KR20070037525A - 모듈간의 편차를 줄이기 위한 pcr 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하우징; 상기 하우징 내벽에 연결설치된 지지선반; 상기 지지선반 일측에 연결설치되어 DNA 칩을 관찰하는 옵틱; 상기 지지선반 및 옵틱의 하단에 일정간격으로 이격 되도록 구비된 기판; 상기 기판의 상단면에 설치되어 DNA 칩을 안착시키고, 상기 DNA 칩에 목적한 열을 제공하는 히터; 상기 기판의 일측에 구비되어 상기 히터에 전류를 제공하는 전류제공수단; 및 상기 기판의 하단부에 연결설치되어 기판을 회전 또는 이동시키는 구동수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 PCR 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 PCR 장치는 PCR 장치 내 모듈에 각각의 히터와 옵틱이 설치되어 있는 것이 아니라, PCR 장치 내에 하나의 옵틱만을 설치하여 모듈 간에 히터와 옵틱의 편차를 제거하여 다수의 PCR을 동시에 진행하여도 정확한 PCR 결과를 얻을 수 있게 하고, 옵틱의 제작 공차로 인한 오차를 방지 할 수 있으며, 동시에 여러 칩을 분석 할 수 있는 효과가 있다.
PCR 장치, DNA 칩, 옵틱, 하우징
Description
도 1은 본 발명에 따른 PCR 장치의 평면도,
도 2는 본 발명에 따른 PCR 장치의 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 PCR 장치의 다른 양태를 나타내는 평면도,
도 4는 본 발명에 따른 PCR 장치의 다른 양태를 나타내는 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : DNA 칩 2 : 히터
3 : 전류공급수단 4 : 옵틱
5 : 모터 6 : LM가이드
7 : 지지선반 8 : 기판
본 발명은 DNA 칩을 가열하여 DNA 칩을 증폭시키는 PCR (Polymerase Chain Reaction) 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모듈간의 편차를 없애기 위해 하나의 옵틱을 사용하여 여러 개의 DNA 칩을 정성적 및 정량적으로 분석할 수 있는 PCR 장치에 관한 것이다.
DNA 증폭기술은 생명과학, 유전공학 및 의학분야 등의 연구개발 및 진단 목적으로 광범위하게 활용되고 있으며, 특히 중합효소 연쇄반응에 의한 DNA 증폭기술(이하,‘PCR DNA 증폭기술‘이라 한다)이 널리 활용되고 있다.
PCR DNA 증폭기술은 PCR 장치의 구성을 자동화하여 여러 종류의 DNA 시료들을 보다 효율적으로 신속하게 증폭하기 위해 다양한 장치 및 방법들이 개발되어 사용되고 있는데, 그 기본적인 작동원리는 다음과 같다.
상용화된 PCR DNA 증폭기술은 증폭될 주형 DNA(Template DNA), 주형 DNA의 각 단일가닥의 특정 서열과 상보적인 서열을 가지는 올리고뉴클레오티드(Oligonucleotide) 프라이머(Primer)쌍, 고온 안정성 DNA 중합효소(Thermostable DNA polymerase) 및 삼인산화데옥시리보뉴클레오티드(Deoxyribonucleotide triphosphates : dNTP)를 포함한 시료를 준비하고, 이 시료의 온도를 순차적으로 변화시키는 온도 사이클을 반복함으로써 주형 DNA의 특정 부위 염기서열을 증폭한다.
증폭 기술은 구체적으로 3단계 또는 2단계의 온도순환 사이클을 사용하게 되는데, 온도 변화에 의하여 DNA 증폭을 달성하는 과정은 다음과 같다.
첫 번째 단계는 변성단계(Denaturation step)로서, 상기 시료를 고온으로 가 열시킴으로써 이중가닥 DNA를 단일가닥 DNA로 분리하는 단계이다. 두 번째 단계는 풀림단계(Annealing step)로서, 상기 변성단계를 거친 시료를 적정 온도로 냉각시킴으로써, 상기 단일가닥 DNA와 프라이머가 이중 나선 결합을 하여 부분적으로 이중가닥이 된 DNA-프라이머 복합체(DNA-primer complex)를 형성하는 단계이다. 세 번째 단계는 중합단계(Polymerization step)로서, 상기 풀림단계를 거친 시료를 적정 온도로 유지함으로써 DNA-프라이머 복합체의 프라이머를 DNA 중합효소가 중합반응에 의해 연장(Extension)함으로써 원래의 주형 DNA에 대하여 상보적인 서열을 가지는 새로운 단일가닥 DNA를 복제하는 단계이다. 이와 같은 세 가지 단계를 순차적으로 20회 내지 40회 정도 반복하여 매 사이클마다 두 개의 프라이머 사이의 DNA가 복제되게 함으로써 수백만 배 또는 그 이상에 이르는 DNA 증폭을 달성하게 된다.
상기 변성단계에서의 온도는 90 내지 95℃ 범위의 값이며, 상기 풀림단계에서의 온도는 사용된 프라이머의 녹는점(Tm), 즉 Tm값에 따라 적정하게 조절하는데, 통상적으로 40 내지 60℃ 범위의 값이다. 중합단계에서의 온도는 주로 사용하는 써머스 아쿠아티쿠스(Thermus aquaticus)로부터 추출한 고온 안정성 Taq DNA 중합효소(Taq DNA Polymerases)의 최적 활성 온도인 72℃로 맞추어, 3단계 온도 순환 사이클을 사용하는 것이 가장 보편적이며, Taq DNA 중합효소의 활성 온도 범위가 상당히 넓으므로 상기 풀림단계와 중합단계의 온도를 같게 하여 온도를 순환하는 2단계 온도 사이클도 사용하고 있다.
여기서, 일정 온도의 유지와 단계별 온도 변화가 신속하게 이루어지지 않으 면 풀림단계에서 온도가 낮아지면 증폭시키고자 하는 정 위치에 프라이머가 붙지 않기 때문에 수율에 큰 영향을 미치게 된다.
이와 같이 DNA 칩을 가열하여 DNA를 증폭시키는 종래의 PCR장치는 DNA 칩 하단부에 모듈을 구성하여 실리콘 히터에 의해 온도를 상승 및 하강시키는 방식으로, 각 모듈마다 모듈에 대응되는 히터 및 옵틱이 설치되어 있다.
전술한 장치는 각각의 모듈이 원하는 온도 조건을 유지하여 여러 모듈의 DNA를 동시에 증폭할 수 있으나, 이는 동일한 종류의 DNA 칩을 동시에 증폭시킬 경우 각 모듈마다 모듈에 대응되는 히터와 옵틱의 편차로 인하여 정확한 측정이 어려운 문제점이 있다.
PCR 증폭의 온도 메카니즘인 변성ㆍ풀림ㆍ중합 과정을 반복하면서 각 단계를 온도 조절하는 것은 매우 중요하며, 증폭 온도는 오차 범위가 ±0.05℃로 유지하여야하는데 종래 PCR 장치는 모듈간에 히터와 옵틱이 설치되므로, 변동 변수가 많기 때문에 모듈간의 편차, 장비간의 편차, 시편간의 편차가 많아서 장비의 신뢰성이 떨어지고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은 다수의 옵틱을 사용할 경우 발생할 수 있는 옵틱 사이의 편차를 제거하기 위해 PCR 장치에 하나의 옵틱만 설치하여, PCR 증폭시 옵틱간의 편차가 없는 PCR 결과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 동시에 다수의 칩을 증폭할 수 있도록 하는 PCR 장치를 제공하는데 기술적 과제가 있다.
본 발명은 하우징; 상기 하우징 내벽에 연결설치된 지지선반; 상기 지지선반 일측에 연결설치되어 DNA 칩을 관찰하는 옵틱; 상기 지지선반 및 옵틱의 하단에 일정간격으로 이격 되도록 구비된 기판; 상기 기판의 상단면에 설치되어 DNA 칩을 안착시키고, 상기 DNA 칩에 목적한 열을 제공하는 히터; 상기 기판의 일측에 구비되어 상기 히터에 전류를 제공하는 전류제공수단; 및 상기 기판의 하단부에 연결설치되어 기판을 회전 또는 이동시키는 구동수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 PCR 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 PCR 장치는 DNA 칩이 안착될 수 있도록 히터가 설치된 기판과 상기 DNA 칩을 관찰하기 위한 하나의 옵틱으로 구성된 PCR 장치라면 어떠한 PCR 장치라도 상기 PCR 장치에 해당될 것이지만, 바람직하게는 기판 하단부에 상기 기판을 회전 또는 이동시킬 수 있는 구동수단이 구비되어 DNA 칩을 옵틱의 위치로 이동시키는 PCR 장치를 의미하며, 보다 바람직하게는 온도가 전달되는 것을 방지하는 하우징 내부에 히터가 설치된 기판이 연결설치되고, 상기 기판을 이동 또는 회전시킬 수 있는 구동수단이 설치되며, 이동된 DNA 칩을 옵틱으로 관찰할 수 있도록 구성된 PCR 장치를 의미한다.
상기 하우징은 PCR 장치의 외관으로 제공되는 것으로서, 외부로부터 공기를 유입시켜 DNA 칩의 온도를 감소시키는 공냉 방식을 이용하기 위해 내부 일측에 외측면을 관통하는 구멍이 형성되고, 상기 구멍에 외부 공기를 흡입하기 위한 팬이 구비되며, 그 내부에는 지지선반, 옵틱, 기판, 히터, 전류공급수단 및 구동수단이 구비된다. 필요에 따라, 빛이 내부로 들어오지 못하도록 하우징이 이중으로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 옵틱은 검출기 및 광원(LED)으로 구성되어 상기 옵틱의 하단부로 이동된 DNA 칩의 형광신호를 검출할 수 있도록 구성되는 것으로서, 당업계의 통상적인 옵틱을 사용하는 것이 좋다.
본 발명에 따른 지지선반은 하우징 내벽 일측에 연결설치되는 것으로서, 지지선반 하단부에는 상기 옵틱이 연결설치되어 고정된다.
상기 지지선반 및 옵틱 하단에 일정간격으로 이격 되도록 구비된 기판은 기판 상단부에 DNA 칩을 안착시킬 수 있는 다수의 히터가 일정 간격으로 설치되고, 그 형태가 사각형 또는 원형 등으로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 히터는 기판의 상단부에 설치된 것으로서, 전류를 공급받아 DNA 칩에 일정한 열을 제공하기 위한 저항체로 형성되고, DNA 칩이 안착될 수 있게 상단부가 평평하게 형성되며, 실리콘 히터 또는 TEC(Thermal Electrical Cooler)소자를 이용한 히터가 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 전류공급수단은 기판의 일측에 설치되고, 전류공급수단의 일측이 상기 히터와 연결되어 히터가 발열할 수 있도록 전류를 제공한다.
필요에 따라, 상기 히터는 내부에 온도센서를 구비하여 히터 내부온도를 피드백 받아 전류공급수단의 전류를 조절함으로써 히터의 온도를 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 구동수단은 상기 기판의 하단부에 연결설치되어 기판을 이동 또는 회전시키기 위한 것으로서, 이러한 목적을 달성할 수 있는 것이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하며, 바람직하게는 모터 또는 모터 및 LM가이드를 이용하는 것이 좋다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 PCR 장치의 평면도, 도 2는 본 발명에 따른 PCR 장치의 단면도, 도 3은 본 발명에 따른 PCR 장치의 다른 양태로 나타내는 평면도, 도 4는 본 발명에 따른 PCR 장치의 다른 양태로 나타내는 단면도로서 함께 설명한다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 PCR 장치는 하우징(미도시); 상기 하우징 내벽에 연결설치된 지지선반(7); 상기 지지선반(7) 일측에 연결설치되어 DNA 칩을 관찰하는 옵틱(4); 상기 지지선반(7) 및 옵틱(4)의 하단에 일정간격으로 이격 되도록 구비된 기판(8); 상기 기판(8)의 상단면에 설치되어 DNA 칩(1)을 안착시키고, 상기 DNA 칩(1)에 목적한 열을 제공하는 히터(2); 상기 기판(8)의 일측에 구비되어 상기 히터(2)에 전류를 제공하는 전류제공수단(3); 및 상기 기판(8)의 하단부에 연결설치되어 기판(8)을 회전 또는 이동시키는 구동수단(5,6)을 포함하여 구성되며, 본 발명에서 사용되고 있는 PCR 장치에 대해 설명하면 다음과 같다.
전술한 구성을 갖는 PCR 장치에 있어서, 기판의 형태, 예를 들면 원형 또는 사각형에 따라 PCR 장치를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 하우징 내부 일측에 지지선반(7)이 구비되고, 상기 지지선반(7)의 하단부에 옵틱(4)이 설치되며, 상기 지지선반 및 옵틱(4)의 하단에 원형의 기판(8)이 일정간격 이격되어 구비되고, 상기 원형의 기판(8) 일측에 전류공급수단(3)이 연결설치되며, 상기 기판(8) 하단부에 기판(8)을 회전시키기 위한 모터(5)가 연결설치된다.
이때, 원형의 기판(8)은 외주면을 따라 일정간격이 이격된 형태로 홈(미도시)이 형성되고, 상기 각각의 홈에 유전자와 시약을 넣어 제작한 DNA 칩(1)이 안착되며, 상기 홈의 하단면에 히터(2)가 각각 설치된다.
상기 히터(2)는 DNA 칩(1)에 일정한 열을 제공하여 DNA를 증폭시키는 장치로서, 상기 기판(8) 상단부에 DNA 칩(1)을 안착시킬 수 있는 형태로 설치되며, 바람직하게는 평판형태가 좋다.
특정 양태로서, 본 발명에 따른 히터(2)는 실리콘 웨이퍼 위에 Ti/Pt 패턴이 코팅된 저항체로, 전류공급수단(3)으로부터 전류를 공급받아 열을 발생한다.
여기서, 전류공급수단(3)은 상기 히터(2)가 DNA 칩(1)에 일정한 열을 제공할 수 있도록 일측이 상기 히터(2)에 연결설치되어 히터(2)가 발열될 수 있는 전류를 제공하며, 이러한 목적을 달성할 수 있는 것이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하며, 바람직하게는 당업계에서 통상적으로 사용되는 전류공급수단(3)을 사용하는 것이 좋다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 PCR 장치를 이용하여 DNA 증폭을 달성하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
DNA 증폭을 위한 첫 번째 단계인 변성단계는 증폭하고자 하는 시료인 DNA 칩(1)을 약 95℃로 가열하기 위한 단계로서, 다수의 DNA 칩(1)을 기판(8)의 외주면을 따라 일정간격으로 이격되어 형성된 홈에 안착시키고, 상기 홈의 하단에 구비된 각각의 히터(2)가 전류공급수단(3)으로부터 전류를 제공받아 목적온도로 가열되어 DNA 칩(1)을 변성단계의 온도인 약 95℃로 가열한다. 상기 DNA 칩(1)은 기판(8)의 하단에 구비된 모터(5)의 회전을 이용하여 옵틱(4)의 위치로 이동되고, DNA 칩(1)의 형광신호를 옵틱(4)의 검출기로 검출한다.
그 다음, 모터(5)의 회전을 이용하여 상기 DNA 칩(1)에 이웃한 다른 DNA 칩(1)을 옵틱(4) 위치로 이동시켜 DNA 칩(1)의 형광신호를 옵틱(4)의 검출기로 검출한다.
그 다음, 기판(8)에 안착된 다수의 DNA 칩(1)이 목적온도에 도달할 때까지 옵틱(4)의 검출기를 통해 형광신호가 지속적으로 검출되도록 전술한 과정을 반복한다.
두 번째 단계인 풀림단계는 상기 변성단계를 거친 DNA 칩(1)을 적정온도(약 55℃)로 냉각시키는 단계로서, 히터(2)에 공급되는 전류를 감소시키고, 하우징에 구비된 팬으로 하우징 내부와 외부의 공기를 순환시켜 하우징 내부의 온도를 냉각시킨다.
냉각된 다수의 DNA 칩(1)이 옵틱(4)의 검출기를 통해 형광신호가 모두 검출되도록 상기 첫 번째 변성단계의 DNA 칩(1) 형광신호 검출 과정을 반복한다.
세 번째 단계인 중합단계는 상기 풀림단계를 거친 DNA 칩(1)을 적정온도(약 72℃)로 가열시키는 단계로서, 히터(3)에 공급되는 전류를 증가시켜 히터(2)가 DNA 칩(1)에 공급하는 온도를 증가시킨다.
가열된 다수의 DNA 칩(1)이 옵틱(4)의 검출기를 통해 형광신호가 모두 검출되도록 상기 첫 번째 변성단계의 DNA 칩(1) 형광신호 검출 과정을 반복한다.
이와 같은 세 단계를 순차적으로 20 내지 40회 정도 반복하여 매 사이클마다 두 개의 프라이머 사이의 DNA가 복제되게 함으로써 수백만 배 또는 그 이상에 이르는 DNA 증폭을 달성할 수 있게 된다.
PCR 장치의 다른 양태로서, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 하우징 내부 일측에 지지선반(7)이 설치되고, 상기 지지선반(7)의 하단부에 옵틱(4)이 연결설치되며, 상기 옵틱(4) 하단에 사각형의 기판(8)이 설치되고, 상기 기판(8) 일측에 전류공급수단(3)이 연결설치되며, 상기 기판(8)의 하단부에 기판(8)을 이동시키기 위한 모터(5)와 LM가이드(6)가 연결설치된다.
이때, 기판(8)은 바둑판 형태로 일정하게 정렬된 홈이 형성되고, 상기 홈에 유전자와 시약을 넣어 제작한 DNA 칩(1)이 안착되며, 상기 홈의 하단면에 DNA 칩(1)을 증폭하기 위해 열을 제공하는 히터(2)가 각각 설치된다.
상기 모터(5)와 LM가이드(6)는 상기 기판(8)에 안착된 각각의 DNA 칩(1)을 옵틱(4)의 위치로 이동시키기 위한 것으로써, 이러한 목적을 달성할 수 있는 것이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하며, 바람직하게는 당업계에서 통상적으로 사용되는 LM가이드(6)를 사용하는 것이 좋다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 PCR 장치의 이용하여 DNA 증폭을 달성하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저 변성단계는 증폭하고자 하는 시료인 DNA 칩(1)을 가열하기 위해 다수의 DNA 칩(1)을 기판(8)의 상단면에 설치된 히터(2)의 상단면에 안착시키고, 전류공급수단(3)이 히터(2)에 일정한 전류를 제공한다.
그 다음, 전류공급수단(3)에 의해 가열된 히터(2)가 DNA 칩(1)에 열을 공급하여 DNA 칩(1)이 목적 온도(약 95℃)에 도달되면 기판(8)의 하단에 구비된 모터(5) 및 LM가이드(6)를 이용한 X-Y 2차원 운동을 통해 DNA 칩(1)을 옵틱(4)의 위치로 이동시켜, DNA 칩(1)의 형광신호를 옵틱(4) 모듈의 검출기로 검출한다.
그 다음, 모터(5) 및 LM가이드(6)의 X-Y 2차원 운동를 이용하여 상기 DNA 칩(1)에 이웃한 다른 DNA 칩(1)을 상기 옵틱(4) 위치로 이동시켜, DNA 칩(1)의 형광신호를 옵틱(4)의 검출기로 검출한다.
그 다음, 기판(8)에 안착된 다수의 DNA 칩(1)이 옵틱(4)의 검출기를 통해 모두 검출되도록 전술한 과정을 반복한다.
두 번째 풀림단계는 변성단계를 거친 DNA 칩(1)을 냉각시키는 단계로서, 히터(2)에 공급되는 전류를 감소시켜 히터(2)의 온도를 저하시키고, 하우징에 구비된 팬으로 하우징 내부와 외부의 공기를 순환시켜 하우징 내부의 온도를 저하시킨다.
냉각된 다수의 DNA 칩(1)의 형광신호가 옵틱(4)의 검출기를 통해 모두 검출되도록 전술한 첫 번째 변성단계의 DNA 칩(1) 형광신호 검출 과정을 반복한다.
세 번째 중합단계로서, 히터(3)에 공급되는 전류를 증가시켜 히터(2)가 DNA 칩(1)에 공급하는 온도를 상승시킨다.
가열된 다수의 DNA 칩(1)이 옵틱(4)의 검출기를 통해 모두 검출되도록 전술한 첫 번째 변성단계의 DNA 칩(1) 형광신호 검출 과정을 반복한다.
이와 같은 세 단계를 순차적으로 20 내지 40회 정도 반복하여 매 사이클마다 두 개의 프라이머 사이의 DNA가 복제되게 함으로써 수백만 배 또는 그 이상에 이르는 DNA 증폭을 달성할 수 있게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명에 따른 PCR 장치는 PCR 장치 내 모듈에 각각의 히터와 옵틱이 설치되어 있는 것이 아니라, PCR 장치 내에 하나의 옵틱만을 설치하여 모듈 간에 히터와 옵틱의 편차를 제거하고, 다수의 PCR을 동시에 진행하여도 정확한 PCR 결과를 얻을 수 있게 하며, 옵틱의 제작 공차로 인한 오차를 방지할 수 있으며, 동시에 여러 칩을 분석할 수 있는 효과가 있다.
Claims (4)
- 하우징; 상기 하우징 내벽에 연결설치된 지지선반; 상기 지지선반 일측에 연결설치되어 DNA 칩을 관찰하는 옵틱; 상기 지지선반 및 옵틱의 하단에 일정간격으로 이격 되도록 구비된 기판; 상기 기판의 상단면에 설치되어 DNA 칩을 안착시키고, 상기 DNA 칩에 목적한 열을 제공하는 히터; 상기 기판의 일측에 구비되어 상기 히터에 전류를 제공하는 전류제공수단; 및 상기 기판의 하단부에 연결설치되어 기판을 회전 또는 이동시키는 구동수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 기판이 원형으로 형성되고, DNA 칩을 안착시키는 히터가 기판의 외주면을 따라 기판의 상단부에 구비되는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 기판이 평판형으로 형성되고, DNA 칩을 안착시키는 히터가 기판 상단부에 바둑판 형태로 정렬되어 설치되며, 기판 하단에 설치된 구동수단이 X-Y 이차원 축 운동으로 각각의 DNA 칩을 옵틱의 위치로 이동시키는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 하우징이 내부 일측에 외측면을 관통하는 구멍이 형성되고, 상기 구멍에 외부 공기를 흡입하기 위한 팬이 구비된 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
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