KR20170081568A - 비파괴적 증거 수집 - Google Patents

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존 클레온 미어스
제프리 에이. 스튜어트
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록히드 마틴 코포레이션
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Abstract

프린트를 식별하기 위한 시스템 및 방법은, 프린트의 샘플에 방출되는 빛의 주파수 및 반사각 중 하나 이상을 조절함으로써, 프린트로부터 반사된 빛의 정반사를 최대화시키면서 프린트의 배경 표면으로부터 반사된 빛의 난반사를 최소화하도록 구성된 이미지-캡처링 광학 시스템을 포함한다. 또한, 상기 시스템 및 방법은, 프린트로부터의 복수의 분석물질(analyte)을 검출하도록 구성된 나노구조체를 지닌 하나 이상의 FET를 갖는 IC를 포함한다. 또한, 상기 시스템 및 방법은 프린트를 처리하고 프린트의 DNA 내용물을 측정하도록 구성된 핵산 분석기를 포함한다. 이미지-캡처링 광학 시스템 및 IC에 의해 처리되는 동안에, 프린트에 어떠한 접촉도 일어나지 않는다.

Description

비파괴적 증거 수집{ nondestructive collection of evidence}
본 발명은 비파괴적 증거 수집에 관한 것으로서, 본 출원은 2014년 2월 10일자로 출원된 미국 가출원 번호 61/937,894호에 대해 우선권을 주장하며, 해당 출원의 개시는 그 전체가 참조로 본원에 포함된다.
접촉 흔 디옥시리보핵산(Touch DNA)은 범죄 현장 등에 남겨진 DNA를 분석하는 법의학적 방법이다. 접촉 흔 DNA는 매우 적은 양의 샘플, 예를 들면, 접촉하거나 어쩌다가 닿은 물체에 남겨진 피부 세포와 같은 샘플을 요구한다. 접촉 흔 DNA 분석은 인간 피부의 최외각 층으로부터 대략 일곱 개 또는 여덟 개의 세포만을 요구한다.
법의학적 증거를 수집하는 기법에는 범죄 현장 등에서의 지문을 캡처링(capturing)하는 것이 포함된다. 지문은 일반적으로 먼지를 털어내고 접착테이프로 붙였다가 떼어낸다. 불행하게도, 이러한 방법은 다른 잠재적 증거를 파괴하거나 사용하지 못하도록 현장을 변화시킬 수 있다. 또한, 미량의 피부 세포를 한 표면에서 다른 표면으로 옮길 수 있는 범죄 현장 조사자에 의해 사용된 지문채취용 브러쉬의 오염으로 인해 잘못된 긍정적 결과가 빈번하게 일어난다.
휴대용 물체 상의 지문은 일반적으로 처리를 위해 실험실로 가져가고, 처리 방법은 지문이 남겨져 있는 물체 또는 표면에 따라 정해진다. 한 가지 방법은 지문에 시아노아크릴레이트 훈증을 가하는 것을 포함한다. 다른 방법으로는, 종이가 닌히드린(ninhydrin) 염료로 처리될 수 있다. 그러나, 이러한 방법들은 임의의 법의학적 증거 가치를 훼손시키거나 파괴할 수 있다. 또한, 완전한 처리를 하는데에 수 일이 걸릴 수 있다.
본 발명은 비파괴적 증거 수집을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 양태는 지문 또는 손바닥 자국과 같은 프린트의 잠상(latent imaging) 및 분석물질-기반 감지에 의한 증거의 비파괴적 수집 및 식별을 위한 방법 및 시스템을 포함한다. 프린트의 DNA 내용물은 후속하여 얻어진다.
본 발명의 일 구현예는 지문 또는 손바닥 자국과 같은 프린트를 캡처하는 방법을 포함한다. 잠재 프린트는 빛을 지닌 장치 상에서 조사된다. 잠재 프린트로부터의 빛의 최대 정반사 및 잠재 프린트로부터의 빛의 최소 난반사가 제공되도록, 빛의 주파수 및 반사각 중 하나 이상이 조절된다. 파운데이션(foundation) 대비 잠재 프린트의 생성 이미지가 캡처된다.
본 발명의 일 구현예는 지문 또는 손바닥 자국과 같은 프린트를 식별하는 방법을 포함한다. 잠재 프린트의 샘플 이미지는, 빛의 조절된 주파수 또는 조절된 반사각을 통해 파운데이션 상에 위치하고 캡처된다. 분석물질 검출을 위해 하나 이상의 전계 효과 트랜지스터(FET)로 구성된 집적 회로(IC)를 통해, 샘플 상에 하나 이상의 분석물질이 측정된다. 위치시키는 단계, 캡처하는 단계 및 측정하는 단계에 후속하여, 핵산 분석기를 통해, 잠재 프린트의 DNA 내용물이 분석된다. 위치시키는 단계, 캡처하는 단계 및 측정하는 단계 동안 프린트에 어떠한 접촉도 일어나지 않는다.
본 발명의 구현예는 프린트를 식별하는 시스템을 포함하며, 이러한 시스템은, 프린트의 샘플 상에 방출되는 빛의 주파수 및 반사각 중 하나 이상의 조절을 통해, 프린트로부터 반사된 빛의 정반사를 최대화하고 프린트의 배경(background) 표면으로부터 반사된 빛의 난반사를 최소화하도록 구성된 이미지-캡처링(image-capturing) 광학 시스템을 포함한다. 또한, 시스템은 프린트로부터 복수의 분석물질을 검출하도록 구성된 나노구조체를 지닌 하나 이상의 FET를 갖는 IC를 포함한다. 또한, 시스템은 프린트를 처리하고 프린트의 DNA 내용물을 측정하도록 구성된 핵산 분석기를 포함한다. 이미지-캡처링 광학 시스템과 IC에 의한 처리 동안에, 프린트에는 어떠한 접촉도 일어나지 않는다.
다양한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 하기에서 상세하게 기재될 것이다.
도 1A-1B는 본 발명의 일부 구현예에 따른 비파괴 수집 시스템의 개략도이다.
도 2-3은 본 발명의 일부 구현예에 따른 프린트 이미징 시스템의 예시이다.
도 4-5는 본 발명의 일부 구현예에 따른 나노구조-기반 전자 센서의 예시이다.
도 6A-6B는 본 발명의 일부 구현예에 따른 식별 모델을 훈련하고 평가하기 위한 예시적 알고리즘이다.
도 7은 본 발명의 구현예에 따른 예시적 핵산 분석기의 블록 다이아그램이다.
도 8A-8B는 본 발명의 구현예에 따른 복수의 예시적 샘플 수용기를 갖는 미세유체 카트리지의 예시이다.
도 9는 본 발명의 구현예에 따른 프린트를 캡처하는 예시적 방법의 플로우차트이다.
도 10은 본 발명의 구현예에 따른 프린트를 식별하는 예시적 방법의 플로우차트이다.
도 1A는 범죄 현장의 인간 손바닥 또는 발바닥 융선(friction ridge) 프린트와 같은 현장 증거를 수집하고 처리하기 위한 예시적 비파괴 수집 시스템(100)의 개략도 이다. 제 1 처리부(110)는 지문, 발자국, 발가락 프린트 또는 손바닥 프린트와 같은 하나 이상의 잠재 이미지를 캡처하기 위한 시스템을 포함한다. 잠재 프린트는 표면 접촉 후에 고체 표면 상에 남겨진 프린트 인상 또는 흔적이며, 융선으로 인한 부재의 물리적 함몰 또는 고체 표면과 접촉한 손가락, 손바닥, 발 또는 발가락 중 개인 피부의 융선 상에 남아있을 수 있는 땀, 피지 또는 기타 화학물질 또는 화합물의 증착에 의해 생성된다. 이러한 접촉은 흔적 및/또는 융선 함몰을 남기며, 이는 고체 표면 상에 인상(impression)을 만든다. 프린트 인상은 손가락 또는 손바닥 표면 상에 존재할 수 있는 물, 염, 혈액, 아미노산, 오일, 때, 약물, 화학물질 또는 먼지와 같은 물질을 포함할 수 있다.
프린트의 비접촉 잠재 이미지를 얻기 위한 본 발명의 구현예는 정반사, 즉 조사된 샘플 표면으로부터 반사된 빛을 이용하기 위해 카메라와 동일 방향으로 위치한 광원을 포함한다. 광원으로부터 고체 표면으로의 경사각이 고체 표면으로부터 이미지 검출기로부터의 반사각과 거의 동일하도록 배열되는 경우, 상기 정반사는 최대화될 수 있다. 이러한 배열을 가지는 경우, 난반사되는 빛이 프린트 이미지의 화질을 낮출 수도 있음을 고려하여, 난반사의 최소량이 캡처된다. 따라서, 적절하게 정렬되는 경우에, 광원 및 이미지 검출기는 본질적으로 정반사만을 수용할 수 있는 기하학적 필터를 제공함으로써 고체 표면으로부터의 난반사를 고도로 식별할 수 있는 필터로 작용한다.
도구, 총, 전화기 및 전화기 케이스와 같은 넓은 범주의 상이한 표면 상의 프린트를 검출하기 위해서, 다수의 상이한 빛 파장 대역 또는 파장 대역의 범위가 요구된다. 각각의 파장 대역은 상이한 종류의 빛, 예컨대, 백색광, 협대역 빛, 자외선(UV), 적외선(IR), 또는 기타 특정 파장, 파장 범위 또는 전기-광학 방사선의 파장 조합과 같은 상이한 종류의 빛을 제공할 수 있다. 파장 또는 파장 범위의 변화는 하나 이상의 매우 넓은 스펙트럼 광원 및 설정가능한 필터링 조정기를 통해 실현될 수 있다. 광원 및 필터링 조정기는 조정가능 필터, 활성화 또는 비활성화될 수 있는 다수의 필터, 굴절, 특정 파장 또는 이들의 조합만을 구별해내는 반사 기법, 또는 하나 이상의 요구되는 파장 또는 파장 범위를 생성하도록 구성된 다수의 개별 광원을 포함한다. 일부 구현예에서, 다수의 빛 파장 또는 파장 범위가 사용될 수 있으며, 여기서 각 파장 범위로부터의 빛은 검사대상 샘플 표면에서 다르게 산란할 수 있다. 파장 범위는 잠재 프린트에 상이한 효과를 생성할 수 있는 각각의 범위로 차례로 사용될 수 있거나, 다수의 파장 범위가 동시 조사를 위해 조합될 수 있다.
제 2 처리부(120)는 프린트에 존재하는 휘발성 분석물질의 검출을 위해 나노구조체가 결합된 하나 이상의 전계-효과 트랜지스터(FET)를 포함하는 집적 회로(IC)를 포함한다. FET는 화학적 검출을 위한 화학-기반 FET(ChemFET) 또는 생물학적으로 활성의 분자 검출을 위한 생물-기반 FET(BioFET)일 수 있다. 분석물질의 예는 취기물질(odorant)이다. 그러나, 다른 비-취기성 분석물질이 하기에 기재된 구현예에 의해 고려된다.
또한, 본 발명은 프린트 또는 다른 증거로부터 추가의 정보를 얻기 위한 비-접촉 시스템에 관한 것이다. IC의 나노구조-기반 FET는, FET의 나노구조화된 부분과 주변 매개체 간의 상호작용을 조절하는 분자 제제 또는 기능화 제제로 포장되거나 둘러싸인 탄소나노튜브와 같은 하나 이상의 나노튜브를 포함할 수 있다. 기능화된 나노구조체는 FET 게이트 중 활성 매개체를 포함한다. 기능화 제제(또는 분석물질 수용체)는 생물학적 또는 화학적 기원, 예컨대, 특정 분석물질 수용체 단백질의 DNA 가닥(단일 또는 이중가닥) 또는 단백질 매개체일 수 있다. 나노구조-기반 FET를 위한 기능화 제제의 다른 부류는 RNA 압타머, 펩타이드, 단백질, 효소, 폴리머 제형 및 나노구조화 신호-전달 표면의 기타 화학적 코팅제를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 기능화 나노튜브는 게이트의 활성 부분을 포함하고, FET의 전극 소스(source)와 전극 드레인(drain) 사이에서 전기적으로 연결된다. FET가 기능화된 나노구조체와 상호작용하는 기체 또는 액체와 인접하는 경우에, FET는 활성화되며, 신호를 전송할 것이다. 예를 들면, 단백질의 존재는 나노튜브의 전도도를 변화시킬 것이며, FET의 전극들 사이에 검출가능한 변화가 생길 것이다. 결과적으로, 취기물질과 같은 분석물질이 분석물질과 FET의 분석물질 수용체 제제의 결합에 의해 검출될 수 있다.
IC는 다수의 FET를 포함할 수 있으며, 각각의 FET는 상이한 분석물질 수용체 제제를 지니도록 설계될 수 있다. 일 구현예에서, 각각의 IC는 카테고리별로 FET, ChemFET 및/또는 BioFET 중 특정 그룹을 포함할 수 있다. 예시적 목적만을 위한 일례로, 하나 이상의 IC는 폭발물을 검출하도록 설계될 수 있으며, 하나 이상의 다른 IC는 약물을 검출하도록 설계될 수 있다. 따라서, 바이오-센서가 다수의 IC를 포함하는 최종 생산물일 수 있다.
제 3 처리부(130)는 프린트 면봉(swab)의 DNA 내용물을 식별하기 위한 시스템을 포함하며, 이의 결과물은 하나 이상의 데이터베이스에 저장된 식별 정보와 비교될 수 있다. 프린트 면봉과 같은 생물학적 샘플은 핵산 분석기 시스템 내에 삽입된 미세유체 카트리지 내에 저장된다. 핵산 분석기 시스템에 의해 핵산이 프린트 면봉으로부터 추출된다. 추출된 핵산은 증폭되며, 생성된 DNA 단편들의 검출 및 분석을 위해 분리된다.
프린트 면봉의 완전성(integrity)은 제 3 처리부(130)에서 변화될 수 있고, DNA 내용물을 식별하기 위한 처리부는 최종 처리부가 될 필요가 있다. 결과적으로, 제 1 및 제 2 처리부는 프린트 면봉을 훼손하지 않고 그대로 두기 때문에, 피부 세포의 최대 수가 제 3 처리부(130)에 제공된다.
도 1B는, 제 1 처리부(140)가 하나 이상의 나노구조-기반 FET를 포함하는 IC를 포함하는, 현장 증거를 수집하고 처리하기 위한 비파괴 수집 시스템(100)의 개략도이다. 상기에서와 같이, 이러한 IC는 지문 또는 손바닥 프린트와 같은 현장 증거로 존재할 수 있는 여러 취기물질 및 기타 분자(예컨대, 폭발물, 마약 및 다른 불법 밀수품)를 검출하는 비-접촉 절차를 제공한다. 제 2 처리부(150)는 하나 이상의 프린트의 잠재 이미지를 캡처하는 시스템을 포함한다. 상기에서 언급한 바와 같이, 제 1 처리부(140) 및 제 2 처리부(150)는 현장 증거를 오염시키거나 훼손함 없이 프린트와 같은 현장 증거로부터의 정보를 회수하는 시스템을 포함한다.
제 3 처리부(160)는 프린트 면봉의 DNA 내용물을 식별하는 시스템을 포함한다. 프린트 면봉은 시험에 있어서 적은 수의 세포를 가지기 쉽다. 그러나, 이전 구현예에서와 같이, 프린트 상에 존재하는 기원 세포의 수 및 질은, 제 1처리부(140) 및 제 2처리부(150)가 프린트 면봉을 훼손하거나 이에 접촉하지 않기 때문에, 제 3 처리부(160)에서의 시험에 있어 최대화될 것이다.
도 2는 제 1 처리부의 프리트 이미징 시스템(200)의 구현예를 도시한다. 프린트 이미징 시스템(200)은 필터(220)를 포함할 수 있는 광원(210)을 포함한다. 광원(210)의 구현예로는 가시광선, IR 또는 UV 스펙트럼, 또는 이들의 조합된 협대역 또는 광역 스펙트럼 광원을 포함할 수 있다. 필터(220)의 구현예로는 대역-통과 필터, 노치 필터, 분광계, 프리즘, 대역-특이적 미러, 필터 코팅, 및 기타 장비, 부재, 및 하나 이상의 특정 빛 파장 범위에서 생성되는 전기-광학 방사선을 필터링하기 위한 기법들을 포함할 수 있다. 생성되는 빛은 샘플(230)의 표면을 향하는 좁은 시준 빔일 수 있다. 빛은, 샘플(230)의 표면으로부터 검출기(240)으로의 증가된 정반사를 제공하기 위해, 시준화되고 좁아질 수 있다.
정반사, 즉, 글레어(glare)는 경사각 및 반사각이 거의 동일해지는 상황에서 선명해질 수 있다. 샘플(230)의 조사 표면으로부터의 정반사의 생성 및 캡처를 용이하게 하기 위해, 일부 변화들은 임계 정렬 각도에서 광원(210) 및 검출기(240)를 정렬하는 것을 포함할 수 있다. 임계 정렬 각도는 경사각과 반사각이 샘플(230)의 조사 표면에 대해서 거의 동일한 경우에 하나이다. 이것이 정반사가 최대로 선명해지는 각도이다.
광원(210)과 검출기(240) 간의 임계 정렬을 유지함으로써, 광원(210)과 검출기(240)는 난반사를 구별해내고 본질적으로 검출기(240)로 입력되는 정반사만을 수용하는 필터로서 행동하도록 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 검출기 설정은 카메라에 의해 처리되는 광자의 90% 초과량을 글레어로부터 발생하도록 유도하는 기하학적 필터링 효과를 생성하도록 추가로 구성될 수 있다. 그러한 구성은 검출기(240)에 결합된 렌즈 또는 다른 광학 시스템의 개구수(NA)가 0이 되도록 설정함으로써 실현될 수 있다. 또한, 그러한 설정은 광학 시스템 및 광원(210)의 Na가 실질적으로 동일하거나 정반대가 되도록 설정함으로써 실현될 수 있다.
본 발명의 일부 구현예에서, 검출기(240)는 이미지 처리부(250)와 결합될 수 있거나 이의 일부가 될 수 있다. 예를 들면, 이미지 검출 및 이미지 처리 능력을 지닌 전하-결합 소자(CCD) 또는 상보성 금속 산화막 반도체(CMOS) 카메라 소자가 사용될 수 있다. 이미지 처리부(250)는 검출기(240)의 포화 임계값에 접근하는 빛을 제공하도록 구성될 수 있다. 그러나, 광원(210)은 검출기 포화로 인한 명암의 손실 또는 이미지 데이터의 다른 손실을 피하기 위해, 검출기(240)의 포화 임계값에 도달해서는 안된다.
도 3은 프린트 이미징 시스템(300)의 보다 상세한 예시이다. 광학 센서 시스템(310)은 카메라 또는 초점면 배열과 같은 이미지 검출 소자(320)를 포함한다. 일부 구현예에서, 이미지 검출 소자(320)는 다가오는 전기-광학 방사선을 초점 맞추기 위해 렌즈(321)을 포함하거나 이와 결합된다. 일부 구현예에서, 이미지 검출 소자(320)는 광원(330)과 함께 임계 정렬 각도(370)에 배치되는 카메라이다. 이는 카메라(320)와 광원(330)의 NA들을 동일한 값 및 정반대의 값이 되도록 설정함으로써 글레어 광자의 수집 및 난반사된 광자의 배제를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 광원(330)은 광학 센서(310)에 포함되며, 여기서 광원(330)과 광학 센서(310)는 하나의 하우징 내에 배치된다. 또한, 검출기(320)와 광원(330) 간에 임계 정렬 각도(370)를 설정하거나 유지하는 유사 배열 또는 장착 배열이 본 명세서에 기재된 구현예에 의해 고려된다. 다른 구현예에서, 광원(330)은 광학 센서(310)와 물리적으로 분리될 수 있고, 이미징 파라미터 또는 요건에 기초하여 특정 빛을 제공하도록 설정되거나 구성될 수 있다. 특정 빛은, 이미지화되는 샘플(340) 표면 상에 관심 영역(340a)에 대한 광원(330)으로부터의 시준각 및 경사각을 변화시키는 것을 포함할 수 있다. 샘플(340)의 표면과 반사된 빛에 대해 수직인 수직면 사이의 각도는 임계 정렬 각도(370)의 절반, 즉, 1/2 θ이다.
또한, 프린트 이미징 시스템(300)은 이미지 검출 소자(320)에 의해 얻은 이미지 데이터를 처리하기 위해 컴퓨터 또는 처리부(350)을 포함하거나 이와 연결될 수 있다. 처리부(350)은 데이터를 저장하기 위한 메모리(351) 및 광학 센서 부품 중 일부 또는 전부를 제어하기 위한 제어기(352)를 포함한다. 일부 구현예에서, 광원(330)은 샘플(340)의 표면 상으로 균일하게 확장되고 시준된 빔을 제동하도록 조절될 수 있다. 일부 구현예에서, 이미지 검출 소자(320)는 프레임 그래버(360), 예를 들면, 아날로그 비디오 신호 또는 디지털 비디오 스트림으로부터의 개개의 디지털 스틸 프레임을 캡처하는 전자 소자를 통해 처리부(350)와 결합될 수 있다. 다른 구현예는 통합 또는 내장된 프레임 그래버(360)를 지닌 카메라를 포함한다.
잠재 프린트 이미지는 지역 데이터베이스의 용의자 프린트(휴대용 컴퓨터를 통해)와 매칭될 수 있거나, 주 또는 지역 자동화 지문 식별 시스템(AFIS) 또는 FBI의 차세대 식별(NGI) 시스템과 같은 국가적 데이터베이스에 정보로 제공될 수 있다. 이것은, 수집된 잠재 프린트의 가능한 "소유자"에 대한 수집소로의 거의 실시간 피드백을 가능케 한다. 그 결과는 휴대용 컴퓨터 장치의 사용자 인터페이스 상에 보여질 수 있다.
광원(330)은, 이미지 검출 소자(320)에 대해서 나타낸 바와 같이, 임계 정렬 각도(370)를 유지하도록 동력학적으로 조절될 수 있다. 일부 구현예에서, 이러한 조절은 이동형 미러, 굴절 소자, 프리즘 또는 다른 조합으로 달성될 수 있다. 일 구현예에서, 광원(330)과 이미지 검출 장치(320) 둘 모두는, 전체 시스템(300)이 이동하는 경우에도 임계 정렬 각도를 유지하기 위한 고정부에 고정된다.
프린트 이미징 시스템(300)의 구현예는 푸리에 필터(380) 또는 노치 필터(385)와 같은 하나 이상의 검출 필터를 포함할 수 있다. 노치 필터(385)의 변형은 임계 정렬 용도를 위한 레이저 또는 확산 스캐터 광원으로서의 레이저를 사용하는 것을 포함할 수 있다. 푸리에 필터(380)의 변형은, 종이 또는 판지 샘플 표면 상의 검출에 있어 결(grain) 또는 표면 불균일과 같은 배경 특징을 억누를 뿐만 아니라 프린트 특징을 매칭하는데 사용될 수 있다. 일부 구현예는 다수의 검출 필터를 포함할 수 있는 반면에, 다른 구현예는 검출 필터를 가지지 않거나 이미지 검출 소자(320) 내에 통합된 검출 필터를 가진다.
제 2 처리부는 적절하게 기능화된 ChemFET 및/또는 BioFET를 통해 분석물질 검출이 가능한 전자 소자를 이용하는 것을 포함한다. 인간의 후각 시스템에서는, 특정 취기물질이 세포 내에서 신호 전달을 촉진시키는 후각 수용체 단백질과 결합한다. 후각 수용체 뉴런의 세포 멤브레인 내의 후각 수용체는 취기물질 분자의 검출을 담당한다. 취기물질이 후각 수용체와 결합하는 경우, 수용체가 활성화된다. 활성화된 후각 수용체는 뇌로 전달되는 신경 충동을 생성한다. 이러한 후각 수용체는 G 단백질-결합 수용체(GPCR)의 분류 A 로돕신-유사 군의 일원이다.
도 4는 후각-기반 전가 소자와 같은 예시적 분석물질-검출 기반 전자 센서 소자(400)를 보여준다. 다양한 센서 타입 및 응용가능성을 지닌 넓은 범위의 후각-기반 전자 소자(또한, "전자 코(e-nose)로도 알려짐)가 이용가능하며, 본 명세서에 기재된 구현예로 사용될 수 있다. 기재(410)는 분석물질 검출 기반 전자 소자(400)의 기반을 형성한다. 기재(410)의 일 구현예는 실리콘 기재이다. 그러나, 전자 소재에 사용되는 다른 기재가 본 명세서에 기재된 구현예에 의해 고려된다. 산화물층(420)이 기재(410) 위에 위치한다. 실리콘 기재(410)에 있어, 산화물층(420)은 실리콘 디옥사이드를 포함할 수 있다. 드레인(430)은 기재(410)의 한쪽 측면으로 산화물층(420) 위에 위치하고, 소스(440)는 기재(410)의 다른 쪽 측면으로 산화물층(420) 위에 위치한다. 나타낸 바와 같이, 소스(440)와 드레인(430) 사이에 위치한 간극이 있을 수 있다.
나노구조층(450)은 산화물층(420) 및 소스(440)과 드레인(430) 사이의 간극 내의 게이트 위에 배치될 수 있다. 나노구조층(450)은 소스(440) 및 드레인(430)과 접촉한다. 나노구조(450)의 구현예는 나노튜브, 나노와이어, 나노로드, 나노리본, 나노필름 및 나노볼을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 일 구현예에서, 나노구조(450)는 탄소 기반이다. 후각 수용체 GPCR(460) 무리가 나노구조층(450)에 증착하고 결합한다. 나노구조층(450)은, 후각 수용체 GPCR(460)과 같은 활성화된 분석물질 수용체로부터의 펄스(pulse)가 등록되는 전자 메커니즘을 제공한다. 예를 들면, 특정 분석물질이 GPCR(460)의 분석물질 수용체 분자에 결합되는 경우에, 수용체 분자의 균형이 활성화되는 수용체 상태로 이동한다. 활성화된 분석물질 수용체 분자는 소스(440) 및/또는 드레인(430)의 금속 전극과 나노구조층(450) 간의 접촉 저항을 조절하여, 전도도 변화를 유도한다. 이러한 전도도 변화는 분석물질-검출 기반 전자 센서 소자(400)의 전자 회로에 의해 등록되고 측정된다. 특정 분석물질이 GPCR(460)의 분석물질 수용체와 인접하는 경우에, 분석물질이 전자 센서 소자(400)의 분석물질 수용체 단백질과 결합함으로써 전도도 변화가 일어난다. 분석물질 수용체 단백질은 전도도 변화를 유발하는 활성화된 수용체 상태로 변화된다. 분석물질의 검출은 전도도 변화를 측정함으로써 달성된다.
도 5A는 후각-기반 전자 소자와 같은 검출-기반 전자 센서 소자(500)의 대체예를 보여준다. 그러한 소자는 또한 인공 코, 전자 코, 또는 e-코(e-nose)로도 언급될 수 있다. 기재(505), 예컨대, 실리콘 기재는 기재(505)의 표면 상에 형성된 실리콘 디옥사이드와 같은 산화물층(510)을 가지며, 산화물층(510)은 게이트를 포함한다. 드레인(515)은 산화물층(510) 위에 기재(505)의 한쪽 측면에 형성되며, 소스(520)는 산화물층(510) 위에 기재(505)의 다른 쪽 측면에 형성된다. 나노튜브(525), 예컨대 탄소 나노튜브는 단일 가닥 DNA(ss-DNA)(530)로 에워싸지고, 소스(520)과 드레인(515)에 전기적으로 연결되기 위해 산화물층(510) (게이트)의 표면에 고정된다. 특정 분석물질이 ss-DNA 가닥(530)의 분석물질 수용체와 인접하는 경우에, 취기물질이 ss-DNA 가닥(530)의 분석물질 수용체 단백질에 결합함으로써 전도도 변화가 일어난다. 취기물질은 일시적으로 ss-DNA 가닥과 상호작용하고 결합하며, 이로 인해 소스(520)과 드레인(515) 사이의 게이트(510) 내에서 전도가 변화한다. 취기물질의 검출은 전도도 변화를 측정함으로써 달성된다.
도 5B는 후각-기반 전자 소자와 같은 분석물질-검출 기반 전자 센서 장치(500)의 입체도이다. 나노튜브(535), 예컨대 탄소 나노튜브는 단일-가닥 DNA(ss-DNA) 또는 이중-가닥 DNA(ds-DNA)와 같은 DNA 가닥(540)으로 둘러싸여 DNA-감긴 나노튜브(545)를 생성한다. DNA-감긴 나노튜브(545)는 반도체 소자(550)에 부착된다. 도 5B는, 일부가 탄소 나노튜브(565)에 대해 둘러싸이고 DNA 가닥(560)에 결합된 취기물질 분자와 같은 분석물질 분자(555)를 도시한다. 금 접점과 같은 전자 회로(570)는 반도체 소자(550)에 부착되며 탄소 나노튜브(565)의 각 말단에 전기적으로 연결된다. 결합된 반도체 소자(550) 및 DNA 가닥(560)으로 감긴 탄소 나노튜브(565)는 반복될 수 있으며 IC(575)로 형성될 수 있다. IC(575)는 네 개의 소자(550)을 보여주지만, IC 디자인 기법은 하나의 칩 상에 다수의 소자에 대한 스텝-앤드-리피트 제작법(step-and-repeat fabrication)을 가능케 한다.
센서의 전자 코 산출물은, 유선 또는 무선의 휴대용 컴퓨터 통신 능력을 통해 알려진 취기물질 및 기타 분자에 대한 지역 데이터베이스(휴대용 컴퓨터 장치에 보유하거나 센서 조립체 자체에 내장됨) 또는 원격 데이터베이스와 비교될 수 있다. 센서 판독의 분석 결과는 휴대용 컴퓨터 장치의 사용자 인터페이스에 보여질 수 있고, 이미 생성된 잠재 프린트와 연관될 수 있다.
전산 모듈은, 센서 판독에 기초하여 일치성을 예측하기 위해 서버 또는 데이터베이스와 같은 외부 자원에 저장될 수 있는 식별 모델을 회수하거나 적용할 수 있다. 식별 모델은 센서 판독 정보를 식별하도록 보여주는 함수 근사법이다.
예측은 식별 모델 요건에 기초하여 신호 판독의 초기 처리를 요구할 수 있다. 처리는 전산 모듈 또는 외부 자원에서 일어날 수 있다. 처리 요건은 신호 필터링(고역통과, 저역통과, 대역통과, 대역저지(bandstop) 또는 노치 필터링), 소음제거, 시간 평균화, 윈도우 함수 적용 및 신호 판독 데이터의 크기조정(scaling)을 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
식별 모델은 수많은 방법으로 구성되고 훈련될 수 있다. 식별 모델 구성에 대한 패턴-인식 또는 기계 학습 접근법은 기존 센서 판독 데이터베이스를 사용하며, 이 경우, 센서 판독 데이터는 공지된 신원과 짝지어진다. 신원에 대한 센서 판독의 공지된 매핑(mapping)과 예측된 매핑 간에 오류를 최소화하도록, 모델이 구성되고 최적화된다. 기존 모델은 베이즈 분류(Bayes classification) 또는 회귀(regression), k개 최근접법(k-nearest-neighbor), 정상/부분 최소 자승(ordinary/partial least squares) 분류 또는 회귀, 지지 벡터 머신(support vector machines), 결정 트리(decision trees), 랜덤 포레스트(random forest), 부양 트리(boosted trees), 뉴럴 네트워크 및 로지스틱 회귀를 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 오류 최소화는 모델링 이전에 신호 처리 기법의 적용을 포함할 수 있다.
도 6A는 모델을 훈련하기 위한 예시적 알고리즘이다. 단계(S610)에서, 판독 데이터베이스로부터의 센서 판독 데이터가 공지된 신원과 짝지어진다. 최적화를 위한 모델 훈련은, 상기에 기재된 바와 같이, 단계(S620)에서 데이터 필터링 및 크기조정을 포함한다. 최적화 모델 파라미터는 단계(S630)에서 선택된다. 신원에 대한 센서 판독의 공지된 매핑 및 단계(S640)에서 예측된 매핑 사이에 오류를 최소화화도록 모델이 구성된다. 훈련된 모델의 수행 결과는 단계(S650)에서 평가된다.
센서 판독 데이터의 변형 후에, 전산 모듈 또는 외부 자원이 식별 모델에 적용될 것이며, 식별 예측이 평가될 것이다. 도 6B는 식별 모델을 평가하기 위한 예시적 알고리즘이다. 단계(S660)에서, 센서 데이터의 판독이 수행된다. 센서 판독 데이터는 단계(S670)에서 필터링되고 크기조정된다. 식별 모델은, 신원 예측의 포맷이 식별 모델 요건에 적용되는 단계(S680)에 적용된다. 이는 진위형(true/false) 예측, 수치적 예측, 신뢰 구간 및 불확실성 추정을 포함할 수 있다. 신원 예측은 단계(S690)에서 평가된다.
대체예는, 상기에 기재된 바와 같은 ss-DNA 또는 ds-DNA 전자 코에 더하여, 프린트로부터 나오는 휘발성 화학물질을 식별하기 위한 다른 접근법을 제공한다. 대체예는 기체 크로마토그래피, 질량 분광법, IR 분광법, UV-Vis 분광법 및 핵자기공명의 조합을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
제 3 처리부는 프린트 면봉 중 DNA 내용물을 밝히기 위한 시스템과 같은 핵산 분석기 시스템을 포함한다. 도 7은 예시적 핵산 분석기(700)의 블록 다이아그램을 보여준다. 나타낸 바와 같이, 핵산 분석기(700)는 미세유체 카트리지 모듈(705), 카트리지 인터페이스 모듈(704), 추출 열 모듈(710), 증폭 열 모듈(715), 압력 모듈(720), 고전압 모듈(725), 검출 모듈(730), 전력 모듈(735), 전산 모듈(740) 및 제어기 모듈(745)를 포함할 수 있다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 모듈은 작동 가능하게 연결될 수 있다. 본 발명의 일 구현예에서, 모듈은 또한 핵산 분석기에 존재할 수 있는 각각의 모듈 중 하나 이상과 결합될 수 있다.
핵산 분석기(700)는 미세유체 카트리지를 사용하여 핵산 분석을 수행할 수 있다. 핵산 분석기(700)는 대략 마이크로-리터 이하의 액체 부피를 사용하도록 설계된다. 마이크로-리터 액체 부피를 사용함으로써, 핵산 분석은 보다 큰 부피를 사용하는 핵산 분석에 비해 감소된 시간으로 수행될 수 있다.
미체유체 카트리지 모듈(705)은 하나 이상의 미세유체 샘플(도시되지 않음)을 수용하도록 구성된다. 카트리지 인터페이스 모듈(704)는 미세유체 카트리지 모듈(705)가 다른 모듈과 작동가능하게 결합하도록 구성된다. 일 구현예에서, 일부 다른 모듈, 예컨대, 검출 모듈(730), 추출 열 모듈(710), 증폭 열 모듈(715) 등이 카트리지 인터페이스 모듈(704)에 통합될 수 있다. 미세유체 카트리지는 마이크로-투-매크로(micro-to-macro) 인터페이스 및 미세유체 카트리지가 핵산 분석기(700)의 다른 성분 작동되도록 허용하는 특성을 포함할 수 있다. 미세유체 카트리지는 단일-사용 카트리지와 같은 일회용 카트리지일 수 있다. 일반적으로, 미세유체 카트리지는 핵산 추출, 핵산 증폭 및 핵산 분리 중 어떠한 것도 수행하기 위한 다양한 특성을 포함할 수 있다. 유체 채널, 유체 챔버 및/또는 저장소로부터 형성된 유체 네트워크, 및 핵산 추출, 핵산 증폭 및/또는 핵산 분리를 수행하기 위한 다른 특성들은 미세유체 카트리지 내에 정의된다. 미세유체 카트리지 임의의 적절한 물질로 제조될 수 있다. 예로, 미세유체 카트리지는 플라스틱, 폴리머 물질, 유리 등으로 제조될 수 있다. 추가적으로, 미세유체 카트리지는 다수 타입의 물질로 제조될 수 있다.
추출 열 모듈(710)은 핵산 추출을 위한 적절한 온도를 부과하도록 구성된다. 추출 열 모듈(710)은 제어기 모듈(745)에 의해 제어될 수 있다. 추출 열 모듈(710)은 핵산 추출 동안 카트리지 또는 샘플 수용기와 결합될 수 있다. 추출 열 모듈(710)은 접촉 및/또는 비-접촉 열 가열을 수행할 수 있다. 일례로, 추출 열 모듈(710)은 하나 이상의 접촉 가열 유닛을 포함한다. 추출 열 모듈(710)에 의한 가열은 호열성 효소로 핵산 추출을 가능케 할 수 있다.
증폭 열 모듈(715)은 핵산 증폭 동안 미세유체 카트리지에 적합한 온도를 부과하도록 구성된다. 증폭 열 모듈(715)은 제어기 모듈(745)에 의해 제어될 수 있다. 일 구현예에서, 증폭 열 모듈(715)은 열 구배를 부과하고 미세유체 카트리지의 증폭 챔버에서의 열 사이클링 공정 중 온도 감지를 수행하도록 구성될 수 있다. 증폭 열 모듈(715)은 접촉 및/또는 비-접촉 열 가열을 수행할 수 있다. 일 구현예에서, 증폭 열 모듈(715)은 적외선 소스와 같은 비-접촉 가열 유닛을 포함한다. 또한, 증폭 열 모듈(715)은 온도 감지 유닛을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 온도 감지 유닛은 미세유체 카트리지의 선택된 부분의 온도를 측정하기 위한 흑체 방사선을 측정하는 적외선 고온계이다. 또한, 일 구현예에서, 하나의 열 모듈이, 필요한 경우, 동일한 가열 수단을 사용하여 추출 및 증폭 둘 모두에 대해 온도 변화를 부과하도록 구성될 수 있다.
압력 모듈(720)은, 예를 들어, 마이크로-투-매크로 인터페이스에 의해 미세유체 카트리지에 작동가능하게 결합된다. 압력 모듈(720)은 제어기 모듈(745)에 의해 제어될 수 있다. 압력 모듈(720)은 미세유체 카트리지에 압력 및/또는 진공(즉, 양압 및/또는 음압)을 제공하도록 구성되어 미세유체 카트리지의 유체 네트워크 내에서 유체가 이동하게 된다. 다시 말해서, 압력 모듈(720)은, 예를 들어, 미세유체 카트리지에서 공기압을 사용하여 유체역학적 움직임을 발생시킬 수 있다. 일 구현예에서, 압력 모듈(720)은 마이크로-투-매크로 인터페이스에서 미세유체 카트리지 상에서 벤트 포트(vent port)의 하나 이상의 클러스터에 결합된다. 압력 모듈(720)은 솔레노이드 매니폴드(solenoid manifold)를 마이크로-투-매크로 인터페이스에서 미세유체 카트리지의 다수의 벤트 포트에 연결할 수 있다. 압력 모듈(720)은 미세유체 카트리지에서 유체 네트워크를 통해 유체가 이동하도록 각각의 벤트 포트에 별개로 압력을 부과할 수 있다. 일 구현예에서, 미세유체 카트리지는 압력 모듈(720)에 의해 작동되도록 구성된 하나 이상의 밸브를 가진다. 압력 모듈(720)은, 미세유체 카트리지의 유체 네트워크에서의 유체역학 움직임을 적절하게 제어하기 위해 공기 압력/진공 시스템과 같은 압력/진공 시스템을 포함할 수 있다.
전력 모듈(735)은 핵산 분석기(700)의 다양한 부품들에 작동 전력을 발생시킨다. 일례로, 핵산 분석기(700)는 모듈러 설계(modular design)를 이용하여 실행된다. 핵산 분석기(700)의 각 모듈은 작동 전력 공급을 요구하며, 이는 다른 모듈들과는 상이할 수 있다. 전력 모듈(735)은 전력 콘센트로부터 100-240 V, 50-60 Hz와 같은 AC 전력 입력, 단일상 AC 전력을 수용할 수 있다. 전력 모듈(735)은 핵산 분석기(700)의 다수 부품들에 대해 작동 전력을 제공하기 위해 5 V, 12 V, 24 V 등을 발생시키기 위한 AC 전력 입력을 사용할 수 있다. 다른 구현예에서, 전력 모듈(735)은 배터리일 수 있다.
또한, 전력 모듈(735)은, 전기영동 분리와 같은 미세유체 카트리지 상에서 핵산 처리가 요구되는 경우, 고전압 모듈(725)에 전력을 부과한다. 전력 모듈(735)은 전력 중단에 대해 다수의 부품 및 데이터를 보호하기 위해, 정전 보호, 정상적 셧-다운(graceful shut-down) 등과 같은 다양한 보호 기능을 실행시킬 수 있다. 일 구현예에서, 전력 모듈(735)은 정상적 셧-다운과 같은 하나 이상의 보호 기능을 지원하기 위해 배터리 모듈과 같은 예비 전력을 포함한다.
고전압 모듈(725)은 전력 모듈(735)로부터 전력을 수용하며, 전기영동 분리와 같은 미세유체 카트리지 상에서 핵산 처리를 위해 필요한 경우 1000 V, 2000 V 등과 같은 고전압을 발생시킨다. 고전압 모듈(725)은 제어기 모듈(745)의 제어 하에 미세유체 카트리지로 고전압을 적용시킬 수 있다. 예를 들면, 고전압 모듈(725)은 동전기적 투입 및/또는 전기영동 분리를 유도하기 위해 미세유체 카트리지의 전극에 고전압을 적용하는 인터페이스를 포함한다.
검출 모듈(730)은 표지된 또는 염색된 핵산을 검출하도록 구성된 부품을 포함한다. 검출 모듈(730)은 제어기 모듈(745)에 의해 제어될 수 있다. 일 구현예에서, 검출 모듈(730)은 다색 형광 검출과 같은 형광 검출을 위해 구성된다. 검출 모듈(730)은 레이저 소스 유닛, 광학 유닛 및 검출기 유닛을 포함할 수 있다. 광학 유닛은 일련의 옵틱(optic)들을 포함한다. 일 구현예에서, 광학 유닛은 공초점 광학 부품 중 자기-보정 배열을 포함한다. 레이저 소스 유닛은 레이저 빔을 방출한다. 일 구현예에서, 레이저 소스 유닛은 아르곤-이온 레이저 유닛을 포함한다. 또 다른 구현예에서, 레이저 소스 유닛은 간섭성 사파이어 광 펌핑 반도체 레이저 유닛과 같은 고체 레이저를 포함한다. 고체 레이저는 감소된 크기, 무게 및 전력 소비의 이점을 갖는다.
작동에서, 일련의 옵틱들은 미세유체 카트리지 내 분리 채널의 검출 영역을 침투하도록 레이저 빔을 보낼 수 있다. 레이저 빔은 형광을 방출하도록 핵산에 부착된 형광성 분자들을 흥분시킬 수 있다. 이어서, 일련의 옵틱들은 방출된 형광을 수집할 수 있고, 방출된 형광을 검출을 위한 검출기 유닛으로 보낼 수 있다. 검출기 유닛은 전산 모듈(740)에 의한 후속 처리를 위해 검출된 형광을 데이터로 변환시킬 수 있다. 예시적 검출 기법은 그 전체가 참조로 본원에 포함된 "마이크로 유체 광학 설계"라는 명칭을 지닌 공동-출원 중인 미국출원번호 13/273,947에 개시되어 있다.
전산 모듈(740)은 전산 및 통신 유닛을 포함한다. 전산 모듈(740)은 제어기 모듈(745)에 작동가능하게 결합된다. 전산 모듈(740)은 사용자 인터페이스를 제공할 수 있다. 사용자 인터페이스는 핵산 분석기(700)의 상태를 제공할 수 있고, 핵산 분석기(700)의 작동을 제어하기 위한 사용자 지시를 수용할 수 있다. 전산 모듈(740)은 소프트웨어 지시사항 및 데이터를 저장하기 위해서 다양한 저장 매체를 포함한다. 전산 모듈(740)은 검출 모듈(730)로부터 얻은 미가공 데이터에 기초하여 데이터 처리를 수행할 수 있는 핵산 분석 소프트웨어를 포함할 수 있다. 또한, 전산 모듈(740)은 핵산 분석으로부터 얻은 데이터를 추가로 처리하기 위한 데이터베이스, 서버 등과 같은 외부 처리 유닛과 결합될 수 있다.
빠른 DNA 분석에 의해 제공된 접촉 흔 DNA 분석은 휴대용 컴퓨터 장치에서 의심되는 개인의 데이터베이스와 현지에서 비교될 수 있거나, 원거리 비교를 위해 지방 DNA 색인 시스템(LDIS), 주 DNA 색인 시스템(SDIS) 또는 국가 DNA 색인 시스템(NDIS)에 보내질 수 있다. 빠른 DNA 센서 출력의 분석 결과는 휴대용 컴퓨터 장치의 사용자 인터페이스 상에 표시될 수 있고, 발생되었던 잠재 프린트와 비교될 수 있다.
제어기 모듈(745)은 상태 신호 및 다수의 부품들로부터의 피드백 신호를 수용할 수 있으며, 핵산 분석 절차에 따라 다수의 부품들에 제어 신호를 제공할 수 있다. 또한, 제어기 모듈(745)은 핵산 분석 상태의 사용자를 알려주기 위해 전산 모듈(740)에 상태 신호를 제공할 수 있다. 또한, 제어기 모듈(745)은 전산 모듈(740)로부터의 사용자 지시를 수용할 수 있고, 사용자 지시에 기초하여 다수의 부품들에 제어 신호를 제공할 수 있다.
도 8A 및 8B는 복수의 샘플 수용체(800)를 갖는 미세유체 카트리지(815)의 예시적 구현예를 보여준다. 샘플 수용체(800)는 미세유체 카트리지(815)의 외부 표면(810) 상에 형성된 복수의 샘플 투입구(805)에 유체적으로 결합된다. 도면에 나타낸 바와 같이, 각각의 샘플 투입구(805)는 미세유체 카트리지(815)의 외부 표면(810)으로부터 돌출된 개구부를 둘러싼 부분을 포함한다. 도 8A 및 8B에서, 네 개의 샘플 수용체(800)이 미세유체 카트리지(815)의 네 개의 샘플 투입구(805)에 유체적으로 결합된다. 다른 구현예에서, 미세유체 카트리지(815)는 동일한 수의 샘플 수용체(800)와 유체적으로 결합하기 위해 한 개의 샘플 투입구(805)를 포함하여 네 개 보다 적은 샘플 투입구(805)를 포함할 수 있거나, 네 개 이상의 샘플 투입구(805)를 포함할 수 있다. 샘플 수용체(800)뿐만 아니라 샘플 투입구(805) 각각은 동일한 타입 또는 상이한 타입일 수 있다. 도면에 나타낸 바와 같이, 샘플 수용체(800)와 샘플 투입구(805)는 동일한 타입일 수 있다. 그 대신에, 하나 이상의 샘플 수용체(800)와 샘플 투입구(805)는 상이한 타입일 수 있다.
도면에 추가로 나타낸 바와 같이, 각각의 샘플 수용체(800)는 샘플 수집을 위한 투입구-연결가능 부분(820), 수용체 부분(825) 및 분리가능 부분(830)을 포함한다. 투입구-연결가능 부분(820)은 수용체 부분(825)의 일 말단에 있다. 수용체 부분(825)은 실린지 배럴(syringe barrel)와 유사한 배럴의 형태이다. 투입구-연결가능 부분(820)은 유체-기밀 차단을 형성하기 위해 샘플 투입구(805)에 결합되도록 구성될 수 있다. 유체-연결가능 부분(820)과 샘플 투입구(805)는 임의의 소-규모 유체-피팅(fluid-fitting) 시스템에 기초를 둘 수 있다. 일 구현예에서, 투입구-연결가능 부분(820) 및 샘플 투입구(805) 각각은 루어-락(Luer-Lok) 연결기, 나사형 연결기 및 플랜지형 연결기로 이루어진 군으로부터 선택된 보편적인 연결기를 가진다. 예를 들면, 투입구-연결가능 부분(820)과 샘플 투입구(805)는 루어-락 피팅 시스템에 기초를 둘 수 있다. 일 구현예에서, 샘플 투입구(805)는 암형 루어-락 피팅이 되도록 나사형이고, 투입구-연결가능 부분(820)은 샘플 투입구(805)의 개구부 내부에 맞도록 구성된 내부 플랜지 및 나사형 샘플 투입구(805)에 나사-고정되도록 구성된 나사형의 제 2 외부 플랜지를 갖는 상호보완적 수형 루어-락 피팅에 기초를 둘 수 있다.
분리가능 부분(830)은 생물학적 샘플을 수집하기 위해 수용체 부분(825)으로부터 제거되도록 구성되며, 생물학적 샘플의 수집이 완료된 후에 수용체 부분(825)에 재차 결합된다. 제거가능한 결합을 실행하기 위해, 분리가능 부분(830)은 플랜지형 그립(835)를 포함한다. 플랜지형 그립(835)은 수용체 부분(825)의 상호보완적 말단에 가역적으로 결합되도록 구성될 수 있다. 플랜지형 그립(835)으로부터 확장되는 전신 부재(840)는 샘플 수집 부분(845)을 포함한다. 샘플 수집 부분(845)은 면봉의 형태일 수 있다.
미세유체 카트리지(815)가 핵산 분석기의 압력 모듈에 결합되는 경우에, 핵산 추출이 수행될 수 있다. 압력 모듈은, 샘플 수용체(800)에 의해 드러난 생물학적 샘플에서 핵산 추출을 수행하기 위해 미세유체 카트리지(815)의 추출 혼합물 저장소로부터의 효소 혼합물을 샘플 수용체(800) 내로 끌어들이는 양압 및/또는 음압을 제공할 수 있다. 효소 분해를 돕기 위해, 압력 모듈은, 양압 및/또는 음압을 통해, 샘플 수용체(800) 및 미세유체 카트리지(815)의 추출 혼합물 저장소 내에서 앞뒤로의 움직임으로 효소 혼합물을 움직일 수 있다. 기체(예컨대, 공기)가 샘플 수용체(800)를 빠져나가는 것을 가능케 하기 위해, 샘플 수용체(800)의 플랜지형 그립(835)은 기체 투과성일 수 있다. 도면에 나타낸 바와 같이, 샘플 수용체(800)는 플랜지형 그립(835)에서 정의된 개구부(850)를 포함함으로써 기체 투과성으로 제조된다.
미세유체 카트리지(815)는 추출 혼합물 저장소와 유체 소통하는 벤트 포트를 포함할 수 있으며, 이러한 벤트 포트는 추출 혼합물 저장소와 샘플 투입구(805)를 통해 샘플 수용체(800)과 연속 유체 소통하는 압력 모듈을 설치할 수 있다. 일 구현예에서, 압력 모듈은 샘플 투입구(805)를 통해 다량의 효소 혼합물이 샘플 수용체(800) 내로 들어가게 하기 위해 추출 혼합물 저장소의 원위 말단에 양압 및/또는 음압을 적용하며, 이 경우, 효소 혼합물은 샘플 수용체(800)의 샘플 수집 부분(845)에 드러난 생물학적 샘플을 침전시킬 수 있다. 이어서, 압력 모듈은, 제어기 모듈의 제어 하에, 효소 혼합물 및 용해된 생물학적 샘플을 추출 혼합물 저장소로 다시 되돌아가게 할 수 있다. 압력 모듈은 적어도 효소적/생물학적 샘플 혼합물의 주요 부분을 샘플 수용체(800)로 되돌아가게 할 수 있다. 이러한 앞뒤로의 움직임은 공기압과 같은 양압 및/또는 음악을 사용하여 압력 모듈의 작동에 의해 지속될 수 있으며, 핵산 추출이 완료되면 중단될 수 있다. 앞뒤로의 움직임과 연관된 혼탁은 핵산 추출을 도울 수 있으며, 잘-혼합된 추출된 핵산 용액을 생성시킬 수 있다.
핵산 추출 동안, 샘플 수용체(800)는 핵산 분석기의 추출 열 모듈에 결합될 수 있다. 상기에서 논의한 바와 같이, 추출 열 모듈은, 샘플 수용체(800)에 의해 드러난 생물학적 샘플의 세포 성분(핵산 외에)의 효소적 소화를 촉진시키기 위해 효소 혼합물을 가열할 수 있다.
도 9는 지문 또는 손바닥 프린트와 같은 프린트를 캡처하는 예시적 방법(900)의 플로우차트이다. 잠재 프린트는 단계(S910)에서 빛으로 파운데이션(foundation) 상에서 조사된다. 하나 이상의 빛의 주파수 및 반사각이 잠재 프린트로부터 빛의 최대 정반사를 제공하고 잠재 프린트로부터 빛의 최소 난반사를 제공하기 위해 단계(S920)에서 조절된다. 파운데이션 대비 잠재 프린트의 생성 이미지는 단계(S930)에서 캡처된다. 본 발명의 일 구현예에서, 잠재 프린트는 유기-기반 잠재 프린트일 수 있다.
또한, 방법(900)은 빛의 최대 정반사를 달성하기 위해 샘플의 표면에 대한 경사각과 거의 동일해지도록 반사각을 조절하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 조절은 조사된 샘플 표면으로부터 정반사를 생성하고 캡처하기 위해 임계 정렬 각도에서 광원 및 광 검출기를 정렬하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 조절은 광 검출기에 결합된 광학 시스템의 개구수를 0으로 설정하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 또한, 이러한 조절은 광학 시스템 및 광원의 개구수를 실질적으로 동일하고 정반대가 되도록 설정하는 것을 포함할 수 있다.
또한, 방법(900)은 파운데이션의 기재 또는 표면 질감에 따라 빛의 파장 또는 파장 범위를 조절하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 조절은 하나 이상의 필터를 조절하는 것, 하나 이상의 필터를 활성화 또는 비-활성화시키는 것, 굴절 또는 반사 기법을 사용하여 특정 파장을 분리해내는 것 및 원하는 파장을 생성하도록 구성된 하나 이상의 개별 광원을 활성화시키는 것을 추가로 포함할 수 있다.
도 10은 지문 또는 손바닥 프린트와 같은 프린트를 식별하는 예시적 방법(1000)의 플로우차트이다. 잠재 프린트의 샘플 이미지는 단계(S1010)에서 빛의 조절된 주파수 또는 조절된 반사각을 통해 파운데이션 상에 위치하고 캡처된다. 샘플 상의 하나 이상의 분석물질은, 단계(S1020)에서 분석물질 검출을 위한 하나 이상의 FET로 구성된 IC를 통해 측정된다. 잠재 프린트의 DNA 내용물은, 단계(S1030)에서 위치시키기, 캡처하기 및 측정하기에 후속하여, 핵산 분석기를 통해 분석된다. 위치시키는 단계, 캡처하는 단계 및 측정하는 단계 동안에 프린트에 대해서 어떠한 접촉도 이루어지지 않는다. 일 구현예에서, 잠재 프린트는 유기-기반 잠재 프린트일 수 있다. 다른 구현예에서, 하나 이상의 분석물질은 유기-기반 분석물질일 수 있다.
또한, 방법(1000)은, 빛의 반사각을 샘플 표면에 대한 빛의 경사각과 거의 동일해지도록 조절함으로써, 잠재 프린트로부터 빛의 정반사를 최대화하는 것 및 파운데이션으로부터 빛의 난반사를 최소화시키는 것을 포함할 수 있다. 또한, 방법(1000)은 파운데이션의 기재 또는 표면 질감에 따라 빛의 파장 또는 파장 범위를 조절하는 것을 포함할 수 있다.
또한, 방법(1000)은 ss-DNA 가닥과 상호작용하는 분석물질에 의해 나노튜브에 연결된 단일-가닥 DNA(ss-DNA) 가닥을 활성화시키는 것을 포함할 수 있다. 나노튜브는 FET 게이트의 활성 성분을 포함하고, IC의 소스 및 드레인에 전기적으로 결합되며, 활성화되는 경우 전도도 변화를 측정하도록 구성된다. 또한, 방법(1000)은 FET들 중 하나의 FET 게이트의 나노구조체 층에 결합된 다수의 GPCR을 활성화시키는 것을 포함할 수 있다. 나노구조체 층은 FET의 소스 및 드레인과 전기적으로 결합되며, GPCR이 GPCR에 특이적인 분석물질에 의해 활성화되는 경우 전도도 변화를 측정하도록 구성된다.
또한, 방법(1000)은 추출, 증폭, 분리, 및 핵산 분석기의 미세유체 카트리지를 통한 잠재 프린트의 DNA 내용물을 식별을 포함할 수 있다. IC는 후각 수용체, 또는 분석물질 검출을 위해 선별된 다른 타입의 기능화 제제로 기능화된 FET로 구성될 수 있다. 하나 이상의 FET는 하나 이상의 ChemFET 또는 하나 이상의 BioFET를 포함할 수 있다.
본 발명의 구현예는 프린트를 식별하는 시스템을 기재하며, 이러한 시스템은, 프린트의 샘플에서 방출되는 빛의 주파수 및 반사각 중 하나 이상의 조절을 통해, 프린트로부터 반사된 빛의 정반사를 최대화하고 프린트의 배경(background) 표면으로부터 반사된 빛의 난반사를 최소화하도록 구성된 이미지-캡처링 광학 시스템을 포함한다. 또한, 시스템은 프린트로부터 복수의 분석물질을 검출하도록 구성된 나노구조체를 지닌 하나 이상의 FET를 갖는 IC를 포함한다. 또한, 시스템은 프린트를 처리하고 프린트의 DNA 내용물을 측정하도록 구성된 핵산 분석기를 포함한다. 또한, 핵산 분석기는 프린트의 DNA 내용물을 추출, 증폭 및 분리하고 프린트의 DNA 내용물을 식별하도록 구성된 미세유체 카트리지를 포함할 수 있다. 이미지-캡처링 광학 시스템과 IC의 처리 동안에, 프린트에는 어떠한 접촉도 일어나지 않는다. 일 구현예에서, 프린트는 유기-기반 프린트일 수 있다. 다른 구현예에서, 복수의 분석물질은 복수의 유기-기반 분석물질일 수 있다.
또한, 이미지-캡처링 광학 시스템은 샘플 표면에 대해 방출된 빛의 경사각과 거의 동일한 반사각을 포함할 수 있으며, 프린트로부터 방출된 빛의 최대 정반사 및 프린트의 배경 표면으로부터 방출된 빛의 최소 난반사를 달성하도록 구성될 수 있다. 또한, 이미지-캡처링 광학 시스템은 프린트의 배경 표면의 기재 또는 표면 질감에 따라 방출된 빛의 파장을 조절하도록 구성된 하나 이상의 필터를 포함할 수 있다.
또한, IC는 FET들 중 하나의 게이트를 포함하는 나노구조화된 표면에 연결된 다수의 GPCR를 포함할 수 있다. 나노구조체는 FET의 소스 및 드레인에 전기적으로 결합되며, GPCR에 특이적인 분석물질에 의해 GPCR이 활성화되는 경우에 전도도 변화를 측정하도록 구성된다. 또한, IC는 FET들 중 하나의 게이트를 포함하는 나노튜브에 연결된 DNA 가닥을 포함할 수 있다. 나노튜브는 FET의 소스 및 드레인에 전기적으로 결합되며, DNA가닥과 상호작용하는 분석물질에 의해 DNA 가닥이 활성화되는 경우에 전도도 변화를 측정하도록 구성된다. 또한, 핵산 분석기는 프린트의 DNA 내용물을 추출, 증폭 및 분리하고 프린트의 DNA 내용물을 식별하도록 구성된 미세유체 카트리지를 포함할 수 있다.
본 발명에 개시된 구현예는 랩톱(laptop), 패드 컴퓨터, 팜톱(palmtop), 스마트폰 또는 기타 휴대용 전산 장치를 상응하는 유선 또는 무선 입력 및 출력 통신 능력과 통합시킬 수 있다. 휴대용 컴퓨터는 잠재 프린트 영상장비, 관련 전자 코 산출물 및 빠른 DNA 장치의 관련 접촉 흔 DNA 산출물의 잠재 프린트 이미지를 수집한다. 컴퓨터는 연쇄 증거의 목적을 위해 이질적인 센서 산출물을 연관지으며, 이러한 기능이 센서 시스템 내부에 포함되어 있지 않은 경우에 추가 전산 능력을 제공할 수 있다.
휴대용 전산 장치는 세 가지 센서 중 임의의 것으로부터의 산출물을 개별적으로 처리할 수 있거나, 드러난 증거의 특성에 연관성이 있는 임의의 조합으로 이들을 연관시킬 수 있다. 그러한 산출물, 이의 연관성 및 메타-데이터의 기록은 지역적으로 저장될 수 있고/있거나 추가 증거 처리 및 잠재적 추가 조사 또는 사법적 용도를 위해 적합한 중앙 저장소에 전송될 수 있다.
본 명세서에 기재된 구현예의 시스템 및 방법은 접촉 흔 DNA로 표본처리될 ‹š까지 프린트를 오염시키거나 훼손시킴 없이 프린트로부터 회수된 정보를 위치지정, 수집 및 식별하는데 다양한 방안을 갖는다는 이점을 제공한다. 프린트의 잠재 이미지 식별 및 분석물질-기반 식별은 훼손됨 없이 가치있는 증거를 제공한다. 또한, 프린트는 궁극적으로 가능한 접촉 흔 DNA 식별법으로 처리될 수 있다. 비오염된 피부 세포의 최대 수가 본 명세서에 개시된 구현예를 이용하여 DNA 식별을 위해 제공된다. 또한, 프린트가 오염되거나 임의의 다른 이유로 잠재 이미징을 위한 충분한 세부정보를 가지지 못하는 경우에, 전자 코 분석 및 DNA 시퀀싱은 프린트 식별을 위해 또는 다른 비-오염된 프린트와의 연관짓기 위해 여전히 사용될 수 있으며, 그렇지 않으면 무시되거나 폐기될 수도 있었던 증거를 유용하게 만든다.
구체적인 실시예들을 통해 본 발명이 기재되었을지라도, 다수의 대체예, 변경예 및 변형예가 당업계의 통상의 기술자들에게 명확하게 이해될 것임은 분명하다. 따라서, 본 명세서에서 개진된 실시예들은 예시를 위해 의도된 것이며, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 동기 및 범주로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 이루어질 수 있다.

Claims (23)

  1. 하기의 단계들을 포함하는, 프린트(print) 캡처 방법:
    빛으로 파운데이션(foundation) 상에서 잠재 프린트(latent print)를 조사하는 단계;
    빛의 주파수 및 반사각 중 하나 이상을 조절하여, 잠재 프린트로부터 빛의 최대 정반사 및 잠재 프린트로부터 빛의 최소 난반사를 제공하는 단계; 및
    파운데이션에 대비하여 잠재 프린트의 생성 이미지를 캡처하는 단계.
  2. 제 1항에 있어서,
    빛의 최대 정반사를 달성하기 위해, 잠재 프린트 표면에 대한 입사각과 거의 동일하도록 반사각을 조절하는 단계를 추가로 포함하는, 프린트 캡처 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 조절하는 단계가, 임계 정렬 각도에서 광원 및 광 검출기를 정렬하여 잠재 프린트의 조사 표면으로부터 정반사를 생성하고 캡처하는 단계를 추가로 포함하는, 프린트 캡처 방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 조절하는 단계가, 광 검출기와 결합된 광학 시스템의 개구수를 0으로 설정하는 단계를 추가로 포함하는, 프린트 캡처 방법.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 조절하는 단계가, 광학 시스템과 광원의 개구수가 실질적으로 같거나 정반대가 되도록 설정하는 단계를 추가로 포함하는, 프린트 캡처 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    파운데이션의 기재 또는 표면 질감에 따라 빛의 파장 또는 파장 범위를 조절하는 단계를 추가로 포함하는, 프린트 캡처 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 조절하는 단계가, 하나 이상의 필터를 조절하는 단계, 하나 이상의 필터를 활성화 또는 비활성화시키는 단계, 굴절 또는 반사 기법을 사용하여 특정 파장을 분리해내는 단계, 및 원하는 파장을 생성하도록 구성된 하나 이상의 개별 광원을 활성화시키는 단계를 추가로 포함하는, 프린트 캡처 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 잠재 프린트가 유기-기반 잠재 프린트를 포함하는, 프린트 캡처 방법.
  9. 하기의 단계들을 포함하는, 프린트 식별 방법:
    빛의 조절된 주파수 또는 조절된 반사각을 통해, 파운데이션 상에 잠재 프린트의 샘플 이미지를 위치시키고 캡처하는 단계;
    분석물질(analyte) 검출을 위해 하나 이상의 전계 효과 트랜지스터(FET)로 구성된 집적 회로(IC)를 통해, 샘플에서 하나 이상의 분석물질을 측정하는 단계; 및
    핵산 분석기를 통해, 위치시키고 캡처하는 단계 및 측정하는 단계에 후속하여 잠재 프린트의 DNA 내용물을 분석하는 단계로, 상기 위치시키고 캡처하는 단계 및 측정하는 단계 동안 프린트에 어떠한 접촉도 일어나지 않는 단계.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 캡처하는 단계가, 빛의 반사각을 샘플 표면에 대한 빛의 경사각과 거의 동일하도록 조절함으로써 잠재 프린트로부터 빛의 정반사를 최대화하고 파운데이션으로부터 빛의 난반사를 최소화하는 단계를 추가로 포함하는, 프린트 식별 방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 캡처하는 단계가, 파운데이션의 기재 또는 표면 질감에 따라 빛의 파장 또는 파장 범위를 조절하는 단계를 추가로 포함하는, 프린트 식별 방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 측정하는 단계가, 단일 가닥 DNA(ss-DNA) 가닥과 상호작용하는 분석물질에 의해 나노튜브와 결합되는 ss-DNA 가닥을 활성화시키는 단계를 추가로 포함하며, 상기 나노튜브가 FET 게이트(gate)의 활성 성분을 포함하고, IC의 소스(source) 및 드레인(drain)에 전기적으로 결합되며, 활성화에서 전도도 변화를 측정하도록 구성된, 프린트 식별 방법.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 측정하는 단계가, FET들 중 하나의 FET 게이트의 나노구조체 층에 결합된 G 단백질-결합 수용체(GPCR)의 질량을 활성화시키는 단계를 추가로 포함하며, 상기 나노구조체 층이 FET의 소스 및 드레인에 전기적으로 결합되며 GPCR에 특이적인 분석물질에 의해 GPCR이 활성화되는 경우에 전도도 변화를 측정하도록 설계되는, 프린트 식별 방법.
  14. 제 9항에 있어서,
    핵산 분석기의 미세유체 카트리지를 통해 잠재 프린트의 DNA 내용물을 추출하는 단계, 증폭하는 단계, 분리하는 단계 및 식별하는 단계를 추가로 포함하는, 프린트 식별 방법.
  15. 제 9항에 있어서,
    상기 IC가 후각 수용체로 기능화된 FET로 구성되는, 프린트 식별 방법.
  16. 제 9항에 있어서,
    하나 이상의 상기 FET가 하나 이상의 화학-기반 FET(ChemFET) 또는 하나 이상의 생물-기반 FET(BioFET)를 포함하는, 프린트 식별 방법.
  17. 제 9항에 있어서,
    상기 잠재 프린트가 유기-기반 잠재 프린트를 포함하고, 하나 이상의 상기 분석물질이 하나 이상의 유기-기반 분석물질을 포함하는, 프린트 식별 방법.
  18. 프린트 샘플에서 방출된 빛의 주파수 및 반사각 중 하나 이상의 조절을 통해 프린트로부터 반사된 빛의 정반사를 최대화하고 프린트의 배경 표면으로부터 반사된 빛의 난반사를 최소화하도록 구성된 이미지-캡처링 및 광학 시스템;
    프린트로부터 복수의 분석물질을 검출하도록 구성된 나노구조체를 지닌 하나 이상의 전계 효과 트랜지스터(FET)를 갖는 집적 회로(IC); 및
    프린트를 처리하고 프린트의 DNA 내용물을 측정하도록 구성된 핵산 분석기를 포함하는 프린트 식별 시스템으로, 상기 이미지-캡처링 및 광학 시스템 및 상기 IC에 의해 프린트가 처리되는 동안 프린트에 어떠한 접촉도 일어나지 않는, 프린트 식별 시스템.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 이미지-캡처링 및 광학 시스템이
    샘플 표면에 대해 방출된 빛의 경사각과 거의 동일하고, 프린트로부터 방출된 빛의 최대 정반사 및 프린트 배경 표면으로부터 방출된 빛의 최소 난반사를 달성하도록 구성된 반사각; 및
    프린트 배경 표면의 기재 또는 표면 질감에 따라 방출된 빛의 파장을 조절하도록 구성된 하나 이상의 필터를 추가로 포함하는, 프린트 식별 시스템.
  20. 제 18항에 있어서,
    상기 IC가FET들 중 하나의 게이트를 포함하는 나노구조화된 표면에 결합된 G 단백질-결합 수용체(GPCR)의 질량을 추가로 포함하며, 나노구조체가 FET의 소스 및 드레인에 전기적으로 결합되고 GPCR에 특이적인 분석물질에 의해 GPCR이 활성화되는 경우에 전도도 변화를 측정하도록 구성되는, 프린트 식별 방법.
  21. 제 18항에 있어서,
    상기 IC가 FET들 중 하나의 게이트를 포함하는 나노튜브에 결합된 DNA 가닥을 추가로 포함하며, 상기 나노튜브가 FET의 소스 및 드레인에 전기적으로 결합되고 DNA 가닥과 상호작용하는 분석물질에 의해 DNA 가닥이 활성화되는 경우에 전도도 변화를 측정하도록 구성되는, 프린트 식별 방법.
  22. 제 18항에 있어서,
    상기 핵산 분석기가 프린트의 DNA내용물을 추출, 증폭 및 분리하고 프린트의 DNA 내용물을 식별하도록 구성된 미세유체 카트리지를 추가로 포함하는, 프린트 식별 방법.
  23. 제 18항에 있어서,
    상기 프린트가 유기-기반 프린트를 포함하며, 복수의 분석물질이 복수의 유기-기반 분석물질을 포함하는, 프린트 식별 방법.
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