KR20190095112A - 시약 혼합 시스템 및 방법 - Google Patents

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요한나 엘. 휘태커
스티븐 에스. 펠프스
브래들리 켄트 드레브스
2세 데브라 수 브라이언
마이클 에이. 니지올렉
조슈아 에이. 다란드
움베르토 울메니엘라
마이클 다이 왕
미셸 엘. 알바레즈
스티븐 웨인 클라크
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일루미나, 인코포레이티드
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Abstract

방법은 혼합 프로토콜을 구현하는 제어 회로의 제어 하에 시약을 다수의 상이한 시약 저장조로부터 캐시 채널로 흡인하는 단계를 포함한다. 지정된 양의 상기 시약은 상기 제어 회로에 의해 구현되는 상기 혼합 프로토콜에 기초하여 대응하는 시퍼에 의해 대응하는 시약 저장조로부터 자동적으로 흡인된다. 상기 방법은 상기 시약을 상기 캐시 채널로부터 혼합 저장조 내로 배출하는 단계, 및 상기 혼합 저장조 내 상기 시약을 혼합하여 시약 혼합물을 형성하는 단계를 더 포함한다.

Description

시약 혼합 시스템 및 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은, 2017년 1월 5일자로 출원된 미국 가출원 번호 62/442,647의 우선권의 이익을 주장하고, 또한 2017년 1월 5일자로 출원된 미국 가출원 번호 62/442,647의 우선권의 이익을 주장하는 2017년 3월 24일자로 출원된 영국(GB) 특허 출원 번호 1704747.3의 이익을 주장하며, 이들 선출원 문헌 각각은 전체 내용이 본 명세서에 병합된다.
특히 DNA(deoxyribonucleic acid), RNA(ribonucleic acid), 및 다른 생물학적 샘플과 같은 관심 분자의 서열 분석(sequencing)을 위한 기기들이 개발되어 계속 진화되고 있다. 서열 분석 작업(sequencing operation) 전에, 관심 분자 샘플이 준비되어 라이브러리 또는 템플릿을 형성하고 이 라이브러리 또는 템플릿은 시약과 혼합되고 나서 궁극적으로 흐름 셀(flow cell)에 도입되고 여기서 개별 분자들이 여러 부위(site)에 부착되고 증폭되어 검출 가능성이 향상된다. 이후 서열 분석 작업은 여러 부위에서 분자를 결합시키는 단계, 결합된 성분들에 태그를 붙이는 단계, 여러 부위에서 성분들을 이미징하는 단계, 및 결과 이미지 데이터를 처리하는 단계의 사이클을 반복하는 것을 포함한다.
이러한 서열 분석 시스템에서, 시약은 서로 수동으로 혼합되어 시약 혼합물을 생성하고, 이 시약 혼합물은 이후 샘플 템플릿과 수동으로 혼합되고 클러스터 스테이션(cluster station)으로 로딩되어 흐름 셀로 흘러간다. 서열 분석 동작의 성능은 시약 혼합물 내의 각 시약의 양, 시약이 혼합되는 순서, 시약들이 함께 및 샘플 템플릿과 혼합되는 방식, 시약 혼합물의 온도, 시약들이 혼합되는 시간으로부터 발생하는 시간 기간, 및 결합되는 시약 혼합물 및 샘플 템플릿이 클러스터 스테이션에 로드되는 시간 등과 같은 다양한 시약 인자에 의해 영향을 받을 수 있다. 시약을 수동으로 이송하고 혼합하면 시약 인자에 변동이 초래되어, 이러한 변동은 서열 분석 동작의 성능에 해로울 수 있다. 예를 들어, 시약과 샘플 템플릿이 불충분하게 혼합되면 서열 분석에 사용되는 흐름 셀 상의 분자 클러스터의 품질 수율이 낮아서 성능이 저하될 수 있다.
일례에서, 혼합 프로토콜을 구현하는 제어 회로의 제어 하에, 다수의 상이한 시약 저장조로부터 캐시 채널 내로 시약을 흡인하는 단계를 포함하는 (예를 들어, 시약을 혼합하기 위한) 방법이 제공된다. 상기 시약의 지정된 양은 상기 제어 회로에 의해 구현되는 상기 혼합 프로토콜에 기초하여 대응하는 시퍼(sipper)에 의해 대응하는 시약 저장조로부터 자동적으로 흡인된다. 상기 방법은 상기 시약을 상기 캐시 채널로부터 혼합 저장조 내로 배출하는 단계; 및 상기 혼합 저장조 내에서 상기 시약을 혼합하여 시약 혼합물을 형성하는 단계를 더 포함한다.
일례에서, 상기 방법은 상기 시약 혼합물을 흐름 셀로 전달하는 단계를 더 포함하고, 상기 시약 혼합물은 상기 흐름 셀 상의 샘플 템플릿과 반응하여 상기 흐름 셀 상에 DNA(deoxyribonucleic acid) 분자의 클론 집단을 생성한다.
상기 방법의 일례에서, 상기 혼합 저장조는 상기 시약을 상기 캐시 채널로부터 상기 혼합 저장조 내로 배출하기 전에 내부에 샘플 템플릿을 수용한다.
또 다른 예에서, 상기 혼합 저장조 내에 있는 상기 시약들은, 상기 시약 혼합물의 체적을 상기 혼합 저장조로 연장되는 노즐 시퍼로 흡인하고 나서 상기 시약 혼합물의 체적을 상기 노즐 시퍼로부터 상기 혼합 저장조로 되 배출함으로써 혼합된다. 이 예에서, 상기 노즐 시퍼는 내부에 완충액 유체를 포함하고, 상기 방법은, 상기 시약 혼합물의 체적을 상기 노즐 시퍼 내로 흡인하기 전에 상기 노즐 시퍼 내로 공기를 도입하여, 상기 노즐 시퍼 내로 흡인되는 상기 시약 혼합물과 상기 완충액 유체 사이에 공기 갭을 형성하여, 상기 완충액 유체와 상기 시약 혼합물 간에 혼합이 일어나는 것을 피하는 단계를 더 포함한다.
상기 방법의 일례에서, 상기 시약은 순서화된 시퀀스(ordered sequence)로 한 번에 하나씩 상기 캐시 채널로 흡인된다. 이 예에서, 상기 캐시 채널은 상기 시약을 상기 캐시 채널로 흡인하는 것에 응답하여 상기 캐시 채널의 길이를 따라 상기 지정된 양의 상이한 시약들이 교번하는 패턴을 포함한다.
본 방법의 또 다른 예에서, 상기 시약은 상기 캐시 채널 내 상기 시약들이 상기 혼합 저장조 내로 배출되기 전에 적어도 한번 반복되는 순서화된 시퀀스로 한 번에 하나씩 다른 시약 저장조로부터 상기 캐시 채널로 흡인된다.
일례에서, 상기 시약을 상기 혼합 저장조로 배출한 후에 상류 완충액 구역을 형성하는 상기 시약의 잔류 체적이 상기 캐시 채널에 남아 있도록, 상기 시약의 제1 체적이 상기 캐시 채널로 흡인되고 나서, 상기 시약의 더 작은 제2 체적이 상기 혼합 저장조로 배출된다.
상기 방법의 일례에서, 상기 시약은 상기 대응하는 시약 저장조 내로 연장되는 시퍼를 사용하여 대응하는 시약 저장조로부터 흡인되고, 상기 시퍼는 유체 매니폴드 상의 대응하는 포트 및 유체 채널을 통해 상기 캐시 채널에 유체 흐름 가능하게 연결된다.
상기 방법의 일례는 상기 시약들 사이의 혼화성의 차이를 줄이기 위해 상기 시약들에 계면 활성제를 도입하는 단계를 더 포함한다.
일례에서, 상기 시약의 적어도 일부는 서로에 상이한 비중을 갖는다.
본 방법의 또 다른 예는 10,000 달톤 미만의 분자량을 갖는 군집제(crowding agent)를 상기 시약에 도입하여 상기 시약의 점도를 감소시키는 단계를 더 포함한다.
본 방법의 임의의 특징은 임의의 바람직한 방식 및/또는 구성으로 함께 결합될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
또 다른 예에서, 다수의 시퍼, 캐시 채널 및 제어 회로를 포함하는 (예를 들어, 시약을 혼합하기 위한) 시스템이 제공된다. 상기 다수의 시퍼는 노즐 시퍼 및 다수의 시약 시퍼를 포함한다. 상기 시약 시퍼는 상기 시약 시퍼의 각각의 원위 팁이 상기 시약 저장조 내 상기 시약과 접촉하도록 상이한 시약들을 내부에 수용하는 상이한 대응하는 시약 저장조 내로 연장된다. 상기 노즐 시퍼는 혼합 저장조 내로 연장된다. 상기 캐시 채널은 펌프 단부와 저장조 단부 사이에 연장된다. 상기 캐시 채널의 상기 펌프 단부는 펌프에 동작 가능하게 연결된다. 상기 캐시 채널의 상기 저장조 단부는 시약 선택기 밸브 및 대응하는 유체 채널을 통해 상기 시퍼에 유체 흐름 가능하게 연결된다. 상기 제어 회로는 상기 펌프 및 상기 시약 선택기 밸브에 동작 가능하게 연결된다. 상기 제어 회로는 혼합 프로토콜을 구현하여 상기 펌프 및 상기 시약 선택기 밸브를 제어해서 상기 혼합 프로토콜에 기초하여 대응하는 시약을 지정된 양만큼 대응하는 시약 시퍼를 통해 상기 캐시 채널로 상기 시약을 자동적으로 흡인하도록 한다. 상기 제어 회로는 이후 상기 펌프 및 상기 시약 선택기 밸브를 제어하여 상기 시약을 상기 캐시 채널로부터 상기 노즐 시퍼를 통해 상기 혼합 저장조 내로 배출하고 상기 시약을 상기 혼합 저장조 내에서 혼합하여 시약 혼합물을 형성하도록 한다.
상기 시스템의 일례에서, 상기 제어 회로는 상기 펌프를 제어하여, 상기 시약 혼합물의 체적을 상기 노즐 시퍼로 흡인하고 나서 상기 시약 혼합물의 체적을 상기 노즐 시퍼로부터 상기 혼합 저장조로 되 배출함으로써 상기 혼합 저장조 내에서 상기 시약을 혼합하도록 한다. 이 예에서, 상기 제어 회로는 상기 펌프 및 상기 시약 선택기 밸브를 제어하여, 상기 혼합 저장조 내 상기 시약 혼합물을 다수 번 흡인하고 배출하여 상기 시약들을 혼합하도록 한다. 이 예에서, 상기 노즐 시퍼는 내부에 완충액 유체를 수용하고, 상기 제어 회로는 상기 펌프를 제어하여, 상기 시약 혼합물을 상기 노즐 시퍼로 흡인하기 전에 상기 노즐 시퍼에 공기를 도입하여, 상기 노즐 시퍼 내로 흡인되는 상기 시약 혼합물과 상기 완충액 유체 사이에 공기 갭을 형성하여, 상기 완충액 유체와 상기 시약 혼합물이 혼합되는 것을 피하게 한다.
상기 시스템의 일례에서, 상기 노즐 시퍼의 내부 직경은 상기 시약 시퍼의 각각의 내부 직경보다 더 작다.
상기 시스템의 일례에서, 상기 제어 회로는 상기 펌프 및 상기 시약 선택기 밸브를 더 제어하여, 상기 노즐 시퍼 및 상기 시약 선택기 밸브를 통해 상기 혼합 저장조에 유체 흐름 가능하게 연결된 흐름 셀에 상기 시약 혼합물을 전달하게 하고, 상기 시약 혼합물은 상기 흐름 셀 상의 샘플 템플릿과 반응하여 상기 흐름 셀 상에 DNA 분자의 클론 집단을 생성한다.
상기 시스템의 일례에서, 상기 제어 회로는 상기 펌프와 상기 시약 선택기 밸브를 제어하여, 순서화된 시퀀스로 한번에 하나씩 다른 시약을 상기 캐시 채널로 흡인하고, 상기 캐시 채널 내의 상기 시약이 상기 혼합 저장조 내로 배출되기 전에 적어도 한번 순서화된 시퀀스를 반복하게 한다.
상기 시스템의 또 다른 예에서, 상기 제어 회로는 상기 펌프와 상기 시약 선택기 밸브를 제어하여, 상기 시약의 제1 볼륨을 상기 캐시 채널로 흡인하고 나서 상기 시약의 제2 더 작은 체적을 상기 캐시 채널로부터 상기 혼합 저장조 내로 배출하여, 상기 시약을 상기 혼합 저장조 내로 배출한 후에 상류 완충액 구역을 형성하는 상기 시약의 잔류 체적이 상기 캐시 채널 내에 남아 있게 한다.
상기 시스템의 임의의 특징은 임의의 바람직한 방식으로 함께 결합될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 상기 시스템 및/또는 상기 방법의 특징의 임의의 조합은 함께 사용될 수 있고 및/또는 이들 양태 중 하나 또는 모두의 양태로부터의 임의의 특징은 본 명세서에 개시된 임의의 예와 결합될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
또 다른 예에서, 유체 매니폴드, 시약 선택기 밸브 및 펌프를 포함하는 (예를 들어, 시약을 혼합하기 위한) 시스템이 제공된다. 상기 유체 매니폴드는 다수의 시퍼 및 캐시 채널을 포함한다. 상기 시퍼는 다수의 시약 시퍼 및 노즐 시퍼를 포함한다. 상기 시약 시퍼는 상기 시약 시퍼의 원위 팁이 상기 시약과 접촉하도록 내부에 상이한 시약을 포함하는 상이한 대응하는 시약 저장조 내로 연장된다. 상기 노즐 시퍼는 혼합 저장조 내로 연장된다. 상기 캐시 채널은 펌프 단부와 저장조 단부 사이에 연장된다. 상기 저장조 단부는 상기 유체 매니폴드를 따라 대응하는 유체 채널을 통해 상기 시퍼에 유체 흐름 가능하게 연결된다. 상기 시약 선택기 밸브는 상기 캐시 채널과 상기 시퍼 사이에 동작 가능하게 연결된다. 상기 펌프는 상기 캐시 채널의 상기 펌프 단부에 동작 가능하게 연결된다. 상기 펌프 및 상기 시약 선택기 밸브는, 혼합 프로토콜에 기초하여 대응하는 시약을 지정된 양만큼 상기 시약 저장조로부터 대응하는 시약 시퍼를 통해 상기 캐시 채널로 상기 시약을 흡인하도록 상기 혼합 프로토콜에 따라 자동적으로 제어된다. 상기 펌프 및 상기 시약 선택기 밸브는, 이후 상기 캐시 채널로부터 상기 노즐 시퍼를 통해 상기 혼합 저장조로 상기 시약을 배출하고, 상기 혼합 저장조로부터 상기 노즐 시퍼로 시약 혼합물의 체적을 흡인하고 나서 상기 시약 혼합물의 체적을 상기 노즐 시퍼로부터 상기 혼합 저장조 내로 되 배출하는 것에 의해 상기 혼합 저장조 내의 상기 시약을 혼합하여 상기 시약 혼합물을 형성하도록 자동적으로 제어된다.
상기 시스템의 일례에서, 상기 펌프 및 상기 시약 선택기 밸브는, 상기 시약 저장조로부터 상기 캐시 채널로 순서화된 시퀀스로 한 번에 하나씩 상기 시약을 흡인하고, 상기 시약을 상기 캐시 채널로부터 상기 시약 저장조로 배출하기 전에 적어도 한번 상기 순서화된 시퀀스를 반복하도록 자동적으로 제어된다.
상기 시스템의 일례에서, 상기 유체 매니폴드, 상기 시약 선택기 밸브 및 상기 펌프는 공통적으로 기기의 하우징 내에 배치된다.
이 예시적인 시스템의 임의의 특징은 임의의 바람직한 방식으로 함께 결합될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 더욱이, 상기 예시적인 시스템 및/또는 다른 예시적인 시스템 및/또는 방법의 특징의 임의의 조합은 함께 사용될 수 있고 및/또는 이들 양태 중 어느 하나의 양태 또는 임의의 양태의 임의의 특징은 본 명세서에 개시된 임의의 예와 결합될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
또 다른 예에서, 하우징, 유체 매니폴드, 펌프, 시약 선택기 밸브 및 흐름 셀을 포함하는 (예를 들어, 시약을 혼합하기 위한) 기기가 제공된다. 상기 유체 매니폴드는 상기 하우징 내에 배치되고, 상이한 대응하는 저장조 내로 연장되는 시퍼에 유체 흐름 가능하게 연결되는 다수의 채널을 포함한다. 상기 펌프는 상기 하우징 내에 배치되고, 상기 유체 매니폴드의 상기 채널들 중 적어도 하나의 채널에 동작 가능하게 연결된다. 상기 시약 선택기 밸브는 상기 하우징 내에 배치되고 상기 유체 매니폴드의 상기 채널들 중 적어도 2개의 채널에 동작 가능하게 연결된다. 상기 흐름 셀은 상기 하우징 내에 배치되고, 상기 유체 매니폴드의 상기 채널들 중 적어도 하나의 채널에 유체 흐름 가능하게 연결된다. 상기 펌프 및 상기 시약 선택기 밸브는, 혼합 프로토콜에 기초하여 대응하는 시약을 지정된 양만큼 대응하는 저장조로부터 상기 시퍼를 통해 상기 유체 매니폴드의 상기 채널 내로 상기 저장조의 적어도 일부 내에 포함된 시약을 이송하도록 상기 혼합 프로토콜에 따라 자동적으로 제어된다. 상기 펌프 및 상기 시약 선택기 밸브는, 상기 유체 매니폴드로 이송된 상기 시약을 혼합하여 시약 혼합물을 형성하고 나서 상기 유체 매니폴드로부터 상기 시약 혼합물을 상기 흐름 셀로 전달하도록 자동으로 제어된다.
상기 기기의 임의의 특징은 임의의 바람직한 방식으로 함께 결합될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 더욱이, 상기 기기 및/또는 상기 예시적인 시스템 및/또는 상기 방법의 특징의 임의의 조합은 함께 사용될 수 있고, 및/또는 이들 양태 중 어느 하나의 양태 또는 임의의 양태로부터의 임의의 특징은 본 명세서에 개시된 임의의 예와 결합될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
본 발명의 예의 특징은 다음의 상세한 설명 및 도면을 참조하면 명백해질 것이고, 도면에서 동일한 참조 부호는 아마 동일하지는 않다 하더라도 유사한 구성 요소에 대응한다. 간결함을 위해, 앞서 기술된 기능을 갖는 참조 부호 또는 특징은 이 특징이 나타나는 다른 도면과 관련하여 설명될 수도 있고 다른 도면과 관련하여 설명되지 않을 수도 있다.
도 1은 개시된 기술이 사용될 수 있는 예시적인 서열 분석 시스템의 개략도;
도 2는 도 1의 서열 분석 시스템의 예시적인 유체 시스템의 개략도;
도 3은 도 1의 서열 분석 시스템의 예시적인 처리 및 제어 시스템의 개략도;
도 4는 일 실시예에 따른 도 2에 도시된 유체 시스템의 밸브 조립체를 도시한 도면;
도 5는 도 4에 도시된 밸브 조립체의 평면도;
도 6은 일례에 따른 시약 혼합 시스템을 도시한 도면;
도 7은 일례에 따른 시약 혼합 시스템의 개략도를 도시한 도면;
도 8은 시약 혼합물의 일부를 템플릿 저장조 내로 배출한 후의 도 7에 도시된 시약 혼합 시스템의 개략도를 도시한 도면;
도 9는 일례에 따른 혼합 단계 동안 시약 혼합 시스템의 개략도를 도시한 도면;
도 10은 일례에 따른 혼합 저장조 내의 노즐 시퍼의 확대도를 도시한 도면;
도 11은 일례에 따라 시약 및 샘플 템플릿을 흡인 및 혼합하는 예시적인 사이클을 나타내는 그래프; 및
도 12는 일례에 따라 시약 및 샘플 템플릿을 흡인 및 혼합하기 위한 방법 및 예시적인 논리를 도시하는 흐름도.
도 1은 샘플의 성분, 성분 순서 및 일반적으로 구조를 결정하기 위해 서열 분석될 수 있는 분자 샘플을 처리하기 위한 서열 분석 시스템(10)의 일례를 도시한다. 시스템(10)은 서열을 결정하기를 원하는 관심 분자를 포함하는 샘플(16)을 수용하고 처리하는 기기(12)를 포함한다. 샘플(16)은 유기체로부터의 유기 분자 또는 실험실에서 생성된 합성 분자를 포함할 수 있다. 관심 분자는 DNA, RNA, 또는 궁극적으로 관심 있는 특정 기능을 갖는 유전자 및 변종을 규정할 수 있는 서열을 갖는 염기쌍(base pair)을 갖는 다른 분자를 포함할 수 있다. 샘플(16)은 샘플 소스(14)에 의해 제공되거나 샘플 소스로부터 유래한다. 샘플 소스(14)는 예를 들어 인간, 동물, 미생물, 식물 또는 다른 기증자(환경 샘플을 포함함)와 같은 개인 또는 개체를 포함할 수 있다.
샘플(16)은 샘플/라이브러리 준비 시스템(18)에 도입된다. 시스템(18)은 분석을 위해 샘플(16)을 준비한다. 준비는 분석을 위해 샘플(16)을 분리, 파괴 및 다른 방식으로 준비하는 것을 포함할 수 있다. 결과 라이브러리는 서열 분석 작업을 용이하게 하는 길이에 관심이 있는 분자를 포함한다. 이어서, 결과 라이브러리는 서열 분석 작업이 수행되는 기기(12)에 제공된다. 본 명세서에서 샘플 템플릿이라고 지칭되는 라이브러리는 자동화 또는 반자동 공정에서 시약과 결합되고 나서 서열 분석 전에 흐름 셀(20)로 도입된다. 일부 예에서, 라이브러리는 흐름 셀로 라우팅되기 전에 시약과 사전-혼합(pre-mixed)될 수 있고, 예를 들어, 라이브러리는 후술되는 바와 같은 선택기 밸브 시스템을 통해 라우팅되고, 흐름 셀로 이송되기 전에 목적 수용기 내 시약과 혼합될 수 있다.
도 1에 도시된 예에서, 기기(12)는 샘플 템플릿을 수용하는 흐름 셀(20)을 포함한다. 흐름 셀(20)은 라이브러리의 분자의 부착 및 서열 분석 작업 동안 검출될 수 있는 위치 또는 부위에서의 증폭을 포함하는 서열 분석 화학 반응이 일어나게 하는 하나 이상의 유체 채널 또는 레인을 포함한다. 예를 들어, 흐름 셀(20)은 증폭 위치 또는 부위에서 하나 이상의 표면 상에 고정된 서열 분석 템플릿을 포함할 수 있다. 흐름 셀(20)은 증폭 부위의 마이크로어레이, 나노어레이 등과 같은 패턴화된 어레이를 포함할 수 있다. 실제로, 증폭 부위는 지지체의 하나 이상의 표면 상에 규칙적인 반복 패턴으로, 복잡한 비 반복 패턴으로, 또는 랜덤한 배열로 배치될 수 있다. 서열 분석 화학 반응이 가능하기 위해, 흐름 셀(20)은 또한 반응, 플러싱(flushing) 등에 사용되는 예를 들어 다양한 시약, 완충액 및 다른 반응 매체를 포함하는 물질종을 도입할 수 있게 한다. 물질종은 흐름 셀(20)을 통해 흐르고, 개별 증폭 부위에서 관심 분자와 접촉할 수 있다.
기기(12)에서 흐름 셀(20)은 예를 들어 참조 부호(24)로 표시된 하나 이상의 방향으로 이동할 수 있는 이동 스테이지(22) 상에 장착될 수 있다. 예를 들어, 흐름 셀(20)은, 시약 및 다른 유체가 흐름 셀(20)로 또는 흐름 셀로부터 전달될 수 있도록, 이동 가능 스테이지(22) 상의 포트 또는 시스템(10)의 다른 구성 요소와 인터페이스할 수 있는 제거 가능하고 교체 가능한 카트리지의 형태로 제공될 수 있다. 스테이지(22)는 서열 분석 동안 복사선 또는 광(28)을 흐름 셀(20)로 향하게 할 수 있는 광학 검출 시스템(26)과 관련된다. 광학 검출 시스템(26)은 흐름 셀(20)의 부위에 배치된 분석물을 검출하기 위해 형광 현미경 방법과 같은 다양한 방법을 사용할 수 있다. 예로서, 광학 검출 시스템(26)은 공초점 라인 스캐닝을 사용하여 점진적인 픽셀화된 이미지 데이터를 생성할 수 있는데, 이 이미지 데이터를 분석하면 흐름 셀(20)에서 개별 부위를 찾고 각 부위에 가장 최근에 부착되거나 결합된 뉴클레오타이드의 유형을 결정할 수 있다. 하나 이상의 복사선 포인트를 샘플을 따라 스캐닝하는 기술 또는 "스텝 앤 슈팅(step and shoot)" 이미징 접근법을 사용하는 기술과 같은 다른 이미징 기술이 적절히 사용될 수도 있다. 광학 검출 시스템(26) 및 스테이지(22)는 영역 이미지를 얻는 동안 흐름 셀(20) 및 검출 시스템(26)을 정적 관계로 유지하도록 협력할 수 있으며, 또는 언급된 바와 같이, 흐름 셀(20)은 임의의 적합한 모드(예를 들어, 포인트 스캐닝, 라인 스캐닝, "스텝 앤 슈팅" 스캐닝)에서 스캐닝될 수 있다.
많은 다른 기술이 부위에서 분자를 이미징하거나 또는 보다 일반적으로는 검출하는데 사용될 수 있지만, 현재 고려되는 예는 형광 태그를 여기(excitation)시키는 파장에서 공초점 광학 이미징을 이용할 수 있다. 흡수 스펙트럼에 의해 여기된 태그는 방출 스펙트럼에 의해 형광 신호를 반환한다. 광학 검출 시스템(26)은, 이러한 신호를 캡처하고, 신호 방출 부위를 분석할 수 있게 하는 해상도로 픽셀화된 이미지 데이터를 처리하고, 결과 이미지 데이터(또는 이로부터 유도된 데이터)를 처리 및 저장하도록 구성된다.
서열 분석 작업에서, 사이클 동작 또는 공정은 예를 들어 단일 뉴클레오타이드 또는 올리고뉴클레오타이드와 반응을 촉진하고 나서 후속 사이클을 준비할 때 플러싱, 이미징 및 디블로킹(de-blocking)을 수행하는 자동화 또는 반자동화 방식으로 구현된다. 서열 분석을 위해 준비되고 흐름 셀(20) 상에 고정된 샘플 템플릿은 모든 유용한 정보가 샘플 템플릿으로부터 추출하기 전에 다수의 사이클을 거칠 수 있다. 광학 검출 시스템(26)은 전자 검출 회로(예를 들어, 카메라 또는 이미징 전자 회로 또는 칩)를 사용하는 것에 의해 서열 분석 작업의 각 사이클 동안 흐름 셀(20)(및 그 부위)을 스캔하는 것으로부터 이미지 데이터를 생성할 수 있다. 이어서, 결과 이미지 데이터를 분석하면 이미지 데이터에서 개별 부위를 찾고, 예를 들어, 특정 위치에서 이미지 데이터 내 픽셀 그룹 또는 클러스터로 지시된, 특정 위치에서 검출된 광의 특정 컬러 또는 파장(특정 형광 태그의 특성 방출 스펙트럼)을 참조하여, 부위에 존재하는 분자를 분석하고 특성화할 수 있다. DNA 또는 RNA 서열 분석 응용에서, 예를 들어, 4개의 공통 뉴클레오타이드는 구별 가능한 형광 방출 스펙트럼(광의 파장 또는 파장 범위)으로 표현될 수 있다. 각각의 방출 스펙트럼은 이 뉴클레오타이드에 대응하는 값으로 지정될 수 있다. 이 분석, 및 각 부위에 대해 결정된 순환 값을 추적한 것에 기초하여, 개별 뉴클레오타이드 및 그 순서가 각 부위에 대해 결정될 수 있다. 그런 다음, 이들 서열을 더 처리하면, 유전자, 염색체 등을 포함하는 더 긴 단편을 조립할 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "자동화" 및 "반자동화"라는 용어는 동작이 개시되면 또는 동작을 포함하는 공정이 개시되면 인간 상호 작용이 거의 없거나 또는 전혀 없는 시스템 프로그래밍 또는 구성에 의해 동작이 수행된다는 것을 의미한다.
도시된 예에서, 시약(30)은 밸브(32)를 통해 흐름 셀(20) 내로 인인되거나 흡인된다. 밸브(32)는 예를 들어 피펫 또는 시퍼(도 1에 도시되지 않음)를 통해 시약을 저장하는 수용기 또는 용기로부터 시약(30)에 접근할 수 있다. 밸브(32)는 메모리에 저장된 프로토콜에서 수행되는 규정된 동작 시퀀스에 기초하여 시약(30)을 선택할 수 있게 한다. 밸브(32)는 시약(30)을 흐름 경로(34)를 통해 흐름 셀(20)로 보내기 위한 명령을 더 수신할 수 있다. 배출 또는 유출 흐름 경로(36)는 흐름 셀(20)로부터 사용된 시약(30)을 보낸다. 도시된 예에서, 펌프(38)는 시스템(10)을 통해 시약(30)을 이동시키는 역할을 한다. 펌프(38)는 시스템(10)을 통해 시약(30) 또는 다른 유체를 측정하는 것, 공기 또는 다른 유체를 흡인하는 등과 같은 다른 유용한 기능을 수행하는 역할을 할 수도 있다. 펌프(38)의 하류에 있는 추가 밸브(40)는 사용된 시약(30)을 처분 용기 또는 수용기(42)에 적절하게 보낼 수 있게 한다.
기기(12)는, 다양한 시스템 구성 요소의 동작을 명령하고, 센서로부터의 피드백에 의해 이러한 동작을 모니터링하고, 이미지 데이터를 수집하고, 이미지 데이터를 적어도 부분적으로 처리하는 것을 보조하는 회로 범위를 더 포함한다. 도 1에 도시된 예에서, 제어 감시 시스템(44)은 제어 회로(46), 데이터 획득 및 분석 시스템(48), 메모리 회로(50) 및 인터페이스(52)를 포함한다. 제어 회로(46) 및 데이터 획득 및 분석 시스템(48)은 예를 들어, 하나 이상의 컴퓨터, 프로세서 또는 다른 유사한 논리 장치를 제어하여 특정 기능을 제공하는 기계 실행 가능 명령을 저장할 수 있는 메모리 회로(50)(예를 들어, 솔리드-스테이트 메모리 장치, 다이내믹 메모리 장치, 온-보드(on-board) 및/또는 오프-보드(off-board) 메모리 장치 등)에 동작 가능하게 연결된 하나 이상의 프로세서(예를 들어, 도 3에 도시된 프로세서(100), 예를 들어, 디지털 처리 회로, 예를 들어, 마이크로프로세서, 멀티-코어 프로세서, FPGA, 또는 임의의 다른 적절한 처리 회로를 포함)를 포함한다. 응용 특정 또는 범용 컴퓨터는 제어 회로(46) 및 데이터 획득 및 분석 시스템(48)을 적어도 부분적으로 구성할 수 있다. 제어 회로(46)는 기기(12)의 예를 들어 유체, 광학, 스테이지 제어 및 임의의 다른 유용한 기능을 위한 명령을 처리하도록 구성된 (예를 들어, 프로그래밍된) 회로를 포함할 수 있다. 데이터 획득 및 분석 시스템(48)은 광학 검출 시스템(26)과 인터페이스하며 광학 검출 시스템(26) 및/또는 스테이지(24)의 움직임 제어, 순환 검출을 위한 광의 방출, 반환된 신호의 수신 및 처리 등을 수행한다. 기기(12)는 기기(12)의 제어 및 모니터링, 샘플의 이송, 자동화 또는 반자동화 서열 분석 동작의 론칭, 리포트의 생성 등을 가능하게 하는 조작자 인터페이스와 같은 다양한 인터페이스(52)(예를 들어, 인터페이스 장치)를 더 포함할 수 있다. 마지막으로, 도 1의 예에서, 외부 네트워크 또는 시스템(54)은 기기(12)에 결합되고 기기와 협력하며 예를 들어 분석, 제어, 모니터링, 수리(servicing) 및/또는 다른 동작을 수행할 수 있다.
본 명세서에 설명된 하나 이상의 예에서, 기기(12)는 결합된 시약 및 샘플 템플릿 혼합물을 클러스터를 생성하기 위해 흐름 셀(20) 상으로 흐르게 하기 전에 시약(30)의 탑재, 자동화된 이송 및 혼합을 제공한다. 기기(12)는 함께 혼합되는 시약(30)의 양, 시약(30)이 대응하는 시약 저장조로부터 인입되는 순서, 온도, 및 타이밍(예를 들어, 시약(30)이 샘플 템플릿과 혼합되기 전에 사전-혼합된 상태에 있는 기간)을 포함하는 다양한 시약 인자를, 시약(30)의 수동 이송 및 혼합을 통해 달성될 수 있는 것보다 더 높은 정밀도 및 반복 가능성으로 제어한다. 기기(12)는, 본 명세서에서 클러스터링 혼합물(clustering mixture)이라고 지칭되는 결과 혼합물이 원하는 서열 분석 성능을 위해 흐름 셀(20) 상에서 분자 클러스터의 임계 품질 및 양을 달성할 만큼 충분히 균일하도록 시약(30)과 샘플 템플릿을 추가적으로 혼합한다.
단일 흐름 셀(20) 및 유체 경로 및 단일 광학 검출 시스템(26)이 도 1에 도시되어 있지만, 일부 기기(12)에서는 하나를 초과하는 흐름 셀(20) 및 유체 경로가 수용될 수 있다는 것이 주목된다. 예를 들어, 서열 분석 및 처리량을 향상시키기 위해 2개 이상의 이러한 배열이 제공될 수 있다. 실제로, 임의의 수의 흐름 셀(20) 및 경로가 제공될 수 있다. 이들은 동일하거나 다른 시약 리셉터클, 처분 리셉터클, 제어 시스템, 이미지 분석 시스템 등을 사용할 수 있다. 다수의 흐름 셀(20) 및 유체 경로는 개별적으로 제어되거나 조정된 방식으로 제어될 수 있다. "유체 흐름 가능하게 연결된"이라는 어구는 본 명세서에서 "전기적으로 연결된"이라는 어구가 2개 이상의 구성 요소 간의 전기적 연결을 기술하는데 사용될 수 있는 것과 동일한 방식으로 서로 유체적으로 연통된 방식으로 이러한 구성 요소들을 배치하는 2개 이상의 구성 요소 사이의 연결을 기술하는데 사용될 수 있는 것으로 이해된다. "유체 흐름 가능하게 개재된"이라는 어구는 예를 들어 구성 요소의 특정 순서를 기술하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 구성 요소(B)가 구성 요소(A)와 구성 요소(C) 사이에 유체 흐름 가능하게 개재되면, 구성 요소(A)로부터 구성 요소(C)로 흐르는 유체는 구성 요소(C)에 도달하기 전에 구성 요소(B)를 통해 흐를 것이다.
도 2는 도 1의 서열 분석 시스템(10)의 예시적인 유체 시스템(55)을 도시한다. 유체 시스템(55)은 도 1에 도시된 기기(12) 상에 탑재되어 배치될 수 있다. 도시된 예에서, 흐름 셀(20)은 서열 분석 동작 동안 유체 물질종(예를 들어, 시약, 완충액, 반응 매체)을 수용하기 위해 쌍으로 그룹화될 수 있는 일련의 경로 또는 레인(56A 및 56B)을 포함한다. 레인(56A)은 제1 공통 라인(58)에 결합된 반면, 레인(56B)은 제2 공통 라인(60)에 결합된다. 바이패스 라인(62)은 또한 유체가 유입되지 않고 흐름 셀(20)을 바이패스하도록 제공된다. 도시된 예에서, 바이패스 라인(62)은 바이패스 라인(62)의 길이를 따라 캐시 채널(118)을 포함하고, 이 캐시 채널은 본 명세서에서 보다 상세하게 설명된 바와 같이 시약의 임시 저장 및 시약의 초기 혼합에 사용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 일련의 용기 또는 저장조(64)는 서열 분석 동작 동안 이용될 수 있는 시약(예를 들어, 도 1의 시약(30)) 및 다른 유체를 저장할 수 있다.
시약 선택기/선택 밸브(66)는 흐름 셀(20) 내로 도입될 대응하는 저장조(64) 내의 하나 이상의 시약을 선택하기 위해 모터 또는 액추에이터(미도시)에 결합된다. 선택된 시약은 유사하게 모터(도시되지 않음)를 포함하는 공통 라인 선택기/선택 밸브(68)로 나아간다. 공통 라인 선택기 밸브(68)는 시약이 제어된 방식으로 레인(56A 및/또는 56B)으로 흐르게 하기 위해 공통 라인(58 및 60) 중 하나 또는 둘 모두를 선택하도록 명령받을 수 있다. 공통 라인 선택기 밸브(68)는 시약이 바이패스 라인(62)을 통해 캐시 채널(118)로 흐르도록 명령받을 수 있다. 흐름 셀(20)을 통해 공기를 인입하지 않고 모든 시약(및 액체)을 시약 선택기 밸브(66)(및 공통 라인 선택기 밸브(68))를 프라이밍(prime)하는 능력, 흐름 셀(20)과 독립적으로 다양한 흐름 경로(34)를 세척(예를 들어, 자동 또는 반자동 세척)하는 능력, 및 시스템(55)에 진단 기능(예를 들어, 압력 및 체적 전달 테스트)을 수행하는 능력과 같은 다른 유용한 동작이 바이패스 라인(62)에 의해 구현될 수 있다는 것이 주목될 수 있다.
유체 시스템(55)의 구성 요소들 중 적어도 일부는 구조적 매니폴드(104) 내에 포함되거나 배치될 수 있다. 예를 들어, 매니폴드(104)는 시약 선택기 밸브(66), 공통 라인 선택기 밸브(68), 공통 라인(58, 60), 캐시 채널(118)을 포함하는 바이패스 라인(62) 및/또는 다른 것을 포함하거나 보유할 수 있다. 일례에 따른 매니폴드(104)가 도 4 및 도 5에 도시되어 있다.
사용된 시약은 흐름 셀(20)과 펌프(38) 사이에 결합된 흐름 경로(36)를 통해 흐름 셀(20)을 빠져나간다. 도시된 예에서, 펌프(38)는 한 쌍의 주사기(70)를 갖는 주사기 펌프이고, 이 주사기는 액추에이터(72)에 의해 제어되고 이동되며 시약 및 다른 유체를 흡인하고 테스트, 검증 및 서열 분석 사이클의 다른 동작 동안 시약 및 유체를 토출한다. 펌프(38)는 밸브, 계기, 액추에이터 등(도시되지 않음)을 포함하는 다양한 다른 부품 및 구성 요소를 포함할 수 있다. 도시된 예에서, 압력 센서(74A 및 74B)는 펌프(38)의 입구 라인 상의 압력을 감지하는 반면, 압력 센서(74C)는 펌프(38)에 의해 출력되는 압력을 감지하도록 제공된다.
시스템(55)에 의해 사용된 유체는 펌프(38)로부터 사용된 시약 선택기/선택 밸브(76)로 들어간다. 밸브(76)는 다수의 흐름 경로 중에서 사용된 시약 및 다른 유체를 위한 하나의 흐름 경로를 선택할 수 있게 한다. 도시된 예에서, 제1 흐름 경로는 제1 사용된 시약 리셉터클(78)로 이어지는 반면, 제2 흐름 경로는 유량계(80)를 통해 제2 사용된 시약 리셉터클(82)로 이어진다. 사용된 시약에 따라, 처분을 위해 별개의 용기에 시약 또는 특정 시약을 수집하는 것이 유리할 수 있고, 사용된 시약 선택기 밸브(76)는 이러한 제어를 할 수 있다.
펌프(38) 내의 밸브는 시약, 용매, 세정제, 공기 등을 포함하는 다양한 유체가 펌프(38)에 의해 흡인되고 나서, 공통 라인(58, 60), 바이패스 라인(62) 및 흐름 셀(20) 중 하나 이상을 통해 주입되거나 순환될 수 있게 한다는 것이 주목된다.
유체 시스템(55)은 혼합, 테스트, 검증, 서열 분석 등을 위해 규정된 프로토콜을 구현하는 제어 회로(46)의 명령 하에 동작한다. 규정된 프로토콜은 미리 수립되고, 시약을 흡인하는 것, 시약을 혼합 저장조로 이송하는 것, 시약을 혼합하는 것, 시약 혼합물을 흐름 셀(20) 상으로 흐르게 하는 것, 흐름 셀(20) 상의 분자를 서열 분석하는 것, 서열 분석에 관한 데이터를 얻는 것, 데이터를 분석하는 것 등과 같은 다양한 활동을 위한 일련의 이벤트 또는 동작을 포함한다. 프로토콜은 메모리 회로(50)(도 1에 도시됨)에 저장되고, 시약 이송 및 혼합과 같은 유체 동작과, 흐름 셀(20)에서 발생하는 반응, 흐름 셀(20) 및 그 부위의 이미징 등과 같은, 기기(12)의 다른 동작을 조정할 수 있게 한다. 도시된 예에서, 제어 회로(46)는 (예를 들어, 액추에이터(72)를 통해) 펌프(38)의 동작을 명령하도록 구성된 펌프 인터페이스(86)뿐만 아니라 밸브(66, 68)에 명령 신호를 제공하도록 구성된 하나 이상의 밸브 인터페이스(84)를 포함한다. 밸브 인터페이스(들)(84) 및 펌프 인터페이스(들)(86)에 의해 생성된 명령 신호는 제어 회로(46)에 의해 구현되는 메모리 회로(50)로부터의 특정 프로토콜에 따라 생성된다. 예를 들어 압력 센서(74A-C) 및 유량계(80)로부터 피드백을 수신하고 이러한 피드백을 처리하기 위해 다양한 입력/출력 회로(88)가 제공될 수도 있다.
도 3은 제어 감시 시스템(44)의 특정 기능 구성 요소를 도시한다. 도시된 바와 같이, 메모리 회로(50)는 혼합, 테스트, 시운전, 문제 해결, 수리 및 서열 분석 동작 동안 실행되는 규정된 루틴인 프로토콜을 저장한다. 많은 이러한 프로토콜이 구현되어 메모리 회로(50)에 저장될 수 있으며, 이들 프로토콜은 수시로 업데이트되거나 변경될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 프로토콜은 다양한 밸브(예를 들어, 밸브(66 및 68)), 펌프(예를 들어, 펌프(38)), 및 기기(12) 내의 임의의 다른 유체 액추에이터를 자동적으로 제어하기 위한 유체 제어 프로토콜(90)을 포함할 수 있다. 유체 제어 프로토콜(90)은 캐시로의 시약 흡인, 혼합 저장조로의 시약 배출, 혼합 저장조에서 샘플 템플릿과 시약의 혼합, 및 결합된 시약-샘플 혼합물의 흐름 셀(20)로의 흐름을 자동적으로 제어하기 위한 상이한 루틴을 나타낼 수 있다. 유체 제어 프로토콜(90)은 밸브(66, 68) 및 펌프(38)의 동작을 지시하여 시약의 이송 및 혼합을 제어한다. 유체 제어 프로토콜(90)은 상이한 미리 설정된 루틴에 따라 시약의 선택, 흡인, 이송 및 혼합을 제어하기 위한 다수의 프로토콜(90A-C)(이는 혼합 프로토콜이라 함)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 프로토콜(90A-C)은 다수의 상이한 시약 저장조로부터 시약을 지정된 양만큼 및/또는 지정된 시퀀스로 캐시 채널 내로 흡인하고 나서; 시약을 캐시 채널로부터 혼합 저장조 내로 배출하는 단계; 및 시약을 혼합 저장조 내의 샘플 템플릿과 혼합하여 클러스터링 혼합물을 형성하는 단계를 포함하기 위한 루틴을 포함할 수 있다.
다수의 프로토콜(90A-C)은 흡인될 특정 시약, 각 흡인 사이클 동안 흡인되는 시약의 특정 양, 시약이 상이한 대응하는 시약 저장조로부터 흡인되는 특정 순서화된 시퀀스, 흡인된 시약을 혼합 저장조 내로 배출하기 전에 수행되어야 하는 흡인 사이클의 특정 개수, 혼합을 위한 시약을 배출하기 위한 특정 저장조(예를 들어, 템플릿 저장조 또는 다른 저장조), 시약의 흡인과 배출 사이의 특정 경과 시간 기간, 시약을 샘플 템플릿과 혼합하기 위한 흡인 혼합 사이클의 특정 개수, 시약 이송 및 혼합 동작 동안 펌프(38)의 특정 압력 출력 등을 지정할 수 있다. 제1 혼합 프로토콜(90A)은 흡인되는 시약의 유형, 타이밍 및/또는 펌프 압력 출력과 같은, 전술한 양태들 중 하나 이상의 양태에서 제2 및 제3 혼합 프로토콜(90B, 90C)과 다를 수 있다. 구현될 유체 제어 프로토콜(90)은 사용되는 샘플 템플릿의 유형, 사용되는 흐름 셀(20)의 유형, 및 원하는 특정 시약-샘플 혼합물(본 명세서에서 클러스터링 혼합물이라고 지칭됨) 등에 기초하여 메모리 회로(50)에 저장된 다른 프로토콜 대신에 선택될 수 있다. 3개의 유체 제어(또는 혼합) 프로토콜(90A-C)이 도 3에 도시되어 있지만, 메모리 회로(50)는 3개보다 더 많거나 더 적은 혼합 프로토콜을 저장할 수 있다. 유체 제어 프로토콜(90)은 밸브 센서, 흐름 센서 및/또는 압력 센서(예를 들어, 74A 내지 74C)와 같은 유체 센서로부터 피드백을 수신하고 처리하기 위한 루틴 또는 동작을 더 포함할 수 있다.
스테이지 제어 프로토콜(92)은 예를 들어 이미징 동안 원하는 대로 흐름 셀(20)을 이동시키는 것을 허용한다. 광학 제어 프로토콜(94)은 흐름 셀(20)의 일부분을 조명하고 처리를 위해 반환된 신호를 수신하기 위해 이미징 구성 요소에 명령을 발행하는 것을 허용한다. 이미지 획득 및 처리 프로토콜(96)은 서열 분석에 유용한 데이터를 추출하기 위해 적어도 부분적으로 이미지 데이터를 처리하는 것을 허용한다. 다른 프로토콜(98)은 동일하거나 상이한 메모리 회로(50)에 제공될 수 있다. 메모리 회로(50)는 하드 드라이브, 플래시 저장 장치, 또는 다른 비-일시적인 컴퓨터 판독 가능 저장 매체와 같은 하나 이상의 디지털 메모리 장치로서 제공되거나 이를 포함하거나 이에 포함될 수 있다. 디지털 메모리 장치는 휘발성 및 비 휘발성 메모리 회로를 모두 포함할 수 있다. 메모리 회로(50)는 도 1의 기기(12)에 탑재되어 있는 것으로 도시되어 있지만, 대안적으로, 회로(50)의 적어도 일부는 오프-보드일 수 있고, 프로토콜을 제어 회로(46)에 제공하기 위해 탑재된 제어 회로(46)에 통신 가능하게 연결될 수 있다.
제어 회로(46)의 하나 이상의 프로세서(100)는 메모리 회로(50) 내의 저장된 프로토콜에 액세스하여 기기(12) 상에서 프로토콜을 구현한다. 전술한 바와 같이, 제어 회로(46)는 응용 특정 컴퓨터, 범용 컴퓨터, 또는 임의의 적합한 하드웨어, 펌웨어 및 소프트웨어 플랫폼의 일부일 수 있다. 프로세서(100) 및 기기(12)의 동작은 조작자 인터페이스(101)를 통해 인간 조작자에 의해 명령될 수 있다. 조작자 인터페이스(101)는 테스트, 시운전, 문제 해결 및 수리를 가능하게 할뿐만 아니라 기기(12)에서 발생할 수 있는 임의의 문제를 리포트하게 할 수 있다. 조작자 인터페이스(101)는 메모리 회로(50)에 저장된 하나 이상의 선택된 프로토콜에 따라 기기(12)의 구성 요소를 제어하는 제어 회로(46)에 의해 자동적으로 수행되는 서열 분석 동작을 론칭하고 모니터링하는 것을 허용할 수도 있다.
도 4는 일례에 따라 도 2에 도시된 유체 시스템(55)의 밸브 조립체(102)를 도시한다. 밸브 조립체(102)는 저장조로부터 시약 및 다른 유체(예를 들어, 완충액 유체, 샘플 템플릿 등)를 인입하고 시약 및 다른 유체를 흐름 셀(20)(도 2에 도시됨)로 전달한다. 밸브 조립체(102)는 시약 및 다른 유체를 위한 흐름 경로를 제공하기 위해 유체 채널(114)을 형성하는 매니폴드(104)를 포함한다. 시약 선택기 밸브(66) 및 공통 라인 선택기 밸브(68)는 유체 채널(114)에 유체 흐름 가능하게 연결된 매니폴드(104)에 연결된다(예를 들어, 통합된다). 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 시약 선택기 밸브(66) 및 공통 라인 선택기 밸브(68)는 각각 대응하는 모터(108 및 106)에 의해 구동 및 제어된다. 하나 이상의 모터 인터페이스 또는 연결부(110)는 모터(106, 108)로 및 모터로부터 전력 및 원하는 경우 신호를 제공한다. 전술한 바와 같이, 모터(106, 108)(및 이에 의해 밸브(68, 66))는 (예를 들어, 시약 이송 및 시약 혼합을 위해) 테스트, 시운전, 수리 및 서열 분석 동작 동안 제어 회로(46)에 의해 제어된다.
매니폴드(104) 내의 유체 채널(114)은 시퍼(112)에 유체 흐름 가능하게 연결된다. 유체 채널(114)은 시퍼(112)와 밸브(66, 68) 사이에서 연장된다. 시퍼(112)는 매니폴드(104)로부터 각각의 원위 팁(105)까지 연장된다. 시퍼(112)는, 원위 팁(105)이 저장조 내의 시약 또는 다른 유체와 접촉하도록, 아래에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 상이한 대응하는 저장조(예를 들어, 도 2에 도시된 저장조(64)) 내로 연장되도록 구성된다. 동작 동안, 시퍼(112)는 시약 및 다른 유체를 각각의 저장조로부터 매니폴드(104)의 유체 채널(114)로 인입한다. 유체 채널(114)은, 펌프(38)(도 2에 도시됨)가 시약 및 다른 유체를 흡인하기 위해 (제어 회로(46)에 의해) 명령받을 때, 시약 및 다른 유체가 시퍼(112)로부터 밸브(66, 68)로 이동할 수 있도록 몰딩, 에칭 또는 임의의 다른 적절한 공정에 의해 형성될 수 있다. 시퍼(112)들 중 적어도 하나의 시퍼는 클러스터링 혼합물(이는 시약 및 샘플 템플릿으로 정의됨)을 흐름 셀(20) 상으로 흐르게 하기 전에 시약 및 샘플 템플릿(이는 함께 클러스터링 혼합물을 정의함)이 혼합되는 것을 돕기 위해 노즐 시퍼(116)로서 구성된다. 노즐 시퍼(116)는 혼합 저장조와 정렬되고 혼합 저장조 내로 연장된다. 다른 시퍼(112)들 중 적어도 일부는 상이한 시약들이 내부에 미리 로딩된 대응하는 시약 저장조(예를 들어, 도 6에 도시된 시약 저장조(124, 126, 및 128))와 정렬되고 이 시약 저장조 내로 연장되는 시약 시퍼(115)로서 구성된다.
혼합 저장조는 샘플 템플릿이 미리 로딩된 템플릿 저장조(136)(도 6에 도시됨)일 수 있으며, 또는 템플릿 저장조(136) 및 시약 저장조로부터 분리된 (및 샘플 템플릿 또는 시약이 미리 로딩되어 있지 않은) 다른 저장조일 수 있다. 일부 예에서, 혼합 저장조 또는 체적은 바이패스 라인(62)의 일부 또는 전부일 수 있다. 예를 들어, 시약은 원하는 시퀀스로 바이패스 라인(62) 내로 흡인될 수 있지만, 시약이 (시약을 처분 용기로 라우팅할 수 있는) 바이패스 라인의 전체 길이를 횡단하지 않도록 흡인될 수 있다. 바이패스 라인(62)(또는 혼합 저장조 또는 볼륨으로서 기능하는 부분)이 원하는 시약 시퀀스로 로딩되면, 시약이 도입되는 바이패스 라인(62)의 단부는, 바이패스 라인(62)에 로딩된 시약의 전체 세트가 바이패스 라인 밖으로 그리고 목적 수용기로 되 방출될 수 있도록, 예를 들어 목적 수용기로 향하는 흐름 경로에 유체 흐름 가능하게 연결되도록 밸브를 사용하여 스위칭될 수 있다. 다른 구현예에서, 혼합 저장조 또는 볼륨은, 예를 들어, 목적 수용기, 예를 들어, 사전-혼합된 유체가 전달되는 목적 수용기, 또는 별개의 목적 수용기, 예를 들어, 선택된 시약을 전달하기 전에 완전히 비어 있는 목적 수용기일 수 있다.
매니폴드(104)는 밸브(66, 68)를 통해 유체 채널(114)에 유체 흐름 가능하게 연결되는 캐시 채널(118)을 더 포함한다. 캐시 채널(118)은 도 2에 도시된 바이패스 라인(62)을 따라 위치되고, 밸브(66, 68) 및 펌프(38)(도 2에 도시됨)에 의해 캐시 채널(118) 내로 인입 및 이동되는 시약들을 임시적으로 저장 및/또는 적어도 부분적으로 혼합하는데 사용될 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 밸브 조립체(102)의 평면도이다. 동작 시, 시약 선택기 밸브(66)는 시퍼(112)(도 4에 도시됨)를 통해 대응하는 저장조로부터 흡인(또는 인입)되는 시약을 수용하고, 흡인된 유체를 공통 라인 선택기 밸브(68)로 보낸다. 캐시 채널(118)은 시약을 저장 및/또는 혼합하는 것이 가능하도록 공통 라인 선택기 밸브(68)에 유체 흐름 가능하게 연결된다. 캐시 채널(118)은 공통 라인 선택기 밸브(68)와 펌프(38)(도 2에 도시됨) 사이에 배치될 수 있다. 매니폴드(104)는 매니폴드(104)(예를 들어, 그 유체 채널(114))를 시퍼(112)에 결합시키는 포트(120)를 더 포함한다. 포트(120)들 중 하나의 포트(참조 부호(122)로 표시됨)는, 시약을 목적 수용기(예를 들어, 혼합 저장조, 캐시 채널(118) 등)에 주입하고, 혼합을 위해 목적 수용기로부터 시약을 인입하기 위해 노즐 시퍼(116)에 결합된다. 예를 들어 목적 수용기는 시약을 담기 위해 고안된 컨테이너, 튜브 또는 다른 용기일 수 있다. 목적 수용기는, 예를 들어, 시약 및/또는 다른 물질이, 예를 들어, 혼합에 의해 흐름 셀에 전달되도록 준비하기 위해 이송될 수 있는 임시적인 작업 볼륨으로 사용될 수 있다. 따라서, 시약 및 다른 유체는 일단 목적 수용기에 준비되면 목적 수용기로부터 흐름 셀(20)로 이송될 수 있다.
도 6은 일례에 따른 유체 시스템(55)의 일부를 도시하는 개략도이다. 시퍼(112), 유체 채널(114), 캐시 채널(118), 시약 선택기 밸브(66), 공통 라인 선택기 밸브(68), 펌프(38) 및 제어 회로(46)가 도 6에 도시되어 있다. 유체 시스템(55)은, 기기(12)(도 1에 도시됨), 예를 들어, 조작자에 의해 기기(12) 내로 삽입된 카트리지(도시되지 않음) 상에 추가될 수 있는 다수의 저장조 또는 용기를 더 포함한다. 캐시 채널(118)은 펌프 단부(250)와 저장조 단부(252) 사이에서 연장된다. 펌프 단부(250)는 펌프(38)에 동작 가능하게 연결된다. 예를 들어, 펌프 단부(250)는 펌프(38)에 유체 흐름 가능하게 연결되어 펌프(38)가 캐시 채널(118)을 통해 공압적으로 양압 및 음압을 가압하여 시약 및 다른 유체를 캐시 채널(118)을 통해 이동시킬 수 있게 한다. 저장조 단부(252)는 밸브(66, 68) 및 유체 채널(114)을 통해 시퍼(112)에 유체 흐름 가능하게 연결된다. 도시된 배열에서, 저장조 단부(252)는 시약 선택기 밸브(66)의 출구에 결합된 공통 라인 선택기 밸브(68)에 직접 결합되어 공통 라인 선택기 밸브(68)가 캐시 채널(118)과 시약 선택기 밸브(66) 사이에 배치되게 한다.
캐시 채널(118)은 더 큰 체적의 유체를 저장할 수 있도록 유체 채널(114)보다 더 큰 직경을 갖게 설계된다. 일례에서, 캐시 채널(118)은 약 2 mL의 체적 또는 용량을 갖지만, 다른 예에서는 다른 체적을 가질 수 있다. 더 큰 직경은 내부 시약들이 혼합 저장조 내로 배출되기 전에 함께 혼합되기 시작하게 할 수 있다. 그러나, 이 직경은, 본 명세서에 보다 상세히 설명된 바와 같이 유체 완충액을 생성하되 시스템(55)에서 완충액 유체가 캐시 채널(118) 내 시약과 혼합되어 희석되는 것을 방지할 수 있을 만큼 충분히 작다. 도시된 예에서, 캐시 채널(118)은 다수의 180도 루프(loop) 또는 스위치-백(switch-back)(144)을 갖는 구불구불한 형상을 갖는다. 구불구불한 형상은 비교적 큰 체적의 시약을 상대적으로 콤팩트한 영역에 저장할 수 있게 하는 반면, 직경은 완충액 유체로 희석되는 것을 줄이고 채널(118)로부터 정확한 양의 시약을 계량하는 능력을 유지할 수 있을 만큼 충분히 작다. 캐시 채널(118)은 다른 예에서 다른 형상을 가질 수 있다.
도시된 예에서, 저장조는 각각 시약(130, 132 및 134)을 내부에 저장하는 3개의 시약 저장조(또는 용기)(124, 126 및 128), 및 준비된 샘플 템플릿(또는 유전자 라이브러리)(138)을 내부에 저장하는 하나의 템플릿 저장조(136)를 포함한다. 저장조(124, 126, 128 및 136)는 연결된 뚜껑을 갖는 분리된 튜브로서 도시되어 있지만, 저장조(124, 126, 128 및 136)는 다른 예에서는 다를 수 있다. 예를 들어, 폐쇄 가능한 뚜껑 대신에, 튜브는 시퍼(112)에 의해 관통되도록 구성된 호일 또는 호일 같은 재료로 밀봉될 수 있다. 저장조(124, 126, 128 및 136)는, 카트리지가 매니폴드(104)에 결합될 때, 매니폴드(104)(도 4에 도시됨)의 시퍼(112)와 정렬되는 지정된 위치에 저장조(124, 126, 128 및 136)를 유지하기 위해 카트리지(도시되지 않음)에 삽입될 수 있다. 선택적으로, 별개의 튜브 또는 다른 용기 대신에, 저장조(124, 126, 128 및 136)들 중 적어도 일부는 카트리지와 같은 구조체에 일체로 구성된 공동(cavity)으로 형성될 수 있다. 대략 동일한 크기 및 대략 동일한 미리 충전된 양의 유체(예를 들어, 시약 및 샘플 템플릿)를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 저장조(124, 126, 128 및 136)들 중 적어도 일부는 (저장조로부터 유체를 추출하기 전에) 유체의 크기, 형상 및/또는 양을 다르게 가질 수 있다. 나아가, 도시된 예에서는 3개의 시약(130, 132 및 134)이 도시되어 있지만, 다른 예는 시약 혼합물을 형성하기 위해 혼합되는 단지 2개의 시약 또는 적어도 4개의 시약을 포함할 수 있다.
상이한 시약(130, 132 및 134)들은 서로에 대해 적어도 일부 상이한 시약 성분들을 포함한다. 다른 시약에 장기 노출되는 경우 발생하는 안정성 문제로 인해, 사용 준비될 때까지 시약을 다른 시약 저장조(124, 126 및 128)에 개별적으로 저장하면 시약 혼합물의 사용 가능한 수명 및/또는 달성 가능한 서열 분석 동작 성능을 증가시킬 수 있다. 일례에서, 시약은 임의의 적합한 물질일 수 있다. 예를 들어, 제1 시약은 약 1.01 내지 약 1.1의 비중을 갖는 임의의 혼합물일 수 있다. 제2 시약은 약 1.05 내지 약 1.15의 비중을 갖는 임의의 혼합물일 수 있다. 제3 시약은 약 1.01 내지 약 1.1의 비중을 갖는 임의의 혼합물일 수 있다. 다른 예에서, 시약은 임의의 적합한 물질일 수 있다. 예를 들어, 제1 시약은 25 ℃에서 약 1.5 cP 내지 약 4 cP의 점도를 갖는 임의의 혼합물일 수 있다. 제2 시약은 25 ℃에서 약 5 cP 내지 약 10 cP의 특정 점도를 갖는 임의의 혼합물일 수 있다. 제3 시약은 25 ℃에서 약 10 cP 내지 약 50 cP의 점도를 갖는 임의의 혼합물일 수 있다.
일례로서, 저장조(124) 내의 제1 시약(130)은 적어도 하나의 생화학적 분자를 포함할 수 있다. 생체 분자는 뉴클레오타이드(예를 들어, 뉴클레오사이드 트라이포스페이트(NTP)) 및/또는 단백질을 포함할 수 있다. 단백질은 폴리머라제, 단일 가닥 결합 단백질, 헬리카제, 토포이소머라제, 프리마제, 텔로머라제, 리가아제, 재조합 효소 등을 포함할 수 있다. 단백질은 효소로 작용할 수 있다. 일례로서, 저장조(126) 내의 제2 시약(132)은 단백질과 같은 생체 분자를 포함할 수 있다. 제2 시약(132) 내의 단백질은 전술한 단백질 중 하나 이상일 수 있다. 일례로서, 저장조(128) 내의 제3 시약(134)은 마그네슘 및 군집제를 포함할 수 있다. 군집제는 덱스트란, FICOLL
Figure pct00001
(GE Healthcare Life Sciences사로부터 입수할 수 있는 중성, 고도로 분지된, 다량의 친수성 다당류), 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 폴리비닐 알콜(PVA), 또는 헤모글로빈 또는 오발부민과 같은 단백질일 수 있다. 군집제는, 이 군집제의 크기 및/또는 농도로 인해 용액 중의 다른 분자에 이용 가능한 용매의 체적이 감소되기 때문에 용액 중의 분자의 성질을 변화시킨다. 시약(130, 132 및 134)은 전술한 분자들 중 임의의 분자의 임의의 조합일 수 있고, 다른 예에서 열거된 성분의 상이한 성분 및/또는 상이한 분포를 포함할 수 있다. 3개의 시약(130, 132, 134)은 물, 계면 활성제 및/또는 다른 것과 같은 하나 이상의 성분을 공통으로 가질 수 있다.
상이한 성분 제제로 인해, 시약(130, 132 및 134)은 상이한 유체 특성을 가질 수 있어서, 시약의 자동화된 이송 및 혼합에 문제를 제기한다. 예를 들어, 시약(130, 132 및 134)은 상이한 농도, 점도 및 오일 계면 장력을 가질 수 있어 시약의 혼화성이 문제가 된다. 일례로서, 상이한 시약들의 점도는 25 ℃에서 약 1.5 cP 내지 약 50 cP의 범위일 수 있는 반면, 오일 계면 장력은 약 5.0 dyne/cm 내지 약 19.2 dyne/cm의 범위일 수 있다. 따라서, 시약들과 샘플 템플릿이 혼합 없이 결합되면, 상이한 시약들 및 샘플 템플릿은 별개의 줄무늬들로서 혼합 저장조(136)에서 보일 수 있다.
상대적으로 높은 점도를 갖는 시약은 더 높은 점도의 시약이 시스템 또는 기기(12)(도 1에 도시됨) 내의 압력을 증가시키기 때문에 시약의 자동화된 이송에 문제를 야기한다. 더 높은 압력은 펌프(38)가 출력을 증가시켜야 시스템을 통해 시약을 이동시킬 수 있게 하므로, 이는 에너지 사용을 증가시킬 뿐만 아니라 (더 낮은 점도의 시약과 관련된 더 낮은 압력에 비해) 폐쇄된 시스템에서 누출 또는 손상의 위험을 상승시킬 수 있다. 일례에서, 시약(130, 132, 134)들 중 적어도 일부는 통상적인 시약에 비해 감소된 점도로 제형화된다. 예를 들어, 시약(130, 132, 134)들 중 하나 이상은 더 큰 분자량을 갖는 군집제와는 달리 낮은 분자량을 갖는 군집제를 포함할 수 있다. 낮은 분자량을 갖는 군집제는 약 11,000 달톤(Dalton)(Da) 미만의 분자량, 예를 들어, 약 10,000 Da, 예를 들어, 약 9,000 Da, 예를 들어, 약 8,000 Da, 예를 들어, 약 7,000 Da의 분자량을 갖는 분자일 수 있다. 본 명세서에 기재된 하나 이상의 실시예에 따른 하나 이상의 시약(130, 132, 134)에 사용되는 군집제는 덱스트란, FICOLL
Figure pct00002
, 폴리에틸렌 글리콜, 또는 헤모글로빈 또는 오발부민과 같은 단백질일 수 있다. 저 분자량 군집제는 30,000 Da 이상일 수 있는 일부 알려진 시약에서 사용되는 군집제의 분자량보다 상당히 더 낮다. 저 분자량 군집제를 사용하면 더 높은 분자량을 갖는 군집제를 갖는 알려진 시약에 비해 대응하는 시약의 점도를 감소시킬 수 있다. 감소된 점도는 기기(12)의 시스템 압력을 감소시켜 시약(130, 132, 134)들이 이송 및 혼합되는 것을 향상시킬 수 있다.
일례에서, 상이한 유체 특성을 갖는 시약들이 혼화될 가능성을 증가시키기 위해 하나 이상의 시약(130, 132 및 134)에 계면 활성제가 도입된다. 계면 활성제는 모든 시약 저장조(124, 126 및 128)에 첨가되거나 또는 포함될 수 있다. 계면 활성제는 일반적으로 TWEEN
Figure pct00003
20(Croda Americas사의 등록 상표)이라고 지칭되는 폴리소르베이트 20 및/또는 다른 상업적으로 이용 가능한 계면 활성제 또는 세제일 수 있다. 시약에 계면 활성제를 사용하면 시약들이 혼합되는 효율을 향상시켜, 계면 활성제 없이 시약들을 혼합시키는 것에 비해 더 적은 혼합(예를 들어, 더 적은 혼합 사이클, 더 적은 혼합 강도, 더 적은 혼합 시간, 더 적은 단백질 파울링(protein fowling) 등)으로 실질적으로 균일한 혼합물이 달성될 수 있다. 시약에 계면 활성제를 사용하면 또한 계면 활성제 없이 시약을 형성하는 것에 비해 시약의 분자와 시스템 내의 다양한 표면 사이의 마찰을 감소시킬 수 있으며, 이에 보다 우수한 유체 운반 및 더 낮은 분자-표면 상호 작용이 가능하게 할 수 있다.
이송 단계 동안, 유체 시스템(55)은 각각의 저장조(124, 126, 및 128)로부터의 시약(130, 132, 및 134)을 사전-혼합하여 시약 혼합물을 형성하기 위한 임시적인 저장 용기로 이송시키고 나서, 시약 혼합물을 샘플 템플릿(138)과 혼합하는 혼합 저장조로 시약 혼합물을 이송하도록 구성된다. 제어 회로(46)는 밸브(66, 68) 및 펌프(38)에 명령 또는 제어 신호를 전달하여, 메모리 회로(50)(도 3)에 저장된 혼합 프로토콜(90)(도 3에 도시됨)들 중 선택된 프로토콜에 따라 시스템(55)을 통해 시약(130, 132, 134)들을 이송 및 혼합하는 것을 자동으로 제어한다.
일례에서, 시약(130, 132 및 134)들을 사전-혼합하는데 사용되는 임시 저장 용기는 캐시 채널(118)이다. 예를 들어, 시약(130, 132 및 134)들은, 각각의 저장조(124, 126 및 128)로부터, 저장조 내로 연장되는 대응하는 시퍼(115)를 통해 캐시 채널(118) 내로 흡인된다. 펌프(38) 및 시약 선택기 밸브(66)는 대응하는 시퍼(115)를 통해 대응하는 유체 채널(114)을 따라 저장조 단부(252)를 통해 캐시 채널(118) 내로 각각의 시약을 흡인하도록 제어된다. 아래에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 시약(130, 132 및 134)은 다른 시약들 사이에서 동일할 수도 있고 동일하지 않을 수도 있는 시약의 지정된 양만큼 흡인된다. 시약(130, 132, 134)은 (구현되는 프로토콜에 따라) 캐시 채널(118)로부터 시약을 배출하기 전에 또는 후에 선택적으로 한 번 이상 반복될 수 있는 순서화된 시퀀스로 한 번에 하나씩 흡인될 수 있다. 그 결과, 캐시 채널(118)은 캐시 채널(118)의 길이를 따라 시약(130, 132, 134)이 교대하는 패턴을 가질 수 있다.
각각의 시약(130, 132, 134)의 지정된 체적이 캐시 채널(118) 내로 흡인된 후, 시약 혼합물의 적어도 일부는 캐시 채널(118)로부터, 시약 혼합물을 샘플 템플릿과 혼합하는 혼합 저장조로 배출된다. 도시된 예에서, 혼합 저장조는 샘플 템플릿이 내부에 미리 로딩된 템플릿 저장조(136)이다. 그러나, 대안적인 예에서, 혼합 저장조는 템플릿 저장조(136)와는 다를 수 있다. 예를 들어, 혼합 저장조는 시약 저장조(124, 126 또는 128)들 중 하나의 시약 저장조이어서, 시약 혼합물이 캐시 채널(118)로부터 혼합을 위해 시약 저장조들 중 하나의 시약 저장조로 배출될 수 있다. 또 다른 대안적인 예에서, 혼합 저장조는 시약 저장조들 및 템플릿 저장조와는 다른 지정된 혼합 저장조일 수 있다. 이러한 예에서, 샘플 템플릿은 시약(130, 132, 134)을 흡인하는 것과 유사하게 템플릿 저장조(136)로부터 흡인될 수 있고, 이후 시약 혼합물을 혼합 저장조로 배출하기 전에 또는 후에 지정된 혼합 저장조로 배출될 수 있다.
시약 혼합물은, 펌프(38) 및 시약 선택기 밸브(66)를 제어하여, 노즐 시퍼(116)를 캐시 채널(118)의 저장조 단부(252)에 연결하는 유체 채널(142)을 통해 시약 혼합물을 노즐 시퍼(116)로 추진시킴으로써 혼합 저장조 내로 배출된다. 혼합 단계 동안, 시약 혼합물은 혼합 저장조 내의 샘플 템플릿과 혼합되어 클러스터링 혼합물을 형성하고 이 클러스터링 혼합물은 이후 흐름 셀(20)(도 2에 도시됨)로 흘러간다. 그리하여, 유체 시스템(55)은, 시약이 캐시 채널(118)로 하나씩 자동적으로 선택적으로 흡인되고, 혼합 저장조로 주입되고, 시약이 흐름 셀(20)로 흐르기 전에 샘플 템플릿과 혼합되게 한다.
도 7은 일례에 따른 유체 시스템(55)의 개략도를 도시한다. 구불구불한 캐시 채널(118)은 설명을 명확히 하기 위해 개략도에서 선형으로 도시된다. 일례에서, 이송(또는 운반) 단계 동안, 유체 시스템(55)은, 시약을 공압적으로 조작(예를 들어, 푸시)하는데 사용되고 또한 프라이밍, 세척 등에 사용될 수 있는 액체 완충액 유체(256)를 캐시 채널(118)에 채우도록 습윤된다. 펌프(38) 및 시약 선택기 밸브(66)는 제어 회로(46)에 의해 및 보다 구체적으로는 도 2에 도시된 펌프 인터페이스(86) 및 밸브 인터페이스(84)에 의해 제어된다.
흡인 동작에서, 제어 회로(46)는 시약(130, 132, 134)을 캐시 채널(118)로 보내도록 공통 라인 선택기 밸브(68)(도 6에 도시됨)를 제어한다. 제어 회로(46)는 시약 선택기 밸브(66)를 제어하여, 구현되는 선택된 혼합 프로토콜(90)에 의해 지정된 순서화된 시퀀스에 따라 한 번에 상이한 시약(130, 132, 134)들 중 하나 이상의 시약을 선택하도록 한다. 펌프(38)는 선택된 시약 또는 시약들을 대응하는 시퍼(115)로 흡입 또는 인입하는 음압을 제공하도록 제어된다. 도시된 예에서, 선택기 밸브(66)는 제1 시약(130), 이어서 제2 시약(132), 그 다음 제3 시약(134)을 포함하는 시퀀스로 한 번에 하나씩 시약들 중 특정 측정된 체적의 시약을 흡인하도록 제어된다. 시퀀스로 시약들을 흡인하면 캐시 채널(118)에 일련의 시약 체적이 생성된다.
일례에서, 펌프(38) 및 선택기 밸브(66)는 적어도 한번 순서화된 시퀀스로 시약들을 흡인하는 것을 반복하여 캐시 채널(118)에 다수의 시약 세트를 동시에 생성하도록 제어된다. 예를 들어, 도시된 예에서, 시퀀스는 캐시 채널(118)이 참조 부호(146, 148, 150, 152 및 154)로 표시된 5개의 시약 세트의 시약을 포함하도록 4번 더 반복된다. 세트(146)는 제1 흡인된 세트이며, 완충액 유체(256)와 세트(148) 사이에 위치된다. 시약은 예시적인 혼합 프로토콜에 따라 도 7에서 5 라운드 또는 사이클로 흡인되지만, 펌프(38) 및 선택기 밸브(66)는 다른 프로토콜에 따라 제어되어 더 많거나 또는 더 적은 흡인 사이클을 수행할 수 있다. 예를 들어, 다른 프로토콜에 따르면, 캐시 채널(118)이 시약을 배출하기 전에 7개의 시약 세트를 동시에 보유하도록 시약은 7 라운드로 흡인될 수 있다. 펌프(38) 및 시약 선택기 밸브(66)는, 동일할 수도 있고 또는 동일하지 않을 수도 있는 지정된 양의 시약을 인입하도록 제어된다. 예를 들어, 제1 시약(130)의 지정된 양은, 세트(146, 148, 150, 152 및 154)에서 시약(132)("2"로 표시됨)을 나타내는 세그먼트의 길이에 비해 시약(130)(라벨 "1")을 나타내는 세그먼트의 길이가 더 긴 것으로 표시된 바와 같이, 각 세트에서 제2 시약(132)의 지정된 양을 초과할 수 있다.
다수의 흡인 사이클 때문에, 캐시 채널(118)은 캐시 채널(118)의 길이를 따라 시약(130, 132, 134)이 교번하는 패턴을 포함한다. 시약(130, 132 및 134)은 상이한 시약(130, 132 및 134)의 양들 사이의 계면에서 캐시 채널(118) 내에서 함께 혼합하기 시작될 수 있다. 그리하여, 시약(130, 132 및 134)은 혼합 저장조에서 혼합되기 전에 캐시 채널(118) 내에서 사전-혼합될 수 있다. 시약(130, 132 및 134)이 캐시 채널(118)에 흡인되어 보유되는 동안, 혼합 저장조(도시된 예에서 템플릿 저장조(136))는 샘플 템플릿(138)만을 포함한다. 전술된 바와 같이 샘플 템플릿(138)은 DNA 라이브러리 또는 다른 유전 물질의 핵산을 포함한다. 템플릿 저장조(136)에는 샘플 템플릿(138)이 미리 로딩되었을 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이 일단 흡인되면, 시약 선택기 밸브(66)는 혼합 프로토콜(90)에 따라 제어 회로(46)에 의해 제어되어, 펌프(38)에 의해 시약(130, 132 및 134)을 캐시 채널(118)로부터 템플릿 저장조(136)로 주입하거나 배출하여 템플릿 저장조 내 샘플 템플릿(138)과 혼합되게 할 수 있다.
도 8은 시약 혼합물의 일부를 템플릿 저장조(136)로 배출한 후에 도 7에 도시된 유체 시스템(55)의 개략도를 도시한다. 시약 혼합물을 선택된 혼합 프로토콜(90)에 따라 혼합하기 위해 캐시 채널(118)로부터 저장조(136)로 배출하기 위해, 펌프(38)는 제어 회로(46)에 의해 제어되어, 시약 선택기 밸브(66)를 향하여 시약 혼합물을 밀어내는 양압을 생성한다. 시약 선택기 밸브(66)는 시약 혼합물을 유체 채널(142)을 따라 안내하도록 작동된다. 시약 혼합물은 노즐 시퍼(116)를 통해 템플릿 저장조(136)로 배출되고, 저장조(136) 내의 샘플 템플릿(138)과 혼합된다. 시약(130, 132 및 134)은 샘플 템플릿(138)과 결합해서 후속 혼합 공정 후에 완전히 혼합되고 적어도 실질적으로 균일한 클러스터링 혼합물(262)을 형성한다.
도시된 예에서, 완전히 흡인된 양보다 더 적은 양의 시약(130, 132 및 134)이 캐시 채널(118)로부터 템플릿 저장조(136)로 배출된다. 예를 들어, 시약(130, 132 및 134)의 5개의 세트(146, 148, 150, 152 및 154)가 캐시 채널(118)로 인입되었지만, 5개의 세트 전부가 저장조(136)로 배출되는 것은 아니다. 도 8에 도시된 바와 같이, 이들 세트들 중 2개의 세트(146 및 148)는 세트(150, 152 및 154)를 저장조(136) 내로 배출한 후에 캐시 채널(118)에 남아 있고, 그리하여 시약(130, 132 및 134)의 잔류 체적을 규정한다. 세트(146 및 148)는 템플릿 저장조(136)로 배출된 시약(130, 132 및 134)을 희석시키는 위험을 피하기 위해 캐시 채널(118)에 유지된다. 세트(146)는 유체 계면(258)에서 완충액 유체(256)와 접촉하기 때문에, 완충액 유체(256)가 시약(130, 132 및 134)과 혼합되어 시약(130, 132 및 134)을 희석시킬 위험이 존재한다. 저장조(136) 내로 주입되는 시약 혼합물 내 시약(130, 132 및 134)을 지정된 농도로 유지하기 위해, 유체 계면(258)에 있는 세트(146) 및 이 세트(146)에 인접한 세트(148)는, 저장조(136)로 배출되는 시약 혼합물(예를 들어, 세트(150, 152 및 154)의 체적으로부터 완충액 유체(256)를 분리시키는 상류 완충액 구역을 생성하기 위해 사용되고 희생된다. 대안적인 예에서, 하나의 세트 또는 적어도 3개의 세트의 시약(130, 132 및 134)이 희생되어 상류 완충액 구역을 형성할 수 있다. 상류 완충액 구역을 형성하기 위해 희생된 시약(130, 132 및 134)의 양은 캐시 채널(118) 내로 흡인된 시약(130, 132 및 134) 세트의 총 수와 독립적일 수 있다. 예를 들어, 7개의 시약(130, 132 및 134) 세트가 캐시 채널(118)로 흡인되었다면, 7개의 세트 중 5개의 세트가 혼합 저장조로 배출되고 2개의 나머지 세트로 상류 완충액 구역을 형성할 수 있다.
선택적으로, 상이한 시약 저장조로부터 시약을 흡인하고 나서, 이후 시약의 흡인된 체적 중 적어도 일부를 혼합 저장조 내로 배출하는 공정은 선택된 혼합 프로토콜(90)에 따라 반복될 수 있다. 예를 들어, 일례에서, 세트(150, 152, 154) 내의 시약(130, 132 및 134)의 체적을 템플릿 저장조(136)로 배출한 후, 펌프(38) 및 시약 선택기 밸브(66)는 도 7에 도시된 동일한 순서화된 시퀀스로 하나 이상의 추가적인 시약 세트를 흡인하도록 제어될 수 있다. 일례에서, 채널(118)이 4개의 시약 세트(예를 들어, 상류 완충액 구역에 사용되는 세트(146 및 148)를 포함함)를 보유하도록 2개 이상의 세트(도시되지 않음)가 캐시 채널(118)에 인입된다. 이어서, 펌프(38) 및 시약 선택기 밸브(66)는 두 개의 추가적인 시약 세트를 (완충액 구역으로 사용된 시약을 배출하지 않고) 템플릿 저장조(136)로 배출하도록 제어된다. 대안적인 예에서, 시약을 흡인하는 공정은, 혼합 저장조 내로 배출되는 시약 세트의 총 수가 사전에 단일 시간 기간 동안 캐시 채널(118)로 흡인되도록 단 한번만 수행된다. 예를 들어, 5개의 세트를 흡인하고 나서 2개의 추가적인 세트를 흡인 및 배출하기 전에 3개의 세트를 배출하는 대신에 7개의 시약 세트가 캐시 채널(118)로 흡인되고 나서 7개의 세트 중 5개의 세트를 혼합 저장조로 배출한다.
각각의 세트에서 흡인된 시약의 체적 량 및 흡인된 세트의 수는 템플릿 저장조(136) 내 시약 혼합물의 미리 정해진 체적이 되도록 제어될 수 있다. 시약 혼합물의 미리 정해진 체적은 내부 다른 시약과 미리 정해진 체적비를 갖는다. 시약 저장조를 혼합 저장조에 버리는 대신에 시약 저장조로부터 시약을 흡인함으로써, 시약 저장조 내의 시약의 미리 로딩된 체적에 의존하는 것에 비해 시약 혼합물에서 시약의 체적 및 비율이 보다 정확히 달성될 수 있다.
도 9는 일례에 따른 혼합 단계 동안 유체 시스템(55)의 개략도를 도시한다. 시약 및 샘플 템플릿의 상이한 유체 특성으로 인해, 클러스터링 혼합물(262)은 선택된 혼합 프로토콜(90)에 따라 템플릿 저장조(136) 내에서 능동적으로 혼합되어 클러스터링 혼합물(262)을 균일하게 (또는 전체적으로 균일하게) 만든다. 일례에서, 클러스터링 혼합물(262)은 클러스터링 혼합물(262)의 체적 또는 양(264)을 노즐 시퍼(116)를 통해 캐시 채널(118)로 흡인하고 나서 클러스터링 혼합물(262)의 체적(264)을 템플릿 저장조(136)로 되 배출함으로써 혼합된다. 흡인 및 배출 공정은 템플릿 저장조(136)에서 와동(vorticity)을 촉진하여 클러스터링 혼합물(262)이 효율적으로 혼합되는 것을 제공한다.
클러스터링 혼합물(262)을 흡인하기 전에, 펌프(38) 및 밸브(들)(66)는 유체 시스템(55)을 공기로 디프라이밍(de-priming)하도록 제어될 수 있다. 디프라이밍 공정은 캐시 채널(118), 유체 채널(142) 및/또는 노즐 시퍼(116)와 같은 유체 라인으로 공기를 인입하기 위해 펌프(38)를 사용하는 것을 수반할 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 클러스터링 혼합물(262)이 캐시 채널(118) 내로 인입될 때, 클러스터링 혼합물(262)은 공기 갭(260)만큼 완충액 유체(256)로부터 이격된다. 공기 갭(260)은 완충액 유체(256)를 클러스터링 혼합물(262)로부터 분리시켜, 완충액 유체(256)가 클러스터링 혼합물(262)과 혼합되어 희석되는 것을 방지한다. 시스템에 공기를 도입하기 위한 디프라이밍 단계는 시스템이 특정 체적의 유체를 정확히 흡인하는 능력을 억제할 수 있으나, 이러한 정확한 측정은 혼합 단계 동안에는 반드시 필요한 것은 아니다. 예를 들어, 체적(264)이 이후 저장조(136)로 되 주입됨에 따라, 클러스터링 혼합물(262)의 체적(264)은 정확히-측정된 특정 양일 필요는 없다. 그리하여, 일례에서, 시약이 흡인되는 이송 단계 동안 시스템에 프라이밍(또는 공기 없이)될 수 있으며, 이후 시스템은 혼합 단계 동안 (공기를 도입하기 위해) 디프라이밍될 수 있다. 공기는 클러스터링 혼합물(262)을 희석시키는 것을 방지하는 공기 갭(260)에 완충액을 제공하는데 사용된다. 클러스터링 혼합물(262)의 체적(264)이 저장조(136)로 되 배출되는 동안, 체적(264)의 전량과 공기 갭(260)으로부터의 공기의 일부분이 노즐 시퍼(116)를 통해 배출된다. 저장조(136) 내로 주입된 공기는 액체 혼합물(262)을 배출하는 것에 의해 제공된 것 이상으로 저장조(136) 내에 와동을 증가시킬 수 있다. 공기는 시약 혼합물의 일부를 희생시킴으로써 상류 완충액 구역을 생성하는 대신에 혼합 공정을 위한 완충액을 제공하는데 사용되며, 이것은 혼합을 유도하는데 수반되는 비교적 높은 유체 속도로 인해 시약 이송 동안 사용된다. 예를 들어, 시약 혼합물의 일부를 완충액으로 사용하는 대신 완충제로 공기를 사용하면 더 높은 유체 속도를 얻을 수 있다.
3개 이상의 시약을 목적 수용기(예를 들어, 혼합 저장조 또는 캐시 채널(118))에서 혼합하기 위해 선택할 수 있는 다른 기술에서, 혼합을 위해 선택된 시약들 중 적어도 2개의 시약은 혼합 채널 내로 하나씩 반복적으로 도입될 수 있는데, 여기서 혼합을 위해 선택된 적어도 하나의 다른 시약은 혼합 저장조 내로 하나씩 반복적으로 도입되는 시약이 혼합 저장조에 완전히 전달될 때까지 예비로 유지된다. 그 후 예비된 시약은 모두 한번에 혼합 저장조에 추가할 수 있다. 예를 들어, 시약(A) 및 시약(B)이 혼합 저장조 내로 하나씩 반복적으로 도입되고 나서 예비된 시약(C)이 도입되면, 혼합 저장조 내의 시약은 (예를 들어, 도 7과 관련하여 기술된 것과 유사한 기술로부터 초래될 수 있는) ABCABCABCABCABC와는 달리 일반적으로 ABABABABABC로서 층상화될 것이다. 이러한 기술은 일부 시약에 대해 원치 않는 반응 부산물이 발생하는 것을 방지하거나 또는 감소시키는 데 유리한 것으로 고려된다. 예를 들어, 예비된 시약은 하나의 특정 방식으로 다른 시약들 중 하나의 시약과 독립적으로 반응할 수 있지만, 다른 방식으로 다른 시약들 중 두 개 이상의 시약과 조합하여 반응할 수 있다. 후자는 일단 시약이 완전히 혼합된 후에 발생할 수 있는 원하는 반응일 수 있는 반면, 전자는 시약이 여전히 상대적으로 층상화될 수 있고 바로 인접한 이웃 시약과만 혼합될 수 있을 때 사전-혼합 동안 발생할 수 있다. 다른 예에서, 예비된 시약은 혼합 저장조의 구조를 형성하고 원치 않는 부산물을 생성하는 물질과 반응할 수 있다. 시약을 혼합 저장조에 반복적으로 하나씩 도입하는데는 원하는 시약의 수와 각 시약의 양에 따라 수 분, 예를 들어, 5분, 10분, 15분 이상의 시간이 소요될 수 있으므로, 다른 시약이 혼합 저장조에 하나씩 전달된 후까지 잠재적으로 번거로운 시약은 도입하는 것을 예비하면 예비된 시약이 다른 시약 및 혼합 채널의 구조와 접촉하는 데 소비하는 시간 기간을 현저히 감소시킬 수 있어서 이에 의해 원치 않는 반응 부산물이 생성될 가능성을 감소시킬 수 있다. 물론, 이러한 구현예에서, 예비된 시약은 다른 시약이 이익을 얻을 수도 있는 사전-혼합으로부터 이익을 얻지 못할 수도 있지만, 원치 않은 반응 부산물을 감소시킬 가능성은 예비된 시약에 비해 사전-혼합의 손실량보다 더 클 수 있다. 특히, 예비된 시약이 더 낮은 점도 액체인 경우, 예비된 시약에 대해 사전-혼합의 손실량은 궁극적으로 거의 영향을 미치지 않을 수 있다.
채널 같은 혼합 볼륨, 예를 들어, 폭보다 길이가 훨씬 더 긴 (예를 들어, 폭보다 적어도 10X, 100X, 150X 내지 170X, 160X, 200X 또는 500X배 더 긴) 볼륨을 사용하면, 시약의 각 층 사이의 표면 대 표면 접촉 계면 영역을 감소시킴으로써 직렬로 전달된 시약이 채널 내에서 서로에 대해 상대적으로 층상화된 배열을 유지할 수 있다(시약은 액체이어서 시간이 지남에 따라 어느 정도 이 경계를 넘어 서로 확산될 수 있으므로 본 명세서에서 언급된 경계/접촉 계면 영역은 특성상 이론적인 것으로 이해되어야 하지만; 이러한 이론적 영역을 감소시키면 확산 속도는 느려질 것이다). 게다가, 시약이 다소 서로 섞이지 않을 수 있는 경우, 예를 들어, 혼합 볼륨이 구형 형상이거나 폭 대 길이 비가 더 크면, 혼합 볼륨으로 전달되는 다양한 시약 투여량이 혼합 볼륨 내에 부유하고 잠재적으로 이 동일한 시약의 초기 투여량과 재결합하여 채널형 혼합 볼륨에서 달성될 수 있는 층상화를 상실할 있다. 예를 들어, 길이가 약 360 mm이고 직경 또는 폭이 약 2.25 mm인 혼합 채널은 사전-혼합 공정 동안 전달된 시약에서 유리한 층상화를 제공할 수 있다. 일단 혼합 볼륨이 원하는 양의 시약 세트로 로딩되면, 혼합 볼륨의 내용물이 목적 수용기로 전달될 수 있다(혼합 볼륨 내의 유체의 일부는 유체 시스템의 데드 볼륨(dead volume)으로 손실될 수 있고; 혼합 볼륨으로 전달되는 시약의 총 체적은 이러한 손실을 설명하기 위해 교정될 수 있다). 목적 수용기로 전달된 후, 전달된 사전-혼합된 시약은 반복적으로 목적 수용기로부터 흡인되고 나서 목적 수용기로 되 토출되어 추가 혼합을 촉진할 수 있다. 일부 구현예에서, 사전-혼합된 (또는 사후-사전-혼합된) 시약은 목적 수용기로부터 흡인되고 나서, 목적 수용기로 되 토출되기 전에 혼합 볼륨 내로 되 당겨질 수 있다. 따라서, 이러한 구현예에서, 사전-혼합된 시약은 흡인/토출 혼합 동작 동안 반복적으로 혼합 볼륨 내로 및 밖으로 이동될 수 있다.
시약의 유체 특성에 상당한 차이가 있음에도 불구하고 노즐 시퍼(116)와 함께 혼합 볼륨/채널을 사용하면 목적지 수용기에서 와동을 촉진하고 시약과 템플릿이 우수하게 혼합될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 더욱이, 이러한 구조 및 기술은 인간 상호 작용이 거의 없거나 전혀 없이 자동적으로 혼합될 수 있게 한다. 도 10은 일례에 따른 혼합 저장조(172) 내의 노즐 시퍼(116)의 확대도를 도시한다. 노즐 시퍼(116)는 그 길이를 따라 연장되는 중심 루멘(공동, 채널)을 갖는 세장형 몸체를 가질 수 있다. 노즐 시퍼(116)는 클러스터링 혼합물의 강화된 혼합을 제공하는 속도로 클러스터링 혼합물을 혼합 저장조(172)로 배출하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 노즐 시퍼(116)는 시약 시퍼(115)의 내부 직경에 비해 더 작은 내부 직경을 가질 수 있으며, 이는 (시약 시퍼(115)에 비해) 노즐 시퍼(116)를 통한 증가된 유량을 허용한다. 일례에서, 감소된 내부 직경은 원위 팁(105)에서 노즐 시퍼(116)의 중심 루멘 내로 로딩되어 시퍼(116)를 통한 루멘/채널의 크기를 감소시키는 노즐 삽입물(158)에 의해 제공될 수 있다. 예를 들어, 노즐 시퍼(116)는 약 0.020 인치(0.508 mm)의 공칭 내부 직경(162)을 가질 수 있는 반면, 노즐 삽입물(158)은 약 0.010 인치(0.254 ㎜)의 공칭 내부 직경(164)을 갖는다. 일부 예에서, 노즐 시퍼(116)는 약 0.125 인치(3.175 mm)의 공칭 외부 직경 및 0.020 인치 ± 0.001 인치의 공칭 내부 직경(162)을 갖는 반면, 반면 노즐 삽입물(158)은 0.010 인치 ± 0.001 인치(0.254 mm, 그러나 일부 구현예에서는 0.20 mm 내지 0.28 mm에 이르는 노즐 내부 직경(164)을 특징으로 할 수 있음)의 공칭 내부 직경(164)을 갖는다. 물론, 원하는 혼합을 제공하기 위해 다른 크기 및 치수가 사용될 수 있다. 대안적인 예에서, 노즐 시퍼(116)는 내부에 노즐 삽입물(158)을 포함하지 않는다.
노즐 삽입물(158)은 노즐 시퍼(116)의 원위 단부(105)의 형상에 순응하는 임의의 적합한 형상을 가질 수 있다.
도시된 구현예에서, 노즐 시퍼(116)는 저장조(172)의 바닥에서 소정의 높이(예를 들어, 바닥으로부터 약 2 mm 높이)에 위치된다. 클러스터링 혼합물이 방향(168)을 따라 저장조(172) 내로 주입될 때, 노즐(158)을 통해 이동하는 혼합물의 속도가 증가하는 것에 의해 저장조(172) 내 혼합물의 와동이 향상되어, 화살표(170)로 나타낸 바와 같이 혼합이 향상된다.
도 11은 일례에 따른 시약 및 샘플 템플릿을 흡인 및 혼합하는 예시적인 사이클을 도시하는 그래프(180)이다. 도 12는 일례에 따라 시약 및 샘플 템플릿을 흡인 및 혼합하기 위한 방법 및 제어 논리(204)를 도시하는 흐름도이다. 도 11에서, y 축(182)은 펌프(38)에 의해 인가된 압력을 나타내고, x 축(184)은 초 단위의 시간을 나타낸다. 음압은 하나 이상의 시약을 흡인하는 것을 나타내는 반면, 양압은 토출을 나타낸다. 사이클(180)은 이하에서 설명되는 바와 같이 "이송" 시퀀스(186) 후에 "혼합" 시퀀스(196)를 포함하는 것으로 고려될 수 있다. 도 12에 도시된 방법(204)은 메모리 회로(50)에 저장된 혼합 프로토콜(90)의 라우팅에 대응할 수 있다. 기기(12)의 제어 회로(46)는 메모리 회로(50)로부터 혼합 프로토콜(90)에 액세스하고 이를 검색할 수 있다. 제어 회로(46)는 기기(12)의 다른 구성 요소들 중에서 특히 펌프(38), 시약 선택기 밸브(66) 및 공통 라인 선택기 밸브(68)의 동작을 제어함으로써 기기(12) 상에 탑재되어 방법(204)을 수행하기 위해 혼합 프로토콜(90)을 자동으로 구현할 수 있다.
도 12의 흐름도를 참조하면, 방법 및 제어 논리(204)는 이전의 시약 혼합물을 라우팅할 수 있는 흐름 경로로부터 기존의 액체를 제거하기 위해 참조 부호(206)에서, 공기를 흡인하는 것으로 시작될 수 있다. 예를 들어, 시약 선택기 밸브(66)를 목적 수용기(예를 들어, 템플릿 또는 혼합 저장조(136))에 연결시키는 흐름 경로(142) 내에 잔류하는 잔류 액체는, 흐름 경로(142)를 통해 목적 수용기로 이후 전달되는 임의의 새로운 시약 혼합물이 잔류 액체와 섞이지 않도록 공기로 흡인될 수 있다(즉, 액체가 공기로 대체될 수 있다).
이송 시퀀스는 참조 부호(208)에서 프라이밍 시퀀스로 시작될 수 있다. 프라이밍 시퀀스는 도 11에서 참조 부호(188)로 집합적으로 표시된 일련의 음압 또는 흡인 이벤트에 의해 표시된다. 일반적으로, 프라이밍 시퀀스는 완충액 유체, 시약 및 다른 유체와 같은 유체를 초기에 시스템으로 인입시킨다. 참조 부호(210)에서, 완충액이 흡인될 수 있다. 완충액은 시약에 대해 비 반응성 또는 상대적으로 불활성이 되도록 선택된 액체를 포함할 수 있으며, 원하는 경우 후속 단계에서 혼합 볼륨으로 시약을 보다 정확히 계량할 수 있기 위해 펌프와 시약 사이에 적어도 부분적으로 연장되는 비압축성 작동 유체로서 사용될 수 있다. 참조 부호(212)에서, 프라이밍 이벤트에서 제1 시약이 흡인되고, 이어서 참조 부호(214)에서 최종 시약을 흡인하는 것을 통해 임의의 수의 다른 시약이 흡인될 수 있다. 일례에서, 3개의 시약이 프라이밍 시퀀스에서 흡인되지만, 다른 예는 프라이밍 시퀀스에서 흡인된 상이한 수의 시약을 포함할 수 있다.
프라이밍 시퀀스(208) 후에 참조 부호(218)에서 이송 시퀀스의 나머지 부분이 뒤따르고 이 동안 혼합될 시약이 시스템 내로 흡인된다. 이송 시퀀스는 도 11에서 참조 부호(190)로 집합적으로 표시된 음압 이벤트로 도시된다. 시약은 순서화된 시퀀스로 흡인된다. 예를 들어(도 12에서), 참조 부호(222)에서 제1 시약이 흡인된 후, 참조 부호(222)에서 최종 시약이 흡인될 때까지 지정된 시퀀스로 추가 시약이 각각 하나씩 흡인된다. 각 시퀀스에서 흡인되는 시약의 양은 세트를 형성한다. 일례에서는 3개의 시약이 흡인되지만, 다른 예에서는 상이한 수의 시약이 흡인될 수 있다. 시약은 캐시 채널(예를 들어, 캐시 채널(118)) 내로 흡인된다. 전술한 바와 같이, 시약은 비교적 적은 양 또는 체적으로 흡인되어 캐시 채널 내에 시약이 교대하는 패턴을 생성하여 사전-혼합을 촉진할 수 있다. 참조 부호(224)에서, 시약의 모든 세트가 흡인되었는지 여부가 결정된다. 예를 들어, 시스템은 5개의 세트와 같은 다수의 시약 세트를 흡인하도록 제어될 수 있다. 제1 세트 내지 제4 세트가 흡인된 후, 모든 세트가 흡인된 것이 아니면 방법(204)의 흐름은 참조 부호(220)로 되돌아가서 하나 이상의 추가 세트를 계속 흡인하는 것으로 결정된다. 모든 세트는 모든 시약을 포함할 수 있고, 또는 대안적으로 세트의 적어도 일부는 모든 시약을 포함하지 않을 수 있다. 더욱이, 다양한 체적 또는 양의 시약이 다양한 세트에서 흡인될 수 있다. 일단 모든 시약 세트가 흡인되었다면, 방법(204)은 참조 부호(226)로 진행한다. 도 12에 도시된 바와 같이, 도 11의 별개의 음압(및 양압) 이벤트로 도시된 바와 같이, 각 시약을 연속적으로 흡인(또는 토출)하는 것은 펌프뿐만 아니라 전술한 하나 이상의 밸브를 제어하는 것을 수반한다. 즉, 개별 시약을 흡인하기 위해, 시약 선택기 밸브는 선택된 시약의 대응하는 저장조를 위한 시퍼에 음압을 보내도록 시프트(shift)될 것이다. 펌프는 유사하게 시약(또는 공기 또는 완충액 또는 템플릿)을 인입하고 규정된 프로토콜에 따라 흡인된 유체를 발송하도록 명령받을 것이다. 이 혼합 프로토콜은 미리 결정되어 전술한 메모리 회로에 저장되고, 또한 메모리 회로에 한정된 서열 분석 동작에 기초하여 자동화 또는 반자동화 방식으로 수행된다. 이 프로토콜은 적절한 인터페이스 회로를 통해 밸브 및 펌프의 동작을 명령하는 처리 및 제어 회로에 의해 실행된다.
도 12의 참조 부호(226)에서, 시약 혼합물은 캐시 채널로부터 혼합 저장조 내로 토출되거나 배출된다. 혼합 저장조로의 토출은 도 11에서 양압 이벤트(192)로 표시된다. 혼합 저장조는 시약 혼합물을 토출하기 전에 내부에 샘플 템플릿을 수용할 수 있다. 예를 들어, 혼합 저장조는 선택적으로 샘플 템플릿이 미리 로딩된 템플릿 저장조일 수 있고 또는 대안적으로 샘플 템플릿이 이송되는 다른 저장조일 수 있다. 특정 예에서, 흡인은 도 12에서 참조 부호(228)에 표시된 바와 같이 추가로 수행될 수 있다. 예를 들어, 흡인된 시약의 일부 세트를 혼합 저장조 내로 배출한 후에, 하나 이상의 추가 시약 세트가 캐시 채널 내로 인입되고 나서 이후 혼합 저장조로 토출될 수 있다.
흡인이 완료되면, 방법/논리(204)의 흐름은 참조 부호(230)로 계속되고 공기가 시스템으로 흡인될 수 있다. 공기 흡인(또는 디프라이밍)은 도 11에서 음압 이벤트(194)로 도시된다. 디프라이밍은 바이패스 라인, 캐시 채널 및 노즐 시퍼와 같은 유체 라인으로부터 적어도 일부 액체를 제거하기 위해 수행된다. 도입되는 공기는 라인 내의 완충액 유체로 시약 및 샘플 템플릿이 희석되는 것을 방지하는 공기 갭을 형성할 수 있다.
전술한 동작에 의해 캐시 채널로의 흡인 및 부분 사전-혼합 후에, 시약 및 샘플 템플릿을 노즐 시퍼를 통해 혼합 저장조로 반복적으로 이동시킴으로써 참조 부호(234)에서 혼합 시퀀스가 수행된다. 이 시퀀스(234)에서, 클러스터링 혼합물을 형성하는 결합된 시약 및 템플릿은 클러스터링 혼합물을 노즐 시퍼를 통해 캐시 채널과 같은 유체 라인 내로 인입시킴으로써 참조 부호(236)에서 흡인된다. 전술한 바와 같이, 공기 갭은 클러스터링 혼합물이 시스템에서 완충액 유체로 희석되는 것을 방지하는 완충제를 제공할 수 있다. 참조 부호(238)에서, 흡인된 체적의 클러스터링 혼합물은 혼합 저장조 내로 되 토출된다. 참조 부호(240)에서, 흡인 및 토출 단계를 포함하는 또 다른 혼합 사이클을 수행할지 여부가 결정된다. 예를 들어, 균일한 클러스터링 혼합물을 제공하기 위해 다수의 혼합 사이클이 수행될 수 있다. 일례에서, 혼합이 완료되기 전에 총 4번의 혼합 사이클 동안 혼합은 3번 반복된다. 도 11의 그래프에서, 사이클은 집합적으로 참조 부호(198)로 표시된다. 각 혼합 사이클은 상대적으로 짧은 음압 이벤트 후에 비교적 짧은 양압 이벤트를 포함한다. 임의의 원하는 체적이 혼합 공정의 각 사이클에서 변위될 수 있지만, 일례에서, 클러스터링 혼합물 약 2 mL(2,000 ㎕)를 각 혼합 사이클에서 혼합 저장조 내로부터 흡인하고 혼합 저장조 내로 토출시키지만, 다른 구현예에서는 사용되는 흐름 셀의 크기에 따라 약 500 ㎕ 또는 1500 ㎕를 분배할 수 있다. 혼합 공정이 끝나면, 서열 분석 동작을 계속하기 위해 혼합 클러스터링 혼합물이 참조 부호(242)에서 목적 수용기로 방출되거나 전달될 수 있다. 예를 들어, 클러스터링 혼합물은 (도 2에 도시된) 흐름 셀(20)로 전달되어, 샘플 템플릿 내 핵산으로부터 유래된 흐름 셀 상의 DNA 분자의 클론 집단을 생성할 수 있다.
대안적인 예에서, 시약들은 샘플 저장조에 존재하는 샘플 템플릿 없이 혼합 저장조 내에서 혼합된다. 그리하여, 시약 혼합물은 흡인되고 적어도 한 번 혼합 저장조로 배출될 수 있다. 샘플 템플릿은 이후 혼합된 시약에 도입될 수 있는데 예를 들어 흐름 셀 상에 또는 다른 목적 수용기 내에 도입될 수 있다.
추가 참고 사항
본 명세서 및 청구 범위에서 사용된 "포함하는", "구비하는", "갖는" 등의 용어와 그 변형어는 열거된 요소뿐만 아니라 임의의 추가 요소를 더 포함하는 개방형 용어인 것으로 의도된다. 본 명세서 전체에 걸쳐 "일례", "다른 예", "예" 등과 같은 언급은 이 예와 관련하여 기술된 특정 요소(예를 들어, 특징, 구조 및/또는 특성)가 본 명세서에 설명된 적어도 하나의 예에 포함되고, 다른 예에 존재할 수도 있고 또는 존재하지 않을 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 임의의 예에서 기술된 요소들은, 문맥이 달리 지시하지 않는 한, 다양한 예에서 임의의 적절한 방식으로 결합될 수 있는 것으로 이해된다.
또한 "~를 위한", 예를 들어, "2개의 흐름 경로 사이를 스위칭하기 위한 밸브"를 사용한다는 것은 "~하도록 구성된", "예를 들어, "두 개의 흐름 경로 사이를 스위칭하도록 구성된 밸브" 등으로 "구성된 밸브"와 같은 언어로 대체될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
상기 개념 및 아래에 보다 상세히 논의된 추가적인 개념의 모든 조합은 (이러한 개념이 상호 상반되지 않는 한) 본 명세서에 개시된 발명 주제의 일부인 것으로 고려되는 것으로 이해된다. 특히, 본 명세서의 끝에 제시되는 청구범위의 모든 조합은 본 명세서에 개시된 발명 주제의 일부인 것으로 고려된다. 또한, 본 명세서에 병합된 임의의 문헌에 제시될 수 있는 본 명세서에 명시적으로 사용된 용어는 본 명세서에 개시된 특정 개념과 가장 부합되는 의미로 제공되어야 하는 것으로 이해된다.
본 명세서에 제공된 범위는 명시된 범위 및 명시된 범위 내의 임의의 값 또는 하위 범위를 포함하는 것으로 이해된다. 예를 들어, 약 10 cP 내지 약 50 cP의 범위는 약 10 cP 내지 약 50 cP의 명시적으로 언급된 한계뿐만 아니라, 약 16 cP, 37.5 cP, 49 cP 등과 같은 개별 값, 및 약 25 cP 내지 약 30 cP 등과 같은 하위 범위를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 나아가, "약", "대략" 및/또는 "실질적으로"라는 용어가 값을 기술하는데 사용된 경우, 이들 용어는 명시된 값으로부터 사소한 변화(최대 +/- 10%)를 포함하는 것으로 의도된다.
일부 예가 상세하게 설명되었지만, 개시된 예는 변경될 수 있는 것으로 이해된다. 그리하여, 전술한 설명은 비 제한적인 것으로 고려된다.

Claims (25)

  1. 방법으로서,
    혼합 프로토콜을 구현하는 제어 회로의 제어 하에, 다수의 상이한 시약 저장조로부터 캐시 채널 내로 시약을 흡인하는 단계로서, 상기 시약의 지정된 양은 상기 제어 회로에 의해 구현되는 상기 혼합 프로토콜에 기초하여 대응하는 시퍼(sipper)에 의해 대응하는 시약 저장조로부터 자동적으로 흡인되는, 상기 시약을 흡인하는 단계;
    상기 시약을 상기 캐시 채널로부터 혼합 저장조 내로 배출하는 단계; 및
    상기 혼합 저장조 내에서 상기 시약을 혼합하여 시약 혼합물을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 시약 혼합물을 흐름 셀로 전달하는 단계를 더 포함하고, 상기 시약 혼합물은 상기 흐름 셀 상의 샘플 템플릿과 반응하여 상기 흐름 셀 상에 DNA(deoxyribonucleic acid) 분자의 클론 집단을 생성하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 혼합 저장조는 상기 시약을 상기 캐시 채널로부터 상기 혼합 저장조 내로 배출하기 전에 내부에 샘플 템플릿을 수용하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 혼합 저장조 내에 있는 상기 시약들은, 상기 시약 혼합물의 체적을 상기 혼합 저장조로 연장되는 노즐 시퍼로 흡인하고 나서 상기 시약 혼합물의 체적을 상기 노즐 시퍼로부터 상기 혼합 저장조로 되 배출함으로써 혼합되는, 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 노즐 시퍼는 내부에 완충액 유체를 포함하고, 상기 방법은, 상기 시약 혼합물의 체적을 상기 노즐 시퍼 내로 흡인하기 전에 상기 노즐 시퍼 내로 공기를 도입하여, 상기 노즐 시퍼 내로 흡인되는 상기 시약 혼합물과 상기 완충액 유체 사이에 공기 갭을 형성하여, 상기 완충액 유체와 상기 시약 혼합물 간에 혼합이 일어나는 것을 피하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 시약은 순서화된 시퀀스(ordered sequence)로 한 번에 하나씩 상기 캐시 채널로 흡인되는, 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 캐시 채널은 상기 시약을 상기 캐시 채널로 흡인하는 것에 응답하여 상기 캐시 채널의 길이를 따라 상기 지정된 양의 상이한 시약들이 교번하는 패턴을 포함하는, 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 시약은 상기 캐시 채널 내 상기 시약들이 상기 혼합 저장조 내로 배출되기 전에 적어도 한번 반복되는 순서화된 시퀀스로 한 번에 하나씩 다른 시약 저장조로부터 상기 캐시 채널로 흡인되는, 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 시약을 상기 혼합 저장조로 배출한 후에 상류 완충액 구역을 형성하는 상기 시약의 잔류 체적이 상기 캐시 채널에 남아 있도록, 상기 시약의 제1 체적이 상기 캐시 채널로 흡인되고 나서, 상기 시약의 더 작은 제2 체적이 상기 혼합 저장조로 배출되는, 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 시약은 상기 대응하는 시약 저장조 내로 연장되는 시퍼를 사용하여 대응하는 시약 저장조로부터 흡인되고, 상기 시퍼는 유체 매니폴드 상의 대응하는 포트 및 유체 채널을 통해 상기 캐시 채널에 유체 흐름 가능하게 연결되는, 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 시약들 사이의 혼화성의 차이를 줄이기 위해 상기 시약들에 계면 활성제를 도입하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 시약의 적어도 일부는 서로에 상이한 비중을 갖는, 방법.
  13. 제1항에 있어서, 10,000 달톤 미만의 분자량을 갖는 군집제(crowding agent)를 상기 시약에 도입하여 상기 시약의 점도를 감소시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  14. 시스템으로서,
    노즐 시퍼 및 다수의 시약 시퍼를 포함하는 다수의 시퍼로서, 상기 시약 시퍼는 상기 시약 시퍼의 각각의 원위 팁이 상기 시약 저장조 내 상기 시약과 접촉하도록 상이한 시약들을 내부에 수용하는 상이한 대응하는 시약 저장조 내로 연장되고, 상기 노즐 시퍼는 혼합 저장조 내로 연장되는, 상기 다수의 시퍼;
    펌프 단부와 저장조 단부 사이에 연장되는 캐시 채널로서, 상기 캐시 채널의 상기 펌프 단부는 펌프에 동작 가능하게 연결되고, 상기 캐시 채널의 상기 저장조 단부는 시약 선택기 밸브 및 대응하는 유체 채널을 통해 상기 시퍼에 유체 흐름 가능하게 연결되는, 상기 캐시 채널; 및
    상기 펌프 및 상기 시약 선택기 밸브에 동작 가능하게 연결된 제어 회로로서, 상기 제어 회로는 혼합 프로토콜을 구현하여 상기 펌프 및 상기 시약 선택기 밸브를 제어해서 상기 혼합 프로토콜에 기초하여 대응하는 시약을 지정된 양만큼 대응하는 시약 시퍼를 통해 상기 캐시 채널로 상기 시약을 자동적으로 흡인하도록 하고, 상기 제어 회로는 이후 상기 펌프 및 상기 시약 선택기 밸브를 제어하여 상기 시약을 상기 캐시 채널로부터 상기 노즐 시퍼를 통해 상기 혼합 저장조 내로 배출하고 상기 시약을 상기 혼합 저장조 내에서 혼합하여 시약 혼합물을 형성하도록 하는, 상기 제어 회로를 포함하는, 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제어 회로는 상기 펌프를 제어하여, 상기 시약 혼합물의 체적을 상기 노즐 시퍼로 흡인하고 나서 상기 시약 혼합물의 체적을 상기 노즐 시퍼로부터 상기 혼합 저장조로 되 배출함으로써 상기 혼합 저장조 내에서 상기 시약을 혼합하도록 하는, 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제어 회로는 상기 펌프 및 상기 시약 선택기 밸브를 제어하여, 상기 혼합 저장조 내 상기 시약 혼합물을 다수 번 흡인하고 배출하여 상기 시약들을 혼합하도록 하는, 시스템.
  17. 제15항에 있어서, 상기 노즐 시퍼는 내부에 완충액 유체를 수용하고, 상기 제어 회로는 상기 펌프를 제어하여, 상기 시약 혼합물을 상기 노즐 시퍼로 흡인하기 전에 상기 노즐 시퍼에 공기를 도입하여, 상기 노즐 시퍼 내로 흡인되는 상기 시약 혼합물과 상기 완충액 유체 사이에 공기 갭을 형성하여, 상기 완충액 유체와 상기 시약 혼합물이 혼합되는 것을 피하게 하는, 시스템.
  18. 제14항에 있어서, 상기 노즐 시퍼의 내부 직경은 상기 시약 시퍼의 각각의 내부 직경보다 더 작은, 시스템.
  19. 제14항에 있어서, 상기 제어 회로는 상기 펌프 및 상기 시약 선택기 밸브를 더 제어하여, 상기 노즐 시퍼 및 상기 시약 선택기 밸브를 통해 상기 혼합 저장조에 유체 흐름 가능하게 연결된 흐름 셀에 상기 시약 혼합물을 전달하게 하고, 상기 시약 혼합물은 상기 흐름 셀 상의 샘플 템플릿과 반응하여 상기 흐름 셀 상에 DNA 분자의 클론 집단을 생성하는, 시스템.
  20. 제14항에 있어서, 상기 제어 회로는 상기 펌프와 상기 시약 선택기 밸브를 제어하여, 순서화된 시퀀스로 한번에 하나씩 다른 시약을 상기 캐시 채널로 흡인하고, 상기 캐시 채널 내의 상기 시약이 상기 혼합 저장조 내로 배출되기 전에 적어도 한번 순서화된 시퀀스를 반복하게 하는, 시스템.
  21. 제14항에 있어서, 상기 제어 회로는 상기 펌프와 상기 시약 선택기 밸브를 제어하여, 상기 시약의 제1 볼륨을 상기 캐시 채널로 흡인하고 나서 상기 시약의 제2 더 작은 체적을 상기 캐시 채널로부터 상기 혼합 저장조 내로 배출하여, 상기 시약을 상기 혼합 저장조 내로 배출한 후에 상류 완충액 구역을 형성하는 상기 시약의 잔류 체적이 상기 캐시 채널 내에 남아 있게 하는, 시스템.
  22. 시스템으로서,
    다수의 시퍼 및 캐시 채널을 포함하는 유체 매니폴드로서, 상기 시퍼는 다수의 시약 시퍼 및 노즐 시퍼를 포함하고, 상기 시약 시퍼는 상기 시약 시퍼의 원위 팁이 상기 시약과 접촉하도록 내부에 상이한 시약을 포함하는 상이한 대응하는 시약 저장조 내로 연장되고, 상기 노즐 시퍼는 혼합 저장조 내로 연장되고, 상기 캐시 채널은 펌프 단부와 저장조 단부 사이에 연장되고, 상기 저장조 단부는 상기 유체 매니폴드를 따라 대응하는 유체 채널을 통해 상기 시퍼에 유체 흐름 가능하게 연결되는, 상기 유체 매니폴드;
    상기 캐시 채널과 상기 시퍼 사이에 동작 가능하게 연결된 시약 선택기 밸브; 및
    상기 캐시 채널의 상기 펌프 단부에 동작 가능하게 연결된 펌프를 포함하되,
    상기 펌프 및 상기 시약 선택기 밸브는, 혼합 프로토콜에 기초하여 대응하는 시약을 지정된 양만큼 상기 시약 저장조로부터 대응하는 시약 시퍼를 통해 상기 캐시 채널로 상기 시약을 흡인하도록 상기 혼합 프로토콜에 따라 자동적으로 제어되고, 이후 상기 펌프 및 상기 시약 선택기 밸브는, 상기 캐시 채널로부터 상기 노즐 시퍼를 통해 상기 혼합 저장조로 상기 시약을 배출하고, 상기 혼합 저장조로부터 상기 노즐 시퍼로 시약 혼합물의 체적을 흡인하고 나서 상기 시약 혼합물의 체적을 상기 노즐 시퍼로부터 상기 혼합 저장조 내로 되 배출하는 것에 의해 상기 혼합 저장조 내의 상기 시약을 혼합하여 상기 시약 혼합물을 형성하도록 자동적으로 제어되는, 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 상기 펌프 및 상기 시약 선택기 밸브는, 상기 시약 저장조로부터 상기 캐시 채널로 순서화된 시퀀스로 한 번에 하나씩 상기 시약을 흡인하고, 상기 시약을 상기 캐시 채널로부터 상기 시약 저장조로 배출하기 전에 적어도 한번 상기 순서화된 시퀀스를 반복하도록 자동적으로 제어되는, 시스템.
  24. 제22항에 있어서, 상기 유체 매니폴드, 상기 시약 선택기 밸브 및 상기 펌프는 공통적으로 기기의 하우징 내에 배치되는, 시스템.
  25. 기기로서,
    하우징;
    상기 하우징 내에 배치된 유체 매니폴드로서, 상기 유체 매니폴드는 상이한 대응하는 저장조 내로 연장되는 시퍼에 유체 흐름 가능하게 연결되는 다수의 채널을 포함하는, 상기 유체 매니폴드;
    상기 하우징 내에 배치되고 상기 유체 매니폴드의 상기 채널들 중 적어도 하나의 채널에 동작 가능하게 연결된 펌프;
    상기 하우징 내에 배치되고 상기 유체 매니폴드의 상기 채널들 중 적어도 2개의 채널에 동작 가능하게 연결된 시약 선택기 밸브; 및
    상기 하우징 내에 배치되고 상기 유체 매니폴드의 상기 채널들 중 적어도 하나의 채널에 유체 흐름 가능하게 연결된 흐름 셀을 포함하되,
    상기 펌프 및 상기 시약 선택기 밸브는, 혼합 프로토콜에 기초하여 대응하는 시약을 지정된 양만큼 대응하는 저장조로부터 상기 시퍼를 통해 상기 유체 매니폴드의 상기 채널 내로 상기 저장조의 적어도 일부 내에 포함된 시약을 이송하도록 상기 혼합 프로토콜에 따라 자동적으로 제어되고, 상기 펌프 및 상기 시약 선택기 밸브는, 상기 유체 매니폴드로 이송된 상기 시약을 혼합하여 시약 혼합물을 형성하고 나서 상기 유체 매니폴드로부터 상기 시약 혼합물을 상기 흐름 셀로 전달하도록 자동으로 제어되는, 기기.
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