KR20040004014A - 디스크를 이용한 PCR(Polymerase Chain Reaction) 디스크및 PCR 디스크 드라이버의 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디스크를 이용한 PCR 디스크 및 PCR 디스크 드라이버의 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 각종 진단 분석장치 혹은, 핵산 혼성 분석 장치 혹은 면역학적 검증 장치에 필요한 DNA 혹은 RNA를 증폭하기 위한 PCR 공정이 일괄 배치된 PCR 디스크 장치 및; 상기 PCR 디스크를 제어하기 위한 제어부를 구비하여 상기 PCR 디스크를 구동 제어하는 PCR 디스크 드라이버의 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명의 디스크를 이용한 PCR 디스크 및 PCR 디스크 드라이버의 장치 및 방법은 각종 진단 분석 장치, 핵산 혼성 분석 장치 및 면역학적 검증등을 필요한 DNA 및 RNA을 증폭하기 위한 자동화된 PCR 공정구성에 적합하다 특히 상기 PCR 디스크 드라이버 장치 및 방법은 상기 PCR 디스크의 구동뿐만 아니라 통상적인 CD-ROM 및 DVD 판독기등 광학 디스크 장치와 호환성이 있어 통상의 음악CD, CD-R 게임 CD, DVD등 과 같은 통상의 Optical Disc 의 .판독 및 재생 기능도 겸하고 있어 가격 경쟁 뿐만 아니라 사용상에 많은 편리성을 제공한다. 또한 상기 PCR 디스크 드라이버 장치는 컴퓨터에 연결되어 기존의 인터넷망을 이용하여 원격진단을 용이케 한다.

본 발명의 또 다른 측면은 상기 PCR 디스크 및 제어용 디스크가 한장의 디스크로 합친 구성을 갖는 일체형 PCR 디스크 장치 및 방법을 제공하는 하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 상기 PCR 디스크에 전기 영동(electrophoresis)용 디스크가 일체화된 디스크도 제공한다.

Description

디스크를 이용한 PCR(Polymerase Chain Reaction) 디스크 및 PCR 디스크 드라이버의 장치 및 방법 {Method and apparatus of PCR(Polymerase Chain Reaction) Disc and PCR- Driver using disc}

본 특허 출원은 디스크를 이용한 PCR 디스크 및 PCR 디스크 드라이버의 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 각종 진단 분석장치 혹은, 핵산 혼성 분석 장치 혹은 면역학적 검증 장치에 필요한 DNA 혹은 RNA를 증폭하기 위한 PCR 공정이 일괄 배치된 PCR 디스크 및; 상기 PCR 디스크를 제어하기 위한 제어부를 구비하여 상기 PCR 디스크를 구동 제어하는 PCR 디스크 드라이버의 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근까지 유체내 소량의 분석종 탐지를 위한 대부분의 임상 진단 분석 장치에는다중 샘플 준비 및 자동화된 시약 첨가용 장치를 설계하고 병렬 또는 직렬로 수많은 테스트 샘플을 분석하기 위한 장치를 설계함으로써 효율성 및 경제성이 개선되었다. 종종 이러한 자동화된 시약 준비장치 및 자동화된 다중 분석기가 단일 장치에 집적된다. 이러한 형태의 임상실험 분석기는 한 시간이내에 소량의 샘플과 시약을 가지고 수백가지 분석을 자동 또는 반자동으로 정확히 수행할 수 있다.

그러나, 이러한 분석기는 비싸며 중앙집중 실험실과 병원만이 이들을 구매할 수 있다.

따라서, 이러한 문제를 극복키 위해 저렴하고 누구나 손쉽게 다룰 수 있는 자동화된 소형 PCR 장치가 절실히 필요하다.

〈디스크 〉

12cm 폴리카보네이트 기판, 반사 금속층 및 보호 라커 코팅으로 부터 표준 컴팩트 디스크가 형성된다. CD와 CD-ROM의 포맷은 ISO 9660 공업표준에 의해 기술된다.

폴리카보네이트 기판은 광학품질의 투명한 폴리카보네이트이다. 표준 인쇄 또는 대량 복제된 CD에서 데이타층은 폴리카보네이트 기판의 일부이고 데이타는 사출성형공정동안 스탬퍼(stamper)에 의해 일련의 피트형태로 새겨진다. 이 사출성형 공정동안 용융된 폴리카보네이트가 몰드에 고압하에서 주입되고 이후에 냉각되어서 폴리카보네이트가 몰드 또는 "스탬퍼" 또는 "스탬프"의 거울상 형태를 가지며 디스크 기판상의 이진 데이타를 나타내는 피트가 생성되어서 마스터링(mastering) 공정동안 발생된 스탬퍼의 피트의 거울상으로서 폴리카보네이트 기판에 의해 유지된다.스탬핑 마스터는 대체로 유리이다.

상기 폴리카보네아트 기판은 PCR 디스크(PCR Disc)와 같은 유체내 소량의 물질을 진단 및 탐지하는 박막형태의 분석장치로 변형개조가 가능하며, 이 경우 사출 성형 공정동안 디스크 표면에 피트 대신, 유체가 흐를 수 있는 유로(channel) 및 버퍼(buffer) 용액을 저장할 수 있는 챔버(chamber)가 형성될 수 있다. 이러한 박막내에 형성된 유로의 유체의 흐름 및 유량을 원활히 제어할 수 있는 초소형 밸브와 이들을 제어하기 위한 전자 제어가 필요하다.

또한 본 발명은 실리콘 웨이퍼에 반도체 공정에 의해 유체가 흐를 수 있는 유로(channel) 및 버퍼(buffer) 용액을 저장할 수 있는 챔버(chamber)가 형성될 수 있으며. 이러한 박막내에 형성된 유로의 유체의 흐름 및 유량을 원활히 제어하기 위한 전자회로가 실리콘 웨이퍼상에 집적화된 PCR 디스크도 제공한다.

본 발명은 디스크를 이용한 PCR 디스크 및 PCR 디스크 드라이버의 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 각종 진단 분석장치 혹은, 핵산 혼성분석 장치 혹은 면역학적 검증 장치에 필요한 DNA 혹은 RNA를 증폭하기 위한 PCR 공정이 일괄 배치된 PCR 디스크 및; 상기 PCR 디스크를 제어하기 위한 제어부를 구비하여 상기 PCR 디스크를 구동 제어하는 PCR 디스크 드라이버의 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 공지된 기술로서 Optical Compact Disc을 사용한 분석장치로서 "Confocal compact scanningoptical microscopebased oncompact disctechnology"(1991, Vol.30, No,10, Applied Optics), "Gradient-index pobjectives for CD applications"(April, 1987, Vol26, Issue 7, Applied Optics)가 논문에 발표되어 있다.

또한 디스크상의 주입구에 주입된 샘플을 원심력을 이용하여, 디스크의 표면에 유체막을 형성시키기 위한 장치로서, 유럽 특허 " Disc for centrifuge"(GB1075800, publication date 1967.07.12) 와 디스크상의 주입구에 주입된 유체 샘플을 원심력을 이용하여 채널과 챔버로 이동시켜 가면서 샘플을 분리하는 장치로서 유럽특허" Separating Disks for centrifuge"(3,335,946, April 12,1965)가 특허 공개 되어 있다.

또한 disc상에서 원심력 과 광학적 측정에 의해 화학 분석하는 장치로서 미국 특허" disc centrifuge photosedimentometer"(4,311,039, Jan. 19,1982)가 특허 공개되어 있다.

그러나 이것은 PCR에 필요한 공정을 완전 자동화 할 수 없는 단점이 있어 자동화된 PCR 공정 구성에는 부적합하다.

본 발명의 디스크를 이용한 PCR 디스크 및 PCR 디스크 드라이버의 장치 및 방법은 각종 진단 분석 장치, 핵산 혼성 분석 장치 및 면역학적 검증등에 필수적인 DNA 혹은 RNA을 증폭키 위한 PCR 공정구성에 적합하다

본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출한 것으로, 피로부터 DNA 혹은 RNA을 증폭할수 있는 PCR 공정이 일괄 내장된 디스크를 이용한 PCR 디스크 및; PCR디스크 드라이버의 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 PCR 디스크를 제어하기 위한 제어용 디스크는 PCR 디스크 드라이버의 윗쪽(윗층)에 위치한다. 상기 제어용 디스크는 아래층에 설치된 PCR 디스크의 제어를 위한 각종 제어 신호를 공급하기 위한 제어부을 구비한다.

본 발명의 또 다른 측면은 상기 PCR 디스크 및 제어용 디스크가 한장의 디스크로 합친 구성을 갖는 일체형 PCR 디스크 장치 및 방법을 제공하는 하는 것을 목적으로 한다.

도 1a 및 도 1b는 PCR 디스크(100)속에 설치된 상기 원기둥 초소형 입자를 이용한 밸브 장치를 보인 PCR 디스크 단면도

도1c는 PCR 공정이 일괄 배치된 PCR 디스크 와 이를 제어하기 위한 제어용 디스크(200)의 일 실시예.

도 1d는 도체아암의 구조를 보인 일례의 단면도.

도 1e는 제어용 디스크(200)가 내장된 PCR 디스크 드라이버 장치의 일실시예.

도 2a는 일체형 PCR 디스크(700) 의 일실시예.

도 2b는 일체형 PCR 디스크(700)을 위한 PCR디스크 드라이버의 일실시예.

도 3a는 프렙공정과 PCR공정을 포함한 PCR 디스크의 일실시예를 나타낸다.

도 3b는 전기영동을 포함한 전기영동용 디스크의 일 실시예를 나타낸다.

도 3c는 상기 도3a의 주요 공정에 따른 챔버에 대한 PCR 디스크의 단면도

도 3d는 상기 프렙 공정, PCR공정에 필요한 히터와 자계 발생 장치에 대한 일실시예

도 3e는 저(low) 전류를 이용한, 강한 전자석을 구현키 위한 일실시예

도 4a 및 도4b는 PCR디스크 드라이버 장치의 외관에 대한 일 실시예이다.

도 4c는 현재 로딩(loading)된 디스크가 통상의 음악 CD, CD-R, 게임 CD, DVD등 의 Optical Disc인지, 아니면 PCR 디스크인지를 판단하기 위한 PCR 디스크 감지(PCR-Disc Detection) 방법의 일 실시예.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

100 : PCR 디스크 108,109 : 브러쉬

63 : 제어부 70a: 밸브

200 : 제어용디스크 4a : 전자석

188: 메모리

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대하여 살펴보면 다음과 같다.

본 발명의 PCR 디스크 상에 설치된 PCR 공정에 필요한 유체의 흐름 또는 유량을 제어하기 위한 밸브는 PCR 디스크의 상하측에 설치된 전자석에 의해 형성된 자력 힘으로 움직이는 초소형 구슬(micro bead)을 PCR 디스크 내부에 구비하여 유로를 개폐한다.

본 발명의 선호되는 실시예에서, 상기 초소형 구슬은 예를 들어 자석구(magnet ball), 강자성체 금속 입자, 상 자성체 입자, 반 자성체 입자, 금속구 등과 같은 물질을 포함한다. 또한 상기 초소형 구슬은 고체 금속이거나 플라스틱, 유리 구슬등으로 형성될 수 있으며 그 위에 금속 코팅이 이루어진다. 또한 금속구는 합금일 수도 있다. 또한 상기 초소형 구슬은 전하를 띨 수 있으며, 이때 전자석 대신 PCR 디스크의 상하면에 배치되는 전극판을 사용한다. 전극판에 가해진 전압의 방향에 따라 전하를 띤 구슬이 유공을 열거나 닫는다.상기 초소형 구슬의직경은 1um 내지 1mm 범위 내에 있고, 선호적으로 100um 내지 500㎛가 알맞다. 상기 구슬의 크기가 커지면 접촉면이 증가 하여 개폐에 대한 신뢰도가 증가하게 된다. 상기 전자석은 공심(air core) 혹은 비 자성체 코아(non-magnetic core)일 수 있다 권선의 직경은 0.01mm~0.1mm가 선호된다. 더욱 선호되는 초소형 구슬은 0.1mm∼0.5mm두께의 원기둥 형태의 초소형 자석입자 일수 있다. 이 원기둥 자석입자의 직경은 0.1mm~5mm가 선호된다.

도 1a 및 도 1b는 PCR 디스크(100)속에 설치된 상기 원기둥 초소형 입자를 이용한 밸브 장치를 보인 PCR 디스크 단면의 일례이다.

상기 PCR 디스크(100)는 윗 기질(1)과 중간 기질(2) 과 아래 기질(3)로 구성된다.

도 1a는 상기 원기둥 자석입자(70)에 의해 유공(10b)이 막혀 유로(22a,22c)가 차단된 경우를 나타내고, 도1b는 유공(10b)이 열려 유로(22a,22c)가 연결된 것을 나타낸다. 도 1a에서 와 같이 유공(10b)을 닫아 유로를 차단시키려면 상측 전자석(4a)에 전원을 차단하고 마주보는 하측 전자석(5a)에는 전원을 인가한다. 도 1b에서 와 같이 유공(10b)을 열어 상기 유로를 연결시키려면 상측 전자석(4a)에는 전원을 인가하고 마주보는 하측 전자석(5a)에는 전원을 차단시킨다. 또는 상기 원기둥 자석입자(70)에 대해 반발력 또는 흡입력을 유발하도록 상기 전자석(4a,5a)의 권선외 전류 방향을 제어하여 밸브를 개폐 제어할 수 있다.

본 발명의 상기 전자석(4a,5a)은 공심(air core)의 전자석이 선호되며, 상기초소형 구슬은 자석구(magnet ball) 혹은 원기둥모양의 초소형 자석입자가 선호된다.

또한, 본 발명은 유체이동을 위해 디스크에 좁은 유로(channel)(22a,22c)가 형성되어 있기 때문에, 유체가 압력을 받지 않고 원활히 유로를 흐를 수 있도록 배기구(12)가 윗기질(1)에 형성되어 있다.

또한 도 1b에서와 같이 유로 연결시, 상기 초소형 원기둥 자석입자(70)가 윗기질(1)에 밀착되도록 구속홈(101)이 나 있다. 이 구속홈(101)은 디스크의 흔들림에 의해 상기 자석입자(70)가 떨어져 나가 상기 열린 유공(10b)을 막는 것을 방지키 위함이다.

첨부 도면1c는 분석에 필요한 각종 버퍼 용액을 저장하고, 다양한 화학 공정을 수행하기 위한 챔버 (chamber)와 처리된 유체 및 버퍼 용액들을 이동시키기 위한 유로, 이들 유로의 개폐를 제어하기 위한 상기 밸브장치들이 포함된 PCR 공정이 일괄 배치된 PCR 리스크(100) 와 이를 제어하기 위한 제어용 디스크(200)의 일 실시예이다.

본 발명의 PCR 디스크(100)는 플라스틱, PMMA, 유리, 운모, 실리카, 실리콘 웨이퍼의 재료 등의 다양한 재료로부터 선택될 수 있다. 그러나, 플라스틱이 경제적 이유, 가공의 용이성 때문에 선호된다. 사용가능한 플라스틱으로는 폴리프로필렌, 폴리아크릴레이트, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 및 폴리카보네이트가 있다. 폴리프로필렌과 폴리카보네이트가 선호되며 폴리카보네이트가 가장 선호된다.

상기 PCR 디스크(100)는 윗 기질(1)과 중간 기질(2) 과 아래 기질(3)로 구성되며, 이들 각각은 사출 성형 공정동안 기질 표면에 유체가 흐를 수 있는 상기 유로(channel) 및 버퍼(buffer) 용액을 저장할 수 있는 챔버(chamber)와 상기 유로를 연결시키는 유공을 복수개 형성한다.

이들은 서로 밀착 부착되어 하나의 PCR 디스크(100) 몸체를 이룬다.

제어용 디스크(200)는 플라스틱, PMMA, 유리, 운모, 실리카, 실리콘, PCB(Print Circuit Board)의 재료 등의 다양한 재료로부터 선택될 수 있다.

그러나 본 발명에서는 PCB 재료와 실리콘 웨이퍼의 재료가 회로설계의 용이성때문에 선호된다.

상기 PCR 디스크(100)는 윗기질(1)과 중간기질(2)과 아래기질(3)이 적층에 의해 형성된다. 초소형 원기둥 자석입자(70a,70b)은 각각 전자석(4a와5a, 4b와5b)에 의해 형성된 자력에 의해 독립적으로 개폐제어 된다. 120은 샘플을 주입하기 위한 피펫 또는 주사위를 나타내고, 121은 샘플주입구 이고 170은 디스크 공극을 나타내고 171b은 제어용 디스크(200)와 상기 171a 와의 연결을 위한 인테페이스 부을 나타내며 PCR 디스크(100)에 제어신호를 공급키 위한 복수개의 제어신호 연결부(173b) 및 전원 공급을 위한 전원 연결부(31b)를 포함한다. 상기 연결부(173b,31b)의 표면은 도체 표면 혹은 도전체로 코팅된 연결홈(33)으로 구성된다.

도면 부호131는 피 또는 세포로부터 DNA샘플 또는 RNA로부터 R-T(Reverse Transcription:역 전사)에 의한 DNA샘플을 준비하기 위한 프렙(Preparation)공정을 포함하는 프렙챔버(Preparation chamber)이고, 132는 PCR(Polymerase ChainReaction)공정 위한 PCR챔버이다.

도면 부호130,140은 상시 프렙공정에 필요한 각종 효소(enzyme)들을 포함하는 버퍼용액을 포함하는 챔버이다

도면 부호 141 및 142는 상기 PCR공정에 필요한 폴리머라아제, 프라이머를 비롯한 각종 효소(enzyme)들을 포함하는 버퍼용액을 포함하는 챔버이다.

상기 각각의 공정(프렙공정 , PCR공정)의 시작시점과 종료 시점에서의 밸브의 개폐 제어는 상기 초소형 원기둥 자석입자의 상하측에 설치된 전자석들(4a와 5a, 4b와 5b)에 인가된 전원의 온(on)오프(off) 혹은 전류 방향 제어에 의해 이루어지고, 유체이동은 디스크의 회전력에 의한 원심력에 의한다.

또한 상기 제어용 디스크(200) 와 브러쉬(108,109)간 마찰접촉에 의해 제어용 디스크(200)상의 제어부(63) 및 무선 송신 혹은 송 수신 혹은 수신 장치(107)에 전원을 공급한다.

상기 브러쉬(108,109)가 마찰 접촉하기 위한 환형 전극판(223)은 상기 제어용 디스크(200))의 상판 또는 상하판에 설치될 수 있다. 또한 제어부(63)의 제어신호 및 전원은 제어용디스크(200)의 171a영역에 있는 상기 연결부(173a,31a)와의 회로의 패턴에 의해 도체아암(13)과 연결된다.

상기 제어용 디스크(200)로부터의 PCR 디스크(100)로의 전원 공급 및 제어신호 전달은 상기 PCR 디스크(100)상의 인터페이스 영역(171b)의 연결부(173b,31b)에 연결되는 복수개의 도체 아암(13)들에 의해 이루어 진다. 이들은 도체아암(13)과 연결홈(33) 형태로 결합되어 이루어 지며, 상기 PCR 디스크(100) 와 제어용디스크(200)간의 케넥터 역활을 한다. 상기 도체 아암(13)은 디스크의 회전 또는 동작 시작시, 제어용 디스크(200)와 PCR 디스크(100)간의 압착밀착에 의해 상기 연결홈(33)에 맞물려 동시 회전하게 되다.

상기 브러쉬(108,109)에 의해 공급된 전원은 제어용디스크(200)상에 있는 전원 연결부(31a) 와 상기 도체아암(13) 및 PCR 디스크(100)상의 전원 연결부(31b)을 통해 공급된다. 173a을 통해 공급되는 제어 신호는 복수개의 연결홈(173b)에 의해 연결된다.

또한 상기 도체 아암(13)에 연결된 PCR 디스크(100)상의 연결홈들(33)은 다시 회로 패턴과 연결되어 상기 PCR 디스크(100)의 각 부문에 필요한 각종 제어 신호 및 전원을 공급 한다.

도면 부호 188는 메모리로 PCR 공정을 위한 프로토롤, 분석 알고리즘, 판독을 위한 표준 제어값, 생물정보학(bioinformatics)정보에 관련된 정보를 포함한다. 또한 PCR 디스크 드라이버의 장치 드라이버 소프트 웨어 및 임상분석을 위한 환자교육정보를 포함할 수 있으며 개조될 수 있다. 또한 진단 결과에 따른 전문 의사 및 병원과 연결될수 있는 웹 사이트 와 각종 링크들을 포함할 수 있다. 또한 개인 암호화 정보가 저장될수 있어, 타인이 함부로 사용할수 없도록 할 수 있다.

상기 메모리(188)는 RAM 혹은 ROM이 선호된다. 상기 메모리(188) 정보는 상기 도체 아암(13) 과 비접촉 인터페이스(107)를 통해 PCR 디스크 드라이버내의 중앙제어장치에 제공되어 지며, 개인 암호화를 위해 활용되어진다.

도 1d는 상기 도체아암(13)의 구조를 보인 일례의 단면도 이다.

디스크의 회전 동안, 제어용 디스크(200)와 PCR 디스크(100)간의 압착 밀착시, 상기 도체 아암(13)이 상기 연결홈(33)에 원활이 삽입결합될 수 있도록 상기 제어용 디스크(200)의 인터페이스부(171a)에 고정 연결되어 있는 도체아암(13)의 한쪽 말단부에 용수철(13c)이 연결되어 있다. 도면부호 13a 과 13b는 도체 아암을 구성하고, 13b의 끝부분이 상기 연결홈(33)에 삽입결합된다. 스프링(13c)와 도체 아암(13a,13b)는 13d에 의해 상호 연결되어 도체 아암이 탄성을 갖도록 한다.

도 1e는 상기 PCR 디스크(100)을 제어 구동키 위한 상기 제어용 디스크(200)가 내장된 PCR 디스크 드라이버 장치의 일실시예이다.

회전하고 있는 상기 제어용 디스크(200)상의 제어부(63)에 전원공급을 공급하기 위한 브러쉬(109,108); 이것에 전원을 공급하기 위한 전원장치(110); 300는 PCR 디스크 드라이버를 지지하고 있는 몸체이다. PCR 디스크 드라이브 밑면에는 회로기판(145)이 상기 PCR 디스크 드라이브 몸체(300)에 이음 체결되어있고, 회로 기판위에 PCR디스크 드라이버를 제어하기 위한 중앙제어 장치(101) 및 저장장치(111)가 상기 회로 기판(145)위에 설계되여 있다. 상기 중앙제어 장치(101)는 상기 디스크(100,200)의 회전 혹은 정지시 모터(102)를 회전 정지 시킨다.

또한 상기 중앙제어장치(101)는 PCR 공정 제어에 필요한 각종 제어 명령신호를 상기 제어용 디스크(200)에 위치한 비접촉 인터페이스(106,107)를 통해 보낸다.

상기 제어 명령을 전달 받은 제어용 디스크(200)는 상기 도체아암(13)을 통해 PCR 디스크(100)를 제어 하기 위한 각종 제어 신호를 공급한다.

또한 상기 제어부(63)는 PCR디스크의 공정 진행상황을 상기 비접촉 인터페이스(106,107)인 적외선 인터페이스 혹은 광 인터페이스(optical interface) 혹은 무선 인터페이스을 통해 외부의 중앙 제어 장치(101) 혹은 저장장치(111)로 보낸다.

106과 107은 각각 비 접촉 인터페이스를 위한 수신부 혹은 송신부 혹은 송수신부이다. 또한 상기 중앙제어 장치(101)는 상기 비 접촉 인터페이스를 통해 상기 제어용 디스크(200)에 제어 명령을 상기 제어부(63)에 전달할 수 있다.

상기 비 접촉 인터페이스(106,107)는 적외선 인터페이스인 경우 적외선 센서에 의해 이루어 지며, 광 인터페이스 인 경우는 포토(photo) 센서에 의해 이루어 진다. 또한 무선 인터페이스는 스트립라인 안테나와 이들 위한 변복조 장치에 의해 이루어 진다.

도면 부호 188는 메모리로 PCR 공정을 위한 프로토콜, 분석 알고리즘, 판독을 위한 표준 제어값, 생물정보학(bioinformatics)정보에 관련된 정보를 포함한다. 또한 장치 드라이버 소프트 제어 및 임상분석을 위한 환자교육정보를 포함할 수 있으며 개조될 수 있다. 또한 진단 결과에 따른 전문 의사 및 병원과 연결될수 있는 웹 사이트 와 각종 링크들을 포함할 수 있다. 또한 개인 암호화 정보가 저장될수 있어, 타인이 함부로 사용할 수 없도록 할 수 있다.

상기 메모리(188)는 RAM 혹은 ROM이 선호된다. 상기 메모리(188) 정보는 상기 도체 아암(13) 과 비접촉 인터페이스를 통해 상기 중앙제어장치(101)에 제공되어 지며, 개인 암호화를 위해 활용되어진다.

체결부 105a 및 105b에 의해 상기 제어용 디스크(200) 와 PCR디스크(100)가 PCR 디스크 드라이버에 안착된다.

103은 PCR공정의 최종 결과를 측정하기 위한 측정장치이다.

도 2a 내지 도 2b는 .상기 제어용 디스크(200) 와 PCR 디스크(100)가 합쳐져 한 개의 일체형 PCR 디스크(700)로 구성된 경우를 나타낸다.

이 경우 상기 일체형 PCR 디스크(700)는 실리콘 웨이퍼 재료가 선호된다.

실리콘 웨이퍼 재료는 상기 제어부(63), 메모리(188), 비접촉 인터페이스(107), 상기 밸브 제어를 위한 전극판 혹은 전자석 및 각종 회로 패턴을 포함한 전자회로를 실리콘 웨이퍼상에 monolithic 형태의 집적 회로(Integrated Circuit) 설계가 구성이 용이할 뿐만 아니라, 상기 챔버 및 채널 형성도 photolithography 및 에칭공정에 의해 용이하게 구현 가능하다.

이들 반도체 공정에 의한 웨이퍼상의 집적 회로(integrated circuit) 설계 및 photolithography 및 제반 에칭 공정은 당해 업자의 공지 기술이다.

상기 일체형 PCR 디스크(700)는 윗기질(4)과 중간기질(5)과 아래기질(6)의 형성 및; 상기 photolithography 및 제반 에칭공정에 의해 유체가 흐를 수 있는 상기 유로(channel) 및 버퍼(buffer) 용액을 저장할 수 있는 챔버(130,131,132,140,141,142)와 상기 유로를 연결시키는 유공이 형성된다. 전원공급을 공급하기 위한 브러쉬(109,108)와 상기 브러쉬(108,109)가 마찰 접촉하기 위한 환형 전극판(223)이 일체형 PCR디스크 밑면(700a)에 설치되어 있다. 170은 디스크 공극이다. 171a은 인터페이스 부로, 700a의 제어부(63)가 700b상의 밸브 및 전자 회로에 제어신호를 공급키 위한 복수개의 제어신호 연결부(173a)와 전원 공급을 위한 전원 연결부(31a)를 포함한다. 상기 실시예에서 연결부(173a,173b 및31a,31b)의 연결은 인터페이스부(171a)에서의 via 혹은 through hole에 의해 연결되었으나, 상기 인터페이스부(171a)에 국한할 필요 없이 디스크상의 필요한 위치에서 via나 through hole에 의해 연결될 수 있다. Via나 through hole설계는 당해 업자의 공지기술이다.

또한 상기 메모리(188)는 UV(Ultra Violet) erasable ROM을 사용한 경우에 자외선(UV)에 의해 ROM의 내용을 지울수 있는 개구부를 가질수 있다.

도 2b에는 상기 일체형 PCR 디스크(700)를 제어구동키 위한 PCR 디스크드라이버 장치의 일실시예가 나타나 있다. 상기 제어부(63)는 공정진행상황을 비접촉 인터페이스(106,107)인 적외선 인터페이스 혹은 광 인터페이스(optical interface) 혹은 무선 인터페이스을 통해 외부의 중앙 제어 장치(101) 혹은 저장장치(111)로 보내진다. 106과 107은 각각 비 접촉 인터페이스를 위한 수신부 혹은 송신부 혹은 송수신부이다. 또한 상기 중앙제어 장치(101)는 상기 비 접촉 인터페이스를 통해 상기 일체형 PCR 디스크(700)에 제어 명령을 상기 제어부(63)에 전달할 수 있다.

상기 비 접촉 인터페이스(106,107)는 적외선 인터페이스인 경우 적외선 센서에 의해 이루어 지며, 광인터페이스 인 경우는 포토(photo) 센서에 의해 이루어 진다. 또한 무선 인터페이스는 스트립 라인 안테나와 변복조 장치에 의해 이루어 진다.

회전하고 있는 상기 일체형 PCR 디스크(700) 상의 제어부(63)에 전원공급을 공급하기 위한 브러쉬(109,108) 와 상기 브러쉬(109,108)에 전원을 공급하기 위한 전원장치(110). 300는 PCR 디스크 드라이버를 지지하고 있는 몸체이다. PCR 디스크드라이브 밑면에는 회로기판(145)이 상기 드라이브 몸체(300)에 이음 체결되어있고, 회로 기판위에 PCR 디스크 드라이버를 제어하기 위한 중앙제어 장치(101) 및 저장장치(111)가 상기 회로 기판(145)위에 설계되여 있다. 상기 중앙제어 장치(101)는 상기 일체형 PCR 디스크(700) 회전 혹은 정지시 모터(102)를 회전 정지 시킬뿐만 아니라, PCR 결과를 측정키 위한 측정장치(103)을 제어한다.

또한 상기 중앙제어장치(101)는 PCR 공정 제어에 필요한 각종 제어 명령신호를 상기 일체형 PCR 디스크(700)에 위치한 비접촉 인터페이스(106,107)를 통해 보낸다.

도면 부호 188는 메모리로 PCR공정을 위한 프로토콜, 분석 알고리즘, 판독을 위한 표준 제어값, 생물정보학(bioinformatics)정보에 관련된 정보를 포함한다. 또한 장치 드라이버 소프트 웨어 및 임상분석을 위한 환자교육정보를 포함할 수 있으며 개조될 수 있다. 또한 진단 결과에 따른 전문 의사 및 병원과 연결될수 있는 웹 사이트 와 각종 링크들을 포함할 수 있다. 또한 개인 암호화 정보가 저장될수 있어, 타인이 함부로 사용할 수 없도록 할 수 있다.

상기 메모리(188)는 RAM 혹은 ROM이 선호된다. 상기 메모리(188) 정보는 상기 비접촉 인터페이스(106,107)를 통해 상기 중앙제어장치(101)에 제공되어 지며, 개인 암호화를 위해 활용되어진다.

체결부 105a 및 105b에 의해 상기 일체형 PCR디스크(700)가 PCR디스크 드라이버에 안착된다.

도 3a는 프렙공정과 PCR공정을 포함한 PCR 디스크의 일실시예를 나타낸다.

도면 부호 170은 디스크의 공극이고, 171b은 상기 제어용디스크(200)와의 연결을 위한 인터페이스부를 제공한다.

도면 부호131는 피 또는 세포 또는 RNA로부터 DNA샘플을 준비하기 위한 프렙(Preparation)공정을 포함하는 프렙챔버(Preparation chamber)이고, 132는 PCR(Polymer Chain Reaction)공정 위한 PCR챔버로 PCR 공정에 필요한 폴리머라아제, 프라이머를 비롯한 각종 효소(enzyme)들을 포함하는 버퍼용액을 저장하고 있는 챔버이고, 88a는 PCR product를 출력 챔버(out chamber)이다.

도 3a는 상기 PCR챔버를 복수개로 구성한 경우에 대한 일 실시예이다.

상기 복수개의 PCR챔버(131a) 각각에는 서로 다른 종류의 프라이머가 들어가든지, 같은 종류의 프라이머가 들어 갈수 있다. 또는 상기 복수개의 PCR챔버 각각에는 복수개의 프라이머가 들어 갈수 있다.

상기 복수개의 PCR챔버들로부터 각각 증폭된 DNA는 챔버88a에서 합쳐진다.

도면 부호 130는 washing buffer가 들어 있는 챔버 이고, 140는 증류수가 들어있는 챔버이다. 144a는 Ladder Marker을 저장하기 위한 챔버 이고, 141a는 Positive 혹은 Negative Control이 들어 있는 챔버이다. 이들 각각에 대한 출력 챔버(88b,88c)가 있다.

142a 및 143a는 stain등, 전기영동에 필요한 각종 용액를 포함하는 챔버들이다. 이들 각각에 대한 출력 챔버(88d,88e)가 있다.

도면 부호 150,151,152,153,154a,155a,156a,157a는 밸브이다.

상기 프렙 챔버(131)에는 전자석(177) 와 히터가 내장되어 있다.

상기 출력 챔버(88a)에는 피펫 혹은 주사위에 의한 PCR Product 채취하여 수동조작에 의한 기존의 전기영동(electrophoresis)이 가능토록 하는 출입구(outlet)가 있을 수 있다..

상기 전기영동은 당해 업자의 공지 기술이다.

도 3b는 전기영동을 포함한 전기영동용 디스크의 일 실시예를 나타낸다.

상기 전기 영동(Electrophoresis)용 디스크는 상기 PCR 디스크와 합쳐져 자동화된 전기영동이 가능한 PCR 디스크 장치를 제공한다.

상기 전기 영동(Electrophoresis)용 디스크는 상기 PCR 디스크의 밑면에 위치한다.

상기 전기 영동(Electrophoresis)용 디스크에는 전압을 아가로스 겔(agarosdegel) 및/또는 아크릴아마이드 겔(polyacrylamide gel)로 구성된 겔 판(Gel plate)(555c)에 인가하기 위한 전극(555a,555b)이 구비되어 있다..

상기 PCR product, ladder marker, positive/negative 컨트롤 및 stain의 출력챔버(88a,88b,88c,88d,88e)들은 전기 영동(Electrophoresis) 디스크의 입력챔버(99a,99b,99c,99d,99e)들과 일대일 연결되어, 상기 밸브 (152a,157a,154a,155a,156a) 개방시 상기 출력 챔버의 내용물들이 .전기영동용 디스크의 입력챔버로 유입되고 상기 전극.(555a,555b)에 전압이 인가되어 전기영동이 진행된다.

일정시간이 지나 전기영동을 멈추기 위해 상기 인가된 전압이 제거된다.

상기 전압제어 및 밸브제어는 상기 제어부(63)에 의한다.

상기 제어용 디스크(200)는 상기 PCR 디스크와 전기영동용 디스크간의 연결은 인터페이스부(171b,171c)에 의한다.

또한 상기 전기 영동용 디스크를 구비한 PCR 디스크 드라이버 장치는 UV(Ultra Violet) 장치와 카메라을 포함하는 광학 측정장치(103)를 구비하여 상기 겔 판(555c)에 생성된 밴드를 측정 저장, 전송하는 것이 가능할뿐만 아니라 컴퓨터 모니터에 표시(display)해주는 것이 가능하다.

도면 3c는 상기 도3a의 주요 공정에 따른 챔버에 대한 PCR 디스크의 단면도이다.

상기의 주요 공정의 밸브를 위한 초소형 원기둥 자석입자(150,151,153,156)은 각각 전자석(4a와5a, 4b와5b, 4c와 5c)에 의해 형성된 자력에 의해 독립적으로 개폐제어 된다. 121은 샘플주입구 이다.

도면 부호131는 피 또는 세포 또는 RNA로부터 DNA샘플을 준비하기 위한 프렙(Preparation)공정을 포함하는 프렙챔버(Preparation chamber)이다. 이 프렙챔버에는 DNA추출을 위해 DNA와 친화력(affinity)을 갖는 강자성체 비드(bead) 와 셀(cell)을 깨뜨리기 위한 Lysis 버퍼 용액이 들어 있다.

132는 PCR(Polymer Chain Reaction)공정 위한 PCR챔버로 PCR 공정에 필요한 폴리머라아제, dNTP를 비롯한 프라이머(Primer)등 각종 효소(enzyme)들을 포함하는 버퍼용액을 저장하고 있는 챔버이고, 88a는 PCR Product를 저장하기 챔버이다.

도 3a내지 3c를 참조하여, 상기 PCR 디스크에 대한 주요 공정의 일 실시예는 다음과 같다.

〈프렙 공정〉

상기 프렙 챔버(131)에는 샘플로부터 DNA을 추출하기 위한 챔버로 프렙 공정의 일실시예는 다음과 같다.

1) blood 10 ㎕(EDTA,ACD Tube) 혹은 5 ㎕(Heparin Tube)을 상기 프렙 챔버(131)에 설치된 샘플 주입구(121)를 통해 주입한다. 상기 프렙 챔버(131)에는 셀(cell)을 깨뜨려 DNA을 추출하기 위한 Lysis 버퍼용액과 추출된 DNA와 친화력(affinity)을 갖는 강자성체 비드(bead)가 들어 있다

2) 5분간 incubation한후, DNA는 cell로부터 추출되어 DNA와 친화력을 갖는 상기 강자성체 비드에 칩착된다.

3) 상기 도 3a 및 3b의 전자석(177)을 온(on)하여 상기 강자성체 비드을 정치 시킨 후, 1∼3 분간 대기

4) 서서히 PCR 디스크를 회전시키면서 밸브 161 개방하여 셀(cell) 파괴시 생긴 찌거기(debris)를 .트레쉬 챔버(135)로 씻어 흘려 보낸다.

밸브161을 닫고 PCR 디스크 회전을 멈춘다.

5) 상기 전자석177을 오프(off) 시킨다.

6) 밸브 150을 개방하고 서서히 PCR 디스크를 회전시키면서 .상기 챔버130의 washing buffer을 상기 프렙챔버(131)에 유입시킨다.

7) 상기 3)∼6) 과정을 2회 반복한후, 마지막으로

서서히 PCR 디스크를 회전시키면서 밸브 161 개방하여 .트레쉬 챔버(135)로 씻어 흘려 보낸다. 밸브161을 닫고 PCR 디스크 회전을 멈춘다.

8) 상기 전자석177을 오프(off) 시킨후, PCR 디스크 천천히 회전시키면서 밸브 151을 개방하여 챔버 140의 증류수를 프렙챔버(131)으로 유입시킨다.

9) 프렙 챔버(131)내에 내장되어 있는 히터(960)를 이용하여 고온 가열하여 상기 강자성체 비드(bead)에 붙어 있는 DNA을 이탈시키든지 resuspension buffer을 사용하여 resuspension시킨다.

〈 PCR 공정〉

상기 PCR 챔버(132)는 DNA을 증폭하기 위한 챔버로 일실시예는 다음과 같다.

1) PCR 디스크를 서서히 회전시키면서, 밸브 152을 열어 상기 프렙공정에 의해 프렙 챔버(131)내의 강 자성체 비드로부터 이탈된 DNA을 상기 PCR 챔버(132)로 이동시키다.

2) 상기 PCR 챔버로의 DNA 이동 완료후, 밸브 152을 닫은후, PCR디스크를 멈춘다.

3) PCR 챔버(132)내에 내장되어 있는 히터961과 온도센서(520)을 이용하여 PCR cycle을 약 30회 반복하여 DNA을 증폭시킨다.

4) 1∼2분간 Cooling한다.

이후 상기 복수개의 PCR챔버(132)에서 증폭된 DNA을 디스크를 천천히 회전시키면서 밸브153을 개방하여 챔버 88a로 이동시킨다.

도3d는 상기 프렙 공정, PCR공정에 필요한 히터와 자계 발생 장치에 대한 일실시예 이다. 도면부호 960,961는 전극 패턴 혹은 코일 권선으로 구성된 히터이다. 선호되는 코일권선은 공심 코아의 원형 권선이다.

전극 패턴 960은 단독으로는 히터로서 작동하지만 자계를 발생시키는 상기의 전자석(177) 구실도 한다.

상기 온도 제어 및 자계제어는 상기 제어부(63)에 의해 제어된다. 입력 단자(961a,961b)에 큰 전압을 가하여 전극패턴(960,961)에 큰 전류가 흐르도록 함으로서 상기 전극 패턴(962)이 저항선 혹은 열선으로 작용토록 한다.

상기 제어부(63)는 상기 전극 패턴(960,961)의 입력 단자(961a,961b)에 전압를 공급하고 온도센서(520)에 의해 현재 전극패턴(960,961)에 의해 발생된 온도을 측정하여 전류량을 제어함으로써 온도조절을 한다. 또한 상기 전극 패턴(960)은 저(low) 전류를 흘리므로서 전자석 역할을 한다.

도 3e는 상기 전극 패턴(960)에 저(low) 전류를 사용함에도 불구하고, 강한 전자석을 구현키 위한 일실시예를 나타낸다. 이는 상기 프렙공정(3)에서 강자성체 비드를 정치 시키는데 강력한 자력이 요구되기 때문에 중요하다.

도면 부호 970은 강자성체로 이루어진 자석으로, 상기 전극패턴(960)에 의한 약한 자력에 의해서도 상기 프렙 챔버(131)에 강력히 달라 붙어, 프렙 챔버에 강한 자력을 발생시킨다. 또한 상기 전극패턴(960)을 오프시키거나 일시적 반발력에 해당하는 자력을 발생시킨후 오프하면, 상기 자석(970)은 프렙챔버로부터 이탈된다. 따라서 프렙 챔버에는 어떤 자력도 존재치 않는다.

상기 실시 예에서의 온도센서(520)는 정밀한 온도 제어가 필요한 PCR 공정에만 사용하였으나, 온도 감지가 필요한 공정에 모두 사용할 수도 있다.

PCR 디스크가 PCR 디스크 드라이브에 로딩이 되면 자동으로 분석을 시작한다.

그러나 샘플 주입구에 샘플이 주입 안된 채, 로딩된 경우는 다시 eject 및/ 또는 경고 메시지를 사용자에게 보낸다.

상기 샘플 주입여부는 상기 프렙챔버(131)내에 임피던스 측정장치를 더 구비함으로 서 가능하다. 즉 샘플 주입이 된 경우와 안된 경우는 임피던스 특성이 서로 다르므로, 샘플 주입여부를 알 수 있다.

도 3e는 이것에 대한 일실시예로 인터디지테이티드 어레이에 의한 임피던스변화에 의해 샘플 주입여부를 판단한다.

인터디지테이티드 어레이(interdigitated array) 전극(702,703)에 의해 구현된 임피던스 측정장치의 일실시예를 보인다. 인터디지테이티드 어레이(interdigitated array) 전극(702,703)의 디지트(digit) 개수를 증가시킬수록 탐지기의 감도는 증가한다.

전자제어장치(63)으로부터 어떤 대역폭을 갖는 교류신호를 인터디지테이티드 어레이의 두 단자(704,705)에 가하여, 주파수 응답 특성을 측정하므로서 임피던스 측정이 가능하다. 또는 단순히 저항을 측정해도 가능하다.

만약 PCR 디스크에 의한 샘플의 진단 혹은 분석 중, 사용자에 의한 PCR 디스크 드라이버로부터 PCR 디스크의 eject(un-loading) 혹은 stop요구시, PCR 디스크 드라이버는 무시한 채 분석 및 진단을 계속 진행한다. 이때 경고 메시지(warning message)를 사용자에게 알려주든가 패스워드를 요구한다.

패스워드가 맞는 경우 사용자의 eject(un-loading) 혹은 stop요구를 받아 들인다.

진단 및 분석 완료시에는 사용자의 eject 요구를 받아들여 PCR 디스크 드라이버로부터 PCR 디스크를 빼낼 수 있도록 한다.

또한 상기 메모리(188)에는 몇 번 사용했던 디스크 인지에 대한 정보 및 유효기간 정보 및 진단하고자 하는 질병 종류가 저장되어 있다.

즉 1회용 PCR 디스크를 사용 중, 혹은 완료시 eject 했을 때, 상기 메모리(188)에 그것에 대한 이력(history)을 기록 하여, 추후 재 로딩(loading)하였을 때 사용 가능성 여부를 사용자에게 알려 준다.

또한 유효기간이 지난 PCR 디스크에 대해서도 증폭 불가용 PCR 디스크임을 사용자에게 알려 준다.

도 4a 및 4b는 PCR 디스크 드라이버 장치의 외관에 대한 일실시예로, 751은 상기 PCR디스크 드라이버 장치의 케이스이고, 750은 상기 PCR 디스크(100,700)를 로딩하기 위한 트레이(tray)이다. 또한 본 발명의 PCR 디스크드라이버 장치는 통상의 Optical 디스크 재생을 위한 재생 및 탐색버튼(745), 정지버튼(746)을 갖는다.

도4a는 발광다이오드를 사용하여 PCR 디스크 드라이버 장치의 진행상태를 표시해주는 일 실시예를 나타낸다. PCR 디스크 감지 수단을 통해 PCR디스크인지 판별하여, 현재 로딩된 된 디스크가 PCR 디스크임을 표시하는 PCR 디스크 발광 다이오드(741), 현재의 분석 경과를 표시해주는 경과표시 발광 다이오드(742)를 구비한다. 도면부호 751은 통상의 Optical 디스크가 로딩되었음을 표시하기 위한 발광 다이오드 이다.

따라서 본 발명의 PCR 디스크 드라이버장치는 상기 PCR 디스크 구동뿐만아니라 통상적인 CD-ROM 및 DVD 판독기등 광학 디스크 장치와 호환성이 있어 통상의 음악CD, CD-R, 게임 CD, DVD등 과 같은 통상의 Optical Disc의 판독 및 재생 기능도 겸하고 있어 가격 경쟁 뿐만 아니라 사용상에 많은 편리성을 제공한다. 또한 상기 PCR,디스크 드라이버 장치는 컴퓨터에 연결되어 기존의 인터넷 망을 이용하여 원격진단을 용이케 한다.

도4b는 액정표시 장치를 사용하여 PCR디스크 드라이버 장치의 진행상태를 표시해주는 일 실시예를 나타낸다.

상기 주요공정(프렙 공정, PCR 공정) 에 따른 진행률을 퍼센트(%) 혹은 막대 그라프(bar graph)형식으로 표시해 줄 수 있다.

또는 컴퓨터 모니터를 사용하여 PCR 디스크 드라이버 장치의 진행상태를 표시해줄수 있다. 상기 주요공정(프렙 공정, PCR 공정, 전기영동 과정) 에 따른 진행률을 퍼센트(%) 혹은 막대 그라프(bar graph), 파이 그라프(pie graph) 형식으로 표시해 줄 수 있다. 또한 측정 장치(103)에 의한 PCR측정결과결과를 모니터에 표시해 줄 수 있다.

도 4c는 현재 로딩(loading)된 디스크가 통상의 음악 CD, CD-R, 게임 CD, DVD등 의 Optical Disc인지, 아니면 PCR 디스크인지를 상기 제어부(63)가 판단하기 위한 PCR 디스크 감지(Bio-Disc Detection) 방법의 일 실시예이다.

상기 도체아암(13) 과 연결홈(33)을 사용하여 PCR디스크상에 배치된 저항 R1과 R2에 의해 생성된 일정 전압 또는 분압 전압(Bio-disc detection signal이라 칭함)을 상기 제어용 디스크(200)의 제어부(63)가 측정함으로써 이루어진다. 통상의 Optical 디스크에는 상기 저항R1과 R2가 배치되어 있지 않으므로 상기의 일정 전압이 발생치 않는다. 이후 상기 제어부(63)는 비접촉 인터페이스(106,107)를 통해 외부의 중앙 제어 장치(101)에 PCR-disc detection signal을 무선송신토록 함으로서, 현재 로딩된 디스크가 PCR 디스크임을 상기 중앙제어장치(101)에 통보해줄 수 있다.

통상의 Optical Disc인 경우는 통상의 방식대로 동작하고, PCR 디스크인 경우 상기 제어부(63)은 PCR공정을 위한 각종 제어신호를 PCR 디스크(100)에 보낸다.

본 발명은 구체예와 실시예로 본 발명을 설명하고 있으나 이에 본 발명을 국한시키고자 함은 아니다. 또한, 여기에서 설명을 하는 것에 추가하여 다양한 변형 및 변화가 가능함을 당해 업자는 인지할 것이다. 이와 같은 변형 또한 첨부된 특허청구범위의 범위에 속한다.

이상에서 본 바와 같이 본 발명은 디스크를 이용한 PCR 디스크 및 PCR 디스크 드라이버의 장치 및 방법에 관한 것으로, 각종 진단 분석장치 혹은, 핵산 혼성 분석 장치 혹은 면역학적 검증 장치등에 필요한 DNA 및 RNA을 증폭하기 위한 PCR공정이 일괄 배치된 PCR 디스크 및; 상기 PCR를 제어하기 위한 제어부를 구비하여 상기 PCR 디스크를 구동 제어하는 PCR디스크 드라이버의 장치 및 방법을 제공한다.

특히 상기 PCR 디스크 드라이버 장치 및 방법은 상기 PCR 디스크 구동 뿐만 아니라 통상적인 CD-ROM 및 DVD 판독기등 광학 디스크 장치와 호환성이 있어 통상의 음악CD, CD-R, 게임 CD, DVD등 과 같은 통상의 Optical Disc의 .판독 및 재생 기능도 겸하고 있어 가격 경쟁 뿐만 아니라 사용상에 많은 편리성을 제공한다. 또한 상기 PCR 디스크 드라이버 장치는 컴퓨터에 연결되어 기존의 인터넷 망을 이용하여 원격진단을 용이케 한다.

또한 본 발명은 상기 PCR 디스크 및 제어용 디스크가 한 장의 디스크로 합친 구성을 갖는 일체형 PCR 디스크 장치 및 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 상기 PCR 디스크와 전기 영동(electrophoresis)용 디스크가 결합된 디스크도 제공한다.

Claims (46)

1. 기질 표면에 유체가 흐를 수 있는 유로(channel) 및 버퍼(buffer) 용액을 저장할 수 있는 챔버(chamber) 와 상기 유로를 연결시키는 유공을 포함하는 고체 기질 및;

   상기 유공을 개폐시키기 위한 초소형 자석 입자와 전자석에 의해 구성된 밸브를 구비한 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 장치.
2. 기질 표면에 유체가 흐를 수 있는 유로(channel) 및 버퍼(buffer) 용액을 저장할 수 있는 챔버(chamber) 와 상기 유로를 연결시키는 유공을 포함하는 고체 기질 및;

   상기 유공을 개폐시키기 위한 밸브로 구성된 PCR 디스크(100);

   상기 PCR 디스크에 필요한 전원 혹은 제어 신호를 공급키 위한 제어부을 구비한 제어용 디스크;

   상기 PCR 디스크 와 제어용 디스크간을 연결키 위한 인터페이스부를 구비한 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 챔버는 피 또는 세포 또는 RNA로부터 DNA샘플을 준비하기 위한 프렙(Preparation)공정을 포함하는 프렙챔버(Preparation chamber) 및/또는;

   PCR(Polymer Chain Reaction)공정 위한 적어도 한 개 이상의 PCR챔버로 구성된 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 장치.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 밸브는 초소형 원기둥 자석(magnet ball) 및; 공심(air core) 혹은 비 자성체 코어(non-magnetic core)에 의한 전자석에 의해 구성된 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 장치.
5. 제 2항에 있어서, 상기 인터페이스부는 도전체로 코팅된 연결홈에 의한 제어신호를 공급키 위한 복수개의 제어신호 연결부 및/또는 전원 공급을 위한 전원 연결부를 구비하여 도체아암에 의해 연결 되는 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 장치.
6. 제 2항에 있어서, 상기 제어용 디스크로의 전원 공급은 외부전원장치와 연결된 브러쉬와 상기 제어용 디스크상의 환형 전극판간의 마찰 접촉에 의해 이루어 지는 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 장치.
7. 제 2항에 있어서, 상기 제어용 디스크는 PCB(Printed Circuit Board) 혹은 실리콘 웨이퍼상에 집적된 회로에 의해 구성된 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 장치.
8. 제 2항에 있어서, 상기 유체 이동은 상기 제어용 디스크에 기계적으로 맞물려 동시 회전하는 PCR 디스크에 유도된 원심력과 상기 밸브개폐에 의한 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 장치.
9. 제 2항에 있어서, 상기 PCR 디스크는 비접촉 인터페이스를 더 구비하여, 상기 PCR디스크의 공정진행상황을 상기 비접촉 인터페이스인 적외선 인터페이스 혹은 광 인터페이스(optical interface) 혹은 무선 인터페이스을 통해 외부의 중앙 제어 장치 혹은 저장장치로 보내는 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 장치.
10. 제2항에 있어서, 상기 PCR 디스크는 PCR 디스크의 프로토콜, 분석 알고리즘, 판독을 위한 표준 제어값, 생물정보학정보, 혹은 장치 드라이버 소프트 웨어 및 임상분석을 위한 환자교육정보, 진단 결과에 따른 전문 의사 및 병원과 원격으로 연결될 수 있는 웹 사이트 와 각종 링크 혹은 개인 암호화 정보가 저장하기 위한 메모리를 더 구비한 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 장치.
11. 제 2항 혹은 5항 내지 제10항 중 어느 한 항을 따르는 상기 제어용 디스크 와 PCR 디스크는 합쳐져 한 개의 일체형 PCR 디스크로 구성된 특징으로 하는 PCR 디스크 장치.
12. 제 11항에 있어서, 상기 일체형 PCR 디스크는 실리콘 웨이퍼 재료을 사용하여 상기 제어부, 메모리, 비접촉 인터페이스, 상기 밸브 제어를 위한 전극판 혹은전자석 및 각종 회로 패턴을 포함한 전자회로 및 상기 챔버 및 채널 을 실리콘 웨이퍼상에 photolithography 및 에칭공정에 의해 monolithic 형태의 집적 회로(Integrated Circuit) 로 설계한 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 장치.
13. 기질 표면에 유체가 흐를 수 있는 유로(channel) 및 버퍼(buffer) 용액을 저장할 수 있는 챔버(chamber) 와 상기 유로를 연결시키는 유공을 포함하는 고체 기질 및;

    상기 유공을 개폐시키기 위한 밸브로 구성된 PCR 디스크;

    상기 PCR 디스크에 필요한 전원 혹은 제어 신호를 공급키 위한 제어부를 구비한 제어용 디스크;

    상기 디스크를 회전시키기 위한 모터;

    상기 제어용 디스크상의 제어부에 전원공급을 공급하기 위한 브러쉬;

    상기 제어부의 제어신호 및/또는 전원신호를 상기 PCR 디스크에 공급키 위한, PCR 디스크 와 제어용 디스크간의 기계적 연결수단;

    중앙제어 장치 및 저장장치가 설계 되여 있는 회로기판;

    PCR 디스크 드라이버를 지지하고 있는 몸체;

    상기 회로기판이 상기 PCR 디스크 드라이브 몸체에 이음 체결되어있고, 상기 중앙제어 장치는 상기 PCR 디스크 및 제어용 디스크의 회전 혹은 정지시 모터를 회전 정지 시킬뿐만 아니라, 디스크 회전동안 제어용 디스크와 PCR 디스크를 상기 기계적 연결수단에 의해 밀착하여 동시 회전토록하는 것을 특징으로 하는 PCR디스크드라이버 장치.
14. 제 13항에 있어서, 상기 PCR 디스크는 PCR 공정 진행상황을 상기의 중앙 제어 장치 혹은 저장장치로 보내거나 상기 중앙장치로 부터의 명령을 받기 위한 비접촉 인터페이스 수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 드라이버 장치.
15. 제 14항에 있어서, 통상의 Optical 디스크(예:음악 CD, CD-R, 게임 CD, DVD등)을 판독하기 위한 광 픽업 장치를 더 구비한 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 드라이버 장치.
16. 제 14항에 있어서, 상기 PCR디스크 드라이버장치에 로딩(loading)된 디스크가 통상의 음악 CD, CD-R, 게임 CD, DVD등 의 Optical Disc인지, 아니면 PCR 디스크인지를 상기 제어부가 판단하기 위한 PCR디스크 감지( PCR-Disc Detection) 수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 드라이버 장치.
17. 제 16항에 있어서, 상기 PCR 디스크 감지(PCR-Disc Detection) 수단은 PCR 디스크상에 배치된 분압 수단에 의해 생성된 일정전압을 상기 제어용 디스크의 제어부가 측정 하고, 이후 상기 제어부는 비접촉 인터페이스를 통해 외부의 중앙 제어 장치에 PCR 디스크 감지 신호(PCR-disc detection signal)을 무선송신토록 함으로서, 현재 로딩된 디스크가 PCR 디스크임을 상기 중앙제어장치에 통보하는 것을특징으로 하는 PCR 디스크 드라이버 장치.
18. 제 17 있어서, 상기 중앙제어장치는 통상의 Optical disc(예:음악 CD, CD-R, 게임 CD, DVD등)인지 PCR 디스크인지를 판단하여, 통상의 Optical 디스크인 경우는 디스크로 부터 읽은 내용을 상기 광 픽업장치로부터 저장장치로 전송하거나, 쓸 내용을 광 픽업 장치로 보내고, Read/Write에 필요한 각종 제어 신호들을 상기 각부에 제공하는 등의 Optical 디스크를 위한 통상의 동작을 하고, PCR 디스크인 경우 PCR 디스크 의 제어를 위한 각종 제어 명령신호를 상기 제어용 디스크에 위치한 비접촉 인터페이스를 통해 보내는 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 드라이버장치.
19. 제 13항에 있어서, 상기 PCR 디스크 드라이버 장치는 PCR 디스크의 프로토콜, 분석 알고리즘, 판독을 위한 표준 제어값, 생물정보학정보, 혹은 장치 드라이버 소프트 웨어 및 임상분석을 위한 환자교육정보, 진단 결과에 따른 전문 외사 및 병원과 원격으로 연결될 수 있는 웹 사이트와 각종 링크 혹은 개인 암호화 정보가 저장하기 위한 메모리 또는 저장수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 드라이버 장치.
20. 제 14항 에 있어서, 상기 제어용 디스크 와 PCR 디스크는 합쳐져 한 개의 일체형 PCR 디스크로 구성된 특징으로 하는 PCR 디스크드라이버장치.
21. 제 20항에 있어서, 상기 일체형 PCR 디스크는 실리콘 웨이퍼 재료을 사용하여 상기 제어부, 메모리, 비접촉 인터페이스, 상기 밸브 제어를 위한 전극판 혹은 전자석 및 각종 회로 패턴을 포함한 전자회로 및 상기 챔버 와 채널 을 실리콘 웨이퍼상에 photolithography 및 에칭공정에 의해 monolithic 형태의 집적 회로(Integrated Circuit) 로 설계한 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 드라이버 장치.
22. 제 2항 또는 제 13항 또는 제 20항 중 어느 한 항을 따르는 상기 PCR 디스크가 비 접촉 인터페이스 수단을 더 구비하여 PCR 디스크드라이버에 로딩(loading) 시점에서 상기 제어부 및 비접촉 인터페이스 수단을 통해 외부의 중앙 제어 장치에 PCR 디스크 감지 신호(PCR-disc detection signal)를 무선송신토록 함으로서, 현재 로딩된 디스크가 PCR 디스크임을 상기 중앙제어장치에 통보해주는 것을 특징으로 하는 PCR 디스크드라이버 장치.
23. 제 3항에 있어서, 상기 프렙 공정을 위한 프렙 챔버에는 셀(cell)을 깨뜨려 DNA을 추출하기 위한 Lysis버퍼용액과; 추출된 DNA와 친화력(affinity)을 갖는 강자성체 비드(bead)가 들어 있는 것을 특징으로 하는PCR디스크 장치
24. 제 3항에 있어서, 상기 PCR챔버를 복수개로 구성하여 상기 복수개의 PCR챔버 각각에 서로 다른 종류의 프라이머가 들어가든지; 혹은 같은 종류의 프라이머가 들어 가든지; 혹은 상기 복수개의 PCR챔버 각각에 복수개의 프라이머가 들어가든지 하는 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 장치.
25. 기질 표면에 유체가 흐를 수 있는 유로(channel) 및 버퍼(buffer) 용액을 저장할 수 있는 챔버(chamber) 와 상기 유로를 연결시키는 유공을 포함하는 고체 기질 ;

    상기 유공을 개폐시키기 위한 초소형 자석 입자와 전자석에 의해 구성된 밸브;

    상기 챔버는 피 또는 세포 또는 RNA로부터 DNA샘플을 준비하기 위한 프렙(Preparation)공정을 포함하는 적어도 한 개이상의 프렙챔버(Preparation chamber) 및;

    PCR 공정에 필요한 폴리머라아제, 프라이머를 비롯한 각종 효소(enzyme)들을 포함하는 버퍼용액을 저장하고 있는 적어도 한 개 이상의 PCR챔버 및;

    상기 PCR공정에 의해 얻어진 PCR product들을 모으기 위한 복수개의 출력 챔버(out chamber)들로서 구성되어, 상기 고체 기질상에 연결 배치되어 일련의 PCR 공정을 구성하는 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 장치
26. 제 25항에 있어서, 상기 출력 챔버는 피펫 혹은 주사위에 의한 PCR product 채취를 가능토록 하는 출입구(outlet)를 제공하는 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 장치
27. 제 25항에 있어서, 상기 고체기질은 ladder marker을 저장하기 위한 ladder 챔버 및; positive control 및 negative control 샘플을 저장하기 위한 컨트롤(comtrol) 챔버 및; 스테인(stain)챔버 및; 이들 각 챔버에 연결된 출력 챔버를 더 구비한 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 장치.
28. 제 25항에 있어서, 상기 PCR 디스크는 전기 영동(Electrophoresis)용 디스크와 합쳐져 일체화된 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 장치.
29. 제 28항에 있어서, 상기 출력챔버들은 전기 영동(Electrophoresis)용 디스크의 입력챔버와 일대일 대응하여 연결되는 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 장치.
30. 제 29항에 있어서, 상기 전기 영동(Electrophoresis)용 디스크는 전압을 아가로스 겔(agarosdegel) 및/또는 아크릴아마이드 겔(polyacrylamidegel)로 구성된 겔 판(6리 plate)에 인가하기 위한 전극을 구비한것을 특징으로 하는 PCR 디스크 장치.
31. 제 30항에 있어서, 상기 PCR 디스크장치는 UV(Ultra Violet)장치와 카메라를 더 구비하여 상기 겔판(gel plate)에 형성된 밴드(band)를 측정, 저장,display 및 전송하는 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 장치.
32. 제 30항을 따른 PCR 디스크 장치에

    피 또는 세포 또는 RNA로부터 DNA샘플을 준비하기 위한 프렙(Preparation)공정 단계;

    DNA을 증폭하기 위한 PCR 공정단계;

    상기 PCR공정에 의해 얻어진 PCR product들을 출력 챔버(out chamber)에 모으기 위해 디스크를 천천히 회전시키면서 밸브 153을 개방하는 단계;

    상기 ladder marker 및 positive control혹은 negative control을 해당 출력 챔버로 이송시키기 위해 디스크를 천천히 회전시키면서 해당 밸브들을 개방하는 단계;

    상기 전기영동용 디스크의 입력챔버로 상기 출력 챔버의 내용물이 이동시키는 단계;

    상기 전극(555a , 555b)에 전압을 가한 채 인큐베이션 시키는 단계(gel running 단계); 및

    UV(Ultra Violet) 장치와 카메라를 구비하여 겔판(gel plate)에 형성된 밴드(band)를 측정 혹은 저장 혹은 display 혹은 전송하는 단계를 포함하는 PCR 디스크 방법.
33. 제 23항을 따른 PCR 디스크 장치에 있어서, 상기 프렙공정은.

    blood 을 상기 프렙 챔버에 설치된 샘플 주입구를 통해 주입하는 단계;

    cell로부터 추출된 DNA을 상기 강자성체 비드에 칩착시키기 위한 incubation단계;

    상기 전자석(177)을 온(on)하여 상기 강자성체 비드을 정치 시킨 후, 밸브 161을 개방하고 서서히 PCR 디스크를 회전시키면서 셀(cell) 파괴시 생긴 찌거기(debris)를 트레시 챔버(135)로 씻어 흘려 보내는 단계;

    밸브 161을 닫고 PCR 디스크 회전을 멈추고 상기 전자석177을 오프(off)시킨후. 밸브 150을 개방하고 서서히 PCR 디스크를 회전시키면서 챔버128의 washing buffer을 상기 프렙챔버에 유입시킨후, 밸브 150을 닫은후, 전자석(177)을 온(on)하여 상기 강자성체 비드을 정치 시킨 후, 디스크를 천천히 회전시키면서 밸브 161 개방하여 셀(cell) 파괴시 생긴 찌거기(debris)를 .상기 트레쉬 챔버(135)로 반복하여 씻어 흘려 보내는 단계;

    밸브 161을 닫은후, 밸브 151을 개방하여 챔버140의 증류수 혹은 respension buffer을 상기 프렙챔버에 유입시키고, 상기 프렙 챔버내에 내장되어 있는 히터(960)를 이용하여 고온 가열하여 상기 강자성체 비드(bead)에 붙어 있는 DNA을 이탈 혹은 resuspension시켜주는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 방법.
34. 제 23항을 따른 PCR 디스크 장치에 있어서, 상기 PCR공정은.

    PCR 디스크를 서서히 회전시키면서, 밸브 152을 열어 상기 프렙 공정에 의해 얻어진 DNA을 상기 PCR 챔버(132)로 이동시키는 단계; 및

    상기 PCR 챔버로의 DNA 이동 완료후, 밸브 152을 닫은후, PCR 디스크를 멈추고, PCR 챔버(132)내에 내장되어 있는 히터961과 온도센서(520)을 이용하여 PCR cycle을 약 30회 반복하여 DNA을 증폭시키는 단계을 포함하는 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 방법
35. 제 3 항을 따르는 PCR 디스크 장치에 있어서, 프렙 챔버에 샘플이 주입 안된 채, PCR공정을 시작하려는 경우는 eject 되거나 경고 메시지를 사용자에게 보내는 것을 특징으로 하는 PCR.디스크 장치.
36. 제35항에 있어서, 상기 샘플 주입여부는 상기 프렙챔버내에 샘플 주입이 된 경우와 안된 경우의 임피던스 특성차이를 이용한 임피던스측정장치를 더 구비한 것을 특징으로 하는 .PCR,디스크 장치.
37. 제 36항에 있어서, 상기 임피던스 측정장치는 인터디지테이티드 어레이에 의한 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 장치.
38. 제 1항을 따르는 PCR 디스크 장치에 의한 샘플의 PCR공정 진행중, 사용자에 의한 PCR디스크 드라이버로부터 PCR 디스크의 eject(un-loading) 혹은 stop요구시, PCR 디스크 드라이버는 무시한 채 공정 진행을 계속 진행하고, 선택사항으로 경고 메시지(warning message)를 사용자에게 알려주든가 패스워드를 요구하여 패스워드가 맞는 경우 사용자의 eject(un-loading) 혹은 stop요구를 받아 들이는 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 드라이버 장치.
39. 제 1항을 따르는 PCR 디스크 장치는 몇 번 사용했던 디스크인지에 대한 정보 및 유효기간 정보 및 진단하고자 하는 질병 종류가 저장되어 있는 메모리를 더 구비하여, PCR 디스크 로딩(loading) 때마다 사용 가능성 여부를 판단할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 드라이버 장치.
40. 제 2항 또는 13항 또는 20항 중 어느 한 항을 따르는 상기 PCR 디스크 드라이버 장치는 통상의 Optical 디스크 재생을 위한 재생 및 탐색버튼, 정지버튼 및; 현재 로딩된 된 디스크가 PCR 디스크임을 표시하는 발광 다이오드를 구비한 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 드라이버 장치.
41. 제 2항 또는 13항 또는 20항 중 어느 한 항을 따르는 상기 PCR 디스크 드라이버 장치는 액정표시 장치를 구비하며 PCR디스크 드라이버 장치의 주요공정(프렙 공정, PCR 공정, 전기 영동) 에 따른 진행률을 퍼센트(%) 혹은 막대 그라프(bar graph)형식으로 표시해 주는 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 드라이버 장치.
42. 제 2항 또는 13항 또는 20항 중 어느 한 항을 따르는 상기 PCR 디스크 드라이버 장치는 모니터 표시 장치를 구비하여 PCR 디스크 드라이버 장치의 진행상태를상기 주요공정(프렙 공정, PCR 공정, 전기 영동)에 따른 진행률을 퍼센트(%) 혹은 막대 그라프(bar graph), 파이 그라프(pie graph) 형식으로 표시해 주는 것을 특징으로 하는 PCR디스크 드라이버 장치.
43. 제 33항 따르는 상기 히터는

    전극 패턴 혹은 공심의 코일 권선으로 구성된 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 방법.
44. 제 34항 따르는 상기 히터는

    전극 패턴 혹은 공심의 코일 권선으로 구성된 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 방법.
45. 제 43항 따르는 상기 전극 패턴 혹은 코일 권선은 단독으로는 히터로서 작동하지만, 저 (low)전류에 의해 자계를 발생시키는 전자석(177) 기능을 하는 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 방법.
46. 제 33항 따르는 상기 전자석(177)은

    전극 패턴 혹은 코일권선에 저(low) 전류를 사용하여, 강력한 자석(970)을 상기 프렙 챔버에 강력히 달라 붙여, 프렙 챔버에 강한 자력을 발생시켜 전자석 온(on) 기능을 수행하고; 상기 전극패턴 혹은 코일권선의 전류을 오프(off)시키거나 일시적 반발력에 해당하는 자력을 발생시킨후 바로 오프하여, 상기 강력한 자석(970)이 프렙챔버로부터 이탈되도록 하여 전자석을 오프(off) 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 PCR 디스크 방법.