JP2022530178A - 遺伝子増幅モジュール - Google Patents

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Abstract

遺伝子増幅モジュールが開示される。本発明の一側面によると、反応容器収容空間が形成される熱ブロックと、前記熱ブロックの下部に備えられる加熱部と、前記加熱部の下部に備えられる冷却部と、前記熱ブロックの一側と対向するように備えられ、前記熱ブロックに冷却用流体を供給する流体供給部とを含み、前記熱ブロックには、前記熱ブロックの周縁を形成する側壁が形成され、前記側壁には、前記冷却用流体が供給される供給孔が一つ以上形成される遺伝子増幅モジュールが提供される。

Description

本出願は、2019年1月17日付けの韓国特許出願第10-2019-0006143号に基づく優先権の利益を主張し、該当韓国特許出願の文献に開示されている全ての内容は、本明細書の一部として組み込まれる。
本発明は、従来に比べて、反応容器内の試料を迅速に加熱および冷却することができる遺伝子増幅モジュールに関する。
試料内の様々な生物学的情報が得られる遺伝子診断が行われるためには、核酸増幅(polyermase chain reaction、または、ポリメラーゼ連鎖反応)のための遺伝子増幅モジュールが必須である。すなわち、遺伝子診断の際、遺伝子増幅モジュールで採取した試料内の特定の遺伝子を増幅して試料の遺伝子の数量を増やした後、特定の遺伝子の増幅程度を確認することで、所望の生物学的情報が得られる。
かかる遺伝子増幅は、繰り返した温度調節により行われるが、より詳細には、所定の時間間隔を置いて試料の温度を周期的に上昇および下降して、試料の遺伝子を増幅する。
しかし、従来技術によると、遺伝子増幅モジュールにおいて、温度が上昇および下降する周期が長く、遺伝子の増幅を高速化することに限界があった。特に、従来技術によると、遺伝子増幅モジュール内で試料の温度を周期的に調節する時に、加熱速度に比べて冷却速度が遅いという問題があった。これは、試料の遺伝子を増幅するのにかかる時間が増加する問題を引き起こし、結果として、遺伝子の診断にかかる時間を増加させた。
本発明が解決しようとする課題は、試料の遺伝子を増幅するのにかかる時間を削減することで、遺伝子を診断するのにかかる時間を減少させることである。
上記目的を達成するための本発明の一側面によると、遺伝子増幅モジュールであって、増幅しようとする前記試料が備えられた反応容器が収容されるための反応容器収容空間が形成される熱ブロックと、前記熱ブロックの下部に備えられ、前記熱ブロックとの熱伝導による熱交換によって前記熱ブロックを加熱する加熱部と、前記加熱部の下部に備えられ、前記加熱部との熱伝導による熱交換によって前記熱ブロックを冷却する冷却部と、前記熱ブロックの一側と対向するように備えられ、前記熱ブロックに冷却用流体を供給する流体供給部とを含み、前記熱ブロックには、前記熱ブロックの周縁を形成する側壁が形成され、前記側壁には、前記冷却用流体が供給される供給孔が一つ以上形成される遺伝子増幅モジュールが提供される。
前記熱ブロックの内部には、空き空間が形成され、前記空き空間は、前記供給孔と連結されることができる。
前記熱ブロックには、m×n(m、nは、互いに異なる自然数)のマトリックス状に計m×n個の前記反応容器収容空間が形成され、前記供給孔は、それぞれ、反応容器収容空間の間に形成されることができる。
前記流体供給部は、前記供給孔が形成される前記熱ブロックの側壁と対向するように備えられる第1流体供給部と、前記供給孔が形成される前記熱ブロックの他の側壁と対向するように備えられる第2流体供給部とを含むことができる。
前記流体供給部は、前記側壁のうち前記供給孔が形成される側壁に密着して備えられることができる。
前記空き空間は、前記反応容器収容空間と連結されず、前記反応容器収容空間から離隔していてもよい。
前記空き空間は、前記供給孔と連結される第1空き空間と、前記第1空き空間と交差して形成される第2空き空間とを含むことができる。
前記熱ブロックの側壁には、前記第2空き空間と連結される排出孔が形成されることができる。
前記排出孔は、前記第2空き空間の両端部にそれぞれ形成されることができる。
前記流体供給部は、前記冷却用流体が前記熱ブロックの空き空間内に供給されるように回転可能なファン(fan)を含むことができる。
本発明によると、従来に比べて、試料を冷却する方式を追加することで、冷却速度を上昇させ、これにより、試料の遺伝子を増幅するのにかかる時間を削減することで、遺伝子を診断するのにかかる時間を減少させることができる。
本発明による遺伝子増幅モジュールの熱ブロックの構造の一例を図示した斜視図である。 本発明による遺伝子増幅モジュールの熱ブロックの構造の一例を図示した水平断面図である。 本発明による遺伝子増幅モジュールにおいて、熱ブロックと流体供給部との結合関係を図示した斜視図である。 本発明による遺伝子増幅モジュールの構造を図示した斜視図である。 本発明による遺伝子増幅モジュールの熱ブロックの構造の他の例を図示した斜視図である。 本発明による遺伝子増幅モジュールの熱ブロックの構造の他の例を図示した水平断面図である。
以下、図面を参照して、本発明による遺伝子増幅モジュールの構造について説明する。
遺伝子増幅モジュール
図1は本発明による遺伝子増幅モジュールの熱ブロックの構造の一例を図示した斜視図であり、図2は本発明による遺伝子増幅モジュールの熱ブロックの構造の一例を図示した水平断面図である。図3は本発明による遺伝子増幅モジュールにおいて、熱ブロックと流体供給部との結合関係を図示した斜視図である。
図1に図示されているように、本発明による遺伝子増幅モジュールは、熱ブロック100を含むことができる。
熱ブロック100は、増幅しようとする試料を収容する構成であり得る。熱ブロック100の熱伝達によって周期的に加熱および冷却されることで、熱ブロック100に収容された試料の遺伝子が増幅することができる。加熱および冷却過程での効率的な熱伝達のために、熱ブロック100は、金、銀、銅、合金などの熱伝導性が高い物質で製造されることができる。例えば、熱ブロック100は、アルミニウムで製造されることができる。
このために、図1に図示されているように、熱ブロック100には、増幅しようとする試料が備えられた反応容器(図示せず)が収容されるための反応容器収容空間Rが形成されることができる。図1には、熱ブロック100に2×2のマトリックス状に計4個の反応容器収容空間Rが形成された場合が図示されている。しかし、反応容器収容空間Rの個数または配置構造は、図1に制限されない。一方、反応容器は、プラスチック素材からなることができる。
次いで、図1を参照すると、熱ブロック100には、熱ブロック100の周縁を形成する側壁110が形成されることができる。図1には、4個の側壁がそれぞれ波状の曲面に形成された場合が図示されている。熱ブロック100の側壁が波状の曲面に製造される場合、4個の平面が互いに接して熱ブロックの側壁を形成する場合と比較して、熱ブロック100の重量が最小化するため、熱ブロック100の熱容量が減少し、熱ブロックの加熱と冷却速度が最小化することができる。しかし、本発明による熱ブロック100の周縁を形成する側壁の形状は、波状以外にも様々な形状を有することができる。すなわち、本発明による熱ブロック100の側壁の形状は、波状に制限されない。
一方、熱ブロック100の側壁には、少なくとも一つ以上の孔が形成されることができる。熱ブロック100に形成された孔は、加熱された熱ブロック100を冷却するための冷却用流体が供給および排出されるための構成であり得る。図1および図2に図示されているように、熱ブロック100の側壁110のうち一部には、冷却用流体が供給される供給孔SHが形成されることができ、熱ブロック100の側壁110のうち他の一部には、冷却用流体が外部に排出されるための排出孔DHが形成されることができる。この際、冷却用流体は、気体であってもよい。例えば、冷却用流体は、常温の空気であってもよい。
次いで、図2を参照すると、熱ブロック100の内部には、空き空間Vが形成されることができる。空き空間Vは、供給孔SHおよび排出孔DHと連結されることができる。したがって、空き空間Vは、熱ブロック100に供給された冷却用流体が流動する経路を提供することができる。
一方、供給孔SHは、二つが形成されることができ、この際、供給孔SHは、空き空間Vを挟んで互いに反対側に形成されることができる。
図2に図示されているように、熱ブロック100に形成された空き空間Vは、反応容器収容空間Rと連結されず、反応容器収容空間Rから離隔するように形成されることができる。
上述のように、反応容器収容空間Rには、増幅しようとする試料が備えられた反応容器が収容されることができるが、反応容器収容空間Rと空き空間Vが互いに連結される場合、反応容器収容空間Rを形成する内壁が、反応容器を充分に包むことができなくなる。この場合、試料が、熱ブロック100によって迅速に加熱または冷却されなくなるため、試料の増幅にかかる時間が増加する。したがって、本発明によると、試料が、熱ブロック100によって迅速に加熱または冷却されるように、反応容器収容空間Rは、空き空間Vと連結されないことが好ましい。
また、図2に図示されているように、熱ブロック100の内部に形成された空き空間Vは、第1空き空間V1と第2空き空間V2を含むことができる。このうち、第1空き空間V1の両端部は、それぞれ、供給孔SHと連結されることができる。また、第2空き空間V2は、第1空き空間V1と交差して形成されることができる。
一方、熱ブロック100の側壁には、供給孔SH以外にも孔がさらに形成されることができる。すなわち、図2に図示されているように、熱ブロック100の側壁には、排出孔DHがさらに形成されることができる。図2には、図2を基準として、熱ブロック100の左右に形成された側壁にそれぞれ排出孔DHが一つずつ形成された場合が図示されている。排出孔DHは、第2空き空間V2と連結されることができる。また、排出孔DHも複数備えられることができるが、例えば、図2に図示されているように、排出孔DHは、第2空き空間V2の両端部にそれぞれ形成されることができる。
一方、図3に図示されているように、本発明による遺伝子増幅モジュールは、熱ブロック100の側壁のうち一つと対向するように備えられ、熱ブロック100に冷却用流体を供給する流体供給部400をさらに含むことができる。流体供給部400は、供給孔SH(図2参照)が形成された側壁と対向することができる。したがって、流体供給部400は、供給孔を通じて、熱ブロック100内部の空き空間V(図2参照)に冷却用流体を供給することができる。
次いで、図3を参照すると、本発明による遺伝子増幅モジュールの流体供給部400は、複数備えられることができる。流体供給部400は、供給孔SH(図2参照)の個数だけ備えられることができる。図3には、熱ブロック100に形成された2個の供給孔のうち一つが形成される熱ブロック100の側壁と対向するように備えられる第1流体供給部410、および熱ブロック100に形成された2個の供給孔のうち他の一つが形成される熱ブロック100の側壁と対向するように備えられる第2流体供給部420が図示されている。
一方、本発明による流体供給部400は、冷却用流体が熱ブロック100の空き空間内に供給されるように、回転可能なファン(fan)を含むことができる。
図3に図示されているように、流体供給部400は、供給孔SH(図2参照)が形成される側壁に密着して備えられることができる。したがって、冷却用流体が流体供給部400から熱ブロック100以外の他の箇所に漏れることを最小化することができる。
一方、上述のように、熱ブロック100には、供給孔SHおよび排出孔DH(図2参照)が形成されることができるが、遺伝子増幅モジュールは、排出孔と対向するように備えられ、排出孔を通じて熱ブロック100内の冷却用流体を外部に排出する流体排出部(図示せず)をさらに含むことができる。
図4は本発明による遺伝子増幅モジュールの構造を図示した斜視図である。
上述のように、本発明による遺伝子増幅モジュール10は、熱ブロック100および流体供給部400を含むことができる。
また、本発明による遺伝子増幅モジュール10は、熱ブロック100の下部に備えられ、熱ブロック100を加熱する加熱部200を含むことができる。加熱部200は、熱ブロック100と接触することができる。したがって、加熱部200は、熱ブロック100と熱伝導による熱交換を行うことができる。本発明による加熱部200は、ペルチェ効果(peltier effect)による局所的な温度上昇によって熱ブロック100を加熱する構成であり得る。
ペルチェ効果は、物体の両側に電圧をかけると、電流とともに熱エネルギーが移動することで、両側に温度差が生じる現象を意味する。本発明による加熱部は、かかるペルチェ効果により熱ブロックを加熱する構成であり得る。
次いで、図4を参照すると、本発明による遺伝子増幅モジュール10は、加熱部200の下部に備えられ、熱ブロック100を冷却する冷却部300をさらに含むことができる。冷却部300は、加熱部200と接触することができる。したがって、冷却部300と加熱部200との熱伝導による熱交換および加熱部200と熱ブロック100との熱交換によって、冷却部300は、熱ブロック100を冷却することができる。すなわち、本発明による冷却部300は、熱ブロック100および加熱部200に比べて温度が低く、熱容量が著しく大きい放熱体(heat sink)であり得る。
以下、上述の内容および図面に基づいて、本発明による遺伝子増幅モジュール10の作動方式について説明すると、以下のとおりである。
熱ブロック100の反応容器収容空間Rの内部に試料が備えられた反応容器を配置した後、加熱部200を作動し、加熱部200の温度が上昇すると、熱ブロック100と加熱部200との熱伝導による熱交換によって熱ブロック100の温度が上昇し、それに伴い、反応容器内の試料の温度も上昇する。
試料の温度が所定の値に達すると、加熱部200の作動を中断する。したがって、冷却部300と加熱部200との熱伝導による熱交換と、加熱部200と熱ブロック100との熱伝導による熱交換によって、熱ブロック100の温度が下降し、それに伴い、反応容器内の試料の温度も下降する。
特に、本発明によると、冷却部300の稼動とともに、流体供給部400により冷却用流体が熱ブロック100の供給孔SHを通じて熱ブロック100の空き空間Vに供給されることから、冷却用流体が熱ブロック100をさらに冷却することができ、熱ブロック100および試料の冷却がより迅速に行われることができ、試料の増幅過程に必要な全体的な時間も著しく減少することができる。
図5は本発明による遺伝子増幅モジュールの熱ブロックの構造の他の例を図示した斜視図であり、図6は本発明による遺伝子増幅モジュールの熱ブロックの構造の他の例を図示した水平断面図である。
上述のように、本発明による熱ブロックには、2×2のマトリックス状に計4個の反応容器収容空間が形成されることができる。しかし、熱ブロックは、これとは異なる構造を有することができる。例えば、図5および図6に図示されているように、本発明による遺伝子増幅モジュールの熱ブロック100には、3×3のマトリックス状に計9個の反応容器収容空間Rが形成されることができる。または、熱ブロック100には、4×4のマトリックス状に計9個の反応容器収容空間Rが形成されることもできる。これを一般化すると、本発明による遺伝子増幅モジュールの熱ブロック100には、n×nのマトリックス状に計n個の反応容器収容空間が形成されることができる。
もしくは、本発明による遺伝子増幅モジュールの熱ブロックには、m×n(m、nは、互いに異なる自然数)のマトリックス状に計m×n個の反応容器収容空間が形成されることもできる。例えば、熱ブロックには、2×3のマトリックス状に計6個の反応容器収容空間が形成されることができる。
次いで、図5および図6を参照すると、熱ブロック100の周縁を形成する側壁には、それぞれ複数の供給孔SHおよび排出孔DHが形成されることができる。例えば、図6に図示されているように、熱ブロック100に、3×3のマトリックス状に計9個の反応容器収容空間Rが形成される場合、熱ブロック100の内部に形成される第1空き空間V1を挟んで互いに反対側に形成される二つの側壁には、それぞれ2個の供給孔SHが形成され、熱ブロック100には、計4個の供給孔SHが形成されることができる。これと同様に、図6に図示されているように、熱ブロック100に3×3のマトリックス状に計9個の反応容器収容空間Rが形成される場合、熱ブロック100の内部に形成される第2空き空間V2を挟んで互いに反対側に形成される異なる二つの側壁には、それぞれ2個の排出孔DHが形成され、熱ブロック100には、計4個の排出孔DHが形成されることができる。これを一般化すると、本発明による遺伝子増幅モジュールの熱ブロックに、n×nのマトリックス状に計n個の反応容器収容空間が形成される場合、熱ブロックの第1空き空間を挟んで互いに反対側に形成される二つの側壁には、それぞれn-1個の供給孔が形成され、熱ブロックには、計2×(n-1)個の供給孔が形成されることができる。これと同様に、本発明による遺伝子増幅モジュールの熱ブロックに、n×nのマトリックス状に計n個の反応容器収容空間が形成される場合、熱ブロックの第2空き空間を挟んで互いに反対側に形成される二つの側壁には、それぞれn-1個の排出孔が形成され、熱ブロックには、計2×(n-1)個の排出孔が形成されることができる。
一方、上述のように、本発明による遺伝子増幅モジュールの熱ブロックには、m×n(m、nは、互いに異なる自然数)のマトリックス状に計m×n個の反応容器収容空間が形成されることができ、この場合、熱ブロックの第1空き空間を挟んで互いに反対側にある二つの側壁には、それぞれm-1個の供給孔が形成され、熱ブロックには、計2×(m-1)個の供給孔が形成されることができ、熱ブロックの第2空き空間を挟んで互いに反対側にある二つの側壁には、それぞれn-1個の排出孔が形成され、熱ブロックには、計2×(n-1)個の排出孔が形成されることができる。
熱ブロックにm×nのマトリックス状に計m×n個の反応容器収容空間が形成される場合、熱ブロックの第1空き空間を挟んで互いに反対側にある二つの側壁には、それぞれm-1個の供給孔が形成され、熱ブロックの第2空き空間を挟んで互いに反対側にある二つの側壁には、それぞれn-1個の排出孔が形成されることは、図5および図6に図示されているように、供給孔SHと排出孔DHが、それぞれ反応容器収容空間Rの間に形成されるためである。
また、図5および図6に図示されているように、第1空き空間V1を挟んで互いに反対側に形成された供給孔SHと、第2空き空間V2を挟んで互いに反対側に形成された排出孔DHは、それぞれ、第1空き空間V1と第2空き空間V2と連結されることができる。
実施例1
横16mm、縦16mmの熱ブロックを製造した。熱ブロックの4側壁は、それぞれ波状の曲面に形成されており、熱ブロックには、2×2のマトリックス状に計4個の反応容器収容空間が形成された。反応容器収容空間の直径は、それぞれ4.5mmに形成された。熱ブロックは、アルミニウムで作製された。
熱ブロックの4側壁には、それぞれ4.8mmの直径を有する孔が一つずつ形成され、熱ブロックの内部には、十字状の空き空間が形成された。空き空間によって各孔が互いに連結された。
熱ブロックの下部には、熱電素子であるペルチェ系の加熱部が密着して備えられた。加熱部は、ペルチェ効果(peltier effect)によって熱ブロックを加熱する熱電素子であり、米国TE technology、INC社製の製品名VT-127-1.4-1.15-71が使用された。
加熱部の下部には、冷却部が密着して備えられた。冷却部は、熱を吸収することができる放熱体(heat sink)として設けられた。放熱体の下端には、放熱体の温度を下げるための送風ファンが設置された。放熱体および送風ファンは、韓国Coolertech社製の製品名CTV-GF-04が使用された。
熱ブロックの4側壁のうち、互いに反対側で対向する二つの側壁には、流体供給部が密着して備えられた。流体供給部は、ファンを稼動して、冷却用流体を熱ブロックの空き空間に供給する構成であり、流体供給部を構成するファンは、中国YeHAUS社製の製品名HFD 0200605 SEM、B-typeが使用された。
実施例1では、加熱部を14.8Vおよび5Aの電圧および電流の下で作動して、熱ブロックの温度が摂氏95度に達するまで加熱した後、加熱部の作動を停止し、11.1V、0.28Aおよび3.1Wの下で流体供給部を稼動して、冷却用流体および下端に設置された冷却部によって、熱ブロックが摂氏60度に達するまで冷却した。特に、冷却過程では、放熱体の下端に設置された送風ファンを稼動して放熱体の温度を下げることで、熱ブロックと放熱体との間に勾配が発生して熱ブロックを冷却した。前記加熱過程と冷却過程を繰り返した。
実施例2
流体供給部を7.4V、0.21Vおよび1.5Wの下で作動して、熱ブロックの温度を摂氏60度に達するまで冷却する以外は、実施例1と同様に行った。
比較例
流体供給部を備えない以外は、実施例1と同様に行った。
実験例
実施例と比較例によって30回の加熱過程および冷却過程を完了するのにかかった時間を測定した。
実施例1の場合、30回の加熱過程および冷却過程を完了するのに602秒がかかり、実施例2の場合、674秒がかかった。比較例の場合、840秒がかかった。
実験結果からも確認することができるように、実施例1および実施例2によって熱ブロックの空き空間に冷却用流体を供給する場合、そうでない場合に比べて、加熱過程および冷却過程が行われるのにかかる時間が著しく減少したことを確認することができる。例えば、比較例と比較して、実施例1の場合、加熱過程および冷却過程が完了するのにかかる時間が約30%減少したことを確認することができる。
以上、本発明は、限定された実施例と図面によって説明されているが、本発明はこれによって限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有した者によって、本発明の技術思想と以下に記載する特許請求の範囲の均等範囲内で様々な実施が可能であることは言うまでもない。
10 遺伝子増幅モジュール
100 熱ブロック
200 加熱部
300 冷却部
400 流体供給部
SH 供給孔

Claims (10)

  1. 遺伝子増幅モジュールであって、
    増幅しようとする試料が備えられた反応容器が収容されるための反応容器収容空間が形成される熱ブロックと、
    前記熱ブロックの下部に備えられ、前記熱ブロックとの熱伝導による熱交換によって前記熱ブロックを加熱する加熱部と、
    前記加熱部の下部に備えられ、前記加熱部との熱伝導による熱交換によって前記熱ブロックを冷却する冷却部と、
    前記熱ブロックの一側と対向するように備えられ、前記熱ブロックに冷却用流体を供給する流体供給部とを含み、
    前記熱ブロックには、前記熱ブロックの周縁を形成する側壁が形成され、
    前記側壁には、前記冷却用流体が供給される供給孔が一つ以上形成される、遺伝子増幅モジュール。
  2. 前記熱ブロックの内部には、空き空間が形成され、
    前記空き空間は、前記供給孔と連結される、請求項1に記載の遺伝子増幅モジュール。
  3. 前記熱ブロックには、m×n(m、nは、互いに異なる自然数)のマトリックス状に計m×n個の前記反応容器収容空間が形成され、
    前記供給孔は、それぞれ、反応容器収容空間の間に形成される、請求項2に記載の遺伝子増幅モジュール。
  4. 前記流体供給部は、
    前記供給孔が形成される前記熱ブロックの側壁と対向するように備えられる第1流体供給部と、
    前記供給孔が形成される前記熱ブロックの他の側壁と対向するように備えられる第2流体供給部とを含む、請求項3に記載の遺伝子増幅モジュール。
  5. 前記流体供給部は、前記側壁のうち前記供給孔が形成される側壁に密着して備えられる、請求項1に記載の遺伝子増幅モジュール。
  6. 前記空き空間は、前記反応容器収容空間と連結されず、前記反応容器収容空間から離隔している、請求項2に記載の遺伝子増幅モジュール。
  7. 前記空き空間は、
    前記供給孔と連結される第1空き空間と、
    前記第1空き空間と交差して形成される第2空き空間とを含む、請求項3に記載の遺伝子増幅モジュール。
  8. 前記熱ブロックの側壁には、前記第2空き空間と連結される排出孔が形成される、請求項7に記載の遺伝子増幅モジュール。
  9. 前記排出孔は、前記第2空き空間の両端部にそれぞれ形成される、請求項8に記載の遺伝子増幅モジュール。
  10. 前記流体供給部は、
    前記冷却用流体が前記熱ブロックの空き空間内に供給されるように回転可能なファン(fan)を含む、請求項2に記載の遺伝子増幅モジュール。
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