KR20170012367A - 베이스 인스트루먼트 및 제거 가능한 카트리지를 포함하는 생화학적 분석을 위한 시스템들 및 방법들 - Google Patents

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보얀 보야노브
엠. 셰인 보웬
데일 뷔르만
알렉산더 샤오
베남 자반마르디
타룬 쿠라나
푸르야 사바운치
하이 쾅 트란
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Abstract

본 발명은 베이스 인스트루먼트 및 제거 가능한 카트리지를 활용하여 지정된 반응들을 수행하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 제거 가능한 카트리지는 지정된 반응들을 수행하기 위해 생체 시료를 수용하고 유체공학적으로 지향시키는 유체공학적 네트워크를 포함한다. 제거 가능한 카트리지는 또한 유체공학적 네트워크에 작동 가능하게 커플링되고 유체공학적 네트워크에 대해 이동 가능하여 이를 통한 생체 시료의 유동을 제어하는 유동 제어 밸브를 포함한다. 제거 가능한 카트리지는 베이스 인스트루먼트에 분리 가능하게 결합되도록 구성된다. 베이스 인스트루먼트는 제거 가능한 카트리지의 유동 제어 밸브와 결합하는 밸브 액츄에이터를 포함한다. 제거 가능한 카트리지 또는 베이스 인스트루먼트 중 적어도 하나에 의해 유지되는 검출 조립체는 지정된 반응들을 검출하는데 사용될 수 있다.

Description

베이스 인스트루먼트 및 제거 가능한 카트리지를 포함하는 생화학적 분석을 위한 시스템들 및 방법들{SYSTEMS AND METHODS FOR BIOCHEMICAL ANALYSIS INCLUDING A BASE INSTRUMENT AND A REMOVABLE CARTRIDGE}
[0001] 본 출원은 2014년 5월 27일자로 출원된 미국 가출원 제62/003,264호에 대한 우선권을 주장하며, 이 가출원은 이로써 그 전체가 인용에 의해 포함된다.
[0002] 본 출원의 실시예들은 일반적으로 생화학적 반응들을 수행하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 베이스 인스트루먼트가 제거 가능한 카트리지와 상호작용하여 시료 준비 또는 생화학적 분석 중 적어도 하나에 대한 반응들을 수행하는 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.
[0003] 다양한 생화학적 프로토콜들은 지지 표면들 상에서 또는 지정된 반응 챔버들 내에서 상당수의 제어된 반응들을 수행하는 것을 수반한다. 제어된 반응들은 생체 시료를 분석하거나 후속 분석을 위해 생체 시료를 준비하기 위해 수행될 수 있다. 분석은 반응에 수반되는 화학물질들의 특징들을 식별하거나 드러낼 수 있다. 예컨대, 순환-어레이 시퀀싱 어세이(예컨대, SBS(sequencing-by-synthesis))에서, DNA 피처들(예컨대, 템플릿 핵산들)의 조밀한 어레이가 효소 조작의 반복 사이클들을 통해 시퀀싱된다. 각각의 사이클 이후, 이미지가 캡처되고 이후에 다른 이미지들과 함께 분석되어 DNA 피처들의 시퀀스를 결정할 수 있다. 다른 생화학적 어세이에서는, 식별 가능한 라벨(예컨대, 형광 라벨)을 갖는 미지의 분석물이 어레이 내에 미리 결정된 어드레스들을 갖는 공지된 프로브들의 어레이에 노출될 수 있다. 프로브들과 미지의 분석물 사이에서 발생하는 화학 반응들의 관찰은 분석물의 특징들을 확인하거나 드러내는데 도움이 될 수 있다.
[0004] 시스템이 사용자에 의한 작업 또는 사용자의 개입을 덜 필요로 하는 어세이들, 이를테면 위에서 설명된 것들을 자동으로 수행하는 시스템들에 대한 일반적인 요구가 있었다. 현재, 대부분의 플랫폼들은 분석을 위해 생체 시료를 시스템에 로딩하기 전에 사용자가 생체 시료를 별도로 준비할 것을 요구한다. 사용자가 하나 또는 그 초과의 생체 시료들을 시스템에 로딩하고, 시스템에 의한 실행을 위한 어세이를 선택하고, 미리 결정된 기간의 시간, 이를테면 하루 또는 그 미만 내에 분석으로부터의 결과들을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 오늘날 사용되는 적어도 일부 시스템들은 충분한 레벨의 품질을 갖는 데이터를 특정 비용 범위 내에서 제공하는 특정 프로토콜들, 이를테면 전체 게놈 시퀀싱을 실행할 수 없다.
[0005] 실시예에서, 카트리지 하우징을 갖는 제거 가능한 카트리지를 포함하는 시스템이 제공된다. 제거 가능한 카트리지는 또한 카트리지 하우징 내에 배치되는 유체공학적 네트워크를 포함한다. 유체공학적 네트워크는 생체 시료를 수용하고 유체공학적으로 지향하여 시료 분석 또는 시료 준비 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된다. 제거 가능한 카트리지는 또한, 유체공학적 네트워크에 작동 가능하게 커플링되고 유체공학적 네트워크에 대해 이동 가능하여 이를 통한 생체 시료의 유동을 제어하는 유동 제어 밸브를 포함한다. 카트리지 하우징은 제거 가능한 카트리지의 외부를 규정하고 유동 제어 밸브에 대해 작동 가능한 억세스를 허용하는 하우징 측을 포함한다. 시스템은 또한 제거 가능한 카트리지의 하우징 측에 분리 가능하게 결합하도록 구성되는 제어 측을 갖는 베이스 인스트루먼트를 포함한다. 하우징 측 및 제어 측은 시스템 인터페이스를 집합적으로 규정한다. 베이스 인스트루먼트는 시스템 인터페이스를 통해 유동 제어 밸브와 결합하는 밸브 액츄에이터를 포함한다. 제거 가능한 카트리지는 또한 제거 가능한 카트리지 또는 베이스 인스트루먼트 중 적어도 하나에 의해 유지되는 검출 조립체를 포함한다. 검출 조립체는 이미징 검출기 및 유체공학적 네트워크와 유동 연통하는 반응 챔버를 포함한다. 이미징 검출기는 반응 챔버 내의 지정된 반응들을 검출하도록 구성된다.
[0006] 실시예에서, 핵산들을 시퀀싱하는 방법이 제공된다. 이 방법은 카트리지 하우징, 카트리지 하우징 내에 배치된 유체공학적 네트워크, 및 유체공학적 네트워크에 작동 가능하게 커플링되고 유체공학적 네트워크에 대해 이동 가능한 유동 제어 밸브를 갖는 제거 가능한 카트리지를 제공하는 단계를 포함한다. 카트리지 하우징은 제거 가능한 카트리지의 외부를 규정하는 하우징 측을 포함한다. 이 방법은 또한, 제거 가능한 카트리지를 베이스 인스트루먼트에 접촉시키는 단계를 포함한다. 제거 가능한 카트리지의 하우징 측은 베이스 인스트루먼트의 제어 측과 분리 가능하게 결합하여 집합적으로 시스템 인터페이스를 규정한다. 베이스 인스트루먼트는 시스템 인터페이스를 통해 유동 제어 밸브와 결합하는 밸브 액츄에이터를 포함한다. 이 방법은 또한, 카트리지 내의 시료 분석 또는 시료 준비 중 적어도 하나를 수행하기 위해 생체 시료를 카트리지의 유체공학적 네트워크를 통해 유동시키도록 유체공학적으로 지향시키는 단계를 포함한다. 생체 시료는 반응 챔버 내로 유동하도록 지향되고, 생체 시료의 유동은 유동 제어 밸브 상에서 밸브 액츄에이터의 작용에 의해 제어된다. 이 방법은 또한, 반응 챔버에 지향된 이미징 검출기를 이용하여 생체 시료를 검출하는 단계를 포함하며, 검출 조립체는 제거 가능한 카트리지 또는 베이스 인스트루먼트 중 적어도 하나에 의해 유지된다.
[0007] 실시예에서, 카트리지 하우징을 포함하는 제거 가능한 카트리지가 제공되며, 카트리지 하우징은 카트리지 하우징의 외부로 개방되고 생체 시료를 수용하도록 구성되는 시료 포트를 갖는다. 카트리지 하우징은 외부에 노출되는 전기적 콘택들 및 기계적 인터페이스의 어레이를 갖는다. 카트리지 하우징은 베이스 인스트루먼트에 제거 가능하게 커플링되도록 구성된다. 제거 가능한 카트리지는 또한, 복수 개의 채널들, 반응 챔버 및 저장 모듈을 갖는 유체공학적 네트워크를 포함할 수 있다. 저장 모듈은 시약들을 저장하기 위한 복수 개의 리저보어들을 포함한다. 유체공학적 네트워크는 리저보어들로부터 반응 챔버로 시약들을 지향시키도록 구성되며, 기계적 인터페이스는 유체공학적 네트워크를 통해 유체의 유동을 제어하도록 유체공학적 네트워크에 대해 이동 가능하다. 시스템은 또한, 카트리지 하우징 내에 배치되고 반응 챔버 내에서 지정된 반응들을 검출하도록 포지셔닝되는 이미징 디바이스를 포함한다. 이미징 디바이스는 베이스 인스트루먼트와 통신하기 위해 전기적 콘택들의 어레이에 전기적으로 커플링된다. 제거 가능한 카트리지가 베이스 인스트루먼트에 커플링될 때 기계적 인터페이스가 베이스 인스트루먼트에 의해 이동되도록 구성될 수 있다.
[0008] 실시예에서, 카트리지 하우징을 포함하는 제거 가능한 카트리지가 제공되며, 카트리지 하우징은 카트리지 하우징의 외부로 개방되고 생체 시료를 수용하도록 구성되는 시료 포트를 갖는다. 제거 가능한 카트리지는 또한, 카트리지 하우징 내에 배치되는 회전 가능한 밸브를 포함할 수 있다. 회전 가능한 밸브는 유체공학적 측 및 유체공학적 측에서 개방되는 복수 개의 밸브 포트들을 갖는다. 회전 가능한 밸브는 밸브 포트들 사이를 연장하는 적어도 하나의 유동 채널을 갖고, 회전 가능한 밸브는 상이한 회전 포지션들 사이에서 회전 가능하다. 제거 가능한 카트리지는 또한, 회전 가능한 밸브의 유체공학적 측에 슬라이딩 가능하게 커플링되는 본체 측을 갖는 미세유체 본체를 포함할 수 있다. 미세유체 본체는 시료 포트와 유동 연통하는 시료 채널을 포함하는 유체공학적 네트워크를 적어도 부분적으로 규정할 수 있다. 시료 채널은 미세유체 본체의 본체 측으로 개방되는 네트워크 포트를 갖는다. 유체공학적 네트워크는 또한, 시약을 유지하도록 구성되는 리저보어를 포함할 수 있다. 리저보어는 미세유체 본체의 유체공학적 측으로 개방되는 리저보어 포트와 유동 연통한다. 유체공학적 네트워크는 또한, 유체공학적 네트워크의 반응 챔버와 유동 연통하는 공급 채널을 포함한다. 공급 채널은 미세유체 본체의 본체 측으로 개방되는 공급 포트를 갖는다. 회전 가능한 밸브는 제 1 회전 포지션과 제 2 회전 포지션 사이에서 회전하도록 구성된다. 네트워크 포트는 회전 가능한 밸브가 제 1 회전 포지션에 있을 때 회전 가능한 밸브를 통해 공급 포트에 유체공학적으로 커플링된다. 리저보어 포트는 회전 가능한 밸브가 제 2 회전 포지션에 있을 때 회전 가능한 밸브를 통해 공급 포트에 유체공학적으로 커플링된다.
[0009] 실시예에서, 카트리지 하우징을 포함하는 제거 가능한 카트리지가 제공되며, 카트리지 하우징은 카트리지 하우징의 외부로 개방되고 생체 시료를 수용하도록 구성되는 시료 포트를 갖는다. 카트리지 하우징은 베이스 인스트루먼트를 향하며 베이스 인스트루먼트에 제거 가능하게 커플링되도록 구성되는 정합 측을 포함할 수 있다. 제거 가능한 카트리지는 또한 하우징 내에 배치되는 유체공학적 네트워크를 포함한다. 유체공학적 네트워크는 시료 포트와 유동 연통하는 시료 채널을 포함한다. 제거 가능한 카트리지는 또한, 제 1 포지션과 제 2 포지션 사이에서 이동하도록 구성되는 플렉스 부재를 갖는 채널 밸브를 포함한다. 플렉스 부재는 제 1 포지션에 있을 때 시료 채널을 통한 유동을 차단하고 제 2 포지션에 있을 때 시료 채널을 통한 유동을 허용한다. 카트리지 하우징의 정합 측은 채널 밸브를 카트리지 하우징의 외부에 노출시키는 억세스 개구를 포함한다. 억세스 개구는 플렉스 부재를 제 1 포지션과 제 2 포지션 사이에서 이동시키기 위해 베이스 인스트루먼트의 밸브 액츄에이터를 수용하도록 구성된다.
[0010] 실시예에서, 제거 가능한 카트리지와 결합하도록 구성되는 정합 측을 갖는 시스템 하우징을 포함하는 베이스 인스트루먼트가 제공된다. 베이스 인스트루먼트는 또한, 제거 가능한 카트리지의 회전 가능한 밸브와 결합하도록 구성되는 회전 모터를 포함한다. 베이스 인스트루먼트는 또한, 제거 가능한 카트리지의 채널 밸브와 결합하도록 구성되는 밸브 액츄에이터 및 제거 가능한 카트리지에 전기적으로 커플링하도록 구성되는 전기적 콘택들의 어레이를 포함한다. 베이스 인스트루먼트는 또한, 제거 가능한 카트리지 내에서 어세이 프로토콜을 수행하도록 회전 모터 및 액츄에이터를 제어하도록 구성되는 시스템 제어기를 포함한다. 시스템 제어기는 전기적 콘택들의 어레이를 통해 제거 가능한 카트리지로부터 이미징 데이터를 수신하도록 구성된다. 선택적으로, 베이스 인스트루먼트는 제거 가능한 카트리지의 일부를 가열하기 위한 열 블록을 포함한다.
[0011] 실시예에서, 카트리지 하우징을 포함하는 제거 가능한 카트리지가 제공되며, 카트리지 하우징은 카트리지 하우징의 외부로 개방되고 생체 시료를 수용하도록 구성되는 시료 포트를 갖는다. 카트리지 하우징은 베이스 인스트루먼트를 향하며 베이스 인스트루먼트에 제거 가능하게 커플링되도록 구성되는 정합 측을 포함한다. 제거 가능한 카트리지는 또한 카트리지 하우징 내에 배치되는 미세유체 본체를 포함한다. 미세유체 본체는 본체 측을 가지며, 유체공학적 네트워크를 포함한다. 유체공학적 네트워크는 복수 개의 이산 채널들 및 밸브 수용 영역에서 본체 측에 개방되는 대응 포트들을 갖는다. 제거 가능한 카트리지는 또한 카트리지 하우징 내에 배치되는 회전 가능한 밸브를 포함한다. 회전 가능한 밸브는 유체공학적 측 및 복수 개의 밸브 포트들 사이를 연장하는 적어도 하나의 유동 채널을 갖는다. 밸브 포트들은 유체공학적 측으로 개방된다. 유체 공학 측은 미세유체 본체의 본체 측의 밸브 수용 영역에 회전 가능하게 커플링되며, 회전 가능한 밸브는 이산 채널들을 유체공학적으로 커플링하기 위해 상이한 회전 포지션들 사이에서 이동 가능하다. 회전 가능한 밸브는 정합 측을 따라 접근 가능하고 회전 가능한 밸브가 베이스 인스트루먼트에 의해 제어되게 베이스 인스트루먼트에 결합하도록 구성되는 기계적 인터페이스를 갖는다.
[0012] 실시예에서, 카트리지 하우징을 포함하는 제거 가능한 카트리지가 제공되며, 카트리지 하우징은 카트리지 하우징의 외부로 개방되고 생체 시료를 수용하도록 구성되는 시료 포트를 갖는다. 카트리지 하우징은 베이스 인스트루먼트에 제거 가능하게 커플링되도록 구성되는 정합 측을 갖는다. 제거 가능한 카트리지는 또한, 카트리지 하우징 내에 배치되고 복수 개의 적층식 인쇄 회로 기판(PCB: printed circuit board) 층들을 포함하는 미세유체 구조를 포함한다. PCB 층들은 PCB 층들이 적층될 때 채널들을 규정하는 유체공학적 층들 및 반응 챔버를 포함한다. PCB 층들은 또한 배선층을 포함한다. 제거 가능한 카트리지는 또한, 미세유체 구조에 장착되고 도전성 배선층에 전기적으로 커플링되도록 구성되는 CMOS 이미저를 포함한다. CMOS 이미저는 반응 챔버 내에서 지정된 반응들을 검출하도록 배향된다.
[0013] 도 1a는 생화학적 분석 또는 시료 준비 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 실시예에 따라 형성된 시스템의 개략도이다.
[0014] 도 1b는 시료 준비 또는 시료 분석 중 적어도 하나에 대해 지정된 반응들을 수행하는 방법을 예시하는 흐름도이다.
[0015] 도 2는 생화학적 분석 또는 시료 준비 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 실시예에 따라 형성된 시스템의 개략도이다.
[0016] 도 3은 베이스 인스트루먼트 및 제거 가능한 카트리지를 포함하는 실시예에 따라 형성된 시스템의 측면도이다.
[0017] 도 4는 베이스 인스트루먼트 및 제거 가능한 카트리지를 포함하는 실시예에 따라 형성된 시스템의 하향식 평면도이다.
[0018] 도 5는 제 1 포지션을 가진 유동 제어 밸브를 예시하는 실시예에 따라 형성된 시스템의 일부의 단면도이다.
[0019] 도 6은 제 2 포지션을 가진 유동 제어 밸브를 예시하는 도 5의 시스템의 일부의 단면도이다.
[0020] 도 7는 제 1 포지션을 가진 유동 제어 밸브를 예시하는 실시예에 따라 형성된 시스템의 일부의 단면도이다.
[0021] 도 8은 제 2 포지션을 가진 유동 제어 밸브를 예시하는 도 5의 시스템의 일부의 단면도이다.
[0022] 도 9는 제 1 포지션을 가진 유동 제어 밸브를 예시하는 실시예에 따라 형성된 시스템의 일부의 단면도이다.
[0023] 도 10은 제 2 포지션을 가진 유동 제어 밸브를 예시하는 도 5의 시스템의 일부의 단면도이다.
[0024] 도 11은 실시예에 따라 형성된 제거 가능한 카트리지의 노출된 부분의 사시도이다.
[0025] 도 12는 도 11의 제거 가능한 카트리지와 함께 사용될 수 있는 회전 가능한 밸브의 단면도이다.
[0026] 도 13은 회전 가능한 밸브를 사용하여 유체공학적으로 상호연결될 수 있는 포트들의 어레인지먼트를 예시한다.
[0027] 도 14는 CMOS 기술 및 디지털 유체공학의 모놀리식 통합화를 위한 가요성 인쇄 회로 기판(PCB) 및 2-롤(R2R) 인쇄 전자장치를 사용하는 방법의 일 예의 흐름도를 예시한다.
[0028] 도 15는 도 16의 방법을 사용하여 함께 라미네이팅되고 본딩될 수 있는 특정 층들을 가진 유체공학적 스택의 일 예의 분해도를 예시한다.
[0029] 도 16은 도 14의 방법을 사용하여 미세유체 카트리지의 유체공학적 층들에 통합될 수 있는 CMOS 디바이스의 일 예의 사시도를 예시한다.
[0030] 도 17a, 17b, 18, 19, 및 20은 도 14의 방법을 사용하여 CMOS 디바이스를 가요성 PCB에 부착하는 프로세스의 일 예를 도시하고 구조의 측면도들을 예시한다.
[0031] 도 21은 도 14의 방법을 사용하여 형성된 구조의 일 예의 측면도를 예시하고, 유체공학적 층들 및 CMOS 디바이스는 미세유체 카트리지에 함께 통합된다.
[0032] 도 22a 및 22b는 멤브레인 밸브의 일 예의 사시도들을 예시하고, 멤브레인 밸브들은 유체공학적 층들에 통합될 수 있다.
[0033] 도 23a 및 23b는 각각 개방 및 폐쇄된 상태들의 멤브레인 밸브의 단면도들을 예시한다.
[0034] 도 24는 함께 통합된 CMOS 기술 및 디지털 유체공학 둘 모두를 포함하는 미세유체 카트리지의 일 예의 개략도를 예시한다.
[0035] 도 25 및 26은 도 24에 도시된 통합된 미세유체 카트리지의 물리적 인스턴스생성의 일 예인 미세유체 카트리지 조립체의 사시도들을 예시한다.
[0036] 도 27a 및 27b는 도 25 및 26에 도시된 미세유체 카트리지 조립체에 설치된 유체공학적 조립체의 일예의 사시도들을 예시한다.
[0037] 도 28a 및 28b는 도 27a 및 27b에 도시된 유체공학적 조립체에 설치될 수 있는 가열기 트레이스의 일 예의 평면도 및 단면도를 각각 예시한다.
[0038] 도 29, 30, 31, 32, 33a 및 33b는 도 25를 보다 상세히 도시하는, 도 25의 미세유체 카트리지 조립체의 다양한 다른 도면들을 예시한다.
[0039] 도 34 내지 42는 도 25의 내부 컴포넌트들을 드러내기 위한 수단으로서 도 25의 미세유체 카트리지 조립체의 해체 프로세스를 예시한다.
[0040] 도 43은 도 25의 미세유체 카트리지 조립체의 일부 및 도 25의 다양한 시약 유체 리저보어들 및 시료 로딩 포트들을 도시하는 투과 사시도를 도시한다.
[0041] 도 44는 도 25의 미세유체 카트리지 조립체의 일부 및 도 25의 유체공학적 채널들을 더 도시하는 다른 투과 사시도를 도시한다.
[0042] 도 45는 도 25를 보다 상세히 도시하는 도 25의 미세유체 카트리지 조립체의 단면도를 도시한다.
[0043] 도 46a, 46b, 47a, 47b, 및 48은 도 25를 보다 상세히 도시하는, 도 25의 미세유체 카트리지 조립체의 하우징의 다양한 도면들을 도시한다.
[0044] 도 49, 50, 41a, 41b, 및 52는 도 25를 보다 상세히 도시하는, 도 25의 미세유체 카트리지 조립체의 베이스 플레이트의 다양한 도면들을 도시한다.
[0045] 도 53a 및 53b는 이 도면들을 보다 상세히 도시하는 미세유체 카트리지 조립체의 유체공학적 조립체의 다른 사시도들을 예시한다.
[0046] 도 54a, 54b, 및 54c는 미세유체 카트리지 조립체의 유체공학적 조립체의 가요성 PCB 가열기를 보다 상세히 도시하는 다른 도면들을 예시한다.
[0047] 도 55a 및 55b는 도 15 및 도 27에 도시된 유체공학적 층들의 입구/출구 포트 층의 사시도 및 평면도를 각각 도시한다.
[0048] 도 56a 및 56b는 도 15 및 도 27에 도시된 유체공학적 층들의 유체공학적 채널 층의 사시도 및 평면도를 각각 도시한다.
[0049] 도 57a 및 57b는 도 15 및 도 27에 도시된 유체공학적 층들의 가요성 PCB 층의 사시도 및 평면도를 각각 도시한다.
[0050] 도 58a 및 58b는 도 15 및 도 27에 도시된 유체공학적 층들의 시퀀싱 챔버 저부 층의 사시도 및 평면도를 각각 도시한다.
[0051] 도 59a 및 59b는 도 15 및 도 27에 도시된 유체공학적 층들의 시퀀싱 챔버 층의 사시도 및 평면도를 각각 도시한다.
[0052] 도 60a 및 60b는 도 15 및 도 27에 도시된 유체공학적 층들의 멤브레인 층 및 시퀀싱 챔버 최상부 층의 사시도 및 평면도를 각각 도시한다.
[0053] 도 61a 및 61b는 시퀀싱에 필요한 멀티플렉스 PCR 또는 하류 믹싱을 수행하기 위하여 미세유체 카트리지 조립체를 사용하는 방법의 일 예의 흐름도를 예시한다.
[0054] 도 62는 CMOS 유동 셀의 일 예의 측면도를 예시하고, 바이오센서 액티브 영역의 최대 약 100%는 시약 전달 및 조사를 위해 접근가능하다.
[0055] 도 63은 도 49에 도시된 CMOS 유동 셀의 일 인스턴스생성의 일 예의 분해도를 예시한다.
[0056] 도 64 및 65는 완전히 조립될 때 도 63에 도시된 CMOS 유동 셀의 사시도 및 측면도를 각각 예시한다.
[0057] 도 66은 도 63, 64 및 65에 도시된 CMOS 유동 셀의 유동 셀 리드(lid)의 일 예의 사시도들을 예시한다.
[0058] 도 67, 68, 69, 및 70은 CMOS 유동 셀에 연장된 평탄 표면을 제공하는 프로세스의 일 예를 예시하고, 상기 표면 위에 유동 셀 리드가 장착될 수 있다.
[0059] 도 71a, 71b, 71c, 및 71d는 CMOS 유동 셀에 연장된 평탄 표면을 제공하는 프로세스의 다른 예를 예시하고, 상기 표면 위에 유동 셀 리드가 장착될 수 있다.
[0060] 도 72, 73, 74 및 75는 CMOS 유동 셀에 연장된 평탄 표면을 제공하는 프로세스의 또 다른 예를 예시하고, 상기 표면 위에 유동 셀 리드가 장착될 수 있다.
[0061] 본원에 설명된 실시예들은 시료 준비 및/또는 생화학적 분석에 대해 지정된 반응들을 수행하기 위하여 사용될 수 있다. 용어 "생화학적 분석"은 생체 분석 또는 화학 분석 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 도 1a는 생화학적 분석 및/또는 시료 준비를 수행하도록 구성된 시스템(100)의 개략도이다. 시스템(100)은 베이스 인스트루먼트(102) 및 베이스 인스트루먼트(102)와 분리 가능하게 맞물리도록 구성된 제거 가능한 카트리지(104)를 포함한다. 베이스 인스트루먼트(102) 및 제거 가능한 카트리지(104)는 시스템(100) 내의 상이한 위치들로 생체 시료를 수송하도록 서로 상호작용하고, 추후 분석을 위한 생체 시료를 준비하기 위하여 생체 시료를 포함하는 지정된 반응들을 수행하고, 그리고 선택적으로 생체 시료로 하나 또는 그 초과의 이벤트들을 검출하도록 구성될 수 있다. 이벤트들은 생체 시료와 지정된 반응을 표시할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제거 가능한 카트리지(104)는 통합된 미세유체 카트리지(1100)(도 24에 도시됨) 또는 미세유체 카트리지 조립체(1200)(도 25 및 26에 도시됨)와 유사하다.
[0062] 이하 도 1a에 도시된 바와 같이 베이스 인스트루먼트(102) 및 제거 가능한 카트리지(104)를 참조하고 있지만, 베이스 인스트루먼트(102) 및 제거 가능한 카트리지(104)는 시스템(100)의 단지 예시적 일 실시예를 예시하며 다른 실시예들이 존재하는 것이 이해된다. 예컨대, 베이스 인스트루먼트(102) 및 제거 가능한 카트리지(104)는 집합적으로, 생체 시료를 준비하고 그리고/또는 생체 시료를 분석하기 위한 다수의 작동들을 실행하는 다양한 컴포넌트들 및 피처들을 포함한다. 예시된 실시예에서, 베이스 인스트루먼트(102) 및 제거 가능한 카트리지(104) 각각은 소정의 기능들을 수행할 수 있다. 그러나, 베이스 인스투르먼트(102) 및 제거 가능한 카트리지(104)는 상이한 기능들을 수행할 수 있고 그리고/또는 이러한 기능들을 공유할 수 있음이 이해된다. 예컨대, 예시된 실시예에서, 제거 가능한 카트리지(104)는 이미징 디바이스를 사용하여 지정된 반응들을 검출하도록 구성된다. 대안의 실시예들에서, 베이스 인스트루먼트(102)는 이미징 디바이스를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 예시된 실시예에서, 베이스 인스트루먼트(102)는 제거 가능한 카트리지(104)에 액체들을 제공하고, 수용하거나 교환하지 않는 "건식" 인스트루먼트이다. 대안의 실시예들에서, 베이스 인스트루먼트(102)는 예컨대, 제거 가능한 카트리지(104)에 의해 후속적으로 소비되는(예컨대, 지정된 반응들에서 사용되는) 제거 가능한 카트리지(104)에 시약들 또는 다른 액체들을 제공할 수 있다.
[0063] 본원에 사용되는 바와 같이, 생체 시료는 뉴클레오사이드, 핵산, 폴리뉴클레오타이드, 올리고뉴클레오타이드, 단백질, 효소, 폴리펩타이드, 항원, 리간드, 수용체, 다당류, 탄수화물, 폴리인산염, 나노포어, 유기체, 지질 층, 세포, 조직, 유기체 및/또는 상기 종의 유사체 또는 모방체와 같은 생물학적으로 활성인 화합물(들)을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 생체 시료는 전혈, 임파액, 혈장, 혈장, 땀, 눈물, 타액, 객담, 뇌척수액, 양수 액, 정액, 질 분비물, 장액 액, 활액, 심낭액, 복막 액 담즙산, 소변, 위액, 장액, 대변 샘플, 단일 또는 다중 세포를 포함한 액체, 세포 기관, 유동화 조직, 유동화 생물, 다세포 생물을 포함한 액체, 생물학적 면봉 및 생물학적 세척을 포함할 수 있다.
[0064] 일부 실시예들에서, 생체 시료는 물, 탈 이온수, 식염수, 산성 용액, 염기성 용액, 세제 용액 및/또는 pH 완충액과 같은 추가 재료를 포함할 수 있다. 추가 재료는 또한 생화학 반응들을 수행하기 위해 지정된 어세이 프로토콜 동안 사용될 시약들을 포함할 수 있다. 예컨대, 추가 액체들은 생체 시료와 함께 다중 중합 효소 연쇄 반응(PCR) 사이클들을 수행하는 재료를 포함할 수 있다.
[0065] 그러나, 분석되는 생체 시료는 시스템(100)에 로딩된 생체 시료와 상이한 형태 또는 상태일 수 있음이 이해되어야 한다. 예컨대, 시스템(100) 내로 로딩된 생체 시료는 준비된 핵산을 제공하기 위해 연속적으로 (예를 들어, 분리 또는 증폭 절차들을 통해) 처리되는 전혈 또는 타액을 포함할 수 있다. 이후, 준비된 핵산은 시스템(100)에 의해 분석(예컨대, PCR에 의해 정량화되거나 SBS에 의해 시퀀싱)될 수 있다. 따라서, 용어 "생체 시료"가 PCR과 같은 제 1 작동을 설명하면서 사용되며 시퀀싱과 같은 후속하는 제 2 작동을 설명하면서 다시 사용될 때, 제 2 작동의 생체 시료는 제 1 작동 이전 또는 제 1 작동 중에 생체 시료에 대해 수정될 수 있음이 이해된다. 예컨대, 시퀀싱 단계(예컨대, SBS)는 선행 증폭 단계(예컨대, PCR)에서 증폭되었던 템플릿 핵산으로부터 생성되었던 앰플리콘 핵산 상에서 실행될 수 있다. 이 경우에, 앰플리콘들은 템플릿들의 복제물이며, 앰플리콘들은 템플릿들의 양에 비해 더 많은 양으로 존재한다.
[0066] 일부 실시예들에서, 시스템(100)은 사용자에 의해 제공된 물질(예컨대, 전혈 또는 타액)에 기반하여 생화학적 분석을 위한 시료를 자동으로 준비할 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 시스템(100)은 사용자에 의해 분석을 위해 부분적으로 또는 예비적으로 준비되는 생체 시료들을 분석할 수 있다. 예컨대, 사용자는 전혈로부터 이미 격리된 그리고/또는 증폭된 핵산들을 포함하는 용액을 제공할 수 있다.
[0067] 본원에서 사용되는 바와 같은 "지정된 반응"은 관심-분석물(analyte-of-interest)의 화학적, 전기적, 물리적, 또는 광학적 특징(또는 품질) 중 적어도 하나에서의 변화를 포함한다. 특정 실시예들에서, 지정된 반응은 연관적 결합 이벤트(예컨대, 관심-분석물과의 형광 라벨 생체 분자의 혼성)이다. 지정된 반응은 분리적 결합 이벤트(예컨대, 관심-분석물로부터의 형광 라벨 생체 분자의 릴리즈)일 수 있다. 지정된 반응은 화학적 변환, 화학적 변화, 또는 화학적 상호작용일 수 있다. 지정된 반응은 또한 전기적 특징들의 변화일 수 있다. 예컨대, 지정된 반응은 용액 내에서의 이온 농도의 변화일 수 있다. 예시적 반응들은, 화학적 반응들, 이를테면, 환원, 산화, 추가, 제거, 재배열, 에스테르화, 아미드화, 에테르화, 고리화, 또는 치환; 제 1 화학이 제 2 화학에 결합되는 결합 상호작용들; 2개 또는 그 초과의 화학들이 서로 분리되는 분리 반응들; 형광; 발광; 생물발광; 화학 발광; 및 생물학적 반응들, 이를테면 핵산 복제, 핵산 증폭, 핵산 혼성화, 핵산 리게이션, 인산화, 효소 촉매작용, 수용체 결합, 또는 리간드 결합을 포함한다(그러나, 이에 한정되지 않음). 지정된 반응은 또한, 예컨대 주변 용액 또는 환경의 pH의 변화로서 검출 가능한 프로톤의 추가 또는 제거일 수 있다. 추가적인 지정된 반응은, 멤브레인(예컨대, 천연 또는 합성 이중 레이어 멤브레인)에 걸친 이온들의 유동을 검출하는 것일 수 있는데, 예컨대 이온들이 멤브레인을 통해 유동함에 따라 전류가 단절되고, 그 단절이 검출될 수 있다. 하전된 태그들의 필드 감지가 또한, 열적 감지 및 당해 기술분야에 알려진 다른 분석적 감지 기법들로서 사용될 수 있다.
[0068] 특정 실시예들에서, 지정된 반응은 분석물에 대해 형광-라벨 분자의 혼성을 포함한다. 분석물은 올리고뉴클레오티드일 수 있고, 형광-라벨 분자는 뉴클레오티드일 수 있다. 지정된 반응은, 라벨 뉴클레오티드를 갖는 올리고뉴클레오티드를 향해 여기 광이 지향될 때 검출될 수 있고, 형광단은 검출 가능한 형광 신호를 방출한다. 대안적인 실시예들에서, 검출된 형광은 화학 발광 또는 생물 발광의 결과이다. 지정된 반응은 또한, 예컨대, 도너 형광단(donor fluorophore)을 수용체 형광단 가까이 가져감으로써 FRET(fluorescence(또는 Foerster) resonance energy transfer)를 증가시키거나, 도너와 수용체 형광단들을 분리시킴으로써 FRET를 감소시키거나, ??차(quencher)를 형광단으로부터 분리시킴으로써 형광을 증가시키거나, 또는 ??차와 형광단을 병치(co-locating)함으로써 형광을 감소시킬 수 있다.
[0069] 본원에서 사용되는 바와 같은 "반응 컴포넌트"는 지정된 반응을 획득하기 위해 사용될 수 있는 임의의 물질을 포함한다. 예컨대, 반응 컴포넌트들은 시약들, 촉매제들, 이를테면, 효소들, 반응을 위한 반응물들, 시료들, 다른 생체분자들의 반응의 생성물들, 염들, 금속 코팩터들, 킬레이트제들 및 pH 버퍼 용액들(예컨대, 수소화반응 버퍼)을 포함한다. 반응 컴포넌트들은 용액들에서 개별적으로 또는 하나 또는 그 초과의 혼합물에서 결합되어 유체공학적 네트워크의 다양한 위치들로 전달될 수 있다. 예컨대, 반응 컴포넌트는, 생체 시료가 고정된 반응 챔버에 전달될 수 있다. 반응 컴포넌트는 생체 시료와 직접적으로 또는 간접적으로 상호작용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제거 가능한 카트리지(104)에는, 지정된 어세이 프로토콜을 수행하기 위해 필요한 반응 컴포넌트들 중 하나 또는 그 초과가 프리로딩된다. 프리로딩은 (예컨대, 고객의 설비에서) 사용자에 의한 카트리지(104)의 수용 전에 하나의 위치(예컨대, 제조 설비)에서 발생할 수 있다.
[0070] 일부 실시예들에서, 베이스 인스트루먼트(102)는 세션마다 하나의 제거 가능한 카트리지(104)와 상호작용하도록 구성될 수 있다. 세션 후에, 제거 가능한 카트리지(104)는 다른 제거 가능한 카트리지(104)로 대체될 수 있다. 다른 실시예들에서, 베이스 인스트루먼트(102)는 세션마다 하나보다 많은 수의 제거 가능한 카트리지(104)와 상호작용하도록 구성될 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같은 용어 "세션"은 시료 준비 및/또는 생화학적 분석 프로토콜 중 적어도 하나를 수행하는 것을 포함한다. 시료 준비는, 준비된 생체 시료가 분석에 적합하도록, 생체 시료의 하나 또는 그 초과의 컴포넌트를 분리, 격리, 변형 및/또는 증폭하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 세션은, (a) 지정된 수의 반응들이 실시될 때까지, (b) 지정된 수의 이벤트들이 검출될 때까지, (c) 지정된 시스템 시간 기간이 경과될 때까지, (d) 신호-대-잡음이 지정된 임계치까지 떨어질 때까지; (e) 타겟 컴포넌트가 식별될 때까지; (f) 시스템 장애 또는 오작동이 검출될 때까지, 그리고/또는 (g) 반응들을 실시하기 위한 자원들 중 하나 또는 그 초과가 고갈될 때까지, 다수의 제어된 반응들이 실시되는 연속적인 활동을 포함할 수 있다. 대안적으로, 세션은 시간 기간(예컨대, 수분, 수시간, 수일, 수주) 동안 시스템 활동도를 일시정지시키고, 나중에 (a) 내지 (g) 중 적어도 하나가 발생할 때까지 세션을 완료하는 것을 포함할 수 있다.
[0071] 어세이 프로토콜은 지정된 반응들을 실시하고, 지정된 반응들을 검출하고, 그리고/또는 지정된 반응들을 분석하기 위한 작동들의 시퀀스를 포함할 수 있다. 집합적으로, 제거 가능한 카트리지(104) 및 베이스 인스트루먼트(102)는 상이한 작동들을 실시하기 위해 필요한 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 어세이 프로토콜의 작동들은 유체공학적 작동들, 열적-제어 작동들, 검출 작동들, 및/또는 기계적 작동들을 포함할 수 있다. 유체공학적 작동은 시스템(100)을 통한 유체(예컨대, 액체 또는 가스)의 유동을 제어하는 것을 포함하고, 이는 베이스 인스트루먼트(102)에 의해 그리고/또는 제거 가능한 카트리지(104)에 의해 작동될 수 있다. 예컨대, 유체공학적 작동은 검출 구역으로의 생체 시료 또는 반응 컴포넌트의 유동을 유도하도록 펌프를 제어하는 것을 포함할 수 있다. 열적-제어 작동은 시스템(100)의 지정된 부분의 온도를 제어하는 것을 포함할 수 있다. 예로서, 열적-제어 작동은, 생체 시료를 포함하는 액체가 저장되는 PCR(polymerase chain reaction) 구역의 온도를 상승시키는 것 또는 하강시키는 것을 포함할 수 있다. 검출 작동은 검출기의 활성화를 제어하는 것 또는 생체 시료의 미리 결정된 특징들, 품질들, 또는 특성들을 검출하기 위해 검출기의 활동도를 모니터링하는 것을 포함할 수 있다. 일 예로서, 검출 작동은, 지정된 영역으로부터의 형광 방출들을 검출하기 위해 생체 시료를 포함하는 지정된 영역의 이미지들을 캡처하는 것을 포함할 수 있다. 검출 작동은 생체 시료를 조명하기 위해 광원을 제어하는 것 또는 생체 시료를 관찰하기 위해 검출기를 제어하는 것을 포함할 수 있다. 기계적 작동은 지정된 컴포넌트의 이동 또는 포지션을 제어하는 것을 포함할 수 있다. 예컨대, 기계적 작동은 제거 가능한 카트리지(104)의 회전 가능한 밸브와 작동 가능하게 맞물리는 베이스 인스트루먼트(102)의 밸브-제어 컴포넌트를 이동시키기 위해 모터를 제어하는 것을 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 상이한 작동들의 조합이 동시에 발생할 수 있다. 예컨대, 펌프가 검출 구역을 통한 유체의 유동을 제어할 때, 검출기는 검출 구역의 이미지들을 캡처할 수 있다. 일부 경우들에서, 상이한 생체 시료들을 향해 지향된 상이한 작동들이 동시에 발생할 수 있다. 예컨대, 제 1 생체 시료가 증폭(예컨대, PCR)을 겪을 수 있는 동안, 제 2 생체 시료는 검출을 겪을 수 있다.
[0072] 본원에 사용되는 것과 같은 "액체"는, 상대적으로 비압축성이고, 물질을 보유하는 컨테이너 또는 채널의 형태에 꼭맞게 하기 위한 그리고 유동하게 하기 위한 성능을 갖는 물질이다. 액체는, 수성 기반일 수 있고, 액체를 함께 보유하는 표면 장력을 나타내는 극성 분자들을 포함할 수 있다. 액체는 또한 비-극성 분자들, 이를테면, 유성-기반 또는 비-수성 물질을 포함할 수 있다. 본 출원서 내의 액체에 대해 인용들은 2개 또는 그 초과의 액체들의 조합으로부터 형성되었던 액체를 포함할 수 있다는 점이 이해된다. 예컨대, 별도의 시약 용액들은 지정된 반응들을 수행하기 위해 나중에 조합될 수 있다.
[0073] 제거 가능한 카트리지(104)는 베이스 인스트루먼트(102)에 분리 가능하게 맞물리거나 또는 제거 가능하게 커플링하도록 구성된다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어들 "분리 가능하게 맞물린" 또는 "제거 가능하게 커플링된"(또는 등)이 제거 가능한 카트리지와 베이스 인스트루먼트 사이의 관계를 설명하는데 사용될 때, 이 용어는 제거 가능한 카트리지와 베이스 인스트루먼트 사이의 접속이 베이스 인스트루먼트를 파괴하지 않고 쉽게 분리 가능하다는 것을 의미하도록 의도된다. 이에 따라, 제거 가능한 카트리지는, 베이스 인스트루먼트의 전기적 콘택들이 파괴되지 않도록, 전기 방식으로 베이스 인스트루먼트에 분리 가능하게 맞물릴 수 있다. 제거 가능한 카트리지는, 제거 가능한 카트리지를 보유하는 베이스 인스트루먼트의 특징들이 파괴되지 않도록, 기계적인 방식으로 베이스 인스트루먼트에 분리 가능하게 맞물릴 수 있다. 제거 가능한 카트리지는, 베이스 인스트루먼트의 포트들이 파괴되지 않도록, 유체공학적 방식으로 베이스 인스트루먼트에 분리 가능하게 맞물릴 수 있다. 베이스 인스트루먼트는, 예컨대, 오직 컴포넌트에 대한 간단한 조절(예컨대, 재정렬(realigning)) 또는 간단한 교체(예컨대, 노즐 교체)만이 요구되는 경우에는, "파괴된(destroyed)" 것으로 간주되지 않는다. 컴포넌트들을 분리하는데 상당한 양의 시간 또는 과도한 노력을 소비하지 않고도 서로 분리될 수 있을 때, 컴포넌트들(예컨대, 제거 가능한 카트리지(104) 및 베이스 인스트루먼트(102))은 쉽게 분리될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제거 가능한 카트리지(104) 및 베이스 인스트루먼트(102)는, 제거 가능한 카트리지(104) 또는 베이스 인스트루먼트(102) 중 하나를 파괴하지 않고 쉽게 분리할 수 있다.
[0074] 일부 실시예들에서, 제거 가능한 카트리지(104)는 베이스 인스트루먼트(102)와의 세션 동안 영구적으로 수정되거나 또는 부분적으로 손상될 수 있다. 예를 들어, 액체들을 홀딩하는 컨테이너들은 시스템(100)을 통해 액체가 유동하도록 허용하도록 천공된 포일 커버들을 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 포일 커버들이 손상될 수도 있어서, 손상된 컨테이너를 다른 컨테이너와 교체할 필요가 있을 수 있다. 특정 실시예들에서, 제거 가능한 카트리지(104)는 일회용 카트리지여서, 제거 가능한 카트리지(104)는 1회 사용 이후에 교체되고 선택적으로 배치될 수 있다.
[0075] 다른 실시예들에서, 제거 가능한 카트리지(104)는 베이스 인스트루먼트(102)와 맞물려 있는 동안 하나 초과의 세션 동안 사용될 수 있고 그리고/또는 베이스 인스트루먼트(102)로부터 제거되고, 시약들로 재로딩되고, 그리고 베이스 인스트루먼트(102)에 다시-맞물려서 추가 지정 반응들을 수행할 수 있다. 이에 따라, 동일한 제거 가능한 카트리지(104)가 상이한 소모품들(예컨대, 반응 컴포넌트들 및 생체 시료들)과 함께 사용될 수 있도록, 제거 가능한 카트리지(104)는 일부 경우들에서 리퍼브될(refurbished) 수 있다. 리퍼브하는 것은, 카트리지가 고객 시설에 위치된 베이스 인스트루먼트로부터 제거된 후에 제조 시설에서 수행될 수 있다.
[0076] 도 1a에 도시된 바와 같이, 제거 가능한 카트리지(104)는 유체들(예컨대, 액체들 또는 기체들)을 홀딩하고 그것을 통해 지향시킬 수 있는 유체공학적 네트워크(106)를 포함한다. 유체공학적 네트워크(106)는 유체를 저장할 수 있고 그리고/또는 그것을 통해 유체가 유동하도록 허용할 수 있는 복수의 상호접속된 유체공학적 엘리먼트들을 포함한다. 유체공학적 엘리먼트들의 비-제한적 예시들은, 채널들, 채널들의 포트들, 캐비티들, 저장 모듈들, 저장 모듈들의 리저보어들, 반응 챔버들, 폐기 리저보어들, 검출 챔버들, 반응 및 검출을 위한 다용도 챔버들 등을 포함한다. 유체공학적 엘리먼트들은, 시스템(100)이 시료 준비 및/또는 분석을 수행할 수 있도록, 지정된 방식으로 서로 유체공학적으로 커플링될 수 있다.
[0077] 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "유체공학적으로 커플링된"(또는 등)은, 액체 또는 기체가 2개의 공간 구역들 사이에 지향될 수 있도록, 함께 연결되어 있는 2개의 공간 구역들을 지칭한다. 일부 경우들에서, 유체공학적 커플링은 2개의 공간 구역들 사이에서 유체가 앞뒤로 지향되도록 허용한다. 다른 경우들에서, 유체공학적 커플링은, 2개의 공간 구역들 사이에서 유동의 오직 하나의 방향이 존재하도록, 단방향이다. 예컨대, 어세이 리저보어는, 액체가 어세이 리저보어로부터 채널로 운반될 수 있도록, 채널과 유체공학적으로 커플링될 수 있다. 그러나, 일부 실시예들에서, 채널 내의 유체를 어세이 리저보어에 다시 지향시키는 것은 불가능할 수 있다. 특정 실시예들에서, 유체공학적 네트워크들(106)은 생체 시료를 수용하고 그리고 시료 준비 및/또는 시료 분석을 통해 생체 시료를 안내하도록 구성된다. 유체공학적 네트워크(106)는 생체 시료 및 다른 반응 컴포넌트들을 폐기물 리저보어로 향하도록 안내할 수 있다.
[0078] 하나 또는 그 초과의 실시예들은, 생체 시료가 분석되는 지정된 위치에서 생체 시료(예컨대, 템플릿 핵산)를 보유하는 것을 포함할 수 있다. 본원에 사용되는 바와 같이, 용어 "보유된(retained)"은, 생체 시료에 대하여 사용될 때, 생체 시료를 표면에 실질적으로 부착시키거나 또는 지정된 공간 내에 생체 시료를 한정시키는 것을 포함한다. 본원에 사용되는 바와 같이, 용어 "고정화된(immobilized)"은, 생체 시료에 대하여 사용될 때, 생체 시료를 고체 지지체 내의 또는 상의 표면에 실질적으로 부착하는 것을 포함한다. 고정화는 분자 수준의 생체 시료를 표면에 부착하는 것을 포함할 수 있다. 예컨대, 생체 시료는, 비공유적 상호작용(non-covalent interaction)들(예컨대, 정전기력들, 반 데르 발스, 및 소수성 인터페이스들의 탈수) 및 공유적 결합 기술들(여기서는, 작용기들 또는 링커들이 생체 시료를 표면에 부착시키는 것을 용이하게 함)을 포함하는 흡착 기술들을 사용하여 기판의 표면에 고정화될 수 있다. 생체 시료를 기판의 표면에 고정화시키는 것은, 기판의 표면의 특성들, 생체 시료를 반송하는 액체 매질, 및 생체 시료 자체의 특성들에 기반할 수 있다. 일부 경우들에서, 생체 시료를 기판 표면에 고정시키는 것을 용이하게 하기 위해 기판 표면이 기능화(예컨대, 화학적으로 또는 물리적으로 변형)될 수 있다. 기판 표면은 먼저 표면에 결합된 작용기들을 갖도록 변형될 수 있다. 작용기들은 그 후 생체 시료에 결합하여 그 위에 생체 시료를 고정시킬 수 있다. 일부 경우들에서, 예컨대, US 특허 공개 제2011/0059865 A1호 및제 2014/0079923 A1호(이들 각각은 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함됨)에 설명된 바와 같이, 생체 시료는 겔을 통해 표면에 고정화될 수 있다.
[0079] 일부 실시예들에서, 핵산들은 표면에 고정화될 수 있고 그리고 브릿지 증폭을 사용하여 증폭될 수 있다. 유용한 브릿지 증폭 방법들은, 예컨대, U.S 특허 No.5,641,658; WO 07/010251, U.S 특허 No.6,090,592; U.S 특허 공개 No.2002/0055100 A1; U.S 특허 No.7,115,400; U.S 특허 공개 No.2004/0096853 A1; U.S 특허 공개 No.2004/0002090 A1; U.S 특허 공개 No.2007/0128624 A1; 및 U.S 특허 공개 No.2008/0009420 A1(이들 각각은 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함됨)에 설명된다. 표면 상의 핵산들을 증폭시키기 위한 다른 유용한 방법은, 예컨대, 아래의 추가적인 상세에 설명된 방법들을 사용하는, RCA(rolling circle amplification)이다. 일부 실시예들에서, 핵산들은 표면에 부착될 수 있고 하나 또는 그 초과의 프라이머 쌍들을 사용하여 증폭될 수 있다. 예컨대, 프라이머들 중 하나는 용액 상태일 수 있고, 다른 프라이머는 표면 상에 고정화될 수 있다(예컨대, 5'-부착됨). 예시에 의해, 핵산 분자는 표면 상의 프라이머들 중 하나에 혼성화한 후 고정화된 프라이머의 연장하여 핵산의 제 1 복제를 생성할 수 있다. 그 후, 용액 내 프라이머는, 핵산의 제 1 복제를 템플릿으로서 사용하여 연장될 수 있는 핵산의 제 1 복제에 혼성화한다. 선택적으로, 핵산의 제 1 복제가 생성된 후, 오리지널 핵산 분자는 표면 상의 제 2 고정화된 프라이머에 혼성화될 수 있고 용액 내 프라이머가 연장된 후 또는 동시에 연장될 수 있다. 임의의 실시예에서, 용액 내 프라이머 및 고정화된 프라이머를 사용하는 연장(예컨대, 증폭)의 반복적인 라운드들은 핵산의 다수의 복제들을 제공한다. 일부 실시예들에서, 생체 시료는 생체 시료의 증폭 동안(예컨대, PCR) 사용되도록 구성된 반응 컴포넌트들로 미리 정해진 공간 내에 한정될 수 있다.
[0080] 예시된 실시예에서, 제거 가능한 카트리지(104)는 복수의 하우징 측들(111-114)을 갖는 카트리지 하우징(110)을 포함한다. 하우징 측들(111-114)은 비-정합 측들(111-113) 및 정합 측(114)을 포함한다. 정합 측(114)은 베이스 인스트루먼트(102)와 맞물림하도록 구성된다. 예시된 실시예에서, 카트리지 하우징(110)은 실질적으로 단일형 구조를 형성한다. 대안적인 실시예들에서, 카트리지 하우징(110)은 시스템(100)의 사용자에 의해 조합된 하나 또는 그 초과의 서브-컴포넌트들에 의해 구성될 수 있다. 서브-컴포넌트들은, 제거 가능한 카트리지(104)가 베이스 인스트루먼트(102)에 분리 가능하게 맞물리기 전 또는 서브-컴포넌트들 중 하나가 베이스 인스트루먼트(102)에 분리 가능하게 맞물린 후에 조합될 수 있다. 예컨대, 저장 모듈(150)은 제 1 서브 하우징(미도시)에 의해 홀딩될 수 있고, 제거 가능한 카트리지(104)의 나머지(예컨대, 유체공학적 네트워크 및 이미징 디바이스)는 제 2 서브 하우징(미도시)을 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 서브 하우징들은 카트리지 하우징(110)을 형성하도록 조합될 수 있다.
[0081] 유체공학적 네트워크(106)는 카트리지 하우징(110)에 의해 홀딩되고 그리고 비-정합 측(112)에 개방된 복수의 시료 포트들(116)을 포함한다. 대안적인 실시예들에서, 시료 포트들(116)은 비-정합 측들(111 또는 113)을 따라 위치될 수 있거나 또는 정합 측(114)을 따라 위치될 수 있다. 시료 포트들(116) 각각은 생체 시료를 수용하도록 구성된다. 단지 예시에 의해, 생체 시료는 전혈이거나 또는 타액일 수 있다. 일부 실시예들에서, 생체 시료는 핵산들 및 PCR을 수행하기 위한 다른 재료들(예컨대, 시약들, 버퍼들 등)일 수 있다. 이러한 시료 포트들(116)이 도 1a에 도시되지만, 실시예들은 오직 하나의 시료 포트, 2개의 시료 포트들, 또는 3개 초과의 시료 포트들을 포함할 수 있다.
[0082] 유체공학적 네트워크(106)는 또한, 정합 측(114)에 개방되고 카트리지 하우징(110)의 외부에 노출된 유체공학-커플링 포트(118)를 포함한다. 유체공학-커플링 포트(118)는 베이스 인스트루먼트(102)의 시스템 펌프(119)에 유체공학적으로 커플링하도록 구성된다. 유체공학-커플링 포트(118)는, 유체공학적 네트워크(106)의 일부인 펌프 채널(133)과 유동 연통한다. 시스템(100)의 작동 동안, 시스템 펌프(119)는 펌프 채널(133)을 통해 그리고 유체공학적 네트워크(106)의 나머지를 통해 유체의 유동을 유도하기 위한 네거티브 압력을 제공하도록 구성된다. 예컨대, 시스템 펌프(119)는 생체 시료의 유동을 시료 포트(116)로부터 시료 준비 구역(132)으로 유도할 수 있고, 여기서 생체 시료는 후속 분석을 위해 준비될 수 있다. 시스템 펌프(119)는 생체 시료의 유동을 시료 준비 구역(132)으로부터 반응 챔버(126)로 유도할 수 있고, 여기서 생체 시료의 데이터(예컨대, 이미징 데이터)를 획득하기 위해 검출 작동들이 수행된다. 시스템 펌프(119)는 또한 유체의 유동을 저장 모듈(150)의 리저보어들(151, 152)로부터 반응 챔버(126)로 유도할 수 있다. 검출 작동들이 수행된 후, 시스템 펌프(119)는 유체의 유동을 폐기물 리저보어(128) 내부로 유도할 수 있다.
[0083] 유체공학적 네트워크(106)에 추가하여, 제거 가능한 카트리지(104)는 베이스 인스트루먼트(102)에 의해서 제어될 수 있는 하나 또는 그 초과의 기계적 인터페이스들(117)을 포함할 수 있다. 예컨대, 제거 가능한 카트리지(104)는 유체공학적 네트워크(106)에 작동 가능하게 커플링된 복수의 유동 제어 밸브들(121-123)을 갖는 밸브 조립체(120)를 포함할 수 있다. 유동 제어 밸브들(121-123) 각각은 베이스 인스트루먼트(102)에 의해서 제어되는 기계적 인터페이스(117)를 나타낼 수 있다. 이를테면, 유동 제어 밸브들(121-123)은 유체공학적 네트워크(106) 내에서의 유체의 유동을 제어하기 위해서, 시스템 펌프(119)의 선택적인 활성화와 함께, 베이스 인스트루먼트(102)에 의해 선택적으로 활성화되거나 제어될 수 있다.
[0084] 예컨대, 예시된 실시예에서, 유체공학적 네트워크(106)는 시료 포트들(116)로부터 바로 하류에 있고 그 시료 포트들(116)과 유동 연통하는 시료 채널(131)을 포함한다. 단지 단일 시료 채널(131)이 도 1a에 도시되어 있지만, 대안적인 실시예들은 다수의 시료 채널들(131)을 포함할 수 있다. 시료 채널(131)은 시료 준비 구역(132)을 포함할 수 있다. 밸브 조립체(120)는 한 쌍의 채널 밸브들(121, 122)을 포함한다. 채널 밸브들(121, 122)은 시료 채널(131)을 통한 유체의 유동을 지연시키거나 차단하기 위해서 베이스 인스트루먼트(102)에 의해 선택적으로 활성화될 수 있다. 특정 실시예들에서, 채널 밸브들(121, 122)은 시료 채널(131)의 시료 준비 지역(132) 내에 지정된 용적의 액체를 보유하는 시일을 형성하기 위해서 활성화될 수 있다. 시료 준비 지역(132) 내의 지정된 용적은 생체 시료를 포함할 수 있다.
[0085] 밸브 조립체(120)는 또한 이동 가능한 밸브(123)를 포함할 수 있다. 이동 가능한 밸브(123)는 (도 27a, 27b에 도시된) 회전 가능한 밸브 조립체(1410)와 유사할 수 있다. 이동 가능한 밸브(123)는 대응하는 포트들 사이에서 연장하는 적어도 하나의 유동 채널(140)을 포함할 수 있는 밸브 본체(138)를 갖는다. 밸브 본체(138)는 포트들을 유체공학적 네트워크(106)의 대응하는 포트들과 정렬시키기 위해 상이한 포지션들 사이에서 이동할 수 있다. 예컨대, 이동 가능한 밸브(123)의 포지션은 반응 챔버(126)로 유동하는 유체의 타입을 결정할 수 있다. 제 1 포지션에서, 이동 가능한 밸브(123)는 생체 시료를 반응 챔버(126)에 제공하기 위해서 시료 채널(131)의 대응하는 포트와 정렬할 수 있다. 제 2 포지션에서, 이동 가능한 밸브(123)는 저장 모듈(150)의 리저보어들(151, 152)과 각각 유동 연통하는 리저보어 채널들(161, 162)의 하나 또는 그 초과의 대응하는 포트들과 정렬할 수 있다. 각각의 리저보어(151, 152)는 지정된 반응들을 수행하기 위해 사용될 수 있는 반응 컴포넌트를 저장하도록 구성된다. 리저보어 채널들(161, 162)은 각각 리저보어들(151, 152)로부터 하류에 로케이팅되어 그들과 유동 연통한다. 일부 실시예들에서, 이동 가능한 밸브(123)는 리저보어 채널들의 대응하는 포트들과 정렬하기 위해서 상이한 위치들로 개별적으로 이동할 수 있다.
[0086] 예시된 실시예에서, 이동 가능한 밸브(123)는 축(142)을 중심으로 회전하도록 구성되는 회전 가능한 밸브이다. 그에 따라서, 이동 가능한 밸브(123)는 이후에는 회전 가능한 밸브(123)로 지칭된다. 그러나, 대안적인 실시예들은 상이한 포지션들로 회전하지 않는 이동 가능한 밸브들을 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 그러한 실시예들에서, 이동 가능한 밸브는 대응하는 포트들을 정렬하기 위해서 하나 또는 그 초과의 선형 방향들로 슬라이딩할 수 있다. 본원에서 기술된 회전 가능한 밸브들 및 선형-이동 밸브들은 2013년 3월 15일에 출원된 국제 출원 번호 제PCT/US2013/032309호에 설명된 장치와 유사할 수 있고, 그 국제 출원은 그 전체가 인용에 의해 본원에 통합된다.
[0087] 일부 실시예들에서, 생체 시료는 베이스 인스트루먼트(102)의 광원(158)에 의해서 조사된다. 대안적으로, 광원(158)은 제거 가능한 카트리지(104)와 통합될 수 있다. 예컨대, 생체 시료는 적절한 파장을 갖는 광에 의해서 여기될 경우 광 방출들을 제공하는 하나 또는 그 초과의 형광단들을 포함할 수 있다. 예시된 실시예에서, 제거 가능한 카트리지(104)는 광학 경로(154)를 갖는다. 광학 경로(154)는 베이스 인스트루먼트(102)의 광원(158)으로부터의 조사 광(156)이 반응 챔버(126) 내의 생체 시료 상에 입사되게 허가하도록 구성된다. 따라서, 반응 챔버는 하나 또는 그 초과의 광학적으로 투명한 측들 또는 윈도우들을 가질 수 있다. 광학 경로(154)는 조사 광(156)을 반응 챔버(126)에 활성적으로 지향시키는 하나 또는 그 초과의 광학 엘리먼트들, 이를테면 렌즈들, 반사기들, 광섬유 라인들 등을 포함할 수 있다. 예시적 실시예에서, 광원(158)은 LED(light-emitting diode)일 수 있다. 그러나, 대안적인 실시예들에서, 광원(158)은 레이저들 또는 램프들과 같은 다른 타입들의 광 생성 디바이스들을 포함할 수 있다.
[0088] 일부 실시예들에서, 검출 조립체(108)는 이미징 검출기(109) 및 반응 챔버(126)를 포함한다. 이미징 검출기(109)는 반응 챔버(126) 내에서의 지정된 반응들을 검출하도록 구성된다. 이미징 검출기(109)는 (도 40에 도시된) CMOS 이미지 센서(262)와 유사할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이미징 검출기(109)는 반응 챔버(126)로부터의 광 신호들(예컨대, 흡광, 반사/굴절, 또는 광 방출들)을 검출하도록 반응 챔버(126)에 관해 포지셔닝될 수 있다. 이미징 검출기(109)는 하나 또는 그 초과의 이미징 디바이스들, 이를테면 CCD(charge-coupled device) 카메라 또는 CMOS(complementary-metal-oxide semiconductor) 이미저를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이미징 검출기(109)는 화학 발광으로부터 방출되는 광 신호들을 검출할 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 검출 조립체(108)는 이미징 애플리케이션들로 제한되지 않을 수 있다. 예컨대, 검출 조립체(108)는 액체의 전기 특징을 검출하는 하나 또는 그 초과의 전극들일 수 있다.
[0089] 본원에서 기술된 바와 같이, 베이스 인스트루먼트(102)는 제거 가능한 카트리지(104)에 작동 가능하게 맞물리도록 그리고 지정된 반응들을 수행하기 위해서 그리고/또는 생체 시료의 데이터를 획득하기 위해서 제거 가능한 카트리지(104) 내에서의 다양한 작동들을 제어하도록 구성된다. 이를 위해서, 베이스 인스트루먼트(102)가 제거 가능한 카트리지(104)의 하나 또는 그 초과의 컴포넌트들의 작동을 제어하게 허가 또는 허용하도록, 정합 측(114)이 구성된다. 예컨대, 정합 측(114)은 밸브들(121-123)이 베이스 인스트루먼트(102)에 의해서 제어되게 허가하는 복수의 억세스 개구들(171-173)을 포함할 수 있다. 정합 측(114)은 베이스 인스트루먼트(102)의 열 블록(206)을 수신하도록 구성되는 억세스 개구(174)를 또한 포함할 수 있다. 억세스 개구(174)는 시료 채널(131)을 따라 연장한다. 도시된 바와 같이, 억세스 개구들(171-174)은 정합 측(114)에 개방된다.
[0090] 베이스 인스트루먼트(102)는 제거 가능한 카트리지(104)의 정합 측(114)에 분리 가능하게 맞물리도록 구성되는 제어 측(202)을 갖는다. 제거 가능한 카트리지(104)의 정합 측(114) 및 베이스 인스트루먼트(102)의 제어 측(202)은 집합적으로 시스템 인터페이스(204)를 규정할 수 있다. 시스템 인터페이스(204)는 제거 가능한 카트리지(104)와 베이스 인스트루먼트(102) 간의 공통 경계를 나타내는데, 이를 통해 베이스 인스트루먼트(102)와 제거 가능한 카트리지(104)는 작동 가능하게 맞물린다. 더 상세하게는, 베이스 인스트루먼트(102) 및 제거 가능한 카트리지(104)는, 베이스 인스트루먼트(102)가 정합 측(114)을 통해 제거 가능한 카트리지(104)의 다양한 피처들을 제어할 수 있도록, 시스템 인터페이스(204)를 따라 작동 가능하게 맞물린다. 이를테면, 베이스 인스트루먼트(102)는 제거 가능한 카트리지(104)의 대응하는 컴포넌트들을 제어하는 하나 또는 그 초과의 제어 가능한 컴포넌트들을 가질 수 있다.
[0091] 예시된 실시예에서는, 베이스 인스트루먼트(102) 및 제거 가능한 카트리지(104)가 시스템 인터페이스(204)를 통해 설정되는 전기 커플링, 열 커플링, 광학 커플링, 밸브 커플링, 또는 유체공학적 커플링 중 적어도 하나를 통해 시스템 인터페이스(204)에서 서로 고착되도록, 베이스 인스트루먼트(102) 및 제거 가능한 카트리지(104)는 작동 가능하게 맞물림된다. 예시된 실시예에서, 베이스 인스트루먼트(102) 및 제거 가능한 카트리지(104)는 전기 커플링, 열 커플링, 밸브 커플링 및 광학 커플링을 갖도록 구성된다. 더 상세하게는, 베이스 인스트루먼트(102) 및 제거 가능한 카트리지(104)는 전기 커플링을 통해서 데이터 및/또는 전기 전력을 통신할 수 있다. 베이스 인스트루먼트(102) 및 제거 가능한 카트리지(104)는 열 커플링을 통해서 서로에 그리고/또는 서로로부터 열 에너지를 전달할 수 있고, 베이스 인스트루먼트(102) 및 제거 가능한 카트리지(104)는 광학 커플링을 통해서 광 신호들(예컨대, 조사 광)을 통신할 수 있다.
[0092] 예시된 실시예에서, 시스템 인터페이스(204)는 단일-측 인터페이스(204)이다. 예컨대, 제어 측(202) 및 하우징 측(114)은 일반적으로 평탄하고 반대 방향들로 향한다. 시스템 인터페이스(204)는, 제거 가능한 카트리지(104) 및 베이스 인스트루먼트(102)가 정합 측(114) 및 제어 측(202)을 통해서만 서로 작동 가능하게 커플링되도록, 단일-측이다. 대안적인 실시예들에서, 시스템 인터페이스는 다중-측 인터페이스일 수 있다. 예컨대, 제거 가능한 카트리지의 적어도 2, 3, 4 또는 5개의 측들이 베이스 인스트루먼트와 커플링하도록 구성되는 정합 측들일 수 있다. 다수의 측들은 평탄할 수 있으며, 직교적으로 배열되거나 서로 대향할 수 있다(예컨대, 직사각형 용적 전체 또는 부분을 둘러쌈).
[0093] 제거 가능한 카트리지(104)의 작동들을 제어하기 위해서, 베이스 인스트루먼트(102)는 유동 제어 밸브들(121-123)에 작동 가능하게 맞물리도록 구성되는 밸브 액츄에이터들(211-213), 시료 준비 지역(132)으로부터의 열 에너지를 제공하고 그리고/또는 제거하도록 구성되는 열 블록(206), 및 전기적 콘택들(209)의 콘택 어레이(208)를 포함할 수 있다. 베이스 인스트루먼트(102)는 제어 측(202)을 따라 포지셔닝되는 광원(158)을 또한 포함할 수 있다. 베이스 인스트루먼트(102)는 제어 측(202)을 따라 포지셔닝되는 제어 포트(210)를 가진 시스템 펌프(119)를 또한 포함할 수 있다.
[0094] 시스템(100)은 잠금 기구(176)를 또한 포함할 수 있다. 예시된 실시예에서, 잠금 기구(176)는 제거 가능한 카트리지(104)의 래치 맞물림 엘리먼트(178)에 맞물리도록 구성되는 회전 가능한 래치(177)를 포함한다. 대안적으로, 제거 가능한 카트리지(104)는 회전 가능한 래치(177)를 포함할 수 있고, 베이스 인스트루먼트(102)는 래치 맞물림 엘리먼트(178)를 포함할 수 있다. 제거 가능한 카트리지(104)가 베이스 인스트루먼트(102)에 장착될 경우, 래치(177)는 회전되어 래칭 맞물림 엘리먼트(176)에 맞물릴 수 있다. 잠금 기구(176)에 의해 생성되는 캐밍 효과는 제거 가능한 카트리지(104)를 베이스 인스트루먼트(102)에 고착시키기 위해서 베이스 인스트루먼트(102) 쪽으로 제거 가능한 카트리지(104)를 유도하거나 구동할 수 있다.
[0095] 베이스 인스트루먼트(102)는, 지정된 어세이 프로토콜을 실시하기 위한 사용자 입력들을 수신하도록 구성되고, 그리고/또는 어세이에 관하여 사용자에 정보를 통신하도록 구성된 사용자 인터페이스(125)를 포함할 수 있다. 사용자 인터페이스(125)는 베이스 인스트루먼트(102)와 통합될 수 있다. 예컨대, 사용자 인터페이스(125)는, 베이스 인스트루먼트(102)의 하우징에 부착되고, 사용자로부터의 터치 및 터치스크린 상에 디스플레이되는 정보에 관한 터치의 로케이션을 식별하도록 구성된 터치스크린을 포함할 수 있다. 대안적으로, 사용자 인터페이스(125)는 베이스 인스트루먼트(102)에 대하여 원격으로 로케이팅될 수 있다.
[0096] 베이스 인스트루먼트(102)는 또한, 밸브 액츄에이터들(211-213), 열 블록(206), 콘택 어레이(208), 광원(158), 또는 시스템 펌프(119) 중 적어도 하나의 작동을 제어하도록 구성된 시스템 제어기(220)를 포함할 수 있다. 시스템 제어기(220)는 회로 모듈들의 집합적 개념으로 예시되지만, 전용 하드웨어 보드들, DSP들, 프로세서들 등의 임의의 조합을 활용하여 구현될 수 있다. 대안적으로, 시스템 제어기(220)는 단일 프로세서, 또는 프로세서들 사이에 기능적 작동들이 분배된 다수의 프로세서들을 갖는 기성품(off-the-shelf) PC를 활용하여 구현될 수 있다. 추가적인 선택으로서, 아래에서 설명되는 회로 모듈들은, 특정한 모듈식 기능들이 전용 하드웨어를 활용하여 수행되는 한편, 나머지 모듈식 기능들은 기성품 PC 등을 활용하여 수행되는 하이브리드 구성을 활용하여 구현될 수 있다.
[0097] 시스템 제어기(220)는 제거 가능한 카트리지(104) 및/또는 베이스 인스트루먼트(102)의 특정한 컴포넌트들의 작동을 제어하도록 구성된 복수의 회로 모듈들(221-224)을 포함할 수 있다. 예컨대, 회로 모듈(221)은 유체공학적 네트워크(106)를 통해 유체들의 유동을 제어하도록 구성된 유동 제어 모듈(221)일 수 있다. 유동 제어 모듈(221)은 시스템 펌프(119) 및 밸브 액츄에이터들(211-213)에 작동 가능하게 커플링될 수 있다. 유동 제어 모듈(221)은, 하나 또는 그 초과의 경로들을 통하는 유체의 유동을 유발하고, 그리고/또는 하나 또는 그 초과의 경로들을 통하는 유체의 유동을 차단하기 위해, 시스템 펌프(119) 및 밸브 액츄에이터들(211-213)을 선택적으로 활성화시킬 수 있다.
[0098] 단지 예로서, 밸브 액츄에이터(213)는 회전 가능한 밸브(123)와 회전 가능하게 맞물릴 수 있다. 밸브 액츄에이터(213)는 밸브 액츄에이터(213)를 구동(예컨대, 회전)하도록 구성된 회전 모터(214)를 포함할 수 있다. 유동 제어 모듈(221)은 회전 가능한 밸브(123)를 제 1 회전 포지션으로 이동시키기 위해 밸브 액츄에이터(213)를 활성화시킬 수 있다. 회전 가능한 밸브(123)가 제 1 회전 포지션에 있으면서, 유동 제어 모듈(221)은 시스템 펌프(219)를 활성화시킬 수 있고, 그에 의해, 시료 준비 구역(132)으로부터 그리고 반응 챔버(126) 내로 생체 시료를 끌어당길 수 있다. 그 후에, 유동 제어 모듈(221)은 회전 가능한 밸브(123)를 제 2 회전 포지션으로 이동시키기 위해 밸브 액츄에이터(213)를 활성화시킬 수 있다. 회전 가능한 밸브(123)가 제 2 회전 포지션에 있으면서, 유동 제어 모듈(221)은 시스템 펌프(219)를 활성화시킬 수 있고, 그에 의해, 대응하는 리저보어(들)로부터 그리고 반응 챔버(126) 내로 반응 컴포넌트들 중 하나 또는 그 초과를 끌어당길 수 있다. 일부 실시예들에서, 시스템 펌프(219)는, 유체가 반대 방향으로 활발하게 펌핑되도록, 포지티브 압력을 제공하도록 구성될 수 있다. 그러한 작동들은 공통 리저보어 내로 다수의 액체들을 추가함으로써 리저보어 내에서 액체들을 혼합하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 유체공학-커플링 포트(118)는 유체(예컨대, 가스)가 카트리지 하우징(110)에서 빠져나가게 허용할 수 있거나, 또는 카트리지 하우징(110) 내에 유체를 수용할 수 있다.
[0099] 시스템 제어기(220)는 또한, 열 제어 모듈(222)을 포함할 수 있다. 열 제어 모듈(222)은 시료 준비 구역(132)으로부터 열 에너지를 제거하고 그리고/또는 제공하기 위해 열 블록(206)을 제어할 수 있다. 하나의 특정한 예에서, 열 블록(206)은, PCR 프로토콜에 따라, 시료 채널(131) 내에서 생체 시료가 겪게 되는 온도를 증가시킬 수 있고 그리고/또는 감소시킬 수 있다. 도시되지 않았지만, 시스템(100)은 시료 준비 구역(132) 근처에 포지셔닝된 추가적인 열 디바이스들을 포함할 수 있다. 예컨대, 제거 가능한 카트리지(104)는 가요성 PCB 가열기(1412)(도 27a, 도 27b에서 도시됨)와 유사한 열 디바이스를 포함할 수 있다.
[00100] 시스템 제어기(220)는 또한, 생체 시료에 관한 데이터를 획득하기 위해 검출 조립체(108)를 제어하도록 구성된 검출 모듈(223)을 포함할 수 있다. 검출 모듈(223)은 콘택 어레이(208)를 통해 검출 조립체(108)의 작동을 제어할 수 있다. 예컨대, 검출 조립체(108)는 정합 측(114)을 따라 전기적 콘택들(196)의 콘택 어레이(194)와 통신 가능하게 맞물릴 수 있다. 일부 실시예에서, 전기적 콘택들(196)은 정합 측(114)으로 그리고 그로부터 리포지셔닝할 수 있는 가요성 콘택들(예컨대, 포고 콘택들 또는 콘택 빔들)일 수 있다. 전기적 콘택들(196)은 카트리지 하우징의 외부에 노출되고, 검출 조립체(108)에 전기적으로 커플링된다. 전기적 콘택들(196)은 입력/출력(I/O) 콘택들이라고 지칭될 수 있다. 베이스 인스트루먼트(102)와 제거 가능한 카트리지(104)가 작동 가능하게 맞물리게 되는 경우에, 검출 모듈(223)은 미리 정해진 시간들에서 또는 미리 정해진 시간 기간들 동안 데이터를 획득하도록 검출 조립체(108)를 제어할 수 있다. 예로서, 검출 모듈(223)은, 생체 시료가 그에 부착된 형광단을 갖는 경우에, 반응 챔버(126)의 이미지를 캡처하도록 검출 조립체(108)를 제어할 수 있다. 다수의 이미지들이 획득될 수 있다.
[00101] 선택적으로, 시스템 제어기(220)는 시스템(100)의 사용자에게 적어도 부분적인 결과들을 제공하기 위해 데이터를 분석하도록 구성된 분석 모듈(224)을 포함한다. 예컨대, 분석 모듈(224)은 이미징 검출기(109)에 의해 제공되는 이미징 데이터를 분석할 수 있다. 분석은 생체 시료의 핵산들의 시퀀스를 식별하는 것을 포함할 수 있다.
[00102] 시스템 제어기(220) 및/또는 회로 모듈들(221-224)은, 하나 또는 그 초과의 마이크로제어기들, 프로세서들, RISC(reduced instruction set computer), ASIC(application specific integrated circuit), FPGA(field programmable gate array), 논리 회로들, 및 본원에서 설명되는 기능들을 실행할 수 있는 임의의 다른 회로를 포함하는 하나 또는 그 초과의 논리-기반 디바이스들을 포함할 수 있다. 예시적 실시예에서, 시스템 제어기(220) 및/또는 회로 모듈들(221-224)은 하나 또는 그 초과의 어세이 프로토콜들을 수행하기 위해 이들에 저장된 명령들의 세트를 실행한다. 저장 엘리먼트들은 베이스 인스트루먼트(102) 및/또는 제거 가능한 카트리지(104) 내의 정보 소스들 또는 물리적 메모리 엘리먼트들의 형태일 수 있다. 어세이 시스템(100)에 의해 수행되는 프로토콜들은, 예컨대, DNA 또는 RNA의 양적 분석, 단백질 분석, DNA 시퀀싱(예컨대, SBS(sequencing-by-synthesis)), 시료 준비, 및/또는 시퀀싱을 위한 프래그먼트 라이브러리들의 준비를 수행하기 위한 것일 수 있다.
[00103] 명령들의 세트는 본원에서 설명되는 다양한 실시예들의 방법들 및 프로세스들과 같은 특정한 작동들을 수행하도록 시스템(100)에 명령하는 다양한 커맨드들을 포함할 수 있다. 명령들의 세트는 소프트웨어 프로그램의 형태일 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "소프트웨어" 및 "펌웨어"라는 용어들은 교환가능하고, 컴퓨터에 의한 실행을 위해, RAM 메모리, ROM 메모리, EPROM 메모리, EEPROM 메모리, 및 비-휘발성 RAM(NVRAM) 메모리를 포함하는 메모리에 저장된 임의의 컴퓨터 프로그램을 포함한다. 위의 메모리 타입들은 단지 예시적인 것이고, 따라서, 컴퓨터 프로그램의 저장을 위해 사용 가능한 메모리의 타입들에 대해 제한적이지 않다.
[00104] 소프트웨어는 시스템 소프트웨어 또는 애플리케이션 소프트웨어와 같은 다양한 형태들일 수 있다. 추가로, 소프트웨어는 개별적인 프로그램들, 또는 더 큰 프로그램 내의 프로그램 모듈 또는 프로그램 모듈의 부분의 집합의 형태일 수 있다. 소프트웨어는 또한, 객체-지향형 프로그래밍의 형태의 모듈식 프로그래밍을 포함할 수 있다. 검출 데이터를 획득한 후에, 검출 데이터는 시스템(100)에 의해 자동적으로 프로세싱될 수 있거나, 사용자 입력들에 응답하여 프로세싱될 수 있거나, 또는 다른 프로세싱 머신에 의해 행해진 요청(예컨대, 통신 링크를 통한 원격 요청)에 응답하여 프로세싱될 수 있다.
[00105] 시스템 제어기(220)는 유선 또는 무선일 수 있는 통신 링크들을 통해 시스템(100)의 다른 컴포넌트들 또는 서브-시스템들에 접속될 수 있다. 시스템 제어기(220)는 또한, 떨어진 시스템들 또는 서버들에 통신 가능하게 접속될 수 있다. 시스템 제어기(220)는 사용자 인터페이스(미도시)로부터 사용자 입력들 또는 커맨드들을 수신할 수 있다. 사용자 인터페이스는 키보드, 마우스, 터치-스크린 패널, 및/또는 음성 인식 시스템 등을 포함할 수 있다.
[00106] 시스템 제어기(220)는 소프트웨어 명령들을 저장하고, 해석하고, 그리고/또는 실행하는 것뿐만 아니라, 시스템(100)의 전체 작동을 제어하는 것과 같은 프로세싱 능력들을 제공하는 역할을 할 수 있다. 시스템 제어기(220)는 다양한 컴포넌트들의 전력 양태들 및/또는 데이터를 제어하도록 구성 및 프로그래밍될 수 있다. 시스템 제어기(220)가 도 1a에서 단일 구조로서 표현되지만, 시스템 제어기(220)가 시스템(100) 전반에 걸쳐 상이한 로케이션들에 분배된 다수의 개별적인 컴포넌트들(예컨대, 프로세서들)을 포함할 수 있다는 것이 이해된다. 일부 실시예들에서, 하나 또는 그 초과의 컴포넌트들이 베이스 인스트루먼트와 통합될 수 있고, 하나 또는 그 초과의 컴포넌트들이 베이스 인스트루먼트에 대하여 원격으로 로케이팅될 수 있다.
[00107] 도 1b는, 시료 준비 또는 시료 분석 중 적어도 하나를 위해 지정된 반응을 수행하는 방법(180)을 예시하는 흐름도이다. 특정한 실시예들에서, 방법(180)은 핵산을 시퀀싱하는 단계를 포함할 수 있다. 방법(180)은, 본원에서 논의되는 다양한 실시예들(예컨대, 시스템들 및/또는 방법들)의 구조들 또는 양태들을 이용할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 소정의 단계들이 생략 또는 부가될 수 있고, 소정의 단계들이 결합될 수 있고, 소정의 단계들이 동시에 수행될 수 있고, 소정의 단계들이 함께 수행될 수 있고, 소정의 단계들이 다수의 단계들로 분할될 수 있고, 소정의 단계들이 상이한 순서로 수행될 수 있거나, 소정의 단계들 또는 일련의 단계들이 반복적인 방식으로 재수행될 수 있다.
[00108] 예컨대, 방법(180)은 (182)에서, 카트리지 하우징을 갖는 제거 가능한 카트리지를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 제거 가능한 카트리지는, 카트리지 하우징 내에 배치된 유체공학적 네트워크를 포함할 수 있다. 제거 가능한 카트리지는 또한, 유체공학적 네트워크에 작동 가능하게 커플링되고 유체공학적 네트워크에 대해 이동 가능한 유동 제어 밸브를 포함할 수 있다. 유동 제어 밸브는, 예컨대, 회전 가능한 밸브와 같은 채널 밸브 또는 이동 가능한 밸브일 수 있다. 카트리지 하우징은, 제거 가능한 카트리지의 외부를 규정하는 하우징 측을 포함할 수 있다.
[00109] 방법(180)은 또한, (184)에서 제거 가능한 카트리지를 베이스 인스트루먼트에 장착(예컨대, 접촉)하는 단계를 포함할 수 있다. 제거 가능한 카트리지의 하우징 측은, 시스템 인터페이스를 집합적으로 규정하기 위해 베이스 인스트루먼트의 제어 측에 분리 가능하게 맞물린다. 베이스 인스트루먼트는, 시스템 인터페이스를 통해 유동 제어 밸브에 맞물리는 밸브 액츄에이터를 포함한다. 예컨대, 밸브 액츄에이터는, 제어 측을 클리어링하고, 제거 가능한 카트리지의 하우징 측을 따라 액세스 개구로 삽입되는 연장된 본체를 포함할 수 있다. 선택적으로, 밸브 액츄에이터는 유동 제어 밸브의 일부에 직접 맞물린다.
[00110] (186)에서, 하나 또는 그 초과의 생체 시료들은 제거 가능한 카트리지에 의해 수용될 수 있다. 예컨대, 사용자는, 유체공학적 네트워크와 유동 연통하는 시료 포트들에 생체 시료(들)를 추가하기 위해 피펫터를 사용할 수 있다. (186)에서의 수용하는 단계는 (184)에서의 접촉하는 단계 이전 또는 이후에 발생할 수 있다. 방법(180)은 (188)에서, 카트리지에서 시료 분석 또는 시료 준비 중 적어도 하나를 수행하기 위해, 제거 가능한 카트리지의 유체공학적 네트워크를 통해 유동하도록 생체 시료를 유체공학적으로 안내하는 단계를 포함할 수 있다. 예컨대, 생체 시료는 유체공학적 네트워크의 시료 준비 구역으로 안내될 수 있으며, 생체 시료의 유동은, 유동 제어 밸브 상의 밸브 액츄에이터의 작용에 의해 제어된다. 생체 시료가 시료 준비 구역 내에서 밀봉되는 동안, 생체 시료는 PCR과 같은 증폭 프로세스를 경험할 수 있다. 다른 예시로서, 생체 시료는 반응 챔버로 유동하도록 안내될 수 있으며, 생체 시료의 유동은 유동 제어 밸브 상의 밸브 액츄에이터의 작용에 의해 제어된다.
[00111] 선택적으로, (190)에서, 방법(180)은, 반응 챔버로 안내되는 생체 시료를 이미징 검출기를 사용하여 검출하는 단계를 포함한다. 검출 조립체는, 제거 가능한 카트리지 또는 베이스 인스트루먼트 중 적어도 하나에 의해 홀딩될 수 있다. 예컨대, 검출 조립체는 제거 가능한 카트리지 내에 통합될 수 있다. 베이스 인스트루먼트는, 검출 조립체의 작동을 제어하기 위해 검출 조립체에 전기적으로 커플링할 수 있다. 선택적으로, (186)에서 생체 시료를 유체공학적으로 안내하는 단계 및/또는 (190)에서 생체 시료를 이미징하는 단계는, 미리 결정된 스케줄 또는 시퀀스에 따라 다수회 반복될 수 있다.
[00112] 일부 실시예들에서, 방법(180)은 (192)에서, 베이스 인스트루먼트로부터 제거 가능한 카트리지를 제거하는 단계를 포함한다. 어세이 프로토콜이 완료된 이후, 제거 가능한 카트리지는 베이스 인스트루먼트로부터 제거될 수 있다. 일부 경우들에서, 제거 가능한 카트리지는 리필(re-filled) 또는 리퍼비시( refurbished)될 수 있다. 예컨대, 제거 가능한 카트리지는 오염제거 및/또는 살균될 수 있으며, 사용된 저장 모듈은 새로운 저장 모듈에 의해 교체될 수 있다. 그 후, 방법(180)은 (182)로 리턴할 수 있으며, (184)에서, 다른 제거 가능한 카트리지가 동일한 베이스 인스트루먼트에 대해 제공 및 장착된다. 제 1 제거 가능한 카트리지와 유사한 방식으로, 제 2 제거 가능한 카트리지의 하우징 측은, 시스템 인터페이스를 집합적으로 규정하기 위해 베이스 인스트루먼트의 제어 측에 분리 가능하게 맞물릴 수 있다.
[00113] 도 2는, 생화학적 분석 또는 시료 준비 중 적어도 하나를 수행하도록 구성되는 시스템(300)의 개략도이다. 시스템(300)은, 시스템(100)(도 1a)과 동일하거나 유사한 피처들을 포함할 수 있다. 예컨대, 시스템(300)은, 베이스 인스트루먼트(302), 및 베이스 인스트루먼트(302)에 분리 가능하게 맞물리도록 구성되는 제거 가능한 카트리지(304)를 포함한다. 베이스 인스트루먼트(302) 및 제거 가능한 카트리지(304)는, (도 1a에 도시된) 베이스 인스트루먼트(102) 및 제거 가능한 카트리지(104)와 유사한 피처들을 각각 가질 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 베이스 인스트루먼트(302)는, 인스트루먼트 측(306), 및 인스트루먼트 측(306)에 개방되는 카트리지 수용 슬롯(308)을 포함하는 인스트루먼트 하우징(303)을 갖는다. 일부 실시예들에서, 인스트루먼트 측(306)은, 베이스 인스트루먼트(302)의 중력에 대한 최상부를 표현하고, 인스트루먼트 하우징(303)의 외부를 부분적으로 형성할 수 있다. 예시된 실시예에서, 카트리지 수용 슬롯(308)은, 인스트루먼트 하우징(303)의 제어 측들(311-313) 또는 내부 도킹에 의해 규정된다. 제어 측들(311 및 313)은 서로 대향하며, 제어 측(312)은 제어 측들(311, 313) 사이에서 연장한다. 제어 측(312)은, 카트리지 수용 슬롯(308)으로의 개구(316)를 향할 수 있다.
[00114] 제거 가능한 카트리지(304)는, 카트리지 수용 슬롯(308) 내에 배치되고 베이스 인스트루먼트(302)에 작동 가능하게 맞물리도록 사이징 및 형상화된다. 도시된 바와 같이, 제거 가능한 카트리지(304)는, 하우징 측들(321-324)을 갖는 카트리지 하우징(320)을 포함한다. 하우징 측들(321-323)은, 베이스 인스트루먼트(302) 및 제거 가능한 카트리지(304)가 전기 커플링, 열 커플링, 광학 커플링, 및/또는 유체공학적 커플링 중 적어도 하나를 설정하기 위해, 도킹 또는 제어 측들(311-313)에 작동 가능하게 맞물리도록 구성된다. 그러므로, 하우징 측들(321-323)은 정합 측들(321-323)로 아래에서 지칭된다. 하우징 측(324)은 베이스 인스트루먼트(302)에 작동 가능하게 맞물리지 않는다. 따라서, 하우징 측(324)은 비-정합 측(324)으로 지칭될 수 있다.
[00115] 제거 가능한 카트리지(104)(도 1a)와 유사하게, 제거 가능한 카트리지(304)는, 지정된 반응들을 수행하도록 제거 가능한 카트리지(304) 내의 작동들을 제어하기 위한 복수의 피처들 및 컴포넌트들을 포함한다. 예컨대, 제거 가능한 카트리지(304)는, 비-정합 측(324)으로 개방되고, 하나 또는 그 초과의 생체 시료들을 수용하도록 구성되는 시료 포트들(330)을 갖는다. 대안적으로, 시료 포트들(330)은 정합 측(321-323) 중 하나로 개방될 수 있다. 그러한 실시예들에서, 생체 시료(들)는, 제거 가능한 카트리지(304)가 카트리지 수용 슬롯(308)으로 로딩되기 전에 시료 포트들(330) 내에 적층될 수 있다.
[00116] 제거 가능한 카트리지(304)는 또한, 시료 준비 구역(334)을 갖는 유체공학적 네트워크(332)를 포함할 수 있다. 유체공학적 네트워크(332)는, 저장 모듈(336), 이동 가능한 밸브(338), 이미징 검출기(342)를 갖는 검출 조립체(340), 및 폐기물 리저보어(344)와 같은 제거 가능한 카트리지(304)의 다수의 다른 컴포넌트들을 포함하거나 유체공학적으로 상호연결시킬 수 있다. 선택적으로, 제거 가능한 카트리지(304)는 또한, 광학 경로(346) 및 콘택 어레이(348)를 포함할 수 있다. 제거 가능한 카트리지(304)의 컴포넌트들은, 제거 가능한 카트리지(304)에 관하여 위에서 설명된 컴포넌트들과 유사할 수 있다.
[00117] 베이스 인스트루먼트(302)는, 지정된 반응들을 수행하기 위해 제거 가능한 카트리지(304)에 작동 가능하게 맞물리는 대응하는 컴포넌트들을 가질 수 있다. 예컨대, 베이스 인스트루먼트(302)는, 열 블록(350), 밸브 액츄에이터(352), 광원(356), 콘택 어레이(358), 및 시스템 펌프(360)를 포함한다. 제거 가능한 카트리지(304)가 카트리지 수용 슬롯(308)으로 로딩될 때, 또는 제거 가능한 카트리지(304)가 카트리지 수용 슬롯(308)으로 로딩된 이후, 제거 가능한 카트리지(304) 및 베이스 인스트루먼트(302)의 다양한 컴포넌트들은 서로 맞물릴 수 있다. 더 상세하게, 제거 가능한 카트리지(304)가 베이스 인스트루먼트(302)로 작동 가능하게 로딩되는 경우, 열 블록(350)은 시료 준비 구역(334)에 인접하게 로케이팅될 수 있고, 밸브 액츄에이터(352)는 이동 가능한 밸브(338)에 작동 가능하게 맞물릴 수 있고, 광원(356)은 광학 경로(346)에 통신 가능하게 커플링할 수 있고, 콘택 어레이(358)는 콘택 어레이(348)에 전기적으로 맞물릴 수 있으며, 시스템 펌프(360)는 유체공학적 네트워크(332)에 통신 가능하게 맞물릴 수 있다. 따라서, 제거 가능한 카트리지(304)는, 제거 가능한 카트리지(104)가 베이스 인스트루먼트(102)에 의해 제어되는 것과 유사한 방식으로 베이스 인스트루먼트(302)에 의해 제어될 수 있다.
[00118] 베이스 인스트루먼트(302)는, 제어 측들(311-313) 또는 정합 측들(321-323) 상에 로케이팅된 컴포넌트들을 손상시키지 않으면서, 제거 가능한 카트리지(304)가 카트리지 수용 슬롯(308)으로 자유롭게 삽입되게 하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 베이스 인스트루먼트(302)의 컴포넌트들 중 하나 또는 그 초과는, 제거 가능한 카트리지(304)를 향해 바이어싱되거나 제거 가능한 카트리지(304)를 향해 이동된다. 일부 실시예들에서, 열 블록(350) 및 밸브 액츄에이터(352)는 컴포넌트 지지부(362)로 고착된다. 컴포넌트 지지부(362)는, 제거 가능한 카트리지(304)가 카트리지 수용 슬롯(308) 내에 배치된 이후, 정합 측(321)을 향해 바이어싱되거나 정합 측(321)을 향해 이동될 수 있다. 유사한 방식으로, 시스템 펌프(360)가 컴포넌트 지지부(364)로 고착될 수 있다. 컴포넌트 지지부(364)는, 제거 가능한 카트리지(304)가 카트리지 수용 슬롯(308) 내에 배치된 이후, 정합 측(323)을 향해 바이어싱되거나 정합 측(323)을 향해 이동될 수 있다.
[00119] 컴포넌트 지지부들(362, 364)은 시스템 제어기(370)에 의해 자동적으로 활성화될 수 있다. 예컨대, 시스템 제어기(370)는, 제거 가능한 카트리지(304)가 카트리지 수용 슬롯(308)으로 로딩되고 있거나 이미 로딩되었다고 결정할 수 있다. 그 후, 시스템 제어기(370)는, 컴포넌트 지지부들(362, 364)을 정합 측들(321, 323)을 향해 구동시키기 위해 구동 기구 또는 다수의 기구들을 활성화시킬 수 있다. 대안적으로, 컴포넌트 지지부들(362, 364)은, 각각, 일단 시스템(300)의 사용자에 의해 활성화되면, 정합 측들(321, 323)을 향해 컴포넌트 지지부들(362, 364)을 구동시킬 수 있는 오퍼레이터-제어된 기구 또는 기구들에 작동 가능하게 링크될 수 있다. 따라서, 베이스 인스트루먼트(302)는, 제거 가능한 카트리지(304)가 카트리지 수용 슬롯(308)으로 (예컨대, 실질적인 걸림 또는 부딪침 없이) 자유롭게 전진하게 하도록 구성될 수 있다.
[00120] 본원에 기재된 실시예들은, 제거 가능한 카트리지 및 베이스 인스트루먼트가 다중 측 시스템 인터페이스를 형성할 수 있는 시스템들을 포함한다. 예컨대, 정합 측들(321-323) 각각은, 카트리지 수용 슬롯(308)을 규정하는 대응하는 제어 측에 작동 가능하게 맞물린다. 집합적으로, 정합 측들(321-323) 및 대응하는 제어 측들(311-313)은, 다중 측 인터페이스로 지칭될 수 있는 시스템 인터페이스를 규정한다. 그러한 실시예들은, 제거 가능한 카트리지(304)에 의해 경험되는 힘들을 밸런싱하기에 바람직할 수 있다. 예컨대, 열 블록(350) 및 밸브 액츄에이터(352)는, (화살표에 의해 표시된 바와 같이) 제 1 방향으로 힘(374)을 적용할 수 있다. 시스템 펌프(360)는, (화살표에 의해 표시된 바와 같이) 반대쪽의 제 2 방향으로 힘(376)을 적용할 수 있다. 콘택 어레이들(348, 358) 사이의 상호작용은 또한, 힘(376)의 일부를 제공할 수 있다.
[00121] 일부 실시예에서, 힘들(374, 376) 중 적어도 하나는 대응하는 컴포넌트들 사이의 밀접한 콘택의 제공을 용이하게 한다. 예컨대, 힘(374)은 시료 준비 구역(334)의 열 제어를 가능하게 하기 위하여 열 블록(350)과 시료 준비 구역(334) 사이의 밀접한 콘택을 제공할 수 있다. 마찬가지로, 힘(374)은 밸브 액츄에이터(352)가 이동 가능한 밸브(338)를 선택적으로 제어할 수 있도록 서로 적합하게 맞물리기 위하여 밸브 액츄에이터(352) 및 이동 가능한 밸브(338)를 허용할 수 있다. 힘(376)은 콘택 어레이들(348, 358)의 대응하는 전기적 콘택들 간의 밀접한 콘택을 가능하게 할 수 있다.
[00122] 도 3 및 도 4는 대응하는 베이스 인스트루먼트들 및 제거 가능한 카트리지들을 가지는 상이한 시스템들을 예시하며, 특히, 하나 또는 그 초과의 실시예들에 의해 활용될 수 있는 상이한 다중 측 인터페이스들을 예시한다. 예컨대, 도 3은 베이스 인스트루먼트(402) 및 제거 가능한 카트리지(404)를 포함하는 시스템(400)의 단부 도면이다. 베이스 인스트루먼트(402)는 제거 가능한 카트리지(404)를 수신하도록 사이징 및 형상화되는 측면 개방식 리세스(406)를 포함한다. 도시되는 바와 같이, 측면 개방식 리세스(406)는 서로에 대하여 수직 방향들로 향하는 제 1 및 제 2 제어 측들(411, 412)에 의해 형성된다. 더 구체적으로, 제 1 및 제 2 제어 측들(411, 412)은 L-형상의 리세스를 형성한다. 제 1 및 제 2 제어 측들(411, 412)은 제거 가능한 카트리지(404)의 제 1 및 제 2 정합 측들(413, 414) 각각과 작동 가능하게 맞물린다. 집합적으로, 다중 측 인터페이스(415)는 제 1 제어 측(411) 및 제 1 정합 측(413)과 제 2 제어 측(412) 및 제 2 정합 측(414) 사이에 형성된다. 더 구체적으로, 밸브 커플링, 유체공학적 커플링, 전기 커플링, 광학 커플링 또는 열 커플링 중 적어도 하나는 제 1 및 제 2 정합 측들(413, 414) 각각을 따라 설정될 수 있다.
[00123] 도 4는 베이스 인스트루먼트(422) 및 제거 가능한 카트리지(424)를 포함하는 시스템(420)의 하향식 도면이다. 베이스 인스트루먼트(422)는 카트리지 수용 슬롯(308)과 유사하거나 또는 동일할 수 있는 카트리지 수용 슬롯(426)을 포함한다(도 2). 카트리지 수용 슬롯(426)은 제거 가능한 카트리지(424)를 수용하도록 사이징 및 형상화된다. 도시되는 바와 같이, 카트리지 수용 슬롯(426)은 제어 측들(431-434)에 의해 형성된다. 제어 측들(431, 433)은 서로 대향하고, 제어 측들(432, 434)은 서로 대향한다. 제어 측들(431-434)은 제거 가능한 카트리지(424)의 정합 측들(441-444)과 각각 작동 가능하게 맞물린다. 집합적으로, 다중 측 인터페이스(427)는 제거 가능한 카트리지(424) 및 베이스 인스트루먼트(422)의 대응하는 측들 사이에 형성된다.
[00124] 도 5 내지 도 12는 베이스 인스트루먼트가 제거 가능한 카트리지의 유체공학적 네트워크를 통해 유동을 제어(예컨대, 정규화)할 수 있게 하는 상이한 밸빙 기구들을 예시한다. 도 5 내지 도 12 각각은 밸브 커플링이 시스템 인터페이스를 통해 베이스 인스트루먼트와 제거 가능한 카트리지 사이에 설정되는 시스템의 단면을 예시한다. 도 5 내지 도 12 각각은 베이스 인스트루먼트가 대응하는 채널을 개방 및 폐쇄하기 위하여 채널 밸브를 활성화할 수 있는 채널 밸브를 예시한다. 예컨대, 도 5 및 도 6은 위에서 설명된 시스템들, 이를테면, 시스템들(100(도 1a), 300(도 2), 400(도 3), 420(도 4))과 유사할 수 있는 시스템(500)의 일부분을 예시한다.
[00125] 도 5 및 도 6은 시스템 인터페이스(506)를 따라 작동 가능하게 맞물리는 베이스 인스트루먼트(502) 및 제거 가능한 카트리지(504)를 가지는 시스템(500)의 일부분의 단면을 예시한다. 도시되는 바와 같이, 제거 가능한 카트리지(504)는 카트리지 하우징(508)에 의해 홀딩되는 카트리지 하우징(508) 및 미세유체 본체(510)를 가진다. 예시되는 실시예에서, 미세유체 본체(510)는 나란히 스택되는 복수의 층들(5212-523)을 포함한다. 층들(521-523)은 도 14-75에 대하여 아래에서 설명되는 것들과 같은 PCB(printed circuit board) 층들일 수 있다. 층들(521-523)이 나란히 스택되는 경우 미세유체 본체(510)가 시료 채널(526)을 형성하도록 층들(521-523) 중 하나 또는 그 초과의 층이 에칭될 수 있다. 시료 채널(526)은 유체공학적 네트워크, 이를테면, 유체공학적 네트워크(106)(도 1a)의 일부분이며, 밸브 또는 내부 캐비티(528)를 포함한다.
[00126] 제거 가능한 카트리지(504)는 시료 채널(526)을 통해 유체의 유동을 정규화하도록 구성되는 채널 밸브(530)를 포함한다. 예컨대, 채널 밸브(530)는 유체가 방해받지 않고 유동할 수 있도록 최대 클리어런스를 허용할 수 있다. 채널 밸브(530)는 또한 그것을 통해 유체의 유동을 방해할 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "방해"라는 용어는 유체의 유동을 느리게 하는 것 또는 유체의 유동을 전적으로 블로킹하는 것을 포함할 수 있다. 도시되는 바와 같이, 시료 채널(530)은 밸브 캐비티(528)와의 유동 연통하는 제 1 및 제 2 포트들(532, 534)을 포함한다. 유체는 제 1 포트(532)를 통해 밸브 캐비티(528) 내부에서 그리고 제 2 포트(534)를 통해 밸브 캐비티(528) 외부에서 유동하도록 구성된다. 예시되는 실시예에서, 채널 밸브(530)는 제 1 및 제 2 조건들 사이에서 플렉싱될 수 있는 가요성 멤브레인을 구성한다. 가요성 멤브레인은 도 5의 제 1 조건에 있고 도 6의 제 2 조건에 있다. 특정 실시예들에서, 가요성 멤브레인은 가요성 층, 이를테면 멤브레인 층(918)(도 23a, 23b에 도시됨)이다. 가요성 층은 그것을 통해 유체의 유동을 블로킹하기 위하여 밸브 캐비티(528)로 푸시되도록 구성된다. 대안적인 실시예들에서, 채널 밸브(530)는 유체의 유동을 정규화하기 위하여 상이한 조건들 또는 포지션들 간에 이동할 수 있는 또 다른 물리적 엘리먼트일 수 있다.
[00127] 또한 도시되는 바와 같이, 베이스 인스트루먼트(502)는 채널 밸브(530)를 활성화시키도록 구성되는 밸브 액츄에이터(540)를 포함한다. 예컨대, 밸브 액츄에이터(540)는 제 1 및 제 2 조건들 간의 가요성 멤브레인을 플렉싱할 수 있다. 밸브 액츄에이터(540)는 시스템 인터페이스(506)를 통해 연장되는 세장형 본체(542), 이를테면, 포스트(post) 또는 로드(rod)를 포함한다. 더 구체적으로, 세장형 본체(542)는 베이스 인스트루먼트(502)의 제어 측(544)을 클리어한다. 제거 가능한 카트리지(504)는 밸브 액츄에이터(540)를 수용하는 억세스 개구(546)를 가진다. 억세스 개구(546)는 제거 가능한 카트리지(504)의 정합 측(548)으로 개방한다. 도시되는 바와 같이, 세장형 본체(542)는 제어 측(544)으로부터 멀어져 정합 측(548)의 억세스 개구(546)로 돌출한다. 억세스 개구(546)는, 밸브 액츄에이터(540)가, 예시되는 실시예에서 가요성 멤브레인 채널 밸브(530)와 직접적으로 맞물리게 허용한다. 도 5에서, 밸브 액츄에이터(540)는 제 1 상태 또는 포지션에 있다. 도 6에서, 밸브 액츄에이터(540)는 제 2 상태 또는 포지션에 있다. 제 2 포지션에서, 밸브 액츄에이터(540)는 채널 밸브(530) 쪽으로 소정의 거리만큼 이동되며, 채널 밸브(530)와 맞물린다. 밸브 액츄에이터(540)는 채널 밸브(530)가 제 1 포트(532)를 커버하도록 채널 밸브(530)를 변형시킬 수 있다. 이로써, 제 1 포트(532)를 통한 유체 유동은 채널 밸브(530)에 의해 블록킹된다.
[00128] 일부 실시예들에서, 시스템(500)은 도 5 및 도 6에 도시되는 채널 밸브(530)와 유사하거나 또는 동일한 제 1 및 제 2 채널 밸브들을 가질 수 있으며, 여기서, 제 1 채널 밸브는 유체 네트워크의 시료 준비 구역(도시되지 않음)에 대하여 상류에 있고, 제 2 채널 밸브는 시료 준비 구역에 대하여 하류에 있다. 이로써, 제 1 및 제 2 채널 밸브들은 시료 준비 구역 내에 생체 시료를 포함할 수 있는 유체를 효과적으로 밀봉할 수 있다. 그 다음, 생체 시료를 가지는 유체는 유체를 PCR 프로토콜과 같은 증폭 프로토콜로 서브젝팅하도록 가열될 수 있다.
[00129] 도 7 및 도 8은 시스템 인터페이스(556)를 따라 작동 가능하게 맞물리는 베이스 인스트루먼트(552) 및 제거 가능한 카트리지(554)를 가지는 시스템(550)의 일부분의 단면을 예시한다. 베이스 인스트루먼트(552) 및 제거 가능한 카트리지(554)는 도 5 및 도 6에 도시되는 베이스 인스트루먼트(502) 및 제거 가능한 카트리지(504)와 각각 유사할 수 있다. 베이스 인스트루먼트(552)는 베이스 인스트루먼트(552)의 제어 측(594)을 클리어하는, 노즐과 같은 세장형 본체(592)를 가지는 밸브 액츄에이터(590)를 가지며, 제거 가능한 카트리지(554)의 정합 측(598)의 억세스 개구(596)로 삽입된다. 밸브 액츄에이터(590)는 시스템 인터페이스(556)를 통해 연장된다. 선택적으로, 베이스 인스트루먼트(552)는 세장형 본체(592)를 둘러싸고 폐쇄 챔버를 제공하도록 억세스 개구(596)를 밀봉하는 밀봉 부재(595), 이를테면, O-링을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제거 가능한 카트리지(554)는 밸브 액츄에이터(590)에 의해 기학상으로(pneumatically) 활성화되는, 가요성 멤브레인일 수 있는 채널 밸브(580)를 포함한다. 더 구체적으로, 밸브 액츄에이터(590)는, 그에 의해 채널 밸브(580)로 하여금 변형되게 하는 폐쇄 챔버 내에서 압력을 증가시키기 위하여 유체(예컨대, 공기)를 제공하도록 구성된다. 채널 밸브(580)가 변형되는 경우, 채널 밸브는 시료 채널(576)의 제 1 포트(582)를 커버할 수 있고, 그에 의해, 시료 채널(576)을 통해 유동을 블록킹한다.
[00130] 도 9 및 도 10은 시스템들(500 및 550)과 유사한 시스템(600)을 예시한다. 더 구체적으로, 도 9 및 도 10은 시스템 인터페이스(606)를 따라 작동 가능하게 맞물리는 베이스 인스트루먼트(602) 및 제거 가능한 카트리지(604)를 가지는 시스템(600)을 예시한다. 제거 가능한 카트리지(604)는 베이스 인스트루먼트(602)의 밸브 액츄에이터(640)에 의해 회전 가능하게 맞물리는 이동 가능한 밸브(630)를 포함한다. 이동 가능한 밸브(630)는 제 1 회전 포지션(도 9에 도시됨)에 있는 경우 시료 채널(626)을 통해 유동을 허용하고 제 2 회전 포지션(도 10에 도시됨)에 있는 경우 시료 채널(626)을 통해 유동을 블로킹하도록 형상화되는 평탄한 본체이다. 더 구체적으로, 이동 가능한 밸브(630)는 제 2 회전 포지션에 있는 경우 포트(632)를 커버할 수 있다.
[00131] 도 11은 미세유체 본체(702) 및 회전 가능한 밸브(704)를 가지는 제거 가능한 카트리지(700)의 노출된 부분의 사시도이다. 제거 가능한 카트리지(700)는 제거 가능한 카트리지(104)(도 1) 및 본원에서 설명되는 다른 제거 가능한 카트리지들과 유사할 수 있다. 회전 가능한 밸브(704)는 이동 가능한 밸브(123)(도 1)와 유사할 수 있다. 회전 가능한 밸브(704)는 미세유체 본체(702)의 본체 측 또는 표면(706)에 회전 가능하게 장착되도록 구성된다. 회전 가능한 밸브(704)는 축(710)을 중심으로 회전되는 경우 본체 측(706)에 슬라이드 가능하게 맞물리도록 구성되는 유체공학적 측(708)을 가진다. 미세유체 본체(702)는 복수의 시료 채널들(763, 764), 복수의 리저보어 채널들(765) 및 공급 채널(766)을 가지는 유체공학적 네트워크(760)를 포함할 수 있다. 채널들(763-766)은 이산 채널들이다. 예컨대, 채널들(763-766)은 회전 가능한 밸브(704)의 회전 포지션에 기반하여 연결해제될 수 있다.
[00132] 채널들(763-766)은 본체 측(706)으로 개방되는 대응하는 포트들을 가진다. 예시되는 실시예에서, 4개의 시료 채널들(763)은 단일 시료 채널(764)과 유동 연통한다. 이로써, 시료 채널들(763)은 채널 부분들로 지칭될 수 있고, 시료 채널(764)은 공통 시료 채널로 지칭될 수 있다. 시료 채널들(763) 각각은 한 쌍의 채널 밸브들(761, 762)에 작동 가능하게 커플링된다. 채널 밸브들(761, 762)은 본원에서 설명되는 채널 밸브들, 이를테면, 채널 밸브(530)와 유사할 수 있다. 대응하는 폐쇄 포지션들에 있는 경우, 채널 밸브들(761, 762)은 대응하는 생체 시료를 포함하는 액체를 밀봉할 수 있다. 일부 실시예들에서, 시료 채널들(763)은 열 제어 영역(770)에 인접하게 연장된다. 생체 시료들이 대응하는 시료 채널들(763) 내에서 밀봉되는 경우, 가열 엘리먼트(도시되지 않음) 및 열 블록(도시되지 않음)은 열 제어 영역(770)에 인접하게 포지셔닝될 수 있다. 가열 엘리먼트 및 열 블록은 시료 채널들(763) 내에서 생체 시료들에 의해 경험되는 온도를 증가 및/또는 감소시키도록 조정될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 시료 채널들(763)은 시료 준비 구역들을 구성할 수 있다.
[00133] 공급 채널(766)은 반응 챔버(716)와 유동 연통하고, 리저보어 채널들(765)은 저장 모듈(도시되지 않음)의 대응하는 리저보어(도시되지 않음)와 유동 연통할 수 있다. 시료 채널(764)은 네트워크 포트(721)를 갖고, 공급 채널(766)은 공급 포트(722)를 가지며, 리저보어 채널(765)은 대응하는 리저보어 포트들(723)을 갖는다. 네트워크 포트(721), 공급 포트(722) 및 리저보어 포트들(723)은 본체 측(706)에 대해 개방된다. 리저보어 포트들(723)은 대응하는 리저보어 채널(765)을 통해 대응하는 모듈 포트(724)와 유동 연통한다. 도시된 바와 같이, 모듈 포트들(724)은 공급 포트(722) 또는 축(710)으로부터 떨어진 본체 측(706)을 따라 다양한 로케이션들에 포지셔닝될 수 있다. 모듈 포트들(724)은 리저보어들(도시되지 않음)에 대해 유체공학적으로 커플링하도록 구성된다. 모듈 포트들(724)은 리저보어들의 크기들에 기초한 로케이션들을 가질 수 있다.
[00134] 도시된 실시예에서, 미세유체 본체(702)는 회전 가능한 밸브(704)에 직접 상호연결되는 총 15개의 채널들을 갖는다. 보다 구체적으로는, 단지 일 시료 채널(764) 및 단지 일 공급 채널(766)이지만, 13개의 리저보어 채널들(765)은 회전 가능한 밸브(704)에 직접 (유체공학적으로) 상호연결될 수 있다. 다른 실시예에서, 미세유체 본체(702)는 회전 가능한 밸브(704)와 직접 상호연결되는 다수의 시료 채널들(764) 및/또는 다수의 공급 채널들(766)을 포함할 수 있다. 각각의 시료 채널(763)은 사용자로부터 생체 시료를 수신하도록 구성된 대응하는 시료 포트(도시되지 않음)에 유체공학적으로 커플링될 수 있다.
[00135] 유체공학적 측(708)은 밸브 수용 영역(728)에서 본체 측(706)과 슬라이드 가능하게 맞물리도록 구성된다. 회전 가능한 밸브(704)는 유체공학적 측(708)이 본체 측(706)을 따라 포트들(721-723) 중 하나 또는 그 초과의 포트들 및 밸브 수용 영역(728)을 덮도록 사이징되고 성형된다. 회전 가능한 밸브(704)는 공급 포트(722)를 포트들(721, 723) 중 하나 또는 그 초과의 포트에 유체공학적으로 상호연결하도록 구성된 유동 채널(744)(도 12에 도시됨)을 포함한다. 회전 가능한 밸브(704)는 하나 또는 그 초과의 포트들을 통해 유동을 차단할 수 있고 회전 가능한 밸브(704)의 포지션 및 구성에 기초하여 하나 또는 그 초과의 다른 포트들을 통한 유동을 허용한다.
[00136] 도 12는 밸브 액츄에이터(730)와 작동 가능하게 맞물리는 회전 가능한 밸브(704)의 단면을 도시한다. 보다 구체적으로, 회전 가능한 밸브(704)는 유체공학적 측(708) 및 작동 측(734)을 갖는 밸브 본체(732)를 포함한다. 작동 측(734)은 밸브 액츄에이터(730)와 맞물리도록 구성되는 기계적 인터페이스(736)를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 기계적 인터페이스(736)는 축(710)과 일치하는 평탄한 본체 또는 핀을 포함한다. 밸브 액츄에이터(730)는 기계적 인터페이스(736)를 수용하도록 구성된 슬롯(738)을 포함하여, 밸브 액츄에이터(730)가 회전 가능한 밸브(704)와 작동 가능하게 맞물리게 한다. 보다 구체적으로, 회전 가능한 밸브 액츄에이터(730)는 회전 가능한 밸브(704)와 맞물려서 밸브 액츄에이터(730)가 축(710)을 중심으로 회전 가능한 밸브(704)를 회전시킬 수 있게 한다.
[00137] 유체공학적 측(708)은 복수의 밸브 포트들(740, 742) 및 밸브 포트(740, 742) 사이에서 연장되는 유동 채널(744)을 포함한다. 유체공학적 측(708)은 밸브 수용 영역(728)에서 본체 표면(706)과 슬라이드 가능하게 맞물린다. 예시적 실시예에서, 회전 가능한 밸브(704)는 단지 2개의 밸브 포트들(740, 742) 및 단지 하나의 유동 채널(744)을 포함한다. 다른 실시예에서, 회전 가능한 밸브(704)는 3개 이상의 밸브 포트들 및/또는 2개 이상의 유동 채널을 포함할 수 있다.
[00138] 도 12에 도시된 바와 같이, 공급 포트(722)는 밸브 포트(740)에 대해 유체공학적으로 정렬되고 커플링되며, 밸브 포트(742)는 네트워크 포트(721)에 대해 유체공학적으로 정렬되고 커플링된다. 회전 가능한 밸브(704)의 회전 포지션에 기초하여, 밸브 포트(742)는 또한 컴포넌트 포트(723) 중 하나에 유체공학적으로 커플링될 수 있다. 전술한 바와 같이, 회전 가능한 밸브(704)는 축(710)을 중심으로 회전하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 공급 포트(722) 및 밸브 포트(740)는 공급 포트(722) 및 밸브 포트(740)가 축(710)과 정렬되도록 포지셔닝된다. 보다 구체적으로, 축(710)은 공급 포트(722) 및 밸브 포트(740)의 각각을 통해 연장한다.
[00139] 밸브 액츄에이터(730)가 회전 가능한 밸브(704)와 작동 가능하게 맞물릴 때, 밸브 액츄에이터(730)는 본체 측(706) 반대 방향으로 액츄에이터 힘(748)을 가할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 액츄에이터 힘(748)은 밸브 포트(740, 742) 사이에서 유동 채널(744)을 밀봉하고 리저보어 포트들(723) 및/또는 네트워크 포트(721)를 밀봉하기에 충분할 수 있다.
[00140] 따라서, 회전 가능한 밸브(704)는 제 1 회전 포지션에서 공급 포트(722) 및 네트워크 포트(721)를 유체공학적으로 커플링하고, 제 2 회전 포지션에서 공급 포트(722) 및 대응하는 리저보어 포트(723)를 유체공학적으로 커플링할 수 있다. 회전 가능한 밸브(704)가 상이한 회전 포지션들 사이에서 회전될 때, 회전 가능한 밸브(704)는 유체공학적 네트워크의 유동 경로를 효과적으로 변화시킨다.
[00141] 유체는 유동 채널(744)을 통해 어느 한 방향으로 유동할 수 있다. 예를 들어, 시스템 펌프(119)(도 1)와 같은 시스템 펌프(도시되지 않음)는 공급 포트(722)와 유동 연통할 수 있다. 시스템 펌프는 네트워크 포트(721)(또는 대응하는 리저보어 포트(723))를 통해, 그리고 나서 유동 채널(744)로, 그리고 나서 공급 포트(722)를 통해 유체를 풀링하는 흡입 힘을 생성할 수 있다. 대안적으로, 시스템 펌프는, 유체가 공급 포트(722)를 통해 그리고 나서 유동 채널(744)로 그리고 나서 네트워크 포트(721)(또는 대응하는 리저보어 포트(723))를 통해 유동하도록 유동 채널(744) 내의 유체를 변위시키는 양의 압력을 제공할 수 있다.
[00142] 도 13은 네트워크 포트(721), 공급 포트(722), 및 리저보어 포트들(723)을 도시하는 본체 측(706)의 하향식 도면이다. 유동 채널(744)은 2개의 상이한 회전 포지션들에서 표현된다. 리저보어 포트들(723)은 리저보어 포트들(723A-723D)을 포함할 수 있다. 리저보어 포트들(723A-723D) 각각은 대응하는 리저보어 채널(765)(도 10)을 통해 대응하는 리저보어에 유체공학적으로 커플링된다. 보다 구체적으로, 리저보어 포트(723A)는 수소화반응 버퍼에 유체공학적으로 커플링되고, 리저보어 포트(723B)는 뉴클레오티드 용액에 유체공학적으로 커플링되고, 리저보어 포트(723C)는 세척 용액에 유체공학적으로 커플링되고, 리저보어 포트(723D)는 클리빙 용액에 유체공학적으로 커플링된다. 전술된 바와 같이, 회전 가능한 밸브(704)(도 11)의 회전 포지션에 기초하여, 유동 채널(744)은 공급 포트(722)를 시료 채널(763, 764)에 또는 대응하는 리저보어에 유체공학적으로 커플링할 수 있다.
[00143] 표 1은 SBS(sequencing-by-synthesis) 프로토콜의 다양한 스테이지들을 도시하지만, 다른 어세이 프로토콜들이 구현될 수 있다는 것이 이해된다. 스테이지 1에서, 유동 채널(744)은 네트워크 포트(721) 및 공급 포트(722)를 유체공학적으로 커플링하는 회전 포지션을 갖는다. 스테이지 1에서, 채널 밸브(도시되지 않음)는 대응하는 시료 준비 구역 내에서 제 2, 제 3 및 제 4 생체 시료를 밀봉하지만 제 1 생체 시료가 네트워크 포트(721)를 통해 유동하도록 허용하기 위해 선택적으로 활성화될 수 있다. 따라서, 스테이지 1에서, 시스템 펌프는 유동 채널(744) 내로 제 1 생체 시료를 드로우하는 흡입 힘을 가할 수 있다. 스테이지 2 에서, 회전 가능한 밸브(704)는 제 2 회전 포지션으로 회전되고, 제 1 생체 시료는 유동 채널(744) 내에 저장되어서, 유동 채널(744)은 리저보어 포트(723A) 및 공급 포트(722)를 유체공학적으로 커플링한다. 제 2 회전 포지션에서, 시스템 펌프는 제 1 생체 시료를 리저보어 포트(723A)를 통해 그리고 수소화반응 버퍼 리저보어 내로 푸시하는 포지티브 변위력을 제공할 수 있다.
[00144] 스테이지 3에서, 회전 가능한 밸브(704)는 제 1 회전 포지션으로 다시 회전되고, 채널 밸브는 제 2 생체 시료가 유동 채널(744) 내로 드로우될 수 있도록 선택적으로 활성화된다. 스테이지 4에서, 회전 가능한 밸브(704)는 제 2 회전 포지션으로 다시 회전되고, 제 1 생체 시료는 유동 채널(744) 내에 저장되고, 제 2 생체 시료는 제 1 생체 시료와 함께 수소화반응 버퍼에 추가된다. 스테이지 5 내지 8 동안, 제 3 및 제 4 구역들은 대응하는 시료 준비 구역들로부터 제거되고 수소화반응 버퍼에 추가된다. 따라서, 4개의 생체 시료들은 수소화반응 버퍼를 갖는 단일 리저보어 내에 저장될 수 있다. 반응들이 생체 시료 및 SBS 시퀀싱을 위한 생체 시료를 준비하는 수소화반응 버퍼와 함께 발생할 수 있다.
[00145] 스테이지 9에서, 조합된 생체 시료/수소화반응 버퍼는 리저보어 포트(723A)를 통해, 유동 채널(744)을 통해, 공급 포트(722)를 통해 그리고 반응 챔버(도시되지 않음) 내로 드로우된다. 생체 시료들은 반응 챔버를 규정하는 표면들에 고정될 수 있다. 예를 들어, 생체 시료들을 포함하는 클러스터가 형성될 수 있다. 스테이지 10 내지 13은 시퀀싱 사이클을 표현한다. 스테이지 10에서, 회전 가능한 밸브(704)는, 뉴클레오티드 용액이 유동 채널(744)을 통해 그리고 반응 챔버 내로 드로우될 수 있도록 제 3 회전 포지션에 있을 수 있다. 이 때, 베이스는 대응하는 생체 시료들(예를 들어, 템플릿 핵산)에 통합될 수 있다. 스테이지 11에서, 회전 가능한 밸브(704)는, 세척 용액이 반응 챔버를 통해 유동하고 반응 챔버로부터 멀리 뉴클레오티드 용액을 운반할 수 있도록 제 4 회전 포지션에 있을 수 있다. 스테이지 11 후에, 반응 챔버는 이미징 검출기에 의해 이미징될 수 있다. 클러스터들로부터 방출된 광의 컬러는 클러스터들에 의해 통합된 베이스를 식별하는 데 사용될 수 있다. 스테이지 12에서, 회전 가능한 밸브(704)는, 클리빙 용액( cleaving solution)이 반응 챔버를 통해 유동할 수 있고 형광단들(및, 존재한다면, 가역적 종결부 모이어티들(reversible terminator moieties))이 클러스터들로부터 제거될 수 있도록 제 4 회전 포지션에 있을 수 있다. 스테이지 13에서, 회전 가능한 밸브(704)는 재차 제 3 회전 포지션에 있을 수 있고, 세척 용액은 반응 챔버를 통해 유동하여 클리빙 용액을 제거할 수 있다. 스테이지 10 내지 13은 시퀀싱의 완료까지 그리고/또는 시약들이 고갈될 때까지 반복될 수 있다.
포트 유동 채널로 유동하는 유체의 타입 유동 방향
스테이지 1 721 제 1 생체 시료 하류
스테이지 2 723A 제 2 생체 시료 상류
스테이지 3 721 제 3 생체 시료 하류
스테이지 4 723A 제 3 생체 시료 상류
스테이지 5 721 제 3 생체 시료 하류
스테이지 6 723A 제 3 생체 시료 상류
스테이지 7 721 제 4 생체 시료 하류
스테이지 8 723A 제 4 생체 시료 상류
스테이지 9 723A 조합된 생체 시료들 + 수소화반응 버퍼 하류
스테이지 10 723B 뉴클레오티드 용액 하류
스테이지 11 723C 세척 용액 하류
스테이지 12 723D 클리빙 용액 하류
스테이지 13 723C 세척 용액 하류
검출이 완료될 때까지 스테이지들(10-13)을 반복함.
[00146] 전술한 실시예들은 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함되는 미국 가특허 출원 제61/951,462호(대리인 관리 번호 IP-1210-PRV_296PRV2)(이하, "'462 출원")의 요지와 함께 이용될 수 있다. '462 출원의 적어도 일부가 아래에 제공된다.
[00147] 본원에 설명된 방법들은 다양한 핵산 시퀀싱 기술들과 함께 사용될 수 있다. 특히 응용 가능한 기술들은, 핵산들이 어레이에서 고정된 로케이션들에 부착되어 이 핵산들의 상대적 포지션들이 변하지 않으며 이 어레이가 반복적으로 검출되거나 또는 이미징되는 기술들이다. 예컨대 하나의 뉴클레오티드 베이스 타입을 다른 뉴클레오티드 베이스 타입으로부터 구별하기 위해 사용되는 상이한 라벨들과 일치하는 상이한 컬러 채널들에서 이미지들이 획득되는 실시예들이 특히 응용가능하다. 일부 실시예들에서, 타겟 핵산의 뉴클레오티드 시퀀스를 결정하기 위한 프로세스는 자동화된 프로세스일 수 있다. 바람직한 실시예들은 "SBS(sequencing-by-synthesis)" 기술들을 포함한다.
[00148] "SBS(sequencing-by-synthesis) 기술들"은 일반적으로, 템플릿 스트랜드에 대한 뉴클레오티드들의 반복적 추가를 통한 발생기의 핵산 스트랜드의 효소의 연장을 수반한다. SBS의 통상적인 방법들에서는, 각각의 전달에서 중합효소의 존재시, 타겟 뉴클레오티드에 단일 뉴클레오티드 단량체가 제공될 수 있다. 그러나, 본원에 설명된 방법들에서는, 전달에서 중합효소의 존재시, 타겟 핵산에 하나보다 많은 타입의 뉴클레오티드 단량체가 제공될 수 있다.
[00149] SBS는 종결부 모이어티를 갖는 뉴클레오티드 단량체들 또는 어떠한 종결부 모이어티들도 없는 뉴클레오티드 단량체들을 활용할 수 있다. 종결부들이 없는 뉴클레오티드 단량체들을 활용하는 방법들은, 예컨대, 아래에서 더욱 상세히 제시되는 바와 같이 감마-포스페이트-라벨 뉴클레오티드들을 사용하는 시퀀싱 및 파이로시퀀싱(pyrosequencing)을 포함한다. 종결부들이 없는 뉴클레오티드 단량체들을 사용하는 방법들에서, 각각의 사이클에서 추가되는 뉴클레오티드들의 개수는 일반적으로 가변적이며, 템플릿 시퀀스 및 뉴클레오티드 전달 모드에 따라 좌우된다. 종결부 모이어티를 갖는 뉴클레오티드 단량체들을 활용하는 SBS 기술들의 경우, 디데옥시뉴클레오티드들을 활용하는 통상적인 Sanger 시퀀싱에 대한 경우와 같이 종결부는 사용되는 시퀀싱 조건들 하에서 효과적으로 비가역적일 수 있거나, 또는 Solexa(이제는, Illumina, Inc.)에 의해 개발된 시퀀싱 방법들에 대한 경우와 같이 종결부는 가역적일 수 있다.
[00150] SBS 기술들은 라벨 모이어티를 갖는 뉴클레오티드 단량체들 또는 라벨 모이어티가 없는 뉴클레오티드 단량체들을 활용할 수 있다. 이에 따라, 라벨의 특성, 이를테면, 라벨의 형광; 뉴클레오티드 단량체의 특성, 이를테면, 분자량 또는 전하; 뉴클레오티드의 혼성의 부산물, 이를테면, 양성자 또는 파이로포스페이트의 방출 등에 기반하여 혼성 이벤트들이 검출될 수 있다. 시퀀싱 시약에 2 또는 그 초과의 상이한 뉴클레오티드들이 존재하는 실시예들에서, 상이한 뉴클레오티드들은 서로 구별 가능할 수 있거나, 또는 대안적으로, 사용되고 있는 검출 기술들 하에서 2 또는 그 초과의 상이한 라벨들이 구별이 안 될 수 있다. 예컨대, 시퀀싱 시약에 존재하는 상이한 뉴클레오티드들은 상이한 라벨들을 가질 수 있으며, 이 상이한 뉴클레오티드들은 Solexa(이제는, Illumina, Inc.)에 의해 개발된 시퀀싱 방법들에 의해 예시된 적합한 옵틱들을 사용하여 구별될 수 있다.
[00151] 다른 예시적 타입의 SBS에서, 예컨대 국제 특허 공개 번호 WO 04/018497 및 U.S. 특허 제 7,057,026호(이들의 개시들은 본원에 인용에 의해 통합됨)에서 설명된 바와 같은, 예컨대 절단성 또는 광표백성 염료 라벨을 포함하는 비가역적 종결부 뉴클레오티드들의 단계적 추가에 의해 사이클 시퀀싱이 달성된다. 이 접근법은 Illumina Inc.에 의해 상용화되고 있으며, 국제 특허 공개 번호 WO 91/06678 및 국제 특허 공개 번호 WO 07/123,744(이들 각각은 본원에 인용에 의해 통합됨)에서 또한 설명된다. 종료가 반전되는 것 그리고 형광 라벨이 절단되는 것 둘 모두가 이루어질 수 있는 형광-라벨 종결부들의 이용가능성은 효율적인 CRT(cyclic reversible termination) 시퀀싱을 용이하게 한다. 중합효소들이 또한 코-엔지니어링되어, 이들 변형된 뉴클레오티드들로부터 효율적으로 통합 및 연장될 수 있다.
[00152] 바람직하게, 가역적 종결부-기반 시퀀싱 실시예들에서, 라벨들은 SBS 반응 조건들 하에서 연장을 실질적으로 억제하지 않는다. 그러나, 검출 라벨들은 예컨대 난할(cleavage) 또는 감성(degradation)에 의해 제거 가능할 수 있다. 어레이형 핵산 피처들로의 라벨들의 혼성 이후에, 이미지들이 캡쳐될 수 있다. 특정 실시예들에서, 각각의 사이클은 어레이로의 네 개의 상이한 뉴클레오티드 타입들의 동시 전달을 수반하며, 각각의 뉴클레오티드 타입은 스펙트럼으로 별개의 라벨을 갖는다. 이후, 네 개의 이미지들이 획득될 수 있으며, 이미지들 각각은 네 개의 상이한 라벨들 중 하나에 대해 선택적인 검출 채널을 사용한다. 대안적으로, 상이한 뉴클레오티드 타입들이 순차적으로 추가될 수 있으며, 각각의 추가 단계 사이에서 어레이의 이미지가 획득될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 각각의 이미지는 특정 타입의 혼성된 뉴클레오티드들을 갖는 핵산 피처들을 나타낼 것이다. 각각의 피처의 상이한 시퀀스 함량으로 인해, 상이한 이미지들에서 상이한 피처들이 존재하거나 또는 부재할 것이다. 그러나, 피처들의 상대적 포지션은 이미지들에서 변하지 않은 채로 남아 있을 것이다. 이러한 가역적 종결부-SBS 법들로부터 획득되는 이미지들은 본원에 제시된 바와 같이 저장, 프로세싱, 및/또는 분석될 수 있다. 이미지 캡처 단계 이후에, 뉴클레오티드 추가 및 검출의 후속 사이클들을 위해 라벨들은 제거될 수 있고 가역적 종결부 모이어티들이 제거될 수 있다. 라벨들이 특정 사이클에서 검출된 이후의, 그리고 후속 사이클 이전의 이 라벨들의 제거는, 배경 신호 및 사이클들 간의 크로스토크를 감소시키는 장점을 제공할 수 있다. 유용한 라벨들 및 제거 방법들의 예시들이 아래에서 제시된다.
[00153] 특정 실시예들에서, 뉴클레오티드 단량체들 중 일부 또는 전부는 가역적 종결부들을 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 가역적 종결부들/절단성 플루오르들은 3' 에스테르 결합을 통해 리보스 모이어티에 결합된 플루오르를 포함할 수 있다(Metzker, Genome Res.15 : 1767-1776 (2005), 본원에 인용에 의해 통합됨). 다른 접근법들은 형광 라벨의 난할로부터 종결부 케미스트리를 분리시켰다(Ruparel 등, Proc Natl Acad Sci USA 102: 5932-7 (2005), 본원에 인용에 의해 그 전체가 통합됨). Ruparel 등은 연장을 블로킹하기 위해 소형 3' 알릴기를 사용했지만, 팔라듐 촉매를 이용한 쇼트 처리에 의해 쉽게 디블록킹될 수 있었던 가역적 종결부들의 개발을 설명했다. 형광단은, 장파장 UV 광에 대한 30초 노출에 의해 쉽게 절단될 수 있었던 광절단성 링커를 통해 베이스에 접합되었다. 따라서, 디술피드 환원 또는 광절단이 절단성 링커로서 사용될 수 있다. 가역적 종료에 대한 다른 접근법은 dNTP 상에 벌키 염료의 배치 이후에 뒤따르는 내추럴 종료의 사용이다. dNTP 상의 대전된 벌키 염료의 존재는 입체적 및/또는 정전기적 방해를 통한 효과적 종결부로서 동작할 수 있다. 일 혼성 이벤트의 존재는, 염료가 제거되지 않는 한 추가적인 혼성들을 막는다. 염료의 절단은 플루오르를 제거하며, 종료를 효과적으로 반전시킨다. 변형된 뉴클레오티드들의 예시들이 또한 U.S. 특허 제 7,427,673호 및 U.S. 특허 제 7,057,026호에서 설명되며, 이들의 개시들은 본원에 인용에 의해 그 전체가 통합된다.
[00154] 본원에 설명된 방법들 및 시스템들과 함께 활용될 수 있는 추가적인 예시적 SBS 시스템들 및 방법들은 U.S. 특허 공개 번호 제 2007/0166705호, U.S. 특허 공개 번호 제 2006/0188901호, U.S. 특허 제 7,057,026호, U.S. 특허 공개 번호 제 2006/0240439호, U.S. U.S. 특허 공개 번호 제 2006/0281109호, 국제 특허 공개 번호 WO 05/065814, U.S. 특허 공개 번호 제 2005/0100900호, 국제 특허 공개 번호 WO 06/064199, 국제 특허 공개 번호 WO 07/010,251, U.S. U.S. 특허 공개 번호 제 2012/0270305호 및 U.S. 특허 공개 번호 제 2013/0260372호에서 설명되며, 이들의 개시들은 본원에 인용에 의해 그 전체가 통합된다.
[00155] 일부 실시예들은 네 개보다 더 적은 개수의 상이한 라벨들을 사용하는 네 개의 상이한 뉴클레오티드들의 검출을 활용할 수 있다. 예컨대, U.S. 특허 공개 번호 제 2013/0079232호의 통합 자료들에서 설명된 방법들 및 시스템들을 활용하여 SBS가 수행될 수 있다. 제 1 예시로서, 한 쌍의 뉴클레오티드 타입들이 동일한 파장에서 검출되지만, 다른 부재와 비교하여 이 한 쌍의 일 부재에 대한 세기의 차이에 기반하여, 또는 이 한 쌍의 다른 부재에 대해 검출된 신호와 비교하여 명백한 신호가 나타나거나 또는 사라지게 하는, (예컨대, 화학적 변형, 광화학적 변형 또는 물리적 변형을 통한) 이 쌍의 일 부재에 대한 변화에 기반하여 구별될 수 있다. 제 2 예시로서, 네 개의 상이한 뉴클레오티드 타입들 중 세 개가 특정 조건들 하에서 검출될 수 있는 반면에, 네 번째 "다크-상태" 뉴클레오티드 타입은 그러한 조건들 하에서 검출 가능하거나 또는 그러한 조건들 하에서 최소량으로 검출되는 라벨이 없다(예컨대, 배경 형광 등으로 인한 최소 검출). 핵산으로의 첫 번째 세 개의 뉴클레오티드 타입들의 혼성은 그들의 각각의 신호들의 존재에 기반하여 결정될 수 있으며, 핵산으로의 네 번째 뉴클레오티드 타입의 혼성은 임의의 신호의 부재 또는 최소 검출에 기반하여 결정될 수 있다. 제 3 예시로서, 일 뉴클레오티드 타입이 두 개의 상이한 채널들에서 검출되는 라벨(들)을 포함할 수 있는 반면에, 다른 뉴클레오티드 타입들은 채널들 중 단지 하나의 채널에서만 검출된다. 전술된 세 개의 예시적 구성들은 상호 배타적인 것으로 간주되지 않으며, 다양한 결합들로 사용될 수 있다. 모든 세 개의 예시들을 결합하는 예시적 실시예는, 제 1 채널에서 검출되는 제 1 뉴클레오티드 타입(예컨대, 제 1 여기 파장에 의해 여기될 때 제 1 채널에서 검출되는 라벨을 갖는 dATP), 제 2 채널에서 검출되는 제 2 뉴클레오티드 타입(예컨대, 제 2 여기 파장에 의해 여기될 때 제 2 채널에서 검출되는 라벨을 갖는 dCTP), 제 1 및 제 2 채널 둘 모두에서 검출되는 제 3 뉴클레오티드 타입(예컨대, 제 1 및/또는 제 2 여기 파장에 의해 여기될 때 채널들 둘 모두에서 검출되는 적어도 하나의 라벨을 갖는 dTTP) 및 어느 쪽 채널에서도 검출되지 않거나 또는 최소량으로 검출되는 라벨이 없는 제 4 뉴클레오티드 타입(예컨대, 어떠한 라벨도 갖지 않는 dGTP)을 사용하는 형광-기반 SBS 법이다.
[00156] 추가로, U.S. 특허 공개 번호 제 2013/0079232호의 통합 자료들에서 설명된 바와 같이, 단일 채널을 사용하여 시퀀싱 데이터가 획득될 수 있다. 이러한 소위 일-염료 시퀀싱 접근법들에서, 제 1 뉴클레오티드 타입은 라벨링되지만 이 라벨은 제 1 이미지가 생성된 이후에 제거되며, 제 2 뉴클레오티드 타입은 제 1 이미지가 생성된 이후에만 라벨링된다. 제 3 뉴클레오티드 타입은 제 1 및 제 2 이미지들 둘 모두에서 그것의 라벨을 유지하며, 제 4 뉴클레오티드 타입은 이미지들 둘 모두에서 라벨링되지 않은 채로 남아 있다.
[00157] 일부 실시예들은 리게이션 기술들에 의한 시퀀싱을 활용할 수 있다. 이러한 기술들은 DNA 리가아제를 활용하여 올리고뉴클레오티드들을 혼성시키며, 이러한 올리고뉴클레오티드들의 혼성을 식별한다. 올리고뉴클레오티드들은 통상적으로, 올리고뉴클레오티드들이 잡종화되는(hybridize) 시퀀스로 특정 뉴클레오티드의 아이덴티티와 상관되는 상이한 라벨들을 갖는다. 다른 SBS 법들에 대해서와 같이, 라벨링된 시퀀싱 시약들을 이용한 핵산 피처들의 어레이의 처리 이후에 이미지들이 획득될 수 있다. 각각의 이미지는 특정 타입의 혼성된 라벨들을 갖는 핵산 피처들을 나타낼 것이다. 각각의 피처의 상이한 시퀀스 함량으로 인해, 상이한 이미지들에서 상이한 피처들이 존재하거나 또는 부재할 것이지만, 피처들의 상대적 포지션은 이미지들에서 변하지 않은 채로 남아 있을 것이다. 리게이션-기반 시퀀싱 방법들로부터 획득되는 이미지들은 본원에 제시된 바와 같이 저장, 프로세싱 및 분석될 수 있다. 본원에 설명된 방법들 및 시스템들과 함께 활용될 수 있는 예시적 시퀀싱 시스템들 및 방법들은 U.S. 특허 제 6,969,488호, U.S. 특허 제 6,172,218호, 및 U.S. 특허 제 6,306,597호에서 설명되며, 이들의 개시들은 본원에 인용에 의해 그 전체가 통합된다.
[00158] 일부 실시예들은 나노포어 시퀀싱(Deamer, D. W. & Akeson, M. "Nanopores and nucleic acids: prospects for ultrarapid sequencing." Trends Biotechnol. 18, 147-151 (2000); Deamer, D. and D. Branton, "Characterization of nucleic acids by nanopore analysis". Acc. Chem. Res. 35:817-825 (2002); Li, J., M. Gershow, D. Stein, E. Brandin, and J. A. Golovchenko, "DNA molecules and configurations in a solid-state nanopore microscope" Nat. Mater. 2:611-615 (2003), 이들의 개시들은 본원에 인용에 의해 그 전체가 통합됨)을 활용할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 타겟 핵산은 나노포어를 통과한다. 나노포어는 합성 포어 또는 생체 멤브레인 프로틴, 이를테면, 알파-용혈소일 수 있다. 타겟 핵산이 나노포어를 통과하기 때문에, 포어의 전기 전도도에서의 변동들을 측정함으로써 각각의 베이스-쌍이 식별될 수 있다. (U.S. 특허 제 7,001,792호; Soni, G. V. & Meller, "A. Progress toward ultrafast DNA sequencing using solid-state nanopores." Clin. Chem. 53, 1996-2001 (2007); Healy, K. "Nanopore-based single-molecule DNA analysis." Nanomed. 2, 459-481 (2007); Cockroft, S. L., Chu, J., Amorin, M. & Ghadiri, M. R. "A single-molecule nanopore device detects DNA polymerase activity with single-nucleotide resolution." J. Am. Chem. Soc. 130, 818-820 (2008), 이들의 개시들은 본원에 인용에 의해 그 전체가 통합됨). 다른 실시예들에서, 엔도뉴클레아제가 나노포어와 커플링되어, 엔도뉴클레아제에 의해 핵산의 단부로부터 순차적으로 방출되는 뉴클레오티드들이 그들이 나노포어를 통과할 때 검출될 수 있다. 각각의 뉴클레오티드는 상이한 베이스 모이어티들에 기반하거나 또는 추가된 모이어티들에 기반하여 구별될 수 있다. 나노포어 시퀀싱으로부터 획득되는 데이터는 본원에 제시된 바와 같이 저장, 프로세싱 및 분석될 수 있다. 특히, 데이터는 광학 이미지들 및 본원에 제시되는 다른 이미지들의 예시적 처리에 따라 이미지로서 처리될 수 있다.
[00159] 일부 실시예들은 DNA 중합효소 활동도의 실시간 모니터링을 수반하는 방법들을 활용할 수 있다. 뉴클레오티드 혼성들은, 예컨대, 미국 특허 제 7,329,492 호 및 미국 특허 제 7,211,414 호(이들 각각은 인용에 의해 본원에 통합됨)에서 설명된 바와 같이 형광-베어링 중합효소와 감마-포스페이트-라벨링된 뉴클레오티드들 사이의 FRET(fluorescence resonance energy transfer) 상호작용들을 통해 검출될 수 있거나, 또는 뉴클레오티드 혼성들은, 예컨대, 미국 특허 제 7,315,019 호(이 출원은 인용에 의해 본원에 통합됨)에서 설명된 바와 같은 제로-코드 도파관들을 사용하여 그리고 미국 특허 제 7,405,281 호 및 미국 특허 공개 공보 제 2008/0108082 호(이들 각각은 인용에 의해 본원에 통합됨)에서 설명된 바와 같은 형광 뉴클레오티드 유사체들 및 공학적 중합효소들을 사용하여 검출될 수 있다. 조사는 형광 라벨링된 뉴클레오티드들의 혼성이 낮은 배경에서 관찰될 수 있도록 표면-테더링된 중합효소 주위의 제올리터-스케일 용적으로 제한될 수 있다(Levene, M. J. 등의 "Zero-mode waveguides for single-molecule analysis at high concentrations." Science 299, 682-686 (2003); Lundquist, P. M. 등의 "Parallel confocal detection of single molecules in real time." Opt. Lett. 33, 1026-1028 (2008); Korlach, J. 등의 "Selective aluminum passivation for targeted immobilization of single DNA polymerase molecules in zero-mode waveguide nano structures." Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 1176-1181 (2008), 상기 참조문헌들의 개시내용들은 그 전체가 인용에 의해 본원에 통합됨). 이러한 방법들로부터 획득된 이미지들은 본원에서 기술되는 바와 같이, 저장, 프로세싱 및 분석될 수 있다.
[00160] 일부 SBS 실시예들은 뉴클레오티드를 연장 제품에 혼성 시에 릴리스되는 프로톤의 검출을 포함한다. 예컨대, 릴리스된 프로톤들의 검출에 기초한 시퀀싱은, Ion Torrent (Guilford, CT, a Life Technologies subsidiary)로부터 상업적으로 입수가능한 전기 검출기 및 연관된 기술들, 또는 미국 특허 공개 공보 제 2009/0026082호; 미국 특허 공개 공보 제 2009/0127589호; 미국 특허 공개 공보 제 2010/0137143호; 또는 미국 특허 공개 공보 제 2010/0282617호에서 설명되는 시퀀싱 방법들 및 시스템들을 사용할 수 있고, 상기 특허 공보들 각각은 인용에 의해 본원에 통합된다.
[00161] 위의 SBS 방법들은 멀티플렉스 포맷들로 유리하게 수행되어, 다수의 상이한 타겟 핵산들이 동시에 조작될 수 있다. 특정 실시예들에서, 상이한 타겟 핵산들은, 공통 반응 용기에서 또는 특정 기판의 표면 상에서 처리될 수 있다. 이것은, 시퀀싱 시약들의 전달, 미반응 시약들의 제거 및 혼성 이벤트들의 검출을 멀티플렉스 방식으로 편리하게 허용한다. 표면-결합된 타겟 핵산들을 사용하는 실시예들에서, 타겟 핵산들은 어레이 포맷일 수 있다. 어레이 포맷에서, 타겟 핵산들은 통상적으로 공간적으로 구별 가능한 방식으로 표면에 결합될 수 있다. 타겟 핵산들은, 직접 공유 부착, 비드 또는 다른 입자에의 부착 또는 표면에 부착된 중합효소 또는 다른 분자와의 결합에 의해 결합될 수 있다. 어레이는 각각의 부위(또한 피처로 지칭됨)에서 타겟 핵산의 단일 카피를 포함할 수 있거나 또는 동일한 시퀀스를 갖는 다수의 복제들이 각각의 부위 또는 피처에 존재할 수 있다. 다수의 복제들은 증폭 방법들, 이를테면, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같은 브리지 증폭 또는 에멀전 PCR에 의해 생성될 수 있다.
[00162] 본원에서 기술된 방법들은, 예컨대, 적어도 약 10 features/cm2, 100 features/cm2, 500 features/cm2, 1,000 features/cm2, 5,000 features/cm2, 10,000 features/cm2, 50,000 features/cm2, 100,000 features/cm2, 1,000,000 features/cm2, 5,000,000 features/cm2 또는 그 초과를 포함하는 다양한 밀도들 중 임의의 밀도로 피처들을 갖는 어레이들을 사용할 수 있다. 본원에 기술된 방법들 및 장치는, 이러한 예시된 밀도들 중 하나 또는 그 초과에서 개별적인 피처들을 분해하기에 적어도 충분한 분해능을 갖는 검출 컴포넌트들 또는 디바이스들을 포함할 수 있다.
[00163] 본원에 기술된 방법들의 장점은 복수의 타겟 핵산들의 신속하고 효율적인 검출을 병렬로 제공할 수 있다는 점이다. 그에 따라서, 본 개시내용은 위에서 예시된 것들과 같은 당 업계에 공지된 기술들을 사용하여 핵산들을 준비 및 검출할 수 있는 통합된 시스템들을 제공한다. 따라서, 본 개시내용의 통합된 시스템은, 하나 또는 그 초과의 고정된 DNA 프레그먼트들에 증폭 시약들 및/또는 시퀀싱 시약들을 전달할 수 있는 유체공학적 컴포넌트들을 포함할 수 있고, 시스템은 펌프들, 밸브들, 저장소들, 유체공학적 라인들 등과 같은 컴포넌트들을 포함한다. 유동 셀은 타겟 핵산들의 검출을 위한 통합 시스템에서 구성 및/또는 사용될 수 있다. 예시적인 유동 셀들은, 예컨대, 미국 특허 공개 공보 제 2010/0111768 A1호 및 미국 특허 출원 제 13/273,666호에서 설명되고, 이들 각각은 인용에 의해 본원에 통합된다. 유동 셀들에 대해 예시된 바와 같이, 통합 시스템의 하나 또는 그 초과의 유체공학적 컴포넌트들은 증폭 방법 및 검출 방법에 사용될 수 있다. 핵산 시퀀싱 실시예를 예로 취하면, 통합 시스템의 유체공학적 컴포넌트들 중 하나 또는 그 초과는, 본원에 기술된 증폭 방법 및 위에서 예시된 것들과 같은 시퀀싱 방법에서 시퀀싱 시약들의 전달을 위해 사용될 수 있다. 대안적으로, 통합 시스템은 증폭 방법들을 수행하고 검출 방법들을 수행하기 위해 별개의 유체공학적 시스템들을 포함할 수 있다. 증폭된 핵산들을 생성할 수 있고, 또한 핵산들의 시퀀스를 결정하는 통합된 시퀀싱 시스템들의 예들은, 제한 없이, MiSeqTM 또는 NextSeqTM 플랫폼(Illumina, Inc., San Diego, CA) 또는 미국 특허 공개 공보 제 2012/0270305 A1호 또는 2013/0260372 A1호에 설명된 디바이스들을 포함하고, 이들 각각은 인용에 의해 본원에 통합된다.
[00164] "활동도 검출기"는, 특정 반응 또는 프로세스를 표시하는 활동도를 검출할 수 있는 임의의 디바이스 또는 컴포넌트를 의미한다. 활동도 검출기는, 미리 규정된 용적 또는 영역 내에서 미리 정해진 이벤트들, 특성들, 품질들 또는 특징들을 검출할 수 있다. 예컨대, 활동도 검출기는 미리 규정된 용적 또는 영역의 이미지를 캡처할 수 있다. 활동도 검출기는 용액의 미리 규정된 용적 내에서 또는 미리 규정된 영역을 따라 이온 농도를 검출할 수 있다. 예시적인 활동도 검출기들은, CCD(charged-coupled device)들(예컨대, CCD 카메라들); PMT(photomultiplier tube)들; 분자 특성 디바이스들 또는 검출기들, 이를테면, 나노포어들과 함께 사용되는 것들; 마이크로회로 어레인지먼트들, 이를테면, 미국 특허 제 7,595,883호에 설명된 것들(이는 그 전체가 인용에 의해 본원에 통합됨); 및 chemFET(chemically sensitive field effect transistors), ISFET(ion-sensitive field effect transistors) 및/또는 MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistors)을 포함하는 FET(field effect transistor)들을 갖는 CMOS-제조된 센서들을 포함한다. 예시적인 활동도 검출기들은, 예컨대, 국제 특허 공개 공보 제 WO2012/058095호에서 설명된다.
[00165] 용어 "바이오센서"는 복수의 반응 부위들을 갖는 임의의 구조를 포함한다. 바이오센서는 솔리드-스테이트 이미징 디바이스(예컨대, CCD 또는 CMOS 이미저) 및 선택적으로는, 그에 장착된 유동 셀을 포함할 수 있다. 유동 셀은, 반응 부위들과 유체 연통되는 적어도 하나의 유동 채널을 포함할 수 있다. 하나의 특정 예로서, 바이오센서는 바이오어세이 시스템에 유체공학적으로 및 전기적으로 커플링하도록 구성된다. 바이오어세이 시스템은 미리 정해진 프로토콜(예컨대, 합성에 의한 시퀀싱)에 따라 반응 부위들에 시약들을 전달하고, 복수의 이미징 이벤트들을 수행할 수 있다. 예컨대, 바이오어세이 시스템은 반응 부위들을 따라 유동하도록 용액들을 지향시킬 수 있다. 용액들 중 적어도 하나는, 동일하거나 상이한 형광 라벨들을 갖는 4가지 타입들의 뉴클레오티드들을 포함할 수 있다. 뉴클레오티드들은 반응 부위들에 로케이팅된 대응하는 올리고뉴클레오티드들에 결합할 수 있다. 그 다음, 바이오어세이 시스템은 여기 광원(예컨대, 솔리드-스테이트 광원들, 이를테면 발광 다이오드들 또는 LED들)을 사용하여 반응 부위들을 조사할 수 있다. 여기 광은, 일 범위의 파장들을 포함하여 미리 정해진 파장 또는 파장들을 가질 수 있다. 여기된 형광 라벨들은, 광 검출기들에 의해 검출될 수 있는 방출 신호들을 제공한다.
[00166] 일 양태에서, 솔리드-스테이트 이미저는, 방출 신호들을 검출하도록 구성되는 광 검출기들의 어레이를 포함하는 CMOS 이미지 센서를 포함한다. 일부 실시예들에서, 광 검출기들 각각은 오직 단일 픽셀을 갖고, 픽셀들 대 필터 벽들에 의해 규정되는 검출 경로들의 비는 실질적으로 일-대-일일 수 있다. 예시적인 바이오센서들은, 예컨대, 미국 출원 제 13/833,619호에서 설명된다.
[00167] "검출 표면"은, 광학 검출기를 포함하는 임의의 표면을 의미한다. 검출기는 임의의 적절한 기술, 이를테면 CCD(charge coupled device) 또는 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor)를 포함하는 것에 기반할 수 있다. 특정 실시예들에서, 예컨대, FLIM(fluorescence lifetime imaging)을 사용하여 형광단들을 구별하기 위해, 단일-광자 애벌란시 다이오드(CMOS-SPAD)를 갖는 CMOS 이미저가 사용될 수 있다. FLIM에 사용될 수 있는 예시적인 CMOS 기반 시스템들은, 미국 특허 공개 공보 제 2008/0037008 A1호; Giraud 등의 Biomedical Optics Express 1: 1302-1308 (2010); Stoppa 등의 IEEE European Solid-State Device Conference (ESSCIRC), Athens, Greece, IEEE, pp. 204-207 (2009)에서 설명되고, 이들 각각은 그 전체가 인용에 의해 본원에 통합된다. 사용될 수 있는 다른 유용한 검출 디바이스들은, 예컨대, 미국 특허 제 7,329,860호 및 미국 특허 공개 공보 제 2010/0111768호에서 설명된 것들을 포함하고, 이들 각각은 그 전체가 인용에 의해 본원에 통합된다.
[00168] 또한, 본 기술분야에 공지된 다른 신호 검출 디바이스들이 본원에 기술된 방법에서 생성되는 신호들을 검출하기 위해 사용될 수 있음을 인식할 것이다. 예컨대, 피로포스페이트 또는 프로톤들을 검출하기 위해 사용되는 검출기들이 특히 유용하다. 피로포스페이트 릴리스는, 검출기들, 이를테면 454 Life Sciences (Branford, Conn., Roche Company)로부터 상업적으로 입수가능한 또는 미국 특허 공개 공보 제 2005/0244870호에서 설명된 것들을 사용하여 검출될 수 있고, 이들 각각은 그 전체가 인용에 의해 본원에 통합된다. 프로톤 릴리스에 기반하여 프라이머 연장을 검출하기 위한 예시적인 시스템들은, Ion Torrent (Guilford, Conn., a ThermoFisher subsidiary)으로부터 상업적으로 입수가능한 또는 미국 특허 공개 공보 제 2009/0026082호; 2009/0127589호; 2010/0137143호; 및 2010/0282617호에서 설명된 것들을 포함하고, 이들 각각은 그 전체가 인용에 의해 본원에 통합된다. 예시적인 검출 표면들 및 검출기들은, 예컨대, 미국 특허 공개 공보 제 2013/0116128A1호에서 설명되고, 이는 인용에 의해 본원에 통합된다.
[00169] "시퀀싱 모듈"은 시퀀싱 애플리케이션들에 대해 적응된 CMOS 칩을 의미한다. 모듈은, 소수성 구역들에 의해 둘러싸인 핵산 부착 및 증폭을 위한 친수성 구역들의 기판을 포함하는 표면을 포함할 수 있다. 예컨대, 위에서 설명된 것들과 같은, 소수성 패치를 갖는 동적 패드들이 사용될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 주변 패드들이 소수성 상태에 있는 동안 친수성 상태에 있는 일부를 포함하는 동적 패드들의 집합은, 소수성 구역에 의해 둘러싸이는 친수성 구역들을 형성할 수 있다. 핵산 부착에 대한 표면은 선택적으로, 바람직하게는 시퀀싱을 위해 하나의 핵산 분자로부터 비롯되는 복수의 핵산 분자들을 각각의 격리된 구역이 포함하도록, 복수의 격리된 구역들을 포함할 것이다. 예컨대, 친수성 구역은 겔을 포함할 수 있다. 친수성 구역들은, 매끄러울 수 있고, 특정 질감을 가질 수 있고, 다공성, 비-다공성 등일 수 있다. 소수성 구역들은 바람직하게는, 친수성 구역들 간에 로케이팅된다. 시약은 임의의 다수의 힘들에 의해 표면을 가로질러 이동한다.
[00170] 본원에 설명된 요지는, 하나 또는 그 초과의 실시예들에서, 일회용의 통합된 미세유체 카트리지 및 동일한 카트리지를 제조하고 사용하는 방법들을 포함한다. 일회용의 통합된 미세유체 카트리지를 제조하는 방법은 선택적으로, CMOS 기술 및 디지털 유체공학적 모놀리식 통합화를 위해, 가요성 PCB(printed circuit board) 및 R2R(roll-2-roll) 인쇄 전자기기를 이용한다. 즉, 일회용의 통합된 미세유체 카트리지는, CMOS 센서가 그 내부에 통합되는 유체공학적 층들의 스택을 포함하며, 그 전부가 하우징 내에 설치된다. 따라서, 종래의 사출 성형 유체공학이 가요성 PCB 기술로 통합될 수 있다. 유체공학적 층들은, R2R 인쇄 전자기기 프로세스에서의 사용에 적합한 재료들을 사용하여 형성된다. 추가로, 유체공학적 층들은, PCR(polymerase chain reaction) 구역, 및 시약 혼합 및 분배 구역을 포함한다. 유체공학적 층들은 또한, PCR 구역이 완전히 밀봉될 수 있게 하는 멤브레인 밸브들의 세트를 포함한다.
[00171] 일회용의 통합된 미세유체 카트리지를 사용하는 방법은, 시퀀싱에 필요한 멀티플렉스 PCR 및 하류 혼합을 수행하는 단계를 포함한다.
[00172] 본원에 기재된 실시예들은 CMOS 유동 셀을 포함하며, 여기서, 바이오센서 액티브 영역의 대부분 또는 약 100%까지가 시약 전달 및 조사에 대해 접근가능하다.
[00173] 도 14는, CMOS 기술 및 디지털 유체공학의 모놀리식 통합화를 위해 가요성 PCB(printed circuit board) 및 R2R(roll-2-roll) 인쇄 전자기기를 사용하는 방법(100)의 예에 대한 흐름도를 예시한다. 즉, 방법(100)을 사용하여, 다중층 라미네이팅된 유체공학이 가요성 PCB 기술로 통합될 수 있다(도 15 참조). 추가로, 방법(100)을 사용하여 형성된 구조를 사용하여, 종래의 사출 성형 유체공학이 가요성 PCB 기술로 통합될 수 있다(도 26 내지 도 45 참조). 방법(100)은, 다음의 단계들을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
[00174] 단계(110)에서, 유체공학적 층들이 형성되고, 그 후, 함께 라미네이팅 및 본딩된다. 예컨대, 도 15는, 이러한 단계에서 함께 라미네이팅 및 본딩될 수 있는 유체공학적 층들(200)의 세트의 분해도를 예시한다. 이러한 예에서, 유체공학적 층들(200)은, 순서대로, 입구/출구 포트 층(210), 유체공학적 채널 층(220), 가요성 PCB 층(260), 시퀀싱 챔버 저부 층(280), 시퀀싱 챔버 층(250), 및 시퀀싱 챔버 최상부 층(290)과 동일평면상에 있는 멤브레인 층(240)을 포함한다. 입구/출구 포트 층(210), 유체공학적 채널 층(220), 가요성 PCB 층(260), 시퀀싱 챔버 저부 층(280), 시퀀싱 챔버 층(250), 멤브레인 층(240), 및 시퀀싱 챔버 최상부 층(290)은, R2R 인쇄 전자기기 프로세스를 사용하여 형성하기에 적합하다.
[00175] 입구/출구 포트 층(210)은, 예컨대, 폴리카보네이트, PMMA(poly(methyl methacrylate)), COC(cyclic olefin copolymer), 및/또는 폴리이미드로 형성될 수 있다. 입구/출구 포트 층(210)은, 일 예에서, 약 25 μm 내지 약 1000 μm의 두께일 수 있거나, 또는 다른 예에서는, 약 250 μm의 두께이다. 개구부들(또는 홀들)의 어레인지먼트가 입구/출구 포트 층(210)에 제공된다. 개구부들(또는 홀들)은, 예컨대, 다양한 액체 공급 리저보어들(도시되지 않음)에 대한 입구 포트들 및/또는 출구 포트들로서 기능할 수 있는 유체 경로들을 제공한다. 입구/출구 포트 층(210)에 대한 더 많은 세부사항들은 아래에서 도 55a 및 55b를 참조하여 본원에 도시되고 설명된다.
[00176] 유체공학적 채널 층(220)은, 예컨대, 폴리카보네이트, PMMA, COC, 및/또는 폴리이미드로 형성될 수 있다. 유체공학적 채널 층(220)은, 일 예에서, 약 25 μm 내지 약 1000 μm의 두께일 수 있거나, 또는 다른 예에서는, 약 250 μm의 두께이다. 유체공학적 채널들의 어레인지먼트가 유체공학적 채널 층(220)에 제공된다. 유체공학적 채널들은, 유체공학적 층들(200)을 따라 하나의 목적지로부터 다른 목적지로의 유체 경로들을 제공한다. 유체공학적 채널 층(220)이 입구/출구 포트 층(210)과 가요성 PCB 층(260) 간에 샌드위칭되기 때문에, 유체는, 저부의 입구/출구 포트 층(210) 및 최상부의 가요성 PCB 층(260)에 의해 유체공학적 채널들 내로 한정될 수 있다. 일 예에서, 유체공학적 채널 층(220)은, 시퀀싱에 필요한 PCR 및 하류 혼합을 수행하기 위해 사용된다. 유체공학적 채널 층(220)에 대한 더 많은 세부사항들은 아래에서 도 56a 및 56b를 참조하여 본원에 도시되고 설명된다.
[00177] 가요성 PCB 층(260)은, 예컨대, 폴리카보네이트, PMMA, COC, 및/또는 폴리이미드로 형성될 수 있다. 가요성 PCB 층(260)은, 일 예에서, 약 30 μm 내지 약 300 μm의 두께일 수 있거나, 또는 다른 예에서는, 약 200 μm의 두께이다. 개구부들(또는 홀들)의 어레인지먼트가 가요성 PCB 층(260)에 제공된다. 개구부들(또는 홀들)은, 유체공학적 채널 층(220)의 유체공학적 채널들에서의 액체의 유동을 제어하는데 사용되는 멤브레인 밸브들의 입구들 및/또는 출구들로서 기능할 수 있는 유체 경로들을 제공한다. 가요성 PCB 층(260)에 대한 더 많은 세부사항들은 아래에서 도 57a 및 57b를 참조하여 본원에 도시되고 설명된다.
[00178] 시퀀싱 챔버 저부 층(280)은, 예컨대, 폴리카보네이트, PMMA, COC, 및/또는 폴리이미드로 형성될 수 있다. 시퀀싱 챔버 저부 층(280)은, 일 예에서, 약 25 μm 내지 약 1000 μm의 두께일 수 있거나, 또는 다른 예에서는, 약 250 μm의 두께이다. 유체공학적 층들(200)의 스택 내에 멤브레인 밸브들을 형성하기 위해, 개구부들의 어레인지먼트가 시퀀싱 챔버 저부 층(280)에 제공된다. 시퀀싱 챔버 저부 층(280)은 또한, 시퀀싱 챔버 층(250)의 시퀀싱 챔버에 근접하게 로케이팅되는 CMOS 디바이스, 이를테면 CMOS 이미지 센서(262)를 포함한다. 시퀀싱 챔버 저부 층(280)은, CMOS 디바이스와 동일평면상에 있고, 시퀀싱 챔버 층(250)의 시퀀싱 챔버의 입구/출구에 대한 유체 연결 층으로서 동작한다. 시퀀싱 챔버 저부 층(280)에 대한 더 많은 세부사항들은 아래에서 도 58a 및 58b를 참조하여 본원에 도시되고 설명될 수 있다.
[00179] 시퀀싱 챔버 층(250)은, 예컨대, 폴리카보네이트, PMMA, COC, 및/또는 폴리이미드로 형성될 수 있다. 시퀀싱 챔버 층(250)은, 일 예에서, 약 50 μm 내지 약 300 μm의 두께일 수 있거나, 또는 다른 예에서는, 약 100 μm의 두께이다. 유체공학적 층들(200)의 스택 내에 멤브레인 밸브들을 형성하기 위해, 개구부들의 어레인지먼트가 시퀀싱 챔버 층(250)에 제공된다. 시퀀싱 챔버 층(250)은 또한, 시퀀싱 챔버를 포함한다. 시퀀싱 챔버 층(250)에 대한 더 많은 세부사항들은 아래에서 도 59a 및 59b를 참조하여 본원에 도시되고 설명된다.
[00180] 멤브레인 층(240)은, 예컨대, 실리콘 엘라스토머로 형성될 수 있다. 멤브레인 층(240)은, 일 예에서, 약 25 μm 내지 약 1000 μm의 두께일 수 있거나, 또는 다른 예에서는, 약 250 μm의 두께이다. 멤브레인 층(240)은, 유체공학적 층들(200)의 스택 내의 멤브레인 밸브들을 개방 및 폐쇄하기 위한 엘라스틱 멤브레인으로서 기능하며, 여기서, 멤브레인 밸브들은, 순서대로, 가요성 PCB 층(260), 시퀀싱 챔버 저부 층(280), 시퀀싱 챔버 층(250), 및 멤브레인 층(240)의 결합에 의해 생성된다. 멤브레인 밸브들에 대한 더 많은 세부사항들은 아래에서 도 22a, 22b, 23a, 및 23b를 참조하여 본원에 도시되고 설명된다. 멤브레인 층(240)에 대한 더 많은 세부사항들은 아래에서 도 60a 및 60b를 참조하여 본원에 도시되고 설명된다.
[00181] 시퀀싱 챔버 최상부 층(290)은, 양호한 광학 특징들을 갖는 낮은 자가-형광(auto-fluorescent) 재료, 이를테면 COC로 형성된다. 시퀀싱 챔버 최상부 층(290)은, 일 예에서, 약 25 μm 내지 약 1000 μm의 두께일 수 있거나, 또는 다른 예에서는, 약 250 μm의 두께이다. 시퀀싱 챔버 최상부 층(290)은, 시퀀싱 챔버 층(250)의 시퀀싱 챔버를 덮는데 사용된다. 시퀀싱 챔버 최상부 층(290)에 대한 더 많은 세부사항들은 아래에서 도 60a 및 60b를 참조하여 본원에 도시되고 설명된다.
[00182] 이제 도 14를 다시 참조하면, 단계(115)에서, CMOS 디바이스가 가요성 PCB에 부착된다. 예컨대, CMOS 이미지 센서(262)(도 15 참조)는, 유체공학적 층들(200)의 시퀀싱 챔버 저부 층(280)에 부착된다. 도 16은, CMOS 이미지 센서(262)의 예의 사시도를 예시한다. 일 예에서, CMOS 이미지 센서(262)는, 약 9200 μm의 길이, 약 8000 μm의 너비, 및 약 800-1000 μm의 두께를 가지며; 약 50개의 I/O 패드들을 가질 수 있다. CMOS 이미지 센서(262)는 픽셀 어레이를 포함할 수 있다. 일 예에서, 픽셀 어레이는 4384 x 3292 픽셀들이며, 7272 μm x 5761 μm의 전체 치수들을 갖는다. CMOS 다이는 넓은 범위의 치수들 및 I/O 패드 총수를 가질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예컨대, 임의의 주어진 분석 프로토콜에서 다이의 일부만을 이용하기 위해, 디지털 유체공학에 대해 장방형(rectangular) 다이(예컨대, 긴 스키니(skinny)로 보이는 비-정방형(non-square) 치수들)가 사용될 수 있다.
[00183] 단계(115)로 계속되며, 도 17a, 17b, 18, 19, 및 20은 구조(400)의 측면도들을 예시하고, 이들은 CMOS 디바이스를 가요성 PCB에 부착시키는 프로세스의 예를 도시한다. 구조(400)는 다중층 구조이다. 이제 도 17a를 참조하면, 구조(400)의 초기 형태는 가요성 PCB로 시작된다. 예컨대, 가요성 PCB는, 순서대로, 폴리이미드 층(410), PCB 가열기 층(412), 폴리이미드 층(414), PCB 배선 층(416), 및 폴리이미드 층(418)을 포함한다. 즉, 도 17은, 쿠폰 포일(coupon foil)로도 알려져 있는, PCB 가열기 층 및 PCB 배선 층을 갖는 가요성 PCB를 도시한다.
[00184] 다음으로, 그리고 이제 도 17b를 참조하면, 저온 등방성 도전성 접착제(low-temp ICA; low-temperature isotropic conductive adhesive)(420)가 폴리이미드 층(418) 최상부 위에 디스펜싱(dispense)된다.
[00185] 다음으로, 그리고 이제 도 18을 참조하면, CMOS 디바이스, 이를테면 CMOS 이미지 센서(262)가 쿠폰 포일 상에, 즉, 저온 ICA(420) 최상부 위에 배치된다. 일 예에서, CMOS 이미지 센서(262)는, 잘 알려진 픽 앤 플레이스(pick and place) 프로세스를 사용하여 저온 ICA(420) 최상부 위에 배치된다. 도 18은, 저온 ICA(420)와 접촉하여 그에 의해 PCB 배선 층(416)에 전기적으로 연결되는 CMOS 이미지 센서(262)의 I/O 패드들(422)을 도시한다. 제어된 붕괴(collapse)/플립칩(flipchip) 본딩, 와이어본딩(wirebonding) 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는, 이용 가능한 다른 부착 선택사항들이 또한 존재한다. 도 18은 또한, 폴리이미드 층(418)으로부터 멀어지는 쪽을 향해 있는 바이오레이어(424)를 CMOS 이미지 센서(262)가 포함한다는 것을 도시한다. 사용이 준비될 때까지 보호 막(426)이 바이오레이어(424) 최상부 위에 배치될 수 있다.
[00186] 다음에 이제 도 19를 참조하면, 유체공학적 층들(428)의 세트가 가요성 PCB의 폴리이미드 층(418) 최상부 위에 제공된다. 즉, CMOS 표면과 동일 평면 상에 있는 라미네이팅된 폴리카보네이트 막이 제공된다. 유체공학적 층들(428)의 예시는 도 15에 도시된 유체공학적 층들(200)이다.
[00187] 다음으로 이제 도 20을 참조하면, 쿠폰 포일 상의 CMOS 이미지 센서(262)의 플립-칩 본딩은 CMOS 이미지 센서(262) 주위의 갭들에서 언더-필(under-fill) 에폭시 접착제(430)를 분배함으로써 완료된다.
[00188] 이제 다시 도 14를 참조하면, 단계(120)에서, 함께 통합된 CMOS 디바이스(들) 및 유체공학적 층들을 포함하는 미세유체 카트리지의 최종 조립체가 수행된다. 예컨대, 도 21은 미세유체 카트리지(800)의 예시의 측면도를 예시한다. 미세유체 카트리지(800)는 도 20에 도시된 구조(400)에 기초하는 CMOS 부분(812) 및 유체공학적 부분(810)을 포함한다. 최종 조립체 단계들은, 예컨대, 언더-필 에폭시 접착제(430)를 분배(인쇄)하는 단계, 보호 막(426)을 제거하는 단계, CMOS 부분(812)에서 저온 비전도성 접착제(814)(예컨대, UV 또는 열적 비전도성 접착제)를 라미네이팅하는 단계, 미세유체 카트리지(800)의 CMOS 부분(812)에 저-자가 형광성 환형 올레핀 공중합체(COF) 층(816)을 라미네이팅하는 단계, 및 유체공학적 부분(810)의 양쪽 측들 상에 가요성 PCB 가열기(818)를 라미네이팅하는 단계를 포함할 수 있다. 미세유체 카트리지(800)의 프로세스에서, 유체공학적 층들 및 CMOS 디바이스의 표면들이 서로 동일 평면을 이루도록, 자가-정렬된 프로세스 흐름을 사용하는 것이 중요하다.
[00189] 유체 경로는 미세유체 카트리지(800)를 통해 형성된다. 즉, 시료 유입구(820)는 유체공학적 부분(810)의 입력부에 제공되고, 출구(822)는 CMOS부분(812)의 하류에 제공된다. 시료 유입구(820)는 PCR 챔버(824)를 공급한다. 그런 다음 PCR 챔버(824)는 시약 분배 구역(826)을 공급한다. 그런 다음 시약 분배 구역(826)은 시퀀싱 챔버(828)를 공급한다. CMOS 이미지 센서(262)의 바이오레이어(424)는 시퀀싱 챔버(828)를 향해 배향된다. 그런 다음 시퀀싱 챔버(828)는 출구(822)를 제공한다. 또한, 미세유체 카트리지(800)는, PCR 챔버(824)의 내부 및 외부의 액체의 유동을 제어하는 특정 멤브레인 밸브들(830)을 포함한다.
[00190] 도 22a 및 도 22b는, 멤브레인 밸브(830)의 예시의 사시도들을 예시하며, 여기서 멤브레인 밸브들은, 예컨대, 유체공학적 층들(200) 내에 통합될 수 있다. 이제, 멤브레인 밸브(830)의 사시도인 도 22a를 참조한다. 이러한 예시에서, 멤브레인 밸브(830)는, 순서대로, 베이스 층(910), 유체공학적 채널 층(912) 및 리저보어 층(914)을 포함한다. 베이스 층(910), 유체공학적 채널 층(912) 및 리저보어 층(914)은, 예컨대, 폴리카보네이트, PMMA, COC 및/또는 폴리이미드로 형성될 수 있다. 리저보어 층(914)은 리저보어 층(914)에 작은 리저보어(916)를 생성하는 리세스 구역을 갖는다. 멤브레인 층(918)은 리저보어(916)를 가로질러 연신된다. 리저보어(916)는, 유동 경로를 각각의 유체공학적 채널들(924)에 제공하는, 유입구(920) 및 출구(922)를 갖는다. 유입구(920) 및 출구(922)뿐만 아니라 리저보어(916)의 피처들을 더 잘 도시하기 위해, 도 22b는 리저보어(916)를 덮는 멤브레인 층(918) 없이 멤브레인 밸브(830)를 도시한다. 멤브레인 층(918)은, 가요성이고 연신 가능한 엘라스토머 멤브레인 재료(예컨대, 실리콘 엘라스토머)로 형성된다.
[00191] 도 23a 및 도 23b는 각각, 도 22a의 선(A-A)을 따라 취해진, 멤브레인 밸브(830)의 단면도를 도시한다. 액츄에이터(1010)와 같은 액츄에이터가, 멤브레인 밸브(830)를 개방하고 폐쇄하기 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 도 23a는, 액츄에이터(1010)가 멤브레인 층(918)과 맞물리지 않는 개방 상태인 멤브레인 밸브(830)를 도시한다. 반면에, 도 23b는, 액츄에이터(1010)가 멤브레인 층(918)과 맞물린 폐쇄 상태인 멤브레인 밸브(830)를 도시한다. 즉, 액츄에이터(1010)의 팁은, 출구(922)에 대해 멤브레인 층(918)의 중심부를 가압하여 이로써, 출구를 통하는 액체의 유동을 차단하는 데에 사용된다. 멤브레인 밸브(830)(즉, 멤브레인 밸브들(242, 244 및 246))는, 예컨대, 솔레노이드들 또는 공압 펌프들과 같은 기계적 또는 공기 작동을 사용하여 작동될 수 있다.
[00192] 도 24는, 함께 통합된 CMOS 기술 및 디지털 유체공학적 양자 모두를 포함하는 미세유체 카트리지(1100)의 예시의 개략도를 예시한다. 즉, 미세유체 카트리지(1100)는, 4개의 시료 공급부들(1110)(예컨대, 시료 공급부들(1110a, 1110b, 1110c, 1110d)), 13개의 시약 공급부들(1112)(예컨대, 시약 공급부들(1112a-1112m)) 및 출구 펌프(1114)에 유동적으로 그리고 작동적으로 연결된 유체공학적 층들(200)을 포함한다. 유체공학적 층들(200)은 PCR 구역(270) 및 시약 혼합 및 분배 구역(275)을 포함한다. PCR 구역(270)은, 예컨대, 4개의 PCR 채널들(222)(예컨대, PCR 채널들(222a, 222b, 222c, 222d))을 포함한다. PCR 채널들(222a, 222b, 222c, 222d)의 유입구들은 각각, 시료 공급부들(1110a, 1110b, 1110c, 1110d)에 의해 공급된다. 미세유체 카트리지(1100)가, 4개의 시료 공급부들(1110)에 의해 공급되는 4개의 PCR 채널들(222)을 포함하기 때문에, 미세유체 카트리지(1100)는 4X 시료 멀티플렉싱을 위해 구성된다.
[00193] 4개의 PCR 채널들(222)의 입력들은 4개의 멤브레인 밸브들(242)을 사용하여 제어된다. 즉, PCR 채널들(222a, 222b, 222c, 및 222d)의 입력들은 각각, 멤브레인 밸브들(242a, 242b, 242c, 및 242d)을 사용하여 제어된다. 유사하게, 4개의 PCR 채널들(222)의 출력들은 4개의 멤브레인 밸브들(244)을 사용하여 제어된다. 즉, PCR 채널들(222a, 222b, 222c, 및 222d)의 출력들은 각각, 멤브레인 밸브들(244a, 244b, 244c, 및 244d)을 사용하여 제어된다. 4개의 PCR 채널들(222)의 출력들은 공통 PCR 출력 채널(224)을 공급하고, 이는, 그런 다음 시약 혼합 및 분배 구역(275)을 공급한다. 유체공학적 층들(200) 내의 멤브레인 밸브들(242) 및 멤브레인 밸브들(244)의 존재는, PCR 구역(270)이 완전히 밀봉되는 것을 허용한다.
[00194] 시약 혼합 및 분배 구역(275)은, 13개의 시약 채널들(226)(예컨대, 시약 채널들(226a-226m))의 어레인지먼트를 포함한다. 또한, 13개의 시약 채널들(226a-226m)은 각각, 13개의 시약 공급부들(1112a-1112m)을 통해 공급된다. 회전 가능한 밸브 조립체(도시되지 않음)는, 특정 PCR 채널(222)을 특정 시약 공급부(1112)에 유동적으로 연결하기 위해 사용된다. 그렇게 하면, 특정 PCR 혼합물이 생성될 수 있다. 회전 가능한 밸브 조립체(도시되지 않음)는 또한, 특정 PCR 혼합물을 시퀀싱 공급 채널(228)에 유동적으로 연결하기 위해 사용되며, 이는 시퀀싱 챔버(258)의 유입구를 공급한다. 또한, CMOS 이미지 센서(262)는 시퀀싱 챔버(258)에 위치된다.
[00195] 시퀀싱 출구 채널(230)은 시퀀싱 챔버(258)의 출구에 제공된다. 출구 펌프(1114)는 시퀀싱 출구 채널(230)에 유동적으로 그리고 작동적으로 연결된다. 출구 펌프(1114)는, 유체공학적 층들(200)의 유동 경로들을 따라 임의의 방향에서 액체를 이동시키기 위해 양 또는 음의 압력을 제공하는 데에 사용된다. 또한, 일련의 3개의 멤브레인 밸브들(246)이 시퀀싱 출구 채널(230)의 길이를 따라 제공된다. 멤브레인 밸브들(242, 244 및 246)은, 도 22a, 도 22b, 도 23a 및 도 23c에 도시되고 설명되는 멤브레인 밸브(830)에 따라 구현될 수 있다.
[00196] 시퀀싱 출구 채널(230)에서의 3개의 멤브레인 밸브들(246)은 출구 펌프(1114) 대신에 또는 그와 조합하여 펌프로서 사용될 수 있다. 따라서, 일 실시예에서, 미세유체 카트리지(1100)는 오직 출구 펌프(1114)만 포함하고, 3개의 멤브레인 밸브들(246)은 생략된다. 다른 실시예에서, 미세유체 카트리지(1100)는 오직 3개의 멤브레인 밸브들(246)만을 포함하고, 출구 펌프(1114)는 생략된다. 또 다른 실시예에서, 미세유체 카트리지(1100)는 출구 펌프(1114) 및 3개의 멤브레인 밸브들(246) 모두를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 미세유체 카트리지(1100)는, 출구 펌프(1114) 및/또는 멤브레인 밸브들(246) 대신에 임의의 다른 타입의 펌핑 기구를 포함한다. 미세유체 카트리지(1100)를 구현하는 예시의 더 많은 세부 사항들은, 이하의 도 25 내지 도 60b를 참조하여 본원에서 도시되고 설명된다.
[00197] 도 25 및 도 26은, 도 24에 도시된 통합된 미세유체 카트리지(1100)의 물리적인 인스턴스생성의 일 예시인, 미세유체 카트리지 조립체(1200)의 사시도들을 예시한다. 미세유체 카트리지 조립체(1200)는, 가요성 PCB 기술과 통합되는 종래의 사출 성형 유체공학의 예시이다. 이러한 예시에서, 미세유체 카트리지 조립체(1200)는, 베이스 플레이트(1212) 최상부 위에 체결된 하우징(1210)을 포함하는 다중-격실 미세유체 카트리지이다. 하우징(1210) 및 베이스 플레이트(1212)는, 예컨대, 성형된 플라스틱으로 형성될 수 있고, 스크류들(도 32 참고)을 통해 함께 체결될 수 있다. 미세유체 카트리지 조립체(1200)의 전체 높이는, 예컨대, 약 12mm 내지 약 100mm 일 수 있다. 미세유체 카트리지 조립체(1200)의 전체 길이는, 예컨대, 약 100mm 내지 약 200mm 일 수 있다. 미세유체 카트리지 조립체(1200)의 전체 폭은, 예컨대, 약 100mm 내지 약 200mm 일 수 있다.
[00198] 하우징(1210)의 내부는, 도 27a 및 도 27b에 도시된 유체공학적 조립체(1400)이다. 즉, 도 27a 및 도 27b는, 도 25 및 도 28에 도시된 미세유체 카트리지 조립체(1200)에 설치된 유체공학적 조립체(1400)의 예시의 사시도들을 예시한다. 유체공학적 조립체(1400)는, 도 24에 도시된 통합된 미세유체 카트리지(1100)를 기반으로 한다. 즉, 유체공학적 조립체(1400)는, 도 15 및 도 24에 도시되고 설명된 유체공학적 층들(200)을 포함한다. 유체공학적 조립체(1400)는 또한, 유체공학적 층들(200)의 시약 혼합 및 분배 구역(275)의 13개의 시약 채널들(226a-226m)에 대하여 배열되는 회전 가능한 밸브 조립체(1410)를 포함한다. 유체공학적 층들(200)의 길이는, 예컨대, 약 100mm 내지 약 200mm 일 수 있다. 유체공학적 층들(200)의 폭은, 예컨대, 약 100mm 내지 약 200mm 일 수 있다.
[00199] 또한, 유체공학적 조립체(1400)는 유체공학적 층들(200)의 PCR 구역(270)의 양측들 주변을 둘러싸는 가요성 PCB 가열기(1412)를 포함한다. 2개의 개별 제어되는 가열기 트레이스들은, PCR 구역(270)의 일 측 상에 하나의 가열기 트레이스가 있고 PCR 구역(270)의 다른 측 상에 다른 가열기 트레이스가 있도록, 가요성 PCB 가열기(1412)에 제공된다. 가요성 PCB 가열기(1412)는, 도 21에 도시된 미세유체 카트리지(800)의 가요성 PCB 가열기(818)의 예시이다. 가열기 트레이서의 예시의 더 많은 세부 사항들은, 이하의 도 28a 및 도 28b를 참조하여 본원에서 도시되고 설명된다. 가요성 PCB 가열기(1412)의 예시의 더 많은 세부 사항들은, 이하의 도 54a, 도 54b 및 도 54c를 참조하여 본원에서 도시되고 설명된다.
[00200] 이제 도 25 및 26을 참조하면, 미세유체 카트리지 조립체(1200)의 하우징(1210)은 또한, 유체공학적 층들(200)의 4개의 PCR 채널들(222)(예컨대, PCR 채널들(222a, 222b, 222c, 222d))의 입력들과 실질적으로 정렬되는 4개의 시료 로딩 포트들(1214)(예컨대, 시료 로딩 포트들(1214a, 1214b, 1214c, 1214d))을 포함한다. 미세유체 카트리지 조립체(1200)의 하우징(1210)은 또한, 유체공학적 층들(200)의 13개의 시약 채널들(226)(예컨대, 시약 채널들(226a-226m))을 공급하는 13개의 시약 리저보어들(1216)을 포함한다. 13개의 시약 리저보어들(1216)은 동일한 크기이거나 또는 상이할 수 있다. 예컨대, 시약 리저보어들(1216)은 약 0.001ml 내지 약 0.150ml 범위의 액체 용적들을 유지할 수 있다.
[00201] 미세유체 카트리지 조립체(1200)의 하우징(1210)은 또한 시퀀싱 출구 채널(230)에 의해 공급되는 폐기물 리저보어(1218)를 포함한다. 폐기물 리저보어(1218)는, 예컨대, 약 25 ml 내지 약 100 ml의 액체 범위의 용적을 보유할 수 있다. 도 26은, 시약 리저보어들(1216) 및 폐기물 리저보어(1218)는, 예컨대, 포일 시일(1220)로 덮어지거나 밀봉될 수 있음을 도시한다.
[00202] 도 28a 및 28b는, 도 27a 및 27b에 도시된 유체공학적 조립체(1400)에 설치될 수 있는 가열기 트레이스(1500)의 예의 평면도 및 단면도를 각각 도시한다. 즉, 도 28a는, 서펜타인 타입의 레이아웃을 갖는 가열기 트레이스(1500)의 예의 평면도를 도시한다. 도 28b는, 가열기 트레이스(1500)를 포함하는 유체공학적 조립체(1400)의 가요성 PCB 가열기(1412)의 일 측의 단면도를 도시한다. 가요성 PCB 가열기(1412)는, 순서대로, 예컨대, 단면 가요성 구리 층(1510), 접착제 층(1512), 유전체 층(1514), 가열기 트레이스(1500)가 패터닝되는 구리 가열기 층(1516), 및 Kapton® 층(1518)을 포함하는 다층 구조이다. 구리 가열기 층(1516)은 도 28a의 라인 A-A를 따라 취해진 가열기 트레이스(1500)의 단면을 도시한다.
[00203] 도 29, 도 30, 도 31, 도 32, 도 33a 및 도 33b는, 도 25의 미세유체 카트리지 조립체(1200)의 다양한 다른 도면들을 보다 상세히 나타내어 도시한다. 즉, 도 29는 미세유체 카트리지 조립체(1200)의 하우징(1210)-측의 사시도를 도시하며 도 30은 이의 평면도를 도시하며, 둘 모두는 13개의 시약 리저보어들(1216) 및 폐기물 리저보어(1218)의 구성을 보다 상세하게 나타낸다. 도 31은 포일 밀봉부(1220)가 설치되는 미세유체 카트리지 조립체(1200)의 하우징(1210)-측의 평면도를 도시한다. 포일 밀봉부(1220)는 4개의 시료 로딩 포트들(1214)이 노출되고 접근가능하게 유지되도록 개구부를 갖는다.
[00204] 도 32는 미세유체 카트리지 조립체(1200)의 베이스 플레이트(1212)-측의 사시도를 도시한다. 도 33a는 미세유체 카트리지 조립체(1200)의 베이스 플레이트(1212)-측의 평면도를 도시한다. 도 33b는 미세유체 카트리지 조립체(1200)의 측면도를 도시한다. 도 32, 도 33a 및 도 33b는 베이스 플레이트(1212)를 보다 상세하게 도시한다. 즉, 베이스 플레이트(1212)는 유체공학적 조립체(1400)의 유체공학적 층들(200)의 PCR 영역(270)의 부분들을 나타내기 위한 개구부(1222) 및 개구부(1224)를 포함한다. 개구부(1224)를 통하여 유체공학적 조립체(1400)의 가요성 PCB 가열기(1412)와 접촉시키기 위한 I/O 패드들(1226)의 세트가 도시된다.
[00205] 개구부(1222)의 일 에지를 따라 유체공학적 조립체(1400)의 유체공학적 층들(200)의 4개의 멤브레인 밸브들(242)에 액세스하여 이를 작동시키기 위한 4개의 개구부들(1228)이 있다. 즉, 개구부(1228a)는 실질적으로 멤브레인 밸브(242a)와 정렬된다. 개구부(1228b)는 실질적으로 멤브레인 밸브(242b)와 정렬된다. 개구부(1228c)는 실질적으로 멤브레인 밸브(242c)와 정렬된다. 개구부(1228d)는 실질적으로 멤브레인 밸브(242d)와 정렬된다.
[00206] 개구부(1222)의 반대쪽 에지를 따라 유체공학적 조립체(1400)의 유체공학적 층들(200)의 4개의 멤브레인 밸브들(244)에 액세스하여 이를 작동시키기 위한 4개의 개구부들(1230)이 있다. 즉, 개구부(1230a)는 실질적으로 멤브레인 밸브(244a)와 정렬된다. 개구부(1230b)는 실질적으로 멤브레인 밸브(244b)와 정렬된다. 개구부(1230c)는 실질적으로 멤브레인 밸브(244c)와 정렬된다. 개구부(1230d)는 실질적으로 멤브레인 밸브(244d)와 정렬된다.
[00207] 부가적으로, 베이스 플레이트(1212)는 유체공학적 조립체(1400)의 유체공학적 층들(200)의 멤브레인 밸브들(246)에 액세스하여 이를 작동시키기 위한 개구부(1232)를 포함한다. 베이스 플레이트(1212)는 또한 시퀀싱 챔버(258)에서 개구부(1234)를 포함한다. 베이스 플레이트(1212)의 일 코너는 베벨(1236)을 가지며, 이 베벨은, 예컨대, 미세유체 시스템의 인스트루먼트 데크(미도시)에서 미세유체 카트리지 조립체(1200)를 배향시키기 위해 사용된다. 도 32 및 도 33a는 또한 베이스 플레이트(1212)를 하우징(1210)에 체결하기 위해 사용되는 4개의 스크류들(1238)을 도시한다. 또한, 회전 가능한 밸브 조립체(1410)가 유체공학적 조립체(1400)의 유체공학적 층들(200)의 시약 혼합 및 분배 구역(275)에 대하여 도시된다. 회전 가능한 밸브 조립체(1410)는, 사용자 또는 장치가 흐름 제어기 부분(1242)을 터닝할 수 있는 그립 부분(1240)을 갖는 손잡이를 포함한다(도 35 참조).
[00208] 베이스 플레이트(1212)-측이 위로 배향되는 미세유체 카트리지 조립체(1200)로 시작하여, 도 34 내지 도 42는 본질적으로, 미세유체 카트리지 조립체(1200)의 내부 컴포넌트들의 배치 및 설치를 드러내는 수단으로서 미세유체 카트리지 조립체(1200)의 단계적 해체를 도시한다. 우선, 도 34는 유체공학적 조립체(1400)를 드러내기 위해 베이스 플레이트(1212)가 제거되는 미세유체 카트리지 조립체(1200)를 도시한다. 이렇게 하여, 유체공학적 층들(200)의 가요성 PCB 층(260)-측이 가시적이다. 또한, 가요성 PCB 가열기(1412)의 일 측이 가시적이다. 또한, 유체공학적 층들(200)과 베이스 플레이트(1212) 사이의 스페이서(1244)가 드러난다. 도 34에서, 멤브레인 밸브들(242, 244 및 246)이 가시적이다.
[00209] 이제 도 35를 참조하면, 회전 가능한 밸브 조립체(1410)의 그립 부분(1240)이 제거되어 유동 제어기 부분(1242)이 이제 가시적이다. 그립 부분(1240)의 밑면(미도시)은 유동 제어기 부분(1242)과 맞물리도록 설계되므로, 유동 제어기 부분(1242)이, 13개의 시약 채널들(226) 중 하나를 통해 액체의 흐름을 지향시키도록 회전된다.
[00210] 이제 도 36을 참조하면, 회전 가능한 밸브 조립체(1410)의 흐름 제어기 부분(1242)이 제거되어, PCR 출력 채널(224)과 연관된 유체 경로들, 시약 채널들(226), 및 유체공학적 층들(200)의 시퀀싱 피드 채널(228)이 가시적이다.
[00211] 이제 도 37을 참조하면, 유체 경로들이 미세유체 카트리지 조립체(1200) 내에서 가시적이도록 유체공학적 층들(200)이 투명하게 도시된다.
[00212] 이제 도 38을 참조하면, 유체공학적 층들(200)이 제거되었고 가요성 PCB 가열기(1412)가 하우징(1210) 내에 단독으로 도시된다. 이제 도 39를 참조하면, 가요성 PCB 가열기(1412)가 제거되었고 유체공학적 층들(200)이 하우징(1210) 내에 단독으로 도시된다.
[00213] 이제 도 40을 참조하면, 유체공학적 층들(200) 및 가요성 PCB 가열기(1412) 둘 모두가 하우징(1210)으로부터 제거되었다. 이 도면에서, 시료 로딩 포트들(1214), 13개의 시약 리저보어들(1216), 및 폐기물 리저보어(1218)와 연관되는 하우징(1210) 내에의 흐름 경로들이 가시적이다. 예컨대, 하우징(1210)은 시료 로딩 포트들(1214)에 대한 개구부들(1246), 13개의 시약 리저보어들(1216)에 대한 개구부들(1248), 및 폐기물 리저보어(1218)에 대한 개구부(1250)를 포함한다. 도 40은 또한 스크류들(1238)을 수용하기 위한 4개의 트리드 홀들(1252)을 도시한다. 또한, 도 40은 CMOS 이미지 센서(262) 및 CMOS 이미지 센서(262)를 덮고 있는 보호 캡(1254)의 부분을 도시한다. 이제 도 41을 참조하면, CMOS 이미지 센서(262)가 제거되어 보호 캡(1254)이 완전히 가시적이다. 이제 도 42를 참조하면, 보호 캡(1254)이 제거되어 CMOS 이미지 센서(262)와 연관되는 하우징(1210) 내의 클리어런스 영역(1256)을 나타낸다.
[00214] 도 43은 시료 로딩 포트들(1214), 시약 리저보어들(1216), 및 폐기물 리저보어(1218)에 대한 개구부들의 포지션들을 나타내기 위해서 미세유체 카트리지 조립체(1200)의 하우징(1210)의 투명한 사시도를 도시한다. 즉, 이 도면에서, 시료 로딩 포트들(1214)에 대하여 개구부들(1246)의 포지션들, 시약 리저보어들(1216)에 대한 개구부들(1248)의 포지션들, 및 폐기물 리저보어(1218)에 대하여 개구부(1250)의 포지션을 볼 수 있다.
[00215] 도 44는 다양한 유체공학적 채널들이 상부에 놓이는 미세유체 카트리지 조립체(1200)의 하우징(1210)의 투과 사시도를 도시한다. 즉, 이 도면에서, 시료 로딩 포트들(1214), 시약 리저보어들(1216), 및 폐기물 리저보어(1218)에 대하여 다양한 유체공학적 채널들의 포지션들을 볼 수 있다. 도 45는 도 25의 미세유체 카트리지 조립체(1200)를 보다 상세하게 도시하는 미세유체 카트리지 조립체(1200)의 단면도를 도시한다.
[00216] 도 46a, 도 46b, 도 47a, 도 47b 및 도 48은 도 25의 미세유체 카트리지 조립체(1200)의 하우징(1210)을 보다 상세하게 도시하는 미세유체 카트리지 조립체(1200)의 하우징(1210)의 다양한 도면들을 도시한다. 즉, 도 46a 및 도 46b는 각각 하우징(1210)의 평면도 및 측면도를 도시한다. 일 예에서, 하우징(1210)은 높이가 약 12 mm 내지 100mm, 길이가 약 100 mm 내지 약 200 mm, 폭이 약 100 mm 내지 약 200 mm이다. 도 47a는 포일 밀봉부(1220)가 설치되지 않은 하우징(1210)의 사시도를 도시한다. 도 47b는 포일 밀봉부(1220)가 설치되는 하우징(1210)의 사시도를 도시한다. 도 46a, 도 46b, 도 47a 및 도 47b가 하우징(1210) 외부를 도시하고 있지만, 도 48은 하우징(1210) 내부의 평면도를 도시한다.
[00217] 도 49, 도 50, 도 51a, 도 51b 및 도 52는 도 25의 미세유체 카트리지 조립체(1200)의 베이스 플레이트(1212)를 보다 상세하게 도시하는 미세유체 카트리지 조립체(1200)의 베이스 플레이트(1212)의 다양한 도면들을 도시한다. 즉, 도 49 및 도 50은 각각 베이스 플레이트(1212)의 외부 및 내부의 사시도들을 도시한다. 도 41a는 베이스 플레이트(1212) 외부 평면도를 도시하는 한편, 도 41b는 베이스 플레이트(1212)의 측면도를 도시한다. 도 49, 도 50, 도 51a, 도 38b 및 도 39는, 베이스 플레이트(1212)가, 스크류들(1238)을 수용하기 위한 4개의 홀들(1258), 그립 부분(1240)을 수용하기 위해 중앙에 개구부(1262)가 있는 리세스 영역(1260) 및 회전 가능한 밸브 조립체(1410)의 유동 제어기 부분(1242)을 더 포함하는 것을 도시한다.
[000218] 도 53a 및 도 53b는 미세유체 카트리지 조립체(1200)의 유동 조립체(1400)의 다른 사시도들을 보다 상세하게 나타내어 도시한다. 즉, 도 53a 및 도 53b는 각각 유체공학적 조립체(1400)의 사시도를 도시한다. 도 53a는 가요성 PCB 가열기(1412)가 없는 유체공학적 조립체(1400)를 도시하는 반면, 도 53b는 가요성 PCB 가열기(1412)가 설치된 유체공학적 조립체(1400)를 도시한다. 또한, 유체공학적 층들(200)의 일 에지 상에 그리고 PCR 영역(270) 내에 노치(1414)가 있다. 노치(1414)는 가요성 PCB 가열기(1412)를 수용하도록 설계된다.
[00219] 도 54a, 도 54b 및 도 54c는 미세유체 카트리지 조립체(1200)의 유체공학적 조립체(1400)의 가요성 PCB 가열기(1412)의 보다 상세하게 나타내는 다양한 도면들을 예시한다. 즉, 도 54a 및 도 54b는 각각 가요성 PCB 가열기(1412)의 각각의 측의 투시도들을 도시하는 반면, 도 54c는 가요성 PCB 가열기(1412)의 측면도를 도시한다. 가요성 PCB 가열기(1412)는, 가요성 PCB 기술을 사용하여 모두 형성되는 U형 랩어라운드 패널(1416) 및 측면 연장 패널(1418)을 포함한다. U형 랩어라운드 패널(1416)은, 내부에 패턴화된 가열기 트레이스(1500), 예컨대, 가열기 트레이스(1500a 및 1500b)를 각각 갖는 패널(1420) 및 패널(1422)을 포함한다. 가열기 트레이스(1500)의 예가 도 28a 및 28b에 도시된다. 패널(1420)과 패널(1422) 사이의 공간은, 가요성 PCB 가열기(1412)가, 도 53b에 도시된 바와 같이, 유체공학적 층들(200)의 PCR 영역(270) 상에 압입되고 노치(1414)에 끼워질 수 있도록 세팅된다. 도 54b 및 도 41c는 또한 2개의 가열기 트레이스들(1500)뿐만 아니라 CMOS 이미지 센서(262)에 전기 접속들을 제공하는 I/O 패드들(1226)을 도시한다.
[00220] 측면 연장 패널(1418)은 U형 랩어라운드 패널(1416) 내의 벤드 근처에서 패널(1420)로부터 연장된다. 측면 연장 패널(1418)은 CMOS 이미지 센서(262)를 향해 연장되도록 설계된다. 도 53b에 도시된 바와 같이, U형 랩어라운드 패널(1416)로부터 가장 멀리 있는 측면 연장 패널(1418)의 단부는 CMOS 이미지 센서(262)에 대해 피팅되도록 형상화된다. 측면 연장 패널(1418)의 목적은 단단한 또는 가요성 PCB 최상부 위에서 조립되는 CMOS 이미지 센서(262)에 대한 전기 접속을 제공하는 것이다.
[00221] 도 55a 및 55b는 도 15 및 도 27에 도시된 유체공학적 층들(200)의 입구/출구 포트 층(210)의 사시도 및 평면도를 각각 도시한다. 또한, 입구/출구 포트 층(210)은, 예컨대, R2R 프로세스에서 사용하기에 적합한 폴리카보네이트 또는 임의의 다른 재료들로 형성될 수 있다. 입구/출구 포트 층(210)은 미세유체 카트리지 조립체(1200)의 하우징(1210)과 유체공학적 층들(200) 사이의 인터페이스를 제공한다. 즉, 입구/출구 포트 층(210)은 하우징(1210)의 시료 로딩 포트들(1214), 13 개의 시약 리저보어들(1216) 및 폐기물 리저보어(1218)로부터 유체공학적 층들(200)의 유체공학적 채널 층(220)으로의 유체 경로들을 제공한다. 예컨대, 입구/출구 포트 층(210)은 하우징(1210) 내의 시료 로딩 포트들(1214)의 개구들(1246)과 실질적으로 정렬하는 개구들(212)의 세트를 포함한다. 입구/출구 포트 층(210)은 하우징(1210) 내의 시약 리저보어들(1216)의 개구들(1248)과 실질적으로 정렬하는 개구들(214)의 세트를 포함한다. 입구/출구 포트 층(210)은 또한 하우징(1210) 내의 폐기물 리저보어(1218)의 개구(1250)와 실질적으로 정렬하는 개구(216)를 포함한다.
[00222] 도 56a 및 56b는 도 15 및 도 27에 도시된 유체공학적 층들(200)의 유체공학적 채널 층(220)의 사시도 및 평면도를 각각 도시한다. 또한, 유체공학적 채널 층(220)은, 예컨대, R2R 프로세스에서 사용하기에 적합한 폴리카보네이트 또는 임의의 다른 재료들로 형성될 수 있다. 유체공학적 채널 층(220)은 모든 액체들의 유동이 가능하게 되는 유체공학적 층들(200)의 층이다. 즉, 모든 PCR 및 시퀀싱 작동들은 유체공학적 채널 층(220)에서 발생한다. PCR 작동들은 PCR 영역(270)에서 PCR 채널들(222)에서 발생한다. PCR 출력 채널(224)은 시약 혼합 및 분배 구역(275)을 공급한다. 시약 분배는 시약 혼합 및 분배 구역(275)에서 시약 채널들(226)을 사용하여 발생한다. 13 개의 시약 채널들(226)은 회전 가능한 밸브 조립체(1410)를 공급하도록 패터닝된다. 시퀀싱 피드 채널(228)은 도 58a 및 58b에 도시된 시퀀싱 챔버 층(250)의 시퀀싱 챔버(258)의 입구를 공급한다. 이어서, 시퀀싱 출구 채널(230)은 시퀀싱 챔버(258)의 출구에 유동적으로 연결된다.
[00223] 도 57a 및 57b는 도 15 및 도 27에 도시된 유체공학적 층들(200)의 가요성 PCB 층(260)의 사시도 및 평면도를 각각 도시한다. 또한, 가요성 PCB 층(260)은, 예컨대, R2R 프로세스에서 사용하기에 적합한 폴리이미드 또는 임의의 다른 재료들로 형성될 수 있다. 가요성 PCB 층(260)은 멤브레인 밸브들(242)의 입구들/출구들에 상관되는 개구들(또는 홀들)(264)의 세트를 포함한다. 가요성 PCB 층(260)은 또한 멤브레인 밸브들(244)의 입구들/출구들에 상관되는 개구들(또는 홀들)(266)의 세트를 포함한다. 멤브레인 밸브들(246)이 존재하면, 가요성 PCB 층(260)은 멤브레인 밸브들(246)의 입구들/출구들에 상관되는 개구들(또는 홀들)(267)의 세트를 포함한다. 또한, 가요성 PCB 층(260)은 회전 가능한 밸브 조립체(1410)로의 유체 경로들과 실질적으로 정렬하고 이를 제공하는 개구들(268)의 세트를 포함한다.
[00224] 도 58a 및 58b는 도 15 및 도 27에 도시된 유체공학적 층들(200)의 시퀀싱 챔버 저부 층(280)의 사시도 및 평면도를 각각 도시한다. 또한, 시퀀싱 챔버 저부 층(280)은, 예컨대, R2R 프로세스에서 사용하기에 적합한 폴리카보네이트 또는 임의의 다른 재료들로 형성될 수 있다. 시퀀싱 챔버 저부 층(280)은 유체공학적 층들(200)의 스택 내에 멤브레인 밸브들(242)을 형성하기 위한 개구들(282)의 세트를 포함한다. 시퀀싱 챔버 저부 층(280)은 또한 유체공학적 층들(200)의 스택 내에 멤브레인 밸브들(244)을 형성하기 위한 개구들(284)의 세트를 포함한다. 멤브레인 밸브들(246)이 존재하면, 시퀀싱 챔버 저부 층(280)은 유체공학적 층들(200)의 스택 내에 멤브레인 밸브들(246)을 형성하기 위한 개구들(286)의 세트를 포함한다. 또한, 시퀀싱 챔버 저부 층(280)은 회전 가능한 밸브 조립체(1410)로의 유체 경로들과 실질적으로 정렬하고 이를 제공하는 개구들(288)의 세트를 포함한다. 부가적으로, 시퀀싱 챔버 저부 층(280)은, 시퀀싱 챔버 층(250)의 시퀀싱 챔버(258)에 유동적으로 커플링하는 개구들(289)의 쌍을 포함한다.
[00225] 시퀀싱 챔버 저부 층(280)은 CMOS 기술이 통합되는 유체공학적 층들(200)의 층이다. 즉, CMOS 이미지 센서(262)는 시퀀싱 챔버 저부 층(280) 상에 설치된다. CMOS 이미지 센서(262)의 포지션은 시퀀싱 챔버 층(250)의 시퀀싱 챔버(258)의 포지션에 실질적으로 대응한다.
[00226] 도 59a 및 59b는 도 15 및 도 27에 도시된 유체공학적 층들(200)의 시퀀싱 챔버 저부 층(250)의 사시도 및 평면도를 각각 도시한다. 또한, 시퀀싱 챔버 층(250)은, 예컨대, R2R 프로세스에서 사용하기에 적합한 폴리카보네이트 또는 임의의 다른 재료들로 형성될 수 있다. 시퀀싱 챔버 층(250)은, 시퀀싱 작동들이 발생하는, 즉, 시퀀싱 챔버(258)를 사용하는 유체공학적 층들(200)의 층이다.
[00227] 시퀀싱 챔버 층(250)은 유체공학적 층들(200)의 스택 내에 멤브레인 밸브들(242)을 형성하기 위한 개구들(252)의 세트를 포함한다. 시퀀싱 챔버 저부 층(250)은 또한 유체공학적 층들(200)의 스택 내에 멤브레인 밸브들(244)을 형성하기 위한 개구들(254)의 세트를 포함한다. 멤브레인 밸브들(246)이 존재하면, 시퀀싱 챔버 층(250)은 유체공학적 층들(200)의 스택 내에 멤브레인 밸브들(246)을 형성하기 위한 개구들(255)의 세트를 포함한다. 또한, 시퀀싱 챔버 층(250)은 회전 가능한 밸브 조립체(1410)로의 유체 경로들과 실질적으로 정렬하고 이를 제공하는 개구들(256)의 세트를 포함한다.
[00228] 도 60a 및 60b는 도 15 및 도 27에 도시된 유체공학적 층들(200)의 멤브레인 층(240) 및 시퀀싱 챔버 최상부 층(290)의 사시도 및 평면도를 각각 도시한다. 멤브레인 층(240)은, 예컨대, 실리콘 엘라스토머로 형성될 수 있고, 반면에 시퀀싱 챔버 최상부 층(290)은, 예컨대, COC로 형성될 수 있다. 멤브레인 층(240)은 유체공학적 층들(200)의 스택 내의 멤브레인 밸브들(242, 244 및 246)을 개방 및 폐쇄하기 위한 탄력성 멤브레인으로서 기능하고, 여기서 멤브레인 밸브들(242, 244 및 246)은 순서대로 가요성 PCB 층(260), 시퀀싱 챔버 저부 층(280), 시퀀싱 챔버 층(250) 및 멤브레인 층(240)의 조합에 의해 생성된다. 도 60a 및 60b는 또한 시퀀싱 챔버 층(250)의 시퀀싱 챔버(258)를 커버하는데 사용되는 시퀀싱 챔버 최상부 층(290)을 도시한다.
[00229] 도 61a 및 61b는 시퀀싱을 위해 필요로 되는 하류 혼합 및 멀티플렉스 PCR을 수행하기 위해 미세유체 카트리지 조립체(1200)를 사용하는 방법(4800)의 예시의 흐름도를 예시한다. 미세유체 카트리지 조립체(1200)가 도 24에 도시된 미세유체 카트리지(1100)에 기초하기 때문에, 미세유체 카트리지 조립체(1200)는 4X 시료 멀티플렉싱을 위해 구성된다. 또한, 방법(4800)에서, 13 개의 시약 리저보어들(1216)은 지정된 시약 리저보어들(1216a, 1216b, 1216c, 1216d, 1216e, 1216f, 1216g, 1216h, 1216i, 1216j, 1216k, 1216l, 및 1216m)이다. 또한, 방법(4800)은, 미세유체 카트리지 조립체(1200)에 유동적으로 연결된 출구 펌프(1114)를 활용한다. 출구 펌프(1114)는 시퀀싱 챔버(258)의 하류에 포지셔닝된다. 출구 펌프(1114)는 포지티브 압력 및 네거티브 압력(즉, 진공 압력) 둘 모두를 제공할 수 있다. 방법(4800)은 이에 제한되지 않지만, 다음의 단계들을 포함한다.
[00230] 단계(4810)에서, 사용을 위해 준비된 미세유체 카트리지 조립체(1200)가 제공된다. 즉, 미세유체 카트리지 조립체(1200)에는 원하는 액체들이 로딩된 자신의 리저보어들 중 하나 이상이 제공된다. 예컨대, 시약 리저보어(1216)는 동일하거나 상이한 시약 액체로 충전될 수 있다. 일 예시에서, 시약 리저보어들(1216a-m) 모두는 수소화반응 버퍼(HT1)로 충전된다. 방법(4800)은 단계(4815)로 진행된다.
[00231] 단계(4815)에서, 모든 멤브레인 밸브들은 폐쇄되고, 이어서 시료들/PCR MIX가 로딩된다. "PCR MIX"는 DNA 템플릿들을 증폭하기 위해 루틴 PCR에서 사용하기 위해 최적화된 PCR 마스터 혼합을 의미한다. 이러한 단계에서, 멤브레인 밸브들(242a 및 244a)이 폐쇄되고, 멤브레인 밸브들(242b 및 244b)이 폐쇄되고, 멤브레인 밸브들(242c 및 244c)이 폐쇄되고, 멤브레인 밸브들(242d 및 244d)이 폐쇄된다. 이러한 방식으로, PCR 채널들(222a, 222b, 222c, 및 222d) 모두가 완전히 밀봉된다. 이어서, 제 1 시료 액체는 PCR MIX(이후에 시료/PCR_MIX1로 불림)와 혼합되고, 시료 로딩 포트(1214a)로 로딩된다. 제 2 시료 액체는 PCR MIX(이후에 시료/PCR_MIX2로 불림)와 혼합되고, 시료 로딩 포트(1214b)로 로딩된다. 제 3 시료 액체는 PCR MIX(이후에 시료/PCR_MIX3으로 불림)와 혼합되고, 시료 로딩 포트(1214c)로 로딩된다. 제 4 시료 액체는 PCR MIX(이후에 시료/PCR_MIX4로 불림)와 혼합되고, 시료 로딩 포트(1214d)로 로딩된다. 이러한 단계의 완료 시에, 시료/PCR MIX의 용적은 시료 로딩 포트들(1214) 각각에 시팅하고, 프로세싱을 위해 준비된다. 방법(4800)은 단계(4820)로 진행된다.
[00232] 단계(4820)에서, 제 1 시료에 대한 멤브레인 밸브들이 개방된다. 이어서, 제 1 시료가 PCR 구역으로 견인된다. 이어서, 제 1 시료에 대한 멤브레인 밸브들이 폐쇄된다. 예컨대, PCR 채널(222a)에 대한 멤브레인 밸브들(242a 및 244a)이 개방된다. 이어서, 출구 펌프(1114)를 사용하여, 시료/PCR_MIX1이 PCR 채널(222a)로 견인된다. 이어서, PCR 채널(222a)에 대한 멤브레인 밸브들(242a 및 244a)이 폐쇄되고, 시료/PCR_MIX1의 용적은 이제 PCR 채널(222a)의 내부에서 밀봉된다. 방법(4800)은 단계(4825)로 진행된다.
[00233] 결정 단계(4825)에서, 다른 시료가 PCR 구역, 즉, PCR 구역(270)으로 로딩되기를 대기할지가 결정된다. 예이면, 방법(4800)이 단계(4830)로 진행된다. 아니오이면, 방법(4800)이 단계(4835)로 진행된다.
[00234] 단계(4830)에서, 다음 시료에 대한 멤브레인 밸브들이 개방된다. 이어서, 다음 시료가 PCR 구역으로 견인된다. 이어서, 다음 시료에 대한 멤브레인 밸브들이 폐쇄된다. 일 예시에서, PCR 채널(222b)에 대한 멤브레인 밸브들(242b 및 244b)이 개방된다. 이어서, 출구 펌프(1114)를 사용하여, 시료/PCR_MIX2가 PCR 채널(222b)로 견인된다. 이어서, PCR 채널(222b)에 대한 멤브레인 밸브들(242b 및 244b)이 폐쇄되고, 시료/PCR_MIX2의 용적은 이제 PCR 채널(222b)의 내부에서 밀봉된다.
[00235] 다른 예시에서, PCR 채널(222c)에 대한 멤브레인 밸브들(242c 및 244c)이 개방된다. 이어서, 출구 펌프(1114)를 사용하여, 시료/PCR_MIX3가 PCR 채널(222c)로 견인된다. 이어서, PCR 채널(222c)에 대한 멤브레인 밸브들(242c 및 244c)이 폐쇄되고, 시료/PCR_MIX3의 용적은 이제 PCR 채널(222c)의 내부에서 밀봉된다.
[00236] 또 다른 예시에서, PCR 채널(222d)에 대한 멤브레인 밸브들(242d 및 244d)이 개방된다. 이어서, 출구 펌프(1114)를 사용하여, 시료/PCR_MIX4가 PCR 채널(222d)로 견인된다. 이어서, PCR 채널(222d)에 대한 멤브레인 밸브들(242d 및 244d)이 폐쇄되고, 시료/PCR_MIX4의 용적은 이제 PCR 채널(222d)의 내부에서 밀봉된다.
[00237] 방법(4800)은 단계(4825)로 복귀한다.
[00238] 단계(4835)에서, PCR 채널(222a)에서의 시료/PCR_MIX1, PCR 채널(222b)에서의 시료/PCR_MIX2, PCR 채널(222c)에서의 시료/PCR_MIX3, 및 PCR 채널(222d)에서의 시료/PCR_MIX4로, PCR 작동들이 수행된다. PCR 작동들의 완료시, 시료/PCR_MIX1은 이제 PCR_MIX1로 지칭되고, 시료/PCR_MIX2는 이제 PCR_MIX2로 지칭되고, 시료/PCR_MIX3은 이제 PCR_MIX3으로 지칭되고 그리고 시료/PCR_MIX4는 이제 PCR_MIX4로 지칭된다. 방법(4800)은 단계(4840)로 진행한다.
[00239] 단계(4840)에서, 회전 가능한 밸브는 제 1 PRC MIX 포지션으로 회전된다. 예컨대, 회전 가능한 밸브 조립체(1410)의 그립 부분(1240)을 회전시킴으로써, 회전 가능한 밸브 조립체(1410)의 포지션은 PCR_MIX1을 보유하고 있는 PCR 채널(222a)로 설정된다. 방법(4800)은 단계(4845)로 진행한다.
[00240] 단계(4845)에서, 제 1 PCR MIX에 대한 멤브레인 밸브들이 개방된다. 이후, 제 1 PCR MIX는 회전 가능한 밸브를 통해 CMOS 디바이스쪽으로 풀링된다(pulled). 이후, 제 1 PCR MIX에 대한 멤브레인 밸브들이 폐쇄된다. 예컨대, PCR 채널(222a)에 대한 멤브레인 밸브들(242a 및 244a)이 개방된다. 이후, 출구 펌프(1114)를 사용하여, PCR_MIX1은 PCR 채널(222a)로부터, PCR 출력 채널(224)로 그리고 회전 가능한 밸브 조립체(1410)를 통해 풀링된다. 이후, 멤브레인 밸브들(242a 및 244a)이 폐쇄된다. 방법(4800)은 단계(4850)로 진행한다.
[00241] 단계(4850)에서, 회전 가능한 밸브는 수소화반응 버퍼(HT1) 포지션으로 회전되며, 이는 시약 리저보어(1216)가 HT1을 보유하고 있다는 것을 의미한다. 방법(4800)에서, 적어도 하나의 시약 리저보어(1216)는 일정 용적(a volume)의 HT1을 보유한다. 예로써, 시약 리저보어(1216k)는 일정 용적의 HT1을 보유한다. 따라서, 회전 가능한 밸브 조립체(1410)의 그립 부분(1240)을 회전시킴으로써, 회전 가능한 밸브 조립체(1410)의 포지션은 이제 HT1을 보유하고 있는 시약 리저보어(1216k)로 설정된다. 방법(4800)은 단계(4855)로 진행한다.
[00242] 단계(4855)에서, 제 1 PCR MIX가 HT1 리저보어로 푸싱된다(pushed). 예컨대, 출구 펌프(1114)를 사용하여, PCR_MIX1은 회전 가능한 밸브 조립체(1410)를 통해 시약 리저보어(1216k)로 푸싱되고 그리고 그 안에서 HT1과 혼합된다. 방법(4800)은 단계(4860)로 진행한다.
[00243] 결정 단계(4860)에서, 다른 PCR MIX가 HT1과 혼합될 것을 기다리고 있는지가 결정된다. 예이면, 방법(4800)은 단계(4865)로 진행한다. 아니오이면, 방법(4800)은 단계(4885)로 진행한다.
[00244] 단계(4865)에서, 회전 가능한 밸브는 다음 PRC MIX 포지션으로 회전된다. 일 예에서, 회전 가능한 밸브 조립체(1410)의 그립 부분(1240)을 회전시킴으로써, 회전 가능한 밸브 조립체(1410)의 포지션은 PCR_MIX2를 보유하고 있는 PCR 채널(222b)로 설정된다. 다른 예에서, 회전 가능한 밸브 조립체(1410)의 그립 부분(1240)을 회전시킴으로써, 회전 가능한 밸브 조립체(1410)의 포지션은 PCR_MIX3를 보유하고 있는 PCR 채널(222c)로 설정된다. 또 다른 예에서, 회전 가능한 밸브 조립체(1410)의 그립 부분(1240)을 회전시킴으로써, 회전 가능한 밸브 조립체(1410)의 포지션은 PCR_MIX4를 보유하고 있는 PCR 채널(222d)로 설정된다. 방법(4800)은 단계(4870)로 진행한다.
[00245] 단계(4870)에서, 다음 PCR MIX에 대한 멤브레인 밸브들이 개방된다. 이후, 다음 PCR MIX는 회전 가능한 밸브를 통해 CMOS 디바이스쪽으로 풀링된다. 이후, 다음 PCR MIX에 대한 멤브레인 밸브들이 폐쇄된다. 일 예에서, PCR 채널(222b)에 대한 멤브레인 밸브들(242b 및 244b)이 개방된다. 이후, 출구 펌프(1114)를 사용하여, PCR_MIX2이 PCR 채널(222b)로부터, PCR 출력 채널(224)로 그리고 회전 가능한 밸브 조립체(1410)를 통해 풀링된다. 이후, 멤브레인 밸브들(242b 및 244b)이 폐쇄된다. 다른 예에서, PCR 채널(222c)에 대한 멤브레인 밸브들(242c 및 244c)이 개방된다. 이후, 출구 펌프(1114)를 사용하여, PCR_MIX3이 PCR 채널(222c)로부터, PCR 출력 채널(224)로 그리고 회전 가능한 밸브 조립체(1410)를 통해 풀링된다. 이후, 멤브레인 밸브들(242c 및 244c)이 폐쇄된다. 또 다른 예에서, PCR 채널(222d)에 대한 멤브레인 밸브들(242d 및 244d)이 개방된다. 이후, 출구 펌프(1114)를 사용하여, PCR_MIX4이 PCR 채널(222d)로부터, PCR 출력 채널(224)로 그리고 회전 가능한 밸브 조립체(1410)를 통해 풀링된다. 이후, 멤브레인 밸브들(242d 및 244d)이 폐쇄된다. 방법(4800)은 단계(4875)로 진행한다.
[00246] 단계(4875)에서, 회전 가능한 밸브는 다음 HT1 포지션으로 회전된다. 예컨대, 회전 가능한 밸브 조립체(1410)의 그립 부분(1240)을 회전시킴으로써, 회전 가능한 밸브 조립체(1410)의 포지션은 HT1을 보유하고 있는 시약 리저보어(1216k)로 리턴된다. 방법(4800)은 단계(4880)로 진행한다.
[00247] 단계(4880)에서, 다음 PCR MIX가 HT1 리저보어로 푸싱된다. 일 예에서, 출구 펌프(1114)를 사용하여, PCR_MIX2는 회전 가능한 밸브 조립체(1410)를 통해 시약 리저보어(1216k)로 푸싱되고 그리고 그 안에서 HT1과 혼합된다. 다른 예에서, 출구 펌프(1114)를 사용하여, PCR_MIX3는 회전 가능한 밸브 조립체(1410)를 통해 시약 리저보어(1216k)로 푸싱되고 그리고 그 안에서 HT1과 혼합된다. 다른 예에서, 출구 펌프(1114)를 사용하여, PCR_MIX4는 회전 가능한 밸브 조립체(1410)를 통해 시약 리저보어(1216k)로 푸싱되고 그리고 그 안에서 HT1과 혼합된다. 방법(4800)은 단계(4860)로 리턴한다.
[00248] 단계(4885)에서, HT1 리저보어로부터의 혼합물이 시퀀싱 챔버로 풀링되고, 클러스터링/시퀀싱 레시피가 실행된다. 예컨대, 이제 HT1, PCR_MIX1, PCR_MIX2, PCR_MIX3 및 PCR_MIX4의 혼합물을 보유하는 시약 리저보어(1216k)로, 이 혼합물이 시약 리저보어(1216k)로부터 풀링되고, 이후 시퀀싱 공급 채널(228)을 따라 시퀀싱 챔버(258)로 풀링된다. 이후, CMOS 이미지 센서(262)를 사용하여, 클러스터링/시퀀싱 레시피가 실행된다. 방법(4800)이 종료된다.
[00249] 하나 또는 그 초과의 실시예들은 접근가능한 바이오센서 활성 영역을 갖는 CMOS 유동 셀을 포함할 수 있다. 이를테면, CMOS 유동 셀은 일회용 소모품(single use consumable item)으로 설계될 수 있다. 이에 따라, CMOS 유동 셀이 작고 저렴한 디바이스인 것이 유리할 수 있다. 작은 CMOS 유동 셀에서, 가능한 많은 바이오센서 활성 영역을 사용하는 것이 중요하다. 그러나, 현재의 CMOS 유동 셀 설계들은 바이오센서 활성 영역의 100% 활용을 허용하지 않는다. 따라서, CMOS 유동 셀에서 바이오센서 활성 영역의 증가된 활용을 제공하기 위해 새로운 접근법들이 요구된다. 본원에서 설명되는 실시예들은 CMOS 유동 셀을 포함할 수 있으며, 도 62 내지 75에 관하여 하기 본원에서 도시되고 설명되는 것처럼, 바이오센서 활성 영역의 대부분 또는 약 100%까지 시약 전달 및 조사를 위해 접근가능하다.
[00250] 도 62는 CMOS 유동 셀(4900)의 예에 대한 측면도를 예시하며, 바이오센서 활성 영역의 대부분 또는 약 100%까지 시약 전달 및 조사를 위해 접근가능하다. CMOS 유동 셀(4900)은, 예컨대, 가요성 PCB 기판인 PCB 기판(4910)을 포함한다. PCB 기판(4910) 최상부 위에는 CMOS 바이오센서 디바이스(4920)가 있다. CMOS 바이오센서 디바이스(4920)는 상부에 바이오레이어가 있는 CMOS 이미지 센서이다. 또한, PCB 기판(4910) 및 주변 CMOS 바이오센서 디바이스(4920) 최상부 위에는 라미네이트 막(4930)이 있다. 라미네이트 막(4930)은, 예컨대, 에폭시, 폴리이미드 또는 다른 플라스틱 막, 실리콘, Kapton®, BT(Bismaleimide-Triazine) 기판들 등으로 형성될 수 있다. PCB 기판(4910) 및 라미네이트 막(4930)은 가요성 PCB 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 평탄화 표면은 또한 PCB 기판에 캐비티를 기계가공함으로써 생성될 수 있다.
[00251] 라미네이트 막(4930)의 목적은, CMOS 바이오센서 디바이스(4920)의 최상부와 실질적으로 평면인 CMOS 바이오센서 디바이스(4920)의 둘레 주위에 연장된 표면을 제공하는 것이다. 일 예에서, CMOS 바이오센서 디바이스(4920)의 다이 두께가 약 100㎛인 경우, 라미네이트 막(4930)의 두께는 약 100㎛ ± 5㎛이다.
[00252] PCB 기판(4910)과 라미네이트 막(4930) 간의 약간의 갭은 CMOS 바이오센서 디바이스(4920)의 둘레 주위에 트렌치 또는 채널(4950)을 형성한다. 트렌치 또는 채널(4950)의 폭은, 예컨대, 약 100㎛ 내지 약 1000㎛일 수 있다. 트렌치 또는 채널(4950)은, 필러 재료(4952)로 채워져, CMOS 바이오센서 디바이스(4920)와 라미네이트 막(4930) 양자 모두에 걸쳐 실질적으로 연속적인 평탄 표면을 형성한다. 필러 재료(4952)는 CMOS 바이오센서 디바이스(4920) 최상부 위에서 발생하는 반응들을 간섭하지 않는 재료이다. 필러 재료(4952)는 예컨대, 자외선(UV)-경화된 에폭시, 열적-경화된 에폭시 등일 수 있다.
[00253] CMOS 바이오센서 디바이스(4920)와 라미네이트 막(4930)의 최상부 위에는, 유동 채널(4942)이 통합되는 유동 셀 덮개(lid)(4940)가 있다. 또한, 유동 셀 덮개(4940)는 유동 채널(4942)에 입구/출구 포트들을 제공하는 제 1 포트 (4944) 및 제 2 포트(4946)를 포함한다. 유동 셀 덮개(4940)는, 광학적으로 투명하며 분석 검출을 위해 사용될 스펙트럼의 부분에서 자발형광(autoflourescence)이 낮거나 아예 없는 재료, 예컨대, 이로 제한되는 것은 아니지만 COC(cyclic olefin copolymer)로 형성된다. 유동 셀 덮개(4940)의 전체 두께는, 예컨대, 약 300㎛ 내지 약 1000㎛일 수 있다. 결합(bond) 영역은 라미네이트 막(4930)에 유동 셀 덮개(4940)를 결합시키기 위해 유동 채널(4942) 외부에 존재한다. 결합은 낮은 자발형광 접착제를 통해 이루어질 수 있다.
[00254] 실질적으로 연속적인 평면 표면이 CMOS 바이오센서 디바이스(4920) 및 라미네이트 막(4930) 양자 모두에 걸쳐 존재하기 때문에, 유동 셀 덮개(4940) 내의 유동 채널(4942)의 영역은 전체 CMOS 바이오센서 디바이스(4920)에 걸쳐 걸치도록 크기설정될 수 있다; 즉, 이는 바이오센서 활성 영역의 약 100 %에 걸쳐 있을 수 있다. 일 예에서, CMOS 바이오센서 디바이스(4920)의 다이 크기가 약 8 mm x 9 mm이면, 활성 영역은 약 7 mm x 8 mm이다. 그러나, CMOS 바이오센서 디바이스(4920)의 다이 크기는, 예컨대, 비례적으로 더 큰 활성 영역을 가지며, 약 25mm x 25mm 까지의 범위일 수 있다.
[00255] 도 62는, 예컨대, 유동 채널(4942)을 채우는 시약 유체(4954)를 도시한다. 화학 반응들은 CMOS 바이오센서 디바이스(4920)의 최상부 위에 있는 유동 채널(4942) 내 시약 유체(4954)에서 발생한다. 유동 셀 덮개(4940)를 통해 조사될 때, CMOS 바이오센서 디바이스(4920)는 유동 채널(4942)에서 발생하는 화학 반응들을 감지하는데 사용된다. CMOS 바이오센서 디바이스(4920)로부터의 신호들을 포착(acquire)하기 위해 PCB 기판(4910)을 통해 전기 접속(도시되지 않음)이 제공된다. CMOS 유동 셀(4900)에서, CMOS 바이오센서 디바이스(4920)의 바이오센서 활성 영역의 약 100%가 시약 전달 및 조사를 위해 접근가능하다.
[00256] 도 63은 도 62에 도시된 CMOS 유동 셀(4900)의 하나의 인스턴스생성의 예시의 분해도를 예시한다. 도 63은 CMOS 바이오센서 디바이스(4920)가 활성 영역(4922)을 포함하고 있음을 도시한다. 활성 영역(4922) 외부의 CMOS 바이오센서 디바이스(4920)의 임의의 부분은 비활성 영역(4924)이다. CMOS 바이오센서 디바이스(4920)는, 예컨대 플립-칩 기술을 사용하여 PCB 기판(4910)에 접합될 수 있다. 또한, 라미네이트 막(4930)은, PCB 기판(4910)에 대해 라미네이트될 때 CMOS 바이오센서 디바이스(4920)를 수용하도록 크기가 정해지는 개구 또는 윈도우(4932)를 포함한다. 개구 또는 윈도우(4932)는, 라미네이트 막(4930)을 PCB 기판(4910)에 라미네이트하기 전에 라미네이트 막(4930)에 제공된다. 유동 셀 리드(4940)가 라미네이트 막(4930)에 본딩될 때, 유동 채널(4942)은 CMOS 바이오센서 디바이스(4920)와 실질적으로 정렬되고, 그 영역은 CMOS 바이오센서 디바이스(4920)의 영역을 넘어서 연장한다. 도 63에서, 유동 셀 리드(4940)는 투명한 것으로 도시되어 있다. 도 64 및 도 65는 각각, 완전히 조립될 때, 도 63에 도시된 CMOS 유동 셀(4900)의 사시도 및 측면도를 예시한다.
[00257] 도 66은 도 63, 도 64 및 도 65에 도시된 CMOS 유동 셀(4900)의 유동 셀 리드(4940)의 예시의 사시도를 예시한다. 즉, 도 66은 도 63, 도 64 및 도 65에 도시된 CMOS 유동 셀(4900)의 유동 셀 리드(4940)의 상부 및 바닥 사시도를 도시한다. 본 예시에서, 제 1 포트(4944) 및 제 2 포트(4946)의 직경은 약 750 ㎛ 일 수 있다. 또한, 유동 채널(4942)의 깊이 또는 높이는 약 100 ㎛ 일 수 있다.
[00258] 도 67, 도 68, 도 69 및 도 70은, 유동 셀 리드가 상부에 장착될 수 있는, CMOS 유동 셀에 연장된 평탄 표면을 제공하는 프로세스의 예시를 예시한다.
[00259] 제 1 단계에서 그리고 이제 도 67을 참조하면, PCB 기판(4910)의 최상부 위에 라미네이트 막(4930) 및 CMOS 바이오센서 디바이스(4920)가 제공된다. 트렌치 또는 채널(4950)이 CMOS 바이오센서 디바이스(4920)의 둘레 주위에 존재한다. 라미네이트 막(4930)에서의 개구 또는 윈도우(4932)가 CMOS 바이오센서 디바이스(4920)보다 약간 더 크기 때문에, 트렌치 또는 채널(4950)이 존재한다.
[00260] 다음 단계에서 그리고 이제 도 68을 참조하면, 트렌치 또는 채널(4950)의 상부 측은, 예컨대, 트렌치 또는 채널(4950)에 대해 타이트하게 피팅하기 위한 피처들을 갖는 광학적으로 투명한 엘라스토머(4960)로 밀봉된다. 엘라스토머(4960)는, 자외선이 통과할 수 있도록 광학적으로 투명하다. 엘라스토머(4960)의 목적은 충전을 위한 준비로 트렌치 또는 채널(4950)의 최상부를 막는 것이다.
[00261] 다음 단계에서 그리고 이제 도 69를 참조하면, 트렌치 또는 채널(4950)은, 예컨대 PCB 기판(4910)의 한 쌍의 스루홀들(4916)을 사용하여, UV-경화된 에폭시와 같은 필러 재료(4952)로 채워지는데, 이것이 엘라스토머(4960)가 광학적으로 투명한 이유이다.
[00262] 다음 단계에서 그리고 이제 도 70을 참조하면, 일단 필러 재료(4952)가 경화되면, 엘라스토머(4960)가 제거되고, 유동 셀 리드, 이를테면 유동 셀 리드(4940)를 수용하기 위한 실질적으로 연속적인 평탄 표면이 이제 유동 셀에 존재하게 된다.
[00263] 도 71a, 도 71b, 도 71c 및 도 71d는, 유동 셀 리드가 상부에 장착될 수 있는, CMOS 유동 셀에 연장된 평탄 표면을 제공하는 프로세스의 다른 예시를 예시한다.
[00264] 제 1 단계에서 그리고 이제 도 71a를 참조하면, CMOS 바이오센서 디바이스(4920)가 PCB 기판(4910)의 최상부 위에 제공된다.
[00265] 다음 단계에서 그리고 이제 도 71b를 참조하면, 몰드(5510)(예컨대, 크램쉘 타입 몰드)가 CMOS 바이오센서 디바이스(4920) 및 PCB 기판(4910)의 둘레에 제공된다. 몰드(5510)는, CMOS 바이오센서 디바이스(4920)의 둘레 주위에 그리고 PCB 기판(4910)의 최상부 위에 공간 또는 보이드(5512)를 제공한다.
[00266] 다음 단계에서 그리고 이제 도 71c를 참조하면, 예컨대, 저압 사출 몰딩 프로세스 또는 반응 사출 몰딩 프로세스를 사용하여, 몰드(5510) 내의 공간 또는 보이드(5512)가, UV-경화된 또는 열-경화된 에폭시와 같은 필러 재료(4952)로 충전된다.
[00267] 다음 단계에서 그리고 이제 도 71d를 참조하면, 일단 필러 재료(4952)가 경화되면, 몰드(5510)가 제거되고, 유동 셀 리드, 이를테면 유동 셀 리드(4940)를 수용하기 위한 실질적으로 연속적인 평탄 표면이 이제 유동 셀에 존재하게 된다.
[00268] 도 72, 도 73, 도 74, 및 도 75는, 유동 셀 리드가 상부에 장착될 수 있는, CMOS 유동 셀에 연장된 평탄 표면을 제공하는 프로세스의 또 다른 예시를 예시한다.
[00269] 제 1 단계에서 그리고 이제 도 72를 참조하면, CMOS 바이오센서 디바이스(4920)가 PCB 기판(4910)의 최상부에 제공된다. 또한, 기계 재료 피스(5910)가 PCB 기판(4910)의 최상부에 그리고 CMOS 바이오센서 디바이스(4920)의 하나의 단부에 제공된다. 유사하게, 기계 재료 피스(5912)가 PCB 기판(4910)의 최상부에 그리고 CMOS 바이오센서 디바이스(4920)의 다른 단부에 제공된다. 기계 재료 피스들(5910 및 5912)은, 예컨대, 블랭크(blank) 실리콘, 유리 또는 플라스틱일 수 있다. 트렌치 또는 채널(5914)이, 기계 재료 피스(5910)와 CMOS 바이오센서 디바이스(4920) 사이에 있다. 다른 트렌치 또는 채널(5914)이, 기계 재료 피스(5912)와 CMOS 바이오센서 디바이스(4920) 사이에 있다.
[00270] 다음 단계에서 그리고 이제 도 73을 참조하면, 배리어들(5916)의 세트가, 트렌치들 또는 채널들(5914)의 단부들에 제공된다. 예컨대, 충전을 위한 준비로, 배리어들(5916a 및 5916b)은 하나의 트렌치 또는 채널(5914)의 단부들을 차단하고, 배리어들(5916c 및 5916d)은 다른 트렌치 또는 채널(5914)의 단부들을 차단한다.
[00271] 다음 단계에서 그리고 이제 도 74를 참조하면, 트렌치들 또는 채널들(5914)은 UV-경화된 또는 열-경화된 에폭시와 같은 필러 재료(4952)로 충전된다. 필러 재료(4952)는, 배리어들(5916a 및 5916b) 사이에 그리고 배리어들(5916c 및 5916d) 사이에 유지된다.
[00272] 다음 단계에서 그리고 이제 도 75를 참조하면, 일단 필러 재료(4952)가 경화되면, 유동 셀 리드, 이를테면 유동 셀 리드(4940)를 수용하기 위한 실질적으로 연속적인 평탄 표면이 이제 유동 셀에 존재하게 된다.
[00273] 본 개시의 다양한 양태들이 방법, 시스템, 컴퓨터 판독 가능한 매체 및/또는 컴퓨터 프로그램 제품으로서 구현될 수 있음을 이해할 것이다. 본 개시의 양태들은, 하드웨어 실시예들, 소프트웨어 실시예들(펌웨어, 상주 소프트웨어, 마이크로-코드 등을 포함함), 또는 본원에서 일반적으로 "회로", 모듈" 또는 "시스템"으로서 모두 지칭될 수 있는 소프트웨어 및 하드웨어 양태들을 결합하는 실시예들의 형태를 취할 수 있다. 또한, 본 개시의 방법들은, 매체에 구현되는 컴퓨터-사용가능한 프로그램 코드를 갖는 컴퓨터-사용 가능한 저장 매체 상의 컴퓨터 프로그램 제품의 형태를 취할 수 있다.
[00274] 임의의 적합한 컴퓨터 사용 가능한 매체가 본 개시의 소프트웨어 양태들을 위해 활용될 수 있다. 컴퓨터-사용 가능한 또는 컴퓨터-판독 가능한 매체는, 예컨대 전자, 자기, 광학, 전자기, 적외선 또는 반도체 시스템, 장치, 디바이스 또는 전파 매체일 수 있지만, 이것들로 제한되지 않는다. 컴퓨터 판독 가능한 매체는 일시적 및/또는 비-일시적 실시예들을 포함할 수 있다. 컴퓨터-판독 가능한 매체의 보다 구체적인 예시들(비한정적인 리스트)은, 하기의 것들: 하나 이상의 와이어들을 갖는 전기적 연결, 휴대용 컴퓨터 디스켓, 하드 디스크, 랜덤 억세스 메모리(RAM), 판독 전용 메모리(ROM), 소거 가능한 프로그램 가능한 판독 전용 메모리(EPROM 또는 플래시 메모리), 광섬유, 휴대용 콤팩트 디스크 판독 전용 메모리(CD-ROM), 광학 저장 디바이스, 인터넷 또는 인트라넷을 지원하는 것들과 같은 전송 매체, 또는 자기 저장 디바이스 중에서 일부 또는 전부를 포함할 것이다. 컴퓨터-사용 가능한 또는 컴퓨터-판독 가능한 매체는 심지어, 프로그램이 그 위에 프린트되는 페이퍼 또는 다른 적합한 매체일 수 있음이 주목되는데, 이는 프로그램이, 예컨대 페이퍼 또는 다른 매체의 광학 스캐닝을 통해 전자적으로 캡처되고, 그런 다음 컴파일링되고, 해석되거나, 또는 필요한 경우, 적합한 방식으로 다르게 프로세싱되고, 그런 다음 컴퓨터 메모리에 저장될 수 있기 때문이다. 본 문서의 문맥에서, 컴퓨터-사용 가능한 또는 컴퓨터-판독 가능한 매체는, 명령 실행 시스템, 장치 또는 디바이스에 의해 또는 이들과 관련하여 사용하기 위해 프로그램을 포함, 저장, 통신, 전파 또는 전송할 수 있는 임의의 매체일 수 있다.
[00275] 본원에서 설명된 방법들 및 장치의 동작들을 수행하기 위한 프로그램 코드는, 자바, 스몰토크(Smalltalk), C ++ 등과 같은 객체 지향 프로그래밍 언어로 기록될 수 있다. 하지만, 본원에서 설명된 방법들 및 장치의 동작들을 수행하기 위한 프로그램 코드는 또한, "C" 프로그래밍 언어 또는 유사한 프로그래밍 언어들과 같은 통상의 절차적 프로그래밍 언어들로 기록될 수 있다. 프로그램 코드는 프로세서, 주문형 통합 회로(ASIC), 또는 프로그램 코드를 실행하는 다른 구성 컴포넌트에 의해 실행될 수 있다. 프로그램 코드는, 메모리(이를테면, 상기 논의된 컴퓨터 판독 가능한 매체)에 저장되는 소프트웨어 애플리케이션으로 간단히 지칭될 수 있다. 프로그램 코드는 프로세서(또는 임의의 프로세서-제어되는 디바이스)가 그래픽 사용자 인터페이스("GUI")를 생성하게 할 수 있다. 그래픽 사용자 인터페이스는 디스플레이 디바이스 상에서 시각적으로 생성될 수 있지만, 그래픽 사용자 인터페이스는 또한 청취 가능한 피처들을 가질 수 있다. 하지만, 프로그램 코드는, 컴퓨터, 서버, 개인 휴대 정보 단말기, 전화, 텔레비전, 또는 프로세서 및/또는 디지털 신호 프로세서를 활용하는 임의의 프로세서-제어되는 디바이스와 같은 임의의 프로세서-제어되는 디바이스에서 동작할 수 있다.
[00276] 프로그램 코드는 국부적으로 및/또는 원격으로 실행될 수 있다. 프로그램 코드는, 예컨대, 프로세서-제어되는 디바이스의 로컬 메모리에 완전히 또는 부분적으로 저장될 수 있다. 하지만, 프로그램 코드는 또한, 적어도 부분적으로 원격으로 저장되고, 억세스되고, 프로세서-제어되는 디바이스에 다운로딩될 수 있다. 예컨대, 사용자의 컴퓨터는 프로그램 코드를 완전히 실행시키거나 또는 프로그램 코드를 단지 부분적으로만 실행시킬 수 있다. 프로그램 코드는, 적어도 부분적으로 사용자의 컴퓨터 상에 있고 그리고/또는 원격 컴퓨터 상에서 부분적으로 또는 원격 컴퓨터 또는 서버에서 상에서 완전히 실행되는 독립형 소프트웨어 패키지일 수 있다. 후자의 시나리오에서, 원격 컴퓨터는 통신 네트워크를 통해 사용자의 컴퓨터에 연결될 수 있다.
[00277] 본원에서 설명된 방법들 및 장치는 네트워크 환경에 관계없이 적용될 수 있다. 통신 네트워크는, 무선-주파수 도메인 및/또는 인터넷 프로토콜(IP) 도메인에서 동작하는 케이블 네트워크일 수 있다. 하지만, 통신 네트워크는 또한, 인터넷(종종 대안적으로 "월드 와이드 웹"으로 알려짐), 인트라넷, 근거리 통신망(LAN) 및/또는 광대역 통신망(WAN)과 같은 분산 컴퓨팅 네트워크를 포함할 수 있다. 통신 네트워크는 동축 케이블들, 구리 와이어들, 광섬유 라인들 및/또는 하이브리드-동축 라인들을 포함할 수 있다. 통신 네트워크는 심지어, 전자기 스펙트럼의 임의의 부분 및 임의의 시그널링 표준(이를테면, IEEE 802 패밀리 표준들, GSM/CDMA/TDMA 또는 임의의 셀룰러 표준 및/또는 ISM 대역)을 활용하는 무선 부분들을 포함할 수 있다. 통신 네트워크는 심지어, 전기 배선을 통해 신호들이 통신되는 전력선 부분들을 포함할 수 있다. 본원에서 설명되는 방법들 및 장치는, 물리적 구성요소, 물리적 구성 또는 통신 표준(들)에 관계없이 임의의 무선/유선 통신 네트워크에 적용될 수 있다.
[00278] 본 개시의 특정 양태들은 다양한 방법들 및 방법 단계들과 관련하여 설명된다. 각각의 방법 단계는 프로그램 코드에 의해 그리고/또는 머신 명령들에 의해 구현될 수 있음이 이해될 것이다. 프로그램 코드 및/또는 머신 명령들은, 방법들에서 특정되는 기능들/동작(act)들을 구현하기 위한 수단을 생성한다.
[00279] 프로그램 코드는 또한 특정한 방식으로 기능하기 위해 프로세서, 컴퓨터, 또는 다른 프로그래밍 가능한 데이터 프로세싱 장치를 컴퓨터-판독 가능한 메모리 내에 저장될 수 있어, 컴퓨터-판독 가능한 메모리 내에 저장된 프로그램 코드는 방법 단계들의 다양한 양태들을 실시하는 명령 수단을 포함하는 제작의 물품을 제조하거나 변형시킨다(transform).
[00280] 프로그램 코드는, 일련의 작동 단계들이 프로세서/컴퓨터 실행되는 프로세스를 생성하기 위해 수행되는 것을 유발시키기 위해 또한 컴퓨터 또는 다른 프로그래밍 가능한 데이터 처리 장치 상에 로딩될 수 있어, 프로그램 코드는 본 개시의 방법들에서 명시되는 다양한 기능들/작용들을 실시하기 위한 단계들을 제공한다.
[00281] 일 실시예에서, 카트리지 하우징을 가지는 제거 가능한 카트리지를 포함하는 시스템이 제공된다. 제거 가능한 카트리지는 카트리지 하우징 내에 배치되는 유체공학적 네트워크를 또한 포함한다. 유체공학적 네트워크는 시료 분석 또는 시료 준비 중 적어도 하나를 수행하기 위해 생체 시료를 수용하고 유체공학적으로 안내하도록 구성된다. 제거 가능한 카트리지는 유체공학적 네트워크에 작동 가능하게 커플링되고 이를 통해 생체 시료의 유동을 제어하기 위해 유체공학적 네트워크에 대해 이동 가능한 유동 제어 밸브를 또한 포함한다. 카트리지 하우징은 제거 가능한 카트리지의 외부를 규정하고 유동 제어 밸브에 대한 작동식(operative) 접근을 허용하는 하우징 측면을 포함한다. 시스템은 제거 가능한 카트리지의 하우징 측면에 분리 가능하게 맞물리도록 구성되는 제어 측면을 가지는 베이스 인스트루먼트를 또한 포함한다. 하우징 및 제어 측면들은 집합적으로 시스템 인터페이스를 규정한다. 베이스 인스트루먼트는 시스템 인터페이스를 통해 유동 제어 밸브에 맞물리는 밸브 액츄에이터를 포함한다. 제거 가능한 카트리지는 제거 가능한 카트리지 또는 베이스 인스트루먼트 중 적어도 하나에 의해 고정되는 검출 조립체(detection assembly)를 또한 포함한다. 검출 조립체는 이미징 검출기 및 유체공학적 네트워크와 유동 연통하는 반응 챔버를 포함한다. 이미징 검출기는 반응 챔버 내에 지정된 반응들을 검출하도록 구성된다.
[00282] 일 양태에서, 본원에서 제시된 베이스 인스트루먼트의 제어 측면 및 본원에서 제시된 제거 가능한 카트리지의 하우징 측면은 일반적으로 평면이고 서로를 향한다. 시스템 인터페이스는 단일-측 인터페이스일 수 있으며, 이 인터페이스에서, 베이스 인스트루먼트 및 제거 가능한 카트리지는 하우징 측면 및 제어 측면을 통해서만 작동 가능하게 서로 커플링된다. 선택적으로, 베이스 인스트루먼트 및 제거 가능한 카트리지는, 베이스 인스트루먼트 및 제거 가능한 카트리지가 시스템 인터페이스를 통해 설립되는 유체공학적 커플링, 전기 커플링, 또는 열 커플링 중 적어도 하나에 의해 시스템 인터페이스에서 서로 고착되도록 작동 가능하게 커플링될 수 있다.
[00283] 다른 양태에서, 본원에서 제시되는 베이스 인스트루먼트의 제어 측면은 중력에 관하여 베이스 인스트루먼트의 최상부를 나타낼 수 있어, 제거 가능한 카트리지는 베이스 인스트루먼트 상에 놓이고, 베이스 인스트루먼트에 의해 지지된다.
[00284] 다른 양태에서, 본원에서 제시되는 베이스 인스트루먼트의 밸브 액츄에이터는 하우징 측면을 통해 그리고 카트리지 하우징 내로 연장하는 기다란 액츄에이터 본체를 포함할 수 있다.
[00285] 다른 양태에서, 본원에서 제시되는 제거 가능한 카트리지의 유동 제어 밸브는 제어 측면을 통해 그리고 베이스 인스트루먼트 내로 연장하는 기다란 액츄에이터 본체를 포함할 수 있다.
[00286] 다른 양태에서, 본원에서 제시되는 베이스 인스트루먼트는 제어 측면에 대해 반대 방향으로 향하는 인스트루먼트 측면을 가질 수 있다. 베이스 인스트루먼트는 제어 측면과 인스트루먼트 측면 사이에서 연장하는 인스트루먼트 치수를 가질 수 있다. 베이스 인스트루먼트 및 제거 가능한 카트리지는 인스트루먼트 치수보다 더 큰 조합된 치수를 가질 수 있다.
[00287] 다른 양태에서, 제거 가능한 카트리지 및 베이스 인스트루먼트의 각각은 콘택 어레이의 전기적 콘택들을 포함할 수 있다. 콘택 어레이들은 시스템 인터페이스에서 서로 전기적으로 커플링될 수 있다.
[00288] 다른 양태에서, 본원에서 제시되는 제거 가능한 카트리지의 하우징 측면은 제 1 하우징 측면일 수 있으며, 그리고 카트리지 하우징은 또한 제 2 하우징 측면을 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 하우징 측면들은 상이한 방향들로 향한다. 시스템 인터페이스는 다중-측면형성된(multi-sided) 인터페이스일 수 있으며, 이 인터페이스에서, 베이스 인스트루먼트 및 제거 가능한 카트리지는 제 1 및 제 2 하우징 측면들의 각각을 따라 작동가능하게 서로 커플링된다.
[00289] 선택적으로, 본원에서 제시되는 제거 가능한 카트리지의 제 1 및 제 2 하우징 측면들은 일반적으로 서로에 대해 수직할 수 있다. 베이스 인스트루먼트는 수직한 방향들로 향하는 제 1 및 제 2 제어 측면들을 포함하는 인스트루먼트 하우징을 가질 수 있고, 베이스 인스트루먼트의 측면-개방식 리세스(open-sided recess)를 형성할 수 있다. 제거 가능한 카트리지의 적어도 일부분은 측면-개방식 리세스 내에 배치될 수 있어서, 제 1 및 제 2 하우징 측면들은 제 1 및 제 2 제어 측면들에 맞물린다.
[00290] 일 양태에서, 본원에서 제시되는 베이스 인스트루먼트의 밸브 액츄에이터는 제 1 하우징 측면과 제 1 제어 측면 사이에서 시스템 인터페이스를 통해 연장하는 기다란 본체를 포함할 수 있다. 제 2 하우징 측면 및 제 2 제어 측면은 각각의 콘택 어레이들의 전기적 콘택들을 포함할 수 있다. 콘택 어레이들은 시스템 인터페이스를 따라 서로 전기적으로 커플링될 수 있다.
[00291] 다른 양태에서, 본원에서 제시되는 제거 가능한 카트리지의 제 1 및 제 2 하우징 측면들은 일반적으로 반대 방향들로 향한다. 베이스 인스트루먼트는 인스트루먼트 측면 및 인스트루먼트 측면에 대해 개방되는 카트리지 수용 슬롯을 가질 수 있다. 제거 가능한 카트리지는 카트리지 수용 슬롯 내에 배치될 수 있다.
[00292] 다른 양태에서, 제거 가능한 카트리지 및 베이스 인스트루먼트는 제 1 하우징 측면을 따라 유체공학적으로 커플링되고, 제 2 하우징 측면을 따라 전기적으로 커플링된다. 선택적으로, 베이스 인스트루먼트는 베이스 인스트루먼트 내에 제거 가능한 카트리지를 고정하기 위해 제 1 하우징 측면 또는 제 2 하우징 측면 중 적어도 하나의 측면에 맞물리는 잠금 기구를 포함한다.
[00293] 다른 양태에서, 제거 가능한 카트리지 및 베이스 인스트루먼트의 각각은 유동 포트를 포함할 수 있다. 유동 포트들은 시스템 인터페이스에서 서로 유체공학적으로 커플링한다.
[00294] 다른 양태에서, 본원에서 제시되는 시스템은 제거 가능한 카트리지 또는 베이스 인스트루먼트 중 적어도 하나에 부착되는 잠금 기구를 포함할 수 있다. 잠금 기구는 베이스 인스트루먼트에 카트리지 하우징을 제거 가능하게 고착시키도록 구성된다.
[00295] 다른 양태에서, 본원에서 제시되는 시스템의 이미징 검출기는 베이스 인스트루먼트에 의해 고정될 수 있으며, 그리고 반응 챔버는 제거 가능한 카트리지에 의해 고정될 수 있다.
[00296] 다른 양태에서, 본원에서 제시되는 제거 가능한 카트리지의 유동 제어 밸브는 유체공학적 네트워크를 통해 생체 시료의 유동을 제어하도록 구성되는 가요성 멤브레인을 포함할 수 있다. 가요성 멤브레인은 밸브 액츄에이터에 의해 제 1 및 제 2 조건들 사이에서 휘어질(flexed) 수 있다.
[00297] 다른 양태에서, 본원에서 제시되는 제거 가능한 카트리지의 카트리지 하우징의 하우징 측면은 밸브 액츄에이터를 수용하는, 이 하우징 측면을 관통하는 억세스 개구를 포함할 수 있다.
[00298] 다른 양태에서, 본원에서 제시되는 베이스 인스트루먼트의 유동 제어 밸브는 유체공학적 네트워크를 통해 유체의 유동을 제어하도록 구성되는 회전 가능한 밸브를 포함할 수 있다. 회전 가능한 밸브는 밸브 액츄에이터에 의해 회전될 수 있다.
[00299] 다른 양태에서, 본원에서 제시되는 베이스 인스트루먼트는 열 블록을 포함할 수 있으며, 그리고 카트리지 하우징의 유체공학적 네트워크는 생체 시료와의 지정된 반응들이 발생하는 시료 채널을 포함할 수 있다. 하우징 측면은 시료 채널을 따라 연장하는 억세스 개구를 포함할 수 있고, 시료 채널의 온도를 변화시키기 위한 열 블록을 수용하도록 구성된다.
[00300] 다른 양태에서, 본원에서 제시되는 제거 가능한 카트리지의 유체공학적 네트워크는 복수의 채널들 및 저장 모듈을 포함할 수 있다. 저장 모듈은 시료 준비 또는 시료 분석 중 적어도 하나를 위해 사용되는 시약들을 저장하기 위한 복수의 저장소들을 포함할 수 있다.
[00301] 다른 양태에서, 본원에서 제시되는 베이스 인스트루먼트는 유체공학적 네트워크를 통해 생체 시료의 유동을 제어하기 위해 밸브 액츄에이터의 작동을 제어하도록 구성되는 밸브-제어 모듈을 가지는 시스템 컨트롤러를 포함한다.
[00302] 실시예에서, 핵산들을 시퀀싱하는 방법이 제공된다. 이 방법은 카트리지 하우징, 카트리지 하우징 내에 배치된 유체공학적 네트워크, 및 유체공학적 네트워크에 작동 가능하게 커플링되고 유체공학적 네트워크에 대해 이동 가능한 유동 제어 밸브를 갖는 제거 가능한 카트리지를 제공하는 단계를 포함한다. 카트리지 하우징은 제거 가능한 카트리지의 외부를 규정하는 하우징 측을 포함한다. 이 방법은 또한, 제거 가능한 카트리지를 베이스 인스트루먼트에 접촉시키는 단계를 포함한다. 제거 가능한 카트리지의 하우징 측은 베이스 인스트루먼트의 제어 측과 분리 가능하게 결합하여 집합적으로 시스템 인터페이스를 규정한다. 베이스 인스트루먼트는 시스템 인터페이스를 통해 유동 제어 밸브와 결합하는 밸브 액츄에이터를 포함한다. 이 방법은 또한, 카트리지 내의 시료 분석 또는 시료 준비 중 적어도 하나를 수행하기 위해 생체 시료를 카트리지의 유체공학적 네트워크를 통해 유동시키도록 유체공학적으로 지향시키는 단계를 포함한다. 생체 시료는 반응 챔버 내로 유동하도록 지향되고, 생체 시료의 유동은 유동 제어 밸브 상에서 밸브 액츄에이터의 작용에 의해 제어된다. 이 방법은 또한, 반응 챔버에 지향된 이미징 검출기를 이용하여 생체 시료를 검출하는 단계를 포함하며, 검출 조립체는 제거 가능한 카트리지 또는 베이스 인스트루먼트 중 적어도 하나에 의해 유지된다.
[00303] 일 양태에서, 본원에서 설명된 방법은 베이스 인스트루먼트로구터 제거 가능한 카트리지를 제거하는 단계를 또한 포함할 수 있다. 제거 가능한 카트리지는 제 2 제거 가능한 카트리지를 베이스 인스트루먼트와 기능적으로 정합시킴으로써 대체될 수 있다. 몇몇 제거 가능한 카트리지들은 베이스 인스트루먼트와 연속적으로 정합되고, 베이스 인스트루먼트와 정합되는 동안 시료를 준비 및/또는 분석하기 위해 사용되고, 그 다음 베이스 인스트루먼트로부터 제거될 수 있다.
[00304] 상응하게, 방법은, 제 2 제거 가능한 카트리지를 베이스 인스트루먼트에 접촉시키는 단계를 포함할 수 있고, 제 2 제거 가능한 카트리지의 하우징 측은 시스템 인터페이스를 집합적으로 규정하도록 베이스 인스트루먼트의 제어 측과 분리 가능하게 결합한다.
[00305] 다른 양태에서, 본원에서 설명된 방법은 베이스 인스트루먼트로부터 제거 가능한 카트리지를 제거하는 단계를 포함한다. 선택적으로, 방법은, 제 2 제거 가능한 카트리지를 베이스 인스트루먼트에 접촉시키는 단계를 포함하고, 제 2 제거 가능한 카트리지의 하우징 측은 시스템 인터페이스를 집합적으로 규정하도록 베이스 인스트루먼트의 제어 측과 분리 가능하게 결합한다.
[00306] 본원에서 설명된 방법의 다른 양태에서, 생체 시료를 유체공학적으로 지향시키고 생체 시료를 이미징하는 단계는 단일의 제거 가능한 카트리지에서 순차적으로 수회 반복된다.
[00307] 다른 양태에서, 본원에서 설명된 방법은, 유체공학적 네트워크의 시료 준비 영역 내에 생체 시료를 밀봉시키고, 생체 시료가 시료 준비 영역 내에 밀봉되는 동안 생체 시료를 증폭시키는 단계를 포함한다.
[00308] 다른 양태에서, 본원에서 설명된 방법에서 사용된 유동 제어 밸브는, 밸브 포트들 사이를 연장하는 적어도 하나의 유동 채널을 갖는 이동 가능한 밸브(movable valve)를 포함하며, 밸브 액츄에이터는 상이한 위치들 사이에서 이동 가능한 밸브를 이동 시키도록 구성된다.
[00309] 다른 양태에서, 본원에서 설명된 방법에서 사용된 이동 가능한 밸브는, 생체 시료가 유동 채널을 통해 유동하고 반응 챔버 내로 지향될 때 시료 포지션에 있고, 방법은 이동 가능한 밸브를 컴포넌트 포지션으로 이동시키고 반응 챔버 내로 유동채널을 통해 시약을 유동시키는 단계를 더 포함하고, 시약은 반응 챔버의 생체 시료와 반응한다.
[00310] 본원에서 설명된 방법의 다른 양태에서, 컴포넌트 포지션은 복수 개의 컴포넌트 포지션들을 포함하고, 방법은 상이한 시약들을 반응 챔버 내로 유동시키도록 미리 결정된 순서에 따라 컴포넌트 포지션들 사이에서 이동 가능한 밸브를 이동시키는 단계를 더 포함한다.
[00311] 다른 양태에서, 본원에서 설명된 방법에서 사용된 생체 시료는 핵산을 포함하고, 미리 정해진 시퀀스는 합성에 의한 시퀀싱 (sequencing-by-synthesis; SBS) 프로토콜을 따른다.
[00312] 다른 양태에서, 본원에 설명된 방법에서 사용된 유동 셀(flow cell)은 반응 챔버를 포함한다. 생체 시료는 유동 셀의 하나 또는 그 초과의 표면에 고정화(immobilized)된다.
[00313] 실시예에서, 카트리지 하우징을 포함하는 제거 가능한 카트리지가 제공되며, 카트리지 하우징은 카트리지 하우징의 외부로 개방되고 생체 시료를 수용하도록 구성되는 시료 포트를 갖는다. 카트리지 하우징은 외부에 노출되는 전기적 콘택들 및 기계적 인터페이스의 어레이를 갖는다. 카트리지 하우징은 베이스 인스트루먼트에 제거 가능하게 커플링되도록 구성된다. 제거 가능한 카트리지는 또한, 복수 개의 채널들, 반응 챔버 및 저장 모듈을 갖는 유체공학적 네트워크를 포함할 수 있다. 저장 모듈은 시약들을 저장하기 위한 복수 개의 리저보어들을 포함한다. 유체공학적 네트워크는 리저보어들로부터 반응 챔버로 시약들을 지향시키도록 구성되며, 기계적 인터페이스는 유체공학적 네트워크를 통해 유체의 유동을 제어하도록 유체공학적 네트워크에 대해 이동 가능하다. 시스템은 또한, 카트리지 하우징 내에 배치되고 반응 챔버 내에서 지정된 반응들을 검출하도록 포지셔닝되는 이미징 디바이스를 포함한다. 이미징 디바이스는 베이스 인스트루먼트와 통신하기 위해 전기적 콘택들의 어레이에 전기적으로 커플링된다. 제거 가능한 카트리지가 베이스 인스트루먼트에 커플링될 때 기계적 인터페이스가 베이스 인스트루먼트에 의해 이동되도록 구성될 수 있다.
[00314] 일 양태에서, 본원에 설명된 제거 가능한 카트리지의 기계적 인터페이스는 유체공학적 네트워크의 채널들 중 하나를 통해 유체의 유동을 제어하도록 구성되는 채널 밸브를 포함할 수 있다.
[00315] 다른 양태에서, 본원에 설명된 제거 가능한 카트리지의 카트리지 하우징은 기계적 인터페이스에 대해 액세스를 허용하는 액세스 개구를 포함할 수 있다. 선택적으로, 기계적 인터페이스는 회전 가능한 밸브를 포함한다.
[00316] 다른 양태에서, 본원에 설명된 제거 가능한 카트리지의 카트리지 하우징은 외부에 노출되는 억세스 개구를 포함할 수 있고, 채널들은 시료 포트와 유동 연통하는 시료 채널을 포함한다. 억세스 개구는 시료 채널을 따라 연장할 수 있고 시료 채널의 온도를 제어하기 위한 열 블록을 수용하도록 구성될 수 있다.
[00317] 다른 양태에서, 본원에 설명된 제거 가능한 카트리지의 카트리지 하우징은 외부에 노출되어 유체공학적 네트워크와 유체 연통하는 유체공학적 커플링 포트를 포함할 수 있다. 유체공학적 커플링 포트는 인스트루먼트 포트와 결합하며 그를 통해 유체를 수용하도록 구성된다.
[00318] 다른 양태에서, 본원에 설명된 제거 가능한 카트리지의 카트리지 하우징은 반대 방향들을 향하는 제 1 하우징 측 및 제 2 하우징 측을 포함할 수 있다. 제 1 하우징 측은 전기적 콘택들의 어레이를 포함할 수 있다. 제 2 하우징 측은 기계적 인터페이스를 포함할 수 있다.
[00319] 다른 양태에서, 제거 가능한 카트리지는, 카트리지 하우징에 부착될 수 있는 잠금 기구를 또한 포함한다. 잠금 기구는 카트리지 하우징을 베이스 인스트루먼트에 제거 가능하게 고착하도록 구성될 수 있다.
[00320] 실시예에서, 카트리지 하우징을 포함하는 제거 가능한 카트리지가 제공되며, 카트리지 하우징은 카트리지 하우징의 외부로 개방되고 생체 시료를 수용하도록 구성되는 시료 포트를 갖는다. 제거 가능한 카트리지는 또한, 카트리지 하우징 내에 배치되는 회전 가능한 밸브를 포함할 수 있다. 회전 가능한 밸브는 유체공학적 측 및 유체공학적 측에서 개방되는 복수 개의 밸브 포트들을 갖는다. 회전 가능한 밸브는 밸브 포트들 사이를 연장하는 적어도 하나의 유동 채널을 갖고, 회전 가능한 밸브는 상이한 회전 포지션들 사이에서 회전 가능하다. 제거 가능한 카트리지는 또한, 회전 가능한 밸브의 유체공학적 측에 슬라이딩 가능하게 커플링되는 본체 측을 갖는 미세유체 본체를 포함할 수 있다. 미세유체 본체는 시료 포트와 유동 연통하는 시료 채널을 포함하는 유체공학적 네트워크를 적어도 부분적으로 규정할 수 있다. 시료 채널은 미세유체 본체의 본체 측으로 개방되는 네트워크 포트를 갖는다. 유체공학적 네트워크는 또한, 시약을 유지하도록 구성되는 리저보어를 포함할 수 있다. 리저보어는 미세유체 본체의 유체공학적 측으로 개방되는 리저보어 포트와 유동 연통한다. 유체공학적 네트워크는 또한, 유체공학적 네트워크의 반응 챔버와 유동 연통하는 공급 채널을 포함한다. 공급 채널은 미세유체 본체의 본체 측으로 개방되는 공급 포트를 갖는다. 회전 가능한 밸브는 제 1 회전 포지션과 제 2 회전 포지션 사이에서 회전하도록 구성된다. 네트워크 포트는 회전 가능한 밸브가 제 1 회전 포지션에 있을 때 회전 가능한 밸브를 통해 공급 포트에 유체공학적으로 커플링된다. 리저보어 포트는 회전 가능한 밸브가 제 2 회전 포지션에 있을 때 회전 가능한 밸브를 통해 공급 포트에 유체공학적으로 커플링된다.
[00321] 일 양태에서, 본원에 설명된 제거 가능한 카트리지의 카트리지 하우징은 베이스 인스트루먼트와 결합하도록 구성되는 외부 측을 가질 수 있다. 회전 가능한 밸브는 외부 측면에서 접근가능하고 베이스 인스트루먼트와 결합하도록 구성되는 기계적 인터페이스를 포함할 수 있다.
[00322] 다른 양태에서, 제 1 회전 위치에 있는 회전 가능한 밸브는 흡입력이 시료 액체를 공급 포트를 향해 빨아들일 때 시료 액체를 수용하도록 본원에서 설명된 제거 가능한 카트리지에서 구성될 수 있다. 제 2 회전 위치에 있는 회전 가능한 밸브는 변위 힘이 시료 액체를 리저보어 내로 공급 포트로부터 멀리 밀어 넣을 때 시료 액체가 리저보어 내로 변위되는 것을 허용하게 구성될 수 있다.
[00323] 다른 양태에서, 본원에서 설명된 제거 가능한 카트리지의 회전 가능한 밸브는 축을 중심으로 회전한다. 공급 포트는 축과 정렬될 수 있다.
[00324] 실시예에서, 카트리지 하우징을 포함하는 제거 가능한 카트리지가 제공되며, 카트리지 하우징은 카트리지 하우징의 외부로 개방되고 생체 시료를 수용하도록 구성되는 시료 포트를 갖는다. 카트리지 하우징은 베이스 인스트루먼트를 향하며 베이스 인스트루먼트에 제거 가능하게 커플링되도록 구성되는 정합 측을 포함할 수 있다. 제거 가능한 카트리지는 또한 하우징 내에 배치되는 유체공학적 네트워크를 포함한다. 유체공학적 네트워크는 시료 포트와 유동 연통하는 시료 채널을 포함한다. 제거 가능한 카트리지는 또한, 제 1 포지션과 제 2 포지션 사이에서 이동하도록 구성되는 플렉스 부재를 갖는 채널 밸브를 포함한다. 플렉스 부재는 제 1 포지션에 있을 때 시료 채널을 통한 유동을 차단하고 제 2 포지션에 있을 때 시료 채널을 통한 유동을 허용한다. 카트리지 하우징의 정합 측은 채널 밸브를 카트리지 하우징의 외부에 노출시키는 억세스 개구를 포함한다. 억세스 개구는 플렉스 부재를 제 1 포지션과 제 2 포지션 사이에서 이동시키기 위해 베이스 인스트루먼트의 액츄에이터를 수용하도록 구성된다.
[00325] 다른 양태에서, 본원에서 설명된 제거 가능한 카트리지의 플렉스 부재는, 유체공학적 네트워크의 내부 캐비티를 덮는 가요성 층을 포함할 수 있다. 가요성 층은 캐비티를 통한 유동을 차단하도록 캐비티 내로 푸시되도록 구성될 수 있다.
[00326] 또 다른 양태에서, 제거 가능한 카트리지는 또한 카트리지 하우징 내에 배치되는 회전 가능한 밸브를 포함한다. 회전 가능한 밸브는 유체공학적 네트워크의 유동 경로를 변경하기 위해 상이한 포지션들 간에 회전하도록 구성된다. 회전 가능한 밸브는 정합 측을 따라 접근가능한 기계식 인터페이스를 포함할 수 있다.
[00327] 또 다른 양태에서, 본원에서 제시된 제거 가능한 카트리지의 유체공학적 네트워크는 시료 채널과 유동 연통하는 네트워크 포트, 반응 챔버와 유동 연통하는 공급 포트, 및 시약을 저장하도록 구성되는 리저보어와 유동 연통하는 리저보어 포트를 포함할 수 있다. 제거 가능한 카트리지는 또한 카트리지 하우징 내에 배치된 회전 가능한 밸브를 포함할 수 있다. 회전 가능한 밸브는 제 1 회전 포지션에 있을 때 공급 포트 및 네트워크 포트를 유체공학적으로 커플링할 수 있으며, 제 2 회전 포지션에 있을 때 공급 포트 및 리저보어 포트를 유체공학적으로 커플링할 수 있다.
[00328] 또 다른 양태에서, 본원에서 제시된 제거 가능한 카트리지의 정합 측은 제 1 정합 측일 수 있으며, 제거 가능한 카트리지는 제 2 정합 측을 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 정합 측들은 반대 방향들로 향한다. 제 2 정합 측은 인스트루먼트와 기계적으로, 유체공학적으로 또는 열적으로 맞물리도록 구성된다.
[00329] 실시예에서, 베이스 인스트루먼트가 제공되는데, 베이스 인스트루먼트는 제거 가능한 카트리지와 맞물리도록 구성되는 제어 측을 가진 시스템 하우징을 포함한다. 베이스 인스트루먼트는 또한 제거 가능한 카트리지의 회전 가능한 밸브와 맞물리도록 구성되는 회전 모터를 포함한다. 베이스 인스트루먼트는 또한 제거 가능한 카트리지의 채널 밸브와 맞물리도록 구성되는 액츄에이터 및 제거 가능한 카트리지에 전기적으로 커플링되도록 구성된 전기적 콘택들의 어레이를 포함한다. 베이스 인스트루먼트는 또한 제거 가능한 카트리지 내에서 어세이 프로토콜을 수행하기 위하여 회전 모터 및 액츄에이터를 제어하도록 구성되는 시스템 제어기를 포함한다. 시스템 제어기는 전기적 콘택들의 어레이를 통해 제거 가능한 카트리지로부터 이미징 데이터를 수신하도록 구성된다. 선택적으로, 베이스 인스트루먼트는 제거 가능한 카트리지의 일부분을 가열하기 위한 열 블록을 포함한다.
[00330] 실시예에서, 제거 가능한 카트리지가 제공되는데, 제거 가능한 카트리지는 카트리지 하우징의 외부로 개방되는 시료 포트를 가진 카트리지 하우징을 포함하며, 생체 시료를 수용하도록 구성된다. 카트리지 하우징은 베이스 인스트루먼트를 향하며 베이스 인스트루먼트에 제거 가능하게 커플링하도록 구성되는 정합 측을 포함한다. 제거 가능한 카트리지는 또한 카트리지 하우징 내에 배치된 미세유체 본체를 포함한다. 미세유체 본체는 본체 측을 가지며 유체공학적 네트워크를 포함한다. 유체공학적 네트워크는 복수의 이산 채널들 및 대응 포트들을 가지며, 이들은 밸브 수용 영역에 있는 본체 측에서 개방된다. 제거 가능한 카트리지는 또한 카트리지 하우징 내에 배치된 회전 가능한 밸브를 포함한다. 회전 가능한 밸브는 복수의 밸브 포트들 사이에서 연장하는 적어도 하나의 유동 채널 및 유체공학적 측을 가진다. 밸브 포트들은 유체공학적 측으로 개방된다. 유체공학적 측은 미세유체 본체의 본체 측의 밸브 수용 영역에 회전 가능하게 커플링되며, 회전 가능한 밸브는 이산 채널들을 유체공학적으로 커플링하기 위하여 상이한 회전 포지션들 간에 이동가능하다. 회전 가능한 밸브는 정합 측을 따라 접근가능하고 회전 가능한 밸브가 베이스 인스트루먼트에 의해 제어되도록 베이스 인스트루먼트와 맞물리도록 구성된 기계식 인터페이스를 가진다.
[00331] 실시예에서, 제거 가능한 카트리지가 제공되는데, 제거 가능한 카트리지는 카트리지 하우징의 외부로 개방되는 시료 포트를 가진 카트리지 하우징을 포함하며, 생체 시료를 수용하도록 구성된다. 카트리지 하우징은 베이스 인스트루먼트에 제거 가능하게 커플링하도록 구성되는 정합 측을 가진다. 제거 가능한 카트리지는 또한 카트리지 하우징 내에 배치되며 복수의 적층된 인쇄회로기판(PCB) 층들을 포함하는 미세유체 구조를 포함한다. PCB 층은 PCB 층들이 적층될 때 반응 챔버 및 채널들을 규정하는 유체공학적 층들을 포함한다. PCB 층은 또한 배선 층을 포함한다. 제거 가능한 카트리지는 또한 미세유체 구조에 장착되도록 구성되고 배선 층에 전기적으로 커플링되는 CMOS 이미저를 포함한다. CMOS 이미저는 반응 챔버 내에서, 지정된 반응들을 검출하도록 배향된다.
[00332] 일 양태에서, 제거 가능한 카트리지는 카트리지 하우징의 외부로 노출되는 입력/출력(I/O) 콘택들을 포함한다. I/O 콘택들은 CMOS 이미저에 전기적으로 커플링될 수 있다.
[00333] 일 양태에서, 본원에서 제시된 제거 가능한 카트리지의 미세유체 구조는 채널 밸브의 적어도 일부분이 PCB 층들에 의해 규정되는 채널 밸브를 포함한다. 채널 밸브는 채널들 중 하나의 채널을 통한 유동을 차단 및 허용하기 위하여 작동되도록 구성된다.
[00334] 본원에서 사용되는 바와 같이, 단수로 기술된 엘리먼트 또는 단계는 복수의 엘리먼트들 또는 단계들을 배제하지 않는 것으로 (이러한 배제가 명시적으로 언급되지 않는 한) 이해되어야 한다. 더욱이, "일 실시예"에 대한 참조들은 기술된 특징들을 또한 통합한 추가 실시예들의 존재를 배제하는 것으로 해석되도록 의도되지 않는다. 게다가, 달리 반대로 명시적으로 언급하지 않는 한, 특정 특성을 가진 엘리먼트 또는 복수의 엘리먼트들을 "포함하거나" 또는 "가진" 실시예들은 그들이 그 특성을 가지든지 간에 추가 엘리먼트들을 포함할 수 있다.
[00335] 예시된 실시예들의 컴포넌트들의 특정 어레인지먼트(예컨대, 갯수, 타입들, 배치 등)가 다양한 대안 실시예들로 수정될 수 있다는 것에 주목해야 한다. 다양한 실시예들에서, 상이한 갯수의 주어진 모듈 또는 유닛이 사용될 수 있거나, 상이한 타입 또는 상이한 타입들의 주어진 모듈 또는 유닛이 사용될 수 있거나, 주어진 모듈 또는 유닛이 추가될 수 있거나 또는 주어진 모듈 또는 유닛이 생략될 수 있다.
[00336] 앞의 설명은 제한적이 아니라 예시적인 것으로 의도된다는 것이 이해되어야 한다. 예컨대, 앞서 설명된 실시예들(및/또는 이의 양태들)은 서로 조합하여 사용될 수 있다. 게다가, 다양한 실시예들의 범위로부터 벗어나지 않고 다양한 실시예들의 교시들에 특정 상황 또는 재료를 적응시키기 위해 많은 수정들이 이루어질 수 있다. 다양한 컴포넌트들의 치수들, 재료들의 타입들, 배향들, 및 본원에서 설명된 다양한 컴포넌트들의 갯수 또는 포지션들은 특정 실시예들의 파라미터들을 규정하도록 의도되며 결코 제한하는 것이 아니며 단순히 예시적인 실시예들이다. 청구항들의 사상 및 범위 내의 많은 다른 실시예들 및 수정들은 앞의 설명을 검토할 때 당업자에게 명백하게 될 것이다. 따라서, 특허가능한 범위는 첨부된 청구항들이 권리를 가지는 균등물들의 전체 범위와 함께 첨부된 청구항들을 참조로 하여 결정되어야 한다.
[00337] 상세한 설명에서 사용되는 바와 같이, "예시적 실시예에서"란 문구 등은 설명된 실시예가 오직 하나의 예임을 의미한다. 문구는 진보적인 청구대상을 그 실시예에 제한하도록 의도되지 않는다. 진보적인 청구대상의 다른 실시예들은 기술된 특징 또는 구조를 포함하지 않을 수 있다. 첨부된 청구항들에서, "포함하는" 및 "여기서"란 용어들은 "구성하는" 및 "여기에서"의 용어들 각각과 분명한 균등물들로서 사용된다. 게다가, 하기의 청구항들에서, "제 1", "제 2" 및 "제 3" 등의 용어들은 단순히 라벨들로서 사용되며, 자신들의 대상에 대하여 수치적 요건들을 부과하는 것으로 의도되지 않는다. 더욱이, 이하의 청구항들의 한정사항들은 기능식 형식으로 쓰여지지 않았으며, 이러한 청구항 한정사항들이 추가 구성이 없이 기능식으로 기술된 "수단"이란 문구를 명백하게 사용하지 않는 한 그리고 이러한 청구항 한정사항들이 추가 구성이 없이 기능식으로 기술된 "수단"이란 문구를 명백하게 사용할 때까지 35 U.S.C. § 112(f)에 기초하여 해석되는 것으로 의도되지 않는다.

Claims (60)

  1. 시스템으로서,
    카트리지 하우징 및 상기 카트리지 하우징 내에 배치되는 유체공학적 네트워크를 갖는 제거 가능한 카트리지―상기 유체공학적 네트워크는 생체 시료를 수용하고 유체공학적으로 지향하여 시료 분석 또는 시료 준비 중 적어도 하나를 수행하며, 상기 제거 가능한 카트리지는 또한, 상기 유체공학적 네트워크에 작동 가능하게 커플링되고 상기 유체공학적 네트워크에 대해 이동 가능하여 이를 통한 상기 생체 시료의 유동을 제어하는 유동 제어 밸브를 포함하며, 상기 카트리지 하우징은 상기 제거 가능한 카트리지의 외부를 규정하고 상기 유동 제어 밸브에 대한 작동 가능한 억세스를 허용하는 하우징 측을 포함함―;
    상기 제거 가능한 카트리지의 하우징 측에 분리 가능하게 맞물림하도록 구성되는 제어 측을 갖는 베이스 인스트루먼트―상기 하우징 측 및 제어 측은 시스템 인터페이스를 집합적으로 규정하며, 상기 베이스 인스트루먼트는 상기 시스템 인터페이스를 통해 상기 유동 제어 밸브와 결합하는 밸브 액츄에이터를 포함함―; 및
    상기 제거 가능한 카트리지 또는 상기 베이스 인스트루먼트 중 적어도 하나에 의해 유지되는 검출 조립체를 포함하고, 상기 검출 조립체는 이미징 검출기 및 상기 유체공학적 네트워크와 유동 연통하는 반응 챔버를 포함하며, 상기 이미징 검출기는 상기 반응 챔버 내의 지정된 반응들을 검출하도록 구성되는,
    시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 측 및 상기 하우징 측은 일반적으로 평탄하고 서로 마주하고, 상기 시스템 인터페이스는 상기 베이스 인스트루먼트 및 상기 제거 가능한 카트리지가 상기 하우징 측 및 상기 제어 측을 통해서만 서로 작동 가능하게 커플링되는 단일-측 인터페이스인,
    시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 베이스 인스트루먼트 및 상기 제거 가능한 카트리지는, 상기 베이스 인스트루먼트 및 상기 제거 가능한 카트리지가 상기 시스템 인터페이스를 통해 설정된 유체 커플링, 전기 커플링, 또는 열 커플링 중 적어도 하나와 상기 시스템 인터페이스에서 서로 고착되도록 작동가능하게 커플링되는,
    시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 측은 중력에 대해 상기 베이스 인스트루먼트의 최상부를 나타내어, 상기 제거 가능한 카트리지가 상기 베이스 인스트루먼트에 놓여지고 상기 베이스 인스트루먼트에 의해 지지되는,
    시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브 액츄에이터는 상기 하우징 측을 통해 그리고 상기 카트리지 하우징 내로 연장하는 세장형 액츄에이터 본체를 포함하는,
    시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유동 제어 밸브는 상기 제어 측을 통해 그리고 상기 베이스 인스트루먼트 내로 연장하는 세장형 액츄에이터 본체를 포함하는,
    시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스 인스트루먼트는 상기 제어 측에 대해 반대 방향을 향하는 인스트루먼트 측을 가지며, 상기 베이스 인스트루먼트는 상기 제어 측과 상기 인스트루먼트 측 사이를 연장하는 인스트루먼트 치수를 가지며, 상기 베이스 인스트루먼트 및 상기 제거 가능한 카트리지는 인스트루먼트 치수보다 큰 결합된 치수를 갖는,
    시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제거 가능한 카트리지 및 상기 베이스 인스트루먼트 각각은 전기적 콘택들의 콘택 어레이를 포함하고, 상기 콘택 어레이들은 상기 시스템 인터페이스에서 서로 전기적으로 커플링되는,
    시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징 측은 제 1 하우징 측이고, 상기 카트리지 하우징은 제 2 하우징 측을 더 포함하고, 상기 제 1 하우징 측 및 제 2 하우징 측은 상이한 방향들을 향하고, 상기 시스템 인터페이스는, 상기 베이스 인스트루먼트 및 제거 가능한 카트리지가 상기 제 1 하우징 측 및 제 2 하우징 측의 각각을 따라 서로 작동 가능하게 커플링되는 다중 측 인터페이스인,
    시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 하우징 측 및 제 2 하우징 측은 일반적으로 서로 수직이고, 상기 베이스 인스트루먼트는 수직 방향들을 향하고 상기 베이스 인스트루먼트의 측면 개방식 리세스(open-sided recess)를 형성하는 제 1 제어 측 및 제 2 제어 측을 포함하는 인스트루먼트 하우징을 가지며, 상기 제거 가능한 카트리지는 상기 제 1 하우징 측 및 제 2 하우징 측이 상기 제 1 제어 측 및 제 2 제어 측과 맞믈림하도록 상기 측면 개방식 리세스 내에 배치되는,
    시스템
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 밸브 액츄에이터는 상기 제 1 하우징 측과 상기 제 1 제어 측 사이에서 상기 시스템 인터페이스를 통해 연장하는 세장형 본체를 포함하고, 상기 제 2 하우징 측 및 상기 제 2 제어 측은 전기적 콘택들의 각각의 콘택 어레이들을 포함하고, 상기 콘택 어레이들은 상기 시스템 인터페이스를 따라 서로 전기적으로 커플링되는,
    시스템.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 하우징 측 및 제 2 하우징 측은 일반적으로 반대 방향을 향하고, 상기 베이스 인스트루먼트는 인스트루먼트 측 및 상기 인스트루먼트 측으로 개방되는 카트리지 수용 슬롯을 가지며, 상기 제거 가능한 카트리지는 상기 카트리지 수용 슬롯 내에 배치되는,
    시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제거 가능한 카트리지 및 베이스 인스트루먼트는 상기 제 1 하우징 측을 따라 유체공학적으로 커플링되고 상기 제 2 하우징 측을 따라 전기적으로 커플링되는,
    시스템.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 베이스 인스트루먼트는 상기 베이스 인스트루먼트 내에서 상기 제거 가능한 카트리지를 유지하기 위해 상기 제 1 하우징 측 또는 상기 제 2 하우징 측 중 적어도 하나와 결합하는 잠금 기구(locking mechanism)를 포함하는,
    시스템.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제거 가능한 카트리지 및 베이스 인스트루먼트 각각은 유동 포트(flow port)를 포함하고, 상기 유동 포트들은 상기 시스템 인터페이스에서 서로 유체공학적으로 커플링되는,
    시스템.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제거 가능한 카트리지 또는 상기 베이스 인스트루먼트 중 적어도 하나에 부착되는 잠금 기구를 더 포함하고, 상기 잠금 기구는 상기 카트리지 하우징을 상기 베이스 인스트루먼트에 제거 가능하게 고착하도록 구성되는,
    시스템.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이미징 검출기는 상기 베이스 인스트루먼트에 의해 유지되고 상기 반응 챔버는 상기 제거 가능한 카트리지에 의해 유지되는,
    시스템.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유동 제어 밸브는 상기 유체공학적 네트워크를 통한 상기 생체 시료의 유동을 제어하도록 구성되는 가요성 멤브레인을 포함하고, 상기 가요성 멤브레인은 상기 밸브 액츄에이터에 의해 제 1 상태와 제 2 상태 사이에서 구부러지는,
    시스템.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 카트리지 하우징의 하우징 측은 상기 밸브 액츄에이터를 수용하는 억세스 개구를 포함하는,
    시스템.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유동 제어 밸브는 상기 유체공학적 네트워크를 통한 상기 유체의 유동을 제어하도록 구성되는 회전 가능한 밸브를 포함하며, 상기 회전 가능한 밸브는 상기 밸브 액츄에이터에 의해 회전되는,
    시스템.
  21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스 인스트루먼트는 열 블록(thermal block)을 포함하고, 상기 카트리지 하우징의 유체공학적 네트워크는 상기 생체 시료와의 지정된 반응들이 발생하는 시료 채널을 포함하고, 상기 하우징 측은 상기 시료 채널을 따라 연장하며 상기 시료 채널의 온도를 변화시키기 위해 상기 열 블록을 수용하도록 구성되는 억세스 개구를 포함하는,
    시스템.
  22. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체공학적 네트워크는 복수 개의 채널들 및 저장 모듈을 포함하고, 상기 저장 모듈은 시료 준비 또는 시료 분석 중 적어도 하나를 위해 사용되는 시약들을 저장하기 위한 복수 개의 리저보어들을 포함하는,
    시스템.
  23. 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스 인스트루먼트는 상기 유체공학적 네트워크를 통한 상기 생체 시료의 유동을 제어하기 위해 상기 밸브 액츄에이터의 작동을 제어하도록 구성되는 밸브 제어 모듈을 갖는 시스템 제어기를 포함하는,
    시스템.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 밸브-제어 모듈은 합성에 의한 시퀀싱 (sequencing-by-synthesis) 프로토콜을 수행하도록 상기 밸브 액츄에이터의 작동을 제어하도록 구성되는,
    시스템.
  25. 핵산(nucleic acids)을 시퀀싱하는 방법으로서,
    카트리지 하우징, 상기 카트리지 하우징 내에 배치된 유체공학적 네트워크, 및 상기 유체공학적 네트워크에 작동 가능하게 커플링되고 상기 유체공학적 네트워크에 대해 이동 가능한 유동 제어 밸브를 갖는 제거 가능한 카트리지를 제공하는 단계―상기 카트리지 하우징은 상기 제거 가능한 카트리지의 외부를 규정하는 하우징 측을 포함함―;
    상기 제거 가능한 카트리지를 베이스 인스트루먼트에 접촉시키는 단계―상기 제거 가능한 카트리지의 하우징 측은 베이스 인스트루먼트의 제어 측과 분리 가능하게 결합하여 집합적으로 시스템 인터페이스를 규정하고, 상기 베이스 인스트루먼트는 상기 시스템 인터페이스를 통해 상기 유동 제어 밸브와 작동 가능하게 결합하는 밸브 액츄에이터를 포함함―;
    상기 카트리지 내의 시료 분석 또는 시료 준비 중 적어도 하나를 수행하도록 생체 시료를 상기 카트리지의 유체공학적 네트워크를 통해 유동시키도록 생체 시료를 유체공학적으로 지향시키는 단계―상기 생체 시료는 반응 챔버 내로 유동하도록 지향되고, 상기 생체 시료의 유동은 상기 유동 제어 밸브 상에서 상기 밸브 액츄에이터의 작용에 의해 제어됨―; 및
    상기 제거 가능한 카트리지 또는 베이스 인스트루먼트 중 적어도 하나에 의해 유지되는 검출 조립체를 이용하여 상기 반응 챔버에서 상기 생체 시료를 이미징하는 단계를 포함하는,
    핵산을 시퀀싱하는 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 베이스 인스트루먼트로부터 상기 제거 가능한 카트리지를 제거하는 단계를 더 포함하는,
    핵산을 시퀀싱하는 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    제 2 제거 가능한 카트리지를 상기 베이스 인스트루먼트에 접촉시키는 단계를 더 포함하고, 상기 제 2 제거 가능한 카트리지의 하우징 측은 상기 시스템 인터페이스를 집합적으로 규정하도록 상기 베이스 인스트루먼트의 제어 측과 분리 가능하게 결합하는,
    핵산을 시퀀싱하는 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 생체 시료를 유체공학적으로 지향시키고 상기 생체 시료를 이미징하는 단계는 순차적으로 수회 반복되는,
    핵산을 시퀀싱하는 방법.
  29. 제 25 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체공학적 네트워크의 시료 준비 영역 내에 상기 생체 시료를 밀봉시키고, 상기 생체 시료가 상기 시료 준비 영역 내에 밀봉되는 동안 상기 생체 시료를 증폭시키는 단계를 더 포함하는,
    핵산을 시퀀싱하는 방법.
  30. 제 25 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유동 제어 밸브는 밸브 포트들 사이를 연장하는 적어도 하나의 유동 채널을 갖는 이동 가능한 밸브(movable valve)를 포함하며, 상기 밸브 액츄에이터는 상이한 위치들 사이에서 상기 이동가능한 밸브를 이동 시키도록 구성되는,
    핵산을 시퀀싱하는 방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 이동 가능한 밸브는 상기 생체 시료가 상기 유동 채널을 통해 유동하고 상기 반응 챔버 내로 지향될 때 시료 포지션에 있고, 상기 방법은 상기 이동 가능한 밸브를 컴포넌트 포지션으로 이동시키고 상기 반응 챔버 내로 상기 유동채널을 통해 시약을 유동시키는 단계를 포함하고, 상기 시약은 상기 반응 챔버의 생체 시료와 반응하는,
    핵산을 시퀀싱하는 방법.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 컴포넌트 포지션은 복수 개의 컴포넌트 포지션들을 포함하고, 상기 방법은 상이한 시약들을 상기 반응 챔버 내로 유동시키도록 미리 결정된 순서에 따라 상기 컴포넌트 포지션 사이에서 상기 이동 가능한 밸브를 이동시키는 단계를 더 포함하는,
    핵산을 시퀀싱하는 방법.
  33. 제 25 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 생체 시료는 핵산을 포함하고 상기 미리 정해진 시퀀스는 합성에 의한 시퀀싱(sequencing-by-synthesis; SBS) 프로토콜을 따르는,
    핵산을 시퀀싱하는 방법.
  34. 제 25 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서,
    유동 셀(flow cell)은 반응 챔버를 포함하고, 상기 생체 시료는 상기 유동 셀의 하나 또는 그 초과의 표면에 고정화되는(immobilized),
    핵산을 시퀀싱하는 방법.
  35. 제거 가능한 카트리지로서,
    카트리지 하우징―상기 카트리지 하우징은 상기 카트리지 하우징의 외부로 개방되고 생체 시료를 수용하도록 구성되는 시료 포트를 가지며, 상기 카트리지 하우징은 상기 외부에 노출되는 전기적 콘택들 및 기계적 인터페이스의 어레이를 가지며, 상기 카트리지 하우징은 베이스 인스트루먼트에 제거 가능하게 커플링되도록 구성됨―;
    복수 개의 채널들, 반응 챔버 및 저장 모듈을 포함하는 유체공학적 네트워크―상기 저장 모듈은 시약들을 저장하기 위한 복수 개의 리저보어들을 포함하고, 상기 유체공학적 네트워크는 상기 리저보어들로부터 상기 반응 챔버로 시약들을 지향시키도록 구성되며, 상기 기계적 인터페이스는 상기 유체공학적 네트워크를 통해 유체의 유동을 제어하도록 유체공학적 네트워크에 대해 이동가능함―; 및
    상기 카트리지 하우징 내에 배치되고 상기 반응 챔버 내에서 지정된 반응들을 검출하도록 포지셔닝되는 이미징 디바이스를 포함하며,
    상기 이미징 디바이스는 상기 베이스 인스트루먼트와 통신하기 위해 상기 전기적 콘택들의 어레이에 전기적으로 커플링되며, 상기 제거 가능한 카트리지가 상기 베이스 인스트루먼트에 커플링될 때 상기 기계적 인터페이스가 베이스 인스트루먼트에 의해 이동되도록 구성되는,
    제거 가능한 카트리지.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 기계적 인터페이스는 상기 유체공학적 네트워크의 채널들 중 하나를 통해 상기 유체의 유동을 제어하도록 구성되는 채널 밸브를 포함하는,
    제거 가능한 카트리지.
  37. 제 35 항 또는 제 36 항에 있어서,
    상기 카트리지 하우징은 상기 기계적 인터페이스에 대해 액세스를 허용하는 액세스 개구를 포함하는,
    제거 가능한 카트리지.
  38. 제 35 항에 있어서,
    상기 기계적 인터페이스는 회전 가능한 밸브를 포함하는,
    제거 가능한 카트리지.
  39. 제 35 항 내지 제 38 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 카트리지 하우징은 외부에 노출되는 억세스 개구를 포함하고, 상기 채널들은 상기 시료 포트와 유동 연통하는 시료 채널을 포함하며, 상기 억세스 개구는 상기 시료 채널을 따라 연장하고 상기 시료 채널의 온도를 제어하기 위한 열 블록을 수용하도록 구성되는,
    제거 가능한 카트리지.
  40. 제 35 항 내지 제 39 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 카트리지 하우징은 외부에 노출되어 상기 유체공학적 네트워크와 유체 연통하는 유체공학적 커플링 포트를 포함하고, 상기 유체공학적 커플링 포트는 인스트루먼트 포트와 결합하며 그를 통해 유체를 수용하도록 구성되는,
    제거 가능한 카트리지.
  41. 제 35 항 내지 제 40 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 카트리지 하우징은 반대 방향들을 향하는 제 1 하우징 측 및 제 2 하우징 측을 포함하고, 상기 제 1 하우징 측은 상기 전기적 콘택들의 어레이를 포함하고, 상기 제 2 하우징 측은 상기 기계적 인터페이스를 포함하는,
    제거 가능한 카트리지.
  42. 제 35 항 내지 제 41 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 카트리지 하우징에 부착되는 잠금 기구를 더 포함하고, 상기 잠금 기구는 상기 카트리지 하우징을 상기 베이스 인스트루먼트에 제거 가능하게 고착하도록 구성되는,
    제거 가능한 카트리지.
  43. 제 35 항 내지 제 42 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저장 모듈은 합성에 의한 시퀀싱 (sequencing-by-synthesis; SBS) 프로토콜을 수행하기 위한 시약들을 포함하는,
    제거 가능한 카트리지.
  44. 제거 가능한 카트리지로서,
    카트리지 하우징―상기 카트리지 하우징은 상기 카트리지 하우징의 외부로 개방되며, 생체 시료를 수용하도록 구성되는 시료 포트를 가짐―;
    상기 카트리지 하우징 내에 배치되는 회전 가능한 밸브―상기 회전 가능한 밸브는 유체공학적 측 및 상기 유체공학적 측에서 개방되는 복수 개의 밸브 포트들을 가지며, 상기 밸브 포트들 사이를 연장하는 적어도 하나의 유동 채널을 가지고, 상이한 회전 위치들 사이에서 회전 가능함―; 및
    상기 회전 가능한 밸브의 유체공학적 측에 슬라이딩 가능하게 커플링되는 본체 측을 갖는 미세유체 본체―상기 미세유체 본체는 상기 시료 포트와 유동 연통하는 시료 채널, 시약을 유지하도록 구성되는 리저보어, 및 상기 유체공학적 네트워크의 반응 챔버와 유동 연통하는 공급 채널을 포함하는 유체공학적 네트워크를 적어도 부분적으로 규정하고, 상기 시료 채널은 상기 미세유체 본체의 본체 측으로 개방되는 네트워크 포트를 가지며, 상기 리저보어는 상기 미세유체 본체의 유체공학적 측으로 개방되는 리저보어 포트와 유동 연통하고, 상기 공급 채널은 상기 미세유체 본체의 본체 측으로 개방되는 공급 포트를 가짐―;를 포함하며,
    상기 회전 가능한 밸브는 제 1 회전 포지션과 제 2 회전 포지션 사이에서 회전하도록 구성되며, 상기 네트워크 포트는 상기 회전 가능한 밸브가 상기 제 1 회전 포지션에 있을 때 상기 회전 가능한 밸브를 통해 상기 공급 포트에 유체공학적으로 커플링되며, 상기 리저보어 포트는 상기 회전 가능한 밸브가 상기 제 2 회전 포지션에 있을 때 상기 회전 가능한 밸브를 통해 상기 공급 포트에 유체공학적으로 커플링되는,
    제거 가능한 카트리지.
  45. 제 44 항에 있어서,
    상기 카트리지 하우징은 베이스 인스트루먼트와 결합하도록 구성되는 외부 측을 가지며, 상기 회전 가능한 밸브는 상기 외부 측면에서 접근가능하고 상기 베이스 인스트루먼트와 결합하도록 구성되는 기계적 인터페이스를 포함하는,
    제거 가능한 카트리지.
  46. 제 44 항 또는 제 45 항에 있어서,
    상기 저장 모듈은 합성에 의한 시퀀싱(sequencing-by-synthesis; SBS) 프로토콜을 수행하기 위한 시약들을 포함하는,
    제거 가능한 카트리지.
  47. 제 44 항 내지 제 46 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 회전 위치에 있는 상기 회전 가능한 밸브는 상기 유체 상의 힘이 상기 시료 액체를 상기 공급 포트를 향해 이동시킬 때 시료 액체를 수용하도록 구성되며, 상기 제 2 회전 위치에 있는 상기 회전 가능한 밸브는 변위 힘이 상기 시료 액체를 상기 리저보어 내로 상기 공급 포트로부터 멀리 밀어 넣을 때 상기 시료 액체가 상기 리저보어 내로 변위되는 것을 허용하게 구성되는,
    제거 가능한 카트리지.
  48. 제 44 항 내지 제 47 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전 가능한 밸브는 축을 중심으로 회전하고, 상기 공급 포트는 상기 축과 정렬되는,
    제거 가능한 카트리지.
  49. 제거 가능한 카트리지로서,
    카트리지 하우징―상기 카트리지 하우징은 상기 카트리지 하우징의 외부로 개방되고 생체 시료를 수용하도록 구성되는 시료 포트를 가지며, 상기 카트리지 하우징은 베이스 인스트루먼트를 향하며 베이스 인스트루먼트에 제거 가능하게 커플링되도록 구성되는 정합 측(mating side)을 포함함―;
    상기 하우징 내에 배치되는 유체공학적 네트워크―상기 유체공학적 네트워크는 상기 시료 포트와 유동 연통하는 시료 채널을 포함함―; 및
    제 1 포지션과 제 2 포지션 사이에서 이동하도록 구성되는 플렉스 부재를 포함하는 채널 밸브를 포함하며, 상기 플렉스 부재는 상기 제 1 포지션에 있을 때 상기 시료 채널을 통한 유동을 차단하고 상기 제 2 포지션에 있을 때 상기 시료 채널을 통한 유동을 허용하고, 상기 카트리지 하우징의 정합 측은 상기 채널 밸브를 상기 카트리지 하우징의 외부에 노출시키는 억세스 개구를 포함하며, 상기 억세스 개구는 상기 플렉스 부재를 상기 제 1 포지션과 상기 제 2 포지션 사이에서 이동시키기 위해 상기 베이스 인스트루먼트의 밸브 액츄에이터를 수용하도록 구성되는,
    제거 가능한 카트리지.
  50. 제 49 항에 있어서,
    상기 플렉스 부재는 상기 유체공학적 네트워크의 내부 캐비티를 덮는 가요성 층을 포함하고, 상기 가요성 층은 상기 캐비티를 통해 유동을 차단하도록 상기 캐비티 내로 푸시되도록 구성되는,
    제거 가능한 카트리지.
  51. 제 49 항 또는 제 50 항에 있어서,
    상기 카트리지 하우징 내에 배치되는 회전 가능한 밸브를 더 포함하며, 상기 회전 가능한 밸브는 상기 유체공학적 네트워크의 유동 경로를 변화시키기 위해 상이한 포지션들 사이에서 회전하도록 구성되며, 상기 회전 가능한 밸브는 상기 정합 측을 따라 작동가능하게 접근가능한 기계적 인터페이스를 포함하는,
    제거 가능한 카트리지.
  52. 제 49 항 내지 제 51 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체공학적 네트워크는 상기 시료 채널과 유동 연통하는 네트워크 포트, 반응 챔버와 유동 연통하는 공급 포트, 및 시약을 저장하도록 구성되는 리저보어와 유동 연통하는 리저보어 포트를 포함하며, 상기 제거 가능한 카트리지는 상기 카트리지 하우징 내에 배치되는 회전 가능한 밸브를 더 포함하며, 상기 회전 가능한 밸브는 제 1 회전 포지션에 있을 때 상기 공급 포트 및 상기 네트워크 포트를 유체공학적으로 커플링하고, 제 2 회전 포지션에 있을 때 상기 공급 포트 및 상기 리저보어 포트를 유체공학적으로 커플링 연결하는,
    제거 가능한 카트리지.
  53. 제 49 항 내지 제 52 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정합 측은 제 1 정합 측이고, 상기 제거 가능한 카트리지는 제 2 정합 측을 포함하고, 상기 제 1 정합 측 및 제 2 정합 측은 반대 방향들을 향하고, 상기 제 2 정합 측은 기계적으로, 유체공학적으로 또는 열적으로 상기 인스트루먼트와 결합하도록 구성되는,
    제거 가능한 카트리지.
  54. 베이스 인스트루먼트로서,
    제거 가능한 카트리지와 결합하도록 구성되는 제어 측을 갖는 시스템 하우징;
    상기 제거 가능한 카트리지의 회전 가능한 밸브와 결합하도록 구성되는 회전 모터;
    상기 제거 가능한 카트리지의 채널 밸브와 결합하도록 구성되는 밸브 액츄에이터;
    상기 제거 가능한 카트리지에 전기적으로 커플링하도록 구성되는 전기적 콘택들의 어레이; 및
    상기 제거 가능한 카트리지 내에서 어세이 프로토콜(assay protocol)을 수행하도록 상기 회전 모터 및 밸브 액츄에이터를 제어하도록 구성되는 시스템 제어기를 포함하며, 상기 시스템 제어기는 상기 전기적 콘택들의 어레이를 통해 상기 제거 가능한 카트리지로부터 이미징 데이터를 수신하도록 구성되는,
    베이스 인스트루먼트.
  55. 제 54 항에 있어서,
    상기 제거 가능한 카트리지의 일부를 가열하기 위한 열 블록을 더 포함하는,
    베이스 인스트루먼트.
  56. 제거 가능한 카트리지로서,
    카트리지 하우징―상기 카트리지 하우징은 상기 카트리지 하우징의 외부로 개방되고 생체 시료를 수용하도록 구성되는 시료 포트를 가지며, 상기 카트리지 하우징은 베이스 인스트루먼트를 향하며 베이스 인스트루먼트에 제거 가능하게 커플링되도록 구성되는 정합 측(mating side)을 포함함―;
    상기 카트리지 하우징 내에 배치되는 미세유체 본체―상기 미세유체 본체는 본체 측을 가지며, 복수 개의 이산 채널들 및 밸브 수용 영역에서 상기 본체 측에 개방되는 대응 포트들을 포함하는 유체공학적 네트워크를 포함함―; 및
    상기 카트리지 하우징 내에 배치되는 회전 가능한 밸브를 포함하고, 상기 회전 가능한 밸브는 유체공학적 측 및 복수 개의 밸브 포트들 사이를 연장하는 적어도 하나의 유동 채널을 가지며, 상기 밸브 포트들은 상기 유체공학적 측으로 개방되고, 상기 유체 공학 측은 상기 본체 측의 밸브 수용 영역에 회전 가능하게 커플링되며, 상기 회전 가능한 밸브는 상기 이산 채널들을 유체공학적으로 커플링하기 위해 상이한 회전 포지션들 사이에서 이동 가능하며, 상기 회전 가능한 밸브는 상기 정합 측을 따라 접근가능하고 상기 회전 가능한 밸브가 베이스 인스트루먼트에 의해 제어되도록 상기 베이스 인스트루먼트에 결합하도록 구성되는 기계적 인터페이스를 갖는,
    제거 가능한 카트리지.
  57. 제 56 항에 있어서,
    상기 회전 가능한 밸브는 축을 중심으로 회전하고, 상기 밸브 포트들은 공급 포트를 포함하며, 상기 축은 상기 공급 포트를 통해 연장하는,
    제거 가능한 카트리지.
  58. 제거 가능한 카트리지로서,
    카트리지 하우징―상기 카트리지 하우징의 외부로 개방되고 생체 시료를 수용하도록 구성되는 시료 포트를 가지며, 베이스 인스트루먼트에 제거 가능하게 커플링되도록 구성되는 정합 측을 가짐―;
    상기 카트리지 하우징 내에 배치되고, 복수 개의 적층식 인쇄 회로 기판(PCB: printed circuit board) 층들을 포함하는 미세유체 구조―상기 PCB 층들은 상기 PCB 층이 적층될 때 채널들 및 반응 챔버를 규정하는 유체공학적 층들을 포함하고, 상기 PCB 층들은 또한 배선층을 포함함―; 및
    상기 미세유체 구조에 장착되고 상기 도전성 배선층에 전기적으로 커플링되도록 구성되는 이미저를 포함하고, 상기 이미저는 상기 반응 챔버 내에서 지정된 반응들을 검출하도록 배향되는,
    제거 가능한 카트리지.
  59. 제 58 항에 있어서,
    상기 카트리지 하우징의 외부에 노출되는 입력/출력 (I/O) 콘택들을 더 포함하고, 상기 I/O 콘택들은 상기 이미저에 전기적으로 커플링되는, 제거 가능한 카트리지.
  60. 제 58 항 또는 제 59 항에 있어서,
    상기 미세유체 구조는 상기 채널 밸브의 적어도 일부가 상기 PCB 층들에 의해 규정되는 채널 밸브를 포함하고, 상기 채널 밸브는 상기 채널들 중 하나를 통해 유동을 차단 및 허용하도록 구동되도록 구성되는,
    제거 가능한 카트리지.
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