KR20230034202A - 세포 용해 시스템 및 방법 - Google Patents

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이마드 라호드
제프 마초벡
사지드 바티
모하메드 알샤이바 샬르 가남 알마즈루이
클레멘트 라무르
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Abstract

세포 용해 시스템(1)은 서로 해제 가능하게 부착된 드라이버 장치(2) 및 세포 용해 장치(3)를 포함한다. 세포 용해 장치(3)는 초음파 트랜스듀서(12) 및 초음파 처리 챔버(11)를 포함한다. 드라이버 장치(2)는 초음파 트랜스듀서(12)를 구동하여 초음파를 출력함으로써 세포 용해 장치(3)가 운반하는 샘플 용기(22) 내 세포를 용해한다.

Description

세포 용해 시스템 및 방법
본 출원서는 다음 특허에 대한 우선권을 주장하고 각각의 특허 전체는 본원에 참조로 통합된다. 2020년 4월 6일에 출원된 유럽 특허 출원 번호 2016245.7, 2020년 6월 1일에 출원된 미국 특허 출원 번호 16/889667, 2020년 10월 8일에 출원된 미국 특허 출원 번호 17/065992, 2020년 11월 9일에 출원된 미국 임시 특허 출원 번호 63/111592, 및 2020년 12월 15일에 출원된 미국 특허 출원 번호 17/122025.
본 발명은 세포 용해 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특히 본 발명은 초음파를 사용하여 세포를 용해하는 세포 용해 시스템 및 방법과 관련된다.
중합효소연쇄반응(PCR)은 두 개의 DNA 매칭 가닥을 사용하여 분석하기 위해 소규모 샘플에서 수십억 개의 본사본에 이르기까지 대상 DNA 시퀀스를 증폭하는 프로세스이다.
PCR 프로세스의 초기 단계에는 DNA 및/또는 RNA를 포함한 세포 성분을 추출하는 관문을 제공하도록 샘플 내 세포의 지질 이중층을 파괴하거나 파열시키는 세포 용해가 포함된다. 세포 용해는 통상적으로 화학적 또는 전기 기계적, 또는 이들의 조합을 통해 수행된다.
세포 용해 프로세스는 지질 용액 내 세포에서 성분을 추출한다. 그런 다음, 용액을 여과하여 다른 세포 성분에서 핵산(DNA/RNA)을 분리한다. 그후 추출된 DNA/RNA는 PCR 프로세스의 나머지 단계에서 증폭 및 분석할 수 있다.
종래의 PCR 장치는 샘플이 PCR 장치에 투입되었을 때 샘플의 세포 용해를 수행한다. 세포 용해 프로세스를 수행하는 구성 요소는 통상적으로 PCR 장치 내에 통합된다. 이러한 유형의 종래의 PCR 장치가 가진 문제는 고가이며 크고 무겁다는 것이다. 게다가, 세포 용해를 수행하는 통합 구성 요소는 동일한 PCR 장치 내에서만 사용해야 한다는 제한이 존재한다.
독립형 세포 용해 장치는 이전에 제시되었으나 그러한 독립형 장치는 완전한 PCR 장치의 세포 용해 기능에 비해 효율성과 성능이 떨어진다는 문제를 겪을 수 있다.
그러므로, 본원에 개시된 바와 같이 적어도 일부 문제를 해결할 수 있는 개선된 세포 용해 시스템 및 방법에 대한 기술적 필요성이 존재한다.
일부 실시예에서, 세포 용해 시스템으로서, 드라이버 장치를 포함하고, 드라이버 장치는, 드라이버 장치와 세포 용해 장치 사이에서 전기 연결을 제공하여 상기 세포 용해 장치 내에서 초음파 트랜스듀서를 구동하는 복수의 드라이버 출력 터미널; 사전결정된 주파수에서 AC 구동 신호를 생성하고, 상기 드라이버 출력 터미널에서 상기 AC 구동 신호를 출력하여 상기 세포 용해 장치 내에서 초음파 트랜스듀서를 구동하는 AC 드라이버; 상기 초음파 트랜스듀서가 상기 AC 구동 신호에 의해 구동될 때, 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용된 능동 전력을 모니터링하는 능동 전력 모니터링 장치 - 상기 능동 전력 모니터링 장치는 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용된 능동 전력을 나타내는 모니터링 신호를 제공함 -; 상기 AC 드라이버를 제어하고, 상기 능동 전력 모니터링 장치로부터의 모니터링 신호를 수신하는 프로세서; 및 명령을 저장하는 메모리를 포함하고, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 명령은 상기 프로세서로 하여금,
A. 상기 AC 드라이버를 제어하여 사전결정된 스위프 주파수에서 AC 구동 신호를 상기 초음파 트랜스듀서로 출력하고;
B. 상기 모니터링 신호에 기초하여, 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용되는 상기 능동 전력을 계산하고;
C. 상기 AC 드라이버를 제어하여 상기 AC 구동 신호를 변조함으로써 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용되는 상기 능동 전력을 최대화하고;
D. 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용된 최대 능동 전력 및 상기 AC 구동 신호의 상기 스위프 주파수를 상기 메모리에 기록으로 보관하고;
E. 사전결정된 반복 횟수만큼 단계 A~D를 반복하되, 각 반복에 대하여 상기 스위프 주파수를 증가시키고, 이에 따라 사전결정된 횟수만큼 반복된 후, 상기 스위프 주파수가 시작 스위프 주파수에서 종료 스위프 주파수까지 증가하고;
F. 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 최대 능동 전력이 사용되는 상기 AC 구동 신호의 상기 스위프 주파수인, 상기 AC 구동 신호를 위한 최적 주파수를 메모리에 보관된 기록으로부터 식별하고; 그리고
G. 상기 AC 드라이버를 제어하여 상기 최적 주파수에서 AC 구동 신호를 상기 초음파 트랜스듀서로 출력하도록 하는, 세포 용해 시스템를 제공한다.
일부 실시예에서, 능동 전력 모니터링 장치는, 초음파 트랜스듀서를 구동하는 AC 구동 신호의 구동 전류를 센싱하는 전류 센싱 장치를 포함하고, 능동 전력 모니터링 장치는 센싱된 구동 전류를 나타내는 모니터링 신호를 제공한다.
일부 실시예에서, 상기 메모리는 명령을 저장하고, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 명령은 프로세서로 하여금, 시작 스위프 주파수 2800kHz에서 종료 스위프 주파수 3200kHz까지 증가되는 스위프 주파수로 단계 A~D를 반복하도록 한다.
일부 실시예에서, 상기 메모리는 명령을 저장하고, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 명령은 상기 프로세서로 하여금, 단계 G에서, AC 드라이버를 제어하여 최적 주파수의 1~10% 사이에서 시프트되는 주파수에서 AC 구동 신호를 초음파 트랜스듀서로 출력하도록 한다.
일부 실시예에서, 상기 AC 드라이버는 펄스 폭 변조에 의해 상기 AC 구동 신호를 변조하여 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용되는 상기 능동 전력을 최대화한다.
일부 실시예에서, 상기 메모리는 명령을 저장하고, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 명령은 상기 프로세서로 하여금, 교대로 제1 사전결정된 시간의 길이 동안 상기 최적 주파수에서 상기 초음파 트랜스듀서에 AC 구동 신호를 출력하고, 제2 사전결정된 시간의 길이 동안 상기 초음파 트랜스듀서에 AC 구동 신호를 출력하지 않도록 상기 AC 드라이버를 제어한다.
일부 실시예에서, 상기 메모리는 명령을 저장하고, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 명령은 상기 프로세서로 하여금, 다음에서 선택된 작동 모드에 따라, 교대로 상기 AC 구동 신호를 출력하고 상기 AC 구동 신호를 출력하지 않도록 한다.
작동 모드 제1 사전결정된 시간의 길이(초) 제2 사전결정된 시간의 길이(초)
1 4 2
2 3 2
3 2 2
4 1 2
5 1 1
6 2 1
7 3 1
8 4 1
9 4 3
10 3 3
11 2 3
12 1 3
일부 실시예에서, 세포 용해 시스템은 상기 드라이버 장치에 해제 가능하게 부착되는 세포 용해 장치를 더 포함하고, 상기 세포 용해 장치는 하우징; 상기 복수의 드라이버 출력 터미널에 전기적으로 연결되는 복수의 전기 터미널; 상기 하우징 내에 제공된 초음파 처리 챔버 - 상기 초음파 처리 챔버는 적어도 부분적으로 초음파 전달 매체로 충전되며, 상기 하우징은 샘플 용기의 일부가 상기 초음파 전달 매체로 돌출되도록 상기 샘플 용기를 수용하도록 구성된 개구를 포함함 -; 및 상기 초음파 처리 챔버 내의 상기 초음파 전달 매체에서 초음파를 생성하는 초음파 트랜스듀서를 포함하고, 상기 초음파는 초음파 전달 매체에 의해 상기 초음파 트랜스듀서에서 상기 샘플 용기로 전달되어 세포가 상기 샘플 용기 내에 포함될 때, 세포를 용해한다.일부 실시예에서, 상기 드라이버 장치는 제1 억지 끼워맞춤 부착부(interference fit attachment)를 포함하고, 상기 세포 용해 장치는 제2 억지 끼워맞춤 부착부를 포함하고, 상기 제1 억지 끼워맞춤 부착부는 상기 제2 억지 끼워맞춤 부착부에 해제 가능하게 부착되어 상기 세포 용해 장치를 상기 드라이버 장치에 해제 가능하게 부착한다.
일부 실시예에서, 세포 용해 장치로서, 하우징; 상기 하우징 내에 제공된 초음파 처리 챔버 - 상기 초음파 처리 챔버는 적어도 부분적으로 초음파 전달 매체로 충전되며, 상기 하우징은 샘플 용기의 일부가 상기 초음파 전달 매체로 돌출되도록 상기 샘플 용기를 수용하도록 구성된 개구를 포함함 -; 및 상기 초음파 처리 챔버 내의 상기 초음파 전달 매체에서 초음파를 생성하는 초음파 트랜스듀서를 포함하고, 상기 초음파는 초음파 전달 매체에 의해 상기 초음파 트랜스듀서에서 상기 샘플 용기로 전달되어 세포가 상기 샘플 용기 내에 포함될 때, 세포를 용해하는, 세포 용해 장치를 제공한다.
일부 실시예에서, 상기 초음파 트랜스듀서는 적어도 부분적으로 납, 지르코늄 및 티타늄을 포함하는 화합물이다.
일부 실시예에서, 상기 초음파 트랜스듀서는 원형 디스크 형상이고, 직경 16mm 및 두께 0.7mm를 갖는다.
일부 실시예에서, 상기 초음파 트랜스듀서는 상기 초음파 트랜스듀서의 대향하는 측면에 제공되는 제1 전극과 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 은을 포함하고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 커패시턴스는 800pF 내지 1300pF이다.
일부 실시예에서, 상기 제1 전극은 적어도 부분적으로 유리 코팅으로 덮여 있다.
일부 실시예에서, 상기 초음파 트랜스듀서는 실리콘 고무인 트랜스듀서 홀더에 의해 운반된다.
일부 실시예에서, 상기 초음파 전달 매체는 식물성 글리세린을 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 샘플 용기는 마이크로 원심분리 튜브(microcentrifuge tube)이다.
일부 실시예에서, 샘플 내 세포를 용해하는 방법으로서, 샘플 용기 내에서 용해될 세포를 함유하는 액체 샘플을 배치하는 단계; 세포 용해 장치의 하우징의 개구를 통해 상기 샘플 용기를 배치하여 상기 샘플 용기의 일부가 상기 하우징 내의 초음파 처리 챔버에 제공된 초음파 전달 매체에 돌출되는 단계; 및 상기 세포 용해 장치를 드라이버 장치에 부착하는 단계를 포함하고, 상기 드라이버 장치는, 사전결정된 주파수에서 AC 구동 신호를 생성하고 드라이버 출력 터미널에서 상기 AC 구동 신호를 출력하여 상기 세포 용해 장치 내에서 초음파 트랜스듀서를 구동하는 AC 드라이버; 및 상기 초음파 트랜스듀서가 상기 AC 구동 신호에 의해 구동될 때, 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용된 능동 전력을 모니터링하는 능동 전력 모니터링 장치를 포함하고, 상기 능동 전력 모니터링 장치는 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용된 능동 전력을 나타내는 모니터링 신호를 제공하고, 상기 샘플 내 세포를 용해하는 방법은,
A. 프로세서에 의해, 상기 AC 드라이버를 제어하여 사전결정된 스위프 주파수에서 AC 구동 신호를 상기 초음파 트랜스듀서로 출력하는 단계;
B. 프로세서에 의해, 상기 모니터링 신호에 기초하여, 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용되는 상기 능동 전력을 계산하는 단계;
C. 프로세서에 의해, 상기 AC 드라이버를 제어하여 상기 AC 구동 신호를 변조함으로써 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용되는 상기 능동 전력을 최대화하는 단계;
D. 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용된 최대 능동 전력 및 상기 AC 구동 신호의 상기 스위프 주파수를 메모리에 기록으로 보관하는 단계;
E. 사전결정된 반복 횟수만큼 단계 A~D를 반복하되, 각 반복에 대하여 상기 스위프 주파수를 증가시키고, 이에 따라 사전결정된 횟수만큼 반복된 후, 상기 스위프 주파수가 시작 스위프 주파수에서 종료 스위프 주파수까지 증가하는 단계;
F. 프로세서에 의해, 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 최대 능동 전력이 사용되는 상기 AC 구동 신호의 상기 스위프 주파수인, 상기 AC 구동 신호를 위한 최적 주파수를 메모리에 보관된 기록으로부터 식별하는 단계; 및
G. 프로세서에 의해, 상기 AC 드라이버를 제어하여 상기 최적 주파수에서 AC 구동 신호를 상기 초음파 트랜스듀서로 출력하는 단계를 더 포함하는, 샘플 내 세포를 용해하는 방법을 제공한다.
일부 실시예에서, 샘플 내 세포를 용해하는 방법은 시작 스위프 주파수 2800kHz에서 종료 스위프 주파수 3200kHz까지 증가하는 스위프 주파수로 단계 A~D를 반복하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 샘플 내 세포를 용해하는 방법은 프로세서에 의해, 교대로 제1 사전결정된 시간의 길이 동안 상기 최적 주파수에서 상기 초음파 트랜스듀서에 AC 구동 신호를 출력하고, 제2 사전결정된 시간의 길이 동안 상기 초음파 트랜스듀서에 AC 구동 신호를 출력하지 않도록 상기 AC 드라이버를 제어하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 상기 및 다른 이점과 특징들을 더 명확하게 하기 위해, 첨부된 도면들에 예시되는 본 발명의 특정 실시예를 참조함으로써 본 발명의 더 구체적인 설명이 이루어질 것이다.
도 1은 일부 실시예의 시스템의 투시도를 나타내고,
도 2는 일부 실시예의 세포 용해 장치의 투시도를 나타내고,
도 3은 도 2의 세포 용해 장치의 단면도를 나타내고,
도 4는 일부 실시예의 드라이버 장치의 투시도를 나타내고,
도 5는 도 4의 드라이버 장치의 단면도를 나타내고,
도 6은 RLC 회로로 모델링된 압전 트랜스듀서를 도시하는 개략도를 나타내고,
도 7은 RLC 회로 내 주파수가 증가할 때 임피던스 변화를 보여주는 그래프를 도시하고,
도 8은 압전 트랜스듀서가 커패시터 또는 인덕터로 작동하는 방법을 보여주는 그래프를 도시하고, 및
도 9는 일부 실시예의 시스템 작동 모드의 타이밍을 보여주는 표를 도시한다.
본 발명의 양태들은 첨부된 도면을 참조하면서 다음 상세한 설명을 통해 가장 잘 이해될 것이다. 업계의 표준 관행에 따라 다양한 기능들의 세부적인 수치는 도시되지 않았음에 유의하여야 한다. 다양한 기능들의 치수는 논의의 명확성을 위해 임의적으로 증가 또는 감소할 수 있다.
다음 개시는 명시된 주제의 다양한 기능을 구현하기 위하여 다수 개의 다양한 실시예 또는 예시를 제공한다. 구성 요소, 농도, 응용 분야 및 장치의 특정 예시는 본 발명을 단순화하기 위하여 하기에 설명되어 있다. 이들은 단순한 예시이며 이에 국한되지 않는다. 예를 들어, 다음에 설명되는 제1 기능 및 제2 기능의 부착은 상기 제1 기능과 상기 제2 기능이 직접 접촉하도록 부착되는 실시예를 포함할 수 있으며, 또한 상기 제1 기능 및 상기 제2 기능이 직접 접촉하지 않도록 상기 제1 기능 및 상기 제2 기능 사이에 추가 기능이 배치되는 실시예를 포함할 수 있다. 더구나, 본 개시는 다양한 실시예의 참조 번호 및/또는 문자가 반복될 수 있다. 이러한 반복은 단순화 및 명료화를 위함이고 논의되는 다양한 실시예 및/또는 구성 사이의 관계를 지시하는 것은 아니다.
다음 개시는 대표적인 장치 또는 예시를 설명한다. 각각의 예시는 실시예로 간주될 수 있으며 “장치” 또는 “예시”에 대한 참조는 본 개시의 “실시예”로 대체될 수 있다.
처음에 첨부된 도 1을 참조하면, 일부 실시예의 세포 용해 시스템(1)은 드라이버 장치(2) 및 세포 용해 장치(3)를 포함한다. 드라이버 장치(2)는 세포 용해 장치(3)에 제공된 제2 억지 끼워맞춤 부착부(5)에 해제 가능하게 부착되는 제1 억지 끼워맞춤 부착부를 포함한다. 일반적으로 도 1의 화살표(6)에 의해 표시되는 바와 같이, 세포 용해 장치(3)가 드라이버 장치(2)에 배치될 때 억지 끼워맞춤 부착부(4, 5)를 통해 세포 용해 장치(3)는 드라이버 장치(2)에 해제 가능하게 부착될 수 있다.
세포 용해 시스템(1)의 구성 요소는 하기에 설명되어 있으며 세포 용해 장치(3)에서 시작한다.
첨부된 도 2 및 도 3을 참조하면, 일부 실시예의 세포 용해 장치(3)는 하우징(7)을 포함한다. 본 실시예에서, 하우징(7)은 통상적으로 원통형이며, 측면 벽(8), 일 단부에 통상적으로 원형인 커버(9) 및 다른 단부에 통상적으로 원형인 바닥(10)을 구비하고 있다. 본 실시예에서, 세포 용해 장치(3)는 일회용 단일 사용 캡슐이다.
초음파 처리 챔버(11)는 하우징(7) 내에 제공된다. 초음파 처리 챔버(11)는 적어도 일부가 초음파 전달 매체(표시되지 않음)로 충전된다. 일부 실시예에서, 초음파 처리 챔버(11)는 초음파 전달 매체로 미리 충전되어 있다. 다른 실시예에서, 초음파 처리 챔버(11)는 세포 용해 장치가 사용할 준비를 할 때 초음파 전달 매체로 충전된다.
일부 실시예에서, 초음파 전달 매체는 물보다 높은 음향 임피던스를 지닌 액체이다. 일부 실시예에서, 초음파 전달 매체는 식물성 글리세린이 물보다 높은 음향 임피던스를 지니므로 식물성 글리세린이다.
세포 용해 장치(3)는 트랜스듀서(12)를 구비한다. 초음파 트랜스듀서(12)의 상단 표면(13)은 초음파 트랜스듀서(12)가 생성하는 초음파가 초음파 처리 챔버(11)를 향할 수 있도록 초음파 처리 챔버(11)를 향하도록 본다.
일부 실시예에서, 초음파 트랜스듀서(12)는 원형 디스크 형상을 지닌다. 일부 실시예에서, 초음파 트랜스듀서(12)는 직경 약 16mm이고 두께 약 0.7mm이다. 본 실시예에서, 초음파 트랜스듀서(12)는 두께 모드에서 진동을 생성할 수 있도록 양극화된다.
본 실시예에서, 초음파 트랜스듀서(12)는 적어도 일부가 초음파 트랜스듀서(12)를 에워싸는 링 형태로 트랜스듀서 홀더(14)에 의해 운반된다. 본 실시예에서, 트랜스듀서 홀더(14)는 실리콘 고무이다. 초음파 트랜스듀서(12)를 정위치에 고정하는 기능 외에도 트랜스듀서 홀더(14)는 또한 초음파 트랜스듀서(12) 진동을 최소한으로 감폭하도록 한다. 또한, 트랜스듀서 홀더(14)는 세포 용해 장치(3)의 바닥(10)에서 액상 초음파 전달 매체가 누출될 위험을 최소화한다.
일부 실시예에서, 초음파 트랜스듀서(12)는 적어도 일부가 납, 지르코늄 및 티타늄을 포함하는 화합물이다. 초음파 트랜스듀서(12)의 화합물을 선택하여 초음파 트랜스듀서(12)에 화합물에 대한 특성을 제공함으로써 주파수 2.8MHz 내지 3.2MHz로 진동하도록 한다. 이러한 주파수 범위는 초음파 트랜스듀서(12)가 세포를 용해하거나 파열시키는 초음파를 생성할 수 있는 바람직한 주파수 범위이다.
일부 실시예에서, 초음파 트랜스듀서(12)는 초음파 트랜스듀서(12)의 대향하는 측면에서 상단 측면(13)에 제1 전극을 하단 측면(15)에 제2 전극을 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 전극과 제2 전극은 이를테면 은 스탬프 페인트의 형태로 은을 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 전극과 제2 전극 사이의 커패시턴스는 800pF 내지 1300pF이다.
일부 실시예에서, 초음파 트랜스듀서(12)의 상단 측면(13)에 있는 제1 전극은 적어도 일부가 유리 코팅으로 덮여 있다. 유리 코팅은 제1 전극의 재료에 의한 초음파 전달 매체의 잠재적인 오염을 최소화거나 방지한다. 또한 유리 코팅은 이를테면, 세포 용해 장치(3)를 사용할 때 초음파 전달 매체를 통과하여 이동하는 초음파에 의해 유발되는 공동화 기포 붕괴에 의한 제1 전극 은의 침식을 최소화하거나 방지한다.
초음파 트랜스듀서(12)의 제1 및 제2 전극은 세포 용해 장치(3) 바닥(10)의 하단 표면에 제공되는 제1 및 제2 전기 터미널(16, 17)에 전기적으로 각각 연결된다.
복수의 돌출부(18, 19)(도 2에는 두 개만 표시됨)가 세포 용해 장치(3) 바닥(10)의 측면에서 외측으로 확장된다. 돌출부(18, 19)는 세포 용해 장치(3)의 제2 억지 끼워맞춤 부착부(5)의 일부이다. 다른 실시예에서, 제2 억지 끼워맞춤 부착부(5)는 하나의 돌출부만을 포함하고, 추가 실시예에서, 제2 억지 끼워맞춤 부착부(5)는 2개 이상의 돌출부를 포함한다.
세포 용해 장치(3)의 반대쪽 단부에서 바닥(10) 쪽으로 커버(9)가 제공된다. 커버(9)는 통상적으로 원형의 평면 표면이고 하우징(7) 측면 벽(8)과 일체형으로 형성된다. 본 실시예에서, 커버(9) 및 측면 벽(8) 사이의 교차 지점에서 커버(9) 둘레에 베벨형 에지(19)가 있다.
개구(20)가 커버(9)에 구비된다. 본 실시예에서, 개구(20)는 커버(9) 중앙에 제공되는 통상적으로 원형인 애퍼처이다. 다른 실시예에서, 개구(20)는 다른 형상을 지니고 커버(9)의 다른 부분에 제공될 수 있다.
본 실시예에서, 원통형 칼라(21)가 개구(20)와 정렬되고 개구(20)에서부터 초음파 처리 챔버(11)로 확장된다. 개구(20)와 칼라(21)는 샘플 용기(22)를 수용하여 샘플 용기(22)의 일부가 초음파 처리 챔버(11) 내 초음파 전달 매체로 돌출하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 샘플 용기(22)는 마이크로 원심분리 튜브이다. 일부 실시예에서, 샘플 용기(22)는 Eppendorf Tube®이다. 일부 실시예에서, 샘플 용기(22)는 액체 용량 0.5ml, 1.5ml 또는 2ml를 담는 마이크로 원심분리 튜브 또는 Eppendorf Tube®이다.
샘플 용기(22)는 원통형 바디 부분(24)과 연결되는 원뿔형 제1 부분(23)을 포함한다. 바디 부분(24)의 원위 단부에는 샘플 용기 애퍼처(24)가 제공되고 이를 통해 샘플이 샘플 용기(22)로 도입될 수 있다. 캡(25)이 바디 부분(24)에 이동 가능하게 장착되고, 캡(25)은 애퍼처(24)를 밀봉하여 샘플 용기(22) 내에 샘플을 고정하도록 구성된다.
샘플 용기(22)는 샘플 용기(22)가 개구(20)에 삽입될 때 개구(20)를 닫고 밀봉한다. 따라서 세포 용해 장치(3)의 하우징(7)이 밀봉되어 하우징(7) 내에 초음파 전달 매체를 고정한다. 일부 실시예에서, 초음파 처리 챔버(11)는 처음에는 비었다가 샘플 용기(22)를 개구(20)에 삽입하기 직전에 초음파 처리 챔버(11)가 초음파 전달 매체로 충전된다.
이제 첨부된 도 4와 도 5를 참조하면, 드라이버 장치(2)는 드라이버 장치(2)의 전기 부품을 수용하는 하우징(26)을 포함한다. 본 실시예에서, 드라이버 장치(2)는 휴대용 단독형 장치이다.
하우징(26)은 기본 하우징(27)과 바닥 돌출부(28)로 구성된다. 기본 하우징(27)은 배터리(30) 및 인쇄회로기판(PCB)(31)의 적어도 일부를 수용하는 내부 챔버(29)를 포함한다. PCB(31)는 드라이버 장치(2)에 드라이버 기능을 제공하는 전자 부품을 담고 있다.
본 실시예에서 배터리(30)는 충전 가능하다. 일부 실시예에서, 배터리(30)는 리튬 폴리머(LiPo) 배터리이다. 일부 실시예에서 배터리(30) 용량은 드라이버 장치(2)가 적어도 24시간 작동할 정도로 충분한 전력을 공급한다. 본 실시예에서, 드라이버 장치(2)는 외부 전원에서 전력을 수신하여 배터리(30)를 충전하도록 구성된 충전 연결부(표시되지 않음)를 포함한다.
일부 실시예에서, 배터리(30)가 생략되고, 그 대신에 드라이버 장치(2)는 외부 전원에서 전력을 수신하는 전원 입력 연결부를 포함한다. 일부 실시예에서, 외부 전원은 주전원 전압을 적절한 전압(예: 5~12V)로 변환하여 드라이버 장치(2)를 구동하는 전원 어댑터이다.
본 실시예에서, 바닥 돌출부(28)는 하우징(26)에 비해 두께가 얇다. 바닥 돌출부(28)는 세포 용해 장치(3)의 바닥(10)을 수용하도록 구성된 리세스(32)를 구비한다. 본 실시예에서, 리세스(32)는 통상적으로 원형이다. 리세스(32)는 통상적으로 원형인 채널 상부에 배치되어 드라이버 장치(2)의 제1 억지 끼워맞춤 부착부(4)를 형성하는 만입부(33, 34)를 구비한다. 만입부(33, 34)는 세포 용해 장치(3)의 돌출부(18, 19)와 정렬하도록 배치된다. 다른 실시예에서, 세포 용해 장치(3)에 있는 다양한 개수의 돌입부와 매칭하는 다양한 개수의 만입부가 있을 수 있다.
리세스(32) 바닥에 두 개의 드라이버 출력 터미널(36, 37)이 구비된다. 본 실시예에서, 드라이버 출력 터미널(36) 중 하나는 리세스(32) 내 중앙에 구비되고 다른 드라이버 출력 터미널(37)은 리세스(32) 측면에 근접한 곳에 구비된다. 본 실시예에서, 각각의 드라이버 출력 터미널(36, 37)은 리세스(32) 바닥에서 상방향으로 돌출되는 스프링 접촉 프로브이다. 드라이버 출력 터미널(36, 37)은 세포 용해 장치(3)가 드라이버 장치(2)에 부착될 때 세포 용해 장치(3) 바닥(10)의 하단 표면에 구비되는 제1 및 제2 전기 터미널(16, 17)과 전기 연결부를 체결 및 형성하도록 배치된다. 일부 실시예에서, 드라이버 출력 터미널(36, 37) 및/또는 전기 터미널(16, 17)은 제1 3μm 두께의 니켈층 및 제2 0.05μm 두께의 골드층으로 도금된 황동 소재이다.
일부 실시예에서, 드라이버 출력 터미널(36, 37)은 PCB(31)에 대한 리세스(32)의 바닥을 통과하여 확장되고, 드라이버 출력 터미널(36, 37)은 PCB(31)과 PCB(31)에 구비된 전자 부품과 전기 연결부를 형성하도록 용접된다.
본 실시예에서, 세포 용해 장치(3)는 돌출부(18, 19)가 채널(35)과 정렬할 때까지 만입부(33, 34)를 통과하는 돌출부(18, 19)를 포함하여 세포 용해 장치(3)의 바닥(10)을 리세스(32)에 배치함으로써 드라이버 장치(2)에 해제 가능하게 부착된다. 그런 다음 세포 용해 장치(3)는 채널(35) 내에서 돌출부(18, 19)와 함께 회전한다. 그런 다음 돌출부(18, 19)는 채널 내에 고정되어 세포 용해 장치(3)를 드라이버 장치(2)에 해제 가능하게 부착하는 억지 끼워맞춤 부착부를 제공한다.
억지 끼워맞춤 부착부(4, 5)을 통해 사용자는 세포 용해 장치(3)를 밀어 넣고 돌려 세포 용해 장치(3)를 드라이버 장치에 고정함으로써 드라이버 장치(2)에 세포 용해 장치(3)를 해제 가능하게 부착할 수 있다. 그런 다음 이 과정을 반대로 수행하여 용해 과정을 마친 후 드라이버 장치(2)에서 세포 용해 장치(3)를 제거한다.
세포 용해 장치(3)를 리세스(32)에 밀어 넣음으로써 드라이버 출력 터미널(36, 37)은 탄성적으로 변형되고 세포 용해 장치(3)의 전기 터미널(16, 17)에 정렬된다. 탄성적으로 변형된 드라이버 출력 터미널(36, 37)은 전기 터미널(16, 17)을 눌러 전기 연결부를 형성한다. 이러한 방식으로 세포 용해 장치(3)가 드라이버 장치(2)에 해제 가능하게 부착되면, 세포 용해 장치(3)는 드라이버 장치(2)에 의해 구동되어 세포 용해 장치(3) 내 세포를 용해한다.
AC 드라이버(38)가 PCB(31)에 구비된다. AC 드라이버(38)는 사전결정된 주파수에서 AC 구동 신호를 생성하고 드라이버 출력 터미널(36, 37)에서 AC 구동 신호를 출력하여 세포 용해 장치(3) 내에서 초음파 트랜스듀서(12)를 구동한다. 일부 실시예에서, AC 드라이버(38)는 H-브리지 회로를 포함한다. 일부 실시예에서 H-브리지 회로는 직류를 고주파수(예: 주파수 범위 2.8MHz 내지 3.2MHz)의 교류로 변환하도록 연결된 네 개의 MOSFET를 포함한다.
능동 전력 모니터링 장치(39)가 PCB(31)에 구비된다. 능동 전력 모니터링 장치(39)는 초음파 트랜스듀서(12)가 AC 구동 신호에 의해 구동될 때 초음파 트랜스듀서(12)에 의해 사용되는 능동 전력을 모니터링한다. 능동 전력 모니터링 장치(39)는 초음파 트랜스듀서(12)에 의해 사용되는 능동 전력을 표시하는 모니터링 신호를 제공한다. 일부 실시예에서, 능동 전력 모니터링 장치(39)는 초음파 트랜스듀서(12)를 구동하는 AC 구동 신호의 구동 전류를 센싱하고 센싱된 구동 전류를 표시하는 모니터링 신호를 제공하는 전류 센싱 장치를 포함한다.
PCB(31)는 AC 드라이버(38)를 제어하고 능동 전력 모니터링 장치(39)로부터의 모니터링 신호를 수용하는 프로세서(40)를 구비한다. PCB(31)는 또한 프로세서(40)에 의해 실행할 수 있는 실행 가능한 명령을 저장하는 메모리(41)를 구비한다.
일부 실시예에서, 드라이버 장치(2)는 초음파 트랜스듀서(12)가 작동하는 주파수를 제어하도록 구성된 주파수 컨트롤러를 구비한다. 주파수 컨트롤러는 메모리(41)에 저장된 실행 가능한 코드로 구현되고, 프로세서(40)에 의해 실행될 때, 프로세서(40)가 주파수 컨트롤러의 적어도 하나의 기능을 수행하도록 한다.
메모리(41)는 실행 가능한 명령을 저장하고, 프로세서에 의해 실행될 때, 프로세서가 초음파 트랜스듀서(12)를 제어하여 사전결정된 스위프 주파수 범위 내 복수의 주파수로 진동시키고 제1 사전결정된 주파수와 제2 사전결정된 주파수 사이에서 초음파 트랜스듀서(12)를 위한 구동 주파수를 선택하여 샘플 용기(22) 내 세포를 용해하도록 한다.
일부 실시예에서, 주파수는 일부 세포가 그들의 물리적 특성(크기, 형상, 세포벽의 존재 유무 등)으로 인해 다른 주파수를 요구할 수 있으므로 용해되는 세포 유형에 의해 결정된다.
세포 용해를 위한 최적 주파수 또는 주파수 범위가 존재한다. 최적 주파수 또는 주파수 범위는 적어도 다음 네 개의 파라미터에 의존한다.
1. 트랜스듀서 제조 공정
일부 실시예에서, 초음파 트랜스듀서(12)는 압전 세라믹을 포함한다. 압전 세라믹은 화합물을 혼합하여 세라믹 도우(dough)를 만든 다음 제조되고 이러한 혼합 공정은 생산 과정 중 일관되지 않을 수 있다. 이러한 비일관성으로 인해 경화된 압전 세라믹의 공명 주파수가 다르게 만들어질 수 있다.
압전 세라믹의 공명 주파수가 장치의 작동에 필요한 주파수에 해당하지 않는다면 세포 용해 프로세스가 최적화되지 않는다. 압전 세라믹 공명 주파수에 대한 약간의 오프셋으로도 용해 프로세스에 영향을 미치기에 충분하며, 이는 시스템이 최적으로 기능하지 않음을 의미한다.
2. 트랜스듀서의 부하
작동 중 초음파 트랜스듀서(12)의 부하가 변하면 초음파 트랜스듀서(12) 진동의 전반적인 변위를 방해한다. 초음파 트랜스듀서(12) 진동의 최적의 변위를 얻기 위해 드라이브 주파수는 최적의 변위에 해당하는 적절한 전력을 제공하도록 조절되어야 한다.
초음파 트랜스듀서(12)의 효율에 영향을 미칠 수 있는 부하 유형에는 트랜스듀서의 액체 함량이 포함될 수 있다(즉, 초음파 처리 챔버(11) 내 액체 함량).
3. 온도
초음파 트랜스듀서(12)의 초음파 진동부는 드라이버 장치(2) 어셈블리에 의해 부분적으로 적셔진다. 이러한 진동부 습윤으로 초음파 트랜스듀서(12) 부위 및 주변에서 국소 온도가 높아질 수 있다.
온도가 올라가면 초음파 트랜스듀서(12)의 분자 거동이 변하기 때문에 초음파 트랜스듀서(12)의 진동에 영향을 미친다. 온도가 올라갈 때 세라믹 분자에는 더 많은 에너지가 존재하고 결정 구조에 일시적으로 영향을 미친다. 온도가 내려가면 이러한 효과가 반전되지만 공급된 주파수의 변조는 최적의 진동을 유지해야 한다.
또한, 온도가 올라가면 초음파 처리 챔버(11) 내의 용액 점성이 줄어들므로 초음파 처리 챔버(11) 내 세포 용해를 최적화하려면 드라이브 주파수를 변경해야 한다.
4. 전원까지의 거리
초음파 트랜스듀서(12)의 진동 주파수는 초음파 트랜스듀서(12) 및 AC 드라이버(38) 사이의 전선 길이에 따라 변할 수 있다. 전자 회로의 주파수는 초음파 트랜스듀서(49) 및 컨트롤러(23) 사이의 거리에 반비례한다.
거리 파라미터는 이 장치에서 주로 고정되지만, 시스템(1)의 제조 공정 중 변할 수 있다. 따라서, 초음파 트랜스듀서(12) 구동 주파수를 변경하여 변화량에 대해 보상하고 장치의 효율성을 최적화해야 한다.
압전 트랜스듀서는 도 6의 그림과 같이 전기 회로의 RLC 회로로 모델링할 수 있다. 상기에 설명된 4개의 파라미터는 전반적인 인덕턴스, 커패시턴스 및/또는 저항을 변경하여 트랜스듀서에 공급되는 공명 주파수 범위를 변경하도록 모델링할 수 있다. 회로 주파수가 트랜스듀서의 공명 포인트 근방으로 증가하면서 전체 회로의 로그 임피던스가 최소값으로 강하한 다음 중앙값 범위로 결정되기 전에 최대값으로 상승한다.
도 7은 RLC 회로 내 주파수가 증가할 때 전체 임피던스 변화를 설명하는 그래프를 도시한다. 도 8은 제1 사전결정된 주파수 fs 이하의 주파수에서 제1 축전 영역 및 제2 사전결정된 주파수 fp 이상의 주파수에서 제2 축전 영역 내 커패시터가 작동하는 방법을 도시한다. 압전 트랜스듀서는 제1 및 제2 사전결정된 주파수 fs, fp 사이의 주파수에서 유도 영역 내 인덕터로 작동한다. 최적의 트랜스듀서 진동을 유지함으로써 최적의 효율성을 만들기 위해, 트랜스듀서를 통해 흐르는 전류는 유도 영역 내 주파수를 유지해야 한다.
일부 실시예에서 드라이버 장치(2)는 세포 용해의 효율성을 최대화하기 위하여 유도 영역 내에서 압전 트랜스듀서(12)의 진동 주파수를 유지하도록 구성된다.
드라이버 장치(2)는 주파수 컨트롤러가 사전결정된 스위프 주파수 범위에 걸쳐 점진적으로 추적하는 주파수에서 트랜스듀서를 구동하는 스위프 작동을 수행하도록 구성된다. 다시 말해서, 드라이버 장치(2)는 사전결정된 스위프 주파수 범위에 걸쳐 복수의 다른 주파수에서 트랜스듀서를 구동한다. 예를 들어, 스위프 주파수 범위의 일 단부에서 스위프 주파수 범위의 다른 단부까지 사전결정된 주파수에 의해 주파수가 증가한다.
하기에 더 상세하게 설명된 바와 같이, 일부 실시예의 드라이버 장치(2)는 초음파 트랜스듀서(12)를 통해 흐르는 전류를 모니터링하여 초음파 트랜스듀서(12)에 의해 사용되는 능동 전력을 결정한다.
초음파(압전) 트랜스듀서의 기계적 변형은 초음파 트랜스듀서에 인가되는 AC 전압 진폭과 관련되며, 최적의 기능을 보장하고 시스템에 전달하기 위해 최대 변형이 항상 초음파 트랜스듀서에 구현되어야 한다. 초음파 트랜스듀서에 인가되는 AC 전압 펄스 폭 변조(PWM)에 의하여 진동의 기계적 진폭은 동일하게 유지된다. 일부 실시예에서, AC 전압 파형의 듀티 사이클을 능동적으로 조정하여 초음파 트랜스듀서의 변형을 최대화함으로써 최적의 기능과 시스템 전달을 보장한다.
일 접근법으로 디지털 아날로그 컨버터(DAC)의 사용을 통해 초음파 장치에 인가되는 AC 전압을 변조하는 방법이 포함된다. 초음파 트랜스듀서에 전송되는 에너지가 감소되었지만 결과적으로 최대 변형을 만들지 못해 기계적 변형도 줄어든다. 초음파 트랜스듀서에 인가되는 RMS 전압은 전압 변조와 듀티 사이클 변조의 효과는 동일하지만 초음파 트랜스듀서에 전송되는 능동 전력의 품질이 저하된다. 실제적으로 하기 방정식을 고려할 때
초음파 트랜스듀에 대해 표시된 능동 전력은 다음과 같고,
Figure pct00001
여기서
Figure pct00002
는 전류와 전압 사이의 위상(phase)의 시프트이다.
Irms는 제곱 평균 제곱근 전류이고
Vrms는 제곱 평균 제곱근 전압이다.
제1 고조파를 고려할 때, Irms는 초음파 트랜스듀서에 인가되는 실제 전압 진폭의 함수이고, 펄스 폭 변조는 초음파 트랜스듀서에 공급되는 전압 시간을 변경하여 Irms를 제어한다.
본 실시예에서, 메모리(41)는 명령을 저장하고, 프로세서(40)에 의해 실행될 때, 명령은 프로세서(40)로 하여금,
A. AC 드라이버(38)를 제어하여 사전결정된 스위프 주파수에서 AC 구동 신호를 초음파 트랜스듀서(12)로 출력하고;
B. 모니터링 신호에 기초하여, 초음파 트랜스듀서(12)에 의해 사용되는 능동 전력을 계산하고;
C. AC 드라이버(38)를 제어하여 AC 구동 신호를 변조함으로써 초음파 트랜스듀서(12)에 의해 사용되는 능동 전력을 최대화하고;
D. 초음파 트랜스듀서(12)에 의해 사용되는 최대 능동 전력 및 AC 구동 신호의 스위프 주파수를 메모리(41)에 기록으로 보관하고;
E. 사전결정된 반복 횟수만큼 단계 A~D를 반복하되, 각 반복에 대하여 스위프 주파수를 증가시키고, 이에 따라 사전결정된 횟수만큼 반복된 후, 스위프 주파수가 시작 스위프 주파수에서 종료 스위프 주파수까지 증가하고;
F. 초음파 트랜스듀서(12)에 의해 최대 능동 전력이 사용되는 AC 구동 신호의 스위프 주파수이인, AC 구동 신호를 위한 최적 주파수를 메모리(41)에 보관된 기록으로부터 식별하고; 그리고
G. AC 드라이버(38)를 제어하여 최적 주파수에서 AC 구동 신호를 초음파 트랜스듀서(12)로 출력한다.
일부 실시예에서, 시작 스위프 주파수는 2800kHz이고 종료 스위프 주파수는 3200kHz이다. 다른 실시예에서, 시작 스위프 주파수 및 종료 스위프 주파수는 2800kHz 내지 3200kHz 범위 내 하위 및 상위 주파수이다.
일부 실시예에서, 프로세서(40)는 AC 드라이버(38)를 제어하여 최적 주파수의 1~10% 사이에서 시프트되는 주파수에서 AC 구동 신호를 초음파 트랜스듀서(12)로 출력한다. 본 실시예에서, 주파수 시프트를 사용하면 초음파 트랜스듀서(12)를 최대 변위를 만드는 최적 구동 주파수에서 연속으로 구동할 때 초음파 트랜스듀서(12)에 유발되는 잠재적 손상을 최소화함으로써 초음파 트랜스듀서(12)의 수명을 연장한다.
일부 실시예에서, AC 드라이버(38)는 펄스 폭 변조를 통해 구동 신호를 변조하여 초음파 트랜스듀서(12)에 의해 사용되는 능동 전력을 최대화한다.
일부 실시예에서, 프로세서(40)는 교대로 제1 사전결정된 시간 동안 최적 주파수에서 초음파 트랜스듀서(12)에 AC 구동 신호를 출력하고, 제2 사전결정된 시간 동안 초음파 트랜스듀서(12)에 AC 구동 신호를 출력하지 않도록 AC 드라이버(38)를 제어한다. 이렇게 초음파 트랜스듀서(12)를 교대로 활성화 및 비활성화하면 세포 용해 장치(3) 내 샘플의 세포 용해 프로세스를 최적화하는 것으로 밝혀졌다.
일부 실시예에서, 초음파 트랜스듀서(12)의 최적 작동을 보장하기 위해 드라이버 장치(2)는 재귀 모드로 작동한다. 드라이버 장치(2)가 재귀 모드로 작동하는 경우, 드라이버 장치(2)는 시스템 작동 중 스위프 주파수에서 A~D 단계를 주기적으로 실행한다.
일부 실시예에서, 드라이버 장치(2)가 세포 용해 장치(3)가 드라이버 장치(2)에 부착될 때 자동으로 활성화되어 용해 프로세스를 시작한다. 일부 실시예에서, 드라이버 장치(2)는 사전결정된 시간이 경과한 후 용해 프로세스를 자동으로 시작한다. 용해 프로세스를 마치면 세포 용해 장치(3)는 드라이버 장치(2)에서 제거된다.
일부 실시예에서, 프로세서(40)가 AC 드라이버(38)를 제어하여 작동 모드에 따라 교대로 AC 구동 신호를 출력하고 AC 구동 신호를 출력하지 않는다. 일부 실시예의 작동 모드 12개의 타이밍이 첨부된 도 9의 표에 표시되어 있다.
일부 실시예에서, 세포 용해 장치(3)가 드라이버 장치(2)에 부착될 때 드라이버 장치(2)가 자동으로 활성화된다. 다른 실시예에서, 드라이버 장치(2)에는 스위치 또는 다른 제어 장치가 구비되어 사용자는 드라이버 장치(2)를 활성화 및 비활성화할 수 있다.
시스템이 활성되었을 때 사전결정된 시간 동안 용해 프로세스를 수행하면 세포 용해 장치(3)는 드라이버 장치(2)에서 분리된다. 이제 용해된 세포를 함유하는 세포 용해 장치(3) 내 액체는 PCR 프로세스와 같은 다른 프로세스에 사용하도록 제거된다. 그런 다음 세포 용해 장치(3)를 폐기할 수 있다.
상기에 기술된 실시예에서는 리세스(32) 및 드라이버 출력 터미널(36, 37) 세트를 포함하지만, 다른 실시예에서는 복수의 리세스 및 복수의 출력 터미널 세트를 포함한다. 다른 실시예에서, 드라이버 장치(2)는 복수의 세포 용해 장치와 동시에 사용할 수 있다. 이러한 장치 중 드라이버 장치(2)는 복수의 세포 용해 장치를 제어하여 세포 용해를 개별적으로 수행할 수 있다.
상기 내용은 통상의 기술을 지닌 자가 본 개시의 다양한 양태를 더 잘 이해할 수 있도록 다양한 예시 또는 실시예의 특징을 서술한다. 통상의 기술을 가진 자는 본원에 소개된 다양한 예시 또는 실시예의 것과 동일한 목적을 수행하고 및/또는 동일한 편익을 달성하기 위해 다른 프로세스 및 구조를 설계 또는 변경하기 위한 기본으로 본 개시를 사용할 수 있을 것이다. 또한 통상의 기술을 가진 자는 그러한 동등한 제품이 본 개시의 원칙과 범위를 벗어나지 않으며 본 개시의 원칙과 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변경, 대체, 및 개량을 수행할 수 있을 것이다.
본 주제는 구조적 특성이나 방법에 따른 언어로 설명되었지만 첨부된 청구항의 주제는 상기에 설명된 특정한 기능 또는 조치만으로 제한될 필요가 없다는 점을 인지할 수 있다. 오히려, 상기에 설명된 특정 기능 및 조치는 적어도 청구항의 일부를 구현하는 예시로서 공개되었다.
본원에서는 예시 또는 실시예의 다양한 조작이 제공되었다. 일부 또는 전체 조작이 설명된 주문은 이러한 조작이 주문에 필수적으로 의존함을 암시하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 다른 주문이 본 설명으로부터 편익을 받는다고 인정된다. 나아가, 모든 조작이 본원에 개시된 각 실시예에 반드시 존재하지는 않는다. 또한, 모든 조치가 일부 예시 또는 실시예에서 필수적인 것은 아니라고 이해된다.
더구나, 본원에서 사용되는 "예시적"이라는 용어는 예시, 경우, 실례 등을 의미하지만 필수적인 장점은 아닌 것이다. 본 출원서에 사용된 "또는"이란 포용적인 "또는"을 의미하며 배타적인 "또는"을 의미하지 않는다. 게다가, 본원 및 첨부의 청구항에서 사용된 "하나"라는 용어는 달리 특정되거나 문맥상 단일 형식을 지칭하는 것이 명확하지 않는 한 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석된다. 또한, 적어도 하나의 A 및 B 및/또는 이와 유사한 표현은 일반적으로 A 또는 B, 또는 A 및 B 두 개를 모두 의미한다. 더구나, "포함", "구비하는", "구비", "함께" 또는 그의 변형된 범위에 있어서, 그러한 표현은 "포함하는"과 유사한 방식으로 포용하는 것으로 사용된다. 또한, 달리 명시되지 않는 한, "제1", "제2" 또는 그와 유사한 표현은 시간 한정적인 양태, 공간적 양태, 순서 등을 의미하지 않는다. 대신에 그러한 표현은 기능, 부재, 항목 등을 위한 식별자, 이름 등으로 단순히 사용된다. 예를 들어, 제1 부재 및 제2 부재는 일반적으로 부재 A 및 부재 B 또는 두 개의 다른 또는 두 개의 동일한 부재, 또는 같은 부재에 해당한다.
또한, 본 개시는 하나 이상의 구현과 관련하여 도시 및 설명되었지만, 동급의 변형 및 개조는 본 명세서 및 부속적인 도면의 판독 및 이해를 기반으로 통상의 기술을 사용하여 만든 다른 장치에서 실행된다. 본 개시는 그러한 모든 개조 및 변형을 포함하고 다음 청구의 범위에 의해서만 제한된다. 특히 상기에 설명된 기능(예: 부재, 리소스 등)에 의해 수행되는 다양한 기능과 관련하여, 그러한 기능을 설명하는 데 사용된 표현은 달리 명시되지 않는 한, 개시된 구조와 구조적으로 동일하지 않더라도, 설명된 특징의 구체적인 기능을 수행하는 특징(예: 기능적으로 동일함)에 해당한다. 더구나, 본 개시의 특정 기능은 다양한 구현 중 한 가지 구현에 대해서만 개시되지만, 그러한 기능은 특정 또는 특별한 응용 분야에 대해 원하는 대로, 및 유리한 대로 다른 구현의 하나 이상의 다른 기능과 결합될 수 있다.
본원에 설명된 주제 및 기능 조작의 예시 또는 실시예는 디지털 전자 회로, 또는 컴퓨터 소프트웨어, 펌웨어 또는 하드웨어, 본 명세서에 개시된 구조 및 구조적으로 동일한 장치를 포함하거나, 이들의 하나 이상을 조합으로서 구현될 수 있다.
일부 예시 또는 실시예는 데이터 처리 기구의 실행, 또는 그의 조작을 제어하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 매체에서 인코딩된 컴퓨터 프로그램 명령의 하나 이상의 모듈을 사용하여 구현된다. 컴퓨터 판독 가능한 매체는 제조된 제품, 이를테면 컴퓨터 시스템 또는 내장형 시스템의 하드 드라이버가 될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 매체는 별도로 획득하거나 하나 이상의 컴퓨터 프로그램 명령 모듈, 이를테면 유선 또는 무선 네트워크를 통하여 하나 이상의 컴퓨터 프로그램 명령 모듈을 전달함으로써 차후에 인코딩될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 기계 판독 가능 스토리지 장치, 기계 판독 가능 스토리지 기질, 메모리 장치 또는 이들의 하나 이상의 조합이 될 수 있다.
"컴퓨팅 장치" 및 "데이터 처리 기구"는 프로그램 가능 프로세서, 컴퓨터 또는 다수 개의 프로세서 또는 컴퓨터 등을 포함하여 데이터를 처리하는 모든 기구, 장치 및 머신을 포함한다. 기구에는 하드웨어 이외에, 문제의 컴퓨터 프로그램을 위한 실행 환경을 만드는 코드, 이를테면 프로세서 펌웨어, 프로토콜 스택, 데이터베이스 관리 시스템, 운영 시스템, 런타임 환경, 또는 이들의 하나 이상의 조합으로 구성되는 코드가 포함된다. 더구나, 기구는 다양한 컴퓨팅 모델 인프라, 이를테면 웹 서비스, 분산형 컴퓨팅 및 그리드 컴퓨팅 인프라를 사용할 수 있다.
본 명세서에 기술된 프로세스 및 로직 흐름은 하나 이상의 컴퓨터 프로그램을 실행하여 입력 데이터를 조작하고 출력을 생성하는 하나 이상의 프로그램 가능 프로세서에 의해 수행될 수 있다.
컴퓨터 프로그램의 실행에 적합한 프로세서에는 예시적으로, 일반 및 특수용 마이크로프로세서, 및 디지털 컴퓨터 유형의 하나 이상의 프로세서가 포함된다. 일반적으로, 읽기 전용 메모리 또는 랜덤 액세스 메모리 또는 두 가지 모두로부터 명령 및 데이터를 수신한다. 컴퓨터의 필수 요소에는 명령을 수행하는 프로세서와 명령 및 데이터를 보관하는 하나 이상의 메모리 장치가 있다. 일반적으로, 컴퓨터에는 자석, 광자기 디스크, 또는 광학 디스크와 같은 데이터를 보관할 수 있는 하나 이상의 대용량 스토리지 장치를 포함하거나, 장치에서 데이터를 수신, 장치로 데이터를 전송, 또는 두 가지 모두를 하기 위해 작용적으로 결합된다. 하지만, 컴퓨터가 그러한 장치를 반드시 가져야 하는 것은 아니다. 컴퓨터 프로그램 명령 및 데이터를 보관하기에 적합한 장치에는 모든 유형의 비휘발성 메모리, 매체 및 메모리 장치가 포함된다.
본 명세서의 "포함"이란 "구비 또는 구성"을 의미하고, "포함하는"이란 "구비하는 또는 구성하는"을 의미한다.
상기 설명, 또는 다음 청구항, 또는 첨부 도면에 개시되거나, 특정 형식으로 명시된 기능, 개시된 기능을 수행하기 위한 방법의 측면, 또는 개시된 결과를 얻기 위한 방법이나 프로세스는, 적절하게는, 별도로, 또는 그러한 기능의 조합으로, 다양한 형식에서 본 발명을 구현하기 위해 사용될 수 있다.

Claims (20)

  1. 세포 용해 시스템으로서,
    드라이버 장치를 포함하고,
    상기 드라이버 장치는,
    상기 드라이버 장치와 세포 용해 장치 사이에서 전기 연결을 제공하여 상기 세포 용해 장치 내에서 초음파 트랜스듀서를 구동하는 복수의 드라이버 출력 터미널;
    사전결정된 주파수에서 AC 구동 신호를 생성하고, 상기 드라이버 출력 터미널에서 상기 AC 구동 신호를 출력하여 상기 세포 용해 장치 내에서 상기 초음파 트랜스듀서를 구동하는 AC 드라이버;
    상기 초음파 트랜스듀서가 상기 AC 구동 신호에 의해 구동될 때, 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용된 능동 전력을 모니터링하는 능동 전력 모니터링 장치 - 상기 능동 전력 모니터링 장치는 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용된 상기 능동 전력을 나타내는 모니터링 신호를 제공함 -;
    상기 AC 드라이버를 제어하고, 상기 능동 전력 모니터링 장치로부터의 상기 모니터링 신호를 수신하는 프로세서; 및
    명령을 저장하는 메모리를 포함하고,
    상기 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 명령은 상기 프로세서로 하여금,
    A. 상기 AC 드라이버를 제어하여 사전결정된 스위프 주파수에서 AC 구동 신호를 상기 초음파 트랜스듀서로 출력하고;
    B. 상기 모니터링 신호에 기초하여, 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용되는 상기 능동 전력을 계산하고;
    C. 상기 AC 드라이버를 제어하여 상기 AC 구동 신호를 변조함으로써 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용되는 상기 능동 전력을 최대화하고;
    D. 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용된 최대 능동 전력 및 상기 AC 구동 신호의 상기 스위프 주파수를 상기 메모리에 기록으로 보관하고;
    E. 사전결정된 반복 횟수만큼 단계 A~D를 반복하되, 각 반복에 대하여 상기 스위프 주파수를 증가시키고, 이에 따라 사전결정된 횟수만큼 반복된 후, 상기 스위프 주파수가 시작 스위프 주파수에서 종료 스위프 주파수까지 증가하고;
    F. 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 최대 능동 전력이 사용되는 상기 AC 구동 신호의 상기 스위프 주파수인, 상기 AC 구동 신호를 위한 최적 주파수를 상기 메모리에 보관된 기록으로부터 식별하고; 그리고
    G. 상기 AC 드라이버를 제어하여 상기 최적 주파수에서 AC 구동 신호를 상기 초음파 트랜스듀서로 출력하도록 하는, 세포 용해 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 능동 전력 모니터링 장치는,
    상기 초음파 트랜스듀서를 구동하는 상기 AC 구동 신호의 구동 전류를 센싱하는 전류 센싱 장치를 포함하고, 상기 능동 전력 모니터링 장치는 센싱된 구동 전류를 나타내는 모니터링 신호를 제공하는, 세포 용해 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 메모리는 명령을 저장하고, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 명령은 상기 프로세서로 하여금,
    시작 스위프 주파수 2800kHz에서 종료 스위프 주파수 3200kHz까지 증가하는 스위프 주파수로 단계 A~D를 반복하도록 하는, 세포 용해 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 메모리는 명령을 저장하고, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 명령은 상기 프로세서로 하여금,
    단계 G에서, 상기 AC 드라이버를 제어하여 상기 최적 주파수의 1~10% 사이에서 시프트되는 주파수에서 AC 구동 신호를 상기 초음파 트랜스듀서로 출력하도록 하는, 세포 용해 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 AC 드라이버는 펄스 폭 변조에 의해 상기 AC 구동 신호를 변조하여 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용되는 상기 능동 전력을 최대화하는, 세포 용해 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 메모리는 명령을 저장하고, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 명령은 상기 프로세서로 하여금,
    교대로 제1 사전결정된 시간의 길이 동안 상기 최적 주파수에서 상기 초음파 트랜스듀서에 AC 구동 신호를 출력하고, 제2 사전결정된 시간의 길이 동안 상기 초음파 트랜스듀서에 AC 구동 신호를 출력하지 않도록 상기 AC 드라이버를 제어하도록 하는, 세포 용해 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 메모리는 명령을 저장하고, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 명령은 상기 프로세서로 하여금,
    다음에서 선택된 작동 모드에 따라, 교대로 상기 AC 구동 신호를 출력하고 상기 AC 구동 신호를 출력하지 않도록 하는, 세포 용해 시스템.
    Figure pct00003
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세포 용해 시스템은 상기 드라이버 장치에 해제 가능하게 부착되는 세포 용해 장치를 더 포함하고, 상기 세포 용해 장치는
    하우징;
    상기 복수의 드라이버 출력 터미널에 전기적으로 연결되는 복수의 전기 터미널;
    상기 하우징 내에 제공된 초음파 처리 챔버 - 상기 초음파 처리 챔버는 적어도 부분적으로 초음파 전달 매체로 충전되며, 상기 하우징은 샘플 용기의 일부가 상기 초음파 전달 매체로 돌출되도록 상기 샘플 용기를 수용하도록 구성된 개구를 포함함 -; 및
    상기 초음파 처리 챔버 내의 상기 초음파 전달 매체에서 초음파를 생성하는 초음파 트랜스듀서를 포함하고,
    상기 초음파는 상기 초음파 전달 매체에 의해 상기 초음파 트랜스듀서에서 상기 샘플 용기로 전달되어 세포가 상기 샘플 용기 내에 포함될 때, 세포를 용해하는, 세포 용해 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 드라이버 장치는 제1 억지 끼워맞춤 부착부(interference fit attachment)를 포함하고, 상기 세포 용해 장치는 제2 억지 끼워맞춤 부착부를 포함하고, 상기 제1 억지 끼워맞춤 부착부는 상기 제2 억지 끼워맞춤 부착부에 해제 가능하게 부착되어 상기 세포 용해 장치를 상기 드라이버 장치에 해제 가능하게 부착하는, 세포 용해 시스템.
  10. 세포 용해 장치로서,
    하우징;
    상기 하우징 내에 제공된 초음파 처리 챔버 - 상기 초음파 처리 챔버는 적어도 부분적으로 초음파 전달 매체로 충전되며, 상기 하우징은 샘플 용기의 일부가 상기 초음파 전달 매체로 돌출되도록 상기 샘플 용기를 수용하도록 구성된 개구를 포함함 -; 및
    상기 초음파 처리 챔버 내의 상기 초음파 전달 매체에서 초음파를 생성하는 초음파 트랜스듀서를 포함하고,
    상기 초음파는 상기 초음파 전달 매체에 의해 상기 초음파 트랜스듀서에서 상기 샘플 용기로 전달되어 세포가 상기 샘플 용기 내에 포함될 때, 세포를 용해하는, 세포 용해 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 초음파 트랜스듀서는 적어도 부분적으로 납, 지르코늄 및 티타늄을 포함하는 화합물인, 세포 용해 장치.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 초음파 트랜스듀서는 원형 디스크 형상이고, 직경 16mm 및 두께 0.7mm를 갖는, 세포 용해 장치.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초음파 트랜스듀서는 상기 초음파 트랜스듀서의 대향하는 측면에 제공되는 제1 전극과 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 은을 포함하고, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 커패시턴스는 800pF 내지 1300pF인, 세포 용해 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 전극은 적어도 부분적으로 유리 코팅으로 덮여 있는, 세포 용해 장치.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초음파 트랜스듀서는 실리콘 고무인 트랜스듀서 홀더에 의해 운반되는, 세포 용해 장치.
  16. 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초음파 전달 매체는 식물성 글리세린을 포함하는, 세포 용해 장치.
  17. 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 샘플 용기는 마이크로 원심분리 튜브(microcentrifuge tube)인, 세포 용해 장치.
  18. 샘플 내 세포를 용해하는 방법으로서,
    샘플 용기 내에서 용해될 세포를 함유하는 액체 샘플을 배치하는 단계;
    세포 용해 장치의 하우징의 개구를 통해 상기 샘플 용기를 배치하여 상기 샘플 용기의 일부가 상기 하우징 내의 초음파 처리 챔버에 제공된 초음파 전달 매체에 돌출되는 단계; 및
    상기 세포 용해 장치를 드라이버 장치에 부착하는 단계를 포함하고,
    상기 드라이버 장치는,
    사전결정된 주파수에서 AC 구동 신호를 생성하고 드라이버 출력 터미널에서 상기 AC 구동 신호를 출력하여 상기 세포 용해 장치 내에서 초음파 트랜스듀서를 구동하는 AC 드라이버; 및
    상기 초음파 트랜스듀서가 상기 AC 구동 신호에 의해 구동될 때, 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용된 능동 전력을 모니터링하는 능동 전력 모니터링 장치를 포함하고, 상기 능동 전력 모니터링 장치는 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용된 능동 전력을 나타내는 모니터링 신호를 제공하고,
    상기 샘플 내 세포를 용해하는 방법은,
    A. 프로세서에 의해, 상기 AC 드라이버를 제어하여 사전결정된 스위프 주파수에서 AC 구동 신호를 상기 초음파 트랜스듀서로 출력하는 단계;
    B. 상기 프로세서에 의해, 상기 모니터링 신호에 기초하여, 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용되는 상기 능동 전력을 계산하는 단계;
    C. 상기 프로세서에 의해, 상기 AC 드라이버를 제어하여 상기 AC 구동 신호를 변조함으로써 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용되는 상기 능동 전력을 최대화하는 단계;
    D. 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용된 최대 능동 전력 및 상기 AC 구동 신호의 상기 스위프 주파수를 메모리에 기록으로 보관하는 단계;
    E. 사전결정된 반복 횟수만큼 단계 A~D를 반복하되, 각 반복에 대하여 상기 스위프 주파수를 증가시키고, 이에 따라 사전결정된 횟수만큼 반복된 후, 상기 스위프 주파수가 시작 스위프 주파수에서 종료 스위프 주파수까지 증가하는 단계;
    F. 상기 프로세서에 의해, 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 최대 능동 전력이 사용되는 상기 AC 구동 신호의 상기 스위프 주파수인, 상기 AC 구동 신호를 위한 최적 주파수를 상기 메모리에 보관된 기록으로부터 식별하는 단계; 및
    G. 상기 프로세서에 의해, 상기 AC 드라이버를 제어하여 상기 최적 주파수에서 AC 구동 신호를 상기 초음파 트랜스듀서로 출력하는 단계를 더 포함하는, 샘플 내 세포를 용해하는 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 샘플 내 세포를 용해하는 방법은,
    시작 스위프 주파수 2800kHz에서 종료 스위프 주파수 3200kHz까지 증가하는 스위프 주파수로 단계 A~D를 반복하는 단계를 더 포함하는, 샘플 내 세포를 용해하는 방법.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    상기 샘플 내 세포를 용해하는 방법은,
    상기 프로세서에 의해, 교대로 제1 사전결정된 시간의 길이 동안 상기 최적 주파수에서 상기 초음파 트랜스듀서에 AC 구동 신호를 출력하고, 제2 사전결정된 시간의 길이 동안 상기 초음파 트랜스듀서에 AC 구동 신호를 출력하지 않도록 상기 AC 드라이버를 제어하는 단계를 더 포함하는, 샘플 내 세포를 용해하는 방법.
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