KR100632981B1 - Heater Block for PCR Device - Google Patents
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Abstract
PCR 장치 본체와, 증폭하고자 하는 DNA 칩이 장착되는 히터블록을 구비한 PCR 유닛으로 구성되는 DNA를 증폭시키는 PCR 장치의 히터블록에 있어서, 상기 히터블록은 증폭시킬 DNA 칩을 올려놓을 수 있도록 상단부에 장착부가 형성된 거치대와, 상기 거치대의 장착부에 장착되며 상기 DNA 칩을 올려놓는 베이스인 실리콘 히터와, 상기 실리콘 히터를 가열하기 위해 상기 거치대의 장착부 일측에 구비된 복수개의 가열 바이메탈 플레이트와, 상기 거치대의 일측 내부에 구비되며 상기 가열 바이메탈 플레이트에 전원을 공급하기 위한 히터 PCB를 포함하여 구성되는 PCR 장치의 히터블록을 제공한다.In the heater block of a PCR device for amplifying a DNA consisting of a PCR unit body having a PCR unit main body and a PCR unit having a heater block on which the DNA chip to be amplified, the heater block is placed on the upper end so that the DNA chip to be amplified A cradle formed with a mounting portion, a silicon heater mounted on the mounting portion of the cradle, and a base on which the DNA chip is placed, a plurality of heating bimetal plates provided on one side of the mounting portion for heating the silicon heater, and the cradle It is provided on one side and provides a heater block of a PCR device including a heater PCB for supplying power to the heating bimetal plate.
Description
도 1은 통상적으로 사용되고 있는 PCR 장치의 사시도.1 is a perspective view of a PCR device commonly used.
도 2는 통상적으로 사용되고 있는 PCR 유닛의 사시도.2 is a perspective view of a PCR unit which is commonly used.
도 3은 통상적으로 사용되고 있는 실리콘 히터에 형성된 히터패턴의 형상을 나타낸 구조도.3 is a structural diagram showing the shape of a heater pattern formed on a silicon heater that is commonly used.
도 4는 종래 기술에 따른 히터블록의 사시도.Figure 4 is a perspective view of a heater block according to the prior art.
도 5는 종래 기술에 따른 실리콘 히터의 코팅면 손상을 나타낸 상태도.Figure 5 is a state diagram showing damage to the coating surface of the silicon heater according to the prior art.
도 6은 본 발명에 따른 히터블록의 사시도.6 is a perspective view of a heater block according to the present invention;
도 7은 본 발명에 따른 가열 바이메탈 플레이트의 상태변화를 나타낸 구조도.7 is a structural diagram showing a state change of the heating bimetal plate according to the present invention.
도 8은 본 발명에 따른 히터블록의 단면도.8 is a cross-sectional view of a heater block according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
100 : PCR 본체 110 : 디스플레이 패널100: PCR body 110: display panel
120 : 내측벽 122 : 내측 배기구120: inner wall 122: inner exhaust port
130 : 외측벽 132 : 외측 배기구130: outer wall 132: outer exhaust port
140 : 상측커버 200 : PCR 유닛140: upper cover 200: PCR unit
210 : 송풍기 220 : 토출구210: blower 220: discharge port
230 : 덮개 300 : 히터블록230: cover 300: heater block
310 : DNA 칩 320 : 거치대310: DNA chip 320: holder
322 : 장착부 324 : 유동채널322 mounting
330 : 실리콘 히터 332 : 히터패턴330: silicon heater 332: heater pattern
340 : 가열 바이메탈 플레이트 342 : 리브340: heating bimetal plate 342: rib
350 : 가열 커플 플레이트 360 : 전자석350: heating couple plate 360: electromagnet
370 : 히터 PCB 380 : 다이폴 전송부370: heater PCB 380: dipole transmission unit
본 발명은 DNA 칩을 가열하여 DNA를 증폭시키는 PCR(Polymerase Chain Reaction) 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가열수단이 접촉되는 부분을 바이메탈로 하여 히터블록의 내구성을 강화시키며, 온도를 검출하는 프로브의 구조를 전자석을 이용한 전기적 신호에 의해 전자석에 실리콘 히터가 착탈할 수 있도록 하여 온도를 측정하는 구조로 형성한 PCR 장치의 히터블록에 관한 것이다.The present invention relates to a PCR (Polymerase Chain Reaction) apparatus for amplifying DNA by heating a DNA chip. More specifically, a probe for detecting temperature by enhancing the durability of a heater block by using a bimetal as a part to be heated. It relates to a heater block of a PCR device formed of a structure that measures the temperature by allowing the silicon heater to be attached to and detached from the electromagnet by an electrical signal using an electromagnet.
DNA 증폭기술은 생명과학, 유전공학 및 의학분야 등의 연구개발 및 진단 목적으로 광범위하게 활용되고 있으며, 특히 중합효소 연쇄반응에 의한 DNA 증폭기술(이하, 'PCR DNA 증폭기술'이라 한다)이 널리 활용되고 있다.DNA amplification is widely used for research and development and diagnostic purposes in the fields of life science, genetic engineering, and medicine. In particular, DNA amplification by polymerase chain reaction (hereinafter referred to as 'PCR DNA amplification') is widely used. It is utilized.
PCR DNA 증폭기술을 자동화하여 여러 종류의 DNA 시료들을 보다 효율적으로 빠른 시간 안에 증폭하기 위한 다양한 장치 및 방법들이 개발되어 사용되고 있는데, 그 기본적인 작동원리는 다음과 같다.Various devices and methods have been developed and used to automate PCR DNA amplification to amplify various DNA samples more efficiently and quickly. The basic principles of operation are as follows.
상용화된 PCR DNA 증폭기술에서는, 증폭될 주형 DNA(Template DNA), 주형 DNA의 각 단일가닥의 특정 서열과 상보적인 서열을 가지는 올리고뉴클레오티드(Oligonucleotide) 프라이머(Primer)쌍, 고온 안정성 DNA 중합효소(Thermostable DNA polymerase) 및 삼인산화데옥시리보뉴클레오티드(Deoxyribonucleotide triphosphates : dNTP)를 포함한 시료를 준비하고, 이 시료의 온도를 순차적으로 변화시키는 온도 사이클을 반복함으로써 주형 DNA의 특정 부위 염기서열을 증폭한다. 구체적으로 3단계 또는 2단계의 온도순환 사이클을 사용하게 되는데, 온도 변화에 의하여 DNA 증폭을 달성하는 과정은 다음과 같다. 첫 번째 단계는 변성단계(Denaturation step)로서, 상기 시료를 고온으로 가열시킴으로써 이중가닥 DNA를 단일가닥 DNA로 분리하는 단계이다. 두 번째 단계는 풀림단계(Annealing step)로서, 상기 변성단계를 거친 시료를 적정 온도로 냉각시킴으로써, 상기 단일가닥 DNA와 상기 프라이머가 이중 나선 결합을 하여 부분적으로 이중가닥이 된 DNA-프라이머 복합체(DNA-primer complex)를 형성하는 단계이다. 세 번째 단계는 중합단계(Polymerization step)로서, 상기 풀림단계를 거친 시료를 적정 온도로 유지함으로써 상기 DNA-프라이머 복합체의 프라이머를 DNA 중합효소가 중합반응에 의해 연장(Extension)함으로써 원래의 주형 DNA에 대하여 상보적인 서열을 가지는 새로운 단일가닥 DNA를 복제하는 단계이다. 이와 같은 세 가지 단계를 순차적으로 20∼40회 정도 반복하여 매 사이클마다 상기 두 개의 프라이머 사이의 DNA가 복제되게 함으로써 수백만 배 또는 그 이상에 이르는 DNA 증폭을 달성하게 된다.Commercially available PCR DNA amplification techniques include template DNA to be amplified, oligonucleotide primer pairs having sequences complementary to specific sequences of each single strand of template DNA, and high temperature stable DNA polymerases. Samples containing DNA polymerase and deoxyribonucleotide triphosphates (dNTP) are prepared and amplified at the specific site sequence of the template DNA by repeating the temperature cycle of sequentially changing the temperature of the sample. Specifically, a three- or two-step temperature cycling cycle is used. The process of achieving DNA amplification by temperature change is as follows. The first step is the denaturation step, in which the double-stranded DNA is separated into single-stranded DNA by heating the sample to a high temperature. The second step is an annealing step, in which the sample subjected to the denaturation step is cooled to an appropriate temperature, whereby the single-stranded DNA and the primer are double-stranded and partially double-stranded DNA-primer complexes (DNA). -primer complex). The third step is a polymerization step, in which the primers of the DNA-primer complex are extended by the polymerization reaction of the primers of the DNA-primer complex by maintaining the sample subjected to the annealing step at an appropriate temperature. This step is to replicate a new single-stranded DNA having a sequence complementary to. By repeating these three
상기 변성단계에서의 온도는 90℃에서 95℃ 범위의 값이며, 상기 풀림단계에서의 온도는 사용된 프라이머의 녹는점(Tm), 즉 Tm값에 따라 적정하게 조절하는데, 통상적으로 40℃ 내지 60℃ 범위의 값이다. 중합단계에서의 온도는 주로 사용하는 써머스 아쿠아티쿠스(Thermus aquaticus)로부터 추출한 고온 안정성 택 DNA 중합효소(Taq DNA Polymerases)의 최적 활성 온도인 72℃로 맞추어, 3단계 온도 순환 사이클을 사용하는 것이 가장 보편적이며, 택 DNA 중합효소의 활성 온도 범위가 상당히 넓으므로 상기 풀림단계와 중합단계의 온도를 같게 하여 온도를 순환하는 2단계 온도 사이클도 사용하고 있다.The temperature in the denaturation step is a value in the range of 90 ℃ to 95 ℃, the temperature in the annealing step is appropriately adjusted according to the melting point (Tm), that is, the Tm value of the primer used, typically 40 ℃ to 60 It is a value in the range of ° C. Temperature in the polymerization step is mainly sseomeoseu aqua tea kusu high temperature stability chosen DNA polymerase extracted from (Thermus aquaticus) used according to the 72 ℃ optimum active temperature (Taq DNA Polymerases), to use a three-step temperature cycle cycle the Since the active temperature range of the tack DNA polymerase is quite wide, a two-stage temperature cycle is also used in which the temperature of the unwinding and polymerization steps is equalized to circulate the temperature.
여기서, 일정 온도의 유지와 단계별 온도 변화가 신속하게 이루어지지 않으면 풀림단계에서 온도가 낮아지면 증폭시키고자 하는 정 위치에 프라이머가 붙지 않기 때문에 수율에 큰 영향을 미치게 된다.Here, if the maintenance of a constant temperature and the temperature change step by step is not made quickly, if the temperature is lowered in the annealing step, since the primer is not attached to the position to be amplified, it has a great effect on the yield.
이와 같이 DNA 칩을 가열하여 DNA를 증폭시키는 PCR 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, PCR 장치 본체(100)와, 상기 본체(100)에 수용되는 다수의 PCR 유닛(200)과, 상기 본체(100)의 전방에 설치되는 디스플레이 패널(110)을 포함하여 구성된다.As described above, a PCR device for amplifying DNA by heating a DNA chip includes a PCR device
상기 PCR 본체(100) 상부에는 상측커버(140)가 설치되며, 상기 상측커버(140)를 열고 PCR 유닛(200)을 장착 또는 탈착할 수 있다. 상기 PCR 본체(100)의 측벽은 내측벽(120) 및 외측벽(130)의 2중 측벽구조를 구비하는데, 상기 내측벽 (120)에는 내측 배기구(122)가 소정의 영역에 집중되어 형성되어 있고, 상기 외측벽(130)에는 외측 배기구(132)가 전면에 걸쳐 분산되어 균일하게 형성되어 있다.The
상기 디스플레이 패널(110)은 PCR의 증폭상태를 표시하고, 사용자의 선택을 위해 각종 메뉴화면이 표시된다. 사용자는 터치 스크린(Touch screen) 상에 표시되는 메뉴화면에서 커맨드를 직접 선택할 수 있다.The
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 PCR 유닛(200)은 증폭하고자 하는 DNA 칩(310)이 장착되는 거치대(320)와, 상기 거치대(320)를 통과하여 후방에서 전방으로 연장된 유동채널(324)로 구성되는 히터블록(Heater block)(300)과 상기 히터블록(300)의 후방에 설치되어 상기 DNA 칩(310)을 냉각시키는 송풍기(210)가 형성되어 있으며, 후방의 송풍기(210)에 의해 강제로 PCR 유닛의 내부로 유입된 공기는 유동채널(324)을 경유하면서 상기 DNA 칩(310)을 냉각시키고 전방의 토출구(220)를 통해 PCR 유닛(200)의 외부로 유동한다.As shown in FIG. 2, the
상기 거치대(320)의 저부, 보다 구체적으로는, DNA 칩(310)의 프레임 양측에 대응되는 부분에는 고정핀이 형성되어 DNA 칩(310)과 실리콘 히터(330)를 서로 밀착시키고, 이들을 거치대(320)에 가압 고정한다.The bottom of the
또한, 상기 실리콘 히터(330)의 하단부에는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 가열 바이메탈 플레이트(340)가 접촉되어 가열 바이메탈 플레이트(340)와의 열교환에 의해 실리콘 히터(330)를 가열시키는 히터패턴(Heater pattern)(332)이 형성되어 있으며, 상기 히터패턴(332)의 손상을 방지하기 위해 상기 실리콘 히터(330)의 상단부와 하단부를 백금으로 코팅시킨다.In addition, as shown in FIG. 3, the heating pattern of the
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 PCR 장치의 히터블록(300)은 DNA 칩(310)을 올려놓는 베이스인 실리콘 히터(330)의 하단에 형성된 백금 코팅면의 열패턴에 가열 프로브 핀(Thermal probe pin)(10)이 접촉하여 열교환에 의해 칩이 데워지고, 열량의 변화에 의해 온도변화를 자유 자재로 바꿀 수 있는 구조로 되어있다.As shown in Figure 4, the
이때, 상기 가열 프로브 핀(10)에 대해 타측에 형성된 가열 커플핀(20)에 의해 실리콘 히터(330)의 온도를 측정할 수 있다.In this case, the temperature of the
여기서, 상기 실리콘 히터(330)는 착탈이 가능하며, 장착했을 때 가열 프로브 핀(10)의 하단에 형성된 스프링 힘에 의해 하단에 밀착하게 되며, 이때의 열교환은 점 접촉에 의해 이루어진다.Here, the
하지만 상기와 같은 종래의 PCR 장치는 열 프로브 핀에 의해 점 접촉이 이루어짐으로써 열 분포가 불균일 할 뿐만 아니라 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 히터의 코팅면이 손상되는 문제점이 있었다. However, the conventional PCR apparatus as described above has a problem in that the point contact is made by the thermal probe pins and thus the heat distribution is not uniform, and the coating surface of the silicon heater is damaged as shown in FIG. 5.
또한, 실리콘 히터의 코팅면 손상은 PCR 장치의 고장 원인이 되며 이로 인해 DNA 증폭이 되지 않는 문제점이 있었다.In addition, the damage of the coating surface of the silicon heater causes a failure of the PCR device, and there was a problem that the DNA amplification is not possible.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 DNA 칩을 올려놓는 베이스인 실리콘 히터와 가열수단이 접촉되는 부분을 바이메탈로 하여 히터블록의 내구성을 강화시키고, 온도를 검출하는 프로브의 구조를 전자석을 이용한 전기적 신호에 의해 전자석에 실리콘 히터가 착탈할 수 있도록 하여 온도를 측정하는 구조로 형성함으로써, 접촉저항을 현저히 감소시키고 접촉면적을 넓혀 열변환 및 열 분포를 안정시키는 PCR 장치의 히터블록을 제공하는데 있다.The present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is to enhance the durability of the heater block by making a portion where the silicon heater, which is the base on which the DNA chip is placed, and the heating means is in contact with the bimetal, to detect the temperature PCR is used to measure the temperature of the probe by forming a structure to measure the temperature by allowing the silicon heater to be attached to or detached from the electromagnet by an electrical signal using an electromagnet, thereby significantly reducing contact resistance and widening the contact area. It is to provide a heater block of the device.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 PCR 장치의 히터블록은 PCR 장치 본체와, 증폭하고자 하는 DNA 칩이 장착되는 히터블록을 구비한 PCR 유닛으로 구성되는 DNA를 증폭시키는 PCR 장치의 히터블록에 있어서, 상기 히터블록은 증폭시킬 DNA 칩을 올려놓을 수 있도록 상단부에 장착부가 형성된 거치대와, 상기 거치대의 장착부에 장착되며 상기 DNA 칩을 올려놓는 베이스인 실리콘 히터와, 상기 실리콘 히터를 가열하기 위해 상기 거치대의 장착부 일측에 구비된 복수개의 가열 바이메탈 플레이트(Thermal bimetal plate)와, 상기 실리콘 히터의 온도를 측정하기 위해 상기 거치대의 장착부 타측에 구비된 복수개의 가열 커플 플레이트(Thermal couple plate)와, 상기 가열 커플 플레이트의 하단부에 구비되어 상기 가열 커플 플레이트를 상기 실리콘 히터에 접촉시키기 위한 전자석과, 상기 거치대의 일측 내부에 구비되며 상기 가열 바이메탈 플레이트에 전원을 공급하기 위한 히터 PCB(Printed Circuit Board)와, 상기 히터 PCB와 대향되는 타측 내부에 구비되며 상기 가열 커플 플레이트와 상기 가열 커플 플레이트의 하단부에 구비된 전자석에 전원을 공급하여 상기 실리콘 히터의 온도를 측정하기 위한 다이폴(Dipole) 열교환기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.In the heater block of the PCR device of the present invention for achieving the above object, in the heater block of the PCR device for amplifying the DNA consisting of a PCR unit having a PCR unit body, and the heater block is mounted on the DNA chip to be amplified, The heater block is a cradle formed with a mounting portion on the upper end to place the DNA chip to be amplified, a silicon heater mounted on the mounting portion of the cradle and the base on which the DNA chip is placed, and the cradle for heating the silicon heater. A plurality of heating bimetal plates provided on one side of the mounting part, a plurality of heating couple plates provided on the other side of the mounting part of the mount to measure the temperature of the silicon heater, and the heating couple plate Is provided at a lower end of the heating couple plate for contacting the silicon heater. A heater, a printed circuit board (PCB) for supplying power to the heating bimetal plate, and provided inside the other side facing the heater PCB, the heating couple plate and the heating couple plate It is characterized in that it comprises a dipole (Dipole) heat exchanger for measuring the temperature of the silicon heater by supplying power to the electromagnet provided at the lower end of the.
여기서, 상기 거치대는 상기 PCR 유닛의 후방에 설치된 송풍기에 의해 강제 로 유입된 공기를 경유시키기 위해 후방에서 전방으로 연장된 유동채널이 일정 폭으로 형성되어 있다.Here, the cradle is formed with a predetermined width of the flow channel extending from the rear to the front to pass through the air forcedly introduced by the blower installed in the rear of the PCR unit.
또한, 상기 실리콘 히터의 하단부에는 상기 가열 바이메탈 플레이트가 접촉되어 가열 바이메탈 플레이와의 열교환에 의해 실리콘 히터를 가열시키는 히터패턴(Heater pattern)이 형성되어 있으며, 상기 히터패턴의 손상을 방지하기 위해 상기 실리콘 히터의 상단부와 하단부를 백금으로 코팅시킨다.In addition, a heater pattern is formed at a lower end of the silicon heater in contact with the heating bimetal plate to heat the silicon heater by heat exchange with the heating bimetal play, and to prevent damage to the heater pattern. The top and bottom of the heater are coated with platinum.
상기 가열 바이메탈 플레이트는 팽창계수가 다른 두 종류의 얇은 금속편을 맞붙인 바이메탈 구조로 되어 있으며, 상기 히터 PCB에 의해 전원이 공급되면 바이메탈의 성질에 따라 재료가 변형되어 상기 실리콘 히터에 접촉되어 실리콘 히터를 가열한다.The heating bimetal plate has a bimetal structure in which two kinds of thin metal pieces with different expansion coefficients are bonded together, and when the power is supplied by the heater PCB, the material is deformed according to the properties of the bimetal to contact the silicon heater to provide a silicon heater. Heat.
상기 얇은 금속편의 재료는, 팽창이 적은 쪽인 상부는 철, 니켈과 철의 합금, 팽창이 큰 쪽인 하부는 구리와 아연의 합금, 니켈·망간·철의 합금, 니켈·몰리브덴·철의 합금, 망간·니켈·구리의 합금 등 통상적으로 사용되고 있는 바이메탈은 모두 사용 가능하다.In the material of the above-mentioned thin metal piece, the upper part with less expansion is iron, an alloy of nickel and iron, and the lower part with large expansion is an alloy of copper and zinc, an alloy of nickel, manganese, iron, an alloy of nickel, molybdenum, iron, and manganese. All the commonly used bimetals, such as an alloy of nickel and copper, can be used.
이와 같이, 상기 가열 바이메탈 플레이트를 바이메탈 구조로 함으로써 상기 실리콘 히터와 가열 바이메탈 플레이트간의 접촉 저항을 감소시킬 수 있으며, 접촉 면적을 넓힘에 따라 상기 실리콘 히터와 가열 바이메탈 플레이트간의 열교환 및 열 분포를 안정화시킬 수 있다.As described above, the heating bimetal plate may have a bimetal structure to reduce contact resistance between the silicon heater and the heating bimetal plate, and as the contact area increases, heat exchange and heat distribution between the silicon heater and the heating bimetal plate may be stabilized. have.
여기서, 상기 바이메탈 구조의 가열 바이메탈 플레이트 하단부에 변형억제구간을 형성하기 위해 얇은 판 형상의 리브를 부착하여 상기 리브에 의해 형성된 변 형억제구간에 의해 선 접촉이 면 접촉으로 바뀌게 함으로써 상기 가열 바이메탈 플레이트의 효율이 향상하게 된다.Here, a thin plate-shaped rib is attached to the lower end of the heating bimetal plate of the bimetal structure to change the line contact into the surface contact by the deformation suppression section formed by the rib. Efficiency is improved.
또한, 상기 거치대의 장착부에 구비된 가열 커플 플레이트의 하단부에 전자석을 구비하여 상기 가열 커플 플레이트를 상기 전자석에 의해 상기 거치대의 장착부에 장착시킴으로써, 접촉 부하 감소 및 정확한 온도 감지가 가능해진다.In addition, by providing an electromagnet at the lower end of the heating couple plate provided in the mounting portion of the cradle, the heating couple plate is mounted on the mounting portion of the cradle by the electromagnet, thereby reducing contact load and accurate temperature sensing.
상기 실리콘 히터의 온도 측정은 상기 DNA 칩이 놓여진 실리콘 히터를 상기 가열 바이메탈 플레이트에 장착하고 바이메탈 구조로 된 가열 바이메탈 플레이트에 전류를 가해 주면, 바이메탈의 성질에 따라 재료가 변형되어 실리콘 히터에 접촉되어 가열한다. 이때 상기 거치대에 구비된 다이폴 전송부가 작동하는데, 상기 가열 커플 플레이트에 -/+ 극의 전원을 연결하고 상기 전자석에 같은 전원(-/+)을 서서히 인가시켰다 끊었다를 반복하면 상기 가열 커플 플레이트가 상하로 움직이면서 상기 실리콘 히터의 순간 온도를 측정할 수 있게 된다.Temperature measurement of the silicon heater is a silicon heater in which the DNA chip is placed on the heating bimetal plate and applying a current to the heating bimetal plate of the bimetal structure, the material is deformed according to the properties of the bimetal to contact the silicon heater and heated do. At this time, the dipole transmitter provided in the cradle is operated. The heating couple plate is vertically connected by connecting a power of-/ + pole to the heating couple plate and gradually applying the same power (-/ +) to the electromagnet. It is possible to measure the instantaneous temperature of the silicon heater while moving to.
또한, 상기에서와 같이 상기 히터 PCB와 다이폴 전송부를 거치대 내부에 내장시킴으로써 상기 히터블록의 크기를 줄일 수 있다.In addition, as described above, the size of the heater block may be reduced by embedding the heater PCB and the dipole transmitter inside the holder.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 통상적으로 사용되고 있는 PCR 장치의 사시도이고, 도 2는 통상적으로 사용되고 있는 PCR 유닛의 사시도이며, 도 3은 통상적으로 사용되고 있는 실리콘 히터에 형성된 히터패턴의 형상을 나타낸 구조도이고, 도 4는 종래 기술에 따른 히터블록의 사시도이며, 도 6은 본 발명에 따른 히터블록의 사시도이고, 도 7은 본 발명에 따른 가열 바이메탈 플레이트의 상태변화를 나타낸 구조도이며, 도 8은 본 발명에 따른 히터블록의 단면도로서 함께 설명한다.1 is a perspective view of a PCR device that is commonly used, Figure 2 is a perspective view of a PCR unit that is commonly used, Figure 3 is a structural diagram showing the shape of a heater pattern formed on a silicon heater that is commonly used, Figure 4 is a conventional 6 is a perspective view of a heater block according to the present invention, FIG. 6 is a perspective view of a heater block according to the present invention, FIG. 7 is a structural diagram showing a state change of a heating bimetal plate according to the present invention, and FIG. 8 is a view of a heater block according to the present invention. It demonstrates together as sectional drawing.
본 발명에 따른 PCR 장치의 히터블록은, PCR 장치의 본체와, 상기 본체에 수용되며 DNA를 증폭하는 다수의 PCR 유닛과, 상기 본체의 전방에 설치되며 DNA 증폭상태를 표시하는 디스플레이 패널로 구성된 통상적으로 사용되고 있는 PCR 장치에 장착시켜 사용하는 것으로서, 통상적으로 사용되고 있는 PCR 장치에 대해 설명하면 다음과 같다.The heater block of the PCR device according to the present invention is typically composed of a main body of a PCR device, a plurality of PCR units accommodated in the main body and amplifying DNA, and a display panel installed in front of the main body and displaying a DNA amplification state. As described above, a PCR device which is commonly used and used as a PCR device is used.
상기 PCR 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, PCR 장치의 본체(100)와, 상기 본체(100)에 수용되며 DNA를 증폭하는 다수의 PCR 유닛(200)과, 상기 본체(100)의 전방에 설치되며 DNA 증폭상태를 표시하는 디스플레이 패널(110)로 구성되어 있다.As shown in FIG. 1, the PCR apparatus includes a
상기 본체(100) 상부에는 상측커버(140)가 설치되며, 상기 상측커버(140)를 열고 PCR 유닛(200)을 장착 또는 탈착할 수 있다. 상기 본체(100)의 측벽은 내측벽(120) 및 외측벽(130)의 2중 측벽구조를 구비하는데, 상기 내측벽(120)에는 내측 배기구(122)가 소정의 영역에 집중되어 형성되어 있고, 상기 외측벽(130)에는 외측 배기구(132)가 전면에 걸쳐 분산되어 균일하게 형성되어 있다.The
상기 디스플레이 패널(110)은 PCR의 증폭상태를 표시하고, 사용자의 선택을 위해 각종 메뉴화면이 표시된다. 사용자는 터치 스크린(Touch screen) 상에 표시되는 메뉴화면에서 커맨드를 직접 선택할 수 있다.The
상기 PCR 유닛(200)은 도 2에 도시된 바와 같이, 증폭시키고자 하는 DNA 칩(310)이 장착되는 히터블록(300)과, 상기 히터블록(300)의 후방에 설치되어 상기 DNA 칩(310)을 냉각시키는 송풍기(210)와, 상기 송풍기(210)에 의해 강제 유입된 공기를 배출하는 토출구(220)가 전방에 형성된 덮개(230)를 구비한다.As shown in FIG. 2, the
여기서, 상기 송풍기(210)에 의해 강제로 PCR 유닛(200)의 내부로 유입된 공기는 유동채널(324)을 경유하면서 상기 DNA 칩(310)을 냉각시키고, 상기 덮개(230)에 형성된 전방의 토출구(220)를 통해 PCR 유닛(200)의 외부로 유동시킨다.Here, the air forcibly introduced into the
상기와 같이 구성되는 PCR 장치에 장착되는 본 발명의 히터블록은 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이, 증폭시킬 DNA 칩(310)을 올려놓을 수 있도록 상단부에 장착부(322)가 형성된 거치대(320)와, 얇은 판 형상으로 형성되어 상기 거치대(320)의 장착부(322)에 장착되며 상기 DNA 칩(310)을 올려놓는 베이스인 실리콘 히터(330)와, 상기 실리콘 히터(330)를 가열하기 위해 상기 거치대(320)의 장착부(322) 일측에 구비된 복수개의 가열 바이메탈 플레이트(340)와, 상기 거치대(320)의 일측 내부에 구비되며 상기 가열 바이메탈 플레이트(340)에 전원을 공급하기 위한 히터 PCB(370)를 포함하여 구성된다.As shown in FIGS. 4 and 6, the heater block of the present invention mounted on the PCR device configured as described above has a
이때, 상기 실리콘 히터(330)의 온도를 측정하기 위해 상기 거치대(320)의 장착부(322) 타측에 구비된 복수개의 가열 커플 플레이트(350)와, 상기 가열 커플 플레이트(350)의 하단부에 구비되어 상기 가열 커플 플레이트(350)를 상기 실리콘 히터(330)에 접촉시키기 위한 전자석(360)과, 상기 히터 PCB(370)와 대향되는 타측 내부에 구비되며 상기 가열 커플 플레이트(350)와 상기 전자석(360)에 전원을 공급 하는 다이폴 전송부(380)를 더 구비한다.At this time, the plurality of
여기서, 상기 거치대(320)는 상기 PCR 유닛(200)의 후방에 설치된 송풍기(210)에 의해 강제로 유입된 공기를 경유시키기 위해 후방에서 전방으로 연장된 유동채널(324)이 일정 폭으로 형성되어 있다.Here, the
또한, 상기 실리콘 히터(330)의 하단부에는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 가열 바이메탈 플레이트(340)가 접촉되어 가열 바이메탈 플레이트(340)와의 열교환에 의해 실리콘 히터(330)를 가열시키는 히터패턴(Heater pattern)(332)이 형성되어 있으며, 상기 히터패턴(332)의 손상을 방지하기 위해 상기 실리콘 히터(330)의 상단부와 하단부를 백금으로 코팅시킨다.In addition, as shown in FIG. 3, the heating pattern of the
이때, 상기 실리콘 히터(330)에 코팅되는 백금 코팅의 두께는 통상적으로 10∼70㎛ 정도하며 바람직하게는 50㎛로 하는 것이 좋다.At this time, the thickness of the platinum coating coated on the
상기 가열 바이메탈 플레이트(340)는 팽창계수가 다른 두 종류의 얇은 금속편을 맞붙인 바이메탈 구조로 되어 있으며, 상기 히터 PCB(370)에 의해 전원이 공급되면 도 7에 도시된 바와 같이 바이메탈의 성질에 따라 재료가 변형되어 상기 실리콘 히터(330)에 접촉되어 실리콘 히터(330)를 가열한다. The
상기 얇은 금속편의 재료로서, 팽창이 적은 쪽인 상부는 철, 니켈과 철의 합금, 팽창이 큰 쪽인 하부는 구리와 아연의 합금, 니켈·망간·철의 합금, 니켈·몰리브덴·철의 합금, 망간·니켈·구리의 합금 등 통상적으로 사용되고 있는 바이메탈 재료는 모두 사용 가능하다.As the material of the above thin metal piece, the upper part of the less-expansion is iron, an alloy of nickel and iron, and the lower part is an alloy of copper and zinc, an alloy of nickel-manganese-iron, an alloy of nickel-molybdenum-iron, and manganese. All the bimetallic materials normally used, such as an alloy of nickel and copper, can be used.
상기와 같이 상기 가열 바이메탈 플레이트(340)를 바이메탈 구조로 함으로써 상기 실리콘 히터(330)와 가열 바이메탈 플레이트(340)간의 접촉 저항을 감소시킬 수 있으며, 접촉 면적이 증가함에 따라 상기 실리콘 히터(330)와 가열 바이메탈 플레이트(340)간의 열교환 및 열 분포가 안정화된다.As described above, the
도 8을 참조하면, 상기 바이메탈 구조로 된 가열 바이메탈 플레이트(340)의 하단부에 변형억제구간을 형성하기 위해 얇은 판 형상으로 일정길이 만큼 리브(342)를 부착하며, 상기 리브(342)에 의해 형성된 변형억제구간에 의해 상기 실리콘 히터(330)와 가열 바이메탈 플레이트(340)간의 선 접촉이 면 접촉으로 바뀜으로써 상기 가열 바이메탈 플레이트(340)의 효율이 향상하게 된다.Referring to FIG. 8, the
상기 실리콘 히터(330)의 온도 측정은 상기 DNA 칩(310)이 놓여진 실리콘 히터(330)를 상기 가열 바이메탈 플레이트(340)에 장착하고 바이메탈 구조로 된 가열 바이메탈 플레이트(340)에 전류를 가해 주면, 바이메탈의 성질에 따라 재료가 변형되어 실리콘 히터(330)에 접촉되어 열교환에 의해 실리콘 히터(330)가 가열된다. 이때 상기 거치대(320)에 구비된 상기 다이폴 전송부(380)가 작동하는데, 상기 가열 커플 플레이트(350)에 -/+ 극의 전원을 연결하고 상기 전자석(360)에 같은 전원(-/+)을 서서히 인가시켰다 끊었다를 반복하면 상기 가열 커플 플레이트(350)가 상하로 움직이면서 상기 가열 커플 플레이트(350)의 순간 온도를 측정할 수 있게 된다.The temperature measurement of the
이는 1초에 10회 이상을 측정하여 그 평균값을 디스플레이 하기 때문에 온도의 오차 범위를 줄일 수 있다.It can reduce the temperature error range by measuring more than 10 times a second and displaying the average value.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 PCR 장치의 히터블록을 이용하여 DNA 증폭을 달성하는 과정을 설명하면 다음과 같다.Referring to the process of achieving DNA amplification using the heater block of the PCR device according to the present invention configured as described above are as follows.
먼저 DNA 증폭을 위한 첫 번째 단계인 변성단계(Denaturation step)는 증폭하고자 하는 시료인 DNA 칩(310)을 가열하기 위한 실리콘 히터(330)를 거치대(320)에 형성된 장착부(322)에 끼우고 상기 DNA 칩(310)을 상기 실리콘 히터(330) 상에 올려놓은 후 상기 거치대(320)의 장착부(322)에 구비된 복수개의 가열 바이메탈 플레이트(340)를 상기 가열 바이메탈 플레이트(340)에 연결된 히터 PCB(370)를 이용하여 상기 가열 바이메탈 플레이트(340)에 전원을 공급하면, 상기 가열 바이메탈 플레이트(340)와 접촉된 상기 실리콘 히터(330)는 상호간의 열교환에 의해 변성단계의 온도인 95℃까지 가열된다.First, the denaturation step (Denaturation step) for DNA amplification is a
이와 같이 고온으로 가열시킴으로써 이중가닥의 DNA를 단일가닥으로 분리하게 된다.By heating to high temperature in this manner, the double-stranded DNA is separated into single strands.
두 번째 단계인 풀림단계(Annealing step)는 상기 변성단계를 거친 DNA를 적정 온도(55℃)로 냉각시키는 단계로서, 상기 거치대(320)의 후방에 설치된 송풍기(210)를 이용하여 강제로 공기를 유입시키고 상기 거치대(320)에 형성된 유동채널(324)을 경유시킨 후 덮개(230)의 전방에 형성된 토출구(220)를 통해 공기를 외부로 배출시키는 과정을 거치면서 상기 DNA 칩(310)을 냉각시키게 하는 단계이다.The second step, the annealing step, is a step of cooling the DNA that has undergone the denaturation step to an appropriate temperature (55 ° C.), by using
이와 같이 단일가닥으로 된 고온의 DNA 칩(310)을 냉각시키게 되면 단일가닥의 DNA와 프라이머(Primer)가 이중 나선 결합을 하여 부분적으로 이중가닥이 된 DNA-프라이머 복합체(DNA-primer complex)를 형성하게 된다.When the single-stranded
세 번째 단계인 중합단계(Polymerization step)는 상기 풀림단계를 거친 DNA 칩(310)을 적정온도(72℃)로 유지시킴으로써, 상기 DNA-프라이머 복합체의 프라이머를 DNA 중합효소가 중합반응에 의해 연장(Extension)되어 원래의 DNA 칩(310)에 대해 상보적인 서열을 가지는 새로운 단일가닥의 DNA를 복제하는 단계이다.The third step, the polymerization step (Polymerization step) is to maintain the
이와 같은 세 단계를 순차적으로 20∼40회 정도 반복하여 매 사이클마다 상기 두 개의 프라이머 사이의 DNA가 복제되게 함으로써 수백만 배 또는 그 이상에 이르는 DNA 증폭을 달성할 수 있게 된다.By repeating these three steps in sequence about 20 to 40 times, DNA between the two primers is replicated every cycle, thereby achieving millions of times or more of DNA amplification.
여기서, 상기 실리콘 히터(330)의 온도 측정 방법은 바이메탈 구조로 된 가열 바이메탈 플레이트(340)에 전류를 가해 주면, 바이메탈의 성질에 따라 재료가 변형되어 실리콘 히터(330)에 접촉되어 열교환에 의해 실리콘 히터(330)가 가열된다. 이때 상기 거치대(320)에 구비된 상기 다이폴 전송부(380)가 작동하는데, 상기 가열 커플 플레이트(350)에 -/+ 극의 전원을 연결하고 상기 가열 커플 플레이트(350)의 하부에 구비된 전자석(360)에 같은 전원(-/+)을 서서히 인가 시켰다 끊었다를 반복하면 상기 가열 커플 플레이트(350)가 상하로 움직이면서 상기 가열 커플 플레이트(350)의 순간 온도를 측정할 수 있게 된다.Here, in the method for measuring the temperature of the
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.As such, those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features thereof. Therefore, the above-described embodiments are to be understood as illustrative in all respects and not as restrictive. The scope of the present invention is shown by the following claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention. do.
본 발명에 따른 PCR 장치의 히터블록은 증폭하고자 하는 DNA 칩이 놓여진 실리콘 히터를 가열하기 위해 구비된 가열 바이메탈 플레이트를 바이메탈 구조로 함으로써 실리콘 히터와 가열 바이메탈 플레이트간의 접촉 저항을 감소시킬 수 있으며, 기존의 점접촉에 의한 코팅면의 손상을 방지할 수 있으며 접촉 면적이 넓혀짐에 따라 실리콘 히터와 가열 바이메탈 플레이트간의 열교환 및 열 분포를 안정화시킬 수 있는 효과가 있다.The heater block of the PCR device according to the present invention can reduce the contact resistance between the silicon heater and the heating bimetal plate by making a bimetal structure of the heating bimetal plate provided to heat the silicon heater on which the DNA chip to be amplified is placed. Damage to the coating surface due to the point contact can be prevented, and as the contact area is widened, there is an effect of stabilizing heat exchange and heat distribution between the silicon heater and the heating bimetal plate.
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