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KR102219457B1 - 복수의 열 블록을 구비한 핵산 증폭 장치 - Google Patents

복수의 열 블록을 구비한 핵산 증폭 장치 Download PDF

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KR102219457B1
KR102219457B1 KR1020180090065A KR20180090065A KR102219457B1 KR 102219457 B1 KR102219457 B1 KR 102219457B1 KR 1020180090065 A KR1020180090065 A KR 1020180090065A KR 20180090065 A KR20180090065 A KR 20180090065A KR 102219457 B1 KR102219457 B1 KR 102219457B1
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따라, 핵산 증폭 장치가 제공된다. 상기 장치는, PCR 칩을 제 1 위치 내지 제 2 위치 사이에서 왕복 시키는 PCR 칩 구동부; 상기 제 1 위치를 중심으로 서로 마주보도록 이격 배치되는 복수의 제 1 열 블록; 상기 제 2 위치를 중심으로 서로 마주보도록 이격 배치되는 복수의 제 2 열 블록; 및 상기 복수의 제 1 열 블록 및 상기 복수의 제 2 열 블록 각각을 상기 PCR 칩을 향하여 이동시키는 열 블록 구동부를 포함하고, 상기 PCR 칩이 상기 제 1 위치에서 양 면이 상기 복수의 제 1 열 블록과 접촉하고, 상기 제 2 위치에서 상기 양 면이 상기 복수의 제 2 열 블록과 접촉함으로써, PCR 반응이 수행될 수 있다.

Description

복수의 열 블록을 구비한 핵산 증폭 장치{DEVICE FOR AMPLIFYING NUCLEIC ACID COMPRISNG A PLURALITY OF HEATING BLOCKS}
본 발명은 복수의 열 블록을 구비한 핵산 증폭 장치에 관한 것으로서, 열 효율을 개선한 핵산 증폭 장치에 관한 것이다.
중합효소 연쇄 반응, 즉 PCR(Polymerase Chain Reaction)은 핵산을 포함하는 샘플 용액을 반복적으로 가열 및 냉각하여 상기 핵산의 특정 염기 서열을 갖는 부위를 연쇄적으로 복제하여 그 특정 염기 서열 부위를 갖는 핵산을 기하급수적으로 증폭하는 기술로써, 생명과학, 유전공학 및 의료 분야 등에서 분석 및 진단 목적으로 널리 사용되고 있다.
최근 상기 PCR을 수행하기 위한 PCR 장치가 다양하게 개발되고 있다. 일 예에 의한 PCR 장치는 하나의 반응 챔버에 핵산을 포함하는 샘플 용액을 포함하는 용기를 장착하고, 상기 용기를 반복적으로 가열 및 냉각하여 PCR 반응을 수행한다. 그러나 상기 일 예에 의한 PCR 장치는 하나의 반응 챔버를 구비하기 때문에 전체 구조가 복잡하지는 않지만, 정확한 온도 제어를 위한 복잡한 회로를 구비해야 하고, 하나의 반응 챔버에 대한 반복적인 가열 및 냉각으로 인해 전체 PCR 반응의 전체 시간이 길어질 수밖에 없다. 또한, 다른 일 예에 의한 PCR 장치는 PCR 반응을 위한 온도를 갖는 복수 개의 반응 챔버를 장착하고, 이들 반응 챔버를 통과하는 하나의 채널을 통해 핵산을 포함하는 샘플 용액을 흐르게 하여 PCR 반응을 수행한다. 그러나 상기 다른 일 예에 의한 PCR 장치는 복수 개의 반응 챔버를 이용하기 때문에 정확한 온도 제어를 위한 복잡한 회로가 요구되지는 않지만, 고온 및 저온의 반응 챔버를 통과하기 위한 긴 유로가 반드시 필요하므로 전체 구조가 복잡할 수밖에 없고, 상기 반응 챔버를 통과하는 채널에 흐르는 핵산을 포함하는 샘플 용액의 유속을 제어하기 위한 별도의 제어 장치가 요구된다.
따라서, 전체 구조가 단순하고, 전체 PCR 반응 시간을 최소화할 뿐만 아니라, 신뢰할 수 있는 PCR 반응 수율을 얻을 수 있는 PCR 장치의 필요성이 대두되고 있다.
국내등록특허 제10-1398956호(2014.05.27. 공고)
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 열 블록의 열 효율을 개선한 핵산 증폭 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 핵산 증폭 장치가 제공된다. 상기 장치는, PCR 칩을 제 1 위치 내지 제 2 위치 사이에서 왕복 시키는 PCR 칩 구동부; 상기 제 1 위치를 중심으로 서로 마주보도록 이격 배치되는 복수의 제 1 열 블록; 상기 제 2 위치를 중심으로 서로 마주보도록 이격 배치되는 복수의 제 2 열 블록; 및 상기 복수의 제 1 열 블록 및 상기 복수의 제 2 열 블록 각각을 상기 PCR 칩을 향하여 이동시키는 열 블록 구동부를 포함하고, 상기 PCR 칩이 상기 제 1 위치에서 양 면이 상기 복수의 제 1 열 블록과 접촉하고, 상기 제 2 위치에서 상기 양 면이 상기 복수의 제 2 열 블록과 접촉함으로써, PCR 반응이 수행될 수 있다.
바람직하게는, 상기 복수의 제 1 열 블록은 상기 PCR 반응의 변성 단계 온도를 유지하도록 구현되고, 상기 복수의 제 2 열 블록은 상기 PCR 반응의 어닐링 및 연장 단계 온도를 유지하도록 구현될 수 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 변성 단계 온도는 90℃ 내지 100℃이고, 상기 어닐링 및 연장 단계 온도는 55℃ 내지 75℃일 수 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 열 블록 각각은 일면이 상기 PCR 칩과 접촉하는 메인 열 블록; 일면이 상기 메인 열 블록의 타면과 접촉하고 타면이 외부에 노출되는 보조 열 블록을 포함할 수 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 메인 열 블록은 제 1 온도를 갖도록 구현되고, 상기 보조 열 블록은 상기 제 1 온도 보다 낮은 제 2 온도를 갖도록 구현될 수 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 제 1 온도는 90℃ 내지 100℃이고, 상기 제 2 온도는 60℃ 내지 70℃일 수 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 제 1 온도는 55℃ 내지 75℃이고, 상기 제 2 온도는 25℃ 내지 45℃일 수 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 제 2 온도는 상기 제 1 온도 보다 25℃ 내지 35℃ 낮을 수 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 제 2 온도는 상기 제 1 온도 내지 대기 온도 사이일 수 있다.
또한, 바람직하게는, 샘플 용액이 주입되는 유입부; 상기 샘플 용액의 PCR 반응이 수행되는 반응 챔버; 및 상기 샘플 용액이 배출되는 유출부를 포함하는 PCR 칩을 더 포함할 수 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 PCR 칩을 수용하되 상기 PCR 칩의 반응 챔버를 외부에 노출하고, 상기 PCR 칩 구동부에 의해 왕복하는 PCR 칩 케이스를 더 포함할 수 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 PCR 칩의 유입부 및 유출부를 밀폐하도록 상기 PCR 칩에 결합하고, 상기 PCR 칩 케이스에 수용되는, 연질 재질의 밀폐부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 핵산 증폭 장치가 제공된다. 상기 장치는, 서로 이격 배치되고, PCR 칩과 접촉하면서 PCR 반응이 수행되게 하는 복수의 열 블록을 포함하고, 상기 열 블록 각각은 일면이 상기 PCR 칩과 접촉하는 메인 열 블록; 및 일면이 상기 메인 열 블록의 타면과 접촉하고 타면이 외부에 노출되는 보조 열 블록을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 메인 열 블록은 제 1 온도를 갖도록 구현되고, 상기 보조 열 블록은 상기 제 1 온도 보다 낮은 제 2 온도를 갖도록 구현될 수 있다.
본 발명에 따르면, 복수의 열 블록을 포함하는 PCR 장치를 제공함으로써, 핵산 증폭 반응을 효율적으로 수행할 수 있다. 특히, PCR 칩의 양면을 열 블록이 접촉하도록 하여, PCR 반응속도 및 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 각 열 블록은 메인 열 블록 및 보조 열 블록으로 이중으로 구성하고, 이들에 대해 단계적으로 온도를 형성할 수 있다. 이를 통해 메인 열 블록 및 보조 열 블록의 열 용량 및 열 전달 효율을 향상시키고, 열 블록의 수명을 크게 개선할 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 열 블록을 구비한 핵산 증폭 장치를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 증폭 장치의 동작을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 증폭 장치를 도시한다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 블록을 도시하고, 도 4b 및 도 4c는 열 블록의 실험 데이터를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 증폭 장치의 칩 홀더를 도시한다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 칩 패키지를 도시한다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들은 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 실시예들을 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있다. 한편, 이하에서 기재되는 편의상 상하좌우의 방향은 도면을 기준으로 한 것이며, 해당 방향으로 본 발명의 권리범위가 반드시 한정되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 열 블록을 구비한 핵산 증폭 장치를 도시한다.
핵산 증폭 장치(100)는 특정 염기 서열을 갖는 핵산을 증폭하는 PCR(Polymerase Chain Reaction)에 사용하기 위한 장치이다. 예를 들어, 장치(100)는 이중 가닥의 DNA를 포함하는 샘플 용액을 특정 온도, 예를 들어 약 95℃로 가열하여 상기 이중 가닥의 DNA를 단일 가닥의 DNA로 분리하는 변성 단계(denaturing step), 상기 샘플 용액에 증폭하고자 하는 특정 염기 서열과 상보적인 서열을 갖는 올리고뉴클레오티드(oligonucleotide) 프라이머를 제공하고, 상기 분리된 단일 가닥의 DNA와 함께 특정 온도, 예를 들어 55℃로 냉각하여 상기 단일 가닥의 DNA의 특정 염기 서열에 상기 프라이머를 결합시켜 부분적인 DNA-프라이머 복합체를 형성하는 어닐링 단계(annealing step), 및 상기 어닐링 단계 이후 상기 샘플 용액을 적정 온도, 예를 들어 72℃로 유지하여 DNA 중합효소(polymerase)에 의해 상기 부분적인 DNA-프라이머 복합체의 프라이머를 기초로 이중 가닥의 DNA를 형성하는 연장 (혹은 증폭) 단계(extension step)를 수행하고, 이와 같은 과정을 예를 들어, 20회 내지 40회로 반복함으로써 특정 염기 서열을 갖는 DNA를 기하급수적으로 증폭시킬 수 있다.
구체적으로, 장치(100)는, 열 블록(112, 114, 116, 118), 열 블록 구동부(122, 124, 126, 128), PCR 칩(130); 칩 홀더(140) 및 PCR 칩 구동부(150)를 포함할 수 있다.
열 블록(112, 114, 116, 118)은, 복수의 제 1 열 블록(112, 114) 및 복수의 제 2 열 블록(116, 118)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 복수의 제 1 열 블록(112, 114)은 제 1 위치를 중심으로 서로 이격 배치될 수 있으며, 복수의 제 2 열 블록(116, 118)은 제 1 위치와는 상이한 제 2 위치를 중심으로 서로 이격 배치될 수 있다.
또한, 복수의 제 1 열 블록(112, 114) 각각은 제 1 위치를 향하여 이동하거나, 제 1 위치로부터 외측으로 이동할 수 있으며, 마찬가지로, 복수의 제 2 열 블록(116, 118) 각각 또한 제 2 위치를 향하여 이동하거나 제 2 위치로부터 외측으로 이동할 수 있다. 여기서 제 1 위치 내지 제 2 위치는 PCR 칩(130)이 이동하는 경로를 의미하는 것으로서, 상기와 같은 제 1 열 블록(112, 114) 및 제 2 열 블록(116, 118)의 이동을 통해 PCR 칩(130)은 제 1 열 블록(112, 114) 및 제 2 열 블록(116, 118)과 순차적으로 열 접촉할 수 있다.
또한, 하기 더 상세히 설명될 바와 같이, 각각의 열 블록(112, 114, 116, 118)은 복수의 하위 열 블록의 조합으로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 메인 열 블록 및 보조 열 블록이 조합될 수 있다.
제 1 열 블록(112, 114) 및 제 2 열 블록(116, 118)은 핵산을 증폭하기 위한 변성 단계, 어닐링 단계 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행하기 위한 온도를 유지하기 위한 것으로서, 제 1 열 블록(112, 114) 및 제 2 열 블록(116, 118)은 각 단계들에 요구되는 필요한 온도를 제공하고, 이를 유지하기 위한 다양한 모듈을 포함하거나 또는 그러한 모듈과 구동 가능하게 연결될 수 있다.
PCR 칩(130)이 장착된 칩 홀더(140)(또는 PCR 칩(130))가 각 열 블록(112, 114, 116, 118)의 일 면에 접촉되는 경우, 제 1 열 블록(112, 114) 및 제 2 열 블록(116, 118)은 PCR 칩(130)과의 접촉면을 전체적으로 가열 및 온도 유지할 수 있어서, PCR 칩(130) 내의 샘플 용액을 균일하게 가열 및 온도 유지할 수 있다. 종래 단일 열 블록을 사용하는 장치는 단일 열 블록에서의 온도 변화율이 초당 3 내지 7℃ 범위 내에서 이루어지는데 반해, 본 발명에서는, 각각의 열 블록(112, 114, 116, 118)에서의 온도 변화율이 초당 20 내지 40℃ 범위 내에서 이루어져 PCR 반응 시간을 크게 단축시킬 수 있다.
제 1 열 블록(112, 114)은 변성 단계, 또는 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행하기 위한 적정 온도를 유지하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 제 1 열 블록(112, 114)은 50℃ 내지 100℃를 유지할 수 있다. 제 1 열 블록(112, 114)에서 변성 단계를 수행하는 경우, 바람직하게는 90℃ 내지 100℃를 유지할 수 있고, 더 바람직하게는 95℃를 유지할 수 있다. 이와 달리, 제 1 열 블록(112, 114)에서 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행하는 경우에는, 바람직하게는, 55℃ 내지 75℃를 유지할 수 있고, 더 바람직하게는 72℃를 유지할 수 있다.
마찬가지로, 제 2 열 블록(116, 118) 또한, 변성 단계, 또는 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행하기 위한 적정 온도를 유지하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 제 2 열 블록(116, 118)은 50℃ 내지 100℃를 유지할 수 있다. 제 2 열 블록(116, 118)에서 변성 단계를 수행하는 경우, 바람직하게는 90℃ 내지 100℃를 유지할 수 있고, 더 바람직하게는 95℃를 유지할 수 있다. 이와 달리, 제 2 열 블록(116, 118)에서 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행하는 경우에는 바람직하게는, 55℃ 내지 75℃를 유지할 수 있고, 더 바람직하게는 72℃를 유지할 수 있다.
제 1 열 블록(112, 114) 및 제 2 열 블록(116, 118)에서, 변성 단계, 또는 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행할 수 있는 온도라면 이에 제한되는 것은 아니며, 다만, 제 1 열 블록(112, 114) 및 제 2 열 블록(116, 118)은 서로 상이한 단계를 수행하도록, 상이한 온도를 유지하도록 구현되는 것이 바람직하다.
제 1 열 블록(112, 114)과 제 2 열 블록(116, 118)은 상호 열 교환이 일어나지 않도록 미리 결정된 거리로 이격 배치될 수 있다. 이에 따라, 제 1 열 블록(112, 114)과 제 2 열 블록(116, 118) 사이에서 열 교환이 일어나지 않기 때문에, 미세한 온도 변화에 의해서도 중대한 영향을 받을 수 있는 핵산 증폭 반응에 있어서, 변성 단계와 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계의 정확한 온도 제어가 가능하다.
열 블록 구동부(122, 124, 126, 128)는 제 1 열 블록(112, 114) 및 제 2 열 블록(116, 118)에 각각 연결되어, 각 열 블록(112, 114, 116, 118)을 동시에 또는 개별적으로 이동시킬 수 있다. 즉, 열 블록 구동부(122, 124, 126, 128)는 열 블록(112, 114, 116, 118)이 PCR 칩(130)과 접촉하도록 열 블록(112, 114, 116, 118)을 PCR 칩(130)을 향하여 이동시키거나, PCR 칩(130)의 이동을 위해 PCR 칩(130)으로부터 멀어지도록 이동할 수 있다. 열 블록 구동부(122, 124, 126, 128)에 의해 제 1 열 블록(112, 114) 및 제 2 열 블록(116, 118)이 순차적으로 PCR 칩(130)과 열 접촉함으로써, PCR 반응이 수행될 수 있다. 예를 들어, 열 블록 구동부(122, 124, 126, 128)는 각각의 열 블록(112, 114, 116, 118)에 대해 구현되며, 열 블록(112, 114, 116, 118)의 이동 경로를 가이드하는 레일 및 레일 상에서 열 블록을 이동시키는 모터 부재로 이루어진 가동부를 포함할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
PCR 칩(130)은 제 1 열 블록(112, 114) 또는 제 2 열 블록(116, 118)의 일 면에 접촉되고, 핵산, 예를 들어 이중 가닥 DNA, 증폭하고자 하는 특정 염기 서열과 상보적인 서열을 갖는 올리고뉴클레오티드 프라이머, DNA 중합효소, 삼인산화데옥시리보뉴클레오티드(deoxyribonucleotide triphosphates, dNTP), PCR 반응 완충액 (PCR reaction buffer)을 포함하는 샘플 용액을 포함할 수 있다. PCR 칩(130)은 샘플 용액이 주입되는 유입부, 샘플 용액의 핵산 증폭 반응이 수행되는 반응 챔버(또는 채널) 및 핵산 증폭 반응을 완료한 샘플 용액을 배출하기 위한 유출부를 포함할 수 있다. PCR 칩(130)이 제 1 열 블록(112, 114) 또는 제 2 열 블록(116, 118)에 접촉하는 경우 제 1 열 블록(112, 114) 또는 제 2 열 블록(116, 118)의 열은 PCR 칩(130)에 전달되고, PCR 칩(130)의 반응 챔버(또는 채널)에 포함된 샘플 용액은 가열 및 온도 유지될 수 있다. 또한, PCR 칩(130)은 전체적으로 평면 형상을 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, PCR 칩(130)의 외벽은 핵산 증폭 반응이 수행되는 경우 PCR 칩(130)이 칩 홀더(140)로부터 이탈하지 않도록 칩 홀더(140)의 내부 공간에 고정 장착되기 위한 형상 및 구조를 가질 수 있다.
칩 홀더(140)는 PCR 칩(130)이 안정적으로 장착되는 공간을 제공하고, 구동부에 의한 움직임을 PCR 칩(130)으로 전달할 수 있다. 칩 홀더(140)의 내벽은 핵산 증폭 반응이 수행되는 경우 PCR 칩(130)이 칩 홀더(140)로부터 이탈하지 않도록 PCR 칩(130)의 외벽과 고정 장착되기 위한 형상 및 구조를 가질 수 있다.
PCR 칩 구동부(150)는 PCR 칩(130)이 장착된 칩 홀더(140)를 제 1 열 블록(112, 114) 및 제 2 열 블록(116, 118) 사이로 이동 가능하게 하는 모든 수단을 포함할 수 있다. 구체적으로, PCR 칩 구동부(150)는 칩 홀더(140)를 제 1 위치 내지 제 2 위치로 이동시킴으로써, 각 위치에서 칩 홀더(140)에 장착된 PCR 칩(130)이 제 1 열 블록(112, 114) 및 제 2 열 블록(116, 118)과 순차적으로 접촉하도록 할 수 있다. 예를 들어, PCR 칩 구동부(150)는 수평 방향으로 연장된 레일 및 레일을 통해 칩 홀더(140)를 이동시키는 모터 부재로 이루어진 가동부를 포함할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1에서는 칩 홀더(140)에 PCR 칩(130)이 장착되는 것으로 설명되나, 이는 예시적인 것으로서, 실시예에 따라, 칩 홀더(140)에는, 도 6 내지 도 7에서 설명되는 PCR 칩 패키지가 장착될 수도 있다. 본 발명에서는, 편의상 칩 홀더(140)에 PCR 칩(130)이 배치되는 것으로 기재되지만, 이는 PCR 칩(130) 단독으로 배치되거나, PCR 칩(130)이 PCR 칩 패키지 형태로 배치되는 것을 모두 포함하는 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 증폭 장치의 동작을 도시한다.
도 2의 (a)를 참조하면, 제 1 열 블록(112, 114)은 변성 단계를 위한 온도, 예를 들어, 90℃ 내지 100℃로 가열 및 유지되고, 바람직하게는 95℃로 가열 및 유지될 수 있다. 제 2 열 블록(116, 118)은 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 위한 온도, 예를 들어, 55℃ 내지 75℃로 가열 및 유지되고, 바람직하게는 72℃로 가열 및 유지될 수 있다. 이때 칩 홀더(140)는 도시되는 바와 같이, 제 1 열 블록(112, 114)과 제 2 열 블록(116, 118) 사이의 중립 위치에 있을 수 있으나, 이는 예시적인 것으로서, 제 1 열 블록(112, 114) 및 제 2 열 블록(116, 118) 사이의 임의의 위치에 있을 수 있다.
계속해서, 도 2의 (b)를 참조하면, PCR 칩 구동부(150)는 제 1 위치로 칩 홀더(140)를 이동할 수 있다. 이에 따라, PCR 칩(130)이 제 1 위치에 위치하면, 제 1 위치를 중심으로 서로 마주보도록 이격 배치된 제 1 열 블록(112, 114)이 열 블록 구동부(122, 124)에 의해 PCR 칩(130)을 향하여 이동하여 PCR 칩(130)과 열 접촉할 수 있다. 따라서, PCR의 제 1 변성 단계가 수행될 수 있다.
계속해서, 도 2의 (c)를 참조하면, 열 블록 구동부(122, 124)는 제 1 열 블록(112, 114)을 PCR 칩(130)으로부터 멀어지도록 이동시킬 수 있다. 이를 통해 제 1 열 블록(112, 114)과의 접촉이 해제되면, PCR의 제 1 변성 단계가 종료하고, PCR 칩 구동부(150)는 PCR 칩(130)을 제 2 위치로 이동시킬 수 있다.
도 2의 (d)를 참조하면, 열 블록 구동부(126, 128)는 제 2 위치를 중심으로 서로 마주보도록 이격 배치된 제 2 열 블록(116, 118)을 PCR 칩(130)을 향하여 이동시킬 수 있다. 이에 의해 제 2 열 블록(116, 118)과 PCR 칩(130)이 열 접촉하면, PCR의 제 1 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행할 수 있다.
마지막으로, 열 블록 구동부(126, 128)를 통해 제 2 열 블록(116, 118)과 PCR 칩(130)을 분리시켜, PCR의 제 1 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 종료함으로써 제 1 순환의 PCR 반응을 완료할 수 있다. 이러한 PCR 반응은 복수 회 수행될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서는, PCR 칩(130)이 제 1 열 블록(112, 114) 및 제 2 열 블록(116, 118)과 순차적으로 열 접촉함으로써, PCR 반응을 수행할 수 있다. 이때, 제 1 열 블록(112, 114)은 복수 개로 구현되고, 마찬가지로 제 2 열 블록(116, 118) 또한 복수 개로 구현되어, PCR 칩(130)의 양 면이 모두 열 블록(112, 114, 116, 118)과 열 접촉하도록 할 수 있다.
즉, PCR 칩의 일면만이 열 접촉하던 기존과 달리 PCR 칩(130)의 양면이 모두 열 블록(112, 114, 116, 118)과 열 접촉함으로써, 열 효율을 개선하고, 나아가 PCR 반응속도 및 효율을 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 증폭 장치를 도시한다.
도 3을 참조하면, 장치(300)는, 광원(310), 광 필터(330) 및 검출부(350)를 더 포함할 수 있다.
광원(310)은 열 블록(112, 114, 116, 118) 사이에 위치하며, PCR 칩(130)을 향하여 광을 방출할 수 있다. 광원(310)은 수은 아크 램프(Mercury Arc Lamp), 크세논 아크 램프(Xenon Arc Lamp), 텅스텐 아크 램프(Tungsten Arc Lamp), 금속 할라이드 아크 램프(Metal Halide Arc Lamp), 금속 할라이드 광섬유(Metal Halide fiber), LED(Light Emitting Diodes) 및 포토다이오드로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 또한, 광원(310)의 파장은 약 200 나노미터(nm) 내지 1300 나노미터(nm) 범위 내에서 선택될 수 있고, 다중 광원(310)을 이용하거나, 필터를 이용하여 다중 파장으로 구현될 수 있다.
광 필터(330)는, 광원(310)의 광 경로상에서 광원(310)에 인접하여 배치되어, 광원(310)으로부터 방출되는 광에서 특정한 파장대의 광을 여과할 수 있다. 광 필터(330)는 복수 개로 구성되고, 각각은 서로 상이한 파장대의 광을 여과할 수 있다.
검출부(350)는, 광원(310)으로부터 방출된 광을 검출하기 위한 것으로서, CCD(Charge-coupled Device), CID(Chargeinjection Device), CMOS(Complementary-metal-oxide-semiconductor Detector), 및 PMT(Photo Multiplier Tube)로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다.
광원(310)은 열 블록(112, 113, 116, 118) 사이에 배치되고, 검출부(350)가 광원(310)의 맞은 편에 배치될 수 있다. 또한, PCR 칩(130)이 배치되는 칩 홀더(140)에서는 PCR 칩(130)의 반응 챔버 또는 반응 채널에 대응하는 영역에 관통부(도 5의 144)가 형성될 수 있다. 이를 통해, PCR 칩(130)이 제 1 열 블록(112, 114)과 제 2 열 블록(116, 118) 사이를 왕복하면서 PCR 반응을 수행하는 중에도, PCR 반응을 실시간으로(real time) 측정 및 분석할 수 있다.
이 경우, PCR 칩(130)에 포함되는 샘플 용액에는 별도의 형광 물질이 더 첨가될 수 있고, 이는 PCR 산물의 생성에 따라 특정 파장의 광에 의해 발광함으로써 측정 및 분석 가능한 광 신호를 유발할 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 블록을 도시하고, 도 4b 및 도 4c는 열 블록의 실험 데이터를 도시한다.
도 4a의 열 블록(400)은 도 1 내지 도 3에서 설명되는 열 블록(112, 114, 116, 118)을 구현하기 위한 것으로서, 구체적으로, 열 블록(400)은 메인 열 블록(410), 보조 열 블록(430) 및 온도 제어부(450)를 포함할 수 있다.
메인 열 블록(410) 및 보조 열 블록(430)은 온도 제어부(450)의 제어에 따라 적절한 열을 발생시키기 위한 것으로서, 각각 그 내부에 열선(도시되지 않음)이 배치될 수 있다. 열선은 열 블록 내부 온도를 전체적으로 일정하게 유지하기 위해 각각의 열 블록 면의 중심점을 기준으로 상하 및/또는 좌우 방향으로 대칭되도록 배치될 수 있다. 상하 및/또는 좌우 방향으로 대칭된 열선의 배치는 다양할 수 있다.
또한, 메인 열 블록(410) 및 보조 열 블록(430) 각각은 그 내부에 박막 히터(thin film heater, 도시되지 않음)가 배치될 수도 있다. 박막 히터는 메인 열 블록(410) 및 보조 열 블록(430) 내부 온도를 전체적으로 일정하게 유지하기 위해 각각의 열 블록 면의 중심점을 기준으로 상하 및/또는 좌우 방향으로 일정한 간격으로 이격 배치될 수 있다. 상하 및/또는 좌우 방향으로 일정한 박막 히터의 배치는 다양할 수 있다.
메인 열 블록(410) 및 보조 열 블록(430) 각각은 동일한 면적에 대한 고른 열 분포 및 신속한 열 전달을 위해 금속 재질, 예를 들어 알루미늄 재질을 포함하거나 또는 알루미늄 재질로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
온도 제어부(450)는, PCR 반응은 변성 단계, 어닐링 단계 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행하기 위한 온도를 제 1 열 블록(112, 114) 및 제 2 열 블록(116, 118)이 유지하도록 하기 위한 것으로서, 메인 열 블록(410) 및 보조 열 블록(430)과 각각 연결되고, 이들로 하여금 적정 온도를 유지하게 하기 위한 열원(즉, 전력원), 온도 센서 등을 포함할 수 있다.
메인 열 블록(410) 및 보조 열 블록(430)은 일면이 서로 접하도록 배치될 수 있다. 구체적으로, 메인 열 블록(410)은 일면(즉, 좌측)이 PCR 칩(130)과 접촉하고, 반대측의 타면(즉, 우측)이 보조 열 블록(430)과 접할 수 있다. 마찬가지로 보조 열 블록(430)은 일면(좌측)이 메인 열 블록(410)과 접촉하고 반대측의 타면(우측)이 외부에 노출될 수 있다.
즉, 메인 열 블록(410) 및 보조 열 블록(430) 전체가 PCR 칩(130)과 접촉하는 것이 아니라, 메인 열 블록(410)만이 PCR 칩(130)과 접촉하며, 보조 열 블록(430)은 메인 열 블록(410)의 외부 노출면을 감소시키는 역할을 수행할 수 있다.
여기서, 온도 제어부(450)는 메인 열 블록(410)과 보조 열 블록(430)의 온도를 서로 상이하게 조정할 수 있다. 구체적으로, 메인 열 블록(410)은 제 1 온도를 갖도록 구현되고, 보조 열 블록(430)은 제 1 온도 보다 낮은 제 2 온도를 갖도록 구현될 수 있다. 제 2 온도는 제 1 온도 내지 대기 온도 사이이며, 따라서, 메인 열 블록(410), 보조 열 블록(430) 및 대기 순으로, 온도는 제 2 온도, 제 1 온도 및 대기 온도로 점차 낮아질 수 있다.
이때, 제 2 온도는 제 1 온도와 대기 온도의 중간 온도가 바람직하며 예를 들어, 제 1 온도보다 25℃ 내지 35℃ 낮을 수 있다. 예를 들어, 제 1 열 블록(112, 114)이 변성 단계를 수행하는 경우, 제 1 온도는 90℃ 내지 100℃이고, 제 2 온도는 60℃ 내지 70℃일 수 있다. 또한, 예를 들어, 제 1 열 블록(112, 114)이 어닐링 및 연장 단계를 수행하는 경우, 제 1 온도는 55℃ 내지 75℃이고, 제 2 온도는 25℃ 내지 45℃일 수 있다.
이와 관련하여 도 4b를 참조하면, 열 블록(410, 430)의 실험 데이터가 도시된다. 도 4b는 열 블록(410, 430)과 주변 대기와의 온도 차(delta T), 그리고 열 블록(410, 430)으로 인가되는 전류량(I)에 따른 열용량(Qc)을 나타내는 것으로서, 도시되는 바와 같이, 주변 대기 온도(Th=27℃)와의 차이가 0일 때, 열 용량이 가장 크고, 이와 달리 주변 대기 온도와의 차이가 커질수록, 열 용량이 가장 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이때, 열 블록(410, 430)의 열 용량은 열 블록(410, 430)에 인접한 다른 소자로 전달 가능한 열 용량을 의미하는 바, 주변 대기와의 온도 차가 작을수록 더 큰 열 전달 효율을 보임을 알 수 있다.
따라서, 본 발명과 같이, 열 블록(400)을 메인 열 블록(410) 및 보조 열 블록(430)으로 이중으로 배치하고, 이들에 대해 단계적으로 온도를 형성하면, 메인 열 블록(410) 및 보조 열 블록(430) 각각의 열 용량이 매우 크게 늘어날 수 있다. 메인 열 블록(410)의 경우, 대기와 바로 접하는 것이 아니라, 보조 열 블록(430)에 의해 외부 노출면이 감소되고, 메인 열 블록(410)과 보조 열 블록(430) 간의 온도 차이에 해당하는 열 용량을 가질 수 있으며, 마찬가지로 보조 열 블록(430)의 경우에도 양 면이 모두 대기와 접하는 것이 아니라, 일면은 메인 열 블록(410)과 접함으로써, 감소된 온도 차이에 해당하는 열 용량을 가질 수 있기 때문이다. 또한, 이와 같은 메인 열 블록(410) 및 보조 열 블록(430)의 열 용량의 증가로 인하여, 열 블록(400)이 PCR 반응을 위해 설정된 목표 온도로 도달하는 시간을 감축시킬 수 있다. 또한, 증가한 열 용량을 통하여 PCR 칩(130)으로의 열 에너지 전달 시 메인 열 블록(410)의 온도 변화를 최소화할 수 있다.
또한, 도 4c를 참조하면, 열 블록(410, 430)의 다른 실험 데이터가 도시된다. 도 4c는 열 블록(410, 430)의 열 순환(thermal cycling)에 다른 저항의 변화를 나타내는 것으로서, 순환 횟수(cycles)에 따른 저항(R) 값 변화를 통해 열 블록(410, 430)의 노후화(또는 수명)를 확인할 수 있다. 여기서 열 순환은 열 블록(410, 430)의 온도를 저온에서 고온으로, 다시 저온으로 반복으로 변화시키는 것으로서, 도시되는 바와 같이, 열 순환에 따라 저항이 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 열 블록(410, 430)의 노후화가 급속히 진행되게 된다.
그러나 본 발명에서는, 열 블록(400)을 메인 열 블록(410) 및 보조 열 블록(430)으로 이중으로 배치하고, 이들에 대해 단계적으로 온도를 형성하면, 열 순환 시, 온도 변화의 폭이 감소하게 되어, 열 블록(400)의 노후화를 지연시킬 수 있다. 즉, 열 블록(400)의 수명을 크게 증가시킬 수 있다.
도 4a에는 메인 열 블록(410)과 보조 열 블록(430)이 직접적으로 접촉하는 것으로 도시되나, 이는 예시적인 것으로서, 실시예에 따라, 메인 열 블록(410)과 보조 열 블록(430)은 전도성 물질에 의해 간접적으로 접촉할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 증폭 장치의 칩 홀더를 도시한다.
칩 홀더(140)는, PCR 칩(130)이 안정적으로 장착되는 공간을 제공하고, PCR 칩 구동부(150)에 의한 움직임을 PCR 칩(130)으로 전달하기 위한 것으로서, 구체적으로, PCR 칩(130)이 기립된 상태로 삽입될 수 있도록 평판 형상으로 이루어지되, 일 측으로는 PCR 칩(130)이 삽입 또는 배출될 수 있는 수용 공간(142)이 함몰 형성되고, 하측으로는 PCR 칩 구동부(150)와 연결될 수 있다.
PCR 칩(130)은 기립된 상태로, 수용 공간(142)으로 예를 들어, 슬라이딩 방식으로 삽입 또는 배출될 수 있다. 이때, 칩 홀더(140)의 내측에는 PCR 칩(130)의 삽입 경로 방향으로 가이드 홈(146)이 형성될 수 있다. PCR 칩(130)의 삽입 또는 배출은 가이드 홈(146)에 의해 가이드 될 수 있으며, 이를 위해 실시예에 따라 PCR 칩(130)에는 가이드 홈(146)에 대응하는 가이드 돌기가 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, PCR 패키지(특히, PCR 칩 케이스(600))에는 가이드 홈(146)에 대응하는 가이드 돌기(도 7의 635 참조)이 형성되어, PCR 칩(130)이 포함된 PCR 패키지의 삽입 및 배출 과정에서의 이동을 보다 원활히 할 수 있다.
칩 홀더(140)에는 관통부(144)가 형성될 수 있다. 관통부(144)는 칩 홀더(140)에 삽입된 PCR 칩(130)의 반응 챔버 또는 반응 채널에 대응하는 것으로서, 관통부(144)를 통해 열 블록이 PCR 칩(130)과 열 접촉할 수 있다. 또한, 도 3에서 설명한 바와 같이, 칩 홀더(140)가 제 1 열 블록(112, 114)과 제 2 열 블록(116, 118) 사이를 이동할 때, 광원(310), 검출부(350) 등에 의해 실시간으로 PCR 반응 결과를 검출하도록 할 수 있다.
도 5에서 도시되는 칩 홀더(140)의 형상은 예시적인 것으로서, 본 발명이 적용되는 실시예에 따라 다양한 구성이 적용될 수 있다. 예를 들어, 실시예에 따라 칩 홀더(140)는 삽입된 PCR 칩(130)의 이탈을 방지하기 위한 고정 부재(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 칩 패키지를 도시한다.
구체적으로, 도 6은 PCR 칩 패키지의 조립도를 도시하고, 도 7은 PCR 칩 패키지의 분해도를 도시하며, 도 8은 PCR 칩의 조립 전/후의 PCR 칩 패키지를 도시한다.
PCR 칩 패키지는 PCR 칩(130)을 내부에 수용하고, 칩 홀더(140)에 삽입되어, 칩 홀더(140)와 함께 이동하면서 PCR 칩(130)을 보다 안정적이고 견고하게 열 블록에 접촉시킬 수 있다. 또한, PCR 패키지는 PCR 과정에서 PCR 칩(130) 내에 포함된 샘플 용액의 누수를 방지할 수 있다. 이를 위해 PCR 칩 패키지는 PCR 칩(130), PCR 칩 케이스(600) 및 밀폐부(700)를 포함할 수 있다.
PCR 칩(130)은, 핵산, 예를 들어 이중 가닥 DNA, 증폭하고자 하는 특정 염기 서열과 상보적인 서열을 갖는 올리고뉴클레오티드 프라이머, DNA 중합효소, 삼인산화데옥시리보뉴클레오티드(deoxyribonucleotide triphosphates, dNTP), PCR 반응 완충액 (PCR reaction buffer)를 포함하는 샘플 용액을 포함할 수 있다. PCR 칩(130)은 샘플 용액을 도입하기 위한 유입부, 핵산 증폭 반응을 완료한 샘플 용액을 배출하기 위한 유출부 및 증폭하고자 하는 핵산을 포함하는 샘플 용액이 수용된 하나 이상의 PCR 반응 챔버(또는 채널)를 포함할 수 있다. PCR 칩(130)은 광 투과성 재질로 구현될 수 있고, 바람직하게는 광 투과성 플라스틱 재질을 포함한다. 예를 들어, PCR 칩(130)은 플라스틱 재질을 사용하여, 플라스틱 두께 조절을 통해 열 전달 효율을 증대시키는 데에 용이하고, 제작 공정이 단순하여 제조 비용을 절감할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
특히 PCR 칩(130)은, 도시되는 바와 같이 칩 타입으로 구현됨으로써, 튜브 타입에 비하여 적은 양의 샘플 용액을 반응 챔버에 수용하면서도, 열 블록에 접촉되는 면적을 증가시켜 열 블록으로부터의 열 전달 효율을 증가시킬 수 있다.
PCR 칩(130)의 유입부 및 유출부를 포함하는 인접 영역에는 주변에 비하여 돌출하는 돌출 영역(132)이 형성될 수 있다. PCR 칩(130)과 결합하는 밀폐부(700)에는 돌출 영역(132)에 대응하는 수용 영역(750)이 형성되어, PCR 칩(130)과 밀폐부(700)가 안정적으로 결합하고, 외력이 인가되더라도 그 정렬이 흐트러지지 않도록 할 수 있다.
또한, PCR 칩(130)에는 적어도 하나의 고정 돌기(134)가 형성될 수 있다. 돌출 영역(132)과 마찬가지로, 밀폐부(700)와의 결합 및 정렬 유지를 위한 것으로서, 이를 위해 밀폐부(700)에는 대응하는 위치에 적어도 하나의 제 1 고정 홀(770)이 형성될 수 있다. 특히 고정 돌기(134)와 제 1 고정 홀(770)이 서로 상이한 형상으로 형성되어 결합 시 끼워맞춤 되도록 하여, PCR 칩(130)과 밀폐부(700) 간의 결합을 보다 견고하게 할 수 있다.
PCR 칩 케이스(600)는, 상판(610) 및 하판(630)으로 구성되고, 상판(610) 및 하판(630) 간의 힌지 회동을 통해 열고 닫힐 수 있다. 열린 상태에서는 PCR 칩(130) 및/또는 밀폐부(700)가 PCR 칩 케이스(600) 내에 수용되거나 제거될 수 있으며, 닫힌 상태에서는, 내부의 PCR 칩(130) 및/또는 밀폐부(700)를 가압하여 안정적으로 배치할 수 있다. 또한, 결합 부재(650)가 슬라이딩 이동하면서 상판(610)과 하판(630)은 닫힌 상태 또는 열린 상태를 선택적으로 유지하도록 할 수 있다. 다만, 결합 부재(650)의 이러한 기능 및 동작은 예시적인 것으로서, 본 발명이 적용되는 실시예에 따라 다양한 구성이 적용될 수 있다.
PCR 칩 케이스(600) 내에 PCR 칩(130)이 수용되도록 상판(610) 및 하판(630) 중 하나의 내측면에는 PCR 칩(130)이 안착되는 수용 공간(612, 631)이 형성될 수 있다. 수용 공간(612, 631)은 밀폐부(700)와 결합된 PCR 칩(130)에 대응하거나 그보다 큰 크기로 형성될 수 있다. 즉, 수용 공간(612, 631)은 밀폐부(700) 및 PCR 칩(130)과 소정의 유격을 형성할 수 있으며, 따라서, 밀폐부(700)와 결합된 PCR 칩(130)에 수용 공간(612, 631)에 용이하게 배치될 수 있으며, 마찬가지로 PCR 반응 이후에 밀폐부(700)와 결합된 PCR 칩(130)를 PCR 칩 케이스(600)로부터 용이하게 제거되도록 할 수 있다. 특히, 수용 공간(612, 631)의 측면이 밀폐부(700)와 끼워맞춤되거나 접촉하지 않음으로써, PCR 칩 케이스(600)의 개방 시에 수용 공간(612, 631)의 측면에 의해 밀폐부(700)가 상판(610) 및/또는 하판(630)에 연동하여 이동하거나, PCR 칩(130)으로부터 제거되는 것을 방지할 수 있다.
이와 같이, PCR 전후에 걸쳐 밀폐부(700)가 PCR 칩(130)과 결합된 상태를 유지하도록 하여, PCR이 완료된 이후, PCR 칩(130)으로부터 샘플 용액(특히, 인체에 유해한 형광 물질 등이 포함된 고농도로 증폭된 샘플 용액)이 유출되거나, 밀폐부(700)에 묻어 있는 샘플 용액이 인체에 노출되어 건강을 해하거나, 공기 중 또는 PCR 장비에 노출되어 다른 PCR 결과를 왜곡하는 것을 방지할 수 있다.
가이드 돌기(635)는 PCR 칩 케이스(600)의 하판(630) 중 일 영역이 외측으로 돌출 형성되는 것으로서, 칩 홀더(140)의 가이드 홈(146)에 대응할 수 있다. 이를 통해 PCR 칩 케이스(600)가 칩 홀더(140)에 삽입되거나 배출 시 이동 경로를 가이드 하여, 이를 보다 용이하게 할 수 있다. 가이드 돌기(635)가 하판(630)에 형성되는 것으로 도시되었지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상판(610)에 형성되거나 상판(610) 및 하판(630) 모두에 형성될 수도 있다.
또한, PCR 칩 케이스(600)에는, 제 2 고정 홀(637)이 형성될 수 있다. 제 2 고정 홀(637)은 고정 돌기 및 제 1 고정 홀에 대응하는 것으로서, PCR 칩의 고정 돌기가 제 1 고정 홀을 관통한 후 제 2 고정 홀을 관통하거나 이에 수용되도록 하여, 고정 돌기의 제 1 고정 홀에 대해 충분한 길이를 가지는 경우에도(즉 대응하거나 큰 길이), 밀폐부(700)가 PCR 칩을 충분히 가압하도록 할 수 있다. 특히, PCR 칩 케이스(600)로부터 밀폐부(700)가 제거될 때, 수용 공간(612, 631)의 저면과 밀폐부(700) 간의 흡착력이 고정 홀(637)의 공기 연통에 의해 제거되거나 감소되므로, PCR 칩 케이스(600)의 개방 시에 수용 공간(612, 631)의 저면에 의해 밀폐부(700)가 상판(610) 및/또는 하판(630)에 연동하여 이동하거나, PCR 칩(130)으로부터 제거되는 것을 방지할 수 있다
한편, PCR 칩 케이스(600)에는 정렬 돌기(639)가 형성될 수 있다. 이는 밀폐부(700)의 정렬 홀(790)에 대응하는 것으로서, 정렬 돌기(639)가 정렬 홀(790)에 삽입됨으로써, 밀폐부(700)가 수용 공간(612, 631)에 유격을 가지고 배치되더라도, 밀폐부(700)의 정렬이 유지되도록 할 수 있다.
또한, PCR 칩 케이스(600)가 닫힐 때, 연질의 밀폐부(700)를 통해 PCR 칩(130)을 가압 고정시킬 수 있다. 이를 통해 PCR 칩(130)이 열 블록(112, 114, 116, 118)과 접촉 시에 발생하는 응력에 의한 PCR 칩(130)의 변형을 방지할 수 있다.
특히 도 8의 (a)를 참조하면, PCR 칩 케이스(600)는 상판(610) 및 하판(630)이 서로를 향하여 오목하게 굴곡된 형상일 수 있다. 이후 PCR 칩 케이스(600) 내에 밀폐부(700)와 PCR 칩(130)이 장착되고, 상판(610) 및 하판(630)이 서로 닫히면, 밀폐부(700)와 PCR 칩(130)이 서로 결합함과 동시에 상판(610) 및 하판(630)은 평판으로 변형될 수 있다(도 8의 (b) 참조). 서로를 향하여 오목하고 굴곡된 상판(610) 및 하판(630)이 닫힐 때 내측의 밀폐부(700) 및 PCR 칩(130)에 의해 상판(610) 및 하판(630)에 외측 방향으로 외력을 인가되기 때문이다. 이는 상판(610) 및 하판(630) 사이의 공간을 밀폐부(700)와 결합된 PCR 칩(130)에 대응하거나 이보다 작게 형성하여, PCR 칩 케이스(600)가 닫힐 때, 연질의 밀폐부(700)를 통해 PCR 칩(130)을 가압 고정하는 것과 동시에, 상판(610) 및 하판(630)의 외면을 평판으로 하여, 열 블록(112, 114, 116, 118)과의 접촉 효율을 개선하기 위함이다.
또한, PCR 칩(130)이 PCR 칩 케이스(600) 또는 칩 홀더(140)에 배치된 상태에서 PCR 반응의 관찰이 가능하도록, 상판(610) 및 하판(630)에는 PCR 칩(130)의 반응 챔버에 대응하는 개방 영역(614, 633)이 형성될 수 있다. 또한 PCR 칩(130)은 상판(610) 및 하판(630)의 개방 영역(614, 633)을 통해 열 블록(112, 114, 116, 118)과 긴밀하게 열 접촉할 수 있다.
PCR 칩 케이스(600)의 상판(610)에는 하판(630)을 향하는 방향으로 돌출하는 지지부(616)가 형성될 수 있다. 또한, 하판(630) 중 지지부(616)에 대응하는 위치에 지지부(616)가 삽입되는 함몰 공간이 형성될 수 있다. PCR 칩 케이스(600)의 절첩 시, 지지부(616)를 통해 PCR 칩 케이스(600)에 강성을 부여하여, 형상 변형을 방지할 수 있다.
밀폐부(700)는, PCR 칩(130)의 유입부 및 유출부를 밀폐할 수 있다. 이를 위해 밀폐부(700)는 고무 등의 연성 재질로 이루어져, 신축성과 탄성을 가질 수 있다. 구체적으로, 밀폐부(700)는, 평판 형상의 덮개부(710)와 덮개부(710)에서 형성되는 복수의 돌출부(730)로 이루어질 수 있으며, 각 돌출부(730)는 PCR 칩(130)의 유입부 및 유출부에 삽입되어 PCR 칩(130)을 밀폐할 수 있다.
또한, 밀폐부(700)는 PCR 칩(130)과 보다 견고하게 밀착하기 위해 서로 대응하는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, PCR 칩(130)의 유입부 및 유출부를 둘러싸는 돌출 영역(132)에 대응하는 수용 영역(750)이 형성될 수 있으며, 또한, PCR 칩(130)의 고정 돌기(134)에 대응하는 제 1 고정 홀(770)이 형성될 수 있다. 또한, 밀폐부(700)는 정렬 홀(790)을 통해 PCR 칩 케이스(600)와 그 정렬이 유지되도록 결합할 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100, 300: 장치 112, 114: 제 1 열 블록
116, 118: 제 2 열 블록 122, 124, 126, 128: 열 블록 구동부 130: PCR 칩 132 돌출 영역
134 고정 돌기 140: 칩 홀더
142: 수용 공간 144: 관통부
146 가이드 홈 150: PCR 칩 구동부
310: 광원 330: 광 필터
350: 검출부 400: 열 블록
410: 메인 열 블록 430: 보조 열 블록
450: 온도 제어부 600: PCR 칩 케이스
610: 상판 630: 하판
612, 631: 수용 공간 614, 633: 개방 영역
616 지지부 635 가이드 돌기
637 제 2 고정 홀 639 정렬 돌기
650: 결합 부재 700: 밀폐부
710: 덮개부 730: 돌출부
750: 돌출 영역 770 제 1 고정 홀
790 정렬 홀

Claims (14)

  1. 핵산 증폭 장치로서,
    PCR 칩을 제 1 위치 내지 제 2 위치 사이에서 왕복 시키는 PCR 칩 구동부;
    상기 제 1 위치를 중심으로 서로 마주보도록 이격 배치되는 복수의 제 1 열 블록;
    상기 제 2 위치를 중심으로 서로 마주보도록 이격 배치되는 복수의 제 2 열 블록; 및
    상기 복수의 제 1 열 블록 및 상기 복수의 제 2 열 블록 각각을 상기 PCR 칩을 향하여 이동시키는 열 블록 구동부를 포함하고,
    상기 PCR 칩이 상기 제 1 위치에서 양 면이 상기 복수의 제 1 열 블록과 접촉하고, 상기 제 2 위치에서 상기 양 면이 상기 복수의 제 2 열 블록과 접촉함으로써, PCR 반응이 수행되는, 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제 1 열 블록은 상기 PCR 반응의 변성 단계 온도를 유지하도록 구현되고, 상기 복수의 제 2 열 블록은 상기 PCR 반응의 어닐링 및 연장 단계 온도를 유지하도록 구현되는, 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 변성 단계 온도는 90℃ 내지 100℃이고, 상기 어닐링 및 연장 단계 온도는 55℃ 내지 75℃인, 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 블록 각각은 일면이 상기 PCR 칩과 접촉하는 메인 열 블록; 일면이 상기 메인 열 블록의 타면과 접촉하고 타면이 외부에 노출되는 보조 열 블록을 포함하는, 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 메인 열 블록은 제 1 온도를 갖도록 구현되고,
    상기 보조 열 블록은 상기 제 1 온도 보다 낮은 제 2 온도를 갖도록 구현되는, 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 온도는 90℃ 내지 100℃이고, 상기 제 2 온도는 60℃ 내지 70℃인, 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 온도는 55℃ 내지 75℃이고, 상기 제 2 온도는 25℃ 내지 45℃인, 장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 온도는 상기 제 1 온도 보다 25℃ 내지 35℃ 낮은, 장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 온도는 상기 제 1 온도 내지 대기 온도 사이인, 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    샘플 용액이 주입되는 유입부; 상기 샘플 용액의 PCR 반응이 수행되는 반응 챔버; 및 상기 샘플 용액이 배출되는 유출부를 포함하는 PCR 칩을 더 포함하는, 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 PCR 칩을 수용하되 상기 PCR 칩의 반응 챔버를 외부에 노출하고, 상기 PCR 칩 구동부에 의해 왕복하는 PCR 칩 케이스를 더 포함하는, 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 PCR 칩의 유입부 및 유출부를 밀폐하도록 상기 PCR 칩에 결합하고, 상기 PCR 칩 케이스에 수용되는, 연질 재질의 밀폐부를 더 포함하는, 장치.
  13. 핵산 증폭 장치로서,
    서로 이격 배치되고, PCR 칩과 접촉하면서 PCR 반응이 수행되게 하는 복수의 열 블록을 포함하고,
    상기 열 블록 각각은, 일면이 상기 PCR 칩과 접촉하는 메인 열 블록; 및 일면이 상기 메인 열 블록의 타면과 접촉하고 타면이 외부에 노출되는 보조 열 블록을 포함하는, 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 메인 열 블록은 제 1 온도를 갖도록 구현되고,
    상기 보조 열 블록은 상기 제 1 온도 보다 낮은 제 2 온도를 갖도록 구현되는, 장치.
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