KR101624927B1 - 열대류 중합효소 연쇄반응 장치 - Google Patents

열대류 중합효소 연쇄반응 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열대류 중합효소 연쇄반응 장치를 제공한다. 이 열대류 중합효소 연쇄반응 장치는 중합효소 연쇄반응이 시험관 내에서 진행되도록 시험관을 탑재하고, 단열 베이스 및 가열 베이스를 포함한다. 상기 단열 베이스는 본체, 상기 본체 내부에 위치하여 시험관 저부를 수용하는 챔버, 상기 챔버와 외부를 연통하는 측면 통로 및 상기 챔버와 외부를 연통하며 시험관이 관통 설치되는 상부 통로를 구비하고, 상기 가열 베이스는 상기 단열 베이스의 측면 통로에 관통 설치되며 시험관의 저부에 접촉한다. 본 발명의 장치는 열원에 의해 발생된 고온이 시험관의 중간 구간 내지 상부 구간에 위치하는 PCR 혼합액의 방열을 방해하는 것을 줄일 수 있고, 실시간 중합효소 연쇄반응 방법에 적용된다.

Description

열대류 중합효소 연쇄반응 장치{THERMAL CONVECTION POLYMERASE CHAIN REACTION DEVICE}
본 발명은 중합효소 연쇄반응 장치에 관한 것으로, 특히 열대류 중합효소 연쇄반응 장치에 관한 것이다.
생명공학기술 분야에서 중합효소 연쇄반응(PCR)은 이미 특정 핵산 서열을 증폭시키는 성숙된 기술이다. 중합효소 연쇄반응 과정은 변성 반응, 프라이머 결합 반응 및 신장 반응의 3가지 주요 단계가 필요하고, 각 단계는 서로 다른 반응온도를 필요로 한다. 변성 반응의 온도는 일반적으로 90℃ 내지 97℃ 사이이고, 프라이머 결합 반응의 온도는 사용된 프라이머의 융해 온도에 의해 선택되는데, 일반적으로 35℃ 내지 65℃ 사이이고, 신장 반응의 일반적인 온도는 72℃이다.
열대류 중합효소 연쇄반응 방법은 주로 PCR 혼합액이 담겨져 있는 시험관 저부를 온수에 담그고, 시험관의 나머지 부분은 실온의 공기 중에 노출시켜 방열할 수 있게 하여, PCR 혼합액의 저부 내지 표면이 97℃ 내지 35℃와 같이 점차 감소하는 온도 구배(temperature gradient)를 이루게 하여, 열대류를 유도함으로써, PCR 혼합액이 서로 다른 온도 구간에서 서로 다른 반응 단계를 진행하게 하는 것이다.
그러나, 온수 표면에 고온 증기가 발생하여 위로 대류하므로 상기 시험관 중간 구간 내지 상부 구간의 방열을 방해하게 되어, 혼합액 표면이 프라이머 결합 반응에 필요한 온도에 도달하기 어렵게 된다.
그 밖에, 실시간 중합효소 연쇄반응(real-time PCR) 방법에서 반응의 완료 여부를 실시간으로 탐지하기 위하여, PCR 혼합액에 형광 염료를 첨가해야 하고, PCR 반응이 완료되었는지를 알기 위해 레이저로 시험관 하부에서 상기 혼합액을 조사하여, 반응 혼합액 중의 형광의 강도를 탐지한다. 종래 반응장치는 시험관 저단(底端)에서 온수로 가열하므로, 온수는 레이저의 조사를 심각하게 방해하여, 종래 장치가 실시간 중합효소 연쇄반응을 수행하지 못하게 한다.
[선행문헌] EP 1434880 B1
본 발명의 목적은 시험관 중간 구간 내지 상부 구간의 방열에 대한 열원에서 발생하는 열기의 방해를 감소할 수 있는 열대류 중합효소 연쇄반응 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 실시간 중합효소 연쇄반응 방법에 적용될 수 있는 열대류 중합효소 연쇄반응 장치를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 실현하기 위하여, 본 발명의 중합효소 연쇄반응 장치는 중합효소 연쇄반응이 시험관 내에서 진행되도록 시험관을 탑재하고, 상기 중합효소 연쇄반응 장치는 단열 베이스와 가열 베이스를 포함한다. 단열 베이스는 본체, 본체 내에 위치하여 시험관 저부를 수용하는 챔버, 챔버와 외부를 연통하는 측면 통로, 챔버와 외부를 연통하며 시험관이 관통 설치되는 상부 통로를 구비하고, 상기 가열 베이스는 상기 단열 베이스의 측면 통로에 관통 설치되며 시험관의 저부에 접촉한다.
본 발명의 장치에 의하면, 열원에 의해 발생된 고온이 시험관 중간 구간 내지 상부 구간에 위치하는 PCR 혼합액의 방열을 방해하는 것을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 바람직한 실시예의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 바람직한 실시예의 다른 사시도이다.
도 3은 도 1의 3-3선을 따른 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 바람직한 실시예의 동작 개략도이다.
본 발명의 특징을 더 잘 이해할 수 있도록, 비교적 바람직한 실시예와 도면을 결합하여 아래와 같이 설명한다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 비교적 바람직한 실시예에 따른 열대류 중합효소 연쇄반응 장치(10)는 주로 단열 베이스(20), 가열 베이스(30), 발광 모듈(40), 열전도 베이스(50), 시험관 프레임(60) 및 동력장치(70)를 포함한다.
단열 베이스(20)는 본체(22), 본체(22) 내부에 위치하여 시험관(12)의 저부(121)를 수용하는 챔버(24), 챔버(24)와 외부를 연통하는 측면 통로(261), 및 챔버(24)와 외부를 연통하며 시험관(12)이 관통 설치되는 상부 통로(262)를 구비하고, 가열 베이스(30)의 일단은 단열 베이스(20)의 측면 통로(261)에 관통 설치되며 시험관(12)의 저부(121)에 접촉한다. 즉, 단열 베이스(20)의 챔버(24) 및 상부 통로(262)는 시험관(12)의 저부(121)에 대응하여 설치되고, 시험관(12)의 저부(121)를 제외한 부분(중간 구간(122) 및 상부 구간(123))은 단열 베이스(20)의 외부에 노출된다.
단열 베이스(20)는 플라스틱 또는 세라믹으로 제조되고, 플라스틱은 나일론과 유리섬유의 복합물 또는 아크릴과 ABS플라스틱의 복합물일 수 있다. 따라서 상기 단열 베이스는 낮은 열전도성을 가진다. 가열 베이스(30)는 구리와 같은 금속으로 제조되므로 높은 열전도성을 가진다. 가열 베이스(30)는 전력에 의해 열 에너지를 발생하므로, 고온 수증기의 발생을 방지할 수 있고, 또한 상부 통로(262)와 시험관(12) 사이의 갭이 아주 작아 가열 베이스(30)가 챔버(24) 내의 공기를 가열하더라도, 시험관(12)의 중간 구간(122) 내지 상부 구간(123)의 방열에 대한 열기의 방해가 크지 않다.
매회 PCR 순환 후의 생성물의 총량을 실시간으로 탐지하기 위하여, 즉 실시간 중합효소 연쇄반응을 진행하기 위하여, 본 실시예에서 발광모듈(40)은 도 3에 도시된 바와 같이 단열 베이스(20)의 아래에 위치하며, 단열 베이스(20)는 발광모듈(40)이 발사한 빛을 챔버(24)에 진입시키는 하부 통로를 구비한다. 발광모듈(40)은 특정 파장의 빛을 발사하여 하부 통로(263)를 거쳐 시험관(12) 내의 PCR 혼합액을 조사함으로써, PCR 혼합액 중의 형광 성질을 갖는 입자를 격발(激發)하여 형광을 발광시킬 수 있고, 또 광섬유(80)와 감광장치(90)로 시험관(12) 중의 형광 강도를 탐지하면 혼합액 중의 생성물의 총량을 알 수 있다.
본 발명은 온수가 아닌 가열 베이스(30)로 시험관(12)의 저부(121)를 가열하므로 발광모듈(40)이 발사한 빛은 온수의 방해를 받지 않으며, 또한 가열 베이스(40)가 시험관(12)의 측면에 설치되고, 발광모듈(40)이 시험관(12)의 아래에 설치되므로, 발광모듈(40)이 발사한 빛은 전체 시험관에 조사될 수 있다. 따라서 본 발명은 실시간 중합효소 연쇄반응 방법에 적용될 수 있어, 본 발명의 목적을 이룬다.
실제 사용할 때, 발광모듈(40)은 LED 모듈, 할로겐 램프, 트리튬 램프 또는 크세논 램프를 사용할 수 있고, 또한 챔버(24)와 발광모듈(40) 사이에 상기 LED 모듈이 발사한 빛을 필터링하기 위한 컬러 필터(43)가 설치되어, 특정 파장의 빛만 시험관(12)을 조사하도록 허용한다.
시험관에서 중간 구간(122) 내지 상부 구간(123)의 방열을 강화하기 위하여, 본 발명은 도 3에 도시된 바와 같이, 열전도 베이스(50)를 설치하고, 열전도 베이스(50)는 본체(52) 및 통로(54)를 구비한다. 본체(52)는 단열 베이스(20)의 상부에 설치되고, 통로(54)는 본체(52)에 관통 설치되어 단열 베이스(20)의 상부 통로(262)와 연통되고, 시험관(12)이 관통 설치된다. 반응이 진행될 때, 시험관 중간 구간(122) 내지 상부 구간(123)은 열전도 베이스(50)의 통로(54) 내에 위치하고, 열전도 베이스(50)가 알루미늄 합금, 구리 합금과 같은 방열이 쉬운 재질로 제조되므로, 시험관(12) 내의 PCR 혼합액의 열 에너지가 주위 공기를 통해 열전도 베이스(50)로 전달되면 바로 신속하게 소실되어 PCR 혼합액이 위로 대류할 때, 온도를 점차 낮출 수 있으며, 대략 중간 구간(122)에 있을 때 PCR 혼합액의 온도는 신장 반응에 필요한 온도, 예를 들면 72℃로 낮아질 수 있고, 표면에 도달할 때, PCR 혼합액 온도는 프라이머 결합 반응에 필요한 온도보다 낮은 35℃로 낮아질 수 있다. 이렇게 반복하여 순환 대류하면 PCR 반응을 끊임없이 진행되게 할 수 있다.
사실상 단열 베이스(20)의 챔버(24), 상부 통로(262) 및 열전도 베이스(50)의 통로(54)는 반응실(56)을 구성하고, 또한 반응실(56) 내의 열류는 열전도 베이스(50)로부터 외부로 인도(guide) 된다. 따라서 전체적으로 보면, 가열 베이스(30)는 시험관 저부(121)에서 열 에너지를 입력하고, 열전도 베이스(50)는 시험관 중간 구간(122)과 상부 구간(123)의 열 에너지 및 단열 베이스(20) 상부 통로(262)로부터의 열기의 열에너지를 전도함으로써, 반응실(56) 내 시험관(12) 중의 PCR 혼합액 및 시험관(12) 외부의 공기가 모두 아래에서 위로 점차 낮아지는 온도 구배를 유지하게 한다.
다시 말하면, 단열 베이스(20)는 외부 환경과 반응실(56)의 직접 열교환을 단절시키고, 열전도 베이스(50)는 내부 열류를 전도한다. 이렇게 하면 반응실(56) 외부의 환경이 미치는 영향을 효과적으로 제거하여, 반응실(56) 내의 안정된 온도구배를 형성하여 열대류 중합효소 연쇄반응이 안정적으로 진행되게 할 수 있다.
시험관(12) 내의 온도 구배가 PCR 반응에 더욱 유리하게 하기 위하여, 열전도 베이스(50)의 통로(54)는 대경(大徑) 구간(541), 및 대경 구간(541)의 아래에 위치하는 소경(小徑) 구간(542)을 구비한다. 소경 구간(542)에 위치하는 PCR 혼합액은 방열이 비교적 빠르고, 상부의 대경 구간(541)은 비교적 느리다. 여러 차례의 실험 결과, 이 구조는 PCR 반응이 더욱 효율적으로 진행되게 할 수 있다. 실험은 10℃ 내지 40℃ 사이의 7가지 서로 다른 환경 온도에서 각각 PCR 반응을 진행시키고, 가열 베이스(30)의 온도를 104℃ 내지 115℃ 사이로 설정하여, 시험관의 저부(121) 내의 PCR 혼합액 온도를 93℃ 내지 97℃에 도달시키고, 열전도 베이스(50)의 온도는 36℃ 내지 53℃로 측정되었고, 상기 혼합액 표면의 온도는 36℃ 내지 53℃ 사이로, PCR 반응이 효과적으로 진행되게 한다.
시험관(12)이 열전도 베이스(50)와 단열 베이스(20)에 안정되게 삽입 설치되게 하기 위하여, 열전도 베이스(50)의 상부에 시험관 프레임(60)을 설치하고, 시험관 프레임(60)은 시험관(12) 삽입용 수용홀(62)을 구비한다. 수용홀(62)의 형상은 시험관의 상부 구간(123)과 서로 보완되므로, 시험관(12)이 수용홀(62)에 수용될 때, 시험관 프레임(60)에 대해 상대적으로 이동하지 않는다.
도 3과 도 4를 참조하면, 본 발명은 동력장치(70)를 추가 설치하여 가열 베이스(30)와 연결시켜, 가열 베이스(30)가 접촉 위치(P1)와 이탈 위치(P2) 사이에서 이동하게 할 수 있다. 실제 운행할 때, 동력장치(70)는 모터, 공기압 실린더, 유압 실린더를 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 동력장치(70)가 가열 베이스(30)를 접촉 위치(P1)까지 이동시키면, 가열 베이스(30)는 시험관의 저부(121)에 접촉하여 저부(121)에 위치하는 PCR 혼합액을 가열할 수 있고; 동력장치(70)가 가열 베이스(30)를 이탈 위치(P2)까지 이동시키면, 가열 베이스(30)는 시험관(12)을 이탈함으로써, 시험관의 저부(121)에 대한 가열을 중지한다.
본 발명의 정신에 위배되지 않는 전제하에서, 장치의 구조는 여러 가지 변형이 있을 수 있다. 예를 들면, LED 모듈과 컬러 필터(43)는 하부 통로(263) 내에 설치될 수 있고, 이렇게 하면 장치의 체적을 축소할 수 있다. 발광모듈(40)은 레이저 모듈을 사용하고 컬러 필터(43)를 설치하지 않을 수 있다. 본 발명의 구상에 기반한 구조 변형은 모두 본 발명의 특허출원범위에 포함되어야 한다.
10: 열대류 중합효소 연쇄반응 장치
12: 시험관
121: 저부
122: 중간 구간(middle section)
123: 상부 구간(upper section)
20: 단열 베이스
22: 본체
24: 챔버
261: 측면 통로
262: 상부 통로
263: 하부 통로
30: 가열 베이스
40: 발광모듈
43: 컬러 필터
50: 열전도 베이스
52: 본체
54: 통로
541: 대경 구간
542: 소경 구간
56: 반응실
60: 시험관 프레임
62: 수용홀
70: 동력장치
80: 광섬유
90: 감광장치
P1: 접촉 위치
P2: 이탈 위치

Claims (12)

  1. 중합효소 연쇄반응이 시험관 내에서 진행되도록 시험관을 탑재하는 열대류 중합효소 연쇄반응 장치에 있어서,
    본체, 상기 본체 내부에 위치하여 시험관의 저부(底部)를 수용하는 챔버, 상기 챔버와 외부를 연통하는 측면 통로, 및 상기 챔버와 외부를 연통하며 상기 시험관이 관통 설치되는 상부 통로를 구비하는 단열 베이스; 및
    상기 단열 베이스의 측면 통로에 관통 설치되며 상기 시험관의 저부에 접촉하는 가열 베이스;
    를 포함하고,
    상기 단열 베이스의 챔버 및 상부 통로는 상기 시험관의 저부에 대응하여 설치되고, 상기 시험관의 상기 저부를 제외한 부분은 상기 단열 베이스의 외부에 노출되는, 열대류 중합효소 연쇄반응 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단열 베이스의 재질은 플라스틱 또는 세라믹인, 열대류 중합효소 연쇄반응 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가열 베이스의 재질은 금속인, 열대류 중합효소 연쇄반응 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단열 베이스의 하부에 위치하는 발광모듈을 더 포함하고,
    상기 단열 베이스는 상기 발광모듈이 발사한 빛을 상기 챔버에 진입시키는 하부 통로를 더 구비하는, 열대류 중합효소 연쇄반응 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 챔버와 상기 발광모듈 사이에 설치되는 컬러 필터를 더 포함하고,
    상기 발광모듈은 LED 모듈, 할로겐 램프, 트리튬 램프, 또는 크세논 램프인, 열대류 중합효소 연쇄반응 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 발광모듈은 레이저 모듈인, 열대류 중합효소 연쇄반응 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단열 베이스 상부에 설치되는 본체, 및 상기 본체에 관통 설치되어 상기 단열 베이스의 상부 통로와 연통되고, 상기 시험관이 관통 설치되는 통로를 구비하는 열전도 베이스를 더 포함하는 열대류 중합효소 연쇄반응 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 열전도 베이스의 재질은 금속인, 열대류 중합효소 연쇄반응 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 단열 베이스의 챔버, 상부 통로 및 상기 열전도 베이스의 통로는 반응실을 구성하고, 또한 상기 반응실의 열 에너지가 상기 열전도 베이스에 의해 외부로 인도되는, 열대류 중합효소 연쇄반응 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 통로는 대경 구간과 상기 대경 구간의 하부에 위치하는 소경 구간을 구비하는, 열대류 중합효소 연쇄반응 장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 열전도 베이스 상부에 설치되는 시험관 프레임을 더 포함하고, 상기 시험관 프레임은 시험관이 삽입되는 수용홀을 구비하는, 열대류 중합효소 연쇄반응 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열 베이스와 연결되어 상기 가열 베이스를 접촉 위치와 이탈 위치 사이에서 이동하게 하는 동력장치를 더 포함하는 열대류 중합효소 연쇄반응 장치.
KR1020147002660A 2011-07-01 2011-07-01 열대류 중합효소 연쇄반응 장치 KR101624927B1 (ko)

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