KR100961468B1 - Automatic Diagnostic System - Google Patents
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Abstract
자동 진단 장치가 제공된다. 이 장치는 시료로부터 DNA를 추출하기 위해 기판 내에 구비된 전처리부, DNA를 증폭하기 위해 기판 내에 구비되되, 제 1 고무판으로 덮여서 밀봉된 중합효소 연쇄 반응 챔버, 증폭된 DNA를 혼성화하기 위해 기판 내에 구비되되, 제 2 고무판으로 덮여서 밀봉된 혼성화 챔버, 및 시료 또는 DNA를 포함하는 용액을 전처리부, 중합효소 연쇄 반응 챔버, 혼성화 챔버로 이동하기 위해 기판에 연결된 마이크로 로봇을 포함한다.An automatic diagnostic device is provided. The device is provided with a pretreatment unit provided in the substrate for extracting DNA from a sample, a polymerase chain reaction chamber enclosed in a first rubber plate and sealed in a substrate for amplifying DNA, and a substrate for hybridizing amplified DNA. And a hybridization chamber, which is covered and sealed with a second rubber plate, and a microrobot connected to a substrate to move a solution containing a sample or DNA to a pretreatment unit, a polymerase chain reaction chamber, and a hybridization chamber.
중합효소 연쇄 반응, DNA, 혼성화, 마이크로 로봇, 실시간 Polymerase Chain Reaction, DNA, Hybridization, Micro Robot, Real Time
Description
본 발명은 자동 진단 시스템에 관한 것으로, 더 구체적으로 마이크로 로봇을 이용한 자동 진단 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an automatic diagnostic system, and more particularly to an automatic diagnostic system using a micro robot.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-007-02, 과제명: 유비쿼터스 건강관리용 모듈 시스템].The present invention is derived from a study performed as part of the IT source technology development project of the Ministry of Information and Communication and the Ministry of Information and Communication Research and Development [Task Management No .: 2006-S-007-02, Task Name: Ubiquitous Health Management Module System].
인간 사회가 발전하면서 화학 관련 산업이 끊임없이 발전하고 있으며, 이러한 화학 산업의 발전에 필수적으로 수반하여 발전할 필요가 있는 것이 화학 분석 기술이다. 화학 분석 기술은 물질의 감식, 검출 또는 화학적 조성을 알아내기 위하여 사용하는 방법을 통칭하는 것이다.As human society develops, chemical-related industries are constantly developing, and chemical analysis technology is necessary to be developed along with the development of these chemical industries. Chemical analytical techniques are commonly referred to as methods used to identify, detect or determine the chemical composition of a substance.
빠르고 정확한 화학 분석을 위하여, 일일이 실험자의 수작업에 의존하던 화학 분석을 자동으로 수행하기 위한 화학 분석 장치의 개발이 진행되고 있다. 이러한 화학 분석 장치는 채취된 시료를 공급하기만 하면 자동으로 시료를 시약들과 혼합하고, 일정 시간 동안 반응시키고, 검출기로 반응물을 옮기고 그리고 전기적 또는 광학적 신호로 측정 대상의 농도에 비례하는 신호를 출력하는 과정이 하나의 측 정 시스템에서 자동으로 수행되는 것이다.For fast and accurate chemical analysis, development of a chemical analysis device for automatically performing chemical analysis, which was dependent on the experimenter's manual labor, is in progress. These chemical analyzers automatically mix the sample with the reagents, react for a period of time, transfer the reactants to the detector and output a signal proportional to the concentration of the measurement object as an electrical or optical signal, simply by supplying the sample taken. This is done automatically in one measurement system.
종래의 실험실에서 디엔에이(DeoxyriboNucleic Acid : DNA, 이하 DNA로 기재)를 분석하는 과정을 인체 유두종 바이러스(Human PapillomaVirus : HPV)를 진단하는 방식을 예로 들어 설명하고자 한다.The process of analyzing DeoxyriboNucleic Acid (DNA, hereinafter referred to as DNA) in a conventional laboratory will be described using a method of diagnosing Human Papilloma Virus (HPV) as an example.
1. 시료 채취(specimen collection) : 의학용 브러시(brush) 등과 같은 샘플링 키트(sampling kit)를 사용하여 자궁경부로부터 표피의 일부를 시료로 채취한다. 채취한 시료는 분석을 위한 전처리 전까지 2~10℃로 냉장 보관된다.1. Specimen collection: Samples of the epidermis from the cervix are sampled using a sampling kit such as a medical brush. Collected samples are refrigerated at 2 ~ 10 ℃ until pretreatment for analysis.
2. DNA 추출(DNA isolation) : (1) 의학용 브러시에 묻어 있는 시료를 저장 버퍼(storage buffer)가 담겨있는 마이크로튜브(microtube)에 담고난 후, 시료를 저장 버퍼로 분리해 내기 위해 탁상용 볼텍스(desktop type vortex) 장치에서 마이크로튜브를 2분간 소용돌이(vortex) 처리하고, 시료를 포함하는 저장 버퍼 중에서 1ml를 용량이 1.5ml인 다른 마이크로튜브에 담는다. (2) 세포를 침전시키기 위하여 마이크로튜브를 원심분리(centrifugal) 장치에서 3,000rpm으로 10분간 원심분리하고, 마이크로튜브 내부의 표면에 뜨는 상청액(superantant)을 피펫(pipette)을 사용하여 버린다. (3) 세척 버퍼(washing buffer) 1.0ml를 추가하고, 마이크로튜브를 10초간 소용돌이 처리하고, 3,000rpm으로 10분간 원심분리한 후, 상청액을 버린다. 이 과정을 한번 더 반복 수행한다. (4) DNA 추출 버퍼(extraction buffer) 200μl를 추가하고, 마이크로튜브를 물 중탕 방식을 사용하여 90~100℃에서 20분간 중탕 처리한다. (5) DNA 증폭을 위해 또 다른 마이크로튜브에 상청액 150μl를 담아내고, 마이크로튜브를 13,000rpm으로 10분간 원심분리한다.2. DNA isolation: (1) After the sample on the medical brush is contained in the microtube containing the storage buffer, the table top vortex to separate the sample into the storage buffer. In a desktop type vortex device, the microtubes are vortexed for 2 minutes and 1 ml of the storage buffer containing the sample is placed in another microtube having a volume of 1.5 ml. (2) In order to precipitate the cells, the microtubes are centrifuged at 3,000 rpm for 10 minutes in a centrifugal apparatus, and the superantant floating on the surface of the microtubes is discarded using a pipette. (3) Add 1.0 ml of washing buffer, swirl the microtube for 10 seconds, centrifuge at 3,000 rpm for 10 minutes, and discard the supernatant. Repeat this process once more. (4) 200 μl of DNA extraction buffer is added, and the microtubes are bathed in a water bath at 90-100 ° C. for 20 minutes. (5) Add 150 μl of the supernatant to another microtube for DNA amplification, and centrifuge the microtube at 13,000 rpm for 10 minutes.
실험자가 직접 탁상용 볼텍스 장치 및 원심분리 장치를 스위칭(switching)하는 것과 마이크로튜브에 다양한 버퍼들을 넣어주는 과정 및 마이크로튜브 내부의 상청액을 버리는 과정 등은 실험자가 직접 손으로 피펫을 사용하는 것에 의해 상기와 같은 과정이 수행된다.The experimenter can directly switch the desktop vortex and centrifuge devices, insert the various buffers into the microtubes, and discard the supernatant inside the microtubes. The same process is performed.
3. 1차 중합효소 연쇄 반응(Polymerase Chain Reaction : PCR) : (1) 5μl의 DNA 추출물, 7μl의 450 베이스 페어 사전 혼합물(450 base pair premix), 0.3μl의 효소 및 12.7μl의 증류수를 용량이 0.2ml인 탁상용 중합효소 연쇄 반응 장치의 중합효소 연쇄 반응 튜브에 담는다. (2) 중합효소 연쇄 반응을 위한 온도 조건인 95℃, 72℃ 및 55℃의 세 가지 온도를 순차적으로 적용하는 과정을 35회 반복한다.3. Polymerase Chain Reaction (PCR): (1) 5 μl of DNA extract, 7 μl of 450 base pair premix, 0.3 μl of enzyme and 12.7 μl of distilled water It is placed in a polymerase chain reaction tube of a 0.2 ml tabletop polymerase chain reaction apparatus. (2) The process of sequentially applying three temperatures of 95 ° C., 72 ° C. and 55 ° C., which are the temperature conditions for the polymerase chain reaction, is repeated 35 times.
중합효소 연쇄 반응 튜브에 DNA 추출물, 사전 혼합물, 효소 및 증류수를 담는 과정은 실험자가 직접 손으로 피펫을 사용하는 것과 실험자가 직접 탁상용 중합효소 연쇄 반응 장치를 스위칭하는 것에 의해 상기와 같은 과정이 수행된다.The process of adding DNA extracts, premixes, enzymes and distilled water to the polymerase chain reaction tube is performed by the experimenter using a pipette by hand and the experimenter directly switching the desktop polymerase chain reaction apparatus. .
4. 2차 중합효소 연쇄 반응 : (1) 2μl의 1차 중합효소 연쇄 반응 산물, 6.5μl의 450 베이스 페어 사전 혼합물, 0.3μl의 효소 및 16.2μl의 증류수를 용량이 0.2ml인 새로운 중합효소 연쇄 반응 튜브에 담는다. (2) 중합효소 연쇄 반응의 위한 온도 조건인 95℃, 72℃ 및 55℃의 세 가지 온도를 순차적으로 적용하는 과정을 20회 반복한다.4. Secondary polymerase chain reaction: (1) A new polymerase chain with a volume of 0.2 ml containing 2 μl of the first polymerase chain reaction product, 6.5 μl of 450 base pair premix, 0.3 μl of enzyme and 16.2 μl of distilled water. Place in reaction tube. (2) The process of sequentially applying three temperatures of 95 ° C, 72 ° C and 55 ° C, which are the temperature conditions for the polymerase chain reaction, is repeated 20 times.
새로운 중합효소 연쇄 반응 튜브에 1차 중합효소 연쇄 반응 산물, 사전 혼합물, 효소 및 증류수를 담는 과정은 실험자가 직접 손으로 피펫을 사용하는 것과 실험자가 직접 탁상용 중합효소 연쇄 반응 장치를 스위칭하는 것에 의해 상기와 같은 과정이 수행된다.The process of loading the first polymerase chain reaction product, premix, enzyme and distilled water into a new polymerase chain reaction tube was carried out by the experimenter using the pipette by hand and by the experimenter switching the desktop polymerase chain reaction apparatus directly. The same process is performed.
5. 혼성화(hybridization) 공정 : (1) 8μl의 2차 중합효소 연쇄 반응 산물을 95℃에서 5분간 유지한 후, 얼음물에서 5분간 유지한다. (2) 43℃로 미리 가열된 혼성화 버퍼 32μl를 혼성화 칩 슬라이드(chip slide)의 혼성화 챔버(chamber)에 담는다. (3) 혼성화 챔버에 혼성화 혼합액 40μl를 추가한다. (4) 혼성화 칩 슬라이드를 열 안정화된 43℃의 오븐(oven)에서 1시간 동안 유지한다.5. Hybridization process: (1) The 8 μl secondary polymerase chain reaction product is maintained at 95 ° C. for 5 minutes and then in ice water for 5 minutes. (2) 32 [mu] l of the hybridization buffer preheated to 43 [deg.] C. is placed in the hybridization chamber of the hybridization chip slide. (3) 40 microliters of hybridization liquid mixtures are added to a hybridization chamber. (4) The hybridized chip slides are maintained in a heat stabilized oven at 43 ° C. for 1 hour.
혼성화 챔버에 2차 중합효소 연쇄 반응 산물, 혼성화 버퍼 및 혼성화 혼합액을 담는 과정은 실험자가 직접 손으로 피펫을 사용하는 것과 실험자가 직접 혼성화 칩 슬라이드를 오븐으로 옮기는 것에 의해 상기와 같은 과정이 수행된다.The process of placing the secondary polymerase chain reaction product, the hybridization buffer and the hybridization mixture in the hybridization chamber is performed by the experimenter using a pipette by hand and the experimenter directly moving the hybridization chip slide to the oven.
6. 세척 : (1) 혼성화 칩 슬라이드를 2X SSC, 0.1% SDS에서 5분간 2번 씻어준다. (2) 0.2X SSC 용액으로 5분간 2번 씻어준다. (3) 0.1X SSC 용액으로 5분간 1번 씻어준다. 건조 공기 공급 장치(air dry)로 혼성화 칩 슬라이드를 말린 후, 인간 유두종바이러스의 유전자형 및 감염 여부를 알기 위해 칩 스캐너(chip scanner)를 사용하여 스캐닝한다.6. Washing: (1) Wash hybridized chip slides twice for 2 minutes in 2X SSC, 0.1% SDS. (2) Wash twice with 0.2X SSC solution for 5 minutes. (3) Wash once for 5 minutes with 0.1X SSC solution. The hybridized chip slides are dried with an air dry and then scanned using a chip scanner to determine genotype and infection of human papillomavirus.
SSC 및 SDS 용액으로 혼성화 칩 슬라이드를 세척하는 것과 건조 공기 공급 장치로 혼성화 칩 슬라이드를 건조하는 것은 실험자가 직접 손을 사용하는 것에 의해 수행된다.Washing the hybridized chip slides with SSC and SDS solutions and drying the hybridized chip slides with a dry air supply is performed by the experimenter directly using the hands.
상기와 같은 DNA 분석 과정에서 알아본 바와 같이, 화학 분석은 대부분 실험자의 수작업에 의한 피펫팅(pipetting), 탁상용 장치들의 작동 및 부산물의 이동 등에 의해 순차적으로 이루어진다. 이에 따라, 실험자는 실험 장소에서 떠날 수 없 고, 실험자의 실수가 존재할 수 있고, 그리고 실험 과정에 소요되는 시간이 길어지게 된다.As seen in the DNA analysis process as described above, chemical analysis is mostly performed sequentially by pipetting by the experimenter manually, the operation of the table top devices and the movement of by-products. Accordingly, the experimenter cannot leave the experiment site, there may be a mistake of the experimenter, and the time required for the experiment process becomes long.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 실험자에 의존하지 않고 화학 분석을 수행할 수 있는 자동 진단 시스템을 제공하는 데 있다.The problem to be solved by the present invention is to provide an automatic diagnostic system that can perform chemical analysis without depending on the experimenter.
상기한 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 자동 진단 장치를 제공한다. 이 장치는 시료로부터 DNA를 추출하기 위해 기판 내에 구비된 전처리부, DNA를 증폭하기 위해 기판 내에 구비되되, 제 1 고무판으로 덮여서 밀봉된 중합효소 연쇄 반응 챔버, 증폭된 DNA를 혼성화하기 위해 기판 내에 구비되되, 제 2 고무판으로 덮여서 밀봉된 혼성화 챔버, 및 시료 또는 DNA를 포함하는 용액을 전처리부, 중합효소 연쇄 반응 챔버 및 혼성화 챔버로 이동하기 위해 기판에 연결된 마이크로 로봇을 포함할 수 있다.In order to achieve the above object, the present invention provides an automatic diagnostic device. The device is provided with a pretreatment unit provided in the substrate for extracting DNA from a sample, a polymerase chain reaction chamber enclosed in a first rubber plate and sealed in a substrate for amplifying DNA, and a substrate for hybridizing amplified DNA. And a hybridization chamber covered with a second rubber plate and sealed, and a microrobot connected to a substrate to move a solution containing a sample or DNA to a pretreatment unit, a polymerase chain reaction chamber, and a hybridization chamber.
전처리부와 마이크로 로봇을 제어하기 위한 제어부를 더 포함할 수 있다.The control unit may further include a control unit for controlling the preprocessor and the micro robot.
혼성화 챔버가 구비된 영역의 기판 상부 및 하부에 각각 제공되는 광원 및 촬상 소자를 더 포함할 수 있다. 광원은 발광 다이오드일 수 있다. 촬상 소자는 씨모스 이미지 센서 또는 시시디 이미지 센서일 수 있다.The display apparatus may further include a light source and an imaging device, which are respectively provided on the upper and lower portions of the substrate provided with the hybridization chamber. The light source may be a light emitting diode. The imaging device may be a CMOS image sensor or a CD image sensor.
기판은 실리콘 기판, 유리 기판 및 인쇄 회로 기판 중에서 선택된 하나의 기판일 수 있다. 기판은 지름 또는 너비가 20~30cm 범위인 크기를 가질 수 있다.The substrate may be one substrate selected from a silicon substrate, a glass substrate, and a printed circuit board. The substrate may have a size in the range of 20-30 cm in diameter or width.
전처리부는 볼텍스 기능 및 원심분리 기능을 동시에 가질 수 있다.The pretreatment unit may have a vortex function and a centrifugal function at the same time.
중합효소 연쇄 반응 챔버는 랩온어칩 형태일 수 있다. 중합효소 연쇄 반응 챔버는 온도 조절이 가능한 챔버일 수 있다. 중합효소 연쇄 반응 챔버는 기판의 내부에 구비된 열선에 의해 온도 조절이 될 수 있다.The polymerase chain reaction chamber may be in the form of a lab-on-a-chip. The polymerase chain reaction chamber may be a temperature control chamber. The polymerase chain reaction chamber may be temperature controlled by a hot wire provided inside the substrate.
제 1 고무판은 0.1~2mm 범위의 두께이며, 중합효소 연쇄 반응 챔버의 밀봉 상태를 유지하기 위해 100%에 근접하는 복원력을 가질 수 있다.The first rubber plate may have a thickness in the range of 0.1 to 2 mm, and may have a restoring force close to 100% to maintain the sealed state of the polymerase chain reaction chamber.
혼성화 챔버는 마이크로어레이 칩일 수 있다. 혼성화 챔버는 온도 조절이 가능한 챔버일 수 있다. 혼성화 챔버는 기판과 전기적으로 연결된 내부의 열선에 의해 온도 조절이 될 수 있다.The hybridization chamber may be a microarray chip. The hybridization chamber may be a temperature control chamber. The hybridization chamber may be temperature controlled by an internal hot wire electrically connected to the substrate.
제 2 고무판은 투명한 고무판일 수 있다. 투명한 고무판은 0.1~2mm 범위의 두께이며, 혼성화 챔버의 밀봉 상태를 유지하기 위해 100%에 근접하는 복원력을 가질 수 있다.The second rubber plate may be a transparent rubber plate. The transparent rubber sheet may have a thickness in the range of 0.1 to 2 mm and may have a restoring force close to 100% to maintain the sealing state of the hybridization chamber.
마이크로 로봇은 용액을 이송, 주입, 흡입 및 폐기하기 위한 피펫팅 기능을 수행하도록 프로그램된 것일 수 있다. 마이크로 로봇은 건조 공기 공급 기능을 더 포함할 수 있다.The microrobot may be programmed to perform a pipetting function to transfer, inject, inhale and discard the solution. The micro robot may further include a dry air supply function.
상술한 바와 같이, 본 발명의 과제 해결 수단에 따르면 마이크로 로봇을 이용함으로써, 실험자에 의존하지 않고 화학 분석을 수행할 수 있다. 이에 따라, 실험자에 의한 실수가 제거되는 동시에, 화학 분석에 소요되는 시간이 단축될 수 있다.As described above, according to the problem solving means of the present invention, by using a micro robot, it is possible to perform chemical analysis without depending on the experimenter. As a result, mistakes by the experimenter can be eliminated, and the time required for chemical analysis can be shortened.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한, 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosure may be made thorough and complete, and to fully convey the spirit of the invention to those skilled in the art. In addition, since it is in accordance with the preferred embodiment, reference numerals presented in the order of description are not necessarily limited to the order. In the drawings, the thicknesses of films and regions are exaggerated for clarity. In addition, if it is mentioned that the film is on another film or substrate, it may be formed directly on the other film or substrate, or a third film may be interposed therebetween.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 자동 진단 장치를 설명하기 위한 평면 개념도이고, 도 1b는 도 1a의 Ⅱ-Ⅱ' 선을 따라 절단한 단면 개념도이다. 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 자동 진단 장치의 전처리부를 설명하기 위해 도 1a의 Ⅰ-Ⅰ' 선을 따라 절단한 단면도들이다. 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 자동 진단 장치의 중합효소 연쇄 반응 챔버부를 설명하기 위해 도 1a의 Ⅲ-Ⅲ' 선을 따라 절단한 단면도들이다. 그리고 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 자동 진단 장치의 혼성화 챔버부를 설명하기 위해 도 1a의 Ⅱ-Ⅱ' 선을 따라 절단한 단면도들이다.FIG. 1A is a schematic conceptual view illustrating an automatic diagnostic apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a schematic cross-sectional view taken along line II-II ′ of FIG. 1A. 2A and 2B are cross-sectional views taken along the line II ′ of FIG. 1A to describe a preprocessor of the automatic diagnostic apparatus according to the embodiment of the present invention. 3A and 3B are cross-sectional views taken along the line III-III ′ of FIG. 1A to explain the polymerase chain reaction chamber of the automatic diagnostic apparatus according to the embodiment of the present invention. 4A and 4B are cross-sectional views taken along the line II-II 'of FIG. 1A to explain the hybridization chamber of the automatic diagnostic apparatus according to the embodiment of the present invention.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 자동 진단 장치(100)는 기판(110), 전처리부(120), 중합효소 연쇄 반응 챔버부(130), 혼성화 챔버부(140) 및 마이크로 로봇(micro-robot, 150)을 포함할 수 있다. 또한, 전처리부(120), 중합효소 연쇄 반응 챔버부(130), 혼성화 챔버부(140) 및 마이크로 로봇(150)을 제어하기 위한 제어부(160)를 포함할 수 있다. 이에 더하여, 기판(110)의 하부 및 상부에 각각 제공되는 광원(180) 및 촬상 소자(190)를 포함할 수 있다.1A and 1B, the automatic
기판(110)은 전처리부(120) 및 혼성화 챔버부(140)가 각각 장착될 수 있는 관통된 구멍들을 가질 수 있다. 또한, 기판(110)은 중합효소 연쇄 반응 챔버부(130)로 사용되는 복수의 홈들을 가질 수 있다. 기판(110)은 실리콘(silicon) 기판, 유리(glass) 기판 및 인쇄 회로 기판(printed circuit board) 중에서 선택된 하나의 기판일 수 있다. 기판(110)은 전처리부(120), 중합효소 연쇄 반응 챔버부(130), 혼성화 챔버부(140) 및 마이크로 로봇(150) 각각과 제어부(160)를 전기적으로 연결하는 내부 배선을 포함할 수 있다. 기판(110)은 원형 또는 사각형의 형태를 가질 수 있다. 기판(110)은 지름 또는 너비가 20~30cm 범위인 크기를 가질 수 있다.The
전처리부(120)는 실험실에서 사용되는 일반적인 볼텍스 장치나 원심분리 장치보다 축소된 형태일 수 있다. 전처리부(120)는 기판(110)에 형성된 원형의 관통 구멍에 구비될 수 있다. 전처리부(120)는 복수의 마이크로튜브들이 장착될 수 있는 복수의 홈들을 가질 수 있다. 전처리부(120)는 볼텍스 기능 및 원심분리 기능을 동시에 가질 수 있다. 이에 따라, 전처리부(120)는 제어부(160)의 명령에 따라 볼텍스 장치 또는 원심분리 장치로 사용될 수 있다.The
중합효소 연쇄 반응 챔버부(130)는 기판(110)에 형성된 복수의 홈들일 수 있다. 중합효소 연쇄 반응 챔버부(130)는 랩온어칩 형태일 수 있다. 중합효소 연쇄 반응 챔버부(130)는 실험실에서 사용되는 일반적인 중합효소 연쇄 반응 장치보다 축소된 형태일 수 있다. 중합효소 연쇄 반응 챔버부(130)는 온도 조절이 가능한 챔버일 수 있다. 중합효소 연쇄 반응 챔버부(130)는 기판(110)의 내부에 구비된 열 선(도 3a 및 도 3b의 132 참조)에 의해 온도 조절이 될 수 있다. 이에 따라, 중합효소 연쇄 반응 챔버부(130)는 제어부(160)의 명령에 따라 그 온도가 결정될 수 있다. 중합효소 연쇄 반응 챔버부(130)는 복수의 홈들을 전체 또는 각각으로 덮는 중합효소 연쇄 반응 챔버부 덮개(130r)에 의해 밀봉될 수 있다. 중합효소 연쇄 반응 챔버부 덮개(130r)는 높은 복원력을 가지면서, 0.1~2mm 범위의 두께를 가지는 고무판일 수 있다. 고무판의 복원력은 거의 100% 정도의 값일 수 있다.The polymerase
혼성화 챔버부(140)는 기판(110)에 형성된 사각형의 관통 구멍에 구비될 수 있다. 혼성화 챔버부(140)는 마이크로어레이 칩(microarray chip)일 수 있다. 혼성화 챔버부(140)는 복수의 혼성화 챔버들(140h)을 가질 수 있다. 혼성화 챔버부(140)는 온도 조절이 가능한 챔버일 수 있다. 혼성화 챔버부(140)는 기판(110)과 전기적으로 연결된 내부의 열선에 의해 온도 조절이 될 수 있다. 이에 따라, 혼성화 챔버부(140)는 제어부(160)의 명령에 따라 그 온도가 결정될 수 있다. 혼성화 챔버부(140)는 혼성화 챔버들(140h)을 전체 또는 각각으로 덮는 혼성화 챔버부 덮개(140r)에 의해 밀봉될 수 있다. 혼성화 챔버부 덮개(140r)는 높은 복원력을 가지면서, 0.1~2mm 범위의 두께를 가지는 투명한 고무판일 수 있다. 고무판의 복원력은 거의 100% 정도의 값일 수 있다.The
마이크로 로봇(150)은 기판(110)에 기계적 및 전기적으로 연결되어, 기판(110)의 내부에 구비된 전처리부(120), 중합효소 연쇄 반응 챔버부(130) 및 혼성화 챔버부(140), 및 기판(110)의 외부에 제공된 피펫 팁 제공부(170), 용액 제공부(172), 용액 폐기부(174), 피펫 팁 폐기부(176) 및 마이크로튜브 제공부(178) 사 이를 이동할 수 있다. 이러한 이동은 마이크로 로봇(150)의 2개의 관절에 의해 기판(110) 영역 및 외부 영역까지 확장될 수 있다. 마이크로 로봇(150)은 말단에 피펫 팁(155)을 장착함으로써, 용액을 이송, 주입, 흡입 및 폐기하기 위한 피펫팅 기능을 수행하도록 프로그램된 것일 수 있다. 이에 따라, 마이크로 로봇(150)은 제어부(160)의 명령에 따라 프로그램된 동작을 수행할 수 있다. 피펫 팁(155)은 실험실에서 사용되는 것보다 축소된 형태일 수 있으며, 마이크로튜브의 마개, 중합효소 연쇄 반응 챔버부 덮개(130r) 및 혼성화 챔버부 덮개(140r)를 뚫을 수 있는 정도의 뾰쪽한 끝을 가질 수 있다.The
광원(180)은 혼성화 챔버부(140)가 구비된 영역의 기판(110) 하부에 제공될 수 있다. 광원(180)은 발광 다이오드(Light Emitting Diode : LED)일 수 있다. 광원(180)과 기판(110) 사이에는 광원(180)으로부터 방출되는 빛이 혼성화 챔버부(140)로 평행하게 입사되도록 하는 렌즈(lens, 185)가 구비될 수 있다. 촬상 소자(190)는 광원(180)에 대향하는 혼성화 챔버부(140)가 구비된 영역의 기판(110) 상부에 제공될 수 있다. 촬상 소자(140)는 씨모스(Complementary Metal-Oxide Semiconductor : CMOS) 이미지 센서 또는 시시디(Charge-Coupled Device : CCD) 이미지 센서일 수 있다.The
종래의 DNA 마이크로어레이를 측정하기 위한 스캐너는 마이크로어레이의 스폿(spot)이 수~수십 μm 범위의 크기를 가지므로 2~10μm 범위의 크기를 갖는 레이저(laser) 광원으로 DNA 마이크로어레이 칩을 스캐닝한 후, 소프트웨어를 이용하여 형광 이미지를 형성한다. 이러한 스캐닝에 의한 형광 이미지는 스캐너를 구성하고 있는 장치 가격이 높아 보급이 어려워지는 단점이 있다. 인간 유두종바이러스 진단하기 위한 DNA 마이크로어레이 칩의 경우에는 마이크로어레이의 스폿의 개수가 100여개를 넘지 않는 때에는, 스폿이 수십~수백 μm 범위의 크기를 가질 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에서와 같이, 일반 사진 촬영용 씨모스 이미지 센서 도는 시시디 이미지 센서를 혼성화 챔버부의 상부에 위치시켜, 스캐닝이 아닌 전면 촬영으로 DNA 마이크로어레이 칩을 분석할 수 있다.Conventional scanners for measuring DNA microarrays scan DNA microarray chips with laser light sources ranging in size from 2 to 10 μm because the spots of the microarrays range in size from several to several tens of microns. Afterwards, a fluorescence image is formed using software. The fluorescence image by the scanning has a disadvantage in that it is difficult to disseminate due to the high price of the device constituting the scanner. In the case of a DNA microarray chip for diagnosing human papillomavirus, the spot may have a size in the range of tens to hundreds of micrometers when the number of microarrays does not exceed 100. Accordingly, as in the embodiment of the present invention, the CMOS image sensor or the CD image sensor for general photography may be positioned on the hybridization chamber, and the DNA microarray chip may be analyzed by front-side imaging rather than scanning.
본 발명의 실시예에 따른 자동 진단 장치(100)로 DNA를 분석하는 과정을 인체 유두종 바이러스를 진단하는 방식을 예로 들어 도 1a 내지 도 4b를 참조하여 설명하고자 한다.The process of analyzing DNA by the
1. 시료 채취 : 의학용 브러시 등과 같은 샘플링 키트를 사용하여 자궁경부로부터 표피의 일부를 시료로 채취할 수 있다. 채취한 시료는 분석을 위한 전처리 전까지 2~10℃로 냉장 보관될 수 있다.1. Sampling: Samples of the epidermis can be sampled from the cervix using sampling kits such as medical brushes. Collected samples can be refrigerated at 2 to 10 ° C until pretreatment for analysis.
2. DNA 추출 : 자동 진단 장치(100)의 기판(110) 내의 천공된 부위에 구비된 전처리부(120)의 복수의 홈들에 자궁경부에서 채취되어 냉동 보관된 시료가 담겨있는 마이크로튜브(122)를 실험자가 손으로 장착한다. 전처리부(120)는 볼텍스 기능 및 원심분리 기능을 동시에 가질 수 있다. 마이크로튜브(122)는 마이크로튜브 마개(124)를 포함할 수 있다. 마이크로튜브 마개(124)는 높은 복원력을 갖는 고무 재질로 이루어질 수 있다. 고무 재질의 복원력은 거의 100% 정도의 값일 수 있다. 이에 따라, 마이크로 로봇(150)의 말단에 장착된 피펫 팁(155)이 마이크로튜브(122)의 내부로 삽입되었다 배출되어도 마이크로튜브(122) 내에 담긴 시료가 외부 환경으로부터 보호될 수 있다.2. DNA extraction:
전처리부(120)에서 순차적으로 수행되는 과정은 다음과 같다. (1) 의학용 브러시에 묻어 있는 시료를 담고 있는 마이크로튜브(122)에 저장 버퍼를 담고난 후, 시료를 저장 버퍼로 분리해 내기 위해 전처리부(120)에서 마이크로튜브(122)를 2분간 소용돌이 처리하고, 시료를 포함하는 저장 버퍼 중에서 1ml를 용량이 1.5ml인 다른 마이크로튜브(122)에 담는다. (2) 세포를 침전시키기 위하여 마이크로튜브(122)를 전처리부(120)에서 3,000rpm으로 10분간 원심분리하고, 마이크로튜브(122) 내부의 표면에 뜨는 상청액을 마이크로 로봇(150)을 사용하여 버린다. (3) 세척 버퍼 1.0ml를 추가하고, 전처리부(120)에서 마이크로튜브(122)를 10초간 소용돌이 처리하고, 3,000rpm으로 10분간 원심분리한 후, 상청액을 버린다. 이 과정을 한번 더 반복 수행한다. (4) DNA 추출 버퍼 200μl를 추가한 후, DNA 증폭을 위해 또 다른 마이크로튜브(122)에 상청액 150μl를 담아내고, 전처리부(120)에서 마이크로튜브를 13,000rpm으로 10분간 원심분리한다.Processes that are sequentially performed in the
소용돌이 처리와 원심분리하는 것은 제어부(160)의 프로그램된 명령에 의한 전처리부(120)의 작동에 의해 수행될 수 있다. 또한, 마이크로튜브(122)에 다양한 버퍼들을 넣어주는 과정, 용액을 다른 마이크로튜브(122)로 이송하는 과정, 마이크로튜브(122) 내부의 상청액을 버리는 과정 및 마이크로튜브(122)의 교체하는 과정 등은 제어부(160)의 프로그램된 명령에 의한 마이크로 로봇(150)의 작동에 의해 수행될 수 있다.The vortex processing and centrifugation may be performed by the operation of the
3. 1차 중합효소 연쇄 반응 : (1) 5μl의 DNA 추출물, 7μl의 450 베이스 페 어 사전 혼합물, 0.3μl의 효소 및 12.7μl의 증류수를 중합효소 연쇄 반응 챔버부(130)에 담는다. 사전 혼합물은 형광체인 Cy3 또는/및 Cy5를 포함할 수 있다. (2) 중합효소 연쇄 반응을 위한 온도 조건인 95℃, 72℃ 및 55℃의 세 가지 온도를 순차적으로 적용하는 과정을 35회 반복한다.3. Primary polymerase chain reaction: (1) 5μl of DNA extract, 7μl of 450 base pair premix, 0.3μl of enzyme and 12.7μl of distilled water are contained in the polymerase
중합효소 연쇄 반응 챔버부(130)는 중합효소 연쇄 반응 챔버부 덮개(130r)에 의해 밀봉될 수 있다. 이에 따라, 마이크로 로봇(150)의 말단에 장착된 피펫 팁(155)이 중합효소 연쇄 반응 챔버부(130)의 내부로 삽입되었다 배출되어도 중합효소 연쇄 반응 챔버부(130) 내에 담긴 시료가 외부 환경으로부터 보호될 수 있다. 또한, 중합효소 연쇄 반응 챔버부 덮개(130r)는 중합효소 연쇄 반응 과정에서 온도에 의해 용액이 증발되는 방지할 수 있다.The polymerase chain
중합효소 연쇄 반응 챔버부(130)에 DNA 추출물, 사전 혼합물, 효소 및 증류수를 담는 과정은 제어부(160)의 프로그램된 명령에 의한 마이크로 로봇(150)의 작동에 의해 수행될 수 있다. 또한, 중합효소 연쇄 반응 챔버부(130)의 온도 조절은 제어부(160)의 프로그램된 명령에 의한 기판(110)에 구비된 열선(132)의 작동에 의해 수행될 수 있다.The process of containing the DNA extract, the pre-mixture, the enzyme and the distilled water in the polymerase
4. 2차 중합효소 연쇄 반응 : (1) 2μl의 1차 중합효소 연쇄 반응 산물, 6.5μl의 450 베이스 페어 사전 혼합물, 0.3μl의 효소 및 16.2μl의 증류수를 중합효소 연쇄 반응 챔버부(130)에 담는다. (2) 중합효소 연쇄 반응의 위한 온도 조건인 95℃, 72℃ 및 55℃의 세 가지 온도를 순차적으로 적용하는 과정을 20회 반복한다.4. Secondary Polymerase Chain Reaction: (1) A polymerase
여분의 중합효소 연쇄 반응 챔버부(130)에 1차 중합효소 연쇄 반응 산물, 사 전 혼합물, 효소 및 증류수를 담는 과정은 제어부(160)의 프로그램된 명령에 의한 마이크로 로봇(150)의 작동에 의해 수행될 수 있다. 또한, 여분의 중합효소 연쇄 반응 챔버부(130)의 온도 조절은 제어부(160)의 프로그램된 명령에 의한 기판(110)에 구비된 열선(132)의 작동에 의해 수행될 수 있다.The process of storing the first polymerase chain reaction product, the pre-mixture, the enzyme and the distilled water in the extra polymerase
5. 혼성화 공정 : (1) 8μl의 2차 중합효소 연쇄 반응 산물을 95℃에서 5분간 유지한 후, 0℃에서 5분간 유지한다. (2) 43℃로 미리 가열된 혼성화 버퍼 32μl를 혼성화 챔버부(140)의 혼성화 챔버(140h)에 담는다. (3) 혼성화 챔버(140h)에 혼성화 혼합액 40μl를 추가한다. (4) 혼성화 챔버부(140)를 열 안정화된 43℃의 온도로 1시간 동안 유지한다.5. Hybridization Process: (1) The 8 μl secondary polymerase chain reaction product is held at 95 ° C. for 5 minutes and then at 0 ° C. for 5 minutes. (2) 32 microliters of the hybridization buffer previously heated at 43 degreeC are contained in the
혼성화 챔버부(140)는 혼성화 챔버부 덮개(140r)에 의해 밀봉될 수 있다. 이에 따라, 마이크로 로봇(150)의 말단에 장착된 피펫 팁(155)이 혼성화 챔버부(140)의 내부로 삽입되었다 배출되어도 혼성화 챔버부(140) 내에 담긴 시료가 외부 환경으로부터 보호될 수 있다. 또한, 혼성화 챔버부 덮개(140r)는 혼성화 과정에서 온도에 의해 용액이 증발되는 것을 방지할 수 있다. 이에 더하여, 혼성화 챔버부 덮개(140r)는 투명한 고무판일 수 있다. 이는 DNA를 분석하는 과정에서 광원(180)으로부터 방출된 빛을 통과시킬 수 있어야 하기 때문이다.The
혼성화 챔버부(140)에 2차 중합효소 연쇄 반응 산물, 혼성화 버퍼 및 혼성화 혼합액을 담는 과정은 제어부(160)의 프로그램된 명령에 의한 마이크로 로봇(150)의 작동에 의해 수행될 수 있다. 또한, 혼성화 챔버부(140)의 온도 조절은 제어부(160)의 프로그램된 명령에 의한 기판(110)과 전기적으로 연결된 혼성화 챔버 부(140) 내부의 열선(미도시)의 작동에 의해 수행될 수 있다.The process of containing the secondary polymerase chain reaction product, the hybridization buffer, and the hybridization mixed solution in the
6. 세척 : (1) 혼성화 챔버(140h)를 2X SSC, 0.1% SDS에서 5분간 2번 씻어준다. (2) 0.2X SSC 용액으로 5분간 2번 씻어준다. (3) 0.1X SSC 용액으로 5분간 1번 씻어준다. 마이크로 로봇(150)의 건조 공기 공급 기능을 이용하여 혼성화 챔버부(140)를 말린다.6. Cleaning: (1) Wash hybridization chamber (140h) twice for 2 minutes in 2X SSC, 0.1% SDS. (2) Wash twice with 0.2X SSC solution for 5 minutes. (3) Wash once for 5 minutes with 0.1X SSC solution. The
SSC 용액 및 SDS 용액으로 혼성화 챔버(140h)를 세척하는 것과 혼성화 챔버(140h)를 건조하는 것은 제어부(160)의 프로그램된 명령에 의한 마이크로 로봇(150)의 작동에 의해 수행될 수 있다.Cleaning the
상기한 과정들이 끝나면 혼성화 챔버부(140)가 구비된 영역의 기판(110) 하부에 제공된 광원(180)이 켜지고, 상부에 제공된 촬상 소자(190)은 혼성화 챔버부(140) 내에 존재하는 형광체인 Cy3 또는/및 Cy5 형광 이미지를 촬영하고, 형광 이미지를 분석 시스템으로 전송한다. 분석 시스템에 내장된 분석 프로그램은 채취된 시료로부터 인간 유두종바이러스의 감염 여부를 표시한다.When the above processes are completed, the
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자동 진단 장치의 다른 활용을 설명하기 위한 단면도이다. 도 1의 혼성화 챔버부를 단백질 분석 챔버부로 활용한 것을 예로 들어 설명하고자 한다.5 is a cross-sectional view for explaining another application of the automatic diagnostic apparatus according to the embodiment of the present invention. The hybridization chamber of FIG. 1 will be described as an example using the protein analysis chamber.
도 5를 참조하면, 단백질 분석 챔버부는 하부 기판(210a), 상부 기판(210b), 항체군(212) 및 고무 덮개(240r)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 5, the protein analysis chamber unit may include a
하부 기판(210a)은 도 1의 기판(도 1의 110 참조)에 해당할 수 있다. 하부 기판(210a)은 분석하고자 하는 항원을 포함하는 용액(물방울 모양)을 여과하는 여 과 영역(요부 영역) 및 용액에 포함된 항원과 항체군(212) 사이의 항원-항체 반응을 위한 반응 영역을 포함할 수 있다. 상부 기판(210b)은 하부 기판(210a)의 여과 영역 및 반응 영역을 밀봉하면서 용액을 투입하기 위한 개구부를 포함할 수 있다. 고무 덮개(240r)는 상부 기판(210b)의 개구부를 밀봉하여, 외부 환경으로부터 단백질 분석 챔버부로 유입되는 오염 원인들을 차단하는 역할을 할 수 있다.The
마이크로 로봇(250)의 말단에 장착된 피펫 팁(255)은 고무 덮개(240r)를 관통하여 항원을 포함하는 용액을 하부 기판(210a)의 여과 영역에 주입한다. 고무 덮개(240r)는 높은 복원력을 가지면서, 0.1~2mm 범위의 두께를 가지는 고무판일 수 있다. 고무판의 복원력은 거의 100% 정도의 값일 수 있다. 이에 따라, 마이크로 로봇(250)의 말단에 장착된 피펫 팁(255)이 단백질 분석 챔버부의 내부로 삽입되었다 배출되어도 단백질 분석 챔버부 내에 담긴 시료가 외부 환경으로부터 보호될 수 있다.The
항원-항체 반응에 의해 항체군(212)과 결합한 특정 단백질은 혼성화 챔버부에서 DNA를 분석하는 과정과 유사한 방식으로 분석될 수 있다. 이는 특정 단백질이 여과 영역과 반응 영역 사이에서 형광체를 포함하도록 처리되기 때문이다. 이에 따라, 항체군(212)에 포획된 특정 단백질에 빛을 조사하여 형광 이미지를 촬영하고, 형광 이미지를 분석 시스템으로 전송한다. 분석 시스템에 내장된 분석 프로그램은 채취된 시료로부터 특정 단백질의 함유 여부를 표시한다. 이외에도, 본 발명의 자동 진단 장치는 세포 분석 장치 등에도 적용할 수 있다.Specific proteins bound to the
상기한 본 발명의 실시예에 따른 자동 진단 장치는 화학 분석을 위해 기존의 실험실에 갖추어져 있는 볼텍스 장치, 원심분리 장치, 건조 공기 공급 장치, 각종 용액병들, 중합효소 연쇄 반응 장치, 오븐 및 형광 이미지 획득 장치 등을 작은 공간 상에 집적함으로써, 실험자의 손에 의한 대부분의 공정이 마이크로 로봇에 의한 자동화된 시스템에 의해 처리될 수 있다. 이에 따라, 실험자에 의한 실수를 제거할 수 있는 동시에, 화학 분석에 걸리는 시간을 단축할 수 있는 자동 진단 시스템이 제공될 수 있다.The automatic diagnostic device according to the embodiment of the present invention is a vortex device, a centrifugal device, a dry air supply device, various solution bottles, a polymerase chain reaction device, an oven, and a fluorescence image equipped in an existing laboratory for chemical analysis. By integrating an acquisition device or the like on a small space, most of the process by the hands of the experimenter can be processed by an automated system by a micro robot. Accordingly, an automatic diagnosis system can be provided that can eliminate mistakes made by an experimenter and at the same time reduce the time required for chemical analysis.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 자동 진단 장치를 설명하기 위한 평면 개념도이고, 도 1b는 도 1a의 Ⅱ-Ⅱ' 선을 따라 절단한 단면 개념도;1A is a plan conceptual view illustrating an automatic diagnostic apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional conceptual view taken along line II-II ′ of FIG. 1A;
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 자동 진단 장치의 전처리부를 설명하기 위해 도 1a의 Ⅰ-Ⅰ' 선을 따라 절단한 단면도들;2A and 2B are cross-sectional views taken along line II ′ of FIG. 1A to illustrate a preprocessor of the automatic diagnostic apparatus according to the embodiment of the present invention;
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 자동 진단 장치의 중합효소 연쇄 반응 챔버부를 설명하기 위해 도 1a의 Ⅲ-Ⅲ' 선을 따라 절단한 단면도들;3A and 3B are cross-sectional views taken along line III-III ′ of FIG. 1A to illustrate a polymerase chain reaction chamber portion of an automatic diagnostic apparatus according to an embodiment of the present invention;
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 자동 진단 장치의 혼성화 챔버부를 설명하기 위해 도 1a의 Ⅱ-Ⅱ' 선을 따라 절단한 단면도들;4A and 4B are cross-sectional views taken along the line II-II 'of FIG. 1A to illustrate the hybridization chamber portion of the automatic diagnostic apparatus according to the embodiment of the present invention;
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자동 진단 장치의 다른 활용을 설명하기 위한 단면도.Figure 5 is a cross-sectional view for explaining another use of the automatic diagnostic apparatus according to an embodiment of the present invention.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
100 : 자동 진단 장치 110 : 기판100: automatic diagnostic device 110: substrate
120 : 전처리부 122 : 마이크로튜브120: pretreatment unit 122: microtube
124 : 마이크로튜브 마개 130 : 중합효소 연쇄 반응 챔버124: microtube stopper 130: polymerase chain reaction chamber
130r : 중합효소 연쇄 반응 챔버부 덮개 132 : 열선130r: polymerase chain reaction chamber cover 132: hot wire
140 : 혼성화 챔버부 140h : 혼성화 챔버140:
140r : 혼성화 챔버부 덮개 150, 250 : 마이크로 로봇140r:
155, 255 : 피펫 팁 160 : 제어부155, 255: pipette tip 160: control unit
170 : 피펫 팁 제공부 172 : 용액 제공부170: pipette tip provider 172: solution provider
174 : 용액 폐기부 176 : 피펫 팁 폐기부174: solution waste 176: pipette tip waste
178 : 마이크로튜브 제공부 180 : 광원178: microtube providing unit 180: light source
185 : 렌즈 190 : 촬상 소자185
210a : 하부 기판 210b : 상부 기판210a:
212 : 항체 240r : 고무 덮개212
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2007
- 2007-10-17 KR KR1020070104585A patent/KR100961468B1/en active IP Right Grant
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