KR20240033223A - 디지털 미세유체의 미세 영역 열 제어(micro-regional thermal control for digital microfluidics) - Google Patents
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Abstract
액적의 열 사이클링 방법은, 액적 액추에이터를 제공하는 단계 - 액적 액추에이터는: 실질적으로 오일로 충진되는 액적 동작 갭 내에서 제1 열 구역 및 제2 열 구역을 형성하는 가열기; 제1 열 구역 내의 제1 액적 동작 전극 및 제2 열 구역 내의 제2 액적 동작 전극을 포함하는 액적 동작 전극들을 포함하는 열 사이클링 경로 - 제1 및 제2 액적 동작 전극은 서로 5 mm 이내에 위치됨 -; 및 제1 액적 동작 전극에서의 제1 온도 및 제2 액적 동작 전극에서의 제2 온도 - 제1 및 제2 온도들은 적어도 약 10℃만큼 차이 남 -;를 포함함 -; 및 액적 동작 전극들을 이용하여, 다수의 사이클을 위한 사이클링 패턴으로 액적을 제1 액적 동작 전극과 제2 액적 동작 전극 사이의 열 사이클링 경로를 따라서 운반하는 단계를 포함한다. 또한, 카트리지 및 시스템이 제공된다.
Description
본 발명은 일반적으로 디지털 미세유체(digital microfluidics: DMF) 카트리지에서의 열 제어, 보다 구체적으로는 미세 영역 열 제어를 위한 통합 가열기 및 센서를 포함하는 DMF 시스템, 카트리지, 및 방법에 관한 것이다.
DMF 시스템, 디바이스, 및/또는 카트리지는, 열 사이클링을 수행하기 위한 것을 포함하는, 생화학적 분석을 위한 것이다. 열 사이클링을 수행하는 데 필요한 공간을 줄일 필요가 있고, 열 사이클링의 속도(rate)를 증가시켜 생화학적 분석을 위한 처리 시간을 줄일 필요가 있다.
본 발명은 액적(droplet)의 열 사이클링 방법을 제공한다. 이러한 방법은 본 발명의 액적 액추에이터를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 액적 액추에이터는 실질적으로 오일로 충진된 액적 동작 갭 내에서 제1 열 구역 및 제2 열 구역을 형성하는 가열기를 포함할 수 있다. 액적 액추에이터는, 제1 열 구역 내의 제1 액적 동작 전극 및 제2 열 구역 내의 제2 액적 동작 전극을 포함하는 액적 동작 전극들을 포함하는 열 사이클링 경로를 포함할 수 있고, 제1 및 제2 액적 동작 전극들은 서로 5 mm 이내에 위치된다. 액적 액추에이터는 제1 액적 동작 전극에서 제1 온도를 그리고 제2 액적 동작 전극에서 제2 온도를 포함할 수 있고, 제1 및 제2 온도들은 적어도 약 10℃만큼 차이 난다. 방법은 다수의 사이클을 위한 사이클링 패턴으로 액적을 제1 액적 동작 전극과 제2 액적 동작 전극 사이의 열 사이클링 경로를 따라서 운반하기 위해서 액적 동작 전극들을 이용하는 단계를 포함할 수 있다. 액적은, 예를 들어, 핵산을 증폭하기 위한 시약을 포함할 수 있다. 제1 온도는, 예를 들어, 변성 온도일 수 있고, 제2 온도는 어닐링 및 확장 또는 연신 온도일 수 있다. 방법은, 핵산 증폭을 초래하는 사이클링 패턴으로 액적을 운반하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 액적 액추에이터는 2개 또는 그 초과의 열 사이클링 경로를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 액적 액추에이터는 5개 또는 그 초과의 열 사이클링 경로를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 액적 액추에이터는 10개 또는 그 초과의 열 사이클링 경로를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 제1 액적 동작 전극은 제2 액적 동작 전극에 인접하고, 어떠한 액적 동작 전극도 사이에 개재되지 않는다. 일부 실시형태에서, 제1 및 제2 액적 동작 전극들은 그 사이의 단지 하나의 부가적인 액적 동작 전극에 의해서 분리된다. 일부 실시형태에서, 제1 및 제2 액적 동작 전극들은 그 사이의 2개 이하의 부가적인 액적 동작 전극에 의해서 분리된다.
일부 실시형태에서, 다수의 사이클의 각각의 사이클은 약 6 초 미만에 완료될 수 있고, 실질적으로 전체 증폭을 수행한다. 일부 실시형태에서, 다수의 사이클의 각각의 사이클은 약 1초 미만에 완료되고, 실질적으로 전체 증폭을 수행한다. 일부 실시형태에서, 다수의 사이클의 각각의 사이클은 약 0.5 초 미만에 완료되고, 실질적으로 전체 증폭을 수행한다.
일부 실시형태에서, 열 사이클링 경로는 약 5,000 ㎛ 미만의 길이를 갖는다. 일부 실시형태에서, 열 사이클링 경로는 약 1,500 ㎛ 미만의 길이를 갖는다. 일부 실시형태에서, 열 사이클링 경로는 약 5,000 ㎛ 미만의 길이를 갖는다. 일부 실시형태에서, 열 사이클링 경로는 약 1,500 ㎛ 미만의 길이를 갖는다. 일부 실시형태에서, 열 사이클링 경로는 약 500 ㎛ 미만의 길이를 갖는다. 일부 실시형태에서, 열 사이클링 경로는 약 100 ㎛ 미만의 길이를 갖는다. 일부 실시형태에서, 열 사이클링 경로는 약 10 ㎛ 미만의 길이를 갖는다.
일부 실시형태에서, 제1 액적 동작 전극과 제2 액적 동작 전극 사이의 액적의 운반은 약 1,000 밀리초 미만의 시간 내에 완료된다. 일부 실시형태에서, 제1 액적 동작 전극과 제2 액적 동작 전극 사이의 액적의 운반은 약 100 밀리초 미만의 시간 내에 완료된다. 일부 실시형태에서, 제1 액적 동작 전극과 제2 액적 동작 전극 사이의 액적의 운반은 약 50 밀리초 미만의 시간 내에 완료된다. 일부 실시형태에서, 제1 액적 동작 전극과 제2 액적 동작 전극 사이의 액적의 운반은 약 25 밀리초 미만의 시간 내에 완료된다. 일부 실시형태에서, 제1 액적 동작 전극과 제2 액적 동작 전극 사이의 액적의 운반은 약 10 밀리초 미만의 시간 내에 완료된다. 일부 실시형태에서, 제1 액적 동작 전극과 제2 액적 동작 전극 사이의 액적의 운반은 약 1 밀리초 미만의 시간 내에 완료된다. 일부 실시형태에서, 제1 액적 동작 전극과 제2 액적 동작 전극 사이의 액적의 운반은 약 0.1 밀리초 미만의 시간 내에 완료된다.
일부 실시형태에서, 제1 및 제2 온도는 적어도 약 20℃만큼 차이 난다. 일부 실시형태에서, 제1 및 제2 온도는 적어도 약 30℃만큼 차이 난다. 일부 실시형태에서, 제1 및 제2 온도는 적어도 약 40℃만큼 차이 난다. 일부 실시형태에서, 제1 및 제2 온도는 적어도 약 50℃만큼 차이 난다. 일부 실시형태에서, 제1 및 제2 온도들은 각각 독립적으로 약 37℃ 내지 약 100℃이다.
방법의 일부 실시형태에서, 제1 열 구역은 핵산 어닐링 온도로 설정되고, 제2 열 구역은 핵산 변성 온도로 설정된다. 방법은, 예를 들어, 약 3 초 이하의 기간 동안 액적을 제1 액적 동작 전극에서 유지하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은, 예를 들어, 약 500 밀리초 이하의 기간 동안 액적을 제1 액적 동작 전극에서 유지하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은, 예를 들어, 약 0 초의 기간 동안 액적을 제1 액적 동작 전극에서 유지하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은, 예를 들어, 약 3 초 이하의 기간 동안 액적을 제2 액적 동작 전극에서 유지하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은, 예를 들어, 약 500 밀리초 이하의 기간 동안 액적을 제2 액적 동작 전극에서 유지하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은, 예를 들어, 약 0 초의 기간 동안 액적을 제2 액적 동작 전극에서 유지하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 각각의 사이클에는 약 6 초 미만이 소요될 수 있다. 일부 실시형태에서, 각각의 사이클에는 약 1 초 미만이 소요될 수 있다. 일부 실시형태에서, 각각의 사이클에는 약 0.5 초 미만이 소요될 수 있다. 일부 실시형태에서, 각각의 사이클에는 약 100 밀리초 미만이 소요될 수 있다.
액적 액추에이터는, 액적 동작 갭을 형성하기 위해서 별도의 기판으로부터 분리된, 인쇄 회로 보드 기판 또는 임의의 다른 적합한 재료, 예를 들어 유리, 플라스틱, 또는 규소 기판 내에 또는 상에 제조되는 가열기를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 가열기는 세라믹 재료, 세라믹-금속, 금속 합금, 및 카본 잉크로 이루어진 그룹으로부터 선택된 저항 재료로부터 형성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 가열기는 구리를 포함하는 금속으로 형성된다. 일부 실시형태에서, 가열기는, 제1 가열기가 제1 액적 동작 전극과 연관되고 제1 열 구역을 형성하도록; 제2 가열기가 제2 액적 동작 전극과 연관되고 제2 열 구역을 형성하도록; 그리고 제3 가열기가 제1 및/또는 제2 가열기에 인접한 경계 영역과 연관되고 각각의 열 구역의 온도를 유지하기 위해서 선택된 온도로 설정되도록 배열될 수 있다. 일부 실시형태에서, 제2 가열기 및 제3 가열기가 동일한 온도로 설정될 수 있다. 일부 실시형태에서, 제2 가열기 및 제3 가열기는 제1 가열기보다 더 높은 온도로 설정될 수 있다. 일부 실시형태에서, 제2 가열기 및 제3 가열기가 변성 온도로 설정될 수 있다. 일부 실시형태에서, 제3 가열기는 제2 열 구역을 안정화한다.
본 발명은 액적을 열 사이클링하기 위한 그리고 핵산을 증폭하기 위한 액적 액추에이터를 제공한다. 액적 액추에이터는 실질적으로 오일로 충진된 액적 동작 갭 내에서 제1 열 구역 및 제2 열 구역을 형성하는 가열기를 포함할 수 있다. 액적 액추에이터는, 제1 열 구역 내의 제1 액적 동작 전극 및 제2 열 구역 내의 제2 액적 동작 전극을 포함하는 액적 동작 전극들을 포함하는 열 사이클링 경로를 포함할 수 있고, 제1 및 제2 액적 동작 전극들은 서로 5 mm 이내에 위치된다. 액적 액추에이터는 제1 액적 동작 전극에서 제1 온도를 그리고 제2 액적 동작 전극에서 제2 온도를 포함할 수 있고, 제1 및 제2 온도들은 적어도 약 10℃만큼 차이 난다. 액적 액추에이터는 핵산을 증폭하기 위한 시약을 포함하는 열 사이클링 경로 상의 액적을 포함할 수 있고; 제1 온도는 변성 온도이고 제2 온도는 연신 온도이며; 액적을 사이클링 패턴으로 운반하는 것은 핵산 증폭을 초래한다.
일부 실시형태에서, 액적 액추에이터는 2개 또는 그 초과의 열 사이클링 경로를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 액적 액추에이터는 5개 또는 그 초과의 열 사이클링 경로를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 액적 액추에이터는 10개 또는 그 초과의 열 사이클링 경로를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 제1 액적 동작 전극은 제2 액적 동작 전극에 인접하고, 어떠한 액적 동작 전극도 사이에 개재되지 않는다. 일부 실시형태에서, 액적 동작 전극들은 그 사이의 단지 하나의 부가적인 액적 동작 전극에 의해서 분리되고, 이러한 부가적인 액적 동작 전극은 제1 및 제2 액적 동작 전극보다 더 작을 수 있고, 크기가 같을 수 있고, 또는 그보다 더 클 수 있다. 일부 실시형태에서, 제1 및 제2 액적 동작 전극들은 그 사이의 2개 이하의 부가적인 액적 동작 전극에 의해서 분리된다.
일부 실시형태에서, 제1 및 제2 온도는 적어도 약 20℃만큼 차이 난다. 일부 실시형태에서, 제1 및 제2 온도는 적어도 약 30℃만큼 차이 난다. 일부 실시형태에서, 제1 및 제2 온도는 적어도 약 40℃만큼 차이 난다. 일부 실시형태에서, 제1 및 제2 온도는 적어도 약 50℃만큼 차이 난다. 일부 실시형태에서, 제1 및 제2 온도들은 각각 독립적으로 약 37℃ 내지 약 100℃이다.
본 발명은, 본 발명의 액적 액추에이터에 커플링되어 그 액적 동작을 제어하는 프로세서를 포함하는 시스템을 제공한다. 일부 실시형태에서, 프로세서는 약 20 초 미만에 열 사이클을 완료하기 위해서 액적을 열 사이클링 경로를 따라서 운반하는 것을 수행하도록 프로그래밍될 수 있다. 일부 실시형태에서, 프로세서는 약 15 초 미만에 열 사이클을 완료하기 위해서 액적을 열 사이클링 경로를 따라서 운반하는 것을 수행하도록 프로그래밍될 수 있다. 일부 실시형태에서, 프로세서는 약 10 초 미만에 열 사이클을 완료하기 위해서 액적을 열 사이클링 경로를 따라서 운반하는 것을 수행하도록 프로그래밍될 수 있다. 일부 실시형태에서, 프로세서는, 제1 액적 동작 전극으로부터 제2 액적 동작 전극까지의 운반 시간이 약 2초 미만이 되도록, 열 사이클링 경로를 따른 액적의 운반을 수행하게 프로그래밍될 수 있다. 일부 실시형태에서, 프로세서는, 제1 액적 동작 전극으로부터 제2 액적 동작 전극까지의 운반 시간이 약 1초 미만이 되도록, 열 사이클링 경로를 따른 액적의 운반을 수행하게 프로그래밍될 수 있다. 일부 실시형태에서, 프로세서는, 제1 액적 동작 전극으로부터 제2 액적 동작 전극까지의 또는 그 반대의 운반 시간의 비율이 제1 액적 동작 전극 또는 제2 액적 동작 전극의 목적지 전극에서의 액적 체류 시간의 1/5 미만이 되도록, 열 사이클링 경로를 따른 액적의 운반을 수행하게 프로그래밍될 수 있다. 일부 실시형태에서, 프로세서는, 제1 액적 동작 전극으로부터 제2 액적 동작 전극까지의 또는 그 반대의 운반 시간의 비율이 제1 액적 동작 전극 또는 제2 액적 동작 전극의 목적지 전극에서의 액적 체류 시간의 1/10 미만이 되도록, 열 사이클링 경로를 따른 액적의 운반을 수행하게 프로그래밍될 수 있다. 일부 실시형태에서, 프로세서는, 제1 액적 동작 전극으로부터 제2 액적 동작 전극까지의 또는 그 반대의 운반 시간의 비율이 제1 액적 동작 전극 또는 제2 액적 동작 전극의 목적지 전극에서의 액적 체류 시간의 1/100 미만이 되도록, 열 사이클링 경로를 따른 액적의 운반을 수행하게 프로그래밍될 수 있다.
도 1은 인쇄 회로 보드(PCB)-기반의 가열기 및 DMF 카트리지(또는 디바이스)에 통합된 PCB-통합 센서를 포함하는 DMF 시스템의 예의 블록도이다.
도 2는 DMF 카트리지의 예시적인 PCB 기판의 평면도를 도시하고, 여기에서 PCB 기판은 전극 구성과 관련하여 통합된 가열기/센서 배열을 포함할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 전극 구성과 관련된 통합된 가열기/센서 배열의 예의 평면도이다.
도 4는 검출 전극과 관련된, 도 3에 도시된 바와 같은 예시적인 통합된 가열기/센서 배열의 근접 평면도이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 하나의 통합된 PCB-통합 가열기 및 센서의 예의 평면도 및 횡단면도이다.
도 6a는 PCB-통합 가열기의 가열기 요소에 적용될 수 있는 열 저항-온도 특성에 대한 예시적인 구리 트레이스(copper trace)를 도시한다.
도 6b는 구리의 저항과 온도 사이의 선형 관계의 플롯(plot)을 도시한다.
도 7a, 도 7b, 도 7c, 및 도 7d는 가열 균일성 및 온도 사이클링 시간에 대한 DMF 시스템의 능력을 지원하는 데이터를 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 PCB-통합 가열기 및 PCB-통합 센서의 페어링을 구동하는 일정 전류 공급원의 예의 개략도이다.
도 9a 및 도 9b는 PCB-통합 가열기 및 PCB-통합 센서의 페어링을 구동하는 일정 전압 공급원의 예의 개략도이다.
도 10은 열 제어 보드를 포함하는 예시적인 DMF 기구의 사시도이다.
도 11은 DMF 시스템 및 DMF 카트리지를 사용하여 환자 타액 샘플의 바이러스 감염을 테스트하기 위한 작업 흐름의 예의 흐름도이다.
도 12는 도 11에 도시된 작업 흐름의 특정 단계의 예를 도식적으로 도시한다.
도 13은 정적 또는 제-위치(in-place) PCR 프로토콜에서 사용되는 DMF 카트리지의 통합된 가열기/센서 부분의 예의 근접 평면도이다.
도 14a 및 도 1b4는 셔틀링 PCR 프로토콜(shuttling PCR protocol)에서 사용되는 DMF 카트리지의 통합된 가열기/센서 부분의 2개의 예시적인 구성의 근접 평면도이다.
도 15는 CMV DNA에 대해서 테스트된 8개의 신생아 타액 샘플에 대한 그리고 셔틀링 PCR 프로토콜을 이용한 정규화된 RFU 대 PCR 사이클 수의 플롯을 도시한다.
도 16은 SARS-CoV-2 RNA에 대해서 테스트되는 타액 샘플에 대한 그리고 셔틀링 PCR 프로토콜을 이용한 정규화된 RFU 대 시간의 플롯을 도시한다.
도 17a 내지 도 17f는 통합된 PCB-통합 가열기 및 센서를 형성하는 프로세스를 도시한다.
도 18은 DMF 카트리지의 통합된 가열기/센서 부분의 예 및 최적의 와이어 라우팅(wire routing)의 예의 근접 평면도이다.
도 19는 표준 이중 평면적 설계(standard biplanar design)를 포함하는 DMF 구조물의 예의 상면도 및 측면도이다.
도 20은 DMF 시스템의 DMF 카트리지 내의 적절한 열 구배를 보장하는 것과 관련하여 유용할 수 있는 공통 평면적 설계를 포함하는 DMF 구조물의 예의 상면도 및 측면도이다.
도 2는 DMF 카트리지의 예시적인 PCB 기판의 평면도를 도시하고, 여기에서 PCB 기판은 전극 구성과 관련하여 통합된 가열기/센서 배열을 포함할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 전극 구성과 관련된 통합된 가열기/센서 배열의 예의 평면도이다.
도 4는 검출 전극과 관련된, 도 3에 도시된 바와 같은 예시적인 통합된 가열기/센서 배열의 근접 평면도이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 하나의 통합된 PCB-통합 가열기 및 센서의 예의 평면도 및 횡단면도이다.
도 6a는 PCB-통합 가열기의 가열기 요소에 적용될 수 있는 열 저항-온도 특성에 대한 예시적인 구리 트레이스(copper trace)를 도시한다.
도 6b는 구리의 저항과 온도 사이의 선형 관계의 플롯(plot)을 도시한다.
도 7a, 도 7b, 도 7c, 및 도 7d는 가열 균일성 및 온도 사이클링 시간에 대한 DMF 시스템의 능력을 지원하는 데이터를 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 PCB-통합 가열기 및 PCB-통합 센서의 페어링을 구동하는 일정 전류 공급원의 예의 개략도이다.
도 9a 및 도 9b는 PCB-통합 가열기 및 PCB-통합 센서의 페어링을 구동하는 일정 전압 공급원의 예의 개략도이다.
도 10은 열 제어 보드를 포함하는 예시적인 DMF 기구의 사시도이다.
도 11은 DMF 시스템 및 DMF 카트리지를 사용하여 환자 타액 샘플의 바이러스 감염을 테스트하기 위한 작업 흐름의 예의 흐름도이다.
도 12는 도 11에 도시된 작업 흐름의 특정 단계의 예를 도식적으로 도시한다.
도 13은 정적 또는 제-위치(in-place) PCR 프로토콜에서 사용되는 DMF 카트리지의 통합된 가열기/센서 부분의 예의 근접 평면도이다.
도 14a 및 도 1b4는 셔틀링 PCR 프로토콜(shuttling PCR protocol)에서 사용되는 DMF 카트리지의 통합된 가열기/센서 부분의 2개의 예시적인 구성의 근접 평면도이다.
도 15는 CMV DNA에 대해서 테스트된 8개의 신생아 타액 샘플에 대한 그리고 셔틀링 PCR 프로토콜을 이용한 정규화된 RFU 대 PCR 사이클 수의 플롯을 도시한다.
도 16은 SARS-CoV-2 RNA에 대해서 테스트되는 타액 샘플에 대한 그리고 셔틀링 PCR 프로토콜을 이용한 정규화된 RFU 대 시간의 플롯을 도시한다.
도 17a 내지 도 17f는 통합된 PCB-통합 가열기 및 센서를 형성하는 프로세스를 도시한다.
도 18은 DMF 카트리지의 통합된 가열기/센서 부분의 예 및 최적의 와이어 라우팅(wire routing)의 예의 근접 평면도이다.
도 19는 표준 이중 평면적 설계(standard biplanar design)를 포함하는 DMF 구조물의 예의 상면도 및 측면도이다.
도 20은 DMF 시스템의 DMF 카트리지 내의 적절한 열 구배를 보장하는 것과 관련하여 유용할 수 있는 공통 평면적 설계를 포함하는 DMF 구조물의 예의 상면도 및 측면도이다.
정부 권리
본 발명은 미국 국립보건원(NIH)이 주관하는 "Rapid, Near-Patient Nucleic Acid Testing for Congenital Cytomegalovirus (CMV) Testing"이라는 명칭의 보조금 번호 DC016576 하의 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대해 특정 권리를 갖는다.
관련 출원에 대한 상호 참조
본원에 개시되는 청구 대상은, 2021년 6월 2일자로 출원되고, 명칭이 "Digital Microfluidics System, Cartridge, and Method Including Integrated Heaters and Sensors for Micro-regional Thermal Control"이며, 그 개시 내용 전체가 본원에 참조로 포함되는, 미국 가특허출원 제US/63/195912호와 관련된 것으로, 그에 대한 우선권을 주장한다.
용어
하나 이상의 전극과 관련된 "활성화"는, 액적의 존재 하에서 액적 동작을 초래하는 하나 이상의 전극의 전기 상태의 변화에 영향을 미치는 것을 의미한다. 전극의 활성화는 교류(AC) 또는 직류(DC)를 이용하여 이루어질 수 있다. 임의의 적합한 전압이 사용될 수 있다. 예를 들어, 전극은 약 5 V 초과, 또는 약 20 V 초과, 또는 약 40 V 초과, 또는 약 100 V 초과, 또는 약 200 V 초과, 또는 약 300 V 초과의 전압을 이용하여 활성화될 수 있다. 적절한 전압은 두께 및 유전 상수와 같은 유전체의 특성, 점도와 같은 액체의 특성, 및 기타 많은 다른 인자에 따라 달라진다. AC 신호가 사용되는 경우, 임의의 적절한 주파수가 이용될 수 있다. 예를 들어, 전극은 주파수가 약 1 Hz 내지 약 10 MHz, 또는 약 1 Hz 내지 약 10 kHz, 또는 약 10 Hz 내지 약 240 Hz, 또는 약 60 Hz인 AC 신호를 이용하여 활성화될 수 있다.
"cCMV"는 "선천성 거대세포 바이러스(congenital cytomegalovirus)"를 의미한다.
"CMV"는 "거대세포 바이러스"를 의미한다.
"액적"은 액적 액추에이터 상의 액체의 부피를 의미한다. 일반적으로, 액적은 필러 유체(filler fluid)에 의해서 적어도 부분적으로 경계지어진다. 예를 들어, 액적은 필러 유체에 의해서 완전히 둘러싸일 수 있거나, 필러 유체 및 액적 액추에이터의 하나 이상의 표면에 의해서 경계지어질 수 있다. 다른 예로서, 액적은 필러 유체, 액적 액추에이터의 하나 이상의 표면, 및/또는 대기에 의해서 경계지어질 수 있다. 또 다른 예로서, 액적은 필러 유체 및 대기에 의해서 경계지어질 수 있다. 액적은, 예를 들어, 수성 또는 비-수성일 수 있거나, 수성 및 비-수성 성분을 포함하는 혼합물 또는 에멀전일 수 있다. 액적은 다양한 형태를 취할 수 있고; 비제한적인 예는 일반적으로 디스크-형상, 슬러그-형상, 잘린 구, 타원체, 구형, 부분-압축 구, 반구형, 난형, 원통형, 이러한 형상들의 조합, 그리고 병합 또는 분할과 같은 액적 동작 중에 형성되는 또는 이러한 형상들과 액적 액추에이터의 하나 이상의 표면의 접촉의 결과로서 형성되는 다양한 형상을 포함한다. 본 발명의 접근 방식을 이용하여 액적 동작될 수 있는 액적 유체의 예에 대해서는 2006년 12월 11일자로 출원되고 명칭이 "Droplet-Based Biochemistry"인 국제특허출원 제PCT/US 06/47486호를 참조한다. 다양한 실시형태에서, 액적은 생물학적 샘플, 예를 들어 전혈, 림프액, 혈청, 혈장, 땀, 눈물, 타액, 가래, 뇌척수액, 양수, 정액, 질 배설물, 장액, 활액, 심낭액, 복막액, 흉막액, 삼출액, 삼출물, 낭성액, 담즙, 소변, 위액, 장액, 대변 샘플, 단일 또는 다수의 세포가 포함된 액체, 세포 소기관이 포함된 액체, 유동화된 조직, 유동화된 유기체, 다수-세포 유기체가 포함된 액체, 생물학적 면봉 및 생물학적 세척액을 포함할 수 있다. 또한, 액적은 물, 탈이온수, 식염수, 산성 용액, 염기성 용액, 세제 용액 및/또는 완충액과 같은 시약을 포함할 수 있다. 액적 내용물의 다른 예로는 시약, 예를 들어 핵산 증폭 프로토콜, 친밀도-기반 분석 프로토콜, 효소 분석 프로토콜, 시퀀싱 프로토콜 및/또는 생물학적 유체 분석을 위한 프로토콜과 같은 생화학 프로토콜용 시약을 포함한다. 액적은 하나 이상의 비드를 포함할 수 있다.
"액적 액추에이터"는 액적을 조작하기 위한 장치를 의미한다. 액적 액추에이터의 예로서, [Pamula 등의 "Apparatus for Manipulating Droplets by Electrowetting-Based Techniques"라는 명칭으로 2005년 6월 28일에 허여된 미국 특허 6,911,132; Pamula 등의 "Apparatuses and Methods for Manipulating Droplets on a Printed Circuit Board"라는 명칭으로 2006년 1월 30일에 출원된 미국 특허출원 제11/343,284호; Pollack 등의 "Droplet-Based Biochemistry"라는 명칭으로 2006년 12월 11일자로 출원된 국제특허출원 제PCT/US2006/047486호; Shenderov의 "Electrostatic Actuators for Microfluidics and Methods for Using Same"라는 명칭으로 2004년 8월 10일자로 허여된 미국 특허 6,773,566; 및 "Actuators for Microfluidics Without Moving Parts"라는 명칭으로 2000년 1월 24일에 허여된 미국 특허 6,565,727; Kim 및/또는 Shah 등의 "Electrowetting-driven Micropumping"라는 명칭의 2003년 1월 27일자로 출원된 미국 특허출원 제10/343,261호, "Method and Apparatus for Promoting the Complete Transfer of Liquid Drops from a Nozzle"라는 명칭으로 2006년 1월 23일자로 출원된 미국 특허출원 제11/275,668호, "Small Object Moving on Printed Circuit Board"라는 명칭으로 2006년 1월 23일자로 출원된 미국 특허출원 제11/460,188호, "Method for Using Magnetic Particles in Droplet Microfluidics"라는 명칭으로 2009년 5월 14일자로 출원된 미국 특허출원 제12/465,935호, 및 "Method and Apparatus for Real-time Feedback Control of Electrical Manipulation of Droplets on Chip"라는 명칭으로 2009년 4월 30일자로 출원된 미국 특허출원 제12/513,157호; Velev의 "Droplet Transportation Devices and Methods Having a Fluid Surface"라는 명칭으로 2009년 6월 16일자로 허여된 미국 특허 7,547,380; Sterling 등의 "Method, Apparatus and Article for Microfluidic Control via Electrowetting, for Chemical, Biochemical and Biological Assays and the Like"라는 명칭으로 2007년 1월 16일자로 허여된 미국 특허 7,163,612; Becker 및 Gascoyne 등의 "Method and Apparatus for Programmable fluidic Processing"라는 명칭으로 2010년 1월 5일자로 허여된 미국 특허 제7,641,779호, 및 "Method and Apparatus for Programmable fluidic Processing"라는 명치의 2005년 12월 20일자로 허여된 미국 특허 제6,977,033호; Decre 등의 "System for Manipulation of a Body of Fluid"라는 명칭으로 2008년 2월 12일자로 허여된 미국 특허 7,328,979; Yamakawa 등의 "Chemical Analysis Apparatus"라는 명칭으로 2006년 2월 23일자로 공개된 미국 특허 공개 제20060039823호; Wu의 "Digital Microfluidics Based Apparatus for Heat-exchanging Chemical Processes"라는 명칭으로 2008년 12월 31일자로 공개된 국제 특허 공개 제WO/2009/003184호; Fouillet 등의 "Electrode Addressing Method"라는 명칭으로 2009년 7월 30일자로 공개된 미국 특허 공개 제20090192044호; Fouillet 등의 "Device for Displacement of Small Liquid Volumes Along a Micro-catenary Line by Electrostatic Forces"라는 명칭으로 2006년 5월 30일자로 허여된 미국 특허 7,052,244; Marchand 등의 "Droplet Microreactor"라는 명칭으로 2008년 5월 9일자로 공개된 미국 특허 공개 제20080124252호; Adachi 등의 "Liquid Transfer Device"라는 명칭으로 2009년 12월 31일자로 공개된 미국 특허 공개 제20090321262호; Roux 등의 "Device for Controlling the Displacement of a Drop Between two or Several Solid Substrates"라는 명칭으로 2005년 8월 18일자로 공개된 미국 특허 공개 제20050179746호; Dhindsa 등의 ["Virtual Electrowetting Channels: Electronic Liquid Transport with Continuous Channel Functionality," Lab Chip, 10:832-836 (2010)]를 참조하고; 이러한 전체 개시 내용은 그 우선권 서류와 함께 본원에 참조로 포함된다. 특정 액적 액추에이터는 액적 동작 갭을 사이에 가지고 배열되는 하나 이상의 기판들, 및 하나 이상의 기판과 연관되고(예를 들어, 층을 이루고, 부착되고/되거나 임베딩되고) 하나 이상의 액적 동작을 실행하도록 배열되는 전극을 포함할 것이다. 예를 들어, 특정 액적 액추에이터는 기부(또는 하단부) 기판, 기판과 연관된 액적 동작 전극, 기판 및/또는 전극의 최상단(atop)의 하나 이상의 유전체 층, 및 선택적으로 액적 동작 표면을 형성하는 기판, 유전체 층 및/또는 전극의 최상단의 하나 이상의 소수성 층을 포함할 것이다. 상단 기판이 또한 제공될 수 있고, 이러한 상단 기판은, 통상적으로 액적 동작 갭으로 지칭되는 갭에 의해서 액적 동작 표면으로부터 분리된다. 상단 및/또는 하단 기판 상의 다양한 전극 배열이 앞서 참조한 특허 및 출원에 설명되어 있고, 특정의 신규한 전극 배열이 본 발명의 설명에 기재되어 있다. 액적 동작 중에, 액적이 접지 또는 기준 전극과 연속적으로 접촉되어 유지되거나 또는 빈번하게 접촉되는 것이 바람직하다. 접지 또는 기준 전극은 갭에 대면되는 상단 기판, 갭에 대면되는 하단 기판과 연관될 수 있고/있거나, 갭 내에 있을 수 있다. 전극이 양 기판들 상에 제공되는 경우, 전극들을 제어 또는 모니터링하기 위해서 전극들을 액적 액추에이터 기구에 커플링시키기 위한 전기 컨택(contact)이 하나의 판 또는 양 판들과 연관될 수 있다. 일부 경우에, 단지 하나의 기판이 액적 액추에이터와 접촉하도록, 하나의 기판 상의 전극이 다른 기판에 전기적으로 커플링될 수 있다. 일 실시형태에서, 전도성 재료(예를 들어, Master Bond, Inc., Hackensack, NJ로부터 입수할 수 있는, MASTER BONDTM 중합체 시스템 EP79와 같은 에폭시)는 하나의 기판 상의 전극과 다른 기판 상의 전기 경로 사이에서 전기 연결을 제공하고, 예를 들어 상단 기판 상의 접지 전극은 이러한 전도성 재료에 의해서 하단 기판 상의 전기 경로에 커플링될 수 있다. 다수의 기판이 사용되는 경우, 이격 부재가 기판들 사이에 제공되어 그 사이의 갭의 높이를 결정할 수 있고 액추에이터-상의 분배 저장 용기를 형성할 수 있다. 이격 부재 높이는 예를 들어 약 5 ㎛ 내지 약 1000 ㎛, 또는 약 100 ㎛ 내지 약 400 ㎛, 또는 약 200 ㎛ 내지 약 350 ㎛, 또는 약 250 ㎛ 내지 약 300 ㎛, 또는 약 275 ㎛일 수 있다. 이격 부재는 예를 들어 상단 또는 하단 기판으로부터의 돌출부의 층으로, 및/또는 상단 기판과 하단 기판 사이에 삽입된 재료로 형성될 수 있다. 하나 이상의 개구부가 하나 이상의 기판 내에 제공되어, 액체가 액적 동작 갭 내로 전달될 때 통과할 수 있는 유체 경로를 형성할 수 있다. 하나 이상의 개구부는, 일부 경우에, 하나 이상의 전극들과의 상호 작용을 위해서 정렬될 수 있고, 예를 들어 개구부를 통해서 유동하는 액체가 하나 이상의 액적 동작 전극과 충분히 근접함으로써 액체를 이용하여 액적 동작 전극에 의해서 액적 동작이 이루어질 수 있도록 정렬될 수 있다. 기부(또는 하단) 기판 및 상단 기판이 일부 경우에 하나의 일체형 구성요소로서 형성될 수 있다. 하나 이상의 기준 전극이 기부(또는 하단) 기판 및/또는 상단 기판 상에 및/또는 갭 내에 제공될 수 있다. 기준 전극 배열의 예가 앞서 참조된 특허 및 특허 출원에 제공되어 있다. 여러 실시형태에서, 액적 액추에이터에 의한 액적의 조작은 전극을 매개로 할 수 있고, 예를 들어 전기 습윤을 매개로 할 수 있거나 전기 영동을 매개로 할 수 있거나(dielectrophoresis mediated), 쿨롱력을 매개로 할 수 있다. 본 발명의 액적 액추에이터에 사용될 수 있는 액적 동작을 제어하기 위한 다른 기술의 예는 유체 역학적 유체 압력을 유도하는 장치, 예를 들어 기계적 원리(예를 들어, 외부 주사기 펌프, 공압 멤브레인 펌프, 진동 멤브레인 펌프, 진공 장치, 원심력, 압전/초음파 펌프 및 음향력); 전기 또는 자기 원리(예를 들어, 전기 삼투압 유동, 전기 운동 펌프, 강유체 플러그, 전기 유체 역학 펌프, 자력을 이용한 인력 또는 척력, 및 자기 유체 역학 펌프); 열역학 원리(예를 들어, 가스 기포 생성/상-변화-유도 부피 팽창); 다른 종류의 표면-습윤 원리(예를 들어, 전기 습윤 및 광전기 습윤, 그리고 화학적, 열적, 구조적 및 방사능적으로 유도된 표면-장력 구배); 중력; 표면 장력(예를 들어, 모세관 작용); 정전기력(예를 들어, 전기 삼투압 유동); 원심 유동(컴팩트 디스크에 배치되어 회전되는 기판); 자기력(예를 들어, 유동을 유발하는 진동 이온); 자기 유체 역학적 힘; 진공 또는 압력차를 기초로 동작하는 장치를 이용하는 것을 포함한다. 특정 실시형태에서, 전술한 기술 중 둘 이상의 조합을 이용하여 본 발명의 액적 액추에이터에서 액적 동작을 수행할 수 있다. 마찬가지로, 전술한 것들 중 하나 상을 이용하여 액체를 예를 들어 다른 장치 내의 저장 용기로부터 또는 액적 액추에이터의 외부 저장 용기(예를 들어, 액적 액추에이터 기판과 연관된 저장 용기 및 저장 용기로부터 액적 동작 갭 내로의 유동 경로)로부터 액적 동작 갭 내로 전달할 수 있다. 본 발명의 특정 액적 액추에이터의 액적 동작 표면은 소수성 재료로 제조될 수 있거나, 코팅 또는 처리를 통해서 액적 동작 표면이 소수성을 가지게 할 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 액적 동작 표면의 일부 부분 또는 전부가, 예를 들어 용액 내의 폴리-플루오로화 화합물 또는 퍼-플루오로화 화합물(per-fluorinated compound) 또는 중합 가능 단량체와 같은 화합물을 이용한 증착에 의해서 또는 현장 합성의 이용에 의해서, 낮은 표면-에너지 재료 또는 화학 물질로 유도체화될(derivatized) 수 있다. 예는 TEFLON® AF(DuPont, Wilmington, DE로부터 입수 가능), CYTOP® 계열 재료의 구성원, FLUOROPEL® 계열의 소수성 및 초소수성 코팅 내의 코팅(Cytonix Corporation, Beltsville, MD로부터 입수 가능), 실란 코팅, 플루오로실란 코팅, 소수성 포스포네이트 유도체(예를 들어, Aculon, Inc에 의해서 판매됨), 그리고 NOVECTM 전자 코팅(3M Company, St. Paul, MN로부터 입수 가능), 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)을 위한 다른 플루오로화 단량체, 및 PECVD를 위한 유기실록산(예를 들어, SiOC)을 포함한다. 일부 경우에, 액적 동작 표면은 두께가 약 10 nm 내지 약 1,000 nm 범위인 소수성 코팅을 포함할 수 있다. 또한, 일부 실시형태에서, 액적 액추에이터의 상단 기판은 전기 전도 유기 중합체를 포함하고, 이는 이어서 소수성 코팅으로 코팅되거나 달리 처리되어 액적 동작 표면을 소수성으로 만든다. 예를 들어, 플라스틱 기판 위에 증착된 전기 전도성 유기 중합체는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리(스티렌설포네이트)(PEDOT:PSS)일 수 있다. 전기 전도 유기 중합체 및 대안적인 전도성 층의 다른 예가 Pollack 등의 명칭이 "Droplet Actuator Devices and Methods"인 국제 특허 출원 제PCT/US2010/040705호에 설명되어 있고, 그 개시 내용의 전체가 본원에 참조로 포함된다. 하나 또는 양 기판이 인쇄 회로 보드(PCB), 유리, 인듐 주석 산화물(ITO)-코팅된 유리, 및/또는 반도체 재료를 기판으로 이용하여 제조될 수 있다. 기판이 ITO-코팅된 유리일 때, ITO 코팅은 바람직하게 약 20 nm 내지 약 200 nm, 바람직하게 약 50 nm 내지 약 150 nm, 또는 약 75 nm 내지 약 125 nm의 범위, 또는 약 100 nm의 두께를 갖는다. 일부 경우에, 상단 및/또는 하단 기판은, 폴리이미드 유전체와 같은 유전체로 코팅된 PCB 기판을 포함하고, 이는 일부 경우에 코팅되거나 달리 처리되어 액적 동작 표면이 수소성을 가지게 할 수 있다. 기판이 PCB를 포함할 때, 적합한 재료의 예로서 이하의 재료가 있다: MITSUITM BN-300(MITSUI Chemicals America, Inc., San Jose CA로부터 입수 가능); ARLONTM 11N(Arlon, Inc, Santa Ana, CA로부터 입수 가능); NELCO® N4000-6 및 N5000-30/32(Park Electrochemical Corp., Melville, NY로부터 입수 가능); ISOLATM FR406(Isola Group, Chandler, AZ로부터 입수 가능), 특히 IS620; (낮은 배경 형광을 가지는 것을 인해서 형광 검출에 적합한) 플로오로 중합체 계열; 폴리이미드 계열; 폴리에스테르; 폴리에틸렌 나프탈레이트; 폴리카보네이트; 폴리에테르에테르케톤; 액정 중합체, 사이클로-올레핀 공중합체(COC); 사이클로-올레핀 중합체(COP); 아라미드; THERMOUNT® 부직포 아라미드 보강재(DuPont, Wilmington, DE로부터 입수 가능); NOMEX® 브랜드 섬유(DuPont, Wilmington, DE로부터 입수 가능) 및 종이. 다양한 재료가 또한 기판의 유전체 성분으로서 사용하기에 적합하다. 예는: 증착된 유전체, 예를 들어 (~300℃의 고온을 위한) PARYLENETM C, PARYLENETM N, PARYLENETM F 및 PARYLENETM HT(Parylene Coating Services, Inc., Katy, TX로부터 입수 가능); TEFLON® AF 코팅; CYTOP®; 솔더마스크, 예를 들어 TAIYOTM PSR4000 계열, TAIYOTM PSR 및 AUS 계열(Taiyo America, Inc. Carson City, NV로부터 입수 가능)(열 제어를 포함하는 적용예를 위한 양호한 열적 특성), 및 PROBIMERTM 8165(열 제어를 포함하는 적용예를 위한 양호한 열적 특성)(Huntsman Advanced Materials Americas Inc., Los Angeles, CA로부터 입수 가능); 건식 필름 솔더마스크, 예를 들어 VACREL® 건식 필름 솔더마스크 라인 내의 건식 필름 솔더마스크(DuPont, Wilmington, DE로부터 입수 가능); 필름 유전체, 예를 들어 폴리이미드 필름(예를 들어, DuPont, Wilmington, DE로부터 입수 가능한 KAPTON® 폴리이미드 필름), 폴리에틸렌, 및 플루오로 중합체(예를 들어, FEP), 폴리테트라플루오로에틸렌; 폴리에스테르; 폴리에틸렌 나프탈레이트; 사이클로-올레핀 공중합체(COC), 사이클로-올레핀 중합체(COP); 앞서 나열된 임의의 다른 PCB 기판 재료; 검정색 매트릭스 수지; 폴리프로필렌; 및 검정색 가요성 회로 재료, 예를 들어 DuPontTM Pyralux® HXC 및d DuPontTM Kapton® MBC(DuPont, Wilmington, DE 로부터 입수 가능)를 포함한다. 특정 분석 프로토콜에서 사용되는 시약의 성능을 위해서 액적 운반 전압 및 주파수가 선택될 수 있다. 설계 매개변수는 변경될 수 있고, 예를 들어 액추에이터-상의 저장 용기의 수 및 배치, 독립적인 전극 연결의 수, 상이한 저장 용기들의 크기(부피), 자석/비드 세척 구역의 배치, 전극 크기, 전극 형상, 전극-간 간격, 및 (상단 기판과 하단 기판 사이의) 갭 높이가 특정 시약, 프로토콜, 액적 부피 등과 함께 사용하기 위해서 변경될 수 있다. 일부 경우에, 본 발명의 기판은, 예를 들어 용액 내의 폴리-플루오로화 화합물 또는 퍼-플루오로화 화합물 또는 중합 가능 단량체와 같은 화합물을 이용한 증착 또는 현장 합성으로, 낮은 표면-에너지 재료 또는 화학 물질로 유도체화될 수 있다. 예는 침지 코팅 또는 분무 코팅을 위한 TEFLON® AF 코팅 및 FLUOROPEL® 코팅, 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)을 위한 다른 플루오르화 단량체, 및 PECVD를 위한 유기 실록산(예를 들어, SiOC)을 포함한다. 또한, 일부 경우에, 액적 동작 표면의 일부 부분 또는 전부가 PCB 기판으로부터의 배경 형광과 같은 배경 노이즈를 줄이기 위한 물질로 코팅될 수 있다. 예를 들어, 노이즈-감소 코팅은 검은색 매트릭스 수지, 예를 들어 일본의 Toray Industries, Inc.로부터 입수할 수 있는 검은색 매트릭스 수지를 포함할 수 있다. 액적 액추에이터의 전극은 일반적으로 제어기 또는 프로세서에 의해서 제어되고, 이러한 제어기 또는 프로세서 자체는, 데이터 및 소프트웨어 저장 그리고 입출력 능력뿐만 아니라 처리 기능을 포함할 수 있는 시스템의 일부로서 제공된다. 시약은 액적 동작 갭 내의 또는 액적 동작 갭에 유체적으로 커플링된 저장 용기 내의 액적 액추에이터 상에 제공될 수 있다. 시약은 액체 형태, 예를 들어 액적일 수 있거나, 시약은 액적 동작 갭 내에서 또는 액적 동작 갭에 유체적으로 커플링된 저장 용기 내에서 재구성 가능한 형태로 제공될 수 있다. 재구성 가능 시약은 일반적으로 재구성을 위한 액체와 조합될 수 있다. 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 재구성 가능 시약의 예는 Meathrel 등의 "Disintegratable films for diagnostic devices"라는 명칭으로 2010년 6월 1일자로 허여된 미국 특허 제7,727,466호에 설명된 시약을 포함한다. 임피던스 또는 커패시턴스 감지 또는 이미징 기술을 종종 이용하여 액적 동작의 결과를 결정 또는 확인할 수 있다. 이러한 기술의 예가 Sturmer 등의 "Capacitance Detection in a Droplet Actuator"라는 명칭으로 2005년 8월 21일자로 공개된 국제 특허 공개 제WO/2008/101194호에 설명되어 있고, 그 개시 내용의 전체가 본원에 참조로 포함된다. 일반적으로, 감지 또는 이미징 기술을 이용하여 특정 전극에서의 액적의 존재 또는 부재를 확인할 수 있다. 예를 들어, 액적 분배 동작 이후의 목적지 전극에서의 분배 액적의 존재는 액적 분배 동작이 효과적이었다는 것을 확인한다. 마찬가지로, 분석 프로토콜 내의 적절한 단계에서 검출 스폿에서의 액적의 존재는, 이전의 액적 동작의 세트가 검출을 위한 액적을 성공적으로 생성하였다는 것을 확인할 수 있다. "DMF 카트리지"는 본 발명의 시스템에서 동작하도록 구성된 액적 액추에이터이다.
"액적 동작"은 액적 액추에이터 상의 액적의 임의의 조작을 의미한다. 액적 동작은 예를 들어: 액적 액추에이터 내로의 액적을 적재하는 것; 공급원 액적으로부터 하나 이상의 액적을 분배하는 것; 액적을 2개 이상의 액적으로 분할, 분리, 또는 나누는 것; 액적을 하나의 위치로부터 다른 위치로 임의의 방향으로 운반하는 것; 2개 이상의 액적을 단일 액적으로 병합 또는 조합하는 것; 액적을 희석하는 것; 액적을 혼합하는 것; 액적을 교반하는 것; 액적을 변형하는 것; 액적을 위치에서 유지하는 것; 액적을 배양하는 것; 액적을 가열하는 것; 액적을 증발시키는 것; 액적을 냉각하는 것; 액적을 폐기하는 것; 액적을 액적 액추에이터의 외부로 운반하는 것; 본원에 설명된 다른 액적 동작; 및/또는 전술한 것들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 액적 동작은 전극을 매개로 할 수 있다. 일부 경우에, 액적 동작은 표면 상에서 친수성 영역 및/또는 소수성 영역을 사용하는 것에 의해서/의하거나 물리적 장애물에 의해서 더 촉진된다. 액적 운반 시간은 매우 빠를 수 있다. 예를 들어, 여러 실시형태에서, 하나의 전극으로부터 다음 전극으로의 액적의 운반은 약 1 초, 또는 약 0.1 초, 또는 약 0.01 초, 또는 약 0.001 초 이내에 완료될 수 있다. 일 실시형태에서, 전극은 AC 모드에서 동작되나, 이미징을 위해서 DC 모드로 전환된다. 액적의 풋프린트 면적(footprint area)이 전기 습윤 면적과 유사하거나 그보다 큰 것이 액적 동작을 수행하는 데 도움을 주고: 다시 말해서 1x-, 2x- 3x-액적이 각각 1개, 2개, 및 3개의 전극을 이용하여 유효하게 제어된다. 액적의 풋프린트가 주어진 시간에 액적 동작을 실행하기 위해서 이용될 수 있는 전극의 수보다 큰 경우, 액적 크기와 전극의 수 사이의 차이는 일반적으로 1보다 크지 않아야 하고, 다시 말해서 2x 액적은 1개의 전극을 이용하여 유효하게 제어되고 3x 액적은 2개의 전극을 이용하여 유효하게 제어된다. 액적이 비드를 포함할 때, 액적 크기가 액적을 제어하는, 예를 들어 액적을 운반하는 전극의 수와 동일한 것이 유용하다.
"병합", "병합하는 것", "조합", "조합하는 것" 등은 2개 이상의 액적으로부터 하나의 액적을 생성하는 것을 설명하기 위해서 사용된다. 이러한 용어가 둘 이상의 액적을 참조하여 사용될 때, 2개 이상의 액적을 하나의 액적으로 조합하는 결과를 초래하기에 충분한 액적 동작의 임의의 조합이 사용될 수 있다. 예를 들어, "액적(A)을 액적(B)과 병합하는 것"은 액적(A)을 정지적인 액적(B)과 접촉되게 운반하는 것, 액적(B)을 정지적인 액적(A)과 접촉되게 운반하는 것, 또는 액적(A) 및 액적(B)을 서로 접촉되게 운반하는 것에 의해서 달성될 수 있다.
"분할하는 것", "분리하는 것", 및 "나누는 것" 등은 적어도 하나 이상의 액적으로부터 하나 초과의 액적을 생성하는 것을 설명하기 위해서 사용된다. 이러한 용어들은 결과적인 액적의 부피와 관련된 어떠한 특정 결과도 암시하기 위한 것이 아니고(즉, 결과적인 액적의 부피는 동일하거나 상이할 수 있음), 또는 결과적인 액적의 수를 암시하기 위한 것이 아니다(결과적인 액적의 수는 2개, 3개, 4개, 5개, 또는 그 초과일 수 있음).
"혼합"은, 액적 내의 하나 이상의 성분의 보다 균질한 분포를 초래하는 액적 동작을 지칭한다. 액적 "적재" 동작의 예는 미세투석 적재, 압력-보조 적재, 로봇 적재, 피동적 적재, 및 및 피펫 적재를 포함한다.
"셔틀링" 또는 "사이클링"은 액적을 액적 액추에이터 상의 2개 이상의 위치들 사이에서 반복적으로 이동시키기 위해서, 전기 습윤 매개 액적 운반 동작과 같은, 액적 동작을 이용하는 것을 의미한다. 셔틀링은 2개 이상의 위치들 사이에서 전후로 이루어질 수 있고/있거나, 액적을 2개 이상의 위치들에 반복적으로 전달하기 위한 하나 이상의 루프 주위의 반복적인 운반을 포함할 수 있다. 위치는, 예를 들어, 열 구역, 검출 구역, 또는 기타일 수 있다. 셔틀링 또는 사이클링 경로가 종종 "셔틀링 경로" 또는 "사이클링 경로"로 지칭될 수 있다.
"필러 유체"는 액적 액추에이터의 액적 동작 기판과 관련된 유체를 의미하고, 이러한 유체는 액적 상(droplet phase)과 충분히 혼화되지 않고, 그에 따라 전극을 매개로 하는 액적 동작이 액적 상에 적용될 수 있게 한다. 예를 들어, 액적 액추에이터의 액적 동작 갭은 일반적으로 필러 유체로 충진된다. 필러 유체는 예를 들어 실리콘 오일 또는 헥사데칸 필러 유체와 같은 저-점도 오일이거나 이러한 저-점도 오일을 포함할 수 있다. 필러 유체는 플루오로화 오일 또는 퍼플루오로화 오일과 같은 할로겐화 오일일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 필러 유체는 액적 액추에이터의 전체 갭을 충진할 수 있거나, 액적 액추에이터의 하나 이상의 표면을 코팅할 수 있다. 필러 유체는, 액적 동작 개선 및/또는 액적으로부터의 시약 또는 표적 물질의 손실 감소, 미세액적의 형성 개선, 액적들 사이의 교차 오염 감소, 액적 액추에이터 표면의 오염 감소, 액적 액추에이터 재료의 열화 감소 등을 위해서 선택될 수 있다. 예를 들어, 필러 유체는 액적 액추에이터 재료와 양립 가능하도록 선택될 수 있다. 예로서, 플루오르화 필러 유체가 플루오르화 표면 코팅과 함께 유용하게 이용될 수 있다. 플루오르화 필러 유체는 (예를 들어, Krabbe, Niemann-Pick 또는 다른 분석에서 사용하기 위한) 친유성 화합물, 예를 들어 6-헥사데카노일아미도-4-메틸움벨리페론 기판과 같은 움벨리페론 기판의 친유성 화합물의 손실을 줄이는 데 유용하며; 다른 움벨리페론 기판은 2011년 5월 19일자로 공개된 미국 특허 공개 제20110118132호에 설명되어 있고, 그 개시 내용의 전체는 본원에 참조로 포함된다. 적합한 플루오르 오일의 예는 Galden 라인의 플루오르 오일, 예를 들어 Galden HT170 (bp = 170℃, 점도 = 1.8 cSt, 20℃에서의 밀도 = 1.77 g/cm3), Galden HT200 (bp = 200℃, 점도 = 2.4 cSt, 20℃에서의 d = 1.79 g/cm3), Galden HT230 (bp = 230℃, 점도 = 4.4 cSt, 20℃에서의 d = 1.82 g/cm3) (이들 모두는 Solvay Solexis로부터 입수할 수 있음); Novec 라인의 플루오르 오일, 예를 들어 Novec 7500 (bp = 128C, 점도 = 0.8 cSt, d = 1.61 g/cm3), Fluorinert FC-40 (bp = 155℃, 점도 = 1.8 cSt, d = 1.85 g/cm3), Fluorinert FC-43 (bp = 174℃, 점도 = 2.5 cSt, d = 1.86 g/cm3)(이들 2개 모두는 3M으로부터 입수할 수 있음). 일반적으로, 플루오르화 필러 유체의 선택은 동적 점도(7 cSt 미만이 바람직하나, 이러한 것이 요구되는 것은 아님), 및 비등점(DNA/RNA-기반의 적용예(PCR, 등)에서의 사용의 경우, 150℃ 보다 높은 것이 바람직하나, 이러한 것이 요구되는 것은 아님)을 기초로 한다.
"Prime editing(프라임 에디팅)"은, 새로운 유전 정보를 특정 DNA 부위 내로 직접 집어넣는 조정 가능한 그리고 특정적인 유전자 편집 방법을 의미한다.
"PCR"은 "중합효소 연쇄 반응"을 의미한다.
"PCR"은 "정량적 중합효소 연쇄 반응"을 의미한다.
"저장 용기"는 액체를 유지, 저장, 또는 공급하도록 구성된 외장 또는 부분적 외장을 의미한다.
본 발명의 액적 액추에이터 시스템은 카트리지-상의 저장 용기 및/또는 카트리지-외부의 저장 용기를 포함할 수 있다. 카트리지-상의 저장 용기는 (1) 액적 동작 갭 내의 또는 액적 동작 표면 상의 저장 용기인, 액추에이터-상의 저장 용기; (2) 액적 액추에이터 카트리지 상의, 그러나 액적 동작 갭 외측의, 그리고 액적 동작 표면과 접촉하지 않는 저장 용기인 액추에이터-외부의 저장 용기; 또는 (3) 액추에이터-상의 영역 및 액추에이터-외부의 영역을 가지는 하이브리드 저장 용기일 수 있다. 액추에이터-외부의 저장 용기의 예는 상단 기판 내의 저장 용기이다. 액추에이터-외부의 저장 용기는 일반적으로 액추에이터-외부의 저장 용기로부터 액적 동작 갭 내로의, 예를 들어 액추에이터-상의 저장 용기 내로의 액체 유동을 위해서 배열된 개구부 또는 유동 경로와 유체 연통된다. 카트리지-외부의 저장 용기는, 액적 액추에이터 카트리지의 일부가 아닌, 그러나 액체를 액적 액추에이터 카트리지의 소정 부분으로 유동시키는 저장 용기일 수 있다. 예를 들어, 카트리지-외부의 저장 용기는, 동작 중에 액적 액추에이터 카트리지가 커플링되는 시스템 또는 도킹 스테이션의 일부일 수 있다. 마찬가지로, 카트리지-외부의 저장 용기는, 카트리지-상의 저장 용기 내로 또는 액적 동작 갭 내로 유체를 강제하기 위해서 사용되는 시약 저장 컨테이너 또는 주사기일 수 있다. 카트리지-외부의 저장 용기를 사용하는 시스템은 일반적으로 유체 통과 수단을 포함할 것이고, 그에 의해서 액체는 카트리지-외부의 저장 용기로부터 카트리지-상의 저장 용기 내로 또는 액적 동작 갭 내로 전달될 수 있다.
친수성 표면과 같은 표면을 세척하는 것과 같은 "세척"은, 표면과 접촉되는, 또는 표면과 접촉하는 액적으로부터 표면에 노출되는 하나 이상의 물질의 양 및/또는 농도를 감소시키는 것을 의미한다. 물질의 양 및/또는 농도의 감소는 부분적일 수 있고, 실질적으로 완전할 수 있고, 또는 심지어 완전할 수 있다. 물질은 매우 다양한 물질 중 임의의 물질일 수 있고; 예에는 추가적인 분석을 위한 표적 물질, 및 원치 않는 물질, 예를 들어 샘플의 성분, 오염물질, 또는 과다 시약 또는 완충액을 포함한다.
"상단", "하단", "위", "아래", 및 "~ 상에"는 액적 액추에이터의 구성요소들의 상대적인 위치들, 예를 들어 액적 액추에이터의 상단 및 하단 기판들의 상대적인 위치들을 참조하여 설명 전체를 통해서 사용된다. 많은 경우에 액적 액추에이터가 공간 내의 그 배향과 관계 없이 기능한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 임의의 형태의 액체(예를 들어, 이동하거나 정지적이거나 간에, 액적 또는 연속적인 본체(body))가 전극, 어레이, 매트릭스, 또는 표면 "~ 상에", "~에", 또는 "~ 위에" 있는 것으로 설명될 때, 이러한 액체는 전극/어레이/매트릭스/표면과 직접 접촉될 수 있거나, 액체와 전극/어레이/매트릭스/표면 사이에 개재된 하나 이상의 층 또는 필름과 접촉될 수 있다. 액적이 액적 액추에이터 "상에 있는 것" 또는 "상에 적재되는 것"으로 설명될 때, 액적 액추에이터를 사용하여 하나 이상의 액적 동작을 액적에서 수행하는 것을 촉진하는 방식으로 액적이 액적 액추에이터 상에 배열된다는 것, 액적의 특성을 감지하는 것 또는 액적으로부터 신호를 감지하는 것을 촉진하는 방식으로 액적이 액적 액추에이터 상에 배열된다는 것, 및/또는 액적 액추에이터 상에서 액적에 대해서 액적 동작이 수행되었다는 것을 이해하여야 한다.
디지털 미세유체의 미세 영역 열 제어
본 개시 내용은 미세 영역 열 제어를 위한 통합된 가열기 및 센서를 포함하는 디지털 미세유체(DMF) 시스템, 카트리지, 및 방법을 제공한다. DMF 카트리지(또는 디바이스)는 통합된 가열을 가질 수 있다. 통합된 가열기 및 센서는 PCB 상에서 또는 내로 제조될 수 있다. PCB는 액적 액추에이터의 기판일 수 있다. PCB-통합 가열기 및 PCB-통합 센서는 DMF 카트리지(또는 디바이스) 내의 미세 영역 온도 제어를 위해서 구성될 수 있다. Smith 등의 "Methods of On-Actuator Temperature Measurement"라는 명칭의 미국 특허 US20160161343A1은 그 전체가 참조로서, 그리고 특히 관련 가열기 및 센서를 교시하기 위해서 본원에 포함된다.
도 1은, DMF 카트리지(또는 디바이스)(110)의 PCB에 통합된 가열기(112) 및 센서(118)를 포함하는 DMF 시스템(100)의 예의 블록도이다. 일반적으로, DMF 시스템(100)은 DMF 카트리지 상의 가열 시스템에 전기 습윤 능력을 제공하고, 여기에서 가열 시스템은 (1) 폐쇄-루프 제어, (2) 높은 정확도, 및 (3) 최소 바이어스를 제공한다.
DMF 카트리지(110)는, 액적 동작을 실행하도록 배열된 액적 동작 전극을 갖는 하나 이상의 기판을 포함할 수 있다. DMF 시스템(100)은 높은 정확도 및 최소 바이어스를 갖는 가열 시스템의 폐쇄-루프 제어를 제공할 수 있다.
DMF 시스템(100)은 제어기(150), DMF 인터페이스(152), 열 이미징 카메라(154), 열 제어(가열 및 감지 모두를 포함) 전자 기기(156), 및 하나 이상의 전력 공급원(158)을 포함할 수 있다. 제어기(150)는 DMF 시스템(100)의 다양한 하드웨어 구성요소, 예를 들어 DMF 카트리지(110), 열 이미징 카메라(154), 열 제어 전자 기기(156), 및 전력 공급원(158)에 전기적으로 커플링될 수 있다. 제어기(150)는 DMF 인터페이스(152)를 통해서 DMF 카트리지(110)에 전기적으로 커플링될 수 있고, DMF 인터페이스(152)는, 예를 들어, DMF 카트리지(110)에 기계적으로 그리고 전기적으로 연결하기 위한 플러그 가능 인터페이스일 수 있다. DMF 카트리지(110), 제어기(150), DMF 인터페이스(152), 열 이미징 카메라(154), 열 제어 전자 기기(156), 및 전력 공급원(158)은 DMF 기구(105)를 함께 포함할 수 있다.
제어기(150)는, 예를 들어, 범용 컴퓨터, 특수 목적 컴퓨터, 개인용 컴퓨터, 태블릿 디바이스, 스마트폰, 스마트워치, 마이크로프로세서, 또는 기타 프로그래밍 가능 데이터 처리 장치일 수 있다. 제어기(150)는 처리 능력, 예를 들어 소프트웨어 명령어의 저장, 해석, 및/또는 실행뿐만 아니라, DMF 시스템(100)의 전체 동작의 제어를 제공할 수 있다. 소프트웨어 명령어는, 명령어의 실행을 위해서 제어기(150)가 접근할 수 있는 비-일시적 메모리 내에 저장된 기계-판독 가능 코드를 포함할 수 있다. 제어기(150)는 이러한 디바이스의 데이터 및/또는 전력 양태를 제어하도록 구성 및 프로그래밍될 수 있다. 예를 들어, DMF 카트리지(110)와 관련하여, 제어기(150)는 전극을 활성화 및/또는 비활성화함으로써 액적 조작을 제어할 수 있다. 일반적으로, 제어기(150)는 DMF 시스템(100)의 임의의 기능을 위해서 사용될 수 있다. 또한, 제어기(150)는 PCB-통합된 가열기(112)의 임의의 배열을 제어하기 위한 초고속 알고리즘을 포함할 수 있다.
DMF 기구(105)는 네트워크에 연결될 수 있다. 예를 들어, 제어기(150)는 네트워크(162)를 통해서 네트워크화된 컴퓨터(160)와 통신할 수 있다. 네트워크화된 컴퓨터(160)는, 예를 들어, 임의의 중앙 집중 서버 또는 클라우드 서버일 수 있다. 네트워크(162)는, 예를 들어, 인터넷에 연결하기 위한 근거리 네트워크(LAN) 또는 광역 네트워크일 수 있다.
열 이미징 카메라(154)는, 적외선을 가시광선으로 렌더링하는 열화상 카메라의 일종이다. 열 이미징 카메라는, 예를 들어, 연기, 어둠, 또는 열-투과성 장벽을 통해서 열의 지역을 확인하기 위해서 소방관에 의해서 사용된다. DMF 시스템(100)에서, 열 이미징 카메라(154)는, 예를 들어, FLIR ETS320 카메라(FLIR Systems, Sweden으로부터 입수 가능) 또는 Fluke Ti40FT 적외선 카메라일 수 있다.
열 제어 전자 기기(156)는 DMF 카트리지(110)의 동작 온도를 제어하기 위해서 제공될 수 있다. 열 제어 전자 기기(156)는, 예를 들어, DMF 카트리지(110)와 관련하여 배열된 가열기(예를 들어, 펠티어 요소 및 저항 가열기) 및/또는 냉각기를 제어하기 위해서 사용되는 임의의 열 센서를 포함할 수 있다. 열 제어 전자 기기(156)는 하나 이상의 PCB-통합 가열기(112) 및 하나 이상의 PCB-통합 센서(118)와 인터페이싱하기 위해서 사용될 수 있다. 예를 들어, 열 제어 전자 기기(156)는 하나 이상의 PCB-통합 가열기(112)를 위한 구동 회로 소자 및 하나 이상의 PCB-통합 센서(118)를 위한 제어 회로 소자를 제공할 수 있다.
DMF 카트리지(110)의 하나 이상의 전력 공급원(158)은, 예를 들어, 하나 이상의 재충전 가능한 배터리 또는 재충전할 수 없는 배터리일 수 있다. 하나 이상의 전력 공급원(158)은 전력을 DMF 카트리지(110)의 임의의 능동 구성요소에 공급한다. 일 예에서, 하나의 전력 공급원(158)은 전력을 DMF 카트리지(110)의 하나 이상의 PCB-통합 가열기(112)에 공급하고, 다른 전력 공급원(158)은 전력을 제어기(150), 열 이미징 카메라(154), 및/또는 열 제어 전자 기기(156)에 공급한다.
DMF 시스템(100)에서 그리고 PCB-통합 가열기(112)와 관련하여, 피드백을 이용하여, 액적 작동 속도를 최적화하고 액적 동작이 성공적으로 완료되었다는 것을 검증하기 위한 폐쇄-루프 제어 시스템을 생성할 수 있다. 예를 들어, PCB-통합 센서(118) 및 열 이미징 카메라(154)는 PCB-통합 가열기(112)로부터 제어기(150) 및/또는 열 제어 전자 기기(156)로의 열 피드백 메커니즘으로서 사용될 수 있다.
도 2는 DMF 카트리지(110)의 인쇄 회로 보드(PCB) 기판(200)의 예의 평면도를 도시한다. PCB 기판(200)은 전극 구성과 관련된 통합된 가열기/센서 배열을 포함할 수 있다. 일반적으로, DMF 디바이스는, 액적 동작이 내부에서 수행되는 챔버를 형성하는 갭(즉, 액적 동작 갭)에 의해서 분리된 2개의 기판들로 구성된다. 일 예에서, DMF 디바이스는, 층들 사이의 갭에 의해서 분리된, PCB 기판 및 유리 또는 플라스틱 표면을 포함할 수 있다. DMF 시스템(100)에서, PCB 기판(200)은 DMF 카트리지(110)의 PCB 기판의 예일 수 있다.
PCB 기판(200)은, 예를 들어, 전극 구성(250)과 관련된 통합된 가열기/센서 배열(210)을 포함할 수 있다. DMF 카트리지(110)에서, 예를 들어, 전극 구성(250)은 액적 운반, 병합, 혼합, 분할, 분배, 희석, 교반, 세척, 재구성, 변형(성형), 및 다른 유형의 액적 동작을 위해서 사용될 수 있다. 또한, 가열기/센서 배열(210)은 전극 구성(250)의 검출 전극(또는 스폿)(260)과 관련하여 제공될 수 있다. 가열기/센서 배열(210)은, 예를 들어, 각각의 PCB-통합 센서(118)를 갖는 복수의 PCB-통합 가열기(112)를 포함할 수 있다. 가열기/센서 배열(210) 및 전극 구성(250)의 예의 더 상세한 내용이 이하에서 도 3, 도 4, 및 도 5를 참조하여 예시되고 설명된다.
가열 시스템
도 3은 도 2에 도시된 전극 구성(250)과 관련된 통합된 가열기/센서 배열(210)의 예의 평면도이다. 전극 구성(250)은, 예를 들어, 액적 동작 전극(252)(예를 들어, 전기 습윤 전극)의 다양한 라인, 경로, 및/또는 어레이를 포함할 수 있다. 또한, 저장 용기 전극(254)의 다수의 배열이 다양한 액적 동작 전극(252)의 다양한 라인, 경로, 및/또는 어레이를 공급한다. 저장 용기 전극(254)의 다수의 배열은 DMF 카트리지(110)의 카트리지-상의 저장 용기(미도시)를 지원한다.
전극 구성(250)에서, 액적 동작 전극(252)은 지정된 검출 전극(또는 스폿)(260)일 수 있다. 통합된 가열기/센서 배열(210)은 검출 전극(260)에 대해서 배치될 수 있다. 예를 들어, 가열기/센서 배열(210)은, 9개의 각각의 PCB-통합 센서(118)를 갖는 9개의 PCB-통합 가열기(112)의 3 x 3 배열을 포함할 수 있다. 이러한 예에서, 3 x 3 배열의 가장 중심의 PCB-통합 가열기(112) 및 PCB 통합 센서(118)는 검출 전극(260)과 실질적으로 정렬된다.
따라서, PCB-통합 가열기(112) 및 PCB-통합 센서(118)의 3 x 3 배열은 단일 검출 전극(260)에서 온도 제어를 보조한다. 이러한 예에서, ("경계 가열기"로 지칭되는) 검출 전극(260)의 주변부 주위의 나머지 8개의 PCB-통합 가열기(112) 및 PCB-통합 센서(118)는 가장 중심의 PCB-통합 가열기(112) 및 PCB-통합 센서(118)를 보조하여 검출 전극(260)에서 일정 온도를 유지하는 역할을 할 수 있다.
다른 실시형태에서, 물리적 공간 내에서 희망하는 배열로 위치된 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개, 또는 그 초과의 PCB-통합 가열기가 있을 수 있다. 다른 실시형태에서, 물리적 공간 내에서 희망하는 배열로 위치된 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개, 또는 그 초과의 PCB-통합 센서가 있을 수 있다. 다른 실시형태에서, 물리적 공간 내에서 희망하는 배열로 위치된 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개, 또는 그 초과의 검출 전극이 있을 수 있다.
다른 실시형태에서, 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개, 또는 그 초과의 PCB-통합 가열기 및 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개, 또는 그 초과의 PCB-통합 센서 그리고 1개, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개, 또는 그 초과의 검출 전극은 서로 침범하지 않고 온도를 정확하게 제어하는 데 도움이 되는 임의의 구성으로 배열될 수 있다. 다양한 크기 및 형상의 가열기, 센서 및 검출기가 사용될 수 있다.
도 4a는 검출 전극(260)과 관련된 PCB-통합 가열기(112) 및 PCB-통합 센서(118)의 3 x 3 배열을 포함하는 예시적인 가열기/센서 배열(210)의 근접 평면도를 도시한다. 예를 들어, 3 x 3 배열은 PCB-통합 가열기(112a, 112b, 112c, 112d, 112e, 112f, 112g, 112h, 및 112i)를 포함할 수 있고, 가장 중심의 PCB-통합 가열기(112e)는 검출 전극(260)과 실질적으로 정렬된다. 또한, 3 x 3 배열은 PCB-통합 센서(118a, 118b, 118c, 1128, 118e, 118f, 118g, 118h, 및 118i)를 포함할 수 있고, 가장 중심의 PCB-통합 센서(118e)는 검출 전극(260)과 실질적으로 정렬된다.
DMF 시스템(100)에서, PCB-통합 가열기(112)와 PCB-통합 센서(118)의 각각의 페어링은 열 구역을 나타낼 수 있다. 따라서, 검출 스폿(예를 들어, 검출 전극(260))에 또는 그 주위에 위치되는 가열기 및 센서는 액적이 빠른 열 PCR 사이클링을 거치는 동안 실시간 형광 모니터링을 할 수 있게 한다. PCB-통합 가열기(112) 및 PCB-통합 센서(118)의 3 x 3 배열을 포함하는 통합된 가열기/센서 배열(210)은 예를 들어 도 1에 도시된 DMF 카트리지(110)와 같은 DMF 카트리지 내의 미세 영역 열 제어 제공의 예일 수 있다.
도 4b는 3 x 3 가열기 배열의 예시적인 레이아웃을 도시한다. 컬럼(B 및 C) 내의 가열기는 사이클 경로 내의 목적지 전극과 연관된 갭 내의 목표 온도를 형성한다. 컬럼(A) 내의 가열기는 경계 전극이고, 이는 컬럼(B) 내의 가열기에 의해서 형성된 온도 구역의 온도를 유지하는 데 도움을 준다.
예를 들어, 가열기(C1, C2 및 C3)는 변성 온도로 설정될 수 있다. 가열기(B1, B2 및 B3)는 어닐링 온도로 설정될 수 있다. 그리고 경계 가열기로서 기능하는 가열기(A1, A2 및 A3)는 가열기(B1, B2 및 B3)의 어닐링 온도와 매칭되도록 설정될 수 있다. 액적이 사이클 경로(α, β 및 γ)를 따라서 사이클링되어 열 사이클링을 수행할 수 있다. 사이클 경로(α, β 및 γ)를 따른 운반은 가열기들에 의해서 형성된 열 구역들 내의 전극들 사이의 액적 동작 갭 내에서 전극(미도시)의 경로에 의해서 이루어질 수 있다.
다른 예에서, 가열기(C1, C2 및 C3)는 어닐링 온도로 설정될 수 있다. 가열기(B1, B2 및 B3)는 변성 온도로 설정될 수 있다. 그리고 경계 가열기로서 기능하는 가열기(A1, A2 및 A3)는 가열기(B1, B2 및 B3)의 변성 온도와 매칭되도록 설정될 수 있다. 액적이 사이클 경로(α, β 및 γ)를 따라서 사이클링되어 열 사이클링을 수행할 수 있다. 사이클링 경로의 단부-대-단부 길이는 매우 짧을 수 있고, 예를 들어 약 5,000 ㎛ 미만, 또는 약 1,500 ㎛ 미만, 또는 약 1,000 ㎛ 미만, 또는 약 500 ㎛ 미만, 또는 약 250 ㎛ 미만, 또는 약 100 ㎛ 미만, 또는 약 50 ㎛ 미만, 또는 약 10 ㎛ 미만일 수 있다.
도 4b에 도시된 레이아웃은 예를 들어 각각의 가열기(B1, B2 및 B3)의 중앙 영역 내에서 검출 스폿을 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, 하나의 검출 스폿이 각각의 가열기(B1, B2 또는 B3)의 중앙 영역 내에 위치될 수 있다. 검출 스폿을 갖는 사이클 경로는 실시간 PCR 검출을 위해서 이용될 수 있는 한편, 검출 스폿을 가지지 않는 사이클 경로는 실시간 검출이 없이 사이클될 수 있고, 이어서 액적을 종료-지점 검출을 위한 검출 스폿으로 운반할 수 있다. 이는, 검출기 스폿에서 낮은 오염 가능성을 가지고, 다수의 반응의 병렬 사이클링을 가능하게 한다. 일 예에서, 표적이 실시간 사이클 경로에서 사이클링되는 한편, 대조물(control)은 종료-지점 경로에서 사이클된다.
도 4b에 도시된 사이클 경로가 선형이지만, 루프형 경로 또는 L-형상 경로를 포함하는 다양한 사이클 경로가 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. L 형상 경로 및 루프형은 열 사이클링 중에 다수의 액적이 단일 검출기를 공유할 수 있게 하는 데 있어서 특히 적합하다. 또한, 열 구역의 상대적인 크기가 액적 동작 전극에 비해서 더 크거나, 그와 동일하거나, 더 작을 수 있다.
도 4c는 3 x 3 가열기 배열의 레이아웃을 도시하고, 여기에서 사이클 경로(α 및 β)는 가열기(B2)의 중앙 영역 내에 위치된 검출 스폿(미도시)을 공유한다. 이러한 레이아웃의 가열기는, 예를 들어, 도 4b에 대해서 전술한 바와 같이 설정된 온도를 가질 수 있다. 이러한 예에서, 사이클 경로는 L-형상이다.
도 4d는 도 4b의 사이클 경로를 따른 몇 개의 전극 배열을 도시한다. 사이클 경로의 말단 지점은 가열기 배열에 의해서 형성된 온도 구역 내에 위치된다.
전극 배열(A)은, 사이클 경로의 각각의 말단 지점에 1개씩인, 단지 2개의 전극을 포함한다. 따라서, 이러한 경로 상의 액적은 열 사이클링 목적을 위해서 단지 인접 전극으로 그리고 그 반대로 운반될 필요가 있다.
전극 배열(B)은, 사이클 경로의 각각의 말단 지점에 1개씩의 전극 그리고 하나의 개재 전극인, 단지 3개의 전극을 포함한다. 따라서, 이러한 경로 상의 액적은 열 사이클링 목적을 위해서 3-전극 경로를 따라서만 운반될 필요가 있다. 중앙 전극(E2)이 E1 및 E3과 동일한 치수로 도시되어 있으나, E2는 또한 E1 또는 E3 보다 크거나 작을 수 있다. 그리고 E2가 또한 다수의 전극을 포함할 수 있다.
비록 사이클 경로가 여기에서 하나의 전극에서 종료되는 것으로 도시되어 있지만, 사이클 경로의 말단은 전극의 그룹일 수 있다. 예를 들어, 액적은 2-전극 말단에 전달될 수 있고, 여기에서, 액적이 관련 열 구역에서 유지되는 동안(예를 들어, 변성 온도 또는 어닐링 온도에서 유지되는 동안), 각각 전기 습윤을 매개로 하는 액적 동작을 이용하여, 액적은 전후로 셔틀링되거나 연신된다.
전극 배열(C)은, 사이클 경로의 각각의 말단 지점에 1개씩의 전극 그리고 2개의 개재 전극인, 단지 4개의 전극을 포함한다. 따라서, 이러한 경로 상의 액적은 열 사이클링 목적을 위해서 4-전극 경로를 따라서만 운반될 필요가 있다.
전극 배열(A, B 및 C)에서, 사이클 경로의 말단부들 사이의 거리가 매우 짧을 수 있다. 예를 들어, 사이클링 경로는, 약 5,000 ㎛ 미만, 또는 약 1,500 ㎛ 미만, 또는 약 500 ㎛ 미만, 또는 약 100 ㎛ 미만, 또는 약 10 ㎛ 미만일 수 있는, 변성을 위해서 액적이 유지되는 전극 또는 전극들로부터 액적이 어닐링을 위해서 유지되는 전극 또는 전극들까지의 거리를 갖는다.
사이클 경로의 어느 하나의 단부 또는 양 단부에 위치되는 열 구역은, 관련 사이클 경로 말단부 아래에 위치되지 않으나 관련 사이클 경로 말단부에서 일정한 온도를 유지하는 것을 지원하는, 경계 가열기에 의해서 지지될 수 있다.
일 실시형태에서, PCR 사이클은 약 6 초 미만, 또는 약 1 초 미만, 또는 약 0.5 초 미만, 또는 약 500 밀리초 미만, 또는 약 100 밀리초 미만의 기간 내에 완료된다. 본 발명의 시스템에서, 사이클 시간은 제어기에 의해서 제어될 수 있다.
사이클의 타이밍은 운반 시간 및 사이클 경로의 말단부에서 유지되는 시간을 포함한다. 일 실시형태에서, 사이클링되는 액적은 약 3 초 이하, 또는 약 1 초 이하, 또는 약 0.5 초 이하, 또는 약 500 밀리초 이하, 또는 약 0초의 기간 동안 변성 온도에서 유지된다. 일 실시형태에서, 사이클링되는 액적은 약 3 초 이하, 또는 약 1 초 이하, 또는 약 0.5 초 이하, 또는 약 500 밀리초 이하, 또는 약 0초의 기간 동안 어닐링 온도에서 유지된다. 액적은, 특정 전극에서 유지하는 것 및/또는 액적이 열 사이클링 경로를 횡단할 때 액적이 확장 온도에 도달하도록 보장하는 속도로 열 구배를 통해서 운반하는 것에 의해서, 확장 온도에서 유지될 수 있다. 본 발명의 시스템에서, 유지 시간은 제어기에 의해서 제어될 수 있다.
일 실시형태에서, 사이클링되는 액적은 약 3 초 이하, 또는 약 1 초 이하, 또는 약 0.5 초 이하, 또는 약 500 밀리초 이하, 또는 약 0 초의 기간 동안 변성 온도의 사이클 경로 상의 전극 또는 전극들에서 유지된다. 일 실시형태에서, 사이클링되는 액적은 약 3 초 이하, 또는 약 1 초 이하, 또는 약 0.5 초 이하, 또는 약 500 밀리초 이하, 또는 약 0 초의 기간 동안 어닐링 온도의 사이클 경로 상의 전극 또는 전극들에서 유지된다. 본 발명의 시스템에서, 유지 시간은 제어기에 의해서 제어될 수 있다.
일 실시형태에서, 사이클 경로의 변성 영역으로부터 사이클 경로의 어닐링 영역으로의 전환 시간은 약 100 밀리초 미만, 또는 약 50 밀리초 미만, 또는 약 25 밀리초 미만, 또는 약 10 밀리초 미만, 또는 약 1 밀리초 미만, 또는 약 0.1 밀리초 미만이다. 전환 시간은 전극으로부터 제1 열 구역 내의 목적지 전극까지 측정될 수 있거나, 전극 또는 전극의 그룹으로부터 목적지 열 구역 내의 목적지 전극 또는 전극의 그룹까지, 예를 들어 어닐링 열 구역으로부터 변성 열 구역까지, 또는 변성 열 구역으로부터 어닐링 온도 열 구역까지 측정될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 가열기/센서 배열(210)의 각각 하나의 통합된 PCB-통합 가열기(112) 및 PCB-통합 센서(118)의 예의 평면도 및 횡단면도를 도시한다. 도 5B는 도 5A의 A-A를 따라서 취한 횡단면도이다. 일 예에서, PCB-통합 가열기(112)는 2개의 가열기 전기 접촉 패드들(116) 사이에 배열된 가열기 요소(114)를 포함한다. 가열기 요소(114)는 저항 재료, 예를 들어 비제한적으로, 흑연 또는 카본 블랙과 같은 세라믹 재료, 이규화 몰리브덴과 같은 세라믹 금속, 예를 들어 니켈, 몰리브덴 및 텅스텐 합금과 같은 금속 합금, 중합체 후막(Polymer Thick Film)(PTF) 가열기 또는 에폭시 기반 가열기와 같은 중합체 기반 재료로 형성될 수 있다. 가열기 전기 접촉 패드(116)는 구리, 금, 또는 은 패드일 수 있다. PCB-통합 센서(118)는 센서 트레이스(120)를 포함할 수 있다. 센서 트레이스(120)는, 예를 들어, 각각의 단부(예를 들어, 트레이스 단부(122))에서 전기적으로 접촉될 수 있는 구불구불한 경로를 가질 수 있다. 일 예에서, PCB-통합 센서(118)는, 구리 센서 트레이스(120)를 포함하는 구리-기반의 센서일 수 있다.
도 5b에서, PCB-통합 가열기(112) 및 PCB-통합 센서(118)는 다층 PCB를 이용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, PCB-통합 가열기(112) 및 PCB-통합 센서(118)를 형성하는 구조물이 PCB 기판(170), PCB 기판(170)의 최상단에 형성된 카본 블랙 가열기 요소(114), 카본 블랙 가열기 요소(114)의 최상단에 형성된 가열기 전기 접촉 패드(116), 카본 블랙 가열기 요소(114)의 최상단에 형성된 구리 센서 트레이스(120), 및 구리 센서 트레이스(120)의 최상단에 형성된 액적 동작 전극(252)을 포함할 수 있다. 또한, 필요한 경우, 카본 블랙 가열기 요소(114), 가열기 전기 접촉 패드(116), 구리 센서 트레이스(120), 및/또는 액적 동작 전극(252) 사이의 전기 절연이 다양한 유전체 및/또는 절연 층(172)에 의해서 제공될 수 있다.
PCB-통합 가열기(112)와 PCB-통합 센서(118)의 상응 부분의 각각의 페어링은 열 구역을 나타낼 수 있다. 적은 전력을 이용하여 다수의 열 구역을 가열하기 위해서, 카본 블랙 가열기 요소(114)를 사용하는 것이 예를 들어 구리를 사용하는 것 보다 유리할 수 있다. 예를 들어, 카본 블랙은 동일 면적의 구리보다 적어도 2자릿수만큼 더 큰 시트 저항을 제공한다. 예를 들어, 가열은 1 W의 에너지를 각각의 가열기에 공급하기 위해서 12 V 전력 레일 및 약 150 오옴의 시트 저항을 필요로 할 수 있다.
일부 실시형태에서, DMF 시스템(100)은 표준 4-와이어 측정 방법을 사용한다. 예를 들어, DMF 시스템(100)은, DMF 시스템(100)에서 요구되는 관심 동작 온도 범위(65℃ 내지 100℃)에 걸친 구리 트레이스의 저항(R)과 온도(T) 사이의 선형 관계를 이용할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는, PCB-통합 가열기(112) 및 PCB-통합 센서(118) 내에 존재할 수 있는 R-T 관계의 예를 도시한다. 도 6a는 PCB-통합 가열기(112)의 카본 블랙 가열기 요소(114)에 적용될 수 있는 열 R-T 특성에 대한 예시적인 구리 트레이스(600)를 도시한다. 도 6b는 구리의 저항과 온도 사이의 선형 관계의 플롯(605)을 도시하고, 구리의 측정된 온도 계수는 허용된 값의 1% 이내이다.
이제 도 7a, 도 7b, 도 7c, 및 도 7d를 참조하면, 이러한 도면들은 가열 균일성 및 온도 사이클링 시간에 대한 DMF 시스템(100)의 능력을 지원하는 데이터를 도시한다.
도 7a는 폐쇄-루프 감지 제어로 DMF 카트리지(예를 들어, DMF 카트리지(110))를 92℃까지 가열하기 위한 일곱개(7개)의 구역의 열 이미지(700)를 도시한다.
도 7b 및 도 7c는 열 이미지(705) 및 플롯(710)을 각각 도시하고, 중심 영역 내의 온도 균일성(0.5℃ 보다 낮음)이 RT로부터 100℃까지 7.77℃/초의 가열의 사양을 만족시킨다는 것을 보여 준다. 이러한 경우, 액적은, 빠른 열 사이클링 조건을 달성하기 위한 매우 빠른 속도로 가열기가 가열되고 냉각되는 동안, 열 구역 내에서 정지적으로 유지될 수 있다.
도 7d는, 중심 영역 내의 균일성(0.5℃ 보다 낮음)이 100℃로부터 37℃로의 3.9℃/초의 냉각에 관한 사양을 만족시키는 것을 나타내는 플롯(715)을 도시한다. 대류 냉각을 위한 팬 또는 전도 냉각을 위한 펠티에 또는 다른 능동적 냉각 디바이스를 배치하는 것에 의해서, 냉각 속도를 더 증가시킬 수 있다.
완전한 PCR 사이클에 걸친 전환이 전체 사이클당 약 20 초 미만일 수 있다. 완전한 PCR 사이클에 걸친 전환이 전체 사이클당 약 15 초 미만일 수 있다. 완전한 PCR 사이클에 걸친 전환이 전체 사이클당 약 10 초 미만일 수 있다. 완전한 PCR 사이클에 걸친 전환이 전체 사이클당 약 9 초 미만일 수 있다. 완전한 PCR 사이클에 걸친 전환이 전체 사이클당 약 8 초 미만일 수 있다. 완전한 PCR 사이클에 걸친 전환이 전체 사이클당 약 5 초 미만일 수 있다. 완전한 PCR 사이클에 걸친 전환이 전체 사이클당 약 2 초 미만일 수 있다.
완전한 PCR 사이클(△T = 30℃)에 걸친 전환이 전체 사이클당 약 20 초 미만일 수 있다. 완전한 PCR 사이클(△T = 30℃)에 걸친 전환이 전체 사이클당 약 15 초 미만일 수 있다. 완전한 PCR 사이클(△T = 30℃)에 걸친 전환이 전체 사이클당 약 10 초 미만일 수 있다. 완전한 PCR 사이클(△T = 30℃)에 걸친 전환이 전체 사이클당 약 9 초 미만일 수 있다. 완전한 PCR 사이클(△T = 30℃)에 걸친 전환이 전체 사이클당 약 8 초 미만일 수 있다.
일부 실시형태에서, DMF 시스템(100)은, 각각이 가열기의 측정을 위해서 공간적으로 고유적이고(spatially unique), 바람직하게 PCB-통합 가열기(112)에 상응하는 수의, 예를 들어 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개, 11개, 12개, 13개, 14개, 15개, 16개, 17개, 18개, 19개, 20개 또는 그 초과의 PCB-통합 센서(118)를 가지는 다중 구리 센서 설계를 제공한다. 일 예는, 도 2, 도 3, 및 도 4에 도시된 바와 같이 9개의 PCB-통합 가열기(112) 및 PCB-통합 센서(118)의 3 x 3 배열을 포함하는 가열기/센서 배열(210)이다.
일부 실시형태에서, DMF 시스템(100)은 감지 및 가열의 폐쇄 제어 루프 시스템을 DMF 카트리지(예를 들어, DMF 카트리지(110)) 상에서 제공한다. DMF 시스템(100)에서, 카트리지 감지 통합은, 가열이 빠른 열 사이클링을 위한 신속한 전달을 제공하는 동안, 온도의 실시간 피드백을 높은 정확도로 제공한다.
PCB-통합 가열기(112) 및 PCB-통합 센서(118)의 각각의 페어링에서, 구리 센서 트레이스(120)는, 예를 들어, DMF 기구(105)의 열 제어 전자 기기(156)에 전기적으로 연결될 수 있다. 열 제어 전자 기기(156)는, 각각의 구리 센서 트레이스(120)에 공급하는 일정 전류 또는 전압 공급원을 포함할 수 있다. 열 제어 전자 기기(156)는, 센서의 온도에 대한 센서 내의 구리 저항의 고유한 선형 관계를 사용하여 각 PCB-통합 가열기(112)의 온도를 측정하고 기록하기 위해서 PCB-통합 센서(118)를 사용하는 것과 관련된 데이터를 획득하는 능력을 포함할 수 있다.
예를 들어 구리의 저항 또는 전도도가 온도에 따라 변화되기 때문에, 하나의 예에서 열 제어 전자 기기(156)를 이용하여 일정 전류를 구리 센서 트레이스(120)에 제공할 수 있고 이어서 그 트레이스 단부(122)에 걸친 전압을 모니터링할 수 있다. 열 제어 전자 기기(156)를 이용하여 전압 값을 저항 값에 상호 관련시킬 수 있고, 이어서 저항 값을 온도에 상호 관련시킬 수 있으며, 여기에서 PCB-통합 가열기(112)는 열의 공급원이다. 도 8a 및 도 8b는 PCB-통합 가열기(112) 및 PCB-통합 센서(118)의 페어링을 구동하는 열 제어 전자 기기(156)의 일정 전류 공급원의 예의 개략도이다. 도 8a는 예를 들어 구리 센서 트레이스(120)를 통해서 일정한 전류 흐름을 제공하기 위해서 구리 센서 트레이스(120)의 트레이스 단부(122)에 걸쳐 전기적으로 연결된 일정 전류 공급원(800)을 도시한다. 도 8b는, 저항기(R)와 관련된 일정 전류 공급원(800)을 포함하는 감지 회로(810)를 도시한다. 저항기(R)는 구리 센서 트레이스(120)의 저항을 나타낸다. 열 제어 전자 기기(156)를 이용하여, 전류(I)가 일정하게 유지되는 반면 저항기(R)의 값이 온도에 따라 변화되는 상태에서, 전압(V)을 모니터링할 수 있다. 저항기(R)(구리 센서 트레이스(120))를 통한 전류가 일정하게 유지되고 저항기(구리 센서 트레이스(120))의 온도가 떨어지는 경우, 저항(R)이 감소되고, 그에 따라 전압(V)은 감소된다. 역으로, 구리 센서 트레이스(120)의 온도가 상승될 때, 구리 센서 트레이스(120)의 저항(R)이 증가되고, 이는 전압(V)을 증가시킨다.
예를 들어 구리의 저항 또는 전도도가 온도에 따라 변화되기 때문에, 다른 예에서 열 제어 전자 기기(156)를 이용하여 구리 센서 트레이스(120)의 트레이스 단부(122)에 걸쳐 일정한 전압을 제공할 수 있고, 이어서 구리 센서 트레이스(120) 내에서 흐르는 전류를 모니터링할 수 있고, 이어서 전류 값을 저항 값에 상호 관련시킬 수 있고, 이어서 저항 값을 온도에 상호 관련시킬 수 있으며, 여기에서 PCB-통합 가열기(112)가 열의 공급원이다. 도 9a 및 도 9b는 PCB-통합 가열기(112) 및 PCB-통합 센서(118)의 페어링을 구동하는 열 제어 전자 기기(156)의 일정 전압 공급원의 예의 개략도이다. 도 9a는 예를 들어 구리 센서 트레이스(120)의 트레이스 단부(122)에 걸쳐 일정한 전압을 제공하기 위해서 구리 센서 트레이스(120)의 트레이스 단부(122)에 걸쳐 전기적으로 연결된 일정 전압 공급원(900)을 도시한다. 도 9b는, 저항기(R)와 관련된 일정 전압 공급원(900)을 가지는 감지 회로(910)를 도시한다. 저항기(R)는 구리 센서 트레이스(120)의 저항을 나타낸다. 열 제어 전자 기기(156)를 이용하여, 전압(V)이 일정하게 유지되는 반면 저항기(R)의 값이 온도에 따라 변화되는 상태에서, 저항기(R)를 통해서 흐르는 전류(I)를 모니터링할 수 있다. 저항기(R)(구리 센서 트레이스(120))를 통한 전압(V)이 일정하게 유지되고 저항기(구리 센서 트레이스(120))의 온도가 떨어지는 경우, 저항(R)이 감소되고, 그에 따라 전류(I)가 증가된다. 역으로, 구리 센서 트레이스(120)의 온도가 상승될 때, 구리 센서 트레이스(120)의 저항(R)이 증가되고, 이는 전류(I)를 감소시킨다.
디지털 미세유체 시스템
도 10은, 예를 들어 DMF 시스템(100)의 임의의 가열기/센서 배열(210)을 제어하기 위한 열 제어 보드를 포함할 수 있는 DMF 기구(105)의 예의 사시도이다. 이러한 예에서, DMF 기구(105)는 주 제어 보드(1010), 예를 들어 임의의 가열기/센서 배열(210)을 제어하기 위한 열 제어 보드(1012), DMF 카트리지(1014)(예를 들어, 도 1에 도시된 DMF 카트리지(11)의 예), 광학 검출 시스템(1016), 운동 광학 마운트(kinematic optical mount)(1018), 분광 광도계(1020), 바코드 스캐너(1022), 및 전원(1024)을 포함할 수 있고, 이들 모두는 기구 본체(1030) 내에 수용된다. 이러한 예에서, 주 제어 보드(1010)는 도 1의 제어기(150)의 예일 수 있고, 열 제어 보드(1012)는 도 1의 열 제어 전자 기기(156)의 예일 수 있으며, DMF 카트리지(1014)는 도 1에 도시된 DMF 카트리지(110)의 예일 수 있고, 광학 검출 시스템(1016)은 도 1의 열 이미징 카메라(154) 또는 흡광도, 반사율, 형광 또는 발광 측정 시스템의 예일 수 있고, 전원(1024)은 도 1의 전력 공급원(158)의 예일 수 있다.
핵산 추출 및 증폭 프로토콜
통합된 PCB-통합 가열기 및 PCB-통합 센서를 갖는 DMF 카트리지(110)를 포함하는 DMF 시스템(100)은 병원체의 검출을 위해서 핵산 추출 및 증폭 프로토콜을 실행하도록 프로그래밍될 수 있다. 일부 실시형태에서, 병원체를 검출하기 위한 핵산 추출 및 증폭 프로토콜은 건조 시약 및 직접적인 면봉 입력과 함께 작업하도록 그리고 결과까지의 시간을 더 단축하도록 설계된다. 일부 실시형태에서, 병원체를 검출하기 위한 핵산 추출 및 증폭 프로토콜은 "하이브리드" 프로토콜이고, 여기에서 핵산은 먼저 "온-벤치(on-bench)" 프로토콜을 이용하여 자기 응답 비드 상으로 캡쳐되고 이어서 추가적인 처리를 위해서 DMF 카트리지 상으로 적재된다. 예를 들어, 도 11은 DMF 시스템(100) 및 DMF 카트리지(110)를 사용하여 환자 타액 샘플의 바이러스 감염을 테스트하기 위한 작업 흐름(1100)의 예의 흐름도이다.
도 12는 타액 또는 비강 면봉과 같은 구강 또는 비강 또는 비인두 또는 구인두 검체에 적용되는 예시적인 작업 흐름(1100)의 단계를 도시한다. 이러한 예에서, 많은 가능한 변경이 있지만, 작업 흐름(1100)은, 비제한적으로, 이하의 단계 그리고 부가적인 특정되지 않은 단계를 포함할 수 있다.
단계(1110)에서, 테스트되는 샘플, 예를 들어 타액 샘플을 획득한다. 일 예에서, 샘플은 선천성 거대세포 바이러스(cCMV)를 테스트하기 위한 신생아로부터 수집된 타액 샘플이다. 타액 샘플은, 예를 들어, 면봉을 이용하여 수집될 수 있고, 이러한 면봉은 이어서 완충액을 포함하는 테스트 튜브 내에 배치된다. 예를 들어, 완충액은, 2% 태아 소 혈청(FBS), 황산 젠타마이신 100μg/mL, 암포테리신 B 0.5μg/mL, 에탄올 70%를 포함할 수 있는, "Preparation of Viral Transport Medium" (SOP#: DSR-052-05)에 대한 미국 질병통제센터(CDC)의 프로토콜을 사용하여 준비될 수 있다. 타액 샘플을 완충액 내로 분산시키는 데 충분한 기간 후에, 예를 들어 일분(1분) 이하 내지 약 사십팔시간(48시간) 후에, 면봉을 테스트 튜브로부터 제거한다. 이러한 단계가 도 12에 도식적으로 도시되어 있다.
단계(1115)에서, 샘플은 DMF 카트리지 내로 적재되도록 준비된다. 예를 들어, 자기 응답 핵산 캡쳐 비드를 포함하는 결합 버퍼 용액을 샘플, 예를 들어 타액 샘플에 첨가할 수 있다. 일 예에서, 핵산 캡쳐 비드는 Dynabeads® MyOneTM SILANE 비드(Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA)이다. 이러한 단계가 도 12에 도식적으로 도시되어 있다.
단계(1120)에서, 샘플, 예를 들어 타액 샘플이 테스트를 위해서 DMF 카트리지의 샘플 저장 용기 내로 적재된다. 예를 들어, 자기 응답 캡쳐 비드를 갖는 샘플을, 샘플 내의 CMV DNA의 qPCR 검출을 위해서 구성된 DMF 카트리지(110)의 샘플 저장 용기 내로 적재한다. 일 예에서, 타액 샘플은, FINDER® 기구(Baebies, Inc., Durham, NC으로부터 입수 가능)의 데크 상으로 미리-적재된 DMF 카트리지(110)의 샘플 저장 용기 내로 전달된다. 일 예에서, 타액 샘플은 피펫을 이용하여 DMF 카트리지(110)의 샘플 저장 용기 내로 전달된다. 이러한 단계가 도 12에 도식적으로 도시되어 있다.
단계(1125)에서, CMV DNA를 위한 자동화된 qPCR 테스팅 프로토콜이 개시된다. 예를 들어, 샘플 준비 프로토콜(예를 들어, 비드 세척 및 캡쳐 비드로부터의 결합 DNA의 용출), qPCR 반응 개시(예를 들어, DNA 포함 액적을 qPCR 마스터 혼합 시약 액적과 조합), 및 qPCR 증폭 및 검출 프로토콜의 자동화된 단계가 수행된다. 일 예에서, "정적인" 또는 "제-위치의" qPCR 프로토콜이 CMV DNA의 증폭 및 검출을 위해서 사용될 수 있다. "정적인" 또는 "제-위치의" qPCR 프로토콜에서, 액적은 정지되고 온도가 사이클링된다. 정적인 또는 제-위치의 PCR 프로토콜의 예를 도 13을 참조하여 이하에서 설명한다. 다른 예에서, "셔틀링" PCR 프로토콜이 CMV DNA의 증폭 및 검출을 위해서 사용될 수 있다. 셔틀링 PCR 프로토콜에서, 액적은 가열 구역들 사이에서 셔틀링된다. 셔틀링 PCR 프로토콜의 장점은, 프로토콜이 가열기의 가열 또는 냉각을 기다릴 필요가 없다는 것이다. 셔틀링 PCR 프로토콜의 예가 도 14a 및 도 14b를 참조하여 이하에서 설명된다.
작업 흐름(1100)의 다른 예에서, 타액 샘플을 갖는 수집 면봉을 사용하여 타액 샘플을 DMF 카트리지(110)의 샘플 저장 용기 내로 직접적으로 입력한다.
제 위치 열 사이클링
도 13은 정적 또는 제-위치 PCR 프로토콜에서 사용되는 DMF 카트리지(110)의 통합된 가열기/센서 부분의 예의 근접 평면도이다. 예를 들어, DMF 카트리지(110)의 통합된 가열기/센서 배열(210)가 제-위치 PCR 프로토콜에서 사용될 수 있다. 이러한 예에서, 제-위치 PCR 프로토콜은 전극 구성(250)의 검출 전극(또는 스폿)(260)의 최상단에 정적으로 위치된 액적(262)에 대해서 수행된다. DMF 시스템(100) 및 DMF 카트리지(110)에서, 카트리지-상의 가열/감지의 존재는 고속 제-위치 PCR 열 사이클링을 가능하게 한다. 예를 들어, 검출 전극(또는 스폿)(260)에 또는 그 주위에 위치되는 PCB-통합 가열기(112) 및 PCB-통합 센서(118)의 3 x 3 배열은, 액적이 예를 들어 약 95℃ 내지 약 60℃ 또는 약 85℃ 내지 약 70℃에서 고속 제-위치 PCR 열 사이클링을 겪는 동안, 형광을 실시간으로 모니터링할 수 있게 한다.
PCB-통합 가열기(112a 내지 112i)의 임의의 조합을 이용하여, 검출 전극(또는 스폿)(260)의 최상단에 위치된 정적 액적(262) 내의 순환 또는 재순환을 유발할 수 있다. 일 예에서, 모든 PCB-통합 가열기(112a 내지 112i)가 제-위치 PCR 프로토콜 중에 사이클링될 수 있다. 다른 예에서, 검출 전극(또는 스폿)(260)에 위치되는 PCB-통합 가열기(112e) 만이 제-위치 PCR 프로토콜 중에 사이클링될 수 있다. 또 다른 예에서, 액적(262)은 검출 전극(또는 스폿)(260)의 최상단에 정지적으로 위치될 수 있고, 검출 전극(또는 스폿)(260)과 함께 2개의 PCB-통합 가열기(112)(예를 들어, PCB-통합 가열기(112b, 112h)(그러나 PCB-통합 가열기(112e)는 아님)가 제-위치 PCR 프로토콜 중에 사이클링될 수 있다. 또 다른 예에서, 액적(262)은 검출 전극(또는 스폿)(260)의 최상단에 정지적으로 위치될 수 있고, 검출 전극(또는 스폿)(260)과 함께 4개의 PCB-통합 가열기(112)(예를 들어, PCB-통합 가열기(112d, 112b, 112f, 112h)(그러나 PCB-통합 가열기(112e)는 아님)가 제-위치 PCR 프로토콜 중에 사이클링될 수 있다. 또 다른 예에서, 액적은 변성 온도까지 높게 사이클될 수 있고 이어서 어닐링 온도까지 낮게 사이클링될 수 있으며 추후에 확장을 위해서 다른 열 구역으로 셔틀링될 수 있다.
셔틀링 열 사이클링
도 14a는 셔틀링 PCR 프로토콜에서 사용되는 DMF 카트리지(110)의 통합된 가열기/센서 부분의 예의 근접 평면도이다. 예를 들어, DMF 카트리지(110)의 통합된 가열기/센서 배열(210)가 셔틀링 PCR 프로토콜에서 사용될 수 있다. 이러한 예에서, 셔틀링 PCR 프로토콜은, 전극 구성(250)의 변성 열 구역(270)과 확장 열 구역(275)(즉, 어닐링 및 확장) 사이에서 (액적 동작을 이용하여) 셔틀링되는 액적(262) 상에서 수행된다. DMF 시스템(100) 및 DMF 카트리지(110)에서, 카트리지-상의 가열/감지의 존재는 PCR 열 사이클링을 위한 반응 액적의 고속 셔틀링을 가능하게 한다. 예를 들어, PCB-통합 가열기(112) 및/또는 PCB-통합 센서(118)의 3 x 3 배열의 하나의 부분은 변성 열 구역(270)을 지원한다. 변성 열 구역(270)의 온도는 예를 들어 약 95℃일 수 있다. 예를 들어, PCB-통합 가열기(112) 및/또는 PCB-통합 센서(118)의 3 x 3 배열의 하나의 다른 부분은 확장 열 구역(275)을 지원한다. 확장 열 구역(275)의 온도는 예를 들어 약 95℃일 수 있다. 변성 열 구역(270)과 확장 열 구역(275) 사이에서 액적(262)을 셔틀링하는 것에 의해서, 액적(262)은 약 95℃와 약 60℃ 사이에서 빠른 셔틀링 PCR 열 사이클링된다. PCR 증폭의 다음 사이클을 위한 프라이머 어닐링이 변성과 확장 사이의 전환(셔틀링) 중에 발생되고 지정된 온도를 필요로 하지 않는다. 다른 예에서, 변성 열 구역(270)은 약 85℃로 설정될 수 있고, 확장 열 구역(275)은 약 70℃로 설정될 수 있다.
따라서, 도 14a에 도시된 예에서, 변성 열 구역(270) 내의 3개의 PCB-통합 가열기(112g, 112h, 및 112i)는 예를 들어 약 95℃로 설정될 수 있다. 확장 열 구역(275) 내의 3개의 PCB-통합 가열기(112d, 112e, 및 112f)는 예를 들어 약 60℃로 설정될 수 있다. 확장 열 구역(275) 외부의 나머지 3개의 PCB-통합 가열기(112a, 112b, 및 112c)는 예를 들어 약 60℃로 설정되거나 턴 오프될 수 있다. PCB-통합 가열기(112)와 관련하여, 액적(262)의 고속 셔틀링의 하나의 경로는 예를 들어 PCB-통합 가열기(112g)(95℃)로부터, 가열기(112d)(60℃)로, 가열기(112e)(60℃, 검출 전극(또는 스폿)(260))로, 가열기(112f)(60℃)로, 가열기(112i)(95℃)로, 그리고 반대 루트(route)에 의해서 역으로 가열기(112g)로 이어질 수 있다. 액적의 고속 셔틀링의 다른 경로는 예를 들어 PCB-통합 가열기(112g)(95℃)로부터, 가열기(112d)(60℃)로, 가열기(112e)(60℃, 검출 전극(또는 스폿)(260))로, 그리고 역으로 가열기(112d)(60℃)로, 이어서 가열기(112g)(95℃)로 이어질 수 있다. 액적의 고속 셔틀링의 다른 경로는 예를 들어 PCB-통합 가열기(112g)(95℃)로부터, 가열기(112d)(60℃)로, 가열기(112e)(60℃, 검출 전극(또는 스폿)(260))로, 가열기(112f)(60℃)로, 가열기(112i)(95℃)로, 가열기(112h)(95℃)로, 그리고 역으로 가열기(112g)(95℃)로 이어질 수 있다. 이러한 예에서, 검출은 검출 전극(또는 스폿)(260)에 의해서 액적(262)이 통과할 때마다 수행될 수 있다.
도 14b는 셔틀링 PCR 프로토콜을 수행하기 위한 DMF 카트리지(110)의 통합된 가열기/센서 배열(210)의 다른 구성의 근접 평면도이다. 이러한 예에서, 통합된 가열기/센서 배열(210)의 구성은, PCB-통합 가열기(112e)와 PCB-통합 가열기(112h) 사이에 배열된 부가적인 액적 동작 전극(252)을 제외하고, 도 15a에 도시된 구성과 실질적으로 동일하다. 이러한 예에서, 셔틀링 PCR 프로토콜은 다수의 액적(262)(예를 들어, 액적(262a, 262b, 262c))에서 동시에 수행될 수 있다. 예를 들어, PCB-통합 가열기(112)와 관련하여, 액적(262a)은 PCB-통합 가열기(112g)(95℃)와 PCB-통합 가열기(112d)(60℃) 사이에서 고속으로 전후로 셔틀링될 수 있다. 동시에, 액적(262b)은 PCB-통합 가열기(112h)(95℃)와 PCB-통합 가열기(112e)(60℃) 사이에서 전후로 고속으로 셔틀링될 수 있다. 동시에, 액적(262c)은 PCB-통합 가열기(112i)(95℃)와 PCB-통합 가열기(112f)(60℃) 사이에서 전후로 고속으로 셔틀링될 수 있다.
또한, 도 14b는 짧은 거리의 셔틀링 PCR 프로토콜의 예를 도시하고, 이는 액적(262)이 셔틀링 PCR 프로토콜 중에 단지 약 4개의 액적 동작 전극(252)의 짧은 연장 범위(span)를 이동한다는 것을 의미한다. 예를 들어, 각각의 액적 동작 전극(252)이 약 1 mm2 인 경우, 액적(262)의 이동 거리는 단지 약 3 mm일 수 있다. 그러나, 전극의 다른 치수 및 수도 짧은-거리의 셔틀링 PCR 프로토콜을 지원할 수 있다. 예를 들어, 특정 크기의 액적 동작 전극(252) 및 특정 크기의 PCB-통합 가열기(112)를 이용할 때, 셔틀링은 2개의 인접 전극들 사이에서 발생될 수 있다. 또한, 2개의 인접한 가열 구역들 사이의 온도차가 클수록 거리는 더 짧을 수 있다. 이러한 예에서, 하나의 검출 전극(또는 스폿)(260)만을 이용한 단일-채널 검출만이 있을 수 있기 때문에, 실시간 검출은 액적(262b)에서만 수행될 수 있다. 대조적으로, 종료-지점 검출은 셔틀링 PCR 프로토콜의 사이클 완료 후에 액적(262a 및 262c)에서 수행될 수 있다. 또한, 이러한 예에서, 실시간 검출되는 액적(262b)은 셔틀링 PCR 프로토콜의 표적일 수 있는 한편 실시간으로 검출되지 않는 액적(262a 및 262c)은 대조 액적일 수 있다. 그러나, 단일-채널 검출을 이용하는 다른 예에서, 실시간 검출은, 루프 내의 모든 3개의 액적(262a, 262b, 및 262c)을 변성 열 구역(270) 및 확장 열 구역(275)을 통해서 운반하는 것 그리고 루프의 각각의 통과에서 검출 전극(또는 스폿)(260)을 통과시키는 것에 의해서, 모든 3개의 액적(262a, 262b, 및 262c)에서 수행될 수 있다.
추가적으로, 그리고 이제 도 1 내지 도 14b를 참조하면, 통합된 가열기/센서 배열(210)은 1개 내지 9개의 PCB-통합 가열기(112) 및 PCB-통합 센서(118)의 쌍으로 제한되지 않는다. 가열기/센서 배열(210)은 임의의 수 및 임의의 배열의 PCB-통합 가열기(112) 및 PCB-통합 센서(118)를 포함할 수 있다. 또한, DMF 카트리지(110)의 PCB 기판(200)의 전극 구성(250)은 하나의 통합된 가열기/센서 배열(210)로 제한되지 않는다. 전극 구성(250)은 임의의 수의 그리고 임의의 배열의 통합된 가열기/센서 배열(210)을 포함할 수 있다. 또한, DMF 시스템(100)은 단일-채널 검출만으로 제한되지 않는다. 그 대신, DMF 시스템(100)은 다수의 액적에 대해서 다수의 다중-채널 형광 측정계를 이용하여 다수의 제-위치 또는 셔틀링 PCR 프로토콜(즉, 다중 PCR)을 수행하기 위한 다중-채널 검출 또는 다수의 액적의 동시적인 광학적 검출을 위한 카메라를 이용한 이미징을 포함할 수 있다. 또한, 고속 셔틀링 PCR 프로토콜은 2-온도 사이클링(예를 들어, 95℃와 60℃ 사이 또는 85℃와 70℃ 사이)으로 제한되지 않는다. 그 대신, 3-온도 또는 4-온도 사이클링과 같은, 다수-온도 사이클링이 가능하다. 또한 열 구역을 이용하여, 120 초, 또는 60 초, 또는 심지어 10 초 이내에 소정 온도에서 RNA를 DNA로 역전사하는 것을 수행할 수 있다. 다른 예에서, 모든 PCB-통합 가열기(112)가, 많은 생화학적 반응을 위해서 37℃에서 유지하는 것과 같이, 임의의 다른 액적 프로토콜에서 동일한 온도로 설정될 수 있다. 다른 예에서, 통합된 가열기/센서 배열(210)은 다른 카트리지-상의 또는 카트리지-외부의 가열 메커니즘과 조합되어 사용될 수 있다.
CMV를 위한 셔틀링 PCR 프로토콜
타액 샘플 내의 CMV의 검출을 시현하기 위해서, 가열기 및 센서가 통합된 DMF 카트리지, 및 CMV DNA의 증폭을 위해서 구성된 "셔틀링" qPCR 프로토콜을 사용하였다. 운반 매체 내에 보관된 냉동 신생아 타액 샘플은 예를 들어 앨라배마 대학교와 듀크 대학교로부터 획득하였다. 타액 샘플은 6개의 CMV-양성 샘플 및 2개의 CMV-음성 샘플을 포함하였다. CMV DNA의 qPCR 증폭을 위한 CMV 프라이머 및 프로브 시퀀스 및 내부 대조물을 위한 맞춤형 시퀀스(RPP 30)를 예를 들어 Integrated DNA Technologies(IDT, Coralville, IA)로부터 구매하였다. 타액 샘플 내의 CMV DNA를 검출하기 위한 모든 프로토콜 단계를 자동화된 DMF 카트리지에서 수행하였다. 간단히 말해, 62.5 μL의 타액 샘플을 DMF 카트리지의 샘플 저장 용기에 적재하였고 62.5 μL의 용해 시약, 예를 들어 ChargeSwitchTM Total RNA Cell Kit(ThermoFisher Scientific, Waltham, MA)가 사용될 수 있다. 이어서, 용해된 샘플 내의 핵산을 0.75 μL(25 mg/mL)의 자기 응답성 비드에 결합시키는 것에 의해서 농축하였다. 표준 비드 세척 DMF 프로토콜을 사용하여 후속 qPCR 분석을 방해할 수 있는 샘플 불순물을 제거하였다. DMF 카트리지의 온도 구역들 사이에서 반응 액적을 셔틀링함으로써, qPCR 증폭을 위한 열 사이클링을 수행하였다. 변성 전극과 어닐링 전극 사이의 거리는 4.5 mm였다. 증폭 생성물이 형광 출력으로 검출되었다.
도 15는 셔틀링 PCR 프로토콜을 이용하여 CMV DNA에 대해서 테스트된 여덟개(8개)의 신생아 타액 샘플에 대한 정규화된 상대적인 형광 유닛(RFU) 대 PCR 사이클 수의 플롯(1500)의 예이다. 셔틀링 PCR 프로토콜을 사용한 여섯개(6개)의 CMV-양성 신생아 타액 샘플에서 PCR 증폭이 검출된 반면, 2개의 CMV-음성 샘플은 평평한 곡선을 나타냈다. 모든 샘플에 대한 PCR이 8분 (즉, 40번의 사이클) 내에 완료되었다. 일부 CMV 양성 샘플은 4분 미만에 검출되는 반면, 이러한 예에서 각 사이클은 약 10초가 소요된다. 이러한 데이터는 샘플 준비가 통합된 고속 PCR이 현장 테스팅 적용예를 위해서 사용될 수 있음을 보여 준다.
SARS-CoV-2에서의 고속 RT-PCR
제2 바이러스 병원체의 검출을 시현하기 위해서, 비강 샘플 내의 SARS-CoV-2, 가열기 및 센서가 통합된 DMF 카트리지, 및 SARS-CoV-2 RNA를 검출하도록 구성된 "셔틀링" 역전사 qPCR(RT-qPCR) 프로토콜을 사용하였다. 샘플은 듀크 대학교에서 입수하였다. SARS-CoV-2 RNA의 RT-qPCR 증폭을 위한 SARS-CoV-2 프라이머 및 프로브 시퀀스 및 내부 대조물을 위한 맞춤형 시퀀스를 또한 예를 들어 IDT Technologies(Coralville, IA)로부터 구매하였다. 타액 샘플 내의 SARS-CoV-2 RNA를 검출하기 위한 모든 프로토콜 단계를 자동화된 DMF 카트리지에서 수행하였다.
간단히 말해서, 비강 면봉을 바이러스 운반 매체 내에 수집하였고, 이는 DMF 카트리지의 샘플 저장 용기 내로 적재될 수 있다. 그 후에, 사용자는 타액 샘플 내의 SARS-CoV-2 검출과 같은 바이러스에 대한 자동화된 실시간 qPCR 테스팅 프로토콜을 개시할 수 있다.
도 16은 셔틀링 PCR 프로토콜을 이용하여 SARS-CoV-2 RNA에 대해서 테스트된 14개의 성인 비강 샘플에 대한 정규화된 상대적 형광 유닛(RFU) 대 시간을 보여 주는 플롯(1600)이다. 데이터에 따르면, 모든 양성 샘플은 셔틀링 RT-qPCR DMF 프로토콜을 이용하여 카트리지-상에서 증폭되었다. 모든 샘플에 대한 PCR이 15분 내에 완료되었다. 그러나, 데이터는 또한 일부 양성 샘플에 대한 PCR 곡선 내의 변곡이 약 3분 미만에 발생된다는 것을 보여 준다. 이러한 데이터는 고속 PCR이 현장 테스팅 적용예를 위해서 사용될 수 있음을 보여 준다.
타액 면봉을 위한 적응
일부 실시형태에서, DMF 시스템(100), DMF 카트리지(110), 및/또는 작업 흐름(1200)은 (비강, 질(vaginal), 및 임의의 다른) 타액 면봉을 DMF 카트리지(110) 상으로 직접적으로 도입하도록 구성된 DMF 카트리지(110)를 제공할 수 있다. 이러한 것의 예가 도 12 및 도 13에 도시된 작업 흐름(1200)의 단계(1210)를 참조하여 앞서 설명되어 있다.
통합된 PCB-통합 구조물
도 17a 내지 도 17f는 통합된 PCB-통합 가열기 및 센서를 형성하는 예시적인 프로세스의 측면도를 도시한다. 예를 들어, 도 17a 내지 도 17f는 PCB 기판 구조물(1700)을 형성하는 프로세스를 도시한다. PCB 기판 구조물(1700)은, 통합된 가열기/센서 배열(210) 및 전극 구성(250)을 포함하는 PCB 기판(200)을 형성하기 위해서 사용되는 구조물의 예이다. PCB 기판 구조물(1700)은 4-층 PCB일 수 있다.
이러한 예에서, PCB 기판 구조물(1700)은 센서 부분(1710), 전극 와이어링 부분(1712), 전극 부분(1714), 및 가열기 부분(1716)을 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 전극 와이어링 부분은 전극들을 연결하여 활성화할 전극을 선택할 수 있다. 다른 실시형태에서, 전극 부분 및 전극 와이어링 부분이 상이한 층들 상에 위치되어 희망하는 공간적 배열을 생성하는 데 도움을 줄 수 있다. 하나의 단계에서 그리고 이제 도 17a를 참조하면, 양 측면에서 구리 층(1722)을 갖는 절연 또는 유전체 재료(1720)의 층이 제공된다. 절연 또는 유전체 재료(1720)는 예를 들어 표준 PCB의 FR4 재료일 수 있다.
다른 단계에서 그리고 도 17b를 참조하면, 양 구리 층들(1722)는, 예를 들어, 표준 포토리소그래피 프로세스를 이용하여 패터닝된다. 또한, 표준 포토리소그래피 프로세스는 도 17a 내지 도 17f에 도시되고 설명된 단계 전반을 통해서 이용될 수 있다. 도 17a 및 도 17b는 PCB 기판 구조물(1700)의 센서 부분(1710) 및 전극 와이어링 부분(1712)을 형성하는 시작 단계를 도시한다.
다른 단계에서 그리고 이제 도 17c를 참조하면, 부가적인 구리 층(1722)이 현재의 구조물의 양 측면들에 제공되고, 필요한 곳에서 절연 또는 유전체 재료(1720)를 제공한다.
다른 단계에서 그리고 이제 도 17d를 참조하면, 관통-홀(1724)이 현재의 구조물을 통해서 그리고 소정 위치에서 드릴 가공된다.
다른 단계에서 그리고 이제 도 17e를 참조하면, 예를 들어 전기 도금 프로세스를 이용하여, 구리 도금(1726)이 관통-홀(1724)에 도포되고, 이는 이제 구리-도금된 관통-홀(1724)이 된다.
다른 단계에서 그리고 이제 도 17f를 참조하면, 최외측 구리 층(1720)이 패터닝된다. 이러한 단계는 PCB 기판 구조물(1700)의 센서 부분(1710), 전극 와이어링 부분(1712), 전극 부분(1714), 및 가열기 부분(1716)의 형성을 실질적으로 완료한다. 이어서, 커버레이 유전체 층(coverlay dielectric layer)(1728)(예를 들어, KAPTON®)이 구조물의 양 측면들 상에 제공된다. 이어서, 탄소 층(1730)이 구조물의 가열기 부분(1716)-측에 제공된다. 탄소 층(1730)은, 예를 들어, 도 5a 및 도 5b에 도시된 가열기/센서 배열(210)의 통합된 PCB-통합 가열기(112)의 가열기 요소(114)를 형성하는 카본 블랙 재료일 수 있다. 일 예에서, 카본 블랙 재료는 스크린-프린팅 프로세스를 이용하여 도포된 잉크 또는 잉크 블렌드(ink blend)일 수 있고, 잉크 또는 잉크 블렌드는 저항을 제공하도록 선택될 수 있다. 각각의 가열기 요소(114)의 희망 저항은 하나의 예에서 약 80 오옴 내지 약 120 오옴일 수 있고, 다른 예에서 약 100 오옴일 수 있다.
다른 예에서 그리고 여전히 도 17f에 도시된 단계를 참조하면, 가열기 요소(114)인 탄소 층(1730)은, 구조물의 가열기 부분(1716)-측 대신, 구조물의 전극 부분(1714)-측에 제공된다. 이러한 예에서, 열이 PCB의 두께를 통해서 흐르지 않아야 하기 때문에, 액적은 매우 효율적인 가열을 위해서 실질적으로 직접적으로 탄소 층(1730)의 최상단에 위치될 수 있다. 또한, 센서 부분(1710)(즉, 센서 트레이스(120)), 가열기 부분(1716)(즉, 가열기 요소(114)), 및 액적 사이의 거리를 최소화하는 것이 유리할 수 있다. 따라서, PCB 기판(200)의 다수의 층들 사이의 거리를 최소화하는 것에 의해서, PCB 기판(200)의 두께를 최소화하는 것이 유리할 수 있다.
다른 예에서, 탄소 가열기 요소(114)는, PCB 기판(200) 자체 대신, PCB 기판(200)과 연관된 플라스틱 상단 기판(미도시) 상에 스크린-프린팅될 수 있다. 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT)는 상단 기판에 프린트될 수 있는 가열기 재료의 또 다른 예이다. 그러나, 상단 기판 상의 가열기 요소(114)의 존재는 가열기 요소(114)를 제어하기 위한 와이어링을 상단 기판 상에서 필요로 한다.
예를 들어, DMF 카트리지(110)의 통합된 가열기/센서 배열(210)의 열 특성을 최적화하기 위해서, PCB 내의, 예를 들어 PCB 기판(200) 내의 와이어 라우팅과 관련하여 특정 사항을 고려할 수 있다. 예를 들어, 중요한 설계 상의 고려 사항은, PCB 내의 와이어링이 일반적으로 PCB-통합 센서(118)의 구리 센서 트레이스(120) 내의 열 구배와 동일한 방향이 되지 않아야 한다는 것이다. 그 대신, 와이어 라우팅은, 예를 들어 도 18에 도시된 바와 같이, 구리 센서 트레이스(120) 내의 열 구배에 직각이어야 한다. 도 18은 통합된 가열기/센서 배열(210) 내에 존재하는 열 구배에 실질적으로 직각으로 연장되는 와이어(280)의 예를 도시한다. 예를 들어, 가파른 열 구배의 유지에 도움을 주기 위해서, 통합된 가열기/센서 배열(210)을 형성하는 구리 와이어 이외의 구리 와이어를 통해서 흐르는 임의의 우발적인 열을 최소화하는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 임의의 PCB-통합 센서(118)의 센서 트레이스(120)의 저항이 클수록 센서는 더 민감하다. 따라서, PCB 기판(200) 및 통합된 가열기/센서 배열(210)에 관한 다른 설계 상의 고려 사항은 (1) PCB-통합 센서(118)의 센서 트레이스(120)의 횡단면을 최소화하는 것, 그리고 (2) PCB-통합 센서(118)의 센서 트레이스(120)의 길이를 최대화하는 것일 수 있다. 예를 들어, 100-미크론 너비의 센서 트레이스(120)는 동일한 두께의 135-미크론 너비의 센서 트레이스(120)보다 더 큰 저항을 가질 것이다.
이제, 전압 및 접지 평면과 관련하여 표준 이중 평면적 설계를 포함하는 DMF 구조물(1900)의 예의 상면도 및 측면도인 도 19를 참조한다. DMF 구조물(1900)은, 액적 동작 갭(1914)에 의해서 분리된, 하단 기판(1910) 및 상단 기판(1912)을 포함할 수 있다. 액적 동작 전극(1916)(즉, 전기 습윤 전극)의 배열이 하단 기재(1910)의 최상단에서 액적 동작 갭(1914)에 대면되게 제공될 수 있다. 일 예에서, 액적 동작 전극(1916)은 실질적으로 정사각형인 전극(예를 들어, 1 mm x 1mm)일 수 있다. 또한, 접지 기준 전극(1918)이 상단 기판(1912)에 그리고 액적 동작 갭(1914)에 대면되게 제공될 수 있다. 또한, 필러 유체(1920)(예를 들어, 실리콘 오일)가 액적 동작 갭(1914) 내에 제공될 수 있다. 도 19는 또한 액적 동작 갭(1914) 내의 액적 동작 전극(1916)의 최상단의 액적(1922)의 예를 도시한다.
이러한 일반적인 이중 평면적 설계에서, 전기 습윤 전압(V)은 액적 동작 전극(1916)에 전기적으로 연결될 수 있고, 접지 기준 전극(1918)은 시스템 접지에 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 도시된 바와 같이 액적(1922)이 하단 기판(1910) 및 상단 기판(1912) 모두와 접촉될 수 있다는 사실로 인해서, 전기 습윤 전압(V)이 액적(1922)에 인가되어 액적 동작을 수행할 수 있다.
예를 들어 PCB 기판(200)의 통합된 가열기/센서 배열(210)과 관련하여, 특정의 그리고 최적이 아닐 수 있는 열 구배가 표준 이중 평면적 DMF 설계에 존재할 수 있다. 다른 DMF 설계가 열 구배의 최적화에 보다 적합할 수 있다.
예를 들어, 도 20은 전압 및 접지 평면과 관련하여 공통 평면적 설계를 포함하는 DMF 구조물(2000)의 예의 상면도 및 측면도이다. DMF 구조물(2000) 내의 공통 평면적 설계는 예를 들어 DMF 시스템(100)의 DMF 카트리지(110) 내의 열 구배를 최적화하는 것과 관련하여 유용할 수 있다.
DMF 구조물(2000)은, 상단 기판(1912)이 도 19에 도시된 바와 같은 접지 기준 전극(1918) 및 액적 동작 전극(1916)을 포함하지 않는다는 것 그리고 실질적으로 정사각형인 액적 동작 전극(1916)이 "절반-크기의" 액적 동작 전극의 쌍으로 대체된다는 것을 제외하고, 도 19에 도시된 DMF 구조물(1900)과 실질적으로 동일하다. 예를 들어, "절반-크기의" 액적 동작 전극의 각각의 쌍은 "절반-크기의" 액적 동작 전극(1916) 및 "절반-크기의" 접지 기준 전극(1918)을 포함할 수 있다. 하나의 예에서, "절반-크기의" 액적 동작 전극의 각각은 약 1 mm x 0.5 mm일 수 있다.
이러한 공통 평면적 설계에서, 전기 습윤 전압(V)은 "절반-크기의" 액적 동작 전극(1916)의 각각에 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, "절반-크기의" 접지 기준 전극(1918)의 각각은 시스템 접지에 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 액적(1922)이 "절반-크기의" 액적 동작 전극(1916) 및 "절반-크기의" 접지 기준 전극(1918) 모두에 걸쳐 진다는 사실로 인해서, 전기 습윤 전압(V)이 액적(1918)에 인가되어 액적 동작을 수행할 수 있다. 이러한 예에서, 액적(1922)은 상단 기판(1912)과 완전히 접촉할 수 있거나 그렇지 않을 수 있다.
"절반-크기의" 액적 동작 전극은, 표준 이중 평면적 설계에 비해서, 전극-간 간격이 감소될 수 있게 하고, 이는 액적 동작 전극에 걸친 큰 열 구배를 제공 및/또는 보장하는 데 도움을 줄 수 있다. 전극에 걸친 이러한 큰 열 구배는 제-위치 및/또는 셔틀링 PCR 프로토콜에서의 액적의 열 사이클링과 관련하여 유용할 수 있다.
일부 실시형태에서, DMF 시스템(100) 및/또는 DMF 카트리지(110)는 각각의 PCB-통합 센서(118) 내의 센서 트레이스(120) 대신 온도 감지를 수행하기 위해서 형광을 포함할 수 있다. 하나의 예에서, 형광 염료는 용융 온도의 이중-나선 DNA 시퀀스에 결합될 수 있다. 온도가 용융 온도에 접근함에 따라, 이중-나선 DNA는 단일-나선 DNA로 변환되고, 이는 형광 염료에 대한 결합 친화성의 감소로 인한 형광의 상실을 초래한다. 다른 예에서, PCB-통합 센서(118)는 온도-응답형 형광 염료를 포함할 수 있다(미국 특허 제9,850,549 B2호 참조). 이러한 예에서, 염료를 모니터링하고 온도를 결정하기 위해서, 다른 형광 측정계 채널이 필요할 수 있다.
관사( "a", "an" 및 "the")는, 청구범위를 포함한 본원에서 사용될 때 "하나 이상"을 지칭한다. 따라서, 예를 들어, "대상"에 대한 언급은, 문맥 상 명백히 반대되는 경우(예를 들어, 복수의 대상) 등을 제외하고는, 복수의 대상을 포함한다.
본원에서 사용된 바와 같이, "포함한다", "포함하는", "포괄한다", 및 "포괄하는"은 비제한적으로 의도된 것이고, 그에 따라 목록 내의 물품의 열거는, 나열된 물품에 대해서 치환 또는 부가될 수 있는 다른 유사 물품의 배제를 의도하는 것이 아니다.
"바람직하게", "일반적으로" 및 "전형적으로"는 청구된 실시형태의 범위를 제한하기 위해서 또는 특정 특징이 청구된 실시형태의 구조 또는 기능에 있어서 중요하거나 본질적이라는 것을 암시하기 위해서 사용되지 않는다. 이러한 용어는 본 개시 내용의 특정 실시형태에서 활용될 수 있거나 활용되지 않을 수 있는 대안적인 또는 부가적인 특징을 강조하기 위한 것이다.
"실질적으로"는 본원에서, 임의의 정량적 비교, 값, 측정, 또는 기타 표현에 기인할 수 있는 고유한 불확실성의 정도를 나타내기 위해서, 그리고 정량적 표현이 해당 청구 대상의 기본 기능에 변화를 초래하지 않으면서 명시된 언급과 달라질 수 있는 정도를 나타내기 위해 사용된다.
본 발명의 개시된 방법, 구성 및 용도에 대한 다양한 수정 및 변형이 본 발명의 범위 및 사상을 벗어나지 않고 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명이 특정한 바람직한 양태 또는 실시형태와 관련하여 개시되었지만, 청구된 바와 같은 본 발명은 그러한 특정 양태 또는 실시형태로 과도하게 제한되지 않아야 한다.
본 발명은 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합을 사용하여 구현될 수 있으며, 하나 이상의 컴퓨터 시스템 또는 다른 처리 시스템에서 구현될 수 있다. 일 양태에서, 본 발명은 본원에 설명된 기능을 수행할 수 있는 하나 이상의 컴퓨터 시스템에 관한 것이다.
달리 명시되지 않는 한, 명세서 및 청구범위에서 사용된 양, 크기, 치수, 비율, 형상, 제형, 매개변수, 백분율, 수량, 특성 및 기타 수치 값을 나타내는 모든 숫자는, "약"이라는 용어가 값, 양 또는 범위와 함께 명시적으로 나타나지 않더라도, 모든 경우에 "약"이라는 용어에 의해 수정되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 상반되는 표시가 없는 한, 이하의 명세서 및 첨부된 청구범위에 기재된 수치적 매개변수는 정확한 것이 아니고 정확할 필요도 없으며, 공차, 변환 인자, 반올림, 측정 오차 등, 그리고 당업자가 청구 대상으로 얻고자 하는 바람직한 특성에 따라 당업자에게 알려진 기타 인자를 희망에 따라 반영하는 근사치이고/이거나 그보다 더 크거나 작을 수 있다.
예를 들어, 값을 지칭할 때 "약"이라는 용어는 특정된 양으로부터 일부 실시형태에서 ± 100%, 일부 실시형태에서 ± 50%, 일부 실시형태에서 ± 20%, 일부 실시형태에서 ± 10%, 일부 실시형태에서 ± 5%, 일부 실시형태에서 ± 1%, 일부 실시형태에서 ± 0.5% 및 일부 실시형태에서 ± 0.1%의 변동을 포함하는 것으로 이해될 수 있으며, 이러한 변경은 개시된 방법들을 수행하거나 개시된 조성물들을 이용하기에 적절할 경우에 이루어진다.
또한, "약"이라는 용어는, 하나 이상의 숫자 또는 수치 범위와 관련하여 사용될 때, 범위 내의 모든 숫자를 포함하여, 그러한 모든 숫자를 지칭하는 것으로 이해되어야 하며, 기재된 수치 값의 위와 아래로 경계를 확장함으로써 그 범위를 변경한다. 종료점에 의한 숫자 범위의 인용은, 그 범위 내에 포함되는 모든 숫자(예를 들어, 분수를 포함하는, 전체 정수)(예를 들어, 1 내지 5의 인용은 1, 2, 3, 4, 5 및 그 분수, 예를 들어 1.5, 2.25, 3.75, 4.1 등)를 포함함), 및 그 범위 내의 모든 범위를 포함한다.
달리 명시되지 않는 한, "수신", "라우팅", "업데이트", "제공" 등과 같은 용어는, 컴퓨팅 디바이스의 레지스터 및 메모리 내에서 물리적(전자) 양으로 표현되는 데이터를 컴퓨팅 디바이스의 메모리 또는 레지스터 또는 다른 그러한 정보의 저장, 전송 또는 디스플레이 디바이스 내에서 유사하게 물리적 양으로 표현되는 다른 데이터로 조작 및 변환하는 컴퓨팅 디바이스에 의해 수행되거나 구현되는 작용 및 프로세스를 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 "제1", "제2", "제3", "제4" 등의 용어는 상이한 요소들을 구분하기 위한 레이블로서 의미되며, 그 숫자 지정에 따라 반드시 서수적 의미를 가질 필요는 없다.
본원에 설명된 예는 또한 본원에 설명된 동작을 수행하기 위한 장치와 관련된다. 이러한 장치는 필요한 목적을 위해 특별히 구성될 수 있거나, 컴퓨팅 디바이스에 저장된 컴퓨터 프로그램에 의해 선택적으로 프로그래밍된 범용 컴퓨팅 디바이스를 포함할 수 있다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터-판독 가능 비-일시적 저장 매체 내에 저장될 수 있다.
본원에 설명된 방법 및 예시적인 예는 본질적으로 임의의 특정 컴퓨터 또는 다른 장치와 관련되지는 않는다. 여러 가지 범용 시스템이 본원에 설명된 교시 내용에 따라 이용될 수 있거나, 요구되는 방법 단계를 실시하기 위해서 보다 특별한 장치를 구축하는 것이 편리할 수 있을 것이다. 다양한 이러한 시스템을 위해서 요구되는 구조가 전술한 설명의 기재 내용으로 나타날 것이다.
일부 대안적인 구현예에서, 표시된 기능/작용이 도면에 도시된 순서와 달리 실행될 수 있다. 예를 들어, 관련 기능/작용에 따라서, 연속으로 도시된 두개(2개)의 도면이 사실상 실질적으로 동시에 실행될 수 있거나, 때로는 반대 순서로 실행될 수 있다.
방법 동작이 특정 순서로 설명되었지만, 설명된 동작들 사이에서 다른 동작이 수행될 수 있고, 설명된 동작들이 약간 다른 시간에 발생하도록 조정될 수 있으며, 또는 설명된 동작들이, 처리와 관련된 다양한 간격으로 처리 동작이 발생할 수 있도록 시스템 내에서 분산될 수 있다.
다양한 유닛, 회로 또는 기타 구성요소는 과제 또는 과제들을 수행하도록 "구성"되거나 "구성 가능한" 것으로 설명되거나 청구될 수 있다. 이러한 맥락에서, "구성되는" 또는 "구성 가능한"이라는 문구는, 유닛/회로/구성요소가 동작 중에 과제 또는 과제들을 수행하는 구조(예를 들어, 회로 소자)를 포함한다는 것을 나타내는 것에 의해서, 구조를 암시하기 위해서 사용된다. 따라서, 특정된 유닛/회로/구성요소가 현재 동작하지 않는 경우에도(예를 들어, 켜져 있지 않은 경우에도), 유닛/회로/구성요소는 과제를 수행하도록 구성되거나 과제를 수행하도록 구성될 수 있다고 할 수 있다.
또한, "구성된" 또는 "구성 가능한"은, 해당 과제(들)를 수행할 수 있는 방식으로 동작하도록 소프트웨어 및/또는 펌웨어(예를 들어, FPGA 또는 소프트웨어를 실행하는 범용 프로세서)에 의해 조작되는 범용 구조물(예를 들어, 범용 회로 소자)를 포함할 수 있다. "구성된"은 또한 하나 이상의 과제 구현하거나 수행하도록 구성된 디바이스(예를 들어, 집적 회로)를 제작하기 위해 제조 프로세스(예를 들어, 반도체 제조 설비)를 구성하는 것을 포함할 수 있다. "구성 가능한"은, 프로그래밍되지 않은 디바이스가 개시된 기능(들)을 수행하도록 구성될 수 있는 능력을 부여하는 프로그래밍된 대체에 수반되지 않는 한, 비어 있는 매체, 프로그래밍되지 않은 프로세서 또는 프로그래밍되지 않은 범용 컴퓨터, 또는 프로그래밍되지 않은 프로그래밍 가능 로직 디바이스, 프로그래밍 가능 게이트 어레이, 또는 기타 프로그래밍되지 않은 디바이스에는 적용되지 않도록 명시적으로 의도된 것이다.
비록 전술한 청구 대상이 명확한 이해를 위한 예시 및 예로서 일부 상세 내용으로 설명되었지만, 당업자는 첨부된 청구범위 내에서 특정 변경 및 수정이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다.
Claims (88)
- 액적의 열 사이클링 방법으로서,
(a) 액적 액추에이터를 제공하는 단계 - 상기 액적 액추에이터는:
(i) 제1 열 구역 및 제2 열 구역 액적 동작 갭을 형성하는 가열기; - 상기 액적 동작 갭은 선택적으로 실질적으로 오일로 충진됨 -;
(ii) 상기 제1 열 구역 내의 제1 액적 동작 전극 및 상기 제2 열 구역 내의 제2 액적 동작 전극을 포함하는 액적 동작 전극들을 포함하는 열 사이클링 경로 - 상기 제1 및 제2 액적 동작 전극들은 서로 5 mm 이내에 위치됨 -; 및
(iii) 상기 제1 액적 동작 전극에서의 제1 온도 및 상기 제2 액적 동작 전극에서의 제2 온도 - 상기 제1 및 제2 온도들은 적어도 약 10℃만큼 차이 남 -;
를 포함함 -; 및
(b) 상기 액적 동작 전극들을 이용하여, 다수의 사이클을 위한 사이클링 패턴으로 상기 액적을 상기 제1 액적 동작 전극과 상기 제2 액적 동작 전극 사이의 열 사이클링 경로를 따라서 운반하는 단계;
를 포함하는,
방법. - 제1항에 있어서,
(a) 상기 액적은 핵산 증폭을 위한 시약을 포함하고;
(b) 상기 제1 온도는 변성 온도이고 상기 제2 온도는 연신 온도이며;
(c) 상기 액적을 사이클링 패턴으로 운반하는 단계는 핵산 증폭을 초래하는,
방법. - 제1항에 있어서,
상기 액적 액추에이터는 2개 이상의 열 사이클링 경로를 포함하는,
방법. - 제1항에 있어서,
상기 액적 액추에이터는 5개 이상의 열 사이클링 경로를 포함하는,
방법. - 제1항에 있어서,
상기 액적 액추에이터는 10개 이상의 열 사이클링 경로를 포함하는,
방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 액적 동작 전극은 상기 제2 액적 동작 전극에 인접하고, 그 사이에 액적 동작 전극이 개재되지 않는,
방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 액적 동작 전극들은 그 사이의 오직 하나의 부가적인 액적 동작 전극에 의해서 분리되는,
방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 액적 동작 전극들은 그 사이의 2개 이하의 부가적인 액적 동작 전극에 의해서 분리되는,
방법. - 제2항에 있어서,
상기 다수의 사이클의 각각의 사이클은 약 6 초 미만에 완료되고, 실질적으로 전체 증폭을 수행하는,
방법. - 제2항에 있어서,
상기 다수의 사이클의 각각의 사이클은 약 1 초 미만에 완료되고, 실질적으로 전체 증폭을 수행하는,
방법. - 제2항에 있어서,
상기 다수의 사이클의 각각의 사이클은 약 0.5 초 미만에 완료되고, 실질적으로 전체 증폭을 수행하는,
방법. - 제1항에 있어서,
상기 열 사이클링 경로는 약 5,000 ㎛ 미만의 길이를 가지는,
방법. - 제1항에 있어서,
상기 열 사이클링 경로는 약 1,500 ㎛ 미만의 길이를 가지는,
방법. - 제1항에 있어서,
상기 열 사이클링 경로는 약 500 ㎛ 미만의 길이를 가지는,
방법. - 제1항에 있어서,
상기 열 사이클링 경로는 약 100 ㎛ 미만의 길이를 가지는,
방법. - 제1항에 있어서,
상기 열 사이클링 경로는 약 10 ㎛ 미만의 길이를 가지는,
방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 액적 동작 전극과 상기 제2 액적 동작 전극 사이에서 상기 액적을 운반하는 단계는 약 500 밀리초 이하의 시간 내에 완료되는,
방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 액적 동작 전극과 상기 제2 액적 동작 전극 사이에서 상기 액적을 운반하는 단계는 약 100 밀리초 이하의 시간 내에 완료되는,
방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 액적 동작 전극과 상기 제2 액적 동작 전극 사이에서 상기 액적을 운반하는 단계는 약 50 밀리초 이하의 시간 내에 완료되는,
방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 액적 동작 전극과 상기 제2 액적 동작 전극 사이에서 상기 액적을 운반하는 단계는 약 25 밀리초 이하의 시간 내에 완료되는,
방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 액적 동작 전극과 상기 제2 액적 동작 전극 사이에서 상기 액적을 운반하는 단계는 약 10 밀리초 이하의 시간 내에 완료되는,
방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 액적 동작 전극과 상기 제2 액적 동작 전극 사이에서 상기 액적을 운반하는 단계는 약 1 밀리초 이하의 시간 내에 완료되는,
방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 액적 동작 전극과 상기 제2 액적 동작 전극 사이에서 상기 액적을 운반하는 단계는 약 0.1 밀리초 미만의 시간 내에 완료되는,
방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 온도는 적어도 약 20℃만큼 차이 나는,
방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 온도는 적어도 약 30℃만큼 차이 나는,
방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 온도는 적어도 약 40℃만큼 차이 나는,
방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 온도는 적어도 약 50℃만큼 차이 나는,
방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 온도들은 각각 독립적으로 약 37℃ 내지 약 100℃인,
방법. - 제1항에 있어서,
(a) 상기 제1 열 구역은 핵산 어닐링 온도로 설정되고;
(b) 상기 제2 열 구역은 핵산 변성 온도로 설정되는,
방법. - 제29항에 있어서,
상기 방법은 약 3 초 이하의 기간 동안 상기 액적을 상기 제1 액적 동작 전극에서 유지하는 단계를 포함하는,
방법. - 제29항에 있어서,
상기 방법은 약 500 밀리초 이하의 기간 동안 상기 액적을 상기 제1 액적 동작 전극에서 유지하는 단계를 포함하는,
방법. - 제29항에 있어서,
상기 방법은 약 0 초의 기간 동안 상기 액적을 상기 제1 액적 동작 전극에서 유지하는 단계를 포함하는,
방법. - 제29항에 있어서,
상기 방법은 약 3 초 이하의 기간 동안 상기 액적을 상기 제2 액적 동작 전극에서 유지하는 단계를 포함하는,
방법. - 제29항에 있어서,
상기 방법은 약 500 밀리초 이하의 기간 동안 상기 액적을 상기 제2 액적 동작 전극에서 유지하는 단계를 포함하는,
방법. - 제29항에 있어서,
상기 방법은 약 0 초의 기간 동안 상기 액적을 상기 제2 액적 동작 전극에서 유지하는 단계를 포함하는,
방법. - 제1항에 있어서,
각각의 사이클이 약 6 초 미만에 이루어지는,
방법. - 제1항에 있어서,
각각의 사이클이 약 1 초 미만에 이루어지는,
방법. - 제1항에 있어서,
각각의 사이클이 약 0.5 초 미만에 이루어지는,
방법. - 제1항에 있어서,
각각의 사이클이 약 500 밀리초 미만에 이루어지는,
방법. - 제1항에 있어서,
각각의 사이클이 약 100 밀리초 미만에 이루어지는,
방법. - 제1항에 있어서,
상기 가열기는, 별도의 기판으로부터 분리되어 액적 동작 갭을 형성하는 인쇄 회로 보드 기판 내에 또는 인쇄 회로 보드 기판 상에 제조되는,
방법. - 제41항에 있어서,
상기 가열기는 세라믹 재료, 세라믹-금속, 금속 합금, 및 카본 잉크로 이루어진 그룹으로부터 선택된 저항 재료로 형성되는,
방법. - 제41항에 있어서,
상기 가열기는 구리를 포함하는 금속으로 형성되는,
방법. - 제1항에 있어서,
상기 가열기는,
(a) 제1 가열기가 제1 액적 동작 전극과 연관되어 제1 열 구역을 형성하고;
(b) 제2 가열기가 제2 액적 동작 전극과 연관되어 제2 열 구역을 형성하고;
(c) 제3 가열기가 상기 제2 가열기와 인접한 경계 영역과 연관되어 제2 열 구역의 온도를 유지하기 위해서 선택된 온도로 설정되도록;
구성되는,
방법. - 제44항에 있어서,
상기 제2 가열기 및 상기 제3 가열기는 동일한 온도로 설정되는,
방법. - 제44항에 있어서,
상기 제2 가열기 및 상기 제3 가열기는 상기 제1 가열기보다 더 높은 온도로 설정되는,
방법. - 제44항에 있어서,
상기 제2 가열기 및 상기 제3 가열기는 변성 온도로 설정되는,
방법. - 제44항에 있어서,
상기 제3 가열기는 상기 제2 열 구역을 안정화하는,
방법. - 제1항에 있어서,
상기 PCB 내로 통합되고 상기 열 구역의 온도를 감지하도록 배열되는 하나 이상의 센서를 더 포함하는,
방법. - 제49항에 있어서,
상기 하나 이상의 센서는 실온 내지 100℃ 범위의 온도를 측정하도록 보정되는,
방법. - 제49항에 있어서,
상기 하나 이상의 센서는 실온 내지 100℃ 범위의 온도를 측정하도록 보정되는,
방법. - 제49항에 있어서,
상기 하나 이상의 센서는 상기 액적에 근접하여 온도를 측정하도록 각각 배치되는,
방법. - 제49항에 있어서,
상기 하나 이상의 센서는 상기 액적으로부터 약 1 mm 이하의 거리에서 온도를 측정하도록 각각 배치되는,
방법. - 액적 액추에이터로서,
(a) 실질적으로 액적 동작 갭 내에서 제1 열 구역 및 제2 열 구역 액적 동작 갭을 형성하는 가열기 - 상기 액적 동작 갭은 선택적으로 오일로 충진됨 -;
(b) 상기 제1 열 구역 내의 제1 액적 동작 전극 및 상기 제2 열 구역 내의 제2 액적 동작 전극을 포함하는 액적 동작 전극들을 포함하는 열 사이클링 경로 - 상기 제1 및 제2 액적 동작 전극들은 서로 5 mm 이내에 위치됨 -; 및
(c) 상기 제1 액적 동작 전극에서의 제1 온도 및 상기 제2 액적 동작 전극에서의 제2 온도 - 상기 제1 및 제2 온도들은 적어도 약 10℃만큼 차이 남 -;
를 포함하는,
액적 액추에이터. - 제54항에 있어서,
핵산을 증폭하기 위한 시약을 포함하는 열 사이클링 경로 상에서 액적을 포함하고,
(a) 상기 제1 온도는 변성 온도이고 상기 제2 온도는 연신 온도이며;
(b) 상기 액적을 사이클링 패턴으로 운반하는 것은 핵산 증폭을 초래하는,
액적 액추에이터. - 제54항에 있어서,
2개 이상의 열 사이클링 경로를 포함하는,
액적 액추에이터. - 제54항에 있어서,
5개 이상의 열 사이클링 경로를 포함하는,
액적 액추에이터. - 제54항에 있어서,
10개 이상의 열 사이클링 경로를 포함하는,
액적 액추에이터. - 제54항에 있어서,
상기 제1 액적 동작 전극은 상기 제2 액적 동작 전극에 인접하고, 그 사이에 액적 동작 전극이 개재되지 않는,
액적 액추에이터. - 제54항에 있어서,
상기 제1 및 제2 액적 동작 전극들은 그 사이의 오직 하나의 부가적인 액적 동작 전극에 의해서 분리되는,
액적 액추에이터. - 제54항에 있어서,
상기 제1 및 제2 액적 동작 전극들은 그 사이의 2개 이하의 부가적인 액적 동작 전극에 의해서 분리되는,
액적 액추에이터. - 제54항에 있어서,
상기 제1 및 제2 온도는 적어도 약 20℃만큼 차이 나는,
액적 액추에이터. - 제54항에 있어서,
상기 제1 및 제2 온도는 적어도 약 30℃만큼 차이 나는,
액적 액추에이터. - 제54항에 있어서,
상기 제1 및 제2 온도는 적어도 약 40℃만큼 차이 나는,
액적 액추에이터. - 제54항에 있어서,
상기 제1 및 제2 온도는 적어도 약 50℃만큼 차이 나는,
액적 액추에이터. - 제54항에 있어서,
상기 제1 및 제2 온도들은 각각 독립적으로 약 40℃ 내지 약 100℃인,
액적 액추에이터. - 제54항에 있어서,
상기 가열기는, 별도의 기판으로부터 분리되어 액적 동작 갭을 형성하는 인쇄 회로 보드 기판 내에 또는 인쇄 회로 보드 기판 상에 제조되는,
액적 액추에이터. - 제67항에 있어서,
상기 가열기는 세라믹 재료, 세라믹-금속, 금속 합금, 및 카본 잉크로 이루어진 그룹으로부터 선택된 저항 재료로 형성되는,
액적 액추에이터. - 제67항에 있어서,
상기 가열기는 구리를 포함하는 금속으로 형성되는,
액적 액추에이터. - 제54항에 있어서,
상기 가열기는,
(a) 제1 가열기가 제1 액적 동작 전극과 연관되어 제1 열 구역을 형성하고;
(b) 제2 가열기가 제2 액적 동작 전극과 연관되어 제2 열 구역을 형성하고;
(c) 제3 가열기가 상기 제2 가열기와 인접한 경계 영역과 연관되어 제2 열 구역의 온도를 유지하기 위해서 선택된 온도로 설정되도록;
배열되는,
액적 액추에이터. - 제70항에 있어서,
상기 제2 가열기 및 상기 제3 가열기가 동일한 온도로 설정되는,
액적 액추에이터. - 제70항에 있어서,
상기 제2 가열기 및 상기 제3 가열기는 상기 제1 가열기보다 더 높은 온도로 설정되는,
액적 액추에이터. - 제70항에 있어서,
상기 제2 가열기 및 상기 제3 가열기가 변성 온도로 설정되는,
액적 액추에이터. - 제70항에 있어서,
상기 제3 가열기는 상기 제2 온도 구역을 안정화하는,
액적 액추에이터. - 제54항에 있어서,
상기 PCB 내로 통합되고 상기 열 구역의 온도를 감지하도록 배열되는 하나 이상의 센서를 더 포함하는,
액적 액추에이터. - 제75항에 있어서,
상기 하나 이상의 센서는 실온 내지 100℃ 범위의 온도를 측정하도록 보정되는,
액적 액추에이터. - 제75항에 있어서,
상기 하나 이상의 센서는 실온 내지 100℃ 범위의 온도를 측정하도록 보정되는,
액적 액추에이터. - 제75항에 있어서,
상기 하나 이상의 센서는 상기 액적에 근접하여 온도를 측정하도록 각각 배치되는,
액적 액추에이터. - 제75항에 있어서,
상기 하나 이상의 센서는 상기 액적으로부터 약 1 mm 이하의 거리에서 온도를 측정하도록 각각 배치되는,
액적 액추에이터. - 제1항 내지 제74항 중 어느 한 항의 액적 액추에이터에 커플링되고 그 액적 동작을 제어하는 프로세서를 포함하는,
시스템. - 제80항에 있어서,
상기 프로세서는 약 20 초 미만에 열 사이클을 완료하기 위해서 액적을 상기 열 사이클링 경로를 따라서 운반하는 것을 수행하도록 프로그래밍되는,
시스템. - 제80항에 있어서,
상기 프로세서는 약 15 초 미만에 열 사이클을 완료하기 위해서 액적을 상기 열 사이클링 경로를 따라서 운반하는 것을 수행하도록 프로그래밍되는,
시스템. - 제80항에 있어서,
상기 프로세서는 약 10 초 미만에 열 사이클을 완료하기 위해서 액적을 상기 열 사이클링 경로를 따라서 운반하는 것을 수행하도록 프로그래밍되는,
시스템. - 제80항에 있어서,
상기 프로세서는, 상기 제1 액적 동작 전극으로부터 상기 제2 액적 동작 전극까지의 운반 시간이 약 2초 미만이 되도록, 상기 열 사이클링 경로를 따른 상기 액적의 운반을 수행하게 프로그래밍되는,
시스템. - 제80항에 있어서,
상기 프로세서는, 상기 제1 액적 동작 전극으로부터 상기 제2 액적 동작 전극까지의 운반 시간이 약 1초 미만이 되도록, 상기 열 사이클링 경로를 따른 상기 액적의 운반을 수행하게 프로그래밍되는,
시스템. - 제80항에 있어서,
상기 프로세서는, 상기 제1 액적 동작 전극으로부터 상기 제2 액적 동작 전극까지의 또는 상기 제2 액적 동작 전극으로부터 상기 제1 액적 동작 전극까지의 운반 시간의 비율이 상기 제1 액적 동작 전극 또는 상기 제2 액적 동작 전극의 목적지 전극에서의 액적 체류 시간의 1/5 미만이 되도록, 상기 열 사이클링 경로를 따른 액적의 운반을 수행하게 프로그래밍되는,
시스템. - 제80항에 있어서,
상기 프로세서는, 상기 제1 액적 동작 전극으로부터 상기 제2 액적 동작 전극까지의 또는 상기 제2 액적 동작 전극으로부터 상기 제1 액적 동작 전극까지의 운반 시간의 비율이 상기 제1 액적 동작 전극 또는 상기 제2 액적 동작 전극의 목적지 전극에서의 액적 체류 시간의 1/10 미만이 되도록, 상기 열 사이클링 경로를 따른 액적의 운반을 수행하게 프로그래밍되는,
시스템. - 제80항에 있어서,
상기 프로세서는, 상기 제1 액적 동작 전극으로부터 상기 제2 액적 동작 전극까지의 또는 상기 제2 액적 동작 전극으로부터 상기 제1 액적 동작 전극까지의 운반 시간의 비율이 상기 제1 액적 동작 전극 또는 상기 제2 액적 동작 전극의 목적지 전극에서의 액적 체류 시간의 1/100 미만이 되도록, 상기 열 사이클링 경로를 따른 액적의 운반을 수행하게 프로그래밍되는,
시스템.
Applications Claiming Priority (3)
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| US202163195912P | 2021-06-02 | 2021-06-02 | |
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