KR20120025034A - 핵산 검사 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 광섬유 다발을 이용하여 시료에 균일한 빛이 조사될 수 있도록 함으로써, 조명 광 효율을 향상시킬 수 있는 핵산 검사 장치에 관한 것이다. 본 발명은, 빛이 투과될 수 있으며, 시료를 수용할 수 있는 적어도 하나의 용기, 광원과, 광원으로부터 출력되는 광에너지를 광섬유를 통하여 용기에 조사하는 광 발생부; 용기의 적어도 일부와 접촉하고, 광에너지를 전달할 수 있는 관통홀을 구비하는 열전 블록; 및 광에너지에 의하여 시료에서 발생한 형광을 검출하는 광 검출부를 구비하는 핵산 검사 장치를 제공한다.

Description

핵산 검사 장치{Apparatus for polymerase chain reaction}
본 발명은 핵산 검사 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 핵산 증폭을 위한 용기들의 온도 제어와 핵산 증폭의 실시간 검출을 효과적으로 수행할 수 있는 핵산 검사 장치에 관한 것이다.
생명과학, 유전공학 및 의학 분야 등의 연구개발 및 진단 목적으로 핵산(DNA, RNA) 증폭기술이 광범위하게 활용되고 있다. 특히, 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 증폭시키기 위하여 사용될 수 있다.
중합 효소 연쇄 반응은 열변성(Denaturation), 어닐링(Annealing), 및 신장(Extension) 등의 일련의 온도 효소 반응 단계로 진행될 수 있다. 이때, 이들 각각의 반응 단계는 각각 일정한 온도 범위에서 진행되어야 양질의 핵산을 고수율로 수득할 수 있다.
실시간 PCR(real time PCR) 장치는 중합 효소 연쇄 반응에 의해 증폭된 산물을 실시간으로 모니터링할 수 있다. 이를 위하여, 실시간 PCR(real time PCR) 장치는 시료의 증폭 반응이 진행되는 동안 시료에 여기 광선(excitation light)을 조사함으로써 발생하는 형광(emission light)을 실시간으로 검출할 수 있다.
통상적으로 여기 광선은 형광에 비해 밝다. 따라서, 형광을 검출하는 감지 장치에 여기 광선과 형광이 모두 유입됨으로써 신호에 포함된 노이즈가 많아지면 정상적인 형광 검출이 어려워 질 수 있다. 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. 하지만, 이러한 경우 광학계의 구성이 복잡해지거나 광 경로가 지나치게 길어져 PCR 장치의 크기가 커질 수 있다.
본 발명은, 광섬유 다발을 이용하여 시료에 균일한 빛이 조사될 수 있도록 함으로써, 조명 광 효율을 향상시킬 수 있는 핵산 검사 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 빛이 투과될 수 있으며, 시료를 수용할 수 있는 적어도 하나의 용기, 광원과, 광원으로부터 출력되는 광에너지를 광섬유를 통하여 상기 용기에 조사하는 광 발생부; 상기 용기의 적어도 일부와 접촉하고, 상기 광에너지를 전달할 수 있는 관통홀을 구비하는 열전 블록; 및 상기 광에너지에 의하여 상기 시료에서 발생한 형광을 검출하는 광 검출부를 구비하는 핵산 검사 장치를 제공한다.
상기 광 발생부가, 빛을 생성하는 광원, 각각의 용기에 상기 광원으로부터 출력되는 빛을 개별적으로 직접 입사시키는 적어도 하나의 광섬유 다발, 및 상기 광원에서 생성된 빛을 평탄화시켜 상기 각각의 광섬유 다발로 전달하는 평탄화 렌즈를 구비할 수 있다.
상기 광 발생부에 상기 광섬유 다발이 복수개 구비되고, 각각의 상기 광섬유 다발들의 길이가 실질적으로 동일할 수 있다.
상기 평탄화 렌즈는, 로드 렌즈(rod lens) 또는 플라이아이 렌즈(flyeye lens)가 될 수 있다.
상기 광 검출부가 복수의 필드 렌즈를 구비할 수 있다.
상기 광원이 복수의 단색광 LED(Light Emitted Diode)들을 구비하고, 각각의 상기 단색광 LED에 대응되는 다이크로익 필터(dichroic filter)를 더 구비할 수 있다.
각각의 상기 단색광 LED들과 상기 다이크로익 필터 사이에 배치되는 콘덴서 렌즈, 및 상기 다이크로익 필터와 상기 평탄화 렌즈 사이에 배치되는 포커싱 렌즈를 더 구비할 수 있다.
상기 열전 블록이, 상기 일면으로부터 상기 타면으로부터 관통홀이 형성되고, 상기 타면으로부터 상기 관통홀에 상기 용기의 적어도 일부가 수납되고, 상기 관통홀이 투명한 물질로 채워질 수 있다.
상기 광섬유의 일부가 상기 열전 블록의 상기 일면으로부터 상기 관통홀에 삽입되고, 상기 일면에 상기 관통홀을 막는 마개가 설치될 수 있다.
상기 열전 블록이, 상기 타면 측에 배치되고, 상기 용기의 적어도 일부와 접촉하는 지지 블록, 일면이 상기 지지 블록과 접촉되고, 열전 소자를 포함하는 히팅 블록, 및 일면이 상기 일면으로 노출되고, 타면이 상기 히팅 블록과 접촉되는 쿨링 블록을 구비할 수 있다.
상기 지지 블록이 알루미늄(Al)을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 쿨링 블록의 내부를 지나고 내부에 열전달 유체가 흐르는 히트 파이프를 더 구비할 수 있다.
상기 쿨링 블록과 연결되어 상기 쿨링 블록을 냉각시키는 냉각부를 더 구비할 수 있다.
상기 냉각부가, 상기 히트 파이프의 유체 배출구와 연결되어 외부로 상기 열전달 유체를 회수하는 회수 유로, 상기 히트 파이프의 유체 유입구와 연결되어 내부로 상기 열전달 유체를 공급하는 공급 유로, 및 상기 열전달 유체를 상기 히트 파이프로 공급하는 펌프를 구비할 수 있다.
상기 냉각부가, 상기 회수 유로를 통하여 회수된 상기 열전달 유체와 열교환하는 열전 소자를 더 구비할 수 있다.
상기 냉각부가, 상기 회수 유로를 통하여 회수된 상기 열전달 유체를 냉각시키는 냉각팬을 더 구비할 수 있다.
상기 용기를 상기 타면 측으로부터 덮고 열을 가하는 상부 커버를 더 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 핵산 검사 장치에 의하면, 광섬유 다발을 이용하여 시료에 균일한 빛이 조사될 수 있도록 함으로써, 조명 광 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 검사 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 핵산 검사 장치에서, 광원으로 복수의 단색광의 LED(Light Emitted Diode)가 사용되는 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 핵산 검사 장치에서, 온도 변환부를 보다 상세하게 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예로서, 별도로 구비되는 순환식 유체 냉각 방식에 의하여 냉각되는 핵산 검사 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 5는 도 4의 핵산 검사 장치에서, 쿨링 블록 내부에 설치되는 히트 파이프를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 검사 장치(10)의 개략적인 구성이 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 핵산 검사 장치(10)는 온도 변환부(100); 광 발생부(200); 및 광 검출부(300)를 구비할 수 있다.
온도 변환부(100)는 용기(110)의 적어도 일부와 접촉하고, 광에너지를 전달할 수 있는 관통홀을 구비할 수 있다. 이때, 용기(110)는 빛이 투과될 수 있으며, 시료를 수용할 수 있다. 용기(110)는 적어도 하나 예를 들어 다수 개 구비될 수 있다.
광 발생부(200)는 광원(210)으로부터 출력되는 빛을 광섬유(280)를 통하여 온도 변환부(100)의 일면으로부터 시료가 수용된 용기(110)에 조사할 수 있다. 광 검출부(300)는 온도 변환부(100)의 일면으로부터 조사되는 빛에 의하여 시료에서 발생한 발생 형광(emission light)을 온도 변환부(100)의 타면으로부터 검출할 수 있다.
여기서, 온도 변환부(100)는 광투과형 온도 변환 장치(thermal cycler)로 구현될 수 있다. 즉, 여기 광선(excitation light)이 온도 변환부(100)의 일면으로부터 시료에 조사되고, 그에 따라 발생하는 발생 형광(emission light)이 그 반대면에서 검출될 수 있다.
따라서, 핵산 검사 장치(10)는 광투과형 온도 변환 장치를 적용함으로써, 광학계 구현 방법을 다양화시킬 수 있으며, 광 효율을 향상시킬 수 있다.
온도 변환부(100)는 시료를 수용할 수 있는 적어도 하나의 용기(110)의 적어도 일부를 지지할 수 있다. 이를 위하여, 온도 변환부(100)는 적어도 하나 예를 들어 다수의 빛이 투과될 수 있는 용기(110)의 적어도 일부와 접촉하는 열전 블록(100a)을 포함할 수 있다.
이때, 용기(110)를 지지하는 열전 블록(100a)은 광에너지를 전달할 수 있는 관통홀을 구비할 수 있다. 다수의 용기(110)에 위 또는 아래로부터 빛을 조사하고, 발생 형광(emission light)을 반대면에서 검출할 수 있게 된다.
시료의 DNA(DeoxyriboNucleic Acid) 및/또는 RNA(RiboNucleic Acid) 등의 핵산 증폭은 여러 가지 핵산 증폭기술 중에서도 중합 효소 연쇄 반응(Polymerase Chain Reaction; PCR)을 이용한 핵산 증폭 기술에 의하여 이루어질 수 있다. 중합 효소 연쇄 반응(PCR)은 유전체에 있는 특정 염기 서열을 필요한 만큼 증폭시킬 경우 이용된다.
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.
온도 변환부(100)는 적어도 하나 예를 들어 다수의 용기(110)에 수용된 시료의 핵산 증폭을 유도하기 위하여, 온도 변환부(100)는 시료의 핵산 증폭에 필요한 온도 조건을 형성할 수 있다. 이를 위하여, 온도 변환부(100)에 펠티어(peltier) 소자와 같은 열전 소자가 사용될 수 있다.
한편, 핵산 검사 장치(10)는 시료의 증폭 반응이 진행되는 동안 시료에 여기 광선(excitation light)을 조사하고, 그로 인하여 발생하는 발생 형광(emission light)을 실시간으로 검출할 수 있다.
이때, 여기 광선(excitation light)이 열전 블록(100a)의 일면으로부터 핵산 증폭 반응을 일으키는 시료에 조사될 수 있다. 또한, 여기 광선(excitation light)이 핵산 증폭 반응을 일으키는 시료에 조사되면, 발생 형광(emission light)이 생성될 수 있다. 이때, 방출되는 발생 형광(emission light)이 열전 블록(100a)의 타면, 즉 여기 광선이 조사되는 면의 반대면에서 검출될 수 있다.
중합 효소 연쇄 반응(Polymerase Chain Reaction; PCR)에 의하여 핵산을 증폭하기 위해서는 핵산 증폭에 필요한 온도 조건을 형성하기 위한 온도 변환 장치(Thermal cycler)가 필요하다.
통상의 열전 소자(Peltier)를 이용한 핵산 검출 광학계에서는 보통 광원을 열전 블록의 위에서 조사하고 발생 형광(emission light)도 위쪽에서 검출하는 방식이 사용될 수 있다. 따라서, 이를 위한 광학계의 구성이 제한 될 수밖에 없다.
빔 스플리터(Beam splitter)를 사용하는 광학계에서는 형광 다이 수가 많아지면, 광원 및 조명광학 부품의 수도 그만큼 많아져야 한다. 따라서, 번거로움과 고비용의 문제가 발생할 수 있다.
한편, 비스듬한 조사(oblique illumination) 방식을 이용할 경우에는 전체적인 광학계가 매우 길어질 수 있다. 따라서, 전체 광학계의 부피를 줄이기 위하여, 복잡한 반사 기구(mechanism)를 채택할 필요가 있다.
또한, 통상의 대면적 전면 조사 방식의 광학계 구성은 모두 텔레센트릭(Telecentric) 카메라의 대구경 렌즈를 빛 확산을 위한 조명 렌즈로 함께 사용한다. 이러한 동축 조명(Coaxial illumination)방식으로 대면적을 비출 경우에는, 중심은 광세기가 강하고 주변으로 갈수록 약해지는 광세기의 비균일성을 피할 수 없다.
또한, 전체 웰 플레이트(well plate)에서 개별 용기(well)가 차지하는 면적은 절반 이하이기 때문에 실제 용기(Well) 속으로 입사하는 광량은 절반 이하로 줄어들어 광 효율이 나빠질 수 있다. 즉, 동축 조명 방식의 경우에는 광 효율도 나쁘고, 광세기의 비균일성으로 인하여 소프트웨어적으로 광세기를 평균화(Nomalize) 시켜주어야 한다.
하지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 검사 장치(10)는 광투과형 온도 변환 장치를 적용함으로써, 광학계의 구현 방법을 다양화시킬 수 있으며, 광 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 광 발생부(200)는 광원(210)으로부터 출력되는 빛을 여기 광선(excitation light)으로 광섬유(280)를 통하여 열전 블록(100a)의 일면으로부터 시료가 수용된 용기(110)에 조사될 수 있다.
광 발생부(200)는 광원(210), 적어도 하나의 광섬유 다발(280), 및 평탄화 렌즈(270)를 구비할 수 있다.
광원(210)은 빛을 생성한다. 광섬유 다발(280)은 각각의 용기(110)에 광원(210)으로부터 출력되는 빛을 개별적으로 직접 입사시킨다. 평탄화 렌즈(270)는 광원(210)에서 생성된 빛을 평탄화시켜 각각의 광섬유 다발로 전달한다.
이때, 용기(110)가 복수개 구비되는 경우에, 광섬유 다발(280)이 각각의 용기(110)에 대응되도록 복수 개 구비될 수 있다. 따라서, 각각의 광섬유 다발(280)이 각각의 용기(110)에 개별적으로 광을 입사시킬 수 있다. 따라서, 광원(210)에서 생성된 빛이 시료가 수용된 용기(110)에 도달하는 광 효율을 극대화시킬 수 있다.
핵산 검사 장치(10)에서는 광섬유를 이용하여 시료가 수용된 각각의 용기(110)에 균일한 여기 광선이 조사될 수 있도록 한다. 이때, 광섬유 다발(280) 각각을 개별 용기(110)에 광을 직접 입사시켜줄 수 있다. 따라서, 광섬유 다발(280)을 이용하는 방식은 광 손실이 거의 없어 광 효율을 높일 수 있게 된다.
또한, 광섬유 다발(280)은 유연하게 휠 수 있으므로, 광원(210)으로부터 온도 변환부(100a)까지의 구조를 다양하게 가져갈 수 있으며, 적은 공간만으로도 광학계를 구성할 수 있게 된다. 따라서, 다른 방법들에 비하여 광학계의 공간 활용도를 높일 수 있다.
한편, 광섬유 다발(280)은 평탄화 렌즈(270)로부터 온도 변환부(100a)까지 연장될 수 있다. 이때, 광섬유 다발(280)이 평탄화 렌즈(270)로부터 온도 변환부(100a)까지 연장되는 길이가 각각의 광섬유 다발(280)에 대하여 동일하게 구성될 수 있다. 그에 따라, 각각의 용기(110)에 균일한 조도의 빛이 전달될 수 있다.
따라서, 각각의 용기(110)에 담긴 시료로부터 동일한 조건 하에서의 발생 형광이 생성되도록 할 수 있다.
한편, 각각의 광섬유 다발(280)에 균일한 조도의 빛이 전달되기 위해서는 평탄화 렌즈(270)가 사용될 수 있다. 이때, 평탄화 렌즈(270)는 로드 렌즈(rod lens) 또는 플라이아이 렌즈(flyeye lens)가 될 수 있다.
도면에 도시된 실시예에서는 평탄화 렌즈(270)로 로드 렌즈(rod lens)가 사용되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고, 출력단의 전 영역에서 균일한 빛이 조사될 수 있도록 빛을 평탄화 시켜주는 다양한 종류의 렌즈가 사용될 수 있다.
이를 위하여, 광원(210)에서 생성된 빛은 리플렉터(reflector, 220)를 통하여 미리 설정된 방향으로 방출되고, 그 빛이 셔터(230)에 형성된 홀을 통과하고 디퓨저(diffuser, 240)를 통하여 산광된다. 또한, 디퓨저(240)에 의하여 산광된 빛은 콘덴서 렌즈(250)에 의하여 평행광으로 변환되어, 평탄화 렌즈(homogenizing lens, 270)에 입사된다.
이때, 빛은 제1 파장 선택필터(260)에 의하여 특정 영역의 파장이 선택되어 평탄화 렌즈(270)에 전달된다. 제1 파장 선택필터(260)는 도 4에 도시된 바와 같이 회전식의 필터 휠(filter wheel)로 구현되어, 복수개의 필터들 중에서 원하는 특정 파장대의 빛을 선택적으로 투과시키는 필터가 선택적으로 적용되도록 할 수 있다.
이처럼, 광섬유 다발(Optical fiber bundle)을 사용하여 개별 용기(Well)에 광을 입사시키는 방식은, 광섬유 특유의 유연성으로 인하여 조명 광학계의 공간배치의 자유로움과 조명 광 효율을 극대화시킬 수 있다. 이를 위하여, 용기(Well) 간 광세기 편차를 없애기 위해서 동일한 수의 광섬유 다발(280)을 용기(Well)의 개수만큼 나누어야 배치한다. 또한, 평탄화 렌즈(270)에 의하여 광세기 편차를 없애는 광 평탄화 작업을 한 후에 광섬유 다발(280)에 광을 입사시킬 수 있다.
도 2에는 핵산 검사 장치(10)에서, 광원(210)으로 복수의 단색광의 LED(Light Emitted Diode)가 사용되는 실시예가 개략적으로 도시되어 있다.
본 실시 예는 고열을 많이 방출하고 수명이 짧은 텅스텐 할로겐 램프(Tungsten-Halogen lamp) 또는 제논 램프(Xenon lamp) 대신에 열방출이 상대적으로 적고 수명도 긴 LED를 사용함으로써 비용을 절감할 수가 있다.
또한, 회전식의 칼라 필터 휠(Color filter wheel) 대신에 고정된 다이크로익(Dichroic filter)를 사용함으로써 파장이 가변한 조명 광학계를 좀 더 컴팩트(Compact)하게 꾸밀 수가 있다.
광원(210)은 복수의 단색광 LED(Light Emitted Diode)들(31a 내지 31d)을 구비하여 이루어질 수 있다. 이때, 각각의 단색광 LED들(31a 내지 31d)에 대응되도록 다이크로익 필터(dichroic filter)들(36)이 설치될 수 있다.
또한, 콘덴서 렌즈(35)가 각각의 단색광 LED들(31a 내지 31d)과 다이크로익 필터(36) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 포커싱 렌즈(35a)가 다이크로익 필터(36)와 평탄화 렌즈(37) 예를 들어 로드 렌즈(rod lens) 사이에 배치될 수 있다.
이때, 복수의 단색광의 LED들(31a 내지 31d)을 사용하고, 회전식의 필터 휠(Filter wheel) 대신에 다이크로익 필터(Dichroic filter)를 공간적으로 고정 배치시켜 각각의 LED들(31a 내지 31d)을 순차적으로 온(on)-오프(off) 시킴으로써, 원하는 파장대의 선택이 가능한 조명계를 구성할 수 있다.
LED의 중심 파장은 455nm, 470nm, 505nm, 530nm, 590nm, 617nm, 625nm, 656nm 가 있으나, 핵산 검사 장치(10)에 사용하기 위해서는 이웃한 파장간의 간섭이 없도록 일정 간격을 유지시켜 줄 수 있다.
각각의 개별 LED들(31a 내지 31d) 위는 LED에서 나오는 발산 광선을 평행 광선으로 만들어주는 콘덴서 렌즈(35)가 배치될 수 있다. 평탄화 렌즈(37) 예를 들어 로드 렌즈(rod lens)는 포커싱 렌즈(35a)로부터 나온 가우시안(Gaussian) 분포의 광세기 분포를 평탄화(homogenizing) 시켜줄 수 있다.
따라서, 사용하는 LED의 중심 파장을 기점으로 다이크로익 필터의 컷-온(cut-on) 파장을 달리 선택함으로써, 고정된 파장 가변 광엔진을 구성할 수 있다. 따라서, 회전식의 필터 휠을 사용하지 않고서도 원하는 파장대의 빛을 선택적으로 생성할 수 있게 된다.
광 검출부(300)는 시료에서 발생한 발생 형광(emission light)을 검출할 수 있다. 이를 위하여, 광 검출부(300)는 이미지 센서(310), 렌즈들(320), 필드 렌즈(330), 및 제2 파장 선택 필터(340)를 구비할 수 있다.
이미지 센서(310)는 용기(110) 내의 시료에서 방사된 발생 형광을 받아들여 이에 대응하는 전기적 신호를 발생시킨다. 필드 렌즈(330) 및 기타 렌즈들(320)은 발생 형광을 이미지 센서(310)에 집결시킨다. 제2 파장 선택 필터(340)는 여기 광선은 차단하고 발생된 형광만을 투과시킴으로써 노이즈(잡음)의 영향을 최소화할 수 있다.
이때, 필드 렌즈(330)는 복수개가 구비될 수 있다. 도면에 도시된 실시예에서는 필드 렌즈(330)가 제1 필드 렌즈(331) 및 제2 필드 렌즈(332)를 구비함으로써, 광학 길이를 줄일 수 있게 된다. 따라서, 광학계를 구성하기 위한 공간을 절약할 수 있게 된다.
한편, 핵산 검사 장치(10)는 용기(110)를 열전 블록(100a)의 타면 측으로부터 덮고 열을 가하는 상부 커버(150)를 더 구비할 수 있다. 이때, 상부 커버(150)는 핵산 증폭을 위한 온도 변환 주기 동안에 열을 가하여 일정한 온도로 유지될 수 있다. 따라서, 핵산 증폭 반응 시에 액체 시료가 기화되어 흐려짐으로써 발생 형광 검출이 방해되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상부 커버(150)는 핵산 증폭 반응이 진행되는 동안에 용기(110)가 강하게 열전 블록(100a)에 눌려지도록, 용기(110)에 압력을 가할 수 있다. 따라서, 핵산 증폭 반응 동안에 용기(110)와 열전 블록(100a) 사이의 열전도도를 향상시킬 수 있다.
도 3에는 핵산 검사 장치(10)에서, 온도 변환부(100)의 구성이 보다 상세하게 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 온도 변환부(100)는 열전 블록(100a) 및 상부 히터(150)를 구비할 수 있다. 열전 블록(100a)은 용기(110)를 수납하고, 용기(110)에 핵산 증폭 반응을 위한 온도 조건이 형성될 수 있도록 한다. 상부 히터(150)는 용기(110)를 열전 블록(100a) 위에 덮고 열을 가한다.
열전 블록(100a)에는 일면과 타면을 관통하는 관통홀(160a)이 형성된다. 관통홀(160a)은 수납되는 용기(110)의 개수만큼 형성될 수 있다. 이때, 열전 블록(100a)의 타면으로부터 관통홀(160a)에 용기(110)의 적어도 일부가 수납된다. 이때, 관통홀(160a)의 용기(110)가 수납되는 영역을 제외한 영역에는 투명한 물질로 채워져 투명 수지부(160)가 형성될 수 있다.
각각의 광섬유 번들(280)을 통하여 입사되는 여기 광선이 관통홀(160a)을 통하여 시료가 수용된 용기(110)에 직접 입사될 수 있다. 따라서, 광섬유 번들(280)을 통하여 전달되는 여기 광선이 거의 손실 없이 시료가 수용된 용기(110)에 전달될 수 있다. 이를 위하여, 광섬유 번들(280)의 일부 예를 들어 끝단부가 열전 블록(100a)의 일면으로부터 관통홀(160a)에 삽입될 수 있다.
이때, 관통홀(160a)에 형성된 투명 수지부(160)는 UV(Ultra Violet) 경화성 및/또는 열광화성 수지로 형성될 수 있다. 투명 수지부(160)는 광섬유 번들(280)을 통하여 입사되는 여기 광선을 가이드하고, 관통홀(160a) 내부에 이물질이 채워지는 것을 방지할 수 있게 된다.
이때, 열전 블록(100a)의 일면 예를 들어 광섬유 번들(280)이 삽입되는 면에는 관통홀(160a)을 막는 마개(170)가 설치될 수 있다. 마개(170)는 관통홀(160a)에 삽입되는 광섬유 번들(280)을 지지하고, 이물질이 관통홀(160a) 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
마개(170)는 관통홀(160a) 내부에 투명 수지부(160)가 형성되지 않는 경우에도 적용될 수 있다. 이 경우, 이물질이 관통홀(160a) 내부로 유입되는 것을 방지하는 실익이 더욱 커질 수 있다.
한편, 열전 블록(100a)은 지지 블록(120), 히팅 블록(130), 및 쿨링 블록(140)을 포함할 수 있다.
지지 블록(120)은 타면 측에 배치되고, 용기(110)의 적어도 일부와 접촉할 수 있다. 히팅 블록(130)은 열전 소자를 포함하고, 일면이 지지 블록(120)과 접촉될 수 있다. 쿨링 블록(140)은 일면이 열전 블록(100a)의 일면으로 노출되고, 타면이 히팅 블록(130)과 접촉될 수 있다.
한편, 용기들(110)은 투명한 플라스틱이나 유리와 같은 소재로 제작되어, 광이 용기들(110)을 투과할 수 있다. 용기들(110)의 내부에는 증폭 대상인 핵산 시료가 수용될 수 있다. 용기들(110)의 적어도 일부 예를 들어 하부는 지지 블록(120)에 의해 지지될 수 있다.
이때, 용기들(110)은 히팅 블록(130)으로부터 전달되는 온도를 지지 블록(120)을 통하여 전달받는다. 이를 위하여, 열전도성이 우수한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 지지 블록(120)은 기계적 강도가 우수하고, 열전도 특성이 좋은 알루미늄(Al)을 포함하여 이루어질 수 있다.
다만, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고, 용기(110)가 직접 히팅 블록(130)과 접촉되어 온도를 전달받을 수 있다.
히팅 블록(130)은 펠티어(peltier)와 같은 열전 소자를 포함하여, 핵산 증폭에 필요한 주기에 맞추어 용기들(110)의 온도를 가열시키거나 냉각시키는 기능을 수행할 수 있다. 다만, 본 발명의 히팅 블록(130)은 이에 한정되지 아니하며, 이를 변형하여 항온장치(isothermal block)로 작동하도록 제작하여 등온 핵산증폭 장치 및 이의 검출 장비(isothermal target & probe amplification)의 구현에 이용할 수도 있다.
한편, 펠티어 소자는 펠티어 효과를 이용한 전기/열 변환 소자로서, 두 종류의 금속을 접속하여 전류를 인가할 때 두 금속의 접합부에서 열이 발생하거나 열이 흡수되는 열전현상을 이용한 소자이다.
따라서, 히팅 블록(130)은 별도로 구비되는 제어기(미도시)와 연결되고, 제어기에 의하여 핵산 증폭 반응에 필요한 온도 사이클을 구현할 수 있도록 온도 제어될 수 있다.
즉, 제어기가 전기 배선을 통해 히팅 블록(130)의 펠티어 소자와 같은 열전 소자에 전류를 인가함으로써 열전 소자의 온도가 상승하게 하거나 온도가 하강하게 하여 용기들(110)의 온도를 제어할 수 있다. 제어기는 예를 들어 반도체 칩이나, 반도체 칩을 이용한 회로기판 등으로 구현될 수 있다. 열전 소자에는 온도 센서가 설치될 수 있으며, 제어기는 온도 센서의 감지 신호에 기초해 열전 소자의 온도를 제어할 수 있다.
쿨링 블록(140)은 히팅 블록(130)과 접촉되어 히팅 블록(130)의 열을 외부로 배출함으로써 히팅 블록(130)의 온도를 조절할 수 있다. 즉, 쿨링 블록(140)은 히팅 블록(130)에서 발생된 열을 외부로 전달하여 신속한 냉각이 이루어지도록 보조하는 기능을 수행할 수 있다.
쿨링 블록(140)은 히팅 블록(130)의 일면에 접촉하는 열전달 소재의 히트 싱크를 포함하여 형성될 수 있다. 히트 싱크는 예를 들어 알루미늄이나 구리와 같은 열전도성 금속으로 제조될 수 있다. 히트 싱크를 설치함으로써 자연적인 대류 효과로 인한 냉각 효과를 얻을 수 있다. 히트 싱크는 도시된 구조 이외에도 널리 알려진 히트 파이프(heat pipe)의 구조를 채택할 수도 있다.
쿨링 블록(140)은 히트 싱크를 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.
즉, 쿨링 블록(140)에 의하여 히팅 블록(130)의 냉각 효과를 극대화함으로써, 히팅 블록(130)의 온도 조절을 더욱 용이하게 하도록 할 수 있다.
한편, 상부 커버(150)는 핵산 증폭을 위한 온도 변환 주기 동안에 열을 가하여 일정한 온도로 유지되고, 용기(110)를 강하게 열전 블록(100a)에 압력을 가할 수 있다.
따라서, 핵산 증폭 반응 시에 액체 시료가 기화되어 흐려짐으로써 발생 형광 검출이 방해되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 핵산 증폭 반응 동안에 용기(110)와 열전 블록(100a) 사이의 열전도도를 향상시킬 수 있다.
도 4에는 본 발명의 다른 실시예로서, 별도로 구비되는 순환식 유체 냉각 방식에 의하여 냉각되는 핵산 검사 장치(40)의 구성을 보여주는 사시도가 도시되어 있다. 도 5에는 도 4의 핵산 검사 장치(40)에서 쿨링 블록(140) 내부에 설치되는 히트 파이프(141)가 개략적으로 도시되어 있다.
여기서, 본 실시예에 따른 핵산 검사 장치(40)는 도 1의 핵산 검사 장치(10)에 별도의 냉각부(400)가 더 구비되는 것으로, 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하고 이들에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도면을 참조하면, 도면에 도시된 실시예에서와 같이 열전 블록(100a)에 관통홀(160a)이 형성된 경우에는 그 구멍의 체적만큼 냉각을 위한 접촉면적이 줄어들게 된다. 그에 따라, 열전 소자만으로는 냉각효율이 급격히 떨어질 수 있다.
하지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 검사 장치(40)에서는, 도면에 도시된 실시예에서와 같이, 순환식 유체 냉각 시스템을 적용을 적용하고, 냉각부(400)로 냉수 또는 냉각 유체에 의해 쿨링 레이트(cooling rate)를 가속시킴으로써, 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
핵산 검사 장치(40)는 온도 변환부(100); 광 발생부(200); 광 검출부(300); 및 냉각부(400)를 구비할 수 있다. 냉각부(400)는 온도 변환부(100)를 냉각시킨다.
이때, 냉각부(400)는 온도 변환부(100)의 쿨링 블록(140)과 연결되고, 쿨링 블록(140)을 냉각시킴으로써 쿨링 블록(140)을 통하여 히팅 블록(130)을 냉각시키고, 그에 따라 시료가 수용된 용기(110)가 냉각되도록 할 수 있다.
또한, 쿨링 블록(140)에는 내부를 지나고 그 내부에 열전달 유체가 흐르는 히트 파이프(141)가 배치될 수 있다. 즉, 열전달 유체는 히트 파이프(141)를 통하여 쿨링 블록(140)의 열을 흡수하여 외부로 배출할 수 있다.
냉각부(400)는 순환식 유체 냉각 시스템을 구현하는 것으로, 열전달 유체를 순환시켜 쿨링 블록(140)을 냉각시킬 수 있다. 이때, 중합 효소 연쇄 반응(PCR)을 일으키기 위하여, 히팅 블록(130) 전체의 온도 균일도를 ±0.5℃ 이내로 유지하면서, 히팅 레이트(heating rate)는 4~5℃/sec, 쿨링 레이트(cooling rate)는 -2~-3℃/sec가 되도록 열전 블록(100a)이 온도 제어될 수 있다.
냉각부(400)는, 회수 유로(410), 공급 유로(420), 및 펌프(430)를 구비할 수 있다. 회수 유로(410)는 히트 파이프(141)의 유체 배출구(141b)와 연결되어 외부로 열전달 유체를 한다. 공급 유로(420)는 히트 파이프(141)의 유체 유입구(141a)와 연결되어 내부로 열전달 유체를 공급한다. 펌프(430)는 열전달 유체를 히트 파이프(141)로 공급하거나 히트 파이프(141)로부터 회수하도록 작동된다.
이때, 중합 효소 연쇄 반응(PCR)을 일으키기 위하여 히팅 블록(130)이 데워지면, 히팅 블록(130)으로부터 쿨링 블록(140)으로 그 열이 전달될 수 있다. 그 열은 쿨링 블록(140) 내부의 히트 파이프(141)로 전달되고, 히트 파이프(141) 내부의 열전달 유체로 전달되어 데워진다.
히트 파이프(141)에서 데워진 열전달 유체는 유체 배출구(141b)와 연결되는 회수 유로(410)를 통하여 외부로 배출된다. 외부로 배출된 열전달 유체는 외부에서 식혀진다. 식혀진 열전달 유체는 공급 유로(420)를 통과하여, 다시 유체 유입구(141a)를 통하여 히트 파이프(141) 내부로 공급된다. 그에 따라, 히트 파이프(141)를 통하여 쿨링 블록(140)이 냉각될 수 있다.
이를 위하여, 냉각부(400)는 회수 유로(410)를 통하여 회수된 열전달 유체와 열교환하는 열전 소자(440)를 더 구비할 수 있다. 냉각부(400)는 회수 유로(410)를 통하여 회수된 열전달 유체가 열전 소자(440)와 열교환할 수 있도록 하는 추가적인 히트 파이프를 구비할 수 있다.
이때, 추가적으로 구비되는 히트 파이프는 열전 소자(440)와 직접 또는 간접적으로 접촉할 수 있도록 구성될 수 있다. 따라서, 데워진 열전달 유체는 외부의 열전 소자(440)에 의하여 식혀질 수 있다.
또한, 냉각부(400)는 회수 유로(410)를 통하여 회수된 열전달 유체를 냉각시키는 냉각팬(450)을 포함할 수 있다. 이때, 냉각팬(450)은 회수 유로(410)를 통하여 회수된 열전달 유체의 열을 외부로 방출하는 데 사용될 수 있다.
여기서, 열전달 유체는 통상의 냉각수 또는 기타 냉매가 사용될 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고 다양한 종류의 열전달 유체가 사용될 수 있다.
중합 효소 연쇄 반응(PCR) 중 히팅 블록(130)의 온도가 상승하는 동안에는 냉각부(400)에 구비되는 열전 소자(440)로 열전달 유체의 온도를 낮추어 두었다가 히팅 블록(130)을 냉각할 때에 펌프(430)에 의하여 냉각된 열전달 유체를 공급 유로(420)를 통하여 쿨링 블록(140) 쪽으로 흘려 보낼 수 있다.
그에 따라, 중합 효소 연쇄 반응(PCR) 중 시료의 냉각이 필요한 경우에 히팅 블록(130)을 효율적으로 냉각시킬 수 있다.
광 발생부(200)의 제1 파장 선택 필터(260)는 도면에 도시된 바와 같이 필터 휠(260')로 구현될 수 있다. 따라서, 필터 휠(260')을 조정함으로써, 여러 가지 서로 다른 파장대의 여기 광선이 선택적으로 발생될 수 있다.
광 검출부(300)는 렌즈들(320) 및 필드 렌즈(330)가 텔레센트릭 카메라(telecentric camera)로 구현될 수 있다. 따라서, 시료에서 발생되는 발생 형광이 도달되는 이미지 센서(310)의 거리에 상관없이 동일한 크기로 이미지 센서(310)에 검출될 수 있다.
광 검출부(300)의 제2 파장 선택 필터(340)는 도면에 도시된 바와 같이 필터 휠(340')로 구현될 수 있다. 따라서, 필터 휠(340')을 조정함으로써, 여러 가지 서로 다른 파장대의 발생 형광이 선택적으로 검출될 수 있다.
광 발생부(200)에 적용되는 광섬유 다발(280)은 유연한 구조로 휘어질 수 있으므로, 광학계의 구조를 자유롭게 구성할 수 있다. 도면에 도시된 실시예에서는 광 발생부(200)가 온도 변환부(100) 바로 위에 배치되는 광 검출부(300) 옆에 나란히 배치될 수 있다. 따라서, 핵산 증폭 반응을 검출하기 위한 광학계 구성을 위한 공간을 절약할 수 있게 된다.
이상에서 설명된 광투과형 온도 변환부(100), 광섬유를 이용한 반응 검출 광학계 구성, 및/또는 순환식 유체 냉각 방식의 냉각부(400)는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 검사 장치(40)에 한정되지 아니한다. 다만, 이러한 기술적 구성들은 DNA 또는 RNA 등의 증폭 과정을 실시간 정량 검출할 수 있는 실시간 핵산 검사 장치뿐만 아니라, 등온에 의한 핵산 증폭 또는 기타 실시간 형광 검출 장비에도 적용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 광섬유 다발을 이용하여 시료에 균일한 빛이 조사될 수 있도록 함으로써, 조명 광 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10, 40: 핵산 검사 장치,
100: 온도 변환부, 100a: 열전 블록,
140: 쿨링 블록, 141: 히팅 파이프,
150: 상부 히터, 200: 광 발생부,
270: 평탄화 렌즈, 280: 광섬유 다발,
300: 광 검출부, 400: 냉각부.

Claims (17)

  1. 빛이 투과될 수 있으며, 시료를 수용할 수 있는 적어도 하나의 용기,
    광원과, 광원으로부터 출력되는 광에너지를 광섬유를 통하여 상기 용기에 조사하는 광 발생부;
    상기 용기의 적어도 일부와 접촉하고, 상기 광에너지를 전달할 수 있는 관통홀을 구비하는 열전 블록; 및
    상기 광에너지에 의하여 상기 시료에서 발생한 형광을 검출하는 광 검출부;를 구비하는 핵산 검사 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광 발생부가,
    빛을 생성하는 광원,
    각각의 용기에 상기 광원으로부터 출력되는 빛을 개별적으로 직접 입사시키는 적어도 하나의 광섬유 다발, 및
    상기 광원에서 생성된 빛을 평탄화시켜 상기 각각의 광섬유 다발로 전달하는 평탄화 렌즈를 구비하는 핵산 검사 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광 발생부에 상기 광섬유 다발이 복수개 구비되고, 각각의 상기 광섬유 다발들의 길이가 실질적으로 동일한 핵산 검사 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 평탄화 렌즈가, 로드 렌즈(rod lens) 또는 플라이아이 렌즈(flyeye lens)인 핵산 검사 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광 검출부가 복수의 필드 렌즈를 구비하는 핵산 검사 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 광원이 복수의 단색광 LED(Light Emitted Diode)들을 구비하고,
    각각의 상기 단색광 LED에 대응되는 다이크로익 필터(dichroic filter)를 더 구비하는 핵산 검사 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    각각의 상기 단색광 LED들과 상기 다이크로익 필터 사이에 배치되는 콘덴서 렌즈, 및
    상기 다이크로익 필터와 상기 평탄화 렌즈 사이에 배치되는 포커싱 렌즈를 더 구비하는 핵산 검사 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 열전 블록이, 상기 일면으로부터 상기 타면으로부터 관통홀이 형성되고, 상기 타면으로부터 상기 관통홀에 상기 용기의 적어도 일부가 수납되고, 상기 관통홀이 투명한 물질로 채워지는 핵산 검사 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 광섬유의 일부가 상기 열전 블록의 상기 일면으로부터 상기 관통홀에 삽입되고, 상기 일면에 상기 관통홀을 막는 마개가 설치되는 핵산 검사 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 열전 블록이,
    상기 타면 측에 배치되고, 상기 용기의 적어도 일부와 접촉하는 지지 블록,
    일면이 상기 지지 블록과 접촉되고, 열전 소자를 포함하는 히팅 블록, 및
    일면이 상기 일면으로 노출되고, 타면이 상기 히팅 블록과 접촉되는 쿨링 블록을 구비하는 핵산 검사 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 지지 블록이 알루미늄(Al)을 포함하여 이루어진 핵산 검사 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 쿨링 블록의 내부를 지나고 내부에 열전달 유체가 흐르는 히트 파이프를 더 구비하는 핵산 검사 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 쿨링 블록과 연결되어 상기 쿨링 블록을 냉각시키는 냉각부를 더 구비하는 핵산 검사 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 냉각부가,
    상기 히트 파이프의 유체 배출구와 연결되어 외부로 상기 열전달 유체를 회수하는 회수 유로,
    상기 히트 파이프의 유체 유입구와 연결되어 내부로 상기 열전달 유체를 공급하는 공급 유로, 및
    상기 열전달 유체를 상기 히트 파이프로 공급하는 펌프를 구비하는 핵산 검사 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 냉각부가, 상기 회수 유로를 통하여 회수된 상기 열전달 유체와 열교환하는 열전 소자를 더 구비하는 핵산 검사 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 냉각부가, 상기 회수 유로를 통하여 회수된 상기 열전달 유체를 냉각시키는 냉각팬을 더 구비하는 핵산 검사 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 용기를 상기 타면 측으로부터 덮고 열을 가하는 상부 커버를 더 구비하는 핵산 검사 장치.
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KR (1) KR20120025034A (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101939601B1 (ko) * 2017-10-20 2019-01-18 주식회사 진시스템 단일파장으로 다중검출이 가능한 실시간 pcr 방법 및 이를 위한 실시간 pcr 장치

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