, 세갈래 전극 배치는 주입 전에 분석물을 사전 농축하기 위해 사용될 수 있다. 이 방법에서, 외부 전극에는 분석물의 것과 동일한 전하가 제공되고, 그들 사이의 그리고 전기영동 모세관과 반대의 전극에는 분석물의 것과 반대의 전하가 제공된다. 예컨대, 음으로 대전된 핵산의 경우에, 외부 전극에는 부전하가 제공되고 중간 전극에는 정전하가 제공된다. 이것은 분석물이 측면 전극들 사이에 그리고 중간을 향하여 농축되게 한다. 그 다음, 중간 전극 상의 전하는 반전되고 전압은 전기영동 모세관을 가로질러 위치된다. 이것은 분석물을 모세관 튜브를 통해 이동시킨다. 모세관 전기영동 주입기의 도시된 전극 구성은 포크형 전극 및 다른 전극을 포함할 수 있다. 도시된 양 구성은 전기영동 모세관과의 접속에 말단으로 위치된 2개의 접촉점을 갖는 포크형 전극을 포함하고 제 1 전극은 모세관의 루멘을 직접 가로지른다. 일 실시예에 있어서, 제 2 전극은 포크형 전극에서의 제 3 포크이다. 제 2 실시예에 있어서 제 2 전극은 다른 전극과 동일한 회로 상에 있지 않다. 이것은 2개의 회로 경로가 주입기에 사용되게 한다. 3개의 전극 배치를 사용하는 하나의 방법에 있어서, 샘플은 유체 시스템을 사용하여 모세관과 반대의 위치로 이동된다. 그 다음, 샘플은 모세관과 반대의 중간 전극만을 사용하여 모세관으로 주입된다. 이어서, 중간 전극은 오프되고, 측면 전극은 온되어 모세관을 통해 분석물을 전기영동하기 위해 사용된다.
본 발명은 전기영동 모세관의 온도, 예컨대 모세관의 어레이를 조정하기 위한 장치를 제공한다. 실시예가 도 98b에 도시되어 있다. 전기 절연 회로 기판은 모세관의 배치를 위한 전체 S자형 경로를 갖는다. 전체 S자형 경로는 6개의 상이한 부분(12, 14, 16, 18, 20, 및 22)으로 나뉘어진다. 이들 6개의 상이한 부분(12, 14, 16, 18, 20, 및 22)은 특정 부분과 열접촉하는 모세관의 일 부에서 온도를 개별적으로 조절한다. 각 상이한 부분(12, 14, 16, 18, 20, 및 22)은 그 부분 영역을 채우기 위해 그 부분 영역에서 앞뒤로, 예컨대 구불구불한 형상으로 이어지는 전기적 경로로 채워진다. 앞뒤로 이어지는 전기적 경로는 부분(22)에 상세히 도시되어 있다. 도면에서 명료함을 위해 도시되지 않을지라도, 다른 부분(12, 14, 16, 18, 및 20)은 또한 그 부분 영역을 채우기 위해 그 부분 영역에서 앞뒤로 이어지는 전기적 경로로 채워진다.
또한, 회로 기판은 모세관의 배치를 위한 통상 S자형 경로의 양측을 따라 이어지는 천공부(10)의 열을 갖는다. 천공부는 회로 기판의 전체 S자형 경로와 회로 기판의 나머지 사이에서 열전사를 감소시킨다. 공기는 양호한 단열재이기 때문에, 열전사는 회로 기판의 두 부분 사이에서 감소된다. 또한, 회로 기판 자체는 열등한 열도체이다. 다른 실시예에 있어서, 천공부의 열 대신에, 열등한 열 도전 재료는 회로 기판의 두 부분 사이에 위치된다. 그러한 열전사의 감소는 전체 S자형 경로 및 전체 S자형 경로 상에 위치된 모세관의 열 조절을 용이하게 한다. 천공부는 실질적으로 전체 S자형 경로 및 전체 S자형 경로 상에 위치된 모세관에 대해 열 조절된 구역의 열 질량을 감소시키는 역할을 한다. 더 작은 열 질량에 있어서, 소망하는 온도는 전체 S자형 경로 및 전체 S자형 경로 상에 위치된 모세관에 대해 더 신속히 도달된다.
또한, 회로 기판은 전체 S자형 경로의 출구 단부를 향해 전체 S자형 경로를 따라 천공부(8)를 포함한다. 회로 기판 재료의 부재 때문에, 천공부(8)는 천공부(8)에 걸쳐 위치되는 모세관과의 광학 상호작용을 용이하게 한다. 천공부(8)는 에피형광(epi-fluorescent), 및 각종 스큐 조명 구조(skew illumination scheme)와 같은 광학 배열을 사용하여 형광 여기 및 검출을 허용한다.
각종 실시예에서의 전기적 경로가 전기 절연 회로 기판상에 패터닝되거나, 식각되며, 도전 추적 결합된다. 패터닝된 전기적 경로는 원하는 도전 경로를 남기기 위해 불필요한 도전 재료를 제거하는 "제거" 패터닝, 또는 원하는 도전 경로를 형성하기 위해 추가 도전 재료를 추가하는 "추가" 패터닝에 의하여 규정될 수 있다. 회로 기판은 단층 회로 기판상에 또는 다층 회로 기판의 부분으로서 도전 경로를 가질 수 있다.
전기적 경로에서의 도전 재료의 각종 예는 구리, 알루미늄, 은과 금속성 재료, 또는 흑연, 또는 도전성 잉크와 같은 비금속성 도전 재료이지만, 어떤 다른 도전 재료일 수 있다.
전기적 경로의 도전 재료와 대조를 이루어, 회로 기판 재료는 비도전성, 통상 유전체 재료이다.
각 전기적 경로는 가열 영역을 생성 및 규정한다. 하나의 예시적인 실시예에 있어서, 6개의 가열 영역은 이하에 도시된 가열기 형상을 생성하는데 필요한 형상으로 접힐 수 있는 150㎛ 폭의 구리 트레이스에 대해 대략 1m로 각각 구성된다. 각종 실시예는 분석물의 전기영동 분리에 적당한 길이에 따라 1m보다 짧거나 긴 추적의 길이를 변경시킨다. 각종 실시예는 열적으로 결합되는 모세관의 열 조절에 적당한 가열을 생성하기 위해 전기적 경로의 적당한 저항에 따라 전기적 경로의 폭을 넓히거나 좁힌다. 각종 실시예는 가열 영역의 수를 증가시키거나 감소시킨다.
일부 실시예에 있어서, 트레이스와 같은 전기적 경로는 0.0001 내지 0.5 인치 범위의 폭, 및 0.25 내지 750 인치 범위의 길이를 갖는다.
전기영동을 모세관에서 수행하는 것은 열이 모세관 벽을 통해 효과적으로 방산되게 한다. 이것은 고전압이 신속한 분리를 달성하는데 사용되게 한다.
도 2는 회로 기판, 회로 기판 상의 전기적 경로, 모세관 다발, 및 온도 센서를 구비한 열적 어셈블리의 평면도이다.
도 98a에 도시된 회로 기판과 같은 회로 기판에 대하여, 전기영동 모세관이, 예를 들어 접착 재료에 의해 전체 S자형 경로에 부착된다. 도시된 실시예에 있어서, 8개의 모세관 다발이 부착된다. 다른 실시예는 분석물의 병렬 가공에 대한 특정 전기영동 적용의 요건에 따라 1에서 그 보다 큰 수까지의 범위에 있는 어떤 다른 수의 모세관을 갖는다. 모세관의 입구 단부(54)는 상이한 모세관으로 분석물의 진입을 용이하게 하기 위해 단부를 펼친다. 모세관의 출구 단부(56)는 도면에 함께 다발로 된다.
전체 S자형 경로의 개별적이고 열적으로 조정된 영역 또는 부분 각각에 있어서, 온도 센서는 열 접촉된다. 도시된 온도 센서는 32, 34, 36, 38, 40, 및 42이다. 온도 센서(42)는 모세관이 아니라 회로 기판 자체, 또는 대안으로 주위 공기와 열 접촉한다. 온도 센서의 예는 서미스터나 다른 온도 변화 저항, 또는 열전쌍이나 다른 온도 변화 전압원이다. 다른 실시예에 있어서, 개별적이고 열적으로 조정된 부분의 온도 데이터는 개별 온도 센서에 의해 수집되는 것이 아니라, 전기적 경로의 저항에 의한 것과 같은 전기적 경로 그 자체에 의해 수집된다.
도시된 실시예에 있어서, 온도 센서는 열 절연 천공부의 어레이의 회로 기판 외부의 일부 상에 종결되는 트레이스에 부착되는 서미스터이다. 서미스터는 모세관 어레이를 가로질러 아래로 접혀지고 모세관 어레이를 기판에 결합하는 접착제로 내장되어, 가열기로부터 열 손실을 최소화하면서 서미스터와 모세관 사이의 양호한 열 접촉을 보장한다.
그러한 온도 센서에 의해 발생되는 온도 데이터는 전기적 경로와 열 접촉하는 모세관의 온도를 열적으로 조정하는 것을 원조한다. 전기적 경로를 통과하는 전류는 주울 가열을 통해 전기적 경로에 열 에너지를 축적한다. 축적된 열 에너지의 양은 전기적 경로의 전류 및 저항에 따라 변화된다.
일 실시예에 있어서, 본 발명은 휴대용의 8개의-채널 집적된 자동화 샘플-투-앤써 DNA 포렌식 장치를 제공한다. 그러한 장치는 협측 스왑 샘플 또는 혈액 샘플을 받아들이고; STR 분석을 수행하고; 데이터베이스에 대하여 의문 부호에 준비된 CODIS 파일을 출력한다.
다른 실시예에 있어서, 본 발명은 샘플에서의 단기 반복을 위한 자동화 분석을 제공하며, 그 방법은 단기 반복 핵산 시퀀스를 포함하는 분석물을 포함하는 샘플을 추출 및 정제하는 단계; 단기 반복 핵산 시퀀스를 증폭하는 단계; 단기 반복 핵산 시퀀스를 정제하는 단계; 및 단기 반복 핵산 시퀀스의 크기를 결정하기 위해 정제된 단기 반복 핵산 시퀀스 상에 모세관 전기영동을 수행하는 단계를 포함한다.
표준 기술을 사용하면, 생물학적 샘플(예컨대, 치크 스왑)로부터 CODIS 파일의 데이터 출력의 처리는 6시간 이상을 필요로 한다. 이것은 DNA 추출, qPCR, DNA 정규화, 라벨링된 프라이머를 갖는 STR 증폭, 반응후 샘플 제조, CE 분석 및 데이터 분석을 포함한다. 본 발명의 시스템은 5시간 미만, 4시간 미만, 3시간 미만 또는 2시간 미만에 이 전체 처리를 수행할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 본 발명은 단기 반복을 위한 자동화 분석을 제공하며, 원래의 또는 다르게 정제되지 않은 샘플로부터 정확한 STR을 얻는 성공률은 적어도 60%, 적어도 65%, 적어도 70%, 적어도 75%, 적어도 80%, 적어도 85%, 적어도 90%, 적어도 95%, 적어도 96%, 적어도 97%, 또는 적어도 98%이다.
A. 검출기
일 양태에 있어서, 본 발명은 모세관의 어레이, 예컨대 4개의 어레이, 8개의 어레이 또는 12개의 모세관까지의 어레이에서 분석물을 검출하기 위한 광학 시스템을 제공한다. 이 시스템에 있어서, 대물 렌즈는 모세관, 여기원, 및 수집 옵틱스에 대하여 이동된다. 대물이 이동됨에 따라, 여기광은 렌즈의 상이한 부분을 통과하고 모세관의 구역 내의 상이한 부분에 초점이 맞추어진다. 대물의 이동은 초점을 병진시키므로 각 모세관이 차례로 스캐닝될 수 있다.
도 99에서, 여기 빔(170)의 여기원은 고체 레이저이며, 그 출력은 대물(160) 바로 위의 광학 경로에서 45도 각에 위치된 빔 결합기(162)를 사용하여 모세관(174)으로 투사된다. 각종 실시예에 있어서 빔 결합기는 글래스의 투명 시트에 위치된 작은 반사 도트와 같은 파장 감지 반사기 또는 공간 빔 스플리터를 포함한다. 빔 결합기는 공간 빔 결합기보다 정렬을 더 용이하게 하는 파장 의존적이다.
고 개구수 대물은 모세관(174)의 도중에 있는 여기 빔(170), 및 모세관(174)으로부터의 방출된 형광의 광 신호에 의해 사용된다.
모세관(174)의 분석물로부터 방출된 형광의 광신호는 대물(160)에 의해 시준된다. 광신호는 파장 감지 반사기(162)를 통과하고 여기 빔(170)을 포함하는 광 신호의 일부분을 차단하는 롱 패스 필터(164)에 충돌한다.
형광 검출 스킴은 프리즘 분광계 기반이다. 광신호는 이 때 분산 프리즘(166) 상으로 투사되는데, 그것은 파장에 따라 광선의 변경하는 역할을 한다. 그 다음 이 분산된 광신호는 이미지 형성 렌즈(168)를 사용하여 검출기(170)의 평면에 초점이 맞추어져, 분산된 광신호의 상이한 파장이 검출기(170)의 평면에서의 상이한 위치에 초점이 맞추어지게 한다. 검출기(170)의 예는 CCD 카메라이다. 대안은 CMOS 카메라 또는 다른 광센서이다.
30㎛ 직경 모세관을 포함하는 어레이에 있어서, 검출 장치에 대한 스캔 범위는 8개의 채널 어레이에 대하여 +/- 0.8 mm를 커버한다. 이 제한된 스캔 범위는 이동부의 수를 최소화한다. 다른 실시예는 모세관의 상이한 수를 수용하는 스캔 범위 및/또는 모세관의 상이한 수를 넓히거나 좁힌다. 대물(160)만이 이동되므로, 여기 레이저 빔(170)은 이 빔(170)이 어레이 내의 단부 모세관의 상부에 위치될 때에도 대물(160)의 중심에 매우 근접해 있다. 여기 빔(170)은 어레이 내의 모세관의 위치에 따라 상이한 각에서 모세관에 충돌한다.
V. 일회용 카트리지를 갖는 집적 분석 시스템
본 발명은 샘플 추출, 열 순환, 및 증폭 후 처리를 포함하는 시스템의 수 개의 기능을 집적한 일회용 카트리지와 연결될 수 있는 집적 분석 시스템을 제공한다. 집적 분석 시스템 및 일회용 카트리지 소스로부터 얻어진 샘플을 분석하고 소스에 관한 정보를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 시스템 및 카트리지는 핵산을 복수의 샘플로부터 추출하고 소스에 관한 유전 정보를 얻기 위해 짧은 수직 반복을 위한 추출된 핵산을 분석하기 위해 사용될 수 있다.
집적 분석 시스템 및 일회용 카트리지의 개요는 도 63에 도시되어 있다. 집적 분석 시스템은 하드웨어, 소모품, 소프트웨어, 및 설명서를 포함할 수 있다. 도 64에 도시된 바와 같이, 집적 분석 시스템의 하드웨어 구성요소는 하나 이상의 인크로저, 전자 장치, 공압 장치, 옵틱스, 열 순환기, 전기영동 시스템, 및 카트리지 커버를 포함할 수 있다. 하드웨어의 추가적인 구성요소는 도 64에 도시되어 있다. 또한, 집적 분석 시스템은 하나 이상의 제어 시스템, 전력 시스템, 컴퓨터, 및 디스플레이를 포함할 수 있다. 도 65에 도시된 바와 같이, 집적 분석 시스템의 소프트웨어 구성요소는 그래픽 사용자 인터페이스, 데이터 분석, 코어, 및 스크립트를 제공하기 위한 소프트웨어를 포함할 수 있다. 코어는 하드웨어의 제어에 사용될 수 있다. 스크립트는 실행되는 프로그램일 수 있다. 프로그램은 특정 분석 절차에 대응할 수 있다.
도 66에 도시된 바와 같이, 소모품은 하나 이상의 모세관 어레이, 시약 카드, 카트리지, 및 분리 폴리머 카트리지를 포함할 수 있다. 시약 카드는 분석 반응을 수행하기 위한 시약을 포함할 수 있다. 카트리지는 유체 수송을 제어하기 위한 하나 이상의 공압 작동 밸브를 갖는 샘플 및 칩을 수용하기 위한 챔버를 포함할 수 있다. 다른 소모성 구성요소는 도 66에 도시되어 있다.
도 67은 집적 분석 시스템에 포함될 수 있는 설명서를 도시한다. 설명서는 테스트 설명서, 매뉴얼, 프로젝트 설명서, 요건과 명세, 제품 설명서, 및 위험 관리를 포함할 수 있다.
집적 분석 시스템 및 일회용 카트리지는 약 10 ft3미만, 약 5 ft3미만, 약 3 ft3미만, 약 2 ft3미만, 또는 최대 약 1 ft3의 전체 용적을 갖고, 펠리칸 모델 1610 케이스와 같은 컨테이너에 둘러싸여질 수 있다. 펠리칸 모델 #1610 @ 2.2 ft3는 사용자 제어 및 스페어 카트리지를 포함하는 모든 시스템 부분을 포함하기 위해 사용될 수 있다. 컨테이너의 치수는 약 22 x 17 x 11 인치 이하일 수 있다. 컨테이너는 시스템의 수송을 용이하게 하기 위한 휠 및 핸들을 가질 수 있다. 컨테이너는 시스템이 수송 또는 사용 동안 손상으로부터 보호되도록 패딩되거나 강화될 수 있다. 컨테이너는 우발적인 침입 및/또는 절도를 방지 및/또는 지연시키기 위해 단단히 폐쇄되거나 하나 이상의 알람을 갖는다. 내장된 집적 분석 시스템의 예가 도 68에 도시되어 있다. 따라서, 이 시스템은 생물학적 샘플을 받아들이고 샘플의 유전 내용의 분석을 생성하기 위해 슈트케이스 크기의 컨테이너 기기로 통합된다. 시스템은 다중화되고 복수의 작동을 한번에, 예컨대, 적어도 2번, 적어도 4번, 적어도 6번, 적어도 8번, 적어도 10번, 또는 심지어 적어도 12번 수행하거나, 보다 많은 샘플을 병렬로 수행할 수 있다. 구체적인 실시예에 있어서, 시스템은 2, 4, 6, 또는 8 샘플을 병렬로 수행할 수 있다.
케이스 하중은 50 kg보다 작을 수 있고 보호 없이 견딜 수 있다. 어떤 추가적 패키징이 요구되지 않아서, 장치의 신속한 전개를 가능하게 한다. 리드는 개방될 수 있고 장치는 도달에 따라 플러깅될 수 있다. 작은 크기 및 2명의 리프트는 리트프 장비를 필요로 하지 않고 설정 및 이송을 가능하게 할 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에 있어서, 시스템은 내부 전원 또는 발전기를 포함한다. 내부 전원은 전원이 없을 시에 시스템에 전력 공급하는 배터리일 수 있다. 배터리는 재충전가능 배터리일 수 있거나 일회용 배터리일 수 있다. 발전기는 통상의 기술자에게 알려진 연료 전지, 태양 전지, 또는 어떤 다른 종류의 발전기일 수 있다.
또한, 컨테이너 또는 케이스는 하나 이상의 내부 인크로저를 가질 수 있다. 내부 인크로저는 하드웨어를 손상 또는 떨어짐으로부터 보호할 수 있다. 내부 인크로저의 예는 도 68에 도시되어 있다. 내부 인크로저는 공기의 흐름을 허용하기 위해 방사상 컷아웃을 구비한 2개의 벤트를 갖는다. 도 69는 내부 인크로저(1.0, 저면 우측)가 컨테이너로부터 제거된 시스템을 도시하고, 집적 분석 시스템의 하드웨어를 노출시킨다. 또한, 도 69는 옵틱스(4.0), 공압(3.0), 카트리지(10.0), 열순환기(5.0), 카트리지 커버(7.0), 시약 카드(9.0), 및 전자 장치(2.0)의 위치를 나타낸다.
작동 하에서, 시스템은 섀시로부터 배출되는 것이 필요할 수 있는 수백 와트를 드로잉할 수 있다. 2개의 회전 팬은 필터 세트를 통해 공기를 드로잉하고 2개의 팬에 있어서는 주변 온도를 5℃ 내로 그리고 단일 팬에 있어서는 10℃보다 작게 내부 섀시 공기 온도를 유지하기 위해 충분한 냉각을 제공한다. 팬은 수명을 >25k-hr보다 크게 증가시키기 위해 브러쉬리스(brushless) 유형일 수 있다.
공기 및 온도 제어 서브시스템은 슈트케이스 인크로저, 열 순환기, 및 CAE 내에서 열 흐름을 관리한다. 레이아웃은 아폴로 200 시스템의 측면에 입력을 갖는 강제 공기, 내부 플레넘을 사용하고 필터링된 공기를 카트리지의 정면 및 배면에서 출력해서 적당한 열 관리를 용이하게 하고 입자 도입을 최소화한다.
인클로징된 집적 분석 시스템의 다른 다이어그램은 도 70에 도시되어 있다. 도 70은 분리를 수행하기 위한 모세관 전기영동 링, 분석물을 검출하기 위한 CCD 기반 검출기, 집적된 카세트(시약 카드를 갖는 결합된 일회용 카트리지), 공압 솔레노이드, 카세트 클램프와 인터페이스(결합된 공압 매니폴드와 카트리지 커버), 터치스크린 인터페이스를 갖는 내장된 태블릿 PC, 배기 팬, 공압 압력원과 안정기, 및 전자 장치를 도시한다.
컴퓨터 및 제어 소프트웨어는 시스템을 집적하고 전자 장치 인터페이스, 타이밍 및 제어를 제공할 수 있다. 컴퓨터는 마이크로소프트 XP를 실행시키는 산업용 PC일 수 있다. 소프트웨어는 소프트웨어 제어 소프트웨어일 수 있다. 메인 사용자 인터페이스는 인크로저에 포함될 수 없는 모니터(VGA 또는 higher res), 외부 키보드(USB) 및 마우스(USB)에 의한 보조 인터페이스와 터치 스크린 패널일 수 있다. 바 코드 리더(Keyence BL-180과 같은) 및 GPS 유닛(Sirf-Star iii chipset 기반 OEM 모듈)은 USB를 통해 컴퓨터에 연결될 수 있다.
도 71은 인클로징된 집적 분석 시스템의 도면을 도시한다. 도 71은 터치 스크린(1.5.1), 바 코드 리더(1.5.2), GPS(1.5.3), 케이스(1.1), 전원(1.7), 섀시 구조(1.2), 내부 파티션 배플(1.3), 전자 장치(2.1-2.5), 분리 폴리머 충전 장치(6.2), 및 분리 폴리머 카트리지(11.0)를 도시한다. 전자 장치는 통신 컨트롤러(2.1), 솔레노이드 밸브 컨트롤러(2.2), 온도 컨트롤(2.3), 모터 컨트롤(2.4), 및 센서 기판(2.5)을 포함한다.
도 72는 인클로징된 집적 분석 시스템의 옵틱스 및 공압 시스템의 상세도를 도시한다. 옵틱스는 정렬 구성요소 베이스(4.1), 여기원(4.2), 검출기(4.3)를 포함한다. 공압은 진공 공급(3.1) 및 압력 공급(3.2)을 포함한다.
산업 등급 전원은 시스템의 수명을 개선하기 위해 사용될 수 있다. 전원의 레이팅은 500W보다 높지 않을 수 있다. 진동 표준을 만족하고 긴 수명을 만족하는 것으로 증명된 상호연결이 사용될 수 있다.
서브어셈블리를 장착하기 위한 섀시 설계는 높은 용적 부분의 중량 및 비용을 감소시키기 위해 알루미늄 캐스팅을 사용할 수 있는 다수의 구조를 포함할 수 있다. 알루미늄 구조는 서브시스템(2, 3, 4, 5, 6 및 11)(도 64)을 지지할 수 있다. 시트 금속 부분을 사용하는 구조는 서브시스템(1.5 및 2)을 지지할 수 있다. 그 설계는 수송을 위한 진동 사양을 만족시키기 위해 강성 및 내구성을 유지하면서 중량 및 비용을 감소시킬 수 있다. 구조는 인크로저와 시스템/서브시스템 사이의 내부 절연을 포함할 수 있다.
유출을 회피하기 위해 전자 장치 및 옵틱스로부터 카트리지 로딩과 같은 사용자 조작부를 분리하는 파티션; 및 미광이 옵틱스로부터 진입되는 것을 방해하는 배플은 플라스틱 또는 알루미늄 부분으로 제조될 수 있다.
섀시는 카트리지 핸들링 서브시스템과 설계될 수 있다. 카트리지 핸들링 서브시스템은 섀시를 특정 용도 카트리지와 인터페이스하고 섀시의 정면 중심에 위치된다(도 39). 카트리지 핸들링 서브시스템은 사용자가 소프트 버튼 '로드'를 푸시할 때 활성화될 수 있다. 카트리지 핸들링 서브시스템은 마찬가지로 카트리지를 사용자로부터 크래들에서 VCR 기구로 수용할 수 있고 이는 카트리지를 섀시로 이동시키기 위해 작동될 수 있다.
카트리지는 먼저 사용자로부터 떨어진 다음 아래로 이동할 것이다. 상부 플레이트는 크래들의 상부를 밀봉할 수 있다. 유체 및 공압 연결은 스프링력 하에 상부 플레이트 및 하부 플레이트를 통해 카트리지의 상부 및 하부를 통과할 수 있다. 모든 연결은 처리 동안 그리고 저장될 때 상부 플레이트에 의해 환경으로부터 보호될 수 있다. 카트리지 핸들링 서브시스템 및 제 1 카트리지는 프로젝트에서 최고 위험 항목이다.
카트리지 핸들링 서브시스템이 카트리지 입력을 종료시키므로, 공압 및 유체 둘 다는 스프링 압력 하의 카트리지가 하부 플레이트 상의 축소 'O-링' 밀봉에 안착됨에 따라 밀봉된다.
그 유닛은 수송 진동 및 환경적으로 극한 조건에서의 표준을 충족하기 위해 구성될 수 있다. 그 유닛은 여러가지 케이스 방위에 사용될 수 있다. 그 유닛은 극한 온도 및 습도 사양에 기능하도록 설계될 수 있다. 그 유닛은 누광을 방지하기 위해 설계될 수 있다.
집적 분석 시스템 및 일회용 카트리지의 구성요소는 도 73에 도시되어 있다.
시약 공압 어셈블리는 카트리지와 맞물리고 다수의 기능을 수행할 수 있다. 공기 공급부에 연결된 카트리지 커버는 도 73 상에 도시된 개략도의 상부 좌측 부분에 도시된다. 카트리지 커버의 도면은 도 74에 도시되어 있다. 도 74는 진공원(3.4 백(Vac)) 및 압력원(3.4 프레스)을 위한 공기 공급 포트를 도시한다. 또한, 카트리지 커버는 자석 어셈블리(7.1), 시약 핸들링 인터페이스(7.4) 및 가열 어셈블리(7.2)를 포함한다.
카트리지 커버는 카트리지 및 시약 카드의 상부와 연결된다. 그것은 수 개의 기능을 포함할 수 있다: 샘플 추출 처리에서 자기 입자 포획을 위한 자석 위치 결정, 샘플 추출 용해 처리를 위한 가열기 위치 결정, 전기영동 시스템에 희석물을 공급하기 위해 캐소드 배관의 연결, 시약 카드에 압력 및 진공의 통합, 샘플 로딩 처리의 제어를 위한 조명 및 시약 카드 활성화 전의 자기 입자 재부유.
A. 카트리지 커버의 주요 기능성은 카트리지와 정렬하고, 시약 카드를 활성화하고 확장된 기능성을 제공하기 위해 카트리지와 연결하는 것이다. 그 기능은 도 74를 참조하면 이하를 포함한다.
A. 자석 어셈블리(7.1): 용해 후 샘플로부터의 DNA는 자기 입자에 포획되고 오염물 및 PCR 억제제를 제거하기 위해 세척함으로써 다른 처리를 위해 준비될 수 있다. 포획을 제공하고 카트리지 내의 일부 또는 리스(lease)를 위해 카트리지 커버는 카트리지 상의 포획 챔버에 대해 희토 자석의 어레이의 이동 및 위치를 용이하게 하기 위해 어셈블리를 포함한다. 이 어셈블리는 자석 어레이 및 기구로 구성된다. 자석은 상자성 비드를 함유할 수 있는 카트리지 내의 구획부 상에 자기력을 가하는 위치로 및 위치로부터 이동될 수 있다.
B. 가열 어셈블리(7.2): 세포 용해는 상승되는 온도, 통상 60-80℃에서 수행된다. 용해는 가열 어셈블리에 의해 가열되는 샘플 챔버 내에서 발생된다. 카트리지 커버는 샘플 챔버 주위에 저항 가열기를 위치시키고 전자 장치의 열 관리 구성요소에 상호연결을 제공한다. 온도 피드백은 가열기 내의 열전쌍에 의해 공급된다.
C. 캐소드 배관 연결(7.3): PCR 및 희석 후 샘플, 이제 희석물은 모세관 상으로의 주입을 위한 캐소드 배관으로 이동된다. 캐소드 배관은 카트리지 커버를 통해 연결되어 면 밀봉 또는 페룰 타입 연결과 같은 저압 밀봉에 의해 카트리지와 연결된다. 이 연결은 누출없고, 청결하고 저 데드(low dead) 용적이다.
D. 시약 핸들링(7.4): MOVe 밸브 성능을 최대화하기 위해 밸브에 가압된 시약을 공급하는 것이 때때로 유용하다. 카트리지 커버 내에 시약 카드가 시스템 설정 동안 활성화될 때, 가압된 특정 시약이 분출되는 수 개의 포트가 존재한다. 동일한 방식으로, 폐기물 재료의 최상의 제거는 진공 원조로 종종 달성된다. 게다가, 시약 카드 활성화에 따라, 특정 폐기물 웰은 이것을 달성하기 위해 진공화될 수 있다. 시약 카드와의 인터페이스는 시약 카드상에 상부 밀봉을 피어싱하는 카트리지 커버에 장착된 캐눌러를 통한 것이다.
E. 샘플 로딩(7.5): 적당하게 제어된 샘플 로딩, 포지티브 컨트롤, 네거티브 컨트롤 및 대립형질 사다리를 용이하게 하기 위해 카트리지 커버는 활동도를 모니터링하고 제어하는 소프트웨어와 폐쇄 회로 방식으로 작동하는 센서 및 조명기와 피팅될 수 있다. 카트리지 타입 및 실행 설정 파라미터에 따라 시스템은 하나 이상의, 예컨대, 5부터 모두 8개까지의 샘플 챔버를 "활성화"할 수 있다. 챔버는 카트리지 커버로 조립된 LED나 다른 광원으로 챔버를 조명함으로써 활성화될 수 있다. 스왑, FTA 펀치 또는 컨트롤이 챔버로 삽입될 때 그것은 카트리지 커버로 조립된 광 센서에 의해 검출된다. 시스템은 이 때 조명을 오프시켜 챔버를 효과적으로 비활성화시킨다. 샘플이 비활성화된 챔버로 위치되면 시스템은 에러 모드에 진입한다. 조명기 및 센서는 전자 장치 내의 센서 기판에 인터페이스된다.
F. 서모사이클러 인터페이스(7.6): 카트리지 상의 반응 배관은 카트리지 커버에 의해 서모사이클러 구성요소에 기계적으로 정렬된다.
G. 자기 입자 재부유(7.7): 시약 카드가 활성화되기 전에 자기 입자는 적송 및 저장 동안 정착될 수 있으므로 재부유될 수 있다. 카트리지 커버는 초음파 프로브, 피에조 진동 프로브 또는 혼합 기구와 같은 재부유 장치를 시약 카드의 자기 입자 웰에 연결할 수 있다.
카트리지 커버는 도 73 상의 카트리지 커버 아래의 파선 내에 도시된 카트리지와 연결할 수 있다. 카트리지 커버는 공압 압력을 카트리지에 인가할 수 있으며 그리고/또는 자기장 및/또는 열을 카트리지의 하나 이상의 구성요소에 인가하기 위해 구성될 수 있다. 카트리지 커버 및 공압 매니폴드와 인터페이스된 카트리지의 도면은 도 75에 도시되어 있다. 또한, 도 75는 팬 덕팅(5.3) 및 열순환 구성요소: 서멀 플레이트(5.1), 열전(5.2), 및 컨트롤(5.4)을 도시한다.
도 73 상에 파선으로 도시된 카트리지는 하나 이상의 챔버, 유체 연결, 마이크로칩, 및/또는 공압 작동 밸브를 포함할 수 있다. 카트리지의 평면도는 도 76, 도 77, 도 78, 및 도 79에 도시되어 있다. 도 79는 시약 분배 챔버, 포획 챔버, 샘플 챔버, 및 증폭후 챔버를 도시한다. 또한, 카트리지는 시약 카드 상에 있는 시약 챔버를 수용하기 위한 용기를 가질 수 있다. 시약 카드는 시약 챔버(도 76, 9.0), 반응 챔버, 및 폐기물 챔버를 포함하는 각종 챔버를 가질 수 있다. 시약 카드(제거가능 시약 카세트로도 지칭되는)는 카트리지로 개별적으로 제조될 수 있다. 시약 카드는 시약 카드 슬롯(도 79에 도시되는)으로 삽입되거나 또는 이 슬롯과 인터페이스될 수 있다. 카트리지는 사출 성형 플라스틱 피스로 제조될 수 있다. 챔버, 예컨대 샘플 챔버, 포획 챔버, 및 증폭후 챔버의 용적은 약 0.1, 0.2, 0.5, 0.75, 1, 2, 3, 5, 또는 7 mL 이하일 수 있다. 카트리지는 폭 또는 높이에 있어서 약 1, 2, 5, 7, 10, 15, 또는 20 cm 이하의 폭 또는 높이 및 약 0.2, 0.5, 0.75, 1, 2, 3, 4, 또는 5 cm 이하의 두께의 크기를 가질 수 있다.
카트리지 요소는 수 개의 집적 부분으로 구성된다. 이는 반응 챔버를 포함하고 유체 매니폴드로 기능하는 부분을 포함한다. 부분의 일측 상의 챔버는 포트를 통과하는 부분의 대향측과 교류한다. 대향, 또는 유체 측은 반응 챔버와 반응 배관 사이에서 액체를 이동시키는 채널 및 다이어프램 밸브 및 펌프를 포함하는 유체 칩과 맞물린다. 그 칩은 개스킷을 통해 유체 측에 부착될 수 있다. 어떤 실시예에 있어서, 카트리지는 복수의 칩을 포함한다. 이 경우에, 유체 매니폴드 부분은 한쪽 칩과 다른 쪽 칩을 유체 접촉하는 채널을 포함할 수 있다. 그러한 채널은, 예컨대, 도 94에 도시되어 있다. 그것은 상기 부분의 밑면과 마이크로유체 칩 사이의 개스킷에 의해 밀봉되는 부분의 표면 내의 그루브, 트라프 또는 다른 오목부일 수 있다. 시약 전달 유체 장치, 샘플 추출 유체 장치, 증폭 후 유체, 상부 부분, 하부 부분 및 반응 배관. 유체 매니폴드로도 지칭되는 상부 부분은 플라스틱 어셈블리이고 유체 장치는 시스템을 통해 시약의 흐름을 향하게 하고 제어하는 3개의 층 글래스 MOVe 칩이다. 어셈블리는 공압 매니폴드 및 인터페이스를 카트리지 커버에 연결한다. 카트리지는 분리 칼럼 상으로의 증폭된 라벨 생성물의 로딩까지 샘플 처리 모두를 용이하게 한다. 카트리지는 생성되는 모든 폐기물을 포함하고 오염을 회피하는 각 실행 후에 교체된다.
상부 부분은 시약 충전, 샘플 추출 입자 포획, 샘플 삽입/용해 및 생성물 희석을 위한 챔버를 갖는 성형 플라스틱 부분일 수 있다. 또한, 그것은 반응에 사용되는 실리콘 배관의 부분뿐만 아니라 캐소드 배관으로의 연결을 위한 인터페이스 부분 및 시약 카드와의 인터페이스를 위한 영역을 가질 수 있다. 예컨대, 실리콘 배관은 열 순환 동안 양단에 클램핑되는 열 순환 반응 챔버로 사용될 수 있다. 이러한 부분은 수 개의 부분으로 이루어진다. 유체 구성요소는 양면 접착제로 상부 부분의 하부에 부착된다.
하부 부분은 상부 부분으로 성형되는 채널의 밀봉 및 개스킷으로 기능할 수 있고 MOVe 유체 구성요소에 바이어스라 불려지는 장착면 및 통로를 제공한다.
시약 전달 유체는 샘플 처리를 가능하게 하는 샘플 추출기 섹션에 시약의 프리셋 용적을 전달할 수 있다. 이 전달은 시약 분배 유체 MOVe 장치에 공급하는 시약 카드 웰(well)의 가압에 의존한다. MOVe 장치는 상부 부분에서 시약 챔버를 채움과 배치를 컨트롤한다. 가압된 에어가 카트리지의 샘플 추출기 섹션에 전달을 위해 이용가능할 수도 있다. 섹션은 통합된 카트리지 하부 부분의 하부에 부착된 하나 이상의 MOVe 칩으로 구성된다. 결합된 매니폴드와 챔버 특성은 상부 부분을 통해 하류 섹션에 연결된다.
샘플 추출기는 구강 샘플 또는 스왑과 같은 하나 이상의 샘플을 수용하도록 구성될 수 있는 하나 이상의 주사기 챔버를 포함할 수 있다. 도 76에서 주사기 챔버는 왼쪽으로부터 두 번째에 있는 수직 실린더의 열이다. 주사기 챔버는 포획 챔버(도 79에 도시된)로서도 참조된다. 주사기는 카트리지 상의 요소 또는 카트리지 커버 상의 요소에 의해 가열될 수 있다.
샘플 추출기 내의 스왑/브러시/디스크가 세척되면 셀은 용해되고, DNA는 입자에 포획되고, 입자는 클리닝되고 포획을 위해 반응 배관에 전달된다. 유체는 통합된 카트리지 하부 부분에 부착된 3개 층 글래스 MOVe 칩이다. MOVe 장치는 시약 분배 섹션으로부터 다음 것에 시약의 흐름이 분배된다; 용해/샘플 삽입 챔버, 포획 챔버, 또는 증폭 후 유체.
증폭 후 유체는 샘플 추출기 섹션, 희석 챔버, 반응 배관, 및 캐소드 배관과 인터페이싱한다. 이들 유체는 하부 부분에 부착된 3개 층 글래스 MOVe 장치 중 하나 이상으로 구성된다. 증폭 후 유체는 샘플 추출기 섹션으로부터 입자 포획을 제어하고, 시약 카드로부터 반응 배관에 프리믹스를 계량하고 이동시키고, 반응 배관으로부터 희석 챔버에 제품을 이동시키고, 시약 카드로부터 희석 챔버에 희석을 계량한다. 캐소드 배관에 버퍼, 워터, 및 샘플도 계량하고 이동시킨다.
카트리지는 반응 배관(도 77에 도시된)을 포함할 수 있다. 튜브는 열순환기(도 73에 도시된)와 같은 온도 컨트롤러와 연결될 수 있다. 튜브는 자석(도 73에 도시된)으로 연결될 수 있다.
열 순환기 모듈 온도는 반응 배관에서 PCR-STR 반응을 사이클링한다. 그것은 몇몇의 구별 요소를 갖는다. 반응 배관은 열접촉을 제공하는 2개 부분 쉘에 둘러싸이고 전체적으로 폐쇄될 때 핀치는 실리콘 배관을 밀봉한다. 쉘의 하부 부분은 카트리지 부분이다. 쉘의 상부 부분 및 열 제어 요소는 하부 부분에 의해 정렬되고 카트리지 커버에 의해 정렬된다. 입자 포획과 프리믹스 로드 동안 쉘은 "개방" 위치에 있다; 사이클링 전에 쉘은 "폐쇄" 위치로 이동된다. 폐쇄 위치에서 상부 하부 부분은 반응 플러그 증발과 이동을 제한하는 배관의 열 통신과 핀칭을 용이하도록 서로 접촉한다. 어셈블리의 가열 및 냉각은 열전기 장치에 의해 제공된다. 사이클링 동안 열 제어는 전자 장치에 의해 관리되는 컨트롤러에 의해 구동된다. 피드백은 쉘의 상부 부분에 영구적으로 결합되는 열전대(thermocouple)에 의해 제공된다.
열 순환기 온도 제어는 소프트웨어 객체와 12-채널로 업데이트된 열 제어 기판을 이용할 수 있다. DNA 프로파일링 카트리지와 CAE 카트리지의 모세관의 비드스톰 샘플 추출부의 가열은 열전대에 의해 모니터링되는 저항 열을 이용할 수 있다. STR 반응은 베이스 케이스로서 저항 가열과 팬 냉각을 이용할 수 있다. 펠티어/열전 가열 및 냉각은 극한 온도 범위에 대해 필요하여 적용될 수도 있다; MBI는 전략적인 파트너와 함께 프로젝트에서 MOVe 마이크로칩의 열전을 이용한다. 열 순환기로부터 에어는 총회에 출력될 수 있다. 온도의 제어는 기존 소프트웨어에 의해 제어되는 MBI 온도 제어 기판을 통해 수행될 수 있다.
챔버는 카트리지 매니폴드에 불안정하게 연결될 수 있다. 카트리지 매니폴드는 도 80에서 도시된다. 매니폴드는 하나 이상의 채널을 포함할 수 있다. 이들 채널은 스왑 추출기, 시약 분배, 증폭 후 열순환기 채널, 용해 채널, 에탄올 채널, 폐기물 채널, 및 비드 채널에 출력될 수 있다.
카트리지 매니폴드는 하나 이상의 마이크로칩에 칩의 상층 상에 챔버를 불안정하게 연결하는 하나 이상의 채널을 가질 수 있다. 카트리지 매니폴드는 하나 이상의 마이크로칩을 서로에 불안정하게 연결할 수도 있고, 1개의 마이크로칩에서 유체에 대해 제 2 마이크로칩에 이송되게 한다. 예컨대, 시약 챔버(도 73에 도시된)에서 재료는 다음의 요소를 통한 이송에 의해 스왑 주사기(도 73에 도시된)에 이송될 수 있다: 시약 분포 매니폴드 섹션, 시약 분배 칩, 시약 분포 매니폴드 섹션, 스왑 추출기 매니폴드 섹션, 스왑 추출기 칩, 및 스왑 추출기 매니폴드 섹션.
마이크로칩은 도 81 및 도 82에서 사각 윤곽선으로 도시되고, 카트리지의 베이스의 관점이다. 칩은 증폭 후 칩, 샘플 추출기 칩, 및 시약 분배 칩일 수 있다. 또한 여기에 마이크로칩으로서 참조되는 칩은 하나 이상의 공압 작동 밸브를 가질 수 있다. 밸브는 유체 통로를 블로킹하거나 오프닝하거나 유체 이동에 대해 구동력을 제공함으로써 유체 흐름을 제어하도록 이용될 수 있다. 밸브는 공압 매니폴드(도 73에 도시된)에 의해 제어될 수 있다. 공압 매니폴드(도 73에 도시된)는 여기에 기재된 어떤 다른 공압 매니폴드와 유사할 수 있다. 공압 매니폴드는 에어와 진공원에 연결될 수 있다.
칩은 카트리지에서 채널에 의해 서로 불안정하게 연결될 수 있다. 카트리지에서 채널은 여기에서 다르게 기재된 바와 같이 마이크로칩과 불안정하게 연결된 튜브에 대안일 수 있다. 이것은 집적 분석 시스템에 대해 요구된 공간과 분석 반응을 수행하도록 요구된 시간을 감소시킬 수 있다.
도 73에 도시한 바와 같이, 시약 카드는 시약 챔버, 예컨대, 용해, 에탄올, 비드, 폐기물, 주사기, 워터, 래더, 프리믹스, 희석제, 버퍼, 및 폐기물 챔버와 같은 시약 챔버를 포함할 수 있다. 프리믹스는 여기에 기재된 어떤 프리믹스일 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 프리믹스는 핵산 증폭 반응을 수행하는 프리믹스이다. 시약 챔버는 대략 또는 0.1, 0.2, 0.5, 0.75, 1, 2, 5, 7, 또는 10㎖만큼의 용적을 가질 수 있다. 챔버는 시약을 냉각, 가열, 또는 혼합을 유지하는 특성 또는 기구를 포함할 수 있다. 예컨대, 챔버는 교반기 또는 믹서를 포함할 수 있다. 시약 챔버는 카트리지와 맞물리기 전에 밀봉될 수 있다. 카트리지와 시약 카드를 맞물리는 것은 카트리지와 함께 유체가 통하도록 연결되는 곳에서 시약 챔버를 가역적으로나 비가역적으로 배치할 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 카트리지는 시약 챔버를 둘러싸는 밀봉을 펑쳐링(puncture)하는 하나 이상의 캐뉼러를 갖는다. 시일은 플라스틱 시일 또는 고무 시일일 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에서, 고무 시일은 해제 후에 챔버를 효과적으로 재밀봉할 수 있다. 따라서, 카드는 활성적이지 않은 구성에서 카트리지와 맞물리게 될 수 있다. 카트리지가 공압 매니폴드와 맞물릴 때, 커버는 캐눌러가 일면에 시약 챔버를 펑쳐링하는 활성 위치로 카드를 누를 수 있고, 커버는 다른 측으로부터 시약 챔버를 펑쳐링한다. 이것은 마이크로유체 칩에 의해 연결된 채널을 통해 반응 챔버와 유체가 통하도록 연결되는 시약 챔버를 배치한다. 이것은 또한 정압력이 그것을 지시된 위치에 펌핑하는 칩에 시약을 제공하도록 가해지고, 진공이 카드상에 폐기물 챔버에 칩에 의해 제공되는 폐기물을 인출하도록 가해지게 한다.
카드는 탄성 공기 없이 특정한 충분한 용적을 수용하는 챔버로 설계된다. 챔버의 양측은 탄성 멤브레인으로 밀봉된다. 이것은 이용 전 원심분리에 대한 필요를 제거한다. 카드는 카트리지에 고정되고 높아진 "안전" 위치에 록킹된다. 이것은 카트리지와 함께 카드 십(card ship)이 있는 방법이다. 이 위치에서, 하부 시일은 카트리지의 상부 상에 캐뉼러에 정렬된다. 안전 기구는 카트리지 상의 캐뉼러가 시약 카드 시일을 관통하는 카드가 낮은 "활성" 위치로 이동하지 않는 것을 확신한다.
다음은 도 66을 참조하는 시약 카드의 요소이다.
A. 시약 세트(9.2): 시약 세트, 시약 카드 로딩 처리, 및 장비는 소망하는 특정한 화학 반응을 수행하도록 채용된 시약으로 로딩된다. 예컨대, 그것들은 하나 이상의 CODIS 표지에 STR 분석을 수행하는 시약을 포함할 수 있다. 카드는 다음의 시약을 함유할 수 있다:
B. 희석제(9.2.1): 희석제는 PCR 반응 생성물의 염 농도를 낮추고 사이즈 표준을 도입하도록 이용된다. 희석제에서 사이즈 표준은 대략 60 내지 600bp의 단편을 가질 수 있다.
C. 세척액(9.2.2): 세척액은 자석 입자를 클리닝하고 반응 배관의 송신을 용이하게 하도록 이용된다.
D. 용해 버퍼(9.2.3): 용해 버퍼는 샘플에서 셀을 용해하도록 이용된다.
E. 알렐릭 래더(9.2.4): 알렐릭 래더는 카트리지의 하나의 타입에 포함된다. 알렐릭 래더는 유전자 자리 사이즈 표준 위치를 확립하기 위해 이용된다. 이용될 때 알렐릭 래더는 하나의 채널에 발생하고, 샘플 로딩 처리 동안 이 채널은 표준 또는 샘플과 함께 로딩되지 않을 것이다.
F. 포획 입자(9.2.5): 포획 입자는 샘플 DNA의 분리, 정제, 및 용적 감소를 용이하도록 이용된다.
G. 런 버퍼(9.2.6): 런 버퍼는 전기영동 처리에서 전해질로서 이용된다.
H. 프리믹스(9.2.7): 프리믹스는 PCR 반응을 작동하는 프라이머, 버퍼, 및 효소를 제공한다.
I. 물(9.2.8): 물은 반응 생성물에 대해 캐소드 배관을 준비하도록 이용된다.
단일 또는 세트의 작고 조용한 펌프는 안정기와 정밀한 조절기를 따라 이용되어 요구된 압력 및 진공을 공급할 수 있다. 조절기는 전자 압력 변환기를 통해 팩토리에 세팅되고 시스템에 의해 세팅되고 모니터링되어 항상 정확하고 예측가능한 공압 수행을 보장할 수 있다. MOVe 밸브는 매우 저 흐름을 갖지만 매우 규제된 압력을 갖는다. 카트리지 유체 매니폴드는 주로 MOVe 밸브에 대해 제공한다. 카트리지 커버/시약 매니폴드는 압력 공급 시약과 카트리지의 내부 가압된 에어 요건뿐만 아니라 폐기물 웰에 대해 진공을 제공한다. 이것은 MOVe 밸브보다 약간 높은 흐름이다. 기구 매니폴드는 높은 흐름이지만 보통 조절의 동일 정밀도를 요구하지 않을 것이다.
공압 매니폴드는 카트리지의 장착과 MOVe 유체에 제어 인터페이스를 제공한다. 매니폴드는 진공과 압력 사이의 전달 포트 스위칭과 함께 3방향 솔레노이드를 갖는다. 솔레노이드는 전자 장치 서브시스템의 솔레노이드 밸브 컨트롤러 요소에 의해 처리된다. 솔레노이드는 카트리지 부분인 MOVe 마이크로유체 칩의 저부에 입력을 정렬하는 포트에 공압을 분산하는 매니폴드에 장착된다. 이 매니폴드는 카트리지에 배치와 인터페이스 요소로서도 제공한다.
공압 매니폴드는 상자의 섀시에 통합될 수 있어 공압 매니폴드는 카트리지 커버 아래로부터 떨어져 이동될 수 있다. 이것은 통합된 분석 시스템에 카트리지의 로딩을 용이하게 할 수 있다. 도 83, 도 84, 및 도 85는 통합된 감싼 분석 시스템에 카트리지의 로딩을 도시한다. 도 83은 카트리지 커버 아래가 아닌 위치에서 공압 매니폴드를 도시한다. 도 83에서, 카트리지는 공압 매니폴드 위에 위치된다. 도 84는 공압 매니폴드와 맞물린 카트리지를 도시한다. 그 후, 공압 매니폴드는 위치에 이동되거나 슬라이딩될 수 있어 카트리지는 도 85에서 도시한 바와 같이 카트리지 커버와 맞물릴 수 있다. 도 69는 카트리지가 카트리지 커버와 공압 매니폴드와 맞물려 불안정하게 연결되는 위치에서 카트리지를 도시한다.
MOVe 밸브 수행을 최대화하기 위해 가압된 시약으로 밸브에 공급하도록 때때로 유용할 수 있다. 카트리지 커버 내의 시약 카드가 시스템 셋업동안 활성화될 때 가압된 특정한 시약 웰의 몇몇 포트가 있다. 동일 방법에서, 폐기물 재료의 최대 소기(scavenging)는 종종 진공 보조가 달성된다. 다시, 시약 카드 작동에서 특정한 폐기물 웰은 이것을 달성하도록 진공될 수 있다. 이 매니폴드는 출력 포트에 압력이나 진공을 전달하는 3방향 솔레노이드의 혼합된 매니폴드이다. 제 3 포트는 일반적으로 대기에 통기된다. 솔레노이드는 전자 장치의 솔레노이드 밸브 제어기 요소로 연결한다.
공압 실린더는 시스템 내의 다양한 기구를 이동시키고 세팅하도록 이용된다. 이것들은 열순환기, 카트리지 커버, 및 커버 내의 요소를 포함한다. 기구 매니폴드는 오직 3방향 솔레노이드를 이용하는 압력으로 압력을 출력 포트에 전달하고 대기와 제 3 포트를 통기한다. 솔레노이드는 전자 장치의 솔레노이드 밸브 컨트롤러 요소로 연결한다.
카트리지 커버, 카트리지, 및 공압 매니폴드는 여기에 기재된 바와 같이 핵산을 추출하고 증폭 반응을 수행하도록 이용될 수 있다. 증폭된 핵산은 유체 연결장치(도 73에 도시된)를 통해 하나 이상의 전기영동 채널(도 73에 도시된)에 전달될 수 있다. 전기영동 채널은 캐소드 및 애노드에 전기가 통하도록 연결될 수 있다. 캐소드 및 애노드는 고전압 컨트롤러(도 73에 도시된)에 전기가 통하도록 연결될 수 있다. 전기영동 채널은 분리 폴리머 모듈(도 73에 도시된)을 이용하는 분리 폴리머로 채워질 수 있다.
전기영동 하드웨어는 고전압 서플라이 및 제어, 분리 폴리머 필 장치, 및 모세관 어레이 열 제어로 구성된다. 모세관 어레이의 장착에도 용이하다. 열 제어는 전기영동 동안 모세관의 정밀한 가열을 제공한다.
캐소드는 모세관 어레이 부분이고 전기영동 시스템 하드웨어에 의해 배치되어 유지된다. 애노드는 분리 폴리머 필 모듈 부분이고 전기영동 시스템 하드웨어에 연결된다. 고전압 제어는 OEM 고전압원을 스위칭하는 MBI HV 기판이다. 이 액션은 전자 장치에 의해 관리되고 모니터링된다. 고전압은 16개의 캐소드 전극(채널 당 2개)이 그라운드에 유지되면 애노드 전극에 제공된다. 전류 모니터링은 캐소드와 그라운드 사이에서 이루어지고, MBI HV 기판의 개개의 채널에 대해 모니터링된다. 캐소드 전극은 모세관 어레이 부분이고 접속은 어레이 설치 동안 HV 시스템에 이루어진다. 애노드 전극은 분리된 폴리머가 채워진 모듈 부분이고 캐소드에 대한 전기 연결은 분리된 폴리머 내에 전극 침지를 통해 이루어진다.
분리 폴리머 필은 애노드에서 인터페이스를 통해 모세관에 분리 폴리머를 제공한다. 전기영동 시스템은 애노드 고전압 공급과 제어를 위해 하드웨어에 연결한다. 분리 폴리머 필 카트리지는 모듈에 부착되고 모든 작동에 대해 압력과 시약을 제공한다. 시스템은 압력 구동되고 전자 장치에 의해 관리된 솔레노이드에 의해 제어된다. 압력은 전자 장치에 의해 모니터링된 전자 변환기에 의해 모니터링될 수 있다. 안전은 수동 및 활성 압력 경감 경로에 의해 제공될 수 있다.
분리 폴리머 카트리지는 분리 폴리머, 압력 캐니스터, 및 폐기물 용기를 포함한다. 어셈블리는 작동 전에 시스템에 설치된다. 작동 전에 시스템은 압력을 이용하여 애노드를 세척하고, 신선한 폴리머로 재 충전한 후 폴리머를 모세관 어레이 내에 넣는다.
모세관 어레이 전기영동(CAE)에 이용된 고전압은 전기영동 처리를 분산하는 주울 가열 때문에 열폭주(thermal runaway) 가능성을 제거하기 위해 관리될 수 있는 상당한 열부하를 발생시킨다. CAE는 열 발생 전기영동 처리 동안 모세관의 균일한 열 특성의 요건을 발생시키는 일반적으로 40-800C의 높은 온도에서 작동한다. 주울 가열의 정동 전달(Affective transfer)은 예측가능하고 고해상도 전기영동도를 생성하기 위해 열 균일성을 따라 요구된다. 모세관의 가열 및 물리적 열 관리는 모세관 어레이 어셈블리에 존재한다. 온도의 인터페이스와 제어는 전기영동 시스템의 모세관 열 제어 요소와 전자 장치의 온도 제어 요소와 통한다.
모세관 어레이는 애노드 단부 연결, 캐소드 배관과 전기 연결, 윈도우 홀더, 가열기, 홀더, 및 8개 모세관을 포함한다; 전기영동 시스템(6.0)과 옵틱스(4.0)로 라벨링된 제품과 인터페이스의 분리를 제공한다. 어셈블리는 재사용할 수 있고, 규칙적 유지 동안 유사하게 규정된 구간에서 훈련된 기술자에 의해 재배치를 요구한다. 재배치는 구식 어셈블리 제거, 신규 어셈블리 연결, 및 모세관을 옵틱스 어셈블리에 정렬을 포함한다. 애노드 피스는 분리 폴리머 필 장치(6.2)의 모세관과 애노드 전극(6.1 내)을 연결한다. 폐기물에도 연결된다. 캐소드 배관은 모세관과 카트리지(10.0) 사이의 연결를 제공한다. 폐기물에도 연결된다. 흐름-관통 TREKI 주입 시스템은 어셈블리와 영구적으로 고정되고 제거된 2개의 캐소드 주입 전극을 이용한다. 윈도우 홀더는 옵티컬 경로에서 검출 윈도우를 배치하고 유지하고, 옵틱스 어셈블리에서 배치 시스템과 연결한다. 분리 폴리머로 채워질 때 8개의 용융 석영 폴리아미드 코팅 모세관은 라벨링된 제품의 사이즈 매개 분리를 가능하게 한다. 폴리아미드에서 윈도우는 여기와 제품의 검출이 시스템을 통해서 이동하게 한다. 모세관 열 제어는 고열 전달로 재료와 인접한 접촉에 의한다. 어셈블리의 온도 제어는 저항 요소에 의하고 온도 제어 전자 장치(2.3)에 의해 구동된다. 피드백은 열전대에 의해 제공된다.
모세관 어레이 전기영동(CAE)에 이용된 고전압은 전기영동 처리를 분산하는 주울 가열 때문에 열폭주의 가능성을 제거하도록 관리될 수 있는 상당한 열부하를 발생한다. CAE는 일반적으로 열 발생 전기영동 처리 동안 모세관의 균일한 열 특성의 요건을 발생하는 40-800C의 높은 온도에서 작동한다. 주울 가열의 정동 전달은 예측가능한 고해상도 전기영동도를 발생하기 위해 열 균일성을 따라 요구된다. 시스템은 강력하고, 유연한 저항 가열기에 연결된 알루미늄과 흑연과 같은 고열 전달 특성과 우수한 열 균일성, 및 미세 해상도 열 제어, 타이트한 열 공차를 유지하는 모니터링의 재료를 이용할 수 있다.
검출기(도 73에 도시된)는 전기영동 채널에서 관찰이나 모니터 재료에 이용될 수 있다. 검출기는 CCD 카메라 기초 시스템 또는 여기에 기재된 어떤 다른 검출 시스템일 수 있다.
광 검출기 어셈블리는 분리된 라벨 제품을 감지하고 데이터를 소프트웨어에 송신한다. 어셈블리는 여기(excitation), 수집 옵틱스, 여기원, 프리즘, 및 카메라로 구성된다. 여기원은 라인으로 빔을 형성하는 특별한 옵틱스를 통해 통과하는 DPSS 레이저이다. 라인은 모세관 윈도우 상에 포커싱된다. 그들이 윈도우 구역을 통해 통과함으로써 플루오르의 여기에 의해 생성된 방출은 대물에 의해 수집되고 광을 그것의 요소 파장으로 분리하는 프리즘을 통해 통과한다. 프리즘의 출력은 모세관 어레이가 일축이고 방출 스펙트럼이 다른 데이터를 수집하는 카메라 상에 포커싱된다. 위에 둔 시약 키트를 분할함에 따라, 방출 스펙트럼은 먼저 다섯 밴드로 분리될 수 있다. 분리된 밴드의 수는 물리적인 디자인을 변경함이 없이 7 이상을 증가시킬 수 있다.
검출기와 광원을 포함하는 전기영동 채널과 광학 검출 어셈블리는 대략 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.75, 1, 1.25, 2, 또는 5ft3 이하의 용적을 차지할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 통합된 분석 시스템은 다른 타입의 분석 장치를 포함할 수 있다. 이들 분석 장치는 질량분석법, 가스 크로마토그래피, 액체 크로마토그래피, 또는 어떤 여기에 기재된 분석의 다른 타입을 수행하는 장치를 포함할 수 있다.
컴퓨터와 소프트웨어를 포함하는 제어 시스템은 사용자가 분석 파라미터를 선택하고, 하드웨어를 제어하고, 데이터를 획득하도록 할 수 있다. 기계의 전자 장치는 분산형 마이크로 컨트롤러를 이용하는 고도의 모듈식 방법으로 빌딩되어 온도 제어, 솔레노이드의 스위칭, 및 시스템에 이용된 다른 구동기의 제어와 같은 주변의 제어 및 관리 업무를 핸들링한다. 메인 "적용 프로세서"는 사용자 인터페이스를 작동하는 컴퓨터와 통신하고, 시스템의 활성화를 제어하고 조정하는 책임이 있다.
최초 사용자 인터페이스는 인크로저의 리드에 장착된 내장 터치 스크린의 13" 태블릿 스타일일 수 있다. 엄격하게 감소된 광 방출의 야간 모드는 디스플레이에 대해 선택일 수 있다. 특정 용도 GUI는 소프트웨어 기계 제어 및 분석 소프트웨어를 오버레잉할 수 있다.
사용자는 온/오프 스위칭을 온하고, 그들의 지문을 스캐닝하거나 터치 스크린을 통해 입력할 수 있다. 표준 사용자에 대해, 다음 4개 버튼이 디스플레이될 수 있다: 삽입 카트리지, 로드 샘플, 시작, 및 정지. GUI는 CAE 카트리지의 재배치, 기계 보정, 및 서비스에 대해 전문 사용자 모드와 관리자 모드로 게이트웨이를 제공하도록 디자인될 수도 있다. 전문가 방식에서, GUI는 데이터 분석을 위한 각종 옵션, 디스플레이, 및 출력을 사용자에게 제공할 수도 있고, USB 포트, 및 플러그인 키보드는 시나리오와 장치 구성의 특정한 이용을 가능하게 할 수 있다.
각 주변 서브 시스템은 하드웨어 피드백과 안전 기구로 디자인되어 모듈의 작동에 원인이 있는 펌웨어는 서브시스템이 관점의 전자 장치로부터 적절하게 작동되는지를 결정할 수 있는 것을 보장한다. 예컨대, 솔레노이드와 모터를 통한 전류는 구동기가 연결된 것과 전류의 적절한 양을 인출하는 것을 결정할 수 있도록 모니터링된다(예컨대 DC 모터가 그것을 구동하도록 가해진 전압에 모터를 통해 전류를 관련시킴으로써 간단히 그것의 부하로부터 정지, 적절하게 작동, 또는 비연결되는지를 결정하는 것이 가능하다).
유사하게, 크리티컬 유체 경로는 광 센서를 이용하여 모니터링되어 그것들이 유체, 거품, 또는 공기를 함유하는지를 결정한다.
온도 제어, 여분 센서, 및 온도 보호 이상의 하드웨어와 같은 특정한 크리티컬 시스템에서, 펌웨어 에러가 시스템에 손상의 원인이 될 수 없는 것을 보장하도록 통합된다. 또한, 제어 펌웨어에 피드백을 위해 이용된 온도 센서는 센서가 부착되었는지를 결정가능하게 하는 것을 타이트하게 제어된 전압에 바이어싱된다.
여분의 인터로크 회로는 고전압, 형광 여기 광에 노출, 및 다른 포텐셜 위험에 대해 조작자 안전을 보장하도록 이용된다.
시스템은 분산형 네트워크에서 마이크로 컨트롤러 사이의 통신에 대해 CAN 버스를 이용한다(CAN은 로버스트 시리얼 네트워크일 수 있음). 모듈 사이의 메시지의 신속하고 신뢰할만한 통신을 가능하게 하고 기계에서 실시간 이벤트에 높은 응답인 마스터 슬레이브 제어 스킴을 가능하게 셋업될 수 있다.
기계의 제어는 계층구조(hierarchical)일 수 있다. 사용자 인터페이스 컴퓨터는 개개의 마이크로 컨트롤러에 대해 명령의 시퀀스로 변환하는 메인 "적용 프로세서"에 고레벨 명령을 송신한다. 그러한 시퀀스의 각 스텝은 메시지를 적절한 컨트롤러에 송신함으로써 수행된다. 명령은 요청된 데이터나 명령의 수신을 지시하는 특정한 응답을 돌려보냄으로써 항상 인정된다. 모듈은 이 레터 유형의 명령이 완성될 때 완료가 성공인지 아닌지를 지시하는 "적용 프로세서"에 메시지를 송신할 수 있다("적용 프로세서"가 어떤 실패를 설명할 수 있는 상세한 상태에 대한 질문하게 하는 규정된 명령이 있음.)
CAN 네트워크 상에 어떤 노드가 메시지를 어떤 시간에 어떤 다른 노드에 송신할 수 있다. 시스템은 정상 작동에 예외로 처리하는 이것을 이용한다. 예컨대, 온도 제어 모듈은 정해진 제한 내의 온도를 유지할 수 없고, 문제의 "알리기" 위해 "적용 프로세서"에 자발적인 에러 메시지를 송신할 수 있다. 유사하게 에어나 거품에 대해 유체 라인을 모니터링하는 컨트롤러는 적절한 액션이 문제에 응답해서 시스템(또는 사용자)에 의해 취해지게 하는 자발적인 메시지를 송신할 수 있다. 문제의 특정함에 따라 제어 적용은 작동을 취소하고, 사용자 반응을 얻거나 로그를 간단히 하고 문제를 무시하도록 선택할 수 있다.
시스템이 시작된 때 모든 서브시스템은 기본 신뢰도 테스트를 통해 작동해서 모든 부분의 기계가 적절하게 작동하는 지를 보장한다. 적용은 각 실험의 시작에서 이 테스트의 모든 또는 일부를 인용하도록 선택할 수도 있다. 작동 동안, 각 모듈은 에러의 사인에 대해 하드웨어 피드백을 모니터링한다. 에러가 감지되면, 그 효과에 메시지는 문제를 완화시키도록 적절한 액션을 취할 수 있는 "적용 프로세서"에 송신된다(GUI를 통해 사용자에 확대되게 할 수 있음). 모든 에러와 다른 중요한 이벤트가 트러블슈팅과 기계의 유지를 돕도록 이후 검색에 대해 비휘발성 메모리에 로그인된다.
도 64를 참조하면, 전자 요소는 다음을 포함할 수 있다: 컴퓨터와 명령의 실행을 응답하고 모니터링하는 다른 전자 장치 모듈과 차례대로 통신하는 통신 컨트롤러(2.1); 각종 펌핑과 밸브 제어 모드를 실시하는 MOVe 밸브를 작동하는 원인이 있는 솔레노이드 밸브 컨트롤러(2.3). 컨트롤러는 시약과 폐기물 핸들링을 위해 솔레노이드뿐만 아니라 기구 작동도 작동시킬 수 있다; 열 순환과 시약 온도 제어를 실시하는 열전 장치뿐만 아니라 가열 영역을 유지하는 저항 가열 요소를 작동하는 온도 컨트롤러(2.3)(예컨대 분리 서브시스템); 자석 이동기와 다른 이동 요소를 작동하는 모터 컨트롤러(2.4); 시스템 내의 각종 센서의 상태를 모니터링하는 아날로그와 디지털 입력 장치인 센서 기판(2.5).
소프트웨어는 모든 애플리케이션, 컨트롤 HW를 구동하고, GUI 기능성을 제공한다. 소프트웨어는 기계와 자동화 요소의 연결과 제어를 위해 디자인된다. 이 아키텍처는 간단하며 유연하고, 실험실 프로토콜의 신속한 실시를 가능하도록 디자인된다. 소프트웨어는 X㎖ 파일, 스크립트된 코드, 및 정해진 처리를 수행하도록 필요한 장치를 묘사하는 표준 라이브러리를 이용하는 표준화된 상태 기계 모델을 이용한다. 상태 기계는 하드웨어 구성요소나 소프트웨어 서비스에 대한 작동 논리를 규정하고, 외부로부터 이용가능한 방법을 규정하고, 현재 상태와 데이터에 대해 상세하게 제공한다. 초기 데이터 분석은 최종 베이스 호출이 제 3 부분 전문 시스템에 의해 이루어지지만 MBI 소프트웨어에 의해 이루어진다. 데이터는 백그라운드가 제거되고 필터링된 후 4개나 5개의 다이 채널에 스펙트럼으로 분리된다. 추가 필터링은 데이터가 AB 호환가능한 파일로 형성되기 전에 수행되고 전문 소프트웨어 분석과 호출이 개시된다.
소프트웨어는 도 65를 참조하면 다음과 같이 코드의 4개의 프라이머리 세트로 구성된다:
A. 코어(12.1): 한 세트의 상태 기계(각 하드웨어 모듈에 대해 하나)를 실시하는 윈도우 서비스와 라이브러리의 세트. 하드웨어 구성요소나 소프트웨어 서비스에 대해 작동 논리를 규정하고 외부에서 이용가능한 방법을 규정하고 현재 상태와 데이터에 대해 상세하게 제공하는 상태 기계.
B. GUI(12.2): 간단한 그래픽 사용자 인터페이스는 조작자가 처리 스크립트를 구동하고 모니터링하게 하는 코어와 통신한다.
C. 스크립트(12.3): 처리 스크립트는 규정된 프로토콜의 논리를 수행하는 하드웨어를 컨트롤하는 작동 논리를 구성한다. 스크립트는 다이내믹하게 컴파일되어 작동되고, 따라서 시스템의 논리를 수정하는 것에 큰 가요성을 제공한다.
D. 데이터 분석(12.4): 초기 데이터 분석은 최종 베이스 호출이 제 3 부분 전문 시스템에 의해 이루어지는 동안 MBI 소프트웨어에 의해 이루어진다. 데이터는 백그라운드가 제거되고 필터링된 후 4개나 5개의 다이 채널로 스펙트럼으로 분리된다. 데이터는 추가 필터링 AB 호환가능한 파일로 형성되기 전에 수행되고 전문 소프트웨어 분석과 호출이 개시된다.
Ⅵ. 작동의 실시예
내장된 집적 시스템을 작동시키는 실시예가 도 86 및 도 87에 도시된다.
시스템에 전력이 가해지고 지문 인식 또는 패스워드에 의해 로그온된 후에 사용자는 터치 스크린 디스플레이 상에 "로드"를 누를 수 있다. 카트리지 핸들링 기구는 개방할 수 있고, 그 다음에 사용자는 모든 액체 및 공압 인터페이스를 세팅하고 자동적으로 연결할 수 있는 기구에 카트리지를 삽입할 수 있다.
그 후 사용자는 각 샘플을 첨가하도록 유도될 수 있다. 광학 바코드는 사진, 지문, 또는 홍채 스캔과 같은 생물 측정 정보와 결합된 샘플 아이덴티티와의 연결에 대하여 관리 연속성을 제공할 수 있다. RFID 태그는 어떤 결합된 정보를 송신하도록 이용될 수 있다. 샘플이 로딩되고 사용자가 "시작"를 터치하면, 사용자의 상호작용은 시스템이 결과를 보고할 때까지 종료된다.
그 후 카트리지는 카트리지 상에 시약을 이용하는 섀시(chassis)에 의해 처리된다. 카트리지는 모든 시약과 양성 및 음성 컨트롤을 포함할 수 있다. DNA 프로파일링에서 샘플을 처리하는 것은 대략 1.25시간이 걸릴 수 있다. 어떤 생물학적 반응도 통합되고 둘러싸인 분석 시스템에서 수행될 수 있다. 예컨대, 여기에 기재된 SNP 분석 또는 어떤 다른 분석 반응도 수행될 수 있다.
DNA 프로파일링 카트리지는 프레임에 유지된 4개의 메인 기능 구역을 가질 수 있다:
A. 기처리와 비드스톰 기반 장치를 이용하는 핵산 추출,
B. 배관 내의 STR 반응 챔버,
C. 귀중한 시약과 후처리 마이크로규모 샘플을 조작하는 MOVe 마이크로펌프를 이용하는 마이크로유체 핸들링, 및
D. 시약과 폐기물 저장소
제어 서브시스템에 의해 구동된 섀시 공압 서브시스템은 시약 계량기와 분포, 믹싱, 및 비드 기반 정제를 포함하는 카트리지 상에서 모든 유체 조작을 컨트롤한다. '비드스톰 기반' 구역에 이동된 샘플은 압력 추진된 흐름을 제어하기 위해 MOVe 마이크로밸브를 이용하는 밀리미터의 액체와 스왑을 포함하는 원래의 큰 용적 및/또는 대안으로 미처리된 샘플로부터 핵산을 추출한다.
열 서브시스템은 카트리지에서 STR 증폭을 위해 열 순환을 수행한다. 비드 상에서 기처리된 샘플은 열 서브시스템으로 이동되고, 샘플은 STR 믹스에서 비드를 분리하고 열은 순환된다. 열 순환기는 현재 MBI 열 순환기에 기초될 수 있다. 그 후, 열 순환된 STR 제품은 표준 크기로 회석되고 CAE 서브시스템에 MOVe 마이크로펌프에 의해 펌핑된다.
CAE 서브시스템은 대략 45분의 재사용할 수 있는 CAE 카트리지 상에 모세관 어레이 전기영동(CAE)을 이용하는 STR 제품의 자동화된 분리를 수행한다. 섀시의 CAE 서브시스템은 고전압 공급기, 제어 열 컨트롤러, 및 분리된 STR 제품 또는 다른 형광성의 라벨링된 생체 분자의 고감도 검출과 데이터 수집 가능한 이미지 시스템을 갖는 레이저 유도된 형광성의 검출기를 가질 수 있다.
CAE 카트리지는 12개의 분리 모세관의 어레이에서 라벨링된 제품의 실제 전기영동 분리를 수행한다. CAE 카트리지는 모세관 어레이, 애노드 및 캐소드 어셈블리, 윈도우 홀더, 및 내장형 가열 세그먼트(segment)를 포함하는 프레임에 부착된 검출 윈도우를 갖는다. 분리 폴리머 충전 장치(polymer fill device)는 단용 DNA 프로파일링 카트리지에 폴리머와 버퍼를 액세스하고 애노드에서 인터페이스를 통해 분리 폴리머를 대체한다.
단일 기초 해상도 분리가 완료될 때 디지털 데이터는 백그라운드와 노이즈를 제거하도록 처리되고 MBI의 추적 분석기에 의해 스펙트럼 분리를 수행한다. 그 후, FSS의 IQ3에 기초한 전문 시스템은 CODIS 메타파일에 데이터를 처리한다. 메타파일은 로컬 및 리모트 데이터베이스에 대해 질문하고, 샘플의 식별이 로딩 후 2시간째에 스크린상에 발생되면 응답한다.
단일 채널 ANDE 장치에 통합된 MBI는 구동 조건에 따라 3시간 내지 3시간 30분의 런 타임을 가질 수 있다. 이것은 샘플 엔트리, 용해, 추출, 정제, 이동, 용리, 16-플렉스 반응의 열 사이클링, 이동, 희석, 주입, 분리, 및 제품(도 88a 참조)의 검출을 포함한다. 100분의 열 순환 시간의 가장 큰 단일 세그먼트는 상당히 감소될 수 있다. 예컨대, 열 순환 시간은 45분 이하로 감소될 수 있다. 오프 시스템 테스팅은 1시간 미만의 순환 시간으로 우수한 결과를 도시한다. 향상된 버퍼, 효소, 및 염료 화학과 유체와 분리 처리에서 효율화를 갖도록 PowerPlex의 식별력 있는 프라이머 디자인을 조합하는 것은 2시간 30분(도 88b 참조) 미만의 처리 시간을 고려할 수 있다. 1시간 미만의 처리 시간이 달성될 수 있다(도 88c 참조).
Ⅶ. 광학 검출 시스템
본 발명은 8개의 채널 모세관 형광 검출과 여기(excitation) 서브시스템의 실시를 위해 시스템 접근에 대해 제공한다.
형광성으로 라벨링된 분자는 모세관(200㎛ ID 및 50-75㎛ OD)에서 분체(sieving) 매트릭스를 통해 이송된다. 4개 이상의 다른 염료는 모세관에 존재하고 시스템의 검출기는 개개의 스펙트럼 특징을 구별할 수 있다. 모든 염료의 여기는 488㎚에서 고체 레이저 작동을 이용하여 달성된다.
도 89에 도시한 바와 같이, 이들 모세관의 8개는 에폭시 접착제의 유리(또는 유사한 열 팽창 특성의 다른 기판)에 평행하게 유지된다. 기판은 광학 시스템이 모세관의 상부 및 하부에 액세스가 제한받지 않는 천공부를 갖는다.
천공부의 주목적은 여기 빔에 의해 나쁜 영향을 주는 재료의 양을 한정하고 시스템의 백그라운드 형광을 최소화하는 것이다.
검출 시스템은 5개의 요소로 구성될 수 있다:
A. 8개 모세관(1.6㎜)을 이미징하기에 충분한 시야를 갖는 큰 수치의 천공부(NA=0.65)를 갖는 피사체
B. 여기 레이저를 적어도 50배 억제할 수 있는 레이저 소거 필터.
C. 파장에 의해 모세관의 이미지를 분리하는 분산 요소(프리즘).
D. 분산 요소로부터 스펙트럼으로 분산된 광의 이미지를 검출기에 프로젝팅하는 이미지 옵틱(imaging optic).
E. 초당 5개 내지 10개 이미지의 비율로 모세관의 8개의 평행하고 스펙트럼으로 분리된 이미지를 포획할 수 있는 구역 검출기.
8개 모세관의 이미지를 분리할 수 있고 모세관 함량의 스펙트럼 프로파일을 생성할 수 있는 소프트웨어도 시스템의 일체부분이다.
광학 시스템의 주요 부분의 실시예는 도 90에 도시된다. 구성은 "무한 보정" 디자인으로 현대 현미경의 그것과 유사하다. 대물은 모세관으로부터 방출된 광을 수집하고 그 뒤의 천공부에서 평행하게 한다. 프리즘은 평행한 경로에 삽입되어 그것의 스펙트럼 요소에 모세관의 이미지를 분리한다. 그 후, 이미지 옵틱(현미경에 "튜브 렌즈"로서 공지됨)은 최초 초점면 상에 스펙트럼으로 분리된 이미지를 프로젝팅한다.
도 91에 도시한 바와 같이, 각 모세관은 다음의 이미지에 도시된 바와 같이 스펙트럼으로 분리된 이미지를 형성한다. 최초 이미지면 상에 모세관 이미지의 각각을 프로젝팅하는 옵티컬 경로의 "단면도"를 도시한다.
검출 시스템의 옵티컬 경로에 이용된 요소는 노이즈를 낮추도록 선택되지만 메인 최초 초점면에 미광을 발생하고 수집하고 전달하는 이 시스템에 대해 계속 기회가 있다. 다수의 그러한 광은 소망하는 신호의 그것과 실질적으로 다른 각도에서 그 초점면에 도달할 수 있다.
대안의 옵티컬 구성은 최초 초점면에 천공부를 삽임합으로써 이점을 갖는다. 또한, 모세관의 소망하는 이미지의 외부로부터 광을 효과적으로 억제하는 릴레이 옵틱을 이용하는 검출기에 그 평면을 이미징한다. 천공부를 갖는 발상에 대한 추가적인 개선은 최초 초점면에 이색성 거울, 이미지의 크기를 배치하는 것이다. 코팅에 대해 파장을 선택적으로 적절하게 제거함으로써 레이저 소거 필터를 통과하게 할 수 있는 레이저광의 90% 이상을 반사할 수 있다. 거울은 검출기를 향한 직사광의 각도에 위치된다. 도 92는 폴딩 거울(#1)로서 이색성 거울을 도시한다.
폴딩 거울(#2)의 목적은 옵티컬 경로의 풋 프린트를 주로 감소시키고, 검출기 상에 이미지를 정렬하는 쉬운 방법을 제공하는 것이다. 그러나, 그 거울 상의 코팅은 추가 레이저 반사가 가능한 경우에 폴딩 거울(#1)의 그것과 같은 종류일 수도 있다.
시스템에 대해 검출기는 임의의 광검출기를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 광검출기는 과학적인 등급의 적절하게 냉각된 2차원 CCD 카메라이다.
모세관에서 형광색소의 여기는 488㎚ 고체 레이저를 이용하여 이루어진다. 레이저는 도 93에 도시한 바와 같이 검출 시스템의 반대 방향으로부터 모세관 상에 프로젝팅된다. 모세관은 평면에서 실질적으로 배열된다. 광이 면에 직각으로 향하면 여기광은 모세관을 통해 통과하고 검출의 감도를 간섭하는 옵틱스에 의해 감지된다. 수집 시스템에서 대다수의 레이저광을 포획하는 것을 피하기 위해 여기는 정상 방위에 대해 사각에서 모세관 상에 프로젝팅된다. 이런 방법으로, 모세관을 통해 통과한 광은 회피되고 수집 옵틱스에 의해 수집되지 않는다.
옵티컬 모델은 수집 옵틱의 포획 천공부의 외부에 있는 스캐터의 "플룸(plume)"을 생성하는 레이저 빔이 모세관에 스캐터링되는 방법을 도시한다(상기 이미지에서 레이저 빔과 모세관 사이의 교차점에서 직선으로 "주시"될 것임).
도 94는 상기로부터 여기 경로를 도시한다. 소스로부터 약간 일치하지 않는 레이저 빔을 도시한다. 시스템은 레이저의 가우시안 강도 프로파일을 광의 균일하게 조명 선으로 변환하기 위해 "엔지니어링된 산광기" 또는 파웰 렌즈를 이용하기 때문이다. 그 후, 이 선은 매우 짧은 초점 길이 원통형 렌즈로서 역할하는 모세관에 직접접으로 프로젝팅되고(원통형 렌즈에 의해), 내부 조명 에너지를 효과적으로 포커싱한다.
도 95는 의사 색채에서 조명 강도를 도시하는 모세관의 가상의 이미지를 도시한다.
실시예
핵산 정제를 위한 카트리지의 작동
본 실시예는 마이크로칩에 맞물린 카트리지를 포함하는 장치의 사용에 관한 것이다. 숫자는 도 5의 회로 설계를 갖는 마이크로칩에 맞물린 도 3 및 도 4의 카트리지를 지칭한다. 이런 서브-어셈블리는 또한 도 6의 기계 내의 유체가 통하도록 연결된 다른 서브-어셈블리일 수 있다. 참고로, 마이크로칩과 맞물린 카트리지는 또한 도 40 및 도 45에 도시된다.
유전자형분석, 동정, 법의학, 유전자 발현, 유전자 변형, 마이크로RNA 분석, 리보타이핑(ribotyping), 진단학 또는 치료학을 포함하지만 이에 제한되지 않는 많은 목적을 위해 다양한 매트릭스로부터 핵산을 정제할 수 있다. 입력 샘플은 고체, 면봉, 액체, 슬러리, 에어로졸 또는 기체일 수 있다.
분자 진단학 및 법의학의 경우, 면봉을 통상적으로 사용한다. 토출가능한 팁을 갖는 면봉 및 도 4의 연결부(7)에 부착된 주사기 안으로 토출가능한 면봉을 사용하여 협측 면봉을 취할 수 있었다. 도 4의 연결부(5)는 실물 크기 밸브의 개방에 의해, 또는 압력 하에 또는 진공에 의해 이동되는 시약을 갖는 MOVe 밸브의 개방에 의해 다수의 시약으로부터 단일 시약을 선택할 수 있는 시약 매니폴드로 배관 또는 모세관에 의해 인도하였다. 도 4의 마이크로칩(2) 상의 MOVe 또는 다른 마이크로펌프는 또한 유체 또는 기체를 이동시킬 수 있었다.
일 실시예에서, 포트(7) 안으로 삽입된 주사기 내에서 가열된 카오트로프제 및/또는 다른 상용규격품(COTS) 화학 물질을 갖는 완충액을 사용하여 면봉 내의 인간 및 다른 세포를 먼저 용해시켰다. 핵산을 비드로 흡착시키기 위해 저장소로부터 상자성 비드가 첨가된 DNA 단리 챔버(도 4 #3)로 용해물을 수송하였다. 그 후, 완충액을 사용하여 자동으로 세척하는 단리 챔버의 측면 상으로 비드를 포획하기 위해 이동가능한 자석을 구동시켰다. 그 후, 다중 PCR을 수행하는 작은 직경 튜브(250)을 통해 비드에 여전히 결합된 정제된 DNA를 펌핑하였다. 사전 스크립트 소프트웨어는 완전 공정을 자동화하였다. 소프트웨어는 다른 소프트웨어 개발 접근법보다 더 간단하고, 더 융통성이 있고, 실행하기 더 신속한 표준화된 자동화 설계에서 소통 및 명령 프로토콜 세트를 정의한다. 소프트웨어 이행 프레임워크는 다수의 작동 시스템, 개발 언어 및 소통 프로토콜에 미치는 핵심 기술을 기초로 한다. 소프트웨어 추진기는 시스템의 개별 스마트 구성성분을 감싸서, 전형적인 드노보(de novo) 시스템 소프트웨어 개발에 필요한 시간을 크게 감소시켰다. 이는 COM- 또는 .NET-기재인 다수의 시스템 모듈(펌프, 밸브, 온도 제어기, I/O 제어기 등)의 작동을 집적하는 것을 상대적으로 간단하게 하였다. 소프트웨어는 생성물 방출 및 유지를 통한 프로토타이핑을 위한 전문가용 소프트웨어 개발 시스템을 제공한다.
DNA 증폭은 샘플의 양성 확인에 유용하나, DNA 증폭 반응에 대해 억제성인 화합물을 함유하는 다양한 기질 및 매트릭스로부터 미생물을 얻을 수 있었다. 원래의 샘플은 대개 헴(heme), 금속 이온, 흄산 및 풀브산, 킬레이터, DNase, 프로테아제 및 곰팡이와 같은 억제제를 포함할 수 있는 복잡한 혼합물이다. IMS에 의해 샘플 매트릭스로부터 표적 유기체 및 독소를 초기 단리하는 것은 이들 억제제의 대부분을 제거해야 하나, 성공적인 증폭을 방해하지 않도록 용해된 세포 구성성분 및 용해제를 핵산 샘플로부터 제거하거나 희석할 필요가 있을 수도 있다. 원래의 샘플은 다르게 가공되지 않은 샘플이고, 환경적, 생물학적 샘플 등일 수 있다.
일 실시예에서, 적은 용적 핵산 정제를 사용하였다. 이들 정제 방법은 광범위한 샘플, 예컨대 혈액, 에어로졸, 협측 면봉으로 사용할 수 있었다. 다양한 샘플 공급원으로부터 DNA를 정제하기 위해 개시된 장치에서 상자성 비드를 사용할 수 있었다. 일 실시예에서, 마이크로규모 반응에서 서열분석을 위한 핵산 생성물을 정제하기 위한 자성 비드 및 시약을 사용하여 핵산을 서열분석하기 위해 마이크로유체 마이크로칩을 사용할 수 있었다. 일 실시예에서, 마이크로유체 마이크로칩은 24-채널 마이크로유체 마이크로칩이었다.
일 실시예에서, 카복실화된 자성 비드 상에서 폴리에틸렌 글리콜(PEG)-기반 핵산 정제를 사용하였다. 이러한 PEG-촉진 공정은 상류 면역자기 분리(IMS) 포획된 샘플로부터 80％ 초과의 수율을 생성할 수 있었다. 만능 샘플 제조 모듈(USPM)의 개발은 도 21 또는 도 16에 나타낸 장치와 같은 카트리지를 함유하는 장치로 PEG-기재 핵산 정제를 유도하는 것에 부분적으로 관여할 수 있었다. 다른 실시예에서, 아겐코트(Agencourt) 오라퓨어(Orapure) 또는 프로메가(Promega) DNA IQ 화학을 본 발명의 장치와 함께 사용하였다.
비드 분배 및 전달.
핵산을 정제하기 위해, 상이한 표면 화학을 갖는 상자성 비드를 시약 용기에서 혼합할 수 있었다. 그 후, 압력을 가하여, 시약을 연결부(5)로 보냈다. 개방이라고 언급되지 않는 한 MOVe 마이크로밸브 또는 다른 밸브를 폐쇄할 수 있었다. 상자성 비드를 반응 챔버(3)로 이동시키기 위해 마이크로밸브(180 및 150)를 개방하였다. 연결부(5)를 통해 접합부(190) 및 마이크로채널(191)로 인도하는 채널(15)로 비드를 이동시켰다. 마이크로밸브(180 및 150)를 개방하고, 마이크로밸브(200 및 170) 및 다른 마이크로밸브를 폐쇄하였기 때문에, 개방 마이크로유체 연결부는 마이크로채널(191)로부터 마이크로밸브(180)을 통해 마이크로채널(181)로 연결되고 마이크로칩(152)를 통해 개방된 마이크로밸브(150)로 연결되며, 마이크로칩(151)을 통해 접합부(120)로 이어진다. 접합부(120)는 원뿔부(13) 및 챔버(3)로 인도하고, 이를 비드로 충전할 수 있었다. 시약 밸브 및 마이크로밸브의 개방 시간을 조정하거나, 또는 마이크로칩 또는 카트리지에 연결된 샘플 루프를 충전하고 비움으로써 챔버(3)에 공급된 비드의 용적을 제어할 수 있었다.
아겐코트(미국 매사추세츠주 월섬 소재)로부터의 오라퓨어 및 프로메가(미국 위스콘신주 매디슨 소재)로부터의 DNA IQ를 포함하나 이에 제한되지 않는 상업적 비드 기재 화학을 개시된 시스템에서 사용할 수 있었다. DNA IQ는 실리카 비드 및 카오트로프 화학의 한 예인 반면, 오라퓨어는 카복실화된 비드 표면 및 SPRI 화학을 사용한다. 올리고뉴클레오티드, 봉쇄형 핵산, 축퇴 염기, 합성 염기, 형태, 핵산 구조를 갖는 비드 또는 다른 혼성화 및 특이적 포획 방법을 포함하나 이에 제한되지 않는, 상자성 비드 또는 핵산을 가공하기 위한 화학의 다른 실시예를 개시된 시스템과 함께 사용할 수 있었다.
비드로 챔버(3)를 충전함.
오라퓨어 또는 DNA IQ 비드의 경우, 150 마이크로리터 샘플 루프(630 또는 631) 3개의 충전물을 사용하여 450 마이크로리터를 챔버(3)로 이동시킬 수 있었다. 그 후, 구동기(310)에 부착된 이동가능한 자석(300)을 챔버(3)의 측면 가까이에 있는 카트리지(1)를 향해 이동시켜, 챔버(3)의 측면으로 비드를 끌어당길 수 있었다. 특정 적용에 적절한 자기장을 생성하기 위해 자석 크기 및 배향을 조절할 수 있었다. 그 후, 마이크로밸브(180, 150 및 110)가 개방된 상태에서 시약 매니폴드를 통해 가압 공기를 적용할 수 있었다. 마이크로밸브(110)의 개구부는 접합부(120) 및 마이크로채널(121 및 101)을 통해 시약 매니폴드로 연결하는 접합부(190)로부터, 채널(14)을 통해 연결부(4) 및 폐기물로 인도하는 연결부(100)로 연결하였다. 공기는 회로를 통해 임의의 잔여 액체를 이동시킬 수 있었다. 또한, 비드를 건조시키거나, 용매를 휘발시키거나 버블-가능 혼합(본원에 기재된)을 위해 공기 또는 다른 기체를 사용할 수 있었다.
챔버(3)를 통한 가스의 버블링
마이크로밸브(180, 150 및 220)가 개방되고, 모든 다른 마이크로밸브가 폐쇄되면, 압력은 챔버(3)을 통해 채널(9)로, 및 마이크로채널(211 및 221)을 통해 채널(19) 아래 접합부(210)로, 개방 마이크로밸브(220) 및 마이크로채널(231)을 통해 접합부(230)로, 채널(16)을 통해 환기될 수 있는 연결부(6)로 공기를 가압할 수 있었다. 이러한 순서는 챔버(3)를 통해 공기 또는 다른 기체를 버블링할 수 있고, 챔버(3)에서 반응물을 혼합하거나 또는 기체 상을 변화시키기 위해 사용할 수 있었다.
챔버( 3)으로부터 폐기물로의 액체 및 비드의 이동
반응 챔버(3) 또는 임의의 다른 위치로부터 폐기물을 담는 곳으로 액체 및 비드를 이동시킬 수 있었다. 비드를 세척하고, 채널을 세정하고, 액체 또는 비드를 폐기물을 담는 곳으로 이동시키기 위해 이를 사용할 수 있었다. 마이크로밸브(220 및 110)가 개방되고 모든 다른 마이크로밸브가 폐쇄된 상태에서 연결부(6)에 압력을 가한 경우, 압력은 채널(16)을 통해 접합부(230)를 거쳐 마이크로채널(231)로, 개방 마이크로밸브(220) 및 마이크로채널(222 및 221)을 통해, 접합부(210) 및 채널(19 및 9)를 통해 반응 챔버(3)로, 그리고 접합부(120)을 통해, 마이크로채널(121), 개방 마이크로밸브(110), 마이크로채널(101), 채널(14)를 통해 연결부(4)로 공기를 가압할 수 있었다.
연결부(6)가 환기부이면, 기압의 어떠한 추가 제어도 없이 진공을 연결부(4)에 가함으로써 동등한 효과를 얻을 수 있었다. 기압 또는 진공은 챔버(3) 내의 임의의 액체를 폐기물 연결부(4)로 이동시킬 수 있었다. 자석(300)이 챔버(3)에 인접한 경우, 상자성 비드는 챔버(3)의 측면 상에 잔류할 수 있고, 그 결과 액체가 제거되었다. 자석(300)이 챔버(3)로부터 충분히 멀리 있는 경우, 상자성 비드는 챔버(3)의 측면 상에 잔류할 수 없고, 그 결과 액체 및 비드가 제거되었다.
상자성 비드를 세정하기 위해, 자석(300)에 의해 챔버(3)의 측면으로 비드를 끌어당기고(도 6 참조), 액체를 폐기물로 제거하였다. 완충액 450 μl를 시약 매니폴드로부터 분배하고, 마이크로밸브(180 및 150)의 개방에 의해 챔버(3)에 첨가할 수 있었다. 필요하다면 비드를 방출시킨 후, 자석(300)을 이동시켜 재포획하고, 이어서 액체를 제거할 수 있었다. 샘플을 가공할 준비가 된 비드를 제조하기 위해 이를 총 3회 반복하였다.
면봉 상의 세포로부터 핵산의 용해 및 추출
연결부(7)에 삽입된 주사기 원통부에 면봉을 로딩한 후, 마이크로밸브(180 및 170)가 개방된 상태로 시약 연결부(5)를 통해 용해 완충액을 첨가함으로써 용해시킬 수 있었다. 몇몇 실시예에서, 오라퓨어 또는 DNA IQ 화학을 사용하였다.
용해된 세포 물질의 챔버( 3)로의 이동 및 비드와의 혼합
주사기에 압력을 가함으로써 또는 환기부(6)에 진공을 가함으로써 연결부(7)에 연결된 주사기 내의 물질을 챔버(3)로 이동시킬 수 있었다. 진공을 사용한 경우, 마이크로밸브(170, 150 및 220)를 개방하였다. 물질을 연결부(7)로부터 챔버(3)로 밀어내기 위해 진공은 마이크로채널(231, 221, 211) 및 채널(9 및 19)을 통해, 그리고 챔버(3), 마이크로채널(151, 152, 171 및 161)을 통해 연결하였다. 챔버(3)에 상자성 비드를 로딩하고 세정한 경우, 용해된 샘플 물질은 자석이 멀리 위치된 챔버(3)에서 비드와 혼합되었다.
비드 상의 핵산의 정제
그 후, 상자성 비드를 용해된 샘플과 함께 배양하였다. 계속적 공기 또는 기체 흐름으로 혼합을 도울 수 있었다. 그 후, 자석(300)을 폐쇄된 위치로 이동시키고, 챔버(3) 벽 상의 비드를 포획하였다. 그 후, 샘플 용해물을 챔버(3)로부터 폐기물로 제거하고, 오라퓨어 화학 또는 DNA IQ 화학에 대한 제조자의 설명서에 따라 큰 용적의 세척 용액을 첨가할 수 있었다. 비드 상의 샘플 구성성분을 이제 정제하였고, 카트리지 내의 반응을 위해 준비하거나 또는 샘플 생성물 연결부로 방출하였다. 일 실시예에서, 샘플로부터의 핵산 구성성분을 풍부하게 하기 위해 비드를 사용하였다.
샘플 생성물 연결부(8)를 통한 샘플의 배출
마이크로밸브(180, 150 및 130)를 개방한 상태에서 시약 연결부(5)에 압력을 가함으로써 비드 상의 정제된 샘플 구성성분을 연결부(8)로 이동시킬 수 있었다. 일 실시예에서, 연결부(8)를 반응 채널(250), 예컨대 c-플렉스 배관(콜 파머(Cole Parmer))과 연결하고, 반응 채널에서 추가 반응을 수행하였다.
STR 표지의 다중 PCR 증폭
PCR 증폭에 의해 DNA 증폭을 수행할 수 있었다. 본 발명은 PCR 반응 뿐만 아니라 많은 다른 DNA 증폭 및 변형 반응을 가능하게 하였다. 챔버(3)에서, 튜브(250)(도 3, 도 4, 도 6)일 수 있는 연결부(8)에 부착된 반응 채널(250)에서, 또는 튜브(250)에 연결된 마이크로장치 또는 다른 장치에서 반응을 수행할 수 있었다. 이는 열 순환을 포함하는 DNA 반응을 위한 샘플 제조의 유용성을 나타내었다.
반응 채널에서 비드를 함유하는 핵산의 포획
말단(252)에 압력을 가하거나 또는 다른 방법으로 진공을 가함으로써 정제된 DNA 출력물을 샘플 생성물 연결부(8)를 통해 말단(251)에서 반응 채널(250)로 이동시켰다. 구동기(330)는 자석(320)을 소프트웨어 제어 하에 비드 포획 영역(340)에 인접한 위치로 이동시켰다. 상이한 크기 및 형상의 고정된 자석(예컨대, 희토류 자석) 뿐만 아니라 전자석 또는 초전도 자석을 사용할 수 있었다. 비드를 함유하는 용액은 영역(340)을 통해 이동하기 때문에, 자기장은 반응 채널의 측면으로 비드를 끌어당기고, 이를 제자리에서 유지시켰다. 그 후, 유체를 시약 연결부(5)를 통해 기압하에 두고, 비드 영역(340)을 공기 중에 방치하였다.
시약의 첨가 및 반응 영역으로의 샘플의 이동
기재된 바와 같이 시약 매니폴드로부터 시약을 첨가할 수 있었다. 일 실시예에서, 반응 채널(250)의 말단(252)으로부터 시약을 첨가하였다. 마이크로밸브(510, 520, 530 및 540)를 포함하는 마이크로유체 마이크로칩(500)에 말단(252)을 부착하였다. 임의의 3개의 마이크로밸브(예컨대 (510, 520 및 530) 또는(510, 520 및 540))는 펌프를 형성할 수 있었다. 마이크로밸브(530)는 마이크로채널을 통해 하류 장치(535)에 연결하고, 이를 시약 저장소로 인도하는 배관에 연결할 수 있었다. 마이크로밸브(540)는 마이크로채널을 통해 하류 장치(545)에 연결하고, 이를 시약 저장소로 인도하는 배관에 연결할 수 있었다.
시약 저장소(600) 내의 마스터 믹스(master mix) 및 프라이머(예컨대, 검정-특이적 프라이머 또는 다수의 표적 병원체에 대해 광범위하게 적용가능한 프라이머 세트), 또는 완전 PCR 마스터 믹스, 예컨대 프로메가(미국 위스콘신주 매디슨 소재)로부터의 파워플렉스 16 또는 어플라이드 바이오시스템스(Applied Bio시스템)(미국 캘리포니아주 포스터 시티 소재)로부터의 아이덴티필러(IdentiFiler) 또는 미니필러(MiniFiler)를 포함하나 이에 제한되지 않는 반응 믹스(예컨대, 하나 이상의 DNA 중합효소, dNTP, 완충액 및 염)를, 마이크로밸브(530, 520 및 510)에 의해 형성된 마이크로펌프에 의해 배관(610) 및 마이크로채널(531, 521, 511 및 512)을 통해 반응 채널(250)의 말단(252)으로 전달할 수 있었다(도 6에 나타냄). MOVe 마이크로밸브는 유체를 정교하게 위치시키고, 반응 믹스가 핵산을 포함하는 비드를 접하는 영역(340)으로 유체를 이동시킬 수 있었다. 반응 채널(250)의 내부 표면으로부터 비드를 방출하는 구동기(330)에 의해 자석(320)을 반응 채널(250)로부터 멀리 이동시켰다. 마이크로칩(500) 상의 MOVe 마이크로밸브는 온도 제어된 영역(350)을 형성하는 반응 채널(250)의 구역을 갖는 장치(400)로 비드를 펌핑하였다. 영역(350)을 등온에서 유지하거나, 열 순환하거나, 또는 통상의 기술자에게 익히 공지된 바와 같이 다양하게 할 수 있었다. 영역(350)은 온도 조절기이거나, 또는 온도 조절기에 열로 커플링될 수 있었다.
도 7은 반응 채널을 열순환시키기 위해 가열 및 냉각을 위한 온도 조절기를 사용하여 열 조절할 수 있는 온도 제어 장치(400)를 나타낸다. 일 실시예에서, 온도 조절기는 펠티어 모듈, 적외선 모듈, 마이크로웨이브 모듈, 고온 공기 모듈 또는 광 모듈을 포함하였다. 다른 실시예에서, 하나 이상의 일정한 온도 대역을 지나서 반응 채널 내부로 PCR 반응 샘플을 이동시켰다.
도 9는 카트리지(1)에서 협측 면봉 샘플로부터 제조되고 도 7에서 온도 제어 장치(400)를 사용하여 반응 채널(250)에서 가공된 파워플렉스 16 STR 반응의 증폭을 나타낸다. 표준 조건으로부터 기구(1000)에 대해 최적화된 Mg로 STR 표지를 증폭시켰다.
또한, 온도 제어 장치(400)는 검출기(410)를 가질 수 있었다. 검출기는 광학 검출, 예컨대 흡광도, 형광, 화학 발광, 영상 및 통상의 기술자에게 익히 공지된 다른 양상, 또는 측정, 예컨대 IR, NMR 또는 라만 분광법을 검출할 수 있었다. 검출기는 PCR 반응 샘플 중의 형광 또는 발광 염료를 여기하는데 사용되는 광원을 포함할 수 있고, 광검출기(예컨대, CCD, CMOS, PMT 또는 다른 광학 검출기)로 여기광을 감지하였다. 일 실시예에서, 광원은 간섭성 광원, 예컨대 레이저 또는 레이저 다이오드였다. 다른 실시예에서, 광원은 간섭성 광원, 예컨대 광 방출 다이오드(LED) 또는 할로겐 광원 또는 수은 램프가 아니었다.
핵산 증폭을 위해, 실시간 PCR은 온도 제어된 영역(350) 내의 배관(250)에서 수행되고 검출기(410)로 검출될 수 있는 핵산 검정 방법의 한 예였다.
만능 샘플 제조
이전 실시예는 개시된 기구가 분석을 위해 샘플을 제조하는데 사용될 수 있는 일 실시예를 예시하였고, STR 증폭의 일 예를 나타내었다. 다른 실시예는 만능 샘플 제조 모듈(USPM)의 사용을 포함하였다. USPM 장치는 샘플 가공 카트리지(1), 카트리지를 작동시키기 위한 동반 기구, 마이크로프로세서, 및 하류 분석 장치에 용이하게 상호접촉될 수 있는 소프트웨어로 구성될 수 있었다. 일 실시예에서, USPM을 분석 장치와 단단히 집적하여, 모듈식 샘플-투-앤써(sample to answer) 시스템을 형성할 수 있었다. 전기장 모니터링 공정을 위해 면봉 또는 액체(에어로졸 샘플 포함)를 가공할 수 있는 일회용 단일-사용 장치로서, 또는 희귀 양성으로 원거리 작동을 위한 재사용가능한 흐름-관통 포맷으로 카트리지를 배치할 수 있었다. 상자성 비드에 부착된 특이적 항체(선택된 표적에 결합함)의 사용을 통해 USPM의 표적 특이성을 부여하고; 상이한 카트리지에 표적의 다양한 혼합물을 공급할 수 있었다.
USPM은 하류 분석을 위한 생물학적 샘플을 제조하기 위한 다단계 전자동화 공정을 사용할 수 있었다. 도 18에서 한 예는 면봉 또는 액체를 사용할 수 있고; 오퍼레이터는 샘플 유형을 선택한 후, 샘플을 입력 포트(들)에 삽입할 수 있었다. 제1 단계는 용액으로부터의 표적 분자를 상자성 비드로의 포획, 농축 및 정제를 위해 면역 자기 분리(IMS)를 사용할 수 있었다. 이미 시험된 표적은 세포, 포자, 바이러스, 단백질 또는 독소를 포함하였다. 독소 및 단백질 검출을 위해, 또는 촉발 장치로서 사용하기 위해, IMS로부터 포획된 표적을 하류 분석 장치로 직접 배출할 수 있었다. 핵산 검출을 위해, 제 2 단계는 기계적 또는 다른 용해 기술을 사용하여 세포 또는 포자를 용해시켜, DNA 및/또는 RNA를 방출할 수 있었다. 제3 단계, 핵산 정제는 핵산을 상자성 비드의 제 2 세트로 흡착시키고 농축시키고 정제하고, 또는 하류 분석을 위해 핵산, 정제된 탈착된 핵산을 갖는 비드를 배출할 수 있었다.
카트리지(1)를 참조하여, 항체를 갖는 시약 비드 또는 다른 면역자기, 친화성 자성 또는 표면 화학 자기 분리를 사용함으로써 면역자기 분리를 수행할 수 있었다. 예를 들어, 항체를 갖는 면역자기 비드를 카트리지(1)에 첨가하여, 세포, 바이러스, 포자, 독소 및 다른 생체분자를 비드로 포획하고 정제하고 농축시킬 수 있었다.
USPM을 위한 상류 샘플 가공을 샘플 제조 장치에서 수행할 수 있었으며, 상기 장치는 마이크로유체 카트리지(1)(도 21)에서 0.6 mL 초과의 샘플을 가공할 수 있었다. 면봉으로부터 자동으로 수집된 협측 세포를 제거하기 위해 샘플 가공 카트리지(약 1 입방 인치 치수)(도 3, 도 21)를 개발하였으며, 세포를 용해시키고, 자성 비드 상의 방출된 세포 DNA를 정제하였다. 비드층은 전형적으로 100 nL였고, 마이크로유체 장치에 의한 하류 STR 분석 또는 실물 크기 qPCR 반응을 위해 사용할 수 있었다.
샘플 제조 장치는 큐브의 바닥(도 3, 화살표(2))과 상호접촉된 MOVe 마이크로밸브 마이크로칩을 사용하여, 유체, 비드 및 샘플로 구성된 압력-추진된 흐름을 시약 및 반응 저장소를 따라 향하게 하였다. MOVe 마이크로밸브는 저장소 사이의 통상적인 밸브 및 배관을 대체하여, 이에 의해 누출 불가능한 배향성 유체 수송을 제공하고, 전체 큐브 및 샘플 제조 장치의 소형화를 가능하게 하였다.
이 샘플 제조 장치 기술은 상기 기재된 바와 같이 협측 면봉으로부터의 DNA 추출을 자동화하는데 사용하였다. 도 10은 압력 추진된 흐름, 진동 혼합, MOVe 밸브, 구동된 자석 및 자성 비드를 사용하여 자동화된 샘플 제조 장치에서 혈액 25 μL로부터 DNA의 자동화된 제조를 나타낸다. 전자동화 공정은 5분 미만 내에 바로 STR 분석가능한 DNA를 생성하였다.
관심있는 표적에 대해 특이적인 항체로 코팅된 자성 비드를 사용하여 액체 샘플(1 내지 10 mL)로부터 세포, 바이러스 및 독소를 포획하고 농축시키고 정제하기 위한 자동화 시스템을 개발하였다. 그러므로, 이 자동화 시스템으로 다양한 표적을 농축시키고 정제하였다. 이 접근법을 사용하여, 대장균 세포를 15개 세포/mL/샘플만큼 낮은 세포 농도에서 포획하고 검출하였다(도 27). 표적으로서 간균 포자, Gm+ 및 Gm- 무성 세포, 모델 바이러스(박테리오파지 fd), SEB 및 난백 알부민을 사용하여 90％ 초과의 포획 효율의 유사한 결과를 얻었다. 정제된 샘플을 샘플 제조 장치에서 추가로 가공하고(예를 들어, 용해 및 핵산 정제), 분석을 위해 마이크로칩으로 이동시키거나, 오프-칩 PCR/qPCR 장치와 함께 사용할 수 있었다.
IMS 포획이 복잡한 샘플, 예컨대 에어로졸에서 및 생물학적 클러터(clutter)의 존재하에 잘 작동한다는 것을 입증하였다(전문이 본원에 참고로 도입된 미국 특허 공개 제 20080014576호 참조). 클러터의 경우, 첨가된 박테리아의 105배 이하 수준이 포획 효율의 단지 2배 감소를 생성한다는 것을 입증하였다. 복잡한 샘플의 경우, 애드-백(addback) 실험은 많은 상이한 에어로졸 샘플을 사용하여 에어로졸 샘플이 IMS 비드로의 비. 세레우스(B. cereus) 포자의 결합을 50％ 미만만큼 감소시킨다는 것을 확립하였다. 따라서, 복잡한 현실(real-world) 샘플에서 민감성의 2배 미만의 손실이 존재하였다.
독소를 포획하고 농축시키고 검출하기 위해 IMS를 사용하였다. 난백 알부민 및 SEB에 대한 IMS 검정을 개발하고, 검정을 다중으로 하고, IMS 검정을 자동화하는 2세대 완전 집적 마이크로유체 시스템을 개발하였다. 밀접하게 관련된 스타필로코칼(Staphylococcal) 장독소의 간섭 없이 샘플 1 mL에서 10 ng 미만의 SEB를 믿을 수 있게 검출할 수 있었다.
IMS는:
A. 간섭물질의 높은 바탕을 갖는 샘플로부터 표적 유기체를 선택하고(선택성),
B. 2종의 상이한 균주 또는 박테리아 종을 구분하고(특이성),
C. 광범위한 샘플로부터 광범위한 농도에 걸쳐 세포 및 독소를 효과적으로 포획하고(민감성, 견고성),
D. 표적 샘플 용적을 상당히(mL로부터 nL 용적으로) 감소시킬 수 있다.
본 발명 및 기구 및 방법은 IMS를 시행하고 이를 핵산 추출에 커플링시킬 수 있었다.
USPM에서 다음 단계는 세포, 바이러스, 프리온 또는 포자의 경우 포획된 표적의 용해이었다. 포자의 용해는 특히 해볼 만하였다. 간균 및 다른 포자, 뿐만 아니라 무성 세포의 효율적인 용해를 위해 매그밀(MagMill) 또는 자성으로 추진된 용해 또는 균질화 장치를 개발하였다. 매그밀은 샘플-함유 용기(2003) 또는 구획(도 61) 내에 함유된 다른 자석(2002)의 회전을 추진하는 모터(2001)에 의해 구동되는 급속 회전 자석(2000)(도 60)으로 구성되었다. 샘플-함유 용기 내에 함유된 자석(2002)은 임의의 형상을 가질 수 있었다. 예를 들어, 자석은 막대, 구형, 원통형, 직사각형, 타원형, 육각형 또는 프로펠러 형상을 가질 수 있었다. 다른 방법으로, 자석이 자기장에 의해 회전하는 경우 액체가 홀을 통해 가압되고 샘플에 가해지는 전단력을 증가시킬 수 있도록, 자석은 이를 관통하는 홀을 가질 수 있었다. 동일한 기본 구성성분을 소형화하거나, 마이크로유체 포맷으로 혼입하거나 또는 마이크로유체 포맷에 연결할 수 있었다. 전체 효과는 자성 교반 플레이트와 유사하였다(샘플을 샘플 튜브 내에서 급속하게 볼텍싱(vortex)함). 매그밀 처리에 의해 자성으로 추진된 샘플 교반기를 사용하여, 실리카, 지르코니아 또는 다른 비드 없이 포자 용해를 달성하였다. 포자가 자석 및 용기 벽 사이를 통과할 때 생성된 전단력에 의해 용해를 달성할 수 있었다. 자석은 약 10, 50, 100, 150, 200, 250, 500, 750, 1000, 1500, 2000, 2500, 5000 또는 10000 rpm 초과의 속도로 회전할 수 있었다.
이 장치는 실리카/지르코니아 비드를 사용하는 전형적인 비드 비팅(bead beating)과 유사한 효율로 포자를 파괴하였다(도 62). 포자(3.2 x 107)를 1 ml의 용적에서 용해시키고, 트립틱 소이 아가(Tryptic Soy Agar) 상에 플레이팅 함으로써 생존성을 결정하고; 결과는 이중복사 샘플(총 n=4)로 각각 실행된 2개의 별개의 실험의 평균이었다. 자성으로-추진된 포자 용해물의 비생존성은 지르코니아/실리카(96％였음) 또는 실리카 비드(80％였음)를 사용하는 전형적인 비드 비팅(바이오스펙 비터(BioSpec beater)) 용해물과 비교하여 93％였다. 동일한 패턴을 qPCR에 의해 확인하였다.
매그밀(대 전형적인 비드 비팅)의 사용의 장점은 설계가 기계적으로 더 견고하고, 그러므로 실패 없이 많은 사용 순환을 견딜 수 있고, 추적 검출 민감성의 손실을 야기하는, 방출된 DNA에 결합하는 것으로 입증된 실리카/지르코니아 비드의 포함에 대한 필요성 없이 단지 샘플에서 자석의 교반을 사용하여 샘플을 용해시킬 수 있다는 것이다. 매그밀의 기본 특징부를 샘플 제조 장치로 집적될 수 있는 소형화된 포맷으로 재배치할 수 있었다. 시스템은 잠재적으로 마이크로유체 마이크로칩에 맞추기 위해 크기를 줄일 수 있었다. 그러나, 배치 변화에도 불구하고, 용해를 추진하는 원리, 샘플 용기 내에 함유된 급속 회전 자석의 원리는 동일하게 유지되었다.
마이크로칩-기재 샘플 세정 및 분리와 샘플 제조 장치의 커플링
도 34 및 도 35는 포크형 주입기 설계(도 32에 나타냄), 겔 충전 매니폴드(2903) 및 관련 구성성분을 혼입하도록 설계된, 카트리지(2907) 및 마이크로칩(2901)을 갖는 장치를 나타낸다. 카트리지를 공압 매니폴드 및 배관(2905)에 유체가 통하도록 연결하였다. 주입기 설계, 분리 채널 길이 및 분리 중합체의 상이한 배치를 시험하였다. 도 36은 공초점 현미경 브레드보드(breadboard) 시스템에서의 샘플 검출과 함께 포크형 캐소드 주입기를 사용하여 마이크로칩 채널에 주입되고 분리된 M13 T 트랙의 전기영동도를 나타낸다. 동등하게 표시된 짧은 DNA 단편 및 긴 DNA 단편으로 샘플을 균일하게 주입하였다. 결과는 M13 T 트랙 DNA 래더를 균일하게 주입할 수 있고, 단일 염기쌍 분할을 20분 미만 내에 대략 330개 염기쌍으로 얻을 수 있다는 것을 나타낸다. 통상적인 트윈 T 설계를 사용한 주입과 비교하여 더 높은 샘플 신호 세기를 얻었다. 검출 시스템과 집적된 경우, 양호한 해상도로 분리를 얻기 위해 마이크로칩을 일정한 50℃에서 유지하였다.
이들 공정을 사용하여, 액체 샘플의 MOVe 집적된, 전기장 증폭된 적재 주입에 대해 우수한 결과를 얻었다(도 37). MOVe 마이크로밸브를 사용하여 소프트웨어 제어하에 모든 샘플 로딩, 조작 및 주입 공정을 수행하여, 이 데이터를 생성하였다. 데이터를 최소로 가공하고, 8개의 다이오드 채널을 사용하는 검출기로부터 4개의 염료 추적으로 색상을 수정하였다.
MOVe 샘플 제조 장치와 포크형 캐소드를 조합한 마이크로칩의 일 실시예는 도 38에 나타낸다. 이 장치는 시스템의 나머지, 즉, 샘플 제조 장치(1000, 도 22에 나타냄), 반응 채널(250, 도 6에 나타냄), 및 STR 실시예에 기재된 바와 같은 STR 정제의 출력부와의 집적을 가능하게 하는 추가 공정을 포함하였다. 도 38은 증폭 후 STR 정제 시스템과의 집적을 위한 MOVe 유체 및 셔틀 샘플 로딩을 갖는 포크형 캐소드를 나타낸다. 부품은 다음과 같다: 1 - 시약 입력 포트, 2 - 시약 펌프 헤드, 3 - 샘플 입력 포트, 4 - 크기 표준/용리액 입력 포트, 5 - 포획 밸브, 6 - 폐기물 포트, 7 - 용리 밸브, 8 - 샘플 폐기물 포트, 9 - 캐소드, 10 - 캐소드 포트, 11 - 샘플 밸브, 12 - 샘플 포트 및 13 - 분리 채널. 채널의 하류에 있는 애노드 포트는 도시하지 않았다.
분리될 샘플을 에탄올 중 비드 용액으로서 도입하였다. 이는 상기 기재된 바와 같이 비드 출력 상의 정제된 반응 생성물일 수 있었다. 일 실시예에서, 샘플은 STR 반응물이었다. 다른 실시예에서, 샘플은 Sanger 화학에 의한 DNA 서열분석을 포함하는 다른 반응 화학에 의해 생성된 상이한 길이의 핵산 단편일 수 있었다. 포획 밸브 및 다른 개재 밸브가 개방된 상태에서 샘플을 함유하는 용액을 샘플 입력 포트로부터 샘플 폐기물 포트로 흘려보냈다. 개방된 포획 밸브는 스트림 흐름의 저속화 및 밸브의 위 또는 아래에 위치된 고정된 자석에 의한 비드 포획을 촉진하였다. 에탄올 용액을 시스템을 통해 완전히 실행시킨 후, 밸브 내의 정제된 생성물을 갖는 상대적으로 건조하고 깨끗한 비드층을 공기 수득하였다. 이 시점에 밸브를 폐쇄하고 재개방하여(다른 밸브와 조합하여) 관련 포트로부터 용리 용액을 충전하였다. STR 분석 또는 내부 크기 표준이 필요한 다른 분석을 위해, 용리액은 크기 표준을 함유할 수 있었다. 용액을 용리 밸브 및 포획 밸브 사이에서 이동시켜, 혼합을 촉진시켜 용리 밸브 내의 용액에 이르게 하였다. 그 후, 샘플 채널을 통해 샘플을 "셔틀"하기 위해 용리 밸브를 폐쇄함과 조합하여 샘플 밸브를 개방하여, 충전되도록 하였다. 상기 기재된 바와 같이 샘플 FASS 주입을 수행하였다. 장치의 추가 주목할 만한 기능은 일 실시예에서, 샘플 제조 장치에서 DNA의 면봉 추출 후 계량된 STR 반응 프리믹스를 반응 채널(250, 도 6에 나타냄)에 제공하는데 시약 입력 포트 및 시약 펌프를 사용하고; 다른 실시예에서, 장치는 다른 핵산 반응 시약, 예컨대 순환 서열분석 혼합물을 제공하거나, 또는 PCR 증폭을 수행하기 위해 PCR 시약을 제공한 후, 필요에 따라 집적된 비드-기재 세정 반응과 함께 순환 서열분석을 수행하기 위해 순환 서열분석 시약을 제공할 수 있다는 것이다. 다른 화학이 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예가 본원에 나타나고 기재되어 있으나, 이러한 실시예는 예시로만 제공된다는 것이 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 본 발명에서 벗어나지 않고 수많은 변형, 변화 및 치환이 이제 통상의 기술자에게 일어날 것이다. 예를 들어, 임의의 MOVe 밸브, 펌프, 라우터 또는 본원에 기재된 다른 MOVe 장치는 임의의 공압식으로 구동되는 밸브, 펌프 라우터 또는 다른 장치로 대체될 수 있다. 본원에 기재된 본 발명의 실시예에 대한 다양한 대안이 본 발명을 실시하는데 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 하기 청구항은 본 발명의 범위를 규정하고, 이들 청구항의 범위 내의 방법 및 구조 및 그의 균등물은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (98)

10 ft3이하의 인클로저(enclosure) 내에 설치되는 시스템에 있어서:
(a) 분석물을 포획 입자상의 비-마이크로유체 용적으로부터 포획하고 포획된 분석물을 마이크로유체 채널을 통해 라우팅하도록 구성된 샘플 제조 모듈;
(b) 상기 포획된 분석물을 고정시키고 생화학 반응을 비-마이크로유체 용적 내의 분석물 상에서 수행하여 반응 생성물을 생성하도록 구성된 마이크로유체 채널과 유체가 통하도록 연결된 반응 챔버를 구비한 반응 모듈; 및
(c) 상기 반응 생성물에 대한 분석을 수행하도록 구성된 반응 챔버와 유체가 통하도록 연결된 분석 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 분석물을 포획하고, 상기 분석물에 대해 생화학 반응을 수행하고, 4시간 미만의 시간 동안 생성물에 대해 분석을 수행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서,
분석에 관한 데이터를 상기 분석 모듈로부터 수신하도록 구성되고 상기 데이터를 변환하고 상기 분석의 결과를 출력하는 실행 가능한 코드를 구비한 데이터 분석 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서,
반응 챔버 및 분석 모듈과 유체가 통하도록 연결되고 (1) 반응 생성물을 제 2 마이크로유체 채널을 통해 비-마이크로유체 처리 챔버로 라우팅하고; (2) 상기 반응 생성물을 처리하고 (3) 처리된 반응 생성물을 상기 분석 모듈 안으로 라우팅하도록 구성된 처리 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서,
8 ft3이하의 인클로저 내에 설치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서,
5 ft3이하의 인클로저 내에 설치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서,
2.5 ft3이하의 인클로저 내에 설치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서,
샘플 제조 모듈은 분석물을 세포로부터 방출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 포획 입자는 자성 반응 포획 입자이고 상기 반응 모듈은 포획된 분석물을 고정시키도록 구성된 자기력원을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 반응 모듈은 열 순환을 수행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 시스템은 폐쇄 시스템인 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 시스템은 배터리로 작동되는 것을 특징으로 하는 시스템.
카트리지 커버, 카트리지 및 공압 매니폴드를 포함하는 시스템에 있어서,
상기 카트리지는 상기 카트리지 커버 및 상기 공압 매니폴드와 탈착식으로 맞물릴 수 있고,
상기 카트리지는 하나 이상의 공압 작동 밸브 및 하나 이상의 마이크로유체 채널을 포함하고,
상기 공압 매니폴드 및 상기 카트리지 커버는 적어도 하나의 압력원에 각각 유체가 통하도록 연결되고,
상기 공압 매니폴드 및 상기 카트리지 커버는 각각 상기 카트리지 내에서 유체 흐름을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 공압 매니폴드는 공압 작동 밸브를 작동시키도록 구성되고 상기 카트리지 커버는 압력을 상기 카트리지 내의 하나 이상의 챔버에 인가하도록 구성된 것을 특징으로 하는 시스템.
a) 상호 간에 유체가 통하도록 연결되는 샘플 챔버, 혼합 챔버 및 열 순환 챔버를 구비한 적어도 하나의 유체 챔버 세트와, 열 순환을 수반하는 화학 반응을 수행하기 위한 시약을 구비한 시약 카드를 포함하되, 상기 시약 카드는 폐쇄 구성에서 카트리지 상에 유지되고 상기 적어도 하나의 유체 챔버 세트와 유체가 통하도록 연결되어 이동되도록 구성된 일회용 카트리지;
b) 상기 카트리지가 구동기 어셈블리와 맞물릴 때 챔버 사이에서 유체를 이동시키도록 구성된 구동기 어셈블리;
c) 상기 카트리지가 상기 구동기 어셈블리와 맞물릴 때 상기 열 순환 챔버에서 온도를 순환시키도록 구성된 열 순환기;
d) 상기 카트리지가 상기 구동기 어셈블리와 맞물릴 때 카트리지로부터 샘플을 수용하고 모세관 전기영동을 상기 샘플 상에서 수행하도록 구성된 모세관 전기영동 어셈블리; 및
(e) 상기 구동기 어셈블리, 상기 열 순환기 및 상기 모세관 전기영동 어셈블리를 제어하도록 구성된 컴퓨터 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
a) 유체 측 및 시약 카드 측을 포함하되, 상기 유체 매니폴드는:
(i) 상기 유체 측 상에 포트를 각각 포함하는 적어도 1개의 유체 챔버 세트;
(ii) 적어도 1개의 포트를 포함하는 적어도 1개의 열 순환 챔버;
(iii) 적어도 1개의 출구 포트;
(iv) 시약 카드와 맞물리도록 구성된 시약 카드 측 상의 슬롯으로서, 상기 시약 카드 측 상에 캐뉼러(cannula)를 구비하고 상기 측들 사이에서 교류하는 복수의 슬롯 채널을 포함하는 슬롯을 포함하는 유체 매니폴드;
b) 적어도 1개의 마이크로유체 칩으로서,
(i) 적어도 1개의 유체 회로;
(ii) 상기 유체 회로와 유체가 통하도록 연결되는 복수의 포트;
(iii) 상기 유체 회로 내에서 유체 흐름을 조절하도록 구성된 적어도 1개의 공압 작동 다이어프램 밸브를 포함하되;
상기 적어도 1개의 칩은 적어도 1개의 칩 내의 포트가 상기 챔버의 포트 및 상기 슬롯 채널과 유체가 통하도록 연결되도록 유체 매니폴드와 맞물리고 각 유체 챔버는 적어도 1개의 다른 유체 챔버와 유체가 통하도록 연결되고 각 캐뉼러는 유체 챔버와 교류하는 적어도 1개의 마이크로유체 칩; 및
c) 상기 슬롯과 맞물리고, 시약을 구비한 복수의 시약 챔버를 포함하고, 적어도 1개의 캐뉼러와 각각 정렬되고, 상기 시약 챔버가 상기 캐뉼러에 의해 펑처링되지 않는 제 1 맞물림 위치 및 상기 시약 챔버가 캐뉼러에 의해 펑처링되는 제 2 맞물림 위치를 취함으로써 상기 유체 회로와 유체가 통하도록 연결되는 시약 챔버를 배치시키도록 구성된 시약 카드를 포함하는 것을 특징으로 하는 카트리지.
제 16 항에 있어서,
상기 시약은 PCR을 수행하기 위한 시약을 포함하는 것을 특징으로 하는 카트리지.
제 17 항에 있어서,
상기 시약은 복수의 짧은 탠덤(tandem) 반복을 증폭하기 위한 프라이머를 포함하는 것을 특징으로 하는 카트리지.
제 16 항에 있어서,
상기 적어도 1개의 유체 챔버 세트는 복수의 유체 챔버 세트인 것을 특징으로 하는 카트리지.
제 16 항에 있어서,
상기 유체 매니폴드는 매니폴드의 유체 측 상에 적어도 1개의 보조 유체 채널을 더 포함하고, 상기 적어도 1개의 칩은 복수의 칩이고 상기 복수의 칩 각각 내의 유체 회로는 상기 보조 유체 채널을 통해 적어도 1개의 다른 칩의 유체 회로와 유체가 통하도록 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 카트리지.
제 20 항에 있어서,
상기 칩과 상기 매니폴드 사이에 개스킷을 더 포함하고, 상기 개스킷은 상기 매니폴드 상의 채널을 밀봉하는 것을 특징으로 하는 카트리지.
제 16 항에 있어서,
상기 유체 챔버는 분배 챔버, 포획 챔버, 샘플 챔버, 및 세정 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 카트리지.
제 16 항에 있어서,
적어도 1개의 유체 챔버는 자기적으로 반응하는 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 카트리지.
제 16 항에 있어서,
상기 적어도 1개의 유체 챔버 세트는 적어도 4 세트 또는 8 세트인 것을 특징으로 하는 카트리지.
제 16 항에 있어서,
상기 칩은 적어도 1개의 다이어프램 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 카트리지.
a) 공압 어셈블리로서,
(i) 유체 측 상에서 제 16 항의 카트리지와 제거가능하게 맞물리도록 구성되되, 적어도 1개의 마이크로유체 칩에서 공압 채널과 맞물리고 다이어프램 밸브를 작동시키도록 구성된 복수의 공압 포트를 구비하는 공압 매니폴드;
(ii) 정압 또는 부압을 상기 공압 채널에 공급하도록 구성된 압력원을 포함하는 공압 어셈블리;
b) 시약 카드 측 상에 카트리지와 맞물리도록 구성된 카트리지 활성화 어셈블리로서, 상기 카트리지 활성화 어셈블리는:
(i) 공압 측 및 시약 카드 측을 포함하되, 상기 2개의 측 사이에서 교류하고 상기 시약 카드 측 상에 캐뉼러를 구비한 시약 공압 매니폴드 채널을 포함하는 시약 공압 매니폴드;
(ii) 정압 또는 부압을 상기 시약 공압 매니폴드 채널에 공급하도록 구성된 압력원;
(iii) 상기 시약 카드를 제 1 맞물림 위치로부터 제 2 맞물림 위치로 이동시키도록 구성되되, 클램핑이 시약 챔버를 펑처링하고 상기 압력원과 교류하는 시약 챔버를 배치시키는 시약 공압 매니폴드의 캐뉼러를 야기하는 클램프를 구비하는 카트리지 활성화 어셈블리;
c) 상기 카트리지가 클램핑될 때 적어도 1개의 열 순환 챔버에서 온도를 순환시키도록 구성된 열 순환기;
d) 모세관 전기영동 어셈블리로서,
(i) 카트리지가 클램핑될 때 출구 포트와 유체가 통하도록 맞물리는 적어도 1개의 분리 채널과;
(ii) 신호를 상기 적어도 1개의 분리 채널로부터 검출하도록 구성된 광학 서브-어셈블리를 포함하는 모세관 전기영동 어셈블리; 및
(e) 공압 어셈블리, 카트리지 활성화 어셈블리, 열 순환기 및 모세관 전기영동 어셈블리를 제어하도록 구성된 컴퓨터 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 26 항에 있어서,
클램핑은 챔버 포트 및 슬롯 채널을 적어도 1개의 마이크로유체 칩으로 밀봉하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 26 항에 있어서,
상기 카트리지 활성화 어셈블리는 시약 공압 매니폴드가 상기 카트리지와 맞물릴 때 상기 유체 챔버의 적어도 하나를 가열하도록 구성된 적어도 1개의 가열기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 26 항에 있어서,
상기 카트리지 활성화 어셈블리는 위치로 그리고 위치로부터 이동되도록 구성된 가동 자석을 더 포함하며, 상기 자석은 자기력을 적어도 1개의 유체 챔버 상에 가하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 26 항에 있어서,
상기 카트리지 활성화 어셈블리는 상기 유체 매니폴드의 샘플 챔버에서 샘플의 존재를 검출하도록 구성된 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 26 항에 있어서,
상기 열 순환기는 펠티에 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 26 항에 있어서,
휴대용 케이스에 포함되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 32 항에 있어서,
상기 케이스는 10 ft3이하의 내부 용적을 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 32 항에 있어서,
상기 케이스는 8 ft3이하의 내부 용적을 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 32 항에 있어서,
상기 케이스는 2.5 ft3이하의 내부 용적을 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 26 항의 시스템을 작동시키기 위한 코드를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 판독가능 형태의 물건.
DNA를 포함하는 적어도 1개의 세포를 구비한 샘플로부터 복수의 STR 표지를 상기 DNA에서 식별하는 컴퓨터 파일을 생성하는 단계를 포함하고, 4시간 미만에 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 37 항에 있어서,
상기 방법은 3시간 미만에 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 37 항에 있어서,
상기 방법은 2시간 미만에 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 37 항에 있어서,
상기 생성 단계는 상기 DNA를 적어도 1개의 세포로부터 추출하는 단계, 상기 STR 표지를 상기 DNA로부터 증폭하는 단계, 모세관 전기영동을 증폭된 표지상에서 수행하는 단계, 증폭된 표지를 검출하는 단계, 및 표지를 식별하기 위해 검출된 증폭 표지상에서 컴퓨터 분석을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 37 항에 있어서,
상기 복수의 STR 표지는 적어도 5개의 STR 표지인 것을 특징으로 하는 방법.
제 37 항에 있어서,
상기 복수의 표지는 CODIS STR 표지인 것을 특징으로 하는 방법.
제 42 항에 있어서,
상기 복수의 STR 표지는 적어도 5, 10, 또는 13개의 CODIS STR 표지인 것을 특징으로 하는 방법.
제 37 항에 있어서,
상기 적어도 1개의 세포는 복수의 세포인 것을 특징으로 하는 방법.
제 37 항에 있어서,
상기 샘플은 포렌식(forensic) 샘플인 것을 특징으로 하는 방법.
제 37 항에 있어서,
샘플 수집의 부위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 37 항에 있어서,
상기 샘플은 혈액을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 37 항에 있어서,
상기 샘플은 치크 스왑(cheek swab)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 37 항에 있어서,
제 1 항 내지 제 15 항 또는 제 26 항 내지 제 35 항 중 어느 한 항에 기재된 시스템에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
방법을 수행하도록 구성된 시스템에 있어서, 상기 방법은:
DNA를 포함하는 적어도 1개의 세포를 구비한 샘플로부터 복수의 STR 표지를 상기 DNA에서 식별하는 컴퓨터 파일을 생성하는 단계를 포함하고, 상기 방법은 4시간 미만에 수행되는 것을 특징으로 하는 시스템.
a) i) 서로 유체가 통하도록 연결되는 샘플 챔버, 혼합 챔버 및 열 순환 챔버를 구비한 적어도 1개의 유체 챔버 세트 및 열 순환을 수반하는 화학 반응을 수행하기 위한 시약을 구비한 시약 카드를 포함하되, 상기 시약 카드는 폐쇄 구성에서 카트리지 상에 유지되고 상기 적어도 1개의 유체 챔버 세트와 유체가 통하도록 열결되어 이동되도록 구성된 일회용 카트리지;
ii) 상기 카트리지가 구동기 어셈블리와 맞물릴 때 챔버들 사이에서 유체를 이동시키도록 구성된 구동기 어셈블리;
iii) 상기 카트리지가 상기 구동기 어셈블리와 맞물릴 때 상기 열 순환 챔버에서 온도를 순환시키도록 구성된 열 순환기;
iv) 상기 카트리지가 상기 구동기 어셈블리와 맞물릴 때 카트리지로부터 샘플을 수용하고 모세관 전기영동을 상기 샘플 상에 수행하도록 구성된 모세관 전기영동 어셈블리; 및
v) 상기 구동기 어셈블리, 상기 열 순환기 및 상기 모세관 전기영동 어셈블리를 제어하도록 구성된 컴퓨터 제어 시스템을 포함하는 시스템을 제공하는 단계;
b) 상기 시약 카드를 적어도 1개의 유체 챔버 세트와 유체가 통하도록 연결되어 이동시키는 단계;
c) 핵산 분자를 포함하는 샘플을 샘플 챔버에 제공하는 단계; 및
d) 적어도 1개의 핵산 시퀀스를 상기 샘플에서 증폭 및 검출하기 위해 상기 시스템을 작동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 51 항에 있어서,
복수의 샘플 각각을 상이한 샘플 챔버에 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 51 항에 있어서,
단계 b)로부터 단계 d)로 진행되는데 걸리는 시간은 4시간 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
제 51 항에 있어서,
복수의 핵산 시퀀스를 상기 샘플에서 증폭 및 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 54 항에 있어서,
상기 복수의 핵산 시퀀스는 짧은 탠덤 반복을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 56 항에 있어서,
상기 짧은 탠덤 반복은 복수의 결합 DNA 인덱스 시스템(CODIS) 표지를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 56 항에 있어서,
상기 CODIS 표지는 AMEL, D3S1358, THOl, D21s11, D18s51, D5s818, D13s317, D7s820, D16s539, CSFlPO, vWA, D8S1179, TPOX 및 FGA로부터 선택된 복수의 표지를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 51 항에 있어서,
상기 시스템은 제 26 항의 시스템인 것을 특징으로 하는 방법.
제 51 항에 있어서,
상기 샘플은 포렌식 샘플인 것을 특징으로 하는 방법.
제 51 항에 있어서,
상기 샘플은 협측(buccal) 스왑, 혈액, 모발 또는 정액으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 51 항에 있어서,
상기 샘플은 가공되지 않은 샘플인 것을 특징으로 하는 방법.
제 51 항에 있어서,
상기 시스템을 포렌식 부위로 수송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
a) 복수의 광학적 투과 채널;
b) 상기 복수의 광학적 투과 채널을 향하도록 구성된 광원;
c) 광학적 투과 채널을 통과하는 광을 파장 의존 방식으로 분산시키는 분산 요소; 및
d) 분산된 광을 수신하도록 구성된 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
제 63 항에 있어서,
상기 복수의 광학적 투과 채널은 적어도 8개의 모세관을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
제 63 항에 있어서,
상기 광학적 투과 채널은 제 1 면에서 정렬되고 상기 분산 요소는 제 2 면을 따라 광을 분산시키며, 상기 제 1 면 및 상기 제 2 면은 상이한 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
제 65 항에 있어서,
상기 제 1 면은 상기 제 2 면에 직교하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
a) 여기광이 피사체를 향하도록 구성된 여기원;
b) 여기 에너지에 의해 여기될 때, 여기광 이외의 광을 방출하는 피사체용 캐리어;
c) 여기 에너지를 필터링하고 방출 광의 투과를 허용하는 저지 필터;
d) 방출 광의 초점을 맞추도록 구성된 이미징 렌즈;
e) 상기 여기 에너지에 실질적으로 투과되고 방출 광을 검출기에 반사시키도록 구성된 이색성(dichroic) 거울;
f) 상기 이색성 거울로부터 반사된 광의 초점을 맞추도록 구성된 적어도 1개의 렌즈를 포함하는 포커싱 시스템; 및
g) 반사 광을 수신하도록 구성된 광검출기(CCD 카메라)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
제 63 항에 있어서,
상기 여기광은 0.3 미크론 내지 1 미크론의 파장의 광을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
제 67 항에 있어서,
상기 캐리어는 모세관 튜브의 집합체를 포함하고 상기 피사체는 형광종을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
제 67 항에 있어서,
상기 거울은 방출 광 및 입사각에서 약 5도 내지 약 10도 벗어난 각을 반사시키는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
제 67 항에 있어서,
상기 이색성 거울은 실질적으로 모든 광을 투과시키는 부분을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
제 67 항에 있어서,
상기 포커싱 시스템은 적어도 1개의 폴딩 거울을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
제 67 항에 있어서,
상기 광검출기는 CCD 카메라를 포함하는 것을 특징으로 광학 시스템.
제 67 항에 있어서,
상기 피사체와 상기 이미징 렌즈 사이에 위치된 프리즘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
a) 실질적으로 평행하게 그리고 실질적으로 면에 종렬된 모세관 튜브의 집합체;
b) 여기원을 포함하고 여기광을 상기 여기원으로부터 상기 집합체로 전달하도록 구성된 여기 어셈블리로서, 광 전달 어셈블리는 (i) 상기 집합체를 커버하는 얇은 대역의 광을 전달하고 (ii) 상기 광을 면에 대해 90도 이외의 각에서 집합체에 전달하도록 구성된 여기 어셈블리; 및
c) 상기 여기광에 의해 여기된 집합체에서 피사체에 의해 상기 집합체로부터 방출된 광을 수집하도록 구성된 수집 렌즈를 포함하고; 상기 여기 어셈블리 및 상기 수집 렌즈는 상기 집합체를 통과하는 여기광이 상기 수집 렌즈에 의한 수집을 실질적으로 회피하도록 상기 집합체에 대해 구성되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
제 75 항에 있어서,
상기 각은 약 10도 내지 약 85도인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
a) 복수의 교차 마이크로유체 채널 및 상기 교차 채널들 사이에서 유체의 흐름을 조절하도록 구성된 적어도 1개의 제어가능 밸브를 포함하는 마이크로유체 구성요소; 및
b) 복수의 비-마이크로유체 챔버를 포함하는 비-마이크로유체 구성요소로서, 각각의 비-마이크로유체 챔버가 상기 마이크로유체 채널의 적어도 하나에 유체가 통하도록 연결되는 비-마이크로유체 구성요소를 포함하는 기계에 있어서;
상기 기계는 유체를 적어도 1개의 비-마이크로유체 챔버로부터 다른 비-마이크로유체 챔버로 마이크로유체 채널을 통해 흐르게 하도록 구성되고, 흐름은 적어도 1개의 밸브에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 기계.
제 77 항에 있어서,
상기 복수의 비-마이크로유체 챔버는 적어도 3개의 챔버를 포함하고 적어도 1개의 밸브는 유체를 1개의 챔버로부터 적어도 2개의 다른 챔버 중 어느 하나로 선택적으로 향하게 하는 것을 특징으로 하는 기계.
제 77 항에 있어서,
유체를 비-마이크로유체 챔버로부터 마이크로유체 채널로 펌핑하는 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기계.
제 77 항에 있어서,
적어도 1개의 밸브는 다이어프램 밸브인 것을 특징으로 하는 기계.
제 80 항에 있어서,
상기 펌프는 직렬의 3개의 다이어프램 밸브를 포함하는 다이어프램 펌프인 것을 특징으로 하는 기계.
제 77 항에 있어서,
상기 마이크로유체 구성요소는 단일체 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계.
제 77 항에 있어서,
상기 마이크로유체 구성요소 및 상기 비-마이크로유체 구성요소의 조합은 유체 회로를 정의하고 상기 기계는 복수의 유체 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계.
제 77 항에 있어서,
상기 비-마이크로유체 구성요소는 미립자 포획제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기계.
제 84 항에 있어서,
입자는 자기장에 반응하고, 상기 기계는 상기 입자를 고정시키도록 구성된 자석을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기계.
공통 마이크로유체 채널에 유체가 통하도록 연결된 복수의 비-마이크로유체 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
a) i) 복수의 교차 마이크로유체 채널과 상기 교차 채널 사이에서 유체의 흐름을 조절하도록 구성된 적어도 1개의 제어가능 밸브를 구비하는 마이크로유체 구성요소;
ii) 복수의 비-마이크로유체 챔버를 포함하는 비-마이크로유체 구성요소로서, 각각의 비-마이크로유체 챔버가 상기 마이크로유체 채널의 적어도 1개에 유체가 통하도록 연결되는 비-마이크로유체 구성요소를 포함하는 장치를 제공하는 단계로서;
기계는 유체를 적어도 1개의 비-마이크로유체 챔버로부터 다른 비-마이크로유체 챔버로 마이크로유체 채널을 통해 흐르게 하도록 구성되고 흐름은 적어도 1개의 밸브에 의해 조절되고;
제 1 비-마이크로유체 챔버는 분석물을 포함하는 제 1 용적을 포함하는 단계;
b) 샘플로부터 분석물의 선택된 양을 결합하기 위해 상기 제 1 비-마이크로유체 챔버에 미립자 포획제의 양을 제공하는 단계;
c) 상기 분석물에 결합한 미립자 포획제를 마이크로유체 장치 내의 마이크로유체 채널을 통해 제 2 비-마이크로유체 챔버로 이동시키는 단계;
d) 상기 분석물에 결합한 미립자 포획제를 제 2 비-마이크로유체 챔버 내의 시약과 접촉시키는 단계; 및
e) 시약을 사용하여 상기 분석물 상에서 화학 반응을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 87 항에 있어서,
상기 접촉 단계는 상기 시약을 제 3 비-마이크로유체 챔버로부터 마이크로유체 장치 내의 마이크로유체 채널을 통해 제 2 비-마이크로유체 챔버로 흐르게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 87 항에 있어서,
입자는 자기력에 반응하고, 상기 방법은 상기 분석물에 결합한 미립자 포획제를 자기력으로 기계에 고정시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 87 항에 있어서,
상기 분석물에 결합한 미립자 포획제를 샘플 용적에 비해 적어도 10배 작은 용적으로 기계에 부유시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
a) 제 1 반응 생성물을 생성하기 위해, 비-마이크로유체 챔버인 제 1 챔버 내의 분석물 상에서 제 1 화학 반응을 수행하는 단계; 및
b) 상기 제 1 반응 생성물을 마이크로유체 채널을 통해 비-마이크로유체 챔버인 제 2 챔버로 이동시키고, 제 2 반응 생성물을 생성하기 위해 상기 제 1 생성물 상에서 제 2 화학 반응을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
a) 제 1 반응 생성물을 생성하기 위해, 비-마이크로유체 챔버인 제 1 챔버 내의 분석물 상에서 제 1 화학 반응을 수행하는 단계; 및
b) 상기 제 1 반응 생성물을 마이크로유체 채널을 통해 마이크로유체 챔버인 제 2 챔버로 이동시키고, 제 2 반응 생성물을 생성하기 위해 상기 제 1 생성물 상에서 제 2 화학 반응을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
a) 제 1 반응 생성물을 생성하기 위해, 마이크로유체 챔버인 제 1 챔버 내의 분석물 상에서 제 1 화학 반응을 수행하는 단계; 및
b) 상기 제 1 반응 생성물을 마이크로유체 채널을 통해 비-마이크로유체 챔버인 제 2 챔버로 이동시키고, 제 2 반응 생성물을 생성하기 위해 상기 제 1 생성물 상에서 제 2 화학 반응을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 91 항 내지 제 93 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 반응 생성물을 상기 제 2 챔버로 이동시키기 전에 상기 제 1 반응 생성물을 세척하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 91 항 내지 제 93 항 중 어느 한 항에 있어서,
반응 생성물을 마이크로유체 채널을 통해 후속 비-마이크로유체 챔버로 이동시키는 단계 및 후속 반응 생성물을 생성하기 위해 상기 반응 생성물 상에 후속 화학 반응을 수행하는 단계를 적어도 한번 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 91 항 내지 제 93 항 중 어느 한 항에 있어서,
반응 생성물을 비-마이크로유체 챔버로 이동시키기 전에, 반응 생성물을 마이크로유체 채널을 통해 마이크로유체 챔버로 이동시키는 단계 및 후속 반응 생성물을 생성하기 위해 상기 반응 생성물 상에 후속 화학 반응을 수행하는 단계를 적어도 한번 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
a) 채널 입구와 채널 출구를 갖는 샘플 채널;
b) 모세관 입구와 모세관 출구를 갖고, 도전성 매체를 포함하고 접속점에서 샘플 채널과 교류하는 전기영동 모세관;
c) 전압을 상기 모세관 입구 및 모세관 출구에 걸쳐 인가하도록 구성된 애노드 및 캐소드로서, 상기 애노드 또는 캐소드 중 하나는 포크형 전극을 포함하고 상기 포크는 접속점의 다른 측 상의 샘플 채널과 전기가 통하도록 연결되는 애노드 및 캐소드; 및
d) 접속점과 실질적으로 대향하는 샘플 채널과 전기가 통하도록 연결되는 제 2 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 97 항에 있어서,
상기 제 2 전극은 상기 포크형 전극에 제 3 포크로서 포함되는 것을 특징으로 하는 장치.
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