KR20130119455A - 피펫의 프로그래밍 가능한 조작을 위한 장치 및 방법 - Google Patents

피펫의 프로그래밍 가능한 조작을 위한 장치 및 방법 Download PDF

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피에로 주첼리
조르지오 호락
앙투안 조단
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앤드류 알리안스 에스. 에이
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Abstract

본 발명은 구체적으로 프로그래밍 가능한 방식으로 실험용 피펫을 조작하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 사용될 소모품의 타입, 위치, 동일성을 식별하고, 액체 핸들링을 수행하기 위해 복수의 피펫을 조작하고, 그 실행 중 및 실행 후의 프로세스를 모니터링하고, 복수의 작동에 대한 상세한 레포트를 생성하는 특정한 프로세스를 수행하도록 사용자가 장치를 제어하는 것을 가능하게 하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 다른 양상에서 피펫의 액체 분배 성능, 영상에 의한 개별적인 작동의 모니터링 및 제어, 증강 현실 소프트웨어 인터페이스에 의한 프로토콜 규정의 가상화, 종래 실험실 환경 작업 흐름으로의 시스템 통합의 최적화를 포함한다.

Description

피펫의 프로그래밍 가능한 조작을 위한 장치 및 방법{DEVICES AND METHODS FOR PROGRAMMABLE MANIPULATION OF PIPETTES}
본 출원은 2010년 11월 23일에 제출된 미국 가출원 제 61/416,546호에 우선권을 주장하며 그 내용은 전부 본원에서 참조로서 포함된다.
본 발명은 화학적, 생물학적, 생화학적 처리 또는 반응의 자동 조작 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본원에서는 프로그래밍 가능한 방식으로 피펫을 조작하기 위한 장치 및 방법을 개시한다.
전통적으로 및 종래에, 액체 핸들링은 다수의 산업에서 수행되는 기본적으로 구성된 블록에서 대부분의 생화학적, 화학적, 및 생물학적 테스트에 사용된다.
액체 핸들링은 실질적으로 때때로 반복적인 방식으로 하나의 샘플을 다른 것과 접촉시키는 작업으로 규정되고 그것은 사용될 두개의 샘플 중 적어도 하나의 양을 정량할 수 있다. 좁은 의미의 정의는 액체, 엄격하게 액체 형상의 재료를 나타냄에도 불구하고 이후로 본원은 고체(예를 들면 파우더), 액체 또는 가스 형태 또는 이러한 상태의 임의의 혼합(예를 들면, 세포 배양과 같이 함께 혼합되는 고체 및 액체를 포함하는 이종 샘플 및 겔과 같이 함께 혼합되는 에멀젼 또는 가스)으로 재료를 처리하는 일반적인 작동을 액체 핸들링이라 칭한다.
액체 핸들링 분야에서, 대부분의 솔루션은 다른 정도의 성능에 의해 특징지어질 수 있고, 여기에서 성능은 예를 들면, 유연성, 사용의 편의, 작업 처리량, 재현성, 추적 가능성, 및 비용 절감 효과와 같이 사용자의 관심과 실용적인 이유를 포함하는 다른 양상에 따라 규정된다. 유연성은 광범위한 용적에 걸쳐 다른 특성의 액체뿐만 아니라 다른 특성 및 요구 조건에 관하여 이종 프로세스를 처리하는 능력으로 규정된다. 사용의 편의는 그 사용을 위해 최소한으로 요구되는 교육의 질 및 적절하고 소망된 작동을 위한 사용자의 보다 빠르고 직관적인 이행으로 규정된다. 특히, 그 실행 중 직접적인 개입을 요구하지 않고 소망된 작동을 수행하기 위한 사용자의 이행도 프로그래밍 가능성으로 칭해진다. 작업 처리량은 적절한 단위의 시간 내에 수행될 수 있는 독립적, 부분적으로 비독립적 또는 비독립적 프로세스의 양으로 규정된다. 재현성은 어떠한 이유에 대해 동일한 프로토콜의 다른 실행 사이의 최소 편차로서 규정된다. 재현성은 동일한 오퍼레이터 또는 장치에 의해 동시에 또는 다른 순간 수행되는 프로토콜에 대해 평가될 수 있지만, 이것은 특히 사용자에 의해 규정된 정밀도로서도 칭하는 목표 성능에 대해서 평가될 때 다른 오퍼레이터 또는 다른 장치에 의해 도입되는 편차를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 생물학적 프로세스에 있어서의 정밀도 결핍은 액체 핸들링 스텝 시에 사용되는 슬로우 클락에 의해 또는 액체 핸들링 장치의 용적 비율의 부정확한 캘리브레이션에 의해 발생될 수 있다. 추적 가능성은 귀납적인 분석 및 검증을 위해 가능성 있는 결함 및 오작동과 같이 프로토콜 실행 중 예상치 못한 사건을 포함하는 실행된 실제 프로세스의 기록을 유지하는 특성으로서 규정된다. 비용 절감 효과는 액체 핸들링 장치의 취득시의 비용 요소, 사용자 교육, 소모품의 가격, 유지 보수 비용, 작동 비용, 수리 비용 및 제품 수명 이후에 처분 비용의 가중합으로서 규정된다.
오늘날 액체 핸들링은 인간 오퍼레이터에 의해 수동으로 또는 다양한 타입의 자동 장치에 의해 수행된다.
대부분의 종래 실험실 환경에서, 액체 핸들링은 이송될 샘플의 정량적 평가를 허용하는 피펫으로 규정되는 툴에 의해 수행된다. 액체의 경우에, 일반적인 관례는 그 용적에 의해 샘플의 양을 평가하는 것이다. 따라서, 수동 액체 핸들링은 일반적으로 오퍼레이터에 의해 사전 규정된 주지의 양으로 하나의 용기로부터 다른 용기로 액체를 이송할 수 있는 용적 조절 가능한 피펫에 의해 수행된다. 이후부터 본원은 수동 액체 핸들링의 절차를 위해 최초로 사용 가능하고 예상되고 또는 본 출원에 대해 적어도 부분적으로 구상되고 또는 이러한 목적을 위해 사용되는 툴에 대해 착상된 액체 핸들링 툴을 피펫으로서 규정한다. 또한 전자 피펫 및 기계 피펫의 두가지 타입의 피펫이 상업적으로 입수 가능하다는 것이 언급되어야만 한다. 전기적 피펫이 캘리브레이션 및 인체 공학적 면에서 일부의 이점을 제공하지만 기계적인 피펫도 여전히 시장에서 큰 부분을 차지하고 경제적이고, 성능이 우수하고, 안정적이고, 저렴하고, 조작이 간단하다. 무엇보다도, 그것들은 매우 정확한 표준, 예를 들면 ISO 8655 규격에 상응하는 산업 표준 툴이 된다. 인체 공학에 있어서 다른 점은 피펫 자체 상에 예를 들면 액체 흡입, 분배, 혼합, 및 팁 배출을 위해 엄지 작동(엄지 이동이라고도 규정된)에 의해 인가된 힘에 주로 관련된다. 피펫에 관련된 모든 세트의 절차는 이후부터 피펫의 조작이라 칭한다.
대부분의 경우에, 오염을 회피하기 위해 그렇지 않으면 소망하지 않은 분자가 소망하지 않은 장소로 불가피하게 이송되므로 피펫은 일반적으로 팁에 의해 샘플에 인터페이싱되고, 이는 액체와 피펫 자체의 직접적인 접촉을 회피하도록 의도된 소모품이다. 팁의 사용은 산업 및 연구 환경에서 표준 관행이 되고 다수의 타입이 그 최대 용적, 필터의 존재, 분자의 표면 흡수 특성, 재료, 브랜드 및 궁극적인 가격에 따라 소비자에 의해 사용 가능하고 선택된다. 피펫 팁은 그 중에서도 액체 핸들링 및 생물학 또는 화학 반응의 분야에서 일반적으로 사용되는 마이크로 플레이트, 튜브, 에펜도르프(Eppendorf) 튜브, 마이크로 튜브, 진공 채혈기, 필터, 용기, 캡슐, 유리병 및 보틀을 포함하는 특정한 피펫 부속품 또는 대안적으로 소모품으로 규정되는 보다 큰 규모의 실험실 장치의 일부로서 고려될 수 있다.
최근에 약학, 생명 공학, 화학, 의료 및 관련된 산업은 다양한 반응 및 분석을 수행하기 위한 자동화된 솔루션을 점차 채택하고 있다. 이러한 자동화 장치의 이점은 재현성, 속도, 용량 및 궁극적으로 높은 처리량으로 비용 절감을 포함하고, 몇몇 사용자가 제한된 인적 개입으로써 다수의 반응을 수행하고 동시에 다중 반응을 수행할 수 있게 한다.
자동 장치는 상당한 수의 프로세스가 수행될 때 그 크기, 비용 및 작동의 복잡성으로 인해 사용자가 그것을 채택하기 때문에 일반적으로 큰 생산 능력을 필요로 하는 실험실과 관련된다. 그러나, 때때로 자동 장치는 의료 및 진단의 분야와 같이 재현성 및 추적 가능성의 특성이 엄격히 요구될 때, 낮은 그리고 중간 처리량 환경에서도 사용된다.
의료 분야에서의 적용예는 거시적인 레벨에서 시각적으로 선택 가능한 다른 컴포넌트를 제공하는 생물학적 또는 화학적 유체로 규정되는 이종 바이오 유체를 처리하는 것을 포함한다. 주지된 예는 적혈구 또는 플라즈마(또는 세럼)로부터 버피 코트를 분리하기 위해 예를 들면 부분 분리에 따라 분리된 혈액을 처리하는 것을 포함한다. 수동 피펫팅에 의해 튜브로부터 버피 코트를 추출하는 것은 거의 신뢰성이 없고, 부정확하고, 어렵고, 시간을 소비하는 작업이다. 따라서, 혈액 은행은 높은 처리량에 있어서 정확하고 재현 가능한 작동의 필요성을 제기하는 Quillan et al.(International Journal of Epidemiology 2008;37:i51-i55)에 의해 설명된 것과 유사한 매우 복잡한 자동화된 전용 시스템을 채용한다. 그러나, 보다 작은 수의 환자 샘플을 처리하는 병원 및 분석 실험실과 유사한 보다 작은 임상 환경에서는 보다 제한된 처리량에 있어서 재현성에 대해 동일한 이점을 얻는다.
자동 장치의 비용은 종종 그 기계적 복잡성과 연관된다: 큰 영역 상에서 정확하고 재현 가능한 이동은 상당한 중량을 지지하도록 변형되지 않는 메탈 프레임을 포함하는 정확한 기구를 필요로 하므로 궁극적으로 이러한 시스템을 비운반성으로 만들고 제조시 비용을 증가하게 만든다. 또한 중량과 치수는 유지 보수, 수리, 트레이닝, 및 업그레이드가 현장에서 전문적인 인원에 의해 수행되어야 하기 때문에 작업 비용에 상당한 영향력을 준다. 그리고 무거운 시스템은 보다 강한 모터와 보다 높은 전류 흡수를 수반하므로 장치의 휴대성 및 현재 사용되는 실험실 내에서 용이한 통합은 말할 것도 없이 그 디자인을 보다 복잡하게 하고 생산에 있어서 비용을 증가하게 만든다.
그 중에서도 액체 핸들링 프로세스의 결정적인 요구 조건은 최신의 유효한 프로토콜에 대하여 그 실제적인 재현성에 있다. 대부분의 검정법 개발이 수동 액체 핸들링에 의해 수행되기 때문에 수동 액체 핸들링으로부터 도출되는 결과는 종종 소정 액체 핸들링 시스템에 대한 기준을 구성한다. 그러나, 수동 액체 핸들링은 특히 추적 가능성, 정밀도, 및 재현성을 간과한다는 것이 기술 분야(예를 들면, Pandya et al. - Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis 53, 2010, pg. 623-630)의 당업자에게 잘 주지되어 있다. 무엇보다도 인간 특성 및 교육에 대해서도 포함되는 인간마다에 지시의 편차가 존재하기 때문에 이것은 툴 캘리브레이션 및 성능에 의해 부분적으로 처리된다. 또한, 수동 액체 핸들링 툴의 낮은 취득 비용에 비해 인간 오퍼레이터를 고용할 필요성에 의해 발생되는 상당한 운용 비용을 간과해서는 안된다. 또한 피펫에 수반되는 반복성 작업이 결과적으로 직업 관련성 질병을 발병시키는 머스코 스켈레탈(musco-skeletal) 시스템 상에서 상당한 긴장을 유발한다고 판명되었다는 것은 부분적으로 사실이다. 그래서, 한명의 오퍼레이터의 잠재적인 생산성은 누적 외상성 장애(cumulative trauma disorder) 및 반복성 긴장 상해(repetitive strains injury)와 유사한 다른 건강 이상의 발생 위험을 최소화하도록 제한되어야만 한다. 명백하게, 직업적인 환경으로부터 이러한 위험을 완전히 제거하는 것이 바람직하지만, 인간을 대신하여 자동 액체 핸들링 시스템으로 직접적인 교체는 다양한 작업에 있어서 요구되는 유연성의 필요성에 대해 저촉될 뿐만 아니라 자동화 기반 시설의 채용 및 작업을 위해 착수되어야 할 상당한 초기 비용으로 인해 경제적인 고려 사항과 상충된다. 요약하면, 수동 액체 핸들링 작동과 자동 액체 핸들링 시스템 사이에 현재 명백한 갭이 존재하고 이는 궁극적으로 다른 방식으로 액체 핸들링 목표를 제시하지만 유용성 면에서 부합되지 않는다. 본 발명은 이러한 갭을 제기하고 연구 환경 및 산업에 유용한 도구를 제공한다.
액체 핸들링 시스템의 다른 중요한 요구 조건은 그 운반성 및 실험실 내에서의 작은 공간 사용법에 있다. 운반성은 사용자에게 시스템의 현장 설치 및 현장 지원 및 유지 보수를 회피하게 함으로써 보다 낮은 최종 비용을 가능하게 한다. 작은 받침대 및 경중량을 갖는 시스템은 특정한 기반 시설의 필요 없이 종래 실험실 환경에 그 설치와 기존의 실험실 작업 흐름 내에서 보다 양호한 통합을 허용한다. 경량 시스템은 추가적으로 보다 적은 전류를 흡수하고 전기 공급이 제한된 그 영역에서 배터리 또는 태양 동력의 사용을 가능하게 한다.
수동 액체 핸들링을 위해 최신의 디자인 솔루션을 포함하는 피펫에 대해 몇몇 종래 기술의 개요는 다음을 포함한다:
Gilson et al.(US3827305)은 조절 가능한 용적 매카니즘을 갖는 수동 지원 피펫을 시사한다.
Magnussen et al.(US4905526)은 전기적으로 지원되는 피펫을 시사한다.
Scordato et al.(US4821586)은 컴퓨터 제어형 피펫의 예를 시사한다.
Gilson et al. (US6158292)은 액체 핸들링 피펫에 대한 팁 배출 시스템을 시사한다.
Cronenberg et al.(US 6977062)은 팁 인식 방법을 포함하는 자동 팁 제거 시스템을 시사한다.
자동 액체 핸들링 시스템으로서 그 공학적 솔루션 및 그 개념적 디자인, 몇몇 종래 기술의 개요는 다음과 같다:
Gilman et al.(US 2003/0225477)은 핸들링 랩웨어(labware)를 위한 모듈식 장치 및 방법을 개시한다.
Pfost et al.(US5104621)은 자동화된 다목적 분석 화학 프로세싱 센터 및 실험실 워크스테이션을 개시한다.
Shumate et al.(US6372185)은 액체 화학적 분배 방법 및 장치를 개시한다.
Bjornson et al.(US2006/0127281)은 통합된 액체 레벨 및/또는 가스 기포 감지부를 갖는 피펫 장치를 개시한다.
Kowalski et al.(US5139744)은 모듈 인식 수단을 갖는 자동화된 실험실 워크스테이션을 개시한다.
낮은 처리량으로 전용 시스템 내에서 자동 조작을 통합하고 또는 특정한 적용예에 대해 전용 시스템을 설명하는 다른 솔루션으로서 다음을 포함하는 종래 기술은 다음을 포함한다:
Zucchelli et al.(US7152616)은 유체의 프로그래밍 가능한 미소 규모 조작을 위한 장치 및 방법을 시사한다.
Blanton et al.(US7601300)은 진단 환경에서 낮은 처리량으로 샘플 테스트를 처리하기 위한 컴팩트 통합형 시스템을 시사한다.
Clark et al.(US5482861)은 자동화된 연속 및 랜덤 엑세스 분석 시스템을 시사한다.
Wegrzyn et al.(US2004/0241872)은 광학적 감지 액체 핸들링 로봇 시스템을 시사한다.
Ruddock et al.(US7105129)은 동력 앤빌(anvil)을 사용하는 웰 플레이트용 액체 핸들링 로봇을 시사한다.
종래 기술의 한가지 단점은 일반적으로 완전히 프로그램 가능한 그리고 설정 가능한 장치의 형태에 있어서 유연성을, 단순하게 저비용 제조 및 저비용 작업의 형태에 있어서 단순성과 자동화된 액체 핸들링 시스템의 특성인 재현성과 조화시키기 어렵다는 점이다.
본 발명은 액체 핸들링 수행을 위한 유연성있고, 재현 가능하고, 추적 가능한 솔루션에 대한 필요를 만족시키는 동시에 수동 작업의 이점을 개선하고 보다 낮은 비용으로 자동화의 이점을 도출한다.
본 발명은 프로그램 가능한 방식으로 피펫을 조작하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다: 본원은 그 방법을 이용하는 시스템 및 장치를 액체 핸들링 안드로이드 또는 단순히 안드로이드로 정의한다.
따라서, 본 발명의 한 양상에서, 복수의 피펫은 복수의 피펫을 포함하는 장치에 의해 작동되고 적어도 하나의 암은 복수의 피펫 중 적어도 하나의 피펫을 조작하고, 하나의 소프트웨어 인터페이스는 암 거동을 실행하고 제어하도록 액체 핸들링 프로토콜을 규정할 수 있게 한다.
본 발명의 또 다른 양상에서, 적절한 팁을 파지하고, 정확한 분배 용적을 설정하고, 소망된 양의 액체를 흡입하고, 소망된 양의 액체를 분배하고, 팁을 배출하기 위해 기계적 암으로써 자동 작동되는 수동 피펫에 의해 액체 핸들링을 수행하는 방법이 개시된다.
본 발명의 또 다른 양상에서, 카메라는 복수의 각도 및 위치로부터 데크 영역을 촬상하고 동시에 그 형상, 치수, 컬러, 높이, 바코드, 독특한 특징에 의해 소모품을 인식하고, 측정하고, 국한시킴으로써 액체 핸들링용으로 사용된다.
본 발명의 또 다른 양상에서, 카메라는 액체 핸들링 장치에 통합되고 피펫 이동을 제어하는 암과 함께 이동하고, 사용자 영상이 소모품을 식별하고 소모품 위치에 대하여 피펫의 상대적인 위치를 정확히 주지시키도록 화상으로부터의 위치 정보를 이용할 수 있게 한다.
본 발명의 또 다른 양상에서, 생물학 또는 화학적 유체를 처리하기 위한 장치는 소정 위치에 복수의 소모품을 포함하는 데크 영역을 포함하고, 상기 위치에서 유연성있고 정렬된 구성으로 조립된다.
본 발명의 또 다른 양상에서, 액체 핸들링 안드로이드에서 피펫의 용적 캘리브레이션을 위한 방법은 복수의 사전 설정된 양의 샘플을 적어도 하나의 용기에 분배하고, 분배되는 샘플의 실제 양을 평가하고, 피펫에 대한 변경없이 소프트웨어 인터페이스 내에서 캘리브레이션 개념을 통합함으로써 달성된다.
본 발명의 또 다른 양상에서, 액체 핸들링 안드로이드에서 피펫의 용적 재현성을 개선하기 위한 방법은 용적의 함수로서 조절되는 피펫 피스톤의 위치 및 사용되는 액체 카테고리의 엄지 동작의 속도를 제어함으로써 달성된다.
본 발명의 또 다른 양상에서, 액체 핸들링 안드로이드의 용적 재현성을 개선하기 위한 방법은 습도 또는 온도 또는 압력을 측정하는 적어도 하나의 센서를 포함하고, 센서 정보에 의거해서 피펫 캘리브레이션을 조정함으로써 달성된다.
본 발명의 또 다른 양상에서, 액체 핸들링 안드로이드에서 피펫을 조작하기 위한 방법은 바람직하게 귀납적일 뿐만 아니라 실시간으로 엄지 위치의 함수로서 엄지 작동 압력을 측정하고 그 후에 엄지 위치 및 속도에만 의거해서 엄지 동작을 제어함으로써 달성된다.
본 발명의 또 다른 양상에서, 피펫을 조작하기 위한 방법은 엄지의 위치 함수로서 엄지 동작의 압력을 측정하고 그 위치에만 의거해서 엄지를 작동하는 것을 포함한다.
본 발명의 또 다른 양상에서, 생물학 또는 화학적인 유체의 처리를 위한 장치로서 소모품을 호스팅하는 데크를 포함하고 데크는 폴더형 타입 또는 자체 조립 타입을 포함한다.
본 발명의 또 다른 양상에서, 생물학 또는 화학적인 유체의 처리를 위한 방법으로서 카메라는 피펫 팁을 촬상할 수 있고 동일한 팁은 빛에 대해 부분적으로 투명하고 카메라는 팁 내부 액체를 시각화할 수 있고 카메라에 의해 촬영된 화상은 검증, 용적 판단, 추적 및 품질 제어를 위해 팁에 수용되는 액체 용적을 평가할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에서, 분리된 혈액 또는 분리된 수액 또는 셀 함유 유체 또는 비드 적재 액체 또는 현탁액 또는 에멀젼과 같은 이종 바이오 유체를 처리하기 위한 방법으로서 기계적 암은 피펫을 조작하고, 카메라는 피펫 팁을 촬상하고 바이오 유체를 촬상할 수 있고, 다양한 바이오 유체 컴포넌트에 대해 팁의 위치는 화상으로부터 추출되고 임의의 위치에 피펫의 흡입 및 분배를 제어하도록 사용된다.
본 발명의 또 다른 양상에서, 액체 핸들링 안드로이드에서 생물학적 또는 화학적인 유체를 처리하기 위한 방법은 카메라에 의해 소모품에 대한 피펫 팁의 동시 촬상하는 스텝과, 피펫을 조작하도록 소모품에 대해 팁의 공간에서 상대적인 위치를 판별하기 위해 화상으로부터의 정보를 사용하는 스텝을 포함한다.
본 발명의 또 다른 양상에서, 용기 내에서의 액체 레벨을 판별하기 위한 방법은 액체 외부의 물체를 촬상하는 스텝과, 액체 표면쪽을 향해 이동하면서 동일한 물체의 화상을 비교하는 스텝을 포함하고, 물체와 액체의 접촉에 의해 생성되는 물체 화상에서의 변화는 물체에 대한 액체 레벨의 위치를 판별하게 하는 것을 포함한다.
본 발명의 또 다른 양상에서, 팁 랙에 수용되는 팁에 관한 정보를 판별하기 위한 방법은 팁 랙을 촬상하는 스텝 및 팁 랙 내부에 하나 이상의 태그를 식별하는 스텝을 포함하고, 태그는 랙 내부에 팁의 수, 위치, 또는 타입에 관한 정보를 제공한다.
본 발명의 이러한 그리고 다른 이점, 목적 및 특징은 실시형태의 자세한 설명 및 여기에 첨부되는 도면을 통해 명백해질 것이다. 또한 앞선 포괄적인 설명 및 다음의 자세한 설명은 예시적인 것이며 본 발명의 영역를 제한하지 않는다는 것이 이해될 것이다.
도 1은 액체 핸들링 안드로이드를 예시하는 3차원 도면이다.
도 2는 영상 기반 피드백에 의해 피펫의 소망된 용적을 설정하는 상세를 예시하는 도면이다.
도 3은 고정형 고정부 및 피펫 자체의 이동에 의해 팁을 배출하는 방법을 예시하는 도면이다.
도 4는 사용되는 액체 용적의 영상 기반 추적의 상세를 예시하는 도면이다.
도 5는 다른 소모품에 대해 피펫 팁의 영상 기반 상대 위치 설정의 상세를 예시하는 도면이다.
도 6은 액체 핸들링 안드로이드의 제 2 실시형태를 예시하는 3차원 도면이다.
도 7은 피펫을 파지하고, 흡입 및 분사를 작동시키고, 팁을 배출할 수 있는 핸드의 상세를 설명하는 3차원 도면이다.
도 8은 도미노 블록에 의거한 도미노 데크의 구조 및 구성을 예시하는 도면이다.
도 9는 암 위치의 3차원 국한을 위해 컴퓨터 영상을 사용하는 하나의 실시형태를 예시하는 도면이다.
도 10은 암 위치의 3차원 국한 능력 및 시스템의 고유한 공간적 분석을 개선하기 위한 방법의 적용예를 예시하는 도면이다.
도 11은 팁 랙에 이용 가능한 팁을 국한시키기 위해 컴퓨터 영상의 사용에 대한 일 실시형태를 예시하는 도면이다.
본 발명은 피펫의 조작 및 다수의 그 적용예에 관한 것이다. 예시를 위해, 도면 및 그 설명은 구체적으로 액체 핸들링 안드로이드로서 이러한 솔루션을 처리하는 장치에 관한 것이다. 그러나, 본 발명에 개시된 수단은 액체 핸들링 분야에서 보다 일반적인 실시형태에 대해 동등하게 적용 가능하다.
액체 핸들링 안드로이드의 구체적인 설명
액체 핸들링 안드로이드의 전체적인 구조는 몇몇 요소를 포함하고 그 모두가 구성 내에서 주어진 역할을 한다. 실질적으로, 액체 핸들링 안드로이드는 안드로이드 베이스 자체를 포함하거나 포함하지 않을 수 있는 임의의 데크 상에서 작동한다. 데크는 부드럽거나 또는 단단한 물리적인 부분, 또는 예를 들면 실험실의 벤치에 속하는 경계 없는 가상 영역이 될 수 있다. 또한 데크는 보다 큰 작동 표면을 형성하도록 함께 결합되는 블록이라 불리우는 보다 작은 유닛의 물리적인 조립체일 수 있다. 베이스로도 칭해지는 액체 핸들링 안드로이드 본체는 암에 물리적인 지지부를 제공하고 가능하게는 파워 코드 커넥터, 범용 스위치, 조명, 트위스터, 설정 카메라, 암 고정부, USB 허브, 팁 웨이스트 트레이, 피펫 랙, 리프팅 핸들과 같은 부가적인 하드웨어를 포함할 수 있다. 그 가장 중요한 목적은 암 이동에 임의의 안정적인 앵커를 제공하는 것이다. 암은 주 전기 기계적 요소를 구성한다: 이것은 공간에서 핸드의 이동을 발생시키고, 주로 이차원 표면 상으로 이동할 뿐만 아니라 소망된 피펫 동작을 수행하도록 피펫을 승하강할 수 있다. 암은 본체에 부착되고, 핸드를 포함하거나 또는 핸드에 연결될 수 있다. 핸드는 피펫과 접촉하는 본체 부분을 구성하고 피펫 랙 상에서 피펫을 파지하고 집어넣을 수 있는 선택적인 기능을 갖는다. 또한, 핸드는 핸드 카메라, 흡입 및 분배를 위해 피펫 노브를 조작하는 기능, 팁을 배출시키는 기능, 소망된 용적을 설정하기 위해 피펫을 작동시키는 기능을 포함할 수 있다. 시스템은 소프트웨어 인터페이스에 의해 보완되고 그 목적은 암의 이동 및 핸드의 동작을 제어하고 카메라와 통신하고, 화상을 처리하고, 무엇보다도 보고 가능하도록 프로그램되어 사용자와의 모든 상호 작용을 관리하는 것이다.
가능한 액체 핸들링 안드로이드는 도 1에 도시된 바와 같이 만들어질 수 있다. 본체(101)는 동적 컴포넌트(전자 장치 및 카메라) 및 바람직하게 하부 부분(104)에 위치되는 웨이트 밸러스트(고체 또는 액체로 충전됨)와 같은 정적 요소를 포함하는 일체형, 또는 다양한 부분으로 인젝션 몰딩된 폴리머 구조일 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 본체는 부가적인 안정성을 제공하도록 의도된 받침대(도시 생략)를 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서 본체는 실험실의 벤치 상에 위치될 수 있지만, 배터리 및 인터페이스를 호스팅함으로써 작업 현장에 있어서 휴대용 실시형태에 있어서와 같은 다른 환경에서 사용되도록 디자인될 수도 있다. 도면에서, 본체는 밸러스트(104), 이동 가능한 팁 트레이(103)용 리셉터클, 용적 설정을 위한, 가능하게는 데크 영역을 모니터링하기 위한 및 침입 감지를 검사하기 위한 위치(102) 내에 본체 카메라, 리셉터클 또는 걸림 고정부 또는 마그네틱 보유부의 형태로 또는 105로 나타낸 것과 같은 피펫을 호스팅하도록 유사하게 디자인된 복수의 피펫 슬롯(121)을 호스팅한다. 본체는 108로 나타낸 것과 같은 승강 핸들과 예를 들면 팁용 배출 버튼으로 용이한 접근을 허용함으로써 피펫과의 상호 작용을 보다 용이하게 만드는 109로 나타낸 것과 같은 기계적 구성 요소를 포함할 수 있다. 본체는 피펫 용적을 설정할 수 있는 액츄에이터로서 규정된 트위스터(122)를 포함할 수 있다. 일반적으로, 이러한 작동은 피펫의 노브를 트위스팅함으로써 수행되지만 이것은 전자 피펫용 전자 장치 수단, 예를 들면 원격 블루투스 통신 또는 물리적 전기 링크에 의해 달성될 수도 있다. 부가적인 전자 장치 부속품이 시스템의 이점을 향상시킬 수 있다는 점에 유념해야 한다: 예를 들면, 가능하게는 USB 허브에 연결되고 소프트웨어 인터페이스로부터 직접 판독하는 온도 또는 압력 또는 습도 센서는 이러한 정보를 통합하고 보정함으로써 피펫의 캘리브레이션을 향상시키는 것을 가능하게 한다.
데크 영역(106)은 암의 작동 범위보다 크거나 작거나 또는 동등한 액체 핸들링 안드로이드의 작동 표면을 규정한다. 데크 영역은 원형, 직사각형 또는 그와 유사한 형상을 가질 수 있다. 바람직하게, 데크는 사용자에게 올바른 배향에 대해 지각하게 만드는 형상을 갖는다. 데크는 예를 들면 간단한 조명에 의해 경계가 정해지는 가상 영역일 뿐만 아니라 부드러운 패드(예를 들면, 벤치 상에 위치될 때 그 크기를 감소시키고 평평한 등각 형상을 회복하도록 그 상향으로 용이하게 권취될 수 있는 실리콘 패드), 또는 강성 메탈, 또는 나무 또는 합성 재료를 포함하는 폴리머 플레이트일 수 있다. 액체 핸들링 안드로이드의 휴대성으로써 서비스 및 지원 작업시에 주요한 이점을 제공하여 안드로이드의 수송을 비용면에서 보다 효과적이게 할 수 있는 가상 또는 폴더형 데크의 이점을 강조하는 것이 중요하다. 또한, 폴더형 또는 가상 데크는 안드로이드가 사용 중이 아닐 때 공간을 절약하는 것을 가능하게 한다. 데크는 사용자 또는 시스템 자체에 특정한 정보를 제공하는 복수의 위치를 포함할 수 있다. 예를 들면, 사용자에게 제시되는 라벨, 경고, 지시, 경계, 및 디스클레머(disclaimer), 뿐만 아니라 국한 마크, 바코드, 코드형 심벌, 태그, 기준 지점은 카메라에 의한 피펫 및 소모품 공간 국한을 개선한다. 복수 타입의 소모품 타입, 예를 들면 107로 나타낸 마이크로 플레이트는 자유형 포맷 구성으로, 또는 고정형 또는 준 고정형 포맷 구성으로 데크 상에 위치될 수 있다. 고정형 포맷 구성은 그 배향에 대해 임의의 선택성을 주지 않고 소정 위치에 소모품을 정확히 국한시키는 것을 의미하는 반면, 준 고정형 포맷 구성은 소모품을 위한 개략적인 영역을 점유하지만 동일한 것에 대한 공칭 위치 근접에서 회전 및 변위에 대한 선택성을 준다. 고정형 포맷 구성은 슬롯, 레일 또는 유사한 솔루션으로부터 이점을 얻을 수 있다. 모든 구성에서, 세리그래피형(serigraphic) 또는 프린트형 그래픽의 존재는 플레이트를 위치시키는 사용자 작업을 용이하게 할 뿐만 아니라 카메라에 의해 소모품 국한의 기능을 간단히하고 사용자 인지에 대해 오더 센서를 제공하여 같은 프로토콜의 반복을 보다 용이한 태스크로 만든다. 선택적으로, 프린트형 그래픽 및 정보는 다른 컬러로 제공됨으로써 이에 존재하는 정보의 일부를 식별하는 카메라에 대해 보다 선택성을 갖게 만든다.
이 경우에 요소(110)와 요소(113) 사이의 구조로 규정된 암은 유사한 기능성(예를 들면, 모터가 암 외측에 실제적으로 국한된 케이블 구동 시스템, 또는 액츄에이터로서 실린더를 사용하는 공압 시스템)을 갖는 복수의 액츄에이터 또는 솔루션을 포함한다. 본 실시형태에서, 액츄에이터는 그 본체와 출력축 사이에 소정 각도로 액츄에이터를 설정하게 하는 기어 감속 및 각도 피드백을 통합하는 서보 모터의 범주에서 선택된다. 단일한 유닛에서, 예를 들면 유닛(110)에서 동력의 공급 및 직렬 통신 링크(예를 들면 RS232, RS485, 또는 USB 표준)의 설비는 다른 정보를 입력 및 출력하게 한다: 입력의 예는 소망된 위치, 이동에 대한 속도 프로파일, 최대 토크, 허용 윈도우 각(angular acceptance window)이고; 출력의 예는 현재 위치, 현재 속도, 유닛 온도, 유닛 상태, 및 가능성 있는 결함이다. 암의 운동은 수평 평면에서 주로 일어나고 이에 의해 전형적인 생화학적 작동이 미미하게 다른 높이를 갖는 소모품과 함께 평면 및 수평 벤치에서 수행된다. 그러나, 팁의 삽입, 및 액체의 흡입 및 분배는 예를 들면 수직 이동도 요구한다. 이러한 특정한 실시형태에서, 암은 대부분 수평 평면 내에서 작동하고 이것은 수직 평면 내에서 보다 제한된 행정을 갖는다. 요구되는 변위를 얻는 한 방법은 예를 들면 수평 평면 및 수직 선형 액츄에이터 내에서 위치를 설정하는 2개의 각도 액츄에이터에 의존하는 것이다. 대안적으로, 선형 액츄에이터의 중량 및 복합 특징은 2개의 각도 이동 예를 들면 각도 액츄에이터(112, 113)에 의해 위치 교환이 제공될 수 있고, 동시적인 이동을 통해 공간 내에서 그 배향을 유지함으로써 피펫을 위 아래로 이동하게 한다는 점이다. 이러한 특징에 있어서 피펫 수직성이 피펫의 더 나은 용적 성능을 위해 중요한 요구 조건이라는 사실을 고려하는 것이 중요하다. 다른 이유로, 수평 평면 내에서 이동을 위한 각도 액츄에이터의 수를 증가시키는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 몇몇 실시형태에서 방위각의 회전에 대해 수직 피펫의 배향을 규정하는 것이 바람직할 수 있다: 이는 수평 이동을 위한 적어도 3개의 액츄에이터를 원칙적으로 의미한다. 방해물 또는 고정형 구조물의 존재는 보다 많은 수의 액츄에이터, 예를 들면 도 1에 나타난 바와 같이 4개를 필요로 할 수도 있다. 암 구성에 대한 선택은 적용예 및 각도 액츄에이터 성능을 고려하여 충분한 공학적 경험 및 일반적인 상식에 따를 수 있다.
핸드 디자인은 암에 적용되는 것과 유사한 개념 및 컴포넌트를 채용할 수 있다. 도시된 실시형태에서, 핸드는 실제로 피펫의 파지 동작을 처리하는 액츄에이터인 액츄에이터(114)로부터 구성이 시작된다. 명확하게 도시되지 않은 파지기는 피펫의 두 측면 상에 압력을 가할 수 있는 간단한 클로 메커니즘일 수 있다. 또한 이것은 가동형 클로가 피펫에 대해 등각인 고정형 클로에 대향한다면 단일한 클로 메커니즘일 수 있다. 클로는 일반적으로 등각 형상, 평면 형상, 또는 피펫과 제한된 수의 접촉점을 가질 수 있다. 다른 디자인은 다른 장점을 갖는다: 본 실시형태에 따르면 액체 핸들링 안드로이드는 단일 타입의 피펫 또는 다수의 모델을 취급하도록 디자인될 수 있다. 클로는 그에 따라 구상되어야 하고 그것의 개념은 다른 피펫에 대해 다를 수 있다는 것이 당업자에게 명백하다. 피펫과 함께 독립적 또는 종속적으로 다른 방향으로 배향되고 이동하는 핸드는 공간 내에서 소모품의 그 위치 뿐만 아니라 피펫이 본체 슬롯(121)으로부터 파지되면 팁(120) 또는 피펫(119)의 위치를 식별하기 위한 카메라(123)를 더 포함할 수 있다. 데크로부터 너무 떨어져 진행하지 않고 생물학적 또는 화학적 테스트를 할 수 있는 전형적인 데크 표면 특성을 고정된 카메라로써 촬상할 수 있게 구현하는 것이 중요하다. 그러므로, 제안된 실시형태는 사용 가능한 표면 부분을 개별적으로 보고하는 일련의 영상으로써 데크 영역을 촬상함으로써 문제에 대한 솔루션을 제시한다. 화상은 데크 공간 및 그에 수용된 소모품의 시놉틱 뷰(synoptic view)를 가능하게 하는 적절한 소프트웨어에 의해 모자이크로 재구성될 수 있다. 합성 화상은 카메라 또는 핸드의 경사 또는 병진 운동에 의해 그 동일한 데크 또는 일부에서 다수 화상을 생성하게 할 수 있다. 이러한 특징은 입체적인 정보를 위해 삼차원 정보의 적어도 일부를 재구성하도록 용이하게 채용될 수 있다. 이러한 특징은 소모품의 높이에서 정보를 추출하도록 하는데 구체적으로 관련되고 가능하게는 피펫 흡입 및 분배 위치의 정확한 설정을 위해 요구된다. 삼차원 정보는 카메라가 조정 가능한 초점를 갖고 광학적 구성이 제한된 깊이의 초점을 갖는다면 카메라로부터의 초점 정보를 사용함으로써 획득될 수도 있다. 이러한 방법은 사물 자체를 단순히 스캔하고 화상의 공간적 대비 분석함으로써 깊이 정보를 추출할 수 있게 한다. 컬러 카메라는 예를 들면 컬러 공간 분배에 의거하여 소모품 및 피펫 또는 다른 부속품을 식별하게 하는 추가적인 정보를 제공할 수도 있다. 핸드는 엄지형 액츄에이터(115)를 포함할 수 있고 그 목적은 피펫의 조작시 인간의 엄지와 유사한 기능성을 갖는 엄지부(116)를 작동시키는 것이다. 엄지 동작은 축 주위로의 단순한 부분 회전일 수 있지만, 예를 들면 인간의 엄지 정도로 그 속도, 위치, 압력 민감도로 엄지 동작의 정밀도를 개선함으로써 피펫 조작에 있어서 다양한 개선점을 도출할 수 있다는 점에 주목하는 것이 중요하다: 예를 들면 노브(117)의 왕복을 통한 빠른 흡입/분배 순서로서 액체의 혼합이 개선되고, 재현 가능한 위치 변위 또는 속도 프로파일에 의한 분배의 정밀도가 개선되고, 압력 피드백 메커니즘에 의한 피펫 정지의 감지가 개선된다. 결국, 엄지 동작은 피펫을 점성 액체 또는 이종 샘플로써 최적 상태에서 동작하게 하는 용액 특성에도 의존할 수 있다. 다른 예로서, 빠르고 재현 가능한 엄지 동작은 수납 용기의 액체와 물리적 접촉 없이 액체를 분배하는 것으로 정의된 액체의 온더플라이(on the fly) 분배에 대한 성능 및 신뢰성을 개선할 수 있다. 이러한 실시예는 및 팁의 사용시 시간을 현저하게 절감함으로써 수동식 피펫 작동으로써 달성될 수 없는 성능을 가능하게 한다. 임의의 액체(다음에 설명되는 바와 같은)에 대해 그들을 개별적으로 캘리브레이팅하는 실시예와 결합된 다수의 분배 및 흡입 방법의 조합은 액체 핸들링 안드로이드가 용량 및 품질에 있어서 수동식 오퍼레이터 보다 뛰어난 성능을 가질 수 있다는 증거를 뒷받침한다.
액체 핸들링 안드로이드의 제 2 실시형태는 도 6에 도시된다. 플라스틱 인클로저(601)는 베이스 플레이트(602) 상에 장착되는 수직 구조로 디자인된 메인 본체를 구성하고 포함한다. 베이스 플레이트(602)는 시스템에 안정성을 제공하고 그리고 시스템을 안드로이드 자체 또는 외부 작용에 의해 유도되는 벤치 지지부에서의 가능성 있는 진동 및 요동으로부터 독립적으로 만드는 목적을 갖는다. 또한 본체(601)는 용적 설정 절차의 실행을 위한 회전 액츄에이터(603)를 포함한다. 회전 액츄에이터는 내부 조명(605)에 의해 피펫(606) 상에 위치된 디지털 카운터를 촬상할 수 있는 카메라(604)에 의해 지원받는다. 이러한 실시형태에서, 본체(601)는 전자 장치 및 기계 장치를 포함한다: 실제로, 암의 수직 이동은 암에 요구되는 수직 왕복 이동을 허용하게 하는 견부(607)를 수직으로 상승시키는 선형 액츄에이터(도시 생략)에 의해 달성된다. 이 결과로서, 암 기능은 수평 평면에서 핸드(608)의 변위에 대해 제한되고 수직 이동이 본체(601) 내부에서 달성된다. 따라서 도 1과 다르게, 암은 의도된 영역의 완전한 커버를 가능하게 하는 3개의 서보 모터(609)만을 포함한다.
핸드 이동에 관한 상세는 도 7에 도시된다. 2개의 서보 모터(701, 702)는 팁을 파지하고 배출하고, 액체의 흡입과 분배를 위한 피펫 노브(705)를 작동시키는 것을 포함하는 피펫을 조작할 경우에 핸드를 지원한다. 서보 모터(701)는 피펫 노브(705) 상에 요구되는 압력을 적용하고 압력 피드백의 모니터링 및 피펫 정지를 판별하도록 노브 위치를 모니터링하는 것을 포함하는 2중 기능을 갖는다. 2중의 기능은 캠에 의해 달성되고 여기서 캠(704)은 서보 모터(701) 축과 함께 항상 가동되지만 캠(712)은 제한된 각도 영역 내에서만 캠(704)에 의해 작동된다. 캠(712) 상의 캠(704)의 압력은 피펫 상의 버튼(706)을 작동시켜 피펫으로부터 팁(709)의 배출을 유도한다. 다른 캠은 서보 모터(702)에 의해 작동된다: 캠(703)은 웨지(707) 상으로 슬라이드하는 레버(도시 생략)를 작동시키고 이는 차례로 피펫 본체에 대해 클램프(708)를 밀어 피펫을 파지하게 한다. 대칭 메커니즘이 피펫의 다른 측면 상에 존재하여 대칭 클램핑 포스를 발생시킴으로써 핸드의 축과 피펫의 축을 정렬시킨다.
중요하게는, 핸드는 카메라(711) 및 연관된 광원(710)을 호스팅한다. 라이트의 목적은 카메라(711)의 관측 시야에 균일하고 일정한 조명을 인가하는 것이고, 관측 시야는 데크에 대해 버드 플라이트(bird flight) 관측 시야, 팁(709) 및 이 경우에 피펫 단부(713)의 촬상을 포함한다. 관측 시야 내에서 이러한 구성 요소를 갖는 것은 카메라 화상 내의 이러한 물체의 상대적인 위치를 측정하는 것을 가능하게 한다. 실제로, 렌즈의 광학적 왜곡의 보정에 의해 카메라(711)의 대물 렌즈를 통과하고 관측 시야 내에 물체가 놓이는 방사상 라인이 판별된다. 따라서, 그 횡방향 위치는 그 수직 위치를 추정함으로써 재구성될 수 있다. 요소의 수직 위치, 예를 들면 팁 단부는 렌즈 초점에 의해, 주지의 수직 위치(수직 모션의 압력을 통해 감지된)의 기준에 대해 동일한 물체의 접촉에 의해, 핸드에 연결되지 않은 물체의 다수의 변위된 화상에 의해, 핸드 상에 장착된 2개의 카메라의 입체적인 화상에 의해, 주지의 치수의 2차원 바코드의 외관상 크기의 측정 및 다른 방법에 의해 다른 방식으로 추정될 수 있다.
용적 설정의 상세한 설명
조정 가능한 피펫에 사전 설정된 용적을 규정하기 위한 방법 및 장치를 설명하는 바람직한 실시형태가 도 2에 도시된다. 도면에서 카메라(203)는 본체(201)의 내부에 위치되고 본체는 도 1에서 이미 설명했다. 카메라는 피펫(204)의 분배/흡입 용적을 나타내는 피펫 디스플레이(215)[도면에 직접 도시되지 않지만 피펫 본체에 의해 커버되고 예를 들면 도 3의 위치(313)에 도시됨]를 촬상할 수 있는 방식으로 위치된다. 명백하게, 부분적으로 시각화된 암[액츄에이터(213, 214)]은 이러한 위치에 도달되는 것을 허용하도록 적절히 디자인된다. 카메라는 전방으로부터, 또는 어떠한 방향 또는 평면(예를 들면, 상단 또는 하단으로부터, 좌측 또는 우측으로부터)으로든 어떠한 각도로부터 디스플레이를 촬상할 수 있다. 카메라는 주변으로부터, 또는 액체 핸들링 안드로이드에 포함된 광원으로부터의, 인공 조명에 의해, 또는 자연 광원에 의해 지원받을 수 있다. 피펫 용적 설정을 조절하는 능력과 디스플레이 모니터링을 결합하는 것은 유용하다. 이것은 노브 트위스터(207)에 연결된 액츄에이터(206)에 의해 실현된다. 액츄에이터는 그 각도 위치에 의해 또는 그 각속력에 의해 설정될 수 있다. 노브 트위스터는 바람직하게 탄성 소재의 요소이고 이는 트위스터에 대한 노브의 단순한 압력에 의해 노브 상에 토크를 인가할 수 있도록 디자인됨으로써 대부분의 피펫 타입에 대해 행해지는 바와 같이 요구되는 피펫 조절을 수행하도록 허용한다. 몇몇 실시형태에서, 트위스터는 그 본체 내부로 파인 오목한(원추대형) 원뿔 형상을 갖는 고무계 실린더일 수 있다: 원뿔 형상은 다른 크기의 피펫 노브로 등각 조절하는 것이 가능하다.
팁 배출의 상세한 설명
팁 배출 동작을 위한 장치 및 방법을 설명하는 바람직한 실시형태가 도 3에 도시된다. 명백하게, 액체 핸들링 안드로이드에서 팁 배출은 피펫으로의 팁 삽입에 의해 보완된다. 그러나, 현재의 피펫 중 대부분에서 팁 삽입은 피펫 본체가 팁 내부로 삽입될 때 임의의 압력을 인가함으로써 간단히 수행된다. 명백하게, 이러한 작동은 도 1에 설명된 바와 같은 실시형태에서 실행 가능하다. 팁 배출에 관해서 가장 바람직하게는 액체 핸들링 안드로이드의 핸드에 대부분 위치되는 전용 액츄에이터에 의한 배출 버튼의 직접 작동을 포함하는 다수의 솔루션이 채용될 수 있다. 그러나, 도 1에 이미 설명된 액체 핸들링 안드로이드 실시형태에 대해서 도 3에 도시된 바와 같이 추가적인 액츄에이터를 요구하지 않는 경제적인 솔루션이 존재한다. 암에는 동일한 피펫의 배출 버튼(305)이 예를 들면 본체 구조(301)에 대해 고정된 고정형, 구조(306)를 향하고 있는 구성으로 피펫(303)을 배치할 수 있다. 배출 버튼의 작동은 암 자체에 의해, 예를 들면 고정형 구조(306) 및 배출 버튼(305)을 서로에 대해 밀어내게 만들도록 액츄에이터(309, 310)의 작동에 의해 발생되는 힘에 의해 달성된다. 이러한 솔루션은 핸드에서 적어도 하나의 액츄에이터를 절감하고 임의의 복잡성을 감소시킴으로써 보다 가볍고 보다 신뢰성 있는 것이 된다. 또한 구조(306) 형상의 적절한 선택은 다른 공간적 위치에 도 1에 도시된 웨이스트 트레이의 제한된 영역 내부에 팁의 축적을 회피할 수 있는 바람직한 임의의 위치에 팁을 배출하게 한다.
용적 모니터링의 상세한 설명
용적 모니터링 및 피펫 작동의 추적 가능성을 달성하는 방법 및 장치의 바람직한 실시형태가 도 4에 도시된다. 4개의 화상은 이미 설명된 액체 핸들링 안드로이드에서 도 1의 카메라(123) 또는 카메라(102)일 수 있는 카메라에 의해 촬영된 4개의 다른 스냅샷에 해당한다. 설명의 간소화를 위해 화상은 피펫축에 직교하는 위치로부터 촬영된다: 그러나, 이는 엄격하게 요구되지 않고 대부분의 시야 각도가 가능하다. 화상은 피펫 본체(402) 및 팁(401)의 일부 또는 전부적으로 시각화할 수 있다. 가장 좌측의 화상에서 볼 수 있듯이, 빈 피펫의 기준 화상이 기준을 구성하고 일시적으로 또는 영구적으로 저장될 수도 있다. 화상은 암의 기준 위치에서 촬영될 수 있어서 균일하고 일정한 배경 정보 및 조명을 제공한다는 것이 이해될 것이다.
도 4의 좌측으로부터 두번째 사진에 조절 가능한 피펫의 용적 설정에 따라 주어진 양의 액체로 충전된 팁이 도시된다. 모든 용적 설정이 주어진 팁에 대한 액체 메니스커스(403)의 주어진 위치에 해당한다는 것은 당업자에게 명백하다. 따라서 이 점에서 메니스커스 위치는 소망된 액체량을 정확하게 흡입하는 지시기로서 기능한다.
역으로, 기준 화상은 액적 또는 잔류 액체의 존재가 유사한 방식으로 감지될 수도 있는 분배 작동 후 논리적 기준으로서 기능한다. 도 4에서 좌측으로부터 세번째 사진에서 흡입이 정확하게 일어나지 않은 비정상적인 경우가 도시된다. 가시적으로, 공기(405) 거품이 피펫 내로 도입되어 소망된 용적에 대해 피펫 내에 수용된 실제 액체 용적을 변경시킨다. 거품으로 인해 메니스커스(404)는 정확한 위치에(동일한 도면의 좌측으로부터 두번째 사진에 대해 행해진 것을 고려하여 규정됨) 있고, 따라서 팁 내에 실제 액체 용적은 예상보다 낮은 것을 지시한다. 또한 액체 메니스커스는 예를 들면 거품이 흡입 후 형성된 것을 지시하는 보다 높은 레벨에 있을 수 있거나 또는 예상된 것보다 낮을 수 있고 이는 액체 수집에 심각한 문제를 암시한다. 실험실에서의 실행에서 발생하는 단순하고 실제적인 경우가 도 4의 가장 우측 사진에 도시된다: 피펫이 액체를 흡입하는 경우 용기 내 액체의 부족, 또는 액체 레벨에 대한 팁의 부정확한 위치는 피펫 내에 수용된 공기로 인해 액체가 부분적으로 흡입되게 된다. 메니스커스(405)는 가장 가능성 있는 정확한 위치에서 발생된다; 그러나 제 2 액체-공기 인터페이스는 위치(407)에서 시각화된다. 모든 이러한 바람직하지 않은 거동은 사용자에게 이용되어 분석 평가에 의해 생성된 데이터의 해석을 현저하게 개선할 수 있다. 모든 경우에서 화상은 수동 작동에서 간과될 수 있는 현저한 정보를 포함한다. 이러한 유용한 정보는 프로세스의 재구현을 시도하도록 온라인에서 처리될 수 있고, 오퍼레이터 모니터링 및 품질의 제어를 위해 단순히 오프라인에 저장될 수도 있다. 전체적으로, 유사한 촬상 구성이 액체 레벨에 대한 소모품에서 팁의 위치를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 소모품의 촬상 및 액체 레벨의 식별에 의해 액체와 팁 사이의 수직 거리가 판별될 수 있고 정확한 시핑(sipping) 또는 액체의 분배가 가능하다. 유사하게, 동일한 절차가 예를 들면 플라즈마/세럼과 적혈구 사이의 인터페이스에서 혈액의 분리 및 연막의 흡입의 경우에서 특별한 수직 위치로 액체를 흡입하도록 적용될 수 있다.
영상 지원형 팁의 위치 설정의 자세한 설명
영상 지원형 팁의 위치 설정을 구현하기 위한 방법 및 장치를 설명하는 바람직한 실시형태가 도 5에 도시된다. 화상은 바람직하게 피펫 핸드에 연결되는 카메라, 예를 들면 도 1에 설명된 카메라(123)에 의해 촬영된 화상에 해당한다. 카메라가 도 1의 팁(120)에 연결되는 피펫(119)을 파지하는 피펫 핸드에 연결되면 도 5에 도시된 피펫 팁(504)은 재현 가능한 일정한 위치가 된다. 따라서, 이러한 정보에 의해 핸드로부터 피펫을 적절히 파지할 시 즉시 적절한 제어를 행한다. 다른 피펫과 다른 팁은 다른 화상과 다른 형상으로 될 수 있으므로 팁 촬상에 있어서 착오가 발생하지 않도록 보장하기 위한 바람직한 방법도 제시된다는 것이 이해될 것이다. 부가적으로, 도 5의 경우에서와 같이 화상은 관측 시야 내에 부가적인 물체를 포함할 수 있다. 임의의 물체가 사용되는 광학 렌즈 및 센서의 타입에 따라, 그리고 명백하게 카메라로부터의 그 거리에 따라 초점 내에 또는 초점 밖에 있을 수도 있다는 것이 종래 기술에 잘 알려져 있다. 암 능력에 따라 암을 소망된 높이로 작동시키는 것이 가능하고 이는 물론 소모품과 팁 사이의 거리가 소망된 값으로 설정되는 것을 의미한다. 이러한 조건에서, 다음의 방법에 따라 소망된 웰 위치(507)에 대해 팁(504)의 측방향 정렬을 식별하는 것이 가능하다: 연장됐을 때, 팁(503)의 축(504)은 팁이 수직 이동으로 수행되는 궤적과 동일해진다(팁이 수직인 예에서, 이는 일반적이여야 함). 그러나, 소모품에 대해 팁의 소정 및 전형적인 거리는 팁이 식별된 웰과 동일한 높이로 국한될 때 교차하는 단일 지점을 규정한다. 따라서, 팁의 상대적인 수평 정렬은 관측 시야 내에서 동일한 팁을 촬상하고 촬상 평면에 오프셋을 적용함으로써 달성될 수 있다: 이러한 지점은 소모품으로부터 팁의 거리를 변경하지 않고 암의 측방향 이동을 적용함으로써 소망된 목적지 상에 직접 위치 설정되어야 한다. 이러한 방법은 영상 분석 방법 또는 실험적 정렬에 의해 전체적으로 보정될 수 있는 광학 왜곡이 존재할 시에도 적용될 수 있다는 점에 주목해야 한다.
예를 들면 도 7에 도시된 바와 같은 다른 실시예에서 카메라는 팁이 액체 표면에 접근하는 동안 팁을 촬상할 수 있다. 팁이 액체로부터 떨어지는 경우의 화상에 반해 팁이 액체와 접촉하는 경우의 화상으로 팁의 화상을 변경하고, 따라서 그러한 변경은 팁이 예를 들면 액체 표면 근처에서 흡입 또는 분배를 위해 액체 표면을 터치하는 위치를 식별하도록 사용될 수 있다.
화상에서의 차이점은 팁 또는 액체에 대한 적절한 조명에 의해 발생될 수 있다: 그들이 접촉할 경우 팁 폴리머의 굴절률과 액체의 굴절률은 유사하고 따라서 라이트는 재료 표면을 따라 내부 반사의 유도로써 다른 매체를 통해 전해진다. 조명 구성을 변경함으로써 팁-액체 접촉이 감지되고 식별될 수 있다. 내부 반사 촉진에 특히 적합한 조명 조건은 LED 또는 레이저 또는 예를 들면 광 파이버와 같은 라이트 가이드의 유도로써 달성될 수 있다.
도미노 데크의 상세한 설명
데크 구성의 바람직한 실시형태가 도 8에 도시된다. 도 1에 설명된 데크와 달리 소모품은 하나 이상의 소모품을 보유할 수 있는 재사용 가능한 또는 재사용 불가능한 지지부로 규정된 블록이라 불리우는 보유부에 의해 기하학적 방식으로 구성된다. 블록의 특징은 몇몇의 미리 규정된 규칙을 따르지만 임의의 미리 규정된 가요성으로써 구성되는 평면 배치된 블록인 모자이크라 불리우는 보다 큰 구성으로 그것들을 조립할 수 있다는 점이다. 도 8에서 다른 타입의 블록이 함께 조립된다: 예를 들면 블록(801)은 사용된 팁을 수집하기 위해 의도된 것이고, 블록(802)은 다른 타입의 마이크로 튜브를 수용하고 지지하도록 디자인된 것이고, 블록(803)은 팁 랙을 보유하고 지지하도록 의도된 것이고, 블록(804)은 예를 들면 15mL, 50mL, 및 혈액 튜브와 같은 보다 큰 튜브의 지지부로서 역할을 하고, 블록(805)은 마이크로 플레이트를 수용하는 것이다. 이러한 블록은 모든 가능성을 완벽하게 커버하지 못한다. 예를 들면, 블록은 팁, 정보 처리를 위한 바코드, 튜브, 및 사용자가 자신의 샘플을 제공할 수 있게 하는 빈 소모품과 같은 특정 소모품와 미리 적재된 시료를 동시에 호스팅하도록 디자인될 수 있다. 이러한 최종 구성에서 처리를 위한 외부 블록을 요구하지 않는 단일 유닛으로서 도미노 블록을 구상할 수 있고 따라서 도미노 데크를 서로 종속적이지 않는 일련의 독립적인 실험 장치로 만드는 것이 가능하다. 중요하게 도미노 블록은 NFC, RFID, 선형 바코드, 광학 인식 마크, 806으로 도시된 2차원 바코드에 의한 정보로써 보완될 수 있다. 부가적인 정보를 제공하는 목적은 예를 들면 도 7에 설명된 카메라(711)에 의한 블록의 능동적이고 비접촉 식별로 인해 시스템의 부하를 완화시키기 위한 것이다. 도미노 블록 정보를 추출하는 다른 방식은 그 측면에 위치 설정된 전기 접촉부에 의해 이웃 블록과 접촉함으로써 전기적 네트워크에 의해 다른 블록에 전파되는 방식에 의한 것이다. 도미노 데크의 한가지 중요한 특징은 블록의 조립체를 구성하고 제어할 수 있는 동시에 그 구성을 사용자 요구에 따라 적용할 수 있다는 점이다. 실제로, 도미노 블록은 사용자가 도미노 블록을 부정확하게 조립하는 것을 방지하고 조립체 전체를 조립된 상태로 유지하는 약간의 힘에 의해 구성의 선택성을 부여하는 측면상의 키, 예를 들면 기계적 키 또는 자성의 키를 부수적으로 제공한다. 키에 대한 일 실시형태는 교육 및 놀이를 위한 레고 장난감에서 실시되는 것과 유사한 기계적 구성이다. 다른 매커니즘은 특히 자석형 구성이다: 예를 들면, "하향" 방향으로 배향되도록 디자인된 측면을 따라, 측면은 적절한 자기 구성을 제공하는 복수의 자석을 호스팅할 수 있다. SNS(South-North-South) 구성의 자극은 인력의 결과로서 NSN(North-South-North)을 제공하는 측면에 정합될 수 있는 반면 측면 NSN은 측부 NSN으로부터 밀려난다(SNS 측면에 대해 밀릴 때 SNS 측면의 척력과 유사함). 자석 구성의 이점은 인력이 허용된 구성을 부여하면서, 척력은 조립 블록의 잘못된 배향을 방지한다는 점이다. 이러한 자력은 외부 기준 구조에 연결함으로써 도미노 데크의 전체 구성을 개선할 수도 있다. 예를 들면, 도 8에서 블록(807)은 NSN 자석 구성에 면하는 SNS 자기 구성에 의해 안드로이드의 본체 아래 베이스에 측면(809)에 내장된 자석에 의해 발생되는 자력으로 부착된다. 유사하게 블록(808)은 NSN 자기 구성에 면하는 SNS 자기 구성을 통해 안드로이드 베이스의 측면(810)에 위치 설정된 자석에 자기적으로 연결된다. 이러한 예에서 블록을 90도만큼 회전하는 것을 방지하는 것은 측면(809)보다 짧은 측면(810) 상의 자석 사이의 다른 피치이다. 동일한 이유로 도미노 데크의 블록은 180도 또는 90도 회전될 수 없다.
도미노 데크의 중요한 이점은 안드로이드 본체 외부에 존재하는 실험실 벤치의 최적 공간을 점유한다는 점에 있다. 실제적으로 시스템에 의해 점유되는 공간은 관련된 실험의 복잡성과 관계없이 벤치 공간을 점유하는 현재의 액체 핸들러의 구성과 상반되는 소정 실험에서 요구되는 공간으로 제한된다. 부가적으로 이것은 예를 들면 도미노 블록을 임의의 장소에 적재하거나 또는 그것들을 단일한 도미노 블록의 공간을 점유하는 수직 쌓기로 조립함으로써 시스템이 사용되지 않을 때 점유된 벤치 공간을 최소화하게 한다. 일반적으로 사용자는 요구되는 다양한 타입의 블록의 양을 변화시키고 불필요한 블록을 사용하지 않음으로써 그 특별한 실험에 따라 다른 도미노 블록을 이용할 수 있다.
암의 공간 국한의 자세한 설명
위치 설정을 위한 다수의 절차와 방법은 정밀 기계의 사용 및 X-Y-Z 직교 좌표 로봇의 인코더와 디코더를 포함하여 종래 기술에서 당업자에게 주지되어 있지만 가동 암 상에 장착된 간단한 카메라에 의해 소모품의 식별 및 국한하는데 특히 적합한 방법을 설명한다. 본원에서 설명되는 카메라 및 암의 기하학적 형상은 도 6에 도시된 것이며, 암(609)은 카메라(711) 및 연관된 조명(710)과 함께 도 7에 도시된 파지기(708)에 의해 피펫(608)을 보유한다. 도 9는 하나의 소정 위치[예를 들면 웰(910)] 내에 피페팅을 위해 정확하게 접근되도록 임의의 블록 상으로 이동하면서 카메라(711)에 의해 촬영된 바람직한 화상을 도시한다. 소망된 피페팅 위치에 대해 3차원으로 피펫 축의 상대적인 위치를 추출하는 것이 중요하다는 것에 유념해야 한다. 피펫 팁 길이가 주지되고(예를 들면 피펫 모델에 의해 또는 팁 접촉의 감지, 입체적 촬상, 도 6의 카메라(604)에 의한 외부 측정 및 다른 방법을 포함하는 다른 기술에 의해), 피펫 팁이 카메라의 관측 시야 내에서 시각화될 수 있다는 사실로[카메라(711)에 대해 적절한 대안 렌즈를 채용함으로써 피펫(709)에 대해 도 7에서 가능한 바와 같이] 카메라 축에 대한 피펫 팁 단부의 측방향 위치는 화상 센서 좌표(픽셀)의 공간에서 연산될 수 있고, 변환 비율이 피펫 팁 단부가 속한 평면에 대해 주지되면 실제 공간 측방향 변위로 변환될 수 있다. 변환 비율은 동일한 평면에서 주지된 치수의 2차원 바코드의 사용을 포함하는 다수의 방식으로 달성될 수 있다. 그러나, 소모품(902)에 대해 소정 오프셋(실제 공간에서)으로 카메라 축[십자 점선(901)로 도시됨]을 가동시키는 것이 요구되므로 카메라에 대해 피펫 팁 단부의 상대적인 위치를 주지하는 것은 웰(910) 내부로의 피펫 팁 단부의 위치 설정에서 제기되는 문제에 대한 부분적인 솔루션이라는 것을 도 9는 도시한다. 다음의 방법은 빠르고 안정적이고 임의의 오정렬을 보정하고 이점을 갖는 각각의 개별적인 블록 또는 작은 영역에 대해 국지적으로 조절될 수 있는 데크의 절차를 설명한다. 실제로 블록(911)에는 다른 특징이 구비된다. 하나의 특징은 화상을 마이크로 플레이트의 측면으로부터 상향으로 반사하는 수평 평면에 대해 45도인 평면 상에 위치 결정되는 미러(903, 904, 905, 906)의 존재이다. 이러한 미러는 마이크로 플레이트의 수직 측면 상에 놓이는 사용자가 라벨링한 임의의 바코드의 광학 검사를 가능하게 하고 그것은 사용자 바코드가 마이크로 플레이트의 소정 측면에 있어야 한다면 바코드가 적용된 측면에 관계없이 그리고 임의의 마이크로 플레이트 회전을 잠재적으로 감지하는 카메라(711)에 의해 쉽게 측정될 수 있다. 동일한 바코드 식별 능력은 예를 들면 위치(908 및 909)와 같이 블록(911) 내부에 실시된 다른 바코드를 감지하도록 이용될 수 있다. 두개의 바코드는 한개의 바코드로 감소될 수 있고, 시스템 안정성 또는 카메라에 의해 판독된 정보량을 증가시키기 위해 복수개로 증가되도록 선택될 수 있다는 것이 강조되어야 한다. 블록(911)에 장착된 2차원 바코드는 웰과 대략 동일한 높이로 또는 수직 평면으로 주지의 오프셋으로 위치 설정된다. 또한 바코드, 예를 들면 QR 바코드를 판독함으로써 그 공간 내에서 카메라에 의해 측정된(일반적으로 센서 차원의 방향을 따라 픽셀로 측정된) 크기인 그 외관상 크기에 대한 정보를 사용자에게 제공한다. 따라서 주지의 치수 또는 바코드 자체의 내용에 의해 주지된 치수를 가짐으로서 카메라에 의해 측정된 임의의 거리를 동일 평면에서 실제 치수로 변환하도록 공간 변환 비율을 규정하게 한다. 대안적으로 바코드가 비주지 치수를 갖는다면, 주지 거리에서 2개의 바코드는 예를 들면 바코드(908)와 바코드(909) 사이의 거리를 주지함으로써 동일한 목적을 충족시킬 수 있다. 실제로, 비주지 픽셀 형상을 갖는 카메라의 경우, 바코드 각도에 관한 정보는 적절한 변환 비율(화상 센서의 2개 방향에 있어서 다름)을 추출하도록 사용되어야 한다. 요약하면, 단일한 2차원 바코드의 치수 및 각도를 측정함으로써 바코드의 동일 평면에서 또는 그 근접에서 거리를 측정할 수 있다. 그러나, 소정 카메라 및 대물 렌즈에서 변환 비율은 카메라 화상이 대물 렌즈 왜곡에 대해 보정되면 간단한 투영법에 따라 거리로써 변경된다. 따라서, 주지의 스텝(예를 들면, 주지의 기어 계수 및 모터로써 암을 수직으로 가동시키는 스텝)으로 카메라를 수직으로 가동함으로써 수행되는 수직 스캔은 사용자에게 내삽법 및 외삽법에 의해 바코드 자체로부터 소정 카메라 또는 대물 렌즈에 대한 수직 거리를 자동적으로 제공하는 커브를 형성하게 한다. 결국, 동일한 커브가 바코드로부터 카메라의 실제 거리를 추출하도록 그리고 카메라에 대해 피펫 팁 단부의 오프셋을 주지하도록 역의 방법으로 사용될 수 있다: 이러한 역의 방법은 웰(910)에 대해 피펫 팁 단부의 수직 위치 설정 문제를 해결할 수 있게 한다.
유사하게 웰(910)에 대한 카메라 축(910)의 측방향 편차는 화살표(912 및 907)로 도시된 기준 프레임에서 바코드(909)에 대한 웰(910)의 측방향 오프셋을 파악함으로써 연산될 수 있다. 이러한 오프셋은 각각의 모듈에 특정화되고 모듈에 외부적으로 또는 내부적으로 적절한 방식(예를 들면, 바코드 데이터 내부에 데이터 베이스에 의해, 또는 RFID 또는 NFC 태그에 의해)으로 저장될 수 있다. 암의 상대적인 위치 설정 목표를 달성하도록 카메라 축(901)은 바코드 각도의 측정값에 의해 기준 프레임(912, 907)에 센서 화상 내의 그 위치에 및 앞서 설명된 공간 변환 비율로 국한된다는 점에 유념해야 한다: 카메라 기준 프레임과 블록의 실제 공간 기준 프레임 사이의 변형은 단일 화상에 의해 특이하게 식별된다. 따라서, 모든 요소를 조립할 때, 본원의 방법은 바코드에 의해 제공되는 정보를 사용한여 로봇식 암에 장착되는 카메라에 의해 소정 소모품의 위치에 대한 피펫의 정확한 상대적인 위치 설정을 가능하게 한다.
실제로, 본원의 방법은 도 6의 서보 모터(609)의 각도를 하나의 블록 내에서의 상대적인 좌표로 변환하는 파라미터를 정확히 식별하는데 사용될 수도 있다. 이러한 접근법은 암 트위스팅, 벤딩, 각도 판별에서의 불완전성, 부정확한 암 크기 및 치수, 조립 부정확성이 존재하는 곳에서 기계적 정밀도를 정확히 향상시킨다는 이점을 갖고, 일반적으로 재현성을 개선시킨다. 요약하면, 실제 공간의 카메라 위치로 서보 모터 각도의 선형, 비가역성 변형은 다수의 외부 파라미터에 의존하지만 기본 삼각법을 따르는 주지된 분석 함수이다. 그러나, 다수의 이러한 파라미터는 국소적으로 계산될 때 예를 들면 암의 벤딩이 암 구성(예를 들면 그 연장부)의 함수에 따라 변할 수 있을 때 보다 정확하다. 본원에 개시된 방법은 화상이 임의의 모터에 대해 주지의 국소적 각도량에 의해 변경되는 도 9의 화상과 유사한 블록(911)의 복수의 화상에 의거하여 바코드 위치와 각도가 카메라 화상 내에서 측정되는 화상의 데이터 세트를 생성하게 한다. 단일 화상에 대해 이전에 상술된 설명을 사용하여 바코드 기준 프레임(912, 907)에서 카메라의 이론상 위치와 실제 거리 사이의 거리는 최소 제곱법을 사용하는 최소화 알고리즘에 의해 최소화될 수 있고, 따라서 최적 위치 변형은 그 후에 생성되어 사용될 수 있다. 예를 들면 암 작동 중 이론상의 위치와 실제 위치 사이의 높은 불일치성에 의해 유발되는 이러한 절차는 시간이 지남에 따라 빠르게 반복되어 시스템을 높은 재현성으로 유지할 수 있다. 도 11에서는, 여러가지 각도 설정을 위해 도 6에 도시된 3개의 서보 모터(609)의 각도 위치를 개별적으로 변경함으로써 획득될 수 있는 잔차(residual) 예가 도시된다(도면에서 라벨로 도시된 바와 같이 하나의 개별적인 모터의 각도의 변경에 대응하는 각각의 교차 라인). 도면에서 화살표는 앞서 설명된 최소화 절차가 적용된 후에 예상 위치에 대한 카메라에 의해 측정된 실제 위치의 편차로서 규정되는 잔차를 나타낸다. 화살표의 크기는(도면에서 그것을 시각화하도록 5배율로 확대됨) 시스템의 위치 설정에 있어서의 에러를 나타낸다. 본원에 설명된 방법은 시스템의 공간 정밀도를 6배로 개선시키고 6㎜(주로 기계 기기 시스템 및 전자 장치의 정밀도에 의해 주어짐)부터 1㎜ 이하로 평균 잔차를 취한다.
팁 식별 및 국한의 자세한 설명
액체 핸들링 기구에 구체적인 문제는 팁으로 불리우는 액체 조절 소모품을 식별, 국한, 카운트, 및 배치할 필요성이 있다는 점이다. 많은 다른 타입의 팁이 존재하지만 일반적인 액체 핸들링 작동은 추가의 오염을 회피하도록 각각의 액체 분배 스텝 후에 팁을 처리하는 것을 포함한다. 결국 수동 작동 및 자동화된 시스템에 의해 수행되는 액체 핸들링 모두는 상대적으로 단순한 프로토콜일지라도 복잡한 실행 계획을 갖는다. 또한 구체적으로, 몇몇 분야에서 피펫 팁은 또한 작동이 실제적으로 시작되기 전에 소독 및 오염의 관점에서 엄격한 요구 조건을 갖는다: 결국 일반적인 실험실은 다양한 팁 타입, 각각의 장비와 제조사에 대한 각각의 팁의 호환성, 및 포맷과 패키지의 호환성에 의해 유발되는 매우 복잡한 팁 관리 실행 계획을 갖는다. 실질적으로, 모든 기구 제조사는 사용자에게 그들의 팁 랙을 공급한다. 팁 랙은 규칙적인 정렬로 팁을 구성하는 구조를 칭하고 임의의 기구 상에 임의의 작동을 허용하도록 가능한 가장 폭넓은 선택성을 제공하게 한다. 결과적으로, 팁을 공급하는 것은 사용자 및 기구 공급자 모두에게 비용이 많이 드는 작업이다.
이로써, 본원의 안드로이드가 실험실에서 이미 사용되고 있는 임의의 팁을 사용할 수 있게 하는 독창적인 솔루션을 설명했다. 솔루션은 팁 랙 예를 들면 팁을 수용하는 보유기로부터 완전히 독립적이다. 또한 솔루션은 팁을 독특하게 식별하여 팁이 사용되지 않은 새로운 팁 랙으로써 작동을 개시해야 하는 요구 조건(대부분의 기구에 요구됨) 없이 하나의 랙에서 사용 가능한 지를 알려줄 수 있다. 이러한 방식으로, 소비자에게는 확실한 경제성을 제공할 수 있고, 동시에 안드로이드 상에서 고품질의 소모품을 사용할 시 최대 유연성을 제공한다.
솔루션은 평면 영상, 예를 들면 도 7의 카메라(711)에 의해 획득된 것에 의해 팁을 식별하고 국한하는 것이다. 임의의 팁 랙도 도 11에 도시된 것과 유사한 도미노 블록에 위치 설정될 수 있고, 도미노 블록은 실질적으로 상업적으로 입수 가능한 대부분의 팁 랙을 호스팅할 수 있는 간단한 박스(바람직하게는 팁 랙 자체의 시간이 지남에 따라 원치 않은 이동을 회피하도록 미끄럼 방지 패드를 갖는 표면을 가짐)이다. 마이크로 플레이트 웰과 동일한 기하학적 구성으로 팁 소모품, 예를 들면 9㎜만큼 이격된 직사각형 배열의 12x8 팁을 구성하는 팁 랙을 구입하는 것이 매우 일반적이다. 이러한 구성이라면, 본원은 팁을 효과적으로 사용할 수 있도록 다양한 양상의 팁 타입의 식별, 이용 가능한 팁의 식별, 피펫 단부와 접촉하는 팁 상부 부분의 높이의 결정을 다룰 필요가 있다. 이러한 작업이 예를 들면 형상 및 구조를 식별하는 영상 기반 알고리즘에 의해 화상 처리를 지시함으로써, 수행될 수 있을지라도, 귀납적으로 주지되지 않은 수백개의 다른 구성 및 디자인을 다루기에 충분히 안정적이지는 않다.
본원의 영상 기반의 솔루션은 팁 랙 내부에 두개의 버튼(1101, 1102)을 삽입하는 데 있다. 버튼은 사용자에 의해 실험을 실행하기 전에 또는 추가의 재사용을 위해 팁을 고압 살균하기 전에 또는 제조시에 삽입될 수 있다. 대응하는 타입의 팁 내부에 삽입되는 간단한 코르크로서 또는 팁의 상부 부분과 유사하고 동일한 외부 직경을 갖는 수동 스터브로서 두개의 버튼이 다른 방식으로 만들어질 수 있다. 버튼은 상단에 바코드 또는 유사한 광학 마크를 필요로 하고, 바코드는 암 상에 장착되는 상단 영상 카메라에 의한 식별 및 국한을 위해 용이하고 안정적인 솔루션이다. 2차원 바코드를 사용하는데 있어서의 이점은 파지를 위한 팁의 정밀한 수직 위치와 공간의 치수를 복구하게 하는 화상에서의 변환 비율을 식별하기 위한 정확한 횡단 비율을 자동적으로 제공한다는 사실에 있다. 공간 좌표는 팁을 파지하고 이용 가능한 팁의 수를 계산하고 결정하도록 암의 이동 및 그 위치 국한을 안내하는 것 모두를 위해 요구된다. 실제로, 바코드(1101, 1102)는 팁이 존재하는 팁 랙의 영역을 규정하도록 사용된다. 도 11로부터의 예에서 코너로서 2개의 버튼에 의해 규정된 매트릭스 내에 국한된 모든 34 팁은 암이 팁을 파지하는 영역이 되고, 상기 영역은 점선 직사각형 경계선(1103)에 의해 사진 내에서 강조된다. 코너를 적절히 선택함으로써 사용될 팁 랙의 영역을 선택할 수 있고 이용 가능한 팁의 수를 계산(팁 중 주지된 피치에 의해)할 수 있다는 것은 당업자에게 명백하다. 유사하게 바코드의 내용은 특정한 랙 내에 호스팅되는 팁의 타입에 관한 정보를 시스템에 제공한다. 두개의 바코드에 의한 본원에 설명된 방법은 복수의 바코드를 갖는 예로 그리고 팁 추출을 위한 랙의 사용 가능한 섹터를 나타내기 위한 방법으로 용이하게 확장될 수 있다. 이러한 방법은 따라서 실질적으로 일반적인 팁 랙 내에서 팁을 국한시키고 식별하고 계산하는 방식을 제공하고, 동일한 방법은 예를 들면 팁 포맷에서 가능한 구멍[전제로서, 위치(1104)에 없는 하나의 팁]을 발견하는 팁 인지 방법과 조합하여 부분적인 정보를 추출하기 위해 사용될 수 있다.
동일한 방법은 파지 작동을 포함하는 다른 타입의 소모품에 적용될 수 있고 예를 들면, 액체 핸들링을 위한 니들이 상응하는 이점으로써 동일한 방법 하에 고려될 수 있다는 점이 유념되어야 한다.
소프트웨어 인터페이스의 상세한 설명
액체 핸들링 안드로이드의 중요한 요소는 카메라, 엑츄에이터 및 전자 장치와 통신하고, 그 작동을 제어 및 동기화하고, 송신되고 수집된 정보를 처리하지만, 이는 특히 사용자와 정보의 외부 소스(예를 들면 웹사이트, 서버)와 상호 작용하는 패키지를 포함하는 일반적인 소프트웨어 인터페이스에 의해 구성된다. 사용자와 상호 작용함으로써 그 작동 능력, 결함, 체크 포인트를 포함하는 액체 핸들링 프로세스에 관련된 피드백을 시스템 상에 프로그래밍 및 제공할 수 있다. 하나의 바람직한 실시형태에서, 액체 핸들링 안드로이드의 카메라 및 엑츄에이터는 USB에 의해 제어되고, USB 허브는 본체 내부에 국한된다. 이러한 실시형태에서, 단일 USB 케이블은 액체 핸들링 안드로이드 자체에 사용자 인터페이스를 구성하는 퍼스널 컴퓨터 또는 태블릿에 연결될 수 있다. 다른 실시형태에서, Wi-Fi에 연결함으로써 물리적인 링크의 필요성을 회피하는 목적을 충족할 수 있다. 따라서 소프트웨어를 제어하는데 있어서 USB 및 개발을 최소화하기 위해, 개별적인 컴포넌트가 제공되는 소프트웨어 개발 키트를 채용할 수 있고 유사하게 영상 처리를 위해 그리고 각도와 공간에서 피펫의 소정 위치에 대한 엑츄에이터 각도의 설정을 판별하는 역 변환을 위해 존재하는 패키지를 통합할 수 있다.
소프트웨어의 중요한 양상은 사용자 인터페이스에 의해 구성된다. 프로세스 중 실제 화상을 캡처할 수 있는 카메라에 의해 사용자에게 부분적으로 실제 화상, 부분적으로 종합 정보로부터 기인한 정보가 제어 시스템의 스크린 상에 제공되는 가상 현실에 의거한 접근법을 사용하는 것을 제안될 수 있다.
이러한 방식으로 본래의 프로토콜은 오퍼레이터의 성능을 개선하고 가능성 있는 결함을 최소로 감소시키는 보다 사용자 친화적인 방식으로 충실하게 만들어질 수 있다.
또한 소프트웨어 인터페이스는 액체 핸들링 스텝의 실행 중 사용자와 상호 작용할 수 있다. 예를 들면, 프로토콜은 특정한 액체 핸들링 스텝 또는 안드로이드 자체로부터 실행될 수 없는 분광 측정법, 위상 분리, 또는 현미경 검사 또는 유사한 작동을 요구할 수 있다. 따라서, 소프트웨어 인터페이스에는 예를 들면 시각 표시, 핸드 웨이빙, 음향 신호, 이메일, SMS, 또는 사용자의 전화 통화에 의해 사용자가 개입(또는 대안적으로 단순히 이것을 기다림)할 수 있다.
소프트웨어의 목적은 프로토콜의 실행에 제한되지 않고, 예를 들면 하드웨어 성능을 개선하기 위한 다른 작동으로 확장될 수 있다. 예를 들면, 정확한 피펫 성능을 위해 빈번한 캘리브레이션이 요구되고 그 성능은 주위 파라미터 및 그 사용에 관련된다는 것이 종래 기술에 잘 알려져 있다. 액체 핸들링 안드로이드는 예를 들면 소모품 내부로 충분한 횟수의 분배 스텝을 반복하거나 분배된 용적을 나타내는 물리적 파라미터를 모니터링(중량, 비색법, 형광 발광, 또는 유사한 기술에 의해)하는 피펫 캘리브레이션 절차를 실행 방식으로 소프트웨어에 의해 제어될 수 있다. 액체 핸들링 안드로이드에서 소프트웨어가 캘리브레이션 테이블에 따라 소망된 용적을 달성하도록 설정된 주지의 실제 용적의 정보를 자동적으로 규정할 수 있기 때문에 피펫 캘리브레이션 비율을 물리적으로 엄격하게 조정할 필요가 없다는 점에 유념해야 한다.
본 발명의 일부 실시형태가 지금 설명됐지만 앞서 설명한 것은 단지 예시이며 또한 예로서 제공된 것에만 제한되지 않는다는 점은 당업자에게 명백할 것이다. 다양한 변형예 및 다른 실시형태는 본 발명의 포괄적인 기술 영역 내에 있고, 첨부된 청구항 및 그에 상응하는 것에 의해 규정된 바와 같이 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 고려된다. 본 출원을 통해 인용된 임의의 참조의 내용은 본원에서 참조로서 포함된다. 본 명세서의 고유한 컴포넌트, 프로세스, 및 방법은 본 발명 및 그 실시형태에 따라 선택될 수 있다.

Claims (23)

  1. 생물학적 또는 화학적인 유체를 처리하기 위한 장치로서,
    적어도 하나의 피펫,
    적어도 하나의 피펫을 조작하기 위한 적어도 하나의 기계적인 암,
    피펫의 조작을 제어하는 소프트웨어 인터페이스를 포함하고,
    상기 장치는 영상 피드백을 기반으로 피펫 용적을 설정하고,
    상기 조작은 영상 피드백에 의해 지원받는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    소프트웨어 인터페이스는 액체 핸들링 프로토콜의 프로그래밍을 허용하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    암 조작은 적어도 하나의 피펫의 이동, 팁 삽입 및 배출, 소망된 용적의 설정, 액체의 흡입 및 분배를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    흡입 및 분배의 순서에 의한 적어도 하나의 피펫의 조작은 액체 혼합을 허용하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 생물학적 또는 화학적인 유체를 처리하기 위한 장치로서,
    가동 암에 장착되고 촬상 가능한 카메라,
    복수의 소모품을 포함하는 데크 영역을 포함하고,
    데크 영역의 카메라 화상은 소모품을 인식하고 화상의 태그 식별에 의해 소모품에 대해 암을 국한하는 것을 허용하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    카메라는 입체형 카메라인 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    카메라 화상은 화상의 차동 분석에 의해 소모품을 인식하고 국한하게 허용하는 복수의 위치 및 각도로부터 촬영되는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    화상으로부터의 초점 정보는 소모품 높이에 대한 정보를 추출하는 데 사용되는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    소모품의 컬러 맵은 소모품 식별을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 5 항에 있어서,
    소모품은 소모품 보유기 상에 위치 설정된 태그에 의해 인식되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 5 항에 있어서,
    소모품의 존재는 화상 내에서의 태그의 부재에 의해 가늠되는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 5 항에 있어서,
    소모품에 대한 암의 상대적인 위치는 화상 내에서 태그의 복구된 위치, 배향 및 크기 중 적어도 하나의 특성에 의해 추출되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    태그는 바코드, 패턴, RFID, 컬러, 숫자, 및 기하학적 형상을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    소모품로부터 카메라의 거리는 주지의 실제 치수의 태그 화상 내의 외관상 크기로부터 복원되는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 12 항에 있어서,
    소모품로부터 카메라의 거리는 주지의 거리와 태그의 외관상 상호 거리로부터 측정되는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 12 항에 있어서,
    소모품에 대한 카메라의 측방향 위치는 화상 내의 하나 이상의 태그의 외관상 위치로부터 측정되는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상대적인 위치는 화상 내에서의 그 위치, 크기 및 배향에 의해 단일한 태그로부터 복구되는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제 12 항에 있어서,
    소모품 가용성에 관한 정보는 태그와의 상호 거리로부터 추출되는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제 5 항에 기재된 복수의 소모품을 포함하는 데크를 포함하는 생물학적 또는 화학적인 유체를 처리하기 위한 장치로서,
    상기 소모품은 소정 위치에 있고,
    상기 위치는 유연하고 정렬된 구성으로 조립되는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 액체 핸들링 안드로이드 내에서 피펫의 용적 재현성을 개선하기 위한 방법으로서,
    흡입 및 분배를 위해 엄지 동작을 실행하는 스텝,
    엄지 위치, 압력, 속도 중 적어도 하나를 모니터링하는 스텝,
    액체 용적 및 사용되는 액체의 함수로서 엄지 위치, 압력, 속도를 포함하는 그룹 중 적어도 하나를 조절하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    엄지 속도는 엄지 위치의 함수인 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 20 항에 있어서,
    피펫은 복수의 사전 설정된 용적의 샘플을 적어도 하나의 소모품으로 분배하고,
    분배된 샘플의 실제 용적을 계산함으로써 캘리브레이팅되고,
    캘리브레이션의 결과에 따른 개념은 피펫에 대한 물리적인 변경없이 소프트웨어 인터페이스에 통합되는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 이종의 유체를 처리하기 위한 방법으로서,
    액체 핸들링 안드로이드에 의해 피펫을 조작하는 스텝,
    카메라로써 팁 위치를 촬상하는 스텝,
    카메라로써 유체 내에서의 분리를 촬상하는 스텝을 포함하고,
    유체 컴포넌트에 대한 팁의 상대적인 위치는 분리된 유체 컴포넌트의 흡입 또는 분배를 위해 피펫의 조작을 제어하는 데 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
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