KR20050117811A

KR20050117811A - 중합효소연쇄반응 칩

Info

Publication number: KR20050117811A
Application number: KR1020040043043A
Authority: KR
Inventors: 고순탁; 김남혁; 김병희; 김헌영; 장인배; 최종필
Original assignee: 에이엔디티 주식회사
Priority date: 2004-06-11
Filing date: 2004-06-11
Publication date: 2005-12-15

Abstract

본 발명은 DNA의 증폭을 정확하고 효율적으로 실시할 수 있는 중합효소연쇄반응 칩을 개시한다. 본 발명의 로워기판은 시료의 유동을 위한 제1 입구, 제1 출구, 펌핑챔버와 채널을 가지며, 제1 입구와 펌핑챔버는 디퓨저에 의하여 연결되어 있고, 펌핑챔버와 채널은 노즐에 의하여 연결되어 있으며, 제1 출구와 노즐은 채널에 의하여 연결되어 있다. 미들기판은 펌핑챔버에 수용되는 시료를 펌핑할 수 있도록 작동하는 다이어프램을 가지며, 다이어프램의 변형을 기포의 생성과 소멸에 의하여 발생할 수 있는 작동유체의 유동을 위한 제2 입구, 제2 출구와 버블링챔버를 갖는다. 어퍼기판은 미들기판의 제2 입구와 제2 출구에 연결되는 제3 입구와 제3 출구를 갖는다. 또한, 리액션히터는 채널을 따라 유동하는 시료를 가열하며, 마이크로히터는 버블링챔버에 수용되는 작동유체를 가열하여 기포의 생성과 소멸을 발생하고, 제어수단은 리액션히터와 마이크로히터의 작동을 제어한다. 본 발명에 의하면, 버블형 마이크로펌프에 의하여 정량의 시료를 정밀하고 정확하게 공급할 수 있으며, 소형화가 용이하고, 시료의 사용량을 감소시킬 수 있다. 또한, 펌핑챔버의 온도를 정확하게 제어하여 펌핑특성과 유동특성을 향상시킬 수 있으며, 시료에 대하여 DNA의 변성, 프라이머의 결합과 DNA의 합성과 같은 3단계의 과정에 해당하는 온도를 정확하게 제어하여 반응 시간을 감소시킬 수 있다.

Description

중합효소연쇄반응 칩{POLYMERASE CHAIN REACTION CHIP}

본 발명은 중합효소연쇄반응 칩에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시료의 정량 공급과 디옥시보리핵산의 증폭을 정확하고 효율적으로 실시할 수 있는 중합효소연쇄반응 칩에 관한 것이다.

주지하고 있는 바와 같이, 1983년 미국의 캐리 물리스(K. Mullis)가 고안하여 유전자의 연구·분석에 혁신을 일으킨 중합효소연쇄반응(Polymerase Chain Reaction, PCR)은 특정 디옥시리보핵산(Deoxyribonucleic Acid, DNA)으로부터 DNA중합효소에 의하여 원하는 유전자를 기하급수적으로 증폭시키는 기술이며, DNA 진단의 중심이 되는 필수적인 기술이다. PCR은 게노믹 DNA(Genomic DNA)의 변성, 프라이머(Primer)의 결합(Annealing)과 DNA의 합성과 같은 3단계의 과정을 반복하여 특정 DAN를 증폭한다.

일반적인 PCR 장치는 마이크로튜브에 증폭하고자 하는 DNA와 프라이머 등의 시료를 넣고, 히터에 의하여 각 사이클에 맞는 온도를 제어하여 DNA를 증폭시키는 것이다. 그런데 PCR 장치의 DNA 증폭에 3∼4시간 정도로 많은 반응 시간이 소요되고, 시료가 수십㎕ 정도로 과다하게 사용되는 단점이 있다.

최근 미세전기기계시스템(MEMS; Microelectro Mechanical System)의 발전에 기인하여 생물학 분야에서 DNA 칩, PCR 칩, 랩온 칩(Lab on a chip) 등 마이크로분석시스템에 대한 연구와 개발이 활발히 진행되고 있다. 마이크로분석시스템은 소형화가 가능하면서도 반응 시간을 단축시키고 시료의 사용량을 감소시킬 수 있는 장점을 보유하고 있다.

이와 같은 미세전기기계시스템에 의하여 제조한 PCR 칩은 미국 특허 제5,955,029호와 제6,126,804호 등 많은 문헌에서 찾아볼 수 있다. 이 기술들은 기판(Substrate)에 시료의 유동을 가이드하는 채널(Channel)을 형성하고, 채널을 따라 유동하는 시료를 히터에 의하여 가열하여 DNA를 증폭시키도록 구성되어 있다. 그러나 이 기술들은 시료의 공급을 위한 펌프가 별도로 구성되는 복잡한 구조에 의하여 소형화 제작이 곤란하고, 시료의 사용량을 감소시키는데 미흡한 단점을 내포하고 있다. 또한, PCR 칩 내부의 온도 편차에 따른 열팽창에 의하여 시료의 유동특성을 정확하게 제어하지 못하는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 여러 가지 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 기포의 생성과 소멸에 의하여 다이어프램을 작동시키는 버블형 마이크로펌프에 의하여 정량의 시료를 정밀하고 정확하게 공급할 수 있는 PCR 칩을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 버블형 마이크로펌프의 일체화 구조에 의하여 소형화가 용이하고, 시료의 사용량을 크게 감소시킬 수 있는 PCR 칩을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 시료의 펌핑력을 발생하는 펌핑챔버의 온도를 정확하게 제어하여 펌핑특성과 유동특성을 향상시킬 수 있는 PCR 칩을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 채널을 따라 유동하는 시료에 대하여 DNA의 변성, 프라이머의 결합과 DNA의 합성과 같은 3단계의 과정에 해당하는 온도를 정확하게 제어하여 반응 시간을 크게 감소시킬 수 있는 PCR 칩을 제공하는데 있다.

이와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 시료의 유동을 위한 제1 입구, 제1 출구, 상부가 개방되어 있는 펌핑챔버와 채널을 가지며, 제1 입구와 펌핑챔버는 디퓨저에 의하여 연결되어 있고, 펌핑챔버와 채널은 노즐에 의하여 연결되어 있으며, 제1 출구와 노즐은 채널에 의하여 연결되어 있는 로워기판과; 로워기판의 상면에 장착되고, 펌핑챔버에 수용되는 시료를 펌핑할 수 있도록 작동하는 다이어프램을 가지며, 다이어프램의 변형을 기포의 생성과 소멸에 의하여 발생할 수 있는 작동유체의 유동을 위한 제2 입구, 제2 출구와 버블링챔버를 갖는 미들기판과; 미들기판의 상면에 장착되고, 미들기판의 제2 입구와 제2 출구에 연결되는 제3 입구와 제3 출구를 갖는 어퍼기판과; 로워기판의 하면에 장착되며, 로워기판의 채널을 따라 유동하는 시료를 가열하는 리액션히터와; 미들기판의 버블링챔버에 수용되도록 어퍼기판에 제공되고, 미들기판의 버블링챔버에 수용되는 작동유체를 가열하여 기포의 생성과 소멸을 발생하는 마이크로히터와; 리액션히터와 마이크로히터의 작동을 제어하는 제어수단으로 이루어지는 PCR 칩에 있다.

이하, 본 발명에 따른 PCR 칩에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.

먼저, 도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 PCR 칩은 사각형상의 로워기판 (Lower substrate: 10)을 구비한다. 로워기판(10)의 상면에 DNA와 프라이머 등과 같은 시료의 도입을 위한 제1 입구(11)와 시료의 배출을 위한 제1 출구(12)가 각각 형성되어 있다. 제1 입구(11)는 로워기판(10)의 일단(10a)과 근접하도록 형성되어 있고, 제1 출구(12)는 제1 입구(11)와 근접하도록 형성되어 있다. 로워기판(10)의 상면에 시료가 안정적으로 유동할 수 있도록 제1 입구(11)를 통하여 도입되는 시료를 일시적으로 수용하는 인렛버퍼웰(Inlet buffer well: 13)과 제1 출구(12)를 통하여 배출되기 전의 시료를 일시적으로 수용하는 아웃렛버퍼웰(Outlet buffer well: 14)이 각각 형성되어 있다. 제1 입구(11)와 제1 출구(12) 각각은 인렛버퍼웰 (13)과 아웃렛버퍼웰(14)의 중앙에 연결되어 있다.

또한, 로워기판(10)의 상면에는 제1 입구(11)에 연결되는 펌핑챔버(15)가 형성되어 있으며, 펌핑챔버(Pumping chamber: 15)의 상부는 개방되어 있다. 제1 입구(11)와 펌핑챔버(15)는 제1 입구(11)로부터 펌핑챔버(15)로 시료를 유포하는 디퓨저(Diffuser: 16)에 의하여 연결되어 있고, 제1 출구(12)와 펌핑챔버(15)는 펌핑챔버(15)로부터 제1 출구(12)로 시료를 분출하는 노즐(Nozzle: 17)에 의하여 연결되어 있다. 디퓨저(16)와 노즐(17)의 단면 형상은 원뿔형의 미세 구멍으로 형성되어 있다.

도 1과 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 제1 출구(12)와 노즐(17)은 시료의 유동을 가이드하는 채널(18)에 의하여 연결되어 있다. 채널(18)은 노즐(17)을 시단으로 하고 로워기판(10)의 타단(10b)과 근접하는 지점을 종단으로 하여 로워기판 (10)의 가장자리를 따라 일직선을 이루도록 형성되어 있는 직선구간(18a)과, 직선구간(18a)의 종단을 시점으로 하고 제1 출구(12)를 종단으로 하여 지그재그형으로 형성되어 있는 지그재그구간(18b)으로 구성되어 있다.

지그재그구간(18b)은 도 4에 이점쇄선으로 도시되어 있는 바와 같이 로워기판(10)에 대략 균등하게 구획되어 있는 제1 내지 제3 영역(19a∼19c)을 경유하며, 제3 영역(19c)은 상하의 제1 영역(19a)과 제2 영역(19b) 사이에 배치되어 있다. 지그재그구간(18b)은 제1 내지 제3 영역(19a∼19c) 각각을 경유하는 복수의 제1 내지 제3 펄스형 구간(18c∼18e)들을 가지며, 하나의 제3 펄스형 구간(18e)은 서로 인접하는 하나의 제1 펄스형 구간(18c)과 제2 펄스형 구간(18d)을 연결한다. 이와 같은 지그재그구간(18b)의 구성에 의해서는 시료의 반응에 적합하도록 채널(18)의 길이를 충분하게 유지하면서도 로워기판(10)의 크기를 줄일 수 있다. 노즐(17)과 채널(18)의 시단 사이에는 노즐(17)로부터 분출되는 시료를 일시적으로 수용하여 시료의 유동을 안정적으로 유지할 수 있도록 미들버퍼웰(Middle buffer well: 20)이 형성되어 있다. 채널(18)의 종단은 아웃렛버퍼웰(14)에 연결되어 있다.

로워기판(10)의 인렛버퍼웰(13), 아웃렛버퍼웰(14), 펌핑챔버(15), 디퓨저 (16), 노즐(17), 채널(18)과 미들버퍼웰(20) 각각은 두께 0.5mm 정도의 실리콘웨이퍼를 딥리액티브이온에칭(Deep Reactive Ion Etching, DRIE)에 의하여 가공하여 형성하거나 두께 0.5mm 정도의 유리판을 샌드블라스팅(Sand blasting)에 의하여 가공하여 형성한다. 이때, 채널(18)의 깊이와 넓이는 200㎛ 정도로 형성한다. 그리고 로워기판(10)의 제1 입구(11)와 제1 출구(12)는 초음파 가공에 의하여 300mm 정도의 직경으로 형성한다. 도 1과 도 4에 인렛버퍼웰(13), 아웃렛버퍼웰(14), 펌핑챔버(15)와 미들버퍼웰(20)은 사각형으로 도시되어 있는 것을 나타냈으나, 인렛버퍼웰(13), 아웃렛버퍼웰(14), 펌핑챔버(15)와 미들버퍼웰(20)은 필요에 따라 원형, 타원형 등 다양한 형상으로 형성할 수도 있다.

도 1 내지 도 3과 도 5를 참조하면, 본 발명의 PCR 칩은 로워기판(10)의 상면에 장착되는 미들기판(Middle substrate: 30)을 구비한다. 미들기판(30)은 로워기판(10)과 동일한 크기로 제작되어 로워기판(10)의 상면에 형성되어 있는 제1 입구(11), 제1 출구(12), 인렛버퍼웰(13), 아웃렛버퍼웰(14), 펌핑챔버(15), 디퓨저 (16), 노즐(17), 채널(18)과 미들버퍼웰(20)의 상부를 차단한다. 로워기판(10)의 채널(18)은 필요에 따라 로워기판(10)을 대신하여 미들기판(30)의 하면에 시료의 유동을 가이드할 수 있도록 형성할 수도 있다.

미들기판(30)의 중앙에는 펌핑챔버(15)의 시료와 접촉하도록 펌핑챔버(15)의 개방되어 있는 상부를 차단하는 다이어프램(Diaphragm: 31)이 형성되어 있으며, 다이어프램(31)의 상부에는 버블링챔버(Bubbling chamber: 32)가 형성되어 있다. 미들기판(30)은 두께 0.5mm 정도의 유리판을 샌드블라스팅에 의하여 가공하여 다어어프램(31)은 두께 0.1∼0.2mm 정도로 형성하고, 버블링챔버(32)는 깊이 0.3∼0.4mm 정도로 형성한다. 버블링챔버(32)의 한쪽 상부에는 버블링챔버(32)로 작동유체, 예를 들어 메탄올의 도입을 위한 제2 입구(33)와 작동유체의 배출을 위한 제2 출구 (34)가 각각 연결되어 있다.

미들기판(30)의 제2 입구(33)는 시료가 안정적으로 유동할 수 있도록 제2 입구(23)를 통하여 도입되기 전에 작동유체를 일시적으로 수용하는 인렛버퍼웰(35)에 연결되어 있으며, 제2 출구(34)는 제2 출구(34)를 통하여 배출되는 작동유체를 일시적으로 수용하는 아웃렛버퍼웰(36)에 연결되어 있다. 도 1과 도 6에 인렛버퍼웰 (35)과 아웃렛버퍼웰(36)은 사각형으로 도시되어 있는 것을 나타냈으나, 인렛버퍼웰(35)과 아웃렛버퍼웰(36)은 필요에 따라 원형, 타원형 등 다양한 형상으로 형성할 수도 있다.

한편, 본 발명의 PCR 칩에 있어서 실리콘웨이퍼 어퍼기판(10)과 유리판 미들기판(30)의 가장자리는 퓨전 본딩(Fusion bonding)에 의하여 접합하고, 유리판 어퍼기판(10)과 유리판 미들기판(30)의 가장자리는 애노딕 본딩(Anodic bonding)에 의하여 접합한다.

도 1 내지 도 3과 도 7을 참조하면, 본 발명의 PCR 칩은 미들기판(30)의 상면에 버블링챔버(32)를 차단하도록 장착되는 어퍼기판(Upper substrate: 40)을 구비한다. 어퍼기판(30)에는 미들기판(30)의 인렛버퍼웰(35)과 아웃렛버퍼웰(36)에 연결되는 제3 입구(41)와 제3 출구(42)가 각각 형성되어 있다. 어퍼기판(40)은 두께 0.5mm 정도의 유리판으로 제작되어 있다.

도 1, 도 4, 도 6과 도 11을 참조하면, 본 발명의 PCR 칩은 로워기판(10)의 하면에 장착되는 리액션히터(Rection heater: 50)를 구비하며, 리액션히터(50)는 채널(18)을 따라 유동하는 시료를 가열하여 반응시킨다. 리액션히터(50)는 로워기판(10)의 제1 내지 제3 영역(19a∼19c) 각각에 정합되는 제1 내지 제3 서멀플레이트(Thermal plate: 51, 52, 53)와, 제1 내지 제3 서멀플레이트(51, 52, 53) 각각의 온도를 제어하는 제1 내지 제3 열전냉각소자모듈(Thermal electronic cooler module: 54, 55, 56)로 구성되어 있다. 제1 내지 제3 서멀플레이트(51, 52, 53)는 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.

도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 제1 내지 제3 열전냉각소자모듈(54, 55, 56) 각각은 제1 내지 제3 서멀플레이트(51, 52, 53) 각각에 일단이 밀착되어 있는 열교환블록(Heat exchanging block: 54a, 55a, 56a)과, 열교환블록(54a, 55a, 56a) 각각의 타단에 일면이 부착되어 있는 펠티어소자(Peltier device: 54b, 55b, 56b)와, 펠티어소자(54b, 55b, 56b) 각각의 타면에 부착되어 있는 히트싱크(Heat sink: 54c, 55c, 56c)로 구성되어 있다. 펠티어소자(54b, 55b, 56b)는 전원의 인가에 의하여 양면에서 발열과 흡열의 현상을 발생한다. 펠티어소자(54b∼54b)의 일면에서 발생되는 열은 열교환블록(54a, 55a, 56a)을 통하여 제1 내지 제3 서멀플레이트 (51, 52, 53) 각각에 전달되고, 제1 내지 제3 서멀플레이트(51, 52, 53)는 채널(18)을 따라 유동하는 시료를 가열한다. 한편, 앞에서 설명한 것과 반대의 작용으로 펠티어소자(54b, 55b, 56b)의 타면에서 발생되는 열은 히트싱크(54c, 55c, 56c)에 의하여 방출되며, 제1 내지 제3 서멀플레이트(51, 52, 53)의 열은 열교환블록(54a, 55a, 56a)에 전달되어 방출된다. 이와 같은 리액션히터(50)의 제1 내지 제3 열전냉각소자모듈(54, 55, 56) 각각에 의하여 제1 내지 3 서멀플레이트(51, 52, 53)의 온도를 적정하게 제어할 수 있다.

도 1 내지 도 3, 도 7, 도 8과 도 11을 참조하면, 본 발명의 PCR 칩은 어퍼기판(40)의 하면에 버블링챔버(42)의 작동유체를 가열하여 기포를 생성할 수 있도록 형성되어 있는 마이크로히터(Microheater: 60)를 구비한다. 마이크로히터(60)는 어퍼기판(60)의 하면에 두께 400Å 정도의 티타늄(Ti)과 두께 2,000Å 정도의 백금(Pt)을 스퍼터링에 의하여 코팅하여 형성한다. 본 발명의 PCR 칩에 있어서 로워기판(100의 펌핑챔버(15), 디퓨저(16), 노즐(17), 미들기판(30)의 다이어프램 (31), 버블링챔버(32)와 마이크로히터(60)는 기포의 생성과 소멸에 의하여 시료 또는 유체의 펌핑력을 발생하는 버블형 마이크로펌프를 구성한다.

도 7과 도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 마이크로히터(60)는 국부적으로 열을 집중시켜 단일의 기포(1)를 생성할 수 있도록 설계되어 있다. 마이크로히터(60)는 서로 평행하도록 이격되어 있는 직선형의 제1 및 제2 메인전극(Main electrode: 61, 62)과, 제1 및 제2 메인전극(61, 62) 각각으로부터 서로 대응하도록 연장되어 있으며 서로 이격되어 있는 직선형의 제1 및 제2 브렌치전극(Branch electrode: 63, 64)과, 제1 및 제2 브렌치전극(63, 64)의 말단을 연결하고 국부적인 열의 발생에 의하여 작동유체를 가열하여 기포(1)를 생성하는 직선형의 버블링전극(Bubbling electrode: 65)으로 구성되어 있다. 제1 및 제2 메인전극(61, 62)은 잘 알려진 전원공급장치에 연결되는 양극과 음극으로 되며, 제1 및 제2 브렌치전극(63, 64)과 버블링전극(65)은 직선을 이루도록 정렬되어 있다.

도 8에 자세히 도시되어 있는 바와 같이, 버블링전극(65)의 폭(W₁)은 열의 집중을 위하여 제1 및 제2 브렌치전극(63, 64)의 폭(W₂)보다 좁게 형성되어 있다. 버블링전극(65)의 폭(W₁)은 20∼100㎛ 정도이며 저항은 150∼250Ω 정도로 설계되어 있다. 버블링전극(65)의 폭(W₁)이 20㎛미만이면 기포(1)가 일정한 크기로 성장하지 못하여 충분한 크기의 펌핑력을 얻을 수 없으며, 100㎛을 초과하면 기포(1)의 생성이 원활하지 못하거나 다수의 기포(1)가 불균일한 크기로 생성되어 펌핑력을 제어할 수 없다. 버블링전극(65)의 폭(W₁)은 30㎛으로 설계하고 저항은 190Ω으로 설계하는 것이 바람직하다. 그리고 버블링전극(45)의 길이(L), 즉 제1 및 제2 브렌치전극(63, 64) 사이의 간격은 50∼500㎛ 정도로 설계되어 있다. 버블링전극(65)의 길이(L)가 50㎛미만이면 기포(1)가 일정한 크기로 성장하지 못하여 충분한 크기의 펌핑력을 얻을 수 없으며, 500㎛을 초과하면 기포(1)의 생성이 원활하지 못하거나 다수의 기포(1)가 불균일한 크기로 생성되어 펌핑력을 제어할 수 없다. 버블링전극 (65)의 길이(L)는 100㎛으로 설계하는 것이 바람직하다.

한편, 미들기판(30)의 다이어프램(31)과 마이크로히터(60)는 폴리다이메틸실록산 본딩(Polydimethylsiloxane bonding, PDMS bonding)에 의하여 접합한다. 미들기판(30)의 다이어프램(31)과 마이크로히터(60)의 PDMS 본딩에 의해서는 퓨전 본딩에 비하여 열에 의한 마이크로히터(60)의 손상을 효과적으로 방지할 수 있다.

도 11을 참조하면, 본 발명의 PCR 칩은 리액션히터(50)와 마이크로히터(60)의 작동을 제어하는 제어수단(70)을 구비한다. 제어수단(70)은 제1 내지 제4 온도센서(71a∼71d), 제1 내지 제4 연산증폭기(Operational Amplifier, Op Amp; 72a∼72d), 마이크로프로세서(73), 제1 내지 제4 전류제어기(74a∼74d)와 전원공급기 (75)로 구성되어 있다.

도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 제1 내지 제3 온도센서(71a∼71c) 각각은 제1 내지 제3 서멀플레이트(51, 52, 53)에 접촉하여 제1 내지 제3 서멀플레이트 (51, 52, 53)의 온도를 검출하고, 제4 온도센서(71d)는 버블링챔버(32)에 위치되어 작동유체의 온도를 검출한다. 제1 내지 제4 온도센서(71a∼71d) 각각은 백금온도센서로 구성할 수 있다. 제1 내지 제4 연산증폭기(72a∼72d) 각각은 제1 내지 제4 온도센서(71a∼71d)와 마이크로프로세서(73)에 연결되며 제1 내지 제4 온도센서(71a∼71d) 각각으로부터 입력되는 신호를 증폭하여 마이크로프로세서(73)에 입력한다.

도 6과 도 11을 참조하면, 제1 내지 제4 전류제어기(74a∼74d) 각각은 마이크로프로세서(73)에 연결되어 있으며, 제1 내지 제3 전류제어기(74a∼74c) 각각은 제1 내지 제3 열전냉각모듈(54, 55, 56) 각각의 펠티어소자(54b, 55b, 56b)에 연결되어 있고, 제4 전류제어기(74d)는 마이크로히터(60)의 제1 및 제2 메인전극(61, 62)에 연결되어 있다. 마이크로프로세서(73)는 제1 내지 제4 연산증폭기(72a∼72d)로부터 입력되는 신호를 처리하여 제1 내지 제4 전류제어기(74a∼74d)의 작동을 제어하며, 제1 내지 제4 전류제어기(74a∼74d) 각각은 펠티어소자(54b, 55b, 56b)와 제1 및 제2 메인전극(61, 62)에 인가되는 전류를 제어한다.

지금부터는 이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 PCR 칩에 대한 작용을 설명한다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 로워기판(10)의 제1 입구(11)는 파이프라인 (Pipe line)에 의하여 시료를 수용하는 통상적인 스토리지(Storage) 또는 카트리지 (Cartridge)에 연결하고, 제1 입구(11)를 통하여 시료를 공급한다. 시료는 제1 입구(11), 인렛버퍼웰(13)을 통하여 펌핑챔버(14)에 충전된다. 그리고 어퍼기판(40)의 제3 입구(41)와 제3 출구(42)는 파이프라인에 의하여 작동유체, 예를 들어 메탄올을 수용하는 스토리지에 연결한다. 작동유체는 어퍼기판(40)의 제3 입구(41), 미들기판(30)의 인렛버퍼웰(35)과 제2 입구(33)를 경유하여 버블링챔버(32)에 충전된다.

도 7, 도 8과 도 11에 도시되어 있는 바와 같이, 제어수단(70)의 전원공급기 (75)에 의하여 인가되는 전원은 제4 전류제어기(74d)에 의하여 제어되고, 제4 전류제어기(74d)를 통하여 마이크로히터(60)의 제1 및 제2 메인전극(61, 62)에 전원이 인가되면, 제1 및 제2 브렌치전극(63, 64) 사이에 큰 전위차가 발생되면서 버블링전극(65)에 열이 집중적으로 발생하여 작동유체를 가열하게 되며, 작동유체의 가열에 의하여 버블링전극(65)에 단일의 기포(1)가 생성되게 된다. 이때, 기포(1)는 7V 정도의 초기전압과 30mA 정도의 초기전류를 인가하면 원활하게 생성되기 시작한다. 기포(1)의 생성 후 마이크로프로세서(74)에 의하여 제2 전류제어기(74)를 제어하여 마이크로히터(60)의 제1 및 제2 메인전극(61, 62)에 3V 정도의 작동전압을 인가하면, 기포(1)는 시간의 경과에 따라 성장하여 일정한 크기의 직경을 유지하게 된다. 이와 같이 짧고 가는 버블링전극(65)에 국부적으로 열의 발생을 집중시킴으로써, 단일의 기포(1)를 일정한 크기로 정밀하고 정확하게 생성 및 성장시킬 수 있으며, 마이크로히터(60)의 전기분해를 최소화시킬 수 있다.

한편, 버블링전극(65)의 열에 의하여 가열되는 작동유체의 온도는 제어수단 (70)의 제4 온도센서(71d)에 의하여 검출되고, 제4 온도센서(71d)의 신호는 제4 연산증폭기(72d)에 의하여 증폭되어 마이크로프로세서(73)에 입력된다. 마이크로프로세서(73)는 작동유체의 온도가 94℃ 정도로 되면, 제4 전류제어기(74d)를 제어하여 마이크로히터(60)의 제1 및 제2 메인전극(61, 62)에 인가되는 전원을 차단하며, 전원의 차단에 의하여 직경이 일정한 크기로 성장되어 있던 기포(1)는 냉각되면서 폭발하여 소멸한다. 작동유체의 온도가 94℃ 정도에서 30℃ 정도로 내려가면, 제4 전류제어기(74d)는 제4 전류제어기(74d)를 제어하여 마이크로히터(60)의 제1 및 제2 메인전극(61, 62)에 전원을 다시 인가한다.

이와 같은 기포(1)의 생성과 소멸에 의하여 버블링챔버(32)의 체적이 변화되고, 버블링챔버(32)의 체적이 변화되는 것에 의하여 다이어프램(31)이 변형된다. 다이어프램(31)의 변형에 의하여 로워기판(10)의 제1 입구(11), 제1 출구(12)와 펌핑챔버(15) 사이에 압력 차이로 시료의 펌핑력이 발생된다. 마이크로히터(60)는 펌핑챔버(15)의 시료와 다이어프램(31)에 의하여 격리되어 있는 버블링챔버(32)의 작동유체를 가열하여 시료의 펌핑력을 발생시킴으로써, 열에 의한 시료의 변화를 방지하여 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

도 9와 도 10을 참조하여 시료의 펌핑작용을 보다 구체적으로 살펴보면, 기포(1)의 성장 후 소멸시에는 디퓨저(16)의 압력은 감소되고, 노즐(17)의 압력은 증가되므로, 시료는 로워기판(10)의 제1 입구(11)를 경유하여 인렛버퍼웰(13)에 일시적으로 수용되고, 인렛버퍼웰(13)에 도입되는 시료는 도 9의 화살표 "A"로 도시되어 있는 바와 같이 디퓨저(16)를 통하여 펌핑챔버(15)로 유포되며, 시료는 펌핑챔버(15)로부터 노즐(17)로의 유동이 차단된다. 도 9에는 기포(1)가 도 10에 빗금으로 도시되어 있는 바와 같이 성장한 후 소멸되는 상태를 빗금으로 나타냈다.

또한, 기포(1)의 생성 후 성장시에는 디퓨저(16)의 압력은 증가되고, 노즐 (17)의 압력은 감소되므로, 시료는 도 10의 화살표 "B"로 도시되어 있는 바와 같이 펌핑챔버(15)로부터 노즐(17)을 통하여 미들버퍼웰(20)에 분출되어 일시적으로 저장되고, 미들버퍼웰(20)의 시료는 채널(18)로 공급된 후 아웃렛버퍼웰(14)과 제1 출구(12)를 통하여 배출된다. 그리고 시료는 펌핑챔버(15)로부터 디퓨저(16)로의 유동이 차단된다. 도 10에는 기포(1)가 성장한 상태를 빗금으로 나타냈다. 한편, 시료가 인렛버퍼웰(13)과 아웃렛버퍼웰(14)에 일시적으로 수용되는 것에 의하여 시료의 급격한 유량 변동을 방지하여 시료의 유동을 원활하게 유지할 수 있다. 따라서, 펌핑특성과 유동특성이 향상되어 정량의 시료를 정밀하고 정확하게 공급할 수 있다.

도 1, 도 6과 도 11을 참조하면, 시료가 채널(18)을 따라 유동될 때, 제어수단(70)의 전원공급기(75)에 의하여 인가되는 전원은 제1 내지 제3 전류제어기(74a∼74c)에 의하여 제어되고, 제1 전류제어기(74a∼74c)를 통하여 제1 내지 제3 열전냉각모듈(54, 55, 56) 각각의 펠티어소자(54b, 55b, 56b)에 전원이 인가되면, 펠티어소자(54b, 55b, 56b)에 의하여 발생되는 열은 열교환블록(54a, 55a, 56a)을 통하여 제1 내지 제3 서멀플레이트(51, 52, 53) 각각에 전달되고, 제1 내지 제3 서멀플레이트(51, 52, 53)는 채널(18)을 따라 유동하는 시료를 가열한다.

계속해서, 제1 내지 제3 서멀플레이트(51, 52, 53) 각각의 온도는 제어수단 (70)의 제1 내지 제3 온도센서(71a∼71c)에 의하여 검출되고, 제1 내지 제3 온도센서(71a∼71c) 각각의 신호는 제1 내지 제3 연산증폭기(72a∼72c)에 의하여 증폭되어 마이크로프로세서(73)에 입력된다. 마이크로프로세서(73)는 제1 내지 제3 연산증폭기(72a∼72c) 각각의 신호에 따라 제1 내지 제3 전류제어기(74a∼74c)를 제어하고, 제1 내지 제3 전류제어기(74a∼74c) 각각은 펠티어소자(54b, 55b, 56b)에 인가되는 전원을 제어한다. 제1 서멀플레이트(51)는 제1 영역(19a)의 직선구간(18a)과 제1 펄스형 구간(18b)을 따라 유동하는 시료를 94℃ 정도로 가열하며, 94℃ 정도의 온도에서는 DNA의 변성이 이루어진다. 제2 서멀플레이트(52)는 제2 영역(19b)의 제2 펄스형 구간(18c)을 따라 유동하는 시료를 58℃ 정도로 가열하고, 58℃ 정도의 온도에서는 DNA의 결합이 이루어진다. 제3 서멀플레이트(53)는 제3 영역(19c)의 제3 펄스형 구간(18d)을 따라 유동하는 시료를 72℃ 정도로 가열하고, 72℃ 정도의 온도에서는 DNA의 합성이 이루어진다. 본 발명의 PCR 칩에 의한 PCR은 3∼10㎕ 정도로 적은 양의 시료를 20∼30분 정도의 짧은 반응 시간 안에 실시할 수 있다.

한편, 제1 내지 제3 전류제어기(74a∼74c)의 제어에 의하여 앞에서 설명한 것과 반대의 방향으로 펠티어소자(54b, 55b, 56b)에 전원이 인가되면, 펠티어소자 (54b, 55b, 56b)의 일면은 열을 흡수하고 타면에서는 열을 발생한다. 펠티어소자(54b, 55b, 56b)의 타면에서 발생되는 열은 히트싱크(54c, 55c, 56c)에 의하여 방출되며, 제1 내지 제3 서멀플레이트(51, 52, 53)의 열은 열교환블록(54a, 55a, 56a)에 전달되어 방출된다. 따라서, 리액션히터(50)의 제1 내지 제3 서멀플레이트(51, 52, 53)에 의하여 채널(18)의 제1 내지 제3 영역(19a∼19c)을 따라 유동하는 시료를 정확한 온도로 가열할 수 있다. 그리고 로워기판(10)의 펌핑챔버(15), 디퓨저(16), 노즐(17), 미들기판(30)의 다이어프램(31), 버블링챔버(32)와 마이크로히터(60)를 갖는 버블형 마이크로펌프의 일체화 구조에 의하여 용이하게 소형화하여 제작할 수 있다.

이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 PCR 칩에 의하면, 기포의 생성과 소멸에 의하여 다이어프램을 작동시키는 버블형 마이크로펌프에 의하여 정량의 시료를 정밀하고 정확하게 공급할 수 있으며, 버블형 마이크로펌프의 일체화 구조에 의하여 소형화가 용이하고, 시료의 사용량을 크게 감소시킬 수 있다. 또한, 시료의 펌핑력을 발생하는 펌핑챔버의 온도를 정확하게 제어하여 펌핑특성과 유동특성을 향상시킬 수 있으며, 채널을 따라 유동하는 시료에 대하여 DNA의 변성, 프라이머의 결합과 DNA의 합성과 같은 3단계의 과정에 해당하는 온도를 정확하게 제어하여 반응 시간을 크게 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 PCR 칩의 구성을 분리하여 나타낸 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 PCR 칩의 구성을 조립하여 나타낸 사시도,

도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도,

도 4는 본 발명의 PCR 칩에서 로워기판의 구성을 나타낸 평면도,

도 5는 본 발명의 PCR 칩에서 미들기판의 구성을 나타낸 평면도,

도 6은 본 발명의 PCR 칩에서 리액션히터의 구성을 나타낸 정면도,

도 7은 본 발명의 PCR 칩에서 어퍼기판과 마이크로히터의 구성을 나타낸 저면도,

도 8은 본 발명의 PCR 칩에서 마이크로히터의 구성을 부분적으로 확대하여 나타낸 저면도,

도 9와 도 10은 본 발명의 PCR 칩에서 기포의 소멸과 생성에 의하여 유체가 펌핑되는 상태를 설명하기 위하여 개략적으로 나타낸 도면,

도 11은 본 발명의 PCR 칩에서 제어수단을 설명하기 위하여 나타낸 블록도이다.

♣도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣

10: 로워기판 11: 제1 입구

12: 제1 출구 13: 인렛버퍼웰

14: 아웃렛버퍼웰 15: 펌핑챔버

16: 디퓨저 17: 노즐

18: 채널 20: 미들버퍼웰

30: 미들기판 31: 다이어프램

32: 버블링챔버 33: 제2 입구

34: 제2 출구 35: 인렛버퍼웰

36: 아웃렛버퍼웰 40: 어퍼기판

41: 제3 입구 42: 제3 출구

50: 리액션히터 51, 52, 53: 제1 내지 제3 서멀플레이트

54, 55, 56: 제1 내지 제3 열전냉각소자모듈

54a, 55a, 56a: 열교환블록 54b, 55b, 56b: 펠티어소자

54c, 55c, 56c: 히트싱크 60: 마이크로히터

61, 62: 제1 및 제2 메인전극 63, 64: 제1 및 제2 브렌치전극

65: 버블링전극 70: 제어수단

71a∼71d: 제1 내지 제4 온도센서 72a∼72d: 제1 내지 제4 연산증폭기

73: 마이크로프로세서 74a∼74d: 제1 내지 제3 전류제어기

75: 전원공급기

Claims

시료의 유동을 위한 제1 입구, 제1 출구, 상부가 개방되어 있는 펌핑챔버와 채널을 가지며, 상기 제1 입구와 상기 펌핑챔버는 디퓨저에 의하여 연결되어 있고, 상기 펌핑챔버와 채널은 노즐에 의하여 연결되어 있으며, 상기 제1 출구와 상기 노즐은 상기 채널에 의하여 연결되어 있는 로워기판과;

상기 로워기판의 상면에 장착되고, 상기 펌핑챔버에 수용되는 시료를 펌핑할 수 있도록 작동하는 다이어프램을 가지며, 상기 다이어프램의 변형을 기포의 생성과 소멸에 의하여 발생할 수 있는 작동유체의 유동을 위한 제2 입구, 제2 출구와 버블링챔버를 갖는 미들기판과;

상기 미들기판의 상면에 장착되고, 상기 미들기판의 제2 입구와 제2 출구에 연결되는 제3 입구와 제3 출구를 갖는 어퍼기판과;

상기 로워기판의 하면에 장착되며, 상기 로워기판의 채널을 따라 유동하는 시료를 가열하는 리액션히터와;

상기 미들기판의 버블링챔버에 수용되도록 상기 어퍼기판에 제공되고, 상기 미들기판의 버블링챔버에 수용되는 작동유체를 가열하여 기포의 생성과 소멸을 발생하는 마이크로히터와;

상기 리액션히터와 상기 마이크로히터의 작동을 제어하는 제어수단으로 이루어지는 중합효소연쇄반응 칩.
제 1 항에 있어서, 상기 로워기판의 제1 입구는 상기 제1 입구를 통하여 도입되는 시료를 일시적으로 수용하는 인렛버퍼웰에 연결되어 있으며, 상기 제1 출구는 상기 제1 출구를 통하여 배출되기 전의 시료를 일시적으로 수용하는 아웃렛버퍼웰에 연결되어 있고, 상기 채널과 상기 노즐을 시료를 일시적으로 수용하는 미들버퍼웰에 의하여 연결되어 있는 중합효소연쇄반응 칩.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 채널은 상기 로워기판의 가장자리를 따라 일직선을 이루도록 형성되어 있는 직선구간과 이 직선구간의 종단을 시점으로 하고 상기 제1 출구를 종단으로 하여 지그재그형으로 형성되어 있는 지그재그구간으로 구성되어 있는 중합효소연쇄반응 칩.
제 1 항에 있어서, 상기 미들기판의 제2 입구는 상기 제2 입구를 통하여 도입되기 전에 작동유체를 일시적으로 수용하는 인렛버퍼웰에 연결되어 있으며, 상기 제2 출구는 상기 제2 출구를 통하여 배출되는 작동유체를 일시적으로 수용하는 아웃렛버퍼웰에 연결되어 있는 중합효소연쇄반응 칩.
제 1 항에 있어서, 상기 리액션히터는,

상기 채널을 따라 유동하는 시료를 제1 내지 제3 영역으로 구분하여 가열할 수 있도록 상기 로워기판의 하면에 부착되어 있는 제1 내지 제3 서멀플레이트와;

상기 제1 내지 제3 서멀플레이트 각각에 일단이 밀착되어 있는 열교환블록과, 상기 열교환블록의 타단에 일면이 부착되어 있는 펠티어소자와, 상기 펠티어소자의 타면에 부착되어 있는 히트싱크를 갖는 제1 내지 제3 열전냉각소자모듈로 구성되어 있는 중합효소연쇄반응 칩.
제 1 항에 있어서, 상기 마이크로히터는,

상기 어퍼기판에 서로 평행하도록 이격되어 있는 직선형의 제1 및 제2 메인전극과;

상기 제1 및 제2 메인전극 각각으로부터 서로 대응하도록 연장되어 있으며, 서로 이격되어 있는 직선형의 제1 및 제2 브렌치전극과;

상기 제1 및 제2 브렌치전극의 말단을 연결하고, 작동유체를 가열하여 기포를 단 하나로 생성하는 직선형의 버블링전극으로 구성되어 있는 중합효소연쇄반응 칩.
제 6 항에 있어서, 상기 마이크로히터의 버블링전극의 폭은 국부적으로 열을 발생하여 기포를 단 하나로 생성할 수 있도록 상기 제1 및 제2 브렌치전극의 폭보다 좁게 형성되어 있는 중합효소연쇄반응 칩.
제 7 항에 있어서, 상기 버블링전극의 폭은 20∼100㎛ 정도로 이루어지는 중합효소연쇄반응 칩.
제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로히터의 버블링전극의 길이는 국부적으로 열을 발생하여 기포를 단 하나로 생성할 수 있도록 50∼500㎛ 정도로 이루어지는 중합효소연쇄반응 칩.
제 1 항에 있어서, 상기 제어수단은,

상기 리액션히터를 구성하는 제1 내지 제3 서멀플레이트 각각에 접촉하여 상기 제1 내지 제3 서멀플레이트의 온도를 검출하는 제1 내지 제3 온도센서와;

상기 버블링챔버의 수용되어 작동유체의 온도를 검출하는 제4 온도센서와;

상기 제1 내지 제4 온도센서로부터 입력되는 신호를 증폭하여 출력하는 제1 내지 제4 연산증폭기와;

상기 제1 내지 제4 연산증폭기로부터 입력되는 신호를 처리하는 마이크로프로세서와;

상기 리액션히터를 구성하는 제1 내지 제3 열전냉각모듈 각각의 펠티어소자와 상기 마이크로히터를 구성하는 제1 및 제2 메인전극에 전원을 인가하는 전원공급기와;

상기 전원공급기로부터 상기 제1 내지 제3 열전냉각모듈 각각의 펠티어소자와 상기 마이크로히터의 제1 및 제2 메인전극에 인가되는 전원을 제어하는 제1 내지 제4 전류제어기로 구성되고,

상기 마이크로프로세서는 상기 제1 내지 제4 연산증폭기로부터 입력되는 신호에 따라 상기 제1 내지 제4 전류제어기를 제어하는 중합효소연쇄반응 칩.