KR20170016282A - 폴리센싱 생체 전자공학적 시험판 - Google Patents

Abstract

전자 시험판은 복수의 웰들(wells)을 포함하는 시험판을 포함하며, 각각의 웰은 분석되는 물질을 포함하도록 구성되어 있다. 센서들은 상기 물질의 특성들을 감지하고 상기 감지된 특성들에 근거하여 센서신호들을 시간에 걸쳐 발생하도록 배열된다. 상기 센서들은 다수의 센서들이 각각의 웰과 연관되도록 배열된다. 상기 다수의 센서들 중 적어도 하나의 센서는 상기 다수의 센서들 중 다른 하나의 센서에 의해 감지된 특성과 다른 상기 물질의 특성을 감지한다. 센서 선택회로는 상기 시험판을 따라 배치된 뒤판 상에 배열된다. 상기 센서 선택회로는 상기 센서들에 결합되며 선택된 센서들의 상기 센서신호들이 상기 뒤판의 데이터 출력에서 액세스될 수 있도록 한다.

Description

폴리센싱 생체 전자공학적 시험판{POLYSENSING BIOELECTRONIC TEST PLATE}

본 발명은 일반적으로 물질들을 분석하기 위한 시험판들에 관한 것으로, 이러한 시험판들에 관련된 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.

생물학, 의학, 및 독성학에서의 다수의 응용들은 생리학-관련 3D 환경들에서의 복잡한 생물 물리학적, 생화학적, 및 기능적인 특성들의 실시간 감지를 포함한다.

이러한 특성들은 약들 및 독극물들에의 노출에 의해 정상상태로부터 질병상태로의 진전 동안 이종으로 그리고 일시적으로 변할 수도 있기 때문에, 셀들(단일 또는 집단 형태들로)은 병렬로 그리고 연속적으로 감시되는 것이 바람직하다.

몇가지의 실시예들은 복수의 웰들(wells)을 포함하는 시험판을 포함하는 전자 시험판에 관한 것이며, 각각의 웰은 분석되는 물질을 포함하도록 구성되어 있다. 센서들은 상기 물질의 특성들을 감지하고 상기 감지된 특성들에 근거하여 센서신호들을 발생하도록 구성되어 있다. 상기 센서들은 다수의 센서들이 각각의 웰과 연관되도록 배열된다. 상기 다수의 센서들 중 적어도 하나의 센서는 상기 다수의 센서들 중 다른 하나의 센서에 의해 감지된 특성과 다른 물질의 특성을 감지한다. 센서 선택회로는 상기 센서들에 결합된다. 상기 센서 선택회로는 상기 시험판을 따라 배치된 후판 상에 배열된다. 상기 센서 선택회로는 선택된 센서들의 센서신호들이 상기 후판의 데이터 출력에서 액세스될 수 있도록 한다. 몇가지의 특징들에 따르면, 상기 전자 시험판은 시각적으로 투명하거나 상기 웰들이 시각적으로 정보를 얻을 수 있도록 하는 시각적으로 투명한 영역들을 포함한다.

몇가지의 실시예들에 따르면, 전자 시험판은 복수의 웰들을 포함하는 시험판을 포함하며, 각각의 웰은 분석되는 물질을 포함하도록 구성되어 있다. 상기 전자 시험판의 센서들은 상기 물질의 특성들을 감지하고 상기 감지된 특성들에 근거하여 센서신호들을 발생하도록 구성되어 있다. 상기 센서들은 다수의 센서들이 각각의 웰과 연관되도록 배열된다. 상기 다수의 센서들 중 적어도 하나의 센서는 상기 다수의 센서들 중 다른 하나의 센서에 의해 감지된 특성과 다른 물질의 특성을 감지하도록 구성된다. 상기 시험판을 따라 뻗어 있는 후판 상에 배열된 상기 전자 시험판의 센서 선택회로는 상기 센서들에 결합되어 있다. 상기 센서 선택회로는 선택된 센서들의 센서신호들이 상기 후판의 데이터 출력에서 액세스될 수 있도록 한다. 판독회로는 상기 데이터 출력에 존재하는 선택된 센서신호들을 수신 및 처리한다.

몇가지의 실시예들은 전자 시험판의 제조방법에 관한 것이다. 상기 방법은 복수의 웰들을 포함하는 시험판을 형성하고, 각각의 웰은 분석되는 물질을 포함하도록 구성되는 단계를 포함한다. 다수의 센서들 및 상기 센서들에 결합된 센서 선택회로를 포함하는 전자회로가 제조된다. 상기 다수의 센서들은 물질의 특성들을 감지하고 상기 감지된 특성들에 근거하여 센서신호들을 발생하도록 구성된다. 상기 센서 선택회로는 선택된 센서들의 센서신호들이 상기 후판의 데이터 출력에서 액세스될 수 있도록 한다. 상기 센서들은 다수의 센서들이 각각의 웰과 관련되도록 상기 웰들에 대해 배열된다. 웰과 관련된 상기 다수의 센서들 중 각각은 상기 다수의 센서들 중 다른 하나의 센서에 의해 감지된 특성과 다른 물질의 특성을 감지하도록 구성된다.

몇가지의 실시예들은 시험판의 웰들에 배치되어 분석되는 물질의 다수의 특성들을 감지하는 단계를 포함하는 방법을 포함한다. 상기 다수의 특성들은 각각의 웰과 관련된 다수의 센서들을 사용하여 감지된다. 상기 다수의 센서들 중 적어도 하나는 상기 다수의 센서들 중 다른 하나에 의해 감지된 특성과 다른 물질의 특성을 감지하도록 구성된다. 센서신호들은 상기 감지된 특성들에 근거하여 시간에 걸쳐 발생된다. 어드레스 라인들은 선택된 센서들의 센서신호들이 데이터 출력에서 액세스될 수 있도록 작동된다.

다음의 설명은 다음의 도면들과 관련되어 설명되며, 동일한 도면부호는 다수의 도면들에서의 유사한/동일한 성분을 식별하는데 사용될 수도 있다. 달리 표시되지 않는 한, 상기 도면들은 반드시 일정한 비례로 확대(축소)하여 그려질 필요는 없다.
도 1A는 몇가지의 실시예들에 따른 전자 시험판의 상면도.
도 1B는 도 1의 시험판의 부분의 상면도.
도 1C는 테스트 웰(test well) 및 상기 테스트 웰과 관련된 다수의 센서들의 횡단면도.
도 1D는 도 1A의 전자 시험판의 일부의 층들의 단순화된 사시도.
도 2A는 몇개의 실시예들에 따른 4개의 서브픽셀 센서들을 포함하는 단일 픽셀의 근처의 후판의 일부의 상면도.
도 2B는 시험판의 후판의 일부 및 테스트 웰의 측면 횡단면도.
도 2C는 1개의 테스트 웰과 관련될 수도 있는 9개의 픽셀들의 상면도이고, 상기 픽셀들 중 하나는 몇개의 실시예들에 따른 산소 센서를 포함함.
도 2D는 도 2C의 산소 센서의 평면도.
도 2E는 몇개의 실시예들에 따른 산소 센서를 포함하는 픽셀을 도시하는 횡단면도.
도 2F는 몇개의 실시예들에 따른 9개의 픽셀들을 도시하는 도 2B의 테스트 웰을 포함하는 시험판의 일부의 상면도.
도 2G는 후판 픽셀 피치보다 더 큰 테스트 웰 피치를 갖는 시험판 및 후판의 상면도.
도 2H는 테스트 웰 피치와 동일한 픽셀 피치를 갖는 후판을 예시하는 도면.
도 3A-3D는 다양한 실시예들에 따른 웰 크기들 및 물질들을 사용하여 제조된 전자 시험판 원형(原型)들(prototypes)의 사진들.
도 3E 및 도 3F는 얇게 도금된 유리 슬라이드들 및 실리콘 위의 MDA-MB-231암세포들(cancer cells)의 예시적인 3D 배양조직들(3D cultures)을 도시하는 도면들.
도 4A는 몇개의 실시예들에 따라 임피던스, pH, 광학적, 및 음향 센서들로부터 센서신호들을 제공하기 위해 실시될 수 있는 예시적인 센서 선택회로 및 TFT 서브픽셀 감지회로들에 대한 도식적인 도면.
도 4B 내지 도 4D는 다양한 실시예들에 따른 광학적 감지를 위한 입력광을 제공하기 위한 구성들을 도시하는 도면들.
도 5A는 몇개의 실시예들에 따른 전자 시험판(500)의 블록도.
도 5B는 도 5A의 전자 시험판과 몇가지의 점에서 유사하며 몇개의 실시예들에 따른 부가적인 선택적인 특정들을 포함하는 전자 시험판의 블록도.
도 6은 여기에 설명된 실시예들에 따른 하나 이상의 전자 시험판들을 포함하는 시험 시스템의 블록도.
도 7은 몇개의 실시예들에 따른 생체 전자공학적 시험판 및 데이터 출력 처리를 사용하는 방법을 예시하는 순서도.

여기에 설명된 실시예들은 복수의 테스트 웰들 및 각각의 테스트 웰과 관련된 다수의 센서들을 갖는 시험판을 포함하는 폴리센싱 전자 시험판을 포함한다. 상기 다수의 센서들은 상기 테스트 웰들에 배치되어 분석되는 물질의 특성들을 감지하고 상기 감지된 특성들에 근거하여 센서신호들을 발생한다. 테스트 웰과 관련된 다수의 센서들 중 적어도 하나는 상기 다수의 센서들 중 다른 하나에 의해 감지된 특성과 다른 물질의 특성을 감지할 수 있다. 몇개의 실시예들에서, 1개 이상의 센서들은 다수의 차원들, 예컨대, 2D 또는 3D 감지, 에서의 물질의 특성을 감지하도록 구성될 수도 있다. 센서 선택회로는 전자 시험판의 데이터 출력에서의 선택된 센서들의 센서신호들로의 액세스를 가능하게 한다. 몇개의 실시예들에서, 상기 센서 선택회로는 센서 출력들을 액세스하도록 선택라인들에 의해 작동되며 후판 상에 배치된 박막 트랜지스터(TFT) 스위치들을 포함할 수 있다.

몇개의 실시예들에서, 각각의 테스트 웰은 여기에 설명된 전자 시험판이, 광학 현미경, 스펙트럼 분석, 형광 태깅(fluorescence tagging)에 의한 분석뿐만 아니라, 질량 분석, 원자력 현미경(原子力顯微鏡), 푸리에 변환 적외선 분광 현미경 분석(spectromicroscopy), 라만 분광법(Raman spectroscopy), 및 주사 전자 현미경법(scanning electron microscopy)과 같은 다른 형태들의 분석과 같이, 살아 있는 또는 고정된 셀들 및 조직들(tissues)로부터 정보를 얻는 다양한 형태들의 광학-기반 분석기술들과 결합되어 사용 가능하게 하는 시각적으로 투명한 적어도 하나의 경계 영역을 갖는다. 광학-기반 분석기술들은 무(無)라벨 및 특정 라벨 기술들(lab el-free and label-specific techniques)을 포함할 수 있다. 몇개의 실시예들에서, 이러한 분석 기술들은 상기 전자 시험판의 다수의 센서들을 사용하여 얻어진 결과들을 보충 및/또는 확인하는데 사용될 수 있다. 여기의 실시예들에 설명된 전자 시험판은 다수의 센서들에 의한 폴리센싱(polysensing)뿐만 아니라 다양한 분석 기술들과 사용하는데 적합할 수 있다. 공개된 폴리센싱 전자 시험판과 결합되어 이용 가능할 수도 있는 부가적인 분석 기술들은 베이제, 만다나(Veiseh, Mandana) 씨(氏) 등에 의한 "표면 분자공학(surface molecular engineering)에 의한 금-실리콘 이산화물 기판들 상의 가이드된 셀 패터닝(Guided cell patterning on gold-silic on dioxide substrates by surface molecular engineering)", 바이오 소재 25 (2004) 3315 - 3324, 베이제, 만다나(Veiseh, Mandana) 씨(氏) 등에 의한 "셀-패터닝된 Au/SiO2 플랫폼들의 장기간 셀 선택도에 대한 실리콘 산화의 효과(Effect of silicon oxid ation on long-term cell selectivity of cell-patterned Au/SiO2 platforms)", J. AM. CHEM. SOC. 128(2006), 1197-1203, 및 베이제, 만다나(Veise h, Mandana) 씨(氏) 등에 의한 "단일-셀-기반 센서들 및 싱크로트론 FTIR 분광학(Single-cell-based sensors and synchrotron FTIR spectroscopy): 박테리아 검출에 대한 하이브리드 시스템(A hybrid system towards bacterial detection)" 바이오 센서들 및 생체 전자공학 23 (2007) 253-260에서 논의된다.

여기에 설명된 실시예들은 또한 생물학, 의학, 및 환경 독성학에서의 응용들을 위한 생리학 관련 셀-기반 감지에서의 큰 격차를 채우는데 사용될 수 있다. 이러한 접근법들은 체내에서 진행되는 미세 환경, 개인 맞춤형 의료, 및 건강 관리 및 독성학 분야들에서의 애너라이트 스크리닝(analyte screening)의 특징들을 재생하는 환경들에서의 비균질성의 생물학적 및 임상 평가들에 대한 새로운 도구를 제공한다. 이것들은 또한 고정 셀들 상의 정적인 그리고 특정 라벨 측정들 또는 개별적인 장치에 의해 또는 다른 시간에서 감지된 단일 모드 바이오 마커들(biomarker s)의 합에 의해 놓치게 되는 시간적인/공간적인 상관관계들 및 새로운 다중접속된 바이오 마커들을 드러낸다. 다른 바이오 마커들(biomarkers)이 동시에 그리고 연속적으로 감시될 수 있고, 초병렬 셀 센서 배열들 상에서 다중 접속될 수 있기 때문에, 현존하는 접근법들보다 더욱 많은 데이터가 수집될 수 있다. 이것은 낮은 발생정도 불균일성(incidence heterogeneities), 새로운 과도신호들(transient signal s), 또는 기계 학습 알고리즘들을 통한 표현 패턴들을 식별하기 위한 잠재력을 증가시킨다. 한가지 점에서만 다른 이웃의 웰들의 비교는 공통 모드 잡음 거절의 높은 레벨들을 가능하게 하는 차별적인 정보를 제공할 수 있다.

도 1A는 몇가지의 실시예들에 따른 전자 시험판(100)의 상면도이고; 도 1B는 시험판(100)의 부분의 상면도이며; 도 1C는 평면 A - A'를 따라 절단된 테스트 웰 및 상기 테스트 웰과 관련된 다수의 센서들의 횡단면도이고; 도 1D는 전자 시험판의 일부의 사시도이다.

상기 전자 시험판(100)은 상기 전자 시험판(100)의 상면(101) 아래의 z 방향으로 뻗어 있는 웰 벽들(well walls)(160)에 의해 정의된 복수의 테스트 웰들(test wells)(111a-114a)을 포함한다. 도 1A에 도시된 상기 테스트 웰들(111a - 114a)은, 도 1A에 도시된 바와 같이, 다양한 패턴들 및/또는 크기들, 예컨대, 직경 및/또는 깊이, 로 배열될 수도 있다. 도시된 바와 같이, 상기 시험판(100)은 4개의 부분들(111-114)을 포함하며, 각 부분은 테스트 웰들(111a-114a)을 포함하며, 상기 테스트 웰들(111a-114a)의 직경들은 부분별로 다르다. 1개의 특정 예에서, 상기 시험판(100)의 섹션(111)에서의 상기 테스트 웰들(111a)의 직경은 상기 시험판(100)의 표면(101)에서 5 mm의 직경을 갖는다; 상기 시험판(100)의 섹션(112)에서의 상기 테스트 웰들(112a)의 직경은 상기 시험판(100)의 표면(101)에서 3.1 mm의 직경을 갖는다; 상기 시험판(100)의 섹션(113)에서의 상기 테스트 웰들(113a)의 직경은 상기 시험판(100)의 표면(101)에서 1 mm의 직경을 갖는다; 그리고 상기 시험판(100)의 섹션(114)에서의 상기 테스트 웰들(114a)의 직경은 상기 시험판(100)의 표면 (101)에서 1 mm의 직경을 갖는다. 테스트 웰들(114a)은 섹션(113)의 패턴보다 더욱 조밀한(면적당 더욱 많은 테스트 웰들) 패턴으로 배열된다. 이전 예는 단지 시험판에서의 테스트 웰들에 대한 다수의 구성들 중 하나일 뿐임이 이해될 것이다. 게다가, 테스트 웰들(예컨대, 직사각형 또는 삼각형)의 다른 크기들 및 패턴들을 포함하는 시험판들이 가능하지만, 다수의 응용들에서 상기 시험판은 동등하게 이격된 테스트 웰들을 포함하며/포함하거나 각 테스트 웰은 동일한 크기이며, 동일한 직경을 갖는다.

다수의 센서들(120)은 각각의 테스트 웰(111a-114a)과 연관되어 있다. 테스트 웰(111a-114a)과 연관된 상기 다수의 센서들(120)은 상기 테스트 웰에서의 물질의 다수의 특성들을 감지한다. 상기 센서들 중 각각은 1, 2, 또는 3차원으로 상기 물질의 특성을 감지하도록 구성된다. 예를 들면, 1개 이상의 센서들(120)은 x 방향을 따라 상기 테스트 웰의 적어도 일부에 걸친 상기 물질의 특성을 감지하도록 구성될 수도 있고; 상기 1개 이상의 센서들은 부가적으로 y 방향을 따라 상기 테스트 웰의 적어도 일부에 걸친 상기 물질의 특성을 감지하도록 구성될 수도 있으며; 상기 1개 이상의 센서들은 부가적으로 z 방향을 따라 상기 테스트 웰의 적어도 일부에 걸친 상기 물질의 특성을 감지하도록 구성될 수도 있으므로, 시간에 걸쳐 1, 2, 또는 3차원 감지를 제공한다.

각각의 테스트 웰(111a-114a)과 연관된 상기 센서들(120)은 다른 형태들의 다수의 센서들의 클러스터들에서 배열될 수 있고 센서들의 각 클러스터는 여기에서 "픽셀(pixel)"이라 불리운다. 픽셀에서의 각 센서는 여기에서 "서브픽셀(subpixe l)"이라 불리운다. 픽셀의 각각의 센싱 서브픽셀은 상기 픽셀의 다른 하나의 센싱 서브픽셀에 의해 감지된 물질의 특성과 다른 특성을 측정하도록 구성될 수 있다. "픽셀(pixel)" 및 "서브픽셀(subpixel)"의 전문용어는 표시 또는 이미징 장치들로부터 빌려온 것이며, "픽셀(pixel)"은 2D 배열로 반복될 수 있는 감지 검출장치들(서브픽셀들(subpixels))의 결합의 단위 셀을 설명한다.

상기 시험판이 큰, 예컨대, 5 mm 직경, 테스트 웰들, 또는 작은, 예컨대, 1 mm 테스트 웰들을 포함하든 간에 상관없이 상기 센서 픽셀들 및 서브픽셀들은 후판 상의 동일한 간격 피치를 가질 수도 있다. 더욱 많은 픽셀들은 더욱 작은 테스트 웰들과 연관된 픽셀들의 수와 비교될 때 각각의 더욱 큰 테스트 웰과 연관될 수 있다. 몇개의 실시예들에서, 픽셀 피치는 예컨대 약 300 μm의 치수일 수도 있다. 상기 픽셀 피치가 300 μm보다 더 작도록, 예컨대, 몇개의 실시예들에서 약 90 또는 심지어 약 60 μm, 하는 것이 가능하다.

성취 가능한 테스트 웰 당 픽셀들의 수 및/또는 픽셀 당 서브픽셀들의 수는 상기 테스트 웰들의 크기 및/또는 상기 판의 치수들에 의존한다. 도 1A는, 표준 배양판, 예컨대, 127.7 mm x 85.5 mm, 과 같은, 다른 치수들이 가능하지만, x축을 따른 25 mm의 폭 및 y축을 따른 75 mm의 길이를 갖는 시험판을 예시한다. 제1 예의 구성에서, 25 mm x 75 mm 시험판은 5 mm의 직경 및 각각의 테스트 웰과 연관된 218개의 픽셀들을 갖는 원형 x-y 횡단면(시험판(100)의 섹션(111)에 의해 예시된 바와 같은)을 갖는 15개의 동등하게 이격된 테스트 웰들을 가질 수도 있다. 제2 예에서, 25 mm x 75 mm 시험판은 50개의 동등하게 이격된 원형 테스트 웰들(시험판(100)의 섹션(112)에 의해 예시된 바와 같은)을 가질 수도 있고, 각각의 테스트 웰은 3.1 mm의 직경 및 각각의 테스트 웰과 연관된 80개의 픽셀들을 갖는다. 제3 예에서, 25 mm x 75 mm 시험판은 288 제곱개의 테스트 웰들(시험판(100)의 섹션(113)에 의해 예시된 패턴으로 배열된)을 가질 수도 있고, 각각의 테스트 웰은 1 mm의 y축을 따른 길이 및 1 mm의 x축을 따른 폭 및 각각의 테스트 웰과 연관된 10개의 픽셀들을 갖는다. 제4 예에서, 25 mm x 75 mm 시험판은 592개의 동등하게 이격된 정사각형의 테스트 웰들(시험판(100)의 섹션(114)에 의해 예시된 바와 같은)을 가질 수도 있고, 각각의 테스트 웰은 1 mm의 y축을 따른 길이 및 1 mm의 x축을 따른 폭 및 각각의 테스트 웰과 연관된 10개의 픽셀들을 가질 수도 있다. 제1 예에서, 각각의 픽셀은 픽셀 당 4개의 센싱 서브픽셀들을 포함한다고 가정하면, 후판(backplane)은 3,270개의 픽셀들 및 13,080개의 센서들을 포함하고; 제2 예에서는, 상기 후판은 4,000개의 픽셀들 및 16,000개의 센서들을 포함하며; 제3 예에서는, 상기 후판은 2,880개의 픽셀들 및 11,520개의 센서들을 포함하고; 제4 예에서는, 상기 후판은 5,920개의 픽셀들 및 23,680개의 센서들을 포함한다. 이들 값들은 단지 예들이며 후판은 더욱 많은 또는 더욱 적은 픽셀들 및 서브픽셀들을 포함할 수도 있다. 몇개의 실시예들에서, 시험판은 40,000개의 고유 측정들을 제공하는 약 40,000개의 센서들을 제공하도록 구성될 수 있다.

몇개의 응용예들에서, 웰들 사이의 거리, S는 테스트 웰들의 직경(또는 길이 또는 폭)의 약 5%일 수도 있다. 예를 들면, 1 mm의 폭 및 길이를 갖는 동등하게 이격된 정사각형의 테스트 웰들에 대해, 상기 테스트 웰들은 상기 테스트 웰들의 폭의 20%(0.2 mm) 만큼 x축을 따라 이격될 수도 있고 상기 테스트 웰들의 길이의 20%(0.2 mm) 만큼 y축을 따라 이격될 수도 있다.

전자 테스트 웰은 도 1에 예시된 바와 같은 25 mm x 75 mm 시험판보다 더 작거나 더 클 수도 있다. 여기에 설명된 몇개의 실시예들에 따르면, 상기 전자 테스트 웰은 집적된 박막 트랜지스터(TFT) 기반 전자공학 및 능동 매트릭스 전자공학 어드레싱을 포함하며, 이것은 셀 컬쳐 웰 플레이트(cell culture well plate) 배열들에 대한 저비용, 큰 면적의 유리 슬라이드들 위의 아주 많은 센서들로의 접속들을 가능하게 한다. 상기 집적된 다중접속된 배열은 약간의 어드레싱 패드들만을 갖는 슬라이드 당 다수의 고유 측정들(예컨대, 픽셀 당 4번의 측정들)을 가능하게 하며, 응용에 의존하여, 다양한 크기들로 용이하게 확장 가능하다.

이러한 예들은 예시용으로 제공되며 다른 치수들의 시험판들, 다른 패턴들, 횡단면 형태들(예컨대, 직사각형, 삼각형), 크기들, 및 간격들을 갖는 테스트 웰들, 각각의 테스트 웰과 연관된 다수의 다른 센서들이 가능하며 본 발명의 범위 내에 속함을 독자는 이해할 것이다.

도 1C에 잘 도시된 바와 같이, 몇개의 실시예들에서, 상기 전자 시험판(100)은 물질을 상기 웰들 내에 유지하고 상기 물질의 오염을 감소 또는 방지하기 위한 캡층(cap layer)(102)을 포함할 수도 있다. 몇개의 구성들에서, 상기 캡층은 상기 테스트 웰들 위에 배치된 개별적인 캡들의 패터닝된 층을 포함한다. 다른 구성들에서, 상기 캡층은 상기 시험판의 상면 위에서 이어지는 연속층이다. 상기 캡층은 투명한 물질, 예컨대, 폴리카보네이트(polycarbonate) 또는 폴리스티렌(polystyrene)과 같은 투명 플라스틱, 을 포함할 수 있다.

도 1A 내지 도 1D에 예시된 전자 시험판(100)은 다수의 물질층들을 포함하는 구조이다. 상기 전자 시험판(100)은 그 위에 배치되는 부가적인 층들을 위한 기계적인 지지를 제공하는 기판(151)을 포함한다. 몇개의 실시예들에서, 상기 기판(15 1)은 800 μm의 z 방향에 따른 두께를 갖는 유리 또는 다른 시각적으로 투명한 물질을 포함할 수도 있다. 다른 두께들 및/또는 물질들이 상기 전자 시험판(100)의 조작을 용이하게 하기 위한 충분한 기계적 강도 및/또는 광학적 분석기술들(optic al analytical techniques)에 의한 전자 시험판의 사용을 용이하게 하기 위한 충분한 시각적 투명도를 가능하게 하는 한, 상기 다른 두께들 및/또는 물질들은 상기 기판용으로 사용될 수 있다.

상기 전자 시험판, 캡층 및 물질과 맞닿는 상기 시험판의 임의의 부분은 살균된 상태이거나 방사선(radiations), 가스, 화학적, 또는 가열 살균(heat steril ization)과 같은 통상적인 기술들에 의해 직렬화 가능하다(serializable).

상기 후판(backplane)(152)은 상기 기판(151) 상에 배치되며 그 사이의 전기적인 접속들을 갖는 전자장치들을 형성하는 다수의 부분층들(sublayers)을 포함할 수도 있다. 몇개의 실시예들에서, 상기 후판은 약 5μm의 치수의 z 방향을 따른 두께를 가질 수도 있다. 상기 후판(backplane)(152)은 상기 테스트 웰들(111a-114a)과 연관된 센서들(120) 및 상기 센서들로의 액세스를 제공하는 스위치들과 같은 회로(130)를 포함한다. 몇개의 실시예들에서, 상기 후판(backplane)(152)은 또한 신호 처리회로, 제어회로, 메모리 회로 및/또는 통신회로, 예컨대, 여기에 보다 자세히 설명된 유선 또는 무선 통신회로를 포함할 수도 있다. 상기 후판(152)은 또한, 예컨대, 에지 카드 커넥터(edge card connector)로서 배열된, 상기 센서들 및/또는 상기 전자 시험판(100)의 다른 회로를 몇개의 실시예들에 따른 호스트 프로세서 (100)와 같은 다른 하나의 장치로 통신적으로 결합하는데 사용된, 전기적 접촉부 (135)를 포함한다.

상기 장치는 각각의 웰이 시각적으로 정보를 얻도록 가능하게 하는 시각적으로 투명한 영역들을 포함한다. 상기 후판(152) 상의 전자장치들은, 빛이 상기 후판을 관통하여 상기 웰들로 도달 가능하게 하도록 하기 위해, 박막 전자장치들, 예컨대, 시각적으로 투명한 반도체들 및/또는 시각적으로 얇은 금속 또는 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO)과 같은 시각적으로 투명한 전도체들을 포함하는 박막 트랜지스터들(TFTs)을 포함할 수도 있다. 다양한 광학적 분석기술들, 예컨대, 광학적 축소 복사기술(optical microcopy), 등에 의한 전자 시험판의 사용을 용이하게 하기 위해, 상기 후판은 각각의 테스트 웰 및 상기 후판 사이의 적어도 인터페이스들에서 시각적으로 투명하다. 몇개의 실시예들에서, 전체 후판은 시각적으로 투명하다. 몇개의 실시예들에서, 상기 후판의 부분들, 예컨대, 상기 테스트 웰들 사이의 영역들, 은 시각적으로 불투명하다. 몇개의 실시예들에서, 전체 후판은 시각적으로 불투명할 수도 있다. 다양한 구성들에서, 상기 전자 시험판은 상기 웰들의 상단 및 하단 중 어느 하나나 둘다 모두로부터 시각적으로 정보를 얻을 수 있다.

예컨대, 약 1500μm의 치수의 z 방향에 따른 두께를 갖는, 시험판층(153)은상기 후판(152) 상에 배치된다. 몇개의 실시예들에서, 상기 시험판층(153)의 물질은 플라스틱 또는 상기 테스트 웰들(111a-114a)을 형성하기 위해 패터닝될 수 있는 다른 물질을 포함할 수도 있다. 상기 테스트 웰들(111a-114a)은 상단 전기 접촉층(154) 및 상기 후판(152) 사이에 뻗어 있는 웰 벽들(160)에 의해 정의된다. 상기 상단 전기 접촉층(154)은 전기 전도층이며 금속(금과 같은), 금속 합금, 또는 다른 전기적으로 전도성의 물질을 포함할 수도 있다. 상기 상단 전기 접촉층(154)은 상기 시험판층(153) 위에 배치되며 상기 테스트 웰 벽들 중 적어도 일부를 공형적으로(conformally) 코우팅한다. 상기 시험판층(153)은 약 1500μm의 치수의 z 방향에 따른 두께를 가질 수도 있다. 상기 상단 전기 접촉층은 금과 같은 얇은 금속, 또는 다른 전도성의 물질일 수도 있다. 예를 들면, z 축을 따른 상단 전기 접촉부의 두께는 약 0.1 내지 약 1μm의 범위에 있을 수도 있다.

몇개의 실시예들에서, 상기 시험판층(153)은 상기 후판(152) 상에 직접 형성되며 - 이 구조는 여기에서 단일 전자 시험판으로 불리운다. 다른 실시예들에서, 상기 웰 층(153) 및 상기 후판은 각각 개별적으로 제조되며 상기 웰 층(153)은 상기 후판(152)에 접착된다.

상기 테스트 웰들은 상기 테스트 웰들 내에 배양된 셀들의 3D 성장을 용이하게 하기 위해 히드로겔(hydrogel), 예컨대, 뉴욕 코닝에 위치한 코닝 사(社)로부터 이용 가능한 마트리겔(MATRIGEL available from Corning, Inc., located in Corni ng NY), 또는 메릴랜드 게이더스버그에 위치한 트레비겐 사(社)로부터 이용 가능한 CULTREX BME(CULTREX BME available from Trevigen, Inc., located in Gaithersbu rg, MD)와 같은 3D 라미닌 풍부 젤(laminin rich gel), 을 포함할 수도 있다. 분석되는 물질은 살아 있는 셀들, 박테리아, 바이러스들, 곰팡이류, 미생물들, 셀 부분들(cell compartments), 엑소좀들(exosomes), 분자들, 거대분자들, 효소들 또는 3차원 환경에서 성장한 조직 성분들을 포함할 수도 있다.

분석되는 물질은 살아 있는 셀들 및/또는 예컨대, 히드로겔에서 성장하는 조직 성분들을 포함할 수도 있다. 조직 성분들은 다른 셀 형태들, 단백질, 당류, 지방, 당질(carbohydrates) 등을 포함하는 세포 밖의 물질들로 구성될 수 있다. 예를 들면, 암 조직은 암 셀들, 면역세포들, 신경세포들, 섬유아세포, 등 및 다수의 무세포 성분들로 구성된다. 몇개의 실시예들에서, 시험되는 물질은 체액 또는 체액 세포(bodily fluid cells)를 포함할 수도 있다.

배양액(culture media)은 시험되는 각 물질에 대해 특별하며 예컨대, 영양분(nutrient materials), 혈청(serum), 및/또는 세포 배양을 위한 항생제를 제공한다. 배양액에 대한 몇개의 예들은: DMEM(Dulbecco's Modified Eagle Medium), 최소필수배지(最少必須培地)(Minimum Essential Media, MEM)이고, 혈청(serum)의 예는 소태아혈청(Fetal Bovine Serum, FBS)뿐만 아니라 각각의 세포 형태를 배양하기 위한 다른 생화학적 필수물들(biochemical needs)이다.

몇개의 실시예들에서, 더 많은 또는 더 적은 서브픽셀 센서들이 가능하지만, 다수의, 예컨대, 4개의, 픽셀 당 서브픽셀 센서들을 갖는 것이 이용 가능하다. 상기 4개의 서브픽셀 센서들은 예컨대, 임피던스 센서, 화학(pH) 센서, 음향 센서, 및 광센서를 포함할 수도 있다. 도 2A는 위에 설명된 4개의 서브픽셀 센서들을 포함하는 단일 픽셀의 근처의 후판(295)의 일부의 상면도이다. 도 2B는 시험판(290)의 후판(295)의 일부 및 테스트 웰의 측면 횡단면도이다. 테스트 웰(270a)은 9개의 픽셀들을 포함하며, 9개의 픽셀들 중 3개는 횡단면으로 도시되어 있고, 각 픽셀은 4개의 서브픽셀 센서들을 갖는다. 도 2F는 9개의 픽셀들을 나타내는 도 2B의 테스트 웰(270a)을 포함하는 시험판(290)의 상면도이다.

도 2A에 관해 이제 설명하자면, 픽셀(200)은 상기 후판(295) 상에 배치된 4개의 서브픽셀 센서들을 포함한다. 상기 센서들은, 예컨대, 임피던스 센서, 화학 센서, 음향 센서, 및 광센서와 같은, 전기 센서를 포함한다. 이 예에서, 상기 임피던스 센서는 x, y, 및/또는 z 방향들을 따른 물질의 수평 임피던스를 감지하는 것을 용이하게 하는 서로 맞물린 전극들(211, 212)을 포함하며; 상기 화학 센서는 pH 센서를 포함하며 pH 감지 TFT(221)를 포함하고; 상기 음향 센서는 도 2B에 도시된 압전 초음파 전송기(261) 및 압전막(262)과 결합되어 사용된 집적된 압전 센서(231)를 포함하며; 상기 광센서는 광감도성 PIN 다이오우드(light sensitive PIN diode)를 포함한다. 상기 픽셀(200)은 또한 선택된 센서들의 신호들로의 액세스를 용이하게 하기 위해 구성된 TFT 회로(251)를 포함한다.

도 2B는 테스트 웰층(275) 및 후판(295)을 포함하는 전자 시험판의 일부의 횡단면도이다. 상기 테스트 웰층(275)은 분석되는 물질을 포함하는 테스트 웰(270 a)을 포함하며, 이 예에서 이것은 세포 군체(299) 주위의 무세포 환경인 3D 젤(29 8)에서 성장하는 세포 군체(299)이다. 이 예에서, 상기 테스트 웰(270a)은 상기 후판(295)의 9개의 센서 픽셀들과 연관된다(도 2C 참조). 도 2B는 위에 설명된 센서 픽셀(200)의 것들과 유사한 4개의 서브픽셀 센서들을 각각 포함하는 횡단면에서 3개의 센서 픽셀들(200a, 200b, 200c)을 도시하고 있다.

각각의 센서 픽셀(200a, 200b, 200c)은 임피던스 센서, pH 센서, 음향 센서, 및 광센서를 포함한다. 픽셀들(200a, 200b, 200c)의 상기 임피던스 센서들은 맞물린 전극들(271a, 271b, 271c)을 포함하고, 상기 pH 센서들은 pH 감지 TFT들(221a, 221b, 221c)을 포함하며; 상기 음향 센서들은 압전막 초음파 전송기(261) 및 압전막(262)과 결합되어 사용된 집적된 압전 센서(231a, 231b, 231c)를 포함하고; 상기 광센서들은 광감도성 PIN 다이오우드들(241a, 241b, 241c)을 포함한다. 상기 테스트 웰(270a)은 상기 테스트 웰(270a)의 저면(265)으로부터 위쪽으로 뻗어 있는 테스트 웰벽들(260)에 의해 정의된다. 상기 벽들(260) 상에 배치되어 상기 벽들(260)의 표면을 적어도 부분적으로 덮는 것은 z 방향을 따른 임피던스의 감지를 용이하게 하는 금 접촉층(280)이다. 몇개의 실시예들에서, 상기 금 접촉층(280)은 z 방향을 따른 임피던스를 감지하기 위해 하나 이상의 픽셀들(200a - c) 중 임피던스 센서들용으로 사용될 수 있다.

상기한 바와 같이, 다양한 실시예들에 따른 전자 시험판에서의 사용에 적합한 전기 임피던스 센서는 상기 후판의 상면 상에 배치되어 있고 상기 테스트 웰에서의 물질들에 노출된 맞물려 있는 제1 및 제2 전극들을 포함할 수 있다. 상기 맞물려 있는 제1 및 제2 전극들(211, 212)(도 2A 및 도 2B 참조)은 xy 평면에서 방향성으로 임피던스를 감지하는데 사용될 수 있다. 상기 임피던스 센서는 또한 전도성 접촉층, 예컨대, 제3 전극으로서의 금 접촉층(280), 을 포함할 수도 있다. 상기 테스트 웰에서의 각각의 임피던스 센서는 상기 제1 및 제3 전극들(211, 280) 및/또는 상기 제2 및 제3 전극들(212, 280) 사이의 수직 임피던스(vertical impedance)를 감지할 수 있다. 도 2A 및 도 2B에 도시된 제1, 제2, 및 제3 전극들(211, 212, 280)의 배열은 x, y, 및 z 축들을 따른 전기 임피던스의 3D 감지를 제공한다. 수평(lateral) 및/또는 수직 임피던스 감지는 수평 및 수직 전기 임피던스 스펙트럼, 예컨대, 주파수의 함수로서의 임피던스, Z(ω), 을 결정하는데 사용될 수 있다. 상기 측정된 수평 및/또는 수직 전기 임피던스는 세포 수(cell count) 및/또는 세포 생존율(cell viability)을 결정하는데 사용될 수도 있다. 셀 죽음에 의해 세포막 온전성(cell membrane integrity), 양극성(polarity), 및 세포 형태(cell morphol ogy)는 변하며, 다른 임피던스 값들을 초래할 수도 있다. 세포 생존율(cell viabi lity)은 수직 전극들(vertical electrodes)을 통한 또는 측면으로 맞물린 전극들에 걸린 전기 임피던스 및 상기 임피던스 변화들과 상관된 생존율의 측정에 의해 감시될 수 있다고 기대된다. 몇개의 경우들에서 그리고 몇개의 셀 형태들에 대해, 0.1 V의 전위가 인가될 수 있고 임피던스 크기는 500 Hz 부터 10 kHz 까지 측정될 수 있다. 몇개의 경우들에서, 검출 한계들 및 동적 범위는 1KHz 내지 1 MHz의 주파수 범위 내의 |Z|<50 오옴(Ohms) 및 θ ~ 0.50 의 감도를 포함한다.

다양한 실시예들에 따른 전자 시험판에서의 사용에 적합한 화학적 pH 센서는 박막 트랜지스터의 이온 감도성 실리콘 질화물 게이트(ion sensitive silicon nit ride gate)를 포함할 수 있다. 상기 센서는 예컨대 세포 밖의 pH 값을 측정하는데 사용될 수 있다. 몇개의 경우들에서, 상기 pH 센서는 0.05 내지 0.1 pH의 감도 범위, 4.0 - 8.0 pH의 범위, 1분보다 적은 응답시간을 갖도록 제조될 수 있다.

다양한 실시예들에 따른 전자 시험판의 테스트 웰들에서의 음향 에미터/센서(262)는 상기 테스트 웰에서의 물질의 3D 음향 감지를 제공할 수 있다. 적합한 음향 에미터/센서는 상기 픽셀 주위로 형성되는 박막 압전 센서, 예컨대, 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride) 물질로 만들어진, 또는 전기 왜곡형 용량성, 예컨대, 금속화된 실리콘(metallized silicone)으로 만들어진, 를 포함할 수도 있다. 상기 압전 에미터/센서는 압전 에미터(261) 및 압전막(262)에 의해 발생된 파(波)들을 감지하도록 구성된다. 예를 들면, 몇개의 구성들에서, 압전막 전송기는 세포군체(299) 및 3D 젤(298) 사이의 인터페이스로부터 반사되는(반향하는) 초음 펄스파(pulsed ultrasonic wave)를 발생시킨다. 상기 압전 센서는 변환기(26 2)에 연결된 증폭기(미도시)를 사용하여 시간-지연 에코를 증폭함으로써 상기 반사된 파를 감지한다. 음향 감지를 위한 비행시간 기술들(Time of flight techniques)은 셀/젤 인터페이스의 일부를 결정하는데 사용될 수도 있다. t₁ 의 시간에서 검출된 상기 셀-젤 인터페이스의 제1 부분을 t₂ 의 나중의 시간에서 검출된 상기 셀-젤 인터페이스의 제2 부분에 비교함으로써, 세포 배양의 운동성의 특성들, 예컨대, 운동성의 존재, 속도, 및/또는 가속도, 등이 결정될 수 있다. 셀 운동성은 화학적 기울기(chemical gradient)를 발생시키거나 셀들로부터의 거리에서 화학유인물질 (chemo-attractant)을 부가함으로써 유도될 수도 있다. 상기 음향 센서는 +/- 100 μm z-위치 감도를 갖는 100 μm - 1 cm z-축 관통(z-axis penetration), 1 - 30 MHz의 동작 주파수에서의 100 nsec 펄스 에코 해상도를 제공할 수도 있다. 예를 들면, 몇개의 실시예들에서, 음향 조사(acoustic probing)는 수직 세포군체 위치를 계속적으로 측정하기 위해 펄스-에코 타이밍(pulse-echo timing)과 함께 사용될 수 있다.

다양한 실시예들에 따른 전자 시험판에 적합한 광 검출기는 상기 후판 상에 그리고 테스트 웰의 바닥에 배열된 적어도 하나의 박막 PIN 다이오우드를 포함한다. 몇개의 실시예들에서, 다수의 박막 PIN 다이오우드들은 픽셀 당, 예컨대, 배열상 약 4개로 배열된, 으로 사용될 수도 있다. 상기 광 검출기들은, 상기 시험판의 상면 또는 하면으로부터, 빛을 시험되는 물질을 통해 투사하도록 배열된 광원에 의해 발생된 빛을 감지하도록 구성된다. 상기 빛이 상기 테스트 웰을 통해 이동하면서, 상기 빛은 상기 테스트 웰 내의 물질들과 상호작용한다. 예를 들면, 상기 광원에 의해 방출된 빛은 상기 셀들 및/또는 조직 구조들에 의해 흡수, 분산 및/또는 반사될 수도 있다. 상기 테스트 웰에서 상기 물질들과 상호작용한 빛은 상기 광 검출기들에 의해 감지되며 셀 흡광도(cell optical density)를 결정하는데 사용될 수 있고, 이로부터 세포 수가 결정될 수 있다. 부가적으로, 상기 광센서의 신호는 제1 시간에서 검출된 빛을 나중의 시간인 제2 시간에서 검출된 빛과 비교함으로써 측면 셀 운동성(lateral cell motility)을 결정하는데 사용될 수도 있다. 몇개의 실시예들에서, 다른 센서 감도들은 다른 조명원들을 사용하여 가능하지만, 상기 박막 PIN 다이오우드 검출기들은 약 3000 포톤들(photons)의 치수, 10⁴ 내지 약 10⁸ 포톤들(p hotons)의 범위, 의 감도를 가질 수도 있다. 몇개의 실시예들에서, 상기 검출기들은 약 100μsec보다 작은 응답시간을 가질 수도 있다.

몇개의 실시예들에서, 1개 이상의 산소 센서들은 테스트 웰과 연관될 수도 있다. 이것은 그들의 환경들에서 혈중 산소 감소의 암세포들(hypoxic cancer cell s) 또는 저산소증(hypoxia)을 식별하기 위해 사용될 수도 있다. 저산소증 및 산(酸) 상태들은 증가된 돌연변이, 염색체 불안정(chromosal instability), 자발적인 변환(spontaneous transformation), 세포 소멸(細胞消滅)에 대한 저항력(resist an ce to apoptosis), 및 세포들의 증가된 침투 및 전이와 연관되어 있다. 도 2C는 1개의 테스트 웰과 연관될 수도 있는 9개의 픽셀들(281-289)의 상면도이다. 픽셀들(281-288)은 이미 설명된 4개의 서브픽셀들을 갖는 도 2A에 예시된 픽셀(200)과 유사하다. 픽셀(289)은 도 2D의 평면도에서 그리고 횡단면에서 픽셀들(288, 289, 및 284)을 도시하는 도면인 도 2E에 보다 자세히 예시되는 용존(溶存) 산소 센서 (dissolved oxygen sensor)(252)를 포함한다. 몇개의 실시예들에서, 상기 산소 센서(289)는 나피온(Nafion)과 같은 양성자 교환막(proton exchange membrane)에 근거할 수도 있다. 나피온(Nafion)은 반투성이며 양성자들(H+)을 전도시키도록 고안된 양성자 교환막(또한 고분자 전해질막(polymer electrolyte membrane)이라 불리움)의 형태이다. 나피온(Nafion)은 박막 형태로 듀퐁(Dupont)으로부터 상업적으로 이용 가능하다. 테스트 웰들에서 산소 센서로서 실시될 때, 나피온(Nafion), 또는 다른 형태의 고체 전해질(253)은 상기 웰에서의 전극들(266 - 268)에 코우팅 또는 가열 밀봉되며, 산소 투과막(252)(예컨대, PTFE)은 고체 전해질(253)의 상단에 코우팅된다. 상기 산소 센서의 전극들은 기준 전극(266), 작업 전극(267), 및 상대 전극(counter electrode)(268)을 포함한다. 세포 배양 매트릭스에서의 용존(溶存) 산소 O2는 산소 투과막(252)을 통해 고체 전해질(253), 예컨대, 나피온(Nafion)으로 침투하며, O2는 환원반응(즉, O2 + 4H+ + 4e- --> 2H2O)을 한다. 이 환원반응 전류는 작업 전극(267) 및 상대 전극들(counter electrodes)(268)에 의해 측정되며 상기 기준 전극(266) 및 상기 작업 전극(267) 사이의 전압은 또한 측정된다.

도 2F는 동일한 테스트 웰들(270b, 270c, 및 270d)과 함께 도 2B의 테스트 웰(270a)을 포함하는 전자 시험판(290)의 일부의 상면도이다. 상기 후판(295)은 동일한 센서 픽셀들(200a - 200i)의 반복 패턴을 포함한다. 각각의 센서 픽셀(200a - 200i)은 예컨대 4개의 서브픽셀 센서들을 포함할 수도 있다. 이 예에서, 각각의 테스트 웰(270a - 270d)은 9개의 센서 픽셀들 및 36개의 센서 서브픽셀들을 포함한다. 이러한 구성은 예시용으로 제공되며 더욱 많은 또는 더욱 적은 픽셀들 및 서브픽셀들과 연관된 더욱 많은 또는 더욱 적은 테스트 웰들을 갖는 전자 시험판들이 가능함이 이해될 것이다.

도 2F에 예시된 바와 같이, 상기 시험판은 테스트 웰 피치, P_well1, 을 갖고, 이것은 테스트 웰들 사이의 중심 사이의 거리(center-to-center distance)이다. 상기 후판은 픽셀 피치, P_pixel, 를 가지며, 이것은 픽셀들 사이의 중심 사이의 거리이다. 도 2F-도 2H에 도시된 바와 같이, 상기 시험판 상의 테스트 웰들의 피치는 상기 후판의 센서 픽셀들의 피치와 다르거나 유사할 수도 있다. 도 2F는 테스트 웰 피치, P_well1, 보다 더욱 작은 픽셀 피치, P_pixel, 를 갖는 후판의 상면도를 예시하고, 각각의 테스트 웰은 9개의 센서 픽셀들을 포함한다. 도 2G는 P_well1, 보다는 더 작고, 후판 피치, P_pixel, 보다는 더 큰 테스트 웰 피치, P_well2, 를 갖는 시험판을 갖는 동일한 후판의 상면도이며, 각각의 테스트 웰은 4개의 센서들을 포함한다. 도 2H는 테스트 웰 피치, P_well3, 와 같은 픽셀 피치, P_pixel, 를 갖는 동일한 후판을 예시하며, 각각의 테스트 웰은 1개의 센서 픽셀을 포함한다. 전자 시험판은 전체 시험판에 걸쳐 일정한 픽셀 피치 또는 일정한 테스트 웰 피치를 가질 필요는 없음이 이해될 것이다. 몇개의 실시예들에서, 전자 시험판은 다수의 다른 픽셀 피치들을 갖도록 배열된 센서 픽셀들을 포함하는 후판을 포함할 수 있고 상기 시험판 상의 테스트 웰들은 또한 다수의 다른 테스트 웰 피치들을 포함할 수 있다. 상기 테스트 웰 폭 치수는 동일한 TFT 후판을 사용하면서도 전통적인 큰 웰들(예컨대 5 mm)로부터 수백 미크롱(microns)의 웰 폭 치수들로 변할 수 있다. 예를 들면, 더욱 큰 웰들, 예컨대, 300μm 피치 폴리센싱 픽셀들을 갖는 5 mm 직경 웰들, 은 더욱 작은 웰들, 예컨대, 300μm 피치 폴리센싱 픽셀들을 갖는 400μm 직경 웰들을 사용할 때의 웰들 당 픽셀들의 수와 비교할 때 웰 당 더욱 많은 수의 폴리센싱 픽셀들을 초래한다.

몇개의 실시예들에서, 테스트 웰 구조들은 TFT 후판 상에 직접, 예컨대, 패터닝된 플라스틱들을 사용하여, 단일 전자 시험판을 형성하여, 제조될 수 있다. 몇개의 실시예들에서, 상기 시험판 및 후판은 상기 시험판이 상기 TFT 후판에 접착된 후 개별적인 구조들로서 제조될 수 있다.

도 3A-도 3D는 다른 웰 크기들 및 물질들을 사용하여 제조된 전자 시험판 원형(原型)들의 사진들이다. 도 3A는 TFT 후판 상에 90μm 폴리센싱 픽셀 회로들을 제조하는 능력을 예시한다. 도 3B는 높은 종횡비(high aspect ratio) 웰들의 제조를 위한 SU-8 포토레지스트의 사용을 예시한다. 도 3C는 제조된 10μm 실리콘 마이크로웰들의 사진이다. 도 3D는 핸드 피페팅(hand pipetting)을 통한 3D 라미닌 풍부 젤들로 용이하게 로우딩 가능한, 그리고 3D 임베드이드 컬쳐(embedded culture)의 8일까지 생존 세포들을 유지한, 5 mm 히드로겔 테스트 웰들의 사진이다. 몇개의 구성들에서 유리 및/또는 사출 성형 플라스틱(injection molded plastic)은 상기 테스트 웰들을 형성하기 위해 실리콘 대신 사용될 수도 있고, 상기 유리 또는 플라스틱은 셀벽들의 향상된 안정성을 제공한다.

상기 테스트 웰들에 로우딩되는 젤 및 셀은 금(Au) 영역들(상부 및 측벽들)을 PEG-티올들(thiols)과 같은 생체에 적합한 코우팅막들로 피페팅(pipetting) 또는 부동화(passivating)하고 웰들의 바닥을 라미닌 풍부 젤들로 활성화(activatin g)함으로써(세포 용액으로의 노출 이전에 4°C 에서의 젤 용액으로의 침지(dippi ng) 및 37°C 에서의 스핀 코우팅(spin coating)을 통해) 성취될 수 있다. 몇개의 실시예들에서 상기 젤은 중합을 통해 웰들 내부에서 원 위치에서 형성될 수 있다. 젤, 셀, 또는 세포배양배지(細胞培養培地)(cell culture media)의 선택적인 전달은 광학 현미경에 의해 평가될 수 있다.

도 3E 및 도 3F는 얇은 금 코우팅된 유리 슬라이드들 및 실리콘 위의 MDA-MB-231 세포들의 예시적인 3D 배양들을 도시하며, 각각 금(金) 상의 성상구조(星狀構造)의 더 높은 성장 및 형성을 나타낸다.

도 4A는 예시적인 TFT 서브픽셀 감지회로들 및 임피던스 센서, pH 센서, 광센서 및 음향센서들로부터 센서신호들을 제공하기 위해 실시될 수 있는 센서 선택회로에 대한 도식적인 그림이다. 이 예에서, 상기 폴리센싱 픽셀용의 예시적인 센서 선택회로는 5개의 문의 기능들(interrogation functions)을 갖는다: 수직 전기 임피던스, 수평 전기 임피던스, 국부적인 pH 감지, 광강도(optical intensity), 및 음향 반응(acoustic response).

수직 전기적인 임피던스를 얻기 위해서, Row_Imp_Select1 또는 Row_Imp_Sel ect2 가 예컨대, 오프 상태(off state)로부터 이러한 라인들 상의 전압을 턴-온 전압(turn-on voltage)으로 상승시킴으로써 선택될 수 있다(예컨대, 상기 오프 상태는 약 5V이며 상기 턴-온 전압은 약 +15V일 수도 있다). 이러한 라인들 상의 전압을 상승시키는 것은 트랜지스터들 M4 또는 M6를 온시킨다. 맞물린 전극들 중 하나는 M1 또는 M2 및 칼럼 소스라인들(column source lines) I_Source+ 또는 I_Sourc e- 을 통해 외부 전류원에 전기적으로 연결된다. 전류는 상기 전극, 문의 셀(inter rogating cell) 및 공통 전극면(예컨대, 도 2B에 도시된 금 접촉층(280))을 통해 흐른다. 감지전극의 전압은 표본화되며 판독 소스 팔로워(readout source followe r) TFT (M3 또는 M5)에 의해 버퍼링되고 신호는 데이터 라인(Data_Imp1 또는 Data _Imp2)상에 나타날 것이다. I_source+ 및 I_source- 는 크기 및 주파수 스위핑 기능(sweeping function)을 제공하기 위해 외부 함수 발생기(external function gene rator)에 의해 제어될 수 있다. 전극 전위가 소스 팔로워(M3 또는 M5)에 의해 버퍼링되고 증폭되기 때문에, 이웃 픽셀들간의 신호 저하(signal degradation) 및 혼선(cross talk)이 작을 수 있고, 예컨대, 무시할만한 양으로 감소될 수도 있다. 로크-인 증폭기(Lock-in amplifier)는 또한 추가로 잡음 및 간섭을 감소하고, 감도를 개선시키기 위해 여기(excitation)(I_Source) 및 판독(Data_Imp) 을 위해 사용될 수 있다.

수평 임피던스(lateral impedance)를 얻기 위해, Row_Imp_Select1 및 Row _Imp_Select2는 동시에 온되며, 이것은 트랜지스터들(M4 및 M6)을 온시킨다. 여기전류(Excitation current)가 그 다음으로 TFT(M1)을 통해 전극, 셀, 전극, TFT (M2) 그리고 그 다음으로 I_source-로 흐를 것이다. 2개의 문의전극들간의 전압차는 M5 및 M3에 의해 버퍼링되고, 트랜지스터들(M4 및 M6)을 통해 판독된다. 상기 수평 임피던스(lateral impedance) 신호는 데이터 라인들(Data_Imp1 및 Data_Im p2) 상에 나타날 것이다.

국부적인 pH 값은 용액에서의 H⁺ 의 농도와 같은, 이온 농도를 측정하는 이온 감도성 전계효과 박막 트랜지스터(ion sensitive field effect thin film trans istor)(pH TFT)에 의해 감지될 수 있다. 상기 트랜지스터를 통해 흐르는 전류는 이온 농도의 함수로서 변한다. Data_pH 라인 상의 pH 신호를 판독하기 위해, TFT (M8)는 Row_pH_light_Select 에 의해 온될 것이며, 다른 Row selects 는 오프로 유지된다.

집적된 감도성 다이오우드(D1)는 웰 불투명도(well opacity)를 감시하기 위해 사용될 수 있다. 웰 바닥에서의 광 레벨을 판독하기 위해, Row_pH_light_Sel ect line 은 TFT(M9)를 온시킬 것이며 광전류는 Data_light signal line에서 판독될 수 있다. 이러한 PIN 광센서들의 광감도(Light sensitivity)는 아주 양호할 수 있으며 외부 판독 증폭기들에 크게 의존한다. 통합 모드 하에서 동작하는 잘 구성된(well-engineered) 시스템에서, 몇천의 가시적인 광자들의 광감도가 입증될 수 있다.

음향 감지는 압전 센서(도 4A에서 Piezo라 표시된), 및 바이어스 전압, DBia s에 연결된 믹서 다이오우드(D2)를 사용하여 달성될 수 있다. 압전 전송기(도 2B의 요소들(261 및 262) 참조)는 구조들 및/또는 상기 테스트 웰에서의 다른 물질들과 상호작용하는 음향, 예컨대, 초음파, 펄스를 방출한다. 상기 펄스가 상기 구조들 및/또는 물질들을 통해 및/또는 주위로 이동하면서 상기 상호작용은 상기 펄스의 특성들을 약화 및/또는 그렇지 않으면 수정할 수도 있다. 상기 압전 센서는 상기 수정된 음향 펄스를 감지하며 전기적인 신호를 응답으로 발생시킨다.

데이터 습득 전에, 압전 변환기 및/또는 다른 곳에 존재하는 전하들은 작동 트랜지스터(M2)에 의해 없어진다. 그 다음으로, Rbias 파형의 DC 성분(Dbias)은 특정 범위의 게이트에서 다이오우드(D2)를 바이어스시키며, 상기 다이오우드(D2)의 비선형 특성은 믹서로서 기능한다. 이것은 Rbias 사인 곡선의 기준신호 또는 위상면에서 90도 만큼 그리고 직각 성분들만큼 편이된 기준신호에 의해 수신된 초음파 신호를 혼합한다. 혼합 후, 그 결과의 전류는 캐리어 주파수의 주기보다 더 긴, 정수 배수와 같은, 시간에 걸쳐 수신기 용량 상에 집적된다. 이 집적된 신호는 일정한 범위의 게이트에서의 환경의 반사율에 관한 정보를 포함하는 기저대역 수신신호의 실수 성분들 및 허수 성분들에 비례한다. Row_acoustic_select 가 작동될 때 이러한 위상(I) 및 직각(Q) 값들은 Data_acoustic line 상에서 판독(read off)될 수 있다.

상기 음향 센서는 전송된 음향신호의 주파수, 위상, 및/또는 크기를 스위핑(sweeping)하고 상기 음향 센서를 사용하여 그 결과의 음향파를 감지함으로써 물질의 음향 임피던스를 결정하는데 사용될 수도 있다. 몇개의 실시예들에서, 상기 전송된 음향신호의 비행시간(time-of-flight)은 결정될 수도 있다.

여기에 설명된 실시예들에 적용 가능한 음향 감지에 관한 부가적인 정보는 미국특허공보 20130235698에 제공되어 있다.

광 감지를 위해 사용된 입력 광원은 상기 테스트 웰들의 위 또는 아래에 배치될 수 있고 제어된 스펙트럼, 펄스 폭, 세기, 및/또는 콜리메이션(collimation)을 갖는 입력광을 제공할 수 있다. 도 4B 내지 도 4D는, 다른 구성들이 또한 가능하지만, 입력광을 공급하는데 사용될 수도 있는 소수의 구성들을 예시한다.

도 4B는 분석되는 물질(411, 412)을 포함하는 테스트 웰들(401, 402)을 포함하는 전자 시험판(400)의 일부를 도시하고 있다. 후판(420)은 테스트 웰들(401, 402)의 바닥을 따라 배열된다. 각각의 테스트 웰(411, 412)은 1개 이상의 광 방출장치들(431, 432), 예컨대, 상기 후판(420) 상에 배치된 광 다이오우드들, 및 1개 이상의 광 센서들(441, 442)과 연관되어 있다. 각각의 광 방출장치(431, 432)는 픽셀 또는 픽셀 그룹에 대한 광 감지를 제공하기 위해 상기 광 센서들(441, 442)의 선택과 동기적으로(in synchrony with) 센서 선택회로에 의해 에너지화될 수 있다. 예를 들면, 분석되는 실체(411)는 상기 광 방출장치(431)에 의해 방출된 입력광(451)의 적어도 일부를 반사시킬 수도 있다. 상기 광 센서들(441)은 반사된 광 (461)을 감지하며 전기적인 신호를 응답으로 발생시킨다.

몇개의 실시예들에서 광 감지를 위한 상기 입력 광원은 상기 테스트 웰들 위 또는 아래로부터 입력광을 제공하는 상기 후판으로부터 분리된 소스를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 몇개의 구성들에서, 상기 입력 광원은 도 4C 및 도 4D에 도시된 바와 같이 상기 테스트 웰들 위에 위치될 수도 있다. 상기 입력 광원은 픽셀화된 광(도 4C에 예시된) 또는 픽셀화되지 않은 광(도 4D에 예시된)을 제공할 수도 있다. 도 4C는 전자 시험판(450)의 테스트 웰들(408, 409) 위에 배치된 입력 광원(405)을 도시하고 있다. 이 예에서, 상기 광원(405)은 각각의 웰(408, 409)로 입력광을 개별적으로 제공하기 위해 개별적으로 온 및 오프될 수 있는 배열광 방출장치들(407, 408)을 사용하여 픽셀화된 광을 제공한다. 분석되는 실체(411)는 입력광 (455)의 일부를 블록(흡수 및/또는 반사)할 수도 있다. 상기 광 방출장치(407)에 의해 방출된 광(455)의 적어도 일부는 전송된 광(465)을 감지하고 전기적인 신호를 응답으로 발생시키는 광 센서들(441)에 전송된다. 몇개의 실시예들에서, 상기 픽셀화된 광원은 디지털 투광기(DLP) 또는 영사기(projector) 및 거울이 빛을 상기 영사기로부터 특정 테스트 웰 또는 테스트 웰들의 그룹으로 반사시키는 거울 결합을 사용하여 성취될 수도 있다. 상기 거울은 상기 테스트 웰들에 대한 입력광을 제공하기 위해 x 및/또는 y 방향들을 따라 상기 거울을 이동시키도록 구성된 이동구조에 부착될 수 있다.

도 4D에 도시된 바와 같이, 몇개의 실시예들에서, 입력광은 1개 이상의 광 방출장치들(417) 및 도파관 또는 광 파이프(416)를 포함하는 광원(415)에 의해 전자 시험판에 제공될 수도 있다. 도 4D의 예에서, 상기 입력 광원(415)은 상기 테스트 웰들(403, 404) 위에 위치된다. 상기 광 방출장치(417)는 상기 도파관(416)의 1개 이상의 입력 에지들에서 상기 도파관(416)에 광(光)적으로 결합된다. 상기 광 방출장치(417)에 의해 방출된 빛(419)은 전(全)반사(total internal reflection, TIR)에 의해 상기 도파관(416)을 따라 이동한다. 선택적으로, 상기 도파관(416)은 웨지(wedge) 형태일 수도 있거나 상기 입력광(457)을 상기 테스트 웰들(403, 404) 쪽으로 추출하는 추출 성분들(418)을 포함할 수도 있다. 선택적으로, 1개 이상의 광막들(optical films)은 입력을 조준(collimate)하거나 그렇지 않으면 상기 입력광의 각을 변화시키기 위해 상기 도파관 상에 배치될 수도 있다. 상기 입력광(457)의 적어도 일부는 상기 전송된 광(467)을 감지하고 전기적인 신호를 응답으로 발생시키는 광 센서들(441)에 전송된다. 도 4D는 상기 테스트 웰들 위에 배치된 도파관을 도시하고 있지만, 선택적인 구성들에서, 상기 도파관 및 광 방출장치들은 상기 테스트 웰들의 아래, 예컨대, 상기 후판 상에 배치될 수도 있다.

도 5A는 몇개의 실시예들에 따른 전자 시험판(500)의 블록도이다. 상기 전자 시험판(500)은 테스트 웰들(511)을 포함하는 시험판(510)을 포함한다. 상기 전자 시험판(500)은 또한 다수의 센서들(521)이 각각의 테스트 웰(511)과 연관되도록 상기 테스트 웰들(511)에 대해 배열된 센서들(521)을 포함하는 후판(520)을 포함한다. 상기 후판은, 예컨대, TFT 스위치들을 포함하며, 평행한 데이터 출력들 상에서 선택된 센서들로부터 신호들을 제공하는 센서 선택회로(522)를 포함한다. 상기 센서 선택회로는 로우(row) 및 칼럼(column) 선택라인들에 의해 제어될 수 있고 다수의 센서 신호들로의 동시적인 액세스를 병렬로 제공할 수도 있다.

도 5B는 도 5A의 시험판(500)과 몇가지의 점들에서 유사한 전자 시험판(501)의 블록도이다. 시험판(501)의 후판(530)은 부가적인 선택적 특징들을 포함한다. 상기 전자 시험판(501)은 부가적으로 선택된 센서들의 센서신호들을 수신하도록 구성된 판독회로(523)를 포함한다. 상기 판독회로(523)는 선택적으로 상기 센서신호들을 처리하도록 구성된 신호 처리회로(550), 예컨대, 필터들, 증폭기들, 등을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 상기 신호 처리회로는 상기 센서신호들의 신호대 잡음비(SNR)를 향상시키기 위해 구성된 1개 이상의 차동 증폭기(差動增幅器)들을 포함할 수도 있다. 몇개의 실시예들에서, 상기 판독회로는 아날로그 센서신호들을 디지털 센서신호들로 변환하기 위해 구성된 아날로그 디지털 변환기(ADC)(524)를 포함할 수도 있다. 선택적으로, 상기 판독회로(523)는 디지털 센서신호들을 메모리 버퍼(525)에 일시적으로 저장할 수도 있다. 몇개의 실시예들에서, 상기 후판(530)은 예컨대, 호스트 프로세서로부터 수신된 명령들에 따라, 상기 로우(row) 및 칼럼 (column) 선택라인들을 발생시키는 선택 제어회로(526)를 포함한다. 상기 전자 시험판(501)은 호스트 프로세서로부터 명령들을 수신하고/수신하거나 상기 디지털 센서신호들을 상기 호스트 프로세서로 전송하도록 구성된 통신회로(527)를 포함한다. 예를 들면, 상기 호스로부터의 명령들은 어느 센서들이 액세스되어야 하는지 및/또는 액세스의 주파수에 관한 지시들을 포함할 수도 있고; 이러한 그리고 다른 매개변수가 예컨대 상기 호스트 프로세서상에서 실행되는 사용자 인터페이스를 통해 사용자에 의해 선택될 수도 있다. 상기 통신회로(527) 및 상기 호스트 프로세서는 범용직렬버스, IEEE 1394, ISO/IEEE 11073 와 같은 표준 통신 프로토콜 또는 다른 통신 프로토콜을 통해 명령들 및/또는 데이터를 통신하도록 구성될 수 있다.

몇개의 실시예들에서 위에 설명된 1개의 이상의 전자 시험판들(610)은 도 6의 블록도에 도시된 시험 시스템(600)에 포함될 수 있다. 상기 시험 시스템(600)은 물질들을 상기 전자 시험판들(610)의 테스트 웰들로 제공하고/제공하거나 물질들을 상기 전자 시험판들(610)의 테스트 웰들로부터 회수하도록 구성된 유체역학 서브 시스템(620)을 포함한다. 몇개의 구성들에서, 상기 유체역학 서브 시스템은 프린터, 및/또는 분석되는 실체들을 상기 테스트 웰들에 위치시키도록 구성된 다른 장치를 포함할 수도 있다. 몇개의 실시예들에서, 상기 유체역학 서브 시스템은 컨트롤러, 예컨대, 호스트 프로세서, 의 명령 하에 물질들을 상기 테스트 웰들에 자동으로 제공하고/제공하거나 물질들을 상기 테스트 웰들로부터 회수하도록 구성된 피페터 장치(pipettor apparatus)를 포함할 수도 있다.

상기 유체역학 서브 시스템은 침지 코우팅(dip coating)을 통해 상기 웰들로의 시약들의 로우딩을 안내하도록 구성되는 상기 시험판 상의 기능막을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 상기 테스트 웰들로의 젤 및 셀의 로우딩은 금(Au) 영역들(상부 및 측벽들)을 PEG-티올들(thiols)로 부동화(passivating)함으로써 달성될 수 있다. 선택적으로 또는 부가적으로, 상기 유체역학 서브 시스템은 분석되는 물질의 상기 웰들로의 부착을 제공하도록 구성되는 시험판의 화학적 또는 물리적인 표면 수정을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 상기 표면 수정은 웰들의 바닥을 라미닌 풍부 젤들로 활성화시키는 것을 포함할 수도 있다(세포액으로의 노출 이전에 500μm의 젤층을 제공하기 위해 4°C에서 젤 용액으로의 침지, 진공 하에서의 스핀 코우팅, 37°C 에서의 가열을 통해). 셀들은 4°C에서 액상 젤로 떠 있은 다음 젤 코우팅된 웰들에 뿌려진다(seeded). 상기 젤이 고형화되도록 허용된 후, 미디어(media)가 첨가되며 셀들은 부착 가능하도록 된다. 비부착성 셀들은 배양의 48시간 이전에 세척된다. 젤들, 셀들, 세포배양배지(細胞培養培地)(cell culture media) 및/또는 화학유인물질들 및 라벨들의 선택적인 전달은 광학 현미경에 의해 측정될 수 있다.

몇개의 구성들에서, 상기 시험판에 대한 표면 분자공학은 시험판 기판을 70-80°C 에서 피라나 용액(piranha solution)(히드로겐 과산화물/황산 2:5 v/v) 으로 또는 실내온도에서 나노스트립(Nanostrip) 2X (Cyantek, Fremont, CA) 으로 반응시키고, 질소 하에서 건조시켜, 유기성 잔재물(예컨대, 금)이 없는 깨끗한 표면 및 실리콘 상의 거의 10도의 접촉각을 갖는 히드록실층(hydroxyl layer)을 초래하는 것을 포함할 수 있다. 상기 금은 처음에 자가조립 단일층(self-assembled mon olayer, SAM)을 생성하기 위해 16시간 동안 11-MUA 및 3-MPA (1:10 v/v)의 알칸 티올들(alkane thiols)의 20mM 혼합물로 수정된 다음, 30분 동안 30mM NHS 및 150mM EDAC 에스테르(esters)의 혼합물에 노출될 수도 있다. 금(金) 상의 NHS를 갖는 기판은 15분 동안 70% 에탄올로 살균될 수도 있으며, 그 다음으로 45분 동안 실내온도에서 0.1 mg/ml의 농도를 갖는 인산염 완충용액(phosphate buffer solution, PBS)에서 파이브로넥틴(fibronectin)에 노출될 수도 있다. 상기 표면 수정의 각 단계 후에 상기 표면으로부터 느슨하게 결합된 부분을 제거하기 위해, 상기 기판은 그 원래의 용액(solvent) 및 탈염수(deionized water, DI)로 각각 헹구어질 수 있다. 결과적으로, 고정된 파이브로넥틴(immobilized fibronectin)은 금(金) 상의 생체에 적합한 탄탄한 세포 부착층(robust cell-adhesive biocompatible layer)을 형성한다.

몇개의 구성들에서, 표면 수정은 비트로넥틴(vitronectin), 라미닌, 및 클러스터 데직네이션(cluster designation)(44)(CD44) 단백질 또는 변형 펩타이드(pep tide mimetics) 뿐만 아니라, 글리칸(glycan), 글리코사미노글리칸(glycosam inog lycan), 및 지방과 같은 움직이는 생체 분자들 때문에 셀 부착을 증진하는 막들의 화학적인 형성을 통해 일정한 영역에서의 셀 부착 및 셀 이식(seeding cells)을 개선시키기 위해 각각의 웰 상에서 수행된다. 센서 표면들은 생화학적으로 세포밖의 조직 성분들로 기능화되거나 목적된 방식으로 세포 기능에 영향을 끼치는 표면 토포그래피(surface topography)를 발생시키기 위해 물리적으로 변경될 수 있다. 예를 들어, 3D 젤들은 암세포들의 풀(pool)에서 급속히 퍼지는 세포 특정 생물형군(i nvasive cell subpopulation)을 풍부하게 하므로 센서신호들에 영향을 끼치는 히알루로난 분자들(Hyaluronan molecules)로부터 제조될 수 있다. 나노 물질들(Nanoma terials)[예컨대, 나노-선들(nano-wires), 나노입자들, 나노튜브들(nanotubes), 생물학적으로 목적된 부위들을 갖는 또는 갖지 않는 나노로드들(nanorods)]은 젤 부착력, 세포 기능, 기계적인 스캐폴딩(mechanical scaffolding), 및 신호대 잡음비와 같은 다수의 매개변수들을 개선하기 위해 상기 시험판의 표면 상에서 및/또는 3D 젤들에서 사용될 수 있다.

몇개의 실시예들에서, 하이브리드 매트릭스들(hybrid matrices)이 형성될 수도 있다. 이러한 하이브리드 매트릭스들은 나노물질들 및 열 반응성(thermorespon sive) 3D 젤들 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다. 상기 매트릭스 성분들은 일정한 비율로 미리 혼합될 수 있고 피펫(pipette), 채널 또는 프린터 노즐에 의해 각각의 웰로 전달된다. 선택적으로, 상기 매트릭스 성분들은 다른 노즐들을 통해 전달될 수 있고 각각의 웰에서 혼합된다. 상기 유체역학 서브 시스템은 각각의 셀 형태에 대한 매트릭스들의 특성들을 변경 및 조정하는 능력을 제공하기 위해 배열될 수도 있다. 몇개의 시나리오들에서, 기계적으로 튼튼한 금속입자들 또는 로드들(ro ds)은 다른 셀 형태들에 따른 매트릭스의 속성을 조정하기 위해 부가될 수도 있다. 몇개의 시나리오들에서, 상기 젤은 다른 성질들을 유도하기 위해 나노물질들로 미리 혼합될 수도 있다.

몇개의 실시예들에서, 1개 이상의 전자 시험판들 및/또는 상기 유체역학 서브 시스템은 호스트 프로세서(630)와 인터페이스할 수도 있다. 몇개의 구성들에서, 상기 호스트 프로세서(630)는 상기 테스트 웰들로의 물질들의 제공 및/또는 상기 테스트 웰들로부터의 물질들의 회수뿐만 아니라 감지된 물질 특성들의 형태 및/또는 감지의 주파수를 제어할 수 있다. 몇개의 구성들에서, 상기 호스트 프로세서는 상기 센서신호들을 분석하고 프로세서 출력, 예컨대, 인쇄되거나 표시장치상에 표시될 수 있는 보고서로서 형식화된, 을 제공하도록 구성될 수 있다. 상기 호스트 프로세서는 2개 이상의 감지된 신호들을 함께 분석할 수도 있고/있거나 다른 하나의 감지된 신호를 분석하기 위해 1개의 감지된 신호로부터 정보를 사용할 수도 있다.

몇개의 시나리오들에서, 상기 전자 시험판은 상기 센서신호들의 제어 및/또는 분석 중 일부 또는 모든 것을 제공하도록 구성된 전자회로, 예컨대, 프로세서, 를 포함할 수도 있다. 다른 실시예들에서, 상기 전자 시험판은 센서신호들을, 예컨대, 아날로그나 디지털 형태로, 수행되는 분석을 위해 외부 프로세서에 전달할 수도 있다. 상기 전자 시험판은 데이터, 제어신호들, 및/또는 다른 정보를 상기 호스트 프로세서로/상기 호스트 프로세서로부터 전송하기 위해 유선 또는 무선 통신회로를 포함하도록 구성될 수도 있다.

상기 프로세서에 의한 상기 센서신호들의 분석은 분석되는 물질의 1개 이상의 특성들을 포함하는 출력을 출력할 수도 있다. 상기 물질의 비제한 세트의 특성들은 수평 및 수직 임피던스, 광 스펙트럼, 표현형 특징(phenotypic signature), 화학적 특징(chemical signature), 기능적 특징(functional signature), 음향적 특징(acoustic signature), 기계적 특징(mechanical signature), 발생된 산소, 셀 부착 및 확산, 세포 증식, 세포신호 변환(cellular signal transduction), 유독성, 세포 전기 천공법(穿孔法)(cellular electroporation), 셀 위치(cell location), 세포 수, 세포 생존율(cell viability), 세포 강성도(cell stiffness), 매트릭스(젤) 강성도, 세포 밖의 pH, 운동성, 및 물질의 수평 및/또는 수직 이동, 치료법에 대한 반응(response to therapeutics), 환경적인 도전에 대한 반응(response to en vironmental challenges), 및/또는 분석되는 세포 골격(cell cytoskeleton)에 의해 행해진 행동들을 포함한다.

상기 프로세서에 의한 센서신호들의 분석 및 MatLab(급속 프로토타이핑 언어(rapid prototyping language)로서)와 같은 데이터 분석 소프트웨어, 주요 성분 분석(고전적인 데이터 분석방법으로서), 그룹들[예컨대, 세포군(細胞群)(cell popu lations)]간의 차이들의 중요성을 시험하기 위한 ANOVA, 및 설명 변수(說明變數)들(시간, 온도, 등)의 함수로서의 응답 변수(예컨대, 임피던스)를 예측하기 위한 선형 회귀는 분석되는 물질의 1개 이상의 특성들을 포함하는 출력을 출력할 수도 있고, 분석되는 물질의 2개 이상의 특성들의 합과 같지 않은 새로운 다봉형(多峰型) 특징들의 포착을 가능하게 할 수도 있다. 테스트 웰들의 수 또는 연속적인 감시의 시간이 최대화되는 몇개의 실시예들에서, 데이터의 많은 처리량 분석은 새로운 패턴들 및 특징들(signatures)의 식별을 가능하게 할 수도 있다.

센서신호들의 분석은 암세포 군체(細胞群體)의 계층화를 침습성(侵襲性)(inv asiveness), 구조, 및 성장에 의해 가능하게 할 수도 있고, 정상상태로부터 전이성 암 질병으로의 진전의 특징들을 제공하거나, 폴리센서(polysensor) 측정들의 패널(panel)로부터 물질 특성들을 예측할 수도 있다. 몇개의 실시예들에서, 상기 테스트 웰들 중 일부 또는 모든 것은 약들 또는 독극물들(예컨대, 환경적, 화학적, 또는 생물학적)과 같은 분석제들에 노출되며 상기 분석제들에 대한 세포 반응들은 연속적으로 및/또는 병렬로 측정된다.

몇개의 실시예들에서, 센서신호들의 분석은 물질의 광 스펙트럼을 결정하는 것을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 세포들 또는 조직 성분들은 적색, 녹색, 및 청색과 같은, 몇개의 파장들을 통해 상기 테스트 웰들 쪽으로 향해진 입력 광원을 스위칭하고, 광적 반응을 측정함으로써 광(光)적으로 특징지워질 수도 있다. 예를 들면, 분석되어지는 물질에 의해 반사된 또는 상기 물질을 통해 전송된 빛의 세기는 상기 테스트 웰들과 연관된 광 센서들(예컨대, PIN 광 다이오우드들)을 사용하여 입력 파장들의 스펙트럼에 걸쳐 측정될 수도 있다. 상기 전자 시험판의 상기 입력 광원 및 광 센서들은 부가적으로 또는 선택적으로 상기 물질에 의한 상기 입력 광원으로부터의 빛의 흡수, 전송 및/또는 반사에 근거하여 상기 셀들의 위치, 이동 및/또는 형태를 측정하는데 사용될 수 있다. 위치 및/또는 에지 알고리즘과 같은 이미지 분석 도구들은 상기 웰들 내의 셀들의 위치를 결정하기 위해 포토다이오우드 배열들에서의 포토다이오우드들의 출력들에 적용될 수 있다.

테스트 웰과 연관된 1개 이상의 광 센서들로부터의 신호들을 분석함으로써, 셀 이동 및/또는 형태는 분석되는 물질에 의해 흡수 및/또는 반사된 입력광의 양에 근거하여 결정될 수도 있다. 부가적으로 또는 선택적으로, 셀 이동 및/또는 형태는 물질의 음향적 특성에 근거하여 결정될 수도 있다. 시험되는 물질의 음향 응답은 셀 이동 및/또는 셀 또는 조직 형태에서의 변화들에 따라 변한다. 상기 음향 응답은 반사 세기(reflected strength), 상기 음향신호의 주파수 및/또는 위상을 포함할 수도 있고 강도, 질량, 및 셀들의 분포와 같은 측정되는 물질의 기계적인 특성들을 추정하는데 사용될 수 있다.

셀 이동 및/또는 셀 형태에서의 변화들은 부가적으로 또는 선택적으로 임피던스 감지에 근거하여 검출될 수 있다. 몇개의 실시예들에서, 다수의 센서들이 셀 이동을 검출하기 위해 사용될 수도 있다. 예를 들면, 음향, 임피던스, 및/또는 상기 물질의 광적 특성은 셀 이동 및/또는 형상적 변화들을 결정하기 위해 알려진 또는 이미 얻어진 1개 이상의 특징들과 비교될 수도 있다. 부가적으로 또는 선택적으로, 현미경 이미징은 또한 셀 이동 및 형태를 측정 또는 확인하기 위해 사용될 수도 있다.

예컨대, 세포 생존율은 상기 물질의 임피던스, 형태 및/또는 음향 특징들에 근거하여 결정될 수도 있다. 세포의 죽음에 의해, 셀 임피던스, 형태, 및 음향 특징들에서의 변화들은 변한다. 생존 가능한 세포들의 알려진 특징들은 어느 세포들이 생존하여 남아 있는지의 여부 또는 그 범위를 결정하기 위해 후속적으로 취해진 특징들과 비교될 수도 있다.

몇개의 실시예들에서, 상기 시험판의 화학 센서들은 부가 적으로 또는 선택적으로 세포 생존율을 결정하는데 사용될 수도 있다. 세포들의 pH가 정상으로부터 7 아래로 떨어질 때 세포 죽음이 표시될 수도 있다. 부가적으로 또는 선택적으로, 세포 생존율은 세포막들을 위태롭게 했거나 손상시킨 살아 있는/죽은 생존율/세포 독성 세포-불투과성 얼룩들(LIVE/DEAD Viability/Cytotoxicity cell-impermeant st ains)과 함께 현미경을 사용하여 결정 또는 확인될 수도 있다.

운동성 세포들의 기계적 성질들 및/또는 형태는 세포들의 성질들 및/또는 형태와 구분되며 이러한 변화들은 시험되는 물질의 음향 응답을 분석함으로써 검출될 수 있다. 음향 센서의 사용은 세포군체 위치 및 세포들의 종방향 및 횡방향 이동의 종방향 및 횡방향 측정을 가능하게 한다. 음향 센서들의 병렬 사용은 세포성 기계적 특성들, 군체들의 수직 및 수평 위치, 및 높은 처리량에서의 세포들의 수직 및 수평 이동의 측정들을 가능하게 한다.

상기 프로세서는 단지 1가지 점에서만 다른 이웃의 웰들로부터의 신호들을 비교하도록 구성될 수 있다. 상기 분석은 공통 모드 잡음 거절의 고레벨들을 가능하게 하는 차별적인 정보를 제공할 수 있다. 예를 들면, 다양한 인터페이스들로부터의 음향적인 반향(反響)들은 그 내용물들이 셀들의 존재 또는 비존재에서만 다른 웰들로부터 유도된 신호들로부터 정확하게 추출될 수 있다. 벽들, 등으로부터의 반사들은 일반적으로 2개의 웰들에 공통적일 것이며 빼어질 수 있다. 유사한 방식으로 다른 시간들에서 취해진 동일한 웰로부터의 신호들은 시간-변화 특징들만을 제공하기 위해 서로 빼어질 수 있다.

몇개의 실시예들은 아주 많은 수의 폴리센싱 픽셀들을 활용하기 위해 더욱 큰, 예컨대, 5 mm 직경, 테스트 웰들의 사용을 포함한다. 큰 직경의 웰들 및 다수의 픽셀들의 사용은 셀 위치, 생존율 및/또는 다른 특성들을 추출하기 위해 더욱 많은 특징을 제공한다. 셀 위치, 생존율 및/또는 다른 특성들은 알려진 초기 카운트들(counts), 예컨대, 20K, 10K, 및 5K 웰들, 및 알려진 생존율, 예컨대, 웰 당 >85%, 하에서 측정될 수도 있다. 수평 및 수직 이동 둘다 모두는 광학적, 음향적, 및 전기적 임피던스 측정들로부터의 데이터의 합성을 통해 24시간의 배양 후에 고정된 거리에 걸쳐 측정될 수도 있다. 운동지수(motility index)는 광학 현미경 측정들과의 상관관계를 통해 확인 또는 개선된 이러한 측정들로부터 결정될 수 있다.

표현형 특징(Phenotypic signature)은 세포의 특정 형태 및 기능의 정교화(精巧化)를 초래하는 유전자 및 단백질 표현을 포함하는 다수의 세포 과정들의 집합이다. 표현형 특징(Phenotypic signature)은 세포 형태, 상기 세포들의 3D 구조 및 운동성에 근거하여 전자 시험판의 상기 센서들을 사용하여 결정될 수 있다.

몇개의 실시예들에서, 1개 이상의 전자 시험판들, 상기 유체역학 서브 시스템 및/또는 제공 가능한 물질들은 제어된 시험 환경을 제공하는 인큐베이터(640), 예컨대, 휴대용 인큐베이터, 내에 하우징될 수도 있다. 1개의 구성에서, 실시간 병렬 감지 및 페노타이핑(phenotyping)은 도 7에 도시된 시스템을 사용하여 실시될 수 있다. 상기 인큐베이터(640)의 환경적 매개변수들은 수행되어지는 시험에 도움이 되는 환경을 제공하기 위해 호스트 프로세서(630)에 의해 제어될 수도 있다.

도 7은 몇개의 실시예들에 따른 방법을 예시하는 순서도이다. 분석되는 실체의 다수의 특성들은 다수의 센서들이 상기 물질이 배치되는 시험판의 각각의 웰과 연관되도록 배열된 복수의 센서들을 사용하여 시간에 걸쳐 감지된다(710). 상기 웰과 연관된 다수의 센서들 중 적어도 하나는 상기 테스트 웰과 연관된 다수의 센서들 중 다른 하나에 의해 감지된 특성과 다른 물질의 특성을 감지하도록 구성된다. 전기적인 센서신호들은 상기 감지된 특성들에 근거하여 발생된다(720). 선택 라인들은 1개 이상의 선택된 센서들의 신호들을 액세스하기 위해 동작되어(730) 상기 선택된 센서들의 센서신호들이 데이터 출력들에서 제공된다(740). 몇개의 실시예들에 따르면, 상기 센서신호들을 제공하는 것은 상기 센서신호들을 병렬 데이터 버스 상에서 동시에 제공하는 것을 포함한다. 도 7에 도시된 방법을 사용하여, 상기 실체는 시험 프로토콜 동안 실질적으로 연속적으로 감시될 수 있다.

몇개의 실시예들에서, 상기 센서신호들은 여파 및/또는 증폭에 의해 제어될 수 있다. 증폭기들이 상기 센서신호들을 제어하기 위해 사용될 때 상기 증폭된 센서신호의 신호대 잡음비를 향상시키기 위해 공통 모드 거절(common mode rej ection)을 제공하는 차동 증폭기를 사용하는 것이 도움이 될 수 있다. 상기한 바와 같이, 상기 실체의 다수의 특성들을 감지하는 것은 다수의 차원들에서 적어도 하나의 특성을 감지하는 것을 포함할 수 있다.

Claims (10)

1. 복수의 웰들(wells)을 포함하며, 각각의 웰은 분석되는 물질을 포함하도록 구성된 시험판; 및
   상기 물질의 특성들을 감지하고 감지된 상기 특성들에 근거하여 센서신호들을 발생하도록 구성된 센서들로서, 상기 센서들은 다수의 센서들이 각각의 웰과 연관되도록 배열되며, 상기 다수의 센서들 중 적어도 하나의 센서는 상기 다수의 센서들 중 다른 하나의 센서에 의해 감지된 특성과 다른 상기 물질의 특성을 감지하도록 구성된, 상기 센서들; 및
   상기 센서들에 결합된 센서 선택회로로서, 상기 시험판을 따라 배치된 뒤판 상에 배열되며, 선택된 센서들의 상기 센서신호들이 데이터 출력에서 액세스될 수 있도록 구성된, 상기 센서 선택회로;
   를 포함하는 장치.
2. 제1항에 있어서,
   각각의 웰이 시각적으로 정보를 얻을 수 있도록 하는 1개 이상의 시각적으로 투명한 영역들을 포함하는 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 센서 선택회로 및 상기 센서들 중 적어도 하나는 박막 트랜지스터들(TFT)을 포함하는 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 다수의 센서들은 전기적, 화학적, 광학적, 음향적 및 산소 센서들 중 2개 이상을 포함하는 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 센서신호들은 임피던스, 광 스펙트럼, 표현형 특징(phenotypic signature), 생물 물리학적 특징(biophysical signature), 화학적 특징(chemical signature), 기능적 특징(functional signature), 기계적 특징(mechanical signature), 셀 이동(cellular locomotion), 셀 부착 및 확산, 세포 침입(cell invasion), 세포 증식, 세포신호 변환, 세포 통로들, 유독성, 세포 전기 천공법(穿孔法)(cellular electroporation), 셀 위치(cell location), 세포 수, 세포 생존율(cell viability), 세포 강성도(cell stiffness), 매트릭스 강성도, 세포 밖의 pH, 운동성, 상기 물질의 수평 이동 및 수직 이동, 및 분석되는 상기 물질에 의해 행해진 행동들 중 1개 이상에 관한 정보를 포함하는 장치.
6. 복수의 웰들을 포함하며, 각각의 웰은 분석되는 물질을 포함하도록 구성된 시험판;
   상기 물질의 특성들을 감지하고 감지된 상기 특성들에 근거하여 센서신호들을 발생하도록 구성된 센서들로서, 상기 센서들은 다수의 센서들이 각각의 웰과 연관되도록 배열되며, 상기 다수의 센서들 중 적어도 하나의 센서는 상기 다수의 센서들 중 다른 하나의 센서에 의해 감지된 특성과 다른 상기 물질의 특성을 감지하도록 구성된, 상기 센서들;
   상기 센서들에 결합된 센서 선택회로로서, 상기 시험판을 따라 뻗어 있는 뒤판 상에 배열되고, 선택된 센서들의 상기 센서신호들이 데이터 출력에서 액세스될 수 있도록 구성된, 상기 센서 선택회로; 및
   상기 데이터 출력에 존재하는 선택된 상기 센서신호들을 수신 및 처리하도록 구성된 판독회로;
   를 포함하는 시스템.
7. 복수의 웰들을 포함하는 시험판을 형성하는 단계로서, 각각의 웰은 분석되는 물질을 포함하도록 구성된, 상기 시험판을 형성하는 단계;
   상기 물질의 특성들을 감지하고 감지된 상기 특성들에 근거하여 센서신호들을 발생하도록 구성된 다수의 센서들을 제조하는 단계; 및
   상기 센서들에 결합된 센서 선택회로를 제조하는 단계로서, 선택된 센서들의 상기 센서신호들이 데이터 출력에서 액세스될 수 있도록 구성된 상기 센서 선택회로를 제조하는 단계; 및
   상기 센서들을 다수의 센서들이 각각의 웰과 연관되도록 상기 웰들에 대해 배열하는 단계로서, 웰과 연관된 상기 다수의 센서들 중 각각은 상기 다수의 센서들 중 다른 하나의 센서에 의해 감지된 특성들과 다른 상기 물질의 특성을 감지하도록 구성된, 상기 센서들을 배열하는 단계;
   를 포함하는 장치의 제조방법.
8. 각각의 웰과 연관된 다수의 센서들을 사용하여 시험판의 웰들에 배치되어 분석되는 물질의 다수의 특성들을 시간에 걸쳐 감지하는 단계로서, 상기 다수의 센서들 중 적어도 하나는 상기 다수의 센서들 중 다른 하나에 의해 감지된 특성과 다른 상기 물질의 특성을 감지하도록 구성된, 상기 다수의 특성들을 감지하는 단계;
   센서신호들을 감지된 상기 특성들에 근거하여 발생시키는 단계;
   선택된 센서들의 센서신호들이 데이터 출력에서 액세스될 수 있도록 어드레스 라인들을 작동시키는 단계;
   를 포함하는 방법.
9. 복수의 웰들을 포함하며, 각각의 웰은 분석되는 물질을 포함하도록 구성된 시험판; 및
   각각의 웰에 결합된 음향 센서;
   를 포함하는 장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 음향 센서들에 결합된 센서 선택회로를 추가로 포함하며, 상기 센서 선택회로는 상기 시험판을 따라 배치된 뒤판 상에 배열되고, 상기 센서 선택회로는 선택된 센서들의 상기 센서신호들이 데이터 출력에서 액세스될 수 있도록 구성된 장치.

Images