KR20130086893A - 광 투과성 열 블록을 포함하는 ｐｃｒ 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예는 광 투과성 열 블록을 포함하는 PCR 장치에 관한 것으로서, 이에 의하면, PCR을 신속하게 수행하고, 실시간으로 측정할 수 있으며, 분석 효율을 높일 수 있고, 소형화 및 내구성이 높은 휴대용 PCR 장치를 구현할 수 있다.

Description

광 투과성 열 블록을 포함하는 ＰＣＲ 장치{Device for polymerase chain reaction to amplify nucleic acid comprising light transmitting heating block}

본 발명은 중합효소 연쇄 반응에 사용되는 PCR(Polymerase Chain Reaction) 장치에 관한 것이다.

중합효소 연쇄 반응(Polymerase Chain Reaction, 이하 PCR이라 한다)은 핵산을 포함하는 PCR 대상 시료 및 PCR 시약을 반복적으로 가열 및 냉각하여 상기 핵산의 특정 염기 서열을 갖는 부위를 연쇄적으로 복제하여 그 특정 염기 서열 부위를 갖는 핵산을 기하급수적으로 증폭하는 기술로써, 생명과학, 유전공학 및 의료 분야 등에서 분석 및 진단 목적으로 널리 사용되고 있다. 따라서, 최근 PCR을 효율적으로 수행하기 위한 장치가 다양하게 개발되고 있다. 상기 PCR 장치는 특정 염기 서열을 갖는 핵산을 증폭하는 PCR을 수행하기 위하여 구현된 장치를 말한다. 일반적으로, PCR 장치는 이중 가닥의 DNA를 포함하는 PCR 대상 시료 및 PCR 시약을 특정 온도, 예를 들어 약 95℃로 가열하여 상기 이중 가닥의 DNA를 단일 가닥의 DNA로 분리하는 변성 단계(denaturing step), 상기 PCR 대상 시료 및 PCR 시약에 증폭하고자 하는 특정 염기 서열과 상보적인 서열을 갖는 올리고뉴클레오티드(oligonucleotide) 프라이머를 제공하고, 상기 분리된 단일 가닥의 DNA와 함께 특정 온도, 예를 들어 55℃로 냉각하여 상기 단일 가닥의 DNA의 특정 염기 서열에 상기 프라이머를 결합시켜 부분적인 DNA-프라이머 복합체를 형성하는 어닐링 단계(annealing step), 및 상기 어닐링 단계 이후 상기 PCR 대상 시료 및 PCR 시약을 DNA 중합효소의 활성온도, 예를 들어 72℃로 유지하여 DNA 중합효소(polymerase)에 의해 상기 부분적인 DNA-프라이머 복합체의 프라이머를 기초로 이중 가닥의 DNA를 형성하는 연장(또는 증폭) 단계(extension step)를 수행하고, 상기 연장(또는 증폭) 단계를 예를 들어, 20회 내지 40회로 반복함으로써 상기 특정 염기 서열을 갖는 DNA를 기하급수적으로 증폭할 수 있도록 구현된다. 또한, PCR 장치는 상기 어닐링 단계와 상기 연장(또는 증폭) 단계를 동시에 수행할 수 있고, 이 경우 상기 PCR 장치는 상기 변성 단계에 이은 상기 어닐링 및 연장 (또는 증폭) 단계로 구성된 2 단계를 수행함으로써, 제1 순환을 완성할 수도 있다. 종래 PCR 장치는 상기 변성 단계, 어닐링 단계 및 연장(또는 증폭) 단계를 수행하기 위하여 온도 제어 모듈로서, 탄화규소(SiC) 소재를 이용한 석열 히터, 열 전도성이 높은 금속 소재의 열선을 이용한 세라믹 히터 및 금속 히터 등을 사용하였다. 상기 히터들은 원적외선을 통한 복사 또는 주변 공기의 가열에 의한 열 대류를 통해 약 80 ℃ 이하에서 온도 제어가 가능하다. 그러나, 상기 히터들은 소재 특성상 온도가 크게 상승할 경우 단선의 우려가 높아 온도 제어의 안정성이 떨어지고, 금속 소재의 특성상 산화 및 부식이 빈번하게 발생하여 내구성이 크게 떨어지는 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점은 PCR 장치의 결과 신뢰성을 크게 떨어뜨리고, 에너지 효율을 감소시키는 결과를 야기하였다. 또한, 최근 맞춤 의학 및 원격 진단 시스템의 도입 추세에 따라, 생화학적 진단기기의 소형화의 필요성이 대두되고 있음에도 불구하고, 상기 히터들을 이용한 PCR 장치는 그 소재의 특성상 소형화가 불가능한 문제점이 있다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하고자 소형화가 가능하고, PCR 반응 시간을 최소화하며, PCR 반응 단계를 실시간으로 모니터링할 수 있을 뿐만 아니라 신뢰할 수 있는 PCR 반응 수율을 얻을 수 있는 PCR 장치를 제안한다.

본 발명의 일 실시예는 핵산 증폭 반응을 수행함에 있어서, 탁월한 성능 및 편리성을 발휘할 수 있는 PCR 장치를 제공하기 위함이다.

본 발명의 일 실시예는 PCR 칩; 및 투명 발열 소재를 구비하고 광 투과성을 갖도록 구현된 것으로서, 일 면에 상기 PCR 칩의 접촉 면을 구비하되, 상기 PCR 칩이 상기 접촉 면에 접촉하는 경우 상기 PCR 칩에 열을 전달하도록 구현된 1 이상의 열 블록을 포함하는 PCR(Polymerase Chain Reaction) 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서,

상기 투명 발열 소재는 인듐 주석 산화물(Indum Tin Oxcide, ITO), 전도성 고분자(conducting polymer), 탄소나노튜브(Cabon NanoTube, CNT), 그래핀(graphene), 투명 금속 산화물(Transparent Conductive Oxide, TCO), 및 산화물-금속-산화물 다층 투명 소자로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다.

또한, 상기 열 블록은 판 형상으로 구현될 수 있다.

또한, 상기 PCR 칩은 판 형상으로 구현되되, 광 투과성을 갖도록 구현될 수 있다.

또한, 상기 PCR 칩은 제1 판; 상기 제1 판 상에 배치되고, 1 이상의 반응 채널을 구비하는 제2 판; 및 상기 제2 판 상에 배치되고, 상기 1 이상의 반응 채널의 양 말단과 연결되되 개폐 가능하도록 구현된 유입부 및 유출부를 구비하는 제3 판을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 판 및 제3 판은 폴리디메틸실옥산(polydimethylsiloxane, PDMS), 사이클로올레핀코폴리머(cycle olefin copolymer, COC), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmetharcylate, PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리프로필렌카보네이트(polypropylene carbonate, PPC), 폴리에테르설폰(polyether sulfone, PES), 및 폴리에틸렌텔레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 및 그의 조합물로 구성된 군으로부터 선택되는 재질을 포함하고, 상기 제2 판은 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 사이클로올레핀 코폴리머(cycloolefin copolymer, COC), 폴리아미드(polyamide, PA), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리페닐렌 에테르(polyphenylene ether, PPE), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene, POM), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone, PEEK), 폴리테트라프로오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 폴리비닐리덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate, PBT), 불소화에틸렌프로필렌(fluorinated ethylenepropylene, FEP), 퍼플로로알콕시알칸(perfluoralkoxyalkane, PFA), 및 그의 조합물로 구성된 군으로부터 선택되는 열 가소성 수지 또는 열 경화성 수지 재질을 포함할 수 있다.

또한, 상기 열 블록의 일 면은 흡광 물질이 포함된 흡광층이 배치되거나, 및/또는 상기 열 블록의 다른 일 면은 광반사 방지 물질이 포함된 광반사 방지층이 배치될 수 있다.

또한, 상기 PCR 장치는 상기 PCR 칩의 접촉 면에 접촉하는 PCR 칩에 광을 제공하도록 구동가능하게 배치된 광 제공부, 및; 상기 PCR 칩의 접촉 면에 접촉하는 PCR 칩으로부터 방출되는 광을 수용하도록 구동가능하게 배치된 광 검출부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예는 기판 상에 배치된 제1 열 블록; 상기 기판 상에 상기 제1 열 블록과 이격 배치된 제2 열 블록; 및 상기 제1 열 블록 및 제2 열 블록 위로 구동 수단에 의해 좌우 및/또는 상하 이동 가능하고, PCR 칩이 장착된 칩 홀더를 포함하는 것으로서, 상기 제1 열 블록 및 제2 열 블록은 투명 발열 소재를 구비하고, 광 투과성을 갖도록 구현된 것으로서, 일 면에 상기 PCR 칩의 접촉 면을 구비하되, 상기 PCR 칩이 상기 접촉 면에 접촉하는 경우 상기 PCR 칩에 열을 전달하도록 구현된 것인 PCR 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 광 투과성 열 블록을 포함하는 PCR 장치를 제공함으로써, PCR을 효율적이고 신속하게 수행할 수 있고, PCR의 실시간 측정 및 분석 효율을 높일 수 있으며, 내구성 및 상업성이 높은 PCR 장치를 구현할 수 있다.

도 1a 내지 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 칩을 도시한다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 블록을 도시한다.
도 3a 내지 도 3c는 흡광층 및/또는 광반사방지층이 구현된 본 발명의 일 실시예에 따른 열 블록을 도시한다.
도 4a는 광 제공부 및 광 검출부를 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치의 광 투과성 열 블록 상에 PCR 칩이 배치된 것을 도시한다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치의 광 제공부를 보다 상세하게 도시한다.
도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치의 광 검출부를 보다 상세하게 도시한다.
도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치에 포함된 이색성 필터에 의해 광 경로를 도시한다.
도 5a 내지 5c는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 2개의 열 블록을 포함하는 PCR 장치를 도시한다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치를 이용하여 시간에 따른 PCR 결과를 도시하고, 도 6b는 도 6a에 따른 PCR 결과를 타사의 PCR 장치를 이용한 PCR 결과와 비교한 전기영동 사진을 도시한다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치를 이용하여 시간에 따른 PCR 결과를 도시하고, 도 7b는 도 7a에 따른 PCR 결과를 타사의 PCR 장치를 이용한 PCR 결과와 비교한 전기영동 사진을 도시한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명한다. 이하 기술된 설명은 본 발명의 일 실시예들을 쉽게 이해하기 위한 것일 뿐이며, 그러한 설명으로부터 본 발명의 보호범위를 제한하기 위한 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치는 PCR 칩; 및 투명 발열 소재를 구비하고 광 투과성을 갖도록 구현된 것으로서, 일 면에 상기 PCR 칩의 접촉 면을 구비하되, 상기 PCR 칩이 상기 접촉 면에 접촉하는 경우 상기 PCR 칩에 열을 전달하도록 구현된 1 이상의 열 블록을 포함한다.

상기 PCR 장치는 특정 염기 서열을 갖는 핵산을 증폭하는 PCR(Polymerase Chain Reaction)에 사용하기 위한 장치를 말한다. 예를 들어, 특정 염기 서열을 갖는 DNA(deoxyribonucleic acid)를 증폭하기 위한 PCR 장치는 이중 가닥의 DNA를 포함하는 PCR 대상 시료 및 PCR 시약을 특정 온도, 예를 들어 약 95℃로 가열하여 상기 이중 가닥의 DNA를 단일 가닥의 DNA로 분리하는 변성 단계(denaturing step), 상기 PCR 대상 시료 및 PCR 시약에 증폭하고자 하는 특정 염기 서열과 상보적인 서열을 갖는 올리고뉴클레오티드(oligonucleotide) 프라이머를 제공하고, 상기 분리된 단일 가닥의 DNA와 함께 특정 온도, 예를 들어 55℃로 냉각하여 상기 단일 가닥의 DNA의 특정 염기 서열에 상기 프라이머를 결합시켜 부분적인 DNA-프라이머 복합체를 형성하는 어닐링 단계(annealing step), 및 상기 어닐링 단계 이후 상기 PCR 대상 시료 및 PCR 시약을 적정 온도, 예를 들어 72℃로 유지하여 DNA 중합효소(polymerase)에 의해 상기 부분적인 DNA-프라이머 복합체의 프라이머를 기초로 이중 가닥의 DNA를 형성하는 연장 (혹은 증폭) 단계(extension step)를 수행하고, 상기 3 단계를 예를 들어, 20회 내지 40회로 반복함으로써 상기 특정 염기 서열을 갖는 DNA를 기하급수적으로 증폭할 수 있다. 또한, 경우에 따라, PCR 장치는 상기 어닐링 단계와 상기 연장 (혹은 증폭) 단계를 동시에 수행할 수 있고, 이 경우 PCR 장치는 상기 연장 단계와 상기 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계로 구성된 2 단계를 수행함으로써, 제1 순환을 완성할 수도 있다. 따라서, 본 명세서에 있어서, PCR 장치는 상기 단계들을 수행하기 위한 모듈들을 포함하는 장치를 말하며, 본 명세서에 기재되지 아니한 세부적인 모듈들은 PCR을 수행하기 위한 종래 기술 중 개시되고 자명한 범위에서 모두 구비하고 있는 것을 전제로 한다.

도 1a 내지 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 칩을 도시한다.

상기 PCR 칩은 PCR 대상 시료 및 PCR 시약을 수용되는 것으로서, 열 제공 수단과 접촉하여 가열 또는 냉각되어 PCR이 수행되는 것을 말한다. 상기 PCR 대상 시료는 검출하고자 하는 대상 개체의 시료를 말하고, 배양된 세포, 혈액, 타액 등을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 구제역 감염이 의심되는 대상 시료는 구제역 바이러스의 검출이 요구된다. 구제역 바이러스는 RNA를 게놈으로 하기 때문에 대상 시료의 RNA로부터 cDNA를 합성하는 단계가 전제될 수 있다. 즉, PCR 수행에 필요한 주형 DNA를 수득하기 위해, 구제역 바이러스의 게놈 RNA로부터 역전사를 수행하고, 이로부터 cDNA를 합성한다. 역전사 반응은 알려진 다양한 종류의 역전사 효소, 예를 들어 Invtrogen 사의 SuperScript 시리즈 및 이를 포함하는 키트를 통해 수행될 수 있다. 그 후, 상기 합성된 cDNA를 PCR 칩에 도입하여 PCR을 수행한다. 따라서, 상기 PCR 결과로부터 상기 대상 시료 중에 구제역 바이러스의 존재 유무를 확인할 수 있다. 또한, 상기 PCR 시약은 PCR을 수행하기 위해 요구되는 물질들을 포함하는 용액을 말한다. 예를 들어, 상기 PCR 시약은 주형 DNA의 표적 부위를 증폭하기 위해 요구되는 정방향 및 역방향 프라이머를 포함하는 프라이머 세트, 삼인산화데옥시리보뉴클레오티드(deoxyribonucleotide triphosphates, dNTP), 구체적으로 dATP, dCTP, dGTP, 및 dTTP를 포함하는 혼합물, DNA 중합효소, 검출 가능한 표지, 및 PCR 완충액(PCR buffer)를 더 포함할 수 있다. 상기 DNA 중합 효소는 예를 들어, Thermus aquaticus (Taq), Thermus thermophilus (Tth), Thermus filiformis, Thermis flavus, Thermococcus literalis 또는 Pyrococcus furiosus (Pfu)로부터 수득한 열 안정성 DNA 중합 효소일 수 있다. 상기 검출 가능한 표지는 Alexa Fluor 350, Alexa Fluor 430, Alexa Fluor 488, Alexa Fluor 532, Alexa Fluor 546, Alexa Fluor 568, Alexa Fluor 594, Alexa Fluor 633, Alexa Fluor 647, Alexa Fluor 660, Alexa Fluor 680, Cy2, Cy3.18, Cy3.5, Cy3, Cy5.18, Cy5.5, Cy5, Cy7, Oregon Green, Oregon Green 488-X, Oregon Green, Oregon Green 488, Oregon Green 500, Oregon Green 514, SYTO 11, SYTO 12, SYTO 13, SYTO 14, SYTO 15, SYTO 16, SYTO 17, SYTO 18, SYTO 20, SYTO 21, SYTO 22, SYTO 23, SYTO 24, SYTO 25, SYTO 40, SYTO 41, SYTO 42, SYTO 43, SYTO 44, SYTO 45, SYTO 59, SYTO 60, SYTO 61, SYTO 62, SYTO 63, SYTO 64, SYTO 80, SYTO 81, SYTO 82, SYTO 83, SYTO 84, SYTO 85, SYTOX Blue, SYTOX Green, SYTOX Orange, SYBR Green, YO-PRO-1, YO-PRO-3, YOYO-1, YOYO-3 및 티아졸 오렌지(thiazole orange)로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 상기 PCR 완충액은 증폭 반응의 pH를 조절함으로써 증폭 반응의 하나 이상의 구성 요소의 안정성, 활성, 및/또는 수명을 변형시키는 증폭 반응에 첨가되는 화합물로서, 이러한 완충액들은 알려져 있으며, 예를 들어, Tris, Tricine, MOPS, 또는 HEPES일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 칩의 형상은 다양하게 구현될 수 있으나, 바람직하게는 판 형상으로 구현될 수 있다. 판 형상의 PCR 칩은 그 내부에 수용된 PCR 대상 시료 및 PCR 시약의 혼합액이 넓게 분포되어 열을 제공받는 표면적이 넓어져 열 제공 수단, 바람직하게는 판 형상의 열 블록으로부터 열을 고르게 제공받을 수 있기 때문에 PCR 단계의 각 사이클별 온도 변화가 신속하게 진행될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 칩은 전체적으로 또는 부분적으로 광 투과성을 갖도록 구현될 수 있다. 이 경우 부분적으로 광 투과성을 갖도록 구현된다는 것은 PCR 칩 중 PCR 대상 시료 및 PCR 시약이 수용된 공간, 즉 반응 채널(또는 챔버) 부분만 광 투과성으로 구현될 수 있음을 말한다. 상기 PCR 칩이 광 투과성을 갖도록 구현되는 경우 실시간 PCR을 수행함에 있어서, 상기 PCR 칩 내부 공간에서 수행되는 PCR 진행 과정을 임의의 시점에 광학 시스템을 통해 확인할 수 있기 때문에 매우 효과적이다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 칩은 상기 PCR 대상 시료 및 PCR 시약을 도입하기 위한 유입부, PCR 산물을 배출하기 위한 유출부 및 PCR 대상 시료 및 PCR 시약이 수용된 1 이상의 반응 채널(또는 챔버)을 포함할 수 있다. 상기 PCR 칩이 상기 열 블록에 접촉하는 경우 상기 열 블록에서 발생하는 열은 상기 PCR 칩에 전달되고, 상기 PCR 칩의 반응 채널에 포함된 혼합 용액은 가열되거나 냉각되어 일정 온도가 유지될 수 있다. 또한, 상기 PCR 칩은 PCR 장치의 칩 홀더에 장착된 상태로 상기 열 블록에 접촉 배치될 수도 있다. 따라서, 상기 PCR 칩이 상기 열 블록의 일 면에 배치된다는 것은 상기 PCR 칩이 상기 칩 홀더에 장착된 상태로 상기 열 블록에 접촉 배치되는 것을 포함한다. 또한, 상기 PCR 칩은 플라스틱 재질로 구현될 수 있다. 상기 PCR 칩은 플라스틱 재질, 바람직하게는 광 투과성 플라스틱 재질을 사용하여, 플라스틱 두께 조절만으로 열 전달 효율을 증대시킬 수 있고, 제작 공정이 단순하여 제조 비용을 절감할 수 있다.

또한, 도 1a에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 칩(10)은 제1 판(11); 상기 제1 판(11) 상에 배치되고, 1 이상의 반응 채널(14)을 구비하는 제2 판(12); 및 상기 제2 판(12) 상에 배치되고, 상기 1 이상의 반응 채널(14)의 양 말단과 연결되되 개폐 가능하도록 구현된 유입부(15) 및 유출부(16)를 구비하는 제3 판(13)을 포함할 수 있다. 상기 제1 판(11)은 상기 제2 판(12) 하부 면에 배치된다. 상기 제1 판(11)이 상기 제2 판(920)의 하부 면에 접착 배치됨으로써 상기 1 이상의 반응 채널(14)은 일종의 PCR 반응 챔버를 형성한다. 또한, 상기 제1 판(11)은 다양한 재질로 구현될 수 있으나, 바람직하게는 폴리디메틸실옥산(polydimethylsiloxane, PDMS), 사이클로올레핀코폴리머(cycle olefin copolymer, COC), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmetharcylate, PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리프로필렌카보네이트(polypropylene carbonate, PPC), 폴리에테르설폰(polyether sulfone, PES), 및 폴리에틸렌텔레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 및 그의 조합물로 구성된 군으로부터 선택되는 재질일 수 있다. 또한, 상기 제1 판(11)의 상단 면은 친수성 물질(17)이 처리되어 PCR을 원활하게 수행할 수 있다. 상기 친수성 물질(17)의 처리에 의해 상기 제1 판(11) 상에 친수성 물질(17)을 포함하는 단일 층이 형성될 수 있다. 상기 친수성 물질은 다양한 물질일 수 있으나, 바람직하게는 카르복시기(-COOH), 아민기(-NH2), 히드록시기(-OH), 및 술폰기(-SH)로 구성된 군으로부터 선택되는 것일 수 있고, 상기 친수성 물질의 처리는 당 업계에 공지된 방법에 따라 수행할 수 있다. 상기 제2 판(12)은 상기 제1 판(11) 상부 면에 배치된다. 상기 제2 판(920)은 1 이상의 반응 채널(14)을 포함한다. 상기 반응 채널(14)은 상기 제3 판(13)에 형성된 유입부(15)과 유출부(16)에 대응되는 부분과 연결되어 일종의 PCR 반응 챔버를 형성한다. 따라서, 상기 반응 채널(921)에 증폭하고자 하는 PCR 대상 시료 및 PCR 시약이 도입된 후 PCR이 진행된다. 또한, 상기 반응 채널(14)은 PCR 장치의 사용 목적 및 범위에 따라 2 이상 존재할 수 있고, 도 1에 따르면, 6개의 반응 채널(14)이 예시되고 있다. 또한, 상기 제2 판(12)은 다양한 재질로 구현될 수 있으나, 바람직하게는 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 사이클로올레핀 코폴리머(cycloolefin copolymer, COC), 폴리아미드(polyamide, PA), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리페닐렌 에테르(polyphenylene ether, PPE), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene, POM), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone, PEEK), 폴리테트라프로오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 폴리비닐리덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate, PBT), 불소화에틸렌프로필렌(fluorinated ethylenepropylene, FEP), 퍼플로로알콕시알칸(perfluoralkoxyalkane, PFA), 및 그의 조합물로 구성된 군으로부터 선택되는 열 가소성 수지 또는 열 경화성 수지 재질일 수 있다. 또한, 상기 제2 판(12)의 두께는 다양할 수 있으나, 100 ㎛ 내지 200 ㎛에서 선택될 수 있다. 또한, 상기 반응 채널(14)의 폭과 길이는 다양할 수 있으나, 바람직하게는 상기 반응 채널(14)의 폭은 0.5 mm 내지 3 mm에서 선택되고, 상기 관통 개구 채널(14)의 길이는 20 mm 내지 40 mm에서 선택될 수 있다. 또한, 상기 제2 판(12) 내벽은 DNA, 단백질(protein) 흡착을 방지하기 위해 실란(silane) 계열, 보바인 시럼 알부민(Bovine Serum Albumin, BSA) 등의 물질로 코팅할 수 있고, 상기 물질의 처리는 당 업계에 공지된 방법에 따라 수행될 수 있다. 상기 제3 판(13)은 상기 제2 판(12) 상에 배치된다. 상기 제3 판(13)은 상기 제2 판(12)에 형성된 1 이상의 반응 채널(921) 상의 일 영역에 형성된 유입부(15) 및 다른 일 영역에 형성된 유출부(16)를 구비한다. 상기 유입부(15)는 증폭하고자 하는 핵산을 포함하는 PCR 대상 시료 및 PCR 시약 등이 유입되는 부분이다. 상기 유출부(16)는 PCR이 종료된 후 PCR 대상 시료 및 PCR 시약 등이 유출되는 부분이다. 따라서, 상기 제3 판(13)은 이하 언급할 제2 판(12)에 형성된 1 이상의 반응 채널(14)을 커버하되, 상기 유입부(15) 및 유출부(16)는 상기 반응 채널(14)의 유입부 및 유출부 역할을 수행하게 된다. 또한, 상기 제3 판(13)은 다양한 재질로 구현될 수 있지만, 바람직하게는 폴리디메틸실옥산(polydimethylsiloxane, PDMS), 사이클로올레핀코폴리머(cycle olefin copolymer, COC), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmetharcylate, PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리프로필렌카보네이트(polypropylene carbonate, PPC), 폴리에테르설폰(polyether sulfone, PES), 및 폴리에틸렌텔레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 및 그의 조합물로 구성된 군으로부터 선택되는 재질일 수 있다. 또한, 상기 유입부(15)은 다양한 크기를 구비할 수 있으나, 바람직하게는 지름 1.0 mm 내지 3.0 mm에서 선택될 수 있다. 또한, 상기 유출부(16)는 다양한 크기를 구비할 수 있으나, 바람직하게는 지름 1.0 mm 내지 1.5 mm에서 선택될 수 있다. 또한, 상기 유입부(15) 및 유출부(16)는 별도의 커버 수단(도시되지 않음)을 구비하여, 상기 반응 채널(14) 내에서 PCR 대상 시료 및 PCR 시약에 대한 PCR이 진행될 때 PCR 대상 시료 및 PCR 시약이 누출되는 것을 방지할 수 있다. 상기 커버 수단은 다양한 형상, 크기 또는 재질로서 구현될 수 있다. 또한, 상기 제3 판의 두께는 다양할 수 있으나, 바람직하게는 0.1 mm 내지 2.0 mm에서 선택될 수 있다. 또한, 상기 유입부(15) 및 유출부(16)는 2 이상 존재할 수 있다.

또한, 도 1b에 따르면, 상기 PCR 칩(10)은 기계적 가공을 통해 유입부(15) 및 유출부(16)를 형성하여 제3 판(13)을 제공하는 단계; 상기 제3 판(13)의 하부면과 대응되는 크기를 갖는 판재에 상기 제3 판(13)의 유입부(15)와 대응되는 부분으로부터 상기 제3 판(13)의 유출부(16)에 대응되는 부분까지 기계적 가공을 통해 1 이상의 반응 채널(14)을 형성하여 제2 판(12)을 제공하는 단계; 상기 제2 판(12)의 하부면과 대응되는 크기를 갖는 판재의 상부면에 표면 처리 가공을 통해 친수성 물질(17)로 구현된 표면을 형성하여 제1 판(11)을 제공하는 단계; 및 상기 제3 판(13)의 하부면을 상기 제2 판(12)의 상부면에 접합 공정을 통해 접합하고, 상기 제2 판(12)의 하부면을 상기 제1 판(11)의 상부면에 접합 공정을 통해 접합하는 단계를 포함하는 방법에 의해 용이하게 제조될 수 있다. 상기 제3 판(13)의 유입부(15) 및 유출부(16), 및 상기 제2 판(12)의 반응 채널(14)은 사출성형, 핫-엠보싱(hot-embossing), 캐스팅(casting), 및 레이저 어블레이션(laser ablation)으로 구성된 군으로부터 선택되는 가공 방법에 의해 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 판(11) 표면의 친수성 물질(17)은 산소 및 아르곤 플라즈마 처리, 코로나 방전 처리, 및 계면 활성제 도포로 구성된 군으로부터 선택되는 방법에 의해 처리될 수 있고 당 업계에 공지된 방법에 따라 수행될 수 있다. 또한, 상기 제3 판(13)의 하부 면과 상기 제2 판(12)의 상부면, 및 상기 제2 판(12)의 하부 면과 상기 제1 판(11)의 상부면은 열 접합, 초음파 융착, 용매 접합 공정에 의해 접착될 수 있고 당 업계에 공지된 방법에 따라 수행될 수 있다. 상기 제3 판(13)과 제2 판(12) 사이 및 상기 제2 판(12)과 제3 판(13) 사이에는 양면 접착제 또는 열가소성 수지 또는 열 경화성 수지(18)가 처리될 수 있다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 블록을 도시한다.

상기 열 블록은 일 면에 상기 PCR 칩의 접촉 면을 구비하되, 상기 PCR 칩이 상기 접촉 면에 접촉하는 경우 PCR 단계를 수행하기 위하여 PCR 칩에 열을 제공하여 PCR 대상 시료 및 PCR 시약을 가열 또는 냉각시키는 1 이상의 모듈을 말한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 열 블록은 투명 발열 소재를 구비하고 광 투과성을 갖도록 구현된다.

도 2a에 따르면, 상기 열 블록(100)은 전체적으로(또는 부분적으로) 광 투과성을 갖도록 구현된다. 상기 투명 발열 소재는 광 투과성을 갖는 재질로서 전력 공급에 의해 발열성을 갖는 모든 물질을 포함할 수 있으나, 바람직하게는 인듐 주석 산화물(Indum Tin Oxcide, ITO), 전도성 고분자(conducting polymer), 탄소나노튜브(Cabon NanoTube, CNT), 그래핀(graphene), 투명 금속 산화물(Transparent Conductive Oxide, TCO), 및 산화물-금속-산화물 다층 투명 소자로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 인듐 주석 산화물(Indum Tin Oxcide, ITO)은 산화 인듐(In₂O₃)과 산화 주석(SnO₂)이 섞여져 있으며, 일반적으로 90%의 산화 인듐과 10%의 산화 주석으로 구성되며, 투명 전극 또는 ITO로 불리기도 한다. 인듐 주석 산화물은 박막(얇은 층)으로 구현되는 경우 전기 전도율이 생기고, 투명하고 색이 존재하지 않다가 덩어리 상태로 구현되면 노란 회색을 띤다. 인듐 주석 산화물은 전자빔 증착, 증기 증착, 스퍼터링 기술에 의해 다른 물질의 표면에 증착된다, 인듐 주석 산화물은 종래까지 주로 액정 디스플레이, 평판 디스플레이, 플라스마 디스플레이, 터치스크린, 전자 종이, 유기 발광 다이오드, 태양 전지, 정전기 방지 코팅, 전자 방해 차폐물에서 주로 투명한 전도성 코팅을 제조하는데 사용되었다. 전도성 고분자(conducting polymer)는 소위 전기가 통하는 플라스틱으로 불리고, 광 투과율이 우수하고, 가벼우며, 탄성력 및 전기전도성이 우수하고, 가공이 매우 쉽다는 장점이 있다. 전도성 고분자는 폴리아세틸린, 폴리파라레닐렌, 폴리페놀, 폴리아닐린 등의 물질로부터 제조되고, 최근에는 폴리스티렌술폰산 및/또는 PEDOT(poly(3,4--ethylenedioxythiophene))로부터 제조되는 경우도 있다. 탄소나노튜브(Cabon NanoTube, CNT)는 6각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 대롱 모양을 이루는 지름 1 나노미터 크기의 미세한 분자를 말한다. 인장력이 강철보다 강하고 유연성이 뛰어나며, 가볍고, 전기전도성이 매우 높은 것으로 알려져 있다. 한편, 정제된 단일벽 탄소나노튜브(Single-Walled Carbon Nanotube, SWNT)를 계면활성제를 이용하여 용매 분산하고 진공필터 장치를 이용하여 제작하면, 투명 전도체가 형성되고, 이는 투명성과 전도성을 모두 구비하게 된다. 그래핀(graphene)은 2000년대 초반, 흑연으로부터 분리된 물질로서, 탄소나노튜브, 풀러린(Fullerene)과 같이 원자번호 6번인 탄소로 구성된 나노물질이다. 그래핀은 구리보다 100배 이상 전기 전도성이 높고, 탄성력이 매우 우수한 것으로 알려져 있으며, 최근 투명 전극으로 구현되어 다양한 용도로 사용되고 있다. 투명 금속 산화물(Transparent Conductive Oxide, TCO)은 산소와 결합한 각종 금속 산화물 중 투명성을 갖는 물질을 총칭하는 것으로서, ZnO, SnO₂, TiO₂ 등을 포함한다. 투명 금속 산화물은 높은 전도성과 투명도를 갖고, 적은 비용으로 코팅 물질로 사용될 수 있다. 산화물-금속-산화물 다층 투명 소자는 롤투롤 스퍼터 공정으로 제작되고, 금속의 유연성과 낮은 저항성, 산화물의 높은 투과도를 갖도록 구현될 수 있는 것으로서, ITO-Ag(또는 Cu)-ITO, AZO-Ag-AZO, GZO-Ag-GZO, IZO-Ag-IZO, IZTO-Ag-IZTO 등이 있다. 한편, 도 2a에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열 블록(100)은 다양한 형상으로 구현될 수 있으나, 바람직하게는 판 형상으로 구현된다. 판 형상의 열 블록(100)은 상기 PCR 칩, 바람직하게는 판 형상의 PCR 칩과 접촉하는 표면적이 넓어져 PCR 대상 시료 및 PCR 시약의 혼합액에 열을 고르게 제공할 수 있고, 그에 따라 PCR 단계의 각 사이클별 온도 변화가 신속하게 진행될 수 있다.

도 2b는 상기 투명 발열 소재를 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 블록(100)의 상세 단면도를 도시한다.

상기 기판(110)은 광 투과성 재질의 판재로서, 광 투과성 유리 또는 광 투과성 플라스틱 재질일 수 있다. 또한, 상기 기판(110)은 다양한 형상으로 구현될 수 있으나, 바람직하게는 판 형상으로 구현된다. 또한, 상기 기판(110)은 상기 발열층(120)을 지지하는 역할을 수행한다. 상기 발열층(120)은 PCR의 변성 단계, 어닐링 단계 및 연장(또는 증폭) 단계를 수행하기 위한 상기 열 블록(100)의 열원 역할을 수행한다. 상기 발열층(120)은 상기 기판(110) 상에 배치되고, 상기 투명 발열 소재(도시되지 않음)를 포함한다. 상기 발열층(120)은 상기 투명 발열 소재가 물리적으로 연계(necking)된 성긴 조직(loose texture) 구조를 가질 수 있고, 제조 공정의 열 처리 조건에 따라 치밀한 조직(close-packed texture)을 가질 수 있으며, 또한 완전한 막 상태로 구현될 수도 있다. 또한, 상기 투명 발열 소재는 용매에 분산된 상태로 존재할 수 있고, 상기 기판(110) 상에 용이하게 적층할 수 있기 때문에, 그 적층 수를 조절하여 상기 발열층(120)의 두께 조절을 용이하게 할 수 있다. 또한, 상기 투명 발열 소재를 포함하는 분산액의 농도를 조절함으로써 상기 발열층(120)의 도전성을 용이하게 조절할 수도 있다. 또한, 상기 발열층(120)을 상기 기판(110)에 강하게 고정하기 위하여 상기 기판(110)과 발열층(120) 사이에 접착력 강화층(도시되지 않음)이 형성될 수 있다. 상기 접착력 강화층은 실리카 또는 폴리머로 형성될 수 있고, 투명 발열 소재를 포함할 수 있어 발열층과 동일한 역할을 또한 수행할 수도 있다. 또한, 상기 발열층(120)은 광 투과성을 갖는다. 예를 들어, 가시광선의 파장은 400 내지 700 nm이고, 상기 투명 발열 소재를 포함하는 발열층(120)을 이러한 파장의 1/4 이하의 두께, 예를 들어 약 100 nm 이하가 되도록 형성하는 경우 광 투과성을 획득할 수 있다. 상기 절연 보호층(130)은 상기 발열층(120)을 물리적 및/또는 전기적으로 보호하기 위한 것으로서, 절연성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 절연성 물질은 유전체 산화물, 페릴린, 나노 입자 및 고분자 필름으로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 한편, 상기 절연 보호층(130)은 투명할 수 있다. 상기 전극(140)은 상기 발열층(120)과 직접 또는 간접적으로 연결 배치되어 상기 발열층(120)에 전력을 공급하는 것이다. 상기 전극(140)은 전력을 공급할 수 있는 다양한 물질이 사용될 수 있고, 예를 들어 금속 물질, 전도성 에폭시, 전도성 페이스트, 솔더 및 전도성 필름으로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 도 2b에 따르면, 상기 전극(140)은 상기 발열층(120)의 양 측면에 연결 배치되지만, 상기 발열층(120)에 전력을 공급할 수 있다면 다양한 위치에 연결 배치될 수 있다. 또한, 상기 전극(140)은 상기 PCR 장치에 포함되거나 또는 외부 배치된 전원과 전기적으로 연결될 수도 있다. 예를 들어, 상기 전극(140)은 상기 발열층(120)에 직접 접촉하고, 배선(도시되지 않음)을 통해 외부 회로(도시되지 않음)에 상기 발열층(120)을 연결하며, 상기 배선이 전극(140)에 안정적으로 고정되도록 단자가 배치될 수 있다. 상기 열 블록(100)은 그 상부 면의 적어도 일부 영역에 PCR 칩(도 2b에는 도시되지 않음)이 접촉하는 칩 접촉부(150)를 포함한다. 상기 PCR 칩(10)은 상기 칩 접촉부(150)에 접촉함으로써, 상기 열 블록(100)의 열 공급 또는 회수에 따라 가열 또는 냉각되어 PCR의 각 단계를 수행할 수 있다. 또한, 상기 PCR 칩(10)은 상기 칩 접촉부(150)에 직접 또는 간접적으로 접촉할 수 있다. 한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치는 상기 열 블록을 포함하는 기타 PCR을 수행하기 위한 모듈들을 추가적으로 포함할 수 있고, 본 명세서에 기재되지 아니한 세부적인 모듈들은 종래 기술 중 자명한 범위 안에서 모두 구비하고 있는 것을 전제로 한다. 이와 같이, 상기 광 투과성과 전도성을 동시에 갖는 열 블록(100)을 포함하는 PCR 장치는 종래 기존 석열 히터, 세라믹 히터 또는 금속 히터를 열 블록으로 이용하는 PCR 장치에 비해 많은 장점을 갖는다. 먼저, 열 제공 수단으로서 투명 발열 소재를 이용하기 때문에 단선 우려가 없고, 상기 투명 발열 소재가 직접 가열되기 때문에 높은 열 효율 및 낮은 소비 전력을 획득할 수 있으며(예를 들어, 상기 광투과성 열 블록이 약 2×2 ㎝의 규격일 경우 약 12V의 전압으로 발열이 가능함), 산화, 부식이 거의 일어나지 않아 내구성이 뛰어나다. 또한, 상기 열 블록(100)은 광 투과성을 갖도록 쉽게 구현될 수 있기 때문에, 이하 설명될 광 제공부 및 광 검출부와 함께 구현될 경우 PCR 대상 시료 및 PCR 시약에 포함된 형광 물질에 의한 PCR 진행 단계의 실시간 모니터링이 가능하다. 또한, 상기 투명 발열 소재는 두께 조절이 용이하기 때문에 상기 열 블록(100)의 슬림화가 가능하여 상기 열 블록(100)을 포함하는 PCR 장치의 소형화가 가능하다. 또한, 상기 투명 발열 소재가 상기 열 블록(100)에 균일하게 분포되어 상기 광 투과성 열 블록(100)의 균일한 열 분포 및 신속한 온도 제어가 가능하기 때문에 PCR 결과의 검출 효율이 높고, PCR 결과를 신속하게 얻을 수 있다. 상기 열 블록(100)의 열 분포의 균일성 및 온도 제어의 신속성은 실험을 통해 확인할 수 있다. 기존 PCR 장치에서 열 블록으로 사용된 석열 히터, 세라믹 히터 또는 금속 히터에 전력을 인가하여 온도 분포를 관찰하고, 본 발명의 일 실시예에 따른 열 블록(100)에 전력을 인가하여 온도 분포를 관찰하였다. 그 결과, 기존 히터 상의 온도 분포는 히터 표면 전체에 걸쳐서 균일하지 않지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 열 블록(100) 상의 온도 분포는 전체적으로 균일한 것으로 관찰되었다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 투과성 열 블록(100)에 전력을 인가하여 시간에 따른 열 블록(100)의 온도 변화를 관찰하였다. 도 2c에 따르면, 관찰 결과, 온도 상승 폭은 최대 17 ℃/sec으로 나타났고, 이는 대표적인 기존 히터들(예를 들어, Bio-Rad사의 CFX96)의 온도 상승 폭이 최대 5 ℃/sec인 것에 비해 상당히 높은 수치임을 확인할 수 있다.

도 3a 내지 도 3c는 흡광층 및/또는 광반사방지층이 구현된 본 발명의 일 실시예에 따른 열 블록을 도시한다. 구체적으로, 도 3a는 기판(110) 하부 면에 흡광층(160)이 접촉 배치된 본 발명의 일 실시예에 따른 열 블록(100)을 도시하고, 도 3b는 절연 보호층(130) 상부 면에 광반사방지층(170)이 접촉 배치된 본 발명의 일 실시예에 따른 열 블록(100)을 도시하고, 도 3c는 기판(110) 하부 면에 흡광층(160)이 접촉 배치되고, 외부 공기층과 절연보호층(130)의 접촉에 의한 광 반사를 방지하기 위한 광반사방지층(170)이 상기 절연보호층(130)의 상부에 접촉 배치된 본 발명의 일 실시예에 따른 열 블록(100)을 도시한다.

PCR을 수행함과 동시에 형광물질을 이용하여 PCR 산물의 발생 유무 및 정도를 실시간으로 측정 및 분석할 수 있다. 이와 같은 PCR을 소위 실시간 중합효소 연쇄반응(Real time PCR)이라고 한다. 상기 반응은 PCR 칩에 PCR 반응에 필요한 시약뿐만 아니라 형광물질이 첨가되고, PCR 산물의 생성에 따라 상기 형광물질이 특정 파장의 광에 의해 발광함으로써 측정 및 분석 가능한 광 신호를 유발하게 된다. 따라서, 실시간으로 PCR 산물을 정확하게 모니터링하기 위해서는 상기 광 신호의 센싱 효율을 가능한 높일 필요가 있다. 상기 광 투과성 열 블록(100)은 전체적으로 광 투과성을 갖기 때문에 광원으로부터 유래된 여기 광을 대부분 그대로 투과시켜 상기 광 신호의 센싱 효율을 높일 수 있다. 그러나, 상기 여기 광의 일부는 상기 광 투과성 열 블록(100) 상에서 반사되거나 또는 상기 광 투과성 열 블록(100)을 통과한 후 반사되어 광 신호의 노이즈(noise)로서 작용할 수 있다. 따라서, 바람직하게는, 상기 광 투과성 열 블록(100)의 하부 면에 흡광 물질을 처리하여 센싱 효율을 더욱 높일 수 있다. 도 3a에 따르면, 흡광층(160)이 상기 기판(110)의 하부 면에 접촉 배치되고, 상기 흡광층(160)은 흡광 물질을 포함한다. 상기 흡광 물질은 예를 들어, 운모(mica)일 수 있으나, 광을 흡수하는 성질을 갖는 물질이라면 제한되지 않는다. 따라서, 광원으로부터 유래된 광의 일부를 상기 흡광층(160)이 흡수하여, 광 신호의 노이즈로 작용하는 반사 광의 발생을 최대한 억제할 수 있다. 또한, 대안적으로, 상기 광 투과성 열 블록(100)의 상부 면에 광반사방지 물질을 처리하여 센싱 효율을 더욱 높일 수 있다. 도 3b에 따르면, 광반사방지층(170)이 상기 절연 보호층(130)의 상부 면에 접촉 배치되고, 상기 광반사방지층(170)은 절연보호층(130)과 조합하여 절연보호 기능 및 광반사방지 기능을 수행하며, 광반사방지 물질을 포함한다. 상기 광반사방지 물질은 예를 들어, MgF2와 같은 불화물, SiO₂, Al₂O₃와 같은 산화물일 수 있으나, 광반사를 방지할 수 있는 성질을 갖는 물질이라면 제한되지 않는다. 또한, 더 바람직하게는, 상기 광 투과성 열 블록(100)의 하부 면에 흡광 물질을 처리하고, 동시에 상기 광 투과성 열 블록(100)의 상부 면에 광반사방지 물질을 처리하여 센싱 효율을 더욱 높일 수 있다. 즉, 효과적인 실시간 PCR의 모니터링을 위하여 상기 노이즈 대비 광 신호 비율은 가능한 최대값을 가져야 하고, 상기 노이즈 대비 광 신호 비율은 상기 PCR 칩으로부터 여기 광의 반사율이 낮을수록 향상될 수 있다. 예를 들어, 일반적인 금속성 재질의 기존 히터들의 여기 광의 반사율은 약 20 내지 80 %이지만, 상기 도 3a 또는 도 3b에 따른 흡광층(160) 또는 광반사방지층(170)을 포함하는 본 발명에 따른 광 투과성 열 블록(100)을 사용하는 경우 광 반사율을 0.2% 내지 4% 이내로 줄일 수 있고, 상기 도 3c에 따른 흡광층(60) 및 광반사방지층(70)을 포함하는 본 발명에 따른 광 투과성 열 블록(100)을 사용하는 경우 광 반사율을 0.2% 이하로 줄일 수 있다.

도 4a는 광 제공부 및 광 검출부를 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치의 광 투과성 열 블록 상에 PCR 칩이 배치된 것을 도시한다.

도 4a에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치는 상기 칩 접촉부(150)에 배치되는 PCR 칩(10)에 광을 제공하도록 구동가능하게 배치된 광 제공부(200) 및 상기 칩 접촉부(150)에 배치되는 PCR 칩(10)으로부터 방출되는 광을 수용하도록 구동가능하게 배치된 광 검출부(300)를 더 포함한다. 상기 광 제공부(200)는 상기 PCR 칩(10)에 광을 제공하기 위한 모듈이고, 상기 광 검출부(300)는 상기 PCR 칩(10)으로부터 방출되는 광을 수용하여 상기 PCR 칩(10)에서 수행되는 PCR 단계를 측정하기 위한 모듈이다. 상기 광 제공부(200)로부터 광이 방출되고, 상기 방출된 광은 상기 PCR 칩(10), 구체적으로 상기 PCR 칩(10)의 반응 채널(도시되지 않음)를 통과하거나 반사하고, 이 경우 상기 반응 채널 내의 핵산 증폭에 의해 발생하는 광 신호를 상기 광 검출부(300)가 검출한다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치에 따르면, 상기 PCR 칩(10)에서 상기 PCR의 각 순환 단계가 진행되는 동안 상기 반응 채널 내에서 (형광 물질이 결합된) 핵산의 증폭에 의한 결과를 실시간으로 모니터링함으로써 초기 PCR 대상 시료 및 PCR 시약에 포함되어 있는 표적 핵산의 증폭 여부 및 증폭 정도를 실시간으로 측정 및 분석할 수 있다. 또한, 상기 광 제공부(200) 및 광 검출부(300)는 상기 광 투과성 열 블록(100)을 중심으로 위 또는 아래에 모두 배치되거나 각각 배치될 수 있다. 다만, 상기 광 제공부(200) 및 광 검출부(300)의 배치는 본 발명에 따른 PCR 장치의 최적의 구현을 위하여 다른 모듈과의 배치 관계를 고려하여 다양할 수 있으며, 바람직하게는 도 4에 따라, 상기 광 제공부(200) 및 광 검출부(300)은 상기 광 투과성 열 블록의 상부에 모두 배치될 수 있다.

도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치의 광 제공부를 보다 상세하게 도시한다.

도 4b에 따르면, 상기 광 제공부(200)는 LED(Light Emitting Diode) 광원 또는 레이저 광원(210), 상기 광원으로부터 방출되는 광에서 미리 결정된 파장을 갖는 광을 선택하는 제1 광 여과기(230), 및 상기 제1 광 여과기로부터 방출되는 광을 포집하는 제1 광 렌즈(240)를 포함하고, 상기 광원(210)과 상기 제1 광 여과기(230) 사이에 빛을 퍼지게 하도록 배치된 제1 비구면 렌즈(220)를 더 포함한다. 상기 광원(210)은 광을 방출할 수 있는 모든 광원을 포함하며, 본 발명의 일 실시예에 따르면, LED(Light Emitting Diode) 광원 또는 레이저 광원을 포함한다. 상기 제1 광 여과기(230)는 다양한 파장대를 갖는 입사광 중 특정 파장의 광을 선택하여 방출하는 것으로, 미리 결정된 상기 광원(210)에 따라 다양하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 광 여과기(230)는 상기 광원(210)으로부터 방출되는 광 중 500 nm 이하 파장대의 광만을 통과시킬 수 있다. 상기 제1 광 렌즈(240)는 그 입사광을 포집하여 그 방출광의 강도를 증가시키는 역할을 수행하는 것으로, 상기 광 투과성 열 블록(100)을 통해 PCR 칩에 조사되는 광의 강도를 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 광 제공부(200)은 상기 광원(210)과 상기 제1 광 여과기(230) 사이에 빛을 퍼지게 하도록 배치된 제1 비구면 렌즈(220)를 더 포함한다. 상기 제1 비구면 렌즈(220)의 배치 방향을 조정함으로써, 상기 광원(210)으로부터 방출되는 광 범위를 확장하여 측정 가능한 영역에 도달하게 한다.

도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치의 광 검출부를 보다 상세하게 도시한다.

도 4c에 따르면, 상기 광 검출부(300)는 상기 칩 접촉부에 배치되는 PCR 칩으로부터 방출되는 광을 포집하는 제2 광 렌즈(310), 상기 제2 광 렌즈로부터 방출되는 광에서 미리 결정된 파장을 갖는 광을 선택하는 제2 광 여과기(320), 및 상기 제2 광 여과기로부터 방출되는 광으로부터 광 신호를 검출하는 광 분석기(350)를 포함하고, 상기 제2 광 여과기(320)와 상기 광 분석기(350) 사이에 상기 제2 광 여과기(320)로부터 방출되는 광을 집적하도록 배치된 제2 비구면 렌즈(330)를 더 포함하며, 상기 제2 비구면 렌즈(330)와 상기 광 분석기(350) 사이에 상기 제2 비구면 렌즈(330)로부터 방출되는 광의 노이즈(noise)를 제거하고 상기 제2 비구면 렌즈로(330)부터 방출되는 광을 증폭하도록 배치된 광다이오드 집적소자(photodiode integrated circuit, PDIC)(340)를 더 포함한다. 상기 제2 광 렌즈(310)는 그 입사광을 포집하여 그 방출광의 강도를 증가시키는 역할을 수행하는 것으로, 상기 광 투과성 열 블록(100)을 통해 PCR 칩으로부터 방출되는 광의 강도를 증가시켜 광 신호 검출을 용이하게 한다. 상기 제2 광 여과기(320)는 다양한 파장대를 갖는 입사광 중 특정 파장의 광을 선택하여 방출하는 것으로, 상기 광 투과성 열 블록(100)을 통해 PCR 칩으로부터 방출되는 미리 결정된 광의 파장에 따라 다양하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 광 여과기(320)는 상기 광 투과성 열 블록(100)을 통해 PCR 칩으로부터 방출되는 미리 결정된 광 중 500 nm 이하 파장대의 광만을 통과시킬 수 있다. 상기 광 분석기(350)는 상기 제2 광 여과기(320)로부터 방출되는 광으로부터 광 신호를 검출하는 모듈로서, PCR 대상 시료 및 PCR 시약으로부터 발현 형광된 광을 전기 신호로 전환하여 정성 및 정략적인 측정이 가능하도록 한다. 또한, 상기 광 검출부(300)는 상기 제2 광 여과기(320)와 상기 광 분석기(350) 사이에 상기 제2 광 여과기(320)로부터 방출되는 광을 집적하도록 배치된 제2 비구면 렌즈(330)를 더 포함할 수 있다. 상기 제2 비구면 렌즈(330)의 배치 방향을 조정함으로써, 상기 제2 광 여과기(320)로부터 방출되는 광 범위를 확장하여 측정 가능한 영역에 도달하게 한다. 또한, 상기 광 검출부(300)는 상기 제2 비구면 렌즈(330)와 상기 광 분석기(350) 사이에 상기 제2 비구면 렌즈(330)로부터 방출되는 광의 노이즈(noise)를 제거하고, 상기 제2 비구면 렌즈(330)로부터 방출되는 광을 증폭하도록 배치된 광다이오드 집적소자(photodiode integrated circuit, PDIC)(340)를 더 포함할 수 있다. 상기 광다이오드 집적소자(340)를 사용함으로써, 상기 PCR 장치의 소형화가 더욱 가능하고, 노이즈를 최소화하여 신뢰 가능한 광 신호를 측정할 수 있다.

도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치에 포함된 이색성 필터에 의해 광 경로를 도시한다.

도 4d에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치는 상기 광 제공부(200)로부터 방출된 광이 광 검출부(300)까지 도달할 수 있도록 광의 진행 방향을 조절하고, 미리 결정된 파장을 갖는 광을 분리하기 위한 하나 이상의 이색성 필터(400)를 더 포함한다. 상기 이색성 필터(dichroic filter)(400)는 광을 파장에 따라 선택적으로 투과 또는 선택적으로 조절된 각도로 반사시키는 모듈이다. 도 7에 따르면, 이색성 필터(400a)는 광 제공부(200)으로부터 방출되는 광의 광축에 대하여 약 45도 각도로 경사지게 배치되고, 상기 광을 그 파장에 따라 선택적으로 단파장 성분을 투과시키고 장파장 성분을 직각으로 반사시켜 상기 광 투과성 열 블록(100) 상에 배치된 PCR 칩(900)에 도달하게 한다. 또한, 이색성 필터(400b)는 상기 PCR 칩(900) 및 광 투과성 열 블록(100)으로부터 반사된 광의 광축에 대하여 약 45도 각도로 경사지게 배치되고, 상기 광을 그 파장에 따라 선택적으로 단파장 성분을 투과시키고 장파장 성분을 직각으로 반사시켜 상기 광 검출부(300)에 도달하게 한다. 상기 광 검출부(300)에 도달한 광은 광 분석기에서 전기 신호로 전환되어 핵산 증폭 여부 및 증폭 정도를 나타내게 된다.

도 5a 내지 5c는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 2개의 열 블록을 포함하는 PCR 장치를 도시한다.

도 5a에 따르면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 PCR 장치는 기판(400a) 상에 배치된 제1 열 블록(100a); 상기 기판(400a) 상에 상기 제1 열 블록(100a)과 이격 배치된 제2 열 블록(100b); 및 상기 제1 열 블록(100a) 및 제2 열 블록(100b) 위로 구동 수단(500a)에 의해 좌우 및/또는 상하 이동 가능하고, PCR 칩(10)이 장착된 칩 홀더(300a)를 포함하는 것으로서, 상기 제1 열 블록(100a) 및 제2 열 블록(100b)은 투명 발열 소재를 구비하고, 광 투과성을 갖도록 구현된 것으로서, 일 면에 상기 PCR 칩(10)의 접촉 면을 구비하되, 상기 PCR 칩(10)이 상기 접촉 면에 접촉하는 경우 상기 PCR 칩(10)에 열을 전달하도록 구현된다.

상기 기판(400a)은 상기 제1 열 블록(100a) 및 제2 열 블록(100b)의 가열 및 온도 유지로 인해 그 물리적 및/또는 화학적 성질이 변하지 않고, 상기 제1 열 블록(100a) 및 제2 열 블록(100b) 사이에서 상호 열 교환이 일어나지 않도록 하는 재질을 갖는 모든 물질을 포함한다. 예를 들어, 상기 기판(400a)은 플라스틱 등의 재질을 포함하거나 그러한 재질로 구성될 수 있다.

상기 제1 열 블록(100a) 및 제2 열 블록(100b)은 핵산을 증폭하기 위한 변성 단계, 어닐링 단계 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행하기 위한 온도를 유지하기 위한 것이다. 따라서 상기 제1 열 블록(100a) 및 제2 열 블록(100b)은 상기 각 단계들에 요구되는 필요한 온도를 제공하고, 이를 유지하기 위한 다양한 모듈을 포함하거나 또는 그러한 모듈과 구동가능하게 연결될 수 있다. 따라서, 상기 PCR 칩(10)이 장착된 칩 홀더(300a)가 상기 각 열 블록(100a, 100b)의 일 면에 접촉되는 경우 상기 제1 열 블록(100a) 및 제2 열 블록(100b)은 상기 PCR 칩(10)과의 접촉 면을 전체적으로 가열 및 온도 유지할 수 있어서, 상기 PCR 칩(10) 내의 PCR 대상 시료 및 PCR 시약을 균일하게 가열 및 온도 유지할 수 있다. 종래 단일 열 블록을 사용하는 PCR 장치는 상기 단일 열 블록에서의 온도 변화율이 초당 3 내지 7℃ 범위 내에서 이루어지는데 반해, 상기 PCR 장치는 각각의 열 블록(100a, 100b)에서의 온도 변화율이 초당 20 내지 40℃ 범위 내에서 이루어져 PCR 진행 시간을 크게 단축시킬 수 있다.

상기 제1 열 블록(100a) 및 제2 열 블록(100b)은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 발열 소재를 구비하고, 광 투과성을 갖도록 구현된다. 상기 투명 발열 소재는 상기 변성 단계, 어닐링 단계 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행하기 위한 온도를 유지하도록 구현되고, 상기 투명 발열 소재의 온도를 모니터하기 위한 다양한 온도 센서와 구동가능하게 연결될 수 있다.

상기 제1 열 블록(100a)은 상기 변성 단계, 또는 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행하기 위한 적정 온도를 유지하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 제3 실시예에 따른 PCR 장치의 제1 열 블록(100a)은 50℃ 내지 100℃를 유지할 수 있고, 바람직하게는 상기 제1 열 블록(100a)에서 상기 변성 단계를 수행하는 경우 90℃ 내지 100℃를 유지할 수 있고, 바람직하게는 95℃를 유지할 수 있으며, 상기 제1 열 블록(100a)에서 상기 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행하는 경우에는 55℃ 내지 75℃를 유지할 수 있고, 바람직하게는 72℃를 유지할 수 있다. 다만, 상기 변성 단계, 또는 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행할 수 있는 온도라면 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 제2 열 블록(100b)은 상기 변성 단계, 또는 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행하기 위한 적정 온도를 유지하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 제3 실시예에 따른 PCR 장치의 제2 열 블록(100b)은 상기 제2 열 블록(100b)에서 상기 변성 단계를 수행하는 경우 90℃ 내지 100℃를 유지할 수 있고, 바람직하게는 95℃를 유지할 수 있으며, 상기 제2 열 블록에서 상기 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행하는 경우에는 55℃ 내지 75℃를 유지할 수 있고, 바람직하게는 72℃를 유지할 수 있다. 다만, 상기 변성 단계, 또는 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행할 수 있는 온도라면 이에 제한되는 것은 아니다. 따라서, 상기 제1 열 블록(100a)은 PCR의 변성 단계 온도 (denaturing temperature)를 유지할 수 있으며, 변성 단계 온도가 90℃보다 낮으면 PCR 주형 DNa의 변성이 일어나 효율이 떨어져 PCR 효율이 떨어지거나 반응이 일어나지 않을 수 있고, 변성 단계 온도가 100℃보다 높아지면 PCR에 이용되는 효소가 활성을 잃게 되므로, 상기 변성 단계 온도는 90℃ 내지 100℃일 수 있고, 바람직하게는 95℃일 수 있다. 또한, 상기 제2 열 블록(100b)은 PCR의 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계 온도(annealing/extension temperature)를 유지할 수 있다. 연장 (혹은 증폭) 단계 온도가 55℃보다 낮으면 PCR 산물의 특이성(specificity)이 떨어질 수 있고, 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계 온도가 74℃보다 높으면 프라이머에 의한 연장이 일어나지 않을 수 있기 때문에 PCR 효율이 떨어지게 되므로 상기 어니링 및 연장 (혹은 증폭) 단계 온도는 55℃ 내지 75℃일 수 있고, 바람직하게는 72℃일 수 있다.

상기 제1 열 블록(100a)과 제2 열 블록(100b)은 상호 열 교환이 일어나지 않도록 미리 결정된 거리로 이격 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 열 블록(100a)과 제2 열 블록(100b) 사이에서 열 교환이 일어나지 않기 때문에, 미세한 온도 변화에 의해서도 중대한 영향을 받을 수 있는 핵산 증폭 반응에 있어서, 상기 변성 단계와 상기 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계의 정확한 온도 제어가 가능하다.

상기 PCR 장치는 상기 제1 열 블록(100a) 및 제2 열 블록(100b) 위로 구동 수단(500a)에 의해 좌우 및/또는 상하 이동 가능하고, PCR 칩(10)이 장착된 칩 홀더(300a)를 포함한다. 상기 칩 홀더(300a)는 상기 PCR 칩(10)이 상기 PCR 장치에 장착되는 모듈이다. 상기 칩 홀더(300a)의 내벽은 상기 PCR 장치에 의해 핵산 증폭 반응이 수행되는 경우 상기 PCR 칩(10)이 상기 칩 홀더(300a)로부터 이탈하지 않도록 상기 PCR 칩(10)의 외벽과 고정 장착되기 위한 형상 및 구조를 가질 수 있다. 상기 칩 홀더(300a)는 상기 구동 수단(500a)에 구동가능하게 연결된다. 또한, 상기 PCR 칩(10)은 상기 칩 홀더(300a)에 착탈 가능할 수 있다.

상기 구동 수단(500a)은 상기 PCR 칩(10)이 장착된 칩 홀더(300a)를 상기 제1 열 블록(100a) 및 제2 열 블록(100b) 위로 좌우 및/또는 상하 이동 가능하게 하는 모든 수단을 포함한다. 상기 구동 수단(500a)의 좌우 이동에 의해, 상기 PCR 칩(10)이 장착된 칩 홀더(300a)는 상기 제1 열 블록(100a)과 제2 열 블록(100b) 사이에서 왕복 운동이 가능하고, 상기 구동 수단(500a)의 상하 이동에 의해, 상기 PCR 칩(10)이 장착된 칩 홀더(300a)는 상기 제1 열 블록(100a)과 제2 열 블록(100b)에 접촉 및 분리될 수 있다. 상기 PCR 장치의 구동 수단(500a)은 좌우 방향으로 연장된 레일(510a), 및 상기 레일(510a)을 통해 좌우 방향으로 슬라이딩 이동가능하게 배치되고, 상하 방향으로 슬라이딩 이동 가능한 연결 부재(520a)를 포함하고, 상기 연결 부재(520a)의 일 말단은 상기 칩 홀더가 배치된다. 상기 구동 수단(500a)의 좌우 및/또는 상하 이동은 상기 PCR 장치의 내부 또는 외부에 구동가능하게 배치된 제어 수단(도시되지 않음)에 의해 제어될 수 있고, 상기 제어 수단은 PCR의 변성 단계와 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 위한 상기 PCR 칩(10)이 장착된 칩 홀더(300a)와 상기 제1 열 블록(100a) 및 제2 열 블록(100b) 사이의 접촉 및 분리를 제어할 수 있다.

도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 PCR 장치의 칩 홀더의 이동에 의한 핵산 증폭 반응의 각 단계를 도시한다. 상기 PCR 장치에 의한 핵산 증폭 반응은 하기 단계에 의한다. 먼저, 상기 PCR 칩(10)에 핵산, 예를 들어 이중 가닥 DNA, 증폭하고자 하는 특정 염기 서열과 상보적인 서열을 갖는 올리고뉴클레오티드 프라이머, DNA 중합효소, 삼인산화데옥시리보뉴클레오티드(deoxyribonucleotide triphosphates, dNTP), PCR 완충액(PCR buffer)를 포함하는 PCR 대상 시료 및 PCR 시약을 도입하고, 상기 PCR 칩(10)을 상기 칩 홀더(300a)에 장착하는 단계를 수행한다. 그 후 또는 이와 동시에 상기 제1 열 블록(100a)을 변성 단계를 위한 온도, 예를 들어, 90℃ 내지 100℃로 가열 및 유지하고, 바람직하게는 95℃로 가열 및 유지하는 단계를 수행한다. 상기 제2 열 블록(200)을 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 위한 온도, 예를 들어, 55℃ 내지 75℃로 가열 및 유지하고, 바람직하게는 72℃로 가열 및 유지하는 단계를 수행한다. 그 후, 상기 구동 수단(500a)의 연결 부재(520a)를 제어하여 상기 PCR 칩(10)을 하향 이동시켜, 상기 PCR 칩(10)이 장착된 칩 홀더(300a)를 상기 제1 열 블록(100a)에 접촉시켜 PCR의 제1 변성 단계를 수행한다(x 단계). 그 후, 상기 구동 수단(500a)의 연결 부재(520a)를 제어하여 상기 PCR 칩(10)을 상향 이동시켜, 상기 PCR 칩(10)이 장착된 칩 홀더(300a)를 상기 제1 열 블록(100a)으로부터 분리시켜 PCR의 제1 변성 단계를 종료하고, 상기 구동 수단(500a)의 연결 부재(520a)를 제어하여 상기 PCR 칩(10)을 제2 열 블록(100b)의 위로 이동시키는 단계를 수행한다(y 단계). 그 후, 상기 구동 수단(500a)의 연결 부재(520a)를 제어하여 상기 PCR 칩(10)을 하향 이동시켜, 상기 PCR 칩(10)이 장착된 칩 홀더(300a)를 상기 제2 열 블록(100a)에 접촉시켜 PCR의 제1 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행한다(z 단계). 마지막으로, 상기 구동 수단(500a)의 연결 부재(520a)를 제어하여 상기 PCR 칩(10)을 상향 이동시켜, 상기 PCR 칩(10)이 장착된 칩 홀더(300a)를 상기 제2 열 블록(100a)으로부터 분리시켜 PCR의 제1 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 종료하고, 상기 구동 수단(500a)의 연결 부재(520a)를 제어하여 상기 PCR 칩(10)을 제1 열 블록(100a)의 위로 이동시킨 후 상기 x, y, z 단계를 반복함으로써, 핵산 증폭 반응을 수행한다(순환 단계).

도 5c은 본 발명의 다른 실시예에 따른 PCR 장치를 이용하여 실시간으로 핵산 증폭 반응을 관찰하는 단계를 도시한다. 도 5c에 따른 PCR 장치는 상기 제1 열 블록(100a)과 제2 열 블록(100b) 사이에 광원(700a)이 더 배치되고, 상기 칩 홀더(300a) 위에 상기 광원(700a)으로부터 방출되는 광을 검출하기 위한 광 검출부(800a)가 더 배치될 수 있다. 또한, 상기 광 검출부(800a)는 상기 구동 수단(500a) 위에 배치되고, 상기 구동 수단(900a)은 상기 광원(700a)으로부터 방출되는 광을 통과시키기 위한 관통부(530a)가 배치될 수 있다.

상기 광원(700a) 및 광 검출부(800a)의 배치에 의해, 상기 PCR 장치(1)에 의한 핵산 증폭 반응시 상기 PCR 칩(10) 내에서 핵산이 증폭되는 정도를 실시간으로 검출할 수 있도록 한다. 상기 PCR 칩(10) 내에서 핵산이 증폭되는 정도를 검출하기 위해서는 상기 PCR 칩(10)에 도입되는 PCR 대상 시료 및 PCR 시약에 별도의 형광 물질을 더 첨가할 수 있다. 상기 광원(700a)은 상기 제1 열 블록(100a)과 제2 열 블록(100b) 사이의 이격된 공간에 가능한 넓게 분포하도록 배치되고, 가능한 동일한 광을 방출하도록 배치된다. 상기 광원(700a)은 상기 광원(700a)으로부터 방출되는 광을 포집하는 렌즈(도시되지 않음) 및 특정 파장대의 광을 여과하는 광 필터(도시되지 않음)와 구동가능하게 연결 배치될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 PCR 장치에 의한 핵산 증폭 반응시 상기 PCR 칩(10) 내에서 핵산이 증폭되는 정도를 실시간으로 검출하는 단계는 하기 단계에 의한다. 상기 PCR의 제1 변성 단계의 종료 후 상기 구동 수단(500a)의 연결 부재(520a)를 제어하여 상기 PCR 칩(10)을 제1 열 블록(100a)의 위로부터 제2 열 블록(100b)의 위로 이동시키거나, 또는 상기 PCR의 제1 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계의 종료 후 상기 구동 수단(500a)의 연결 부재(520a)를 제어하여 상기 PCR 칩(10)을 제2 열 블록(100b)의 위로부터 제1 열 블록(100a)의 위로 이동시키는 경우, 상기 PCR 칩(10)이 장착된 칩 홀더(300a)를 상기 구동 수단(500a)의 연결 부재(520a)를 제어하여 상기 제1 열 블록(100a)과 제2 열 블록(100b) 사이의 이격된 공간 상에 정지시키는 단계를 수행한다. 그 후, 상기 광원(700a)으로부터 광을 방출시키고, 상기 방출된 광은 상기 광투과성 PCR 칩(10), 구체적으로 상기 PCR 칩(10)의 반응 채널을 통과하고, 이 경우 상기 반응 채널 내의 핵산의 증폭에 의해 발생하는 광 신호를 상기 광 검출부(800a)가 검출한다. 이 경우 상기 광투과성 PCR 칩(10)을 통과한 광은 상기 구동 수단(500a), 구체적으로 상기 레일(510a)에 배치된 관통부(530a)를 통과하여 상기 광출부(800a)에 도달할 수 있다. 따라서, 본 발명의 제3 실시예에 따른 PCR 장치에 따르면, 상기 PCR의 각 순환 단계가 진행되는 동안 상기 반응 채널 내에서 (형광 물질이 결합된) 핵산의 증폭에 의한 반응 결과를 실시간으로 모니터링함으로써 초기 반응 샘플에 포함되어 있는 표적 핵산의 양을 실시간으로 측정 및 분석할 수 있다. 한편, 도 5c에 따른 PCR 장치는 광 투과성을 갖는 제1 열 블록(100a) 및 제2 열 블록(100b)으로 구현되기 때문에, 상기 제1 열 블록(100a) 및 제2 열 블록(100b) 하단에 각각 광원(700b, 700c)이 추가 배치되고, 상기 칩 홀더(300a) 위에 상기 광원(700b, 700c)으로부터 방출되는 광을 검출하기 위한 광 검출부(800b, 800c)가 추가 배치될 수 있음은 물론이다.

실험 및 비교예 1

도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치를 이용하여 시간에 따른 PCR 결과를 도시하고, 도 6b는 도 6a에 따른 PCR 결과를 타사의 PCR 장치를 이용한 PCR 결과와 비교한 전기영동 사진을 도시한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치를 이용하여 PCR을 수행하고, 상기 PCR 진행 과정 중에 실시간으로 PCR 결과를 확인하였다. 상기 PCR은 2X TaKaRa SYBR Green Kit 및 Primer Forward, Primer Reverse(Final Concentration: 1 pmole), BSA 1ug/1ul, Hot start taq polymerase(2.8U)을 포함하는 PCR 용액을 사용하여 수행하였다. 또한, 결과의 신뢰성을 확보하기 위하여 2종의 식중독균을 샘플로 사용하였다(E.coli O157:H7 및 Salmonella enterica Typhimurium). 상기 PCR 칩에 약 8ul의 PCR 용액 및 샘플 용액을 도입하고, 상기 PCR 장치에서 변성 단계, 어닐링 단계 및 연장(또는 증폭) 단계를 30 회(cycle) 진행하였다. 도 6a에 도시된 그래프는 시간 대비 상기 PCR 결과를 나타낸다. X축은 분과 초 단위로 시간을 나타내고, Y축은 형광 강도를 나타낸다. 도 6a에 따르면, 약 25분이 경과한 후 PCR을 종료하였고, 시간에 따른 형광 정도가 예상되는 PCR 결과와 유사한 패턴을 나타낸다. x곡선은 E.coli O157:H7에 관한 결과이고, y곡선 및 z곡선은 Salmonella enterica Typhimurium에 관한 결과이다. 또한, 동일한 2종의 식중독균 샘플을 Roche사의 capillary tube에 약 25ul를 도입하고, Roche사의 LightCycler 1.5 PCR 장치를 이용하여 상기 PCR 장치에서 변성 단계, 어닐링 단계 및 연장(또는 증폭) 단계를 30 회(cycle) 진행하였다. 도 6b는 Roche사의 PCR 장치와 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치를 이용하여 PCR을 수행한 결과를 나타내는 전기영동 사진이다(Gel Loading량은 약 2 ul임). 사진의 좌측 Roche사의 결과에서 약칭 N.C는 음성 대조군으로서, 2X TaKaRa SYBR Green Kit의 SYBR Green Mixture만을 사용한 결과이고, 약칭 S.E는 Salmonella enterica Typhimurium에 관한 결과이며, 약칭 E.C는 E.coli O157:H7에 관한 결과이다. 한편, 사진의 우측 자사의 결과에서 약칭 S.E는 Salmonella enterica Typhimurium에 관한 결과이며, 약칭 E.C는 E.coli O157:H7에 관한 결과이다(결과의 신뢰성을 위해 S.E는 두 번 수행함). 확인 결과, 상용되는 타사의 PCR 장치와 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치의 PCR 결과는 실질적으로 동일하거나 큰 차이가 없음을 알 수 있다.

실험 및 비교예 2

도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치를 이용하여 시간에 따른 PCR 결과를 도시하고, 도 7b는 도 7a에 따른 PCR 결과를 타사의 PCR 장치를 이용한 PCR 결과와 비교한 전기영동 사진을 도시한다.

결과의 신뢰성을 위해 상기 실시 및 비교예 1과 동일한 방법으로 샘플을 달리하여 PCR 결과를 확인하였다. 실험 및 비교예 2에서는 2종의 식중독균을 샘플로 사용하였다(Listeria monocytogenes 및 Staphyloccus aureus). 도 7a에 따르면, 약 25분이 경과한 후 PCR을 종료하였고, 시간에 따른 형광 정도가 예상되는 PCR 결과와 유사한 패턴을 나타낸다. x'곡선 및 y'곡선은 Listeria monocytogenes에 관한 결과이고, z'곡선은 Staphyloccus aureus에 관한 결과이다. 또한, 동일한 2종의 식중독균 샘플을 Roche사의 capillary tube에 약 25ul를 도입하고, Roche사의 LightCycler 1.5 PCR 장치를 이용하여 상기 PCR 장치에서 변성 단계, 어닐링 단계 및 연장(또는 증폭) 단계를 30 회(cycle) 진행하였다. 도 7b는 Roche사의 PCR 장치와 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치를 이용하여 PCR을 수행한 결과를 나타내는 전기영동 사진이다(Gel Loading량은 약 2 ul임). 사진의 좌측 Roche사의 결과에서 약칭 N.C는 음성 대조군으로서, 2X TaKaRa SYBR Green Kit의 SYBR Green Mixture만을 사용한 결과이고, 약칭 Listeria는 Listeria monocytogenes에 관한 결과이며, 약칭 S.A는 E.coli O157:H7에 관한 결과이다. 한편, 사진의 우측 자사의 결과에서 약칭 S.E는 Staphyloccus aureus에 관한 결과이며, 약칭 Listeria는 Listeria monocytogenes에 관한 결과이다(결과의 신뢰성을 위해 Listeria는 두 번 수행함). 확인 결과, 상용되는 타사의 PCR 장치와 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치의 PCR 결과는 실질적으로 동일하거나 큰 차이가 없음을 알 수 있다.

Claims (9)

1. PCR 칩; 및
   투명 발열 소재를 구비하고 광 투과성을 갖도록 구현된 것으로서, 일 면에 상기 PCR 칩의 접촉 면을 구비하되, 상기 PCR 칩이 상기 접촉 면에 접촉하는 경우 상기 PCR 칩에 열을 전달하도록 구현된 1 이상의 열 블록;
   을 포함하는 PCR(Polymerase Chain Reaction) 장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 투명 발열 소재는 인듐 주석 산화물(Indum Tin Oxcide, ITO), 전도성 고분자(conducting polymer), 탄소나노튜브(Cabon NanoTube, CNT), 그래핀(graphene), 투명 금속 산화물(Transparent Conductive Oxide, TCO), 및 산화물-금속-산화물 다층 투명 소자로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 열 블록은 판 형상으로 구현된 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 PCR 칩은 판 형상으로 구현되되, 광 투과성을 갖도록 구현된 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
5. 제1 항에 있어서, 상기 PCR 칩은
   제1 판;
   상기 제1 판 상에 배치되고, 1 이상의 반응 채널을 구비하는 제2 판; 및
   상기 제2 판 상에 배치되고, 상기 1 이상의 반응 채널의 양 말단과 연결되되 개폐 가능하도록 구현된 유입부 및 유출부를 구비하는 제3 판;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 제1 판 및 제3 판은 폴리디메틸실옥산(polydimethylsiloxane, PDMS), 사이클로올레핀코폴리머(cycle olefin copolymer, COC), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmetharcylate, PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리프로필렌카보네이트(polypropylene carbonate, PPC), 폴리에테르설폰(polyether sulfone, PES), 및 폴리에틸렌텔레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 및 그의 조합물로 구성된 군으로부터 선택되는 재질을 포함하고,
   상기 제2 판은 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 사이클로올레핀 코폴리머(cycloolefin copolymer, COC), 폴리아미드(polyamide, PA), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리페닐렌 에테르(polyphenylene ether, PPE), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene, POM), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone, PEEK), 폴리테트라프로오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 폴리비닐리덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate, PBT), 불소화에틸렌프로필렌(fluorinated ethylenepropylene, FEP), 퍼플로로알콕시알칸(perfluoralkoxyalkane, PFA), 및 그의 조합물로 구성된 군으로부터 선택되는 열 가소성 수지 또는 열 경화성 수지 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 열 블록의 일 면은 흡광 물질이 포함된 흡광층이 배치되고, 상기 열 블록의 다른 일 면은 광반사 방지 물질이 포함된 광반사 방지층이 배치된 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
8. 제1 항에 있어서, 상기 PCR 장치는
   상기 PCR 칩의 접촉 면에 접촉하는 PCR 칩에 광을 제공하도록 구동가능하게 배치된 광 제공부, 및;
   상기 PCR 칩의 접촉 면에 접촉하는 PCR 칩으로부터 방출되는 광을 수용하도록 구동가능하게 배치된 광 검출부;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
9. 기판 상에 배치된 제1 열 블록;
   상기 기판 상에 상기 제1 열 블록과 이격 배치된 제2 열 블록; 및
   상기 제1 열 블록 및 제2 열 블록 위로 구동 수단에 의해 좌우 및/또는 상하 이동 가능하고, PCR 칩이 장착된 칩 홀더;
   를 포함하는 것으로서,
   상기 제1 열 블록 및 제2 열 블록은 투명 발열 소재를 구비하고, 광 투과성을 갖도록 구현된 것으로서, 일 면에 상기 PCR 칩의 접촉 면을 구비하되, 상기 PCR 칩이 상기 접촉 면에 접촉하는 경우 상기 PCR 칩에 열을 전달하도록 구현된 것인 PCR 장치.

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