KR100546236B1 - 반응 용기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반응물을 담는 반응 용기에 관한 것으로, 상기 용기는 전류가 통과할 때 열을 방출하는 전기 도전성 중합체를 포함한다. 적합한 반응 용기는 상기 전기 도전성 중합체와 밀접게 접촉하는 모세관 튜브, 슬라이드 또는 칩 등의 반응물 용기를 포함한다. 예를 들어, 상기 중합체는 외장을 형성하도록 튜브 둘레에 감싸여진 필름형태일 수 있다. 이것은 소정 온도로 신속하게 가열 및 냉각될 수 있는 제어가 용이한 열원을 제공한다. 폴리메라제 연쇄 반응(PCR) 등의 열 순환 반응에 적합한 장치와, 이런 반응들을 수행하는 방법도 기재 및 청구되어 있다.

반응 용기, 반응물, 온도 프로파일, 열접촉, 온도 단계

Description

반응 용기{REACTION VESSELS}

본 발명은 예를 들어, 생화학적 반응에 사용되는 반응물의 가열을 제어하기 위한 장치 및 용기와 이들의 사용 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 반응 용기의 가열 제어는 다양한 방법으로 가열 및 냉각되는 중실형 블럭 가열기(solid block heater)를 사용하여 수행한다. 현행의 중실형 블럭 가열기는 전기 소자나 열전소자(thermoelectric device) 등에 의해 가열된다. 할로겐 전구/난류 공기(halogen bulb/turbulent air) 배열에 의해 가열되는 다른 형태의 반응 용기도 있다. 상기 용기를 냉각할 수 있는 방법에는 열전소자, 압축 냉각 기술, 공냉식 또는 냉각 유체에 의한 방법이 있다. 상기 반응 용기는 다양한 부합 수준(level of snugness)으로 블럭 가열기에 설치된다. 따라서, 블럭 가열기와 반응 용기 사이의 열적 접점은 가열기의 형태에 따라 변화된다. 다양한 온도 단계를 필요로 하는 반응에 있어서, 블럭 가열기의 온도는 예를 들어, 가열기를 사용하여 수행될 열적 순환을 허용하도록 프로그램할 수 있는 제어기를 사용하여 조절될 수 있다.

이런 형태의 가열기는 예를 들어, 폴리메라제 연쇄 반응(polymerase chain reaction; PCR) 같은 DNA 증폭(amplification) 방법 등의 열적 순환이 필요한 반응에 특히 유용하다. PCR은 DNA의 특성에 기초하여 특정 DNA 서열(DNA sequence)을 대량 생성하는 공정이며, 상기 DNA의 특성은 염기가 쌍을 이루고 있다는 것(base pairing)과, 상보적인 DNA 스트랜드를 복제한다는 것(precise copying of complementary DNA strands)이다. 일반적인 PCR은 세가지 기본 단계의 순환 공정을 포함한다.

변성(denaturation) : 타겟 DNA의 두개의 스트랜드를 분리시키기 위해 PCR t반응물[복제될 DNA와, 독립적인 뉴클레오티드 염기(A, T, G, C; nucleotide bases)과, 적절한 프라이머(primer) 및 폴리메라제 효소(enzyme)를 포함]을 함유하는 혼합물을 소정 온도로 가열한다.

어닐링(annealing) : 그후, 상기 혼합물이 또다른 소정의 온도로 냉각되고, 프라이머가 그 상보적인 서열을 DNA 스트랜드상에 위치시켜 결합시킨다.

확장(extension) : 상기 혼합물을 또다른 소정의 온도로 다시 가열한다. 상기 폴리메라제 효소(촉매로서 작용)는 독립적인 뉴클레오티드 염기를 상기 프라이머의 말단에 결합하여 타겟 DNA의 서열과 상보적인 새로운 DNA 스트랜드를 형성하며, 상기 두개의 스트랜드는 서로 결합된다.

공지된 블럭 가열기의 단점은 반응에 필요한 온도로 상기 가열 블럭을 가열 및 냉각하는데 시간의 지연이 발생한다는 것이다. 따라서, 각 반응 사이클을 완료하는데 소요되는 시간은 반응의 속도에 부가하여 부분적으로는 가열기의 열역학에 의해서도 결정된다. 상기 반응이 다수의 사이클과 복수의 온도 단계를 포함하고 있기 때문에, 이 지연 시간은 상기 반응을 완료하는데 소요되는 시간에 현저한 영향 을 미친다. 이런 블럭 가열기에 기초한 열순환기는 30 반응 사이클을 완료하는데 대략 2시간 가량이 일반적으로 소요된다.

PCR 기술을 응용하는 다수의 분야에 있어서, 가능한 최소의 시간으로 사이클의 시퀀스를 완료하는 것이 바람직하다. 특히, 예를 들어, 인간 및 동물이 섭취하는 공기나 유체나 식품이 오염된 것으로 의심되는 경우에, 만약, 살아있더라도 건강하지 않은 상태라면, 신속한 진단 방법은 현저히 많은 비용을 절약할 수 있게 해준다.

다른 형태의 열순환기로서는 공기중에 매달려있는 다수의 모세관 반응 튜브를 포함하는 것이 있다. 상기 반응 튜브의 가열 및 냉각은 할로겐 램프와 팬으로부터의 난류를 사용하여 수행된다. 이 시스템의 열역학은 종래의 블럭 가열기 형태보다 현저히 개선되어 있으며, 그 이유는 가열 및 냉각된 공기가 반응 튜브를 통과하여 소요되는 온도에 신속하게 도달할 수 있기 때문이고, 상기 팬은 균일한 열적 환경을 제공하며, 강제적인 냉각을 수행할 수 있다. 이 장치를 사용하면 30 반응 사이클을 15분 가량에 완료할 수 있다.

상기 열순환기의 단점은 공기 냉각 및 가열 방식이 멀티-쇼트(multi-shot) 장치에는 용이하게 적용할 수 없으며, 특히, 이런 장비를 이동하거나 휴대할 수 없다는 것이다.

본 출원인은 열 순환 반응에 특히 유용한 반응물을 신속하게 냉각 및 가열하기에 효율적인 시스템을 개발하였다.

따라서, 본 발명은 전류가 통과할 때 열을 방출하는 전기 도전성 중합체를 포함하는 반응 용기를 제공한다.

전기 도전성 중합체는 공지되어 있으며, 미국 뉴어크주의 칼리언트 시스템즈사(Caliente Systems Inc.)로부터 구할 수 있다. 이런 중합체의 다른 예는 예를 들어, 미국 특허 5,106,540호 및 미국 특허 5,106,538호에 개시되어 있다. 적합한 전기 도전성 중합체는 300℃에 달하는 온도를 제공할 수 있으며, 그래서, 일반적인 온도 범위가 30℃에서 100℃ 사이인 PCR 공정에서 양호하게 사용될 수 있다.

종래의 블럭 가열기에 비해 본 발명의 장점은 전기 도전성 중합체가 신속하게 가열될 수 있다는 것이다. 가열 속도는 중합체의 고유한 특성과, 사용되는 중합체의 치수와, 적용되는 전류량에 의존한다. 상기 중합체는 예를 들어 1000ohm.cm 보다 큰 높은 고유 저항을 가지는 것이 바람직하다. 상기 중합체의 온도는 상기 중합체를 통과하는 전류의 양을 제어함으로써 용이하게 제어될 수 있고, 원하는 시간동안 소정의 온도로 유지할 수 있다. 부가적으로, 온도 사이의 전이 속도는 칼리브레이션(calibration) 이후 예를 들어, 컴퓨터 프로그램의 제어하에 적절한 전류를 적용함으로써 신속하게 제어될 수 있다.

부가적으로, 블럭 가열기에 비해서 신속한 냉각이 보장되며, 이것은 상기 중합체의 열질량(thermal mass)이 작기 때문이다. 그러나, 필요시에는 냉각 속도를 부가적으로 증가시키기 위해 반응 용기에 인위적인 냉각방식을 적용할 수 있다. 적절한 냉각 방법은 예를 들어, 팬을 사용한 강제 공냉, 얼음 또는 수조에 담그는 방법 등을 포함한다.

부가적으로, 반응 용기내의 가열 소자로서 중합체를 사용하는 것은 장치를 일반적으로 현존하는 블럭 가열기 보다 소형으로 형성할 수 있도록 해주며, 이것은 야외, 강, 공장 또는 작은 가계 내부 등의 야전 상황에서 화학 반응을 수행할 때 유용하다.

반응 용기는 전기 도전성 중합체가 컨테이너에 인접하게 배열되어 있는 유리, 플라스틱 또는 실리콘 컨테이너 등의 반응물 컨테이너 형태를 가질 수 있다. 상기 용기의 일 실시예에서, 상기 중합체는 반응 용기 둘레에 용기와 열접촉하도록 설치된 외장으로 구성되어 있다. 상기 외장은 반응 용기 둘레에 보이지 않게 끼워지도록 설계된 외장 형상을 갖거나, 상기 반응 용기 둘레를 감싸는 상태로 고정된 필름 스트립의 형상으로 제공될 수 있다.

상기 중합체 외장 배열은 상기 외장과 상기 반응 용기 사이에 밀접한 열적 접촉을 달성할 수 있다. 이것은 용기가 상기 반응 용기와 가열기 사이의 공기층의 단열 효과로 인한 지연시간이 발생하지 않으면서 소정 온도에 신속하게 도달할 수 있게 한다. 부가적으로, 중합체 외장은 기존의 반응 용기를 사용하는 장치에 적용되어 사용될 수 있다. 특히, 스트립 형상의 가요성 중합체 필름은 다양한 크기와 형상의 반응 용기 둘레를 감싸도록 사용될 수 있다.

외장이 사용될때, 천공되거나, 그물모양으로 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 이것은 중합체의 가요성을 증가시키고 상기 중합체가 자체적으로 냉각되는 것이 아닌 경우에는 냉각 매체를 적용하기가 더 용이해진다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 중합체는 상기 반응 용기의 일체부로서 제공된다. 상기 반응 용기는 압출, 사출 성형 또는 이와 유사한 기술에 의해 중합체로 제조될 수 있다. 선택적으로, 상기 반응 용기는 용기를 제조하는 재료로된 층들 사이에 전기 도전성 중합체 층을 삽입하거나, 상기 반응 용기의 외면을 상기 중합체로 덮거나, 상기 반응 용기를 PCR과 공존할 수 있는 재료의 박층으로 외장된 중합체로 제조하는 등의 복합적인 구성을 사용하여 재조될 수 있다. 이런 용기는 화학 또는 전기화학 증착 기술 등의 증착 및/또는 적층 등의 본 기술 분야에서 공지되어 있는 기술로서 생산될 수 있다.

상기 중합체가 일체부로서 구성되어 있는 용기는 특히 소형의 구조를 제공할 수 있다.

특정 반응에서, 다수의 반응 용기가 필요한 경우에는 소전의 전기 접속점이 하나의 전원에 모든 반응 용기나 튜브가 연결될 수 있도록 위치될 수 있다. 상기 반응 용기는 배열(array)을 이룰 수 있다.

선택적으로, 각 반응 용기 또는 각 반응 용기 그룹은 상기 용기 또는 용기 그룹에 적용되는 전류를 조절함으로써 저마다의 가열 프로파일을 가질 수 있다. 각각의 용기가 서로에 독립적인 열적 프로파일로 제어될 수 있다는 것은 중실형 블럭 가열기나 난류 가열기에 비해 본 발명에 다른 중합체를 구비한 반응 용기가 가지고 있는 부가적이고 특수한 장점이다. 이것은 복수개의 PCR 시험에 대하여 각 시험이 상이한 작동 온도를 갖더라도 동시에 비교적 소형의 장치로 수행할 수 있다는 것을 의미한다. 예를 들어, 샘플중 복수개의 양호한 유기체를 검출하기 위한 PCR 시험이 각 유기체의 특성인 뉴클레오티드 서열이 상이한 PCR 작동 온도에서 분석됨에도 불구하고 동시에 수행될 수 있다.

상기 중합체는 적합하게는 예를 들어, 1mm 내지 10mm 같이 0.01mm 내지 10mm 범위의 두께를 가지는 필름 또는 판형 재료로 형성될 수 있으며, 상기 두께는 0.1mm 내지 0.3mm인 것이 바람직하다. 박막을 이용함으로써, 특정한 반응 용기나 표면을 덮는데 필요한 중합체의 양이 최소화된다. 이것은 상기 중합체를 전류가 통과할 때 발생되는 열이 중합체 재료의 큰 체적 전반으로 분산되지 않기 때문에 상기 중합체에 대해 필요한 온도로 가열하는데 소요되는 시간이 감소된다.

사용시에, 상기 반응 용기의 중합체 성분은 전류가 상기 중합체내에 발생될 수 있도록 배열된다. 이것은 중합체에 전원에 연결되는 접속점을 제공하거나 예를 들어 적절한 전기장 또는 자기장에 중합체를 노출시킴으로써 중합체내에 전류를 유도함으로써 달성될 수 있다.

상기 중합체와 본 발명의 반응 용기 내에 설치될 수 있는 반응물 또는 반응물 컨테이너 사이의 밀접한 열적 접촉은 상기 반응 용기와 가열 소자 사이의 공기층의 단열 효과로 인해 감소되거나 제거될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 용기는 모세관 튜브를 포함한다. 열은 모세관 튜브로부터 그 내부에 함유된 반응물으로 전달되고, 종래의 반응물 용기 보다 모세관 튜브내의 반응물의 체적에 대한 표면적 비율이 더 크기 때문에 종래의 반응물 용기를 사용하는 것보다 신속하게 열이 전달될 수 있다.

선택적으로, 상기 용기는 실리콘 웨이퍼 칩 등의 칩이나 현미경의 슬라이드 같은 슬라이드 등의 이차원 배열 같은 평탄한 지지판을 포함할 수 있으며, 상기 지지판 위에 반응물이 지지되게 된다. 상기 판은 중합체로 제조되거나, 상술한 복합적 구성내의 중합체층 또는 판의 일측면상에 외장된 상태로 중합체가 판의 일체부로써 제공될 수 있다. 특히, 판이 칩인 경우처럼 필요하다면, 중합체는 예를 들어 인쇄 회로 기판(PCB) 기술을 사용하여 칩상에 소정 포멧으로 에칭 및/또는 증착될 수 있다.

이런 형태의 용기는 특히, 예를 들어, 조직(tissue) 샘플상의 위치에서 PCR이 수행될때 유용하다.

다른 적절한 반응 용기는 본 기술 분야에서 공지되어 있는 튜브와 큐벳(cuvette) 이다.

부가적으로, 본 발명은 다수의 온도 단계를 필요로 하는 반응을 위한 장치를 제공하고, 상기 장치는 상술한 바와 같은 반응 용기와, 중합체내에 전류를 발생시키는 수단과, 그 온도를 제어하도록 중합체를 통과하는 전류의 양을 조절하는 제어 수단을 포함한다.

상기 제어 수단은 컴퓨터 제어식 인터페이스 장치처럼 자동 제어 수단인 것이 바람직하다. 중합체에 접속되는 전기 회로를 위한 프로그램형 제어기를 사용함으로써, 예를 들어, 소정 시간간격과 지속시간에 걸쳐 성립되는 소정의 온도 단계의 규정된 수의 사이클 같은 규정된 온도 체계는 상기 장치를 사용하여 미리 프로그램될 수 있고, 동일한 시간에 동일한 장치내에서 상이한 반응 용기마다 다른 온도와 시간 프로파일을 사용하는 것도 가능하다.

상기 제어 수단은 열전쌍 같은 온도 감시 장치를 포함할 수 있으며, 상기 온도 감시 장치는 반응 용기의 온도를 모니터링하고, 가열 및/또는 냉각의 소정 체계 가 유지되도록 이 정보를 제어 시스템으로 공급한다.

선택적으로, 상기 중합체의 온도는 예를 들어, 휘트스톤(wheatstone) 브리지 회로 배열내의 저항으로써 상기 중합체 가열 소자를 배열하는 등에 의해 그 고유 저항을 측정함으로써 직접적으로 모니터링될 수 있다. 이것은 열전쌍 등의 다른 온도 측정 장치를 사용하지 않아도 되게 한다.

선택적으로, 상기 장치는 하나 이상의 팬 같은 인위적인 냉각 수단을 추가로 포함할 수 있다.

상기 장치는 복수개의 용기를 포함할 수 있다. 상기 중합체는 각 용기의 일체부로서 제공될 수 있고, 각 용기 둘레에 외장으로써 또는 중합체층이 인접한 용기 사이에 삽입되도록 배열될 수 있다. 다수의 반응들이 동일한 온도 단계를 필요로 하는 반응이 수행되는 경우에, 중합체상의 소정의 전기 접속점은 단일 전원에 연결될 수 있다.

그러나, 선택된 실시예에서, 상기 장치는 용기 또는 용기의 그룹과 접촉하는 중합체가 독립적인 전원에 연결되어, 일부 용기 또는 용기의 그룹이 서로 상이한 독립적으로 제어되는 전원에 연결되도록 배열되어 있다. 이 배열에 있어서, 각 용기 또는 용기 그룹이 저마다의 가열 소자를 갖고 있기 때문에, 상이한 온도 단계를 필요로 하는 복수의 상이한 반응들이 동시에 수행될 수 있다. 이 배열은 사용자가 단일의 장치를 사용하여 다수의 소단위(small batch) 반응을 수행할 수 있게 해주며, 이것은 현존하는 장비로서는 불가능한 일이다. 이런 형태의 작업에 사용될 수 있는 유일한 기존의 장치는 독립적으로 가열 및 냉각이 수행될 수 있는 2 내지 4개의 구획을 가진 블럭 가열기이다. 그러나, 이런 장치는 단지 2 내지 4개의 단위의 반응에만 사용할 수 있으며, 상술한 바와 같이 사이클 시간이 느리다는 단점을 갖고 있다.

반응 용기가 슬라이드나 칩을 포함하는 경우에, 상기 장치는 슬라이드나 칩과, 전원과, 중합체내에 전류를 유도하기 위한 수단 또는 칩이나 슬라이드에 전원을 연결하기 위한 수단과, 슬라이드나 칩내의 중합체층을 통과하는 전류를 제어하는 수단을 포함한다.

본 발명에 따른 장치 및 반응 용기는 화학적 또는 생화학적 반응이 수행될 필요가 있는 다양한 상황에 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 화학적 또는 생화학적 반응 등의 반응을 수행하는 방법을 부가적으로 제공하며, 상기 방법은 상술한 바와 같은 반응 용기 내에서 반응물을 가열하는 것을 포함한다.

상술한 PCR 반응 같은 증폭 반응과 마찬가지로, 본 발명의 장치 및 용기는 핵산 시퀀싱(nucleic acid sequencing)의 목적을 위해 사용될 수 있으며, 정확한 온도로 유지해야 할 필요가 있는 특히, 효소의 활동을 포함하는 다른 반응들과 같이, 다양한 온도에서의 효소의 작용을 연구하는 효소 활동 연구(enzyme kinetic studies)에서 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 반응 용기는 정확한 온도에 도달시키고, 적절한 시간 동안 유지하며, 그후, 본 발명의 일부 실시예에 따라서 이동성 장치 또는 휴대용 장치에서 필요에 따라 신속하게 변화될 수 있다.

PCR 반응에 있어서, 변성, 어닐링 및 확장을 달성하기 위해 각각 필요한 온도 조건과 이들 단계를 수행하기 위해 필요한 시간은 본 기술분야의 숙련자들이 인지하고 있는 다양한 요인에 따라 변화된다. 이런 요인의 예를 들어 증폭될 뉴클레오티드의 길이 및 특성과, 사용되는 프라이머의 특성과, 사용되는 효소 등이 있다. 본 기술분야의 숙련자들은 각 상황별로 최적의 조건을 결정할 수 있다, 일반적인 변성 온도는 95℃이고, 일반적인 어닐링 온도는 55℃이며, 확장 온도는 72℃인 것이 일반적인 바른 순서이다. 본 발명에 따른 장치 및 반응 용기를 사용할 때, 이들 온도는 신속하게 얻어질 수 있고, 이들 온도 사이의 변화 속도는 신속하게 제어될 수 있다.

예를 들어, 미국 특허 제 5,538,848호에 기재되어 있는 타크만^R 분석(Taqman^R assay) 등의 유전적 DNA 상호대조 염료(generic DNA intercollating dye) 및 스트랜드 특성 유전자 프로브 분석(strand specific gene probe assay)과, WO 93/06241호에 기술된 바와 같은 총 내부 반사 형광성 분석(total internal reflection fluorence assay; TIRF assay)에 본 발명의 다수의 실시예들이 사용될 수 있다. 이런 분석에 있어서, 형광 신호 또는 소멸성 신호(evanescent signal) 같은 시료로부터의 신호는 형광 모니터링 장치를 사용하여 검출된다. 이런 형태의 처리가 수행될때, 형광 모니터링 장치는 시료로부터 발산되는 신호를 검출할 수 있도록 배열되어야만 한다. 이런 경우에, 용기의 적어도 일부, 예를 들어, 용기가 본 발명의 튜브인 경우의 단부가 측정이 이를 통해 수행될 수 있도록 광학적으로 투명한 상태가 될 수 있다면 유용하다. 선택적으로, 상기 용기는 예를 들어, 광섬유 또는 소멸파 가이드(evanescent wave guide) 등의 시료로부터의 신호를 모니터링 장치로 전달하는 수단을 구비할 수 있다.

도 1은 반응 튜브 둘레에 끼워지도록 배열된 전기 도전성 중합체의 외장을 포함하는 반응 용기 가열기를 도시하는 도면.

도 2는 표면상에 전기 도전성 중합체가 덮혀 있는 반응 슬라이드를 도시하는 도면.

도 3은 복합 구성내에 전기 도전성 중합체 층을 구비한 반응 슬라이드를 도시하는 도면.

도 4는 다수의 온도 단계를 포함하는 반응을 수행하며, 전기 도전성 중합체의 스트립을 사용하여 모세관 튜브 반응 용기를 가열하는 장치를 도시하는 도면.

도 5는 PCR 반응을 수행하기 위한 본 발명에 따른 장치의 다이아그램.

도 6은 도 5의 장치와 함께 사용되는 열 순환 프로파일을 도시하는 도면.

도 7은 휴대용 PCR 다중 검출기(multidetector)의 개략적인 다이아그램.

도 7a는 도 7의 장치에 사용되는 검출기의 다이아그램.

본 발명의 실시예를 예시를 위해 첨부된 도면을 참조로 하기에 상세히 설명한다.

도 1을 참조하면, 전기 도전성 중합체 외장(sheath;2)은 전원에 접속되는 전기 접속점(3)을 구비한다. 상기 외장(2)의 형상 및 크기는 상기 외장이 끼워지는 반응 용기(1)의 형상과 치수에 의해 결정된다.

사용시에, 상기 외장(2)은 상기 반응 용기(1)와 밀접하게 열적으로 접촉한 상태로 상기 반응 용기의 둘레에 위치된다. 그후, 상기 접속점(3)은 전원(도시되지 않음)에 연결되고, 상기 중합체 외장(2)에 전기가 통과하게 되며, 그에의해, 상기 중합체 외장 및 상기 반응 용기(1) 내측의 소정의 반응물이 가열되게 된다.

도 2를 참조하면, 슬라이드(1)는 그 일측면이 전기 도전성 중합체(2)로 외장되어 있다. 전기 접속점(3)은 상기 슬라이드(1)의 단부중 어느 한쪽에 위치되어 상기 중합체층(2)과 전기 접속되어 있다.

도 3에 있어서, 상기 용기는 슬라이드를 생산하기 위해 사용되는 유리 등의 일반적인 재료의 층들 사이에 전기 도전성 중합체층(2)이 삽입되어 있는 복합 구조를 가진 슬라이드(1)를 포함한다. 상기 슬라이드(1)의 일 단부에 전기 접속점(3)이 제공되어 상기 중합체층(2)과 전기 접속되어 있다.

사용시에, 전원(도시되지 않음)이 도 2 및 도 3에 도시된 슬라이드상의 전기 접속점(3)에 연결되며, 전류가 중합체층(2)을 통가하게 되고, 그에 의해 슬라이드(1) 및 슬라이드(1)상에 배치된 반응물이 가열된다.

도 4를 참조하면, 전기 도전성 중합체 필름(2)의 스트립이 모세관 튜브(1) 둘레에 감겨져 고정되어 있다. 상기 중합체 필름(2)의 스트립은 전원(5)이 접속 클립(4)을 경유하여 연결되어 있는 전기 접속점을 구비하고 있다.

사용시에, 전류가 중합체 필름(2)을 통과하여 모세관 튜브(1) 및 모세관 튜브(1) 내측에 위치된 반응물들을 가열한다.

도 5의 장치는 PCR 검출을 수행하기 위해 구성되어 있다. 내경이 1.12mm이고, 외경이 1.47mm인 모세관 튜브(6)가 반응 용기로서 사용된다. 전기 도전성 중합체(7)의 스트립이 튜브 둘레에 감겨져서 상기 튜브의 외면에 매우 밀접하게 유지되도록 고정되어 있다. 따라서, 가열은 튜브내의 시료 전반에 걸친 온도 구배를 최소화하면서 튜브(6)의 모든 측면으로부터 수행된다.

가열은 가열 사이클을 자동적으로 제어하는 컴퓨터(10)에 인터페이스(9)를 경유하여 연결되어 있는 전원(8)에 의해 수행된다. 팬 냉각기(11)는 중합체(7)상에 공기를 안내하도록 배열된다. 적외선 열전쌍(12)은 온도를 모니터링하기 위해 중합체(7)의 외측에 제공된다.

사용전에 장치의 성능을 평가하기 위해, K-형 열전쌍이 튜브(6)내측의 온도를 모니터링하도록 사용된다. 그후, 예견된 시료 온도가 되게 외부 온도가 선형적으로 증가되도록 내부 온도 및 외부 온도가 조절된다.

가열 중합체는 전원(8)에 연결되고, 인터페이스(9)와 소프트웨어를 사용하여 회로가 폐쇄된다. 회로를 폐쇄하기 위해 배열된 스위치(14)는 10ms마다 변환될 수 있는 급속 광학 릴레이이다. 제 2 회로는 반응 시료의 강제 공냉을 위해 제공되어 연속적으로 작동하는 두개의 소형 전기 팬(11)을 제어하기 위해 사용된다. 제어 소프트웨어는 프로그래밍 및 작동 양자 모두의 경우에 사용자에게 친숙한 그래픽적인 인터페이스를 제공하는 랩부(LabView)이다. 전류는 필요한 온도에 보다 신속하게 도달시키기 위해서 초기에는 비교적 높은 주파수로 적용된다. 소정의 작동 온도가 달성되었을 때, 상기 전류는 소정 지속 시간동안 소정의 작동 온도를 유지하기 위해 필요한 보다 낮은 주파수로 적용된다.

도 7에 도시된 장치는 복수개의 검출기 소자 수용부(71)를 형성하도록 절연성 격벽을 구비한 뚜껑이 달린 박스(70)를 포함한다. 상기 박스(71)는 전원(73)과 컴퓨터(74)에 인터페이스 유닛(72)을 경유하여 전기 접속되어 있다. 상기 접속은 상기 각 수용부(71)에 상이한 전압을 적용할 수 있도록 되어 있다. 각 수용부는 내부의 온도를 모니터링하기 위한 열전쌍(도시되지 않음)을 포함하고 있다.

도 7a에 도시된 검출기 소자는 외장(76)이 둘러싸여진 반응 튜브(75)를 포함한다. 상기 외장(76)은 가열 중합체로 형성되어 있으며, 전원 공급 단자(77, 78)에 접속되어 있다.

튜브(75)를 채우는 작업이 종료된 이후에, 상기 튜브는 단자(77, 78)가 수용부내의 수용 단자(도시되지 않음)에 정합되어 끼워질 때까지 적절한 수용부(71)내로 제공될 수 있다. 완전히 연결되었을 때, 상기 장치는 각 튜브(75)의 연결 상태를 컴퓨터 스크린 상에 표시하도록 배열되어 있다.

상기 박스(70)의 뚜껑을 폐쇄함으로써 각 수용부가 절연되고, 각 튜브(75)가 각각의 수용부에 수납된다.

각 튜브에 대해 조사된 분자의 식별(identification)을 분리하기 위해 컴퓨터 프로그램이 구성되고, 이것을 종료한 컴퓨터 프로그램은 만약 존재한다면 분자를 증폭하도록 PCR을 위한 적절한 온도 사이클을 제어하도록 구성되어 있다. 사이클이 완료되었을 때, 튜브의 내용물은 조사된 분자가 정말 존재하는지의 여부를 결정하도록 적절한 유전자 프로브 검출기에 노출될 수 있다.

물론, 도 7 및 도 7a에 관련하여 기술된 장치의 원리는 다양한 방식으로 실 현될 수 있다. 휴대용이 아닌 이동성 장비로 구성될 수 있으며, 튜브가 아닌 슬라이드 형태의 검출기 소자 수용부가 배열될 수 있다. 일반적으로, 96 또는 192개의 검출기 소자를 다루도록 구성되어 있다.

하기의 실시예는 본 발명을 예시하고 있다.

(실시예)

DNA 증폭

도 5의 장치를 K-형 열전쌍이 제거된 상태로 사용하여, 하기의 PCR 반응이 수행된다.

클론된 여시니어 페스티스 단편(cloned Yersinia perstis fragment)로부터 100 염기쌍 앰플리콘(amplicon)이 증폭된다. 상술한 반응 조건은 아이다호 래피드사이클러^TM(Idaho RapidCycler^TM)를 사용하여 최적화되고, 동일한 반응 혼합물의 시료들이 제어된 반응으로써 아이다호 래피드사이클러^TM내에서 증폭된다.

상기 튜브(6)내에 배치된 반응 혼합물은 하기와 같은 조성을 갖는다.

Tris.HCL pH8.3 50mM

MgCl₂ 3mM

소 혈청 알부민(Bovine Serum Albumen) 2.5mg/ml

dATP, dTTP, dCTP, dGTP 각각 200μM

각 PCR 프라이머 10μg/ml

Taq 폴리메라제 25Units/ml

열 순환 프로파일은 도 6에 도시된 바와 같이 95℃에서 0초, 55℃에서 0초, 72℃에서 0초로 프로그램된다. 비교를 위해, 유사한 열순환 프로파일이 아이다호 래피드사이클러^TM에도 프로그램된다. 중합체로 외장된 모세관 용기(6)와 아이다호 래피드사이클러^TM 양자 모두 50μl의 반응 체적을 갖는다.

본 명세서에서 "0초"는 목표로 하는 온도에 도달하자 마자 프로그램이 이어지는 온도를 유도하도록 지시한다는 것을 의미한다. 따라서, 목표 온도에서 반응이 유지되는 정밀한 시간은 사용되는 장치의 특성과 파라미터에 의존한다. 그러나, 일반적으로, 이것은 1초보다 작다.

40사이클이 지난 이후에, 모세관 용기에는 각 반응으로부터 50μl의 PCR 생성물 샘플이 1×TAE 버퍼(buffer)에서 2% 젤의 아가로우스 젤 전기 영동(agarose gel electrophoresis)에 의해 크기 분류되었다. DNA는 에티듐 브로마이드 착색제(ethiduim bromide staining)를 사용하여 가시화된다. 상기 샘플은 아이다호 래피드사이클러^TM(25 사이클)로부터의 샘플에 인접하게 놓여져 비교되고 유사하게 바르게 크기설정된 앰플리콘이 검출된다.

Claims (35)

1. 가열 상태를 조절할 수 있도록 반응물을 유지하기에 적합한 반응 용기와;

   전류가 통과할 때 열을 방출하는 전기 도전성 중합체와;

   상기 반응 용기 내에서 유지된 반응물에서 일련의 다른 온도들을 발생시키도록 전류를 공급하도록 배열되고 상기 중합체에 대한 전류 공급을 제어하기 위한 제어 수단을 포함하고,

   상기 중합체는 상기 제어 수단을 경유하여 전원에 연결되는 반응 수행 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 복수의 반응 용기들을 포함하는 반응 수행 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 각 용기 또는 용기들의 그룹을 가열하도록 상이한 전류들이 공급될 수 있는 반응 수행 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 제어 수단은 각 반응 용기에 대하여 상이한 온도 또는 시간 프로파일에 대한 전류를 공급할 수 있도록 배열되는 반응 수행 장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 각 반응 용기는 반응물들을 위한 컨테이너를 포함하고,

   상기 가열기 중합체는 상기 컨테이너와 접촉하는 반응 수행 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 가열기 중합체는 상기 컨테이너 둘레에 외장(sheath)을 형성하는 반응 수행 장치.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 가열기 중합체는 필름 형태인 반응 수행 장치.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 외장은 상기 컨테이너와 일체인 반응 수행 장치.
9. 제 5 항에 있어서, 상기 가열기 중합체는 천공되어 있거나 그물 형상인 반응 수행 장치.
10. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열기 중합체는 상기 반응물을 위한 컨테이너를 형성하는 반응 수행 장치.
11. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응 용기는 반응물들을 위한 컨테이너를 포함하고,

    상기 컨테이너의 표면들 중 한면은 상기 가열기 중합체로 외장되어 있는 반응 수행 장치.
12. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응 용기 또는 각 반응 용기는 모세관 튜브를 포함하는 반응 수행 장치.
13. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응 용기 또는 각 반응 용기는 슬라이드를 포함하는 반응 수행 장치.
14. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응 용기는 칩을 포함하는 반응 수행 장치.
15. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 어레이(array)를 형성하는 복수의 반응 용기를 포함하는 반응 수행장치.
16. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 수단은 반응 용기내에서 다수의 온도 단계를 필요로 하는 반응을 수행하도록 전류를 공급할 수 있게 배열되는 반응 수행 장치.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 제어 수단은 다수의 사이클의 반응을 자동으로 수행할 수 있도록 프로그램되어 있는 반응 수행 장치.
18. 제 16 항에 있어서, 상기 반응은 폴리메라제 연쇄 반응(polymerase chain reaction)인 반응 수행 장치.
19. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 용기내의 시료로부터의 신호를 검출하는 수단을 추가로 포함하는 반응 수행 장치.
20. 다수의 온도 단계를 필요로 하는 화학적 또는 생화학적 반응을 수행하는 방법에 있어서,

    전류가 통과할 때 열을 방출하는 전기 도전성 중합체를 포함하는 반응 용기내에 상기 반응에 필요한 반응물들을 위치시키는 단계와;

    첫번째 소정 온도로 반응물들을 가열하도록 상기 중합체에 전류를 공급하는 단계와;

    그후, 반응에 필요한 후속하는 온도를 발생시키도록 전류를 조절하는 단계를 포함하는 화학적 또는 생화학적 반응 수행 방법.
21. 제 20 항에 있어서, 상기 반응은 DNA 증폭 방법인 화학적 또는 생화학적 반응 수행 방법.
22. 제 21 항에 있어서, 상기 증폭 방법은 폴리메라제 연쇄 반응(PCR)인 화학적 또는 생화학적 반응 수행 방법.
23. 제 20 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 반응을 위한 반응물들은 각각 하나의 반응 용기내에 위치되고, 동시에 가열되는 화학적 또는 생화학적 반응 수행 방법.
24. 제 23 항에 있어서, 각 반응 용기는 그 용기내에서 발생하는 반응에 필요한 온도로 개별적으로 가열되는 화학적 또는 생화학적 반응 수행 방법.
25. 삭제
26. 삭제
27. 복수의 반응 용기와;

    전류가 통과할 때 열을 방출하는 전기 도전성 중합체와;

    상기 중합체에 대한 전류 공급을 제어하기 위한 제어 수단을 포함하며,

    상기 중합체는 상기 제어 수단을 통해서 전기 공급부에 접속가능하며 각 용기를 가열하도록 배열되는 반응 수행 장치에 있어서,

    한 용기를 가열하는 작업은 다른 용기를 가열하는 작업과 무관하게 제어할 수 있는 반응 수행 장치.
28. 제 27 항에 있어서, 상기 각 반응 용기는 반응물들을 위한 컨테이너를 포함하고 가열기 중합체는 상기 컨테이너와 접촉하는 반응 수행 장치.
29. 제 28 항에 있어서, 상기 가열기 중합체는 상기 컨테이너 주위에 외장을 형성하는 반응 수행 장치.
30. 제 28 항 또는 제 29 항에 있어서, 상기 가열기 중합체는 필름 형태인 반응 수행 장치.
31. 제 29 항에 있어서, 상기 외장은 상기 컨테이너와 일체인 반응 수행 장치.
32. 제 27 항 내지 제 29 항, 또는 제 31 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열기 중합체는 천공되어 있거나 그물 형상인 반응 수행 장치.
33. 제 27 항 또는 제 28 항에 있어서, 상기 가열기 중합체는 상기 반응물을 위한 컨테이너를 형성하는 반응 수행 장치.
34. 제 27 항 내지 제 29 항, 또는 제 31 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응 용기는 반응물들을 위한 컨테이너를 포함하고,

    상기 컨테이너의 표면들 중 한면은 상기 가열기 중합체로 외장되어 있는 반응 수행 장치.
35. 제 1 항 내지 제 4 항, 제 27 항 내지 제 29 항 또는 제 31 항중 어느 한 항에 따른 장치에 사용하기에 적합한 전기 도전성 중합체와 컨테이너를 포함하는 반응 용기.

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