JP5661918B2 - ２個の熱ブロックを含むｐｃｒ装置 - Google Patents
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Description
本発明は、核酸増幅反応に使われる熱ブロック（heating block）を含むＰＣＲ（polymerase chain reaction）装置に関する。
重合酵素連鎖反応、すなわち、ＰＣＲ（polymerase chain reaction）は、核酸を含むサンプル溶液を反復して加熱及び冷却し、前記核酸の特定塩基配列を有する部位を連鎖的にコピーし、その特定塩基配列部位を有する核酸を幾何級数的に増幅する技術であり、生命科学、遺伝工学及び医療分野などで、分析及び診断の目的に広く使われている。
最近、前記ＰＣＲを遂行するためのＰＣＲ装置が多様に開発されている。一例によるＰＣＲ装置は、１つの反応チャンバに核酸を含むサンプル溶液を含む容器を装着し、前記容器を反復して加熱及び冷却してＰＣＲ反応を遂行する。しかし、前記一例によるＰＣＲ装置は、１つの反応チャンバを具備するから、全体構造が複雑ではないが、正確な温度制御のための複雑な回路を具備しなければならず、１つの反応チャンバに対する反復的な加熱及び冷却によって、全体ＰＣＲ反応の全体時間が長くなってしまう。また、他の一例によるＰＣＲ装置は、ＰＣＲ反応のための温度を有する複数個の反応チャンバを装着し、それら反応チャンバを通過する１つのチャンネルを介して、核酸を含むサンプル溶液を流してＰＣＲ反応を遂行する。しかし、前記他の一例によるＰＣＲ装置は、複数個の反応チャンバを利用するから、正確な温度制御のための複雑な回路は要求されないが、高温及び低温の反応チャンバを通過するための長い流路が必ず必要であるので、全体構造が複雑になってしまい、前記反応チャンバを通過するチャンネル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要求される。
従って、全体構造が単純であり、全体ＰＣＲ反応時間を最小化するだけでなく、信頼し得るＰＣＲ反応収率を得ることができるＰＣＲ装置の必要性が望まれている。
本発明は、核酸増幅反応で、卓越な性能を発揮することができるＰＣＲ装置を提供するものである。
本発明の一具体例は、基板上に配置された第１熱ブロックと、前記基板上に、前記第１熱ブロックと離隔配置された第２熱ブロックと、前記第１熱ブロック及び第２熱ブロックの上に、駆動手段によって、左右及び／または上下移動自在であり、ＰＣＲ（polymerase chain reaction）用チップが装着されたチップホルダを含むＰＣＲ装置を提供する。
本発明の一具体例によれば、前記第１熱ブロック及び第２熱ブロックは、その内部に熱線が配置されてもよい。
本発明の一具体例によれば、前記熱線は、前記第１熱ブロック及び第２熱ブロックの内部温度を、全体的に一定に維持するために、各熱ブロック面の中心点を基準に、上下及び／または左右の方向に対称になるように配置されてもよい。
本発明の一具体例によれば、前記第１熱ブロックまたは前記第２熱ブロックは、ＰＣＲ反応の変性段階温度を維持するように具現されてもよい。
本発明の一具体例によれば、前記変性段階温度は、９０℃ないし１００℃であってもよい。
本発明の一具体例によれば、前記第１熱ブロックまたは第２熱ブロックは、ＰＣＲ反応のアニーリング及び延長（あるいは、増幅）段階温度を維持するように具現されてもよい。
本発明の一具体例によれば、前記アニーリング及び延長（あるいは増幅）段階温度は、５５℃ないし７５℃であってもよい。
本発明の一具体例によれば、前記第１熱ブロックと第２熱ブロックは、相互入れ替えが可能である。
本発明の一具体例によれば、前記第１熱ブロックと第２熱ブロックは、相互熱交換が起きないように既定の距離ほど離隔配置されてもよい。
本発明の一具体例によれば、前記駆動手段は、左右方向に延長されたレール、及び前記レールを介して左右方向に摺動自在に配置され、上下方向に摺動自在な連結部材を含み、前記連結部材の一末端は、前記チップホルダが配置されてもよい。
本発明の一具体例によれば、前記ＰＣＲ用チップは、前記チップホルダに着脱自在なものであってもよい。
本発明の一具体例によれば、前記ＰＣＲ用チップは、前記第１熱ブロックまたは第２熱ブロックの一面に接触され、増幅する核酸を含むサンプル溶液を収容するように具現されてもよい。
本発明の一具体例によれば、前記ＰＣＲ用チップは、透光性プラスチック材質であってもよい。
本発明の一具体例によれば、前記ＰＣＲ用チップは、第１プレートと、前記第１プレート上に配置され、貫通開口チャンネルを具備する第２プレートと、前記第２プレート上に配置され、前記貫通開口チャンネル上の一領域に形成された貫通開口流入部、及び他の一領域に形成された貫通開口流出部を具備する第３プレートと、を含んでもよい。
本発明の一具体例によれば、前記第１プレート及び第３プレートは、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレンカーボネート（ＰＰＣ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）及びポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、並びにその化合物で構成された群から選択される材質を含み、前記第２プレートは、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、及びその化合物で構成された群から選択される熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂材質を含んでもよい。
本発明の一具体例によれば、前記第３プレートの貫通開口流入部は、直径１．０ｍｍないし３．０ｍｍで選択され、前記貫通開口流出部は、直径１．０ｍｍないし１．５ｍｍで選択され、前記第３プレートの厚みは、０．１ｍｍないし２ｍｍで選択され、前記第２プレートの厚みは、１００μμｍないし２００μｍで選択され、前記貫通開口チャンネルの幅は、０．５ｍｍないし３ｍｍで選択され、前記貫通開口チャンネル長は、２０ｍｍないし４０ｍｍで選択されてもよい。
本発明の一具体例によれば、前記第１熱ブロックと第２熱ブロックとの間に光源がさらに配置され、前記チップホルダよりも上方に、前記光源から放出される光を検出するための光検出部がさらに配置されるか、あるいは前記第１熱ブロックと第２熱ブロックとの間に光源から放出される光を検出するための光検出部がさらに配置され、前記チップホルダよりも上方に光源がさらに配置されてもよい。
本発明の一具体例によれば、前記光検出部は、前記駆動手段よりも上方に配置され、前記駆動手段は、前記光源から放出される光を通過させるための貫通部が配置されてもよい。
本発明による２個の熱ブロックを含むＰＣＲ装置を提供することにより、核酸増幅反応を効率的に遂行することができる。
以下、図面を参照しつつ、実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態による２個の熱ブロックを含むＰＣＲ（polymerase chain reaction）装置を図示している。
図１は、本発明の一実施形態による２個の熱ブロックを含むＰＣＲ（polymerase chain reaction）装置を図示している。
本発明の一実施形態によるＰＣＲ装置１は、基板４００上に配置された第１熱ブロック１００と、前記基板４００上に、前記第１熱ブロック１００と離隔配置された第２熱ブロック２００と、前記第１熱ブロック１００並びに第２熱ブロック２００の上に、駆動手段５００によって、左右及び／または上下の移動が自在であり、ＰＣＲ用チップ９００が装着されたチップホルダ３００と、を含む。
前記ＰＣＲ装置１は、特定塩基配列を有する核酸を増幅するＰＣＲに使うための装置である。例えば、特定塩基配列を有するＤＮＡ（deoxyribonucleic acid）を増幅するためのＰＣＲ装置は、二重鎖のＤＮＡを含むサンプル溶液を特定温度、例えば、約９５℃に加熱し、前記二重鎖のＤＮＡを、単一鎖のＤＮＡに分離する変性段階（denaturing step）、前記サンプル溶液に、増幅する特定塩基配列と相補的な配列を有するオリゴヌクレオチド（oligonucleotide）プライマーを提供し、前記分離した単一鎖のＤＮＡと共に、特定温度、例えば、５５℃に冷却し、前記単一鎖のＤＮＡの特定塩基配列に、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段階（annealing step）、及び前記アニーリング段階後、前記サンプル溶液を適正温度、例えば、７２℃に維持し、ＤＮＡ重合酵素（polymerase）によって、前記部分的なＤＮＡ・プライマー複合体のプライマーを基に、二重鎖のＤＮＡを形成する延長（あるいは、増幅）段階（extension step）を遂行し、前記３段階を、例えば、２０回ないし４０回で反復することにより、前記特定塩基配列を有するＤＮＡを幾何級数的に増幅することができる。また、場合によって、ＰＣＲ装置は、前記アニーリング段階と前記延長（あるいは、増幅）段階とを同時に遂行することができ、その場合、ＰＣＲ装置は、前記延長段階と、前記アニーリング及び延長（あるいは、増幅）段階とで構成された２段階を遂行することにより、第１循環を完成することもできる。従って、本発明の一具体例によるＰＣＲ装置１は、前記段階を遂行するためのモジュールを含む装置をいい、本明細書に記載していない細部のモジュールは、ＰＣＲを遂行するための従来技術において、開示されて自明である範囲でいずれも具備していることを前提にする。
本発明の一実施形態によるＰＣＲ装置１は、基板４００上に配置された第１熱ブロック１００、及び前記基板４００上に、前記第１熱ブロック１００と離隔配置された第２熱ブロック２００を含む。
前記基板４００は、前記第１熱ブロック１００並びに第２熱ブロック２００の加熱及び温度維持によって、その物理的及び／または化学的な性質が変わらず、前記第１熱ブロック１００並びに第２熱ブロック２００間で、相互熱交換を起こさせない材質を有するすべての物質を含む。例えば、前記基板４００は、プラスチックなどの材質を含むか、あるいはかような材質で構成されてもよい。
前記第１熱ブロック１００並びに第２熱ブロック２００は、核酸を増幅するための変性段階、アニーリング段階及び延長（あるいは、増幅）段階を遂行するための温度を維持するためのものである。従って、前記第１熱ブロック１００並びに第２熱ブロック２００は、前記各段階に要求される必要な温度を提供し、これを維持するための多様なモジュールを含むか、あるいはかようなモジュールと駆動自在に連結される。従って、前記ＰＣＲ用チップ９００が装着されたチップホルダ３００が、前記各第１熱ブロック１００並びに第２熱ブロック２００の一面に接触される場合、前記第１熱ブロック１００並びに第２熱ブロック２００は、前記ＰＣＲ用チップ９００との接触面を全体的に加熱及び温度維持を行うことができて、ＰＣＲ用チップ９００内のサンプル溶液を、均一に加熱及び温度維持することができる。従来、単一熱ブロックを使うＰＣＲ装置は、前記単一熱ブロックでの温度変化率が、秒当たり３ないし７℃範囲内で行われるのに比べ、本発明の一実施形態による２個の熱ブロックを含むＰＣＲ装置１は、それぞれの第１熱ブロック１００並びに第２熱ブロック２００での温度変化率が、秒当たり２０ないし４０℃範囲内で行われ、ＰＣＲ反応時間を大きく縮めることができる。
前記第１熱ブロック１００並びに第２熱ブロック２００は、その内部に熱線（図示せず）が配置されてもよい。前記熱線は、前記変性段階、アニーリング段階及び延長（あるいは、増幅）段階を遂行するための温度を維持するように、多様な熱源と駆動自在に連結され、前記熱線の温度をモニタリングするための多様な温度センサと駆動自在に連結される。前記熱線は、前記第１熱ブロック１００並びに第２熱ブロック２００の内部温度を、全体的に一定に維持するために、それぞれの第１熱ブロック１００並びに第２熱ブロック２００の面の中心点を基準に、上下及び／または左右の方向に対称になるように配置されてもよい。前記上下及び／または左右の方向に対称になった熱線の配置は、多様である。また、前記第１熱ブロック１００並びに第２熱ブロック２００は、その内部に薄膜ヒータ（thin film heater）（図示せず）が配置されもする。前記薄膜ヒータは、前記第１熱ブロック１００並びに第２熱ブロック２００の内部温度を、全体的に一定に維持するために、それぞれの第１熱ブロック１００並びに第２熱ブロック２００の面の中心点を基準に、上下及び／または左右の方向に、一定間隔で離隔配置されもする。前記上下及び／または左右の方向に一定した薄膜ヒータの配置は、多様である。
前記第１熱ブロック１００並びに第２熱ブロック２００は、同一の面積に対する均等な熱分布及び迅速な熱伝達のために、金属材質、例えば、アルミニウム材質を含むか、あるいはアルミニウム材質で構成されもする。
前記第１熱ブロック１００は、前記変性段階、またはアニーリング及び延長（あるいは、増幅）段階を遂行するための適正温度を維持するように具現されもする。例えば、本発明の一実施形態によるＰＣＲ装置１の第１熱ブロック１００は、５０℃ないし１００℃を維持することができ、望ましくは、前記第１熱ブロックで前記変性段階を遂行する場合９０℃ないし１００℃を維持することができ、望ましくは、９５℃を維持することができ、前記第１熱ブロックで、前記アニーリング及び延長（あるいは、増幅）段階を遂行する場合には、５５℃ないし７５℃を維持することができ、望ましくは、７２℃を維持することができる。ただし、前記変性段階、またはアニーリング及び延長（あるいは、増幅）段階を遂行することができる温度であるならば、それに制限されるものではない。前記第２熱ブロック２００は、前記変性段階、またはアニーリング及び延長（あるいは、増幅）段階を遂行するための適正温度を維持するように具現されもする。例えば、本発明の一実施形態によるＰＣＲ装置１の第２熱ブロック２００は、前記第２熱ブロックで、前記変性段階を遂行する場合、９０℃ないし１００℃を維持することができ、望ましくは、９５℃を維持することができ、前記第２熱ブロックで、前記アニーリング及び延長（あるいは、増幅）段階を遂行する場合には、５５℃ないし７５℃を維持することができ、望ましくは、７２℃を維持することができる。ただし、前記変性段階、またはアニーリング及び延長（あるいは、増幅）段階を遂行することができる温度であるならば、それらに制限されるものではない。従って、本発明の一実施形態によれば、前記第１熱ブロック１００は、ＰＣＲ反応の変性段階温度（denaturing temperature）を維持することができ、変性段階温度が９０℃より低ければ、ＰＣＲ反応のテンプレートになる核酸の変性が起きて効率が落ち、ＰＣＲ反応効率が落ちるか、あるいは反応が起きないこともあり、変性段階温度が１００℃より高くなれば、ＰＣＲ反応に利用される酵素が活性を失うことになるので、前記変性段階温度は、９０℃ないし１００℃であり、望ましくは、９５℃である。また、本発明の一実施形態によれば、前記第２熱ブロック２００は、ＰＣＲ反応のアニーリング及び延長（あるいは、増幅）段階温度（annealing／extension temperature）を維持することができる。アニーリング及び延長（あるいは、増幅）段階温度が５５℃より低ければ、ＰＣＲ反応産物の特異性（specificity）が落ち、アニーリング及び延長（あるいは、増幅）段階温度が７４℃より高ければ、プライマーによる延長が起きないこともあるから、ＰＣＲ反応効率が落ちることになるので、前記アニーリング及び延長（あるいは、増幅）段階温度は、５５℃ないし７５℃であり、望ましくは、７２℃である。
前記第１熱ブロック１００と第２熱ブロック２００は、相互熱交換が起きないように、既定の距離ほど離隔配置されもする。これにより、前記第１熱ブロック１００と、第２熱ブロック２００との間で熱交換が起きないから、微細な温度変化によっても、重大な影響を受けることがある核酸増幅反応において、前記変性段階と前記アニーリング及び延長（あるいは、増幅）段階との正確な温度制御が可能である。
本発明の一実施形態によるＰＣＲ装置１は、前記第１熱ブロック１００並びに第２熱ブロック２００上に、駆動手段５００によって、左右及び／または上下の移動が自在であり、ＰＣＲ用チップ９００が装着されたチップホルダ３００を含む。また、前記ＰＣＲ用チップ９００は、前記第１熱ブロック１００または第２熱ブロック２００の一面に接触され、増幅する核酸を含むサンプル溶液を収容するように具現されもする。
前記ＰＣＲ用チップ９００は、核酸、例えば、二重鎖ＤＮＡ、増幅する特定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、ＤＮＡ重合酵素、三リン酸化デオキシリボヌクレオチド（ｄＮＴＰ：deoxyribonucleotide triphosphates）、ＰＣＲ反応緩衝液（ＰＣＲ reaction buffer）を含むサンプル溶液を含んでもよい。前記ＰＣＲ用チップ９００は、前記サンプル溶液を取り入れるための流入部（図示せず）、核酸増幅反応を完了したサンプル溶液を排出するための流出部（図示せず）、及び前記サンプル溶液の核酸増幅反応が遂行される反応チャンバ（または、チャンネル）（図示せず）を含んでもよい。前記ＰＣＲ用チップ９００が、前記第１熱ブロック１００並びに第２熱ブロック２００に接触する場合、前記第１熱ブロック１００並びに第２熱ブロック２００の熱は、前記ＰＣＲ用チップ９００に伝達され、前記ＰＣＲ用チップ９００の反応チャンバ（または、チャンネル）に含まれたサンプル溶液は、加熱及び温度維持されもする。また、前記ＰＣＲ用チップ９００は、全体的に平面形状を有することができるが、これに制限されるものではない。また、前記ＰＣＲ用チップ９００の外壁は、前記ＰＣＲ装置１によって、核酸増幅反応が遂行される場合、前記ＰＣＲ用チップ９００が、前記チップホルダ３００から離脱しないように、前記チップホルダ３００の内部空間に固定装着されるための形状及び構造を有することができる。前記ＰＣＲ用チップ９００の詳細な事項は、以下、図４及び図５で説明する。
前記チップホルダ３００は、ＰＣＲ用チップ９００が、前記ＰＣＲ装置１に装着されるモジュールである。前記チップホルダ３００の内壁は、前記ＰＣＲ装置１によって、核酸増幅反応が遂行される場合、前記ＰＣＲ用チップ９００が、前記チップホルダ３００から離脱しないように、前記ＰＣＲ用チップ９００の外壁と固定装着されるための形状及び構造を有することができる。前記チップホルダ３００は、前記駆動手段５００に駆動自在に連結される。また、前記ＰＣＲ用チップ９００は、前記チップホルダ３００に着脱自在である。
前記駆動手段５００は、前記ＰＣＲ用チップ９００が装着されたチップホルダ３００を、前記第１熱ブロック１００並びに第２熱ブロック２００に上に、左右及び／または上下の移動を自在にするすべての手段を含む。前記駆動手段５００の左右移動により、前記ＰＣＲ用チップ９００が装着されたチップホルダ３００は、前記第１熱ブロック１００と、第２熱ブロック２００との間で往復動が自在であり、前記駆動手段５００の上下移動により、前記ＰＣＲ用チップ９００が装着されたチップホルダ３００は、前記第１熱ブロック１００と、第２熱ブロック２００とに接触及び分離することができる。図１に図示された本発明の一実施形態によるＰＣＲ装置１の駆動手段５００は、左右方向に延長されたレール５１０、及び前記レール５１０を介して、左右方向に摺動自在に配置され、上下方向に摺動自在な連結部材５２０を含み、前記連結部材５２０の一末端には、前記チップホルダが配置される。前記駆動手段５００の左右及び／または上下の移動は、前記ＰＣＲ装置１の内部または外部に駆動自在に配置された制御手段（図示せず）によって制御されもし、前記制御手段は、ＰＣＲの変性段階、並びにアニーリング及び延長（あるいは、増幅）段階のための前記ＰＣＲ用チップ９００が装着されたチップホルダ３００と、前記第１熱ブロック１００並びに第２熱ブロック２００との接触及び分離を制御することができる。
図２は、本発明の一実施形態によるＰＣＲ装置のチップホルダの移動による核酸増幅反応の各段階を図示している。
本発明によるＰＣＲ装置による核酸増幅反応は、下記段階による。まず、前記ＰＣＲ用チップ９００に、核酸、例えば、二重鎖ＤＮＡ、増幅する特定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、ＤＮＡ重合酵素、三リン酸化デオキシリボヌクレオチド（ｄＮＴＰ）、ＰＣＲ反応緩衝液を含むサンプル溶液を導入し、前記ＰＣＲ用チップ９００を、前記チップホルダ３００に装着する段階を遂行する。その後、またはそれと同時に、前記第１熱ブロック１００を、変性段階のための温度、例えば、９０℃ないし１００℃に加熱及び維持し、望ましくは、９５℃に加熱及び維持する段階を遂行する。前記第２熱ブロック２００を、アニーリング及び延長（あるいは、増幅）段階のための温度、例えば、５５℃ないし７５℃に加熱及び維持し、望ましくは、７２℃に加熱及び維持する段階を遂行する。
その後、前記駆動手段５００の連結部材５２０を制御し、前記ＰＣＲ用チップ９００を下向き移動させ、前記ＰＣＲ用チップ９００が装着されたチップホルダ３００を、前記第１熱ブロック１００に接触させ、ＰＣＲの第１変性段階を遂行する（ｘ段階）。
その後、前記駆動手段５００の連結部材５２０を制御し、前記ＰＣＲ用チップ９００を上向き移動させ、前記ＰＣＲ用チップ９００が装着されたチップホルダ３００を、前記第１熱ブロック１００から分離させてＰＣＲの第１変性段階を終了し、前記駆動手段５００の連結部材５２０を制御し、前記ＰＣＲ用チップ９００を第２熱ブロック２００の上に移動させる段階を遂行する（ｙ段階）。
その後、前記駆動手段５００の連結部材５２０を制御し、前記ＰＣＲ用チップ９００を下向き移動させ、前記ＰＣＲ用チップ９００が装着されたチップホルダ３００を、前記第２熱ブロック１００に接触させ、ＰＣＲの第１アニーリング及び延長（あるいは、増幅）段階を遂行する（ｚ段階）。
最後に、前記駆動手段５００の連結部材５２０を制御し、前記ＰＣＲ用チップ９００を上向き移動させ、前記ＰＣＲ用チップ９００が装着されたチップホルダ３００を、前記第２熱ブロック１００から分離させ、ＰＣＲの第１アニーリング及び延長（あるいは、増幅）段階を終了し、前記駆動手段５００の連結部材５２０を制御し、前記ＰＣＲ用チップ９００を、第１熱ブロック２００の上に移動させた後、前記ｘ，ｙ，ｚ段階を反復することにより、核酸増幅反応を遂行する（循環段階）。
図３は、本発明の一実施形態によるＰＣＲ装置を利用し、リアルタイムで核酸増幅反応を観察する段階を図示している。
本発明の一実施形態によるＰＣＲ装置１は、前記第１熱ブロック１００と、第２熱ブロック２００との間に光源７００がさらに配置され、前記チップホルダ３００よりも上方に、前記光源７００から放出される光を検出するための光検出部８００がさらに配置されるか、あるいは前記第１熱ブロック１００と、第２熱ブロック２００との間に、光源７００から放出される光を検出するための光検出部８００がさらに配置され、前記チップホルダ３００よりも上方に、光源７００がさらに配置されもする。また、前記光検出部８００は、前記駆動手段５００よりも上方に配置され、前記駆動手段９００は、前記光源７００から放出される光を通過させるための貫通部５３０が配置されもする。また、前記ＰＣＲ用チップ９００は、透光性材質、具体的には、透光性プラスチック材質であってもよい。前記ＰＣＲ用チップ９００の詳細な事項は、以下、図４及び図５で説明する。
前記光源７００及び光検出部８００の配置により、本発明の一実施形態によるＰＣＲ装置１による核酸増幅の反応時、前記ＰＣＲ用チップ９００内で、核酸が増幅される程度をリアルタイムで検出する。前記ＰＣＲ用チップ９００内で、核酸が増幅される程度を検出するためには、前記ＰＣＲ用チップ９００に導入するサンプル溶液に、別途の蛍光物質をさらに添加することができる。前記光源７００は、前記第１熱ブロック１００と、第２熱ブロック２００との間の離隔された空間に、できる限り広く分布するように配置され、できる限り同一の光を放出するように配置される。前記光源７００は、前記光源７００から放出される光を捕集するレンズ（図示せず）、及び特定波長台の光を濾過する光フィルタ（図示せず）と駆動自在に連結配置されもする。
本発明の一実施形態によるＰＣＲ装置１による核酸増幅反応時、前記ＰＣＲ用チップ９００内で、核酸が増幅される程度をリアルタイムで検出する段階は、下記段階による。
前記ＰＣＲの第１変性段階の終了後、前記駆動手段５００の連結部材５２０を制御し、前記ＰＣＲ用チップ９００を、第１熱ブロック１００の上から、第２熱ブロック２００の上に移動させるか、あるいは前記ＰＣＲの第１アニーリング及び延長（あるいは、増幅）段階の終了後、前記駆動手段５００の連結部材５２０を制御し、前記ＰＣＲ用チップ９００を、第２熱ブロック２００の上から、第１熱ブロック１００の上に移動させる場合、前記ＰＣＲ用チップ９００が装着されたチップホルダ３００を、前記駆動手段５００の連結部材５２０を制御し、前記第１熱ブロック１００と、第２熱ブロック２００との間の離隔された空間上に停止させる段階を遂行する。その後、前記光源７００から光を放出させ、前記放出された光は、前記透光性のＰＣＲ用チップ９００、具体的には、前記ＰＣＲ用チップ９００の反応チャンバ（または、チャンネル）を通過し、その場合、前記反応チャンバ（または、チャンネル）内の核酸の増幅によって発生する光信号を、前記光検出部８００が検出する。その場合、前記透光性のＰＣＲ用チップ９００を通過した光は、前記駆動手段５００、具体的には、前記レール５１０に配置された貫通部５３０を通過し、前記光検出部８００に逹することができる。
前記ＰＣＲの第１変性段階の終了後、前記駆動手段５００の連結部材５２０を制御し、前記ＰＣＲ用チップ９００を、第１熱ブロック１００の上から、第２熱ブロック２００の上に移動させるか、あるいは前記ＰＣＲの第１アニーリング及び延長（あるいは、増幅）段階の終了後、前記駆動手段５００の連結部材５２０を制御し、前記ＰＣＲ用チップ９００を、第２熱ブロック２００の上から、第１熱ブロック１００の上に移動させる場合、前記ＰＣＲ用チップ９００が装着されたチップホルダ３００を、前記駆動手段５００の連結部材５２０を制御し、前記第１熱ブロック１００と、第２熱ブロック２００との間の離隔された空間上に停止させる段階を遂行する。その後、前記光源７００から光を放出させ、前記放出された光は、前記透光性のＰＣＲ用チップ９００、具体的には、前記ＰＣＲ用チップ９００の反応チャンバ（または、チャンネル）を通過し、その場合、前記反応チャンバ（または、チャンネル）内の核酸の増幅によって発生する光信号を、前記光検出部８００が検出する。その場合、前記透光性のＰＣＲ用チップ９００を通過した光は、前記駆動手段５００、具体的には、前記レール５１０に配置された貫通部５３０を通過し、前記光検出部８００に逹することができる。
従って、本発明の一実施形態によるＰＣＲ装置１によれば、前記ＰＣＲ反応の各循環段階が進められる間、前記反応チャンバ（または、チャンネル）内で、（蛍光物質が結合された）核酸の増幅による反応結果を、リアルタイムでモニタリングすることにより、初期反応サンプルに含まれている標的核酸の量を、リアルタイムで測定及び分析することができる。
図４は、本発明の一実施形態によるＰＣＲ装置のチップホルダに装着されるＰＣＲ用チップを図示している。
前記ＰＣＲ用チップ９００は、核酸、例えば、二重鎖ＤＮＡ、増幅する特定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、ＤＮＡ重合酵素、三リン酸化デオキシリボヌクレオチド（ｄＮＴＰ）、ＰＣＲ反応緩衝液を含むサンプル溶液を含んでもよい。前記ＰＣＲ用チップ９００は、前記サンプル溶液を導入するための流入部９３１、核酸増幅反応を完了したサンプル溶液を排出するための流出部９３２、及び増幅する核酸を含むサンプル溶液が収容された一つ以上のＰＣＲ反応チャンバ（または、チャンネル）９２１を含んでもよい。前記ＰＣＲ用チップ９００が、前記第１熱ブロック１００または第２熱ブロック２００に接触する場合、前記第１熱ブロック１００並びに第２熱ブロック２００の熱は、前記ＰＣＲ用チップ９００に伝達され、前記ＰＣＲ用チップ９００のＰＣＲ反応チャンバ（または、チャンネル）９２１に含まれたサンプル溶液は、加熱されるか冷却され、一定温度が維持されもする。また、前記ＰＣＲ用チップ９００は、全体的に平面形状を有することができるが、これに制限されるものではない。また、前記ＰＣＲ用チップ９００は、前記チップホルダ３００に装着された状態で、前記第１熱ブロック１００または第２熱ブロック２００に接触配置されもする。従って、本発明の一実施形態において、前記ＰＣＲ用チップ９００が、前記第１熱ブロック１００または第２熱ブロック２００の一面に配置されるということは、前記ＰＣＲ用チップ９００が、前記チップホルダ３００に装着された状態で、前記第１熱ブロック１００または第２熱ブロック２００に接触配置されることを含む。また、前記ＰＣＲ用チップ９００は、透光性材質で具現されもし、望ましくは、透光性プラスチック材質を含む。前記ＰＣＲ用チップ９００は、プラスチック材質を使い、プラスチック厚の調節だけで、熱伝達効率を上昇させることができ、製作工程が単純であって、製造コストを節減することができる。また、前記ＰＣＲ用チップ９００は、全体的に光透過性の性質を具備することができるから、前記第１熱ブロック１００または第２熱ブロック２００の一面に配置された状態で、直接に光の照射が可能であり、リアルタイムで核酸増幅いかん及び増幅程度を測定及び分析することができる。
第１プレート９１０は、第２プレート９２０上に配置される。前記第１プレート９１０が、前記第２プレート９２０の下部面に接着配置されることにより、前記貫通開口チャンネル９２１は、一種のＰＣＲ反応チャンバを形成する。また、前記第１プレート９１０は、多様な材質で具現されもするが、望ましくは、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレンカーボネート（ＰＰＣ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）及びポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、並びにその化合物で構成された群から選択される材質であってもよい。また、前記第１プレート９１０の上端面は、親水性物質９２２が処理され、ＰＣＲを円滑に遂行することができる。前記親水性物質９２２の処理によって、前記第１プレート９１０上に、親水性物質９２２を含む単一層が形成されもする。前記親水性物質は、多様な物質であってもよいが、望ましくは、カルボン酸基（−ＣＯＯＨ）、アミン基（−ＮＨ２）、ヒドロキシル基（−ＯＨ）及びスルホン基（−ＳＨ）で構成された群から選択されるものであり、前記親水性物質の処理は、当業界に公知された方法によって遂行することができる。
前記第２プレート９２０は、前記第１プレート９１０上に配置される。前記第２プレート９２０は、貫通開口チャンネル９２１を含む。前記貫通開口チャンネル９２１は、第３プレート９３０に形成された、貫通開口流入部９３１と、貫通開口流出部９３２とに対応される部分と連結され、一種のＰＣＲ反応チャンバを形成する。従って、前記貫通開口チャンネル９２１に、増幅するサンプル溶液が導入された後、ＰＣＲ反応が進められる。また、前記貫通開口チャンネル９２１は、本発明の一実施形態によるＰＣＲ装置１の使用目的及び範囲によって、２以上存在することができ、図４によれば、６個の貫通開口チャンネル９２１が例示されている。また、前記第２プレート９２０は、多様な材質で具現されもするが、望ましくは、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、及びその化合物で構成された群から選択される熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂材質であってもよい。また、前記第２プレート９２０の厚みは、多様であるが、１００μｍないし２００μｍで選択されもする。また、前記貫通開口チャンネル９２１の幅と長さは、多様であるが、望ましくは、前記貫通開口チャンネル９２１の幅は、０．５ｍｍないし３ｍｍで選択され、前記貫通開口チャンネル９２１の長さは、２０ｍｍないし４０ｍｍで選択されもする。また、前記第２プレート９２０の内壁は、ＤＮＡ・タンパク質（protein）吸着を防止するために、シラン（silane）系、ＢＳＡ（bovine serum albumin）などの物質でコーティングすることができ、前記物質の処理は、当業界に公知された方法によって遂行されもする。
前記第３プレート９３０は、前記第２プレート９２０上に配置される。前記第３プレート９３０は、前記第２プレート９２０に形成された貫通開口チャンネル９２１上の一領域に形成された貫通開口流入部９３１、及び他の一領域に形成された貫通開口流出部９３２を具備する。前記貫通開口流入部９３１は、増幅する核酸を含むサンプル溶液が流入される部分である。前記貫通開口流出部９３２は、ＰＣＲ反応が終わった後、前記サンプル溶液９３２が流出される部分である。従って、前記第３プレート９３０は、下記の第２プレート９２０に形成された貫通開口チャンネル９２１をカバーするが、前記貫通開口流入部９３１及び貫通開口流出部９３２は、前記貫通開口チャンネル９２１の流入部及び流出部の役目を行うことになる。また、前記第３プレート９３０は、多様な材質で具現されもするが、望ましくは、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレンカーボネート（ＰＰＣ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）及びポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、並びにその化合物で構成された群から選択される材質であってもよい。また、前記貫通開口流入部９３１は、多様な大きさを具備することができるが、望ましくは、直径１．０ｍｍないし３．０ｍｍで選択されもする。また、前記貫通開口流出部９３２は、多様な大きさを具備することができるが、望ましくは、直径１．０ｍｍないし１．５ｍｍで選択されもする。また、前記貫通開口流入部９３１及び貫通開口流出部９３２は、別途のカバー手段（図示せず）を具備し、前記貫通開口チャンネル９２１内で、サンプル溶液に対するＰＣＲ反応が進められるとき、サンプル溶液漏れを防止することができる。前記カバー手段は、多様な形状、大きさまたは材質でもって具現されもする。また、前記第３プレートの厚みは、多様なものであるが、望ましくは、０．１ｍｍないし２．０ｍｍで選択されもする。また、前記貫通開口流入部９３１及び貫通開口流出部９３２は、２以上存在することができる。
図５は、両面接着剤、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂が処理された本発明の一実施形態によるＰＣＲ装置のチップホルダに装着されるＰＣＲ用チップの断面を図示している。
前記ＰＣＲ用チップ９００は、機械的加工を介して、貫通開口流入部９３１及び貫通開口流出部９３２を形成し、第３プレート９３０を提供する段階と、前記第３プレート９３０の下部面と対応する大きさを有するプレート材に、前記第３プレート９３０の貫通開口流入部９３１と対応する部分から、前記第３プレート９３０の貫通開口流出部９３２に対応する部分まで、機械的加工を介して、貫通開口チャンネル９２１を形成し、第２プレート９２０を提供する段階と、前記第２プレート９２０の下部面と対応する大きさを有するプレート材の上部面に、表面処理加工を介して、親水性物質９２２で具現された表面を形成し、第１プレート９１０を提供する段階と、前記第３プレート９３０の下部面を、前記第２プレート９２０の上部面に、接合工程を介して接合し、前記第２プレート９２０の下部面を、前記第１プレート９１０の上部面に、接合工程を介して接合する段階と、を含む方法によって容易に製造されもする。
前記第３プレート９３０の貫通開口流入部９３１及び貫通開口流出部９３２、及び前記第２プレート９２０の貫通開口チャンネル９２１は、射出成形、ホット・エンボシング（hot−embossing）、キャスティング（casting）及びレーザ・アブレーション（laser ablation）で構成された群から選択される加工方法によって形成されもする。また、前記第１プレート９１０表面の親水性物質９２２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塗布から構成された群から選択される方法によって処理されもし、当業界に公知された方法によって遂行されもする。また、前記第３プレート９３０の下部面及び前記第２プレート９２０の上部面、並びに前記第２プレート９２０の下部面及び前記第１プレート９１０の上部面は、熱接合、超音波融着、溶媒接合の工程によって接着されもし、当業界に公知された方法によって遂行されもする。前記第３プレート９３０と第２プレート９２０との間、及び前記第２プレート９２０と第３プレート９１０との間には、両面接着剤、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂５００が処理されもする。
現在商用化された他社のＰＣＲ装置と、図３に図示された本発明の一実施形態によるＰＣＲ装置とをそれぞれ使い、核酸増幅反応を遂行した結果を比較分析した。他社ＰＣＲ装置は、単一熱ブロックで構成されたロッシュ（ROCHE）社のライトサイクラ１．５（LightCycler １．５）を使った。
核酸増幅反応の結果の信頼性のために、陽性対照群（positive control）のサンプル溶液、及び陰性対照群（negative control）のサンプル溶液をそれぞれ準備した。前記陽性対照群として、２Ｘ ＳＹＢＲグリーンバッファ（green buffer）３０μｌ、二重鎖テンプレートｃＤＮＡ（template ｃＤＮＡ）４．４μｌ（５０ｎｇ／２０μｌ）、特定塩基配列に相補的に結合するプライマー対、具体的には、フォワードプライマー（forward primer；６μｌ、１ｐｍｏｌｅ）、リバースプライマー（reverse primer；６μｌ、１ｐｍｏｌｅ）及び蒸溜水（distill water；１３．６μｌ）を含む約６０μｌのサンプル溶液を準備し、前記陰性対照群として、２Ｘ ＳＹＢＲグリーンバッファ（green buffer）３０μｌ及び蒸溜水（distill water；３０μｌ）を含む約６０μｌのサンプル溶液を準備した。前記他社ＰＣＲ装置と、本発明の一実施形態によるＰＣＲ装置との規格及び大きさの差を考慮し、他社ＰＣＲ装置に装着されるＰＣＲ用チップには、約３０μｌのサンプル溶液を導入し、本発明の一実施形態によるＰＣＲ装置に装着されるＰＣＲ用チップには、約５μｌのサンプル溶液を導入した。
前記実験条件を前提に、まず、本発明の一実施形態によるＰＣＲ装置を利用し、２０循環（cycle）のＰＣＲ反応を行った。第１熱ブロックを９５℃、すなわち、許容温度範囲は、９０℃ないし１００℃に加熱及び温度維持し、第２熱ブロックを７２℃、すなわち、許容温度範囲は、５５℃ないし７５℃に加熱及び温度維持した。前記陽性対照群及び陰性対照群のサンプル溶液を、ＰＣＲ用チップに導入し、前記ＰＣＲ装置のチップホルダに装着した。その後、前記ＰＣＲ装置を駆動させた。約１０秒間変性段階を遂行し、連続して１０秒間アニーリング及び延長（あるいは、増幅）段階を遂行し、それぞれの１循環段階ごとに、核酸増幅による蛍光検出値を測定した。その結果、前記ＰＣＲ装置の駆動時点から５分が経過して蛍光検出値が上昇維持曲線を示した。
また、前記実験条件を前提に、前記他社ＰＣＲ装置を利用し、２０循環のＰＣＲ反応を遂行した。その結果、本発明の一実施形態によるＰＣＲ装置を利用した核酸増幅反応と同一の蛍光検出値に逹する時間が、３０分以上かかった。
Claims (16)
- 基板上に配置された第１熱ブロックと、
前記基板上に、前記第１熱ブロックと離隔配置された第２熱ブロックと、
前記第１熱ブロック及び第２熱ブロック上に駆動手段により、左右及び／または上下の移動が自在であり、ＰＣＲ用チップが装着されたチップホルダと、
前記第１熱ブロックと第２熱ブロックとの間に配置された光源と、
前記チップホルダよりも上方に配置された、前記光源から放出される光を検出するための光検出部と
を含み、
前記ＰＣＲ用チップは、第１プレートと、前記第１プレート上に配置され、貫通開口チャンネルを具備する第２プレートと、前記第２プレート上に配置され、前記貫通開口チャンネル上の一領域に形成された貫通開口流入部、及び他の一領域に形成された貫通開口流出部を具備する第３プレートと、を含むことを特徴とするＰＣＲ（ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ ｃｈａｉｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ）装置。 - 基板上に配置された第１熱ブロックと、
前記基板上に、前記第１熱ブロックと離隔配置された第２熱ブロックと、
前記第１熱ブロック及び第２熱ブロック上に駆動手段により、左右及び／または上下の移動が自在であり、ＰＣＲ用チップが装着されたチップホルダと、
前記チップホルダよりも上方に配置された光源と、
前記第１熱ブロックと第２熱ブロックとの間に配置された、前記光源から放出される光を検出するための光検出部と
を含み、
前記ＰＣＲ用チップは、第１プレートと、前記第１プレート上に配置され、貫通開口チャンネルを具備する第２プレートと、前記第２プレート上に配置され、前記貫通開口チャンネル上の一領域に形成された貫通開口流入部、及び他の一領域に形成された貫通開口流出部を具備する第３プレートと、を含むことを特徴とするＰＣＲ（ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ ｃｈａｉｎ ｒｅａｃｔｉｏｎ）装置。 - 前記第１熱ロック及び第２熱ブロックは、その内部に熱線が配置されたことを特徴とする請求項１または２に記載のＰＣＲ装置。
- 前記熱線は、前記第１熱ブロック及び第２熱ブロックの内部温度を、全体的に一定に維持するために、各熱ブロック面の中心点を基準に、上下及び／または左右の方向に対称になるように配置されたことを特徴とする請求項３に記載のＰＣＲ装置。
- 前記第１熱ブロックまたは前記第２熱ブロックは、ＰＣＲ反応の変性段階温度を維持するように具現されたことを特徴とする請求項１または２に記載のＰＣＲ装置。
- 前記変性段階温度は、９０℃ないし１００℃であることを特徴とする請求項５に記載のＰＣＲ装置。
- 前記第１熱ブロックまたは第２熱ブロックは、ＰＣＲ反応のアニーリング及び延長（あるいは、増幅）段階温度を維持するように具現されたことを特徴とする請求項１または２に記載のＰＣＲ装置。
- 前記アニーリング及び延長（あるいは、増幅）段階温度は、５５℃ないし７５℃であることを特徴とする請求項７に記載のＰＣＲ装置。
- 前記第１熱ブロックと第２熱ブロックは、相互熱交換が起きないように既定の距離ほど離隔配置されたことを特徴とする請求項１または２に記載のＰＣＲ装置。
- 前記駆動手段は、左右方向に延長されたレール、及び前記レールを介して左右方向に摺動自在に配置され、上下方向に摺動自在な連結部材を含み、前記連結部材の一末端には、前記チップホルダが配置されたことを特徴とする請求項１または２に記載のＰＣＲ装置。
- 前記ＰＣＲ用チップは、前記チップホルダに着脱自在であることを特徴とする請求項１または２に記載のＰＣＲ装置。
- 前記ＰＣＲ用チップは、前記第１熱ブロックまたは第２熱ブロックの一面に接触され、増幅する核酸を含むサンプル溶液を収容するように具現されたことを特徴とする請求項１１に記載のＰＣＲ装置。
- 前記ＰＣＲ用チップは、透光性プラスチック材質であることを特徴とする請求項１または２に記載のＰＣＲ装置。
- 前記第１プレート及び第３プレートは、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレンカーボネート（ＰＰＣ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）及びポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、並びにその化合物で構成された群から選択される材質を含み、前記第２プレートは、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、及びその化合物で構成された群から選択される熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂材質を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のＰＣＲ装置。
- 前記第３プレートの貫通開口流入部は、直径１．０ｍｍないし３．０ｍｍで選択され、前記貫通開口流出部は、直径１．０ｍｍないし１．５ｍｍで選択され、前記第３プレートの厚みは、０．１ｍｍないし２ｍｍで選択され、前記第２プレートの厚みは、１００μｍないし２００μｍで選択され、前記貫通開口チャンネルの幅は、０．５ｍｍないし３ｍｍで選択され、前記貫通開口チャンネル長は、２０ｍｍないし４０ｍｍで選択されることを特徴とする請求項１または２に記載のＰＣＲ装置。
- 前記光検出部は、前記駆動手段よりも上方に配置され、前記駆動手段は、前記光源から放出される光を通過させるための貫通部が配置されたことを特徴とする請求項１または２に記載のＰＣＲ装置。
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