KR101420568B1 - 다수의 혼합 챔버를 구비한 진단 키트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 현장 진단 키트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시료와 시약을 저장하는 다수 개의 저장 챔버를 구비하고 시료와 시약을 공급하는 채널이 만나는 부분에 다수 개의 혼합 챔버를 구비하여 현장에서 시료와 시약을 균일하고 신속하게 혼합하여 핵산 증폭 등의 과정을 신속하게 수행함과 아울러 그 결과를 현장에서 직접 확인할 수 있는 다수의 혼합 챔버를 구비한 진단 키트에 관한 것이다.

Description

다수의 혼합 챔버를 구비한 진단 키트{Diagnostic kit having a plurality of mixing chambers}
본 발명은 현장진단 키트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시료와 시약을 저장하는 다수 개의 저장 챔버를 구비하고 시료와 시약을 공급하는 채널이 서로 만나는 부분에 다수 개의 혼합 챔버를 구비하여 현장에서 시료와 시약을 균일하고 신속하게 혼합하여 핵산 증폭 등의 과정을 신속하게 수행함과 아울러 그 결과를 현장에서 직접 확인할 수 있는 다수의 혼합 챔버를 구비한 진단 키트에 관한 것이다.
< 연구과제>
연구과제명: 초고속 PCR을 이용하는 현장진단 키트 개발
과제번호: 2012B0015010110
주관기관: 단국대학교링크사업단
부처명: 교육과학기술부 / 한국연구재단
총연구기간: 2012-09-01 ~ 2013-02-28
액체샘플, 예를 들면 요 또는 혈액시료에서 단일 또는 복수의 물질의 존재를 검사 또는 조사하는 장치를 진단 키트라 한다. 구체적으로는 현대의 진단 사업 분야는 현장검사(Point-Of-Care Testing: POCT) 하나로 통합되고 있다. POCT는 중앙화된 검사실 외에서 이루어지는 검사로 전문지식이 없는 일반인도 사용할 수 있는 장비를 말한다. 현재에는 병원에서 현장 및 개인으로 진단 영역이 확장되고 있는 추세이다.
특히, 면역크로마토그래피 분석으로 대표되는 신속 진단 테스트는 보건의료분야에서 질병을 확인하거나 변화를 파악하기 위해 사용되며 식품 및 생물 공정 분야, 환경 분야 등 다양한 분야에서도 미량의 분석 물질을 정성 및 정량적으로 검사하는 간편한 방법으로 개발되고 있다. 보건 의료 분야에서도 임신, 배란, 전염성 질병, 약물 남용, 급성 심근경색, 암 등에 응용 범위가 확장되고 있다.
그리고 랩온어칩(Lab-on-a-chip)은 반도체 제작 공정에서 사용되는 사진석판인쇄(Photolithography) 기술과 같은 미세가공(Micromachining) 기술을 이용하여 유리, 실리콘 또는 플라스틱으로 된 수 ㎠ 크기의 기판 위에 여러 가지 장치들을 집적시킨 화학 마이크로프로세서로서, 이를 이용하면 현장 진단이 가능하다(문헌 [Kovacs, Anal. Chem. 68 (1996) 407A-412A] 참조).
도 7에 도시한 종래 기술에 따른 랩온어칩(100)은, 효소 혼합액(시약)을 주입하는 시약주입부(121)와, 측정하려는 시료를 주입하는 시료주입부(123)와, 상기 시약주입부(121)로부터 소정의 폭으로 연장 형성되는 시약 채널(125)과, 상기 시료주입부(123)로부터 소정의 폭으로 연장 형성되며 소정 범위에서 상기 시약 채널(125)과 평행하게 형성되는 시료 채널(127)과, 상기 시약 채널(125)과 시료 채널(127)이 서로 만나 형성되는 혼합 채널을 구비하며, 상기 발광 구역(130)의 하류로 혼합 채널(141)이 연장되며, 상기 혼합 채널(141)의 말단에 혼합액 배출부(143)가 형성된다.
상기 발광 구역(130)은 시약 채널(125)이나 시료 채널(127)의 폭보다 작은 폭을 가지는 모세관이 좌우로 왕복하면서 형성된 미세 채널(131)로 이루어진다. 상기 발광 구역(130)을 이루는 미세 채널(131)은 전체 길이가 다른 채널(125, 127 및 141)보다 길기 때문에 당해 발광 구역(130)에서 오래 머물면서 왕성한 발광 기능을 일으키게 되는 것으로 공개 공보(특허공개 제10-2006-102794호)에 기재되어 있다.
그러나 상기와 같은 종래 기술에 의한 랩온어칩(100)은 자연적인 층류(Laminar flow) 효과와 반응물들의 선천적인 확산 계수와 같은 확산에 의한 혼합원리를 바탕으로 개발되었으며, 이와 같은 원리를 이용하여 반응물들을 혼합하기 위하여 좁고 긴 미세관을 구비하여야 한다. 즉, 시약(또는 반응 용액)과 시료를 혼합하고, 혼합할 때 발생하는 발광을 검출하기 위하여 수직 방향으로 수회 반복되어 형성되는 미세 채널(131)을 형성하거나, 수회 굴곡 되는 미세관으로 형성되는 반응 채널(231)을 구비하여야 하므로, 제작하기가 상당히 어렵고, 따라서 제작하는데 많은 시간이 소요되며, 시료와 시약(또는 반응 용액)이 충분하고 균일하게 혼합될 수 있는 공간이 마련되지 않아 신속하게 혼합되지 않는 문제점이 있었으며, 시료나 시약(또는 반응 용액)의 흐름 방향과 혼합 용액의 흐름 방향이 같은 방향으로 형성되어 혼합 메카니즘이 용이하게 형성되지 않는 문제점이 있었다.
또한, 기존의 바이오칩, 또는 랩온어칩 내에서의 물질의 유속은 0.1mm/sec이하로 매우 낮은 Re수(0.001~0.01)를 가진다. 따라서 두 물질(시료, 반응용액)이 만나 반응하는 과정에서 난류혼합(turbulence mixing)이 거의 발생하지 않고, 주로 두 물질의 접촉면에서 분자 확산(molecular diffusion)만으로 반응하게 된다. 따라서 실제 마이크로칩에서 시료와 반응용액이 반응시킬 때 매우 오랜 시간을 소요하고 있으며, 반응하는 구간의 채널 길이 역시 매우 길게 설계되고 있는 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 주된 목적은 신속하게 시료와 시약이 혼합되며, 시약과 시료가 반응할 때 발생하는 형광을 신속하게 측정할 수 있으며 현장에서 편리하게 사용할 수 있는 진단 키트를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 원심력을 이용하여 시약과 시료를 균일하고 시약과 시료가 만나 반응하는 과정에서 난류를 일으켜 신속하게 혼합할 수 있으며, 시험에 요구되는 시약을 미리 저장함으로써 현장에서 시약을 주입하는 불편함을 해소하여 사용하기 편리한 진단 키트를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 다수의 혼합 챔버를 구비한 진단 키트는,
상단에 시약을 주입하기 위한 시약주입구가 형성되고 하단에 시약을 공급하기 위한 시약공급 채널이 형성된 복수 개의 시약저장 챔버와;
상단에 시료를 주입하기 위한 시료주입구가 형성되고 하단에 시료를 공급하기 위한 시료공급 채널이 형성된 시료저장 챔버와;
상단에 상기 복수 개의 시약공급 채널과 상기 시료공급 채널이 연결되고 하단에 혼합액을 공급하기 위한 제1 혼합액공급 채널이 형성된 제1 혼합 챔버와;
상단에 상기 제1 혼합 챔버의 제1 혼합액공급 채널이 연결되고 하단에 혼합액을 공급하기 위한 제2 혼합액공급 채널이 형성된 제2 혼합 챔버와;
상단에 상기 제2 혼합액공급 채널이 연결되고 일정한 크기를 갖는 반응 챔버;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 반응 챔버의 상부에는 하단이 상기 반응 챔버에 연결되고 상단에는 혼합액을 외부로 배출하는 혼합액배출구가 형성된 혼합액 배출 챔버가 더 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 랩온어칩은 판 형상의 투명 기판으로 이루어지고, 상기 투명기판의 하면에는 상기 투명기판의 하면에 형성된 다수 개의 챔버와 채널을 밀봉하는 덮개필름이 부착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 투명기판의 상면에는 상기 투명기판의 상면에 형성된 주입구 및 배출구(시약주입구, 시료주입구, 혼합물배출구)를 밀봉하는 테이프가 더 부착되는 것을 특징으로 한다.
상기 복수 개의 시약저장 챔버는 상하로 평행하게 형성된다.
상기 시료저장 챔버는 상기 시약저장 챔버와 평행하게 형성된다.
상기 제1 혼합 챔버와 제2 혼합 챔버는 삼각형 형상으로 이루어지고, 삼각형의 수평면은 상단에 꼭짓점은 하단에 형성된다.
상기 제2 혼합 챔버에는 상기 제1 혼합액공급 채널의 하단에서 공급되는 혼합액의 흐름을 교란시키기 위한 교란 봉이 수직으로 형성된다.
상기 제2 혼합 챔버의 후단에는 상기 제2 혼합 챔버와 동일한 혼합 챔버가 순차적으로 다수 개 설치될 수 있다.
상기 교란 봉은 원기둥 형태로 이루어진다.
그리고 삼각형은 꼭 지점의 내각이 120°이상으로 벌어지는 것을 특징으로 한다.
상기 반응 챔버는 사각형상으로 이루어진다.
상기 혼합물 배출 챔버는 하단이 상기 반응 챔버의 상단에 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 챔버와 채널은 상기 투명기판의 하면에 일정 깊이의 홈을 형성하여 이루어지고, 상기 덮개필름은 상기 투명기판의 하면에 부착되어 상기 챔버를 밀봉한다.
상기 투명기판은 사출성형이 가능한 소재로 이루어지고, 상기 챔버는 투명기판을 사출성형할 때 형성된다.
상기 투명기판은 사각 판 형태로 이루어지고 적어도 하나의 측면에는 일부 또는 전부에 수직면이 형성되어 광 조사기에서 조사하는 광을 수광할 수 있도록 한다.
상기 덮개필름은 열 전도성 및 내열성이 우수한 합성수지로 이루어진다.
상기 덮개필름은 0.05mm ~ 0.2mm의 두께로 이루어진다.
본 발명의 다수의 혼합 챔버를 구비한 진단 키트에 따르면, 현장에서 시료와 시약을 혼합하여 반응시킬 수 있고 얇은 덮개필름을 통해 히터의 열이 시료로 신속히 전달되므로 가열-냉각의 온도 변화를 신속하게 수행할 수 있어 반응시간을 크게 단축할 수 있고 광에 의해서 발광하는 빛을 육안으로 확인할 수 있어 현장에서 결과를 신속하게 확인할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 시약을 실험실이나 공장에서 시약저장 챔버에 미리 주입하여 밀봉할 수 있으므로 혼잡한 현장에서 시약을 조제하거나 주입하면서 생기는 실수를 방지함으로써 시험을 신속하고 정확하게 실시할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 시약과 시료를 원심력을 이용하여 혼합하므로 시료와 시약이 균일하고 신속하게 혼합될 뿐만 아니라 별도의 밸브나 펌프 구조가 필요 없어 랩온어칩의 구조가 단순하게 되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 반응 챔버로 유입된 시약과 시료의 혼합물을 넓게 퍼지게 하여 광 조사기에서 조사되는 광이 넓게 퍼져 있는 시료를 측 방향에서 투과하도록 함으로써 조사 광의 경로가 길어져 미량 또는 극미량의 시료를 사용하여도 형광을 육안으로 관찰할 수 있어 현장에서 결과를 확인할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 랩온어칩의 개략적인 평면도,
도 2는 도 1에 도시된 랩온어칩의 단면도와 확대도,
도 3은 회전판의 원심력을 이용하여 시약과 시료를 혼합하는 과정을 보여주는 설명도,
도 4는 본 발명에 랩온어칩을 사용하는 PCR 장치의 일예를 보여주는 사시도,
도 5는 도 4에 도시된 PCR 장치의 개략적인 부분 단면도,
도 6은 본 발명에 따른 랩온어칩의 사용과정을 보여주는 개략적인 설명도,
도 7은 종래 기술에 따른 랩온어칩을 보여주는 평면도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르는 다수의 혼합 챔버를 구비한 진단 키트에 대해서 상세히 설명한다.
상세한 설명에 있어서 종래 기술과 동일한 내용에 대해서는 그 기재를 생략하며, 동일한 작용을 하는 구성에 대해서는 동일한 명칭을 사용한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르는 다수의 혼합 챔버를 구비한 진단 키트(이하 '랩온어칩(Lab-on-a-chip)'이라 함)을 개략적으로 도시한 평면도, 도 2는 도 1에 도시된 랩온어칩의 단면도 및 부분 확대도이다. 본 명세서에는 진단 키트의 바람직한 실시 예로서 랩온어칩에 대해서 설명하지만 본 발명이 이러한 랩온어칩으로 한정되는 것은 아니다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 랩온어칩(1)은, 투명 재질로 이루어진 투명기판(2)과, 상기 투명기판(2)의 하면에 접착되어 있는 덮개필름(3)으로 이루어진다.
그리고 상기 투명기판(2)의 상면에는 다수 개의 덮개테이프(4)가 부착될 수 있다.
상기 투명기판(2)의 하면(2a)에는 복수 개의 시약저장 챔버(10)와, 시료저장 챔버(20), 다수 개의 혼합 챔버(30) 및 반응 챔버(40)가 구비된다.
그리고 상기 시약저장 챔버(10)의 상단에는 각각 시약주입구(11)가 형성되고, 상기 시료저장 챔버(20)의 상단에는 시료주입구(21)가 형성된다. 또한, 상기 시약저장 챔버(10)의 하단에는 각각 시약공급 채널(12)이 형성되고, 상기 시료저장 챔버(20)의 하단에는 시료공급 채널(22)이 형성된다.
상기 시약저장 챔버(10)와 시료 저장 챔버(20)는 일정한 양의 시약과 시료를 저장할 수 있도록 길이방향으로 길죽한 사각 형태를 갖는다. 상기 복수 개의 시약저장 챔버(10)는 평행하게 형성된다. 상기 시료저장 챔버(20)는 상기 시약저장 챔버(10)보다 크게 형성되고 시료저장 챔버(20)와 이격되어 평행하게 형성된다.
상기 시약공급 채널(12)과 시료공급 채널(22)은 상기 시약투입구(11)와 시료투입구(21)의 반대편에 설치된다. 상기 시약공급 채널(12)과 시료공급 채널(22)은 상기 시약저장 챔버(10) 및 시료 저장 챔버(20)의 폭보다 좁은 폭으로 형성된다. 따라서 상기 시약저장 챔버(10)와 시료저장 챔버(20)에 저장된 시약과 시료는 챔버의 내부가 진공인 상태에서는 중력만으로 배출되지 않는다. 바람직하게 본 발명에서는 상기 시약저장 챔버(10)와 시료저장 챔버(20)에 저장된 시약과 시료를 원심력을 이용하여 이송한다.
상기 복수 개의 시약저장 챔버(10)의 하부에 다수 개의 혼합 챔버(30)가 일렬로 설치된다. 제1 혼합 챔버(30a)는 삼각형상으로 이루어진다. 상기 제1 혼합 챔버(30a)는 삼각형의 수평면이 상단에 위치하고 꼭짓점이 하단에 위치하도록 형성된다. 상기 다수 개의 시약공급 채널(12)은 상기 제1 혼합 챔버(30a)의 상단에 연결된다. 또한, 상기 시료공급 채널(22)의 시료공급 채널(22)도 상기 상기 제1 혼합 챔버(30a)의 상단에 연결된다. 바람직하게 상기 시료공급 채널(22)은 제1 혼합 챔버(30a)의 상단면 일 측에 형성되어 상기 제1 혼합 챔버(30a)의 경사면을 따라 시료를 공급할 수 있도록 한다.
상기 다수 개의 시약공급 채널(12)과 시약공급 채널(22)에서 배출되는 시약과 시료는 상기 제1 혼합 챔버(30a)로 공급되어 혼합된다. 상기 제1 혼합 챔버(30a)은 시약과 시료를 수용할 수 있는 크기로 이루어진다. 그리고 상기 제1 혼합 챔버(30a)의 하단에는 제1 혼합액공급 채널(31a)이 형성된다. 상기 제1 혼합액공급 채널(31a)은 제1 혼합 챔버(30a) 내의 혼합액을 배출한다.
이어, 상기 제1 혼합 챔버(30a)의 하부에는 상기 제1 혼합 챔버(30a) 유사한 크기와 형태를 갖는 제2 혼합 챔버(30b), 제3 혼합 챔버(30c), 제4 혼합 챔버(30d)가 구비된다. 그리고 상기 제2 혼합 챔버(30b)의 하단에는 제2 혼합액공급 채널(31b), 상기 제3 혼합 챔버(30c)에는 제3 혼합액공급 채널(31c), 상기 제4 혼합 챔버(30d)에는 제4 혼합액공급 채널(31d)가 각각 형성되어 후단으로 혼합액을 공급할 수 있도록 되어 있다. 이때, 상기 혼합액공급 채널은 폭이 좁기 때문에 챔버와 채널의 내부가 진공인 상태에서는 중력만으로 혼합 챔버 내부의 혼합액이 배출되지는 않는다. 바람직하게 본 발명은 원심력을 이용하여 혼합 챔버의 혼합액을 이송한다.
한편, 상기 제2 내지 제3 혼합 챔버(31b,31c,31d)의 내부에는 혼합액의 흐름을 교란시켜 혼합액을 교반하기 위한 교반 봉(33b,33c,33d)이 각각 형성된다. 상기 교반 봉(33)은 혼합액공급 채널(31)의 하부에 근접하게 설치되어 상기 혼합액공급 채널(31)에서 공급되는 혼합액이 상기 교반 봉(33)이 부딪혀 난류를 형성하도록 한다.
그리고 상기 혼합 챔버(31)의 후단, 바람직하게는 상기 제4 혼합 챔버(31d)의 하부에는 반응 챔버(40)가 형성된다. 상기 반응 챔버(40)는 상기 다수 개의 혼합 챔버(30)를 거치면서 충분히 혼합된 혼합액이 가열 및 냉각되어 반응을 일으키고 조사광이 조사되는 부분이다.
상기 반응 챔버(40)는 사각 형상으로 이루어지고, 혼합된 시약과 시료를 수용할 수 있는 크기로 이루어진다. 상기 반응 챔버(40)는 혼합액을 일정한 두께로 얇게 펼 수 있도록 상기 혼합 채널(30)보다 크게 형성된다. 그리고 상기 반응 챔버(40)는 투명기판(2)의 측면에서 조사되는 조사광이 통과할 수 있도록 형성된다.
그리고 상기 반응 챔버(40)의 일 측에는 혼합액배출 챔버(50)가 형성된다. 바람직하게 상기 혼합액배출 챔버(50)는 하단이 상기 반응 챔버(40)의 상단에 연결된다. 따라서 원심력에 의해서 상기 혼합액공급 채널(31)를 따라 이송되는 혼합액은 상기 혼합액배출 챔버(50)로 넘어갈 수 없게 된다.
그리고 상기 혼합액배출 챔버(50)의 상단에는 혼합액을 외부로 추출하기 위한 혼합액추출구(51)가 형성된다. 상기 혼합액추출구(51)는 상기 투명기판(2)을 관통하여 형성된다.
더욱 구체적으로, 상기 투명기판(2)은 투명한 소재로 이루어지고 일정한 두께를 갖는다. 상기 투명기판(2)의 두께는 0.7 내지 7mm, 바람직하게는 1.5 내지 5mm 정도이다. 그리고 투명기판(2)의 적어도 하나의 측면은 수직면으로 이루어진다. 또한, 투명기판(2)은 자외선 및 가시광선의 투과가 가능하고 사출성형이 용이한 플라스틱으로 이루어진다.
바람직하게, 상기 투명기판(2)은 사출성형 방식으로 만들어지고, 상기 챔버와 채널은 투명기판(2)을 사출성형할 때 그 하면에 일정 깊이의 홈을 형성하여 이루어질 수 있다. 바람직하게 상기 챔버 및 채널의 깊이는 0.5 내지 5mm, 바람직하게는 1 내지 3mm 정도이다.
한편, 상기 투명기판(2)의 하면(2a)에는 덮개필름(3)이 부착된다. 상기 덮개필름(3)의 투명기판(2)의 하면에 전면적으로 부착되어 상기 투명기판(2)에 형성된 챔버와 채널을 밀봉한다.
상기 덮개필름(3)은 투명기판(2)에 비해 매우 얇은 두께를 갖는다. 바람직하게 상기 덮개필름(2)은 0.05mm ~ 0.2mm의 두께로 이루어진다. 상기 덮개필름(3)은 열전도성과 내열성이 우수한 합성소재로 이루어진다. 또한, 덮개필름(3)은 얇은 금속판과 같이 열전도성이 우수한 소재로 이루어질 수도 있다. 상기 덮개필름(3)은 챔버에 수용된 시약이나 시료 또는 혼합액이 누출되지 않도록 밀접하게 접착된다. 예를 들어, 투명기판(2)과 덮개필름(3)은 접착제로 접착하거나 열로 융착하여 부착될 수 있다.
그리고 상기 시약주입구(11) 위에는 시약주입구(11)를 폐쇄하기 위한 시약주입구 덮개테이프(4a)가 부착되고, 상기 시료주입구(21) 위에는 시료주입구(21)를 폐쇄하기 위한 시약주입구 덮개테이프(4b)가 부착되며, 상기 혼합액추출구(51)에는 혼합액추출구(51)를 폐쇄하기 위한 덮개테이프(4c)가 부착된다.
이어, 도 3은 본 발명에 따른 랩온어칩(1)의 단면도이다. 도시된 바와 같이, 투명 재질로 형성된 투명기판(2)의 하면(2a)에는 덮개필름(3)이 부착되어 챔버와 채널에 수용된 시약, 시료 및 혼합액이 누출되지 않도록 한다.
그리고, 본 발명에 따라 혼합 챔버(30)에 형성된 교반 봉(33)의 일 예를 보여준다. 상기 교반 봉(33)은 혼합 챔버(30)의 바닥에 일체로 형성되고 그 상면에 덮개필름(3)이 부착된다. 상기 교방 봉(33)은 혼합액공급 채널(31)에 근접하게 설치되어 상기 혼합액공급 채널(31)에서 공급되는 혼합액의 흐름을 교란시켜 시료와 시약을 혼합하는 역할을 한다.
그리고, 도 4는 본 발명에 따른 랩온어칩(1)을 이용하여 시약과 시료를 혼합하는 방법을 보여준다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 랩온어칩(1)은 일정한 속도로 회전하는 회전판이나 회전체 위에 장착된다. 상기 회전판이나 회전체에는 하나 또는 다수 개의 랩온어칩(1)을 고정할 수 있는 고정수단이 구비된다.
상기 회전판(7)에 랩온어칩(1)을 설치하는 경우, 상기 랩온어칩(1)의 상단이 회전판(7)의 중심에 위치하도록 한다. 그리고 상기 회전판(7)을 중심축을 중심으로 일정한 속도로 회전시키면, 상기 랩온어칩(1)에 원심력이 작용하여, 상기 시약저장 챔버(10)와 시료저장 챔버(20)에 저장되어 있던 시약 및 시료가 원심력의 작용으로 외측으로 이송되어 혼합 챔버(30) 쪽으로 이동하게 된다. 그리고 계속하여 회전판(7)을 회전시키면, 여러 개의 혼합 챔버(30)를 거치면서 시약과 시료가 혼합되게 된다. 그리고 혼합된 혼합액은 저장 챔버(40)로 이송된다.
특히, 그리고 상기 제2 내지 제4 혼합 챔버(30b)(30c)(30d)에는 교반 봉(33)이 각각 형성되어 혼합액의 흐름을 교란하거나 혼합액이 좌우 양측 방향으로 흐르도록 하여 시료와 시약의 혼합을 더욱 촉진한다. 상기 교란 봉(33)은 원기둥 형태로 이루어질 수 있는 사각형이나 삼각형 또는 별모양 등 다양한 단면 형상을 갖도록 할 수 있다.
이어서, 혼합액이 상기 저장 챔버(40)로 이송되면, 상기 랩온어칩(1)을 5 및 도 6에 도시된 바와 같은 PCR 장치(80)에 넣고 반응시킨다. 중합효소 연쇄반응(Polymerase Chain Reaction: PCR)은 DNA 또는 RNA의 특정영역을 대량으로 증폭하는 것으로, 순수한 분자생물학 분야 이외에 의학, 이학, 농학, 수의학, 식품과학, 환경과학, 나아가 고고학, 인류학에 이르는 분야까지 그 활용범위를 넓히고 있다.
통상 PCR은 3가지 반응단계로 진행되는데, 첫째는 변성(Denaturation) 단계로서, 이 단계에서는 이중가닥의 DNA를 90℃ 이상으로 처리하여 각각 한 가닥의 DNA로 분리시킨다. 그리고 둘째는 어닐링(Annealing) 단계로서, 이 단계에서는 2종류의 프라이머(primer)를 각각 상보적인 단일 가닥의 DNA에 결합시킨다. 이때 처리 온도는 보통 55~60℃이다. 셋째는 신장(Extension) 단계로서, 이 단계에서는 DNA 폴리머라제(polymerase)를 작동시켜 프라이머(primer)를 신장시키는 단계이다. 이때의 처리온도는 보통 70~75℃이다. 즉, PCR 장치는 시약과 시료를 랩온어칩에 넣고 혼합한 후, 반응에 필요한 온도로 가열 및 냉각을 반복하여 이루어진다. 즉, PCR 장치는 가열과 냉각이라는 온도변화를 반복하면서 이루어지는데, 통상 이러한 가열-냉각 사이클을 25~30회 반복한다.
도시된 바와 같이, 상기 PCR 장치(80)는, 상기 랩온어칩(1)의 하부에 위치하는 히터(82)와 상기 랩온어칩(1)의 측면에 위치하는 광 조사기(81)를 포함한다. 즉, 회전판(7)의 원심력에 의해 시료와 시약이 충분히 혼합된 랩온어칩(1)을 상기 히터(82) 위에 장착하고, PCR 반응에 필요한 온도로 가열 및 냉각을 반복하여 목표로 하는 핵산을 증폭시킨 다음 광 조사기(81)를 이용하여 특정 파장의 광을 반응 챔버(40)의 혼합액에 조사하고, 조사된 광에 반응하여 발하여 형광을 육안이나 광검출기를 이용하여 분석함으로써 그 결과를 현장에서 즉시 확인할 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 랩온어칩(1)은 투명기판(2)의 하면에 얇은 덮개필름(3)이 설치되어 있어 히터(81)의 열이 신속하게 전달된다. 또한, 본 발명에 따른 랩온어칩(1)은 측면에 설치된 광 조사기(81)에서 방사되는 빛이 투명기판(2)을 통해서 반응 챔버(40) 내의 혼합액으로 전달되므로, 광 조사기에서 조사되는 광이 넓게 퍼져 있는 시료를 측 방향에서 투과되어 조사 광의 경로가 길어져 미량 또는 극미량의 시료를 사용하여도 형광을 육안으로 관찰할 수 있어 현장에서 결과를 확인할 수 있다.
이어서, 상기 반응 챔버(40)의 일 측에는 혼합물배출 챔버(50)가 구비된다. 상기 혼합물배출 챔버(50)의 상단에는 혼합물추출구(51)가 형성된다. 따라서 시험이 끝난 혼합액은 상기 혼합물추출구(51)를 통해서 배출 또는 추출될 수 있다.
도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 랩어온칩(1)의 사용 방법을 설명한다. 먼저, 본 발명에 따른 랩온어칩(2)은 복수 개의 시약저장 챔버(10)에 시약이 주입된다(a). 시약은 현장에서도 주입할 수 있지만 실험실이나 공장에서 미리 주입하는 것이 바람직하다. 즉, 현장에서 시약을 주입할 경우 어수선한 분위기에 의해 시약을 정확하게 주입하기 어려우므로 실험결과가 잘못 나올 경우가 있다. 반면에 실험실이나 공장에서 미리 시약을 주입함으로써 현장에서 번거롭지 않고 정확한 시험을 할 수 있다. 이와 같이 시약은 실험실이나 공장에서 미리 주입하여 저장할 수 있는 것이 본 발명에 따른 랩온어칩(1)의 주요한 특징이다.
한편, 시약을 주입할 때는 시약주입구(11)에 있는 덮개테이프(4a)를 분리한다. 그리고 시약이 원활하게 주입되도록 혼합액추출구(51)에 있는 덮개테이프(4c)도 분리한다. 그리고 각 시약저장 챔버(10)에 각각 해당하는 시약을 적량 주입한 다음 덮개테이프(4a)(4c)를 다시 붙여서 시약이 새지 않도록 한다.
이어, 현장에 도착한 후, 채취한 시료를 시료저장 챔버(20)에 시료를 주입한다(b). 시료를 주입할 때는 시료주입구(21) 위에 있는 덮개테이프(4b)를 분리한다. 그리고 시료가 원활하게 주입되도록 혼합액추출구(51)에 있는 덮개테이프(4c)도 분리할 수 있다. 그리고 시료저장 챔버(20)에 시료를 주입한 후 덮개테이프(4b)(4c)를 다시 붙여 시료가 새지 않도록 한다.
이와 같이, 주입구가 밀봉된 랩온어칩(1)을 회전판(7) 위에 장착하고, 회전판(7)을 일정한 속도로 회전시킨다. 그러면, 상기 회전판(7)의 회전에 따른 원심력에 의해서 시약저장 챔버(10)와 시료저장 챔버(20)에 있는 시약과 시료가 상기 시약공급 채널(11)과 시료공급 채널(21)을 통해서 상기 제1 혼합 챔버(30a)로 이송되어 혼합된다(c). 이때, 상기 제1 혼합 챔버(30a)는 상단이 넓고 하단이 좁은 삼각형상으로 이루어지므로 상기 시료와 시약이 상단에서 하단으로 이동하면 자연스럽게 시료와 시약이 혼합되게 된다.
이어, 계속하여 상기 회전판(7)을 회전시키면, 상기 제1 혼합 챔버(30a)에 있던 혼합액이 제2, 제3 및 제4 혼합 챔버(30b)(30c)(30d)로 차례대로 이송되면서 혼합되게 된다(d). 특히, 상기 제2, 제3 및 제4 혼합 챔버(30b)(30c)(30d)에는 혼합액공급 채널(31a)(32b)(33c)에서 유입되는 혼합액의 흐름을 교반하는 교반 봉(33)이 형성되어 혼합액의 혼합을 더욱 촉진한다.
그리고 상기 제4 혼합 챔버(30d)에서 공급되는 혼합액은 최종적으로 반응 챔버(40)로 이송된다(e). 이와 같이 반응 챔버(40)로 혼합액이 이송되면, 상기 랩온어칩(1)을 회전판(7)에서 분리하여, PCR 장치(80)에 넣고 히터(82)와 냉각장치를 반복적으로 작동하여 일정시간 동안 가열과 냉각이라는 온도변화를 반복하여 증폭한다. 그리고 증폭이 완료되면 광 조사기(82)에서 빛을 조사하여 시료에서 발광하는 빛을 분석한다. 그리고 이 빛을 육안으로 관찰하여 시험 결과를 확인한다.
끝으로, 분석이 완료된 혼합물을 혼합물배출 챔버(50)의 혼합물추출구(51)를 통해서 외부로 배출될 수 있다. 외부로 배출된 혼합물은 추가적인 시험에 다시 사용할 수 있다.
이상에서 본 발명은 도면에 도시된 실시 예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1: 랩온어칩 2: 투명기판
3: 덮개필름 4: 덮개테이프
7: 회전판 10: 시액저장 챔버
11: 시약주입구 12: 시약공급 채널
20: 시료저장 챔버 21: 시료주입구
22: 시료공급 채널 30: 혼합 채널
31: 혼합액공급 채널 33: 교란 봉
40: 반응 챔버 50: 혼합액배출 챔버
51: 혼합액추출구 80: PCR 장치
81: 광 조사기 82: 히터

Claims (10)

  1. 상단에 시약을 주입하기 위한 시약주입구가 형성되고 하단에 시약을 공급하기 위한 시약공급 채널이 형성된 복수 개의 시약저장 챔버와;
    상단에 시료를 주입하기 위한 시료주입구가 형성되고 하단에 시료를 공급하기 위한 시료공급 채널이 형성된 시료저장 챔버와;
    상단에 상기 복수 개의 시약공급 채널과 상기 시료공급 채널이 연결되고 하단에 혼합액을 공급하기 위한 제1 혼합액공급 채널이 형성된 제1 혼합 챔버와;
    상단에 상기 제1 혼합 챔버의 제1 혼합액공급 채널이 연결되고 하단에 혼합액을 공급하기 위한 제2 혼합액공급 채널이 형성된 제2 혼합 챔버와;
    상단에 상기 제2 혼합액공급 채널이 연결되고 일정한 크기를 갖는 반응 챔버;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 다수의 혼합 챔버를 구비한 진단 키트.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수 개의 시약저장 챔버, 시료저장 챔버, 제1 혼합 챔버, 제2 혼합 챔버 및 반응 챔버는 투명기판의 하면에 형성되고, 상기 투명기판의 하면에는 덮개필름이 부착되어 상기 다수 개의 챔버와 채널을 밀봉하는 것을 특징으로 하는 다수의 혼합 챔버를 구비한 진단 키트.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 투명기판의 상면에는 상기 투명기판의 상면에 형성된 주입구 및 배출구(시약주입구, 시료주입구, 혼합물배출구)를 밀봉하는 덮개테이프가 더 부착되는 것을 특징으로 하는 다수의 혼합 챔버를 구비한 진단 키트.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 복수 개의 시약저장 챔버는 평행하게 형성되고, 상기 시료저장 챔버도 상기 시약저장 챔버와 이격되어 평행하게 형성되며,
    상기 제1 혼합 챔버와 제2 혼합 챔버는 삼각형 형상으로 이루어지고 삼각형의 수평면은 상단에 꼭짓점은 하단에 위치하도록 일렬로 설치되며, 상기 제1 혼합 챔버 및 제2 혼합 챔버의 하단에는 제1 및 제2 혼합액공급 채널이 형성되는 것을 특징으로 하는 다수의 혼합 챔버를 구비한 진단 키트.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제2 혼합 챔버의 상기 제1 혼합액공급 채널의 하단에 일정 거리 이격되게 설치되어 상기 제1 혼합액공급 채널을 통해 공급되는 혼합액의 흐름을 교란시키기 위한 교란 봉이 수직으로 형성된 것을 특징으로 하는 다수의 혼합 챔버를 구비한 진단 키트.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 제2 혼합 챔버의 하단에는 상기 제2 혼합 챔버와 동일한 혼합 챔버가 하나 이상 일렬로 설치되는 것을 특징으로 하는 다수의 혼합 챔버를 구비한 진단 키트.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 혼합 챔버는 삼각형 꼭짓점의 내각이 120°이상으로 벌어지는 것을 특징으로 하는 다수의 혼합 챔버를 구비한 진단 키트.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 투명기판은 사출성형이 가능한 소재로 이루어지고, 상기 챔버와 채널은 투명기판을 사출성형할 때 형성되며, 상기 투명기판은 사각 판 형태로 이루어지고 적어도 하나의 측면에는 일부 또는 전부에 수직면이 형성되어 광 조사기에서 조사하는 광을 수광할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 다수의 혼합 챔버를 구비한 진단 키트.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 덮개필름은 열 전도성 및 내열성이 우수한 합성수지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다수의 혼합 챔버를 구비한 진단 키트.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 반응 챔버에 연결되고 상단에는 혼합액을 외부로 배출하는 혼합액배출구가 형성된 혼합액배출 챔버가 형성되며, 상기 혼합액 배출 챔버는 그 하단이 상기 반응 챔버의 상단에 연결되어 원심력에 의해서 혼합물이 상기 반응 챔버로 이동할 때는 상기 혼합액 배출 챔버로 유입되지 못하는 것을 특징으로 하는 다수의 혼합 챔버를 구비한 진단 키트.
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