JP2018500035A - 繰り返し摺動駆動手段を備えるポリメラーゼ連鎖反応（ｐｃｒ）装置及びこれを用いるポリメラーゼ連鎖反応（ｐｃｒ）方法 - Google Patents

繰り返し摺動駆動手段を備えるポリメラーゼ連鎖反応（ｐｃｒ）装置及びこれを用いるポリメラーゼ連鎖反応（ｐｃｒ）方法 Download PDF

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Abstract

繰り返し摺動駆動手段を備えるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置及びこれを用いるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）方法に関し、これによれば、２以上のヒーターが繰り返し配置された熱ブロック及び２以上の反応チャンバーが繰り返し配置されたポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ間の繰り返し的な熱接触により多数の試料に対して同時に、迅速且つ正確にポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を行うことにより、試料の処理量を増加させることができる。また、個別のヒーターから発生する放射状の熱分布及びこれによる隣り合うヒーター間の不均一な熱重なりを防いでポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）の歩留まり率をかなり改善することができ、別途の温度調節手段が求められないことから、装置の小型化及び集積化にかなり寄与することができ、更に、ヒーターユニットが繰り返し配置された熱ブロック及び板状のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）反応部を用いて多数の核酸サンプルを同時に且つ速やかに増幅させることができ、連続的な光学信号又は電気化学的な信号を測定することにより核酸の増幅過程をリアルタイムで確認することができる。【選択図】図１５ａ

Description

本発明は、ヒーターが連続的に繰り返し配置されたポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック及び反応チャンバーが繰り返し配置されたポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップを備えるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置、及びこれを用いるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）方法に関する。
本発明は、保健福祉部の韓国保健産業振興院の保健医療研究開発事業の支援を受けて行った研究から導き出されたものである［課題固有番号：ＨＩ１３Ｃ２２６２、研究課題名：「マラリア現場検査用遺伝子の超高速診断のためのラボオンチップに基づく多チャンネル同時多重検出全過程自動化リアルタイムポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）システムの開発」］。
ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ：Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ、以下、同じ。）は、鋳型核酸の特定の部位を繰り返し的に加熱及び冷却して前記特定の部位を連鎖的に複製してその特定の部位を有する核酸をねずみ算式に増幅させる技術であり、生命科学、遺伝工学及び医療分野などにおいて分析及び診断の目的で広く用いられている。最近、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を効率よく行うための種々の装置が開発されているのが現状である。
既存のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置の一例は、一つの加熱器に鋳型核酸を含むサンプル溶液を多数取り込んだチューブ状の反応容器を取り付け、前記反応容器を繰り返し的に加熱及び冷却してポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を行うように実現される（図１及び図２参照）。しかしながら、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置は、一つの加熱器を備えるため全体的な構造が複雑ではなく、複数の試料を取り込むことができて試料の集積度を増加させることができるというメリットはあるものの、正確な温度の制御のために複雑な回路を備えることを余儀なくされ、チューブ状反応容器が大きいが故に多数の試料を必要とし、一つの加熱器に対する加熱又は冷却の繰り返しにより全体のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）時間が長引いてしまうという問題がある。
また、既存のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置の他の例は、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）温度を有する複数の加熱器を取り付け、これらのそれぞれの加熱器を通過するように１本の流路を介して核酸を含むサンプル溶液を流してポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を行うように実現される（図３参照）。ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）温度に設定された複数の加熱器を用いることから、加熱器に対する繰り返し的な加熱及び冷却を行う必要がなく、その結果、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）時間が高速であるというメリットがある。しかしながら、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置は、複数の加熱器を用いることから、比較的に単純な回路が実現可能であるが、高温及び低温の加熱器を通過するための長い流路を必要とするが故に全体的な構造が複雑であり、複数の試料を適用し難く、前記加熱器を通過する流路に流れる核酸を含むサンプル溶液の流速を制御するための別途の制御装置が求められるが故に試料及び装置の集積度を増加させ難いという問題がある。
近年、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置は、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）の歩留まり率を改善し、且つ、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）過程をリアルタイムで把握するための効率的な方法が開発されているだけではなく、集積度を増加させて一回のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）工程において多数の試料を処理し、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）時間を短縮させることにより試料の処理量を増加させるように開発されている。この場合、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）時間を大幅に短縮させるように繰り返し的な加熱及び冷却が求められない並設の加熱器の設定温度を正確に制御又は実現する技術、設定された温度の加熱器を用いて多数の試料に対して同時にポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）が行われるように搬送するための技術及びこれに関するポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置の実現が依然として求められているのが現状である。
上述した問題を解消するために、本発明の一実施形態は、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）時間、歩留まり率及び試料の処理量を改善し、機器の小型化及び携行化を図るとともに、リアルタイムで測定及び分析が行えるように実現されたポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置を提案することである。
本発明の一実施形態は、基板の上部面に２以上のヒーターが繰り返し的に隔設されたポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックと、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックに接触されたときに前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックに配置された２以上の各ヒーターに当接するように繰り返し実現された２以上の反応チャンバーを有する板状のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップと、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップが取り付けられた状態で前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップと前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックとの間の接触を維持しながら正方向及び逆方向への繰り返し摺動を実現するものであって、前記繰り返し摺動に際して、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップに配置された反応チャンバーと、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックに配置されたヒーターとの間に繰り返し的な熱接触が起こるように実現される繰り返し摺動駆動手段と、を備えるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置を提供する。
本発明の一実施形態において、前記２以上のヒーターのうち隣り合うヒーターは、異なる温度に実現されてもよい。
前記２以上のヒーターは、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックの一方の末端のヒーターのうち第１のヒーターはポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）変性ステップ温度に実現され、第２のヒーターはアニーリング及び延長（或いは、増幅）ステップ温度に実現されてもよい。
前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップの反応チャンバーは、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップの摺動方向に２以上隔設されるか、或いは、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップの摺動方向と垂直方向に２以上隔設されるか、或いは、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップの摺動方向と垂直方向に連続的に通過するチャンネル状に形成されてもよい。
前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップの反応チャンバーは、流入部／流出部統合型ウェル状又は流入部／流出部別個型流路状に実現されてもよい。
前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置は、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップの反応チャンバーに光を提供するように配置された光源、及び前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）反応部から発せられる光を収容するように配置された光検出部を更に備えていてもよい。
前記光源又は光検出部は、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックの隣り合うヒーター間の空間に繰り返し配置されてもよく、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップの移動経路に対応して移動してもよい。
前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置は、第１のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップが前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックとの熱接触が行われた後に第２のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップが前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックとの熱接触を開始するように駆動可能なように接続される、複数のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップを収容するチップ待ち部を更に備えていてもよい。
本発明の実施形態によれば、２以上のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）温度を有するヒーターが配置された熱ブロック及び２以上の反応チャンバーが配置されたポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ間の繰り返し的な熱接触により迅速且つ正確なポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を行うことができ、多数の試料に対して同時にポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を行うことにより試料の処理量を増加させることができる。また、個別のヒーターから発生する放射状の熱分布及びこれによる隣り合うヒーター間の不均一な熱重なりを防いでポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）の歩留まり率を格段に改善することができ、別途の温度調節手段が求められないことから、装置の小型化及び集積化に大きく寄与することができる。更に、ヒーターユニットが繰り返し配置された熱ブロック及び板状のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）反応部を用いて多数の核酸サンプルを同時且つ迅速に増幅させることができ、連続的な光学信号又は電気化学的な信号を測定することにより核酸の増幅過程をリアルタイムで確認することができる。
既存の単一の加熱器方式のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックと、ここに取り付けられたチューブ状のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）用の反応容器の平面図及び側方向断面図 既存の単一の加熱器方式のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックと、ここに取り付けられたチューブ状のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）用の反応容器の平面図及び側方向断面図 既存の多数のヒーター方式のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックと、ここに取り付けられた流路状のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）用の反応容器の平面図 本発明の一実施形態による基板９９の上部面に２以上のヒーター１１１、１２１が繰り返し的に隔設されたポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００を示す説明図 本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００のヒーターの配置構造を示す説明図 本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００及びその内部に配置された２以上の反応チャンバー９１０の配置構造を示す説明図 本発明の一実施形態による様々な類型のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００を示す説明図 本発明の一実施形態による様々な類型のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００を示す説明図 本発明の一実施形態による様々な類型のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００を示す説明図 本発明の一実施形態による様々な類型のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００及びこれとポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックとが接触した状態を示す説明図 本発明の一実施形態による様々な類型のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００及びこれとポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックとが接触した状態を示す説明図 本発明の一実施形態による様々な類型のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００及びこれとポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックとが接触した状態を示す説明図 既存のチューブ状及び流路状のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）用の反応容器及び本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップの比較説明図 既存のチューブ状及び流路状のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）用の反応容器及び本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップの比較説明図 本発明の一実施形態による繰り返し摺動駆動手段及びこれを用いたポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）の原理を示す説明図 本発明の一実施形態による繰り返し摺動駆動手段及びこれを用いたポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）の原理を示す説明図 本発明の一実施形態による様々なポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置により実現されるリアルタイムのポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を示す説明図 本発明の一実施形態による様々なポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置により実現されるリアルタイムのポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を示す説明図 本発明の一実施形態による様々なポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置により実現されるリアルタイムのポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を示す説明図 本発明の一実施形態による様々なポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置により実現されるリアルタイムのポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を示す説明図 本発明の一実施形態による様々なポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置により実現されるリアルタイムのポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を示す説明図 本発明の一実施形態による様々なポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置により実現されるリアルタイムのポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を示す説明図 本発明の一実施形態による様々なポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置により実現されるリアルタイムのポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を示す説明図 本発明の一実施形態による様々なポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置により実現されるリアルタイムのポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を示す説明図 本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置と連携されたチップ待ち部を示す説明図 本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）試験結果を示す電気泳動写真
以下、添付図面に基づいて本発明による実施形態について詳細に説明する。以下の説明は、本発明による実施形態を理解し易くするためのものに過ぎず、保護範囲を制限するためのものではない。
本発明の一実施形態において、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ：Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ）は、特定の塩基配列を有する核酸を増幅させる反応の一種を意味する。例えば、特定の塩基配列を有するデオキシリボ核酸（ＤＮＡ：ｄｅｏｘｙｒｉｂｏｎｕｃｌｅｉｃ ａｃｉｄ）を増幅させるために、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置は、鋳型核酸である二本鎖のＤＮＡを含むポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）試料及び試薬を含む溶液を特定の温度、例えば、約９５℃に加熱して前記二本鎖のＤＮＡを一本鎖のＤＮＡに分離する変性ステップ、増幅させようとする塩基配列と相補的な配列を有するオリゴヌクレオチドプライマーを提供し、前記分離された一本鎖のＤＮＡとともに特定の温度、例えば、５５℃に冷却させて前記一本鎖のＤＮＡの特定の塩基配列に前記プライマーを結合させて部分的なＤＮＡ−プライマー複合体を形成するアニーリングステップ、及び前記アニーリングステップ後に前記溶液を適正な温度、例えば、７２℃に保ってＤＮＡ重合酵素により前記部分的なＤＮＡ−プライマー複合体のプライマーに基づいて二本鎖のＤＮＡを形成する延長（若しくは、増幅）ステップを行い、前記３ステップを、例えば、２０回〜４０回路繰り返し行うことにより、前記特定の塩基配列を有するＤＮＡをねずみ算式に増幅させることができる。場合によって、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置は、前記アニーリングステップ及び前記延長（若しくは、増幅）ステップを同時に行ってもよく、この場合、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置は、前記変性ステップと、アニーリング及び延長（若しくは、増幅）ステップとを有する２ステップを行うことにより、第１の循環を完成することができる。このため、本発明の実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック及びこれを備えるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置は、前記ステップを行うためのモジュールを備える装置をいい、この明細書に記載されていない細部モジュールは、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を行うための従来の技術のうち、開示されているか、或いは、自明な範囲内においていずれも備えているものを前提とする。
図４は、基板９９の上部の表面に２以上のヒーター１１１、１２１が繰り返し的に隔設されたポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００を示す図である。
図４によれば、本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００は、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）溶液に熱を供給する２以上のヒーター１１１、１２１がその上部の表面に繰り返し配置される。前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００は、特定の温度を保つモジュールであって、少なくとも片面にポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）反応領域との接触面が配設されて熱接触を介してポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）溶液（ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を行うための試料及び試薬）に熱を供給してポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を行う。前記基板９９は、その表面に配置されたヒーター１１１、１２１の加熱によりその物理的又は化学的な性質が変化せず、２以上のヒーターの間において熱交換が起こることを防ぐ材質により実現される。例えば、前記基板９９は、プラスチック、ガラス、シリコンなどの材質により実現されるが、必要に応じて、透明又は半透明に実現されてもよい。前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００は、装置の小型化及び集積化のために全体的に薄い板状、例えば、約５０ｎｍ〜１ｍｍの厚さ、好ましくは、約２５０μｍに実現されるが、これに制限されない。
前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００の上部の表面には、２以上のヒーターが繰り返し的に隔設されるが、例えば、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００の２以上のヒーターは、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックの一方の末端のヒーターにおいてポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）の第１の循環が開始され、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックの他方の末端のヒーターにおいてポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）の最後の循環が終了するように実現されてもよい。また、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００は、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）用の反応領域に効率的に熱を供給するための形状、例えば、体積当たりの表面積の割合を増加させる平面状、流路状又は柱状など様々な形状に実現されてもよい。
前記ヒーター１１１、１２１は、前記基板９９に配置される伝導性発熱素子であり、ジュール熱を用いるヒーター、ペルチエ効果を奏するサーモ素子により実現されてもよい。一方、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００の２以上のヒーターのうち隣り合うヒーターは、異なる温度に実現され、隣り合うヒーター間の温度パターンは、所定の数のヒーターの組み合わせで繰り返されてもよい。例えば、第１のヒーターは、９５℃、第２のヒーターは、５５℃、第３のヒーターは、７２℃に実現されるが、このような温度パターンが１０回、２０回、３０回又は４０回などと繰り返し実現され、第１のヒーターは９５℃、第２のヒーターは７２℃に実現されるが、このような温度パターンが１０回、２０回、３０回又は４０回などと繰り返し実現されてもよい。このため、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００の２以上のヒーターは、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックの一方の末端のヒーター（９５℃）においてポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）の第１の循環が開始されて、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックの他方の末端のヒーター（７２℃）においてポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）の最後の循環が終了するように実現されてもよい。
前記ヒーター１１１、１２１は、所定の温度を保つために、電源モジュール及び制御モジュールと接続され、前記ヒーター１１１、１２１の温度をモニターリングするためのセンサーと接続される。前記ヒーター１１１、１２１は、その内部温度を一定に保つために、単位電極、すなわち、ヒーター電極が前記ヒーター１１１、１２１の表面中心点を基準として上下及び／又は左右方向に対称状に配置されてもよい。また、前記ヒーター１１１、１２１は、迅速な熱伝達性及び伝導性を実現するための金属材質、例えば、クロム、アルミニウム、銅、鉄、銀及び炭素よりなる群から選ばれるいずれか一種又はこれに基づく複合材料により製造されるが、これに制限されない。なお、前記ヒーター１１１、１２１は、透光性発熱素子、例えば、酸化物半導体物質又は前記酸化物半導体物質にＩｎ、Ｓｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｃ及びＳｎよりなる群から選ばれる不純物が添加された物質を含む導電性ナノ粒子、インジウム錫酸化物、伝導性高分子物質、炭素ナノチューブ及びグラフェンが含まれている群から選ばれるいずれか一種以上の物質を含んでいてもよい。
前記ヒーター１１１、１２１が前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００の上部の表面に２回配置されてポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を行うための２ステップ、すなわち、変性ステップ及びアニーリング／延長ステップを行う場合、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を行うための３ステップ、すなわち、変性ステップ、アニーリングステップ及び延長ステップを行う場合よりもポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）時間を短縮することができ、ヒーターの数が減ることにより、構造の単純化を図ることができ、集積度を増加させることができるというメリットがある。一方、この場合、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を行うための３ステップにおいて、変性ステップを行うための温度は、８５℃〜１０５℃、好ましくは、９５℃であり、アニーリングステップを行うための温度は、４０℃〜６０℃、好ましくは、５０℃であり、延長ステップを行うための温度は、５０℃〜８０℃、好ましくは、７２℃であり、ひいては、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を行うための２ステップにおいて、変性ステップを行うための温度は、８５℃〜１０５℃、好ましくは、９５℃であり、アニーリング／延長ステップを行うための温度は、５０℃〜８０℃、好ましくは、７２℃である。但し、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を行うための特定の温度及び温度範囲は、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を行うに当たって公知の範囲内において調節可能であるということはいうまでもない。
上述したように、所定の温度を保つ２以上のヒーター１１１、１２１がポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００の上部の表面に繰り返し的に隔設されることにより、時間当たりの温度の変化率を増加させることができる。例えば、既存の単一ヒーター方式によれば、時間当たりの温度の変化率が１秒当たりに３℃〜７℃の範囲内において行われるのに対し、本発明の実施形態による繰り返し配置ヒーターの構造によれば、前記ヒーター間の時間当たりの温度の変化率が１秒当たりに２０℃〜４０℃の範囲内において行われるので、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）時間を大幅に短縮させることができる。本発明の実施形態による繰り返し配置ヒーターの構造によれば、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）の変性ステップ、アニーリングステップ及び延長ステップ（又は、前記変性ステップ及びアニーリング／変性ステップ）において正確な温度の制御が可能になり、且つ、前記ヒーターから熱が供給される部位においてのみ所望の温度又は温度範囲を保つことが可能になる。また、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００の上に様々な数のヒーターを繰り返し配置することにより、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）の循環周期を種々に実現することができる。例えば、循環周期を１０回とするポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）に適用しようとする場合、前記ヒーターを２０個又は３０個繰り返し配置することができる。すなわち、意図されたポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）の循環周期を考慮して、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００の上に前記ヒーターを１０回、２０回、３０回、４０回、５０回などと繰り返し配置することができる。
図５は、本発明の実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００及び前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００に繰り返し配置されたヒーターに電力を供給するように実現された電力供給部２００を示す図である。具体的に、図５の上段は、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００の垂直断面図であり、図５の下段は、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００の平面図である。図５のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００は、２０個のヒーターが繰り返し配置される。前記電力供給部２００は、電力供給源から前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００に電力を供給して加熱するモジュールであり、前記各ヒーター１１０、１２０に電力を分配するように実現された配線２１０、２２０を備える。例えば、図５によれば、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００の第１の配線２１０は、第１のヒーター１１０に電力を供給するように接続され、第２の配線２２０は、第２のヒーター１２０に電力を供給するように接続されている。もし、前記第１のヒーター１１０がポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）変性ステップ温度、例えば、８５℃〜１０５℃を保ち、前記第２のヒーター１２０がポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）アニーリング／延長ステップ温度、例えば、５０℃〜８０℃を保つ場合、前記第１の配線２１０には、前記電力供給部２００からポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）変性ステップの温度を保つための電力が供給され、前記第２の配線２２０には、前記電力供給部２００からポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）アニーリング／延長ステップの温度を保つための電力が供給されてもよい。前記第１の配線２１０及び前記第２の配線２２０は、金、銀、銅など伝導性材質により実現されるが、これに制限されない。前記電力供給源は、前記電力供給部２００に電力を供給するためのモジュールであり、前記電力供給部２００の第１の配線２１０及び第２の配線２２０とそれぞれ接続されてもよい。例えば、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を行うとき、前記電力供給源の第１の電力ポートは、前記第１の配線２１０と電気的に接続され、前記電力供給源の第２の電力ポートは、前記第２の配線２２０と電気的に接続される。次いで、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を行うためのユーザーの指示がある場合、前記電力供給源は前記第１の配線２１０及び前記第２の配線２２０にそれぞれ電力を供給して前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックの第１のヒーター及び第２のヒーターを速やかに加熱し、各ヒーターが所定の温度に達すると、電力供給量を制御して前記所定の温度を保つ。
図６は、本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００及びその内部に配置された２以上の反応チャンバー９１０の配置構造を示す図であり、図７から図９は、本発明の一実施形態による様々な類型のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００を示す図である。
図６によれば、本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００は、板状に実現され、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００の上部の表面、具体的に、ヒーター１１０、１２０と接触するが、接触に際して前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００に配置された２以上のヒーター１１０、１２０に当接するように繰り返し実現された２以上の反応チャンバー９１０、９２０を備える。これを前提として、図７から図９は、本発明の一実施形態による様々な類型のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００を示す。
前記反応チャンバーは、特定の塩基配列を有するＤＮＡを増幅させるために、鋳型核酸である二本鎖のＤＮＡを含むポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）試料及び試薬を含む溶液を収容する空間である。本発明の一実施形態において、前記反応チャンバーは、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を行うために、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００との熱接触に際して、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００に設けられたヒーター領域に配置されるように実現されることを特徴とする。前記反応チャンバーの数には特に制限はないが、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００のヒーターの数よりも１以上多いことが好ましい。一方、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップは、全体的に板状に実現されることにより、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００との熱接触に際して前記反応チャンバーのそれぞれに均一に熱を伝えることができる。
図７によれば、前記反応チャンバー９１０は、板状のチップに２以上繰り返し配置される。また、前記反応チャンバー９１０は、前記チップの長手方向に又は長手方向に比べて垂直方向に２以上配置されてもよい。この場合、各反応チャンバー９１０は、同一又は異なるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）試料及び試薬を含んでいてもよいが、この場合、一つのポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００を用いて２以上又は様々な種類の試料に対するポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を行ってもよい。
図８によれば、前記反応チャンバー９１０は、板状のチップに２以上繰り返し配置されるが、前記反応チャンバー９１０は、前記チップの長手方向に比べて垂直方向に連続的に通過する流路状に実現されてもよい。この場合、各反応チャンバー９１０は、同一又は異なるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）試料及び試薬を含むが、この場合、一つのポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００において２以上又は様々な種類の試料に対するポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を行ってもよい。
一方、図７及び図８によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００の反応チャンバー９１０は、流入部／流出部の区別なしに一つに実現された流入部／流出部統合型ウェル状に実現されたのに対し、図９によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００の反応チャンバー９１０は、単位領域に流入部９３１及び流出部９３２が分離されて実現され、流入部９３１及び流出部９３２が一つの流路９２１によりつながる流入部／流出部別個型流路状に実現されてもよい。既存の多重ウェルプレート状のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップは、試料の量が大きいため、体積当たりの表面積の割合が低いが故にポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）時間が長引いたが、本発明の一実施形態による流入部／流出部別個型流路状のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップは、体積当たりの表面積の割合が高いことから、ＰＣＲ時間を大幅に短縮させることができる。前記反応チャンバー内の流路の高さは、０．０１μｍ〜５ｍｍから選ばれるが、体積当たりの表面積の割合が高くなるように流路が高さが低いことが好ましい。
一方、本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００は、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００に接触される第１の板、前記第１の板の上に配置され、前記２以上の反応チャンバーを有する第２の板、及び前記第２の板の上に配置され、前記２以上の反応チャンバーの流入部又は流出部を有する第３の板を備えていてもよい。このように、本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００が板状の積層構造に実現されることにより、製造工程が単純化し、コストが大幅に節減され、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００との熱交換面積が広くなるというメリットがある。本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００は、様々な材質により実現されるが、プラスチック材質の薄膜状に実現されることが好ましい。また、本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００は、透光性材質により実現されてもよく、もし、蛍光、リン光、発光、ラマン分光法、表面強化ラマン散乱及び表面プラスモン共鳴などの光学測定基盤のリアルタイムのポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）用途に用いられる場合、透光性材質により実現されることが好ましい。
前記第１の板は、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００と接着又は接合されて前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００から熱が供給される部分である。前記第１の板は様々な材質により実現されるが、好ましくは、ポリジメチルシロキサン（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ；ＰＤＭＳ）、環状オレフィン共重合体（ｃｙｃｌｏ ｏｌｅｆｉｎ ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ；ＣＯＣ）、ポリメチルメタクリレート（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｒｃｙｌａｔｅ：ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ；ＰＣ）、ポリプロピレンカーボネート（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｃａｒｂｏｎａｔｅ；ＰＰＣ）、ポリエーテルスルホン（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒ ｓｕｌｆｏｎｅ；ＰＥＳ）及びポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ；ＰＥＴ）及びその組合物よりなる群から選ばれる材質であってもよい。また、前記第１の板の上端面には親水性物質（図示せず）が処理され、これは、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を円滑に行うようにする。前記親水性物質の処理により、前記第１の板の上に親水性物質を含む単一層が形成されてもよい。前記親水性物質は様々な物質であるが、好ましくは、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、アミン基（−ＮＨ２）、ヒドロキシ基（−ＯＨ）及びスルホン基（−ＳＨ）よりなる群から選ばれるものであり、前記親水性物質の処理は、当業界における公知の方法に従い行ってもよい。
前記第２の板は、前記第１の板の上に配置される。前記第２の板は、２以上の反応チャンバーを備える。前記２以上の反応チャンバーに増幅させようとする標的サンプル溶液が取り込まれた後にポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）反応が行われる。また、前記第２の板は様々な材質により実現されるが、好ましくは、ポリメチルメタクリレート（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ；ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ；ＰＣ）、環状オレフィン共重合体（ｃｙｃｌｏ ｏｌｅｆｉｎ ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ；ＣＯＣ）、ポリアミド（ｐｏｌｙａｍｉｄｅ；ＰＡ）、ポリエチレン（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ；ＰＥ）、ポリプロピレン（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ；ＰＰ）、ポリフェニレンエーテル（ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅｅｔｈｅｒ；ＰＰＥ）、ポリスチレン（ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ；ＰＳ）、ポリオキシメチレン（ｐｏｌｙｏｘｙｍｅｔｈｙｌｅｎｅ；ＰＯＭ）、ポリエーテルエーテルケトン（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ；ＰＥＥＫ）、ポリテトラフルオロエチレン（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ；ＰＴＦＥ）、ポリ塩化ビニル （ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ｃｈｌｏｒｉｄｅ；ＰＶＣ）、ポリフッ化ビニリデン（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ；ＰＶＤＦ）、ポリブチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｂｕｔｙｌｅｎｅｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ；ＰＢＴ）、フッ素化エチレンプロピレン（ｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ ｅｔｈｙｌｅｎｅｐｒｏｐｙｌｅｎｅ；ＦＥＰ）、ペルフルオロアルコキシアルカン（ｐｅｒｆｌｕｏｒａｌｋｏｘｙａｌｋａｎｅ；ＰＦＡ）及びその組合物よりなる群から選ばれる熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂材質であってもよい。また、前記第２の板の厚さは様々であるが、０．０１μｍ〜５ｍｍから選ばれてもよい。更にまた、前記反応チャンバーの幅及び長さは様々であるが、好ましくは、前記反応チャンバーの幅は０．００１ｍｍ〜１０ｍｍから選ばれ、前記長さは１ｍｍ〜４００ｍｍから選ばれてもよい。更にまた、前記第２の板の内壁は、ＤＮＡ、タンパク質の吸着を防ぐために、シラン系、ウシ血清アルブミン（Ｂｏｖｉｎｅ Ｓｅｒｕｍ Ａｌｂｕｍｉｎ；ＢＳＡ）などの物質でコーティングしてもよく、前記物質の処理は、当業界における公知の方法に従い行われてもよい。
前記第３の板は、前記第２の板の上に配置される。前記第３の板は、前記第２の板に形成された２以上の反応チャンバー領域に形成された流入部又は流出部を備える。前記流入部は、増幅させようとする核酸を含む標的サンプル溶液が流入する部分であり、前記流出部は、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）が終わった後に前記標的サンプル溶液が排出される部分である。上述したように、前記流入部及び流出部は、統合型又は分離型に実現され、前記流入部及び流出部の内部の表面は、前記第２の板の２以上の反応チャンバーの内部の表面に連設される。一方、前記第３の板は、様々な材質により実現されるが、好ましくは、ポリジメチルシロキサン（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ；ＰＤＭＳ）、環状オレフィン共重合体（ｃｙｃｌｏ ｏｌｅｆｉｎ ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ；ＣＯＣ）、ポリメチルメタクリレート（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｒｃｙｌａｔｅ；ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ；ＰＣ）、ポリプロピレンカーボネート（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｃａｒｂｏｎａｔｅ；ＰＰＣ）、ポリエーテルスルホン（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｓｕｌｆｏｎｅ；ＰＥＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ；ＰＥＴ）及びその組合物よりなる群から選ばれる材質であってもよい。また、前記流入部は、様々な大きさを有するが、好ましくは、直径０．００１ｍｍ〜１０ｍｍから選ばれてもよい。更に、前記流出部は、様々な大きさを有するが、好ましくは、直径０．００１ｍｍ〜１０ｍｍから選ばれてもよい。更にまた、前記流入部及び流出部は、別途のカバー手段を備えて標的サンプル溶液に対するポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）が行われるとき、前記２以上の反応チャンバー内の標的サンプル溶液が漏れることを防ぐ。前記カバー手段は、様々な形状、大きさに様々な材質により実現されてもよい。なお、前記第３の板の厚さは様々であるが、好ましくは、０．００１ｍｍ〜１０ｍｍから選ばれてもよい。
本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００は、機械的な加工を用いて前記流入部又は流出部を形成して前記第３の板を提供するステップと、前記第３の板の下部面と対応する大きさを有する板材における前記第３の板の流入部又は流出部と対応する部分に機械的な加工を用いて２以上の反応チャンバーを形成して第２の板を提供するステップと、前記第２の板の下部面と対応する大きさを有する板材の上部面に表面処理加工を用いて親水性物質により表面を形成して第１の板を提供するステップと、前記第３の板の下部面を前記第２の板の上部面に接合工程を用いて接合し、前記第２の板の下部面を前記第１の板の上部面に接合工程を用いて接合するステップと、を含む方法により容易に製造されてもよい。
前記第３の板の流入部又は流出部、及び前記第２の板の２以上の反応チャンバーは、射出成形、ホットエンボシング、鋳造及びレーザ爆蝕よりなる群から選ばれる加工方法により形成されてもよい。また、前記第１の板表面の親水性物質は、酸素及びアルゴンプラズマ処理、コロナ放電処理及び界面活性剤の塗布よりなる群から選ばれる方法により処理され、当業界における公知の方法に従い行われてもよい。更に、前記第３の板の下部面と前記第２の板の上部面、及び前記第２の板の下部面と前記第１の板の上部面は、熱接合、超音波融着、溶媒接合、熱板溶接、ＵＶ接合及びプレス接合工程により貼り合わせられ、当業界における公知の方法に従い行われてもよい。前記第３の板と第２の板との間、及び前記第２の板と第１の板との間には、両面接着剤、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂が処理されてもよい。
図１０から図１２は、本発明の一実施形態による様々な類型のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００と、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックとが接触した状態を示す。
図１０によれば、本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００は、流入部／流出部統合型ウェル状の反応チャンバー９１０を備え、前記反応チャンバー９１０は、本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックのヒーター１１０、１２０の上に対応するように配置される。図１１によれば、本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００は、流入部／流出部別個型流路状の反応チャンバー９１０を備え、前記反応チャンバー９１０は、本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックのヒーター１１０、１２０の上に垂直に対応するように配置される。更に、図１２によれば、本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００は、流入部／流出部別個型流路状の反応チャンバー９１０を備えるが、前記反応チャンバー９１０は、本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックのヒーター１１０、１２０の上に水平に対応するように配置される。
上述したように、本発明の一実施形態によるタイプのポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップは、従来のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）用の反応容器に比べて、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置の実現の集積度を増加させ、しかも、効率的なポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）の遂行に寄与する。図１３によれば、本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップは、単一の加熱器を前提とする従来のチューブ方式のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）用の反応容器を使用する場合よりも多い数の様々な試料を同時にポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）させることができ、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）時間も大幅に短縮させることができ、容器の大きさも大幅に削減することができる。更に、従来の多数の加熱器を前提とする単一流路方式のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）用の反応容器を用いる場合よりも多い数の様々な試料を同時にポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）させることができ、多数の試料に対するポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）時間を短縮させることができ、流路を用いた流体制御モジュールが別途に不要になることから、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置の集積度を大幅に増加させることができる。一方、図１４によれば、本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップは、小型に実現可能である必要があるため、試料の量を最小化させることができ、加熱器、すなわち、熱ブロックと試料との間の熱接触面を増加させることができて体積当たりの表面積の割合（Ｓｕｒｆａｃｅ ｔｏ Ｖｏｌｕｍｅ Ｒａｔｉｏ）を増加させることができる（ａ＜ａ´＜ａ´´）。この場合、本発明の一実施形態よるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップのうち、体積当たりの表面積の割合は、図１０によるチップに比べて、図１１から図１２によるチップの方が更に改善された形態であることが分かる。
図１５は、本発明の一実施形態による繰り返し摺動駆動手段及びこれを用いたポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）の原理を示す。
図１５ａによれば、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００、電極部２００、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００及び繰り返し摺動駆動手段９９０を備える本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置によりポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）が行われるステップ（Ｓ１〜Ｓ２）が確認可能である。繰り返し摺動駆動手段９９０は、簡略に示したが、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００が取り付けられてポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００がポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００の上部面を熱接触状態で繰り返し（往復）摺動可能なように実現される。ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００の全ての反応チャンバー９１０は同一又は異なるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）試料及び試薬を収容し、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００に配置されたヒーター１１０、１２０は、電極部２００の電力の供給によりポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を行うための２ステップ、すなわち、第１のヒーター１１０は、変性ステップを行うための温度である９５℃を保ち、第２のヒーター１２０は、アニーリング／延長ステップを行うための温度である７２℃を保ち、次いで、１８個のヒーターが９５℃及び７２℃を繰り返し的に保っていることを前提とする。
ステップＳ１を参照すると、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００がポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００の上部面と熱接触すると、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００に配置された反応チャンバー９１０の内部において１次的なポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）が行われ、次いで、繰り返し摺動駆動手段９９０による摺動が行われる。例えば、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００の左側の末端の第１の反応チャンバー９１０がポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００の左側の末端の第１のヒーター１１０と熱接触すると、第１の反応チャンバー９１０の内部において変性ステップが行われ、次いで、繰り返し摺動駆動手段９９０による右向きの摺動により第１の反応チャンバー９１０はポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００の左側の末端の第２のヒーター１２０と熱接触する。
ステップＳ２を参照すると、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００がポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００の上部面と熱接触すると、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００に配置された反応チャンバー９１０の内部において２次的なポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）が行われ、次いで、繰り返し摺動駆動手段９９０による摺動が行われる。例えば、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００の左側の末端の第１の反応チャンバー９１０がポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００の左側の末端の第２のヒーター１２０と熱接触すると、第１の反応チャンバー９１０の内部においてアニーリング／延長ステップが行われ、次いで、繰り返し摺動駆動手段９９０による左向きの摺動により第１の反応チャンバー９１０はポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００の左側の末端の第１のヒーター１２０と再び熱接触する。本発明の一実施形態による繰り返し摺動駆動手段９９０によりポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００がポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００の上部面をステップＳ１〜Ｓ２のように繰り返し（往復）移動すると、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）の１サイクルが終わる。
図１５ｂによれば、図１５ａによるステップＳ１〜Ｓ２を繰り返し行うことにより、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）の各サイクルＣ１、Ｃ２が連続して行われることを確認することができる。したがって、本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置によれば、狭い空間において多数の核酸サンプルを同時に且つ速やかに増幅させることができ、多数の核酸サンプル及び多数のヒーター間の繰り返し接触により機器の小型化に寄与することができる。
図１６は、本発明の一実施形態による様々なポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置により実現されるリアルタイムのポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を示す。
図１６ａから図１６ｈは、本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置により実現されるリアルタイムのポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を示す。本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置は、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００の反応チャンバー９１０内において起こる核酸の増幅反応をリアルタイムで測定するための光学モジュールを備えていてもよい。前記光学モジュールは、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００の反応チャンバー９１０に光を提供するように配置された光源１５０、１５００、及びポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００から発せられる光を収容するように配置された光検出部６００、６２０を備えていてもよい。この場合、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００の反応チャンバー９１０に収容された標的サンプル溶液に別途の蛍光物質が添加され、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）産物の生成により特定の波長の光により発光することにより測定及び分析可能な光信号を誘発する。前記光学モジュールは、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ及びポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックの特性、光源及び光検出部の配置形態などに応じて透過型又は反射型に実現可能である。光源は様々であるが、水銀アークランプ、キセノンアークランプ、タングステンアークランプ、金属ハライドアークランプ、金属ハライド光繊維及び発光ダイオードよりなる群から選ばれてもよい。また、光源の波長は様々であるが、約２００ｎｍ〜１３００ｎｍの範囲内において選ばれ、多重光源又はフィルターを用いて多重波長に実現されてもよい。この場合、光源は、カラー別光源（図１６ｃ及び図１６ｈ参照）を更に備えていてもよい。更に、光検出部は様々であるが、電荷結合素子（ＣＣＤ：Ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）、電荷注入装置（ＣＩＤ：Ｃｈａｒｇｅ−ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ）、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ：Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ−ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）及び光電子増倍管（ＰＭＴ：Ｐｈｏｔｏ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ Ｔｕｂｅ）よりなる群から選ばれてもよい。この場合、光検出部は、カラー別フィルター（図１６ｂ、図１６ｃ、図１６ｆ、図１６ｇ、図１６ｈ）を更に備えていてもよい。すなわち、光源及び光検出部は、検出効率を改善するために様々なモジュールと駆動可能に接続されて配置されてもよい。例えば、前記光源は、蛍光物質を励起させる波長帯域の光のみを通過させる１以上の光学帯域フィルターを更に備えるか、或いは、駆動可能に接続され、光検出部は、蛍光物質の発光された波長帯域の光ののみを通過させる１以上の光学帯域フィルターを更に備えるか、或いは、駆動可能に接続され、この場合、光源又は光検出部は、前記１以上の光学帯域フィルターを検出しようとする蛍光物質の励起波長と発光波長を一致させる置換部を更に備えるか、或いは、駆動可能に接続されてもよい。また、光源は、１以上の蛍光物質を励起させるように１以上の波長を用いる発光ダイオード（ＬＥＤ）を更に備えるか、或いは、駆動可能に接続され、この場合、ＬＥＤ光源において１以上の蛍光物質の励起波長と発光波長を一致させる置換部を更に備えるか、或いは、駆動可能に接続されてもよい。
図１６ａによれば、本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置は、図示のように、透光性材質のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００の第１のヒーター１１０及び第２のヒーター１２０の間に配置された光源１５０、及び光源１５０から発せられた光信号を検出するための光検出部６００を備えていてもよい。具体的に、標的サンプル溶液を含むポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）溶液は、反応チャンバー９１０内において第１のヒーター１１０の上側対応部分及び第２のヒーター１２０の上側対応部分を往復摺動しながらポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）変性ステップ及びアニーリング／延長ステップを繰り返し行うが、この場合、標的サンプル溶液は、第１のヒーター１１０と第２のヒーター１２０との間、及び第１のヒーター１１０と第２のヒーター１２０を有するヒーターユニットの間において光源１５０の上側対応部分を通過する。標的サンプル溶液が収容された反応チャンバー９１０が光源１５０の上側対応部分を移動するとき、繰り返し摺動駆動手段９９０を制御してポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００の移動速度を遅らせたり、しばらくの間停止状態に保ったりした後に光源１５０から光を発し、発せられた光はポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００、具体的に、反応チャンバー９１０を通過し、反応チャンバー９１０内の核酸の増幅により発生する光信号を前記光検出部６００が測定及び分析する。一方、図１６ｂは、カラー別フィルター６０１付き光検出部６００を備える本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置を示し、図１６ｃは、カラー別フィルター６０１付き光検出部６００及びカラー別光源１５１付き光源１５０を備える本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置を示す。なお、図１６ｄは、光検出部６００がポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００とともに移動する本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置を示す。
図１６eによれば、本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置は、半透過性（上層は透過性材質、下層は非透過性材質により実現される）材質のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００の移動経路に対応して移動するが、光源１５０、光源１５０から発せられた光信号を検出するための光検出部６００、及び光源１５０から発せられた光をポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００の反応チャンバー９１０に伝えるが、反応チャンバー９１０から発せられた光を光検出部６００に伝えるダイクロイックミラー６３０を収容する光学モジュール６１０を備えていてもよい。一方、図１６ｆは、多数のカラー別フィルター付き光検出部６００を有する光学モジュール６１０を備える本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置を示す。
図１６ｇによれば、本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置は、透光性材質のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００、第１のヒーター１１０及び第２のヒーター１２０を有する透光性材質のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００の上部に固設された光検出モジュール６２０-1、及びポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００の下部に固設された光源モジュール１５００-1を備えていてもよい。この場合、光検出モジュール６２０-1は、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００の反応チャンバー９１０と対応する領域に配設された光検出部を備えていてもよく、光検出部は、カラー別フィルター６２１を備えていてもよい。一方、図１６ｈは、カラー別フィルター６２１付き光検出部を有する光検出モジュール６２０-1及びカラー別光源１５０１付き光源を有する光源モジュール１５００-1を備える本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置を示す。
図１７は、本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置と連携されたチップ待ち部１０００を示す。
図１７によれば、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置は、第１のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００（チップ番号１）がポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００と順次に熱接触された後、第２のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００（チップ番号２）がポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００と熱接触を開始するように駆動可能に接続された、複数のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００（チップ番号１、２、３、４、５）を収容するチップ待ち部１０００を更に備える。チップ待ち部１０００は、複数のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００（チップ番号１、２、３、４、５）を備えていてもよい。チップ待ち部１０００に収容されたポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップは、様々なサンプルを備えていてもよい。また、その収容空間の大きさに応じて、図１７に示す収容数（５個）よりも更に多い数であってもよい。例えば、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００と第１のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００（チップ番号１）とが順次に熱接触しながら第１のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）が開始されると、第１のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００（チップ番号１）はパッケージ９９５のチップ排出口９９５ｂを介して外部に移動し、パッケージ９９５のチップ投入口９９５ａが開放され、別途の駆動手段（図示せず）によりチップ待ち部１０００に収容されていた第２のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００（チップ番号２）がポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００の上に移動してポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００と順次に熱接触しながら第２のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）が開始される。この場合、前記第２のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００（チップ番号２）がチップ投入口９９５ａを通過する前にパッケージ９９５に取り付けられた別途のセンサーが第２のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ９００（チップ番号２）を認識し、パッケージ９９５内の条件、例えば、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック１００の温度条件、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）測定装置の反応条件を新たに設定してもよい。上述した一連の過程は、チップ待ち部１０００に収容された複数のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップのポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）が終わるまで繰り返し行われてもよい。上述したチップ待ち部１０００を備えることにより、本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置は、複数のサンプル及び試料に対するポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を同時に、順次且つ迅速に行うことができる。
図１８は、本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）の試験結果を示す電気泳動写真である。
図１８によれば、本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置を用いてポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を行った結果を確認することができるが、電気泳動写真に表示された「Ｍ」はサイズマーカーを意味し、各数字は、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を行った試料の番号を意味する。本実験から明らかなように、非常に早い時間、約１５分間多数の試料に対して同時にポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を行うことができる。このため、本発明の一実施形態によるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置を用いると、既存の単一加熱器方式の多数ウェルタイプのポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）用の反応容器を用いる場合又は多数加熱器方式の単一流路タイプのポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）用の反応容器を用いる場合よりもポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップの大きさを大幅に減らすことができ、試料の使用量を減らすことができ、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）時間を大幅に短縮させることができ、多数の試料に対して同時にポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を行うことから、既存のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置の問題を効果的に改善することができる。

Claims (9)

  1. 基板の上部面に２以上のヒーターが繰り返し的に隔設されたポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックと、
    前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックに接触されたときに前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックに配置された２以上の各ヒーターに当接するように繰り返し実現された２以上の反応チャンバーを有する板状のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップと、
    前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップが取り付けられた状態で前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップと前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックとの間の接触を維持しながら正方向及び逆方向への繰り返し摺動を実現するものであって、前記繰り返し摺動に際して、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップに配置された反応チャンバーと、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックに配置されたヒーターとの間に繰り返し的な熱接触が起こるように実現される繰り返し摺動駆動手段と、を備える
    ことを特徴とするポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置。
  2. 前記２以上のヒーターのうち隣り合うヒーターは、異なる温度に実現される
    請求項１に記載のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置。
  3. 前記２以上のヒーターは、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックの一方の末端のヒーターのうち第１のヒーターはポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）変性ステップ温度に実現され、第２のヒーターはアニーリング及び延長（或いは、増幅）ステップ温度に実現される
    請求項１に記載のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置。
  4. 前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップの反応チャンバーは、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップの摺動方向に２以上隔設されるか、或いは、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップの摺動方向と垂直方向に２以上隔設されるか、或いは、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップの摺動方向と垂直方向に連続的に通過するチャンネル状に形成される
    請求項１に記載のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置。
  5. 前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップの反応チャンバーは、流入部／流出部統合型ウェル状又は流入部／流出部別個型流路状に実現される
    請求項１に記載のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置。
  6. 前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップの反応チャンバーに光を提供するように配置された光源、及び前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）反応部から発せられる光を収容するように配置された光検出部を更に備える
    請求項１に記載のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置。
  7. 前記光源又は光検出部は、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックの隣り合うヒーター間の空間に繰り返し配置される
    請求項６に記載のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置。
  8. 前記光源又は光検出部は、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップの移動経路に対応して移動する
    請求項６に記載のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置。
  9. 第１のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップが前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックとの熱接触が行われた後に第２のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップが前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックとの熱接触を開始するように駆動可能なように接続される、複数のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップを収容するチップ待ち部を更に備える
    請求項１に記載のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置。
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