KR101221872B1

KR101221872B1 - 중합효소 연쇄반응 장치

Info

Publication number: KR101221872B1
Application number: KR1020090032982A
Authority: KR
Inventors: 정광효; 최요한; 전주현; 정문연
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2009-04-16
Filing date: 2009-04-16
Publication date: 2013-01-15
Also published as: KR20100114557A; US20100267127A1

Abstract

본 발명은 중합효소 연쇄반응 장치에 관한 것으로, 모듈 조립형 중합효소 연쇄반응 장치를 이용하여 중합효소 연쇄반응을 수행할 수 있다. 상기 모듈 조립형 중합효소 연쇄반응 장치는 시료가 제공되는 제1 모듈과, 상기 제1 모듈에 상이한 온도 영역들을 제공하여 열대류를 발생시키는 제2 모듈과, 상기 제2 모듈의 동작을 제어하는 제3 모듈을 포함할 수 있다. 상기 제1 모듈은 상기 제2 모듈에 분리 가능하게 결합되고, 상기 제2 모듈은 상기 제3 모듈에 전기적으로 분리 가능하게 결합될 수 있다.

중합효소 연쇄반응(PCR), DNA 증폭, 자연대류, 모듈

Description

중합효소 연쇄반응 장치{APPARATUS FOR POLYMERASE CHAIN REACTION}

본 발명은 중합효소 연쇄반응 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 자연대류를 이용한 중합효소 연쇄반응 장치에 관한 것이다.

생화학적 분석을 위한 바이오 칩, 바이오 센서, 화학 센서 등에서는 시료에 소정의 반응이 이루어지도록 하거나 혹은 반응효율의 증가 목적으로 일정한 온도변화를 주는 것이 일반적이다. 따라서, 시료에 적합한 온도변화를 주기 위해서 다양한 가열방식이 제안되고 있다. 중합효소 연쇄반응(Polymerase Chain Reaction: 이하 PCR)을 이용한 DNA 증폭은 일정한 온도변화를 가하여 소정의 반응이 이루어지도록 하는 생화학적 반응의 대표적인 예이다. PCR은 DNA 템플레이트, 프라이머 및 효소를 혼합하여 준비된 시료에 일정한 온도 싸이클링을 가함으로써 촉매 연쇄반응을 통하여 타겟 DNA의 수를 증가시키는 DNA 증폭방식의 하나이다.

온도 싸이클링은 주로 두 가지 혹은 세 가지의 각기 다른 온도로 시료의 온도를 변화시키는 것이다. 이미 잘 알려진 바와 같이 PCR은 3가지 과정을 포함한다. 즉, PCR은 DNA 이중나선을 분리시키는 해리(denaturation) 혹은 변성 과정, 프라이머(primer)가 DNA 템플레이트의 상보적인 쌍을 찾아가도록 조절하는 어닐 링(annealing) 혹은 결합 과정, 그리고 DNA가 성장하는 확장(extension) 혹은 합성(polymerization) 과정을 포함한다. 온도 싸이클링이란 이들 세가지 과정을 위하여 서로 다른 온도로 시료의 온도를 연속적으로 변화시키는 것이다.

이러한 PCR 온도변화를 위한 가열방식은 크게 두가지로 구분될 수 있다. 하나는 정지된 시료에 외부적으로 온도변화를 가하여 시료의 온도를 변화시키는 방법이고, 다른 하나는 시료를 서로 다른 일정한 온도로 유지된 환경으로 이송시켜서 시료에 온도변화를 주는 방법이다. 전자의 정지된 시료에 외부적 온도변화를 가하는 방식은 시료가 정지되어 있으므로 추가적인 유체 제어동작이 필요없는 장점이 있다. 후자의 시료를 이송시켜서 온도변화를 가하는 방식은 외부의 온도가 일정하게 유지되기 때문에 빠르게 시료의 온도를 변화시킬 수 있다는 장점이 있다. 그러나 전자는 외부환경이 열용량이 큰 경우에 온도변화에 많은 시간이 소요되고 온도변화를 위한 제어동작이 추가로 요구되어 제어동작이 복잡해지는 문제점을 지니고 있고, 후자는 시료를 이송하기 위한 유체 제어동작이 필요한 문제점을 지니고 있다.

본 발명은 상술한 종래 기술에서의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 자연대류를 활용하므로써 온도변화를 위한 제어동작 및 유체 제어동작을 생략할 수 있는 중합효소 연쇄반응 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 상호 분리 가능한 모듈 조립형으로 구성하므로써 모듈 교체가 쉽고 각 모듈에서의 PCR 조건변화가 자유로운 중합효소 연쇄반응 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 자연대류 유동을 이용하여 외부적인 유동제어가 없도록 구성하므로써 소형화 및 휴대가 가능한 고속 중합효소 연쇄반응 장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 중합효소 연쇄반응 장치는 시료가 투입되는 루프 채널이 형성된 폴리머 칩을 서로 다른 온도로 가열된 가열금속부가 설치된 단위 모듈에 삽입하고 이 단위 모듈을 모체 모듈에 조합하여, 루프 채널에서 자연대류에 의한 유동이 발생되어 시료에 온도변화가 가해지도록 하는 것을 특징으로 한다.

상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 장치는, 시료가 제공되는 제1 모듈이 분리 가능하게 결합되고, 상기 제1 모듈에 상이한 온도 영역들을 제공하여 열대류를 발생시키는 제2 모듈과; 그리고 상기 제2 모 듈이 결합되고, 상기 제2 모듈의 동작을 제어하는 제3 모듈을 포함할 수 있다.

본 실시예의 장치에 있어서, 상기 제1 모듈은 상기 열대류에 의해 구동되는 상기 시료의 루프형 흐름의 경로를 제공하는 루프 채널을 포함할 수 있다.

본 실시예의 장치에 있어서, 상기 제2 모듈은 상기 루프 채널에 상기 상이한 온도 영역들을 제공하는 복수개의 가열부를 포함할 수 있다.

본 실시예의 장치에 있어서, 상기 복수개의 가열부는 상기 루프 채널을 따라 배치되어 상기 루프 채널의 일부 구간들에 상기 상이한 온도 영역들의 열을 제공할 수 있다.

본 실시예의 장치에 있어서, 상기 제1 모듈은 중력 방향에 대해 일정 각도 기울어져 상기 제2 모듈에 결합될 수 있다.

본 실시예의 장치에 있어서, 상기 제3 모듈은 상기 상이한 온도 영역의 열의 제공 여부를 제어할 수 있다.

본 실시예의 장치에 있어서, 상기 제2 모듈은 상기 제3 모듈에 전기적으로 분리 가능하게 결합될 수 있다.

상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 변형 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 장치는, 시료의 루프형 유동 경로를 제공하는 루프 채널이 구비된 칩과; 상기 칩이 분리 가능하게 결합되고, 상기 루프 채널에 상이한 온도 영역의 열을 제공하여 상기 제공된 열에 의해 발생된 자연대류에 의해 상기 루프 채널을 따라 상기 시료의 루프형 유동을 일으키도록 상기 루프 채널을 따라 배치된 복수개의 가열부를 갖는 단위 모듈과; 그리고 상기 단위 모듈과 전기적으로 연결되고, 상기 복수개의 가열부의 가열 온도를 제어하는 모체 모듈을 포함할 수 있다.

본 변형 실시예의 장치에 있어서, 상기 칩은 상기 루프 채널이 마련된 제1 판과; 그리고 상기 제1 판과 결합하여 상기 루프 채널을 덮으며, 상기 루프 채널에 연결된 시료 투입구 및 시료 배출구가 마련된 제2 판을 포함할 수 있다.

본 변형 실시예의 장치에 있어서, 상기 복수개의 가열부는 중합효소 연쇄반응의 해리 과정에 필요한 제1 온도 영역으로 가열하는 제1 가열부와; 상기 중합효소 연쇄반응의 어닐링 과정에 필요한 제2 온도 영역으로 가열하는 제2 가열부와; 그리고 상기 중합효소 연쇄반응의 확장 과정에 필요한 제3 온도 영역으로 가열하는 제3 가열부를 포함할 수 있다.

본 변형 실시예의 장치에 있어서, 상기 제1 내지 제3 가열부들 중 적어도 어느 하나는 적층된 금속판들 사이에 히터가 제공된 금속가열판을 포함할 수 있다.

본 변형 실시예의 장치에 있어서, 상기 금속판들은 상기 루프 채널과 접촉하는 접촉부들을 더 포함하고, 상기 접촉부들은 상기 칩이 삽입되기에 적합한 간격으로 벌어질 수 있다.

본 변형 실시예의 장치에 있어서, 상기 제1 내지 제3 가열부들 중 적어도 어느 하나는 상기 금속가열판의 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함할 수 있다.

본 변형 실시예의 장치에 있어서, 상기 온도 센서는 상기 접촉부들 중 어느 하나에 설비될 수 있다.

본 변형 실시예의 장치에 있어서, 상기 금속판들은 상기 히터가 삽입되는 삽입부들을 더 포함할 수 있다.

본 변형 실시예의 장치에 있어서, 상기 단위 모듈은 상기 칩이 삽입되는 삽입구 및 상기 모체 모듈이 전기적으로 연결되는 제1 커넥터를 포함하며, 상기 복수개의 가열부들이 내장되는 하우징과; 그리고 상기 하우징을 밀폐시키며, 상기 루프 채널을 기밀시키는 탄성판을 갖는 덮개를 포함할 수 있다.

본 변형 실시예의 장치에 있어서, 상기 하우징은 내부에 격벽을 더 포함하고; 상기 덮개를 마주하는 상기 격벽의 일면에는 상기 복수개의 가열부들이 상호 이격 배치되고, 상기 격벽의 반대면에는 상기 복수개의 가열부들의 온도를 측정하는 온도측정 보드가 배치될 수 있다.

본 변형 실시예의 장치에 있어서, 상기 복수개의 가열부들은 상기 격벽의 일면으로부터 이격될 수 있다.

본 변형 실시예의 장치에 있어서, 상기 모체 모듈은 상기 제1 커넥터와 전기적으로 연결되는 제2 커넥터; 그리고 상기 복수개의 가열부들의 가열온도를 제어하는 온도제어 보드를 포함할 수 있다.

본 변형 실시예의 장치에 있어서, 상기 모체 모듈에 상기 단위 모듈이 적어도 2개 이상이 연결되어 상기 적어도 2개 이상의 단위 모듈 각별로 중합효소 연쇄반응이 수행될 수 있다.

본 변형 실시예의 장치에 있어서, 상기 모체 모듈에 상기 단위 모듈이 적어도 2개 이상이 연결되고, 상기 적어도 2개 이상의 단위 모듈들 중 어느 하나에서는 제1 조건으로 중합효소 연쇄반응이 수행되고, 다른 하나에서는 상기 제1 조건과 동일하거나 상이한 제2 조건으로 상기 중합효소 연쇄반응이 수행될 수 있다.

상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 수행방법은, 시료가 제공되는 제1 모듈이 분리 가능하게 결합되고 상기 제1 모듈에 상이한 온도 영역들을 제공하여 열대류를 발생시키는 제2 모듈과, 그리고 상기 제2 모듈이 결합되고 상기 제2 모듈의 동작을 제어하는 제3 모듈을 포함하는 중합효소 연쇄반응 장치를 이용할 수 있다. 상기 중합효소 연쇄반응 수행방법은, 상기 시료가 제공된 제1 모듈을 상기 제2 모듈에 결합시키고, 상기 제3 모듈로써 상기 제2 모듈을 제어하여 상기 상이한 온도 영역들을 갖는 열을 상기 제1 모듈에 제공하고, 그리고 상기 제공된 열에 의한 열대류로써 상기 시료에 온도변화를 제공하여 중합효소 연쇄반응을 수행하는 것을 포함할 수 있다.

상기 실시예의 방법에 있어서, 상기 제3 모듈에 상기 제2 모듈을 적어도 2개 이상 연결하여 상기 적어도 2개 이상의 제2 모듈 각별로 상기 중합효소 연쇄반응이 독립적으로 수행될 수 있다.

본 발명에 의하면, 자연대류를 이용한 PCR 싸이클링이 구현되는 장치를 모듈화하므로써, 유체의 온도변화 및 유동을 위한 제어장치가 필요없어 소형화 및 휴대가 가능하고, 모듈 교체가 쉽고 PCR 조건변화가 자유로워진다.

이하, 본 발명에 따른 중합효소 연쇄반응 장치를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명과 종래 기술과 비교한 이점은 첨부된 도면을 참조한 상세한 설명과 특허청구범위를 통하여 명백하게 될 것이다. 특히, 본 발명은 특허청구범위에서 잘 지적되고 명백하게 청구된다. 그러나, 본 발명은 첨부된 도면과 관련해서 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 수 있다. 도면에 있어서 동일한 참조부호는 다양한 도면을 통해서 동일한 구성요소를 나타낸다.

(제1 실시예)

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응(PCR) 장치를 도시한 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 제1 실시예의 중합효소 연쇄반응 장치(10)는 대류 현상을 이용하여 중합효소 연쇄반응(Polymerase Chain Reaction: 이하 PCR)을 수행할 수 있는 장치이다. 본 실시예에 의하면 PCR 장치(10)는 모듈 조립형 구조를 가질 수 있다. 일례로 PCR 장치(10)는 시료가 투입 및 배출되는 제1 모듈(300)과, 제1 모듈(300)에 투입된 시료에 서로 다른 온도의 열을 제공하는 제2 모듈(200)과, 제2 모듈(200)과 전기적으로 연결되어 PCR을 제어하는 제3 모듈(100)을 포함할 수 있다. 시료는 액상일 수 있다. 이들 제1 모듈(300)과 제2 모듈(200) 및 제3 모듈(100)은 각각 독립적으로 기능할 수 있다. 따라서, 제1 내지 제3 모듈(300-100) 중 어느 하나가 기능 장애를 일으키거나 교체가 필요한 경우 용이하게 교체, 분리, 결합 등이 가능하다. 제1 모듈(300)은 시료가 제공되는 채널을 포함하는 칩 형태의 구조를 가질 수 있으며 본 명세서에서는 칩 혹은 폴리머 칩이라고 지칭하기로 한다. 제2 모듈(200)에서는 자연대류를 이용한 PCR이 실질적으로 수행되며 본 명세서 에서는 단위 모듈이라고 지칭하기로 한다. 제3 모듈(100)은 마더보드(mother board)와 같은 역할을 하며 본 명세서에는 모체 모듈이라고 지칭하기로 한다. 본 명세서에서 대류 혹은 자연대류라는 것은 온도차로부터 비롯된 유체의 밀도차에 의해 중력장에서 자연적으로 발생하는 열대류(thermal convection)를 의미하며, 펌프나 프로펠러 등을 이용하여 강제로 유체를 이동시키는 강제대류(forced convection)와는 구별된다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응(PCR) 장치의 칩을 도시한 사시도이다.

도 2를 도 1과 같이 참조하면, 칩(300)은 제1 판(302)과 제2 판(304)이 결합되어 구성될 수 있다. 제1 판(302)에는 대류에 의해 시료의 루프형 흐름이 구현될 수 있는 루프 채널(310)이 형성되어 있을 수 있다. 제2 판(304)에는 시료가 투입되는 시료 투입구(312)와 시료가 배출되는 시료 배출구(314)가 형성될 수 있다. 제1 판(302)과 제2 판(304)이 결합되면서 루프 채널(310)은 제2 판(304)에 의해 덮혀질 수 있다. 제1 판(302)과 제2 판(304)은 접착제에 의해 결합되거나 혹은 나사 결합될 수 있다. 시료는 주사기 혹은 모세관 현상에 의해 루프 채널(310)로 제공될 수 있다. 도 2에는 루프 채널(310)이 대체로 사각형 형상으로 도시되어 있으나 본 발명은 이에 한정되지 아니하며 가령 다각형이나 원형 혹은 타원형으로 형성될 수 있다. 제1 판(302)과 제2 판(304)은 임의의 재질로 구성될 수 있으며 다른 재질에 비해 비교적 열전도도가 낮고 열간섭이 최소화될 수 있는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 혹은 폴리카보네이트(PC)와 같은 폴리머 재질로 구성될 수 있다. 다른 예 로 제1 판(302)과 제2 판(304)은 실리콘으로 구성될 수 있다. 본 실시예에서는 폴리머로 구성된 칩(300)에 대해 기술하기로 한다. 본 명세서에서 칩(300)은 폴리머 칩이라는 용어와 혼용하기로 한다. 폴리머 칩(300)은 일회용으로 사용되거나 혹은 재사용될 수 있다. 루프 채널(310)은 액상 시료 속의 생물분자와 같은 성분이 루프 채널(310)에 흡착되는 것을 방지하기 위해 표면 처리될 수 있다. 예컨대 루프 채널(310)을 플라즈마에 노출시켜 그 표면을 친수성 혹은 소수성 처리할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응(PCR) 장치의 단위 모듈을 도시한 사시도이다.

도 3을 도 1과 같이 참조하면, 단위 모듈(200)은 대류 현상에 의해 루프형 시료 흐름을 구현할 수 있도록 구성될 수 있다. 예컨대 단위 모듈(200)은 서로 상이한 온도로 가열될 수 있는 복수개의 가열부들(210a,210b,210c)과, 복수개의 가열부들(210a-210c)의 온도를 측정할 수 있는 보드(230: 이하 온도측정 보드)가 내장된 하우징(290)을 포함할 수 있다. 하우징(290)은 밀폐된 구조 혹은 개방된 구조일 수 있다. 본 실시예에 의하면 하우징(290)은 일면이 개방된 대체로 육면체 혹은 다면체 형상일 수 있다. 하우징(290)이 개방된 구조인 경우 단위 모듈(200)은 하우징(290)을 밀폐시킬 수 있는 덮개(295)를 더 포함할 수 있다. 하우징(290)에는 폴리머 칩(300)이 삽입되는 가령 슬롯 형태의 삽입구(220)와, 단위 모듈(200)을 모체 모듈(100)에 전기적으로 연결하는 커넥터(240)가 마련되어 있을 수 있다. 본 실시예에 의하면 삽입구(220)는 하우징(290)의 상단부에 마련되고, 커넥터(240)는 하우징(290)의 하단부에 마련될 수 있다.

제1 내지 제3 가열부들(210a-210c)은 PCR의 3가지 과정에 필요한 온도 범위로 가열되도록 설계될 수 있다. 예컨대 제1 가열부(210a)는 해리(denaturation) 과정을, 제2 가열부(210b)는 확장(extension) 과정을, 그리고 제3 가열부(210c)는 어닐링(annealing) 과정에 필요한 온도 범위로 가열될 수 있다. 다른 예로서 제1 가열부(210a)는 어닐링 과정을, 제2 가열부(210b)는 확장 과정을, 그리고 제3 가열부(210c)는 해리 과정에 필요한 온도 범위로 가열될 수 있다. 또 다른 예로서 제1 가열부(210a)는 어닐링 과정을, 제2 가열부(210b)는 해리 과정을, 그리고 제3 가열부(210c)는 확장 과정에 필요한 온도 범위로 가열될 수 있다. 또 다른 예로서 제1 가열부(210a)는 확장 과정을, 제2 가열부(210b)는 해리 과정을, 그리고 제3 가열부(210c)는 어닐링 과정에 필요한 온도 범위로 가열될 수 있다. 해리 과정의 온도 범위는 약 90 내지 97℃, 어닐링 과정의 온도 범위는 약 50 내지 65℃, 그리고 확장 과정의 온도 범위는 약 68 내지 74℃ 정도일 수 있다.

이들 제1 내지 제3 가열부들(210a-210c)은 시료가 해리, 어닐링, 그리고 확장 과정을 순차적으로 거칠 수 있도록 가령 루프 형태로 배치될 수 있다. 본 실시예에 의하면 제1 내지 제3 가열부들(210a-210c) 중에서 제1 및 제3 가열부(210a,210c)는 수평선 상에 배치되고, 제2 가열부(210b)는 수직선 상에 배치되어 제1 및 제3 가열부(210a,210c)와는 약 90°각도를 이루도록 배치될 수 있다. 예를 들어 제1 가열부(210a)는 보드(230)의 상단부 좌측에, 제2 가열부(210b)는 보드(230)의 하단부 중간에, 그리고 제3 가열부(210c)는 보드(230)의 상단부 우측에 배치될 수 있다. 이에 따라 루프 채널(310)에 제공된 시료는 서로 다른 온도 범위 로 연속적으로 설정될 수 있어 PCR 싸이클링이 구현될 수 있다. 이러한 PCR 싸이클링은 외부의 강제적인 도움없이 제1 내지 제3 가열부(210a-210c)로부터 전달된 온도의 차이에 의한 자연대류에 의해 구현될 수 있다.

덮개(295)는 하우징(290)에 힌지 결합될 수 있다. 하우징(290)을 마주하는 덮개(295)의 안쪽에는 탄성판(291)이 마련되어 있을 수 있다. 탄성판(291)은 덮개(295)가 닫혀질 때 폴리머 칩(300)의 시료 투입구(312) 및 시료 투입구(314)를 덮는 위치에 배치될 수 있다. 덮개(295)가 닫혀져 하우징(290)을 밀폐시킬 때, 도 7을 참조하여 후술한 바와 같이, 탄성판(291)은 탄성 변형되면서 폴리머 칩(300)의 시료 투입구(312)와 시료 배출구(314)를 덮어 루프 채널(310)을 기밀시킬 수 있다. 상술한 바와 같이 PCR은 약 90℃ 이상의 고온 조건의 해리 과정을 포함한다. 그러므로, 대기압 하에서는 루프 채널(310)에서 순환하는 액상 시료가 끓게 되어 버블이 발생될 수 있고 이 버블은 PCR의 장애 요인이 된다. 그러나 탄성판(291)에 의해 루프 채널(310)의 기밀성이 유지되면 루프 채널(310)의 내부 환경이 고온 상태로 되더라도 루프 채널(310) 내의 압력이 높아져 액상 시료의 끓는점이 높아질 수 있다. 이에 따라 루프 채널(310) 내부가 약 90℃ 이상의 고온 조건이더라도 버블이 발생되지 않을 수 있다. 덮개(295)의 안쪽 모서리에는 자석들(292)이 마련되고, 하우징(290)은 자석들(292)의 위치와 대응하는 위치에 자석들(293)이 마련될 수 있다. 상호 대응하는 자석들(292)과 자석들(293)은 인력이 작용하도록 반대 극성이어야 할 것이다. 덮개(295)가 닫혀진 경우 자석들(292)과 자석들(293)간의 인력에 의해 덮개(295)는 하우징(290)에 견고히 결합될 수 있다. 다른 예로 덮개(295)는 하 우징(290)에 나사 결합될 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응(PCR) 장치의 제1 가열부와 칩의 결합 상태를 도시한 분해 사시도이고, 도 5는 그 결합 상태를 도시한 단면도이다. 이하에 기재된 제1 가열부(210a)에 대한 설명은 제2 및 제3 가열부(210b,210c)에 대해서도 적용될 수 있다.

도 4 및 5를 참조하면, 제1 가열부(210a)는 금속가열판일 수 있다. 예컨대 제1 가열부(210a)는 두 개의 가열판(214) 사이에 히터(215)가 삽입된 적층 형태를 가질 수 있다. 가열판들(214)은 균일한 온도 및 빠른 열전달을 위해 열전도도가 큰 물질, 예컨대 금, 은, 백금, 알루미늄, 구리, 혹은 이들의 합금 등을 비롯한 금속으로 구성될 수 있다. 가열판들(214)은 나사 결합될 수 있다. 일례로 가열판들(214)에는 나사공들(211)이 형성되고, 그 나사공들(211)에 나사들(212)이 끼워져 가열판들(214)이 나사 결합될 수 있다. 나사들(212)의 길이는 가열판들(214)의 두께에 상당할 수 있다. 다른 예로, 도 6을 참조하여 후술한 바와 같이, 나사들(212)은 가열판들(214)의 두께에 비해 긴 길이를 가질 수 있고, 이에 따라 가열판들(214)을 결합시키는 것과 아울러 제1 가열부(210a)를 하우징(290) 내에 고정시킬 수 있다. 히터(215)의 어느 일단에는 히터(215)에 전류를 인가할 수 있는 히터 도선(219)이 연결될 수 있다. 히터(215)는 필름 히터, 세라믹 히터, 그리고 봉 히터 중 어느 하나일 수 있다.

가열판들(214)의 안쪽면에는 히터(215)가 삽입 배치될 수 있는 삽입부들(213)이 마련될 수 있다. 히터(215)로부터 가열판들(214)로의 효율적인 열전달을 위해 삽입부들(213)은 허용되는 한 가열판들(214)의 두께와 넓이에 최대한 가깝게 형성되어 있는 것이 바람직하다. 아울러, 히터(215)와 가열판들(214) 사이의 여분의 공간에는 열 페이스트(thermal paste) 혹은 열 그리이스(thermal grease)를 추가적으로 충전하는 것이 증진된 열전달을 위해 바람직하다. 제1 가열부(210a)는 가열판들(214)의 사이에 폴리머 칩(300)이 삽입될 수 있는 공간(218)을 제공할 수 있도록 구성될 수 있다. 예컨대 가열판들(214)의 일단에 접촉부들(216)이 마련되고 접촉부들(216) 사이의 공간(218)에 폴리머 칩(300)이 삽입될 수 있다. 이에 따라 폴리머 칩(300)은 양쪽의 접촉부들(216)로부터 열을 제공받을 수 있다. 접촉부들(216)은 최소한 폴리머 칩(300)의 두께만큼 벌어져 있을 수 있다. 이에 따르면 폴리머 칩(300)이 접촉부들(216)에 거의 빈틈없이 접촉되어 접촉부들(216)로부터 폴리머 칩(300)으로 효율적인 열전달이 이루어질 수 있다. 아울러 접촉부들(216)과 폴리머 칩(300) 사이의 열전달을 증진시키기 위해 폴리머 칩(300)이 접촉되는 접촉부들(216)의 안쪽면에 열 페이스트(thermal paste) 혹은 열 그리이스(thermal grease)를 도포할 수 있다. 폴리머 칩(300)이 접촉부들(216) 사이의 공간(218)에 용이하게 끼워질 수 있도록 폴리머 칩(300)은 삽입 방향(도 5의 화살표 방향)으로 갈수록 가늘어지는 외관을 가질 수 있다. 아울러 접촉부들(216) 또한 폴리머 칩(300)의 외관에 부합하는 형태를 가져 접촉부들(216)과 폴리머 칩(300) 사이의 틈이 최소화되는 것이 효율적인 열전달을 위해 바람직하다.

제1 가열부(210a)는 제1 가열부(210a)의 온도를 감지할 수 있는 온도 센서(217)를 포함할 수 있다. 일례로 폴리머 칩(300)으로 전달되는 온도를 비교적 정 확히 측정하기 위해 온도 센서(217)는 폴리머 칩(300)에 최대한 가까운 위치, 가령 어느 하나의 접촉부(216)에 설치될 수 있다. 예컨대 어느 하나의 접촉부(216)의 일부를 천공하거나 홈을 파서 온도 센서(217)를 그 접촉부(216)의 내부에 설비할 수 있다. 히터 도선(219)이 제1 가열부(210a)의 외부로 확장될 수 있도록 어느 하나의 가열판(214)의 일부에 천공되거나 홈이 형성되어 있을 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응(PCR) 장치에 있어서 폴리머 칩이 삽입된 단위 모듈을 도시한 단면도이다.

도 6을 도 1과 같이 참조하면, 하우징(290)에는 하우징(290) 내의 공간을 적어도 두 개의 영역들(201,202)으로 분리하는 격벽(280)이 설비될 수 있다. 두 개의 영역들(201,202) 중 어느 하나의 영역(201)에는 온도측정 보드(230)가 설비되고 다른 하나의 영역(202)에는 제1 내지 제3 가열부들(210a-210c)이 설비될 수 있다. 제1 내지 제3 가열부들(210a-210c)은 덮개(295)를 마주하는 격벽(280)의 일면 상에 나사들(212)에 의해 고정될 수 있다. 격벽(280)의 반대면 상에는 나사 혹은 접착제 등의 고정 수단을 통해 온도측정 보드(230)가 고정될 수 있다. 온도측정 보드(230)는 격벽(280)에 의해 공간적으로 이격되지만 제1 내지 제3 가열부들(210a-210c)과 전기적으로 연결될 수 있다. 일례로 제1 내지 제3 가열부들(210a-210c)의 히터 도선들(219)과 온도 센서들(217)이 온도측정 보드(230)에 연결되고, 이에 따라 온도측정 보드(230)에서 제1 내지 제3 가열부들(210a-210c)의 가열온도가 제어될 수 있다. 온도 센서들(217)은 기준온도와 측정온도 사이의 온도차에 의한 기전력을 이용하는 열전쌍(thermocouple) 구조일 수 있다. 이 경우 기준온도는 외기온도에 의해 영향받을 수 있다. 그러므로 외기온도에 따라 기준온도를 보정하여 측정온도, 즉 제1 내지 제3 가열부들(210a-210c)의 온도를 비교적 정확하게 나타내어지도록 하는 것이 바람직하다 할 것이다. 따라서, 온도측정 보드(230)에는 기준온도를 측정할 수 있는 반도체 칩(270)이 더 설비될 수 있다.

제1 내지 제3 가열부들(210a-210c)이 서로 다른 일정한 온도 혹은 온도 범위를 유지하고 상호간 열적 간섭을 하지 않도록 하기 위하여 제1 내지 제3 가열부들(210a-210c)은 서로 이격되어 격벽(280)에 고정될 수 있다. 아울러 제1 내지 제3 가열부들(210a-210c)로부터 격벽(280)으로의 열전달을 최소화하기 위해 제1 내지 제3 가열부들(210a-210c)은 격벽(280)으로부터 이격될 수 있다. 나사들(212)을 통해 제1 내지 제3 가열부들(210a-210c)로부터 격벽(280)으로의 열전달이 이루어질 수 있으므로 나사들(212)은 단열 특성이 비교적 우수한 폴리머로 구성될 수 있다. 제1 내지 제3 가열부들(210a-210c)에서 발생한 열이 온도측정 보드(230)에 전달되어 온도측정 보드(230)의 오동작이 일어날 수 있으므로 격벽(280)은 열전달이 비교적 작은 폴리머로 구성될 수 있다.

자연대류는 중력장의 크기에 비례하여 유동의 세기가 결정될 수 있다. 따라서 폴리머 칩(300)이 중력장 방향에 대하여 일정한 각도로 기울어진 경우 유동이 느려질 수 있어 PCR 유동 시간은 더 느려질 수 있다. 예를 들어, 폴리머 칩(300)이 중력 방향과 직교한 경우(90°)는 중력 방향과 일직선상에 놓인 경우(O°)에 비해 PCR 유동 시간은 훨씬 느려질 수 있다. 이와 같이 단위 모듈(200)은 PCR 유동 시간을 조절할 수 있도록 폴리머 칩(300)을 중력 방향에 대해 소정 각도로 기울어져 장 착될 수 있는 구조로 설계될 수 있다. 선택적으로 단위 모듈(200)에는 PCR 진행 과정 및/또는 그 결과를 실시간으로 측정하기 위한 광학적 검출모듈 혹은 전기적 검출모듈이 추가로 포함될 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응(PCR) 장치에 있어서 칩과 가열부들이 결합된 상태를 도시한 정면도이다.

도 7을 도 1과 같이 참조하면, 폴리머 칩(300)의 루프 채널(310)의 좌측은 제1 가열부(210a)의 접촉부(216)와 접촉하고, 루프 채널(310)의 하측은 제2 가열부(210b)와 접촉하고, 그리고 루프 채널(310)의 우측은 제3 가열부(210c)와 접촉할 수 있다. 접촉부들(216)이 상기와 같이 루프 채널(210)에 접촉될 수 있되도록 삽입구(220)에는 폴리머 칩(300)의 올바른 삽입을 안내하는 슬롯형 가이드(250)가 더 설비될 수 있다. 가이드(250)는 삽입구(220)의 내벽에서 폴리머 칩(300)의 측면 모서리들과 하단부 모서리들에 대응하는 위치에 복수개 마련될 수 있다. 도 3을 참조하여 전술한 바와 같이, PCR 싸이클링이 수행될 때 탄성판(291)은 폴리머 칩(300)의 시료 투입구(312) 및 시료 배출구(314)를 덮어 루프 채널(310)을 기밀시키는 것이 바람직하다.

도 8 및 9는 본 발명의 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응(PCR) 장치에 있어서 PCR 싸이클링을 보여주는 단면도이다. 도면에서 도면부호 216a 내지 216c는 제1 내지 제3 가열부(210a-210c)의 접촉부들을 표지하는 것으로, 구별 편의상 제1 가열부(210a)의 접촉부는 제1 접촉부(216a)로 나타내고, 제2 가열부(210b)의 접촉부는 제2 접촉부(216b)로 나타내고, 그리고 제3 가열부(210c)의 접촉부는 제3 접촉 부(216c)로 나타내기로 한다.

도 8을 참조하면, 루프 채널(310) 중에서 시료 투입구(312)에 인접한 좌측 구간은 제1 접촉부(216a)와 접촉되고, 루프 채널(310)의 하측 구간은 제2 접촉부(216b)와 접촉되고, 그리고 루프 채널(310) 중에서 시료 배출구(314)에 인접한 우측 구간은 제3 접촉부(216c)와 접촉될 수 있다. 제1 접촉부(216a) 및/또는 제3 접촉부(216c)는 루프 채널(310)의 수평 및 수직 구간에 걸쳐 접촉할 수 있는 크기이거나 혹은 수직 부분에 접촉하는 크기일 수 있다. 마찬가지로 제2 접촉부(216b)는 루프 채널(310)의 수직 및 수평 구간에 걸쳐 접촉할 수 있는 크기이거나 혹은 수평 구간에 접촉할 수 있는 크기일 수 있다. 일례로 제1 접촉부(216a)는 해리 과정에 필요한 고온 범위(예: 약 90 내지 97℃)로 가열되고, 제2 접촉부(216b)는 확장 과정에 필요한 중온 범위(예: 약 68 내지 74℃)로 가열되고, 그리고 제3 접촉부(216c)는 어닐링 과정에 필요한 저온 범위(예: 약 50 내지 65℃)로 가열될 수 있다. 따라서 루프 채널(310)은 제1 접촉부(216a)와 접촉하는 고온 영역(1)과, 제2 접촉부(216b)와 접촉하는 중온 영역(3)과, 그리고 제3 접촉부(216c)와 접촉하는 저온 영역(2)으로 구분될 수 있다. 이러한 서로 다른 온도 영역(1-3)으로 구분될 수 있는 루프 채널(210)에 제공된 액상 시료는 열대류에 의한 밀도차로부터 발생된 부력에 의해 시계 방향으로 유동되어 PCR 싸이클링 수행될 수 있다. 예컨대 시료 투입구(312)를 통해 루프 채널(310)에 제공된 액상 시료는 고온 영역(1)에서 해리 과정이 진행되어 DNA의 이중가닥이 단일가닥으로 분리되고, 저온 영역(2)에서 어닐링 과정이 진행되어 단일가닥 DNA와 이와 상보적인 염기서열을 가진 프라이머(primer) 가 결합하고, 그리고 중온 영역(3)에서 확장 과정이 진행되어 DNA가 성장하는 PCR 싸이클링이 1회 혹은 수회 반복되므로써 DNA가 증폭될 수 있다. 상기 PCR 싸이클링 결과는 형광물질을 이용하여 실시간으로 검출할 수 있다. 다른 예로, 상기 예에서 고온 영역(1)과 저온 영역(2)은 그 위치가 서로 바뀔 수 있고 이에 따라 PCR 싸이클링은 반시계 방향의 시료 유동에 의해 구현될 수 있다.

도 9를 참조하면, 제1 접촉부(216a)는 어닐링 과정에 필요한 저온 범위로 가열되고, 제2 접촉부(216b)는 해리 과정에 필요한 고온 범위로 가열되고, 그리고 제3 접촉부(216c)는 확장 과정에 필요한 중온 범위로 가열될 수 있다. 이에 의하면, 루프 채널(310)의 하측 구간은 고온 영역(1), 좌측 구간은 저온 영역(2), 그리고 우측 구간은 중온 영역(3)으로 구분될 수 있다. 이때 열대류에 의한 시료 유동은 고온 영역(1)에서 저온 영역(2)으로 우세하여 결과적으로 시계 방향의 PCR 싸이클링이 구현될 수 있다. 다른 예로 저온 영역(2)과 중온 영역(3)은 서로 그 위치가 바뀔 수 있고 이에 따라 반시계 방향으로 PCR 싸이클링이 구현될 수 있다.

도 1을 다시 참조하면, 모체 모듈(100)은 제1 내지 제3 가열부들(210a-210c)의 온도를 제어하는 보드(105: 이하 온도제어 보드)와, 단위 모듈(200)의 커넥터(240)가 삽입되는 커넥터(110)를 포함할 수 있다. 온도제어 보드(105)에는 모체 모듈(100)의 동작을 제어하는 하나 혹은 그 이상의 반도체 칩(115)이 포함될 수 있다.

(제2 실시예)

도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 장치를 도시한 사시도이다. 제2 실시예는 제1 실시예와 동일 유사하므로 이하에선 상이한 점에 대해서 설명하고 동일한 점에 대해서는 생략하기로 한다.

도 10을 참조하면, 본 제2 실시예의 중합효소 연쇄반응 장치(20)는 복수개의 PCR 싸이클링을 동시에 진행할 수 있도록 구성될 수 있다. 일례로 제2 실시예의 PCR 장치(20)는 하나의 모체 모듈(100)에 전기적으로 연결된 2개의 단위 모듈들(200)을 포함할 수 있다. 2개의 단위 모듈들(200) 각각에는 폴리머 칩(300)이 삽입될 수 있다. 본 제2 실시예에 의하면 각 단위 모듈(200)에서의 PCR 조건 변화가 자유로워진다. 예를 들어, 2개의 단위 모듈들(200) 중에서 어느 하나에서는 제1 조건으로 중합효소 연쇄반응이 수행되고, 다른 하나에서는 제1 조건과 동일하거나 상이한 제2 조건으로 중합효소 연쇄반응이 수행될 수 있다. 여기서 조건이 상이하다라는 것은 증폭하고자 하는 DNA가 서로 다르거나, 혹은 어느 하나의 단위 모듈(200)에서 수행되는 PCR 싸이클링의 온도 범위들과 다른 하나의 단위 모듈(200)에서 수행되는 PCR 싸이클링의 각 온도 범위들이 서로 다른 것 등을 포함할 수 있다.

이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 장치를 도시한 사시도.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 장치의 폴리머 칩을 확대 도시한 분해 사시도.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 장치의 단위 모듈을 도시한 사시도.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 장치의 제1 가열부와 칩의 결합 상태를 도시한 분해 사시도.

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 장치의 제1 가열부와 칩의 결합 상태를 도시한 단면도.

도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 장치에 있어서 칩이 삽입된 단위 모듈을 도시한 단면도.

도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 장치에 있어서 칩과 가열부들이 결합된 상태를 도시한 정면도.

도 8 및 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 장치에 있어서 PCR 싸이클링의 일례들을 도시한 단면도.

도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응 장치를 도시한 사시도.

Claims

시료가 제공되는 제1 모듈이 분리 가능하게 결합되고, 상기 제1 모듈에 상이한 온도 영역들을 제공하여 열대류를 발생시키는 제2 모듈과; 그리고

상기 제2 모듈이 결합되고, 상기 제2 모듈의 동작을 제어하는 제3 모듈을 포함하고,

상기 제2 모듈은:

격벽에 의해 공간적으로 구분되는 제1 영역과 제2 영역을 가지며 일면이 개방된 하우징:

상기 제1 영역 내에서 상기 격벽의 일면 상에 상기 격벽의 일면으로부터 이격되어 고정된 복수개의 가열부들;

상기 제2 영역 내에서 상기 격벽의 반대면에 고정되어 상기 복수개의 가열부들의 온도를 제어하는 온도측정보드; 및

상기 하우징에 결합되어 상기 하우징의 개방된 일면을 밀폐시키는 덮개를 포함하는 중합효소 연쇄반응 장치.
제1항에 있어서,

상기 제1 모듈은 상기 열대류에 의해 구동되는 상기 시료의 루프형 흐름의 경로를 제공하는 루프 채널을 포함하는 중합효소 연쇄반응 장치.
제2항에 있어서,

상기 복수개의 가열부들은 상기 루프 채널에 상기 상이한 온도 영역들을 제공하는 중합효소 연쇄반응 장치.
제3항에 있어서,

상기 복수개의 가열부는 상기 루프 채널을 따라 배치되어 상기 루프 채널의 일부 구간들에 상기 상이한 온도 영역들의 열을 제공하는 중합효소 연쇄반응 장치.
제2항에 있어서,

상기 제1 모듈은 상기 루프 채널 내에서의 상기 시료의 흐름 속도가 변화되도록 중력 방향에 대해 임의의 각도로 기울어져 상기 제2 모듈에 결합되는 중합효소 연쇄반응 장치.
제1항에 있어서,

상기 제3 모듈은 상기 상이한 온도 영역의 열의 제공 여부를 제어하는 중합효소 연쇄반응 장치.
제1항에 있어서,

상기 제2 모듈은 상기 제3 모듈에 전기적으로 분리 가능하게 결합되는 중합효소 연쇄반응 장치.
시료의 루프형 유동 경로를 제공하는 루프 채널이 구비된 칩과;

상기 칩이 분리 가능하게 결합되고, 상기 루프 채널에 상이한 온도 영역의 열을 제공하여 상기 제공된 열에 의해 발생된 자연대류에 의해 상기 루프 채널을 따라 상기 시료의 루프형 유동을 일으키는 단위 모듈과; 그리고

상기 단위 모듈과 전기적으로 연결되고, 상기 단위 모듈이 상기 칩에 제공하는 가열 온도를 제어하는 모체 모듈을 포함하고,

상기 단위 모듈은:

격벽에 의해 공간적으로 구분되는 제1 영역과 제2 영역을 가지며 일면이 개방된 하우징:

상기 제1 영역 내에서 상기 격벽의 일면 상에 상기 격벽의 일면으로부터 이격되어 고정되고, 상기 루프 채널을 따라 배치된 복수개의 가열부들;

상기 제2 영역 내에서 상기 격벽의 반대면에 고정되어 상기 복수개의 가열부들의 온도를 제어하는 온도측정보드; 및

상기 하우징에 결합되어 상기 하우징의 개방된 일면을 밀폐시키는 덮개를 포함하는 중합효소 연쇄반응 장치.
제8항에 있어서,

상기 칩은:

상기 루프 채널이 마련된 제1 판과; 그리고

상기 제1 판과 결합하여 상기 루프 채널을 덮으며, 상기 루프 채널에 연결된 시료 투입구 및 시료 배출구가 마련된 제2 판을;

포함하는 중합효소 연쇄반응 장치.
제8항에 있어서,

상기 복수개의 가열부는:

중합효소 연쇄반응의 해리 과정에 필요한 제1 온도 영역으로 가열하는 제1 가열부와;

상기 중합효소 연쇄반응의 어닐링 과정에 필요한 제2 온도 영역으로 가열하는 제2 가열부와; 그리고

상기 중합효소 연쇄반응의 확장 과정에 필요한 제3 온도 영역으로 가열하는 제3 가열부를;

포함하는 중합효소 연쇄반응 장치.
제10항에 있어서,

상기 제1 내지 제3 가열부들 중 적어도 어느 하나는 적층된 금속판들 사이에 히터가 제공된 금속가열판을 포함하는 중합효소 연쇄반응 장치.
제11항에 있어서,

상기 금속판들은 상기 루프 채널과 접촉하는 접촉부들을 더 포함하고, 상기 접촉부들은 상기 칩이 삽입되기에 적합한 간격으로 벌어진 중합효소 연쇄반응 장치.
제12항에 있어서,

상기 제1 내지 제3 가열부들 중 적어도 어느 하나는 상기 금속가열판의 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함하는 중합효소 연쇄반응 장치.
제13항에 있어서,

상기 온도 센서는 상기 접촉부들 중 어느 하나에 설비된 중합효소 연쇄반응 장치.
제11항에 있어서,

상기 금속판들은 상기 히터가 삽입되는 삽입부들을 더 포함하는 중합효소 연쇄반응 장치.
제8항에 있어서,

상기 단위 모듈은:

상기 칩이 삽입되는 삽입구 및 상기 모체 모듈이 전기적으로 연결되는 제1 커넥터를 더 포함하며,

상기 덮개는 상기 루프 채널을 기밀시키는 탄성판을 포함하는 중합효소 연쇄반응 장치.
삭제
삭제
제16항에 있어서,

상기 모체 모듈은:

상기 제1 커넥터와 전기적으로 연결되는 제2 커넥터; 그리고

상기 복수개의 가열부들의 가열온도를 제어하는 온도제어 보드를;

포함하는 중합효소 연쇄반응 장치.
모체 모듈, 상기 모체 모듈에 전기적으로 연결되는 복수개의 단위 모듈들과, 그리고 상기 복수개의 단위 모듈들에 각각 결합되는 복수개의 폴리머 칩들을 포함하고,

상기 단위 모듈은:

제1 면과 그 반대면인 제2 면을 갖는 격벽;

상기 격벽의 제1 면에 이격 고정되어 서로 다른 온도로 유지되는 복수개의 가열금속부들;

상기 격벽의 제2 면에 배치되어 상기 복수개의 가열금속부들의 온도들을 측정하는 온도측정보드; 및

상기 모체 모듈과 전기적으로 연결되는 제1 커넥터를 포함하고,

상기 모체 모듈은:

상기 복수개의 가열금속부들의 온도들을 제어하는 온도제어보드; 및

상기 단위 모듈과 전기적으로 연결되는 제2 커넥터를 포함하고,

상기 폴리머 칩은 시료의 루프형 유동 경로를 제공하는 채널을 포함하고,

상기 폴리머 칩은 상기 단위 모듈의 상기 복수개의 가열금속부들과 접촉되도록 결합되어 상기 채널 내에 자연대류가 발생되고,

상기 복수개의 단위 모듈들 중 어느 하나에서는 제1 조건으로 중합효소 연쇄반응이 수행되고, 다른 하나에서는 상기 제1 조건과 동일하거나 상이한 제2 조건으로 상기 중합효소 연쇄반응이 수행되는 중합효소 연쇄반응 장치.