KR100320751B1 - 효소반응과 핵산혼성화 반응을 위한 다기능 온도순환 장치 - Google Patents
효소반응과 핵산혼성화 반응을 위한 다기능 온도순환 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 온도 순환 장치에 관한 것으로, 블록방식을 이용한 온도 순환 장치에 있어서, 3개 이상의 온도조절이 가능한 반응블록(1, 2, 3)과; 그중 한 개의 블록(1)은 블록의 밑면 양단부에 펠티어 소자(5a, 5b)가 부착되어 양 단부의 온도를 개별적으로 냉각 또는 가열함으로써 블록을 통하여 온도구배를 형성할 수 있으며, 상기 반응블록상을 상하운동가이드(12)와 전후운동가이드(13)에 의해 상하, 전후로 이동하므로써 온도 순환을 조절할 수 있는 XY 로봇 방식의 튜브수납플레이트(11)와; 상기 튜브수납플레이트의 양끝에 장착된 스토퍼(15)와 맞물려 상기 수납플레이트와 일체로 되는, 상기 튜브수납플레이트(11)에 장착된 튜브를 덮는 분리가능한 히팅커버(19)와; 상기 커버가 XY 로봇 방식에 의해 튜브수납플레이트(11)로부터 분리되어 삽입되는, 커버의 선택적인 착탈이 가능한 홀딩장치(18)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 온도 순환 장치에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 대용량의 시료를 단시간 내에 원하는 온도로 순환시킬 수 있어서, 다양한 효소반응, PCR, LCR(리가제 연쇄반응), 혼성화 반응, DNA 칩 PCR, in situ PCR을 수행할 수 있고, 온도 구배 블록에 의해 한번에 최적의 온도를 결정할 수 있으며, 자동으로 개폐되는 히팅커버에 의해 처리공정이 간편해지고 반응물의 증발의 염려가 제거된다.
Description
본 발명은 PCR(핵산중합효소 연쇄반응), LCR(리가제 연쇄반응), 핵산혼성화 반응 에서 사용되는 온도 순환 장치에 관한 것이다.
PCR은 일반적으로 변성(denaturation), 어닐링(annealing), 확장(elongation) 과정을 거치므로, 온도 순한 장치는 세가지 온도를 순환할 수 있는 장치로 구성된다. 이중가닥으로 되어 있는 주형을 고온(약 95℃)에서 변성시키고, 변성된 단일가닥 DNA에 프라이머를 낮은 온도(50 - 65℃)에서 어닐링시킨다. 중간의 온도(72 - 75℃)에서는 폴리머라제가 프라이머로부터 DNA를 합성해나간다. 대부분의 기기들은 각각의 온도와 시간을 프로그래밍할 수 있도록 되어 있다.
종래에는 항온 수조(water bath) 방식의 PCR 장치가 사용되어 왔다. 하지만, 근래 항온 수조 방식은 거의 사라지고, 대부분의 온도순환 기기는 블록방식의 기계로서, 금속 재질의 블록의 온도를 변화시켜 온도 순환을 수행하게 된다. 블록의 온도는 프로그래밍 되어 입력되고, 프로그램에 맞추어 조절된다. 통상 0.5ml의 튜브가 많이 사용되나 블록으로부터 튜브로 열 전달이 잘 되도록 고안된 재질의 두께가 얇은 튜브나 작은 크기의 튜브도 사용되어지고 있다. 블록의 온도를 변화시키기 때문에 온도를 올리고 내리는데 시간이 걸린다. 온도변화에 걸리는 시간은 블록의 재질이나 가열하는 방법, 그리고 냉각하는 방법이 무엇이냐에 따라서 달라지게 되고, 이것은 온도를 순환시키는데 걸리는 총 시간에도 많은 영향을 끼친다. 기계의 종류나 프로그래밍 방법에 따라서 반응시키는 효소, 핵산혼성화 반응 등의 효율은 많이 달라지게 된다.
현재, 다수의 시료, 예를들면, 384웰 내의 시료를 동시에 처리할 수 있는 대용량의 온도 순환 장치가 요구되고, DNA microarray PCR 또는 in situ PCR을 수행할 수 있는 슬라이드 글래스상에서 온도 순환시킬수 있는 기기의 필요성이 대두되고 있다.
온도 순환 반응시 정확한 반응온도는 중요하다. 반응 온도의 미세한 차이에 따라 효소 반응산물의 결과에 많은 차이가 따르게 된다. 최적의 반응 온도가 아닐 경우, 원하는 산물외에 다른 부산물이 생성되게 된다. 따라서, 최적의 반응온도 조건을 빠르게 찾을 수 있는, 즉, 하나의 블록상에서 연속적으로 온도가 감소 또는 증가되므로써 다양한 온도를 가지는 웰을 가진 온도 구배 블록에 의해 요구되는 최적 온도로 빠르게 검색될 수 있는 온도 순환 장치가 요구되고 있다.
온도 제어가 가능한 두 개의 히팅 블록과, 블록의 양 단부에 설치된 펠티어 소자에 의하여 온도구배가 형성되는 한 개의 블록을 포함하고, 스테핑 모터 콘트롤러에 의해 상기 블록 사이를 이동시킬 수 있는 XY 로봇구조와 자동 개폐 가능한 히팅커버를 개발함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 다양한 온도 순환 실험에서 최적의 온도 조건을 설정할 수 있으며, 자동화된 히팅커버를 사용하여 오일을 사용할 필요가 없는 온도 순환 장치를 제공하는 것이다.
도 1 은 본 발명의 온도 순환 장치의 정면도,
도 2 는 본 발명의 온도 순환 장치의 측면도,
도 3 은 본 발명의 온도 순환 장치의 평면도,
도 4a 내지 4c는 본 발명의 온도 순환 장치의 온도 구배 블록의 정면도, 측면도, 평면도,
도 5 는 본 발명의 히팅커버와 홀딩장치를 나타내는 정면도,
도 6a 내지 6c는 본 발명의 다른 실시형태의 온도 구배 블록의 정면도, 측면도, 평면도,
도 7은 본 발명의 온도 순환 장치의 상하운동가이드의 측면도를 나타낸 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>
1: 온도구배블록 2, 3: 히팅블록
5a, 5b: 펠티어 소자 7: 방열판
8: 팬 11: 튜브수납플레이트
18: 홀딩장치 19: 히팅커버
본 발명은 블록방식을 이용한 온도 순환 장치에 있어서, 3개 이상의 온도조절이 가능한 반응블록(1, 2, 3)과; 그중 한 개의 블록(1)은 블록의 밑면 양 단부에 펠티어 소자(5a, 5b)가 부착되어 양 단부의 온도를 개별적으로 냉각 또는 가열함으로써 블록을 통하여 온도구배를 형성할 수 있으며, 상기 반응블록상을 상하운동가이드(12)와 전후운동가이드(13)에 의해 상하, 전후로 이동하므로써 온도순환을 조절할 수 있는 XY 로봇 방식의 튜브수납플레이트(11)와; 상기 튜브수납플레이트의 양끝에 장착된 스토퍼(stopper)(15)에 삽입되어 상기 수납플레이트(11)와 일체로 되는, 상기 튜브수납플레이트에 장착된 튜브를 덮는, 분리되어 있는 히팅커버(19)와; 상기 커버가 XY 로봇 방식에 의해 튜브수납플레이트로부터 분리되어 삽입되는, 커버의 선택적인 착탈이 가능한 홀딩장치(18)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 온도 순환 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 튜브수납플레이트의 상하운동가이드에 스프링(17)을 설치하여 튜브가 블록내의 웰에 삽입시, 일정한 압력으로 튜브를 블록에 밀착시켜 블록으로부터 튜브로 열 전달이 잘 되도록 한 것을 특징으로 하는 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 블록은 슬라이드가 삽입되는 형태의 웰을 갖는 것임을 특징으로 하는 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 블록 중 어느 하나의 블록의 웰 밑면에 구멍을 형성하여 광섬유를 삽입하고, 상기 광섬유에 빛을 투사하여 이로부터 방출되는 형광을 감지하는 감지기를 장착한 것을 특징으로 하는 장치를 제공한다.
이하, 도면을 참고로 하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 블록은 제 1 반응블록(1)과 제 2 반응블록(2), 그리고 도시되지 않은 제 3 반응블록(3)을 포함하고 있다. 본 발명의 블록의 상면에는 튜브가 삽입되는 형태를 갖는 웰(4)이 다수 형성되어 있다. 본 발명의 블록은 다수의 튜브 또는 멀티-웰 플레이트가 삽입될 수 있다. 블록 가운데 제 2(2), 제 3 블록(3)은 일정한 온도로 설정되는 항온 히팅블록이고, 제 1블록(1)은 온도 구배가 형성되는 온도구배블록이다. 도 4는 본 발명의 온도 구배 블록의 정면도, 측면도, 평면도를 도시한 것이다, 제 1 블록은 블록의 밑면 양 단부에 펠티(5a, 5b)어 소자가 부착되어 있고, 펠티어 소자(5a, 5b)사이에는 다수의 온도센서(6)가 부착되어 있다. 펠티어 소자(5a, 5b)의 바로 밑면에는 방열판(7)이 구비되어 있고, 상기 방열판의 한 단부에는 팬(8)이 장착되어 있다. 제 2 블록과 제 3 블록의 밑면에는 평판히터와 온도센서가 부착되어 있다.
본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이 블록에 튜브(10)를 삽입하기 위한 튜브수납플레이트(11)를 포함하는데, 블록과 유사한 크기로서 튜브를 수납하기 위한 다수의 구멍이 형성되어 있다. 튜브수납플레이트(11) 양측에는 상하 운동가이드(12)가 연결되어 있고, 상하운동가이드의 끝 부분에 전후운동가이드(13)가 연결되어 있으며, 각각의 가이드에는 스테핑 모터(stepping motor)(14a, 14b)가 부착되어 있다. 또한, 튜브수납플레이트의 양측에는 스토퍼(stopper)(15)가 부착되어 있고, 스토퍼(15)와 튜브수납플레이트(11)사이에 스프링(16)이 구비되어 있다. 또한, 양측의 상하운동가이드(12)에는 도 7에 도시된 바와 같이 상하운동축 방향으로 스프링(17)이 설치되어 있다. 상기 스프링(17)은 튜브수납플레이트내의 튜브가 블록에 삽입될 때, 블록으로부터 튜브로 열 전달을 좋게하기 위해서 일정한 압력으로 튜브를 눌러주게 된다.
도 5는 본 발명의 히팅커버를 고정하는 홀딩장치(18)와 히팅커버(19)를 나타낸다. 홀딩장치(18)에는 도시된 바와 같이 볼 플란자(20)가 배설되어 있고 볼 플란자 옆에는 센서(21)가 부착되어 있다. 커버에는 봉(22)이 형성되어 있어, 볼플란자(20)와 맞물리도록 되어 있다.
도 6은 본 발명의 블록의 다른 실시형태를 나타낸 것이다. 튜브 또는 멀티-웰 플레이트를 사용하지 않고 슬라이드 글라스를 사용할 경우 블록의 형태는 슬라이드를 삽입할 수 있는 형태로 되어 있어야 한다. 본 발명에 있어서는 슬라이드가 삽입되는 형태의 웰(4)을 가진 블록을 포함한다. 도 4에서와 마찬가지로 블록의 바로 밑면에는 펠티어 소자(5a, 5b)가 양 단부에 설치되어 있고 그 밑에는 방열판(7)이 설치되어 있다. 방열판의 한쪽 끝에는 팬(8)이 부착되어 있다.
본 발명의 온도 순환 장치는 블록 중 어느 하나의 블록의 웰 밑면에 구멍을 형성하여 광섬유를 삽입하고, 상기 광섬유에 감지기를 연결하여 광섬유를 통하여 빛을 투사하고, 광섬유로부터 방출된 형광을 감지하는 감지기를 장착할 수 있다.
이하 본 발명의 작용을 설명한다.
본 발명의 온도 구배 블록(1)의 양 단부의 펠티어 소자(5a, 5b)의 온도가 다르게 설정되면 양쪽 펠티어 소자(5a, 5b)를 중심으로 블록은 온도구배가 형성된다.본 발명의 바람직한 실시예에서 온도구배블록(1)은 35℃ 내지 70℃에 걸쳐 온도구배가 형성될 수 있다. 양 단부의 펠티어 소자에 설정되는 온도에 따라 블록에 형성되는 온도구배는 다르게 된다. 양 단부의 펠티어 소자가 50℃와 60℃로 설정되면 블록은 50℃와 60℃사이에서 온도구배를 형성하게 된다. 각종 효소반응 목적에 따라 양 펠티어 소자(5a, 5b)의 온도를 다르게 설정할 수 있다. 펠티어 소자를 중심으로 상부와 하부는 펠티어 소자에 의해 형성된 열 또는 냉기에 의해 온도차가 발생하게 된다. 방열판(7)은 펠티어 소자에 의해 생성된 열 또는 냉기를 분산시키는 역할을 하고, 팬(8)은 방열판에 의해 분산된 열 또는 냉기를 외부로 배출시키는 역할을 한다. 바람직한 실시예에 있어서, 본 발명의 온도 구배 블록(1)은 어닐링 블록으로서 사용될 수 있다. PCR 반응시 어닐링 단계에서 어닐링 온도는 매우 중요하다. 본 발명의 온도구배블록을 어닐링 단계에서 사용하면 정확한 어닐링 온도를 결정할 수 있게 된다. 히팅블록은 블록 밑면에 히터가 장착되어 있어 설정되는 온도로 일정하게 유지된다. 본 발명에서 히팅블록은 바람직하게 확장단계(elongation step)와, 변성단계(denaturation step)에서 사용될 수 있다. 보통, 확장단계는 70℃ 내지 75℃사이에서 수행되고, 변성단계는 90℃ 내지 95℃에서 수행된다.
본 발명의 튜브수납 플레이트(11)는 상하 운동가이드(12)와 전후 운동가이드(13) 및 각각의 스테핑 모터(14a, 14b)에 의해 상하, 전후로 이동된다. 상하운동가이드(12)는 튜브수납플레이트(12)를 블록내로 삽입시키거나 블록으로부터 꺼내는 상하운동 작용을 하고, 전후운동가이드는 튜브수납플레이트를 블록간 이동시키는 전후운동 작용을 한다.
튜브수납플레이트(11)와 히팅커버(19)는 일체로 형성되게 되는데, 히팅커버(19)는 튜브수납플레이트(11)의 양쪽에 있는 스토퍼(15) 밑으로 삽입되어 튜브수납플레이트와 일체로 되고, 히팅커버(19)가 튜브수납플레이트(11)로부터 이탈시에는 스토퍼(15)가 히팅커버 상면을 수평으로 이동함으로써 히팅커버는 튜브수납플레이트로부터 분리된다. 본 발명의 히팅커버에는 히터가 장착되어 되어 있어 PCR 반응시 반응온도를 유지하게 되어 반응물의 증발이 방지되게 된다. 히팅커버(19)에는 봉(22)이 형성되어 있어 홀딩장치의 삽입부로 삽입되어 볼플란자(20)와 맞물리게 된다. 센서(21)가 볼플란자와 봉의 삽입여부를 감지하게 된다. 통상, 히팅커버는 홀딩장치에 고정되어 있다. PCR 반응이 시작되면, 튜브수납플레이트의 상하, 전후이동에 의해 튜브수납플레이트는 홀딩장치에 고정되어 있는 히팅커버쪽으로 이동하여 스토퍼(15) 밑으로 히팅커버를 삽입시키게 된다. 그후 상하운동가이드에 의한 하향이동에 의해 볼플란자와 맞물려 있는 힘보다 하향이동에 의한 힘이 더 커 히팅커버(19)는 홀딩장치(18)로부터 분리되게 된다. PCR 반응동안 히팅커버는 튜브수납플레이트와 일체로 되어 이동된다. PCR 반응이 종료되면, 히팅커버는 홀딩장치에 원상태로 다시 고정되게 되어 커버가 열리게 되고 그후 튜브수납플레이트로부터 멀티-웰 플레이트가 회수된다. 이와 같이 본 발명의 히팅커버(19)는 자동으로 착탈이 가능함으로써, 반응종료 후, 멀티-웰 반응 플레이트의 회수가 간편해지고 종료된 반응물이 다음 공정에 바로 쉽게 이용될 수 있다. 상기 모든 과정은 프로그램에 의해 조절되게 된다. 본 발명의 장치는 PC interface가 가능하고 PC에 의하여 제어가 가능하다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 블록의 형태는 슬라이드가 삽입되는 형태의 웰로 되어 있어서, 슬라이드 자체로 PCR 반응, 핵산혼성화 반응 등을 수행할 수 있어 DNA 칩, 또는 in situ PCR을 수행할 수 있다.
본 발명에 의하면 96 웰 또는 384 웰 플레이트 단시간 내에 처리할 수 있으며, 온도 구배에 의해 한번에 최적의 반응 온도를 결정할 수 있으며 히팅커버가 있으므로 증발의 염려가 없어 오일이 사용될 필요가 없다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 대용량의 시료를 단시간 내에 원하는 온도로 순환시킬 수 있어서, 다양한 효소반응, PCR, LCR(리가제 연쇄반응), 혼성화 반응, DNA 칩 PCR, in situ PCR을 수행할 수 있고, 온도 구배 블록에 의해 한번에 최적의 반응온도를 결정할 수 있으며, 자동으로 개폐되는 히팅커버에 의해 처리공정이 간편해지고 반응물의 증발의 염려가 제거된다.
Claims (4)
- 블록방식을 이용한 온도 순환 장치에 있어서, 3개 이상의 온도조절이 가능한 반응블록(1, 2, 3)과; 그중 한개 블록은 블록의 밑면 양단부에 펠티어 소자(5a, 5b)가 부착되어 양단부의 온도를 개별적으로 냉각 또는 가열함으로써 블록을 통하여 온도구배를 형성할 수 있으며, 상기 반응블록상을 상하운동가이드(12)와 전후운동가이드(13)에 의해 상하, 전후로 이동하므로써 온도순환을 조절할 수 있는 XY 로봇 방식의 튜브수납플레이트(11)와; 상기 튜브수납플레이트의 양끝에 장착된 스토퍼(15)로 삽입되어 상기 수납플레이트와 일체로 되는, 상기 튜브수납플레이트에 장착된 튜브를 덮는, 분리가능한 히팅커버(19)와; 상기 커버가 튜브수납플레이트로부터 분리되어 삽입되는, 커버의 선택적인 착탈이 가능한 홀딩장치(18)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 온도 순환 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 튜브수납플레이트의 상하운동가이드에 스프링(17)을 설치하여 튜브(10)가 블록내의 웰(4)에 삽입시, 튜브를 블록에 밀착시켜 블록으로부터 튜브로 열 전달이 잘 되도록 한 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 블록이 슬라이드가 삽입되는 형태의 웰을 갖는 것임을 특징으로 하는 장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 블록 중 어느 하나의 블록의 웰 밑면에 구멍을 형성하여 광섬유를 삽입하고, 상기 광섬유에 빛을 투사하여 이로부터 방출되는 형광을 감지하는 감지기를 장착한 것을 특징으로 하는 장치.
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