KR20110137090A - Light transmittable temperature control device and polymerase chain reaction apparatus with the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명의 실시예는 광투과형 온도제어장치 및 이를 구비하는 실시간 검출형 중합 효소 연쇄 반응 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 핵산 증폭을 위한 용기들의 온도 제어와 핵산 증폭의 실시간 검출이 효과적으로 이루어지는 광투과형 온도제어장치 및 이를 구비하는 실시간 검출형 중합 효소 연쇄 반응 장치에 관한 것이다.Embodiment of the present invention relates to a light transmission type temperature control device and a real-time detection type polymerase chain reaction device having the same, and more particularly, the light transmission type that is effective in the temperature control of the vessels for nucleic acid amplification and the real time detection of nucleic acid amplification It relates to a temperature control device and a real-time detection type polymerase chain reaction device having the same.
생명과학, 유전공학 및 의학 분야 등의 연구개발 및 진단 목적으로 핵산(DNA, RNA) 증폭기술이 광범위하게 활용되고 있으며, 여러 가지 핵산 증폭기술 중에서도 중합 효소 연쇄 반응(Polymerase Chain Reaction; PCR)을 이용한 핵산 증폭기술이 널리 활용되고 있다. 중합 효소 연쇄 반응(PCR)은 유전체에 있는 특정 염기 서열을 필요한 만큼 증폭시킬 경우 이용된다.Nucleic acid (DNA, RNA) amplification techniques are widely used for R & D and diagnostic purposes in the life sciences, genetic engineering, and medicine fields. Among various nucleic acid amplification techniques, polymerase chain reaction (PCR) is used. Nucleic acid amplification techniques are widely used. Polymerase chain reaction (PCR) is used to amplify specific sequences in the genome as needed.
중합 효소 연쇄 반응은 열변성(Denaturation), 어닐링(Annealing), 및 신장(Extension) 등의 일련의 온도 효소 반응 단계로 진행되고, 이들 반응 단계는 각각 일정한 온도 범위에서 진행되어야 양질의 핵산을 고수율로 수득할 수 있다.The polymerase chain reaction proceeds with a series of temperature enzyme reaction steps such as denaturation, annealing, and extension, each of which must be carried out at a constant temperature range to obtain high yield of high quality nucleic acid. Can be obtained.
중합 효소 연쇄 반응에 의해 증폭된 산물을 실시간으로 모니터링할 수 있는 실시간 PCR(real time PCR) 장치는, 시료의 증폭 반응이 진행되는 동안 시료에 여기 광선(excitation light)을 조사함으로써 발생하는 형광(emission light)을 실시간으로 검출하는 장치이다. A real time PCR (real time PCR) device that can monitor the product amplified by the polymerase chain reaction in real time, emits fluorescence generated by irradiating the excitation light to the sample during the amplification reaction of the sample. It is a device that detects light in real time.
통상적으로 여기 광선은 형광에 비해 밝은데, 형광을 검출하는 감지 장치에 여기 광선과 형광이 모두 유입됨으로써 신호에 포함된 노이즈가 많아지면 정상적인 형광 검출이 어렵다. 종래에는 노이즈를 줄이기 위해 여러 가지 종류의 광학 필터와 렌즈 유닛들을 설치하거나 광원의 입사 경로에 각도를 조정함으로써 감지 장치에 여기 광선이 입사하지 않도록 하는 노력이 시도되기도 하였다. 그러나 이러한 경우 광학계의 구성이 복잡해지거나 광경로가 지나치게 길어져 PCR 장치의 크기가 커지는 문제점이 있었다.Typically, the excitation light beam is brighter than the fluorescence. If the excitation light and the fluorescence are both introduced into the detection device for detecting the fluorescence, the noise contained in the signal increases, so that normal fluorescence detection is difficult. In order to reduce noise, efforts have been made to prevent the excitation light from entering the sensing device by installing various types of optical filters and lens units or adjusting an angle in the incident path of the light source. However, in this case, there is a problem in that the configuration of the optical system is complicated or the optical path is too long to increase the size of the PCR device.
본 발명의 목적은 단순한 구성을 가지며 핵산 증폭을 위한 광경로를 최소화할 수 있는 실시간 검출형 중합 효소 연쇄 반응 장치를 제공하는 데 있다. An object of the present invention is to provide a real-time detection polymerase chain reaction apparatus having a simple configuration and can minimize the optical path for nucleic acid amplification.
본 발명의 다른 목적은 여기 광선에 의한 노이즈를 최소화함으로써 정밀한 검출 성능을 구현할 수 있는 실시간 검출형 중합 효소 연쇄 반응 장치를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a real-time detection type polymerase chain reaction apparatus capable of realizing precise detection performance by minimizing noise caused by excitation light rays.
본 발명의 또 다른 목적은 핵산 증폭을 위한 용기들의 온도 제어가 신속하면서도 효과적으로 수행될 수 있는 광투과형 온도제어장치 및 이를 구비한 PCR 장치를 제공하는 데 있다.Still another object of the present invention is to provide a light transmitting type temperature control device and a PCR device having the same, in which temperature control of containers for nucleic acid amplification can be performed quickly and effectively.
본 발명에 관한 광투과형 온도제어장치는, 광투과 소재로 제조되며 내부에 시료를 수용할 수 있는 적어도 하나의 용기와, 용기의 적어도 일부를 수용하고 용기에 광이 조사되도록 광을 안내하며 용기의 온도를 제어하는 온도 제어부를 구비한다.The light transmission type temperature control device according to the present invention comprises at least one container made of a light transmitting material and capable of accommodating a sample therein; A temperature control part for controlling the temperature is provided.
본 발명에 있어서, 온도 제어부는 용기의 적어도 일부를 수용하는 적어도 하나의 관통공을 구비하며 용기들을 가열하거나 냉각하는 열전소자 블록을 구비할 수 있다.In the present invention, the temperature control unit may have at least one through hole for receiving at least a portion of the container and may include a thermoelectric element block for heating or cooling the containers.
본 발명에 있어서, 광투과형 온도제어장치는 열전소자 블록의 관통공에 대응하는 위치에 적어도 하나의 관통공을 구비하며 열전소자 블록의 일측 면에 접촉하는 열전달 소재의 히트 싱크를 더 구비할 수 있다.In the present invention, the light transmission type temperature control device may further include a heat sink of heat transfer material having at least one through hole at a position corresponding to the through hole of the thermoelectric element block and in contact with one side of the thermoelectric element block. .
본 발명에 있어서, 온도 제어부는 용기의 적어도 일부를 수용하며 전류가 인가되면 열을 발생하는 투명 소재의 전극들을 구비할 수 있다.In the present invention, the temperature control unit may include electrodes of a transparent material that receives at least a portion of the container and generates heat when a current is applied.
본 발명에 있어서, 광투과형 온도제어장치는 용기의 적어도 일부를 수용하는 적어도 하나의 관통공을 구비하는 열전달 소재의 히트 싱크를 더 구비할 수 있다.In the present invention, the light transmitting temperature control device may further include a heat sink of a heat transfer material having at least one through hole for receiving at least a portion of the container.
본 발명에 있어서, 온도 제어부는 용기의 적어도 일부를 수용하도록 적어도 하나의 관통공을 구비하며 용기들의 일면을 가열하거나 냉각하는 열전소자 블록과, 투명 소재로 이루어져 용기들의 하측 단부를 지지하도록 열전소자 블록의 일측 면에 배치되는 투명층과, 투명층에 형성되어 전류가 인가되면 열을 발생시키는 전극을 구비하는 가열 블록을 구비할 수 있다.In the present invention, the temperature control unit is provided with at least one through hole to receive at least a portion of the container and a thermoelectric element block for heating or cooling one side of the vessel, and a thermoelectric element block for supporting the lower end of the vessel made of a transparent material The heating layer may be provided with a transparent layer disposed on one side of the electrode and an electrode formed on the transparent layer to generate heat when a current is applied.
본 발명에 있어서, 광투과형 온도제어장치는 용기들에 대응하는 위치에 적어도 하나의 관통공을 구비하며 가열 블록의 일측 면에 배치되어 열을 전달하는 열전달 소재의 히트 싱크를 더 구비할 수 있다.In the present invention, the light transmission type temperature control device may further include a heat sink of heat transfer material having at least one through hole at a position corresponding to the containers and disposed on one side of the heating block to transfer heat.
본 발명에 있어서, 온도 제어부는 투명 소재로 이루어져 용기들이 삽입되는 적어도 하나의 수용홈을 구비하는 투명층과, 투명층에 설치되어 열을 발생하는 전극을 구비할 수 있다.In the present invention, the temperature controller may include a transparent layer made of a transparent material and having at least one receiving groove into which containers are inserted, and an electrode installed on the transparent layer to generate heat.
본 발명에 있어서, 광투과형 온도제어장치는 용기들에 대응하는 위치에 적어도 하나의 관통공을 구비하며 투명층의 일측 면에 배치되어 열을 전달하는 열전달 소재의 히트 싱크를 더 구비할 수 있다.In the present invention, the light transmission type temperature control device may further include a heat sink of heat transfer material having at least one through hole at a position corresponding to the containers and disposed on one side of the transparent layer to transfer heat.
본 발명에 있어서, 온도 제어부는 공기를 이용하여 용기를 냉각할 수 있다.In the present invention, the temperature control unit may cool the container using air.
본 발명에 관한 실시간 검출형 중합 효소 연쇄 반응 장치는, 광투과 소재로 제조되며 내부에 시료를 수용할 수 있는 적어도 하나의 용기와 용기의 적어도 일부를 수용하고 용기에 광이 조사되도록 광을 안내하며 용기의 온도를 제어하는 온도 제어부를 구비하는 광투과형 온도제어장치와, 광투과형 온도제어장치의 일측에 배치되며 용기들을 향하여 광을 조사하는 광 발생부와, 광투과형 온도제어장치의 타측에 배치되어 용기들로부터 발생된 형광을 검출하는 광 검출부를 구비한다. The real-time detection type polymerase chain reaction apparatus according to the present invention is made of a light transmitting material and accommodates at least one container and at least a portion of the container therein to accommodate a sample therein, and guides the light so that light is irradiated to the container. A light transmission type temperature control device having a temperature control unit for controlling the temperature of the container, a light generation unit disposed on one side of the light transmission type temperature control device and irradiating light toward the containers, and disposed on the other side of the light transmission type temperature control device And a light detector for detecting fluorescence generated from the containers.
상술한 바와 같은 본 발명의 광투과형 온도제어장치 및 실시간 검출형 중합 효소 연쇄 반응 장치는, 시료를 수용하는 용기들의 온도를 제어하는 온도 제어부가 용기들을 통과하여 광을 투과시킬 수 있으므로 핵산 증폭을 위한 용기들의 온도 제어와 핵산 증폭의 실시간 검출이 효과적으로 이루어질 수 있다. As described above, the light transmission type temperature control device and the real time detection type polymerase chain reaction device of the present invention have a temperature control unit for controlling the temperature of the containers containing the sample so that light can pass through the containers to allow for nucleic acid amplification. Temperature control of the vessels and real time detection of nucleic acid amplification can be achieved effectively.
또한 광투과형 온도제어장치에서 용기를 통과하여 진행하는 광의 경로 상에 노이즈를 줄이기 위한 광학 요소들을 배치함으로써 노이즈에 의한 효과를 최소화할 수 있다. 이로 인해 광 검출부에 유입되는 노이즈를 줄이기 위해 광의 경로를 변형하거나 광학 요소들을 복잡하게 구성할 필요가 없으므로 PCR 장치의 구성이 단순화되며 광경로를 최소화할 수 있다.In addition, by placing the optical elements to reduce the noise on the path of the light traveling through the container in the light transmission type temperature control device it can minimize the effect by the noise. This eliminates the need to modify the path of the light or to complicate the optical elements in order to reduce the noise flowing into the light detector, thereby simplifying the configuration of the PCR device and minimizing the optical path.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 실시간 검출형 중합 효소 연쇄 반응 장치(PCR 장치)의 구성 요소들을 개략적으로 나타낸 측면 단면도이다.
도 2는 도 1의 PCR 장치가 구비한 광투과형 온도제어장치의 구성 요소들을 나타낸 측면 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 관한 광투과형 온도제어장치의 측면 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 광투과형 온도제어장치의 측면 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 광투과형 온도제어장치의 측면 단면도이다.1 is a side cross-sectional view schematically showing the components of a real-time detection type polymerase chain reaction device (PCR device) according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a side cross-sectional view illustrating components of a light transmitting temperature control device provided in the PCR device of FIG. 1.
3 is a side cross-sectional view of a light transmitting temperature control device according to another embodiment of the present invention.
4 is a side cross-sectional view of a light transmitting type temperature control device according to still another embodiment of the present invention.
5 is a side cross-sectional view of a light transmitting type temperature control device according to still another embodiment of the present invention.
이하, 첨부 도면의 실시예들을 통하여, 본 발명에 관한 광투과형 온도제어장치 및 실시간 검출형 중합 효소 연쇄 반응 장치의 구성과 작용을 상세히 설명한다.Hereinafter, the configuration and operation of the light transmitting type temperature controlling device and the real time detection type polymerase chain reaction device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 실시간 검출형 중합 효소 연쇄 반응 장치(PCR 장치)의 구성 요소들을 개략적으로 나타낸 측면 단면도이다. 1 is a side cross-sectional view schematically showing the components of a real-time detection type polymerase chain reaction device (PCR device) according to an embodiment of the present invention.
도 1에 나타난 실시예에 관한 실시간 PCR 장치는 시료를 수용하는 용기들(110)의 온도를 제어하며 용기들(110)에 광을 투과시키는 광투과형 온도제어장치(100)와, 용기들(110)을 향하여 광을 조사하는 광 발생부(10)와, 용기들(110)로부터 발생된 형광을 검출하는 광 검출부(20)를 구비한다.The real-time PCR apparatus according to the embodiment shown in FIG. 1 controls the temperature of the
핵산 증폭에 대한 증폭 정도를 판별함에 있어 종래에는 모든 증폭 프로세스(process)가 종료된 후 전기 영동법을 이용해 핵산 시료의 증폭 정도를 확인하는 기술이 사용되었다. 이러한 기술에 의하면 증폭 과정도중에는 핵산 시료의 증폭 정도를 실시간으로 확인할 수 없다.In determining the degree of amplification for nucleic acid amplification, a technique of confirming the degree of amplification of a nucleic acid sample by electrophoresis has been conventionally used after all amplification processes are completed. According to this technique, the amplification degree of the nucleic acid sample cannot be confirmed in real time during the amplification process.
도 1에 나타난 실시예에 관한 실시간 PCR 장치는 증폭 대상인 핵산 시료를 증폭시키기 위해 용기들(110)의 온도 조건을 제어함과 동시에 용기들(110)에 광을 조사하여 발생하는 형광을 검출하여 핵산 증폭 정도를 실시간으로 모니터링 할 수 있다.The real-time PCR apparatus according to the embodiment shown in FIG. 1 controls the temperature conditions of the
광 발생부(10)는 광투과형 온도제어장치(100)의 일측에 배치되어 핵산 시료를 수용한 용기들(110)을 향해 광을 조사하는 부분이다. 광 검출부(20)는 광을 발생시키는 광원(11)과, 광원(11)의 광(Gaussian beam)을 평탄화시키는 평탄화 렌즈들(12; homogenizing lens)과, 특정 범위의 영역의 파장을 갖는 광을 통과시키는 제1 파장 선택필터(13; excitation filter)와, 필터링된 광을 확대시키는 확대 렌즈들(14)과, 광의 방향을 광투과형 온도제어장치(100)로 굴절시키는 굴절부(15)를 구비한다. The
광원(11)으로는 복수 개의 엘이디(LED), LED 배열이나, 레이저, 할로겐 램프, 또는 다른 종류의 적절한 광 발생 장치를 이용할 수 있다. As the
광원(11)에서 광투과형 온도제어장치(100)로 조사된 광은 평탄화 렌즈(12)를 통과하면서 평탄화 과정을 거친다. 그 이후에 광은 제1 파장 선택필터(13)를 통과하여 확대 렌즈들(14)에 의해 확대되어 광투과형 온도제어장치(100)의 용기들(110)에 균일하게 조사된다. 용기들(110)은 투광성 소재로 이루어지므로 광은 용기들(110)을 통과하여 용기들(110)에 수용된 시료에 입사한다. 용기들(110)에 광이 조사되면 시료에 포함된 형광 표지로부터 형광(emission light)이 발생한다. The light irradiated from the
용기들(110)에서 발생한 형광은 결상 광학계(30)에 의해 광 검출부(20)로 결상된다. 결상 광학계(30)는 광투과형 온도제어장치(100)로부터 방사된 형광을 결집시키는 렌즈들(31, 32)과 방사된 형광에서 특정 범위의 영역의 파장을 갖는 광을 통과시키는 제2 파장 선택필터(33)를 구비한다. 제2 파장 선택필터(33)는 여기 광선은 차단하고 발생된 형광만을 투과시킴으로써 노이즈(잡음)의 영향을 최소화할 수 있다.The fluorescence generated in the
결상 광학계(30)에는 텔레센트릭 렌즈(telecentric lens)대신 현미경 대물렌즈를 사용할 수도 있는데, 이로써 핵산의 증폭 과정을 분자 단위로 관측 가능한 형광 현미경(fluorescent microscopy)을 구현할 수 있다.In the imaging
광 검출부(20)는 포토 다이오드나, 씨씨디(CCD) 소자, 씨모스(CMOS) 소자 등의 광 검출 장치를 이용하여 구현할 수 있다. 광 검출부(20)는 광투과형 온도제어장치(100)에서 방사된 형광을 받아들여 이에 대응하는 전기적 신호를 발생시킨다. 따라서 광 검출부(20)의 전기적 신호로부터 증폭 대상인 핵산 시료의 증폭 정도를 실시간으로 정량적으로 판별할 수 있다.The
광 발생부(10)로부터 광 검출부(20)까지 이르는 광의 경로 상에는 노이즈의 영향을 감소시키기 위해 편광 필터(polarizer)들이 배치될 수 있다.Polarizers may be disposed on the path of light from the
도 2는 도 1의 PCR 장치가 구비한 광투과형 온도제어장치의 구성 요소들을 나타낸 측면 단면도이다.FIG. 2 is a side cross-sectional view illustrating components of a light transmitting temperature control device provided in the PCR device of FIG. 1.
도 2에 나타난 실시예에 관한 광투과형 온도제어장치(100)는, 투광성 소재로 제조되며 내부에 시료를 수용할 수 있는 복수 개의 용기들(110)과, 용기들(110)의 온도를 제어하는 온도 제어부(120)를 구비한다.The light transmissive
광투과형 온도제어장치(100)는 열 싸이클러(thermal cycler)라고 불리는 장치로 구현되었는데, 온도 제어부(120)가 핵산 증폭에 필요한 주기에 맞추어 용기들(110)의 온도를 가열시키거나 냉각시키는 기능을 수행할 수 있다. 본 발명은 이와 같이 광투과형 온도제어장치(100)를 열 싸이클러로 구현하는 기술에 의해 제한되는 것은 아니며 이를 변형하여 광투과형 온도제어장치(100)를 항온장치(isothermal block)로 작동하도록 제작하여 등온 핵산증폭 장치 및 이의 검출 장비(isothermal target & probe amplification)의 구현에 이용할 수도 있다.Light transmitting type
용기들(110)은 투명한 플라스틱이나 유리와 같은 소재로 제작되므로, 광이 용기들(110)을 투과할 수 있다. 용기들(110)의 내부에는 증폭 대상인 핵산 시료가 수용될 수 있다. 용기들(110)의 상단은 지지 플레이트(115)에 의해 지지된다. 용기들(110)은 온도 제어부(120)의 열전소자 블록(121)에 삽입된다.Since the
온도 제어부(120)는 용기들(110)의 온도를 제어하도록 용기들(110)의 외측에 배치되는 열전소자 블록(121)과, 열전소자 블록(121)을 제어하는 제어기(122)를 구비한다. 열전소자 블록(121)은 예를 들어 펠티에(peltier) 소자로 구현될 수 있다. The
펠티에 소자는 펠티에 효과를 이용한 전기/열 변환 소자로서, 두 종류의 금속을 접속하여 전류를 인가할 때 두 금속의 접합부에서 열이 발생하거나 열이 흡수되는 열전현상을 이용한 소자이다. 그러므로 제어기(122)가 전기 배선(122a)을 통해 열전소자 블록(121)에 전류를 인가함으로써 열전소자 블록(121)의 온도가 상승하게 하거나 온도가 하강하게 하여 용기들(110)의 온도를 제어할 수 있다.The Peltier device is an electric / heat conversion device using the Peltier effect. The Peltier device uses a thermoelectric phenomenon in which heat is generated or heat is absorbed at a junction of two metals when a current is connected to two kinds of metals. Therefore, the
제어기(122)는 예를 들어 반도체 칩이나, 반도체 칩을 이용한 회로기판 등으로 구현될 수 있다. The
열전소자 블록(121)에는 온도 센서(127)가 설치될 수 있으며, 제어기(122)는 온도 센서(127)의 감지 신호에 기초해 열전소자 블록(121)의 온도를 제어할 수 있다.The
제어기(122)는 또한 용기들(110)을 통과하여 광을 투과시키는 기능을 수행하는데, 이를 위해 열전소자 블록(121)은 용기들(110)이 삽입되는 복수 개의 관통공들(121a)을 구비한다. 열전소자 블록(121)의 관통공들(121a)은 용기들(110)의 측면에 접하며 용기들(110)을 지지함과 아울러 외부로부터 입사된 광이 용기들(110)로 유입되게 하는 광 경로로 기능한다. The
광투과형 온도제어장치(100)는 열전소자 블록(121)의 일측 면에 접촉하는 열전달 소재의 히트 싱크(130)를 더 구비할 수 있다. 히트 싱크(130)는 열전소자 블록(121)에서 발생된 열을 외부로 전달하여 신속한 냉각이 이루어지도록 보조하는 기능을 수행할 수 있다. 히트 싱크(130)는 예를 들어 알루미늄이나 구리와 같은 열전도성 금속으로 제조될 수 있다. 히트 싱크(130)를 설치함으로써 자연적인 대류 효과로 인한 냉각 효과를 얻을 수 있다. 히트 싱크(130)는 도시된 구조 이외에도 널리 알려진 히트 파이프(heat pipe)의 구조를 채택할 수도 있다.The light transmission type
히트 싱크(130)를 설치하는 구조 이외에도 다양한 기술들을 도입하여 냉각 효과를 보조할 수 있는데, 예를 들어 도면에 도시하지는 않았으나 공기를 송풍하는 별도의 송풍 장치를 설치하거나 냉각용 유체가 흐르는 냉각용 파이프를 설치할 수도 있다.In addition to the structure of installing the
상술한 구성을 갖는 광투과형 온도제어장치(100) 및 이를 구비한 실시간 PCR 장치는 예를 들어 DNA를 효과적으로 증폭하여 이를 검출할 수 있다. The light transmission type
종래의 PCR 장치 중에서 종말점(End-Point)에서 젤영동을 이용하여 증폭된 DNA의 정성적인 결과만을 보여주는 PCT 장치는, DNA의 정량적 검출에서 정확성 등 많은 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 광학적 검출시스템을 이용하여 증폭된 DNA의 농도에 비례하는 형광의 세기를 검출함으로써 DNA의 정량분석을 가능케 해주는 실시간 PCR 장치가 사용되기도 하였다. 그러나 종래의 실시간 PCR 장치에서는 여기 광선과 형광이 모두 유입됨으로써 신호에 포함된 노이즈가 많았으며, 이러한 문제점을 극복하기 위해서 광학계의 구성이 복잡해지고 광경로가 지나치게 길어 PCR 장치의 크기가 커지는 문제점이 있었다. The PCT apparatus, which shows only the qualitative result of DNA amplified by gel electrophoresis at the end point of the conventional PCR apparatus, has many problems such as accuracy in quantitative detection of DNA. In order to solve this problem, a real-time PCR device that enables quantitative analysis of DNA by detecting the intensity of fluorescence in proportion to the concentration of amplified DNA using an optical detection system has been used. However, in the conventional real-time PCR device, both the excitation light and the fluorescence are introduced, so there is a lot of noise included in the signal, and in order to overcome such a problem, the configuration of the optical system is complicated and the optical path is too long, resulting in a large size of the PCR device. .
DNA 증폭을 위해서는, 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 준비한다.For DNA amplification, the template DNA to be amplified, an oligonucleotide primer pair having a sequence complementary to a specific sequence of each single strand of the template DNA, and a high temperature stable DNA polymerase And prepare a sample containing deoxyribonucleotide triphosphates (dNTP).
준비된 시료를 광투과형 온도제어장치(100)의 용기들(110)에 주입한 후, 용기들(110)의 온도를 순차적으로 변화시키는 온도 사이클을 반복함으로써 주형 DNA의 특정 부위 염기서열을 증폭한다. 구체적으로 3단계 또는 2단계의 온도순환 사이클을 사용한다. After injecting the prepared sample into the
첫 번째 단계는 변성단계(Denaturation step)로서 시료를 고온으로 가열시킴으로써 이중가닥 DNA를 단일가닥 DNA로 분리하는 단계이다. The first step is the denaturation step, which separates double-stranded DNA into single-stranded DNA by heating the sample to a high temperature.
두 번째 단계는 풀림단계(Annealing step)로서 변성단계를 거친 시료를 적정 온도로 냉각시킴으로써, 단일가닥 DNA와 프라이머가 이중 나선 결합을 하여 부분적으로 이중가닥이 된 DNA-프라이머 복합체(DNA-primer complex)를 형성하는 단계이다. The second step is an annealing step, where the denaturated sample is cooled to an appropriate temperature, where the DNA-primer complex is partially double-stranded by double-stranded binding of single-stranded DNA and primers. Forming a step.
세 번째 단계는 중합단계(Polymerization step)로서, 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. The third step is the polymerization step, where the primers of the DNA-primer complex are extended to the original template DNA by extension of the primers of the DNA-primer complex by the polymerization reaction by keeping the sample subjected to the annealing step at an appropriate temperature. It is a step of replicating a new single-stranded DNA having a sequence.
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 달성할 수 있다.By repeating these three
변성단계에서의 온도는 90℃ 에서 95℃ 범위의 값이며, 풀림단계에서의 온도는 사용된 프라이머의 녹는점(Tm)에 따라 적정하게 조절하는데, 통상적으로 40℃ 내지 60℃ 범위의 값이다. 중합단계에서의 온도는 주로 사용하는 써머스 아쿠아티쿠스(Thermus aquaticus)로부터 추출한 고온 안정성 택 DNA 중합효소(Taq DNA Polymerases)의 최적 활성 온도인 72℃로 맞추어, 3단계 온도 순환 사이클을 사용하는 것이 가장 보편적이다. 택 DNA 중합효소의 활성 온도 범위가 상당히 넓으므로 풀림단계와 중합단계의 온도를 같게 하여 온도를 순환하는 2단계 온도 사이클도 사용하고 있다.The temperature in the denaturation step is a value in the range of 90 ℃ to 95 ℃, the temperature in the annealing step is appropriately adjusted according to the melting point (Tm) of the primer used, it is usually a value in the range of 40 ℃ to 60 ℃. The temperature in the polymerization stage is set to 72 ° C., which is the optimum active temperature of the high temperature stable Taq DNA Polymerases extracted from the commonly used Thermos aquaticus, and it is best to use a three-step temperature cycle. It is universal. Since the active temperature range of the tack DNA polymerase is quite wide, a two-stage temperature cycle is also used in which the temperature of the unwinding and polymerization steps are equalized to circulate the temperature.
여기서, 일정 온도의 유지와 단계별 온도 변화가 신속하게 이루어지지 않아 풀림 단계에서 온도가 낮아지면 증폭시키고자 하는 정 위치에 프라이머가 붙지 않기 때문에 수율에 큰 영향을 미친다.Here, since the maintenance of a constant temperature and the temperature change step by step is not made quickly, when the temperature is lowered in the annealing step, the primer does not stick to the position to be amplified, which greatly affects the yield.
도 1 및 도 2에 나타난 실시예에 관한 광투과형 온도제어장치(100)는 용기들(110)을 향해 광이 유입되도록 외부에서 입사된 광을 안내하는 관통공들(131)을 구비하는 열전소자 블록(121)을 이용하므로, 용기들(110)을 효과적으로 가열하고 냉각시킴과 아울러 발생한 형광을 효과적으로 검출할 수 있다. 1 and 2 is a
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 관한 광투과형 온도제어장치의 측면 단면도이다.3 is a side cross-sectional view of a light transmitting temperature control device according to another embodiment of the present invention.
도 3에 나타난 실시예에 관한 광투과형 온도제어장치(200)는, 투광성 소재로 제조되며 내부에 시료를 수용할 수 있는 복수 개의 용기들(210)과, 용기들(210)의 온도를 제어하는 온도 제어부(220)를 구비한다. The light-transmitting
온도 제어부(220)는 투명한 소재로 이루어져 용기들(210)의 표면에 배치되어 용기들(210)의 온도를 제어하는 전극들(221)과, 전극들(221)에 대한 전류의 인가를 제어하는 제어기(222)를 구비한다. 전극들(221)은 예를 들어 탄소나노튜브(CNT; carbon nano tube)나 ITO(indium tin oxide) 필름과 같은 투명한 소재를 이용하여 용기들(210)의 표면에 코팅하여 제조될 수 있다. 전극들(221)은 전기 배선(222a)에 의해 제어기(222)와 전기적으로 연결된다. The
용기들(210)의 외측에는 온도 센서(227)가 설치될 수 있으며, 제어기(222)는 온도 센서(227)의 감지 신호에 기초해 용기들(210)의 온도를 제어할 수 있다.The
광투과형 온도제어장치(200)는 용기들(210)이 삽입되는 복수 개의 관통공들(231)을 구비하는 열전달 소재의 히트 싱크(230)를 구비할 수 있다. 히트 싱크(230)는 용기들(210)의 표면의 전극들(221)에서 발생된 열을 외부로 전달하여 신속한 냉각이 이루어지도록 보조하는 기능을 수행할 수 있다. 히트 싱크(230)는 예를 들어 알루미늄이나 구리와 같은 열전도성 금속으로 제조될 수 있다. The light transmission type
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 광투과형 온도제어장치의 측면 단면도이다.4 is a side cross-sectional view of a light transmitting type temperature control device according to still another embodiment of the present invention.
도 4에 나타난 실시예에 관한 광투과형 온도제어장치(300)는, 투광성 소재로 제조되며 내부에 시료를 수용할 수 있는 복수 개의 용기들(310)과, 용기들(310)의 온도를 제어하는 온도 제어부(320)를 구비한다. The light transmissive
온도 제어부(320)는 용기들(310)의 온도를 제어하도록 용기들(310)의 외측에 배치되는 열전소자 블록(321)과, 투명 소재로 이루어져 용기들(310)의 하측 단부를 지지하는 가열 블록(323)과, 열전소자 블록(321) 및 가열 블록(323)을 제어하는 제어기(322)를 구비한다. The
열전소자 블록(321)은 예를 들어 펠티에(peltier) 소자로 구현될 수 있다. 열전소자 블록(321)은 제1 배선(322a)을 통해 제어기(322)와 전기적으로 연결되며, 제어기(322)로부터 전류가 인가됨에 따라 용기들(310)을 가열하거나 냉각할 수 있다. 열전소자 블록(321)은 용기들(310)이 수용되는 복수 개의 관통공들(321a)을 구비한다. The
가열 블록(323)은 예를 들어 유리나 투명한 플라스틱 소재로 제조되는 투명층(324)과, 투명층(324)에 형성되어 전류가 인가되면 열을 발생시키는 전극(325)을 구비한다. 전극(325)은 제2 배선(322b)을 통해 제어기(322)에 연결된다. The heating block 323 includes, for example, a
전극(325)은 예를 들어 탄소나노튜브(CNT; carbon nano tube)나 ITO(indium tin oxide) 필름과 같은 투명한 소재를 이용하여 투명층(324)의 표면에 증착되거나 도 4에 도시된 것처럼 투명층(324)의 내부에 매립될 수 있다.The
전극(325)은 투명층(324)에서 용기들(310)에 대응하는 위치에서 외측에 배치될 수 있다. 전극(325)이 광을 투과하도록 제조되지만, 용기들(310)에 입사하는 광의 경로를 피하여 배치됨으로써 용기들(310)에 입사하는 광의 투과율을 증가시킬 수 있다. 전극(325)이 광의 경로를 피하여 배치되는 경우에는 반드시 투명한 소재로 제조될 필요는 없으며, 구리나 니켈 등과 같은 전기 전도성을 갖는 다양한 소재를 이용하여 제조될 수 있다.The
광투과형 온도제어장치(300)는 열전소자 블록(321)이나 가열 블록(323)에 배치되어 온도를 감지하는 온도 센서(327)를 구비할 수 있다. 제어기(322)는 제3 배선(322c)을 통해 온도 센서(327)와 연결되므로 온도 센서(327)의 감지 신호에 기초해 용기들(310)의 온도를 제어할 수 있다.The light transmission type
광투과형 온도제어장치(300)는 용기들(310)이 삽입되는 복수 개의 관통공들(331)을 구비하는 열전달 소재의 히트 싱크(330)를 구비할 수 있다. 히트 싱크(330)는 가열 블록(323)에서 발생된 열을 외부로 전달하여 신속한 냉각이 이루어지도록 보조하는 기능을 수행할 수 있다. 히트 싱크(330)는 예를 들어 알루미늄이나 구리와 같은 열전도성 금속으로 제조될 수 있다. The light transmission type
상술한 구성을 갖는 광투과형 온도제어장치(300)에 의하면, 열전소자 블록(321)과 가열 블록(323)의 작용으로 인해 용기들(310)의 온도를 효과적으로 제어할 수 있으며, 광이 히트 싱크(330)의 관통공들(331)과 투명층(324)과 열전소자 블록(321)의 관통공들(321a)을 통해 용기들(310)에 입사하여 형광을 발생시키므로 핵산 증폭의 정도를 효과적으로 검출할 수 있다.According to the light transmission type
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 광투과형 온도제어장치의 측면 단면도이다.5 is a side cross-sectional view of a light transmitting type temperature control device according to still another embodiment of the present invention.
도 5에 나타난 실시예에 관한 광투과형 온도제어장치(400)는, 투광성 소재로 제조되며 내부에 시료를 수용할 수 있는 복수 개의 용기들(410)과, 용기들(410)의 온도를 제어하는 온도 제어부(420)를 구비한다. The light-transmitting
온도 제어부(420)는 용기들(410)이 삽입되는 복수 개의 수용홈들(421a)을 구비하는 투명 소재의 투명층(421)과, 투명층(421)에 설치되어 열을 발생하는 전극들(425)과, 제어기(422)를 구비한다. The
투명층(421)은 예를 들어 유리나 투명한 플라스틱 소재로 제조되므로, 광을 투과시킬 수 있다. 전극(425)은 전기 배선(422a)을 통해 제어기(422)에 연결된다. 제어기(422)로부터 전극(425)에 전류가 인가됨에 따라 전극(425)은 열을 발생시킬 수 있다. 전극(425)은 예를 들어 탄소나노튜브(CNT; carbon nano tube)나 ITO(indium tin oxide) 필름과 같은 투명한 소재를 이용하여 투명층(421)의 표면에 증착되거나 도 5에 도시된 것처럼 투명층(421)의 내부에 매립될 수 있다.Since the
전극(425)은 투명층(421)에서 용기들(410)에 외측에 배치될 수 있다. 전극(425)이 용기들(410)에 입사하는 광의 경로를 피하여 배치됨으로써 용기들(410)에 입사하는 광의 투과율을 증가시킬 수 있고, 용기들(410)의 사이에 발생할 수 있는 광 간섭 현상을 방지할 수 있다. 예를 들어 전극(425)이 각각의 용기들(410)을 둘러싸도록 배치되면, 용기들(410)을 가열하는 성능이 크게 향상될 수 있다.The
전극(425)이 광의 경로를 피하여 배치되는 경우에는 반드시 투명한 소재로 제조될 필요는 없으며, 구리나 니켈 등과 같은 전기 전도성을 갖는 다양한 소재를 이용하여 제조될 수 있다.When the
광투과형 온도제어장치(400)는 투명층(421)에 배치되어 온도를 감지하는 온도 센서(427)를 구비할 수 있다. 제어기(422)는 온도 센서(427)의 감지 신호에 기초해 용기들(410)의 온도를 제어할 수 있다.The light transmission type
광투과형 온도제어장치(400)는 투명층(421)의 일측 면에 접촉하는 열전달 소재의 히트 싱크(430)를 더 구비할 수 있다. 히트 싱크(430)는 투명층(421)에 발생된 열을 외부로 전달하여 신속한 냉각이 이루어지도록 보조하는 기능을 수행할 수 있다. 히트 싱크(430)는 예를 들어 알루미늄이나 구리와 같은 열전도성 금속으로 제조될 수 있다. 히트 싱크(430)를 설치함으로써 자연적인 대류 효과로 인한 냉각 효과를 얻을 수 있다. The light transmission type
투명층(421)에는 냉각용 유체가 흐를 수 있는 냉각용 파이프들(450)이 매립될 수 있다. 냉각용 파이프들(450)은 용기들(410)에 입사되는 광의 유입을 방해하지 않도록 용기들(410)의 위치를 피하여 배치될 수 있다.Cooling
용기들(410)을 냉각시킬 때에는 히트 싱크(430)를 이용한 대류 현상에 의한 방열과 냉각용 파이프들(450)을 통해 흐르는 냉각용 유체의 작용으로 용기들(410)이 신속히 냉각될 수 있다.When the
본 발명은 상술한 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the above-described embodiments, these are merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the appended claims.
10: 광 발생부 322b: 제2 배선
11: 광원 322c: 제3 배선
12: 평탄화 렌즈 323: 가열 블록
13: 제1 파장 선택필터 122a, 222a: 전기 배선
14: 확대 렌즈들 421a: 수용홈들
15: 굴절부 422a: 전기 배선
20: 광 검출부 121, 321: 열전소자 블록
30: 결상 광학계 450: 냉각용 파이프들
33: 제2 파장 선택필터 324, 421: 투명층
31, 32: 렌즈들 221, 325, 425: 전극
115: 지지 플레이트 122, 222, 322, 422: 제어기
322a: 제1 배선 110, 210, 310, 410: 용기들
127, 227, 327, 427: 온도 센서 130, 230, 330, 430: 히트 싱크
120, 220, 320, 420: 온도 제어부
121a, 131, 231, 321a, 331: 관통공들
100, 200, 300, 400: 광투과형 온도제어장치10:
11:
12: flattening lens 323: heating block
13: first wavelength
14: magnifying
15:
20:
30: imaging optical system 450: cooling pipes
33: second wavelength
31, 32:
115:
322a:
127, 227, 327, 427:
120, 220, 320, 420: temperature control
121a, 131, 231, 321a, 331: through holes
100, 200, 300, 400: Light transmission type temperature control device
Claims (11)
상기 용기의 적어도 일부를 수용하고, 상기 용기에 광이 조사되도록 광을 안내하며, 상기 용기의 온도를 제어하는 온도 제어부;를 구비하는, 광투과형 온도제어장치.At least one container made of a light transmitting material and capable of accommodating a sample therein; And
And a temperature controller for accommodating at least a portion of the vessel, guiding the light to irradiate the vessel, and controlling the temperature of the vessel.
상기 온도 제어부는 상기 용기의 적어도 일부를 수용하는 적어도 하나의 관통공을 구비하며 상기 용기들을 가열하거나 냉각하는 열전소자 블록을 구비하는, 광투과형 온도제어장치.The method of claim 1,
And the temperature control unit has at least one through hole for receiving at least a portion of the container and includes a thermoelectric element block for heating or cooling the container.
상기 열전소자 블록의 상기 관통공에 대응하는 위치에 적어도 하나의 관통공을 구비하며 상기 열전소자 블록의 일측 면에 접촉하는 열전달 소재의 히트 싱크를 더 구비하는, 광투과형 온도제어장치.The method of claim 2,
And at least one through hole at a position corresponding to the through hole of the thermoelectric element block, and further comprising a heat sink made of a heat transfer material in contact with one side of the thermoelectric element block.
상기 온도 제어부는 상기 용기의 적어도 일부를 수용하며 전류가 인가되면 열을 발생하는 투명 소재의 전극들을 구비하는, 광투과형 온도제어장치.The method of claim 1,
The temperature control unit receives at least a portion of the container, and a light transmission type temperature control device having electrodes of a transparent material that generates heat when a current is applied.
상기 용기의 적어도 일부를 수용하는 적어도 하나의 관통공을 구비하는 열전달 소재의 히트 싱크를 더 구비하는, 광투과형 온도제어장치.The method of claim 4, wherein
And a heat sink of a heat transfer material having at least one through hole for receiving at least a portion of the container.
상기 온도 제어부는,
상기 용기의 적어도 일부를 수용하도록 적어도 하나의 관통공을 구비하며 상기 용기들의 일면을 가열하거나 냉각하는 열전소자 블록; 및
투명 소재로 이루어져 상기 용기들의 하측 단부를 지지하도록 상기 열전소자 블록의 일측 면에 배치되는 투명층과, 상기 투명층에 형성되어 전류가 인가되면 열을 발생시키는 전극을 구비하는 가열 블록;을 구비하는, 광투과형 온도제어장치.The method of claim 1,
The temperature control unit,
A thermoelectric element block having at least one through hole to receive at least a portion of the container and heating or cooling one surface of the containers; And
And a heating block made of a transparent material and disposed on one side of the thermoelectric element block to support lower ends of the containers, and a heating block formed on the transparent layer to generate heat when an electric current is applied thereto. Transmissive temperature control device.
상기 용기들에 대응하는 위치에 적어도 하나의 관통공을 구비하며 상기 가열 블록의 일측 면에 배치되어 열을 전달하는 열전달 소재의 히트 싱크를 더 구비하는, 광투과형 온도제어장치.The method of claim 6,
And at least one through hole at a position corresponding to the containers, and further comprising a heat sink of a heat transfer material disposed on one side of the heating block to transfer heat.
상기 온도 제어부는 투명 소재로 이루어져 상기 용기들이 삽입되는 적어도 하나의 수용홈을 구비하는 투명층과, 상기 투명층에 설치되어 열을 발생하는 전극을 구비하는, 광투과형 온도제어장치.The method of claim 1,
The temperature control unit is made of a transparent material having a transparent layer having at least one receiving groove into which the containers are inserted, and a light transmitting type temperature control device having an electrode installed in the transparent layer to generate heat.
상기 용기들에 대응하는 위치에 적어도 하나의 관통공을 구비하며 상기 투명층의 일측 면에 배치되어 열을 전달하는 열전달 소재의 히트 싱크를 더 구비하는, 광투과형 온도제어장치.The method of claim 8,
And at least one through hole at a position corresponding to the containers, and further comprising a heat sink of a heat transfer material disposed on one side of the transparent layer to transfer heat.
상기 온도 제어부는 공기를 이용하여 상기 용기를 냉각하는, 광투과형 온도제어장치.The method of claim 1,
And the temperature control unit cools the vessel using air.
상기 광투과형 온도제어장치의 일측에 배치되며 상기 용기들을 향하여 광을 조사하는 광 발생부; 및
상기 광투과형 온도제어장치의 타측에 배치되어 상기 용기들로부터 발생된 형광을 검출하는 광 검출부;를 구비하는, 실시간 검출형 중합 효소 연쇄 반응 장치.At least one container made of a light-transmitting material and capable of accommodating a sample therein; With a light transmission type temperature control device;
A light generator disposed at one side of the light transmission type temperature control device and configured to irradiate light toward the containers; And
And a light detector disposed on the other side of the light transmission type temperature control device to detect fluorescence generated from the containers.
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