KR20120020528A - 중합효소 연쇄반응 장치 - Google Patents

Abstract

중합효소 연쇄반응(PCR) 장치가 개시된다. 개시된 PCR 장치는, PCR 칩이 수용되어 지지되는 PCR 가이드와, 상기 PCR 가이드의 양단을 지지하는 하우징과, 상기 하우징 내에서 상기 하우징과 상기 PCR 가이드 사이의 공간에서 상기 PCR 가이드에 대해서 수직으로 이동되며 그 상면에 상기 PCR 칩의 하부면과 선택적으로 접촉하는 히팅부가 장착된 온도조절부와, 상기 온도조절부 및 상기 하우징 사이에서, 상기 온도조절부를 상기 PCR 가이드로 탄성바이어스시키는 탄성수단을 구비한다.

Description

중합효소 연쇄반응 장치{Polymerase chain reaction apparatus}

중합효소 연쇄 반응(polymerase chain reaction; PCR) 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 PCR 칩과 히팅부 사이의 밀착을 제공하는 수단을 구비한 중합효소 연쇄반응 장치에 관한 것이다.

DNA 또는 RNA의 특정 영역을 반응용기 안에서 대량으로 증폭하는 기술인 중합 효소 연쇄 반응(Polymerase Chain Reaction: PCR) 기술은 유전공학, 생명과학 분야뿐만 아니라 질병 진단 등의 목적으로 의학 분야에서 널리 사용되고 있다. PCR을 효율적으로 수행하기 위해서는 증폭하고자 하는 유전자 샘플의 온도를 설정된 온도에 맞도록 정확하고 빠르게 제어하는 것이 필수적이다.

PCR 장치는 중합효소 연쇄반응이 일어나는 샘플용액을 수용하는 증폭반응챔버를 구비한 PCR 칩을 가열하는 히팅 요소를 포함한다. PCR 칩을 가열하기 위해서 통상 열전도를 이용하며, 열전도를 효율적으로 수행하기 위해서는 PCR 칩에 히팅 요소를 밀착시켜야 한다. 이 경우 너무 강한 밀착 압력으로 인해 PCR 칩이나 히팅 요소가 손상될 수 있으며 특히 열확산도가 높은 실리콘으로 PCR 칩 또는 히팅요소를 제조하는 경우 그 문제는 더 심각할 수 있다. 따라서, PCR 칩과 히팅 요소 사이의 밀착 압력을 적절하게 조절하는 수단이 필요하다.

본 발명의 실시예는 PCR 칩과 히팅 요소 사이의 밀착 압력을 적절하게 할 수 있는 PCR 장치를 제공한다.

일 실시예에 따른 PCR 장치는, PCR 칩이 수용되어 지지되는 PCR 가이드;

상기 PCR 가이드의 양단을 지지하는 하우징;

상기 하우징 내에서 상기 하우징과 상기 PCR 가이드 사이의 공간에서 상기 PCR 가이드에 대해서 수직으로 이동되며 그 상면에 상기 PCR 칩의 하부면과 선택적으로 접촉하는 히팅부가 장착된 온도조절부; 및

상기 온도조절부 및 상기 하우징 사이에서, 상기 온도조절부를 상기 PCR 가이드로 탄성바이어스시키는 탄성수단;을 구비한다.

상기 PCR 가이드는 상기 하우징으로부터 착탈이 가능하다.

본 발명의 일 국면에 따른 PCR 장치는 상기 PCR 가이드와 상기 하우징에서 서로 대응되는 위치에 형성되어 상기 PCR 가이드를 상기 하우징에 선택적으로 고정시키는 고정수단을 더 구비한다.

상기 고정수단은, 상기 PCR 가이드의 마주보는 양측에 각각 형성된 적어도 하나의 오목한 홈과, 상기 하우징의 측면에서 상기 PCR 가이드를 대향하는 측면에 형성된 수직홈과, 상기 수직홈의 바닥에 배치된 스프링과, 상기 스프링에 의해 상기 오목한 홈에 선택적으로 출입하는 볼을 구비한다.

상기 PCR 가이드는 상기 히팅부의 길이방향과 직교하는 방향으로 상기 히팅부와 접촉한다.

상기 히팅부는 실리콘으로 형성되며, 그 하부면에 히팅 패턴이 형성될 수 있다.

상기 온도조절부는, 상기 히팅부와 나란하게 상기 하우징과 대향되게 배치된 PCB; 및

상기 히팅부 및 상기 PCB를 일정 간격으로 지지하는 지지부재;를 구비할 수 있다.

본 발명의 다른 국면에 따른 PCR 장치는, 상기 하우징에서 상기 온도조절부가 상기 하우징의 바닥으로부터 멀어지는 거리를 제한하도록 상기 지지부재의 상부를 선택적으로 접촉하는 스토퍼를 더 구비한다.

상기 탄성수단은 탄성 스프링일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, PCR 칩에 히팅부가 일정한 압력으로 밀착되므로 PCR 칩 및 히팅부의 파손이 방지되고, 온도조절이 안정적으로 이루어진다.

도 1은 본 발명에서 사용하는 PCR 칩의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치를 보여주는 평면도이다. 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ' 선단면도이다.
도 4는 도 2의 Ⅳ-Ⅳ' 선단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치의 동작을 설명하는 도면이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 PCR 장치의 일 예를 보여주는 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 PCR 장치를 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. 명세서를 통하여 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에서 사용하는 PCR 칩(10)의 일 예를 보여주는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 하부기판(20)은 열전도율이 높은 물질, 예컨대 실리콘으로 이루어지며, 상부기판(30)은 투명한 물질, 예컨대 글래스 또는 플라스틱으로 형성된다. 하부기판(20)에는 중합효소 연쇄반응이 일어나는 챔버(22)가 형성될 수 있다. 상부기판(30)에는 챔버(22)로 액체를 주입하는 인입구(31) 및 마이크로 채널(33)과, 챔버(22)로부터의 반응물을 외부로 배출하는 마이크로 채널(34) 및 배출구(32)가 형성된다. 도 1에는 하나의 챔버만 도시되어 있으나 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 하나의 PCR 칩에는 복수의 챔버가 형성되고, 각 챔버에는 해당 마이크로 채널과 인입구 및 배출구가 형성될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치(100)를 보여주는 평면도이며, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ' 선단면도이며, 도 4는 도 2의 Ⅳ-Ⅳ' 선단면도이다.

도 2 내지 도 4를 함께 참조하면, PCR 장치(100)는 하우징(110)으로부터 탄성수단으로 지지된 온도조절부(120)와 양단이 하우징(110)의 측면에 의해 지지된 PCR 가이드(130)를 구비한다. PCR 가이드(130)는 PCR 칩(10)이 수용되어서 지지된다. PCR 가이드(130)는 PCR 칩(10)을 용이하게 핸들링하게 하며, 온도조절부(120)과의 안정적인 결합을 위해 사용된다. 온도조절부(120)는 하우징(110)으로부터 이격되어서 움직인다. 즉, 온도조절부(120)는 그 하부가 탄성수단, 예컨대 탄성 스프링(140)에 의해 하우징(110)의 바닥과 연결된다. 온도조절부(120)는 탄성 스프링(140)에 의해 하우징(110)의 바닥으로부터 멀어지는 방향으로 탄성바이어스된다.

하우징(110)은 플라스틱 재질로 형성될 수 있다. 하우징(110)의 상부에는 온도조절부(120)가 하우징(110)으로부터 멀어지는 거리를 제한하는 스토퍼(114)가 형성될 수 있다.

온도조절부(120)는 지지부재(121)와, 지지부재(121)에 연결된 히팅부(122)와 PCB(124)를 구비한다. 히팅부(122)와 PCB(124)는 지지부재(121)에서 서로 나란하게 배치된다. 지지부재(121)의 하부에 탄성 스프링(140)이 연결된다. 지지부재(121)는 도면에서처럼 두개의 컬럼이 PCB(124)와 히팅부(122)에 의해 연결되는 구조를 가질 수 있다. 히팅부(122)는 열전도성이 좋은 물질, 예컨대 실리콘 플레이트(미도시)와 그 하부에 형성된 히터 패턴(미도시)을 구비한다. 실리콘 플레이트는 PCR 칩(10)과 직접 접촉한다.

PCB(124)에는 히터 패턴에 전원을 공급하는 배선(미도시)이 형성된다. 히터 패턴과 PCB(124)는 지지부재(121)에 배치된 배선(126)으로 연결된다. 배선(126)은 히터 패턴에 전류를 공급하기 위한 배선과, 히팅부(122)에 부착되는 온도센서(미도시)와 연결되어 히팅부(122)의 온도를 측정하는 배선을 포함할 수 있다. 온도센서로는RTD, 써모커플, 써미스터가 사용될 수도 있다.

PCR 장치(100)는 송풍팬(128)을 더 구비할 수 있다. 송풍팬(128)은 하우징(110) 외부에 배치될 수 있으며, 편의상 하우징(110) 내부에 도시하였다. 송풍팬(128)과 히팅부(122)는 PCR 칩(10)의 온도 조절 수단을 구성한다.PCR 가이드(130)의 양단 및 하우징(110)의 측면에는 PCR 가이드(130)를 하우징(110) 내에서 히팅부(122)와 접촉하는 위치에 고정하는 고정수단(150)이 설치되어 있다. 도 2 및 도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 고정수단(150)이 도시되어 있다. PCR 가이드(130)의 양단에는 각각 적어도 하나의 오목한 홈(151)이 형성되어 있다. 하우징(110)의 측면에는 수직홈(152)에 출입하여 PCR 가이드(130)의 수직 위치를 고정하는 볼 스프링이 배치된다. 볼 스프링은 하우징(110)의 측벽에서 측벽에 수직으로 형성된 수직홈(152)의 바닥에 배치된 스프링(153)과, 스프링(153)에 연결된 볼(154)을 구비한다. PCR 가이드(130)는 히팅부(122)의 길이방향과 직교하는 방향에서 하우징(110)의 측면에 고정된다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 PCR 장치(100)의 동작을 설명한다.

도 5는 PCR 가이드(130)를 미장착시의 PCR 장치를 보여주는 도면이다. 온도조절부(120)가 탄성 스프링(140)에 의해서 하우징(110)의 바닥으로부터 멀어지는 상방으로 탄성바이어스되어 있으며, 그 수직위치가 스토퍼(114)에 의해서 제한되어 있다.

도 3 및 도 4는 PCR 가이드(130)를 하우징(110)에 고정하는 것을 보여주는 도면이다. PCR 칩(10)이 장착된 PCR 가이드(130)의 오목한 홈(151)을 볼스프링과 결합되는 위치에 맞게 PCR 가이드(130)을 히팅부(122) 상에 놓은 다음, PCR 가이드(130)를 하방으로 누른다. 이어서, PCR 가이드(130)에 의해 볼(154)이 수직홈(152)으로 들어가며, 이어서 오목한 홈(151)이 수직홈(152)과 정렬하게 되면, 볼(154)이 오목한 홈(151)과 만나면서 두 홈(151, 152) 사이에서 볼(154)이 릴리스되며, 이에 따라 PCR 가이드(130)의 수직 위치가 고정수단(150)에 의해 고정된다. 이에 따라 온도조절부(120)는 탄성스프링(140)에 의해서 상방으로 탄성력을 받으며, 고정수단(150)에 의해서 그 수직위치가 고정되므로, 히팅부(122)는 미리 정해진 탄성스프링(140)의 압력을 받으며 PCR 칩(10)의 실리콘 기판(124)과 밀착된다.

이어서, PCB(124)로부터 배선(126)을 통해서 히터 패턴에 전류를 공급하여 히팅부(122)를 가열하며, 다른 배선(126)을 통해서 히팅부(122)의 온도를 측정하여 원하는 목표의 온도로 히팅부(122)를 유지한다.

본 발명의 실시예에 따른 PCR 장치(100)는 PCR 칩과 히팅부의 접촉이 잘 이루어져서 히팅부로부터 PCR 칩으로의 열교환 성능이 향상된다. 또한, 미리 정해진 압력으로 히팅부가 PCR 칩에 밀착되므로 파손되기 쉬운 재료로 PCR 칩과 히팅부를 제조하더라도 PCR 칩과 히팅부의 파손을 방지할 수 있다.

도 6은 다른 실시예에 따른 PCR 장치의 일 예를 보여주는 단면도이다. 도 2~도 5의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.

도 6을 참조하면, 상술한 실시예의 히팅부(122) 대신에 펠티에 소자(222)가 사용된다. 펠티에 소자(222)는 두 개의 플레이트 사이에 복수의 쌍의 p 컬럼과 n 컬럼이 직렬로 배치되며, 이들 복수의 쌍의 p 컬럼과 n 컬럼의 양단의 리드전극에 직류전압이 공급된다. 리드전극은 배선(126)에 의해서 전압이 공급될 수 있다. 공급되는 전압에 따라서, PCR 칩(10)과 접촉되는 플레이트가 PCR 칩을 가열하거나 냉각하는 역할을 한다. 송풍팬은 펠티에 소자에 방열판을 사이에 두고 붙어있을 수 있으며 펠티에 소자(222)와 송풍기(128)는 온도조절수단을 구성한다. 펠티에 소자(222)에 대해서는 당업계에 잘 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략한다.

이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

1. PCR 칩이 수용되어 지지되는 PCR 가이드;
   상기 PCR 가이드의 양단을 지지하는 하우징;
   상기 하우징 내에서 상기 하우징과 상기 PCR 가이드 사이의 공간에서 상기 PCR 가이드에 대해서 수직으로 이동되며 그 상면에 상기 PCR 칩의 하부면과 선택적으로 접촉하는 온도조절수단이 장착된 온도조절부; 및
   상기 온도조절부 및 상기 하우징 사이에서, 상기 온도조절부를 상기 PCR 가이드로 탄성바이어스시키는 탄성수단;을 구비한 PCR 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 PCR 가이드는 상기 하우징으로부터 착탈이 가능한 PCR 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 PCR 가이드와 상기 하우징에서 서로 대응되는 위치에 형성되어 상기 PCR 가이드를 상기 하우징에 선택적으로 고정시키는 고정수단을 더 구비한 PCR 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 고정수단은, 상기 PCR 가이드의 마주보는 양측에 각각 형성된 적어도 하나의 오목한 홈과, 상기 하우징의 측면에서 상기 PCR 가이드를 대향하는 측면에 형성된 수직홈과, 상기 수직홈의 바닥에 배치된 스프링과, 상기 스프링에 의해 상기 오목한 홈에 선택적으로 출입하는 볼을 구비한 PCR 장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 PCR 가이드는 상기 온도조절수단의 길이방향과 직교하는 방향으로 상기 히팅부와 접촉하는 PCR 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 온도조절부는, 상기 온도조절수단과 나란하게 상기 하우징과 대향되게 배치된 PCB; 및
   상기 온도조절수단 및 상기 PCB를 일정 간격으로 지지하는 지지부재;를 구비한 PCR 장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 하우징에서 상기 온도조절부가 상기 하우징의 바닥으로부터 멀어지는 거리를 제한하도록 상기 지지부재의 상부를 선택적으로 접촉하는 스토퍼를 더 구비한 PCR 장치.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 탄성수단은 탄성 스프링인 PCR 장치.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 온도조절수단은 실리콘으로 형성되며, 그 하부면에 히팅 패턴이 형성된 히팅부인 PCR 장치.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도조절수단은 펠티에 소자인 PCR 장치.

Images