KR101091900B1

KR101091900B1 - Ｐｃｒ 장치의 히터블록

Info

Publication number: KR101091900B1
Application number: KR1020050039658A
Authority: KR
Inventors: 백승엽
Original assignee: 삼성테크윈 주식회사
Priority date: 2005-05-12
Filing date: 2005-05-12
Publication date: 2011-12-08
Also published as: KR20060116983A

Abstract

본 발명은 장착부(322)에 장착되며 그 일측에 DNA칩(310)이 안착되고 상기 DNA 칩(310)이 안착되는 일측의 타측 배면에 히터패턴(332)이 형성된 글래스 기판(390), 상기 글래스 기판(390) 하단에 설치되며 그 배면 일측에 히터패턴(332)이 형성된 실리콘 히터(330), 상기 실리콘 히터(330)를 가열하기 위해 장착부(322)의 일측에 고정되고 상기 장착부(322)에 고정되는 일측에 대향되는 타측이 실리콘 히터(330)의 히터패턴(332)에 접촉되는 가열수단(340), 상기 실리콘 히터(330)의 온도를 측정하기 위해 장착부(322) 일측에 고정되는 동시에 장착부(322)에 고정된 일측에 대향되는 타측이 실리콘 히터(330)의 히터패턴(332)에 접촉되는 하나 이상의 제 1 온도측정수단(342) 및 상기 글래스 기판(390)의 온도를 측정하기 위해 상기 장착부(322) 일측에 고정되는 동시에 장착부(322)에 고정된 일측에 대향되는 타측이 글래스 기판(390)의 히터패턴(332)에 접촉되는 하나 이상의 제 2 온도측정수단(350)을 포함하는 히터블록을 제공한다.

본 발명에 따르면, 실리콘 히터와 DNA칩(310)이 안착된 글래스 기판의 온도 편차를 구하여 빠른 온도보정이 가능하게 하여 DNA 칩 증폭시 온도 오차를 감소시키고, 열효율을 증가시켜 시간에 따른 DNA칩 열교환 및 열분포를 안정화시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.

PCR 장치, 히터블록, 히터패턴, 온도측정수단

Description

ＰＣＲ 장치의 히터블록{Heater Block for PCR Device}

도 1은 통상적으로 사용되고 있는 PCR 장치의 사시도.

도 2는 통상적으로 사용되고 있는 PCR 유닛의 사시도.

도 3은 종래 기술에 따른 히터블록의 사시도,

도 4는 종래 기술에 따른 히터블록의 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 히터블록의 사시도,

도 6은 본 발명에 따른 히터블록의 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : PCR 본체 110 : 디스플레이 패널

120 : 내측벽 122 : 내측 배기구

130 : 외측벽 132 : 외측 배기구

140 : 상측커버 200 : PCR 유닛

210 : 송풍기 220 : 토출구

230 : 덮개 300 : 히터블록

310 : DNA 칩 320 : 거치대

322 : 장착부 324 : 유동채널

330 : 실리콘 히터 332 : 히터패턴

340 : 가열수단 342 : 제 1 온도측정수단

350 : 제 2 온도측정수단 360 : 스프링

370 : 히터 PCB 380 : 지지대 스프링

390 : 글래스 기판 400 : 기판 지지대

본 발명은 DNA를 증폭시키는 PCR(Polymerase Chain Reaction) 장치의 히터블록에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 DNA 칩이 안착되는 글래스 기판 및 실리콘 히터의 배면에 히터패턴을 설치한 후 각각의 히터패턴에 온도를 측정할 수 있는 온도측정수단을 설치하여 온도를 측정함으로써, 히터블록의 온도편차를 감소시킬 수 있도록 한 PCR 장치의 히터블록에 관한 것이다.

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.

상용화된 PCR DNA 증폭기술로서는 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, 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 20회 내지 40회 정도 반복하여 매 사이클마다 상기 두 개의 프라이머 사이의 DNA가 복제되게 함으로써 수백만 배 또는 그 이상에 이르는 DNA 증폭을 달성하게 된다.

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 사 이클을 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.

여기서, 일정 온도의 유지와 단계별 온도 변화가 신속하게 이루어지지 않아 풀림단계에서 온도가 낮아지면 증폭시키고자 하는 정 위치에 프라이머가 붙지 않기 때문에 수율에 큰 영향을 미치게 된다.

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.

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.

상기 디스플레이 패널(110)은 PCR의 증폭상태를 표시하고, 사용자의 선택을 위해 각종 메뉴화면이 표시된다. 사용자는 터치스크린(Touch screen) 상에 표시되는 메뉴화면에서 커맨드를 직접 선택할 수 있다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 PCR 유닛(200)은 증폭하고자 하는 DNA 칩이 장착되는 거치대(320)와, 상기 거치대(320)를 통과하여 후방에서 전방으 로 연장된 유동채널(324)로 구성되는 히터블록(Heater block)(300)과 상기 히터블록(300)의 후방에 설치되어 상기 DNA 칩을 냉각시키는 송풍기(210)가 형성되어 있으며, 후방의 송풍기(210)에 의해 강제로 PCR 유닛(200)의 내부로 유입된 공기는 유동채널(324)을 경유하면서 상기 DNA 칩을 냉각시키고 전방의 토출구(220)를 통해 PCR 유닛(200)의 외부로 유동한다.

한편, 상기 실리콘 히터(330)의 하단부에는 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.

한편, 상기 PCR 장치의 PCR 유닛(200)을 구성하는 히터블록(300)은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, DNA 칩을 온도측정수단(342)으로 본딩(bonding)한 후 글래스 기판(390)에 안착시키고, 상기 글래스 기판(390)의 하단 배면에 히터 패턴(332)이 형성된 실리콘 히터(330)를 설치한 후 히터패턴(332)에 가열수단(340) 및 온도측정수단(342)이 접촉되도록 구성하며, 상기 글래스 기판(390)의 DNA 칩에 형성된 본딩 형태의 온도측정수단(342)과 실리콘 히터(330)의 하단에 접촉되는 온도측정수단(342)으로 측정된 온도의 차이를 이용하여 히터블록의 온도를 조절한다.

그러나 전술한 종래의 PCR 장치는 글래스 기판(390)과 실리콘 히터(330) 사이의 간격(a)이 넓어 온도 손실이 다량 발생할 수 있고, 글래스 기판(390)과 실리콘 히터(330) 사이의 넓은 간격으로 인해 열의 전달이 균일하지 못하다는 문제점 등이 있을 뿐만 아니라, DNA 칩을 증폭할 때마다 글래스 기판(390) 상에 안착되는 DNA 칩에 온도측정수단(342)을 본딩하여야 하는 번거로움 등의 문제점이 있다.

특히, PCR 증폭은 온도 메카니즘인 변성·풀림·중합 과정을 반복하면서 각 단계별 온도조절이 매우 중요하지만, 특정적으로 DNA 발현 온도인 Tm의 경우 각 히터블록 별로 0.5 내지 1℃의 오차범위를 갖게 되므로, 바람직한 PCR 장치의 작동을 위하여 오차 범위를 ± 0.05℃로 유지하여야 하지만, 종래의 PCR 장치는 온도 조절시편을 만들어 온도보상을 하므로, 온도보상에 영향을 미치는 변수가 많고, 글래스 기판과 실리콘 히터 사이의 간격 및 온도측정수단의 온도손실 및 오차 등에 따라 온도의 균일성을 갖지 못하여 온도의 오차범위를 원하는 오차범위로 유지하는 것이 곤란하다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 글래스 기판의 배면에 열이 균일하게 전도되는 히터패턴을 설치하고, 상기 글래스 기판의 하단면에 이웃하도록 배면에 히터패턴이 형성된 실리콘 히터를 설치한 후 상기 글래스 기판 및 실리콘 히터의 배면에 설치된 히터패턴 각각에 온도를 측정할 수 있는 온도측정수단을 접촉시켜 글래스 기판의 온도와 실리콘 히터의 온도 차이를 용이하게 보정할 수 있도록 하는 히터블록을 제공하는 것에 기술적 과제가 있다.

또한, 본 발명은 글래스 기판이 안착되는 기판 지지대의 하단에 지지 스프링을 설치하여 상기 글래스 기판이 지지대에 안착될 때 발생할 수 있는 충격을 완화시켜 글래스 기판을 보호하며, 상기 글래스 기판과 실리콘 히터 사이의 간격을 감소시키는 히터블록을 제공하는 것에 기술적 과제가 있다.

한 가지 관점에서, 본 발명은 장착부(322)에 장착되며 그 일측에 DNA칩(310)이 안착되고 상기 DNA 칩(310)이 안착되는 일측의 타측 배면에 히터패턴(332)이 형성된 글래스 기판(390), 상기 글래스 기판(390) 하단에 설치되며 그 배면 일측에 히터패턴(332)이 형성된 실리콘 히터(330), 상기 실리콘 히터(330)를 가열하기 위해 장착부(322)의 일측에 고정되고 상기 장착부(322)에 고정되는 일측에 대향되는 타측이 실리콘 히터(330)의 히터패턴(332)에 접촉되는 가열수단(340), 상기 실리콘 히터(330)의 온도를 측정하기 위해 장착부(322) 일측에 고정되는 동시에 장착부(322)에 고정된 일측에 대향되는 타측이 실리콘 히터(330)의 히터패턴(332)에 접촉되는 하나 이상의 제 1 온도측정수단(342) 및 상기 글래스 기판(390)의 온도를 측정하기 위해 상기 장착부(322) 일측에 고정되는 동시에 장착부(322)에 고정된 일측에 대향되는 타측이 글래스 기판(390)의 히터패턴(332)에 접촉되는 하나 이상의 제 2 온도측정수단(350)을 포함하는 히터블록을 제공한다.

다른 관점에서, 본 발명은 상기 PCR 장치의 히터블록을 구성하는 가열수단(340), 제 1 온도측정수단(342) 및 제 2 온도측정수단(350)의 하단에 스프링(360)을 더 구비한 히터블록을 제공한다.

또 다른 관점에서, 본 발명은 상기 PCR 장치의 히터블록을 구성하는 장착부(322) 일측에 글래스 기판(390)이 안착될 수 있는 기판 지지대(400)를 설치하고, 상기 기판 지지대(400)의 하단으로 지지대 스프링(380)을 더 구비한 히터블록을 제공한다.

본 발명에 따른 히터블록은 PCR 장치에 장착되는 PCR 유닛에 사용되는 것으로서, 증폭하고자 하는 DNA 칩이 장착되는 거치대와 상기 거치대를 통과하여 후방에서 전방으로 연장된 유동채널을 구비한 것이라면 어떠한 것이라도 본 발명에 따른 히터블록에 해당될 것이다.

본 발명에 따른 장착부는 거치대의 일측에 형성되는 것으로서, 상기 거치대는 PCR 유닛의 후방에 설치된 송풍기에 의해 강제로 유입된 공기를 경유시키기 위해 후방에서 전방으로 연장된 유동채널이 일정 폭으로 형성되어 있다.

본 발명에 따른 글래스 기판(glass substrate)은 증폭하고자 하는 DNA 칩이 안착되는 장소를 제공하는 동시에 상기 글래스 기판의 하단에 구비된 실리콘 히터로부터 열을 전달받아 글래스 기판에 안착된 DNA 칩을 가열하기 위한 것으로서, 상기 DNA 칩이 안착되는 일측에 대향되는 타측 배면에 히터패턴이 설치되고, 상기 히터패턴에 온도를 측정할 수 있는 온도측정수단이 접촉되어 DNA 칩에 가해지는 온도를 측정할 수 있도록 구성되는 바, 이러한 목적을 달성하기 위하여 당업계에서 통상적으로 사용되는 글래스 기판이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하다.

여기서, 상기 히터패턴은 히터패턴을 따라 열이 글래스 기판 전체에 신속하고, 균일하게 전달될 수 있도록 하는 것으로서, 당업계에서 통상적으로 사용되는 히터패턴이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하지만, 바람직하게는 온도패턴 형상을 갖는 백금 재질이 좋고, 그 온도패턴 형상은 특별히 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 실리콘 히터는 글래스 기판의 하단에 이웃하도록 설치되어 상기 글래스 기판에 열을 전달하기 위한 것으로서, 글래스 기판에 열을 전달할 수 있는 것이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하지만, 바람직하게는 실리콘 히터의 하단 배면에 히터패턴을 형성시키고 상기 히터패턴에 가온할 수 있는 가열수단을 접촉시켜 상기 실리콘 히터를 가열하고, 가열된 실리콘 히터로부터 방출되는 열을 이용하여 상기 실리콘 히터와 이웃하도록 설치된 글래스 기판에 열을 전달하도록 하는 구조를 갖는 것이 좋다.

이때, 상기 실리콘 히터의 배면에 형성된 히터패턴에는 가열수단 이외에 온도를 측정할 수 있는 온도측정수단이 접촉되어 설치됨으로써 실리콘 히터의 온도를 측정할 수 있도록 구성된다.

여기서, 상기 가열수단은 상기 실리콘 히터의 히터패턴과 접촉하여 실리콘 히터를 가열할 수 있는 것이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하지만, 바람직하게는 당업계에서 통상적으로 사용하는 가열수단을 사용하는 것이 좋고, 더욱 바람직하게는 써멀 프로브 핀(thermal probe pin)을 사용하는 것이 좋다. 상기 써멀 프로브 핀 등으로 구성된 가열수단은 히터 PCB에 연결설치되어 상기 히터 PCB로부터 제공되는 전류를 이용하여 실리콘 히터를 가열하게 된다.

한편, 상기 실리콘 히터에 형성되는 히터패턴은 형성된 히터패턴을 따라 열이 실리콘 히터 전체에 균일하게 전달될 수 있도록 하는 것으로서, 당업계에서 통상적으로 사용되는 히터패턴이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하지만, 바람직하게는 온도패턴 형상을 갖는 백금 재질이 좋으며, 그 온도패턴 형상은 특별히 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 상기 히터패턴의 손상을 방지하기 위해 상기 실리콘 히터의 상단부 및 하단부에는 백금을 코팅하는 것이 좋다.

본 발명에 따른 온도측정수단은 상기 거치대의 장착부에 연결설치되어 고정되고, 상기 장착부에 연결설치된 일측에 대향되는 타측이 글래스 기판의 하단 배면 및 실리콘 히터의 하단 배면에 형성된 히터패턴에 접촉되어 상기 글래스 기판 및 실리콘 히터의 온도를 측정하도록 구성되는 바, 이러한 목적을 달성할 수 있는 것이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하지만, 바람직하게는 열전쌍(thermo couple)을 사용하는 것이 좋다.

본 발명에 따른 가열수단 및 온도측정수단은 그 하단에 스프링이 각각 설치되어 가열수단 또는 온도측정수단에 접촉되는 글래스 기판 및 실리콘 히터가 상기 가열수단 또는 온도측정수단에 보다 용이하게 접촉될 수 있도록 구성되며, 상기 글래스 기판이 안착되는 기판 지지대를 거치대의 길이방향에 대하여 수직 방향 양 종단 장착부에 설치하고, 기판 지지대의 하단으로 지지대 스프링을 설치하여 글래스 기판이 지지대에 안착될 때 발생할 수 있는 충격을 완화시켜 글래스 기판을 보호하도록 구성된다.

이때, 상기 가열수단, 온도측정수단 및 기판 지지대의 하단에 구비된 스프링 또는 지지대 스프링의 탄성력에 의해 상기 기판 지지대에 안착되는 글래스 기판과 상기 글래스 기판의 하단에 구비되는 실리콘 히터 사이의 간격이 감소됨으로써 열손실을 감소시킬 수 있고, 실리콘 히터 및 글래스 기판 사이의 열전달이 균일하게 이루어질 수 있도록 한다.

이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같 다. 그러나 하기의 설명은 오로지 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 하기 설명에 의해 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

도 5는 본 발명에 따른 히터블록의 사시도, 도 6은 본 발명에 따른 히터블록의 단면도로서 함께 설명한다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 히터블록(300)은 장착부(322)에 장착되며 그 일측에 DNA칩(310)이 안착되고 상기 DNA 칩(310)이 안착되는 일측의 타측 배면에 히터패턴(332)이 형성된 글래스 기판(390), 상기 글래스 기판(390) 하단에 설치되며 그 배면 일측에 히터패턴(332)이 형성된 실리콘 히터(330), 상기 실리콘 히터(330)를 가열하기 위해 장착부(322)의 일측에 고정되고 상기 장착부(322)에 고정되는 일측에 대향되는 타측이 실리콘 히터(330)의 히터패턴(332)에 접촉되는 가열수단(340), 상기 실리콘 히터(330)의 온도를 측정하기 위해 장착부(322) 일측에 고정되는 동시에 장착부(322)에 고정된 일측에 대향되는 타측이 실리콘 히터(330)의 히터패턴(332)에 접촉되는 하나 이상의 제 1 온도측정수단(342) 및 상기 글래스 기판(390)의 온도를 측정하기 위해 상기 장착부(322) 일측에 고정되는 동시에 장착부(322)에 고정된 일측에 대향되는 타측이 글래스 기판(390)의 히터패턴(332)에 접촉되는 하나 이상의 제 2 온도측정수단(350)을 포함하는 히터블록으로 구성된다.

여기서, 상기 가열수단(340)은 필요에 따라 장착부(322)의 일측 내부에 구비되고 그 일측이 상기 가열수단(340)에 연결설치되어 가열수단(340)에 전류를 공급 하는 히터 PCB(370)을 더 포함할 수 있으며, 상기 장착부(322)는 거치대(2)의 일측에 구비된다.

본 발명에 따른 거치대(2)는 PCR 장치를 구성하는 PCR 유닛의 일측에 형성된 유동채널에 설치되는 히터블록(300)의 형태를 제공하는 것으로서, 상기 PCR 유닛의 유동채널에 연결설치될 수 있는 형태라면 어떠한 형태라도 무방하지만, 바람직하게는 당업계에서 통상적으로 사용되는 거치대(2)라면 어떠한 것을 사용하여도 좋다.

본 발명에 따른 글래스 기판(390)은 증폭하고자 하는 DNA 칩(310)이 안착되는 장소를 제공하는 동시에 상기 DNA 칩(310)을 가열하기 위한 것으로서, 이러한 목적을 달성하기 위하여 당업계에서 통상적으로 사용되는 글래스 기판(390)이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하지만, 바람직하게는 상기 DNA 칩(310)이 안착되는 일측의 타측 배면에 히터패턴(332)이 설치된 글래스 기판(390)을 사용하는 것이 좋다.

한편, 본 발명에 따른 글래스 기판(390)은 거치대(320)의 장착부(322)의 상단에 안착되는 바, 상기 글래스 기판(390)이 안착되는 거치대(320)의 상단에 글래스 기판(390)이 용이하게 안착될 수 있도록 글래스 기판(390)의 형태에 대응되는 기판 지지대(400)가 구비될 수 있고, 상기 기판 지지대(400)의 하단에 위치하는 장착부(322)에 소정 공간을 구비한 후 상기 소정 공간에 지지대 스프링(380)을 설치하여 상기 글래스 기판(390)이 기판 지지대(400)에 안착될 경우 발생할 수 있는 충격을 완화시켜 글래스를 보호하며, 상기 글래스 기판(390)과 실리콘 히터(330) 사이의 간격(b)을 감소시켜 온도 손실을 억제하고, 상기 글래스 기판(390)과 실리콘 히터(330)과의 열전달이 균일하도록 한다.

본 발명에 따른 실리콘 히터(330)는 글래스 기판(390)의 하단에 이웃하도록 설치되어 상기 글래스 기판(390)에 열을 제공하기 위한 것으로서, 그 하단 배면에 히터패턴(332)이 형성되고, 상기 형성된 히터패턴(332)에 가열수단(340)이 접촉됨으로써 상기 가열수단(340)에 의해 실리콘 히터(330)가 가열되고, 가열된 실리콘 히터(330)의 열이 글래스 기판(390)으로 전달되어 글래스 기판(390)을 가열하게 된다.

여기서, 상기 가열수단(340)은 상기 실리콘 히터(330)의 히터패턴(332)과 접촉하여 실리콘 히터(330)를 가열할 수 있는 것이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하지만, 바람직하게는 당업계에서 통상적으로 사용하는 가열수단(340)을 사용하는 것이 좋고, 더욱 바람직하게는 써멀 프로브 핀을 사용하는 것이 좋다.

이때, 상기 써멀 프로브 핀 등으로 구성된 가열수단(340)은 거치대(320)의 일측에 연결설치된 히터 PCB(370)에 연결설치되어 상기 히터 PCB(370)로부터 제공되는 전류를 이용하여 실리콘 히터(330)를 가열한다.

특정 양태로서, 상기 써멀 프로브 핀을 본 발명에 따른 가열수단(340)으로 사용할 경우, 적어도 하나 이상, 바람직하게는 네 개 이상의 써멀 프로브 핀을 실리콘 히터(330)의 일측 배면에 일렬로 접촉되도록 정렬시켜 구성되도록 할 수 있다.

한편, 상기 글래스 기판(390) 및 실리콘 히터(330)에 형성되는 히터패턴(332)은 그 히터패턴(332)을 따라 열이 신속하고, 균일하게 전달될 수 있도록 하는 것으로서, 당업계에서 통상적으로 사용되는 히터패턴(332)이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하지만, 바람직하게는 온도패턴 형상을 갖는 백금 재질이 좋고, 필요에 따라 상기 실리콘 히터(330)에 설치되는 히터패턴(332)의 손상을 방지하기 위해 실리콘 히터(330)의 상단부 및 하단부에는 백금을 코팅하여 사용할 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 글래스 기판(390)의 배면에 구비된 히터패턴(332)은 종래의 글래스 기판(390)에 설치되는 DNA 칩(310)의 온도를 측정하기 위하여 별도로 온도측정수단을 본딩한 DNA 칩(310)을 대체하기 위한 것으로서, 글래스 기판(390)에 구비된 히터패턴(332)에 온도측정수단(350)을 설치함으로써 증폭하고자 하는 DNA 칩(310) 각각을 본딩하여야 하는 문제점을 해결할 수 있으며, 온도 초기화를 필요로 하지 않으므로 불필요한 온도 손실을 감소시킬 수 있도록 한다.

본 발명에 따른 온도측정수단(342, 350)은 상기 거치대(320)의 장착부(322)에 연결설치되어 고정되고, 상기 장착부(322)에 연결설치된 일측에 대향되는 타측이 글래스 기판(390)의 하단 배면 및 실리콘 히터(330)의 하단 배면에 형성된 히터패턴(332)에 접촉되어 상기 글래스 기판(390) 및 실리콘 히터(330)의 온도를 측정하도록 구성되는 바, 이러한 목적을 달성할 수 있는 것이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하지만, 바람직하게는 열전쌍 등을 사용하는 것이 좋다.

이때, 본 발명에 따른 용이한 설명을 위하여 실리콘 히터(330)의 히터패턴(332)에 접촉되어 실리콘 히터(330)의 온도를 측정하는 온도측정수단을 임의로 제 1 온도측정수단(342)으로 지칭할 경우, 글래스 기판(390)의 히터패턴(332)에 접촉되어 상기 글래스 기판(390)의 온도를 측정하는 온도측정수단을 제 2 온도측정수단 (350)이라 하기로 한다.

본 발명에 따른 온도측정수단(342, 350)의 바람직한 특정 양태로서, 상기 제 1 온도측정수단(342)은 써멀 프로브 핀을 가열수단(340)으로 하여 실리콘 히터(330)의 일측 배면에 일렬로 접촉되도록 정렬시킨 써멀 프로브 핀에 대향되는 타측 배면에 일렬로 정렬되어 접촉되도록 적어도 하나, 바람직하게는 네 개 이상으로 설치되는 것이 좋고, 상기 제 2 온도측정수단(350)은 글래스 기판(390)의 배면 양 종단에 상기 글래스 기판(390)과 접촉되도록 적어도 하나, 바람직하게는 두 개 이상을 일렬로 설치하는 것이 좋다.

한편, 본 발명에 따른 제 1 온도측정수단(342) 및 제 2 온도측정수단(350)은 그 하단에 스프링(360)을 설치하여, 상기 스프링(360)의 탄성력에 의해 상기 제 1 온도측정수단(342) 및 제 2 온도측정수단(350)을 상방향으로 올려줌으로써 상기 제 1 온도측정수단(342) 및 제 2 온도측정수단(350)이 실리콘 히터(330) 및 글래스 기판(390)과 용이하게 접촉하는 동시에 상기 실리콘 히터(330)와 글래스 기판(390) 사이의 간격(b)을 감소시켜 열손실을 억제할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 PCR 장치의 히터블록(300)을 이용하여 DNA 증폭을 달성하는 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저 DNA 증폭을 위한 첫 번째 단계인 변성단계(Denaturation step)는 증폭하고자 하는 시료인 DNA 칩(310)을 배면에 히터패턴(332)이 형성되어 있는 글래스 기판(390)에 올려놓은 후 상기 글래스 기판(390)을 가열하기 위해 거치대(320)의 장착부(332)에 설치된 실리콘 히터(330)의 상단에 상기 글래스 기판(390)을 올려놓는다.

이때, 상기 글래스 기판(390)은 거치대(320)의 장착부(332)에 기판 지지대(400)를 설치한 후 그 위에 안착되도록 설치하는 것이 좋다.

그 다음, 상기 거치대(320)의 장착부(332)에 구비된 복수개의 써멀 프로브 핀 등의 가열수단(340)을 상기 가열수단(340)에 연결된 히터 PCB(380)를 이용하여 상기 가열수단(340)에 전류를 공급하면, 상기 가열수단(340)과 접촉된 상기 실리콘 히터(330)는 상호간의 열교환에 의해 변성단계의 온도인 95℃까지 가열된다.

이와 같이 고온으로 가열시킴으로써 이중가닥의 DNA를 단일가닥으로 분리하게 된다.

두 번째 단계인 풀림단계(Annealing step)는 상기 변성단계를 거친 DNA를 적정 온도(55℃)로 냉각시키는 단계로서, 상기 거치대(320)의 후방에 설치된 송풍기(122)를 이용하여 강제로 공기를 유입시키고 상기 거치대(320)에 형성된 유동채널(324)을 경유시킨 후 덮개(126)의 전방에 형성된 토출구(220)를 통해 공기를 외부로 배출시키는 과정을 거치면서 상기 DNA 칩(310)을 냉각시키게 하는 단계이다.

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.

이 번째 단계인 중합단계(Polymerization step)는 상기 풀림단계를 거친 DNA 칩(310)을 적정온도(72℃)로 유지시킴으로써, 상기 DNA-프라이머 복합체의 프라이 머를 DNA 중합효소가 중합반응에 의해 연장(Extension)되어 원래의 DNA 칩(310)에 대해 상보적인 서열을 가지는 새로운 단일가닥의 DNA를 복제하는 단계이다.

이와 같은 세 단계를 순차적으로 20 내지 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.

여기서, 상기 실리콘 히터(330) 및 글래스 기판(390)의 온도보정 방법은 상기 히터블록(300)을 구성하는 제 1 온도측정수단(342) 및 제 2 온도측정수단(350)의 측정온도의 편차를 기준으로 가열수단(340)에 가해지는 온도를 조절하는 것으로서, 상기 제 1 온도측정수단(342)은 가열수단(340)에 연결설치되어 가열되는 실리콘 히터(330)의 배면에 형성된 히터패턴(332)에 접촉되도록 설치되어 실리콘 히터(330)의 온도를 측정하고, 상기 제 2 온도측정수단(350)은 DNA 칩(310)이 안착되어 있는 글래스 기판(390)의 배면에 형성된 히터패턴(332)와 접촉되도록 설치되어 상기 글래스 기판(390)의 온도를 측정한다.

이에, 상기 제 1 온도측정수단(342) 및 제 2 온도측정수단(350)에 의하여 측정된 온도값의 온도편차에 비례하도록 실리콘 히터(330)에 연결설치된 가열수단에 의해 가열하는 바, 예를 들면, 온도편차가 클 경우 상기 가열수단(340)에 의하여 공급되는 열량을 증가시켜 상기 가열수단(340)에 연결설치된 실리콘 히터(330)를 가열하여 상기 실리콘 히터(330)의 상단에 이웃하도록 설치된 글래스 기판(390)의 온도를 원하는 온도까지 상승시켜 준다.

그러므로 본원 발명에 따른 히터블록(300)은 실리콘 히터(330)와 DNA칩(310) 이 안착된 글래스 기판(390)의 온도 편차를 구하여 빠른 온도보정이 가능하게 하여 DNA 칩(310) 증폭시 온도 오차를 줄이고, 열효율을 증가시켜 시간에 따른 DNA칩(310) 열교환 및 열분포를 안정화시킬 수 있도록 한다.

DNA 칩(310) 후면에 구비된 백금 코팅된 히터패턴(332)은 별도의 온도 초기화 칩을 사용하지 않기 때문에, 불필요한 온도 손실을 줄일 수 있다.

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.

본 발명에 따른 PCR 장치의 히터블록은 실리콘 히터와 DNA칩이 안착된 글래스 기판의 온도 편차를 구하여 빠른 온도보정이 가능하게 하여 DNA 칩 증폭시 온도오차를 감소시키고, 열효율을 증가시켜 시간에 따른 DNA칩 열교환 및 열분포를 안정화시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 히터블록은 DNA 칩이 안착되는 글래스 기판의 배면에 구비된 히터패턴을 구비시켜, 온도 초기화를 위하여 별도의 시편을 사용하고, 시료로 사용하고자 하는 DNA 칩 각각을 열전쌍으로 본딩하는 것을 생략함으로서, 별도의 온도 초기화 칩을 사용하지 않으므로 불필요한 온도 손실을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

PCR 장치 본체와, 증폭하고자 하는 DNA 칩이 장착되는 히터블록을 구비한 PCR유닛으로 구성되는 DNA를 증폭시키는 PCR장치의 히터블록에 있어서,

상기 히터블록(2)이 장착부(322)에 장착되며 그 일측에 DNA칩(310)이 안착되고 상기 DNA 칩(310)이 안착되는 일측의 타측 배면에 히터패턴(332)이 형성된 글래스 기판(390), 상기 글래스 기판(390) 하단에 설치되며 그 배면 일측에 히터패턴(332)이 형성된 실리콘 히터(330), 상기 실리콘 히터(330)를 가열하기 위해 장착부(322)의 일측에 고정되고 상기 장착부(322)에 고정되는 일측에 대향되는 타측이 실리콘 히터(330)의 히터패턴(332)에 접촉되는 가열수단(340), 상기 실리콘 히터(330)의 온도를 측정하기 위해 장착부(322) 일측에 고정되는 동시에 장착부(322)에 고정된 일측에 대향되는 타측이 실리콘 히터(330)의 히터패턴(332)에 접촉되는 하나 이상의 제 1 온도측정수단(342) 및 상기 글래스 기판(390)의 온도를 측정하기 위해 상기 장착부(322) 일측에 고정되는 동시에 장착부(322)에 고정된 일측에 대향되는 타측이 글래스 기판(390)의 히터패턴(332)에 접촉되는 하나 이상의 제 2 온도측정수단(350)을 포함하는 히터블록.
제 1항에 있어서,

상기 가열수단(340), 제 1 온도측정수단(342) 및 제 2 온도측정수단(350)의 하단에 스프링(360)이 더 구비된 것을 특징으로 하는 PCR 장치의 히터블록.
제 1항에 있어서,

상기 장착부(322) 일측에 글래스 기판(390)이 안착될 수 있는 기판 지지대(400)를 설치하고, 상기 기판 지지대(400)의 하단으로 지지대 스프링(380)이 더 구비된 것을 특징으로 하는 PCR 장치의 히터블록.