KR102119437B1 - Pcr칩 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시 예에 의한 PCR 칩은 DNA를 합성하는 시료가 유입되는 시료주입구를 구비하는 제1기판; 및 시료주입구로부터 유입된 시료를 수용하여 PCR을 수행하는 시료수용부를 구비하는 제2기판;을 포함하고, 시료수용부는 제2기판에 관통 형성되는 채널과, 채널의 일단에 마련되어 PCR 시 발생하는 공기가 수집되는 에어포켓을 포함한다.

Description

PCR칩{Polymerase Chain Reaction Chip}

본 발명은 중합 효소 연쇄 반응 칩(Polymerase Chain Reaction Chip, 이하, PCR 칩이라 함) 칩에 있어서, 구체적으로, 일단에 에어포켓이 마련된 채널을 포함하는 PCR 칩에 관한 것이다.

중합 효소 연쇄 반응(Polymerase Chain Reaction, 이하, PCR이라 함)은 1983년에 고안된 분자생물학적 기법이다.

특정 핵산, 단백질 등을 많은 양으로 증폭하여 세균이나 바이러스, 진균 등에 의한 감염질환의 진단은 물론, 고고학, 범죄수사 등의 폭넓은 분야에서 사용되고 있다. 현재 유전물질을 조작하여 실험하는 거의 모든 과정에서 사용하고 있는 검사법으로서, 검출을 원하는 특정 표적 유전물질인 DNA를 증폭하는 방법으로 사용되고 있다.

상기 PCR은 일반적으로 변성단계(Denaturation step), 풀림단계(Annealing step), 신장단계(Extension step)를 통해 DNA 증폭이 달성된다. 즉, PCR은 DNA 시료를 PCR 칩에 주입한 후 상기 PCR 칩을 PCR 장치에 삽입하여 이루어진다.

이렇게 간단한 원리의 기존에 사용된 PCR은 증폭의 여부를 확인하기 위해서, 전기영동(Gel-electrophoresis) 과정을 거치게 되는데 전기영동 과정에서 시료가 오염 되기 쉽고, PCR에 소요되는 시간외에 추가로 20~25분의 시간이 소요되기 때문에, 전체 검사 시간이 오래 걸린다는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 보완하기 위해 실시간 중합효소 연쇄반응(Real-time Pol-ymerase Chain Reaction)기술이 고안되었는데, 실시간으로 핵산의 증폭 산물의 양을 검출할 수 있기 때문에, 추가적으로 전기 영동을 통한 확인작업이 필요 없으므로 실험 과정 중에 발생하는 오염의 위험이 낮고, 기존의 PCR에 비해서 간편하고 신속한 결과를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 또한, 기존의 PCR과는 달리 실시간 PCR에서는 증폭된 PCR 산물의 양을 실시간으로 모니터링 하기 위해 지표(Indicator)를 사용하거나 탐침(Probe)을 사용한 형광 검출법을 사용하여 핵산의 증폭된 양을 실시간으로 모니터링 할 수 있다. 형광 검출을 위한 장치로 포토다이오드 외에 여러가지 센서를 사용할 수 있으나, 디지털 일안 반사식(DSLR) 카메라 (Canon 1100D)를 이용하여 실시간 PCR 시스템을 구현할 수 있다.

실시간 PCR 시스템을 구성하는 PCR 칩은 DNA를 합성하기 위한 액체 시료를 수용하기 위한 채널을 가진다. 이 때, PCR은 약 95도의 고온의 조건에서 진행되며, 이에 따라 상기 시료에는 공기 방울이 생성된다.

PCR 장치의 센서 모듈에서 광을 이용하여 상기 채널 내부의 상기 액체 시료의 형광 밝기를 분석할 때, 상기 공기 방울이 상기 센서 모듈의 측정을 방해할 수 있다. 즉, PCR을 수행하는 과정 중 칩 커버 쪽으로 공기 방울이 생겨, 형광 밝기를 비교하는 과정에서 촬영된 이미지를 관찰했을 때, 전반적인 밝기를 저하시킬 뿐만 아니라, 더운 공기가 채널 부분에 있던 시료를 채널 밖으로 밀어내는 문제점이 발생한다.

본 발명의 일 실시예는 PCR 중 발생되는 공기 방울을 한 공간에 수집함으로써, 채널 내에서 액체 시료가 수용되는 공간을 효율적으로 확보할 수 있는 PCR칩을 제공한다.

본 발명의 일 실시예는 시료의 분석 신뢰성을 확보할 수 있는 PCR칩을 제공한다.

본 발명의 일 실시예는 고온 조건에서도 시료의 형광 밝기를 안정적으로 비교할 수 있는 PCR칩을 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, DNA를 합성하는 시료가 유입되는 시료주입구를 구비하는 제1기판 및 상기 시료주입구로부터 유입된 상기 시료를 수용하여 PCR을 수행하는 시료수용부를 구비하는 제2기판을 포함하고, 상기 시료수용부는 상기 제2기판에 관통 형성되는 채널과, 상기 채널의 일단에 마련되어 상기 PCR 시 발생하는 공기가 수집되는 에어포켓을 포함한다.

또한, 상기 시료를 가열하는 히터 및 상기 시료의 온도를 측정하는 온도측정부를 포함하는 제3기판을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1기판은 커버필름으로 마련될 수 있다.

또한, 상기 커버필름은 광 투과를 위해 투명 재질로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 커버필름은 폴리카보네이트를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제2기판은 상기 제1기판의 하면에 양면테이프로 마련될 수 있다.

또한, 상기 제3기판은 상기 제2기판의 하면에 PCB기판으로 마련될 수 있다.

또한, 상기 PCB기판은 무광의 검정색으로 마련될 수 있다.

또한, 상기 제2기판과 상기 제3기판 사이에 배치되는 제4기판을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제4기판은 상기 제2기판의 하면과 상기 제3기판의 상면에 단면테이프로 마련될 수 있다.

또한, 상기 제3기판을 고정하도록 상기 제3기판의 하면에 배치되는 하우징을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 PCR칩은 PCR 중 발생되는 공기 방울을 별도의 공간에 수집하여 시료를 효율적으로 수용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 PCR칩은 시료의 분석 시 공기 방울에 의해 채널 내부 밝기가 저감되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 PCR칩은 고온 조건 하에서도 핵산의 증폭을 안정적으로 검출할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 PCR 칩의 구조를 설명하기 위한 분해 사시도다.
도 2는 도 1에 도시된 PCR 칩을 설명하기 위한 단면도이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 아래에서 소개하는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 제시하는 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로도 구체화될 수 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략할 수 있고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기 등을 다소 과장하여 표현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 중합 효소 연쇄 반응 칩(Polymerase Chain Reaction Chip, 이하, PCR 칩이라 함)의 구조를 설명하기 위한 분해 사시도고, 도 2는 도 1에 도시된 PCR 칩을 설명하기 위한 단면도이다.

본 발명에 의한 PCR 칩은 시료주입구(774a)를 구비하는 제1기판(774) 및 PCR을 수행하는 시료수용부를 구비하는 제2기판(773)을 포함한다.

시료주입구(774a)는 제1기판(774)의 상면에 마련된다. 보다 구체적으로, 시료주입구(774a)는 제1기판(774)의 상하를 관통한다. 시료주입구(774a)를 통해 DNA를 합성하는 시료가 유입된다.

시료수용부는 제2기판(773)의 상면에 구비된다. 보다 구체적으로, 시료수용부는 시료주입구(774a) 하부의 제2기판(773)을 상하로 관통한 후 제2기판(773)의 하부면을 따라 수평 방향으로 연장하여 형성된다.

채널(773a)은 제2기판(773)의 시료수용부 내부에 구비되어, 시료를 수용하도록 마련된다. 즉, 채널(773a)은 시료주입구(774a)로부터 유입된 시료를 수용하여 중합 효소 연쇄 반응(Polymerase Chain Reactio, 이하, PCR이라 함)을 수행할 수 있다.

한편, PCR을 수행할 때 약 95도의 고온 구간에서 발생된 공기 방울이 채널(773a) 중간에 위치하게 되면서 이미지의 형광 분석 시 공기 방울 부분의 그림자가 전반적인 밝기를 저하시킬 수 있다는 문제점이 존재한다. 또한, 공기방울이 채널(773a) 내부에 수용되어 있는 시료를 밖으로 밀어냄으로써 다량의 시료가 손실될 수 있다는 문제점이 존재한다.

이에 본 발명에서는 제2기판(773)의 시료수용부 내부에 구비되고, 채널(773a)의 일단에 마련된 소정의 공간인 에어포켓(773b)을 구비한다. 즉, 칩을 수직으로 세워 PCR을 수행하였을 때 채널(773a)의 상부에 고온의 공기 방울이 수집될 수 있도록 마련된 에어포켓(773b)을 구비한다.

본 발명에 의한 PCR 칩은 시료가 시료주입구(774a)를 통해 채널(773a)로 공급되어 모세관 현상에 의해 채널(773a)의 곡면을 따라 채널(773a)를 채워지며, PCR 수행시 발생하는 공기는 발생하는 즉시 에어포켓(773b)으로 배출되므로, 채널(773a)에 공기방울의 그림자가 발생하는 것을 원천적으로 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 PCR 칩은 에어포켓(773b)을 구비하여 PCR 중 발생되는 공기 방울을 별도의 공간에 수집하고, 공기방울에 의해 채널(773a) 내 시료가 손실되는 것을 원천적으로 방지함으로써 시료를 효율적으로 수용할 수 있다.

에어포켓(773b)의 폭은 채널(773a)의 폭보다 클 수 있다. 따라서, 에어포켓(773b)의 부피가 커 PCR 시 발생하는 다량의 공기를 충분히 수집할 수 있다.

제2기판(773)의 하부에는 제3기판(77)이 배치될 수 있다.

제3기판(77)은 시료를 가열하기 위한 히터를 포함하며, 히터는 채널(773a)을 따라 유동하는 시료를 가열하여 PCR 반응이 수행되도록 한다.

히터는, 예를 들어, 서멀플레이트로 구성될 수 있다. 서멀플레이트는 백금(Pt), 은(Ag) 등으로 구성하거나 전도성 물질, 예를 들어 백금(Pt), 은(Ag), 티타늄(Titanium, Ti) 등을 스퍼터링(Sputtering)에 의하여 코팅하여 구성할 수 있다.

또한, 제3기판(77)은 PCR 실험을 시작하여 DNA 증폭 시 시료와 칩의 온도를 측정하기 위한 온도측정부(775)가 배치될 수 있다.

온도측정부(775)는 시료와 칩의 온도를 측정하고, 측정한 시료 내부 온도와 칩의 온도를 비교하여 시료의 내부온도를 칩의 목표 온도에 도달시키기 위해 온도를 보정시킨다.

상기 보정된 온도를 기초로 칩에 조사된 광으로부터 반사된 광을 전압으로 산출하여 칩 내 시료의 형광 밝기를 검출할 수 있다.

추가적으로, 제2기판(773)과 제3기판(77) 사이에는 제4기판(772)이 배치될 수 있다.

제1기판(774), 제2기판(773) 및 제3기판(77)은, 예를 들어, 커버필름, 양면테이프 및 PCB 기판으로 마련될 수 있다. 또한, 제4기판(772)은 단면테이프로 마련될 수 있다.

즉, PCR 칩은 내부적으로, 최상단에 커버 필름으로 마련된 제1기판(774)부터 양면 테이프로 마련된 제2기판(773), 단면 테이프로 마련된 제4기판(772) 및 PCB 기판으로 마련된 제3기판(77)의 순으로 적층될 수 있다.

PCB 기판으로 마련된 제3기판(77)의 성분은, 예를 들어, 에폭시 성분일 수 있다. 이에 본 발명에서는 제3기판(77)과 양면 테이프로 마련된 제2기판(773) 사이에 제4기판(772)을 추가적으로 배치함으로써 상술한 에폭시 성분이 제2기판(773) 내부에 수용된 시료와 접촉하여 DNA 증폭을 저해 하는 현상을 최소화시킬 수 있다.

PCB 기판으로 마련된 제3기판(77) 하면에는 하우징(770)을 배치할 수 있다. 이는 PCR 칩을 고정하여 연결상의 에러를 방지하기 위함이다.

도 1 및 도 2에는 제1기판(774)에 구멍을 내어 마련한 시료주입구(774a)를 통해 시료를 주입을 하는 경우만을 도시하였으나, 이에 한정되지 않는다.

예를 들어, 하우징(770)에 시료를 주입하고 제3기판(77)에 마련된 시료주입구를 통과하여 채널(773a)로 시료가 이동하여 채널을 채우게 되며, 이 때, 시료가 제3기판(77)을 통과하면서 채널(773a)을 채우는 경우를 포함한다.

이 때, PCB 기판으로 마련된 제3기판(77)의 성분은, 예를 들어, 에폭시 성분일 수 있으며, 이에 본 발명에서는 제3기판(77)에 마련된 시료주입구에 대해 주석(Sn)으로 코팅 처리를 함으로써 상술한 에폭시 성분에 시료 내 핵산성분이 부착되는 현상을 최소화시킬 수 있다.

커버 필름으로 마련된 제1기판(774)의 두께는, 예를 들어, 500 μm일 수 있다. 상기 두께가 두꺼워질수록 PCR시 고온의 조건에서 커버 필름이 팽창되는 것을 방지할 수 있다.

전술한 바와 같이, 칩 내 시료의 형광 밝기를 분석하는 과정은 칩에 조사된 광으로부터 반사된 광을 전압으로 산출하는 단계를 포함한다. 따라서, 시료가 수용된 제2기판(773)의 상면은, 상기 광이 투과할 수 있도록 투명 재질로 이루어질 수 있다.

예를 들어, 제2기판(773)의 상면에 배치된 커버 필름으로 마련된 제1기판(774)은 투명 재질로 이루어질 수 있다. 투명 재질은 상기 광이 투과된다면 어떠한 재질이든 무관하다. 상기 투명 재질로는 유리 또는 합성 수지가 사용될 수 있다.

상기 합성 수지의 예로는 투명 실리콘, 투명 우레탄, 투명 PVC, 투명 폴리프로필렌, 투명 폴리카보네이트 및 이들의 혼합물 등을 들 수 있다.

커버 필름으로 마련된 제1기판(774)의 재질이, 예를 들어, 폴리카보네이트로 마련될 경우, 필름 표면에 손상이 가해지는 것을 최소화하여 필름의 내구성을 향상시킬 수 있다.

양면 테이프로 마련된 제2기판(773)은 실리콘 재질 또는 상기 투명 재질로 이루어지거나, 드라이 필름 레지스트(Dry Film Resist, DFR)로 이루어지거나 상기 실리콘 재질 또는 상기 투명 재질과 DFR이 적층되어 형성될 수 있다.

DFR은 열전도도가 상기 실리콘에 비하여 매우 낮으므로, 채널(773a)에 수용되는 시료의 보온에 우수한 성능을 나타낼 수 있다.

상기 실리콘 재질에 대해서는 마스크 패턴을 이용한 식각 공정을 이용하여 채널(773a) 및 에어포켓(773b)을 포함한 시료수용부를 형성할 수 있다. 상기 DFR에 대해서는 노광 공정과 현상 공정을 이용하여 채널(773a) 및 에어포켓(773b)을 형성할 수 있다.

한편, PCR 칩이 유광의 PCB 기판을 사용할 경우 DNA 증폭에서는 성공했지만, 형광 검출 테스트 실험에서 PCB가 LED의 빛을 반사해서 반사된 빛이 노이즈로 작용할 수 있다는 문제가 발생한다.

이에 본 발명에서는 PCB 기판으로 마련된 제3기판(77)을 무광의 검정 PCB 로 마련함으로써 PCB에 의한 반사율을 최소화하고 반사된 빛이 노이즈로 작용하는 것을 방지하여 전체 신호 대비 잡음이 발생되는 비율을 감소시킬 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

77: 제3기판
770: 하우징
772: 제4기판
773: 제2기판
773a: 채널
773b: 에어포켓
774: 제1기판
774a: 시료주입구
775: 온도측정부

Claims (11)

1. DNA를 합성하는 시료가 유입되는 시료주입구를 구비하는 제1기판;
   상기 시료주입구로부터 유입된 상기 시료를 수용하여 PCR을 수행하는 시료수용부를 구비하는 제2기판;
   상기 시료를 가열하는 히터 및 상기 시료의 온도를 측정하는 온도측정부를 포함하는 제3기판; 및
   상기 제2기판과 상기 제3기판 사이에 배치되는 제4기판;
   을 포함하고,
   상기 시료수용부는
   상기 제2기판에 관통 형성되는 채널과, 상기 채널의 일단에 마련되어 상기 PCR 시 발생하는 공기가 수집되는 에어포켓을 포함하되,
   상기 에어포켓은 채널의 상부에 별도의 공간으로 구비되며, 상기 에어포켓의 폭은 상기 채널의 폭보다 큰 것이고,
   PCB 기판으로 마련된 상기 제3기판은 에폭시 성분이고,
   상기 제3기판과 양면 테이프로 마련된 상기 제2기판 사이에 상기 제4기판을 추가적으로 배치함으로써, 상기 에폭시 성분이 상기 제2기판 내부에 수용된 시료와 접촉하여 DNA 증폭을 저해하는 현상을 최소화시키는 것을 특징으로 하는, PCR칩.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1기판은 커버필름으로 마련되는 PCR칩.
4. 제3항에 있어서,
   상기 커버필름은 광 투과를 위해 투명 재질로 이루어지는 PCR칩.
5. 제3항에 있어서,
   상기 커버필름은 폴리카보네이트를 포함하는 PCR칩.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제2기판은 상기 제1기판의 하면에 양면테이프로 마련되는 PCR칩.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제3기판은 상기 제2기판의 하면에 PCB기판으로 마련되는 PCR칩.
8. 제7항에 있어서,
   상기 PCB기판은 무광의 검정색으로 마련되는 PCR칩.
9. 삭제
10. 제1항에 있어서,
    상기 제4기판은 상기 제2기판의 하면과 상기 제3기판의 상면에 단면테이프로 마련되는 PCR칩.
11. 제1항에 있어서,
    상기 제3기판을 고정하도록 상기 제3기판의 하면에 배치되는 하우징을 더 포함하는 PCR칩.
    
    
    
    

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