KR101398956B1

KR101398956B1 - 핵산 증폭 장치, 그 제조 방법 및 이를 이용하는 핵산 증폭방법

Info

Publication number: KR101398956B1
Application number: KR1020120054603A
Authority: KR
Inventors: 이내윤; 오문명
Original assignee: 가천대학교 산학협력단
Priority date: 2012-05-23
Filing date: 2012-05-23
Publication date: 2014-05-27
Also published as: KR20130130936A

Abstract

본 발명은 핵산 증폭 장치, 그 제조 방법 및 이를 이용하는 핵산을 증폭하는 핵산 증폭 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 핵산 증폭 장치, 그 제조 방법 및 핵산을 증폭하는 핵산 증폭 방법은 경사면을 가지는 챔버에 의해 단일 히터의 사용으로도 챔버의 구간별 상이한 온도의 분포를 가질 수 있으며, 따라서, 핵산 증폭 반응에 필요한 승온 및 감온 시간을 단축할 수 있으므로, 온도 사이클을 진행하는 데에 있어서 종래 기술 대비 핵산 증폭의 처리량(throughput)을 향상시킬 수 있다.

Description

핵산 증폭 장치, 그 제조 방법 및 이를 이용하는 핵산 증폭방법 {NUCLEIC ACIDS AMPLIFYING DEVICE, PREPARING METHOD FOR THE SAME AND AMPLIFICATION METHOD NUCLEIC ACIDS USING THE SAME}

본 발명은 핵산 증폭 장치, 그 제조 방법 및 이를 이용하는 핵산을 증폭하는 방법에 관한 것이다.

염기서열 분석 및 질병 진단 등을 목적으로 DNA 및 RNA와 같은 핵산의 유전정보를 분석하기 위해서는, 미량의 핵산을 분석에 필요한 양 만큼 대량으로 증폭시킬 필요가 있다. 이를 위하여, 세포를 용해하여 세포로부터 핵산을 분리하기 위한 세포 용해(cell lysis), 핵산 증폭, 미소 전기 영동(capillary electphoresis; ce) 등의 공정을 수행할 수 있다.

이들 공정 중 핵산의 증폭 방법으로는, LCR(ligase chain reaction), SDA(strand displacement amplification), NASBA(nucleic acid sequence-based amplification), TMA(transcription mediated amplification)와 같은 등온 증폭(isothermal amplification) 방법과, 중합 효소 연쇄 반응(polymerase chain reaction; PCR)과 같은 비등온 증폭(non-isothermal amplification) 방법이 있다.

비등온 증폭 방법의 대표적인 예인 중합 효소 연쇄 반응은 열변성(denaturation), 결합(annealing), 및 신장(extension) 등 일련의 온도 및 효소 반응 단계로 진행되고, 이들 반응 단계는 각각 일정한 온도 범위에서 진행되어야 양질의 핵산을 고수율로 수득할 수 있다.

일반적으로 핵산의 증폭 방법에 사용되는 챔버는 실리콘(Si) 기판 또는 유리(Glass) 기판을 가공하여 제작되었으며, 이러한 재료로 제작된 챔버의 바닥면 혹은 뒷면에 히터를 장착하여 챔버 내부에 존재하는 시료 혼합물 (DNA 시료 포함)을 일정 시간 동안 가열한 후, 외부 팬(fan)을 이용하는 등 강제로 온도를 낮춘 후(감온) 다시 히터로 온도를 올려주는(승온) 방식을 채택하고 있었다.

그러나, 이러한 종래 기술에서는 열 손실을 방지할 목적으로 유리 기판을 사용하는 경우에는 승온 시 열 손실을 방지할 수 있으나 감온을 위한 열 방출이 쉽지 않은 문제점이 있고, 실리콘 기판을 사용하는 경우에는 승온 시 열 손실이 많아 빠른 승온이 어려워 챔버의 승온 및 감온 시간이 길어지게 되는 문제점이 있었다.

KR1020090080818 A KR1020090055201 A KR1020070030827 A

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 경사면을 가지는 핵산 증폭 장치 챔버에 의해 단일 히터의 사용으로도 챔버의 구간별 상이한 온도의 분포를 가지며, 따라서, 핵산 증폭 반응에 필요한 승온 및 감온 시간을 단축시키고, 핵산 증폭의 처리량(throughput)을 향상시킬 수 있는 핵산 증폭 장치, 그 제조 방법 및 이를 이용하는 핵산을 증폭하는 핵산 증폭 방법을 제공하기 위한 것이다.

그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 제 1 측면은, 히터 상에 형성된 하부 기판; 상기 하부 기판 상에 형성된 경사면을 가지는 챔버; 및 상기 경사면 상에 형성된 상부 기판;을 포함하고, 상기 챔버는, 상기 경사면의 경사 방향을 따라 일방향 및 타방향으로 연결 형성되는 채널을 포함하는 것인, 핵산 증폭 장치를 제공한다.

본 발명의 일측에 따르면, 상기 채널은, 상기 경사 방향을 따라 평행하게 형성된 직선 구간들과, 상기 채널이 하나의 경로가 되도록 상기 직선 구간들을 연결하는 곡선 구간들을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일측에 따르면, 상기 채널은, 지그재그 형상인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일측에 따르면, 상기 채널은, 경사면을 따라 오르고 내리고를 반복하는 형상인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일측에 따르면, 주입부 및 배출부를 더 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일측에 따르면, 상기 주입부, 배출부 또는 이 둘에 연결되는 펌프를 더 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일측에 따르면, 상기 상부 기판 상에, 상기 채널과 상기 주입부 사이, 상기 채널과 상기 배출부 사이 또는 그 둘 각각에, 상기 경사 방향에 수직한 방향으로 형성된 안정화 경로를 더 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일측에 따르면, 상기 하부 기판과 상기 경사면이 이루는 각도는 약 10° 내지 약 89°일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일측에 따르면, 상기 채널의 경사 방향 길이는 약 10 mm 내지 약 40 mm인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일측에 따르면, 상기 채널은, 상기 경사면을 따라 오르고 내리는 일 단위 경로가 약 1회 내지 약 50회 반복되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일측에 따르면, 상기 채널의 단면적은, 약 0.01 mm² 내지 약 0.06 mm²인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일측에 따르면, 상기 챔버 및 상기 상부 기판은, 각각 독립적으로, 고분자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

예를 들어, 상기 고분자는, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리-메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate; PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리스티렌(polystyrene; PS), 사이클로올레핀 코폴리머(cycloolefin copolymer; COC), 폴리아미드(polyamide; PA), 폴리페닐렌 에테르(polyphenylene ether; PPE), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene; POM), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone; PEEK), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride; PVC) 및 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate; PBT)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일측에 따르면, 상기 하부 기판은, 유리(glass), 석영(quartz), 사파이어(sapphire), 금속(metal) 및 다이아몬드(diamond)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 제 2 측면은, 하기를 포함하는 핵산 증폭 장치의 제조 방법을 제공한다:

히터 상에 하부 기판을 형성하는 단계; 상기 하부 기판 상에 경사면을 가지는 챔버를 형성하는 단계; 및 상기 경사면 상에 상부 기판을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 챔버는, 상기 경사면의 경사 방향을 따라 일방향 및 타방향으로 연결 형성되는 채널을 포함함.

본 발명의 일측에 따르면, 상기 채널은, 내부 하면에 상기 채널과 동일한 형상의 양각을 포함하는 틀을, 상기 내부 하면이 상기 경사면의 경사각을 이루도록 상기 틀을 고정한 상태로 유동성 고분자 전구체를 주입하는 단계; 상기 주입된 유동성 고분자 전구체를 경화시키는 단계; 및 상기 틀로부터 경화된 고분자를 추출하는 단계;를 포함하여 형성하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일측에 따르면, 상기 채널은, 포토리소그래피 공정 또는 식각 공정을 이용하여 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일측에 따르면, 상기 상부 기판 상에, 주입부 및 배출부를 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일측에 따르면, 상기 상부 기판 상에, 상기 채널과 상기 주입부 사이, 상기 채널과 상기 배출부 사이 또는 그 둘 각각에, 상기 경사 방향에 수직한 방향으로 형성된 안정화 경로를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일측에 따르면, 상기 주입부, 배출부 또는 이 둘에 연결되도록 펌프를 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일측에 따르면, 하부 기판과 상기 경사면이 이루는 각도는 약 10° 내지 약 89°일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 제 3 측면은, 제 1 측면에 따른 핵산 증폭 장치를 이용하여, 핵산을 증폭하는 방법을 제공한다.

본 발명의 일측에 따르면, 상기 채널 내부의 온도는, 상기 경사면의 하단부로부터 상기 경사면의 상단부까지 약 97 ℃로부터 약 50 ℃로 분포되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 핵산 증폭 장치, 그 제조 방법 및 이를 이용하는 핵산을 증폭하는 방법에 의하여, 단일 히터의 사용으로도 챔버의 구간별 상이한 온도의 분포를 가질 수 있으며, 따라서, 핵산 증폭 반응에 필요한 승온 및 감온 시간을 단축할 수 있으므로, 온도 사이클을 진행하는 데에 있어서 종래 기술 대비 핵산 증폭의 처리량(throughput)을 향상시킬 수 있다.

또한, 경사가 및 경사 경로의 길이와 흐름 속도를 조절하여 온도의 변화 및 해당 (또는 특정) 온도 구간에서의 DNA 시료의 체류시간을 용이하게 조절할 수 있어 핵산에 따른 조건 변경이 용이하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 증폭 장치의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 챔버의 구조를 나타내는 상면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 핵산 증폭 장치의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 증폭 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 챔버의 제조 방법을 설명하기 위한 공정도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 본 발명의 핵산 증폭 장치, 핵산 증폭 장치의 제조 방법 및 이를 이용하는 핵산을 증폭하는 방법에 대하여 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 증폭 장치의 구조를 나타내는 사시도이다. 도 1을 참조하면, 핵산 증폭 장치는 히터(110), 하부 기판(120), 챔버(130) 및 주입부(142)와 배출부(144)가 형성된 상부 기판(140)을 포함할 수 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 핵산 증폭 장치는 히터(110)를 포함할 수 있다. 히터(110)는, 챔버(130)의 채널(134)을 따라 유동하는 시료를 가열하여 반응시킬 수 있으며, 챔버(130)의 경사면 온도를 적정하게 제어할 수 있다. 히터(110)는, 열전도율을 높이기 위하여 예를 들어 백금(Pt) 등으로 이루어질 수 있다.

히터(110)는, 핵산 증폭 반응에 필요한 온도 범위로 가열되도록 설계될 수 있으며, 예를 들어, 약 25℃ 내지 약 400℃의 온도 범위로 가열될 수 있다.

본 발명의 핵산 증폭 장치는, 히터(110) 상에 하부 기판(120)을 포함할 수 있다. 이는, 히터(110)와 챔버(130)가 직접적으로 마주할 경우, 고분자로 형성될 수 있는 챔버(130)가 변형될 우려가 있어 하부 기판(120)을 포함하는 것이다.

하부 기판(120)은 예를 들어, 유리(glass), 석영(quartz), 사파이어(sapphire), 금속(metal) 및 다이아몬드(diamond)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 핵산 증폭 장치는, 하부 기판(120) 상에 형성된, 경사면(132)을 가지는 챔버(130)를 포함할 수 있다.

하부 기판(120)과 상기 챔버(130)의 경사면(132)이 이루는 각도는 약 10° 내지 약 89°일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

핵산 증폭 반응이 일어나려면, 경사면의 가장 윗부분의 온도는 바닥면 온도와 어느 정도의 차이를 가지는 것이 좋은데, 하부 기판(120)과 상기 챔버(130)의 경사면(132)이 이루는 각도가 10° 미만인 경우, 경사면의 가장 윗부분의 온도가 바닥면 온도와 큰 차이가 없을 수 있으며, 89° 초과인 경우, 바닥면과 경사면 사이에 공기가 존재하게 되어, 열전도도 계산시 추가 변수가 발생하여 경사면 최상단 부분의 적절한 온도 유지를 위한 경사도 계산이 복잡해지는 단점이 있다. 챔버(130)는, 고분자를 포함하여 형성될 수 있으며, 고분자는, 예를 들어, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리-메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate; PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리스티렌(polystyrene; PS), 사이클로올레핀 코폴리머(cycloolefin copolymer; COC), 폴리아미드(polyamide; PA), 폴리페닐렌 에테르(polyphenylene ether; PPE), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene; POM), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone; PEEK), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride; PVC) 및 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate; PBT)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

도 1 및 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 증폭 장치의 챔버(130)는 경사면(132)의 경사 방향을 따라 일방향 및 타방향으로 연결 형성된 채널(134)을 포함할 수 있다. 채널(134)은 상기 경사 방향을 따라 평행하게 형성된 직선 구간들과, 상기 채널이 하나의 경로가 되도록 상기 직선 구간들을 연결하는 곡선 구간들을 포함하는 것일 수 있으며, 예를 들어, 지그재그 형상일 수 있다. 또한, 채널(134)은 경사면을 따라 오르고 내리고를 반복하는 형상일 수 있다. 채널(134)은 경사면을 따라 오르고 내리는 일 단위 경로가 약 1회 내지 약 50회, 바람직하게는 20회 내지 45회일 수 있다. 극미량의 DNA를 증폭하는 경우에도 최소 20회 이상은 반복하여야 일정 수준 이상의 증폭이 이루어지며, 증폭하고자 하는 DNA 정보가 부족할 때는 짧은 프라이머(primer)를 이용하여 비선택적으로 증폭하여야 하므로, 45회까지 증폭하여야 하는 경우가 있을 수 있다. 채널(134)의 경사 방향 길이는 약 10 mm 내지 약 40 mm일 수 있으며, 채널(134)의 비표면적이 크기 때문에 열 발산이 잘 되어 해당 길이 범위에서도 충분한 증폭이 이루어질 수 있다. 채널(134)의 단면적은, 약 0.01 mm² 내지 약 0.06 mm²인 것일 수 있다. 이는 채널(134)의 비표면적이 크기 때문에 해당 단면적 범위에서도 충분한 증폭이 이루어질 수 있다.이와 같은 채널(134)의 구성에 의하여, 히터(110)의 열로부터 시료가 대략적으로 균등하게 구획되어 있는 채널(134) 경로를 경유하며, 핵산 증폭 반응에 적합한 충분한 시간을 갖도록 채널(134)의 길이를 충분하게 유지하면서도 챔버(130)의 크기를 줄일 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 핵산 증폭 장치는, 챔버(130) 상에 상부 기판(140)을 포함할 수 있다.

상부 기판(140)은, 챔버(130)와 동일한 물질로 형성될 수 있으며, 고분자를 포함하여 형성될 수 있으며, 예를 들어, 고분자는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리-메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate; PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리스티렌(polystyrene; PS), 사이클로올레핀 코폴리머(cycloolefin copolymer; COC), 폴리아미드(polyamide; PA), 폴리페닐렌 에테르(polyphenylene ether; PPE), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene; POM), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone; PEEK), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride; PVC) 및 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate; PBT)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 핵산 증폭 장치는, 주입부(142) 및 배출부(144)를 더 포함할 수 있다. 상부 기판(140)의 상면에 핵산 증폭 반응을 위해 예를 들어, DNA와 프라이머(primer) 등과 같은 시료의 도입을 위한 주입부(142)와 시료의 배출을 위한 배출부(144)를 각각 포함할 수 있다.

또한, 주입부(142), 배출부(144) 또는 이 둘 모두에 연결되는 펌프(미도시)가 형성될 수 있다. 주입부(142)와 연결된 펌프는 주입부(142)로부터 펌프로 시료를 유포하도록 연결될 수 있으며, 배출부(144)와 연결된 펌프는 펌프로부터 배출부(144)로 시료를 분출하도록 연결될 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 핵산 증폭 장치의 구조를 나타내는 사시도로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 상부 기판(140) 상에, 채널(134)과 주입부(142) 사이에 및/또는 채널(134)과 배출부(144) 사이에, 상기 경사 방향에 수직한 방향으로 형성된 안정화 경로(136, 138)를 더 포함할 수 있다. 안정화 경로(136, 138)는 경사 방향을 따라 수직하게 형성된 직선 구간들과, 상기 안정화 경로(136, 138)가 하나의 경로가 되도록 상기 직선 구간들을 연결하는 곡선 구간들을 포함하는 것일 수 있으며, 예를 들어, 지그재그 형상일 수 있다.

또한, 도 1 및 도 2에는 사각형으로 도시된 히터(110), 하부 기판(120), 챔버(130) 및 상부 기판(140)을 나타냈으나, 히터(110), 하부 기판(120), 챔버(130) 및 상부 기판(140)은 필요에 따라 원형, 타원형 등 다양한 형상으로 형성할 수도 있다.

도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 증폭 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 공정도이고, 도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 챔버의 제조 방법을 설명하기 위한 공정도이다. 이하, 도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 증폭 장치의 제조 방법을 설명한다.

먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이, 히터(110) 상에 하부 기판(120)을 형성할 수 있다.

히터(110)는, 열전도율을 높이기 위하여 예를 들어, 백금(Pt) 등으로 이루어질 수 있다.

하부 기판(120)은 예를 들어, 유리(glass), 석영(quartz), 사파이어(sapphire), 금속(metal) 및 다이아몬드(diamond)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

이어서, 도 4b에 도시된 바와 같이, 하부 기판(120) 상에 경사면(132)을 가지는 챔버(130)를 형성할 수 있다.

챔버(130)는 고분자를 포함하여 형성될 수 있으며, 고분자는, 예를 들어, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리-메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate; PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리스티렌(polystyrene; PS), 사이클로올레핀 코폴리머(cycloolefin copolymer; COC), 폴리아미드(polyamide; PA), 폴리페닐렌 에테르(polyphenylene ether; PPE), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene; POM), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone; PEEK), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride; PVC) 및 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate; PBT)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

하부 기판(120)과 경사면(132)이 이루는 각도는 약 10° 내지 약 89°일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

챔버(130)는 경사면(132)의 경사 방향을 따라 일방향 및 타방향으로 연결 형성되는 채널(134)을 포함할 수 있다.

채널(134)은 상기 경사 방향을 따라 평행하게 형성된 직선 구간들과, 상기 채널(134)이 하나의 경로가 되도록 상기 직선 구간들을 연결하는 곡선 구간들을 포함하는 것일 수 있으며, 지그재그 형상일 수 있다. 또한, 채널(134)은 경사면을 따라 오르고 내리고를 반복하는 형상일 수 있다. 채널(134)은 경사면을 따라 오르고 내리는 일 단위 경로가 약 1회 내지 약 50회 반복되는 것일 수 있다. 채널(134)의 경사 방향 길이는 약 10 mm 내지 약 40 mm일 수 있고, 채널(134)의 단면적은, 약 0.01 mm² 내지 약 0.06 mm²인 것일 수 있다.

챔버(130)의 경사 방향을 따라 일방향 및 타방향으로 연결 형성되는 채널(134)의 형성 방법은 도 4a 내지 도 4d에 나타내었다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 내부 하면(200)에 채널(134)과 상기에서 예시적으로 설명한 동일한 형상의 양각을 포함하는 틀(210)을 준비하고, 도 4b에 도시된 바와 같이, 내부 하면(200)이 경사면(132)의 경사각을 이루도록 틀(210)을 고정한 상태로 유동성 고분자 전구체(130a)를 주입할 수 있다. 이어서, 도 5c에 도시된 바와 같이, 주입된 유동성 고분자 전구체(130a)를 경화시킬 수 있다. 유동성 고분자 전구체(130a)는 예를 들어, 유동성 고분자 전구체(130a)를 가열하거나, 자외선 경화시킴으로써 경화된 고분자(130)를 형성할 수 있다. 이어서, 도 5d에 도시된 바와 같이, 틀(210)로부터 경화된 고분자(130)를 추출하여 채널(134)이 형성된 챔버(130)를 형성할 수 있다.

다른 실시예에 있어서, 채널(134)이 형성된 챔버(130)는 도 5a 내지 도 5d에 도시하지는 않았지만, 경사진 고분자 챔버(130)에 예를 들어, 포토리소그래피 공정 또는 식각 공정을 이용하여 채널(134)을 형성할 수도 있다.

다시 도 4을 참조하면, 도 4c에 도시된 바와 같이, 채널(134)이 형성된 챔버(130) 경사면(132) 상에 상부 기판(140)을 형성할 수 있다.

상부 기판(140)은 챔버(130)와 동일한 물질로 형성될 수 있으며, 고분자를 포함할 수 있다. 고분자는, 예를 들어, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리-메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate; PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리스티렌(polystyrene; PS), 사이클로올레핀 코폴리머(cycloolefin copolymer; COC), 폴리아미드(polyamide; PA), 폴리페닐렌 에테르(polyphenylene ether; PPE), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene; POM), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone; PEEK), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride; PVC) 및 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate; PBT)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

챔버(130) 및 상부 기판(140)의 가장자리는 예를 들어, 어노딕 본딩(anodic bonding), 퓨전 본딩(fusion bonding), 접착제 본딩(adhesive bonding), 및 폴리머 본딩(polymer bonding) 중에서 선택된 어느 하나의 본딩 방법에 의해 접합될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이어서, 도 4d에 도시된 바와 같이, 상부 기판(140) 상에, 주입부(142) 및 배출부(144)를 형성할 수 있다. 상기 주입부와 배출부는 서로 바뀔 수 있다.

핵산 증폭을 위해, 상부 기판(140)의 상면에 예를 들어, DNA와 프라이머(primer) 등과 같은 시료의 도입을 위한 주입부(142)와 시료의 배출을 위한 배출부(144)가 각각 포함될 수 있다.

또한, 도면에는 도시되지 않았지만, 추가적으로 주입부(142), 배출부(144) 또는 이 둘 모두에 연결되는 펌프(미도시)를 형성할 수 있다. 주입부(142)와 연결된 펌프는 주입부(142)로부터 펌프로 시료를 유포하도록 연결시킬 수 있으며, 배출부(144)와 연결된 펌프는 펌프로부터 배출부(144)로 시료를 분출하도록 연결시킬 수 있다.

또한, 도면에는 도시되지 않았지만, 추가적으로 상부 기판(140) 상에, 채널(134)과 주입부(142) 사이와 채널(134)과 배출부(144) 사이에, 상기 경사 방향에 수직한 방향으로 형성된 안정화 경로(미도시)를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 안정화 경로는 경사 방향을 따라 수직하게 형성된 직선 구간들과, 상기 안정화 경로가 하나의 경로가 되도록 상기 직선 구간들을 연결하는 곡선 구간들을 포함하는 것일 수 있으며, 예를 들어, 지그재그 형상일 수 있다.

이하에서는, 이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 증폭 장치를 이용하여, 핵산을 증폭하는 핵산 증폭 방법을 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 증폭 장치를 이용한 핵산 증폭 반응은 3단계 과정에 의해 핵산 증폭 반응이 일어나게 되고, 각 단계별로 필요한 반응 온도는 다르며, 3단계 과정이 한 주기가 되고, 이를 반복적으로 이루어지게 함으로써 대량으로 핵산 증폭이 진행된다. 이러한 주기적인 핵산 증폭 과정은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 증폭 장치를 이용하여 챔버(130)의 구간별 상이한 온도의 분포에 따라 핵산 증폭이 일어날 수 있다.

본 실시예에서는, 특정 디옥시리보핵산(Deoxyribonucleic Acid, DNA)으로부터 DNA 중합효소에 의하여 원하는 유전자를 기하급수적으로 증폭시키는 기술이며, DNA 진단의 중심이 되는 필수적인 기술로서, 중합효소 연쇄반응(Polymerase Chain Reaction; PCR)에 대하여 설명한다.

하부 기판과 챔버는, 두 접합 부위를 각각 플라즈마 처리 후, 접합시킨 다음 열 경화를 통해 비가역적으로 접합된 장치를 사용하였다.

먼저, 핵산 증폭 장치의 챔버(130)를 히터(110)를 이용하여, 약 97 ℃까지 가열하여 온도를 유지한다. 고분자로 제조될 수 있는 챔버(130)는 경사면(132)에 따라 온도가 상이하게 분포될 수 있는데, 채널(134) 내부의 온도는, 예를 들어, 경사면(132)의 하단부로부터 경사면(132)의 상단부까지 약 97 ℃로부터 약 50 ℃로 분포되는 것일 수 있으며, 경사면(132)의 중간부는 72 ℃의 온도일 수 있다. 97 ℃의 온도는 DNA의 이중 사슬을 분리시키는데 필요한 온도이고, 50 ℃의 온도는 프라이머스 어닐링 온도(primers annealing temperature)로서, 분리된 DNA의 단일 가닥이 프라이머(primer)와 결합 (어닐링)하는데 필요한 온도이고, 72 ℃의 온도는 DNA 익스텐션(extension) 온도로서, DNA 단일 가닥에 결합한 프라이머가 신장하는데 필요한 온도이다. 이와 같은 온도 사이클을 1회 반복하면 DNA가 두 개로 복제되고, 상기 사이클을 n회 반복하게 되면 DNA는 2ⁿ 의 개수까지 복제될 수 있다.

상술한 바와 같은 경사면을 가지는 챔버에 의해, 단일 히터의 사용으로도 챔버의 구간별 상이한 온도의 분포를 가질 수 있으며, 따라서, 핵산 증폭 반응에 필요한 승온 및 감온 시간을 단축할 수 있으므로, 온도 사이클을 진행하는 데에 있어서 종래 기술 대비 핵산 증폭의 처리량(throughput)을 향상시킬 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

110: 히터
120: 하부 기판
130: 챔버
132: 경사면
134: 채널
136, 138: 안정화 경로
140: 상부 기판
142: 주입부 (또는 배출부)
144: 배출부 (또는 주입부)

Claims

히터 상에 형성된 하부 기판;
상기 하부 기판 상에 형성된 경사면을 가지는 챔버; 및
상기 경사면 상에 형성된 상부 기판;
을 포함하고,
상기 챔버는, 상기 경사면의 경사 방향을 따라 일방향 및 타방향으로 연결 형성되는 채널을 포함하는 것인,
핵산 증폭 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 채널은, 상기 경사 방향을 따라 평행하게 형성된 직선 구간들과, 상기 채널이 하나의 경로가 되도록 상기 직선 구간들을 연결하는 곡선 구간들을 포함하는 것인, 핵산 증폭 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 채널은, 지그재그 형상인 것인, 핵산 증폭 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 채널은, 경사면을 따라 오르고 내리고를 반복하는 형상인 것인, 핵산 증폭 장치.
제 1 항에 있어서,
주입부 및 배출부를 더 포함하는 것인, 핵산 증폭 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 주입부, 배출부 또는 이 둘에 연결되는 펌프를 더 포함하는, 핵산 증폭 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 하부 기판과 상기 경사면이 이루는 각도는 10° 내지 89°인, 핵산 증폭 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 채널의 경사 방향 길이는 10 mm 내지 40 mm인 것인, 핵산 증폭 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 채널은, 상기 경사면을 따라 오르고 내리는 일 단위 경로가 1회 내지 50회 반복되는 것인, 핵산 증폭 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 채널의 단면적은, 0.01 mm² 내지 0.06 mm²인 것인, 핵산 증폭 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 챔버 및 상기 상부 기판은, 각각 독립적으로, 고분자를 포함하는 것인, 핵산 증폭 장치.
제 11 항에 있어서,
상기 고분자는, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리-메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate; PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리스티렌(polystyrene; PS), 사이클로올레핀 코폴리머(cycloolefin copolymer; COC), 폴리아미드(polyamide; PA), 폴리페닐렌 에테르(polyphenylene ether; PPE), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene; POM), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone; PEEK), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride; PVC) 및 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate; PBT)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인, 핵산 증폭 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 하부 기판은, 유리(glass), 석영(quartz), 사파이어(sapphire), 금속(metal) 및 다이아몬드(diamond)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인, 핵산 증폭 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 상부 기판 상에, 상기 채널과 상기 주입부 사이, 상기 채널과 상기 배출부 사이 또는 그 둘 각각에, 상기 경사 방향에 수직한 방향으로 형성된 안정화 경로를 더 포함하는 것인, 핵산 증폭 장치.
히터 상에 하부 기판을 형성하는 단계;
상기 하부 기판 상에 경사면을 가지는 챔버를 형성하는 단계; 및
상기 경사면 상에 상부 기판을 형성하는 단계;
를 포함하고,
상기 챔버는, 상기 경사면의 경사 방향을 따라 일방향 및 타방향으로 연결 형성되는 채널을 포함하는 것인, 핵산 증폭 장치의 제조 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 채널은, 상기 경사 방향을 따라 평행하게 형성된 직선 구간들과, 상기 채널이 하나의 경로가 되도록 상기 직선 구간들을 연결하는 곡선 구간들을 포함하는 것인, 핵산 증폭 장치의 제조 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 채널은, 지그재그 형상인 것인, 핵산 증폭 장치의 제조 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 채널은, 경사면을 따라 오르고 내리고를 반복하는 형상인 것인, 핵산 증폭 장치의 제조 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 채널은,
내부 하면에 상기 채널과 동일한 형상의 양각을 포함하는 틀을, 상기 내부 하면이 상기 경사면의 경사각을 이루도록 상기 틀을 고정한 상태로 유동성 고분자 전구체를 주입하는 단계;
상기 주입된 유동성 고분자 전구체를 경화시키는 단계; 및
상기 틀로부터 경화된 고분자를 추출하는 단계;
를 포함하여 형성하는 것인, 핵산 증폭 장치의 제조 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 채널은, 포토리소그래피 공정 또는 식각 공정을 이용하여 형성된 것인, 핵산 증폭 장치의 제조 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 상부 기판 상에, 주입부 및 배출부를 형성하는 단계;
를 더 포함하는, 핵산 증폭 장치의 제조 방법.
제 21 항에 있어서,
상기 주입부, 배출부 또는 이 둘에 연결되도록 펌프를 형성하는 단계;
를 더 포함하는, 핵산 증폭 장치의 제조 방법.
제 21 항에 있어서,
상기 상부 기판 상에, 상기 채널과 상기 주입부 사이, 상기 채널과 상기 배출부 사이 또는 그 둘 각각에, 상기 경사 방향에 수직한 방향으로 형성된 안정화 경로를 형성하는 단계를 더 포함하는, 핵산 증폭 장치의 제조 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 하부 기판과 상기 경사면이 이루는 각도는 10° 내지 89°인, 핵산 증폭 장치의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항의 핵산 증폭 장치를 이용하여, 핵산을 증폭하는 핵산 증폭 방법.
제 25 항에 있어서,
상기 채널 내부의 온도는, 상기 경사면의 하단부로부터 상기 경사면의 상단부까지 97 ℃로부터 50 ℃로 분포되는 것인, 핵산을 증폭하는 핵산 증폭 방법.