(57)【要約】  実施例の方法及びシステムは、核酸の鎖を含む遺伝子サンプルの制御されたフラグメント化に関する。遺伝子サンプルを結果として生じる核酸の鎖の望ましい平均フラグメントサイズまで小さくする制御されたフラグメント化処理において、遺伝子サンプルに対して音響エネルギーを集中させるために、フレネル型環状セクタアクチュエータ（ＦＡＳＡ）として構成された変換器への波形入力が使用される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
核酸の鎖を含む遺伝子サンプルの制御されたフラグメント化のために超音波放射を使用する方法であって、
目標方向に音響エネルギーを向けるフレネル型環状セクタアクチュエータ（ＦＡＳＡ）として構成された、上部電極及び下部電極を有する基板を備えた変換器を提供することと、
前記サンプルを収容するサンプル容器であって、前記変換器の前記目標方向に配置され、結合媒体を介して前記変換器と音響的に結合したサンプル容器を提供することと、
一定の時間間隔で音響エネルギーを、前記一定の時間間隔に対応した平均フラグメントサイズを有する核酸のフラグメントにまで小さくされる前記遺伝子サンプルに向けるために前記変換器に対して入力波形を適用することを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記基板が圧電材料を備え、前記電極が導電性材料を備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記遺伝子サンプルが、少なくとも１つのＤＮＡ（デオキシリボ核酸）、ＲＮＡ（リボ核酸）、または溶解細胞を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記入力波形が、前記基板の共鳴周波数に近い周波数を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記一定の時間間隔で音響エネルギーを前記遺伝子サンプルに向けるために前記入力波形を前記変換器に適用するとき、前記一定の時間間隔が、前記平均フラグメントサイズに近い目標フラグメントサイズと関連付けられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記入力波形の電圧レベルと前記平均フラグメントサイズの目標フラグメントサイズの関数としての前記一定の時間間隔を推定することをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記平均フラグメントサイズの目標フラグメントサイズと、前記入力波形のバースト音の繰り返し速度の関数としての前記一定の時間間隔を推定することをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記平均フラグメントサイズの目標フラグメントサイズと、前記入力波形のバースト音のデューティサイクルの関数としての前記一定の時間間隔を推定することをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記平均フラグメントサイズの目標フラグメントサイズと、前記入力波形のＲＦ周波数の関数としての前記一定の時間間隔を推定することをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記平均フラグメントサイズの目標フラグメントサイズと、前記ＦＡＳＡ構成体の構成要素における前記入力波形のバースト音の位相組み合わせの関数としての前記一定の時間間隔を推定することをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記上部電極及び下部電極の各々が０度から３６０度の角を有するセクタをカバーする複数の環状セグメントを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記上部電極及び下部電極の各々が、領域を約等しいセクタに分割する複数のセクタエレメントを備える複合電極を備え、セクタエレメントの各々は、対応する角を有するセクタをそれぞれカバーする複数の環状セグメントを備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
核酸の鎖を含む遺伝子サンプルの制御されたフラグメント化のために超音波放射を使用する装置であって、
目標方向に音響エネルギーを向けるフレネル型環状セクタアクチュエータ（ＦＡＳＡ）として構成された、上部電極及び下部電極を有する基板を備えた変換器と、
前記遺伝子サンプルを収容するサンプル容器であって、前記変換器の前記目標方向に配置され、結合媒体を介して前記変換器と音響的に結合したサンプル容器と、
一定の時間間隔で音響エネルギーを、前記一定の時間間隔に対応した平均フラグメントサイズを有する核酸のフラグメントにまで小さくされる前記遺伝子サンプルに向けるために前記変換器に対して入力波形を適用する無線周波数発生器を含むことを特徴とする装置。
【請求項１４】
前記一定の時間間隔で音響エネルギーを前記遺伝子サンプルに向けるために前記入力波形を前記変換器に適用するとき、前記一定の時間間隔が、前記平均フラグメントサイズに近い目標フラグメントサイズと関連付けられることを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記周波数発生器が、前記入力波形の電圧レベルと前記平均フラグメントサイズの目標フラグメントサイズの関数としての前記一定の時間間隔を推定するようにさらに構成されていることを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
【請求項１６】
前記周波数発生器が、平均フラグメントサイズの目標フラグメントサイズと、前記入力波形のバースト音の繰り返し速度の関数としての前記一定の時間間隔を推定するようにさらに構成されていることを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
【請求項１７】
前記周波数発生器が、前記平均フラグメントサイズの目標フラグメントサイズと、前記入力波形のバースト音のデューティサイクルの関数としての前記一定の時間間隔を推定するようにさらに構成されていることを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
【請求項１８】
前記周波数発生器が、前記平均フラグメントサイズの目標フラグメントサイズと、前記入力波形のＲＦ周波数の関数としての前記一定の時間間隔を推定するようにさらに構成されていることを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
【請求項１９】
前記周波数発生器が、前記平均フラグメントサイズの目標フラグメントサイズと、前記ＦＡＳＡ構成体の構成要素における前記入力波形のバースト音の位相組み合わせの関数としての前記一定の時間間隔を推定するようにさらに構成されていることを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
【請求項２０】
核酸の鎖を含む遺伝子サンプルの制御されたフラグメント化のために超音波放射を使用する方法であって、
目標方向に音響エネルギーを向けるフレネル型環状セクタアクチュエータ（ＦＡＳＡ）として構成された、上部電極及び下部電極を有する基板を備えた変換器の構成値にアクセスすることと、
前記サンプルを収容するサンプル容器であって、前記変換器の前記目標方向に配置され、結合媒体を介して前記変換器と音響的に結合したサンプル容器の構成値にアクセスすることと、
前記変換器の前記構成値及び前記サンプル容器の前記構成値によって与えられる条件下で、前記サンプル容器を使用した前記変換器の動作のためのデータベースであって、一定の時間間隔における前記変換器への入力波形の適用と前記遺伝子サンプルの制御されたフラグメント化における核酸のフラグメントのための平均フラグメントサイズとを関連付けるデータベースにアクセスすることと、
前記変換器に対して前記入力波形を適用するように構成されたＲＦ（無線周波数）発生器にＲＦ入力を行うことを含むことを特徴とする方法。
【請求項２１】
前記基板が圧電材料を備え、前記電極が導電性材料を備えることを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記遺伝子サンプルが、少なくとも１つのＤＮＡ（デオキシリボ核酸）、ＲＮＡ（リボ核酸）、または溶解細胞を含むことを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記入力波形が、前記基板の共鳴周波数に近い周波数を含むことを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
前記一定の時間間隔で音響エネルギーを前記遺伝子サンプルに向けるために前記入力波形を前記変換器に適用するとき、前記一定の時間間隔が、前記平均フラグメントサイズに近い目標フラグメントサイズと関連付けられることを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
前記入力波形の電圧レベルと前記平均フラグメントサイズの目標フラグメントサイズの関数としての前記一定の時間間隔を推定することをさらに含むことを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
【請求項２６】
前記平均フラグメントサイズの目標フラグメントサイズと、前記入力波形のバースト音の繰り返し速度の関数としての前記一定の時間間隔を推定することをさらに含むことを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
【請求項２７】
前記平均フラグメントサイズの目標フラグメントサイズと、前記入力波形のバースト音のデューティサイクルの関数としての前記一定の時間間隔を推定することをさらに含むことを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
【請求項２８】
前記平均フラグメントサイズの目標フラグメントサイズと、前記入力波形のＲＦ周波数の関数としての前記一定の時間間隔を推定することをさらに含むことを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
【請求項２９】
前記平均フラグメントサイズの目標フラグメントサイズと、前記ＦＡＳＡ構成体の構成要素における前記入力波形のバースト音の位相組み合わせの関数としての前記一定の時間間隔を推定することをさらに含むことを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
【請求項３０】
前記上部電極及び下部電極の各々が０度から３６０度の角を有するセクタをカバーする複数の環状セグメントを含むことを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
【請求項３１】
前記上部電極及び下部電極の各々が、領域を約等しいセクタに分割する複数のセクタエレメントを備える複合電極を備え、セクタエレメントの各々は、対応する角を有するセクタをそれぞれカバーする複数の環状セグメントを備えることを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
【請求項３２】
核酸の鎖を含む遺伝子サンプルの制御されたフラグメント化のために超音波放射を使用するコンピュータプログラムを保存する非一時的なコンピュータ可読媒体であって、
少なくとも１つのコンピュータによって実行されるとき、前記少なくとも１つのコンピュータに、
目標方向に音響エネルギーを向けるフレネル型環状セクタアクチュエータ（ＦＡＳＡ）として構成された、上部電極及び下部電極を有する基板を備えた変換器の構成値にアクセスすることと、
前記サンプルを収容するサンプル容器であって、前記変換器の前記目標方向に配置され、結合媒体を介して前記変換器と音響的に結合したサンプル容器の構成値にアクセスすることと、
前記変換器の前記構成値及び前記サンプル容器の前記構成値によって与えられる条件下で、前記サンプル容器を使用した前記変換器の動作のためのデータベースであって、一定の時間間隔における前記変換器への入力波形の適用と前記遺伝子サンプルの制御されたフラグメント化における核酸のフラグメントのための平均フラグメントサイズとを関連付けるデータベースにアクセスすることと、
前記変換器に対して前記入力波形を適用するように構成されたＲＦ（無線周波数）発生器にＲＦ入力を行うことを含む動作を実行させるインストラクションを含むことを特徴とするコンピュータ可読媒体。
【請求項３３】
前記一定の時間間隔で音響エネルギーを前記遺伝子サンプルに向けるために前記入力波形を前記変換器に適用するとき、前記一定の時間間隔が、前記平均フラグメントサイズに近い目標フラグメントサイズと関連付けられることを特徴とする、請求項３２に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項３４】
前記コンピュータプログラムが、少なくとも１つのコンピュータによって実行されるとき、前記少なくとも１つのコンピュータに、前記入力波形の電圧レベルと前記平均フラグメントサイズの目標フラグメントサイズの関数としての前記一定の時間間隔を推定することを含む動作を実行させるインストラクションをさらに含むことを特徴とする、請求項３２に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項３５】
前記コンピュータプログラムが、少なくとも１つのコンピュータによって実行されるとき、前記少なくとも１つのコンピュータに、前記平均フラグメントサイズの目標フラグメントサイズと、前記入力波形のバースト音の繰り返し速度の関数としての前記一定の時間間隔を推定することを含む動作を実行させるインストラクションをさらに含むことを特徴とする、請求項３２に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項３６】
前記コンピュータプログラムが、少なくとも１つのコンピュータによって実行されるとき、前記少なくとも１つのコンピュータに、前記平均フラグメントサイズの目標フラグメントサイズと、前記入力波形のバースト音のデューティサイクルの関数としての前記一定の時間間隔を推定することを含む動作を実行させるインストラクションをさらに含むことを特徴とする、請求項３２に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項３７】
前記コンピュータプログラムが、少なくとも１つのコンピュータによって実行されるとき、前記少なくとも１つのコンピュータに、前記平均フラグメントサイズの目標フラグメントサイズと、前記入力波形のＲＦ周波数の関数としての前記一定の時間間隔を推定することを含む動作を実行させるインストラクションをさらに含むことを特徴とする、請求項３２に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項３８】
前記コンピュータプログラムが、少なくとも１つのコンピュータによって実行されるとき、前記少なくとも１つのコンピュータに、前記平均フラグメントサイズの目標フラグメントサイズと、前記ＦＡＳＡ構成体の構成要素における前記入力波形のバースト音の位相組み合わせの関数としての前記一定の時間間隔を推定することを含む動作を実行させるインストラクションをさらに含むことを特徴とする、請求項３２に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連する出願］
本願は、２０１１年１０月１３日に申請された米国特許仮出願番号第６１／５４６，７５７号によって主張される優先権を享受する利益を主張し、この出願は、本明細書でその全体を参照することによって組み込まれる。
本明細書に記載する事項は、一般的には、超音波装置に関し、より具体的には、遺伝物質を処理する超音波装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体の発達及び機能に関する完全情報は、そのＤＮＡの中にコードされていることが分かっているため、ＤＮＡ（デオキシリボ核酸）やＲＮＡ（リボ核酸）などの核酸に関する研究を含むゲノム研究は、生命科学においてその重要性を増している。従って、ヒトその他の生命体のゲノム配列（例えば、ＤＮＡ配列）を読みとることのニーズが高まっている。
【０００３】
配列作業を正確に行うため、一般に、従来の分析ツール（例えば、配列リーダー）では、元々長い核酸の鎖を、より小さな鎖にすることを要求する。例えば、ゲノムサンプルは、最初は１０，０００以上の塩基対または数十億もの塩基対を含むことがあるが、配列リーダーの動作設定では、塩基対の鎖の平均長が５，０００未満（例えば、３００、４００、６００、８００または１，５００の塩基対）であることを要求することがある。また、酵素消化、噴霧化、ハイドロせん断（hydroshear）、及び音波処理などの長鎖をフラグメント化する（せん断する）従来のアプローチは、サンプルサイズに関する要求、サンプルロス、汚染可能性、運用コスト、制御の限界などの制限や不利益をさらに課すことがある。従って、核酸の鎖を含む遺伝子サンプルをフラグメント化するための、改良されたシステムや関連方法に関する要請がある。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
いくつかの実施形態を実施例によって示すが、これらの実施形態は添付図面の図によって制限されるものではない。
【図１】図１は、実施形態の例による変換器システムの側面を示す図である。
【図２】図２は、実施形態の例によるフレネル型環状セクタアクチュエータ（ＦＡＳＡ）変換器の上面を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、図２のＦＡＳＡ変換器の円筒座標における音響のずれをシミュレーションして示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図２のＦＡＳＡ変換器の円筒座標における音響のずれをシミュレーションして示す図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図２のＦＡＳＡ変換器の円筒座標における音響のずれをシミュレーションして示す図である。
【図４】図４は、実施形態の例による複合ＦＡＳＡ変換器の上面を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、図４の複合ＦＡＳＡ変換器の円筒座標における音響のずれをシミュレーションして示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図４の複合ＦＡＳＡ変換器の円筒座標における音響のずれをシミュレーションして示す図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、図４の複合ＦＡＳＡ変換器の円筒座標における音響のずれをシミュレーションして示す図である。
【図６】図６は、図１及び図４の実施形態に関連する実験における塩基対の長さの関数としてのフラグメントの分布を示す図である。
【図７】図７は、図１及び図４の実施形態に関連する実験における所与の遺伝子サンプルサイズのピークせん断長のプロットを示す図である。
【図８】図８は、図１及び図４の実施形態に関連する実験における２つの異なる遺伝子サンプルサイズに対する処理時間の関数としてのＤＮＡの平均長のプロットを示す図である。
【図９】図９は、図１及び図４の実施形態に関連する実験における所与の遺伝子サンプルサイズと２つの電圧振幅のピークせん断長のプロットを示す図である。
【図１０】図１０は、実施形態の例による遺伝子サンプルの制御されたフラグメント化のための超音波放射を使用した方法を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、実施形態の例によるＦＡＳＡ変換器のエレメントの配列を含む変換器システムを示す図である。
【図１２】図１２は、実施形態の例による遺伝子サンプルの制御されたフラグメント化のための超音波放射を使用した方法を示すフローチャートである。
【図１３】図１３は、実施形態の例によるコンピュータ実装変換器システムを示す図である。
【図１４】図１４は、コンピュータに本明細書において説明する任意の１つの方法を行わせる１組のインストラクションを実行することができるコンピュータ処理システムを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
実施例の方法及びシステムは、核酸の鎖を含む遺伝子サンプルの制御されたフラグメント化に関する。開示している実施例は、考えられるバリエーションの典型例を表したものにすぎない。特に明確なことわりがない限り、構成要素と機能は任意であって、組み合わせや細分化が可能で、動作の順番を変え、または組み合わせ若しくは細分化することもできる。以下の記載において、説明の目的上、実施形態の例を完全に理解できるようにするために、複数の具体的な詳細を記載している。しかしながら、当業者にとっては、こうした具体的詳細がなくても本発明の事項を実践できることは明らかだろう。
【０００６】
図１は、実施形態の例による変換器１０２とサンプル容器１１０とを含むシステム１００の側面を示す図である。変換器１０２は、上部電極１０６と下部電極１０８との間に挟まれた基板材料１０４を備え、この基板材料１０４は、通常、圧電板（例えば、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）製）であり、電極１０６、１０８は導電性材料（例えば金属）である。以下で説明するように、電極１０６、１０８は、電極１０６、１０８に電気的に接続される無線周波数（ＲＦ）電源１０９により駆動されると、目標方向（例えば、図１において上方）に音響エネルギーを向けるフレネル型環状セクタアクチュエータ（ＦＡＳＡ）として構成される。
【０００７】
サンプル容器１１０は、核酸の鎖を含む遺伝子サンプル１１２を収容する。遺伝子サンプルは、例えば、ＤＮＡ、ＲＮＡ、または溶解細胞（例えば、ウィルス機構、酵素機構または浸透圧機構あるいは関連の機構によって溶解した細胞）を含むことができる。側壁１１４は、基板材料１０４に対して、基板材料１０４とサンプル容器１１０の間の音響結合を行う結合媒体１１６（例えば水などの流体）を取り囲むように配置される。変換器システム１００の詳細について追加すると、変換器１０２に対してサンプル容器１１０の位置を維持する機械サポート（例えばサポートアーム）を含めることもできる。動作設定に応じて、結合媒体１１６から上部電極１０６を隔てるために、電気的に絶縁の層を追加することができる。
【０００８】
図２は、図１の変換器１０２として使用することができるＦＡＳＡ変換器２００の上面を示す図である。ＦＡＳＡ変換器２００の上部電極は、下部電極上の構成と似た構成で基板２０２上に配置された２つの環状部分２０４、２０６を含む。同様に、図１は、上部電極１０６と下部電極１０８に対する２つの電極エレメントを示す。環状部分２０４、２０６は、０度から３６０度の間の他の角度でも可能だが、角度９０度の広がりを有する。同様に、その他の構成として環状電極エレメントの数を増やしても、ＦＡＳＡの構成として可能である。例えば、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる米国特許番号第６，６８２，２１４号（“Acoustic Wave Micromixer Using Fresnel Annular Sector Actuators”）を参照されたい。
【０００９】
図２において、基板２０２は、８ｍｍ×８ｍｍの公称寸法を有し、環状部分２０４、２０６のそれぞれの幅は、約１ｍｍである。図１のエレメントは、縮尺どおりに描かれてはいない。１つの実施例の構成において、基板材料１０４は、図２に示すように８ｍｍ×８ｍｍで厚さが０．５ｍｍであり、電極１０６と１０８は、それぞれ幅が１ｍｍであり、その厚さは実装の詳細に応じて０．１ミクロンから５０ミクロンまで変えることができる。サンプル容器１１０は、直径約６ｍｍ、高さ約４ｃｍの円柱管とすることができ、変換器１０２とサンプル容器１１０との距離間隔は約７ｍｍとすることができる。遺伝子サンプル１１２（例えば、ＤＮＡ溶液）は、約５０μＬであり、サンプル容器１１０の底部において長さが約３ｍｍにわたるようにすることができる。これらの寸法が代表的であるが、動作設定に応じてその他の寸法も使用できる。
【００１０】
通常、図１のＲＦ電源１０９は、基板材料（例えばＰＺＴ板）の共鳴の厚みモードに対応する特定周波数のバースト音（tone burst）の形態の電気信号によって駆動される。即ち、音波（例えば、基本周波数の１０％、２０％または３０％以内か、より高調波）の生成を高めるため、基板の共鳴機械的周波数か、その近くの周波数における周波数が選択される。駆動波形の形状は、正弦波、正方形、またはこれらに似た任意の形状とすることができる。望ましくない変換器や遺伝子サンプルの加熱を行うことなく比較的速やかに所望のフラグメント化を達成するために、充分に高い繰り返し速度が選択される。通常の繰り返し速度は数１０Ｈｚから数１，０００Ｈｚにわたる。例えば、通常の構成において、共振周波数は、４ＭＨｚ（例えば厚さ０．５ｍｍのＰＺＴ板に対応）であり、駆動波形が５０サイクル（〜１２．５μｓ）適用され、１０４サイクル（〜２．５ｍｓ）は信号の適用がなく、対応するデューティサイクル（duty cycle）がＤ＝５０／１０，０５０＝〜０．５％である。バースト音の期間と振幅が系統的に調整されると、遺伝子サンプル１１２に及ぼされる機械力から、核酸の鎖を制御しながら、より小さな鎖にフラグメント化する、せん断力が生じる。
【００１１】
例えば、図３Ａ、３Ｂ、３Ｃは、図１のサンプル容器１１０の遺伝子サンプル１１２の位置に対応する公称高さにおける図２のＦＡＳＡ変換器２００の円筒座標における音響のずれをシミュレーションした図である。図３Ａは、垂直成分を示し、図３Ｂ、３Ｃは、それぞれ、横方向（例えば、基板材料１０４の表面に対して平行）における動径成分と角度成分を示す。
【００１２】
追加的な実施形態は、代替的なＦＡＳＡの構成に関する。適切な角度のＦＡＳＡ変換器は、例えば、その間に小さな間隙（例えば、数ミクロンから数ミリメートル）を有し、複合的な変換器を形成することができる。
【００１３】
追加的な実施形態は、代替的なＦＡＳＡの構成に関する。例えば、それぞれが適切な角度とその間に比較的小さな間隙（例えば、数ミクロンから数ミリメートル）を有するＦＡＳＡ変換器の組み合わせは、結合媒体における横方向の音場（acoustic field）を相当量残しつつ、せん断処理を速めるために機械エネルギーをより高レベルに生み出す複合的な変換器を形成することができる。図４は、変換器Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４として表された４つの９０度のエレメントを有する複合電極を備えた複合ＦＡＳＡ変換器４００の上面を示す。エレメント間のシフトを表す小さな間隙により、複合変換器は個々の変換器の機械的効果を効果的に結合することができる。
【００１４】
図３Ａ、３Ｂ、３Ｃと同様に、図５Ａ、５Ｂ、５Ｃは、図１のサンプル容器１１０の遺伝子サンプル１１２の位置に対応する公称高さでの図４の複合ＦＡＳＡ変換器４００の円筒座標における音響のずれをシミュレーションした図である。図５Ａは、垂直成分を示し、図５Ｂ、５Ｃは、それぞれ、横方向（例えば、基板材料１０４の表面に対して平行）における動径成分と角度成分を示す。９０度のエレメントによる発展的な効果は、図中の等級目盛りの数値指標（例えば、図３Ａでは０．０２ｍｍ〜０．１ｍｍであるのに対して、図５Ａでは１ｍｍ〜３ｍｍ）を比較しても明らかである。
【００１５】
図４の複合ＦＡＳＡ変換器４００などの複合的な変換器を使用することによって、各エレメント（例えば、図４における４つのＦＡＳＡエレメントＴ１〜Ｔ４のそれぞれ１つ）に適用されるＲＦ信号の相対位相及び／または振幅を制御して、サンプル容器内のせん断速度及び／または最大音響強さの動作を制御することができる（即ち「位相配列変換器」同様に）。つまり、せん断処理を制御するために、ＦＡＳＡ構成体の構成成分への波形入力の位相の組み合わせを使用することができる。
【００１６】
図６は、フラグメント（例えば、相対蛍光単位（ＦＵ）で測定される）の分布を示す、図２のＦＡＳＡ変換器２００の実験用の、結果としてのフラグメントのサイズが平均で３６９塩基対（ＢＰ）となる一定の時間間隔に対する塩基対の関数としての関連図である。図６の値は、せん断サンプルのゲル電気泳動画像から得られたグラフに対応し、処理されたＤＮＡサンプルのフラグメント長の分布を示す。その結果は、特定長さのＤＮＡの濃度に概ね比例するサンプルの蛍光を測定する光学機器から得られたものである。図６に示すように、せん断ＤＮＡのサイズ分布は、せん断ＤＮＡの殆どが平均長（３６９ＢＰ）に比較的近づくように、比較的密である（分散が小さい）。上記説明したように、せん断処理は、波動の振幅や期間などのパルスパラメータと、処理に要する全時間とによって制御することができる。その結果、せん断ＤＮＡの平均長は、パルスパラメータ同様に制御することができる。
【００１７】
その他のパラメータが設定されているときは特に、様々な動作設定において、処理に要する全期間と電圧振幅とを容易に制御し、再生することができる。図７は、所与の遺伝子サンプルサイズ（例えば５０μＬ）に対するピークせん断長（図６に示すように塩基対の最大数）のプロットを示す図である。図８は、２つの異なる遺伝子サンプルサイズ、即ち５０μＬのサンプルサイズと１００μＬのサンプルサイズの処理時間の関数としてのＤＮＡの平均長のプロットを示す図である。図８に示すように、より大きな遺伝子サンプルサイズで動作を行う場合、通常、平均フラグメントサイズの目標値に到達するために、より長い時間がかかっている。図９は、所与の遺伝子サンプルサイズ（例えば５０μＬ）と２つの電圧振幅、即ち１１０Ｖの電圧振幅と１７５Ｖの電圧振幅のピークせん断長のプロットを示す図である。図９に示すように、より低い電圧振幅で動作を行うと、通常、平均フラグメントサイズの目標値に到達する時間がより長くなる。
【００１８】
図１のシステム１００を参照すると、図１０は、実施形態の例による核酸の鎖を含む、遺伝子サンプル１１２の制御されたフラグメント化のための超音波放射を使用した方法１０００を示したフローチャートである。第１動作１００２は、目標方向に音響エネルギーを向けるフレネル型環状セクタアクチュエータ（ＦＡＳＡ）として構成した、上部電極１０６、下部電極１０８を有する基板材料１０４を備える変換器１０２を提供することを含む。第２動作１００４は、遺伝子サンプル１１２を収容するためのサンプル容器１１０であって、変換器１０２の目標方向に配置され、かつ、結合媒体１１６を介して変換器１０２と音響的に結合しているサンプル容器１１０を提供することを含む。第３動作１００６は、一定の時間間隔に対応した平均フラグメントサイズを有する核酸フラグメントまでサイズが小さくなった遺伝子サンプル１１２に音響エネルギーを向けるために、一定の時間間隔にわたって変換器１０２に対して入力波形を適用することを含む。
【００１９】
また、追加的な実施形態は、変換器プレートの近くに配置されたフレネルレンズと結合した代替的な電極エレメントが環状の電極セグメント（例えば図２に示すもの）に代替する、代替的なＦＡＳＡの構成に関する。例えば、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる、米国特許出願番号１２／４１８，５０３号（“Methods and Systems to Form High Efficiency and Uniform Fresnel Lens Arrays for Ultrasonic Liquid Manipulation”）を参照されたい。
【００２０】
いくつかの動作設定においては、複数の遺伝子サンプルを同時に処理するのが望ましいことがある。図１１は、ＦＡＳＡ変換器エレメント１１０２のアレイを含む変換器システム１１００を示す図である。ゲノムサンプル１１０６を収容するサンプル容器１１０４は、チューブホルダ１１０８によってサポートされている。図１１において単独のサンプル容器１１０４を示しているが、複数のサンプル容器を同時に処理することもできる。
【００２１】
コンピュータシステムは、図１の変換器１０２に対して、バースト音信号のパラメータならびにサンプル容器１１０の位置を含むシステムを特徴付けるその他の構成体のパラメータとの関係を特徴付けるデータベースにアクセスするために使用することができる。上記説明したように、バースト音信号のパラメータは、パルス振幅、パルス期間、繰り返し速度、デューティサイクル、ＲＦ周波数、及びＦＡＳＡ構成体（例えば図４における構成体）の構成要素への波形入力の位相組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態の例において、遺伝子サンプル１１２の処理の一定の時間間隔は、バースト音信号の１つまたは複数のパラメータ及び平均フラグメントサイズについての目標フラグメントサイズを機能的に関連付けることもできる。
【００２２】
図１の変換器システム１００に関して、図１２は、核酸の鎖を含む遺伝子サンプル１１２の制御されたフラグメント化のための超音波放射を使用した方法１２００を示すフローチャートである。第１動作１２０２は、目標方向に音響エネルギーを向けるフレネル型環状セクタアクチュエータ（ＦＡＳＡ）として構成した、上部電極１０６、下部電極１０８を有する基板材料１０４を備える変換器１０２の構成値にアクセスすることを含む。第２動作１２０４は、遺伝子サンプル１１２を収容するサンプル容器１１０であって、変換器１０２の目標方向に配置され、かつ、結合媒体１１６を介して変換器１０２と音響的に結合しているサンプル容器１１０の構成値にアクセスすることを含む。第３動作１２０６は、変換器１０２の構成値及びサンプル容器１１０の構成値によって与えられる条件下で、サンプル容器１１０を用いた変換器１０２の動作のためのデータベースにアクセスすることを含むが、このデータベースは、一定の時間間隔における変換器１０２への入力波形の適用と遺伝子サンプル１１２の制御されたフラグメント化における核酸のフラグメントのための平均フラグメントサイズとを関連付ける。第４動作１２０８は、変換器１０２に対して入力波形を適用するよう構成したＲＦ発生器（例えば、ＲＦ電源１０９）へＲＦ（無線）入力を行うことを含む。
【００２３】
図１３は、超音波装置１３０２、無線発生器１３０４、及びコンピュータシステム１３０６を含む、関連するコンピュータ実装変換器システム１３００を示す図である。
【００２４】
図１４は、機械に対して本明細書に説明した１つ又は複数の方法を行わせるインストラクションが実行されるコンピュータシステム１４００の形態を例にしたマシンを示す。代替的な実施形態において、マシンは、スタンドアロン装置として動作し、またはその他のマシンに接続（例えばネットワーク接続）することもできる。ネットワークの配置において、マシンは、サーバ‐クライアントネットワーク環境ではサーバまたはクライアントマシンとして動作し、ピア・ツー・ピア（または分散型）ネットワーク環境ではピアマシンとして動作することができる。マシンは、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、タブレットＰＣ、セットトップボックス（ＳＴＢ）、携帯端末（ＰＤＡ）、携帯電話、ウェブ装置、ネットワークルータ、スイッチまたはブリッジ、マイクロコントローラまたはそのマシンで行うことができる動作を特定するインストラクション（順次またはその他）を実行できるその他の任意のマシンとすることができる。さらに、単一のマシンが示されているが、「マシン」という用語は、本明細書で説明する任意の１つまたは複数の方法を行うための一組のインストラクション（または複数の組）を個別または一緒に実行するマシンの任意の集合体を含むことも意図している。
【００２５】
例示的コンピュータシステム１４００は、バス１４０８を介して互いに通信するプロセッサ１４０２（例えば、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、グラフィックスプロセッシングユニット（ＧＰＵ）または両方）、メインメモリ１４０４、及びスタティックメモリ１４０６を含む。コンピュータシステム１４００は、さらにビデオ表示部１４１０（例えば液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）または陰極線管（ＣＲＴ））を含むことができる。コンピュータシステム１４００は、１つまたは複数の英数字入力装置１４１２（例えばキーボード）、ユーザインターフェース（ＵＩ）カーソル制御装置１４１４（例えばマウス）、ディスクドライブ部１４１６、信号生成装置１４１８（例えばスピーカ）、及びネットワークインターフェース装置１４２０を含む。
【００２６】
いくつかの意味合いにおいて、コンピュータ可読媒体は、マシン可読媒体と記載することができる。ディスクドライブ部１４１６は、本明細書に記載された任意の１つまたは複数の方法または機能を具体化する、またはこれらの方法や機能を利用する１つまたは複数の組のデータ構造とインストラクション１４２４（例えば、ソフトウェア）とが保存されたマシン可読媒体１４２２を含む。インストラクション１４２４は、コンピュータシステム１４００によるその実行中に、完全に、または少なくとも部分的に、スタティックメモリ１４０６内、メインメモリ１４０４内またはプロセッサ１４０２内に存在することができ、メインメモリ１４０４とプロセッサ１４０２もマシン可読媒体を構成する。
マシン可読媒体１４２２は、実施形態の例では単独の媒体であるが、「マシン可読媒体」や「コンピュータ可読媒体」という言葉は、それぞれ１つまたは複数の組のデータ構造とインストラクション１４２４とを保存する複数の媒体（例えば、集中若しくは分散データベース、及び／または関連するキャッシュやサーバ）を指す。これらの用語は、マシンによって実行するためのインストラクションを保存し、符号化し、または伝達することができる任意の有形かつ非一時的な媒体であって、マシンに対して本明細書に記載した方法の１つまたは複数を実行させ、このようなインストラクションによって利用される、またはこのようなインストラクションと関連付けられるデータ構造を保存し、符号化し、または伝達することができる媒体を含むと解釈される。従って、この用語は、固体記憶装置及び光媒体、磁気媒体を含むと解釈されるが、これらに限定されない。マシン可読媒体またはコンピュータ可読媒体の具体例は、例えば、消去可能プログラマブルリードオンリメモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的消去可能プログラマブルリードオンリメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）及びフラッシュメモリ装置などの半導体メモリ装置、内蔵ハードディスクやリムーバブル・ディスクなどの磁気ディスク、光磁気ディスク、コンパクトディスク・リードオンリーメモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）及びデジタルバーサタイルディスク・リードオンリーメモリ（ＤＶＤ−ＲＯＭ）などの不揮発性メモリを含む。
【００２７】
また、インストラクション１４２４は、伝送媒体を用いて通信ネットワーク１４２６上で送受信することができる。インストラクション１４２４は、ネットワークインターフェース装置１４２０と周知の複数の伝送プロトコル（例えば、ハイパーテキスト・トランスファー・プロトコル（ＨＴＴＰ））のうち任意の１つを用いて送信することができる。通信ネットワークの実施例は、ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）、広域ネットワーク（ＷＡＮ）、インターネット、携帯電話ネットワーク、アナログ音声通話のみ可能な旧来の電話サービス（ＰＯＴＳ）ネットワーク、及び無線データネットワーク（例えばＷｉＦｉやＷｉＭａｘネットワーク）を含む。「伝送媒体」という用語は、マシンによって実行するためのインストラクションを保存し、符号化し、または伝達することができる任意の無形の媒体を含むと解釈され、デジタル若しくはアナログの通信信号またはそのようなソフトウェアの通信を容易にするようなその他の無形の媒体を含む。
【００２８】
本明細書において、ロジックまたは複数の構成要素、モジュール若しくはメカニズムを備えたいくつかの実施形態が記載されている。モジュールは、ソフトウェアモジュールまたはハードウェア実装モジュールのいずれかを構成要素とすることができる。ハードウェア実装モジュールは、ある動作を行うことができる有形のユニットであり、特定の態様で構成し、または配置することができる。実施形態の例において、１つ若しくは複数のコンピュータシステム（例えば、スタンドアロン型、クライアントまたはサーバコンピュータシステム）または１つ若しくは複数のプロセッサは、本明細書に記載する特定の動作を行うために動作するハードウェア実装モジュールとしてソフトウェア（例えば、アプリケーションまたはアプリケーションの一部）によって構成することができる。
【００２９】
様々な実施形態において、ハードウェア実装モジュール（例えばコンピュータ実装モジュール）は、機械的または電気的に実装することができる。例えば、ハードウェア実装モジュールは、ある動作を行うために固定的に（permanently）構成された（例えば、特定の目的のプロセッサとしてフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）やエーシック（ＡＳＩＣ）など）専用回路またはロジックを備えることができる。また、ハードウェア実装モジュールは、ある動作を行うためにソフトウェアによって一時的に（temporarily）構成されたプログラマブル・ロジックまたは回路（例えば、汎用プロセッサやその他のプログラマブル・プロセッサの中に包含されるものとして）を備えることができる。専用の、かつ固定的に構成された回路や一時的に構成された回路（例えば、ソフトウェアによって構成されたもの）において、機械的にハードウェア実装モジュールを実装する決断は、費用と時間を考慮したうえでなされ得ることが理解されるだろう。
【００３０】
従って、「ハードウェア実装モジュール」（例えばコンピュータ実装モジュール）という用語は、それが、固定的に構成されたもの（例えばハード・ワイヤードのもの）であれ、一時的に構成されたもの（例えばプログラミングされたもの）であれ、物理的に構成された実体である有形物であって本明細書に記載する特定の態様で動作し、及び／または特定の動作を行うものを包含すると理解されるべきである。ハードウェア実装モジュールが一時的に構成された（例えばプログラミングされたもの）実施形態を考えると、ハードウェア実装モジュールの各々は、同時期に１つのインスタンスで構成されたりインスタンスを作成したり（instantiated）する必要はない。例えば、ハードウェア実装モジュールが、ソフトウェアを使用した汎用プロセッサを備えている場合は、汎用プロセッサは異なる時間において各々の異なるハードウェア実装モジュールとして構成することができる。従って、ソフトウェアは、例えば、１つの時間のインスタンスにおいて特定のハードウェア実装モジュールを構成し、異なる時間のインスタンスにおいて異なるハードウェア実装モジュールを構成するようにプロセッサを構成することができる。
【００３１】
ハードウェア実装モジュールは、その他のハードウェア実装モジュールに情報を提供し、その他のハードウェア実装モジュールから情報を受信することができる。従って、本明細書に記載するハードウェア実装モジュールは、通信可能に結合していると考えることができる。このような複数のハードウェア実装モジュールが同時期に存在する場合、通信は、ハードウェア実装モジュールを接続する信号送信（例えば適切な回路やバスにおいて）によって達成することができる。複数のハードウェア実装モジュールが異なる時間に構成され、またはインスタンスを作成した実施形態において、このようなハードウェア実装モジュール間の通信を、例えば複数のハードウェア実装モジュールがアクセスするメモリ構造における情報の保存や検索を通して達成することができる。例えば、１つのハードウェア実装モジュールは、動作を行い、それが通信可能につながっているメモリ装置内のその動作の出力値を保存することができる。更に、ハードウェア実装モジュールは、その後、後の時点でメモリ装置にアクセスし、保存した出力値を検索して処理する。ハードウェア実装モジュールは、入力装置または出力装置によって通信を開始し、リソースについて動作（例えば情報収集）することもできる。
【００３２】
本明細書に記載する実施例の方法の様々な動作は、関連動作を行うことができる、少なくとも部分的に、一時的（例えばソフトウェア）または固定的に構成された１つまたは複数のプロセッサによって実行されることができる。一時的に構成されたものであれ、固定的に構成されたものであれ、こうしたプロセッサは、１つまたは複数の動作や機能を行うために動作するプロセッサ実装モジュールから構成され得る。本明細書において記載するモジュールは、いくつかの実施形態の例において、プロセッサ実装モジュールを含むことができる。
【００３３】
同様に、本明細書に記載する方法は、少なくとも部分的にプロセッサ実装とすることができる。例えば、方法の少なくともいくつかの動作は、１つ若しくは複数のプロセッサまたはプロセッサ実装モジュールによって行うことができる。特定の動作の性能は、単一の機械内のみならず複数の機械にわたって１つまたは複数のプロセッサに配分することができる。いくつかの実施形態の例において、１つまたは複数のプロセッサは、単一場所（例えば家環境やオフィス環境内またはサーバ・ファームとして）に配置することができ、別の実施形態においては、プロセッサは複数場所に分散配置することもできる。
【００３４】
１つまたは複数のプロセッサは、「クラウド・コンピューティング」環境における関連する動作の性能または「サース」（ＳａａＳ）としての関連する動作の性能をサポートするために動作することもできる。例えば、少なくともいくつかの動作は、一群のコンピュータ（プロセッサを含むマシンの実施例として）によって行うことができ、これらの動作は、ネットワーク（例えばインターネット）や１つまたは複数のインターフェース（例えば、アプリケーション・プログラム・インターフェース（ＡＰＩｓ））を介してアクセスすることができる。
【００３５】
以上、いくつか特定の実施形態について詳細に記載したが、当業者はすぐに、この開示によって新たに教示される内容から大きく逸脱することなく、多くの変更が可能であることに気づくだろう。例えば、上記開示した実施形態の態様は、その他の組み合わせと組み合わせて追加の実施形態を形成することができる。従って、これらの変更は、この開示内容の範囲内に含まれることが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図１１】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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