KR20230125849A - 전기역학적 디바이스들을 동작시키기 위한 시스템들 - Google Patents

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KR20230125849A
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앤드류 더블유 맥팔랜드
다니엘레 말레오
제이 테너 네빌
러셀 에이 뉴스트롬
키스 제이 브레인링거
폴 엠 룬드퀴스트
저스틴 케이 밸리
조나단 클라우드 드래곤 허바드
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버클리 라잇츠, 인크.
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Abstract

전기역학적 디바이스를 동작시키기 위한 시스템은 전기역학적 디바이스를 유지하고 전기역학적 디바이스와 동작적으로 결합하도록 구성된 지지체, 전기역학적 디바이스에서 한 쌍의 전극들에 걸쳐 바이어싱 전압을 인가하도록 구성된 통합된 전기적 신호 생성 서브시스템, 및 구조화된 광을 전기역학적 디바이스 상으로 방출하도록 구성된 광 변조 서브시스템을 포함한다. 시스템은 열 제어된 흐름 제어기를 더 포함할 수 있고, 및/또는 전기역학적 디바이스에 걸쳐 임피던스를 측정하도록 구성될 수 있다. 시스템은 광학적 트레인을 포함하는 광학 현미경일 수 있다. 시스템은, 광 변조 서브시스템의 일부일 수 있고, 실질적으로 균일한 강도의 광을 광 변조 서브시스템으로 또는 광학적 트레인으로 직접적으로 공급하도록 구성될 수 있는 광 파이프를 더 포함할 수 있다.

Description

전기역학적 디바이스들을 동작시키기 위한 시스템들{SYSTEMS FOR OPERATING ELECTROKINETIC DEVICES}
본 개시물은 일반적으로 미세유체 (microfluidic) 디바이스들과의 이용을 위한 시스템들에 관한 것이다. 특히, 본 개시물은 미세유체 디바이스들을 동작시키기 위한 시스템들에 관한 것이다.
미세유체학의 분야가 발전하는 것을 계속함에 따라, 미세유체 디바이스들은 생물학적 세포들과 같은 마이크로-객체 (micro-object) 들을 프로세싱하고 조작하기 위한 편리한 플랫폼들이 되었다. 광학적으로 작동된 전기역학적 (electrokinetic) 미세유체 디바이스들과 같은 전기역학적 미세유체 디바이스들은 개별적인 마이크로-객체들을 선택하고 조작하기 위한 능력을 포함하는 일부 바람직한 역량들을 제공한다. 이러한 미세유체 디바이스들은 기능하기 위하여 다양한 입력들 (예컨대, 유체, 압력, 진공, 열, 냉각, 광 등) 을 요구한다. 본 발명의 일부 실시형태들은 광학적으로 작동된 전기역학적 미세유체 디바이스들을 포함하는 전기역학적 미세유체 디바이스들을 동작시키기 위하여 유용한 시스템들에 대한 것이다.
개시된 발명들의 예시적인 실시형태에서, 전기역학적 디바이스를 동작시키기 위한 시스템이 제공되고, 시스템은 전기역학적 디바이스를 유지하고 전기역학적 디바이스와 동작적으로 결합하도록 구성된 지지체, 전기역학적 디바이스가 지지체에 의해 유지되고 동작적으로 결합될 때에 전기역학적 디바이스에서의 한 쌍의 전극들에 걸쳐 바이어싱 전압 (biasing voltage) 을 인가하도록 구성된 전기적 신호 생성 서브시스템, 및 전기역학적 디바이스가 지지체에 의해 유지되고 지지체와 동작적으로 결합될 때에 구조화된 광을 전기역학적 디바이스 상으로 방출하도록 구성된 광 변조 서브시스템을 포함한다. 지지체는 바람직하게는, 전기역학적 디바이스를 수납하고 전기역학적 디바이스와 인터페이싱하도록 구성된 소켓 (socket) 을 포함한다. 전기적 신호 생성 서브시스템은 바람직하게는, 전기역학적 디바이스가 지지체에 의해 유지되고 지지체와 동작적으로 결합될 때에 전극 쌍에 걸쳐 인가될 바이어싱 전압 파형을 생성하도록 구성된 파형 생성기를 포함한다. 전기적 신호 생성 서브시스템은 파형 생성기에 의해 생성된 바이어싱 파형을 증폭시키도록 구성된 파형 증폭 회로, 및/또는 바이어싱 전압 파형을 측정하도록 구성된 오실로스코프 (oscilloscope) 를 더 포함할 수도 있고, 여기서, 측정으로부터의 데이터는 피드백으로서 파형 생성기에 제공된다. 예로서, 그리고 제한 없이, 전기역학적 디바이스는 광학적으로 작동된 전기역학적 디바이스일 수도 있다.
예시적인 실시형태들에서, 시스템은 전기역학적 디바이스가 지지체에 의해 유지되고 지지체와 동작적으로 결합될 때에 전기역학적 디바이스의 온도를 조절하도록 구성된 열 제어 서브시스템을 포함한다. 열 제어 서브시스템은 열전력 (thermoelectric power) 모듈, 펠티에 (Peltier) 열전 디바이스, 및 냉각 유닛을 포함할 수도 있고, 여기서, 열전력 모듈은 펠티에 열전 디바이스의 온도를 조절하도록 구성되고, 여기서, 펠티에 열전 디바이스는 전기역학적 디바이스의 표면과 냉각 유닛의 표면 사이에 개재 (interpose) 된다. 일부 실시형태들에서, 냉각 유닛은 액체 냉각 디바이스, 냉각 블록, 및 액체 냉각 디바이스와 냉각 블록 사이에서 냉각된 액체를 순환시키도록 구성된 액체 경로를 포함할 수도 있고, 여기서, 냉각 블록은 냉각 유닛의 표면을 포함하고, 개개의 펠티에 열전 디바이스 및 열전력 모듈은 지지체 상에서 장착될 수도 있고 및/또는 지지체와 통합될 수도 있다.
예시적인 실시형태들에서, 지지체는 전기적 신호 생성 서브시스템 및 열전력 모듈 중의 하나 또는 양자를 제어하는 마이크로프로세서를 포함한다. 예를 들어, 지지체는 인쇄 회로 기판 (printed circuit board; PCB) 을 포함할 수도 있고, 여기서, 전기적 신호 생성 서브시스템, 열전력 모듈, 및 마이크로프로세서 중의 적어도 하나는 PCB 상에 장착되고 및/또는 PCB 와 통합된다. 시스템은 마이크로프로세서와 동작적으로 결합된 외부 연산 디바이스를 더 포함할 수도 있고, 여기서, 외부 연산 디바이스는, 조작자 입력을 수신하도록 구성되고, 조작자 입력을 프로세싱하고, 조작자 입력을, 전기적 신호 생성 서브시스템 및 열 제어 서브시스템 중의 하나 또는 양자를 제어하기 위한 마이크로프로세서로 송신하기 위한 그래픽 사용자 인터페이스를 포함한다. 예를 들어, 마이크로프로세서는 전기적 신호 생성 서브시스템 및 열 제어 서브시스템 중의 하나 또는 양자로부터의, 감지되거나 수신된, 또는 이와 다르게, 감지되거나 수신된 데이터 또는 정보에 기초하여 계산된 데이터 및/또는 정보를 외부 연산 디바이스로 송신하도록 구성될 수도 있다. 하나의 이러한 실시형태에서, 마이크로프로세서 및/또는 외부 연산 디바이스는 전기역학적 디바이스가 지지체에 의해 유지되고 지지체와 동작적으로 결합될 때에 전기역학적 디바이스의 전극들에 걸쳐 전기 회로의 임피던스를 측정하고 및/또는 모니터링하도록 구성되고, 여기서, 마이크로프로세서 및/또는 외부 연산 디바이스는 전기 회로의 측정된 및/또는 모니터링된 임피던스에서의 검출된 변경에 기초하여 유체 경로의 흐름량 (flow volume) 을 결정하도록 구성되고, 흐름 경로는 전기역학적 디바이스 내의 미세유체 회로의 적어도 일부를 포함한다. 마이크로프로세서 및/또는 외부 연산 디바이스는 추가적으로 또는 대안적으로, 전기 회로의 측정된 및/또는 모니터링된 임피던스에서의 검출된 변경에 기초하여 전기역학적 디바이스의 내부 미세유체 챔버의 높이를 결정하도록 구성될 수도 있고, 및/또는 전기 회로의 측정된 및/또는 모니터링된 임피던스에서의 검출된 변경에 기초하여 전기역학적 디바이스의 미세유체 회로 내에 포함된 화학적 및/또는 생물학적 재료의 하나 이상의 특성들을 결정하도록 구성될 수도 있다.
일부 실시형태들에서, 지지체 및/또는 광 변조 서브시스템은 광학 현미경 (light microscope) 상에 장착되도록 구성될 수도 있다. 다른 실시형태들에서, 지지체 및/또는 광 변조 서브시스템은 광학 현미경의 일체형 컴포넌트들이다.
예시적인 실시형태들에서, 시스템은 전기역학적 디바이스가 지지체에 의해 유지되고 지지체와 동작적으로 결합될 때, 전기역학적 디바이스의 입구 포트에 유체적으로 결합되도록 구성된 원위 단부 (distal end) 를 가지는 제 1 유체 라인, 및 전기역학적 디바이스의 출구 포트에 유체적으로 결합되도록 구성된 근위 단부 (proximal end) 를 가지는 제 2 유체 라인을 각각 포함하고, 여기서, 시스템은 바람직하게는, 제 1 및 제 2 유체 라인들 중의 하나 또는 양자와 동작적으로 결합된 적어도 하나의 흐름 제어기를 포함한다.
일부 실시형태들에서, 시스템은 유체가 그것을 통해 흐르는 것을 선택적으로 허용하기 위하여 제 1 유체 라인 및 제 2 유체 라인 중의 하나와 동작적으로 결합된 제 1 열-제어된 (thermally-controlled) 흐름 제어기를 포함하고, 여기서, 제 1 열-제어된 흐름 제어기는 제 1 유체 라인의 흐름 세그먼트와 열적으로 결합된 제 1 열 전도성 인터페이스, 및 제 1 유체 라인의 흐름 세그먼트에서 포함된 유체를 제어가능하게 동결시키거나 해동시킴으로써, 유체가 제 1 유체 라인을 통해 전기역학적 디바이스의 입구 포트 내로 또는 그 외부로 관통하여 흐르는 것을 선택적으로 방지하거나 허용할 정도로 충분하게, 제 1 열 전도성 인터페이스의 온도를 제어가능하게 하강시키거나 상승시키도록 구성된 적어도 하나의 흐름 제어 펠티에 열전 디바이스를 포함할 수도 있다. 제 1 열-제어된 흐름 제어기는 제 1 유체 라인의 흐름 세그먼트가 제 1 통로를 통해 확장하는 상기 제 1 통로를 가지는 제 1 하우징으로서, 하우징은 제 1 열 전도성 인터페이스 및 적어도 하나의 흐름 제어 펠티에 열전 디바이스를 더 포함하는, 상기 제 1 하우징; 및/또는 제 1 열 전도성 인터페이스에 인접한 제 1 유체 라인의 흐름 세그먼트를 적어도 부분적으로 둘러싸는 절연 재료를 포함할 수도 있다. 시스템은 유체가 그것을 통해 흐르는 것을 선택적으로 허용하기 위하여 제 1 유체 라인 및 제 2 유체 라인 중의 다른 하나와 동작적으로 결합된 제 2 열-제어된 흐름 제어기를 포함할 수도 있고, 여기서, 제 2 열-제어된 흐름 제어기는 제 2 유체 라인의 흐름 세그먼트와 열적으로 결합된 제 2 열 전도성 인터페이스, 및 제 2 유체 라인의 흐름 세그먼트에서 포함된 유체를 제어가능하게 동결시키거나 해동시킴으로써, 유체가 전기역학적 디바이스의 출구 포트 외부로 또는 그 내부로 흐르는 것을 선택적으로 방지하거나 허용할 정도로 충분하게, 제 2 열 전도성 인터페이스의 온도를 제어가능하게 하강시키거나 상승시키도록 구성된 적어도 하나의 흐름 제어 펠티에 열전 디바이스를 포함할 수도 있다. 제 2 열-제어된 흐름 제어기는 제 2 유체 라인의 흐름 세그먼트가 제 2 통로를 통해 확장하는 상기 제 2 통로를 가지는 제 2 하우징으로서, 하우징은 제 2 유체 라인의 흐름 세그먼트와 열적으로 결합된 제 2 열 전도성 인터페이스, 및 제 2 열 전도성 인터페이스의 온도를 제어가능하게 하강시키거나 상승시키도록 구성된 적어도 하나의 흐름 제어 펠티에 열전 디바이스를 포함하는, 상기 제 2 하우징; 및/또는 제 2 열 전도성 인터페이스에 인접한 제 2 유체 라인의 흐름 세그먼트를 적어도 부분적으로 둘러싸는 절연 재료를 포함할 수도 있다.
예시적인 실시형태들에서, 시스템은 제 1 및 제 2 유체 라인들과 동작적으로 결합된 열-제어된 흐름 제어기를 포함하고, 열-제어된 흐름 제어기는 제 1 유체 라인의 흐름 세그먼트와 열적으로 결합된 제 1 부분 및 제 2 유체 라인의 흐름 세그먼트와 열적으로 결합된 제 2 부분을 가지는 열 전도성 인터페이스, 및 제 1 및 제 2 유체 라인들의 개개의 흐름 세그먼트들에서 포함된 유체를 제어가능하게 동결시키거나 해동시킴으로써, 유체가 제 1 유체 라인을 통해 전기역학적 디바이스의 입구 포트 내로, 또는 유출 유체 라인을 통해 전기역학적 디바이스의 출구 포트로부터 흐르는 것을 선택적으로 방지하거나 허용할 정도로 충분하게, 열 전도성 인터페이스의 온도를 제어가능하게 하강시키거나 상승시키도록 구성된 적어도 하나의 흐름-제어 펠티에 열전 디바이스를 포함한다. 이러한 실시형태들에서, 적어도 하나의 흐름-제어 펠티에 열전 디바이스는 제 1 유체 라인의 흐름 세그먼트에 인접한 열 전도성 인터페이스의 제 1 부분에 열적으로 결합된 제 1 흐름-제어 펠티에 열전 디바이스, 및 제 2 유체 라인의 흐름 세그먼트에 근접한 열 전도성 인터페이스의 제 2 부분에 열적으로 결합된 제 2 흐름-제어 펠티에 열전 디바이스를 포함할 수도 있다. 흐름 제어기는 제 1 유체 라인의 흐름 세그먼트가 제 1 통로를 통해 확장하는 제 1 통로 및 유출 유체 라인의 흐름 세그먼트가 제 2 통로를 통해 확장하는 제 2 통로를 가지는 하우징을 포함할 수도 있고, 여기서, 열 전도성 인터페이스는 예를 들어, 하우징에서 장착되고, 여기서, 하우징은 열 전도성 인터페이스가 장착되는 열 절연 챔버를 정의한다.
다양한 실시형태들에서, 광 변조 서브시스템은 디지털 미러 디바이스 (digital mirror device; DMD), 마이크로셔터 어레이 시스템 (microshutter array system; MSA), 액정 디스플레이 (liquid crystal display; LCD), 실리콘상 액정 디바이스 (liquid crystal on silicon device; LCOS), 실리콘상 강유전체 액정 디바이스 (ferroelectric liquid crystal on silicon device; FLCOS), 및 스캐닝 레이저 디바이스 중의 하나 이상을 포함할 수도 있다.
예시적인 실시형태들에서, 광 변조 서브시스템은 광 파이프 또는 교차된 이색성 프리즘 (또는 "엑스-큐브 (x-cube)") 과 같은 멀티-입력 구조체를 포함한다. 광 파이프는 복수의 입력 개구부 (aperture) 들을 가지는 하우징으로서, 각각의 입력 개구부는 개개의 광원으로부터 방출된 광을 수신하도록 구성되고, 하우징은 입력 개구부들을 통해 수신된 광을 방출하도록 구성된 출력 개구부를 추가로 가지는, 상기 하우징; 제 1 입력 개구부로부터 출력 개구부로 하우징 내에서 확장하는 제 1 광 전파 통로; 제 1 광 전파 통로에 걸쳐 경사 각도로 하우징 내에서 위치된 제 1 이색성 필터로서, 제 1 이색성 필터는 제 1 광 개구부를 통해 수신된 광이 출력 개구부까지의 제 1 광 전파 통로를 따라 전파할 때에 제 1 광 개구부를 통해 수신된 광이 제 1 이색성 필터를 통과하도록 구성되고 위치되는, 상기 제 1 이색성 필터; 및 제 2 입력 개구부로부터 제 1 이색성 필터로 하우징 내에서 확장하는 제 2 광 전파 통로로서, 제 2 전파 통로 및 제 1 이색성 필터는 제 2 입력 개구부를 통해 수신된 광이 제 2 광 전파 통로를 따라 전파하고 제 1 이색성 필터에 의해 출력 개구부까지의 제 1 광 전파 통로 상으로 반사되도록 구성되고 치수가 정해지는, 상기 제 2 광 전파 통로를 포함할 수 있고, 여기서, 개개의 입력 개구부들, 제 1 및 제 2 광 전파 통로들, 제 1 이색성 필터, 및 출력 개구부는 적어도 하나의 광원에 의해 방출되고 제 1 및 제 2 입력 개구부들 중의 적어도 하나를 통해 수신된 광이 출력 개구부로부터 실질적으로 균일한 강도 (intensity) 로 방출되도록 크기가 정해지고, 치수가 정해지고, 구성된다. 광 파이프는 제 1 이색성 필터와 출력 개구부 사이의 제 1 광 전파 통로에 걸쳐 경사 각도로 하우징 내에서 위치된 제 2 이색성 필터로서, 제 2 이색성 필터는 제 1 및 제 2 광 개구부들을 통해 수신된 광이 수신된 광이 출력 개구부까지의 제 1 광 전파 통로를 따라 전파할 때에 제 2 이색성 필터를 통과하도록 구성되고 위치되는, 상기 제 2 이색성 필터, 및 제 3 입력 개구부로부터 제 2 이색성 필터로 하우징 내에서 확장하는 제 3 광 전파 통로로서, 제 3 전파 통로 및 제 2 이색성 필터는 제 3 입력 개구부를 통해 수신된 광이 제 3 광 전파 통로를 따라 전파하고 제 2 이색성 필터에 의해 출력 개구부까지의 제 1 광 전파 통로 상으로 반사되도록 구성되고 치수가 정해지는, 상기 제 3 광 전파 통로를 더 포함할 수도 있다.
광 변조 서브시스템은 광 파이프의 제 1 입력 개구부와 광학적으로 결합된 출력을 가지는 제 1 광원을 더 포함할 수도 있고, 여기서, 제 1 광원은 제 1 협대역 파장에서 광을 방출할 수도 있는 복수의 제 1 광원 방출 엘리먼트들을 포함할 수도 있다. 광 변조 서브시스템은 예를 들어, 광 파이프의 제 2 입력 개구부와 광학적으로 결합된 출력을 가지는 제 2 광원을 더 포함할 수도 있고, 제 2 광원은 제 1 협대역 파장에서 또는 제 1 협대역 파장과는 상이한 제 2 협대역 파장에서 광을 방출할 수도 있는 복수의 제 2 광원 방출 엘리먼트들을 포함한다. 복수의 제 1 광원 방출 엘리먼트들 및 복수의 제 2 광원 방출 엘리먼트들은 바람직하게는, 제 1 협대역 파장에서 광을 방출하는 하나 이상의 광 방출 엘리먼트들의 제 1 서브세트, 및 제 1 협대역 파장과는 상이한 제 2 협대역 파장에서 광을 방출하는 하나 이상의 광 방출 엘리먼트들의 제 2 서브세트를 집합적으로 포함하여, 복수의 제 1 광원 방출 엘리먼트들 및 복수의 제 2 광원 방출 엘리먼트들 중의 하나 또는 양자를 선택적으로 활성화함으로써, 제 1 협대역 파장 및 제 2 협대역 파장 중의 하나 또는 양자를 포함하는 광이 광 파이프 출력 개구부의 외부로 제어가능하게 방출될 수도 있다. 이러한 방식으로, 광 방출 엘리먼트들의 제 1 서브세트에 의해 방출되고 제 1 및/또는 제 2 입력 개구부들을 통해 수신된 광은 제 1 의 실질적으로 균일한 강도에서 광 파이프의 출력 개구부의 외부로 방출되고, 광 방출 엘리먼트들의 제 2 서브세트에 의해 방출되고 제 1 및/또는 제 2 입력 개구부들을 통해 수신된 광은 제 2 의 실질적으로 균일한 강도에서 출력 개구부의 외부로 방출되고, 여기서, 제 1 의 실질적으로 균일한 강도는 제 2 의 실질적으로 균일한 강도와는 상이할 수도 있다.
비-제한적인 예들로서, 제 1 협대역 파장 및 제 2 협대역 파장은 대략 380 nm, 대략 480 nm, 및 대략 560 nm 로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 제 1 광원의 복수의 광 방출 엘리먼트들은 광 방출 엘리먼트들의 제 1 서브세트의 전부를 포함할 수도 있거나 이것으로 구성될 수도 있고, 제 2 광원의 복수의 광 방출 엘리먼트들은 광 방출 엘리먼트들의 제 2 서브세트의 전부를 포함할 수도 있거나 이것으로 구성될 수도 있다.
광 변조 서브시스템은 광 파이프의 제 3 입력 개구부와 광학적으로 결합된 출력을 가지는 제 3 광원을 더 포함할 수도 있고, 여기서, 제 3 광원은 예를 들어, 복수의 제 3 광원 방출 엘리먼트들을 포함할 수도 있고, 여기서, 복수의 제 3 광원 방출 엘리먼트들 중의 하나 이상은 제 1 협대역 파장, 제 2 협대역 파장, 또는 제 1 및 제 2 협대역 파장들의 각각과는 상이한 제 3 협대역 파장에서 광을 방출한다. 이러한 실시형태들에서, 복수의 제 1 광원 방출 엘리먼트들, 복수의 제 2 광원 방출 엘리먼트들, 및 복수의 제 3 광원 방출 엘리먼트들은 제 1 협대역 파장에서 광을 방출하는 하나 이상의 광 방출 엘리먼트들의 제 1 서브세트, 제 1 협대역 파장과는 상이한 제 2 협대역 파장에서 광을 방출하는 하나 이상의 광 방출 엘리먼트들의 제 2 서브세트, 및 제 1 및 제 2 협대역 파장들의 각각과는 상이한 제 3 협대역 파장에서 광을 방출하는 하나 이상의 광 방출 엘리먼트들의 제 3 서브세트를 집합적으로 포함하여, 광 방출 엘리먼트들의 제 1, 제 2, 및 제 3 서브세트들 중의 하나 이상을 선택적으로 활성화함으로써, 제 1 협대역 파장, 제 2 협대역 파장, 및 제 3 협대역 파장 중의 하나 이상을 포함하는 광은 광 파이프 출력 개구부의 외부로 제어가능하게 방출될 수도 있다. 하나의 이러한 실시형태에서, 광 방출 엘리먼트들의 제 1 서브세트에 의해 방출되고 제 1, 제 2, 및 제 3 입력 개구부들 중의 임의의 것을 통해 수신된 광은 제 1 의 실질적으로 균일한 강도에서 출력 개구부의 외부로 방출되고, 광 방출 엘리먼트들의 제 2 서브세트에 의해 방출되고 제 1, 제 2, 및 제 3 입력 개구부들 중의 임의의 것을 통해 수신된 광은 제 2 의 실질적으로 균일한 강도에서 출력 개구부의 외부로 방출되고, 광 방출 엘리먼트들의 제 3 서브세트에 의해 방출되고 제 1, 제 2, 및 제 3 입력 개구부들 중의 임의의 것을 통해 수신된 광은 제 3 의 실질적으로 균일한 강도에서 출력 개구부의 외부로 방출되고, 여기서, 제 1 의 실질적으로 균일한 강도는 제 2 의 실질적으로 균일한 강도 및 제 3 의 실질적으로 균일한 강도 중의 하나 또는 양자와는 상이할 수도 있다. 다양한 이러한 실시형태들에서, 제 1 협대역 파장은 대략 380 nm 일 수도 있고, 제 2 협대역 파장은 대략 480 nm 일 수도 있고, 제 3 협대역 파장은 대략 560 nm 일 수도 있다. 일부 이러한 실시형태들에서, 제 1 광원의 복수의 광 방출 엘리먼트들은 광 방출 엘리먼트들의 제 1 서브세트의 전부를 포함할 수도 있거나 이것으로 구성될 수도 있고, 제 2 광원의 복수의 광 방출 엘리먼트들은 광 방출 엘리먼트들의 제 2 서브세트의 전부를 포함할 수도 있거나 이것으로 구성될 수도 있고, 제 3 광원의 복수의 광 방출 엘리먼트들은 광 방출 엘리먼트들의 제 3 서브세트의 전부를 포함할 수도 있거나 이것으로 구성될 수도 있다.
또 다른 양태에 따르면, 전기역학적 디바이스를 동작시키기 위하여 구성된 현미경의 실시형태들이 개시되어 있고, 여기서, 현미경은 전기역학적 디바이스를 유지하고 전기역학적 디바이스와 동작적으로 결합하도록 구성된 지지체; 구조화된 광을 방출하도록 구성된 광 변조 서브시스템; 및 광학적 트레인 (optical train) 으로서, 여기서, 전기역학적 디바이스가 지지체에 의해 유지되고 지지체와 동작적으로 결합될 때, 광학적 트레인은: (1) 광 변조 서브시스템에 의해 방출된 구조화된 광을 전기역학적 디바이스의 적어도 제 1 영역 상으로 포커싱하고, (2) 비구조화된 광원에 의해 방출된 비구조화된 광을 전기역학적 디바이스의 적어도 제 2 영역 상으로 포커싱하고, 그리고 (3) 전기역학적 디바이스로부터의 반사된 및/또는 방출된 광을 캡처하고 캡처된 광을 검출기로 지향시키도록 구성되는, 상기 광학적 트레인을 포함한다. 바람직한 실시형태들에서, 현미경은 또한, 접안 렌즈 (eye piece) 및/또는 이미징 디바이스일 수도 있는 검출기를 포함한다. 광 변조 서브시스템은 디지털 미러 디바이스 (DMD) 또는 마이크로셔터 어레이 시스템 (MSA), 액정 디스플레이 (LCD), 실리콘상 액정 디바이스 (LCOS), 실리콘상 강유전체 액정 디바이스 (FLCOS), 및 스캐닝 레이저 디바이스 중의 하나 이상을 포함할 수도 있고, 여기서, 현미경은 바람직하게는, 광 변조 서브시스템을 제어하기 위한 제어기를 포함한다. 광학적 트레인은 미세유체 디바이스의 제 1 영역 상에서 구조화된 광을, 및/또는 미세유체 디바이스의 제 2 영역 상에서 비구조화된 광을 포커싱하도록 구성되는 대물 렌즈를 포함할 수도 있고, 여기서, 대물 렌즈는 10x 대물 렌즈; 5x 대물 렌즈; 4x 대물 렌즈; 및 2x 대물 렌즈를 포함하는 그룹으로부터 선택된다.
일부 실시형태들에서, 광학적 트레인은 광 변조 서브시스템에 의해 방출된 (그리고 전기역학적 디바이스에 의해 반사된) 구조화된 광이 검출기에 도달하는 것을 실질적으로 방지하도록 구성된 이색성 필터를 포함한다.
일부 실시형태들에서, 광학적 트레인은 광 변조 서브시스템에 의해 방출된 (그리고 전기역학적 디바이스에 의해 반사된) 가시적 구조화된 광의 양과, 검출기에 도달하는, 비구조화된 광원에 의해 방출된 (그리고 전기역학적 디바이스에 의해 반사된) 가시적 비구조화된 광의 양의 균형을 맞추도록 구성된 이색성 필터를 포함한다.
일부 실시형태들에서, 광 변조 서브시스템은 구조화된 백색 광을 방출한다.
일부 실시형태들에서, 광 변조 서브시스템은 수은 (Mercury), 제논 (Xenon) 아크 램프, 및 하나 이상의 LED 들 중의 하나 이상을 포함한다. 어떤 실시형태들에서, 광 변조 서브시스템은 광 파이프 또는 교차된 이색성 프리즘 (또는 "엑스-큐브") 과 같은 멀티-입력 구조체를 포함한다.
일부 실시형태들에서, 비구조화된 광원은 예를 들어, 하나 이상의 LED 들을 포함하고, 여기서, 비구조화된 광원은 대략 495 nm 또는 더 짧은 파장을 가지는 광 (예컨대, 청색 광) 을 방출하고, 여기서, 광학적 트레인은 바람직하게는, 495 nm 보다 더 긴 파장을 가지는 가시 광을 적어도 부분적으로 필터링하여 제거하도록 구성된 이색성 필터를 포함한다.
일부 실시형태들에서, 비구조화된 광원은 예를 들어, 하나 이상의 LED 들을 포함하고, 여기서, 비구조화된 광원은 대략 650 nm 또는 더 짧은 파장을 가지는 광 (예컨대, 적색 광) 을 방출하고, 여기서, 광학적 트레인은 바람직하게는, 650 nm 보다 더 긴 파장을 가지는 가시 광을 적어도 부분적으로 필터링하여 제거하도록 구성된 이색성 필터를 포함한다.
예시적인 실시형태들에서, 현미경 지지체는 전기역학적 디바이스에서의 한 쌍의 전극들에 걸쳐 바이어싱 전압을 인가하도록 구성된 통합된 전기적 신호 생성 서브시스템, 및 디바이스가 지지체에 의해 유지되고 지지체와 함께 동작적으로 결합될 때에 전기역학적 디바이스의 온도를 각각 조절하도록 구성된 열 제어 서브시스템 중의 하나 또는 양자를 포함한다. 예로서, 그리고 제한 없이, 전기역학적 디바이스는 광학적으로 작동된 전기역학적 디바이스일 수도 있다.
또 다른 양태에 따르면, 멀티-입력 광 파이프의 실시형태들이 개시되어 있다. 예시적인 실시형태에서, 광 파이프는 복수의 입력 개구부들을 가지는 하우징으로서, 각각의 입력 개구부는 개개의 광원으로부터 방출된 광을 수신하도록 구성되고, 하우징은 입력 개구부들을 통해 수신된 광을 방출하도록 구성된 출력 개구부를 추가로 가지는, 상기 하우징; 제 1 입력 개구부로부터 출력 개구부로 하우징 내에서 확장하는 제 1 광 전파 통로; 제 1 광 전파 통로에 걸쳐 경사 각도로 하우징 내에서 위치된 제 1 이색성 필터로서, 제 1 이색성 필터는 제 1 광 개구부를 통해 수신된 광이 출력 개구부까지의 제 1 광 전파 통로를 따라 전파할 때에 제 1 광 개구부를 통해 수신된 광이 제 1 이색성 필터를 통과하도록 구성되고 위치되는, 상기 제 1 이색성 필터; 및 제 2 입력 개구부로부터 제 1 이색성 필터로 하우징 내에서 확장하는 제 2 광 전파 통로로서, 제 2 전파 통로 및 제 1 이색성 필터는 제 2 입력 개구부를 통해 수신된 광이 제 2 광 전파 통로를 따라 전파하고 제 1 이색성 필터에 의해 출력 개구부까지의 제 1 광 전파 통로 상으로 반사되도록 구성되고 치수가 정해지는, 상기 제 2 광 전파 통로를 포함하고, 여기서, 개개의 입력 개구부들, 제 1 및 제 2 광 전파 통로들, 제 1 이색성 필터, 및 출력 개구부는 적어도 하나의 광원에 의해 방출되고 제 1 및 제 2 입력 개구부들 중의 적어도 하나를 통해 수신된 광이 출력 개구부로부터 실질적으로 균일한 강도로 방출되도록 크기가 정해지고, 치수가 정해지고, 구성된다. 광 파이프는 또한, 제 1 이색성 필터와 출력 개구부 사이의 제 1 광 전파 통로에 걸쳐 경사 각도로 하우징 내에서 위치된 제 2 이색성 필터로서, 제 2 이색성 필터는 제 1 및 제 2 광 개구부들을 통해 수신된 광이 수신된 광이 출력 개구부까지의 제 1 광 전파 통로를 따라 전파할 때에 제 2 이색성 필터를 통과하도록 구성되고 위치되는, 상기 제 2 이색성 필터, 및 제 3 입력 개구부로부터 제 2 이색성 필터로 하우징 내에서 확장하는 제 3 광 전파 통로로서, 제 3 전파 통로 및 제 2 이색성 필터는 제 3 입력 개구부를 통해 수신된 광이 제 3 광 전파 통로를 따라 전파하고 제 2 이색성 필터에 의해 출력 개구부까지의 제 1 광 전파 통로 상으로 반사되도록 구성되고 치수가 정해지는, 상기 제 3 광 전파 통로를 포함할 수도 있다.
또 다른 양태에 따르면, 상기 요약된 광 파이프 및 광 파이프의 제 1 입력 개구부와 광학적으로 결합된 출력을 가지는 적어도 제 1 광원을 포함하는 광 송신 시스템의 실시형태들이 개시되어 있다. 예로서, 제 1 광원은 복수의 제 1 광원 방출 엘리먼트들을 포함할 수도 있고, 여기서, 하나 이상의 제 1 광원 방출 엘리먼트들은 제 1 협대역 파장에서 광을 방출할 수도 있다. 광 송신 시스템은 광 파이프의 제 2 입력 개구부와 광학적으로 결합된 출력을 가지는 제 2 광원을 포함할 수도 있다. 예로서, 제 2 광원은 복수의 제 2 광원 방출 엘리먼트들을 포함할 수도 있고, 여기서, 제 2 광원 방출 엘리먼트들은 제 1 협대역 파장에서, 또는 제 1 협대역 파장과는 상이한 제 2 협대역 파장에서 광을 방출할 수도 있다.
하나의 이러한 실시형태에서, 복수의 제 1 광원 방출 엘리먼트들 및 복수의 제 2 광원 방출 엘리먼트들은 제 1 협대역 파장에서 광을 방출하는 하나 이상의 광 방출 엘리먼트들의 제 1 서브세트, 및 제 1 협대역 파장과는 상이한 제 2 협대역 파장에서 광을 방출하는 하나 이상의 광 방출 엘리먼트들의 제 2 서브세트를 집합적으로 포함하여, 광 방출 엘리먼트들의 제 1 및 제 2 서브세트들 중의 하나 또는 양자를 선택적으로 활성화함으로써, 제 1 협대역 파장 및 제 2 협대역 파장 중의 하나 또는 양자를 포함하는 광이 광 파이프 출력 개구부의 외부로 제어가능하게 방출될 수도 있다. 이러한 실시형태에서, 광 방출 엘리먼트들의 제 1 서브세트에 의해 방출되고 제 1 및/또는 제 2 입력 개구부들을 통해 수신된 광은 제 1 의 실질적으로 균일한 강도에서 광 파이프의 출력 개구부의 외부로 방출될 수도 있고, 광 방출 엘리먼트들의 제 2 서브세트에 의해 방출되고 제 1 및/또는 제 2 입력 개구부들을 통해 수신된 광은 제 1 의 실질적으로 균일한 강도와는 상이할 수도 있거나 상이하지 않을 수도 있는 제 2 의 실질적으로 균일한 강도에서 출력 개구부의 외부로 방출된다. 비-제한적인 예들로서, 제 1 협대역 파장 및 제 2 협대역 파장은 대략 380 nm, 대략 480 nm, 및 대략 560 nm 로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 제 1 광원의 복수의 광 방출 엘리먼트들은 광 방출 엘리먼트들의 제 1 서브세트의 전부를 포함할 수도 있거나 이것으로 구성될 수도 있고, 제 2 광원의 복수의 광 방출 엘리먼트들은 광 방출 엘리먼트들의 제 2 서브세트의 전부를 포함할 수도 있거나 이것으로 구성될 수도 있다.
광 송신 시스템은 광 파이프의 제 3 입력 개구부와 광학적으로 결합된 출력을 가지는 제 3 광원을 더 포함할 수도 있고, 여기서, 제 3 광원은 복수의 제 3 광원 방출 엘리먼트들 중의 하나 이상이 제 1 협대역 파장, 제 2 협대역 파장, 또는 제 1 및 제 2 협대역 파장들의 각각과는 상이한 제 3 협대역 파장에서 광을 방출하는 복수의 제 3 광원 방출 엘리먼트들을 포함할 수도 있다. 광 송신 시스템의 하나의 이러한 실시형태에서, 복수의 제 1 광원 방출 엘리먼트들, 복수의 제 2 광원 방출 엘리먼트들, 및 복수의 제 3 광원 방출 엘리먼트들은 제 1 협대역 파장에서 광을 방출하는 하나 이상의 광 방출 엘리먼트들의 제 1 서브세트, 제 1 협대역 파장과는 상이한 제 2 협대역 파장에서 광을 방출하는 하나 이상의 광 방출 엘리먼트들의 제 2 서브세트, 및 제 1 및 제 2 협대역 파장들의 각각과는 상이한 제 3 협대역 파장에서 광을 방출하는 하나 이상의 광 방출 엘리먼트들의 제 3 서브세트를 집합적으로 포함하여, 광 방출 엘리먼트들의 제 1, 제 2, 및 제 3 서브세트들 중의 하나 이상을 선택적으로 활성화함으로써, 제 1 협대역 파장, 제 2 협대역 파장, 및 제 3 협대역 파장 중의 하나 이상을 포함하는 광은 광 파이프 출력 개구부의 외부로 제어가능하게 방출될 수도 있다. 이러한 방식으로, 하나의 이러한 실시형태에서, 광 방출 엘리먼트들의 제 1 서브세트에 의해 방출되고 제 1, 제 2, 및 제 3 입력 개구부들 중의 임의의 것을 통해 수신된 광은 제 1 의 실질적으로 균일한 강도에서 출력 개구부의 외부로 방출되고, 광 방출 엘리먼트들의 제 2 서브세트에 의해 방출되고 제 1, 제 2, 및 제 3 입력 개구부들 중의 임의의 것을 통해 수신된 광은 제 2 의 실질적으로 균일한 강도에서 출력 개구부의 외부로 방출되고, 광 방출 엘리먼트들의 제 3 서브세트에 의해 방출되고 제 1, 제 2, 및 제 3 입력 개구부들 중의 임의의 것을 통해 수신된 광은 제 3 의 실질적으로 균일한 강도에서 출력 개구부의 외부로 방출되고, 여기서, 제 1 의 실질적으로 균일한 강도는 제 2 의 실질적으로 균일한 강도 및 제 3 의 실질적으로 균일한 강도 중의 하나 또는 양자와는 상이할 수도 있거나 상이하지 않을 수도 있다. 제 1 광원의 복수의 광 방출 엘리먼트들은 광 방출 엘리먼트들의 제 1 서브세트의 전부를 포함할 수도 있거나 이것으로 구성될 수도 있고, 제 2 광원의 복수의 광 방출 엘리먼트들은 광 방출 엘리먼트들의 제 2 서브세트의 전부를 포함할 수도 있거나 이것으로 구성될 수도 있고, 제 3 광원의 복수의 광 방출 엘리먼트들은 광 방출 엘리먼트들의 제 3 서브세트의 전부를 포함할 수도 있거나 이것으로 구성될 수도 있다.
유사한 엘리먼트 (element) 들이 공통적인 참조 번호들에 의해 지칭되는 도면들은 개시된 발명의 실시형태들의 설계 및 유용성을 예시한다. 이 도면들은 반드시 일정한 비례로 그려진 것은 아니다. 상기 인용된 그리고 다른 장점들 및 목적들이 어떻게 획득되는지를 더욱 양호하게 인식하기 위하여, 동반된 도면들에서 예시되는 실시형태들의 더욱 특정한 설명이 제공될 것이다. 이 도면들은 개시된 발명의 오직 전형적인 실시형태를 도시하고, 그러므로, 그 범위의 제한으로 고려되지 않아야 한다.
도 1a 는 발명의 일부 실시형태들에 따른, 전기역학적 미세유체 디바이스를 유지하도록 구성된 지지체의 사시도이다.
도 1b 는 명확함을 위하여 커버가 제거된, 도 1a 에서 도시된 지지체의 개략도이다.
도 2 는 발명의 일부 실시형태들에 따른, 전기적 신호 생성 서브시스템의 엘리먼트들의 개략도이다.
도 3 은 발명의 일부 실시형태들에 따른, 열 제어 서브시스템의 개략도이다.
도 4 는 발명의 일부 실시형태들에 따른, 열 제어 서브시스템에서의 열 제어 피드백을 위하여 이용된 아날로그 회로를 도시하는 회로도이다.
도 5 는 발명의 일부 실시형태들에 따른, 전기적 신호 생성 서브시스템 및 열 제어 서브시스템의 양자를 제어하기 위하여 이용된 그래픽 사용자 인터페이스 (graphical user interface; GUI) 를 도시하는 예시적인 스크린 샷이다.
도 6 은 발명의 일부 실시형태들에 따른, 전기역학적 미세유체 디바이스를 동작시키기 위한 시스템의 개략도이다. 도 6 에서 도시된 시스템은 다양한 빔-스플리터 (beam-splitter) 들 및/또는 이색성 필터들을 가지는 광학적 트레인, 제 1 광원, 제 2 광원, 광 변조 서브시스템, 대물 렌즈, 및 검출기를 포함한다.
도 7a 내지 도 7b 는 발명의 일부 실시형태들에 따른 광학적 트레인에서, 각각 구조화된 광 경로 및 이미징 경로의 개략도들이다.
도 8a 내지 도 8c 는 구조화된 광이 광학적 비네팅 (optical vignetting) 을 보상하기 위하여 어떻게 이용될 수 있는지를 예시하는 도면들이다. 도 8a 는 샘플 평면에서 측정된 광 강도가 시야 (field of view) 에 걸쳐 어떻게 변동될 수 있는지를 예시한다. 도 8b 는 광 변조 서브시스템으로부터 출력된 광 강도를 제어하기 위하여 이용될 수 있는 반전된 함수를 예시한다. 도 8c 는 도 8b 에서 도시된 바와 같은 반전된 함수가, 도 8a 에서 도시된 광 강도의 패턴을 이와 다르게 생성할, 광원으로부터 출력된 광 강도를 제어하기 위하여 이용될 때에 샘플 평면에서 측정된 광 강도를 예시한다.
도 9 는 발명의 일부 실시형태들에 따른, 임피던스 측정 회로의 개략도이다.
도 10 및 도 11 은 발명의 일부 실시형태들에 따른, 동결 밸브의 측면 및 사시도들이다.
도 12 는 발명의 일부 실시형태들에 따른, 한 쌍의 동결 밸브들의 사시도이다. 도시된 바와 같이, 동결 밸브들은 전기역학적 디바이스를 유지하고 있는 소켓을 플랭킹 (flanking) 하고 있다.
도 13 은 도 12 에서 도시된 동결 밸브의 다양한 컴포넌트들의 사시도이다.
도 14 는 발명의 일부 실시형태들에 따른, 동결 밸브의 사시도이다.
도 15 및 도 16 은 도 14 에서 도시된 동결 밸브의 커버의 상단 및 하단 사시도들이다.
도 17 은 도 14 에서 도시된 동결 밸브의 하단 부분의 사시도이다.
도 18 은 도 17 에서 도시된 동결 밸브의 하단 부분의 밀폐부의 사시도이다.
도 19 는 도 14 에서 도시된 동결 밸브의 열 싱크 (heat sink) 의 사시도이다.
도 20 및 도 21 은 도 14 에서 도시된 동결 밸브의 슬리브 (sleeve) 의 상면 및 측면도들이다.
도 22 는 발명의 일부 실시형태들에 따른, 전기역학적 미세유체 디바이스를 동작시키기 위한 시스템의 개략도이다. 도 22 에서 도시된 시스템은 다양한 빔-스플리터들 및/또는 이색성 필터들을 가지는 광학적 트레인, 제 1 광원, 제 2 광원, 광 변조 서브시스템, 대물 렌즈, 및 검출기를 포함한다.
도 23 은 발명의 일부 실시형태들에 따른, 2 개의 LED 어레이들의 개략도이다.
도 24 는 발명의 일부 실시형태들에 따른, 광 파이프 / 광학적 통합기의 개략도이다.
도 25 는 발명의 일부 실시형태들에 따른, 광원의 개략도이다.
도 26 는 발명의 일부 실시형태들에 따른, 멀티-입력 광 파이프 / 광학적 통합기의 개략도이다.
이 명세서는 발명의 예시적인 실시형태들 및 응용들을 설명한다. 그러나, 발명은 이 예시적인 실시형태들 및 응용들로, 또는 예시적인 실시형태들 및 응용들이 동작하거나 본원에서 설명되는 방식으로 제한되지는 않는다. 또한, 도면들은 간략화된 또는 부분적인 도면들을 도시할 수도 있고, 도면들에서의 엘리먼트들의 치수들은 과장될 수도 있거나, 또는 이와 다르게 비례적이지 않을 수도 있다. 또한, 유사한 구조들 또는 기능들의 엘리먼트들은 도면들의 전반에 걸쳐 유사한 참조 번호들에 의해 표현된다. 게다가, 예시된 실시형태는 도시된 모든 양태들 또는 장점들을 가질 필요가 없다. 특정한 실시형태와 함께 설명된 양태 또는 장점은 반드시 그 실시형태로 제한되는 것이 아니고, 그렇게 예시되지 않더라도, 임의의 다른 실시형태들에서 실시될 수 있다.
다음의 정의된 용어들에 대하여, 상이한 정의가 청구항들에서 또는 이 명세서에서의 어딘가에서 주어지지 않는다면, 이 정의들이 적용될 것이다.
용어들 "~ 상에 (on)", "~ 에 부착된 (attached to)", "~ 에 접속된 (connected to)", "~ 에 결합된 (coupled to)", 또는 유사한 단어들이 본원에서 이용되는 바와 같이, 하나의 엘리먼트가 다른 엘리먼트의 바로 위에 있거나, 그것에 부착되거나, 그것에 접속되거나, 또는 그것에 결합되든지, 또는 하나의 엘리먼트와 다른 엘리먼트 사이에 하나 이상의 매개하는 엘리먼트들이 있든지에 관계 없이, 하나의 엘리먼트 (예컨대, 재료, 층, 기판 등) 는 또 다른 엘리먼트의 "상에" 있을 수 있거나, 그것에 "부착될" 수 있거나, 그것에 "접속될" 수 있거나, 또는 그것에 "결합될" 수 있다. 또한, 제공될 경우에, 방향들 (예컨대, 위 (above), 아래 (below), 상단 (top), 하단 (bottom), 측면 (side), 상 (up), 하 (down), 상부에서 (over), 상부 (upper), 하부 (lower), 수평, 수직, "x", "y", "z" 등) 은 상대적이고, 제한이 아니라, 전적으로 예로서 그리고 예시 및 논의의 용이함을 위하여 제공된다. 게다가, 엘리먼트들 (예컨대, 엘리먼트들 a, b, c) 의 리스트에 대해 참조가 행해질 경우, 이러한 참조는 열거된 엘리먼트들 자체, 전부보다 더 적은 열거된 엘리먼트들의 임의의 조합, 및/또는 열거된 엘리먼트들의 전부의 조합 중의 임의의 하나를 포함하도록 의도된다.
본원에서 이용된 바와 같이, "실질적으로" 는 의도된 목적을 위하여 작동하기에 충분하다는 것을 의미한다. 이에 따라, 용어 "실질적으로" 는, 당해 분야의 당업자에 의해 예상될 것이지만, 전체적인 성능에 인식가능하게 영향을 주지 않는 바와 같은, 절대적인 또는 완전한 상태, 치수, 측정, 결과 등등으로부터의 소수의 중요하지 않은 변형들을 허용한다. 수치 값들, 또는 수치 값들로서 표현될 수 있는 파라미터들 또는 특성들에 대하여 이용될 때, "실질적으로" 는 10 퍼센트 이내를 의미한다. 용어 "하나들" 은 하나를 초과하는 것을 의미한다.
모든 수치 값들은 명시적으로 표시되든지 또는 그렇지 않든지, 용어 "약" 에 의해 수정되는 것으로 본원에서 가정된다. 용어 "약" 은 당해 분야의 당업자가 인용된 값과 동등한 (즉, 동일한 기능 또는 결과를 가짐) 것으로 고려할 수들의 범위를 일반적으로 지칭한다. 다수의 사례들에서, 용어들 "약" 은 가장 근접한 중요한 숫자로 반올림 (round) 되는 수들을 포함할 수도 있다.
종점 (endpoint) 들에 의한 수치 범위들의 인용은 그 범위 내의 모든 수들을 포함한다 (예컨대, 1 내지 5 는 1, 1.5, 2, 2.75, 3, 3.80, 4, 및 5 를 포함함).
본원에서 이용된 바와 같이, 용어 "배치된" 은 "위치된" 을 그 의미 내에 망라한다.
본원에서 이용된 바와 같이, 단수 형태들 "a", "an", 및 "the"는 내용이 이와 다르게 명확하게 기술하지 않으면 복수의 지시대상들을 포함한다. 본원에서 이용된 바와 같이, 용어 "또는" 은 내용이 명확하게 이와 다르게 기술하지 않을 경우에, "및/또는" 을 포함하는 그 의미에서 일반적으로 채용된다.
일부 실시형태들에서, 발명의 시스템은 전기역학적 디바이스를 유지하도록 구성된 지지체 (또한, "네스트 (nest)" 로서 알려짐), 및 비구조화된 광을 수신하고 구조화된 광을 방출하도록 구성된 광 변조 서브시스템을 포함할 수 있다.
지지체는 광학적으로 작동된 전기역학적 디바이스, 인쇄 회로 기판 어셈블리 (printed circuit board assembly; PCBA), 전기적 신호 생성 서브시스템, 열 제어 서브시스템, 또는 그 임의의 조합과 인터페이싱하고 및/또는 이것들을 유지하도록 구성된, 예를 들어, 소켓을 포함할 수 있다.
발명의 어떤 실시형태들에서, 지지체는 광학적으로 작동된 전기역학적 디바이스와 같은 전기역학적 디바이스와 인터페이싱할 수 있는 소켓을 포함한다. 예시적인 소켓 (106) 은 도 1a 및 도 1b 의 지지체 (100) 내에 포함된다. 그러나, 소켓 (106) 의 형상 및 기능성은 정확하게 도 1a 및 도 1b 에서 도시된 것과 같을 필요가 없다. 오히려, 그것은 소켓 (106) 이 인터페이싱하도록 의도되는 전기역학적 디바이스 (110) 의 크기 및 타입과 일치하도록 필요한 바와 같이 조절될 수 있다. 광전 트위저 (optoelectronic tweezer; OET) 구성 및/또는 광-전기습윤 (opto-electrowetting; OEW) 구성과 같은 광학적으로 작동된 구성들을 가지는 디바이스들 (110) 을 포함하는 다양한 전기역학적 디바이스들 (110) 이 당해 분양에서 알려져 있다. 적당한 OET 구성들의 예들은 다음의 미국 특허 문서들에서 예시되어 있고, 그 각각은 완전히 기재된 것처럼, 그 전체적으로 참조로 본원에 편입된다: 미국 특허 제 RE44,711 호 (Wu 등) (미국 특허 제 7, 612, 355 호로서 최초로 등록됨); 및 미국 특허 제 7, 956, 339 호 (Ohta 등). OEW 구성들의 예들은 미국 특허 제 6,958,132 호 (Chiou 등) 및 미국 특허 공개 제 2012/0024708 호 (Chiou 등) 에서 예시되어 있고, 그 양자는 완전히 기재된 것처럼, 그 전체적으로 본원에 참조로 편입된다. 광학적으로 작동된 전기역학적 디바이스의 또 다른 예는 조합된 OET / OEW 구성을 포함하고, 그 예들은 미국 특허 공개 제 20150306598 호 (Khandros 등) 및 제 20150306599 호 (Khandros 등) 및 그 대응하는 PCT 공개들 제 WO2015/164846 호 및 제 WO2015/164847 호에서 도시되어 있고, 그 전부는 완전히 기재된 것처럼, 그 전체적으로 참조로 본원에 편입된다.
도 1a 및 도 1b 에서 도시된 지지체 (100) 는 또한, 기저부 (102) 및 커버 (104) (도 1b 에서 생략됨) 를 포함한다. 지지체 (100) 는 또한, 복수의 커넥터들: 제 1 유체 입력부 / 출력부 (112); 통신 접속부 (114); 전력 접속부 (116); 및 제 2 유체 입력부 / 출력부 (118) 를 포함한다. 제 1 및 제 2 유체 입력부 / 출력부들 (112, 118) 은 냉각 유체를, 전기역학적 디바이스 (110) 를 냉각하기 위하여 이용된 냉각 블록 (도 3 에서 도시됨) 으로, 그리고 냉각 블록으로부터 전달하도록 구성된다. 제 1 및 제 2 유체 입력부 / 출력부들 (112, 118) 이 입력되는지, 또는 출력되는지 여부는 지지체 (100) 를 통한 유체 흐름의 방향에 종속된다. 제 1 및 제 2 유체 입력부 / 출력부들 (112, 118) 은 지지체 (100) 에서 배치된 제 1 및 제 2 유체 커넥터들 (142, 144) 에 의해 냉각 블록에 유체적으로 결합된다. 통신 접속부 (114) 는 지지체 (110) 를, 이하에서 설명된 바와 같이 전기역학적 미세유체 디바이스들을 동작시키기 위한 시스템의 다른 컴포넌트들과 접속하도록 구성된다. 전력 접속부 (116) 는 전력 (예컨대, 전기) 을 지지체 (110) 에 제공하도록 구성된다.
어떤 실시형태들에서, 지지체 (100) 는 통합된 전기적 생성 서브시스템 (138) 을 포함할 수 있다. 전기적 생성 서브시스템 (138) 은 지지체 (100) 에 의해 유지되고 있는 전기역학적 디바이스 (110) 에서 한 쌍의 전극들에 걸쳐 바이어싱 전압을 인가하도록 구성될 수 있다. 이러한 바이어싱 전압을 인가하기 위한 능력은 바이어싱 전압이 전기역학적 디바이스 (110) 가 지지체 (100) 에 의해 유지될 때에 항상 인가될 것이라는 것을 의미하지는 않는다. 오히려, 대부분의 경우들에는, 바이어싱 전압이 유전영동 (dielectrophoresis) 또는 전기-습윤 (electro-wetting) 과 같은 전기역학적 힘들의 생성, 또는 전기역학적 디바이스 (110) 에서의 복합 임피던스의 측정을 가능하게 하기 위하여 예컨대, 오직 필요한 바와 같이 간헐적으로 인가될 것이다.
전형적으로, 전기적 신호 생성 서브시스템 (138) 은 도 2 에서 도시된 바와 같은 파형 생성기 (202) 를 포함할 것이다. 전기적 생성 서브시스템 (138) 은 감지 모듈 (208) (예컨대, 오실로스코프), 및/또는 파형 생성기 (202) 로부터 수신된 파형을 증폭시키도록 구성된 파형 증폭 회로 (204) 를 더 포함할 수 있다. 감지 모듈 (208) 은 존재할 경우, 지지체 (100) 에 의해 유지된 전기역학적 디바이스 (110) 에 공급된 파형을 측정하도록 구성될 수 있다. 어떤 실시형태들에서, 감지 모듈 (208) 은 전기역학적 디바이스 (110) 에 근위부인 (그리고 파형 생성기 (202) 에 원위부인) 로케이션 (location) 에서 파형을 측정하여, 이에 따라, 전기역학적 디바이스 (110) 에 실제적으로 인가된 파형을 측정함에 있어서 더 큰 정확도를 보장한다. 감지 모듈 (208) 측정으로부터 획득된 데이터는 예를 들어, 피드백으로서 파형 생성기 (202) 에 제공될 수 있고, 파형 생성기 (202) 는 이러한 피드백에 기초하여 그 출력을 조절하도록 구성될 수 있다. 적당한 조합된 파형 생성기 (202) 및 감지 모듈 (208) 의 예는 RED PITAYA™ 이다.
어떤 실시형태들에서, 지지체 (100) 는 열 제어 서브시스템 (140) 을 포함할 수 있다. 열 제어 서브시스템 (140) 은 지지체 (100) 에 의해 유지된 전기역학적 디바이스 (110) 의 온도를 조절하도록 구성될 수 있다. 도 3 에서 도시된 바와 같이, 열 제어 서브시스템 (140) 은 펠티에 열전 디바이스 (304) 및 냉각 유닛 (312) 의 근위부 컴포넌트를 포함할 수 있다. 펠티에 열전 디바이스 (304) 는 전기역학적 디바이스 (110) 의 적어도 하나의 표면과 인터페이싱하도록 구성된 제 1 표면 (306) 을 가질 수 있다. 냉각 유닛은 예를 들어, 냉각 블록 (322) 을 포함할 수 있다. 펠티에 열전 디바이스 (304) 의 제 2 표면 (308) (예컨대, 제 1 표면 (306) 과 반대인 표면 (308) 은 이러한 냉각 블록 (322) 의 표면과 인터페이싱하도록 구성될 수 있다. 냉각 블록 (322) 의 전부 또는 일부 (예컨대, 펠티에 열전 디바이스 (304) 와 인터페이싱하는 부분) 는 높은 열 전도성을 가지는 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 재료는 알루미늄과 같은 금속일 수 있다. 냉각 블록 (322) 은 유체 냉각 디바이스 (326) 와 냉각 블록 (322) 사이에서 냉각된 유체를 순환시키도록 구성된 유체 경로 (324) 에 접속될 수 있다. 유체 경로 (324) 는 도 1 과 관련하여 설명된 유체 입력부 / 출력부들 (112, 118) 및 유체 커넥터들 (142, 144) 을 포함할 수 있다. 펠티에 열전 디바이스 (304) 및 냉각 블록 (322) 은 지지체 (100) 상에 장착될 수 있다.
열 제어 서브시스템 (140) 은 도 3 에서 도시된 바와 같은 열전력 모듈 (302) 을 더 포함할 수 있다. 열전력 모듈 (302) 은 미세유체 디바이스 (110) 를 위한 타겟 온도를 달성하기 위하여 펠티에 열전 디바이스 (304) 의 온도를 조절할 수 있다. 열전력 모듈 (302) 을 위한 피드백은 도 4 에서 도시된 바와 같은 아날로그 회로 (400) 에 의해 제공된 온도 값을 포함할 수 있다. 대안적으로, 피드백은 디지털 회로 (도시되지 않음) 에 의해 제공될 수 있다. 펠티에 열전 디바이스 (304), 냉각 블록 (322), 및 열전력 모듈 (302) 은 모두 지지체 (100) 상에 장착될 수 있다.
어떤 실시형태들에서, 지지체 (100) 는 또한, 열 제어 서브시스템 (140) 에 추가하여, 환경 온도 모니터 / 조절기를 포함할 수 있거나 이와 인터페이싱할 수 있다.
도 4 에서 도시된 아날로그 회로 (400) 는 저항기 (402), 서미스터 (thermistor) (406), 및 아날로그 입력부 (404) 를 포함한다. 아날로그 입력부는 전기적 신호 생성 서브시스템 (138) (예컨대, 그 감지 모듈 (208) 에 동작적으로 결합되고, 전기역학적 디바이스 (110) 의 온도를 계산하기 위하여 이용될 수 있는 신호를 그것에 제공한다. 서미스터 (406) 는, 그 저항이 서미스터 (406) 의 온도가 감소할 때에 알려진 방식으로 감소할 수도 있고, 서미스터 (406) 의 온도가 증가할 때에 알려진 방식으로 증가할 수도 있도록 구성된다. 아날로그 회로 (400) 는 바이어싱 전압을 전극 (408) 으로 전달하도록 구성되는 전원 (도시되지 않음) 에 접속된다. 하나의 특정한 실시형태에서, 저항기 (402) 는 약 10,000 오옴 (ohm) 의 저항을 가질 수 있고, 서미스터 (406) 는 25 °C 에서 약 10,000 오옴의 저항을 가질 수 있고, 전원 (예컨대, DC 전원) 은 약 5 V 의 바이어싱 전압을 공급할 수 있다. 아날로그 회로 (400) 는 예시적이고, 다른 시스템들은 열전력 모듈 (302) 을 위한 피드백을 위한 온도 값을 제공하기 위하여 이용될 수 있다.
어떤 실시형태들에서, 지지체 (100) 는 제어기 (136) (예컨대, 마이크로프로세서) 를 더 포함한다. 제어기 (136) 는 전기적 신호 생성 서브시스템 (138) 을 감지하고 및/또는 제어하기 위하여 이용될 수 있다. 게다가, 지지체 (100) 가 열 제어 서브시스템 (140) 을 포함하는 한, 제어기 (136) 는 열 제어 서브시스템 (140) 을 감지하고 및/또는 제어하기 위하여 이용될 수 있다. 적당한 제어기들 (136) 의 예들은 ARDUINO NANO™ 과 같은 ARDUINO™ 마이크로프로세서들을 포함한다. 제어기 (136) 는 플러그 / 커넥터 (134) 를 통해, 컴퓨터 또는 다른 연산 디바이스와 같은 외부 제어기 (도시되지 않음) 와 인터페이싱하도록 구성될 수 있다. 어떤 실시형태들에서, 외부 제어기는 전기적 신호 생성 서브시스템 (138), 열 제어 서브시스템 (140), 또는 양자를 감지하고 및/또는 제어하도록 구성된 그래픽 사용자 인터페이스 (GUI) 를 포함할 수 있다. 전기적 신호 생성 서브시스템 (138) 및 열 제어 서브시스템 (140) 의 양자를 제어하도록 구성되는 예시적인 GUI (500) 는 도 5 에서 도시되어 있다.
어떤 실시형태들에서, 지지체 (100) 는 인쇄 회로 기판 (PCB) 을 포함할 수 있다. 전기적 신호 생성 서브시스템 (138) 은 PCB (132) 상에 장착될 수 있고 PCB (132) 내로 전기적으로 통합될 수 있다. 유사하게, 지지체 (100) 가 제어기 (136) 또는 열 제어 서브시스템 (140) 을 포함하는 한, 제어기 (136) 및/또는 열전력 모듈 (302) 은 PCB (132) 상에 장착될 수 있고 PCB (132) 내로 전기적으로 통합될 수 있다.
이에 따라, 도 1a 및 도 1b 에서 도시된 바와 같이, 예시적인 지지체 (100) 는 소켓 (106), 인터페이스 (134), 제어기 (136), 전기적 신호 생성 서브시스템 (138), 및 열 제어 서브시스템 (140) 을 포함할 수 있고, 그 전부는 PCB (132) 상에 장착되고 PCB (132) 내로 전기적으로 통합됨으로써, 인쇄 회로 기판 어셈블리 (PCBA) (130) 를 형성한다. 위에서 논의된 바와 같이, 소켓 (106) 은 광학적으로 작동된 전기역학적 디바이스를 포함하는 전기역학적 디바이스 (110) (또는 "소비재") 를 유지하도록 설계될 수 있다.
어떤 특정 실시형태들에서, 전기적 생성 서브시스템 (138) 은 RED PITAYA™ 파형 생성기 (202) / 감지 모듈 (208), 및 RED PITAYA™ 파형 생성기 (202) 에 의해 생성된 파형을 증폭시키고 증폭된 파형 (전압) (206) 을 전기역학적 디바이스 (110) 로 통과시키는 파형 증폭 회로 (204) 를 포함할 수 있다. RED PITAYA™ 유닛 (202, 208) 및 파형 증폭 회로 (204) 의 양자는 도 1b 에서 도시된 바와 같은 전기적 신호 생성 서브시스템 (138) 으로서 PCB (132) 내로 전기적으로 통합될 수 있다. 또한, RED PITAYA™ 유닛 (202, 208) 은 전기역학적 디바이스 (110) 에서 증폭된 전압을 측정하고, 그 다음으로, 전기역학적 디바이스 (110) 에서의 측정된 전압이 희망하는 값이 되도록, 그 자신의 출력 전압을 필요한 바와 같이 조절하도록 구성될 수 있다. 증폭 회로 (204) 는 예를 들어, PCB (132) 상에 장착된 한 쌍의 DC-DC 변환기들에 의해 생성된 + 6.5 V 내지 - 6.5 V 전력 공급 장치를 가질 수 있어서, 전기역학적 디바이스 (110) 에서의 13 Vpp 에 이르는 신호로 귀착될 수 있다.
어떤 특정 실시형태들에서, 지지체 (100) 는 액체-냉각된 알루미늄 블록 (322) 과 전기역학적 디바이스 (110) 의 후면 사이에 위치된, 펠티에 열전 디바이스 (304) 를 가지는 열 제어 서브시스템 (140) (도 3 에서 도시됨), POLOLU™ 열전력 공급 장치 (도시되지 않음), 및 ARDUINO NANO™ 제어기 (136) 를 포함한다. 열 제어 서브시스템 (140) 을 위한 피드백은 저항기 (402) (예컨대, 저항 10 kOhm+/-0.1%, 온도 계수 +/-0.02 ppm/C°) 및 네거티브 온도 계수 서미스터 (406) (명목 저항 10kOhm+/-0.01%) 를 포함하는 아날로그 전압 분배기 회로 (400) (도 4 에서 도시됨) 일 수 있다. 제어기 (136) 는 피드백 회로 (400) 로부터의 전압을 측정할 수 있고, 그 다음으로, 열전력 모듈 (302) 상에서 방향성 및 펄스-폭-변조된 신호 핀을 유도함으로써, 열전 서브시스템 (140) 을 작동시키기 위하여, 계산된 온도 값을 (예컨대, 온-보드 (on-board) PID 제어 루프 알고리즘에 대한) 입력으로서 이용할 수 있다. 액체 냉각 유닛 (326) 은 부분적으로 지지체 (100) (예컨대, 유체 입력부 / 출력부들 (112, 118), 및 유체 커넥터들 (142, 144)) 에서, 그리고 부분적으로 지지체 (100) 의 원주에서 위치된 냉각 경로 (324) 를 통해 유체를 펌핑하도록 구성될 수 있다.
어떤 특정 실시형태들에서, 지지체 (100) 는 RED PITAYA™ 유닛이 외부 컴퓨터와 통신하는 것을 함께 허용하는 직렬 포트 (114) 및 플링크 툴 (Plink tool) 을 포함한다. 직렬 포트 (114) 는 또한, 제어기 (136) 가 외부 컴퓨터와 통신하는 것을 허용할 수 있다. 대안적으로, 별도의 직렬 포트 (도시되지 않음) 는 제어기 (136) 가 외부 컴퓨터와 통신하는 것을 허용하기 위하여 이용될 수 있다. 다른 실시형태들에서, 지지체 (100) 는 지지체 (100) 의 컴포넌트들 (예컨대, 제어기 (136) 및/또는 전기적 생성 서브시스템 (138)) 과, 셀 전화, PDA, 또는 다른 핸드헬드 디바이스와 같은 휴대용 컴퓨팅 디바이스를 포함할 수 있는 외부 컴퓨터와의 사이의 무선 통신을 가능하게 하도록 구성된 무선 통신 디바이스를 포함할 수 있다. 외부 컴퓨터 상의 (예컨대, 도 5 에서 도시된 것과 같은) GUI 는 온도 및 파형 데이터를 플롯팅하는 것, 출력 전압 조절을 위한 스케일링 계산들을 수행하는 것, 및 제어기 (136) 및 RED PITAYA™ 디바이스 (202, 208) 를 업데이트하는 것을 포함하지만, 이것으로 제한되지는 않는 다양한 기능들을 위하여 구성될 수 있다.
어떤 실시형태들에서, 지지체 (100) 는 또한, 전기역학적 디바이스 (110) 의 내용물들 (예컨대, 유체 내용물들) 의 특성들을 측정하도록 구성된 인덕턴스 / 커패시턴스 / 저항 (inductance/capacitance/resistance; LCR) 계측기를 포함할 수 있거나 이와 인터페이싱할 수 있다.
예를 들어, LCR 계측기는 시스템의 복합 임피던스, 특히, 유체가 전기역학적 디바이스 (110) 에 들어갈 때, 유체가 전기역학적 디바이스 (110) 내에 위치될 때, 및/또는 유체가 전기역학적 디바이스 (110) 를 탈출할 때에 유체의 복합 임피던스를 측정하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태들에서, LCR 계측기는 유체를 전기역학적 디바이스 (110) 내로, 또는 전기역학적 디바이스 (110) 외부로 운반하는 유체 라인에 접속될 수 있고, 및/또는 유체 라인 내로 통합될 수 있다. 다른 실시형태들에서, LCR 계측기는 전기적 생성 서브시스템 (138) 에 접속될 수 있거나, 전기적 생성 서브시스템 (138) 의 일체형 부분일 수 있다. 이에 따라, 어떤 특정 실시형태들에서는, 지지체 (100) 에서의 RED PITAYA™ 파형 생성기 (202) 및 감지 모듈 (208) 이 LCR 계측기로서 기능하도록 구성될 수 있다. 어떤 실시형태들에서, 전기적 생성 서브시스템 (138) 과의 이용을 위하여 구성되는 전기역학적 디바이스 (110) 의 전극들은 또한, LCR 계측기와의 이용을 위하여 구성될 수 있다. 시스템의 임피던스를 측정하는 것은 전기역학적 디바이스 (110) 내의 유체 회로의 높이, (그 내에서의 생물학적 마이크로-객체들의 스테이터스 (status) 와 상호관련될 수도 있는) 전기역학적 디바이스 (110) 에서의 유체의 염 함량에서의 변경들, 및 전기역학적 디바이스 (110) 를 통한 (상이한 임피던스들을 가지는) 유체들의 특정 체적들의 이동과 같은, 다양한 시스템 특성들 및 그 내에서의 변경들을 결정할 수 있다.
어떤 실시형태들에서, 시스템의 임피던스를 측정하는 것은 시스템 (즉, 전기역학적 디바이스 (110)) 에서의 제 1 유체로부터 시스템에서의 제 2 유체로의 변경을 정확하게 (즉, 진정한 값에 근접하게) 그리고 정밀하게 (즉, 반복적으로) 검출하기 위하여 이용될 수 있다. 예를 들어, 제 1 유체는 탈이온수 (deionized water; DI) 일 수 있고, 제 2 유체는 식염수 용액 (saline solution) (예컨대, 인산-완충 식염수 (phosphate-buffered saline) 또는 "PBS") 일 수 있거나, 또는 그 반대일 수 있다. 대안적으로, 제 1 유체는 식염수 용액 (예컨대, PBS) 일 수 있고, 제 2 유체는 식염수 용액과는 검출가능하게 상이한 임피던스를 가지는 세포 배양 배지 (cell culture medium) 일 수 있거나, 또는 그 반대일 수 있다. 또 다른 대안들에서, 제 1 유체는 제 1 세포 배양 배지일 수 있고, 제 2 유체는 제 1 세포 배양 배지와는 검출가능하게 상이한 임피던스를 가지는 제 2 세포 배양 배지일 수 있다. 도 9 는 시스템의 임피던스를 검출하기 위한 임피던스 측정 회로 (900) 를 도시하는 도면이다. 회로 (900) 는 전기적 생성 서브시스템 (138) 의 파형 생성기 (202) 로부터의 출력부 (902), 및 전기적 생성 서브시스템 (138) 의 감지 모듈 (208) 로의 2 개의 입력부들 (904, 906) 을 포함한다. 회로 (900) 는 또한, (지지체 (100) 의 소켓 (106) 을 통해 접속된) 전기역학적 디바이스 (110) 및 션트 저항기 (shunt resistor) (908) 를 포함한다. 션트 저항기 (908) 는 LCR 을, 0 내지 약 5,000 오옴 범위 (예컨대, 0 내지 약 4,000, 0 내지 약 3,000, 0 내지 약 2,500, 0 내지 약 2,000, 0 내지 약 1,500, 또는 0 내지 약 1,000 오옴 범위) 에서의 임피던스들을 측정하기에 충분히 정확하게 하도록 선택될 수 있다. 전기역학적 디바이스 (110) 는 회로 (900) 에서 측정 셀 (measurement cell) 로서 기능하고, 전기역학적 디바이스 (110) 의 기저부 (예컨대, 반도체 디바이스) 및 (예컨대, 인듐 주석 산화물 (indium tin oxide; ITO) 층을 가지는) 커버는 전극들로서 기능한다. 어떤 특정 실시형태들에서, 회로 (900) 의 출력부 (902) 는 RED PITAYA™ 디바이스의 파형 생성기 (202) 로부터 나올 수 있고, 입력부들 (904, 906) 은 전기역학적 디바이스 (110) 로부터 발신될 수 있고 RED PITAYA™ 디바이스의 감지 모듈 (208) 에 의해 수신될 수 있다. 어떤 특정 실시형태들에서, 션트 저항기 (908) 는 50 오옴 저항기일 수 있다. 이 실시형태들에서, 전기적 생성 서브시스템 (138) 은 "광학적 작동 모드" 와 "LCR" 모드 사이에서 스위칭될 수 도 있다. 또한, LCR 모드에 있을 때, 전기적 생성 서브시스템 (138) 은 MATLAB 스크립트를 작동시키는 컴퓨터에 접속될 수 있다.
이에 따라, 발명의 시스템은 전기역학적 디바이스 (110) 의 흐름 체적 (Vflow) 을 결정하기 위한 방법들을 제공한다. 예를 들어, 전기역학적 디바이스 (110) 는 제 1 임피던스와 연관된 제 1 유체 (예컨대, 약 450 오옴의 임피던스와 연관되는 DI) 로 초기에 충전된다. 그 다음으로, 제 1 임피던스와는 검출가능하게 상이한 제 2 임피던스와 연관된 제 2 유체 (예컨대, 약 160 오옴의 임피던스와 연관되는 PBS) 는 전기역학적 디바이스 (110) 내로, 그리고 전기역학적 디바이스 (110) 를 통해 흐르게 된다. 제 2 유체는 예를 들어, 유체 입구 포트 또는 유체 출구 포트의 어느 하나로서 기능할 수 있는 포트를 통해 전기역학적 디바이스 (110) 내로 흐르게 될 수 있다. 시스템은 제 2 유체가 전기역학적 디바이스 (110) 내로, 그리고 전기역학적 디바이스 (110) 를 통해 흐르고 있을 때에 전기역학적 디바이스 (110) 의 복합 임피던스를 연속적으로 측정한다. 위에서 논의된 바와 같이, 특정한 시간 포인트에서 전기역학적 디바이스 (110) 의 복합 임피던스를 측정하기 위하여, 시스템은 전압 전위를 전기역학적 디바이스 (110) 에 인가하고, 부수적으로, 전기역학적 디바이스 (110) 로부터, 복합 임피던스를 계산하기 위하여 이용되는 신호들을 수신한다. 전기역학적 디바이스에 인가된 전압 전위는 약 10 kHz 내지 약 1 MHz (예컨대, 약 50 kHz 내지 약 800 kHz, 약 100 kHz 내지 약 700 kHz, 약 200 kHz 내지 약 600 kHz, 약 300 kHz 내지 약 500 kHz, 약 350 kHz 내지 약 400 kHz, 또는 약 380 kHz) 의 주파수를 가질 수 있다. 임피던스 측정의 정확도를 최적화하고, 측정 시간을 최소화하고, 그리고 유도성 효과들을 감소시키기 위하여, 특정 주파수는 전기역학적 디바이스 (110) 및 제 1 및 제 2 유체들의 성질들에 기초하여 선택될 수 있다. 측정된 복합 임피던스가 제 1 유체와 연관된 제 1 임피던스로부터 제 2 유체와 연관된 제 2 임피던스로 변경될 때까지, 제 2 유체는 전기역학적 디바이스 (110) 내로, 그리고 전기역학적 디바이스 (110) 를 통해 흐르게 된다. 전기역학적 디바이스 (110) 의 복합 임피던스를 제 1 임피던스로부터 제 2 임피던스로 완전히 스위칭하기 위하여 요구된 제 2 유체의 최소량은 전기역학적 디바이스의 흐름 체적 (Vflow) 의 척도이다. 시스템이 제 2 유체를 전기역학적 디바이스 (110) 로 펌핑하기 시작할 때의 포인트로부터 시작하면, 전기역학적 디바이스 (110) 의 복합 임피던스를 제 1 임피던스로부터 제 2 임피던스로 스위칭하기 위하여 요구된 제 2 유체의 체적은 (1) 전기역학적 디바이스 (110) 의 흐름 체적 (Vflow), (2) 전기역학적 디바이스의 유체 출구 포트의 체적, 및 (3) 제 2 유체를 펌프로부터 전기역학적 디바이스 (110) 로 운반하는 배관의 흐름 체적을 포함할 수 있다. 배관 및 유체 출구 포트를 통한 제 2 유체의 흐름이 전기역학적 디바이스 (110) 의 복합 임피던스를 변경하지 않으므로, 배관 및 입구 포트의 흐름 체적은 전기역학적 디바이스 (110) 의 흐름 체적으로부터 용이하게 구별될 수 있다.
전기역학적 디바이스 (110) 의 계산된 흐름 체적을 이용하면, 시스템은 유체의 이산 체적 (discrete volume) 에서 전기역학적 디바이스 (110) 로부터 하나 이상의 마이크로-객체들을 신뢰성 있게 유출 (export) 하기 위한 방법들을 추가로 제공한다. 전기역학적 디바이스 (110) 의 흐름 체적 (Vflow) 을 결정한 후, 흐름 경로 내에 위치된 마이크로-객체 (예컨대, 생물학적 세포) 를 유출하기 위하여 필요한 최소 유출 최적 (Vex) 은 전기역학적 디바이스 (110) 의 유체 출구 포트로부터 마이크로-객체를 분리시키는 흐름 경로의 부분을 계산함으로써 근사화될 수 있다. 예를 들어, 흐름 경로의 총 길이 (Ltot) 는 유체 입구 포트로부터 유체 출구 포트까지 전기역학적 디바이스 (110) 의 흐름 경로를 추적함으로써 결정될 수 있다. 흐름 경로의 유출 길이 (Lex) 는 흐름 경로에서의 마이크로-객체의 로케이션으로부터 유체 출력 포트까지 전기역학적 디바이스 (110) 의 흐름 경로를 추적함으로써 결정될 수 있다. 전기역학적 디바이스 (110) 로부터 마이크로-객체를 유출하기 위하여 필요한 유체의 최소량 (Vex) 은 이에 따라, 이하와 같이 계산될 수 있다: Vex = (Lex/Ltot) * Vflow. 대안적으로, 흐름 경로의 총 체적 (Vflow-tot) 은 (예컨대, CAD 도면들을 이용하여) 흐름 경로의 예측된 기하구조로부터 추정될 수 있고; 유출된 흐름 경로의 총 체적 (Vex-tot) 은 흐름 경로의 예측된 기하구조로부터 마찬가지로 계산될 수 있다. 이러한 실시형태에서, 전기역학적 디바이스 (110) 로부터 마이크로-객체를 유출하기 위하여 필요한 유체의 최소량 (Vex) 은 이하와 같이 계산될 수 있다: Vex = (Vex-tot/Vflow-tot) * Vflow. Vex 를 계산하기 위한 접근법에 관계 없이, 마이크로-객체는 Vex 만큼 적어도 큰 유체의 체적을 전기역학적 디바이스 (110) 의 유체 출구 포트를 통해 흐르게 함으로써 전기역학적 디바이스 (110) 로부터 유출될 수 있다. 신뢰성 있는 유출을 보장하기 위하여, 마이크로-객체는 C * Vex 와 동일한 유체의 체적 (Vex-rel) 을 흐르게 함으로써 전기역학적 디바이스 (110) 로부터 유출될 수 있고, 여기서, C 는 약 1.1 과 동일하거나 그보다 더 큰 (예컨대, 약 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2.0, 또는 그보다 더 큰) 스케일링 인자 (scaling factor) 이다. 일부 방법들에서는, 마이크로-객체 (들) 를 포함하는 잔여 체적 (Vex (또는 Vex-rel) 마이너스 선두 부분과 동일한 Vres) 이 전기역학적 디바이스 (110) 로부터 유출되기 전에, Vex (또는 Vex-rel) 의 선두 부분이 폐기된다. 예를 들어, Vex (또는 Vex-rel) 는 1.0 μL 와 동일하고, 0.5 μL 의 선두 체적이 폐기될 수 있어서, 마이크로-객체 (들) 가 0.5 μL 의 최종 체적 Vres 에서 유출되는 것으로 귀착될 수 있다. 이러한 방식으로, 마이크로-객체 (들) 는 유체의 작은, 그러나 이산 체적에서 유출될 수 있다. 방법이 어떻게 수행되는지에 따라, Vex, Vex-rel, 또는 Vres 는 약 2.0 μL, 1.5 μL, 1.2 μL, 1.0 μL, 0.9 μL, 0.8 μL, 0.7 μL, 0.6 μL, 0.5 μL, 0.4 μL, 0.3 μL, 0.25 μL, 또는 그보다 더 작을 수 있다. 전형적으로, 마이크로-객체 (들) 를 포함하는 유체의 체적 (즉, Vex, Vex-rel, 또는 Vres) 은 수집 용기에 도달하기 전에 유한 내부 체적 (finite internal volume) 을 가지는 유출 배관을 통해 유출된다. 따라서, 방법들에서 이용된 계산들은 유출 배관의 알려진 또는 추정된 체적을 참작하기 위하여 조절될 수 있다. 예를 들어, 유출 배관은 5.0 μL 의 내부 체적을 가질 수 있다. 이러한 경우에는, 1.0 μL 의 Vex (또는 Vex-rel) 가 6.0 μL 로 조절될 것이고, 0.5 μL 의 폐기된 선두 체적이 5.5 μL 로 조절될 것이어서, 이에 따라, 0.5 μL 의 Vres 가 동일하게 남을 것이다.
어떤 실시형태들에서, 지지체 (100) 는 지지체 (100) 에 결합된 하나 이상의 밸브들을 포함하고, 하나 이상의 밸브들은 지지체 (100) 에 결합된 전기역학적 디바이스 (110) 내에서 유체의 이동을 제한 (예컨대, 정지) 하도록 구성된다. 적당한 밸브들은 내부 데드 공간 (dead space) (즉, 유체에 의해 접근가능하지만, 유체가 밸브를 통해 흐르고 있을 때에 매우 적은 유체 플럭스 (fluid flux) 를 경험하는 밸브 내의 공간) 을 실질적으로 결여할 수 있다. 어떤 실시형태들에서, 하나 이상의 밸브들 중의 적어도 하나는 동결 밸브와 같은, 열 제어된 흐름 제어기이다. 도 10 및 도 11 은 발명의 하나의 실시형태에 따른 지지체 (100) 와의 이용을 위한 열 제어된 흐름 제어기 (1000) 를 도시한다. 흐름 제어기 (1000) 는 온도 조절 디바이스 (1004), 열 전도성 인터페이스 (1006), 및 유체 라인 (1008) 의 흐름 세그먼트 (은닉됨) 를 포함한다. 온도 조절 디바이스 (1004) 는 하나 이상의 펠티에 열전 디바이스들 (예컨대, 2 개, 3 개, 4 개, 5 개, 또는 더 많은 펠티에 디바이스들의 스택) 을 포함할 수 있다. 열 전도성 인터페이스 (1006) 는 금속 (예컨대, 구리) 과 같은, 열 손상에 저항하는 높은 열 전도성을 가지는 재료로 이루어질 수도 있다. 열 전도성 인터페이스 (1006) 는 유체 라인 (1008) 의 흐름 세그먼트 주위를 포장 (wrap) 할 수 있다. 열 전도성 인터페이스 (1006) 는 유체 라인 (1008) 의 흐름 세그먼트를 완전히 둘러싸는 예를 들어, 슬리브 또는 다른 객체일 수 있거나, 또는 그것은 그 홈 (groove) 내에 유체 라인 (1008) 의 흐름 세그먼트를 수용하는 홈 형성된 표면을 가질 수 있다. 유체 라인 (1008) 에서의 유체는 흐름 제어기 (1000) 에 의해 달성가능한 온도에서 고체를 동결시키는 액체일 수도 있다. 열 전도성 인터페이스 (1006) 는 흐름 제어기 (1000) 의 효율을 증가시키기 위하여, 온도 조절 디바이스 (1004) 에 인접하게, 바람직하게는, 그 열 전도성 인터페이스와 접촉하게 배치된다.
어떤 실시형태들에서, 열 제어된 흐름 제어기 (1000) 는 알루미늄과 같은, 높은 열 전도성 (및 낮은 열 용량성 (thermal capacitance)) 을 가지는 하나 이상의 재료들로 이루어질 수도 있는 열 싱크 (1002) 를 포함할 수 있다. 대안적으로, 흐름 제어기 (1000) 는 열 싱크 (1002) 상에 안착하고 및/또는 열 싱크 (1002) 에 고정되도록 구성될 수도 있다. 게다가, 흐름 제어기 (1000) 는, 수분이 열 전도성 인터페이스 (1006) 및/또는 온도 조절 디바이스 (1004) 상에서 응결될 때에 발생할 수 있는 흐름 제어기 (1000) 의 기능과 수분이 간섭하는 것을 방지하도록 구성될 수도 있는 절연 재료 (1010) 를 포함할 수 있다. 흐름 제어기 (1000) 는 또한, 온도 조절 디바이스 (1004) 에 대하여 열 전도성 인터페이스 (1006) 를 유지하고, 예컨대, 이에 따라, 흐름 제어기 (1000) 의 효율을 증가시키도록 구성된 커버 (1012) 또는 다른 디바이스 (예컨대, 클램프 (clamp)) 를 포함할 수 있다.
도 12 는 또 다른 실시형태에 따라, 소켓 (106) 및 각각 열 제어된 흐름 제어기 (1000) 인 한 쌍의 밸브들을 도시한다. 흐름 제어기들 (1000) 은 소켓 (106) 의 직접적으로 상류 및 하류에 배치된다. 도 12 에서 도시된 바와 같이, 각각의 흐름 제어기 (1000) 는 열 싱크 (1002) 및 밀폐부 1014) 를 포함한다. 각각의 밀폐부 (1014) 는 온도 조절 디바이스 (1004), 열 전도성 인터페이스 (1006), 및 유체 라인 (1008) 의 흐름 세그먼트를 포함한다. 유체 라인들 (1008) 은 흐름 제어기들 (1000) 로부터 탈출하고 소켓 (106) 에 들어가는 것으로 보일 수 있다. 밀폐부들 (1014) 은 낮은 열 전도성 및/또는 낮은 기체 투과성 (permeability) 을 가지는 재료로 이루어질 수도 있다. 재료는 예를 들어, PVC 일 수 있다. 밀폐부들 (1014) 은 그 내에 포함된 개개의 온도 조절 디바이스들 (1004) 의 체적의 적어도 2 배 (예컨대, 2 내지 10 배, 2 내지 7 배, 2 내지 5 배, 2 내지 4 배, 또는 2 내지 3 배) 의 체적을 각각 가질 수도 있다. 밀폐부들은, 수분이 개개의 온도 조절 디바이스들 (1004) 및/또는 열 전도성 인터페이스들 (1006) 상에서 응결될 때에 발생할 수 있는 흐름 제어기들 (1000) 의 기능과 수분이 간섭하는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 도 12 는 또한, 흐름 제어기들 (1000) 이 장착되는 보조 열 싱크 (1020) 를 도시한다. 보조 열 싱크 (1020) 는 흐름 제어기들 (1000) 의 열 싱크들 (1002) 로부터 열을 흡수하도록 구성된다.
도 13 은 도 12 에서 도시된 것들과 같은 열 제어된 흐름 제어기 (1000) 의 열 싱크 (1002) 및 밀폐부 (1014) 를 도시한다. 밀폐부 (1014) 의 하면은, 유체 라인 (1008) (도시되지 않음) 및/또는 열 전도성 인터페이스 (1006) 의 적어도 일부를 수용하도록 구성된 홈들 (1016) 을 도시하는 도 13 에서 가시적이다. 홈들 (1016) 은 온도 조절 디바이스 (1004) (예컨대, 하나 이상 (예컨대, 그 스택) 의 펠티에 열전 디바이스들; 도시되지 않음) 에 대하여 열 전도성 인터페이스 (1006) (도시되지 않음) 를 유지하도록 추가로 구성될 수 있다.
도 14 는 또 다른 실시형태에 따라 열 제어된 흐름 제어기 (1000) 의 외부를 도시한다. 도시된 바와 같이, 흐름 제어기 (1000) 는 커버 (1030), 하단 부분 (1040), 및 열 싱크 (1002) 를 포함한다. 커버 (1030) 는 표시기들 (예컨대, LED 들) 이 커버 (1030) 외부의 위치로부터 관찰되는 것을 허용하도록 구성된 개개의 복수의 표시기 개구들 (1034, 1036) 을 정의한다. 표시기들은 흐름 제어기 (1000) 가 온 (on) 또는 오프 (off) 인지 여부, 및/또는 유체 라인 (1008) 의 흐름 세그먼트가 개방 (즉, 동결되지 않은) 또는 폐쇄된 (즉, 동결된) 구성에 있는지 여부를 표시하도록 구성될 수 있다. 게다가, 커버 (1030) 는 흐름 제어기 (1000) 의 조립을 위한 체결기들 (예컨대, 나사들) 을 진입시키도록 구성된 체결기 개구들 (1032) 을 정의할 수 있다. 하단 부분 (1040) 은 유체 라인들 (도시되지 않음) 을 하단 부분 (1040) 의 내부로 진입시키도록 구성된 복수의 유체 라인 개구들 (1042) 을 정의한다.
도 15 및 도 16 은 하단 부분 (1040) 없이 도시된, 도 14 에서 도시된 커버 (1030) 의 상단 및 하단을 각각 도시한다. 표시기 개구들 (1034, 1036) 및 체결기 개방부들 (1032) 은 또한, 도 15 및 도 16 에서 도시되어 있다. 도 16 은 또한, 열 제어된 흐름 제어기 (1000) 의 PCB (도시되지 않음) 를 유지하도록 구성되는 커버 (1030) 의 하면에서 형성된 공동 (cavity) 을 도시한다. PCB 는 하나 이상의 온도 조절 디바이스들 (1004) (도시되지 않음) 및/또는 하나 이상의 표시기들 (도시되지 않음) 을 제어하도록 구성된 회로부를 포함할 수 있다. 커버 (1030) 는 PVB 와 같은 낮은 열 전도성 재료로 이루어질 수 있다.
도 17 은 커버 (1030) 없이 도시된, 도 14 에서 도시된 열 제어된 흐름 제어기 (1000) 의 하단 부분 (1040) 및 열 싱크 (1002) 를 도시한다. 하단 부분 (1040) 은 슬리브 (1050), 및 슬리브 (1050) 를 유지하도록 구성된 밀폐부 (1044) 를 포함한다. 하단 부분 (1040) 은 또한, 열 싱크 (1002) 상에 커버 (1030) 및 하단 부분 (1040) 을 장착하기 위한 체결기들 (예컨대, 나사들) 을 진입시키도록 구성된 체결기 개구들 (1048) 을 정의한다. 슬리브 (1050) 를 유지하는 것에 추가하여, 밀폐부 (1044) 는 또한, (도 21 에서 도시된 바와 같은) 슬리브 (1050) 에서의 복수의 유체 라인 개구들 (1052) 에 대응하는 (도 18 에서 도시된) 복수의 유체 라인 개구들 (1042) 을 정의한다. 유체 라인 개구들 (1042) 은 밀폐부 (1044) 의 수평 평면에서 밀폐부 (1044) 를 완전히 통과한다. 도 18 은 아래로부터의 밀폐부 (1044) 의 사시도이다. 사시도의 각도는 밀폐부 (1044) 의 하면에서 형성된 유체 라인 개구들 (1042) 및 2 개의 공동들 (1046) 의 2 개의 대응하는 세트들을 도시한다. 밀폐부 (1044) 에서의 공동들 (1046) 은 온도 조절 디바이스들 (1004) (예컨대, 각각이 하나 이상 (2 개 이상의 스택) 의 펠티에 열전 디바이스들; 도시되지 않음) 및 그와 연관된 배선 (도시되지 않음) 을 유지하도록 각각 구성된다.
도 19 는 (예컨대, 하나 이상 (예컨대, 2 개 이상의 스택) 의 펠티에 열전 디바이스들을 가지는) 온도 조절 디바이스 (1004) 를 유지하도록 각각 구성된 2 개의 공동들 (1060) 을 정의하는 열 싱크 (1002) 를 도시한다. 열 싱크 (1002) 는 또한, 보조 열 싱크로서 기능할 수도 있는 지지체 (100) 에 결합되도록 구성된다.
도 20 및 도 21 은 2 개의 유체 라인들 (1008) (예컨대, 입구 및 출구; 도시되지 않음) 을 유지하도록 구성된 슬리브 (1050) 를 도시한다. 슬리브 (1050) 는 유체 라인들 (1008) 의 흐름 세그먼트들을 완전히 밀폐시키도록 구성될 수도 있다. 대안적으로, 슬리브 (1050) 는 유체 라인들 (1008) 의 흐름 세그먼트들을 수용하도록 구성된 홈들을 가질 수 있다. 이에 따라, 슬리브 (1050) 는 열 전도성 인터페이스 (1006) 의 실시형태이다. 따라서, 슬리브 (1050) 는 온도 조절 디바이스 (1004) (도시되지 않음) 에 인접하게 유체 라인들 (1008) 의 흐름 세그먼트들을 유지하는 것을 가능하게 한다. 슬리브 (1050) 는 구리와 같은, 높은 열 전도성 (및 낮은 열 용량성) 재료로 이루어질 수도 있다. 도 21 에서의 측면도는 슬리브 (1050) 에 의해 정의된 유체 라인 (1008) 개구들 (1052) 을 도시한다. 도시된 바와 같이, 유체 라인 개구들 (1052) 은 슬리브 (1050) 의 수평 평면에서 슬리브 (1050) 를 완전히 통과한다. 유체 라인 개구들 (1052) 은 (도 18 에서 도시된 바와 같은) 밀폐부 (1044) 에서의 대응하는 유체 라인 개구들 (1042) 과 실질적으로 정렬되어, 슬리브 (1050) 가 (도 17 에서 도시된 바와 같은) 밀폐부 (1044) 에서 배치될 때, 유체 라인들 (1008) 은 밀폐부 (1044) 및 슬리브 (1050) 의 양자를 통과할 수 있다. 또한, 슬리브 (1050) 가 (도 17 에서 도시된 바와 같은) 밀폐부 (1044) 에서 배치될 때, 슬리브 (1055) 는 양자의 온도 조절 디바이스들 (1004) (예컨대, 각각은 하나 이상 (예컨대, 2 개 이상의 스택) 의 펠티에 열전 디바이스들을 포함할 수 있음; 도시되지 않음) 의 상단들과 접촉하게 된다.
어떤 실시형태들에서, 열 제어된 흐름 제어기 (1000) 는 또한, 서미스터 (도시되지 않음) 를 포함한다. 서미스터는 슬리브 및/또는 온도 조절 디바이스 (1004) (또는 그 표면) 의 온도를 모니터링하도록 구성된다. 모니터링된 온도는 흐름 제어기 (1000) 의 개방 또는 폐쇄된 상태를 표시하기 위한 피드백을 제공할 수 있다.
어떤 실시형태들에서, 열 제어된 흐름 제어기 (1000) 는 또한, 위에서 논의된 바와 같이, 인쇄 회로 기판 (PCB; 도시되지 않음) 을 포함하거나, 인쇄 회로 기판 (PCB; 도시되지 않음) 에 동작적으로 결합된다. PCB 는 서미스터와 인터페이싱하도록 구성될 수 있다. PCB 는 또한, 온도 조절 디바이스들 (1004) 로 전달된 전류 (예컨대, DC) 를 조절하도록 구성될 수도 있다. 또한, PCB 는 온도 조절 디바이스들 (1004) 로 전달된 전류를 스텝 다운 (step down) 하도록 구성될 수도 있다.
위에서 설명된 열 제어된 흐름 제어기들 (1000) 은 강인하고, 박테리아 또는 다른 잔해 (debris) 가 축적될 수 있고 및/또는 성장할 수 있는 데드 공간들을 (다른 유체 밸브들에 비해) 실질적으로 제거하였다. 또한, 흐름 제어기들 (1000) 은 다른 타입들의 밸브들과 연관된 미생물 오염 (microbial contamination) 을 감소시킨다. 또한, 흐름 제어기들 (1000) 은, 그렇지 않을 경우에, 미세유체 디바이스의 입구들 및 출구들에 접속된 유체 라인들의 플렉싱 (flexing) 으로부터 기인할, 그것에 접속된 미세유체 디바이스 (예컨대, 전기역학적 미세유체 디바이스 (110)) 내에서의 유체의 이동을 제한한다. 미세유체 디바이스들 내에서의 유체 이동을 최소화하기 위한 시스템을 최적화하기 위하여, 흐름 제어기 (들) (1000) 는 실용적일 정도로 미세유체 디바이스들의 입구 및 출구들에 근접하게 배치되어야 한다.
어떤 실시형태들에서, 지지체 (100) 는 또한, 배양 상태들을 유지하도록 구성된 O2 및 CO2 소스들을 포함할 수 있거나, O2 및 CO2 소스들과 인터페이싱할 수 있다. 어떤 실시형태들에서, 지지체 (100) 는 또한, 습도 모니터 / 조절기를 포함할 수 있거나, 습도 모니터 / 조절기와 인터페이싱할 수 있다.
지지체 (100) 는 약 6 내지 10 인치 (또는 약 150 내지 250 mm) x 약 2.5 내지 5 인치 (또는 약 60 내지 120 mm) x 약 1 내지 2.5 인치 (또는 약 25 내지 60 mm) 의 치수들을 가질 수 있다. 지지체 (100) 의 치수들을 이 예시적인 치수들 내에서 실질적으로 유지하는 것이 바람직할 수 있지만, 지지체 (100) 내로 포함된 기능성에 따라서는, 치수들이 예시적인 치수들보다 더 작을 수도 있거나 더 클 수도 있다. 예시적인 지지체 (100) 가 특정한 기능들을 위하여 구성된 특정 컴포넌트들을 포함하는 것으로서 설명되었지만, 다른 실시형태들에 따른 지지체들은 설명된 기능들의 다양한 조합들 및 하위-조합들을 수행하는 상이한 컴포넌트들을 포함할 수도 있다.
어떤 실시형태들에서, 광 변조 서브시스템 (634) 은 디지털 미러 디바이스 (DMD), 액정 디스플레이 또는 디바이스 (LCD), 실리콘상 액정 디바이스 (LCOS), 및 실리콘상 강유전체 액정 디바이스 (FLCOS) 중의 하나 이상을 포함한다. 광 변조 서브시스템 (634) 은 예를 들어, 투영기 (예컨대, 비디오 투영기 또는 디지털 투영기) 일 수 있다. 적당한 광 변조 서브시스템의 하나의 예는 ANDOR TECHNOLOGIES™ 로부터의 MOSAIC™ 시스템이다. 다른 실시형태들에서, 광 변조 서브시스템 (634) 은 개선된 콘트라스트 비율 (contrast ratio) 들을 제공할 수도 있는 마이크로셔터 어레이 시스템 (microshutter array system; MSA) 들을 포함할 수도 있다. 또 다른 실시형태들에서, 광 변조 서브시스템 (634) 은 스캐닝 레이저 디바이스를 포함할 수도 있다. 어떤 실시형태들에서, 광 변조 서브시스템 (634) 은 구조화된 및 비구조화된 광의 양자를 방출할 수 있다.
어떤 실시형태들에서, 지지체 (100) 및 광 변조 서브시스템 (634) 은 표준 연구-등급 광학 현미경 또는 형광 현미경 (fluorescence microscope) 과 같은 현미경 상에 장착되도록 각각 개별적으로 구성된다. 예를 들어, 지지체 (100) 는 현미경의 스테이지 (stage) 상에 장착하도록 구성될 수 있다. 광 변조 서브시스템 (634) 은 현미경의 포트 상에 장착하도록 구성될 수 있다.
따라서, 어떤 실시형태들에서, 발명은 광학 현미경을, 전기역학적 디바이스 (110) 를 동작시키기 위하여 구성된 현미경으로 변환하기 위한 방법들을 제공한다. 방법들은 적당한 현미경 상에서, (예컨대, 본원에서 설명된 바와 같은) 지지체 (100) 및 (예컨대, 본원에서 설명된 바와 같은) 광 변조 서브시스템 (634) 을 포함하는 시스템을 장착하는 단계들을 포함할 수 있다. 지지체 (100) 는 상기 광학 현미경의 스테이지 상으로 장착될 수 있고, 광 변조 서브시스템 (634) 은 상기 광학 현미경의 포트 상으로 장착될 수 있다. 어떤 실시형태들에서, 변환된 광학 현미경은 광학적으로 작동된 전기역학적 디바이스 (110) (예컨대, OET 및/또는 OEW 구성을 가지는 전기역학적 디바이스) 를 동작시키도록 구성될 수 있다.
다른 실시형태들에서, 본원에서 설명된 지지체들 (100) 및 광 변조 서브시스템들 (634) 은 광학 현미경의 일체형 컴포넌트들일 수 있다. 예를 들어, 통합된 지지체 (100) 및 통합된 광 변조 서브시스템들 (634) 을 가지는 현미경은 광학적으로 작동된 전기역학적 디바이스 (110) (예컨대, OET 및/또는 OEW 구성을 가지는 전기역학적 디바이스) 를 동작시키도록 구성될 수 있다.
어떤 관련된 실시형태들에서, 발명은 전기역학적 디바이스 (110) 를 동작시키기 위하여 구성된 현미경을 제공한다. 현미경은 전기역학적 디바이스 (110) 를 유지하도록 구성된 지지체 (100), 제 1 광원으로부터 광을 수신하고 구조화된 광을 방출하도록 구성된 광 변조 서브시스템 (634), 및 광학적 트레인을 포함할 수 있다. 광학적 트레인은 (1) 디바이스 (110) 가 지지체 (100) 에 의해 유지되고 있을 때, 광 변조 서브시스템 (634) 으로부터 구조화된 광을 수신하고 구조화된 광을 전기역학적 디바이스 (110) 에서의 적어도 제 1 영역 상에서 포커싱하고, (2) 전기역학적 디바이스 (110) 로부터 반사된 및/또는 방출된 광을 수신하고 이러한 반사된 및/또는 방출된 광의 적어도 부분을 검출기 (602) 상으로 포커싱하도록 구성될 수 있다. 광학적 트레인은 디바이스 (110) 가 지지체 (100) 에 의해 유지될 때, 제 2 광원 (622) 으로부터 비구조화된 광을 수신하고 비구조화된 광을 전기역학적 디바이스 (110) 의 적어도 제 2 영역 상에서 포커싱하도록 추가로 구성될 수 있다. 어떤 실시형태들에서, 전기역학적 디바이스 (110) 의 제 1 및 제 2 영역들은 중첩하는 영역들일 수 있다. 예를 들어, 제 1 영역은 제 2 영역의 서브세트 (subset) 일 수 있다.
어떤 실시형태들에서, 발명의 현미경들은 하나 이상의 검출기들 (602) 을 더 포함할 수 있다. 검출기 (602) 는 전하-결합 디바이스 (charge-coupled device; CCD), 상보형 금속-산화물 반도체 (complementary metal-oxide semiconductor; CMOS), 과학적 상보형 금속-산화물 반도체 (scientific complementary metal-oxide semiconductor; SCMOS), 카메라 (예컨대, 디지털 또는 필름 카메라), 또는 그 임의의 조합을 포함할 수 있지만, 이것으로 제한되지는 않는다. 적어도 2 개의 검출기들 (602) 이 존재할 경우, 하나의 검출기 (602) 는 예를 들어, 고속-프레임-레이트 (fast-frame-rate) 카메라일 수 있는 반면, 다른 검출기 (602) 는 고감도 (high-sensitivity) 카메라일 수 있다. 현미경은 또한, 사용자에 의한 시각화를 위하여 구성된 접안 렌즈를 포함할 수 있다. 또한, 광학적 트레인은 전기역학적 디바이스 (110) 로부터 반사된 및/또는 방출된 광을 수신하고 반사된 및/또는 방출된 광의 적어도 부분을 추가적인 검출기 (602) 상에서 포커싱하도록 구성될 수 있다. 현미경의 광학적 트레인은 또한, 상이한 검출기들 (602) 을 위한 상이한 튜브 렌즈 (tube lense) 들을 포함할 수 있어서, 각각의 검출기 (602) 상에서의 최종적인 배율은 상이할 수 있다.
어떤 실시형태들에서, 발명의 현미경들의 광 변조 서브시스템들 (634) 은 디지털 미러 디바이스 (DMD), 액정 디스플레이 / 디바이스 (LCD), 실리콘상 액정 디바이스 (LCOS), 실리콘상 강유전체 액정 디바이스 (FLCOS), 및 스캐닝 레이저 디바이스들 중의 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, DMD, LCD, LCOS, FLCOS, 및/또는 스캐닝 레이저 디바이스들은 투영기 (예컨대, 비디오 투영기 또는 디지털 투영기) 의 일부일 수 있다. 다른 실시형태들에서, 광 변조 서브시스템 (634) 은 개선된 콘트라스트 비율들을 제공할 수도 있는 마이크로셔터 어레이 시스템 (MSA) 들을 포함할 수도 있다. 어떤 실시형태들에서, 발명의 현미경들은 광 변조 서브시스템 (634) 을 제어하기 위한 내장된 또는 외부 제어기 (도시되지 않음) 를 포함할 수 있다. 이러한 제어기는 예를 들어, 외부 컴퓨터 또는 다른 연산 디바이스일 수 있다.
어떤 실시형태들에서, 발명의 시스템들 (600) / 현미경들은 적어도 2 개의 광원들 (622, 632) 을 이용하도록 구성된다. 예를 들어, 제 1 광원 (632) 은 구조화된 광 (650) 을 생성하기 위하여 이용될 수 있고, 구조화된 광 (650) 은 그 다음으로, 광학적으로 작동된 전기역학 (electrokinesis) 및/또는 형광성 여기 (fluorescent excitation) 를 위한 변조된 구조화된 광 (652) 을 생성하기 위하여 광 변조 서브시스템 (634) 에 의해 변조된다. 제 2 광원 (622) 은 명시야 (bright-field) 또는 암시야 (dark field) 이미징을 위한 (예컨대, 비구조화된 광 (654) 을 이용한) 배경 조명을 제공하기 위하여 이용될 수 있다. 이러한 구성의 하나의 예가 도 6 에서 도시되어 있다. 제 1 광원 (632) 은 구조화된 광 (650) 을, 수정된 구조화된 광 (652) 을 현미경의 광학적 트레인에 제공하는 광 변조 서브시스템 (634) 에 공급하는 것으로 도시되어 있다. 제 2 광원 (622) 은 비구조화된 광 (654) 을 빔 스플리터 (624) 를 통해 광학적 트레인에 제공하는 것으로 도시되어 있다. 광 변조 서브시스템 (634) 으로부터의 수정된 구조화된 광 (652) 및 제 2 광원 (622) 으로부터의 비구조화된 광 (654) 은 빔 스플리터 (606) 에 도달하기 위하여 광학적 트레인을 통해 함께 이동하고, 여기서, 광 (652, 654) 은 (렌즈일 수도 있는) 대물 렌즈 (608) 를 통해 샘플 평면 (610) 으로 아래로 반사된다. 그 다음으로, 샘플 평면 (610) 으로부터의 반사된 및/또는 방출된 광 (662, 664) 은 대물 렌즈 (608) 를 통해, 빔 스플리터 (606) 를 통해, 이색성 필터 (604) 로 다시 위로 이동한다. 광 (662, 664) 은 샘플 평면 (610) 으로부터 각각 반사된, 변조된 구조화된 광 (652) 및 비구조화된 광 (654) 일 수 있다. 대안적으로, 광 (662, 664) 은 샘플 평면 (610) 에서, 또는 샘플 평면 (610) 아래에서 발신될 수 있다. 이색성 필터 (604) 에 도달하는 광 (662, 664) 의 오직 부분은 필터 (604) 를 통과하고 검출기 (602) 에 도달한다. 시스템이 어떻게 이용되고 있는지에 따라, 빔 스플리터 (606) 는 (예컨대, 샘플 평면 (610) 에서, 또는 샘플 평면 (610) 아래에서 발신되는 형광성 방출들을 검출하기 위하여) 이색성 필터로 대체될 수 있다.
도 6 에서 도시된 바와 같이, 제 2 광원 (622) 은 청색 광을 방출한다. 샘플 평면 (610) 으로부터 반사된 청색 광은 이색성 필터 (604) 를 통과할 수 있고 검출기 (602) 에 도달할 수 있다. 대조적으로, 광 변조 서브시스템 (634) 으로부터 나오는 구조화된 광은 샘플 평면 (610) 으로부터 반사되지만, 이색성 필터 (604) 를 통과하지 않는다. 이 예에서, 이색성 필터 (604) 는 495 nm 보다 더 긴 파장을 가지는 가시 광을 필터링하고 있다. 광 변조 서브시스템 (634) 으로부터의 광의 이러한 필터링은 광 변조 서브시스템 (634) 으로부터 방출된 광이 495 nm 보다 더 짧은 임의의 파장들을 포함하지 않았을 경우에 (도시된 바와 같이) 오직 완전할 것이다. 실제적으로, 광 변조 서브시스템 (634) 으로부터 나오는 광이 495 nm 보다 더 짧은 파장들 (예컨대, 청색 파장들) 을 포함할 경우, 광 변조 서브시스템 (634) 으로부터의 광의 일부는 검출기 (602) 에 도달하기 위하여 필터 (604) 를 통과할 것이다. 이러한 시나리오에서, 필터 (604) 는 제 1 광원 (632) 및 제 2 광원 (622) 으로부터 검출기 (602) 에 도달하는 광의 양 사이의 균형을 변경시키도록 작용한다. 이것은 제 1 광원 (632) 이 제 2 광원 (622) 보다 상당히 더 강할 경우에 유익할 수 있다.
제 1 광원 (632) 및 제 2 광원 (622) 으로부터 검출기 (602) 에 도달하는 광의 양 사이의 균형을 변경시키는 동일한 목적을 달성하는, 도 6 에서 도시된 배열에 대한 하나의 대안은 제 2 광원 (622) 이 적색 광을 방출하게 하고 필터 (604) 가 650 nm 보다 더 짧은 파장을 가지는 가시 광을 필터링하게 하는 것이다.
어떤 실시형태들에서, 발명의 현미경들 (또는 시스템들) 은 제 1 광원 (632) 및/또는 제 2 광원 (622) 을 더 포함한다.
어떤 실시형태들에서, 제 1 광원 (632) 은 파장들의 광역 스펙트럼 (broad spectrum) (예컨대, "백색" 광) 을 방출할 수 있다. 제 1 광원 (632) 은 예를 들어, 형광단 (fluorophore) 의 여기를 위하여 적당한 적어도 하나의 파장을 방출할 수 있다. 제 1 광원 (632) 은 광 변조 서브시스템 (634) 에 의해 방출된 구조화된 광이 광학적으로 작동된 전기역학적 디바이스 (110) 에서 광 작동된 전기역학을 활성화할 수 있도록 충분히 강력할 수 있다. 어떤 실시형태들에서, 제 1 광원 (632) 은 금속 할로겐화물 (metal halide) 들, 세라믹 방전, 나트륨, 수은, 및/또는 제논을 포함하는 것들과 같은 고 강도 방전 아크 램프를 포함할 수 있다. 다른 실시형태들에서, 제 1 광원 (632) 은 하나 이상의 LED 들 (예컨대, 4 LED 들의 2x2 어레이 또는 9 LED 들의 3x3 어레이와 같은 LED 들의 어레이) 을 포함할 수 있다. LED (들) 는 광역-스펙트럼 "백색" 광 LED (예컨대, PRIZMATIX 에 의한 UHP-T-LED-White), 또는 (예컨대, 약 380 nm, 480 nm, 또는 560 nm 의 파장을 방출하는) 다양한 협대역 파장 LED 들을 포함할 수 있다. 또 다른 실시형태들에서, 제 1 광원 (632) 은 (예컨대, OET 및/또는 형광을 위한) 선택가능한 파장들에서 광을 방출하도록 구성된 레이저를 편입시킬 수 있다.
어떤 실시형태들에서, 제 2 광원 (622) 은 명시야 조명을 위하여 적당하다. 이에 따라, 제 2 광원 (622) 은 하나 이상의 LED 들 (예컨대, 4 LED 들의 2x2 어레이 또는 9 LED 들의 3x3 어레이와 같은 LED 들의 어레이) 을 포함할 수 있다. LED (들) 는 백색 (즉, 폭넓은 스펙트럼) 광, 청색 광, 적색 광 등을 방출하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 제 2 광원 (622) 은 495 nm 또는 더 짧은 파장을 가지는 광을 방출할 수 있다. 예를 들어, 제 2 광원 (622) 은 실질적으로 480 nm, 실질적으로 450 nm, 또는 실질적으로 380 nm 의 파장을 가지는 광을 방출할 수 있다. 다른 실시형태들에서, 제 2 광원 (622) 은 650 nm 또는 더 긴 파장을 가지는 광을 방출할 수 있다. 예를 들어, 제 2 광원 (622) 은 실질적으로 750 nm 의 파장을 가지는 광을 방출할 수 있다. 또 다른 실시형태들에서, 제 2 광원 (622) 은 실질적으로 560 nm 의 파장을 가지는 광을 방출할 수 있다.
어떤 실시형태들에서, 발명의 현미경들의 광학적 트레인들은 495 nm 보다 더 긴 파장을 가지는 가시 광을 적어도 부분적으로 필터링하는 이색성 필터 (604) 를 포함한다. 다른 실시형태들에서, 발명의 현미경들의 광학적 트레인들은 650 nm 보다 더 짧은 (또는 620 nm 보다 더 짧은) 파장을 가지는 가시 광을 적어도 부분적으로 필터링하는 이색성 필터 (604) 를 포함한다. 더욱 일반적으로, 광학적 트레인은 또한, 제 1 광원 (632) 으로부터의 구조화된 광을 감소시키거나, 또는 제 1 광원 (632) 으로부터의 구조화된 광이 검출기 (602) 에 도달하는 것을 실질적으로 방지하도록 구성된 이색성 필터 (604) 를 포함할 수 있다. 이러한 필터 (604) 는 (광학적 트레인을 따라) 검출기 (602) 에 인접하게 위치될 수 있다. 대안적으로, 광학적 트레인은 광 변조 서브시스템 (634) 으로부터의 구조화된 광 (예컨대, 가시적 구조화된 광) 의 양과, 상기 검출기 (602) 에 도달하는 제 2 광원 (622) 으로부터의 비구조화된 광 (예컨대, 가시적 비구조화된 광) 의 양의 균형을 맞추도록 구성되는 하나 이상의 이색성 필터들 (604) 을 포함할 수 있다. 이러한 균형은 구조화된 광이 검출기 (602) 에서 (또는 검출기 (602) 에 의해 획득된 이미지들에서) 비구조화된 광을 압도하지 않는다는 것을 보장하기 위하여 이용될 수 있다.
어떤 실시형태들에서, 발명의 현미경들의 광학적 트레인들은 구조화된 및 비구조화된 광을 전기역학적 디바이스 (110) 상에서 포커싱하도록 구성된 대물 렌즈 (608) 를 포함할 수 있고, 대물 렌즈는 100x, 60x, 50x, 20x, 10x, 5x, 4x, 또는 2x 대물 렌즈로부터 선택될 수 있다. 이 배율 (magnification power) 들은 예시를 위하여 열거되고, 제한하는 것으로 의도된 것이 아니다. 대물 렌즈는 임의의 배율을 가질 수 있다.
발명의 현미경들은 본원에서 설명된 지지체들 (100) 중의 임의의 것을 포함할 수 있다. 이에 따라, 예를 들어, 지지체 (100) 는 상기 디바이스 (110) 가 상기 지지체 (100) 에 의해 유지될 때에 상기 전기역학적 디바이스 (110) 에서의 한 쌍의 전극들 사이에서 바이어싱 전압을 적어도 간헐적으로 확립하도록 구성된 통합된 전기적 신호 생성 서브시스템 (138) 을 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 지지체 (100) 는 상기 디바이스 (110) 가 상기 지지체 (100) 에 의해 유지될 때에 상기 전기역학적 디바이스 (110) 의 온도를 조절하도록 구성된 열 제어 서브시스템 (140) 을 포함할 수 있다.
본원에서 설명된 임의의 시스템 또는 현미경은 전기역학적 디바이스 (110) 를 더 포함할 수 있다. 전기역학적 디바이스 (110) 는 유전영동을 지원하도록 구성된 미세유체 디바이스 (110) 또는 전기습윤을 지원하도록 구성된 미세유체 디바이스 (110) 와 같은 미세유체 디바이스 (110) 일 수 있다. 전기역학적 디바이스 (110) 는 광학적으로 작동된 전기역학적 디바이스 (예컨대, OET 및/또는 OEW 구성을 가지는 전기역학적 디바이스) 일 수 있다.
도 7a 는 발명의 일부 실시형태들에 따른 광학적 트레인에서 구조화된 광 경로 (700) 를 도시한다. 도 7a 에서 도시된 구조화된 광 경로 (700) 는 유리 커버 (704) (예컨대, 20 mm 유리 판) 를 포함하는 DMD (702) 에서 시작한다. DMD (702) 는 도 6 에서 도시된 광 변조 서브시스템 (634) 과 같은 광 변조 서브시스템의 일부일 수도 있다. DMD (702) 는 구조화된 광 (708) 을 형성하기 위하여 광원 (도시되지 않음) 으로부터의 광을 수정한다. 그 다음으로, 구조화된 광 (708) 은 튜브 렌즈 (706) 에 의해 (렌즈일 수도 있는) 대물 렌즈 (710) 를 향해 포커싱된다. 대물 렌즈 (710) 는 궁극적으로, 구조화된 광 (708) 을 커버 (712) (예컨대, 커버 유리) 상으로 포커싱한다. 커버 (712) 는 광학적으로 작동된 전기역학적 디바이스와 같은 전기역학적 디바이스 (110) 의 커버일 수도 있다. 후자의 실시형태에서, 구조 광은 이하에서 설명된 바와 같이, 광학적으로 작동된 전기역학적 디바이스 (110) 를 작동시킬 수 있고 및/또는 동작시킬 수 있다.
도 7b 는 발명의 일부 실시형태들에 따른 광학적 트레인에서 이미징 광 경로 (750) 를 도시한다. 도 7b 에서 도시된 이미징 광 경로 (750) 는 전기역학적 디바이스 (110) 의 커버 (712) 와 일치할 수도 있는 샘플 평면 (752) 에서 시작한다. 샘플 평면 (752) 은 도 6 에서 도시된 샘플 평면 (610) 과 유사할 수도 있다. 그러므로, 이미징 광 경로 (750) 에서의 광 (758) 은 샘플 평면 (752) 으로부터 반사될 수도 있다. 대안적으로, 광 (758) 은 샘플 평면 (752) 을 통과하였을 수도 있다. 샘플 평면 (752) 으로부터, 광 (758) 은 대물 렌즈 (754) 및 무색성 튜브 렌즈 (achromatic tube lens) (756) 에 의해 카메라 평면 (760) 을 향해 포커싱된다. 카메라 렌즈 (760) 는 도 6 에서 도시된 검출기 (602) 와 같은 검출기 (도시되지 않음) 와 일치할 수 있다. 이러한 방식으로, 이미징 광 경로 (750) 는 (예컨대, 전기역학적 디바이스 (110) 내에 포함된) 샘플 평면 (752) 에서 배치된 샘플 또는 그 부분을 시각화하기 위하여 이용될 수 있다.
도 22 는 도 6 에서 도시된 것과 유사한 광학적 트레인을 가지는 시스템 (600) 을 도시한다. 도 22 에서 도시된 시스템 (600) 에서, 제 2 광원 (622) 및 빔 스플리터 (624) 는 도 6 에서의 주요 광 경로를 제외하는 대신에, 샘플 평면 (610) 과 검출기 (602) 사이의 주요 광 경로에서 배치된다. 이러한 실시형태들에서, 제 2 광원은 그것이 샘플 평면 (610) 으로부터의 반사된 및/또는 방출된 광 (662, 664) 과 간섭하지 않도록 크기가 정해지고, 형상이 정해지고, 구성된다. 또한, 빔 스플리터 (624) 는 비구조화된 광 (654) 의 방향을 변경하지 않으면서, 제 2 광원 (622) 으로부터의 비구조화된 광 (654) 을 수정하기 위한 필터로서 오직 작용할 수도 있다. 다른 실시형태들에서, 시스템 (600) 은 빔 스플리터 (624) 를 포함하지 않을 수도 있다.
어떤 실시형태들에서, 제 2 광원 (622) 은 광 파이프 및/또는 하나 이상의 LED 들 (예컨대, LED 들의 3x3 어레이의 2x2 와 같은 LED 어레이) 을 포함한다.
도 23 은 본원에서 설명된 시스템들 (600) 에서 광원들로서 이용될 수도 있는 2 개의 LED 어레이들을 도시한다. 제 1 LED 어레이 (1102) 는 4 개의 LED 들의 2 X 2 어레이를 포함한다. 제 2 LED 어레이 (1104) 는 9 개의 LED 들의 3 X 3 어레이를 포함한다. 정사각형 어레이들은 비-정사각형 어레이들에 비해 단위 면적 당 더 높은 광 강도를 생성한다. 어레이들에서의 LED 들은 동일한 컬러 / 파장 (예컨대, 자외선, 380 nm, 480 nm, 또는 560 nm) 을 가질 수 있다. 대안적으로, 어레이들에서의 LED 들의 다양한 서브세트들은 상이한 컬러들 /파장들을 가질 수 있다. 또한, LED 들은 협대역 파장 (예컨대, 450 nm 파장) 을 선척적으로 방출할 수 있지만, 협대역 파장에 의한 여기 시에 백색 광을 방출하기 위하여 인광성 재료 (phosphorescent material) 로 코팅될 수 있다.
도 24 는 도 23 에서 도시된 LED 어레이들 (1102, 1104) 중의 하나와 같은 광원으로부터 광을 수신하고 광을 전파하도록 구성될 수도 있는 광 파이프 (또는 광학적 통합기) (1112) 를 도시한다. "비-이미징 수집 광학기기 (non-imaging collection optics)" 로서 또한 알려진 광 파이프들 (1112) 은 광을 그 하나의 단부 (즉, 입력 개구부) 로부터 그 다른 단부 (즉, 출력 개구부) 로 전파하도록 구성되고, 출력 개구부로부터 방출된 광은 실질적으로 균일한 강도이다 (즉, 출력 개구부의 평면에서의 정의된 크기의 제 1 영역을 통한 광의 플럭스는 동일한 정의된 크기를 가지는 출력 개구부의 평면에서의 임의의 다른 영역을 통한 광의 플럭스와 실질적으로 동일함). 광 파이프 (1112) 의 본체 벽들은 투명한 유리 또는 투명한 플라스틱으로 구성될 수 있다. 광 파이프들 (1112) 은 예컨대, EDMOND OPTICS 로부터 입수가능하다.
도 25 는 표면 (1124) 에 결합된 복수의 3 X 3 LED 어레이들 (1104) 을 포함하는 광원 (1122) 을 도시한다. 표면 (1124) 은 LED 보드일 수도 있다. 광원 (1122) 은 그것이 광원 (1122) 으로부터 방출된 광을 수신하도록 구성된 개구부에 대하여 이용가능하도록 시스템 내에 배치될 수도 있다. 예를 들어, 시스템은 광 파이프 / 광학적 통합기 (1112) 를 포함할 수 있고, 광 파이프 (1112) 의 입력 개구부는 표면 (1124) 에 결합된 복수의 LED 어레이들 (1104) 중의 하나로부터 방출된 광을 수신하도록 구성될 수 있다. 따라서, 상이한 LED 어레이들 (1104) 은 광원 (1122) 의 표면 (1124) 및 광 파이프 / 광학적 통합기 (1112) 의 상대적인 위치들에 따라 (예컨대, 광 파이프 / 광학적 통합기 (1112) 를 통한) 광원으로서 이용가능할 수도 있다.
도 26 은 멀티-입력 광 파이프 / 광학적 통합기 (1132) 를 도시한다. 멀티-입력 광 파이프 (1132) 는 각각이 광 전파 통로 및 개개의 광원 (1134, 1136, 1138) 과 연관된 복수 (예컨대, 3) 의 입력 개구부들, 및 하나 더 적은 (예컨대, 2) 이색성 필터들 (1140, 1142) 을 가진다. 각각의 이색성 필터 (1140, 1142) 는 대응하는 광원 (1136, 1138) 으로부터 광을 반사하도록 구성된다. 도 26 에서 도시된 멀티-포인트 광 파이프 (1132) 는 제 1, 제 2, 및 제 3 광원들 (1134, 1136, 1138) 을 가지고, 그 임의의 것은 LED 들의 어레이 (예컨대, LED 들의 2x2 또는 3x3 어레이) 일 수도 있다. 제 1 광원 (1134) 은 대략 380 nm 에서 광을 방출하는 LED 들의 어레이일 수도 있다. 제 2 광원 (1136) 은 대략 480 nm 에서 광을 방출하는 LED 들의 어레이일 수도 있다. 제 3 광원 (1138) 은 대략 560 nm 에서 광을 방출하는 LED 들의 어레이일 수도 있다. 그러므로, 멀티-입력 광 파이프 (1132) 로부터 탈출하는 광의 파장은 제 1, 제 2, 및 제 3 광원들 (1134, 1136, 1138) 을 선택적으로 활성화함으로써 제어될 수 있다. 멀티-입력 광 파이프 (1132) 는 대응하는 입력 개구부 (들) 에 들어오는 광원들 (1134, 1136, 1138) 또는 그 임의의 조합 중의 임의의 하나로부터의 광이 그것이 출력 개구부로부터 방출될 때에 실질적으로 균일한 강도가 되도록 구성된다. 멀티-입력 광 파이프 (1132) 의 본체 벽들은 투명한 유리 또는 투명한 플라스틱으로 구성될 수 있다.
어떤 실시형태들에서, 발명의 현미경들은 광 변조 서브시스템 (634) 에 의해 수신되고 광학적 트레인으로 송신되는 단일 광원 (예컨대, 백색-광 LED; 도시되지 않음) 을 이용하도록 구성된다. 단일 광원은 광 작동된 전기역학, 형광단 여기 (fluorophore excitation), 및 명시야 조명을 위한 구조화된 광을 제공하기 위하여 이용될 수 있다. 이러한 배열에서, 구조화된 조명은 광학적 비네팅 또는 조명에 있어서의 임의의 다른 임의적인 비-균일성을 보상하기 위하여 이용될 수 있다. 광학적 비네팅은 시야 (802) 의 에지를 향한 조명 (804) 의 점진적인 저하이다 (예컨대, 도 8a). 단일 광원의 광 강도는 픽셀 단위로 측정될 수 있고, 정보는 반전된 광학적 비네팅 함수 (814) (예컨대, 도 8b) 를 생성하기 위하여 이용된다. 그 다음으로, 반전된 광학적 비네팅 함수 (814) 는 광 변조 서브시스템으로부터의 광의 출력을 조절하기 위하여 이용될 수 있음으로써, 시야 (802) 에서 균일하게 조명된 필드 (824) 를 생성할 수 있다 (예컨대, 도 8c).
발명은 광학적으로 작동된 전기역학적 디바이스 (110) 에서 마이크로-객체를 조작하기 위하여 광을 이용하는 방법들을 추가로 제공한다. 방법들은 광학적으로 작동된 전기역학적 디바이스 (110) 를, 본원에서 설명된 시스템들 또는 현미경들 중의 임의의 하나의 시스템 또는 현미경의 지지체 (100) 상으로 설치하는 단계, 마이크로-객체를 광학적으로 작동된 전기역학적 디바이스 (110) 상에 또는 광학적으로 작동된 전기역학적 디바이스 (110) 내로 배치하는 단계, 광 변조 서브시스템 (634) 으로부터의 구조화된 광을 광학적으로 작동된 전기역학적 디바이스 (110) 의 표면 상의 제 1 영역 상으로 포커싱하는 단계, 및 포커싱된 구조화된 광을 광학적으로 작동된 전기역학적 디바이스 (110) 의 표면 상의 제 2 영역으로 이동시키는 단계를 포함한다. 마이크로-객체가 상기 제 1 영역에 인접하게 위치된다면, 포커싱된 광을 이동시키는 것은 마이크로-객체의 지향된 이동을 유도할 수 있다. 포커싱된 구조화된 광은 예를 들어, 마이크로-객체 주위에 광 케이지 (light cage) 를 생성하기 위하여 이용될 수 있다. 대안적으로, 포커싱된 구조화된 광은 마이크로-객체를 포함하는 유체 액적 (fluidic droplet) 과 적어도 부분적으로 접촉시키기 위하여 이용될 수 있다.
광학적으로 작동된 전기역학적 디바이스 (110) 에서 마이크로-객체를 조작하기 위하여 광을 이용하는 방법의 또 다른 실시형태에서, 광 패턴은 공간적으로 고정되고, 광학적으로 작동된 전기역학적 디바이스 (110) 는 광 패턴에 대하여 이동된다. 예를 들어, 광학적으로 작동된 전기역학적 디바이스 (110) 는, 컴퓨터에 의해 자동으로 제어될 수도 있거나, 사용자에 의해 수동으로 제어될 수도 있거나, 또는 컴퓨터의 도움으로 사용자에 의해 반-자동으로 제어될 수도 있는 동력식 또는 기계적 현미경 스테이지를 이용하여 이동될 수 있다. 또 다른 유사한 실시형태에서, 공간적으로 고정된 광 패턴은 조향가능한 스테이지 상에서 마이크로-객체들 (예컨대, 생물학적 세포, 또는 관심 있는 마이크로-객체를 임의적으로 포함하는 용액의 액적) 을 이동시키도록 구성된, "케이지" 또는 박스와 같은 기하학적 패턴들을 형성할 수 있다.
개시된 발명의 특정한 실시형태들이 본원에서 도시되었고 설명되었지만, 그것들은 본 발명을 제한하도록 의도된 것이 아니라는 것이 당해 분야의 당업자들에 의해 이해될 것이고, 다음의 청구항들 및 그 등가물들에 의해 오직 정의되어야 하는 개시된 발명의 범위로부터 이탈하지 않으면서, 다양한 변경들 및 수정들이 행해질 수도 있다는 것 (예컨대, 다양한 부분들의 치수들) 이 당해 분야의 당업자들에게 자명할 것이다. 따라서, 명세서 및 도면들은 한정적인 의미보다는 예시적으로 간주되어야 한다.

Claims (20)

  1. 전기역학적 디바이스를 동작시키기 위한 시스템으로서,
    상기 시스템은:
    상기 전기역학적 디바이스를 유지하고 상기 전기역학적 디바이스와 동작적으로 결합하도록 구성된 지지체;
    상기 전기역학적 디바이스가 상기 지지체에 의해 유지되고 상기 지지체와 동작적으로 결합될 때, 상기 전기역학적 디바이스에서의 전극들의 쌍에 걸쳐 바이어싱 전압을 인가하도록 구성된 전기적 신호 생성 서브시스템;
    상기 전기역학적 디바이스가 상기 지지체에 의해 유지되고, 상기 지지체와 동작적으로 결합될 때, 광을 상기 전기역학적 디바이스 상으로 방출하도록 구성된 광 변조 서브시스템;
    상기 전기역학적 디바이스의 입구 포트에 유체적으로 결합되도록 구성된 원위 단부 (distal end) 를 가지는 제 1 유체 라인;
    상기 전기역학적 디바이스가 상기 지지체에 의해 유지되고, 상기 지지체와 동작적으로 결합될 때, 상기 전기역학적 디바이스의 출구 포트에 유체적으로 결합되도록 구성된 근위 단부 (proximal end) 를 가지는 제 2 유체 라인; 및
    상기 제 1 및 제 2 유체 라인들 중의 하나 또는 양자와 동작적으로 결합된 적어도 2 개의 흐름 제어기들로서, 상기 적어도 2 개의 흐름 제어기들은 펌프를 포함하는, 상기 적어도 2 개의 흐름 제어기들을 포함하고, 그리고
    상기 적어도 2 개의 흐름 제어기들은, 유체가 상기 제 1 유체 라인 및 상기 제 2 유체 라인 중의 적어도 하나를 통해 흐르는 것을 선택적으로 허용하기 위하여, 상기 제 1 유체 라인 및 상기 제 2 유체 라인 중의 상기 적어도 하나와 동작적으로 결합된 제 1 열-제어된 흐름 제어기를 포함하고, 상기 제 1 열-제어된 흐름 제어기는, 상기 제 1 유체 라인 또는 상기 제 2 유체 라인의 각각의 흐름 세그먼트와 열적으로 결합된 제 1 열 전도성 인터페이스, 및 적어도 하나의 흐름 제어 열전 디바이스를 포함하고, 상기 흐름 제어 열전 디바이스는, 상기 각각의 흐름 세그먼트에서 포함된 유체를 제어가능하게 동결시키거나 해동시킴으로써, 유체가 각각의 제 1 또는 제 2 유체 라인을 통해서 그리고 상기 전기역학적 디바이스의 각각의 입구 포트 또는 출구 포트 내로 또는 밖으로 흐르는 것을 선택적으로 방지하거나 허용하도록, 상기 제 1 열 전도성 인터페이스의 온도를 제어가능하게 하강시키고 또한 제어가능하게 상승시키도록 구성되는, 전기역학적 디바이스를 동작시키기 위한 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기적 신호 생성 서브시스템은, 상기 전기역학적 디바이스가 상기 지지체에 의해 유지되고 상기 지지체와 동작적으로 결합될 때, 상기 전극들의 쌍에 걸쳐 인가될 바이어싱 전압 파형을 생성하도록 구성된 파형 생성기를 포함하는, 전기역학적 디바이스를 동작시키기 위한 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전기적 신호 생성 서브시스템은 상기 파형 생성기에 의해 생성된 상기 바이어싱 전압 파형을 증폭시키도록 구성된 파형 증폭 회로를 더 포함하고, 상기 전기적 신호 생성 서브시스템은 상기 바이어싱 전압 파형을 측정하도록 구성된 오실로스코프를 더 포함하고, 상기 측정으로부터의 데이터는 상기 파형 생성기에 피드백으로서 제공되는, 전기역학적 디바이스를 동작시키기 위한 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기역학적 디바이스가 상기 지지체에 의해 유지되고 상기 지지체와 동작적으로 결합될 때, 상기 전기역학적 디바이스의 온도를 조절하도록 구성된 열 제어 서브시스템을 더 포함하고, 상기 열 제어 서브시스템은 열전력 (thermoelectric power) 모듈, 열전 디바이스, 및 냉각 유닛을 포함하고, 상기 열전력 모듈은 상기 열전 디바이스의 온도를 조절하도록 구성되고, 상기 열전 디바이스는 상기 전기역학적 디바이스의 표면과 상기 냉각 유닛의 표면 사이에 개재 (interpose) 되는, 전기역학적 디바이스를 동작시키기 위한 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 열전 디바이스 및 상기 열전력 모듈은 상기 지지체 상에 장착되고 및/또는 상기 지지체와 통합되는, 전기역학적 디바이스를 동작시키기 위한 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 지지체는 상기 전기적 신호 생성 서브시스템 및 상기 열전력 모듈 중의 하나 또는 양자를 제어하는 마이크로프로세서를 더 포함하는, 전기역학적 디바이스를 동작시키기 위한 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 지지체는 인쇄 회로 기판 (printed circuit board; PCB) 을 포함하고, 상기 전기적 신호 생성 서브시스템, 상기 열전력 모듈, 및 상기 마이크로프로세서 중의 적어도 하나는 상기 PCB 상에 장착되고 및/또는 상기 PCB 와 통합되는, 전기역학적 디바이스를 동작시키기 위한 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 마이크로프로세서와 동작적으로 결합된 외부 연산 디바이스를 더 포함하고, 상기 외부 연산 디바이스는, 조작자 입력을 수신하도록 구성되고, 상기 조작자 입력을 프로세싱하고 상기 조작자 입력을, 상기 전기적 신호 생성 서브시스템 및 상기 열 제어 서브시스템 중의 하나 또는 양자를 제어하기 위한 상기 마이크로프로세서로 송신하기 위한 그래픽 사용자 인터페이스를 포함하는, 전기역학적 디바이스를 동작시키기 위한 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 마이크로프로세서 및/또는 상기 외부 연산 디바이스는, 상기 전기역학적 디바이스가 상기 지지체에 의해 유지되고 상기 지지체와 동작적으로 결합될 때, 상기 전기역학적 디바이스의 상기 전극들에 걸쳐 전기적 회로의 임피던스를 측정하고 및/또는 모니터링하도록 구성되는, 전기역학적 디바이스를 동작시키기 위한 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 마이크로프로세서 및/또는 상기 외부 연산 디바이스는 상기 전기적 회로의 측정된 및/또는 모니터링된 임피던스에서의 검출된 변경에 기초하여 유체 경로의 흐름 체적을 결정하도록 구성되고, 상기 유체 경로는 상기 전기역학적 디바이스 내에서 미세유체 회로의 적어도 일부를 포함하는, 전기역학적 디바이스를 동작시키기 위한 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 마이크로프로세서 및/또는 상기 외부 연산 디바이스는 상기 전기적 회로의 측정된 및/또는 모니터링된 임피던스에서의 검출된 변경에 기초하여 상기 전기역학적 디바이스의 내부 미세유체 챔버의 높이를 결정하도록 구성되는, 전기역학적 디바이스를 동작시키기 위한 시스템.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 마이크로프로세서 및/또는 상기 외부 연산 디바이스는 상기 전기적 회로의 측정된 및/또는 모니터링된 임피던스에서의 검출된 변경에 기초하여 상기 전기역학적 디바이스의 미세유체 회로 내에 포함된 화학적 및/또는 생물학적 재료의 하나 이상의 특성들을 결정하도록 구성되는, 전기역학적 디바이스를 동작시키기 위한 시스템.
  13. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지체 및/또는 상기 광 변조 서브시스템은 광학 현미경 상에 장착되도록 구성되는, 전기역학적 디바이스를 동작시키기 위한 시스템.
  14. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지체 및/또는 상기 광 변조 서브시스템은 광학 현미경의 일체형 컴포넌트들인, 전기역학적 디바이스를 동작시키기 위한 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 열-제어된 흐름 제어기는,
    상기 제 1 유체 라인의 상기 흐름 세그먼트가 제 1 통로를 통해 확장하는 상기 제 1 통로를 가지는 제 1 하우징으로서, 상기 하우징은 상기 제 1 열 전도성 인터페이스 및 상기 적어도 하나의 흐름 제어 열전 디바이스를 더 포함하는, 상기 제 1 하우징; 및/또는
    상기 제 1 열 전도성 인터페이스에 인접한 상기 제 1 유체 라인의 상기 흐름 세그먼트를 적어도 부분적으로 둘러싸는 절연 재료를 더 포함하는, 전기역학적 디바이스를 동작시키기 위한 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 열 전도성 인터페이스는 상기 제 1 유체 라인의 상기 흐름 세그먼트와 열적으로 결합되고, 상기 적어도 2 개의 흐름 제어기들은 유체가 상기 제 2 유체 라인을 통해 흐르는 것을 선택적으로 허용하거나 방지하기 위하여 상기 제 2 유체 라인의 상기 흐름 세그먼트와 동작적으로 결합된 제 2 열-제어된 흐름 제어기를 포함하는, 전기역학적 디바이스를 동작시키기 위한 시스템.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 전도성 인터페이스는, 상기 제 1 유체 라인의 상기 흐름 세그먼트와 열적으로 결합된 제 1 부분, 및 상기 제 2 유체 라인의 상기 흐름 세그먼트와 열적으로 결합된 제 2 부분을 더 포함하는, 전기역학적 디바이스를 동작시키기 위한 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 흐름 제어 열전 디바이스는 상기 제 1 유체 라인의 상기 흐름 세그먼트에 인접한 상기 열 전도성 인터페이스의 상기 제 1 부분에 열적으로 결합된 제 1 흐름-제어 열전 디바이스, 및 상기 제 2 유체 라인의 상기 흐름 세그먼트에 인접한 상기 열 전도성 인터페이스의 상기 제 2 부분에 열적으로 결합된 제 2 흐름-제어 열전 디바이스를 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 흐름 제어 열전 디바이스들의 각각은, 상기 제 1 유체 라인의 상기 흐름 세그먼트에서 그리고 상기 제 2 유체 라인의 상기 흐름 세그먼트에서 포함된 유체를 제어가능하게 동결시키거나 해동시킴으로써, 유체가 상기 제 1 유체 라인 및 상기 제 2 유체 라인을 통해 상기 전기역학적 디바이스의 각각의 입구 포트 및 출구 포트 내로 또는 밖으로 관통해서 흐르는 것을 선택적으로 방지하거나 허용하도록, 상기 열 전도성 인터페이스의 온도를 제어가능하게 하강시키고 또한 제어가능하게 상승시키도록 구성되는, 전기역학적 디바이스를 동작시키기 위한 시스템.
  19. 제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 열-제어된 흐름 제어기는, 상기 제 1 유체 라인의 상기 흐름 세그먼트가 제 1 통로를 통해 확장하는 상기 제 1 통로, 및 상기 제 2 유체 라인의 상기 흐름 세그먼트가 제 2 통로를 통해 확장하는 상기 제 2 통로를 갖는 하우징을 더 포함하고, 상기 열 전도성 인터페이스는 상기 하우징에서 장착되는, 전기역학적 디바이스를 동작시키기 위한 시스템.
  20. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 변조 서브시스템은 디지털 미러 디바이스 (digital mirror device; DMD), 마이크로셔터 어레이 시스템 (microshutter array system; MSA), 액정 디스플레이 (liquid crystal display; LCD), 실리콘상 액정 디바이스 (liquid crystal on silicon device; LCOS), 실리콘상 강유전체 액정 디바이스 (ferroelectric liquid crystal on silicon device; FLCOS), 또는 스캐닝 레이저 디바이스를 포함하는, 전기역학적 디바이스를 동작시키기 위한 시스템.
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