CN107109333B - 具有反复滑动驱动机构的pcr装置及利用其的pcr方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一实施例涉及具有反复滑动驱动机构的聚合酶链式反应装置及利用其的聚合酶链式反应方法，基于此，通过配置有2个以上的加热器的热块及配置有2个以上的反应腔室的聚合酶链式反应芯片之间的反复的热接触来使很多数的试样同时执行迅速且准确的聚合酶链式反应，从而可增加试样的处理量。并且，可防止从个别加热器发生的径向热分布及基于此的相邻加热器之间的不均匀的热重叠来相当地改善聚合酶链式反应收率，且不需要额外的温度调节机构，因而可相当地贡献于装置的小型化及集成化，进而，可利用反复配置有加热器单元的热块及板形状的聚合酶链式反应部来同时且迅速地对多种核酸样品进行扩增，可对连续的光学信号或电化学信号进行测定来实时确认核酸扩增过程。

Description

具有反复滑动驱动机构的PCR装置及利用其的PCR方法
技术领域
本发明涉及具有连续反复配置有加热器的PCR热块及反复配置有反应腔室的PCR芯片的PCR装置及利用其的PCR方法。
本发明从得到保健福祉部韩国保健产业振兴院的保健医疗研究开发工作的支援来执行的研究中导出[课题固有号：HI13C2262，研究课题名：“用于疟疾现场检查用基因超高速诊断的基于芯片实验室的多通道同时多重检测全程自动化实时(Real-time)聚合酶链式反应系统的开发”]。
背景技术
聚合酶链式反应(PCR，Polymerase Chain Reaction)是对模板核酸的特定部位进行反复的加热及冷却来连锁性地复制上述特定部位，从而以几何级数般将具有该特定部位的核酸进行扩增的技术，在生命科学、遗传工程及医疗领域等中以分析及诊断的目的被广泛使用。最近，多样地开发用于有效执行聚合酶链式反应的装置。
现有的聚合酶链式反应装置的一例以如下方式实现：在一个加热器中安装导入包含模板核酸的多种样品溶液的管(tube)形态的反应容器，并对上述反应容器进行反复的加热(heating)及冷却(cooling)来执行聚合酶链式反应(参照图1至图2)。但是，上述聚合酶链式反应装置具有因具有一个加热器而整体结构不复杂，且因可导入多种试样而可增加试样的密度(density)的优点，但存在如下的问题：需要为了准确地控制温度而具有复杂的电路，因管形反应容器的大小大而需要很多试样，且因对一个加热器进行反复的加热或冷却而使整体聚合酶链式反应时间变长。
并且，现有的聚合酶链式反应装置的另一例以如下方式实现：安装具有聚合酶链式反应温度的多个加热器，以分别通过这些加热器的方式使包含核酸的样品溶液通过一个流路进行流动，从而执行聚合酶链式反应(参照图3)。使用设定为聚合酶链式反应温度的多个加热器，从而无需对加热器进行反复的加热及冷却，因而具有聚合酶链式反应时间快的优点。但是，上述聚合酶链式反应装置利用多个加热器，因而可实现比较简单的电路，但存在如下的问题：因用于通过高温及低温的加热器的长的流路是必不可少的因素而使整体结构复杂，难以适用多个试样，且需要用于控制在通过上述加热器的流路中流动的包含核酸的样品溶液的流速的额外的控制装置，从而难以增加试样及装置的密度。
最近，聚合酶链式反应装置开发如下：不仅正在开发用于改善聚合酶链式反应收率，并实时掌握聚合酶链式反应过程的有效的方法，而且可增加密度来在仅一次的聚合酶链式反应工序中对很多数的试样进行处理，且通过减小聚合酶链式反应时间来增加试样的处理量(throughput)。这种情况下，当前，为了可以大大减小聚合酶链式反应时间，仍然需要如下：可准确地控制或实现无需反复的加热及冷却的并列配置的加热器的设定温度的技术、用于以可利用设定的温度的加热器来使很多数的试样同时执行聚合酶链式反应的方式进行移送的技术及与其相关的聚合酶链式反应装置的实现。
发明内容
技术问题
为了解决如上所述的问题，本发明的一实施例提出以如下方式实现的聚合酶链式反应装置，改善聚合酶链式反应时间、收率及试样的处理量，可实现设备的小型化及便携化，可实时进行测定及分析。
解决问题的手段
本发明的一实施例提供聚合酶链式反应装置，上述聚合酶链式反应装置包括：聚合酶链式反应热块，在基板上部面反复隔开配置有2个以上的加热器；板形状的聚合酶链式反应芯片，具有2个以上的反应腔室，当与上述聚合酶链式反应热块相接触时，上述2个以上的反应腔室与配置于上述聚合酶链式反应热块的2个以上的各加热器相接地反复实现；以及反复滑动驱动机构，在安装上述聚合酶链式反应芯片的状态下，维持上述聚合酶链式反应芯片与上述聚合酶链式反应热块之间的接触，沿着正向及反向实现反复滑动，当进行上述反复滑动时，在配置于上述聚合酶链式反应芯片的反应腔室与配置于上述聚合酶链式反应热块的加热器之间反复地发生热接触。
在本发明的一实施例中，上述2个以上的加热器中的相邻加热器可由不同的温度实现。
在上述2个以上的加热器中，上述聚合酶链式反应热块的一个末端的加热器中的第一加热器可由聚合酶链式反应变性步骤温度实现，第二加热器可由退火及延伸(或扩增)步骤温度实现。
上述聚合酶链式反应芯片的反应腔室可向上述聚合酶链式反应芯片的滑动方向隔开配置有2个以上，或可向上述聚合酶链式反应芯片的滑动方向和垂直方向隔开配置有2个以上，或能够以向上述聚合酶链式反应芯片的滑动方向和垂直方向连续通过的通道形态实现。
上述聚合酶链式反应芯片的反应腔室能够以流入部/流出部合并型孔形态或流入部/流出部单独型流路形态实现。
本发明还可包括：光源，配置成向上述聚合酶链式反应芯片的反应腔室提供光；以及光检测部，配置成收容从上述聚合酶链式反应部释放的光。上述光源或光检测部可反复配置于上述聚合酶链式反应热块的相邻加热器之间的空间，且可与上述聚合酶链式反应芯片的移动途径相对应地进行移动。
上述聚合酶链式反应装置还可具有芯片等待部，上述芯片等待部以能够驱动的方式进行连接，以便于在第一聚合酶链式反应芯片与上述聚合酶链式反应热块进行热接触之后，使第二聚合酶链式反应芯片开始与上述聚合酶链式反应热块进行热接触，上述芯片等待部用于收容多个聚合酶链式反应芯片。
发明的效果
根据本发明的实施例，通过配置有2个以上的具有聚合酶链式反应温度的加热器的热块及配置有2个以上的反应腔室的聚合酶链式反应芯片之间的反复的热接触来执行迅速且准确的聚合酶链式反应，可使多种试样同时执行聚合酶链式反应来增加试样的处理量。并且，可防止从个别加热器发生的径向热分布及基于此的相邻加热器之间的不均匀的热重叠来相当地改善聚合酶链式反应收率，且不需要额外的温度调节机构，因而可相当地贡献于装置的小型化及集成化。进而，可利用反复配置有加热器单元的热块及板形状的聚合酶链式反应部来同时且迅速地对多种核酸样品进行扩增，可对连续的光学信号或电化学信号进行测定来实时确认核酸扩增过程。
附图说明
图1至图2示出现有的单一加热器方式的聚合酶链式反应热块和安装于其的管(tube)类型的聚合酶链式反应反应容器的俯视图及侧向剖视图。
图3示出现有的多个加热器方式的聚合酶链式反应热块和安装于其的流路类型的聚合酶链式反应反应容器的俯视图。
图4示出在本发明一实施例的基板99上部面反复隔开配置有2个以上的加热器111、121的聚合酶链式反应热块100。
图5示出本发明一实施例的聚合酶链式反应热块100的加热器的配置结构。
图6示出本发明一实施例的聚合酶链式反应芯片900及配置于其内部的2个以上的反应腔室910的配置结构。
图7至图9示出本发明一实施例的多种类型的聚合酶链式反应芯片900。
图10至图12示出本发明一实施例的多种类型的聚合酶链式反应芯片900和与其相接触的聚合酶链式反应热块的状态。
图13至图14示出现有的管(tube)类型及流路类型的聚合酶链式反应反应容器和本发明一实施例的聚合酶链式反应芯片的比较图。
图15示出本发明一实施例的反复滑动驱动机构及通过其的聚合酶链式反应执行原理。
图16示出通过本发明一实施例的多种聚合酶链式反应装置实现的实时聚合酶链式反应。
图17示出与本发明一实施例的聚合酶链式反应装置相连接的芯片等待部。
图18为表示本发明一实施例的聚合酶链式反应装置的聚合酶链式反应试验结果的电泳照片。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的多个实施例。以下说明仅用于容易理解本发明的多个实施例，而不是用于限制保护范围。
在本发明的一实施例中，聚合酶链式反应是指将具有特定碱基序列的核酸进行扩增的反应的一种。例如，为了将具有特定碱基序列的脱氧核糖核酸(DNA，deoxyribonucleicacid)进行扩增，聚合酶链式反应装置所执行的步骤如下：变性步骤(denaturing step)，将含有包含作为模板核酸的双链的脱氧核糖核酸的聚合酶链式反应试样及试剂的溶液加热为特定温度，例如，约95℃，从而将上述双链的脱氧核糖核酸分离为单链的脱氧核糖核酸；退火步骤(annealing step)，提供具有与要扩增的碱基序列互补的序列的寡核苷酸(oligonucleotide)引物，并与分离的上述单链的脱氧核糖核酸一同冷却为特定温度，例如，55℃，从而在上述单链的脱氧核糖核酸的特定碱基序列中结合上述引物来形成部分脱氧核糖核酸-引物复合物；以及延伸(或扩增)步骤(extension step)，在上述退火步骤之后，将上述溶液维持为适当温度，例如，72℃，从而利用脱氧核糖核酸聚合酶(polymerase)以上述部分脱氧核糖核酸-引物复合物的引物为基础形成双链的脱氧核糖核酸，可将上述的三个步骤反复例如20次至40次来以几何级数般将具有上述特定碱基序列的脱氧核糖核酸进行扩增。根据情况，上述聚合酶链式反应装置可同时执行上述退火步骤和上述延伸(或扩增)步骤，这种情况下，聚合酶链式反应装置还可执行由变性步骤、退火及延伸(或扩增)步骤构成的2个步骤，从而完成第一循环。因此，本发明实施例的聚合酶链式反应热块及包括其的聚合酶链式反应装置是指包括用于执行上述的多个步骤的多个模块的装置，除非本说明书中所记载，详细的模块以在用于执行聚合酶链式反应的现有技术中开始或在显而易见的范围内均具有的模块为前提。
图4示出在基板99上部表面反复隔开配置有2个以上的加热器111、121的聚合酶链式反应热块100。
根据图4，在本发明一实施例的聚合酶链式反应热块100的上部表面反复配置有用于向聚合酶链式反应溶液供热的2个以上的加热器111、121。上述聚合酶链式反应热块100作为用于维持特定温度的模块，在至少一面具有与聚合酶链式反应反应领域的接触面，从而通过热接触向聚合酶链式反应溶液(用于执行聚合酶链式反应的试样及试剂)供热来执行聚合酶链式反应。上述基板99由防止因配置于其表面的加热器111、121的加热而使其物理或化学性质发生变化，并防止在2个以上的加热器之间发生热交换的材质实现。例如，上述基板99由塑料、玻璃、硅等的材质实现，根据需要，能够以透明或半透明的方式实现。为了装置的小型化及集成化，上述聚合酶链式反应热块100能够以整体上薄的板形状，例如，约50纳米(nm)至1毫米(mm)的厚度，优选地，约250微米(μm)实现，但并不局限于此。
在上述聚合酶链式反应热块100的上部表面反复隔开配置有2个以上的加热器，例如，上述聚合酶链式反应热块100的2个以上的加热器能够以如下方式实现：在上述聚合酶链式反应热块的一个末端的加热器中，开始聚合酶链式反应的第一循环，并在上述聚合酶链式反应热块的另一个末端的加热器中，结束聚合酶链式反应的最后循环。并且，上述聚合酶链式反应热块100能够以用于向聚合酶链式反应反应领域有效供热的形状，例如，可增加每体积表面积比率(Surface to Volume Ratio)的平面(Plane)形状、流路(Channel)形状或柱子(pillar)形状等多样地实现。
上述加热器111、121作为配置于上述基板99的导电性发热器件，可由利用焦耳热(Joule Heating)的加热器、引起珀尔帖效应(Peltier Effect)的热电器件(Thermoelement)实现。另一方面，上述聚合酶链式反应热块100的2个以上的加热器中的相邻加热器可由不同的温度实现，相邻加热器之间的温度模式可由规定数的加热器组合反复。例如，第一加热器由95℃实现，第二加热器由55℃实现，第三加热器由72℃实现，这种温度模式可由10次、20次、30次或40次等反复实现，第一加热器由95℃实现，第二加热器由72℃实现，这种温度模式可由10次、20次、30次或40次等反复实现。因此，上述聚合酶链式反应热块100的2个以上的加热器能够以如下方式实现：在上述聚合酶链式反应热块的一个末端的加热器(95℃)中，开始聚合酶链式反应的第一循环，并在上述聚合酶链式反应热块的另一个末端的加热器(72℃)中，结束聚合酶链式反应的最后循环。
为了维持规定温度，上述加热器111、121可与电源模块及控制模块相连接，可与用于监控上述加热器111、121的温度的传感器相连接。为了规定地维持上述加热器111、121的内部温度，单位电极，即，多个加热器电极能够以上述加热器111、121的表面中心点为基准向上下和/或左右方向对称配置。并且，上述加热器111、121可从由用于实现迅速的传热性及导电性的金属材质，例如，铬、铝、铜、铁、银及碳组成的组中选择一种以上或可由以其为基础的复合材料(composite materials)制备，但并不局限于此。并且，上述加热器111、121可包括透光性发热器件，例如，氧化物半导体物质或选自含有包含在上述氧化物半导体物质中添加了选自由In、Sb、Al、Ga、C及Sn组成的组中的杂质的物质的导电性纳米粒子、氧化铟锡、导电性高分子物质、碳纳米管及石墨烯(graphene)的组中的一种以上的物质。
本发明具有如下优点：在上述加热器111、121两次配置于上述聚合酶链式反应热块100的上部表面而执行用于聚合酶链式反应的2个步骤，即，变性步骤及退火/延伸步骤的情况下，与执行用于聚合酶链式反应的三个步骤，即，变性步骤、退火步骤及延伸步骤相比，可减少聚合酶链式反应时间，且通过减少加热器数量来简化结构，并增加密度。另一方面，这种情况下，在用于聚合酶链式反应的三个步骤中，用于执行变性步骤的温度为85℃至105℃，优选为95℃，用于执行退火步骤的温度为40℃至60℃，优选为50℃，用于执行延伸步骤的温度为50℃至80℃，优选为72℃，进而，在用于聚合酶链式反应的2个步骤中，用于执行变性步骤的温度为85℃至105℃，优选为95℃，用于执行退火/延伸步骤的温度为50℃至80℃，优选为72℃。只是，用于执行上述聚合酶链式反应的特定温度及温度范围可在执行聚合酶链式反应的过程中在公知的范围内进行调节。
如上所述，通过使维持规定温度的2个以上的加热器111、121反复隔开配置于聚合酶链式反应热块100的上部表面，可增加每个时间的温度变化率。例如，根据现有的单一加热器方式，每个时间的温度变化率在每秒钟3℃至7℃范围内，相反，根据本发明实施例的反复配置加热器结构，上述多个加热器之间的每个时间的温度变化率在每秒钟20℃至40℃范围内，从而可大大缩短聚合酶链式反应时间。根据本发明实施例的反复配置加热器结构，在聚合酶链式反应的变性步骤、退火步骤及延伸步骤(或上述变性步骤及退火/变性步骤)中，可准确地控制温度，并且，可仅在从上述多个加热器供热的部位维持所需的温度或温度范围。并且，可在上述聚合酶链式反应热块100反复配置多种数的加热器来多样地实现聚合酶链式反应循环周期。例如，在适用于循环周期为10次的聚合酶链式反应的情况下，可反复配置20个或30个上述加热器。即，可考虑所意图的聚合酶链式反应循环周期而在上述聚合酶链式反应热块100以10次、20次、30次、40次、50次等反复配置上述加热器。
图5示出本发明实施例的聚合酶链式反应热块100及以向反复配置于上述聚合酶链式反应热块100的加热器供给电力的方式实现的电力供给部200。具体地，图5的上端示出上述聚合酶链式反应热块100的垂直剖视图，图5的下端示出上述聚合酶链式反应热块100的俯视图。图5的聚合酶链式反应热块100反复配置有20个加热器。上述电力供给部200作为从电力供给源向上述聚合酶链式反应热块100供给电力来进行加热的模块，包括以分别向上述多个加热器110、120分配电力的方式实现的配线210、220。例如，根据图5，上述聚合酶链式反应热块100的第一配线210以向第一加热器110供给电力的方式进行连接，第二配线220以向第二加热器120供给电力的方式进行连接。若上述第一加热器110维持聚合酶链式反应变性步骤温度，例如，85℃至105℃，且上述第二加热器120维持聚合酶链式反应退火/延伸步骤温度，例如，50℃至80℃，则上述第一配线210可从上述电力供给部200接收用于维持聚合酶链式反应变性步骤温度的电力，上述第二配线220可从上述电力供给部200接收用于维持聚合酶链式反应退火/延伸步骤温度的电力。上述第一配线210及上述第二配线220可由金、银、铜等导电性材质实现，但并不局限于此。上述电力供给源作为用于向上述电力供给部200供给电力的模块，可分别与上述电力供给部200的第一配线210及第二配线220相连接。例如，当执行聚合酶链式反应时，上述电力供给源的第一电力端口与上述第一配线210电连接，上述电力供给源的第二电力端口与上述第二配线220电连接。接着，在具有用于执行聚合酶链式反应的用户指示的情况下，上述电力供给源可分别向上述第一配线210及上述第二配线220供给电力，从而迅速对上述聚合酶链式反应热块的第一加热器及第二加热器进行加热，若多个加热器分别达到预先确定的温度，则控制电力供给量来维持上述预先确定的温度。
图6示出本发明一实施例的聚合酶链式反应芯片900及配置于其内部的2个以上的反应腔室910的配置结构，图7至图9示出本发明一实施例的多种类型的聚合酶链式反应芯片900。
根据图6，本发明一实施例的聚合酶链式反应芯片900以板形状实现，并与聚合酶链式反应热块100的上部表面，具体地，加热器110、120相接触，上述聚合酶链式反应芯片900具有以如下方式反复实现的2个以上的反应腔室910、920，当进行接触时，上述2个以上的反应腔室910、920与配置于上述聚合酶链式反应热块100的2个以上的加热器110、120相连。以其为前提，图7至图9示出本发明一实施例的多种类型的聚合酶链式反应芯片900。
上述反应腔室是为了将具有特定碱基序列的脱氧核糖核酸进行扩增而对含有包含作为模板核酸的双链的脱氧核糖核酸的聚合酶链式反应试样及试剂的溶液进行收容的空间。在本发明的一实施例中，本发明的特征在于，当为了执行聚合酶链式反应而与上述聚合酶链式反应热块100进行热接触时，上述反应腔室配置于在上述聚合酶链式反应热块100设置的加热器区域。上述反应腔室的数量不受特别的限制，但优选地，比聚合酶链式反应热块100的加热器的数量多一个以上。另一方面，上述聚合酶链式反应芯片整体以板形状实现，从而当与上述聚合酶链式反应热块100进行热接触时，分别向上述反应腔室均匀地传热。
根据图7，上述2个以上的反应腔室910反复配置于板形状的芯片。并且，上述2个以上的反应腔室910可向上述芯片的长度方向或相对于长度方向的垂直方向配置。这种情况下，反应腔室910还可分别包含相同或不同的聚合酶链式反应试样及试剂，这种情况下，还可通过一个聚合酶链式反应芯片900执行两种以上或多种试样的聚合酶链式反应。
根据图8，上述2个以上反应腔室910反复配置于板形状的芯片，上述反应腔室910能够以向相对于上述芯片的长度方向的垂直方向连续通过的流路形态实现。这种情况下，反应腔室910还可分别包含相同或不同的聚合酶链式反应试样及试剂，这种情况下，在一个聚合酶链式反应芯片900中，可执行两种以上或多种试样的聚合酶链式反应。
另一方面，图7至图8的聚合酶链式反应芯片900的反应腔室910以无流入部/流出部的区别而由一个实现的流入部/流出部合并型孔形态实现，相反，图9的聚合酶链式反应芯片900的反应腔室910还能够以在单位区域中分离实现流入部931及流出部932，且流入部931及流出部932由一个流路921连接的流入部/流出部单独型流路形态实现。现有的多孔板(multi well plate)形态的聚合酶链式反应芯片因试样的量(volume)大而每体积表面积比率(Surface to Volume Ratio)低，导致聚合酶链式反应时间长，但本发明一实施例的流入部/流出部单独型流路形态的聚合酶链式反应芯片的每体积表面积比率(Surface toVolume Ratio)高，从而可大大缩短聚合酶链式反应时间。上述反应腔室内的流路高度可选自0.01微米至5毫米，但优选地，流路的高度低，以使每体积表面积比率(Surface toVolume Ratio)变高。
另一方面，本发明一实施例的聚合酶链式反应芯片900可包括：第一板，与上述聚合酶链式反应热块100相接触；第二板，配置于上述第一板，并具有上述2个以上的反应腔室；以及第三板，配置于上述第二板，并具有上述2个以上的反应腔室的流入部或流出部。像这样，本发明一实施例的聚合酶链式反应芯片900由板形状的层叠结构实现，从而具有制备工序变得简单，可大大降低费用，且与聚合酶链式反应热块100的热交换面积变宽的优点。本发明一实施例的聚合酶链式反应芯片900可由多种材质实现，但优选地，以塑料材质的薄膜形状实现。并且，本发明一实施例的聚合酶链式反应芯片900可由透光性材质实现，若以荧光(Fluorescence)、磷光(Phosphorescence)、发光(Luminescence)、拉曼光谱法(RamanSpectroscopy)、表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering)及表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance)之类的基于光学测定的实时(real-time)聚合酶链式反应用途使用，则优选地由透光性材质实现。
上述第一板是与上述聚合酶链式反应热块100相粘结或附着而从上述聚合酶链式反应热块100供热的部分。上述第一板可由多种材质实现，但优选地，可以为选自由聚二甲基硅氧烷(PDMS，polydimethylsiloxane)、环烯烃共聚物(COC，cyclo olefin copolymer)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，polymethylmethacrylate)、聚碳酸酯(PC，polycarbonate)、聚碳酸亚丙酯(PPC，polypropylene carbonate)、聚醚砜(PES，polyether sulfone)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET，polyethylene terephthalate)及其组合物组成的组中的材质。并且，针对上述第一板的上端面可由亲水性物质(未图示)来进行处理，以便于可顺畅地执行聚合酶链式反应。通过上述亲水性物质的处理来在上述第一板形成包含亲水性物质的单层。上述亲水性物质可以为多种物质，但优选为选自由羧基(-COOH)、胺基(-NH2)、羟基(-OH)及砜基(-SH)组成的组中的物质，上述亲水性物质的处理可通过本领域中公知的方法来执行。
上述第二板配置于上述第一板。上述第二板包括2个以上的反应腔室。在上述2个以上的反应腔室中导入要扩增的靶样品溶液之后，执行聚合酶链式反应。并且，上述第二板可由多种材质实现，但优选为选自由聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、环烯烃共聚物、聚酰胺(PA，polyamide)、聚乙烯(PE，polyethylene)、聚丙烯(PP，polypropylene)、聚苯醚(PPE，polyphenylene ether)、聚苯乙烯(PS，polystyrene)、聚甲醛(POM，polyoxymethylene)、聚醚醚酮(PEEK，polyetheretherketone)、聚四氟乙烯(PTFE，polytetrafluoroethylene)、聚氯乙烯(PVC，polyvinylchloride)、聚偏氟乙烯(PVDF，polyvinylidene fluoride)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT，polybutyleneterephthalate)、氟化乙烯丙烯(FEP，fluorinatedethylenepropylene)、全氟烷氧基烷烃(PFA，perfluoralkoxyalkane)及其组合物组成的组中的热塑性树脂或热固性树脂材质。并且，上述第二板的厚度可以多样，但可选自0.01μm至5mm。并且，上述反应腔室的宽度和长度可以多样，但优选地，上述反应腔室的宽度可选自0.001mm至10mm，上述长度可选自1mm至400mm。并且，为了防止脱氧核糖核酸、蛋白质(protein)的吸附，上述第二板的内壁可由硅烷(silane)系列、牛血清白蛋白(BSA，BovineSerum Albumin)等的物质进行涂敷，上述物质的处理可通过本领域中公知的方法来执行。
上述第三板配置于上述第二板。上述第三板具有在形成于上述第二板的2个以上的反应腔室区域形成的流入部或流出部。上述流入部是使包含要扩增的核酸的靶样品溶液流入的部分，上述流出部是在结束聚合酶链式反应之后，排出上述靶样品溶液的部分。如上所述，上述流入部和流出部能够以合并型或分离型实现，上述流入部和流出部的内部表面与上述第二板的2个以上的反应腔室的内部表面连续地连接。另一方面，上述第三板可由多种材质实现，但优选地，可以为选自由聚二甲基硅氧烷(PDMS，polydimethylsiloxane)、环烯烃共聚物(COC，cyclo olefin copolymer)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，polymethylmethacrylate)、聚碳酸酯(PC，polycarbonate)、聚碳酸亚丙酯(PPC，polypropylene carbonate)、聚醚砜(PES，polyether sulfone)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET，polyethylene terephthalate)及其组合物组成的组中的材质。并且，上述流入部可具有多种大小，但优选地，直径可选自0.001mm至10mm。并且，上述流出部可具有多种大小，但优选地，直径可选自0.001mm至10mm。并且，上述流入部及流出部具有额外的盖机构，从而可防止当执行对于靶样品溶液的聚合酶链式反应时，上述2个以上的反应腔室内的靶样品溶液泄漏。上述盖机构能够以多种形状、大小或材质实现。并且，上述第三板的厚度可以多样，但优选地，可选自0.001mm至10mm。
本发明一实施例的聚合酶链式反应芯片900可通过如下方法来容易制备而成，上述方法包括：通过机械加工形成上述流入部或流出部来提供上述第三板的步骤；通过机械加工在与上述第三板的流入部或流出部相对应的部分形成2个以上的反应腔室，从而向具有与上述第三板的下部面相对应的大小的板材提供第二板的步骤；通过表面处理加工由亲水性物质形成表面，从而向具有与上述第二板的下部面相对应的大小的板材的上部面提供第一板的步骤；以及通过粘合工序将上述第三板的下部面与上述第二板的上部面相粘合，并通过粘合工序将上述第二板的下部面与上述第一板的上部面相粘合的步骤。
上述第三板的流入部或流出部及上述第二板的2个以上的反应腔室可通过选自由注塑成型(injection molding)、热压印(hot-embossing)、铸造(casting)及激光烧蚀(laser ablation)组成的组中的加工方法来形成。并且，上述第一板表面的亲水性物质可通过选自由氧及氩等离子处理、电晕放电处理及表面活性剂的涂敷组成的组中的方法来进行处理，可通过本领域中公知的方法来执行。并且，上述第三板的下部面与上述第二板的上部面以及上述第二板的下部面与上述第一板的上部面可通过热粘合(Thermal bonding)、超声波熔敷(Ultrasonic Welding)、溶剂粘合(Solvent Bonding)、热板熔敷(Hot PlateWelding)、紫外线(UV)粘合(Ultraviolet Bonding)及压接(Press Bonding)工序来进行粘结，可通过本领域中公知的方法来执行。在上述第三板与第二板之间以及上述第二板与第一板之间可由双面胶或热塑性树脂或热固性树脂来进行处理。
图10至图12示出本发明一实施例的多种类型的聚合酶链式反应芯片900和与其相接触的聚合酶链式反应热块的状态。
根据图10，本发明一实施例的聚合酶链式反应芯片900具有流入部/流出部合并型孔(well)形态的反应腔室910，上述反应腔室910与本发明一实施例的聚合酶链式反应热块的加热器110、120相对应地配置。根据图11，本发明一实施例的聚合酶链式反应芯片900具有流入部/流出部单独型流路形态的反应腔室910，上述反应腔室910与本发明一实施例的聚合酶链式反应热块的加热器110、120垂直对应地配置。进而，根据图12，本发明一实施例的聚合酶链式反应芯片900具有流入部/流出部单独型流路形态的反应腔室910，上述反应腔室910与本发明一实施例的聚合酶链式反应热块的加热器110、120水平地配置。
如上所述的本发明一实施例的形态的聚合酶链式反应芯片与以往的聚合酶链式反应PCR反应容器相比，可增加实现聚合酶链式反应装置时的密度，并且，贡献于有效执行聚合酶链式反应。根据图13，本发明一实施例的聚合酶链式反应芯片与使用以单一加热器为前提的以往的管方式的聚合酶链式反应反应容器相比，可使更多的多种试样同时执行聚合酶链式反应，可大大缩短聚合酶链式反应时间，还可大大减小容器的大小。进而，与使用以往的以多个加热器为前提的单一流路方式的聚合酶链式反应反应容器相比，可使更多的多种试样同时执行聚合酶链式反应，可缩短对于多种试样的聚合酶链式反应时间，且不需要额外的通过流路的流体控制模块，从而可大大增加聚合酶链式反应装置的密度。另一方面，根据图14，本发明一实施例的聚合酶链式反应芯片能够以小型实现，因而可最小化试样的量，且可增加加热器，即，热块与试样之间的热接触面，从而可增加每体积表面积比率(a＜a'＜a”)。这种情况下，可容易确认如下：在本发明一实施例的聚合酶链式反应芯片中，每体积表面积比率呈与图10的芯片相比，图11至图12的芯片更加得到改善的形态。
图15示出本发明一实施例的反复滑动驱动机构及通过其的聚合酶链式反应执行原理。
根据图15a，可确认包括聚合酶链式反应热块100、电极部200、聚合酶链式反应芯片900及反复滑动驱动机构990的本发明一实施例的聚合酶链式反应装置中执行聚合酶链式反应的步骤(步骤S1至步骤S2)。反复滑动驱动机构990被简单示出，但因安装有聚合酶链式反应芯片900而聚合酶链式反应芯片900可将聚合酶链式反应热块100的上部面以热接触状态进行反复(往复)滑动。前提为如下2个步骤：聚合酶链式反应芯片900的所有反应腔室910收容相同或不同的聚合酶链式反应试样及试剂，配置于聚合酶链式反应热块100的加热器(110、120等)通过电极部200的电力供给来执行聚合酶链式反应，即：第一加热器110维持用于执行变性步骤的温度，即，95℃，第二加热器120维持用于执行退火/延伸步骤的温度，即，72℃，之后，18个加热器反复维持95℃及72℃。
参照步骤S1，若聚合酶链式反应芯片900与聚合酶链式反应热块100的上部面进行热接触，则在配置于聚合酶链式反应芯片900的反应腔室910内部执行第一次聚合酶链式反应，之后，利用反复滑动驱动机构990来进行滑动。例如，若聚合酶链式反应芯片900的左侧末端的第一反应腔室910与聚合酶链式反应热块100的左侧末端的第一加热器110进行热接触，则在第一反应腔室910内部执行变性步骤，之后，通过利用反复滑动驱动机构990的向右滑动，第一反应腔室910与聚合酶链式反应热块100的左侧末端的第二加热器120进行热接触。
参照步骤S2，若聚合酶链式反应芯片900与聚合酶链式反应热块100的上部面进行热接触，则在配置于聚合酶链式反应芯片900的反应腔室910内部执行第二次聚合酶链式反应，之后，利用反复滑动驱动机构990来进行滑动。例如，若聚合酶链式反应芯片900的左侧末端的第一反应腔室910与聚合酶链式反应热块100的左侧末端的第二加热器120进行热接触，则在上述第一反应腔室910内部执行退火/延伸步骤，之后，通过利用反复滑动驱动机构990的向左滑动，第一反应腔室910重新与聚合酶链式反应热块100的左侧末端的第一加热器110进行热接触。若聚合酶链式反应芯片900利用本发明一实施例的反复滑动驱动机构990来在聚合酶链式反应热块100的上部面以步骤S1至步骤S2的方式进行反复(往复)移动，则聚合酶链式反应的第一循环(cycle)结束。
根据图15b，可以确认通过图15a的步骤S1至步骤S2的反复连续进行聚合酶链式反应的各个循环(C1、C2)。因此，根据本发明一实施例的聚合酶链式反应装置，可在窄的空间同时且迅速将多种核酸样品进行扩增，可通过多种核酸样品与多个加热器之间的反复接触贡献于设备的小型化。
图16示出通过本发明一实施例的多种聚合酶链式反应装置实现的实时聚合酶链式反应。
图16a至图16h示出通过本发明一实施例的聚合酶链式反应装置实现的实时聚合酶链式反应。本发明一实施例的聚合酶链式反应装置可包括用于实时测定在聚合酶链式反应芯片900的反应腔室910内发生的核酸扩增反应的光学模块。上述光学模块可包括：光源150、1500，用于向聚合酶链式反应芯片900的反应腔室910提供光；以及光检测部600、620，用于收容从聚合酶链式反应芯片900释放的光。这种情况下，在收容于聚合酶链式反应芯片900的反应腔室910的靶样品溶液中可添加额外的荧光物质，随着聚合酶链式反应产物的生成，利用特定波长的光来进行发光，从而诱发可测定及分析的光信号。上述光学模块可根据聚合酶链式反应芯片及聚合酶链式反应热块的特性、光源及光检测部的配置形态等以透射型或反射型实现。光源可以多样，但可选自由汞弧灯(Mercury Arc Lamp)、氙弧灯(XenonArc Lamp)、钨弧灯(Tungsten Arc Lamp)、金属卤化物弧灯(Metal Halide Arc Lamp)、金属卤化物纤维(Metal Halide fiber)及发光二极管(LED，Light Emitting Diodes)组成的组中。并且，光源的波长可以多样，但可选自约200纳米至1300纳米范围内，可利用多重光源或过滤器来由多重波长实现。这种情况下，光源还可包括按颜色分类的光源(参照图16c及图16h)。并且，光检测部可以多样，但选自由电荷耦合器件(CCD，Charge-coupled Device)、电荷注入器件(CID，Charge-injection Device)、互补金属氧化物半导体检测器(CMOS，Complementary-metal-oxide-semiconductor Detector)及光电倍增管(PMT，PhotoMultiplier Tube)组成的组中。这种情况下，光检测部还可包括滤色器(图16b、图16c、图16f、图16g及图16h)。即，光源及光检测部为了改善检测效率而能够以可驱动的方式与多种模块连接配置。例如，上述光源还可包括可仅使可激发(excitation)荧光物质的波长带的光通过的一个以上的光带通滤波器(optical band pass filter)或能够以可驱动的方式进行连接，光检测部还可包括可仅使荧光物质的发光(emission)的波长带的光通过的一个以上的光带通滤波器或能够以可驱动的方式进行连接，这种情况下，光源或光检测部还可包括可使用于检测上述一个以上的光带通滤波器的荧光物质的激发波长与发光波长相一致的取代部或能够以可驱动的方式进行连接。并且，光源还可包括使用一个以上的波长的发光二极管，以便于可激发一种以上的荧光物质，或能够以可驱动的方式进行连接，这种情况下，在发光二极管光源中，还可包括可使一种以上的荧光物质的激发波长与发光波长相一致的取代部或能够以可驱动的方式进行连接。
根据图16a，本发明一实施例的聚合酶链式反应装置可包括透光性材质的聚合酶链式反应芯片900、配置于聚合酶链式反应热块100的第一加热器110与第二加热器120之间的光源150以及用于检测从光源150释放的光信号的光检测部600。具体地，包含靶样品溶液的聚合酶链式反应溶液在反应腔室910内以在第一加热器110的上侧对应部分及第二加热器120的上侧对应部分进行往复滑动的方式反复执行聚合酶链式反应变性步骤及退火/延伸步骤，这种情况下，靶样品溶液在第一加热器110与第二加热器120之间以及包括第一加热器110和第二加热器120的加热器单元之间通过光源150的上侧对应部分。当收容有靶样品溶液的反应腔室910在光源150的上侧对应部分进行移动时，通过控制反复滑动驱动机构990来使聚合酶链式反应芯片900的移动速度变慢或暂时维持停止状态之后，从光源150释放光，并使释放的光通过聚合酶链式反应芯片900，具体地，反应腔室910，且可由上述光检测部600测定及分析因反应腔室910内的核酸扩增而产生的光信号。因此，在聚合酶链式反应的各个循环周期进行的期间，可实时监控反应腔室910内(结合有荧光物质的)的由核酸的扩增引起的反应结果，从而实时测定及分析靶核酸的量。另一方面，图16b表示包括具有滤色器601的光检测部600的本发明一实施例的聚合酶链式反应装置，图16c表示包括具有滤色器601的光检测部600及具有按颜色分类的光源151的光源150的本发明一实施例的聚合酶链式反应装置。并且，图16d表示光检测部600与聚合酶链式反应芯片900一同移动的本发明一实施例的聚合酶链式反应装置。
根据图16e，本发明一实施例的聚合酶链式反应装置可包括：半透射性(上层由透射性材质实现，下层由非透射性材质实现)材质的聚合酶链式反应芯片900；光检测部600，与聚合酶链式反应芯片900的移动途径相对应地进行移动，用于检测光源150、从光源150释放的光信号；以及光学模块610，用于收容向聚合酶链式反应芯片900的反应腔室910传递从光源150释放的光，并向光检测部600传递从反应腔室910释放的光的二向色镜630。另一方面，图16f表示包括具有安装有多个滤色器的光检测部600的光学模块610的本发明一实施例的聚合酶链式反应装置。
根据图16g，本发明一实施例的聚合酶链式反应装置可包括：透光性材质的聚合酶链式反应芯片900；透光性材质的聚合酶链式反应热块100，包括第一加热器110和第二加热器120；光检测模块620-1，固定配置于聚合酶链式反应芯片900的上部；以及光源模块1500-1，固定配置于聚合酶链式反应热块100的下部。这种情况下，光检测模块620-1可在与聚合酶链式反应芯片900的反应腔室910相对应的区域包括光检测部，光检测部可具有滤色器621。另一方面，图16h表示设置有包括具有滤色器621的光检测部的光检测模块620-1及包括具有按颜色分类的光源1501的光源的光源模块1500-1的本发明一实施例的聚合酶链式反应装置。
图17示出与本发明一实施例的聚合酶链式反应装置相连接的芯片等待部1000。
根据图17，聚合酶链式反应装置还可具有芯片等待部1000，上述芯片等待部1000以可驱动的方式进行连接，以便于在第一聚合酶链式反应芯片900(芯片号1)与聚合酶链式反应热块100依次进行热接触之后，使第二聚合酶链式反应芯片900(芯片号2)开始与聚合酶链式反应热块100进行热接触，上述芯片等待部1000用于收容多个聚合酶链式反应芯片900(芯片号1、2、3、4、5)。芯片等待部1000可具有多个聚合酶链式反应芯片900(芯片号1、2、3、4、5)。收容于芯片等待部1000的聚合酶链式反应芯片可包含多种样品，根据其收容空间的大小，可以为大于收容于图17的数(5个)的数。例如，若聚合酶链式反应热块100与第一聚合酶链式反应芯片900(芯片号1)依次进行热接触，且开始第一次聚合酶链式反应，则第一聚合酶链式反应芯片900(芯片号1)通过封装件995的芯片排出口995b向外部移动，开放封装件995的芯片投入口995a，且收容于芯片等待部1000的第二聚合酶链式反应芯片900(芯片号2)利用额外的驱动机构(未图示)来向聚合酶链式反应热块100上移动，从而与聚合酶链式反应热块100依次进行热接触，并开始第二次聚合酶链式反应。这种情况下，在第二聚合酶链式反应芯片900(芯片号2)通过芯片投入口995a之前，安装于封装件995的额外的传感器识别第二聚合酶链式反应芯片900(芯片号2)，并重新设定(setting)封装件995内条件，例如，聚合酶链式反应热块100的温度条件、聚合酶链式反应测定装置的反应条件。如上所述的一系列的过程可反复至收容于芯片等待部1000的多个聚合酶链式反应芯片的聚合酶链式反应结束为止。通过具有如上所述的芯片等待部1000，本发明一实施例的聚合酶链式反应装置可同时、依次且迅速执行对于多种样品和试样的聚合酶链式反应。
图18为表示本发明一实施例的聚合酶链式反应装置的聚合酶链式反应试验结果的电泳照片。
根据图18，可以确认使用本发明一实施例的聚合酶链式反应装置来执行聚合酶链式反应的结果，电泳照片中显示的“M”是指尺寸标注(size marker)，数字分别是指执行了聚合酶链式反应的试样号。通过本实验可以确认可在非常短的时间，约15分钟内使很多数的试样同时执行聚合酶链式反应。因此，若使用本发明一实施例的聚合酶链式反应装置，则与使用现有的单一加热器方式的多个孔类型聚合酶链式反应反应容器的情况或使用多个加热器方式的单一流路类型聚合酶链式反应反应容器的情况相比，可相当减小聚合酶链式反应芯片的大小，可减少使用的试样的量，可大大缩短聚合酶链式反应时间，可使很多试样同时执行聚合酶链式反应，从而可有效改善现有的聚合酶链式反应装置的问题。

Claims (8)

1.一种聚合酶链式反应装置，其特征在于，包括：
聚合酶链式反应热块，具有2个以上的加热器组合，每个加热器组合包括第一加热器和第二加热器，并且每个加热器组合在基板上部面反复隔开；
板形状的聚合酶链式反应芯片，具有2个以上的反应腔室，当与上述聚合酶链式反应热块相接触时，上述2个以上的反应腔室与配置于上述聚合酶链式反应热块的2个以上的各加热器相接地反复实现；以及
反复滑动驱动机构，在安装上述聚合酶链式反应芯片的状态下，维持上述聚合酶链式反应芯片与上述聚合酶链式反应热块之间的接触，沿着正向及反向实现反复滑动，当在每个加热器组合的所述第一加热器与所述第二加热器之间进行上述反复滑动时，在配置于上述聚合酶链式反应芯片的反应腔室与配置于上述聚合酶链式反应热块的加热器组合之间反复地发生热接触，
上述聚合酶链式反应芯片的反应腔室向上述聚合酶链式反应芯片的滑动方向以及相对于上述聚合酶链式反应芯片的滑动方向的垂直方向隔开配置有2个以上，或者
2个以上的反应腔室以向相对于上述聚合酶链式反应芯片的滑动方向的垂直方向连续通过的通道形态实现。
2.根据权利要求1所述的聚合酶链式反应装置，其特征在于，上述2个以上的加热器中的相邻加热器由不同的温度实现。
3.根据权利要求1所述的聚合酶链式反应装置，其特征在于，在上述2个以上的加热器中，上述聚合酶链式反应热块的一个末端的加热器中的第一加热器由聚合酶链式反应变性步骤温度实现，第二加热器由退火及延伸或扩增步骤温度实现。
4.根据权利要求1所述的聚合酶链式反应装置，其特征在于，上述聚合酶链式反应芯片的反应腔室以流入部/流出部合并型孔形态或流入部/流出部单独型流路形态实现。
5.根据权利要求1所述的聚合酶链式反应装置，其特征在于，还包括：
光源，配置成向上述聚合酶链式反应芯片的反应腔室提供光；以及
光检测部，配置成收容从上述聚合酶链式反应部释放的光。
6.根据权利要求5所述的聚合酶链式反应装置，其特征在于，上述光源或光检测部反复配置于上述聚合酶链式反应热块的相邻加热器之间的空间。
7.根据权利要求5所述的聚合酶链式反应装置，其特征在于，上述光源或光检测部与上述聚合酶链式反应芯片的移动途径相对应地进行移动。
8.根据权利要求1所述的聚合酶链式反应装置，其特征在于，还具有芯片等待部，上述芯片等待部能够驱动地进行连接，以便于在第一聚合酶链式反应芯片与上述聚合酶链式反应热块进行热接触之后，使第二聚合酶链式反应芯片开始与上述聚合酶链式反应热块进行热接触，上述芯片等待部用于收容多个聚合酶链式反应芯片。
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