KR102089633B1 - 미세 유체 제어를 위한 진단용 카트리지 및 이를 포함하는 현장형 분자진단 시스템 - Google Patents

미세 유체 제어를 위한 진단용 카트리지 및 이를 포함하는 현장형 분자진단 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미세 유체 제어를 위한 진단용 카트리지 및 이를 포함하는 현장형 분자진단 시스템에 관한 것으로, 인퓨저, 추출챔버, 증폭챔버가 수직 방향으로 배열되어 유체의 흐름을 최단거리로 구현하여, 핵산의 추출, 증폭 및 분석결과를 실시간으로 검출할 수 있는 진단용 카트리지 및 이를 포함하는 현장형 분자진단 시스템에 관한 것이다.

Description

미세 유체 제어를 위한 진단용 카트리지 및 이를 포함하는 현장형 분자진단 시스템{Diagnostic cartridge for microfluidic control and Molecular diagnostics system for point-of-care including the same}
본 발명은 미세 유체 제어를 위한 진단용 카트리지 및 이를 포함하는 현장형 분자진단 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인퓨저, 추출챔버, 증폭챔버가 수직으로 배열되어 유체의 흐름을 최단거리로 구현하여, 핵산의 추출, 증폭 및 분석결과를 실시간으로 검출할 수 있는 미세 유체 제어를 위한 진단용 카트리지 및 이를 포함하는 현장형 분자진단 시스템에 관한 것이다.
최근에는 신종 바이러스 출현 등과 같은 보다 신속한 진단이 요구되는 경우가 늘어나고 있으며, 질환예방 목적의 유전자 검사에 대한 수요가 증가되고 있다. 이에 대한 솔루션으로 미량의 핵산을 이용한 분자진단 시장이 유망 분야로 부상하고 있다.
분자진단이란 디옥시 리보 핵산(deoxyribonucleic acid)(DNA), 리보 핵산(ribonucleic acid)(RNA), 단백질이나 메타볼라이트를 계측함으로써 지노타입을 포착하거나 신체상의 유전자 변인, 생화학 변화 등을 측정하는 것으로, 대표적인 분자진단방법으로는 중합효소 연쇄반응(PCR(polymerase chain reaction), 이하, 'PCR'이라 한다.)을 이용하는 방법이 있다. PCR/RT-PCR을 이용하면 생체시료 내에 특정한 DNA/RNA가 존재하는지 여부를 확인할 수 있어 바이러스 등 병원성 미생물 감염을 진단하는데 많이 이용되고 있다.
이러한 PCR을 수행하기 위해서는 생체시료로부터 PCR 반응을 저해하는 물질들을 제거하고 순수한 핵산을 추출하는 핵산추출단계가 필요하다. 핵산추출과정은 다단계로 이루어져 있고 생체시료 및 핵산추출 조작에 숙련된 기술이 필요하며 수작업으로 이루어질 경우 작업자의 실수로 인한 오염문제 등이 있어서, 대부분 자동화된 핵산추출장비를 사용하여 분자진단이 이루어지고 있다.
PCR 반응 및 반응산물의 검출을 위해서는 실시간 정량 PCR장치가 구비되어 있어야 하므로, 기존에는 주로 대형병원이나 임상검사 전문기관에서 분자진단이 이루어졌다.
한편, 최근 시간과 장소에 구애받지 않고 환자의 질병을 정확하고 빠르게 진단하는 POC(Point of care) 진단 기술은 증거 기반 정밀의학의 매우 중요한 기술로 주목받고 있다. 기침, 설사, 고열, 생식기 이상 등의 질병 증상을 기준으로 질병증상의 원인이 되는 모든 감염병원체를 한 번의 검사를 통해, 빠른 시간에 검사하여 원인 병원체를 확인하고 최적의 항생제와 치료제를 처방하는 증상기반의 현장진단은 미래 정밀의학의 핵심적인 신기술로 많은 연구들이 더해져 발전해 나가고 있다. 이러한 현장진단기술은 기존에 임신을 확인하기 위한 임신테스트 키트, 혈당을 확인할 수 있는 혈당측정기와 같이 현장에서 비전문가에 의해서도 빠르고 정확하게 진단을 하는데 그 장점이 있다.
그러나 현재의 분자진단 시스템은 결과 확인까지 3시간 이상 소요되고 숙련된 전문가들이 사용해야 하기 때문에, 현장에서 요구되는 POC 분자진단을 위해서는 복잡한 핵산추출과정과 실시간 유전자증폭검사를 전자동으로 수행할 수 있는 자동화된 소형장치의 개발이 필수적이며, 전문인력이 아니더라도 손쉽게 작동할 수 있어야 한다.
최근 연구개발을 통해 핵산의 추출, PCR 반응 및 반응산물 검출의 전 과정을 자동화하여 전문적인 기술이 없더라도 손쉽게 PCR을 이용할 수 있는 다양한 자동화 시스템 및 이를 이용하는 장치들이 개발된 바 있다.
하지만, 기존의 장치들은 너무 고가이거나 처리시간이 많이 소요되고 한 번에 다양한 검사가 이루어지기 어려운 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-1813870호에는 핵산 추출, 증폭 및 검출이 연속 공정으로 수행되며, 유전자 정량 검사 및 정성 검사를 복합적으로 수행할 수 있는 분자진단 자동분석장치에 관하여 개시하고 있다.
그러나, 현장형 분자진단에 적합하도록 검사소요 시간(turnaround time)의 단축과 검체 준비, 핵산증폭 및 검출에 이르는 전공정을 일체형 자동화, 다중분석(multiplexing) 및 연속 랜덤(random) 검사를 가능하게 하고, 시스템의 경량화, 공정의 최적화를 통해 검사 단가를 낮출 수 있는 경쟁력 있는 차별화된 기술이 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 문제점 등을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 인퓨저, 추출챔버 및 증폭챔버를 수직 방향으로 배열하고, 카트리지 내부에 형성된 홈을 정렬함으로써 유체의 이송을 제어할 수 있는 진단용 카트리지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 펌프, 초음파장치 등의 동력을 사용하지 않아 시스템을 컴팩트하게 구성할 수 있는 현장형 분자진단 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 핵산 추출, 증폭 및 분석의 일련의 공정을 연속적으로 자동으로 수행할 수 있으며, 공정처리 시간을 단축시킬 수 있는 현장형 분자진단 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 진단용 카트리지에 있어서, 복수의 챔버가 원통형으로 형성되며, 상기 챔버 중에서 어느 하나의 챔버에 샘플을 투입할 수 있으며, 어느 하나 이상의 챔버에 시약이 구비되어 있는 인퓨저; 상기 인퓨저와 결합되며, 샘플의 분쇄, 세포 파괴 및 세정을 통해 핵산을 추출하는 추출챔버; 상기 추출챔버 하부에 위치하며, 하나의 원통형으로 형성되어 폐기물을 수집하는 폐기물챔버; 상기 폐기물챔버 하부에 위치하며, 복수의 챔버를 포함하고 핵산 증폭을 수행하는 증폭챔버; 및 상기 인퓨저 중앙부 및 추출 챔버의 개구부를 관통하여 체결되는 회전가능한 원통형의 마그넷 홀더를 포함하며, 상기 인퓨저, 추출챔버, 폐기물챔버 및 증폭챔버가 수직방향으로 배열되는 것을 특징으로 한다.
상기 마그넷 홀더는 원통형 내부 하단에 마그넷을 구비하여 핵산과 폐기물을 분리하며, 소정의 각도로 회전함으로써 유체를 이동시킬 수 있다.
상기 추출챔버는 상기 인퓨저의 하단 엣지 부분과 결합되는 추출챔버 상단엣지부, 상기 추출챔버 상단엣지부로부터 중앙에 개구부가 구비되도록 경사지게 형성되는 추출챔버벽 및 상기 개구부 말단에 형성되는 추출챔버 하단엣지부를 포함하고, 상기 증폭챔버로 수직 유체 흐름이 가능한 추출챔버 홀을 구비할 수 있다.
상기 폐기물챔버는 상기 추출챔버를 수용하는 하우징 형태로 상기 추출챔버 상단엣지부와 결합되고, 상기 폐기물챔버의 바닥면과 상기 추출챔버의 바닥면이 서로 이격되도록 공간이 형성되어 있으며, 상기 하우징 측면에 음압 형성용 호스 연결홀을 구비할 수 있다.
상기 마그넷 홀더, 추출 챔버 및 증폭챔버에 소정의 각도에 따라 홈이 형성되어 있으며, 상기 홈을 정렬하여 유체의 흐름을 제어할 수 있다.
상기 마그넷 홀더의 회전 각도가 홈을 기준으로 하기 식 1과 같이 회전함에 따라 상기 증폭챔버에 형성된 홈과 상기 마그넷 홀더의 홈이 정렬되어 유체를 이동시킬 수 있다.
PCRn+1 = PCRn + 360/N [식 1]
(식 1에서 상기 PCRn은 홈과 마그넷 홀더 회전 방향으로 n번째 위치한 증폭챔버와의 각도를 의미하고, 상기 N은 전체 증폭챔버의 개수를 의미하며, 상기 PCRn 및 PCRn+1은 ±5도 이내이다.)
상기 마그넷 홀더의 회전각도가 홈을 기준으로 10도 내지 20도 회전하면 상기 추출챔버에서 폐기물챔버로 유체가 이동할 수 있다.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 현장형 분자진단 시스템에 있어서, 인퓨저, 추출챔버, 폐기물챔버, 증폭챔버 및 마그넷 홀더를 포함하는 진단용 카트리지; 상기 카트리지 내부에 들어있는 시약 및 샘플을 혼합 및 이송하여 핵산을 추출하는 핵산추출모듈; 상기 핵산추출모듈에서 추출된 핵산을 가열과 냉각을 통해 핵산을 증폭시키는 온도제어모듈; 상기 증폭된 핵산에서 발생하는 형광신호를 검출하는 광학모듈; 및 상기 핵산추출모듈, 상기 온도제어모듈 및 상기 광학모듈의 구동을 제어하는 통합제어보드;를 포함하며, 상기 진단용 카트리지는 상기 인퓨저, 상기 추출챔버, 상기 폐기물챔버 및 상기 증폭챔버가 수직방향으로 배열되는 것을 특징으로 한다.
상기 핵산추출모듈은 다수개의 모터, 시린지 및 음압밸브를 포함할 수 있다.
상기 모터는 제1모터 내지 제5모터를 포함하고, 상기 제1모터는 자석막대와 결합되어 상기 자석막대를 이송하고, 상기 마그넷 홀더를 고정하며, 상기 제2모터는 펌핑용 막대와 결합되어 인퓨저 내 펌핑을 수행하고, 상기 제3모터는 상기 음압밸브를 이송하며, 상기 제4모터는 상기 시린지를 이송하여 음압을 형성하고, 상기 제5모터는 상기 진단용 카트리지를 회전시킬 수 있다.
상기 온도제어모듈은 펠티어소자, 방열핀, 냉각팬 및 증폭챔버 고정블록을 포함할 수 있다.
상기 온도제어모듈은 상기 증폭챔버 고정블록을 통해 상기 진단용 카트리지와 체결되며, 상기 진단용 카트리지가 회전함에 따라 함께 회전할 수 있다.
상기 광학모듈은 1개 또는 1개 이상의 형광센서를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 진단용 카트리지는 인퓨저, 추출챔버 및 증폭챔버를 수직 방향으로 배열함으로써 유체의 이동을 최단거리로 구현할 수 있으며, 카트리지 내부에 형성된 홈을 정렬함으로써 유체의 이송을 용이하게 제어할 수 있는 장점이 있다.
또한, 펌프나 초음파기기 등의 동력을 사용하지 않으며, 카트리지 내 챔버의 배열 만으로 유체 이송이 가능하도록 함으로써, 동력을 최소화할 수 있으며, 현장진단에 적합하도록 시스템을 컴팩트하게 구성할 수 있는 장점이 있다.
또한, 유체가 이동하는 경로를 최소화함으로써, 오염의 위험성을 현저히 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 핵산 추출, 증폭 및 분석의 일련의 공정을 연속적으로 자동으로 수행할 수 있으며, 공정처리 시간을 단축시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 현장형 분자진단 시스템의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 현장형 분자진단 시스템의 정면도(a) 및 측면도(b)이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 진단용 카트리지의 분해사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 진단용 카트리지의 측면도(a) 및 투시도(b)이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 진단용 카트리지의 평면도(a) 및 사시도(b)이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도제어모듈의 분해사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도제어모듈의 평면도(a), 사시도(b), 측면도(c,d)이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도제어모듈과 진단용 카트리지가 결합된 평면도(a), 사시도(b)이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도제어모듈과 진단용 카트리지가 결합된 측면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 증폭챔버의 다중챔버를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 인퓨저의 다중챔버를 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
더하여, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "결합되어" 있다고 언급할 경우, 이는 논리적 또는 물리적으로 연결되거나, 결합될 수 있음을 의미한다. 다시 말해, 구성요소가 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 결합되어 있을 수 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있으며, 간접적으로 연결되거나 결합될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세 유체 제어를 위한 진단용 카트리지 및 이를 포함하는 현장형 분자진단 시스템에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 현장형 분자진단 시스템의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 진단용 카트리지의 분해사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 진단용 카트리지는 인퓨저, 추출챔버, 폐기물챔버, 마그넷 홀더 및 증폭챔버를 포함하고, 상기 인퓨저, 추출챔버, 폐기물챔버 및 증폭챔버가 수직방향으로 배열되는 것을 특징으로 한다.
또한, 도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명은 진단용 카트리지를 이용하는 현장형 분자진단 시스템으로 상술한 진단용 카트리지, 핵산추출모듈, 온도제어모듈, 광학모듈 및 통합제어보드를 포함하는 것을 특징으로, 진단용 카트리지로 투입되는 샘플(검체)에 대한 전처리, 핵산 추출 및 정제, 핵산 증폭 및 형광 검출을 일괄적으로 수행할 수 있다.
이하에서, 진단용 카트리지에 관하여 보다 상세하게 설명한다.
진단용 카트리지
도 3을 참조하면, 본 발명의 진단용 카트리지(100)는 인퓨저(101), 추출챔버(102), 마그넷 홀더(103), 폐기물챔버(104) 및 증폭챔버(105)를 포함한다.
상기 인퓨저(101)는 샘플(검체) 및 시약이 구비되는 것으로, 샘플(검체)는 외부에서 시린지 등을 이용하여 투입할 수 있으며, 시약은 인퓨저 내에 구비되거나 외부에서 투입할 수 있다. 외부에서 투입할 경우, 실험자가 직접 수행하거나 별도의 자동화장치를 이용하여 수행될 수 있다.
상기 인퓨저(101) 내부에 구비된 시약으로는 예를 들어, 마그네틱 입자, 샘플(검체) 내 세포를 파괴 및 용해시키는 용해액, 파괴된 세포 내에서 핵산을 정제하기 위한 정제액, 핵산을 분리하기 위한 용출액 등을 포함할 수 있으며, 이로 제한되는 것은 아니다.
상기 샘플(검체)는 전처리가 필요한 바이오 샘플로서, 타액, 객담, 조직, 혈액, 소변, 대변, 척수액, 점액 등에서 선택될 수 있으며, 이로 제한되는 것은 아니다.
도 11에 나타난 바와 같이, 인퓨저(101)는 복수의 챔버가 원통형으로 형성될 수 있으며, 중앙에 마그넷 홀더(103)가 결합되는 중공부를 포함할 수 있다. 상기 챔버 개수는 제한되지 않으며, 바람직하게 6개 내지 8개로 형성될 수 있다.
도 4(b)를 참조하면, 상기 인퓨저(101)를 구성하는 다중 챔버 중 어느 하나 이상의 챔버 하부에 유체가 추출 챔버(102)로 이동할 수 있는 인퓨저 홀이 구비되고, 유체의 흐름을 용이하게 하기 위하여 인퓨저 홀로 연결되는 벽이 경사지게 형성될 수 있다. 상기 인퓨저 홀은 외부와 차단될 수 있도록 추출챔버(102) 내부로 수용되는 형태일 수 있다.
상기 추출챔버(102)는 상기 인퓨저(101)와 결합되며, 샘플의 분쇄, 세포 파괴 및 세정을 통해 핵산을 추출하는 역할을 한다.
상기 추출챔버(102)는 상기 인퓨저(101)의 하단 엣지 부분과 결합되는 추출챔버 상단엣지부(102a), 상기 추출챔버 상단엣지부(102a)로부터 중앙에 개구부가 형성되도록 경사지게 형성되는 추출챔버벽(102b) 및 상기 개구부 말단에 형성되는 추출챔버 하단엣지부(102c)를 포함하고, 상기 증폭챔버(105)로 수직 유체 흐름이 가능한 추출챔버 홀(102d)을 구비할 수 있다.
상기 마그넷 홀더(103)는 상기 인퓨저(101) 중앙부 및 추출챔버(102)의 개구부를 관통하여 체결되는 회전가능한 원통형의 구조물로 원통형 내부에 마그넷을 구비하여 핵산과 폐기물을 분리하는 역할을 할 수 있다. 또한, 마그넷 홀더를 소정의 각도로 회전함으로써 유체를 이동시킬 수 있다.
상기 마그넷 홀더(103), 추출 챔버(102) 및 증폭챔버(105)에 소정의 각도에 따라 홈이 형성되어 있으며, 상기 홈을 정렬하여 유체의 흐름을 제어할 수 있다.
상기 마그넷 홀더(103)의 회전 각도가 홈을 기준으로 하기 식 1과 같이 회전함에 따라 상기 증폭챔버에 형성된 홈과 상기 마그넷 홀더의 홈이 정렬되어 폐기물챔버(104)를 거치지 않고 바로 증폭챔버(105)로 유체를 이동시킬 수 있다.
PCRn+1 = PCRn + 360/N [식 1]
(식 1에서 상기 PCRn은 홈과 마그넷 홀더 회전 방향으로 n번째 위치한 증폭챔버와의 각도를 의미하고, 상기 N은 전체 증폭챔버의 개수를 의미하며, 상기 PCRn 및 PCRn+1은 ±5도 이내이다.)
예를 들면, 전체 증폭챔버의 개수가 4개이고, 홈을 기준으로 마그넷 홀더의 회전방향에서 1번째 위치하는 증폭챔버가 홈과 45도 각도를 이루고 있다면, 2번째 챔버는 45도 + 360/4(=90)로 홈을 기준으로 135도에 위치할 수 있다.
상기 마그넷 홀더(103)의 회전각도가 홈을 기준으로 10 내지 20도 회전하면 상기 추출챔버(102)에서 폐기물챔버(104)로 유체가 이동할 수 있다. 바람직하게 12 내지 17도일 수 있으며, 더욱 바람직하게 15도 일 수 있다.
상기 폐기물챔버(104)는 상기 추출챔버(102) 하부에 위치하며, 하나의 원통형으로 형성되어 폐기물을 수집할 수 있다. 상기 폐기물은 핵산을 추출하는 과정에서 샘플(검체)를 전처리하면서 발생되는 폐액으로 인퓨저(101)에 구비되어 있던 용해액, 정제액, 용출액 등이 포함될 수 있다.
상기 폐기물챔버(104)는 상기 추출챔버(102)를 수용하는 하우징 형태로 구성되며, 상기 추출챔버 상단엣지부(102a)와 결합되고, 상기 폐기물챔버(104)의 바닥면과 상기 추출챔버의 바닥면이 서로 이격되도록 공간이 형성되어 있으며, 상기 하우징 측면에 음압 형성용 호스 연결홀을 구비할 수 있다.
상기 폐기물챔버(104)에 음압을 형성해 줌으로써, 유체의 이동을 보다 원활하게 촉진할 수 있다.
상기 증폭챔버(105)는 상기 폐기물챔버(104) 하부에 위치하며, 복수의 챔버를 포함하고 핵산 증폭을 수행할 수 있다. 증폭 시약은 증폭챔버 내에 구비되거나 인퓨저 챔버 내에 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 인퓨저, 추출챔버, 폐기물챔버 및 증폭챔버가 수직방향으로 배열되는 것을 특징으로 한다. 상기 인퓨저, 추출챔버, 폐기물챔버 및 증폭챔버가 수직방향으로 배열됨으로써, 유체의 경로를 최단 거리로 구현하고, 외부와 차단함으로써 시스템의 컴팩트화 및 시료(샘플(검체)와 시약의 혼합물)의 오염을 방지할 수 있는 장점이 있다.
이하에서, 현장형 분자진단 시스템에 관하여 보다 상세하게 설명한다.
현장형 분자진단 시스템
도 1을 참조하면, 본 발명의 현장형 분자진단 시스템(A)은 진단용 카트리지(100), 핵산추출모듈(300), 온도제어모듈(200), 광학모듈(400) 및 통합제어보드(500)를 포함할 수 있다.
상기 진단용 카트리지(100)는 상술한 바와 같다.
상기 핵산추출모듈(300)은 상기 카트리지 내부에 들어있는 시약 및 샘플(검체)를 혼합 및 이송하여 핵산을 추출할 수 있다.
상기 핵산추출모듈(300)은 다수개의 모터, 시린지 및 음압밸브를 포함할 수 있다.
상기 모터는 제1모터 내지 제5모터를 포함할 수 있다.
상기 제1모터는 진단용 카트리지(100)의 상단에 위치하며, 자석막대와 결합되어 상기 자석막대를 상하로 움직이며, 진단용 카트리지 내부, 즉 인퓨저(101)의 중앙에 형성되는 중공부로 인입 또는 인출하고, 마그넷 홀더를 고정하는 역할을 한다. 상기 자석막대를 인입했을 때, 샘플(검체)의 전처리 과정에서 핵산을 추출하기 위하여 핵산과 결합되어 있는 자성입자를 자력을 이용하여 홀딩할 수 있다. 상기 자석막대가 카트리지 내부로 인입되었을 때 마그넷 홀더(103)를 고정할 수 있다.
상기 제2모터는 상기 제1모터 측부에 위치하며, 펌핑용 막대와 결합되어 상하로 움직이며, 인퓨저(101) 내 펌핑을 수행할 수 있다. 보다 구체적으로 샘플(검체) 전처리 과정에서 필요한 시약들을 추출챔버로 이송하기 위하여 제2모터를 이용하여 펌핑할 수 있다. 펌핑을 용이하게 하기 위하여 피스톤이 더 포함될 수 있다.
상기 제3모터 및 제4모터는 음압 형성을 위한 것으로, 제3모터는 상기 음압밸브를 이송하며, 상기 제4모터는 상기 시린지를 이송하여 음압을 형성할 수 있다.
상기 제3모터는 상기 폐기물챔버(104)의 하우징 측벽에 형성된 음압 형성용 호스 연결홀과 연결될 수 있다.
상기 제4모터는 진단용 카트리지(100) 측부에 위치하고 시린지와 연결되어 있으며, 상승하면서 음압을 형성하고, 하강하면서 상압을 형성할 수 있다. 상기 시린지는 음압형성용 호스와 연결될 수 있다.
상기 제5모터는 온도제어모듈(200)의 하단부에 위치하며, 상기 진단용 카트리지를 소정의 각도로 회전시킬 수 있다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도제어모듈(200)에 관하여 도시한 것이다.
상기 온도제어모듈(200)은 펠티어소자, 방열핀, 냉각팬 및 증폭챔버 고정블록을 포함할 수 있으며, 상기 핵산추출모듈(300)에서 추출된 핵산을 가열과 냉각을 통해 핵산을 증폭시킬 수 있다.
상기 온도제어모듈(200)은 상기 증폭챔버 고정블록을 통해 상기 진단용 카트리지와 체결될 수 있으며, 상기 진단용 카트리지(100)가 회전함에 따라 함께 회전할 수 있다. 상기 펠티어소자를 열원으로 사용할 수 있으며, 상기 증폭챔퍼 고정블록은 증폭챔버를 고정하는 동시에 열을 전달할 수 있다.
상기 온도제어모듈(200)은 하나 이상의 온도센서를 더 포함할 수 있다.
상기 광학모듈(400)은 증폭된 핵산에서 발생하는 형광신호를 검출할 수 있으며, 1개 또는 1개 이상의 형광센서를 포함할 수 있다. 다양한 파장의 빛을 검출할 수 있도록 다수개로 구성할 수 있다.
상기 형광센서는 발광부와 수광부를 포함하며, 발광부에서 증폭챔버로 조사된 광에 대해 반사된 형광을 수광하여 형광신호로 변환할 수 있다.
상기 통합제어보드(500)는 상기 핵산추출모듈(300), 상기 온도제어모듈(200) 및 상기 광학모듈(400)의 구동을 제어할 수 있다. 통신방식을 이용하여 통합적으로 제어할 수 있으며, 별도의 PC에 연결하여 사용자의 화면을 구성할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 미세 유체 제어를 위한 진단용 카트리지 및 현장형 분자진단 시스템은 용해(lysis) 공정, 세척(washing) 공정, 용출(elusion) 공정, 증폭(PCR) 공정 및 검출 공정을 자동으로 수행하면서 분자진단을 수행할 수 있다.
예를 들면, 샘플(검체)가 주입된 진단용 카트리지를 온도제어모듈의 증폭챔버 고정블록과 결합되도록 위치시킨다. 인퓨저 챔버 중에서 샘플(검체)가 주입된 챔버가 제2모터와 연결된 펌핑용 막대 하부에 위치한다. 펌핑용 막대가 피스톤 운동을 통해 추출챔버로 내려보낸다. 다음 제5모터가 시계 방향으로 약 60도 회전하면 진단용 카트리지 및 온도제어모듈 전체가 60도 회전하게 되고, 제2모터와 연결된 펌핑용 막대 하부에 자성입자가 주입된 챔버가 위치하게 된다. 다시 펌핑용 막대가 피스톤 운동을 통해 자성입자를 추출챔버로 내려보내고, 제5모터가 다시 시계 방향으로 약 60도 회전하면 펌핑용 막대 하부에 용해액이 주입된 챔버가 위치하게 된다. 다시 펌핑용 막대가 피스톤 운동을 하면 용해액이 추출챔버로 흘러가게 되고, 추출챔버에서 샘플(검체), 자성입자 및 용해액이 혼합되어 세포에서 핵산이 분리된다. 다음 제1모터를 통해 자석막대를 마그넷 홀더 내부로 인입하게 되면, 핵산이 흡착된 자성입자가 자석막대에 붙는다. 이때 마그넷 홀더를 15도 회전하면 핵산이 흡착된 자성입자를 제외하고 다른 세포액과 용해액이 혼합된 폐기물이 폐기물챔버로 흘러간다. 이때 제4모터와 시린지가 구동하여 음압을 형성하여 유체의 흐름을 돕는다. 다시 제5모터가 시계방향으로 약 60도 회전하면 펌핑용 막대 하부에 정제액이 주입된 챔버가 위치하게 되고 펌핑용 막대의 피스톤 운동을 통해 정제액을 추출챔버로 흘려보낸다. 제1모터를 이용하여 자석막대를 마그넷 홀더에서 인출하면 정제액과 핵산이 흡착된 자성입자가 혼합되어 정제된다. 정제공정을 1~2회 정도 반복하여 검출에 필요한 핵산을 남길 수 있다. 정제 공정이 완료된 다음 제1모터를 이용하여 자석막대를 마그넷 홀더에 인입하면 정제되어 순수한 타켓 핵산만 흡착된 자성입자가 자석막대에 붙는다. 이 때 마그넷 홀더를 약 15도 회전하면 순수한 타겟 핵산이 흡착된 자성입자를 제외한 이물질을 포함하고 있는 정제액은 폐기물 챔버로 흘러간다. 이때 제4모터와 시린지가 구동하여 음압을 형성하여 유체의 흐름을 돕는다.
정제 후 다시 제5모터가 약 60도 회전하면 펌핑용 막대 하부에 용출액이 주입된 챔버가 위치하게
되고 펌핑용 막대의 피스톤 운동을 통해 용출액이 추출챔버로 흘려보내지면, 자성입자에 흡착되어 있던 핵산이 자성입자와 분리된다. 제1모터를 이용하여 마그넷 홀더를 홈을 기준으로 첫번째 위치하는 증폭챔버로부터 약 90도씩 회전시키면서 추출챔버에 있던 핵산을 증폭시약이 구비되어 있는 증폭챔버로 흘려준다. 이후 온도제어모듈에서 가열과 냉각을 통해 핵산을 증폭시키고, 광학모듈을 이용하여 특정파장의 형광신호를 검출한다.
상기 용해(lysis) 공정시 샘플(검체)의 세포 분쇄를 위하여 별도의 초음파 장치 등을 사용하지 않고 시약을 통해 용해함으로써 불필요한 진동을 제거할 수 있으며, 이로 인한 오차를 감소시킬 수 있고, 시스템을 컴팩트하게 구성할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 진단용 카트리지는 인퓨저, 추출챔버 및 증폭챔버를 수직 방향으로 배열함으로써 유체의 이동을 최단거리로 구현할 수 있으며, 카트리지 내부에 형성된 홈을 정렬함으로써 유체의 이송을 용이하게 제어할 수 있으며, 오염의 위험성 및 공정 처리시간을 현저히 단축시킬 수 있는 장점이 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100 : 진단용 카트리지
101 : 인퓨저, 102 : 추출챔버 103 : 마그넷 홀더 104 : 폐기물챔버
105 : 증폭챔버
102a : 추출챔버 상단엣지부 102b : 추출챔버벽
102c : 추출챔버 하단엣지부 102d : 추출챔버 홀
200 : 온도제어모듈
201 : 증폭챔버 고정블록 202 : 펠티어소자 203 : 방열핀
204 : 팬 205 : 팬지지대
300 : 핵산추출모듈
400 : 광학모듈
500 : 통합제어보드
A : 현장형 분자진단 시스템

Claims (13)

  1. 복수의 챔버가 원통형으로 형성되며, 상기 챔버 중에서 어느 하나의 챔버에 샘플을 투입할 수 있으며, 어느 하나 이상의 챔버에 시약이 구비되어 있는 인퓨저;
    상기 인퓨저와 결합되며, 샘플의 분쇄, 세포 파괴 및 세정을 통해 핵산을 추출하는 추출챔버;
    상기 추출챔버 하부에 위치하며, 하나의 원통형으로 형성되어 폐기물을 수집하는 폐기물챔버;
    상기 폐기물챔버 하부에 위치하며, 복수의 챔버를 포함하고 핵산 증폭을 수행하는 증폭챔버; 및
    상기 인퓨저 중앙부 및 추출 챔버의 개구부를 관통하여 체결되는 회전가능한 원통형의 마그넷 홀더를 포함하며,
    상기 인퓨저, 추출챔버, 폐기물챔버 및 증폭챔버가 수직방향으로 배열되는 것이되,
    상기 마그넷 홀더, 추출 챔버 및 증폭챔버에 소정의 각도에 따라 홈이 형성되어 있으며, 상기 홈을 정렬하여 유체의 흐름을 제어하며,
    상기 마그넷 홀더의 회전 각도가 홈을 기준으로 하기 식 1과 같이 회전함에 따라 상기 증폭챔버에 형성된 홈과 상기 마그넷 홀더의 홈이 정렬되어 유체를 이동시키는 것을 특징으로 하는 진단용 카트리지.
    PCRn+1 = PCRn + 360/N [식 1]
    (식 1에서 상기 PCRn은 홈과 마그넷 홀더 회전 방향으로 n번째 위치한 증폭챔버와의 각도를 의미하고, 상기 N은 전체 증폭챔버의 개수를 의미하며, 상기 PCRn 및 PCRn+1은 ±5도 이내이다.)
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 마그넷 홀더는 원통형 내부 하단에 마그넷을 구비하여 핵산과 폐기물을 분리하며, 소정의 각도로 회전함으로써 유체를 이동시키는 것을 특징으로 하는 진단용 카트리지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 추출챔버는 상기 인퓨저의 하단 엣지 부분과 결합되는 추출챔버 상단엣지부,
    상기 추출챔버 상단엣지부로부터 중앙에 개구부가 구비되도록 경사지게 형성되는 추출챔버벽 및
    상기 개구부 말단에 형성되는 추출챔버 하단엣지부를 포함하고,
    상기 증폭챔버로 수직 유체 흐름이 가능한 증폭챔버 홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 진단용 카트리지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 폐기물챔버는 상기 추출챔버를 수용하는 하우징 형태로 상기 추출챔버 상단엣지부와 결합되고, 상기 폐기물챔버의 바닥면과 상기 추출챔버의 바닥면이 서로 이격되도록 공간이 형성되어 있으며,
    상기 하우징 측면에 음압 형성용 호스 연결홀이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 진단용 카트리지.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 마그넷 홀더의 회전각도가 홈을 기준으로 10도 내지 20도 회전하면 상기 추출챔버에서 폐기물챔버로 유체가 이동하는 것을 특징으로 하는 진단용 카트리지.
  8. 인퓨저, 추출챔버, 폐기물챔버, 증폭챔버 및 마그넷 홀더를 포함하는 진단용 카트리지;
    상기 카트리지 내부에 들어있는 시약 및 샘플을 혼합 및 이송하여 핵산을 추출하는 핵산추출모듈;
    상기 핵산추출모듈에서 추출된 핵산을 가열과 냉각을 통해 핵산을 증폭시키는 온도제어모듈;
    상기 증폭된 핵산에서 발생하는 형광신호를 검출하는 광학모듈; 및
    상기 핵산추출모듈, 상기 온도제어모듈 및 상기 광학모듈의 구동을 제어하는 통합제어보드;를 포함하며,
    상기 진단용 카트리지는
    상기 인퓨저, 상기 추출챔버, 상기 폐기물챔버 및 상기 증폭챔버가 수직방향으로 배열되되,
    상기 핵산추출모듈은 다수개의 모터, 시린지 및 음압밸브를 포함하며,
    상기 모터는 제1모터 내지 제5모터를 포함하고,
    상기 제1모터는 자석막대와 결합되어 상기 자석막대를 이송하고, 상기 마그넷 홀더를 고정하며,
    상기 제2모터는 펌핑용 막대와 결합되어 인퓨저 내 펌핑을 수행하고,
    상기 제3모터는 상기 음압밸브를 이송하며,
    상기 제4모터는 상기 시린지를 이송하여 음압을 형성하고,
    상기 제5모터는 상기 진단용 카트리지를 회전시키는 것을 특징으로 하는 현장형 분자진단 시스템.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 온도제어모듈은 펠티어소자, 방열핀, 냉각팬 및 증폭챔버 고정블록을 포함하는 것을 특징으로 하는 현장형 분자진단 시스템.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 온도제어모듈은 상기 증폭챔버 고정블록을 통해 상기 진단용 카트리지와 체결되며, 상기 진단용 카트리지가 회전함에 따라 함께 회전하는 것을 특징으로 하는 현장형 분자진단 시스템.
  13. 제 8항에 있어서,
    상기 광학모듈은 1개 또는 1개 이상의 형광센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 현장형 분자진단 시스템.
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