KR20060062717A

KR20060062717A - 폐쇄 시스템에서 펌프와 밸브의 제어를 통한 혼성화 장치

Info

Publication number: KR20060062717A
Application number: KR1020040101654A
Authority: KR
Inventors: 이수석; 정성욱; 유창은; 이헌주; 고한승; 허남
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-12-06
Filing date: 2004-12-06
Publication date: 2006-06-12
Also published as: CN1815233B; JP2006162625A; JP3995694B2; US7732191B2; KR100612879B1; CN101269306B; EP1666887A2; US20060154360A1; EP1666887A3; TW200626716A; CN101269306A; CN1815233A

Abstract

본 발명은 바이오칩 지지대 및 샘플투입구가 구비된 덮개로 형성되는 하나 이상의 혼성화 챔버를 포함하는 챔버 장치, 상기 혼성화 챔버의 양 말단에 연결된 두개의 에어 채널, 상기 에어 채널상에 설치된 두개의 밸브, 상기 두개의 에어 채널이 연결된 하나의 통합 채널 및 상기 통합 에어 채널상에 설치된 하나의 에어 펌프를 포함하는 교반 장치, 및 상기 두개의 에어 체널 중 하나에 분지 밸브를 통해 연결된 유로, 상기 유로상에 연결된 플로우 펌프, 상기 유로의 반대편에 완충액 투입구를 포함하는 세척/건조 장치를 포함하는 바이오칩의 혼성화 시스템에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 바이오 칩을 이용한 혼성화에 필요한 샘플 확산(diffusion) 및 샘플 교반(agitation), 칩 세척(washing) 및 건조(drying)를 자동화된 한 시스템내에서 효율적으로 구현할 수 있다.

Description

폐쇄 시스템에서 펌프와 밸브의 제어를 통한 혼성화 시스템{Hybridization system using the control of pump and valves in closed system}

도 1은 종래기술로서 수작업에 의한 혼성화하는 슬라이드 글라스와 커버 글라스를 나타낸 사진이다.

도 2는 어피메트릭스(Affymetrix)사의 혼성화 장치(Hybstation)을 나타낸 사진이다.

도 3는 종래기술로서 테칸(Tecan)사의 혼성화 장치를 나타낸 사진이다.

도 4은 종래기술로서 메모렉(Memorec)사의 엑티브 순환 방식을 이용한 A-Hyb 혼성화 장치를 나타낸 도면이다.

도 5는 종래기술로서 BioMicro사의 MAUI 혼성화 장치를 나타낸 사진이다.

도 6은 종래기술로서 Genomic solution사의 혼성화 장치를 나타낸 사진이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예인 혼성화 시스템의 개념 구성도이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예인 혼성화 시스템의 측면도, 평면도 및 정면도이다.

도 9는 본 발명의 일 실시예인 혼성화 시스템의 완성된 제품의 사진이다.

도 10은 본 발명의 일 실시예인 혼성화 시스템의 혼성화 챔버의 횡단면도와 실링부재를 나타낸 도면이다.

도 11은 본 발명의 일 실시예인 혼성화 시스템의 혼성화 챔버의 실링부재의 작동 과정을 나타낸 도면이다.

도 12는 본 발명의 일 실시예인 혼성화 시스템의 채널 또는 유로의 횡단면도와 실링부재를 나타낸 도면이다.

도 13은 본 발명의 일 실시예인 혼성화 시스템의 혼성화 챔버의 종단면도와 마개의 구조를 나타낸 도면이다.

본 발명은 혼성화 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 바이오 칩을 이용한 혼성화에 필요한 샘플 확산(diffusion) 및 샘플 교반(agitation), 칩 세척(washing) 및 건조(drying)를 자동화된 한 시스템내에서 효율적으로 구현할 수 있는 혼성화 장치 및 시스템에 관한 것이다

바이오칩(bio chip)이란 기질상에 분석하고자 하는 DNA, 단백질 등의 생분자(biomolecules) 프로브를 고밀도로 부착시킨 칩으로서, 상기 프로브와 샘플내 표적물질과의 혼성화(hybridization) 여부를 검출하여 유전자 발현 양상, 유전자 결함, 단백질 분포, 반응 양상 등을 분석해낼 수 있다. 바이오칩은 프로브의 종류에 따라 DNA 칩이나 단백질칩 등으로 나누고, 프로브의 부착형태에 따라 고체 기질상에 부착된 마이크로어레이 칩(microarray chip)과 미세채널상에 부착된 랩온어칩(lab-on-a-chip)으로 나눌 수 있다. 이러한 바이오칩에서는, 샘플내 표적물질과 프로브 간의 효과적인 혼성화 반응를 수행하기 위해 혼성화 챔버와 교반 및 세척/건조 시스템이 필요하다.

종래의 도 1과 같이 슬라이드 글라스와 커버글라스 사이에 형성된 혼성화 챔버내에서 수작업을 통해 혼성화 반응을 수행하여 사용자간에 편차가 발생하고 긴 시험 시간(16-17 hrs)과 많은 샘플량(~100 ul)이 소모되었다.

이러한 수동적 혼성화(passive hybridization)는 자동화 시스템이 부재하기 때문이며,이를 극복하기 위해 혼성화, 세척, 건조를 자동화된 시스템에서 구현하기 위한 자동화 시스템을 개발할 필요성이 있다. 이러한 자동화 시스템은 fluctuation을 이용하여 혼성화 효율을 증대시키고 사용자에 따른 편차를 최소화하며, 짧은 시험 시간(< 2 hrs)과 적은 샘플량(< 50 ul)을 소모하는 이점들이 있다.

이러한 자동화된 혼성화 시스템을 위해, 종래 affymetrix 사의 특허(US 6391623)는 도 2에서 보여지듯이, 혼성화 챔버과 유체 전달 시스템에 의해 펌프와 연결되어 있고 유체의 순환에 의해 혼성화과 촉진된다. 또한, 샘플 로딩 및 교반, 세척, 건조가 한 시스템에서 구현된다. 그러나, 어러한 하이브스테이션(Hybstation)을 이용한 혼성화의 경우 연동 펌프(Peristaltic Pump)와 순환 유체 채널을 사용하기 때문에 투입샘플량이 많다. 이러한 단점으로 인하여 실제의 경우 rotary oven을 사용하여 16시간 hybridization 후 hybstation은 washing과 Drying용으로 장비를 운용하고 있다. 또한, 자사 칩만을 카트리지에 장착할 수 있도록 하여 혼환성이 없다.

종래 Tecan 사의 특허(US 20030013184)는 도 3에서 보여지듯이, 액체 교반과 슬라이드 건조를 온 보드(on-board)상에서 하며, sample injection 후 hyb.,washing, drying 기능이 automation화 되어있다. 혼성화 챔버의 양말단에 2개의 채널이 연결되어 있으며, Target solution을 chip표면에 probe와 더 잘 혼성화하기 위하여 각 채널별로 agitation용 membrane과 2개의 micro pump가 필요하다. 그러나, Chamber내 agitation을 효과적으로 주기 위하여 Target solution을 덮개관까지 채우고 sample을 mixing함으로써 chamber의 오염이 많다.

종래 Memorec사의 A-hyb 혼성화 장치는 도 4에서 보여지듯이, sample injection 후 hyb.,washing, drying 기능이 automation화 되어있다. 격막 펌프(Diaphragm pump)를 사용하여 액티브 순환(Active circulation)시키는 방식이나, 샘플이 순환되어야 하므로 투입 sample량(약 220ul)이 많다.

종래 Biomicro사의 MAUI 혼성화 장치는 도 5에서 보여지듯이, 동일 조건에서 4장의 chip 실험 가능하나, 칩위에 Patch(gasket)를 붙인 후 sample 주입하고, Washing, Drying은 별도로 수행해야 한다.

종래 Genomic Solution사의 특허(US6432696)는 도 6과 같이 복수의 칩에 대하여 유체 흐름과 온도를 제어하나, Sample diffusion을 위한 Agitation에 대한 수단을 가지고 있지 않다.

이에, 본 발명자들은 상기 종래기술들의 문제점들을 극복하기 위하여 예의 연구노력한 결과, closed system내에서 pump와 valve를 제어함으로써 효과적으로 자동화 혼성화 시스템을 구현할 수 있음을 확인하고, 본　발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 주된 목적은 폐쇄 시스템(closed system)내에서 펌프(pump)와 밸브(valve) 제어(control)을 통한 혼성화 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 별도의 실링 패드(Sealing pad)가 필요 없는 일체형 챔버(chamber) 형성 방식을 갖는 혼성화 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 한 채널(channel)을 통하여 샘플 로딩(sample loading), 교반(Agitation), 세척(washing) 및 건조(drying)가 가능한 통합 채널 시스템을 이용한 혼성화 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 바이오칩 지지대 및 샘플투입구가 구비된 덮개로 형성되는 하나 이상의 혼성화 챔버를 포함하는 챔버 장치, 상기 혼성화 챔버의 양 말단에 연결된 두개의 에어 채널, 상기 에어 채널상에 설치된 두개의 밸브, 상기 두개의 에어 채널이 연결된 하나의 통합 에어 채널 및 상기 통합 에어 채널상에 설치된 하나의 에어 펌프를 포함하는 교반 장치, 및 상기 두개의 에어 채널 중 하나에 분지 밸브를 통해 연결된 유로, 상기 유로상에 연결된 플로우 펌프, 상기 유로의 반대편에 완충액 투입구를 포함하는 세척/건조 장치를 포함하는 바이오칩의 혼성화 시스템을 제공한다.

본 발명의 혼성화 시스템에 있어서, 상기 바이오칩은 혼성화를 필요로 하는 어떤 바이오 물질이 고정된 칩도 가능하나, 바람직하게는 DNA, RNA, PNA(Peptide Nucleic Acid), LNA(Locked Nucleic Acid), 펩타이드 및 단백질로 구성된 군에서 선택된 생물분자가 고정되어 있는 것을 특징으로 한다. 이러한 바이오 물질은 유 리, 실리콘, 플라스틱과 같은 고체 기질에 고정되어 있을 수 있다. 이러한 바이오 칩은 필요에 따라 외부에서 제작되어 본 발명의 혼성화 시스템의 덮개를 열고 바이오 칩 지지대에 올려 놓게 된다.

본 발명의 혼성화 시스템에 있어서, 바람직하게는 상기 덮개는 일측이 힌지에 의해 지지대와 연결되어 타측의 상하 움직임에 의해 혼성화 챔버를 개폐할 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 혼성화 시스템에 있어서, 상기 (제 1) 덮개는 상부에 샘플투입구를 막을 수 있는 마개가 구비된 제 2 덮개를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 혼성화 시스템에 있어서, 상기 제 2 덮개는 일측이 힌지에 의해 덮개와 연결되어 타측의 상하 움직임에 의해 샘플투입구를 개폐할 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 혼성화 시스템에 있어서, 상기 마개와 맞닿는 샘플투입구의 상단 일측 또는 샘플투입구와 맞닿는 마개의 하단 일측에 공기배출구(air vent)을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 혼성화 시스템에 있어서, 상기 혼성화 챔버의 외곽에는 덮개 하면에 실링(sealing)부재를 일체형으로 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 혼성화 시스템에 있어서, 상기 혼성화 챔버의 실링부재는 챔버 안쪽의 돌출부와 챔버 바깥쪽의 오목부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 혼성화 시스템에 있어서, 상기 혼성화 챔버의 하부에는 히터(heater)가 구비된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 혼성화 시스템에 있어서, 상기 히터는 열전소자(Peltie device)를 이용하여 혼성화 챔버를 가열 또는 냉각하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 혼성화 시스템에 있어서, 상기 혼성화 챔버의 말단에 연결된 에어 채널은 상기 샘플투입구의 측벽에 연결되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 혼성화 시스템에 있어서, 상기 에어 채널 또는 유로는 단면이 반원인 구르브를 구비한 상판과 하판을 중첩하여 단면이 원형인 채널 또는 유로를 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 혼성화 시스템에 있어서, 상기 상판 또는 하판은 구르브 외곽 표면에 실링(sealing)부재를 일체형으로 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 혼성화 시스템에 있어서, 상기 에어 채널 또는 유로의 실링부재는 채널 또는 유로 안쪽의 돌출부와 채널 또는 유로 바깥쪽의 오목부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 혼성화 시스템에 있어서, 상기 교반 장치는 두개의 밸브중 하나를 개방하고 다른 하나를 폐쇄시킨 상태에서 에어 펌프를 상승시키고, 상기 밸브의 개폐 상태를 서로 바꾼 상태에서 에어 펌프를 하강시키고, 상기 밸브의 개폐 상태를 그대로 유지하면서 에어 펌프를 상승시키고, 상기 밸브의 개폐 상태를 서로 바꾼 상태에서 에어 펌프를 하강시키는 단계들을 반복하여 상기 혼성화 챔버내 용액을 교반하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 혼성화 시스템에서, 상기 교반 장치의 에어 펌프를 상승 또는 하강시킨다는 의미는 에어 펌프에 의해 공기를 밀어주거나 당겨준다는 것을 의미하 며, 펌프 자체의 상승 또는 하강을 의미하는 것은 아니다.

본 발명의 교반 장치는 종래의 혼성화 챔버내 용액의 순환(circulation)에 의한 교반방식과 달리 챔버내 용액이 채널을 통한 순환(circulation)되지 않고 에어 채널내의 공기에 의해 양 말단이 폐쇄된 시스템(closed system)에서 교반되는 것을 특징으로 한다. 따라서, 종래와 달리 많은 샘플량을 요하지 않고 적은 샘플만으로도 혼성화 반응을 수행할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 혼성화 시스템에 있어서, 상기 교반 장치의 밸브는 복수개의 혼성화 챔버에 공기의 공급을 제어하기 위한 분지 밸브인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 혼성화 시스템에서, 분지 밸브란 하나의 밸브에 여러 가닥의 채널이 연결되어 각 채널별로 독립적인 개폐의 제어가 가능한 밸브를 의미한다.

본 발명의 혼성화 시스템에 있어서, 상기 밸브는 전기적 신호에 의해 개폐될 수 있는 어떤 밸브도 가능하나, 바람직하게는 death volume이 적은 solenoid valve인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 혼성화 시스템에 있어서, 상기 통합 에어 채널은 별도의 에어 채널 없이 에어 펌프 내에 내포되어 있을 수도 있다. 이 경우 하나의 에어 펌프에서 두 가닥의 에어 채널이 나오게 된다.

본 발명의 혼성화 시스템에 있어서, 상기 에어 펌프는 전기적 신호에 의해 에어 채널내의 공기를 상승시키거나 하강시킬 수 있는 어떤 펌프도 가능하나, 바람직하게는 마이크로 볼륨조절이 가능한 stepping moter 방식의 마이크로 펌프인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 혼성화 시스템에 있어서, 상기 세척/건조 장치의 유로는 분지 밸브를 통하여 상기 교반 장치의 에어 채널에 연결되고 상기 에어채널은 샘플 주입구의 측벽에 연결되어 궁극적으로 하나의 채널을 통해 혼성화 챔버에 연결되는 통합 유로 시스템을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 혼성화 시스템에 있어서, 상기 세척/건조 장치의 유로 상에 분지 밸브를 통해 건조용 에어 라인이 연결된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 혼성화 시스템에 있어서, 상기 에어 라인을 통해 질소(N₂) 가스가 공급되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 혼성화 시스템에 있어서, 상기 플로우 펌프는 전기적 신호에 의해 에어 유로내의 유체의 흐름을 유발 할 수 있는 어떤 펌프도 가능하나, 바람직하게는 Solenoid Operated Micro Pumps인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 혼성화 시스템에 있어서, 상기 세척/건조 장치의 유로의 반대편에 복수개의 완충액 투입구와 연결되어 복수개의 완충액의 공급을 제어하기 위한 분지밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 혼성화 시스템에 있어서, 밸브의 개폐, 펌프의 작동 및 히터의 온도를 자동 제어하는 컴퓨터 중앙처리장치 및 시스템의 작동 상태를 보여주는 모니터를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 상판과 하판의 중첩에 의해 스페이스를 형성함에 있어서, 상기 상판 또는 하판중 하나의 표면에 스페이스의 외곽을 따라 스페이스 안쪽의 돌출부와 스페이스 바깥쪽의 오목부를 함께 형성한 것을 특징으로 하는 일체형 실링(sealing)부재를 제공한다.

본 발명의 일체형 실링 부재에 있어서, 상기 스페이스는 상판과 하판의 중첩에 의해 빈 공간의 형성을 필요로 하는 어떤 스페이스도 가능하나, 바람직하게는 랩온어칩이나 MEMS 등에 많이 사용되는 챔버 또는 채널인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일체형 실링 부재에 있어서, 상기 실링부재는 압축시 변형가능한 탄성력있는 어떤 폴리머로 가능하나, 바람직하게는 silicon sheet 형태인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일체형 실링 부재에 있어서, 상기 돌출부는 스페이스 안쪽으로 경사가 진 것을 특징으로 하며, 상판과 하판의 중첩으로 인한 압축시 돌출부가 경사면의 반대쪽으로 휘어져서 오목부를 메꾸게 된다.

본 발명의 일체형 실링 부재는 종래 상판과 하판에 각각 오목부를 두고 별도의 고무 오링으로 실링하는 방식과 달리, 상판 또는 하판중 하나만을 가공하면 되므로 미세유로나 챔버의 제조공정이 훨씬 단순화되며, 오링 안쪽에 챔버나 유로의 내용물이 오염될 염려가 적으며 일체형으로 되어 있어 분리하여 세척하기가 매우 용이하다.

본 발명은 hybridization system에 있어 chip에 target 용액을 효과적으로 diffusion하기 위한 방식에 관한 것으로서, target 용액이 chip에 고정화되어있는 probe에 효과적으로 binding할 수 있도록 micro pump의 상하이동과 valve를 조절하여 closed system 내에서 용액에 흐름을 줄 수 있는 방식이다.

본 발명은 pump의 크기에 상관이 없으나, micro array나 lab-on-a-chip 등에 사용하기에 적합하도록 valve 및 pump의 크기는 수-수십 μm로 소형화하는 것이 바람직하다.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예인 혼성화 시스템의 개념 구성도이다. 도 7을 참조하면, 본 발명의 혼성화 시스템은 바이오칩(12) 지지대 및 샘플투입구가 구비된 덮개로 형성되는 하나 이상의 혼성화 챔버(11)를 포함하는 챔버 장치(10), 상기 혼성화 챔버의 양 말단에 연결된 두개의 에어 채널(21, 21'), 상기 에어 채널상에 설치된 두개의 밸브(22, 22'), 상기 두개의 에어 채널이 연결된 하나의 통합 채널(24) 및 상기 통합 에어 채널상에 설치된 하나의 에어 펌프(25)를 포함하는 교반 장치(20), 및 상기 두개의 에어 체널 중 하나(21')에 분지 밸브(27)를 통해 연결된 유로(31), 상기 유로상에 연결된 플로우 펌프(32), 상기 유로의 반대편에 완충액 투입구(33)를 포함하는 세척/건조 장치(30)를 포함하는 바이오칩의 혼성화 시스템을 제공한다.

본 실시예의 챔버 장치(10)는 4개의 혼성화 챔버(11)를 가지며, 각 챔버마다 하나씩 4개의 슬라이드(#1~#4)가 바이오칩(12)으로서 지지대 위에 놓여있다. 상기 지지대 위의 덮개에 압력을 가하여 챔버를 형성하며, 형성된 챔버는 바이오칩의 모양에 따라 직사각형일 수 있으나, 양 말단에 에어 채널에 의해 투입된 공기가 chamber 각 부분에 균일하게 압력을 줄 수 있도록 유선형 모양인 것이 바람직하다. 샘플의 로딩은 덮개에 구비된 샘플투입구를 통해 마이크로 피펫(pippete)을 사 용하여 수동으로 하나, 자동 샘플투입장치에 의해 로딩할 수도 있다. 상기 혼성화 챔버내에서는 로딩된 샘플에 포함된 표적분자와 바이오칩에 고정된 프로브간의 혼성화 반응이 일어난다.

본 실시예의 교반 장치(20)에서, 상기 에어 채널 상의 밸브(22, 22')은 복수개의 혼성화 챔버에 공기의 공급을 제어하기 위한 분지 밸브일 수 있다. 본 실시예에서는 4개의 슬라이드에 공기를 공급하기 위하여 4 Way Mixing Valve를 사용하였다. 상기 에어 펌프(25)의 왕복과 함께 상기 에어 채널 상의 좌우 밸브(22, 22')가 교대로 개폐되면서 혼성화 챔버(11)내의 샘플을 좌우로 교반함으로써 샘플을 확산(diffusion)시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 교반 장치(20)는 두개의 밸브중 하나(22)를 개방하고 다른 하나(22')를 폐쇄시킨 상태에서 에어 펌프를 상승시키고, 상기 밸브의 개폐 상태를 서로 바꾼 상태에서 에어 펌프를 하강시키고, 상기 밸브의 개폐 상태를 그대로 유지하면서 에어 펌프를 상승시키고, 상기 밸브의 개폐 상태를 서로 바꾼 상태에서 에어 펌프를 하강시키는 단계들을 반복하여 상기 혼성화 챔버내 용액을 교반하게 된다. 본 실시예에서 펌프와 인접한 밸브(23)는 3 way valve로서 펌프에서의 전달압력을 1차적으로 양 연결라인에 정량적으로 보내는 연결부 역할을 담당하며, 또 다른 밸브(26)은 필요시 챔버 및 라인의 압력을 외부로 vent시키는 역할을 담당한다.

본 실시예의 세척/건조 장치(30)에서, 분지 밸브(27)은 세척/건조 장치의 유로(31)을 교반 장치의 에어 채널 중 하나(21')에 연결시켜 주는 역할을 하며, 본 실시예에서는 챔버쪽 채널, 에어 펌프쪽 채널, 유로 및 벤트를 포함하여 4개의 가 지를 가진 4 Way Mixing valve를 사용하였다. 따라서, 상기 세척/건조 장치의 유로(31)는 상기 교반 장치의 에어 채널(21')을 통하여 궁극적으로 혼성화 챔버(11)에 연결되므로 상기 에어 채널(21')은 교반용 공기 뿐만 아니라 세척용 버퍼 및 건조 공기의 통로 역할도 하게 된다. 본 실시예에서, 건조 공기를 공급하는 에어 라인(37)은 상기 분비 밸브(27)에 직접 연결될 수도 있으나, 상기 세척/건조 장치의 유로(31) 상의 별도의 제 2 분지 밸브(36)를 통해 유로와 연결될 수도 있다. 본 실시예에서, 상기 제 2 분지 밸브(36)는 챔버쪽 유로, 버퍼쪽 유로 및 에어 라인의 3개의 가지를 갖는 3 Way Walve를 사용하였다. 본 실시예에서, 바람직하게는 상기 에어 라인(37)을 통해 질소(N₂) 가스가 공급된다. 본 실시예에서, 상기 세척/건조 장치의 유로(31)의 반대편에는 완충액 투입구(33)가 완충액을 담고 있는 용기(34)와 연결된다. 이때, 완충액 용기(34)는 시스템 내부 또는 외부에 위치할 수 있다. 완충액 용기(34)가 시스템 외부에 위치할 경우에는 완충액 투입구(33)가 시스템 본체에 형성된 버퍼 라인 투입구를 통해 밖으로 연결된다. 바람직하게는, 상기 유로(31)와 완충액 투입구(33) 사이에는 복수개의 완충액 투입구(33)와 연결되어 복수개의 완충액의 공급을 제어하기 위한 제 3 분지밸브(35)를 더 포함할 수 있다. 본 실시예에서는, 상기 제 3 분지 밸브(35)로서 6개의 완축액 용기(33)로부터 완충액을 공급받기 위해 6 Way Mixing Valve를 사용하였다.

도 8a는 본 발명의 일 실시예인 혼성화 시스템의 측면(투시)도이다. 도 8을 참조하면, 본 실시예의 혼성화 시스템은 바이오칩 지지대를 포함하는 본체(400)위 에 힌지(112)로 연결된 제 1 덮개(110)가 걸림쇠(111)에 의해 닫혀있고, 제 1덮개와 힌지(122)로 연결된 제 2 덮개(120)은 걸림쇠(121)로부터 열려 있으며, 마이크로 피펫(15)으로 샘플 투입구(13)를 통해 혼성화 챔버(11)에 샘플을 투입하는 것을 보여준다. 상기 제 2 덮개(120)는 제 1 덮개의 샘플투입구(13)를 막을 수 있는 마개(14)가 구비되어 있다. 상기 혼성화 챔버의 하부에는 히터(410)가 구비되어 있다. 상기 시스템 본체(400)의 내부에는 교반장치(미도시)에 장착되어 있으며, 세척/건조 장치로서 제1 분지밸브(27), 제2 분지밸브(36) 및 제3 분지밸브(35)가 구비되어 있으며, 외부의 완충액 용기와 연결되는 버퍼라인 투입구(450)를 구비하고 있다. 본체 내부의 열을 식히기 위한 공기팬(430)을 구비하며, 공기 펌프(440)을 구비하고 있다. 또한, 본체 외부에는 비스듬히 시스템의 작동상태를 보여주는 LCD 모니터(420)를 구비하고 있다.

도 8b는 본 발명의 일 실시예인 혼성화 시스템의 평면도이다. 본 실시예의 혼성화 시스템을 위에서 본 좌측 하부에 4개의 혼성화 챔버(11)를 포함하는 챔버 장치가 장착되어 있는 것을 볼 수 있으며, 그 우측에 시스템의 작동상태를 보여주는 LCD 모니터(420)을 볼 수 있으며, 상단에 복수개의 버퍼라인 투입구(450)가 외부로 나있는 것을 볼 수 있다.

도 8c는 본 발명의 일 실시예인 혼성화 시스템의 정면도이다. 본 실시예의 혼성화 시스템의 본체(400)위에는 덮개(110)가 달려있고, 혼성화 챔버 아래에는 히터(410)가 장착되어 있으며, 우측 정면에 시스템의 작동상태를 보여주는 LCD 모니터(420)가 장착되어 있고, 본체 내부의 아래에 밸브의 개폐, 펌프의 작동 및 히터 의 온도를 자동 제어하는 컴퓨터 중앙처리장치(460)(Main PC Board) 및 전원을 공급하는 전원공급원(470)(Power Supply Unit)이 구비되어 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예인 혼성화 시스템의 완성된 제품의 사진이다. 본 실시예의 완성된 혼성화 시스템의 사이즈는 max 30 x 30 x 25 (단위 cm)로 양산 제조원가를 $7,500 이하로 낮출 수 있으며, PC와 인터페이스가 가능하며, 한 system으로 다수의 HS 장비를 연결가능하고, 독립운영을 위하여 자체 컨트롤러와 LCD 판넬을 내장하고 있으며, 동시 test chip수가 4장으로, 온도제어범위는 0 ~ 80 ℃이고, hyb방식은 pump를 이용한 agitation방식이고, washing은 pump를 이용한 flow방식으로 하고, dry는 air blowing 방식으로 한다.

도 10a는 본 발명의 일 실시예인 혼성화 시스템의 혼성화 챔버를 위에서 본 투시도이다. 혼성화 챔버(11)의 양 말단에 샘플 투입구(13)를 통해 에어 채널(21, 21')이 연결되어 있으며, 이들 에어 채널은 힌지가 있는 동일 방향으로 형성되어 덮개의 개폐를 가능하게 한다. 도 10b는 도 10a의 혼성화 챔버의 횡단면도와 실링부재를 나타낸 도면이다. 혼성화 챔버의 지지대위에 바이오칩(12)가 놓여 있으며, 그 위에는 덮개(110)가 덮어진다. 상기 혼성화 챔버의 아래에는 히터(410)가 장착되어 있다. 본 실시예의 혼성화 시스템에서, 상기 덮개는 하면에 혼성화 챔버의 외곽을 따라서 실링(sealing)부재(113)를 일체형으로 구비한 것을 특징으로 한다. 상기 혼성화 챔버의 실링부재는 챔버 안쪽의 돌출부(113a)와 챔버 바깥쪽의 오목부(113b)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 실링부재의 재료는 압축시 변형가능한 탄성력있는 어떤 폴리머로 가능하나, 바람직하게는 silicon 재질인 것을 특징으 로 한다.

도 11은 본 발명의 일 실시예인 혼성화 챔버의 실링부재의 작동 과정을 나타낸 도면이다. 혼성화 챔버의 지지대위에 바이오칩(12)가 놓여 있으며, 그 위에는 덮개(110)가 덮어진다. A)는 상기 덮개가 완전히 닫혀지기 전의 상태로서, 상기 실링부재의 돌출부(113a)가 변형되지 않아서 챔버의 높이가 원래 챔버 높이(0.2 mm) 더하기 돌출부 높이(0.5 mm)인 0.7 mm가 된다. B)는 상기 덮개가 완전히 닫혀진 상태로서, 상기 돌출부(113a)가 압축되어 변형되고 그 변형이 바로 옆의 오목부(113b)에 의해 흡수되어서 챔버의 높이가 원래 챔버 높이인 0.2 mm가 된다. C)는 샘플의 양이 적게 들기 하기 위해, 챔버의 높이를 더 작게 0.15 mm로 한 실시예이다.

도 12a는 본 발명의 일 실시예인 혼성화 시스템의 에어 채널을 위에서 본 투시도이다. 혼성화 챔버(11)의 양 말단에 샘플 투입구(13)를 통해 에어 채널(21, 21')이 연결되어 있으며, 이들 에어 채널은 힌지가 있는 동일 방향으로 형성되어 덮개의 개폐를 가능하게 한다. 도 12b는 본 발명의 일 실시예인 혼성화 시스템의 채널 또는 유로의 횡단면도와 실링부재를 나타낸 도면이다. A)에서, 상기 채널 또는 유로는 단면이 반원인 구르브를 구비한 상판(220)과 하판(210)을 중첩하여 단면이 원형인 채널 또는 유로를 형성한다. 본 실시예의 채널 또는 유로에서, 상기 상판 또는 하판은 구르브 외곽 표면에 실링(sealing)부재(213)를 일체형으로 구비한 것을 특징으로 한다. 상기 채널 또는 유로의 실링부재는 채널 또는 유로 안쪽의 돌출부(213a)와 채널 또는 유로 바깥쪽의 오목부(213b)를 포함하는 것을 특징으로 한 다. 상기 실링부재의 재료는 압축시 변형가능한 탄성력있는 어떤 폴리머로 가능하나, 바람직하게는 silicon 재질인 것을 특징으로 한다. B)는 상기 상판이 완전히 닫혀지기 전의 상태이고, C)는 상기 상판이 완전히 닫혀진 상태로서, 상기 돌출부(213a)가 압축되어 변형되고 그 변형이 바로 옆의 오목부(213b)에 의해 흡수되어서 채널(21)을 형성하게 된다.

도 13a는 본 발명의 일 실시예인 혼성화 시스템의 샘플투입구와 에어 채널을 위에서 본 투시도이다. 혼성화 챔버(11)의 양 말단에 샘플 투입구(13)를 통해 에어 채널(21, 21')이 연결되어 있으며, 이들 에어 채널은 힌지가 있는 동일 방향으로 형성되어 덮개의 개폐를 가능하게 한다. 도 13b는 본 발명의 일 실시예인 혼성화 챔버의 덮개의 종단면도와 마개의 구조를 나타낸 도면이다. 상기 덮개(110)에는 샘플투입구(13)가 형성되며, 상기 샘플투입구는 제2 덮개(120)에 형성된 마개(14)에 의해 개폐된다. 본 실시예의 혼성화 시스템에 있어서, 상기 샘플 투입구(13)의 측벽에 에어 채널(21)이 연결되어 궁극적으로 혼성화 챔버의 말단에 연결되는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 실시예의 혼성화 시스템에서, 상기 샘플투입구(13)은 상단 일측에 공기배출구(14b)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 상기 공기 배출 홀(14b)은 상기 마개(14)가 닫혀져서 마개 밑면(14b)가 덮개 상면에 접촉하였을때 마개 꼭지(14c)의 삽입으로 인한 샘플주입구내 공기의 압축을 완화하고 공기 배출구(air vent)로서의 역할을 한다. 따라서, 압축된 공기로 인한 혼성화 챔버내 샘플의 밀림 현상을 방지할 수 있다. 또한, 상기 마개 꼭지(14c)는 샘플투입구의 벽면과 약간 떨어지게 가공되어 틈을 형성하는 것을 특징으로 하며, 상기 형성된 틈 사이 로 모세관 현상으로 인해 세척후 남아있는 완충액이 밀려들어감으로써 건조단계에서 남아있는 완충액이 혼성화 챔버에 밀려들어가서 부채살 모양으로 오염하는 것을 방지할 수 있다.

도 13c는 본 발명의 일 실시예인 혼성화 시스템의 패킹장치의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 본 발명의 패킹장치는 챔버 상판 덮개에 형성된 샘플투입구(13) 중 마개와 맞닿는 샘플투입구의 상단 일측에 공기배출구(14b)을 구비하고 있다. 상기 공기배출구(14b)는 상기 샘플투입구(13)의 일측벽에 상단으로부터 일정 길이 그루브 모양으로 파여 있어서, 샘플 투입구(13)에 마개(14)를 닫을때 삽입되는 마개의 부피로 인한 압축 공기를 화살표 방향으로 배출하게 해주며, 최종적으로 샘플투입구의 직경보다 큰 마개 상단 밑면(14a)이 챔버 상판 덮개와 밀착하면서 샘플투입구를 패킹하게 된다.

도 13d는 본 발명의 일 실시예인 혼성화 시스템의 패킹장치의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 본 발명의 패킹장치는 챔버 상판 덮개에 형성된 샘플투입구(13)와 맞닿는 마개(14)의 하단 일측에 공기배출구(14b)를 구비하고 있다. 상기 공기배출구(14b)는 상기 마개(14)의 일측벽에 하단으로부터 일정 길이 그루브 모양으로 파여 있어서, 샘플 투입구(13)에 마개(14)를 닫을때 삽입되는 마개의 부피로 인한 압축 공기를 화살표 방향으로 배출하게 해주며, 최종적으로 샘플투입구의 직경보다 큰 마개 상단 밑면(14a)이 챔버 상판 덮개와 밀착하면서 샘플투입구를 패킹하게 된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시 예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다.

실시예: Hybstation system 적용실험

본 발명의 교반 방식(hybstation hybridization 방식)을 MODY3 chip에 적용하여 기존의 커버 슬라이드 patch방식과 비교하였다. 실험에 사용된 프로브들은 아래 표 1과 같다.

[표 1]

먼저, 표적 핵산 MODY3에 대한 프로브들(첨부참조)을 기판 상에 고정화하여 마이크로어레이를 완성하였다. 즉, 분자량10000의 폴리에틸렌글리콜(polyethylenglycol, PEG), 0.025M Sodium carbonate buffer(pH 10), formamide를 1:1:2로 혼합한 용액에, WP(wild probe) 또는 MP(mutant probe)를 넣은 다음, 그 최종 용액을 실리콘 wafer 표면에 바이오로봇 프린터 (모델 PixSys 5500, Cartesian Technologies, Inc., CA, 미국)를 이용하여 스폿팅하였다. 그런 다음, 37℃에서 4 시간 동안 습한 인큐베이터에서 방치하고, 이어 배경 노이즈의 제어에 필요한 공정, 즉, 표적 핵산이 wafer 표면에 부착하지 않도록 하기 위해 스폿팅되지 않은 위치의 wafer 표면 아민기가 음전하를 띄도록 반응을 실행하고 건조기에 보관하였다. 본 실시예에서는, 표적 핵산 (tgggttctgccctttgcgctgggatggtgaagcttccagcc) 의 몸체 또는 양말단에 형광물질로서 Cy3-dUTP를 표지하였다. 상기와 같이 표지된 표적 핵산의 혼성화 조건은 0.1% 6xSSPET (0.1% Trition X-100을 포함하는 Saline Sodium Phosphate EDTA Buffer) 용매에 용해된 187nM 농도의 표적 핵산과 마이크로어레이를 37℃에서 16 시간 동안 반응시킨 chip과 hybstation을 이용하여 반응시킨 chip을 0.05 % 6xSSPET와 0.05 % 3xSSPET로 각 5 분씩 상온에서 세척하고, 5 분간 상온에서 건조시킨 후, 스캐닝하였다. 이 때 스캐닝은 액손 (Axon) 스캐너 (모델 GenePix 4000B, Axon Instrument, Inc., CA, 미국)를 이용하였고, 스캐닝 데이터를 해석하는 프로그램으로는 동사의 진픽스 프로 3.0 (GenePix Pro 3.0) 프로그램을 사용하여 비율 성분과 강도 성분을 계산하였다. 표 2는 양 방식의 실험조건을 비교한 표이다.

[표 2]

Test chip을 기존 방식과 본 발명의 Hyb 방식마다 각각 20장씩 시험하여 spot intensity와 PM/MM ratio의 평균과 CV를 구한 결과, 표 3과 같다.

[표 3]

표 3에서 보여지듯이, 본 발명의 신규 hyb 방식이 기존 reference 방식보다 intensity CV와 PM/MM ratio CV가 훨씬 적은 것을 알 수 있었다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 상기와 같은 hybstation system을 적용 제작함으로써 적은 양의 sample(45ul)를 agitation 방식을 이용하여 hybridization 할 수 있으며, pump를 이용한 기존의 hybridization system 대비 저가의 system을 구축할 수 있으며, pump와 valve만으로 closed system내에 mixing이 가능함으로써 기존의 diaphragm pump 및 peristaltic pump를 이용한 hybridization system을 대체할 수 있으며, 기존의 chamber sealing 방식에 문제점인 sealing pad와 chamber사이에 흡착하는 미제거 반응물을 없앨 수 있다.

Claims

바이오칩 지지대 및 샘플투입구가 구비된 덮개로 형성되는 하나 이상의 혼성화 챔버를 포함하는 챔버 장치,

상기 혼성화 챔버의 양 말단에 연결된 두개의 에어 채널, 상기 에어 채널상에 설치된 두개의 밸브, 상기 두개의 에어 채널이 연결된 하나의 통합 에어 채널 및 상기 통합 에어 채널상에 설치된 하나의 에어 펌프를 포함하는 교반 장치, 및

상기 두개의 에어 체널 중 하나에 분지 밸브를 통해 연결된 유로, 상기 유로상에 연결된 플로우 펌프, 상기 유로의 반대편에 완충액 투입구를 포함하는 세척/건조 장치를 포함하는 바이오칩의 혼성화 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 바이오칩은 DNA, RNA, PNA(Peptide Nucleic Acid), LNA(Locked Nucleic Acid), 펩타이드 및 단백질로 구성된 군에서 선택된 생물분자가 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 혼성화 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 덮개는 상부에 샘플투입구를 막을 수 있는 마개가 구비된 제 2 덮개를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혼성화 시스템.
제 3항에 있어서, 상기 마개와 맞닿는 샘플투입구의 상단 일측 또는 샘플투입구와 맞닿는 마개의 하단 일측에 공기배출구(air vent)을 구비하는 것을 특징으로 하는 혼성화 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 혼성화 챔버의 외곽에는 덮개 하면에 실링(sealing)부재를 일체형으로 구비한 것을 특징으로 하는 혼성화 시스템.
제 5항에 있어서, 상기 실링부재는 챔버 안쪽의 돌출부와 챔버 바깥쪽의 오목부를 포함하는 것을 특징으로 하는 혼성화 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 혼성화 챔버의 하부에는 히터(heater)가 구비된 것을 특징으로 하는 혼성화 시스템.
제 7항에 있어서, 상기 히터는 열전소자(Peltie device)를 이용하여 혼성화 챔버를 가열 또는 냉각하는 것을 특징으로 하는 혼성화 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 혼성화 챔버의 말단에 연결된 에어 채널은 상기 샘플투입구의 측벽에 연결되는 것을 특징으로 하는 혼성화 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 에어 채널 또는 유로는 단면이 반원인 구르브를 구비한 상판과 하판을 중첩하여 단면이 원형인 채널 또는 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 혼성화 시스템.
제 10항에 있어서, 상기 상판 또는 하판은 구르브 외곽 표면에 실링(sealing)부재를 일체형으로 구비한 것을 특징으로 하는 혼성화 시스템.
제 11항에 있어서, 상기 실링부재는 채널 또는 유로 안쪽의 돌출부와 채널 또는 유로 바깥쪽의 오목부를 포함하는 것을 특징으로 하는 혼성화 시스템.
제 1에 있어서, 상기 교반 장치는 두개의 밸브중 하나를 개방하고 다른 하나를 폐쇄시킨 상태에서 에어 펌프를 상승시키고, 상기 밸브의 개폐 상태를 서로 바꾼 상태에서 에어 펌프를 하강시키고, 상기 밸브의 개폐 상태를 그대로 유지하면서 에어 펌프를 상승시키고, 상기 밸브의 개폐 상태를 서로 바꾼 상태에서 에어 펌프 를 하강시키는 단계들을 반복하여 상기 혼성화 챔버내 용액을 교반하는 것을 특징으로 하는 혼성화 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 교반 장치의 밸브는 복수개의 혼성화 챔버에 공기의 공급을 제어하기 위한 분지 밸브인 것을 특징으로 하는 혼성화 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 세척/건조 장치의 유로는 분지 밸브를 통하여 상기 교반 장치의 에어 채널에 연결되고 상기 에어채널은 샘플 주입구의 측벽에 연결되어 궁극적으로 하나의 채널을 통해 혼성화 챔버에 연결되는 통합 유로 시스템을 구비하는 것을 특징으로 하는 혼성화 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 세척/건조 장치의 유로 상에 분지 밸브를 통해 건조용 에어 라인이 연결된 것을 특징으로 하는 혼성화 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 세척/건조 장치의 유로의 반대편에 복수개의 완충액 투입구와 연결되어 복수개의 완충액의 공급을 제어하기 위한 분지밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혼성화 시스템.
제 1항에 있어서, 밸브의 개폐, 펌프의 작동 및 히터의 온도를 자동 제어하는 컴퓨터 중앙처리장치 및 시스템의 작동 상태를 보여주는 모니터를 구비하는 것 을 특징으로 하는 혼성화 시스템.
상판과 하판의 중첩에 의해 스페이스를 형성함에 있어서, 상기 상판 또는 하판중 하나의 표면에 스페이스의 외곽을 따라 스페이스 안쪽의 돌출부와 스페이스 바깥쪽의 오목부를 함께 형성한 것을 특징으로 하는 일체형 실링(sealing)부재.
제 19항에 있어서, 상기 스페이스는 챔버 또는 채널인 것을 특징으로 하는 일체형 실링 부재.
제 19항에 있어서, 상기 돌출부는 스페이스 안쪽으로 경사가 진 것을 특징으로 하는 일체형 실링 부재.
제 19항에 있어서, 상기 실링부재는 탄성력있는 폴리머로 이루어져서 압축시 변형가능한 것을 특징으로 하는 일체형 실링 부재.
제 19항에 있어서, 상기 탄성력 있는 폴리머는 실리콘(silicon) 재질인 것을 특징으로 하는 일체형 실링 부재.