KR101335204B1

KR101335204B1 - 증폭 장치, 검출 장치

Info

Publication number: KR101335204B1
Application number: KR1020110051430A
Authority: KR
Inventors: 야수아끼 소노다; 야수히로 기꾸찌; 이꾸에 노노
Original assignee: 파나소닉 헬스케어 주식회사
Priority date: 2010-05-31
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2013-11-29
Also published as: KR20110132267A; CN102286357A; CN102286357B; JP2011250714A

Abstract

고정밀도로 핵산을 증폭할 수 있는 증폭 장치를 제공한다.
증폭 장치는, 핵산을 포함하는 반응 시료를 수납하는 오목부가 복수 배열되는 반응 용기가 적재되고, 알루미늄의 열전도율보다 높은 열전도율을 갖는 열전도 부재와, 핵산이 증폭되도록 열전도 부재를 소정의 열 사이클로 가열/냉각하는 제어 장치를 구비한다.

Description

증폭 장치, 검출 장치{AMPLIFICATION DEVICE AND DETECTING DEVICE}

본 발명은, 증폭 장치, 검출 장치에 관한 것이다.

DNA(Deoxyribonucleic Acid: 디옥시리보 핵산) 등의 핵산에 폴리메라아제 연쇄 반응(이하, PCR: Polymerase Chain Reaction)을 일으켜, DNA를 검사하는 장치로서는, 리얼타임 PCR 장치가 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조). 리얼타임 PCR 장치(이하, PCR 장치)는, DNA나 형광 물질 등을 포함하는 반응 시료의 온도를 제어하여 DNA를 증폭한다. 또한, 일반적으로 PCR 장치는, 반응 시료를 여기시키는 여기광을 조사하여, 그때 반응 시료로부터 발생하는 형광에 기초하여 증폭된 DNA를 측정한다.

일본 특허 공개 제2010-81898호 공보

그런데 일반적인 PCR 장치에서는, 반응 시료를 수용하는 오목부가 복수 형성되어 있는 수지제의 반응 용기가 사용된다. 또한, 반응 용기는, 일반적으로 알루미늄을 재료로 하는 기반 위에 놓이고 기반의 온도가 제어된다. DNA는 소정의 온도 사이클을 반복함으로써 증폭하지만, 반응 용기의 모든 오목부에서 동일하도록 증폭하기 위해서는, 어느 위치에서든 정확하게 동일한 온도인 것이 바람직하다. 그러나 종래에는 용기의 위치에 따라, 즉 기반 상의 위치에 따라 0.5℃ 정도의 온도차가 있었다. 그 때문에, 각 오목부에서 증폭률에 편차가 발생하여, 효율이 저하되는 원인이 되었다.

본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 고정밀도로 핵산을 증폭할 수 있는 증폭 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 한 측면에 관한 증폭 장치는, 핵산을 포함하는 반응 시료를 수납하는 오목부가 복수 배열되는 반응 용기가 적재되고, 알루미늄의 열전도율보다 높은 열전도율을 갖는 열전도 부재와, 상기 핵산이 증폭되도록 상기 열전도 부재를 소정의 열 사이클로 가열/냉각하는 제어 장치를 구비한다.

고정밀도로 핵산을 증폭할 수 있는 증폭 장치 및 검출 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태인 PCR 장치(10)의 측면도.
도 2는 PCR 장치(10)의 평면도.
도 3은 필터 장치(32)가 장착된 회전 장치(31)의 사시도.
도 4는 반응 유닛(21)의 사시도.
도 5는 반응 유닛(21)의 단면도.
도 6은 플레이트(101)의 평면도.

본 명세서 및 첨부 도면의 기재에 의해, 적어도 이하의 사항이 명확해진다.

도 1은, 본 발명의 일 실시 형태인 PCR 장치(10)의 측면도이다. 또한, 도 2는, PCR 장치(10)의 평면도이다. PCR 장치(10)는, DNA나 형광 물질 등을 포함하는 액체 상태의 반응 시료의 온도를 제어함으로써 DNA의 증폭을 행하고, 증폭된 DNA의 상태를 광학적인 측정 방법에 의해 검출하는 장치이다. PCR 장치(10)(검출 장치)는, 본체(15)와, 본체(15)의 전방에 설치된 커버(16)를 구비하고 있다. 또한, 도 1, 도 2에 있어서 일부 블록은 단면도로 도시되어 있다.

본체(15)에는, 반응 용기(20), 반응 유닛(21), 커버(22), 제어 장치(24), 광원(30), 회전 장치(31), 필터 장치(32, 33), 모터(34) 및 카메라(35)가 설치되어 있다.

커버(16)는, 이용자가 반응 용기(20)를 교체할 수 있도록 전후로 이동 가능하게 본체(15)에 설치되고, 후방으로 이동했을 때에는 본체(15)의 내부에 수납된다. 도 1에 있어서의 커버(16)는, 전방으로 이동된 상태이며, 예를 들어 본체(15)와 커버(16) 사이에 차광 부재(도시하지 않음)가 설치됨으로써 PCR 장치(10)의 내부 공간이 차광된다. 또한, 커버(16)의 내측에는 반사경(25), 프레넬 렌즈(26)가 설치되어 있다.

반응 용기(20)에는 DNA나 형광 물질 등을 포함하는 액체 상태의 반응 시료를 수용하는 오목부가, 종횡 등간격으로 예를 들어 세로로 6개, 가로로 10개, 총 60개 형성되어 있다. 반응 용기(20)는, 후술하는 기반의 열을 효율적으로 반응 시료에 전달하기 위하여 수지제의 박판으로 이루어지고, 오목부의 반대측은 오목부에 따른 볼록 형상으로 되어 있다. 본 실시 형태에서는, 형광 물질이 여기되면, 예를 들어 2종류의 상이한 파장의 형광(형광(L1, L2))을 발생하도록 DNA는 형광 표식되어 있는 것으로 한다.

반응 유닛(21)은, 반응 용기(20)가 적재되고, 후술하는 제어 장치(24)의 지시에 기초하여 반응 용기(20)의 온도 제어를 행한다. 또한, 반응 유닛(21)의 상세에 대해서는 후술한다.

커버(22)는 반응 용기(20)가 가열되었을 때에 반응 시료의 증발을 방지하기 위하여 설치된다. 또한, 커버(22)에는, 반응 시료를 여기시키는 여기광이나, 반응 시료로부터의 형광이 영향을 받지 않도록 광투과성의 필름 등이 사용되고 있다.

제어 장치(24)는, 예를 들어 PCR 장치(10)의 외부에 설치된 컴퓨터(도시하지 않음)로부터의 지시를 받아, PCR 장치(10)의 각 블록을 제어한다. 구체적으로는, 제어 장치(24)는, 예를 들어 DNA가 증폭하도록 반응 유닛(21)의 온도를 제어한다. 또한, 제어 장치(24)는 광원(30)의 점등, 소등, 모터(34)의 회전을 제어한다.

반사경(25)은, 예를 들어 후술하는 필터 장치(32)로부터의 여기광을 프레넬 렌즈(26)를 향하여 반사한다. 또한, 반사경(25)은 반응 시료로부터의 형광을 카메라(35)에 반사한다.

프레넬 렌즈(26)는, 반사경(25)으로 반사되는 여기광을 프레넬 렌즈의 광축에 평행한 상태로 수렴시켜 투과시킨다.

광원(30)은, 본체(15)의 측면(-Y측의 측면)에 설치된, 예를 들어 할로겐 램프이며, 여기광을 포함하는 광을 조사한다.

회전 장치(31)는, 소위 터렛식의 회전 장치이며, 반응 시료로부터의 형광을 관측할 때 사용되는 필터 장치(32, 33)가 장착된다. 도 3은, 필터 장치(32)가 설치된 회전 장치(31)의 사시도이다. 회전 장치(31)는, 회전판(60, 61), 회전축(62)을 포함하여 구성된다. 회전 장치(31)는, 회전판(60)과 회전판(61) 사이에, 예를 들어 최대 6개의 필터 장치를 60도 간격으로 장착 가능하다.

회전판(60)은, 카메라(35)측의 판이며, 필터 장치가 장착되는 위치에 형광을 통과할 수 있는 둥근 창이 6군데 설치되어 있다.

회전판(61)은, 반사경(25)측의 판이며, 필터 장치가 장착되는 위치에 여기광 및 형광을 통과할 수 있는 각창이 6군데 설치되어 있다.

회전축(62)은, 회전판(60, 61) 및 장착된 필터 장치를 회전시키도록 회전판(60, 61)에 접속된다.

본 실시 형태에서는, 필터 장치(33)는 필터 장치(32)가 설치된 위치로부터 180도 이격된 위치에 장착된다. 또한, 상세한 것은 후술하겠지만, 회전 장치(31)는, 필터 장치(32, 33) 중 어느 하나를 광원(30)과 대향시키고, 광원(30)으로부터의 광을 입력시킨다. 또한, 필터 장치(32)가 광원(30)에 대향한다는 것은, 광원(30)의 광축과, 후술하는 필터 장치(32)의 광학 필터(72)의 광축이 일치하는 상태를 말한다. 도 2에서는, 예를 들어 필터 장치(32)가 광원(30)에 대향된 상태를 나타낸다.

필터 장치(32)(광학 장치)는, 형광(L1)을 관측할 때 사용되고, 상자 형상체의 필터 큐브(70)에 광학 필터(71, 73) 및 다이크로익 미러(72)가 설치되어 있다.

광학 필터(71)는, 광원(30)으로부터의 광 중 반응 시료를 여기시키는 여기광을 투과시키는 대역 통과 필터이다.

다이크로익 미러(72)는, 반응 시료에 여기광을 조사하기 위해, 광학 필터(71)를 투과한 여기광을 반사함과 함께, 여기되는 반응 시료로부터 발생하는 형광(L1)을 투과시킨다. 또한, 다이크로익 미러(72)로 반사된 여기광은, 반사경(25)으로 재차 반사되어, 프레넬 렌즈(26)를 투과하여 반응 용기(20)에 조사된다.

광학 필터(73)는, 다이크로익 미러(72)로부터의 광 중 형광(L1)을 선택적으로 투과시키는 대역 통과 필터이다.

필터 장치(33)(광학 장치)는, 형광(L2)을 관측할 때 사용되고, 상자 형상체의 필터 큐브(80)에 광학 필터(81, 83) 및 다이크로익 미러(82)가 설치되어 있다.

광학 필터(81)는, 광학 필터(71)와 마찬가지로, 입력되는 광 중 반응 시료를 여기시키는 여기광을 투과시키는 대역 통과 필터이다. 한편, 다이크로익 미러(82)는 여기광을 반사함과 함께, 반응 시료로부터의 형광(L2)을 투과시킨다. 그리고 광학 필터(83)는, 입력되는 광으로부터 형광(L2)을 선택적으로 투과시키는 대역 통과 필터이다.

모터(34)는 제어 장치(24)로부터의 지시에 의해 회전 장치(31)의 회전축(62)을 회전시킨다. 또한, 모터(34)는, 예를 들어 스테핑 모터이다.

카메라(35)(관측 장치)는, 형광(L1, L2)을 수광하여 촬영한다. 이 결과, 이용자는, 증폭된 DNA량 등을 검출할 수 있다.

== 반응 유닛(21)의 상세==

여기서, 반응 유닛(21)의 상세 구조에 대해, 도 4의 사시도, 도 5의 단면도를 참조하면서 설명한다.

반응 유닛(21)은, 기반(100), 플레이트(101), 단열 부재(102), 히트 싱크(103) 및 고정 부재(104a, 104b)를 포함하여 구성된다.

또한, 도 5에 있어서는, 반응 유닛(21)의 구조가 용이하게 이해할 수 있도록 편의상, 각 부재는 분리되어 도시되어 있지만, 실제로 완성된 반응 유닛(21)에서는, 각 부재는 접촉되어 있다.

기반(100)(열전도 부재)은, 반응 용기(20)가 적재되는 부재이며, 반응 용기(20)의 오목부에 대응한 볼록 형상을 정확히 수납하는 구멍이 종횡으로 6×10, 총 60개 형성되어 있다. 또한, 기반(100)의 재료에는, 일반적인 기반의 재료인 알루미늄보다 열전도율이 높은 구리가 사용되고 있다. 또한, 기반(100)의 표면은, 소광을 위하여 블라스트 처리되어 미세한 요철이 만들어진 후에 니켈로 도금 처리되어 있다.

플레이트(101)는, 제어 장치(24)로부터의 지시에 기초하여, 기반(100)을 가열 또는 냉각한다. 플레이트(101)는, 예를 들어 평면도인 도 6에 도시한 바와 같이, 기반(100)을 6등분한 영역 각각을 가열/냉각하기 위한 펠티에 소자(120 내지 125)와, 온도 센서(130 내지 132)를 포함하여 구성된다.

온도 센서(130)는, 예를 들어 펠티에 소자(120, 121) 사이에 설치되고, 펠티에 소자(120, 121)의 온도를 제어하기 위한 센서이다. 본 실시 형태에서는, 온도 센서(130)로부터의 출력에 기초하여, 제어 장치(24)가 펠티에 소자(120, 121)의 온도를 제어한다.

온도 센서(131, 132)는 온도 센서(130)와 마찬가지이다. 즉, 온도 센서(131)는, 펠티에 소자(122, 123)의 온도를 제어하기 위한 센서이며, 온도 센서(132)는, 펠티에 소자(124, 125)의 온도를 제어하기 위한 센서이다. 또한, 펠티에 소자(122 내지 125)의 온도도 제어 장치(24)에 의해 제어된다.

단열 부재(102)는, 기반(100)의 방열을 억제하기 위해, 기반(100), 플레이트(101) 주위를 둘러싸도록 설치된다.

히트 싱크(103)는, 펠티에 소자(120 내지 125)에서 발생하는 열을 방열한다. 고정 부재(104a, 104b)는, 기반(100), 플레이트(101), 단열 부재(102) 및 히트 싱크(103)를 고정한다.

또한, 제어 장치(24) 및 플레이트(101)가, 기반(100)을 가열 또는 냉각하기 위한 제어 장치에 상당하고, 제어 장치(24), 기반(100) 및 플레이트(101)가 DNA를 증폭하는 증폭 장치에 상당한다.

==PCR 장치(10)를 사용한 형광(L1)의 관측==

PCR 장치(10)가 DNA를 증폭하면서, 형광(L1)을 관측할 때의 상세에 대하여 설명한다. 전술한 바와 같이, 형광(L1)을 관측할 때는 필터 장치(32)가 사용된다. 이로 인해, 우선 제어 장치(24)는 광원(30)으로부터의 광이 필터 장치(32)에 입력되도록 회전 장치(31)를 회전시킨다.

다음에, 제어 장치(24)는, DNA가 증폭되도록 펠티에 소자(120 내지 125)의 온도의 제어를 개시한다. 이 결과, 펠티에 소자(120 내지 125)는, 예를 들어 소정의 사이클로 기반(100)의 가열, 냉각을 반복하기 때문에 DNA는 증폭된다.

광원(30)으로부터의 광 중 여기광은 광학 필터(71)를 투과하여, 다이크로익 미러(72)로 반사된다. 반사된 여기광은 반사경(25)으로 재차 반사되어, 프레넬 렌즈(26), 커버(22)를 투과하여 반응 용기(20)의 반응 시료에 조사된다. 이 결과, 반응 시료는 여기되어, 형광(L1, L2)이 발생한다. 형광은 반사경(25)으로 반사된 후, 그 일부가 다이크로익 미러(72)를 투과한다. 다이크로익 미러(72)를 투과한 형광은, 광학 필터(73)에 입력되기 때문에, 형광(L1)만이 선택적으로 투과하여 카메라(35)에 출력된다. 이 결과, 카메라(35)는 리얼타임으로 형광(L1)을 관측할 수 있다.

또한, 여기에서는, PCR 장치(10)를 사용하여 형광(L1)을 관측했을 때의 관측 결과에 대하여 설명했지만, 형광(L2)을 관측할 때도 마찬가지이다. 단, 그 때에는 필터 장치(32) 대신에 필터 장치(33)가 사용된다.

이상, 본 발명의 일 실시 형태인 PCR 장치(10)에 대하여 설명했다. 본 실시 형태의 구리제의 기반(100)의 열전도율은, 일반적인 기반의 재료인 알루미늄의 열전도율보다 높다. 이로 인해, 예를 들어 기반의 재료로 알루미늄을 사용하는 경우와 비교하면, 기반(100)의 온도는 더 균일해진다. 실험에서는, 반응 용기의 각 오목부에 수용된 시료의 온도차는 최대 0.2℃ 정도로 억제할 수 있었다. 따라서, 제어 장치(24), 기반(100) 및 플레이트(101)를 사용함으로써 일반적인 DNA의 증폭 장치(예를 들어, 서멀 사이클러)보다 고정밀도로 DNA를 증폭하는 것이 가능하게 된다.

또한, 알루미늄보다 열전도율이 높은 금속으로서는, 예를 들어 금, 은, 구리가 알려져 있다. 이로 인해, 본 실시 형태와 마찬가지로, 고정밀도로 DNA를 증폭하기 위하여 기반(100)의 재료로서 금, 은을 사용할 수도 있다. 그러나 본 실시 형태에서는, 기반(100)의 재료로서 구리를 사용하고 있기 때문에, 예를 들어 금, 은 등을 사용하는 경우와 비교하면 저렴하게 기반(100)을 작성할 수 있다.

또한, PCR 장치(10)에, 제어 장치(24), 기반(100) 및 플레이트(101)를 사용함으로써, PCR 장치(10)에 있어서 DNA의 증폭 정밀도를 향상시킬 수 있다.

또한, PCR 장치(10)에 있어서의 기반(100)의 재료를 구리로 함으로써, PCR 장치(10)를 저렴하게 제조할 수 있다.

일반적으로 PCR 장치에서는, 반응 시료로부터 나온 형광에 섞여 기반의 표면에서 반사된 광도 카메라(35)에 입사된다. 이러한 현상이 발생하면, 고정밀도로 형광(L1, L2)을 검출할 수 없는 경우가 있다. 본 실시 형태에서는, 기반(100)의 표면은 블라스트 처리되어 있다. 이로 인해, 기반(100)의 표면에서의 광의 반사를 억제할 수 있기 때문에, 형광(L1, L2)의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 블라스트 처리는, 기반 표면에서 광이 난반사하도록, 미세한 알루미나 입자를 분사하여 기반 표면을 거칠게 하는 처리로, 소위 소광 처리나 배껍질 모양 처리의 일종이지만, 이에 한정하지 않고, 산에 담그거나 하는 약품 처리이어도 좋고, 마찬가지의 효과를 초래하면 다른 방법을 사용해도 좋은 것이다.

또한, 실시 형태에서는 기반(100)의 표면은 니켈로 도금 처리되어 있다. 그로 인해, 내마모성과 내부식성이 증가하므로, 반응 용기의 설치 제거 시의 마찰에 견딜 수 있음과 함께, 산화나 부식을 방지하는 것이 가능하게 된다. 또한, 도금은 니켈 도금에 한정하는 것은 아니다. 마찬가지의 효과를 갖는 것이면, 그 밖의 도금이어도 좋은 것이다.

또한, 상기 실시예는 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 것이고, 본 발명을 한정하여 해석하기 위한 것은 아니다. 본 발명은, 그 취지를 일탈하지 않고, 변경, 개량될 수 있음과 함께, 본 발명에는 그 등가물도 포함된다.

10: PCR 장치
15: 본체
16, 22: 커버
20: 반응 용기
21: 반응 유닛
25: 반사경
26: 프레넬 렌즈
30: 광원
31: 회전 장치
32, 33: 필터 장치
34: 모터
35: 카메라
60, 61: 회전판
62: 회전축
70, 80: 필터 큐브
71, 73, 81, 83: 광학 필터
72, 82: 다이크로익 미러
100: 기반
101: 플레이트
102: 단열 부재
103: 히트 싱크
104a, 104b: 고정 부재
120 내지 125: 펠티에 소자
130 내지 131: 온도 센서

Claims

핵산을 포함하는 반응 시료를 수납하는 오목부가 복수 배열된 반응 용기와,
상기 반응 용기가 적재되고, 열전도 부재를 포함하는 반응 유닛과,
상기 열전도 부재를 소정의 열 사이클로 가열/냉각하는 제어 장치
를 구비하고,
상기 반응 용기는, 상기 열전도 부재의 열을 상기 복수 배열된 오목부에 수납된 반응 시료에 전달하여 상기 핵산이 증폭되도록 하고,
상기 열전도 부재는 알루미늄의 열전도율보다 높은 열전도율을 갖는 것을 특징으로 하는 증폭 장치.
제1항에 있어서, 상기 열전도 부재의 재료는 구리인 것을 특징으로 하는 증폭 장치.
핵산 및 형광 물질을 포함하는 반응 시료를 수납하는 오목부가 복수 배열된 반응 용기와,
상기 반응 용기가 적재되고, 열전도 부재를 포함하는 반응 유닛과,
상기 열전도 부재를 소정의 열 사이클로 가열/냉각하는 제어 장치와,
상기 반응 시료를 여기시키는 여기광이 상기 반응 시료에 조사되었을 때에, 상기 반응 시료로부터 발생하는 형광을 관측 장치에 투과시키는 광학 장치
를 구비하고,
상기 반응 용기는, 상기 열전도 부재의 열을 상기 복수 배열된 오목부에 수납된 반응 시료에 전달하여 상기 핵산이 증폭되도록 하고,
상기 열전도 부재는 알루미늄의 열전도율보다 높은 열전도율을 갖는 것을 특징으로 하는 검출 장치.
제3항에 있어서, 상기 열전도 부재의 재료는 구리인 것을 특징으로 하는 검출 장치.
제4항에 있어서, 상기 열전도 부재의 표면은 소광 처리되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 검출 장치.
제5항에 있어서, 상기 열전도 부재의 표면은 도금 처리되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 검출 장치.