KR20030038246A - 생화학 유체를 온도가 다른 폐쇄된 챔버 구간을 따라 회전이동시키는 폐쇄 유체 회로 시스템 - Google Patents

생화학 유체를 온도가 다른 폐쇄된 챔버 구간을 따라 회전이동시키는 폐쇄 유체 회로 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유체를 가두어 둘 수 있는 공간으로서 온도가 이미 설정된 챔버(chamber); 상기 챔버의 입구(inlet)와 출구(outlet)에 위치하는 수동 밸브(passive valve) 또는 능동 밸브(active valve); 및, 상기 챔버의 입구(inlet)와 출구(outlet)에 위치하며, 유체의 유입과 유출을 조절하기 위한 공기압 포트(pneumatic air pressure port)를 포함하는 구조를 반복단위로 하여 2개 이상이 서로 연결되어 이루어진 폐쇄 유체 회로 시스템 및 이를 이용한 PCR 증폭장치에 관한 것이다.
본 발명의 PCR 증폭장치에 따르면, 기존의 방법과 달리 온도 구간을 정확히 따라 갈 수 있으며, 가열(heating)과 냉각(cooling) 시간이 전혀 필요치 않으며, 정확한 온도를 제어(control)하는 회로가 필요치 않은 장점이 있다.

Description

생화학 유체를 온도가 다른 폐쇄된 챔버 구간을 따라 회전 이동시키는 폐쇄 유체 회로 시스템{System and method for circulating biochemical fluidic solutions around closed two or more temperature zones of chambers}
본 발명은 새로운 PCR 시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는, 생화학 유체를 온도가 다른 폐쇄된 챔버 구간을 따라 회전 이동시키는 폐쇄 유체 회로 시스템 및 이를 이용한 PCR 증폭 장치에 관한 것이다.
PCR (Polymerase Chain Reaction) 은 주기적인 가열/냉각 방법에 의하여 DNA 분자의 한 조각을 연쇄적으로 복제시켜 그 양을 기하급수적으로 증폭시키는 반응 기술이다. PCR 에서 1 사이클(cycle)의 복제반응을 수행하기 위하여는 반응물의 온도를 T1 (변성: denaturing) → T2 (어닐링: annealing) → T3 (연장: extension) 로 변화시켜야 한다.
종래의 PCR 시스템의 경우, 도 1과 같이 챔버 내에 PCR 유체　또는 생화학 유체를 가두어 놓고 온도를 정확히 제어하여 변성 (94 ℃) → 어닐링 (55 ℃) → 연장 (72 ℃) 를 반복하도록 하여 PCR 반응을 일으키는 구조였다. 이러한 시스템은 구조가 복잡하지 않으며, 히터(heater)를 정확히 제어하면 되는 장점이 있으나, 생화학 유체를 둘러싸고 있는 동일한 챔버나 튜브에 대해 가열과 냉각을 반복하여야 하기 때문에 어쩔 수 없이 가열과 냉각시간이 지연되며, 아주 정확한 온도 제어를 위하여 복잡한 회로를 필요로 하는 단점이 있었다.
다른 종래의 PCR 시스템의 경우, 도 2와 같이 PCR 유체 또는 생화학 유체가 서로 다른 온도 구간을 지그재그형으로 연속적으로 흘러가게 하여(continuous flow) PCR 반응을 일으키는 구조였다 (USP 5,270,183). 이러한 시스템은 온도를 정확히 제어하는 회로가 필요 없는 장점이 있으나, T3 구간에서 T1 구간으로 이동시 T2 구간을 어쩔 수 없이 흐르게 되어 정확한 온도 프로파일을 따라가게 하기 위하여 아주 긴 채널이 필요하게 되는 문제점이 있었다.
또 다른 종래의 PCR 시스템의 경우, 도 3과 같이 도 2의 채널 방향을 변형시켜 PCR 유체 또는 생화학 유체가 서로 다른 온도 구간을 동심원방향으로 연속적으로 흘러가게 하여(continuous flow) PCR 반응을 일으키는 구조였다 (Proc. Miniaturized Total Analysis Systems (uTAS 2001), Luisiana State University, Steven A. Soper et al., pp. 459 - 461）. 이러한 시스템은 도 2와 마찬가지로 온도를 제어하는 회로가 필요 없는 장점이 있으나, 매 사이클(cycle)을 돌 때마다 유로(flow path) 가 짧아지는 경향이 있어 온도 프로파일을 따라가기 위하여는 흐름(flow) 의 속도를 정확히 제어해야 하는 문제점이 있었다.
이에, 본 발명자들은 상기 종래기술들의 문제점들을 극복하기 위하여 예의 연구노력한 결과, PCR 유체 또는 생화학 유체가 온도가 다른 구간을 계속해서 원 방향으로 흘러가게 하는 구조를 가지는 경우, 종래의 방법과 달리 온도 구간을 정확히 따라 갈 수 있으며, 가열과 냉각시간이 전혀 필요치 않으며, 긴 채널이 필요치 않으며, 정확한 온도 제어를 위한 복잡한 회로가 필요치 않다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 주된 목적은 생화학 유체를 온도가 다른 폐쇄된 챔버 구간을 따라 회전 이동시키는 폐쇄 유체 회로 시스템 및 상기 시스템에서 유체를 회전 이동시키는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 시스템을 이용한 PCR 증폭장치 및 상기 장치를 포함하는 랩온어칩(lab-on-a-chip)을 제공하는데 있다.
도 1은 종래의 PCR(Polymerase　 Chain Reaction) 시스템으로서, 챔버 내에 PCR 유체 또는 생화학 유체를 가두어 놓고 온도를 제어(T1 ~ 94 ℃, T2 ~ 55 ℃, T3 ~ 72 ℃) 하여 PCR 반응을 일으키는 구조를 나타내는 도면이고,
도 2는 종래의 PCR 시스템으로서, 서로 다른 온도 구간이 있어서 PCR 유체 또는 생화학 유체를 지그재그 방향으로 연속적으로 흘려 보내어(continuous flow) PCR 반응을 일으키는 구조를 나타내는 도면이고,
도 3은 종래의 PCR 시스템으로서, 서로 다른 온도 구간이 있어서 PCR 유체 또는 생화학 유체를 동심원 방향으로 연속적으로 흘려 보내어(continuous flow) PCR 반응을 일으키는 구조를 나타내는 도면이고,
도 4는 본 발명의 핵심으로서, 종래의 시스템과 달리 서로 온도가 다른 구간을 PCR 유체 또는 생화학 유체가 계속해서 원 방향으로 순환적으로 흘러가게 하는구조를 나타내는 도면이고,
도 5는 본 발명의 핵심으로서, 입구/출구를 통하여 주입된 PCR 유체 또는 생화학 유체를 이미 온도가 정해진 닫혀진 채널 내에서 순차적으로 회전 이동시킴으로써 PCR 반응을 일으키는 구조를 나타내는 도면이고,
도 6은 본 발명의 공기압형 폐쇄 유체 회로 시스템에서, 회전이동에 필요한 기본 성분을 나타내는 도면이고,
도 7은 본 발명의 공기압형 폐쇄 유체 회로 시스템에서, 한 챔버의 출구 밸브를 인접한 챔버의 입구 밸브와 공유하는 경우 회전이동에 필요한 기본 성분을 나타내는 도면이고,
도 8은 도 7에서 설명된 기본 성분이 하나만 있을 때의 동작원리를 나타내는 도면이고,
도 9는 도 7에서 설명된 기본 성분 2개가 연결되었을 때의 동작원리를 나타내는 도면이고,
도 10은 도 7에서 설명된 기본 성분 3개가 연결되었을 때의 동작원리를 나타내는 도면이고,
도 11은 도 10에서 설명된 기본 성분 3개가 서로 연결되어 이루어진 폐쇄된 유체 회로를 나타내는 도면이고,
도 12는 본 발명의 순환식(Circular) PCR 시스템의 상세한 동작원리를 나타내는 도면이고,
도 13은 본 발명의 자성 유체형 폐쇄 유체 회로 시스템에서, 자성 유체를 사용하여 PCR 유체　또는 생화학 유체를 회전 이동시키는 원리를 나타내는 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
(1) 생화학유체/PCR유체 (2) 자성유체
(3) 회전자석 (11,21,31) 챔버
(12,22,32) 밸브 (13,23,33) 공기압포트
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 유체를 가두어 둘 수 있는 공간으로서 온도가 이미 설정된 챔버(chamber); 상기 챔버의 입구(inlet)와 출구(outlet)에 위치하는 수동 밸브(passive valve) 또는 능동 밸브(active valve); 및, 상기 챔버의 입구(inlet)와 출구(outlet)에 위치하며, 유체의 유입과 유출을 조절하기 위한 공기압 포트(pneumatic air pressure port)를 포함하는 구조를 반복단위로 하여 2개 이상이 서로 연결되어 이루어진 폐쇄 유체 회로 시스템을 제공한다.
본 발명의 시스템에서, 상기 유체는 반응을 위해 일정온도의 공간에서 일정시간동안 머무를 필요가 있는 유체라면 어느 것도 적용가능하나, 바람직하게는 PCR 반응에 사용되는 주형(template) DNA, 올리고뉴클레오티드 프라이머, 4종류의 dNTP(dATP, dCTP, dGTP 및 dTTP)와 열안정성(thermostable) DNA 폴리머라제를 포함하는 PCR 유체나 생화학 유체인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 시스템에서, 상기 반복단위가 2개 이상 반복될 때 어떤 챔버의 출구 밸브(outlet valve)와 그 챔버에 인접한 챔버의 입구 밸브(inlet valve)는 공유 상태이고, 어떤 챔버의 출구 공기압 포트(neumatic outlet port)와 그 챔버에 인접한 챔버의 입구 공기압 포트(pneumatic inlet port)는 공유 상태 인 것이 바람직하다.
본 발명의 시스템에서, 상기 밸브로는 챔버내 유체의 이동을 차단할 수 있는 수동(passive) 또는 능동(active)밸브를 사용할 수 있으며, 수동 밸브는 입구 쪽보다 출구 쪽의 채널을 상대적으로 좁게 만들거나 그 채널의 표면을 소수성(hydrophobic)으로 처리함으로써 유체의 흐름을 방해하는 밸브인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 폐쇄 유체 회로 시스템에서 어떤 챔버에 갇힌 유체를 그와 인접한 다른 챔버에 이동시키기 위하여, 어떤 챔버에 연결된 입구 공기압 포트에 공기압을 가하면서 인접한 챔버의 출구 공기압 포트를 개방(vent)하는 단계; 인접한 챔버로 이동시킨 유체를 일정시간 머무르게 하기 위하여, 인접한 챔버의 출구에 위치한 밸브를 이용하는 단계; 및, 상기 두 단계를 순차적으로 반복하여 유체를 계속 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 주입된 유체를 회전 이동시키는 방법을 제공한다.
본 발명의 방법에서, 챔버내에 이동시킬 유체를 주입하기 위하여, 유체의 주입 공간으로 미리 선택된 챔버의 입구 공기압 포트에 공기압을 가하면서 그 챔버의 출구 공기압 포트를 개방시키는 단계; 및 원하는 사이클(cycles)만큼 유체를 이동시킨 후 유체를 배출하기 위하여, 유체의 배출 공간으로 미리 선택된 챔버의 입구공기압 포트에 공기압을 가하면서 그 챔버의 출구 공기압 포트를 개방시키는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 본 발명의 폐쇄 유체 회로 시스템으로서, 반복단위 3개가 서로 연결되어 있으며, 제 1 챔버는 DNA 변성(denaturation)을 위한 온도가 설정되어 있고, 제 2 챔버는 어닐링(annealing)을 위한 온도가 설정되어 있고, 제 3 챔버는 연장(extension: synthesis of new DNA strands)을 위한 온도가 설정되어 있어서, 샘플내 DNA의 양을 중합효소 연쇄반응(PCR: polymerase chain reaction)으로 증폭시키는 장치를 제공한다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 본 발명의 폐쇄 유체 회로 시스템으로서, 반복단위 2개가 서로 연결되어 있으며, 제 1 챔버는 DNA 변성(denaturation)을 위한 온도가 설정되어 있고, 제 2 챔버는 어닐링(annealing)과 연장(extension)을 동시에 하기 위한 온도가 설정되어 있어서, 샘플내 DNA의 양을 중합효소 연쇄반응(PCR: polymerase chain reaction)으로 증폭시키는 장치를 제공한다.
본 발명의 PCR 증폭 장치는 PCR 유체 또는 생화학 유체가 온도 구간이 다른 닫혀진 챔버들을 회전 이동하는 초소형화된 "순환식(Circular) PCR" 시이클러(cycler)이다. 제 1 챔버(변성 온도: T1) → 제 2 챔버(어닐링 온도: T2) → 제 3 챔버(연장 온도: T3) 또는 제 1 챔버(변성 온도: T1) → 제 2 챔버(어닐링 및 연장온도: T2')를 한 번 돌게 되면 1 사이클(cycle) 이 완성되며, 계속해서 이러한 폐쇄된 챔버 구간을 수십 사이클 회전 이동하게 되면 PCR 반응에 의해 샘플내DNA양이 기하급수적으로 증폭되게 된다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 유체를 가두기 위한 폐쇄된 마이크로채널로서, 온도가 다르게 설정된 2개 이상의 구간들로 나누어지는 마이크로채널(microchannel); 상기 마이크로채널 중 유체가 존재하지 않는 구간들을 채우는　자성　유체（Ferrofluids）; 및, 상기 자성 유체를 이동시키기 위한 회전 자석 또는 전자석을 포함하는 폐쇄 유체 회로 시스템을 제공한다.
본 발명의 시스템에서, 상기 자성 유체는 회전 자석 또는 전자석의 자력에 의하여 이동시킬 수 있는 유체라면 어떤 것도 사용가능하나,　바람직하게는자성 입자(ferromagnetic particle)이　물에　섞여 있는　자성　유체（aqueous-based ferrofluids）,　　기름에　섞여 있는　자성　유체（oil-based ferrofluids）, 　또는　젤에　섞여 있는　자성　유체（polymeric gel-based ferrofluids）가　바람직하고，　그　중에서도　기름에　섞여 있는　자성　유체가　가장　바람직하다．
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 폐쇄 유체 회로 시스템에서 자성유체를 회전시키기 위하여, 마이크로채널 중앙에 배치한 회전자석을 회전시키거나 마이크로채널 주위에 배치된 전자석을 순차적으로 작동시키는 단계; 및 자성유체를 회전 이동시킴으로써 생화학 유체도 같이 따라서 온도가 다른 구간을 회전 이동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 주입된 유체를 회전 이동시키는 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 본 발명의 폐쇄 유체 회로 시스템으로서, 온도 설정 구간은 세 구간으로 구성되어 있으며, 각 구간의온도는 DNA 변성(denaturation)을 위한 온도, 어닐링(annealing)을 위한 온도 및 연장(extension)을 위한 온도인 것을 특징으로 하는 샘플내 DNA의 양을 중합효소 연쇄반응(polymerase chain reaction)으로 증폭시키는 장치를 제공한다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 본 발명의 폐쇄 유체 회로 시스템으로서, 온도 설정 구간은 두 구간으로 구성되어 있으며, 각 구간의 온도는 DNA 변성(denaturation)을 위한 온도, 어닐링(annealing)과 연장(extension)을 동시에 하기 위한 온도인 것을 특징으로 하는 샘플내 DNA의 양을 중합효소 연쇄반응(polymerase chain reaction)으로 증폭시키는 장치를 제공한다.
본 발명의 PCR 증폭 장치는 PCR 유체 또는 생화학 유체가 마이크로채널을 따라 온도 구간이 다른 구간들을 회전 이동하는 초소형화된 "순환식(Circular) PCR" 사이클러이다. 제 1 구간(변성 온도: T1) → 제 2 구간(어닐링 온도: T2) → 제 3 구간(연장 온도: T3) 또는 제 1 구간(변성 온도: T1) → 제 2 구간(어닐링 및 연장 온도: T2')를 한 번 돌게 되면 1 사이클(cycle) 이 완성되며 계속해서 이러한 폐쇄된 마이크로채널을 수십 사이클 회전 이동하게 되어, PCR 반응이 일어나게 된다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판 위에 형성된 본 발명에 따른 PCR 증폭장치 및 이와 유동적으로 연결된 전기영동(electrophoresis) 수행부를 포함하는 랩온어칩(lab-on-a-chip)을 제공한다.
본 발명의 랩온어칩에서, 칩에 주입된 샘플은 PCR 증폭장치를 거치면서 DNA양이 증폭되며, 전기영동 수행부을 거치면서 그 분자량이나 전하량에 따라 DNA가 분리되어 최종적으로 표적 DNA를 검출할 수 있다.
본 발명의 랩온어칩에서, 상기 기판은 유리, 석영, 실리콘, 플라스틱, 폴리머, 세라믹 또는 금속인 것이 바람직하며, 상기 전기영동 수행부는 모세관 전기영동(capillary electrophoresis)을 수행하는 멀티채널인 것이 바람직하며, 상기 PCR 증폭장치와 전기영동 수행부는 기판상에 광석판인쇄술(photolithography)을 이용하여 만드는 것이 바람직하다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
도 4는 본 발명의 핵심으로서, 종래의 연속적 흐름(continuous-flow) PCR 시스템과 달리, 서로 온도가 다른 구간을 PCR 유체 또는 생화학 유체가 계속해서 원 방향으로 순환적으로 흘러가게 하는 구조를 나타내는 도면이다. 여기서, 가운데의 원은 유체가 흐르는 통로, T1, T2 및 T3는 서로 다른 온도 구간을 나타낸다. 본 발명에 따르면, 종래 시스템과 같은 긴 채널이 필요치 않으며, 정확한 온도 제어를 위하여 복잡한 회로가 필요치 않다는 장점이 있다.
도 5는 본 발명의 핵심으로서, 입구/출구를 통하여 주입된 PCR 유체 또는 생화학 유체를 이미 온도가 정해진 닫혀진 채널 내에서 순차적으로 회전 이동시킴으로써 PCR 반응을 일으키는 구조를 나타내는 도면이다. 여기서, 화살표는 유체가 주입/배출되거나 회전 이동하는 방향을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 공기압형(pneumatic-type) 폐쇄 유체 회로 시스템에서, 회전이동에 필요한 기본 성분을 나타내는 도면이다. 여기에 도시된 성분들은 회전이동에 필요한 최소한의 성분들로서, 우선 항상 정해진 일정한 온도 영역(temperature zone)을 유지하고 있는 챔버 (또는 마이크로챔버(micro-chamber))(11)는 PCR 반응을 위하여 유체를 일정한 시간 동안 갇혀 있는 상태로 유지하는 공간이다. 입구 밸브(inlet valve)(12)쪽에 있는 공기압 포트(pneumatic port)(13)을 통하여 공기압(air pressure)을 인가하면 챔버(11)에 갇혀 있는 유체는 출구 밸브(outlet valve)(12')쪽으로 이동하게 되어 출구로 나가게 된다. 이때 출구 공기압 포트(13')은 입구 공기압 포트(13)보다 낮은 공기압을 유지하며 공기를 배출시키는 역할을 한다
도 7은 본 발명의 공기압형 폐쇄 유체 회로 시스템에서, 한 챔버의 출구 밸브를 인접한 챔버의 입구 밸브와 공유하는 경우 회전이동에 필요한 기본 성분을 나타내는 도면이다. 그림 6과 같은 구조를 반복하게 되면 한 챔버의 출구 밸브 및 공기압 포트를 인접한 챔버의 입구 밸브 및 공기압 포트와 공유할 수 있다. 따라서, 본 발명의 기본 성분은 챔버(11), 입구 밸브(또는 출구 밸브)(12) 및 입구 공기압 포트(또는 출구 공기압 포트)(13)으로 로 구성된다. 여기서, 출구 밸브는 표면을 소수성(hydrophobic)으로 처리되어 있거나 상대적으로 좁은 채널 구조로 인하여 급격한 압력 저하(abrupt pressure drop) 효과 때문에 생화학 유체가 더 이상 흐르지 못하고 갇혀 있게 된다. 이때 공기압 포트(13)를 통해 출구 밸브의 압력보다 높은 공기압(pneumatic air pressure)을 인가하게 되면, 챔버(11)내에 갇혀 있던 유체가 출구 방향으로 이동하게 된다. 이러한 기본 성분은 공기압(pneumatic air pressure)에 의해서 한쪽 방향으로만 유체를 이동시키는 단순한 기능을 수행한다. 이러한 기본 성분이 2개 또는 3개 이상이 연결되어 닫혀진 폐쇄 유체 회로를 이루게 되며, 순차적인 공기압(pneumatic air pressure) 인가에 의해서 생화학 유체가 챔버 내를 순차적으로 이동하게 된다.
도 8은 도 7에서 설명된 기본 성분이 하나만 있을 때의 동작원리를 나타내는 도면이다. 입구 공기압 포트(13)에 인가된 공기압(air pressure)에 의해서 챔버(11)내의 유체가 출구쪽으로 이동하게 된다. 이때 출구 밸브(22)가 견딜 수 있는 압력보다 큰 공기압이 인가되면 생화학 유체가 이동하게 된다. 출구 밸브(22)는 소수성의 표면 처리나 갑자기 좁아지는 채널 구조로 인하여 급격한 압력 저하 때문에 작동하는 수동 밸브(passive valve) 이다.
도 9는 도 7에서 설명된 기본 성분 2개가 연결되었을 때의 동작원리를 나타내는 도면이다. 챔버(11)의 입구 공기압 포트(13)에 공기를 인가하고 인접한 챔버(21)의 출구 공기압 포트(33)를 개방하면 압력차(P1i-P3o)가 발생한다(도면에서 적색은 열려 있는 공기압 포트, 회색은 닫혀 있는 공기압 포트를 나타냄). 이때, 공기압 포트(13)에 인가된 공기압(P1i)이 밸브(22)의 압력(P2)보다 클 경우 챔버(11)에 있는 생화학 유체가 챔버(21)로 이동하게 된다. 또한, 밸브(32)의 압력(P3)이 P1i 보다 클 경우, 기체는 쉽게 빠져 나가지만, 유체는 이 압력 장벽(pressure barrier)을 이기지 못하고 챔버(21)내에 남게 된다.
도 10은 도 7에서 설명된 기본 성분 3개가 연결되었을 때의 동작원리를 나타내는 도면이다. 그림 9에서 설명한 방법과 동일하게 작동하게 되며, 공기압 포트(13, 23, 33)에 순차적으로 공기압(air pressure)을 인가함에 따라 유체가 챔버(11, 21, 31)를 순차적으로 이동하게 된다.
도 11은 도 10에서 설명된 기본 성분 3개가 서로 연결되어 이루어진 본 발명의 폐쇄된 유체 회로를 나타내는 도면이다. 챔버 3개가 하나의 폐쇄된 유체 회로를 구성하게 되며 동작 원리는 도 10에서 설명한 바와 동일하다. 즉 공기압 포트에 순차적으로 공기압을 인가함에 따라 유체가 챔버(11)(Temp Zone 1), 챔버(21)(Temp Zone 2) 및 챔버(31)(Temp Zone 3)를 화살표 방향으로 회전이동하게 된다.
도 12는 도 11에서 설명된 본 발명의 폐쇄된 유체 회로 시스템을 이용한 순환식(Circular) PCR 시스템의 상세한 동작원리를 나타내는 도면이다. 우선 플러그(plug)를 통해 유체가 주입되어 챔버(11)에 차게 된다. 제1 사이클을 완성하게 되면 주입된 유체가 챔버(11)(변성 챔버: denaturing chamber) → 챔버(21)(어닐링 챔버: annealing chamber) → 챔버(31)(연장 챔버: extension chamber)로 회전 이동하게 되어 첫번째 PCR 반응이 일어나게 된다. 같은 방법으로 두번째 PCR 사이클을 완성하게 되며, 이렇게 수십 번 반복하게 되면 충분한 PCR 반응이 일어나게 된다. 반응 완료 후 주입된 유체를 플러그(plug)를 통해 꺼내어 전기영동(electrophoresis) 등의 분석을 위한 채널(channel) 이나 챔버(chamber)로 이동하게 된다.
도 13은 본 발명의 자성 유체형 폐쇄 유체 회로 시스템으로서, 자성 유체를 사용하여 PCR 유체　또는 생화학 유체를 회전 이동시키는 원리를 나타내는 도면이다. 이 방법은 생화학 유체를 회전 이동시키기 위하여 공기압(Pneumatic airpressure)이 아닌 자성유체를 사용하는 방법이다. 자성유체(2)를 닫혀진 채널 내에서 회전 이동 시킴으로 인해서 생화학 유체(1)도 같이 따라서 온도가 다른 구간(T1, T2, T3)을 회전 이동하게 된다. 자성유체를 이동시키기 위하여 회전 채널 중앙에 배치된 회전자석(3)이나 회전 채널 주위로 배치된 전자석을 순차적으로 작동시켜 사용할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.
실시예 1. 기본 단위 2개를 이용한 공기압형 PCR 시스템
기본 반복단위 2개가 서로 연결된 폐쇄 유체 회로 시스템으로서, 제1 챔버는 DNA 변성(denaturation)을 위한 온도로서 대략 94도 정도로 설정되어 있다. 제2 챔버는 어닐링(annealing)과 연장(extension)을 동시에 하기 위한 온도로서 대략 68도 정도로 설정이 되어 있어서, 샘플내 DNA의 양을 중합효소 연쇄반응(polymerase chain reaction)으로 증폭시킬 수 있다.
실시예 2. 기본 단위 3개를 이용한 공기압형 PCR 시스템
기본 반복단위 3개가 서로 연결된 폐쇄 유체 회로 시스템으로서, 제1 챔버는 DNA 변성(denaturation)을 위한 온도로서 대략 94도 정도로 설정되어 있다. 제2 챔버는 어닐링(annealing)을 위한 온도로 대략 55도 정도이며, 제3 챔버는 연장(extension)을 위한 온도로 대략 72도로 설정되어 있어서, 샘플내 DNA의 양을 중합효소 연쇄반응(polymerase chain reaction)으로 증폭시킬 수 있다.
실시예 3. 온도 구간이 2개인 자성유체형 PCR 시스템
유체를 가두기 위한 폐쇄된 마이크로채널로서, 이것은 온도가 다르게 설정된 2개의 구간으로 나누어지며, 이 구간들 중에서 유체가 존재하지 않는 구간들은 자성 유체로 채워져 있으며 자성 유체를 이동시키기 위한 회전 자석 또는 전자석을 포함하는 폐쇄 유체 회로 시스템이다. 각 구간의 온도는 DNA 변성(denaturation)을 위한 온도(대략 94도), 어닐링(annealing)과 연장(extension)을 동시에 하기 위한 온도(대략 68도)인 것을 특징으로 하는 샘플내 DNA의 양을 중합효소 연쇄반응(polymerase chain reaction)으로 증폭시키는 장치이다.
실시예 4. 온도 구간이 3개인 자성유체형 PCR 시스템
유체를 가두기 위한 폐쇄된 마이크로채널로서, 이것은 온도가 다르게 설정된 3개의 구간으로 나누어지며, 이 구간들 중에서 유체가 존재하지 않는 구간들은 자성 유체로 채워져 있으며 자성 유체를 이동시키기 위한 회전 자석 또는 전자석을 포함하는 폐쇄 유체 회로 시스템이다. 각 구간의 온도는 DNA 변성(denaturation)을 위한 온도(대략 94도), 어닐링(annealing)을 위한 온도(대략 55도) 및 연장(extension)을 위한 온도(대략 72도)인 것을 특징으로 하는 샘플내 DNA의 양을 중합효소 연쇄반응(polymerase chain reaction)으로 증폭시키는 장치이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 다음과 같은 장점이 있다.
첫째, 가열(heating)/냉각(cooling) 시간이 현저히 짧아진다. 기존의 PCR 사이클러 의 경우 가열과 냉각 시에 챔버 주변의 물질을 동시에 가열 또는 냉각을 하여야 하기 때문에 가열시간 (보통 1-2초)과 냉각시간(보통 3-4 초)이 많이 요구되는 반면에, 본 발명의 경우, 가열/냉각 시간은 단지 유체가 챔버 내를 이동하는 시간에 달려 있다. 이동시간은 인가된 공기압(pneumatic air pressure)에 의하여 정해지는 것으로 기존의 방법보다는 훨씬 짧은 시간 (1초 이내) 내에 달성할 수 있다.
둘째, 항상 일정하게 세팅(setting)이 되어 있는 온도 구간을 이동하기 때문에 이동한 유체가 온도 구간에 머물러 있는 시간을 조절함으로 인해서 각 반응 단계마다의 온도 및 시간을 조절할 수 있어 생화학 유체에 따라 PCR 조건을 자유자재로 조절 할 수 있다.
셋째, 복잡한 회로가 필요치 않다. 기존의 PCR 사이클러의 경우 정확한 가열을 위하여 복잡한 PID(propotional/integral/differential) 제어 회로를 구성하여야 하며, 빠른 가열을 위하여 높은 전압을 인가하여야 하기 때문에 챔버 내의 온도가 1-2 도 정도 올라가게 되는 오버슈트(overshoot) 현상이 나타나게 된다.
넷째, 냉각(cooling) 시스템이 필요치 않다. 기존의 PCR 사이클러의 경우 빠른 냉각을 위하여 냉각 팬(cooling fan)이나 냉각(thermoelectric) 장치가 있어야 한다. 그러나 본 발명의 경우, 유체의 이동 시간이 곧 가열이나 냉각 시간이기 때문에 훨씬 짧은 시간 내에 반응을 일으킬 수 있으며 냉각을 위한 주변 회로나 냉각 시스템이 필요치 않게 된다.
다섯째, 연속적 흐름(Continuous-flow) PCR 의 경우처럼 긴 채널이 필요치 않아 본 발명의 전체 시스템의 크기가 현저히 작아 지게 되어 휴대용으로 제작이가능하다.
여섯째, 본 발명은 마이크로 칩(micro chip), 예컨대 랩온어칩(lab-on-a-chip) 상에 구현 가능하기 때문에 기존의 실리콘, 유리, 폴리머의 미세 가공 기술을 이용할 수 있다.
일곱째, 본 발명은 마이크로 칩(micro chip) 상에 구현이 가능하여 아주 미량 (mL ~ pL)의 생화학 유체를 사용할 수 있어 그만큼 PCR 반응에 걸리는 시간이 짧게 된다.

Claims (14)

  1. ① 유체를 가두어 둘 수 있는 공간으로서 온도가 이미 설정된 챔버(chamber);
    ② 상기 챔버의 입구(inlet)와 출구(outlet)에 위치하는 수동 밸브(passive valve) 또는 능동 밸브(active valve); 및,
    ③ 상기 챔버의 입구(inlet)와 출구(outlet)에 위치하며, 유체의 유입과 유출을 조절하기 위한 공기압 포트(pneumatic air pressure port)를 포함하는 구조를 반복단위로 하여 2개 이상이 서로 연결되어 이루어진 폐쇄 유체 회로 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 어떤 챔버의 출구 밸브(outlet valve)와 그 챔버에 인접한 챔버의 입구 밸브(inlet valve)는 공유 상태이고, 어떤 챔버의 출구 공기압 포트(neumatic outlet port)와 그 챔버에 인접한 챔버의 입구 공기압포트(pneumatic inlet port)는 공유 상태인 것을 특징으로 하는 폐쇄 유체 회로 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 수동(passive) 밸브는 입구 쪽보다 출구 쪽의 채널을 상대적으로 좁게 만들거나 그 채널의 표면을 소수성(hydrophobic)으로 처리함으로써 유체의 흐름을 방해하는 밸브인 것을 특징으로 하는 폐쇄 유체 회로 시스템.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항의 시스템에서,
    ① 어떤 챔버에 갇힌 유체를 그와 인접한 다른 챔버에 이동시키기 위하여, 어떤 챔버에 연결된 입구 공기압 포트에 공기압을 가하면서 인접한 챔버의 출구 공기압 포트를 개방(vent)하는 단계;
    ② 인접한 챔버로 이동시킨 유체를 일정시간 머무르게 하기 위하여, 인접한 챔버의 출구에 위치한 밸브를 이용하는 단계; 및,
    ③ 상기 ①, ② 단계를 순차적으로 반복하여 유체를 계속 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 주입된 유체를 회전 이동시키는 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 챔버내 이동시킬 유체를 주입하기 위하여, 유체의 주입 공간으로 미리 선택된 챔버의 입구 공기압 포트에 공기압을 가하면서 그 챔버의 출구 공기압 포트를 개방시키는 단계; 및 원하는 사이클(cycles)만큼 유체를 이동시킨 후 유체를 배출하기 위하여, 유체의 배출 공간으로 미리 선택된 챔버의 입구 공기압 포트에 공기압을 가하면서 그 챔버의 출구 공기압 포트를 개방시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항의 폐쇄 유체 회로 시스템으로서, 반복단위 3개가 서로 연결되어 있으며, 제 1 챔버는 DNA 변성(denaturation)을 위한 온도가 설정되어 있고, 제 2 챔버는 어닐링(annealing)을 위한 온도가 설정되어 있고, 제 3 챔버는 연장(extension)을 위한 온도가 설정되어 있어서, 샘플내 DNA의 양을 중합효소 연쇄반응(polymerase chain reaction)으로 증폭시키는 장치.
  7. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항의 폐쇄 유체 회로 시스템으로서, 반복단위 2개가 서로 연결되어 있으며, 제 1 챔버는 DNA 변성(denaturation)을 위한 온도가 설정되어 있고, 제 2 챔버는 어닐링(annealing)과 연장(extension)을 동시에 하기 위한 온도가 설정되어 있어서, 샘플내 DNA의 양을 중합효소 연쇄반응(polymerase chain reaction)으로 증폭시키는 장치.
  8. ① 유체를 가두기 위한 폐쇄된 마이크로채널로서, 온도가 다르게 설정된 2개 이상의 구간들로 나누어지는 마이크로채널(microchannel);
    ②　상기 마이크로채널 중 유체가 존재하지 않는 구간들을 채우는 자성 유체; 및,
    ③ 상기 자성 유체를 이동시키기 위한 회전 자석 또는 전자석을 포함하는 폐쇄 유체 회로 시스템.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 자성 유체는　자성 입자(ferromagnetic particle)가　기름에　섞여 있는　자성　유체(oil-based ferrofluids)인　것을 특징으로 하는 폐쇄 유체 회로 시스템.
  10. 제 8항 또는 제 9항의 폐쇄 유체 회로 시스템에서,
    ① 자성유체를 회전시키기 위하여, 마이크로채널 중앙에 배치한 회전자석을 회전시키거나 마이크로채널 주위에 배치된 전자석을 순차적으로 작동시키는 단계; 및
    ② 자성유체를 회전 이동시킴으로써 생화학 유체도 같이 따라서 온도가 다른 구간을 회전 이동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 주입된 유체를 회전 이동시키는 방법.
  11. 제 8항 또는 제 9항의 폐쇄 유체 회로 시스템으로서, 온도 설정 구간은 세 구간으로 구성되어 있으며, 각 구간의 온도는 DNA 변성(denaturation)을 위한 온도, 어닐링(annealing)을 위한 온도 및 연장(extension)을 위한 온도인 것을 특징으로 하는 샘플내 DNA의 양을 중합효소 연쇄반응(polymerase chain reaction)으로 증폭시키는 장치.
  12. 제 8항 또는 제 9항의 폐쇄 유체 회로 시스템으로서, 온도 설정 구간은 두 구간으로 구성되어 있으며, 각 구간의 온도는 DNA 변성(denaturation)을 위한 온도, 어닐링(annealing)과 연장(extension)을 동시에 하기 위한 온도인 것을 특징으로 하는 샘플내 DNA의 양을 중합효소 연쇄반응(polymerase chain reaction)으로 증폭시키는 장치.
  13. 기판 위에 형성된 제 6항, 제 7항, 제 11항 또는 제 1２항에 따른 PCR 증폭장치 및 이와 유동적으로 연결된 전기영동(electrophoresis) 수행부를 포함하는 랩온어칩(lab-on-a-chip).
  14. 제 13항에 있어서, 상기 기판은 유리, 석영, 실리콘, 플라스틱, 폴리머, 세라믹 또는 금속인 것을 특징으로 하는 랩온어칩.
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