KR20130131324A - 열주기 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시료 블럭(34)의 냉각에 이용되는 펠티에-타입의 열전소자(36), 및 상기 시료 블럭을 가열하기 위한 비펠티에-타입의 가열 기구(38)를 포함하는 열주기 장치를 제공한다. 상기 열주기 장치는 또한 상기 펠티에-타입 소자에 열 파이프(40)로 연결되는 히트 싱크(28)를 포함하여, 열 에너지가 상기 펠티에-타입 소자로부터 상기 히트 싱크로 전달되도록 한다. 본 발명의 열주기 장치는 가열 및 냉각을 위하여 펠티에-타입 소자만 이용하는 종래의 통상적인 열주기 장치에 비하여, 더 효율적으로 작동하고, 더 넓은 범위의 주위 온도에서의 작동하는 것을 가능하게 하며, 더 빠른 사이클 타임을 가능하게 한다. 특정 실시예에서는, 상기 펠티에-타입 소자의 전원이 꺼졌을 때, 가열하는 동안의 열 손실을 줄이기 위하여, 상기 펠티에-타입 소자를 열 게이트(thermal gate)로 이용한다.

Description

열주기 장치{THERMAL CYCLER}

본 발명은 열 사이클링(thermal cycling) 반응에 이용하기 위한 열주기 장치에 관한 것이다. 본 발명의 태양들은 열 사이클링 반응을 수행하기 위한 방법에 관한 것이다.

현대 분자생물학에서는 열주기 장치의 이용이 필수적이다. 예를 들어, 핵산 증폭에 이용되는 중합효소연쇄반응(PCR)은 시료 내의 DNA의 양을 크게 '증폭'시키기 위하여 상이한 온도에서 수행되는 일련의 DNA 용해(melting), 결합(annealing), 및 중합(polymerization) 단계를 이용한다. 다른 열주기 장치의 용도 역시 공지되어 있다.

통상적인 열주기 장치는 하나 이상의 반응 용기를 수용하기 위한 적합한 개수의 리세스(recess)를 포함하는 금속 시료 블럭(sample block)으로 구성되어 있다. 상기 시료 블럭은, 96-웰 플레이트(96-well plate)의 형태, 또는 통상적으로 0.5 ㎕ 또는 0.2 ㎕의 마이크로 원심분리기(에펜도르프) 튜브인 개별적인 반응-튜브에 부합되는 형태일 수 있다. 상기 금속 블럭은 금속 블럭과 반응 시료 간의 열에너지 전달에 있어 열질량(thermal mass)으로서 작용한다. 일반적인 열 사이클링에 있어서, 에너지는 보통 펠티에 효과를 이용한 소자(Peltier Effect element: PE)로 알려져 있는 열전냉각(Thermoelectric Cooling: TEC) 장치를 이용하여 제공된다. 또한 열주기 장치는 상기 펠티에 및 대형 팬(large fan) 등과의 사이에서 열 전달을 돕는 히트 싱크(heat sink)를 이용하여, 상기 펠티에에 의하여 발생되고 냉각되는 동안 히트 싱크로 전달되는 과잉의 열(excess heat)을 제거한다.

펠티에 소자는 전류를 온도 구배(temperature gradient)로 변환하는 고상(solid-state) 장치이다. 이는 고온부(hot side) 및 저온부(cold side)의 양측으로 구성되어 있다. 그 모듈은 저온부에서 고온부로 열을 이동시킨다는 점에서 열 펌프(heat pump)로서 작용한다. 전류 흐름의 방향을 바꾸면 상기 고온부 상태와 저온부 상태가 바뀌게 되며, 이러한 전류 흐름의 조절은 PCR에 필요한 가열 및 냉각을 위하여 시료 블럭의 온도를 사이클링시키는 데에 이용된다. 상기 펠티에의 고온부는 그 유닛이 적절하게 기능하고 효과적으로 냉각될 수 있도록 하기 위하여, 열을 제거하는 방법을 필요로 한다. 그 열을 상기 고온부로부터 제거하는 방법이 효과적일수록, 상기 저온부가 더 차갑게 냉각되고, 상기 저온부는 열 전달을 위한 최적의 온도에 더 빨리 도달하게 된다. 이는 이용되는 히트 싱크의 질량(mass) 및 상기 히트 싱크로부터 과잉의 열을 제거하기 위하여 이용되는 상기 팬의 기류(airflow)에 의하여 제한된다. 일반적으로, 열주기 장치의 설계는, 특정 히트 싱크를 위한 전력 등급(power rating)과, 그 설계 안에 수용될 수 있는 상기 히트 싱크 및 팬의 크기의 절충에 의한다. 표준 펠티에 블럭 열주기 장치(standard Peltier block thermal cyclers)에서, 상기 히트 싱크 및 팬 유닛은 상기 유닛의 대부분 및 상기 장치의 질량을 나타낸다.

그러한 열주기 장치는 편리하기는 하지만 많은 단점이 있다. 그 중 핵심적인 것은 펠티에 소자가 가열 및 냉각 모두에 이용되는 경우 효율이 감소된다는 것인데, 예를 들어, 상기 펠티에 장치는 상기 시료 블럭으로의 효율적인 열 전달이 가능하도록 그 자체가 가열 또는 냉각되어야 하는 히트 싱크의 형태의 상당한 열질량을 갖는다는 것이다. 가열 및 냉각 모두에 대해 합리적인 효율성을 달성하는 것은 복잡하고, 대부분의 열주기 장치의 설계를 위하여는 펠티에 소자의 가열 기능 및 냉각 기능과 상기 시료 블럭으로의 바람직한 열 전달 속도(rate) 사이에서 절충안을 찾아야 한다. 이러한 절충의 결과로서, 종래의 통상적인 열주기 장치는 통상적으로 최대 가열 또는 냉각 속도가 초당 섭씨 3도 이하이고, 이러한 안정적인 속도의 성능을 위하여 높은 간접 전력비용(power overhead)을 갖는다.

본 발명에서 해결하려고 하는 과제는 전술한 종래 기술의 문제를 해결할 수 있는 대안적인 열주기 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따라,

시료를 수용하기 위한 시료 블럭;

상기 시료 블럭에 인접하여 위치하며, 상기 시료 블럭을 냉각시키기 위한 펠티에-타입의 열전소자;

상기 시료 블럭에 인접하여 위치하며, 상기 시료 블럭을 가열시키기 위한 비펠티에-타입의 가열 기구(non-Peltier-type heating device);

상기 시료 블럭 및 펠티에-타입 소자로부터 분리되어 있는 히트 싱크; 및

상기 히트 싱크를 상기 펠티에-타입 소자에 연결하여 열 에너지가 상기 펠티에-타입 소자로부터 상기 히트 싱크로 전달되도록 하는 열 파이프

를 포함하는 열주기 장치가 제공된다.

본 발명에 따른 열주기 장치는 가열 기능과 냉각 기능을 분리함으로써 각각의 바람직한 기능의 수행을 위해 최적화될 수 있다. 나아가, 별개의 가열 소자와 냉각 소자를 이용한다는 것은, 상기 히트 싱크의 열질량이 상기 펠티에의 성능 및 상기 시료 블럭의 가열 및 냉각 효율에 영향을 미칠 필요가 없다는 것을 의미한다. 또한, 종래의 통상적인 열 소자는, 예를 들어 전기저항 열전소자는, 가열 및 냉각 모두에 이용되는 펠티에-타입 소자보다 일반적으로 더 효율적이고; 상기 펠티에-타입 소자는 냉각에만 단독적으로 이용되거나 가열에만 단독적으로 이용되는 경우에 더 효율적이다.

바람직한 구성에 있어서, 상기 시료 블럭은 상기 펠티에-타입 소자와 비펠티에-타입 가열 기구 사이에 샌드위치형으로 위치하고; 예를 들어, 상기 소자와 상기 기구는 상기 시료 블럭의 서로 반대되는 면에 위치한다. 종래의 통상적인 열주기 장치는 스택형 구성(stacked arrangement)을 이용하는데, 이러한 구성에서는 시료 블럭은 펠티에 소자 위에 위치하고, 펠티에 소자는 히트 싱크 위에 위치하고, 히트 싱크는 냉각 팬 위에 위치한다. 시료 튜브(sample tubes)는 상기 시료 블럭에 위쪽으로부터 로딩된다. 이러한 종래의 구성은 비펠티에-타입 히터가 간편하게 위치할 수 있는 자리가 상기 시료 블럭과 상기 펠티에 소자 사이 말고는 없다는 것을 의미하며, 이는, 상기 히터를 통하여 냉각되어야 하는 탓에, 효율을 더 떨어뜨린다.

상기 열주기 장치는 광학적 어셈블리(optics assembly)를 더 포함하며, 광학적 어셈블리는 예를 들어, 광원(light source) 및 광검출기(light detector)를, 선택적으로 하나 이상의 렌즈와 함께 포함한다. 이로 인해 실시간으로 반응이 진행됨에 따라 반응으로부터 나오는 형광 또는 기타 신호를 검출하는 데에 상기 열주기 장치가 이용될 수 있다. 상기 광원 및 광센서는 가시광선뿐만 아니라 어떤 전자기 방출선도 포함할 수 있다. 상기 열주기 장치는 또한 특정 파장대의 빛을 제한하기 위한 필터를 포함할 수 있다. 상기 열주기 장치는 또한 2차 광원을 포함할 수 있으며; 이는 상대적으로 저비용인 2-라벨 검출 시스템(low-cost two-label detection system)을 가능하게 하는데, 이 경우 두 개의 광원이 서로 다른 파장대에서 조명을 한다. 상기 열주기 장치가 각 사이클링 반응에 있어서 복수개의 시료 또는 반응 용기를 이용하고자 하는 경우, 상기 열주기 장치는 간편하게 각각의 시료에 대해 적어도 하나의 광원/센서의 조합을 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에서는, 상기 광원은 예를 들어 LED가 사용되며, 상기 광센서는 포토다이오드(photodiode) 등이다. 상기 센서는 로그응답 검출기(log-response detector)인 것이 간편한데, 더 넓은 동적 범위(dynamic range), 및 더 광범위한 핵산의 복제수가 검출될 수 있도록 한다. 이러한 구성은 렌즈 또는 복잡한 광학적 구성을 필요로 하지 않으면서도 단순하고 견고한(robust) 컴포넌트들(components)을 이용할 수 있게 한다. 그러한 광원/센서의 조합은 반응의 진행에 관한 정성적인 정보(예를 들어, 증폭이 일어나고 있는 중이라는 것)를 얻기에 충분한 것으로 알려져 왔다. 다수의 용도에 있어서는, 그러한 데이터만으로도 충분하고, 상기 반응의 진행을 정량화할 필요는 없다.

또한 LED/포토다이오드 구성을 이용하면, 상기 시료에 대한 광원과 센서의 정교한 위치조절(positioning) 또는 거리조절(distancing)에 대한 필요성을 감소시킴으로써, 상기 열주기 장치를 더 견고하게 만든다. 편리하게는, 상기 광원과 센서는 상이한 파장대에서 작동한다; 예를 들어, 바람직한 광원은 490 nm에서 발광하는 LED인데 반해, 바람직한 센서는 530 nm에서 가장 광감도가 좋다. 이는 생화학 반응에 이용되는 통상적인 형광물질의 파장과 일치된다. 신호로부터 노이즈 및 배경 잡음를 제거하기 위하여, 조정된 조도의 LED 또는 복수의 LED가 이용될 수 있다.

상기 시료 블럭이 상기 펠티에-타입 소자와 상기 가열 기구 사이에 샌드위치형으로 위치하는 경우, 상기 시료 블럭은 일렬로 배열된 복수의 시료 튜브, 또는 시료 튜브 스트립(strip)을 수용할 수 있는 크기와 형태로 되어 있는 것이 바람직하다. 이는 균일한 가열 및 냉각을 보장한다. 통상의 사용시, 상기 펠티에 소자와 열 소자는 바람직하게는 상기 시료 블럭의 위(above)와 아래(below)에 위치하고, 상기 시료 블럭은 시료 홀더(sample holder)를 (종래의 통상적인 열주기 장치에서와 같이 위쪽으로부터가 아니라) 측면으로부터 수용하도록 배향된다. 이러한 구성은, 측면 개구부(side opening)는 이물질이 상기 개구부에 떨어져서 시료를 오염시키거나, 또는 상기 열주기 장치 내에 존재할 수 있는 임의의 광학적 어셈블리를 희미하게 할 가능성이 낮다는 점에서, 종래의 통상적인 구성에 비하여 추가적인 이점을 가진다.

열 소자와 펠티에 사이에 끼어 있는 시료 블럭의 구성으로 인해, 시료 홀더를 수용하고 열 전달 기능을 제공하기에 최적의 형태와 크기가 가능한 한편 최소의 질량(mass)의 설계가 가능해진다. 면적에 대한 표면 비율(surface to area ratio)이 높은 튜브의 조합에 의해, 상기 시료 블럭으로부터의 반응에 대한 열 전달 속도는 매우 효율적이다.

상기 시료 홀더는 일반적으로 수평형이어야 할 필요는 없다; 예를 들어, 80, 70, 60, 50, 45, 40도 미만과 같이, 90도 미만의 각도면 충분할 수 있다.

상기 시료 블럭은 상기 열주기 장치로부터 제거 가능하다; 이로 인해, 상이한 크기 또는 구성의 시료 튜브를 수용하도록 교체 또는 교환가능한 블럭을 이용할 수 있다.

비펠티에-타입의 가열 기구는 어떤 적당한 히터일 수 있고, 바람직하게는 전기저항 히터(electrical resistance heater)이다. 기타 가열 기구가 이용될 수 있다. 상기 가열 기구는, 빛이 상기 장치를 통과할 수 있도록 하는 하나 이상의 개구부(openings)를 포함할 수 있다; 이는 상기 시료 블럭/히터의 외부에 위치하는 광원 및 검출기의 조합을 이용할 수 있게 한다.

바람직하게는, 상기 펠티에-타입 소자는 상기 히터가 활성화되는 때에는 비활성화되도록 되어 있다; 바람직하게는, 또한 그 역도 마찬가지이다. 상기 히터가 활성화되고 상기 펠티에 소자가 비활성화되면, 상기 소자는 상기 시료 블럭으로부터 상기 열 파이프 및 히트 싱크 어셈블리로의 열 손실을 제한하는 단열재로서 작용한다. 이는 상기 시료 블럭을 가열하는 데 필요한 시간을 상당히 감소시킴으로써 효율성을 향상시킨다. 특히, 이러한 구조의 펠티에의 구성은 열 게이트(thermal gate)로서 작용하여, 전원이 꺼졌을 때는 가열하는 동안의 열 손실에 대한 블록(block)을 제공하는 한편, 전원이 켜졌을 때에는 효율적인 냉각 경로를 제공한다.

상기 열주기 장치의 냉각기(cooling phase) 동안 상기 펠티에의 고온부로부터 열 파이프를 통하여 열이 제거된다. 상기 열 파이프는 바람직하게는 일반적으로 플랫형의 단면(flat cross section)을 가지고 있고, 아세톤 또는 기타 냉각액을 함유하는 마이크로-채널 파이프들(micro-channel pipes)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 아메크 더마솔(Amec Thermasol)사의 플랫 쿨 파이프(Flat Cool Pipes)가 적당하다. 종래의 열 파이프는 일반적으로 냉각액으로서 물이 채워진 통상적인 둥근 단면의 동파이프(round section copper pipes)에 기반한 것이다; 이러한 종래의 파이프는, 상기 바람직한 파이프가 훨씬 컴팩트한 점유면적(compact footprint)까지 제공하는 것에 비하여, 덜 효율적이다. 종래의 열 파이프의 경우에는, 상기 팬 및 히트 싱크를 상기 블럭 상부에 적층하는 것이 필요할 수 있는데, 이는 유닛의 높이를 크게 증가시키게 된다. 종래의 방법이 컴포넌트들의 수직 적층으로 제한되는 반면, 플랫 쿨 파이프와 같은 파이프를 이용하면 컴포넌트들을 측방향으로 연속적으로 위치시킬 수 있다. 이는 구성 부분들의 컴팩트한 위치 설정(compact positioning of parts)을 제공한다. 결정적으로, 히트 싱크가 상기 열 파이프 하부에 배치되게 함으로써 종래의 어셈블리에 비하여 매우 효율적인 공간 점유면적(space footprint)을 제공한다.

상기 열 파이프는 바람직하게는 일반적으로 S-자형이며, 상기 히트 싱크와 접촉하는 상부 섹션(upper section) 및 상기 펠티에 소자와 접촉하는 하부 섹션(lower section)을 갖는다. 상기 상부 섹션은 경사져 있고(바람직하게는 약 20°이나, 특정 실시예에서는 90°까지 상승), 상기 하부 섹션은 통상적으로 수평형이다(바람직하게는 약 0°이나, 특정 실시예에서는 90°까지 상승). 상기 하부 섹션은 바람직하게는 상기 상부 섹션보다 면적이 더 작다(예를 들어, 10%, 20%, 30%, 40, 50% 더 작은 면적). 일반적으로 상기 열 파이프의 50% 이상의 부분이 상기 상부 섹션을 제공하기 위하여 경사져 있지만, 최대 효율을 위하여 바람직하게는 상기 열 파이프의 적어도 마지막 20% 부분은 열이 발생되는 하위 부분보다 더 높도록 경사져 있다. 이는 상기 열원으로부터의 효율적인 열 전달을 가능하게 하고, 또한 상기 파이프 내에서 냉각액이 재순환되게 한다. 물론, S-자형의 열 파이프를 이용하는 것이 본 발명에 필수적은 것은 아니고, 일반적으로 수평형 파이프 등의 다른 형태가 이용될 수 있다.

상기 열 파이프의 상부 섹션은 선택적으로 축류 팬(axial fan)을 또한 포함할 수 있는 히트 싱크에 연결된다. 이는 상기 열 파이프의 상부 섹션으로 전달되는 과도하게 발생되는 열을 제거하기 위하여 이용된다. 상기 히트 싱크는 임의의 간편한 형태 또는 물질로 되어 있을 수 있으나, 선택적으로 핀 휜(pin fin)을 가진 단조 알루미늄 패드일 수 있다. 핀은 바람직하게는 ㎠ 당 16핀보다 많은 밀집된 형태로 배열될 수 있다.

열은 통상적으로 10, 20, 30 또는 40 CFM(cubic feet per minute)보다 큰 기류의 고기류 팬(high airflow fan)을 이용하여 상기 히트 싱크로부터 제거된다. 직적적인 충돌을 통한 기류가 상기 히트 싱크로부터의 과열을 제거하기 위하여 이용되고, 상기 장치의 외부로 안내된다. 대안적인 '핀' 히트 싱크가 이용되는 경우에 있어서, 축류(axial), 송풍(blower), 접선(tangential), 또는 어떤 알맞은 팬이라도 필요한 기류를 제공할 수 있다.

나아가 상기 열주기 장치는 상기 광원 및 검출기, 온도 조절, 사이클링 프로그램 등의 일부 또는 전부를 모니터링(monitoring) 및 조절(controlling)하기 위하여 이용될 수 있는 컴퓨터 프로세서를 포함할 수 있다. 상기 프로세서는 특정 반응을 위한 적합한 사이클링 프로그램의 선택을 허용하도록 간편하게 사용자에 의해 프로그램 가능하다. 예를 들어, 상기 열주기 장치는 키패드 또는 터치-스크린과 같은 사용자 인터페이스를 포함할 수 있어서, 필요한 사이클링 프로그램을 선택, 입력 또는 편집할 수 있게 한다.

상기 컴퓨터 프로세서는 회로기판(circuit board) 또는 PCB와 같은 기판(substrate) 상에 장착될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 상기 열주기 장치의 나머지 컴포넌트들 - 예를 들어, 펠티에-타입 소자, 히터, 시료 블럭, 및 히트 싱크 및 파이프 - 이 상기 기판에 고정된다. 예를 들어, 상기 컴포넌트들이 상기 기판에 볼트로 고정될 수 있다. 이는 제조 및 조립을 용이하게 하고, 상기 열주기 장치의 점유면적을 더 작게 한다. 물론, 모든 컴포넌트들이 상기 기판에 직접적으로 고정될 필요는 없다; 어떤 컴포넌트들은 다른 컴포넌트들에 고정될 수 있다(예를 들어, 히터는 기판에 고정되고, 동시에 시료 블럭은 히터에 고정되고, 펠티에 소자는 시료 블럭에 고정될 수 있다). 상기 기판 및 상기 나머지 컴포넌트들은 케이싱에 수납될 수 있다.

본 발명은, 가열 및 냉각을 위하여 펠티에-타입 소자만 이용하는 종래의 통상적인 열주기 장치에 비하여, 더 효율적인 열주기 장치를 제공한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열주기 장치의 외부를 나타낸다;
도 2는 도 1의 열주기 장치의 바닥면의 외부를 나타낸다;
도 3은 도 1의 열주기 장치의 내부 새시 컴포넌트들의 측면도를 나타낸다;
도 4는 도 1의 열주기 장치의 내부를 나타낸다; 및
도 5는 도 1의 열주기 장치의 광학적 어셈블리 및 시료 블럭의 형성도를 나타낸다.

먼저 도 1은, 본 발명에 따른 열주기 장치의 외부 개관을 도시한 것이다. 상기 열주기 장치(10)는 손잡이(14)가 형성되어 있는 외부 케이싱(12)을 포함한다. 케이싱(12)의 상부면에 사용자가 상기 열주기 장치를 작동시킬 수 있게 하는 터치스크린 인터페이스(16)가 제공된다. 상기 케이싱의 앞부분은 시료 홀더(20)가 삽입될 수 있는 개구부(18)를 제공하며, 본 실시예에서는 박판 플라스틱(thin-walled plastic)으로 된 세 개의 시료 튜브(22)를 포함한다.

상기 열주기 장치(10)의 하부측은 도 2에 도시되어 있다. 상기 외부 케이싱은 개구부(24)를 포함하는데, 개구부(24) 안에 히트 싱크(28)에 인접한 냉각 팬(26)이 장착되어 있다. 상기 케이싱은 상기 팬(26)을 벤치탑(benchtop)으로부터 들어올려 공기가 순환될 수 있도록 하는 서포트(30)를 가지고 있다.

상기 열주기 장치(10)의 내부적인 구조는 도 3에 도시되어 있다. 상기 케이싱(12)은 본 도 3에 도시되어 있지 않다. PCB 기판(32) 상에 상기 열주기 장치를 조절 및 작동(예를 들어, 상기 터치 스크린을 통한 상기 이용자 인터페이스의 작동; 상기 가열 소자와 냉각 소자의 활성화; 및 상기 광학적 어셈블리의 작동)하는 데 필요한 다양한 전자 컴포넌트들이 그 위에 장착되어 있다. 상기 히트 싱크(28) 및 팬(26) 어셈블리는 상기 기판(32)에 볼트(34)로 고정된다. 또한 상기 시료 블럭(34)은 상기 기판(32)에 고정되나, 상기 히트 싱크(28)로부터는 이격되어 있다.

펠티에 소자(36)는 상기 시료 블럭(34)의 아래에 시료 블럭(34)과 열 접촉 상태로 장착된다. 상기 시료 블럭(34)의 위에는 전기 저항 히터(38)가 위치한다.

상기 펠티에 소자(36)는 아세톤을 냉각제로 이용하는 마이크로 채널을 가진 형태의 플랫형의 열 파이프(40)에 고정된다. 상기 열 파이프(40)는 일반적으로 S-자형이고, 상기 히트 싱크(28) 및 팬(26)에 접촉하고 있는 상부 섹션(42), 및 상기 펠티에 소자(36)와 접촉하고 있는 하부 섹션(44)을 포함한다. 상기 상부 섹션(42)은 약 20°로 경사져 있는데 반해, 상기 하부 섹션(44)은 통상적으로 수평형(약 0°)이다. 상기 하부 섹션(44)은 상기 상부 섹션(42)의 면적의 약 절반이다.

내부 섀시(chassis)의 개관이 도 4에 도시되어 있다. 상기 기판(32)은 상기 열주기 장치를 작동시키는 데 필요한 전자 컴포넌트들 및 프로세서를 포함하는 반면, 나머지 컴포넌트들은 상기 기판(32)에 볼트(46) 또는 기타 패스너(fastener)로 고정된다. 도 4에서, 상기 열 파이프(40)의 일부분 및 상기 시료 블럭(34)을 볼 수 있다. 전체적인 어셈블리는 제조의 용이성을 위하여 케이싱(12) 내에 간단하게 장착될 수 있다.

상기 시료 블럭(34)은 도 5에 더 자세히 도시되어 있다. 상기 블럭은 상기 광학적 어셈블리(다른 도면에 도시되지 아니함)의 다양한 컴포넌트들을 포함한다. 세 개의 LED(48)를 포함하는 PCB(46)가 시료 튜브를 수용하기 위한 세 개의 구멍(52) 및 LED로부터 나온 빛을 통과시키는 개구부(54)를 포함하는 광학적 어셈블리 형성부재(optics assembly former)(50) 내에 위치한다. 490 nm의 유리 여기 필터(glass excitation filter)(56)가 상기 LED(48) 상부의 개구부에 위치하고, 상기 필터 상부에 전기 히터(38)가 위치한다. 상기 히터(38)는 상기 LED와 정렬된 세 개의 구멍(58)을 포함한다. 그런 다음, 상기 시료 블럭(34)이 형성부재(50) 내에 놓여지고, 535 nm의 유리 방출 필터(glass emission filter)(60)가 상기 시료 블럭(34)의 뒤(rear)에 놓여진다. 상기 시료 블럭은, LED와 정렬된 구멍 및 방출 필터를 포함하거나, 또는 적절한 파장대를 투과시키거나, 또는 적당한 위치(location)에 도파관을 포함할 수 있다. 그런 다음, 전체적인 어셈블리가 상기 열주기 장치의 다른 컴포넌트들과 함께 조립될 수 있다.

사용시, 상기 열주기 장치는 다음과 같이 작동된다. 사용자는 원하는 사이클링 프로그램을 상기 터치스크린 인터페이스(16)를 이용하여 프로그래밍할 수 있다. 이에 따라 적절한 제어회로 방식으로 상기 컴포넌트들을 작동시키게 된다. 그런 다음, 시료가 상기 시료 홀더(20)의 시료 튜브(22)로 로딩되고, 그런 다음, 상기 홀더가 개구부(18)를 통하여 상기 시료 블럭(34)으로 삽입된다.

사용자가 상기 터치스크린 상의 "시작(START)" 아이콘(또는 그와 유사한 것)을 누르면, 상기 히터(38) 및 펠티에 소자(36)가 적절한 방식으로 작동된다. 상기 히터(38)가 상기 시료의 온도를 원하는 제1 온도까지 올리기 위하여 먼저 활성화된다. 동시에 상기 펠티에 소자(36)는 비활성화되어, 상기 시료 블럭과 상기 열 파이프(40) 사이에 열 절연체로서 작용하여 상기 시료 블럭 내에 열을 보유한다. 상기 시료 블럭이 원하는 시간 동안 원하는 온도에 도달하게 되면, 상기 히터(38)는 비활성화될 수 있고, 상기 펠티에 소자(36)는 활성화된다. 상기 펠티에 소자(36)는 상기 시료 블럭(34)을 냉각시키도록 작동된다; 상기 시료 블럭으로부터 상기 열 파이프(40)로 열이 전달된다. 그런 다음, 상기 열 파이프(40)는 상기 하부 섹션(44)으로부터 상기 상부 섹션(42)으로 열을 전달한다; 그런 다음, 상기 히트 싱크(28) 및 팬(26)을 통하여 열이 분산된다. 그런 다음, 상기 사이클이 원하는 만큼 반복된다.

이에 더하여, 상기 사이클링 반응의 진행을 사이클링 중에 또는 그 이후에 모니터링하기 위하여 상기 광학적 어셈블리가 이용될 수 있다. 상기 LED는 상기 시료를 조명하기 위해 가동될 수 있다; 그런 다음, 발광된 빛은 광센서에 의하여 검출된다. 발광된 빛의 강도, 또는 간단히 존재 또는 부존재가 경시적으로 또는 특정 시점(particular time point)에서 모니터링될 수 있다. 이는 실시간 PCR(real time PCR)의 수행을 가능하게 한다.

전술한 바와 같은 본 발명의 열주기 장치는 종래의 열주기 장치에 비하여 여러 이점을 갖는다. 첫 번째로, 가열 기능과 냉각 기능을 분리하고, 비펠티에 히터를 이용함으로써, 전반적인 효율이 향상된다. 가열 기능과 냉각 기능의 분리 및 상기 히터가 활성되었을 때 상기 펠티에 소자를 "게이트(gate)"로 이용하는 것과 함께, 상기 펠티에 소자로부터의 폐열(waste heat)을 제거하기 위하여 열 파이프를 이용하는 것은, 상기 시료 블럭 / 히터 / 쿨러(cooler) 어셈블리 및 상기 히트 싱크 / 팬 어셈블리의 물리적인 분리를 가능하게 함으로써, 상기 열주기 장치에 개선된 물리적인 점유공간을 제공한다.

나아가, 상기 폐열(thermal waste heat)의 전체적인 열 프로파일(thermal profile)이 감소된다. 가열 및 냉각 모두에 있어 단일 펠티에 소자를 이용하는 표준 열주기 장치에서는, 히트 싱크가 65 ℃ 내지 85 ℃까지 과열된다. 본 발명의 시스템을 이용하면 상기 히트 싱크의 온도가 40 ℃ - 45 ℃까지만 상승하며, 이는 종래에 비해 상당히 낮아진 것이다. 이는 부분적으로는, 기존에는 PCR 기기에서 이용되지 않았던 선형 플랫 열 파이프(linear flat heat pipe) 내에서의 에너지의 순환에 기인한 것이다. 상기 열 파이프는, 냉각하는 동안, 상기 펠티에의 고온부로부터의 열을 효율적으로 제거하는데, 상기 열 에너지를 순환시켜 상기 펠티의 고온부를 빠르게 냉각시킨다. 상기 히트 싱크에 의하여 발광되는 열 에너지가 훨씬 적어지므로 상기 펠티에의 필요 전력도 훨씬 적어진다.

전체적인 어셈블리는 멀티 파워 입력(multiple power inputs)으로 작동될 수 있는데, 이 점이 중요하다. 예를 들어, 휴대용의, 현장에서 이용되는 유닛(portable, field based unit)은 매우 낮은 전력 프로파일을 필요로 하여, 전지(batteries)로 전력이 충당될 수 있다. 본 발명에 따른 열주기 장치는 50 W보다 낮은 전체 소비전력(total power)하에서 작동하면서 30번(30x) 사이클에 대해 여전히 30분 이내의 사이클 타임(cycle times)을 제공할 수 있다. 전력의 증가는, 사이클 타임을 단축시키고, 열 교환 메커니즘(heat exchange mechanism)에 있어 과한 부담을 지우지 아니한다. 본 발명의 설계는 이러한 '멀티 파워' 기능(multi-power’ ability)을 가능하게 한다. 100 W의 입력은 사이클 타임을 20분까지 낮추고 150 W는 사이클 타임을 15분까지 낮춘다. 특히, 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 사용시 상기 열주기 장치는, 50 W 이하의 전력에서 작동되는 경우에는, 30분 안에 50 ℃, 72 ℃ 및 95 ℃에서 각 5초씩 30 이상의 표준 사이클을; 100 W 이하의 전력에서 작동되는 경우에는, 20분 안에 50 ℃, 72 ℃ 및 95 ℃에서 각 5초씩 30 이상의 표준 사이클을; 또는 150 W 이하의 전력에서 작동되는 경우에는, 15분 안에 50 ℃, 72 ℃ 및 95 ℃에서 각 5초씩 30 이상의 표준 사이클을 진행시킨다. 이와 대조적으로, 표준 블럭 열주기 장치(standard block thermal cyclers)는 500 W를 초과하는 전력을 필요로 하는데, 핀지메스 피코 써멀 사이클러(Finnzymes Piko thermal cycler)와 같은 급속 블럭 열주기 장치(rapid block cyclers)는 180 W를 필요로 하고, 로슈(Roche)사의 라이트사이클러 2.0(lightCycler 2.0)과 같은 에어사이클러(air cycler)는 800 W를 필요로 한다.

실제로, 본 발명의 열주기 장치를 50 W에서 작동시키는 테스트에서; 상기 히트 싱크는 40 ℃로 유지되면서, 상기 열 파이프는 47 ℃ 내지 57 ℃ 사이로 변화하였다. 100 W에서는; 상기 열 파이프는 50 ℃ 내지 60 ℃였고, 상기 히트 싱크는 48 ℃로 일정하였다. 150 W에서는; 상기 열 파이프는 53 ℃ 내지 63 ℃였고, 상기 히트 싱크는 49 ℃로 일정하였다.

이처럼 가변적인 전력 공급(power delivery)에 의해 냉각 효율은 높게 유지되고 어떤 상황에서도 히트 싱크의 온도가 50 ℃를 초과하지 않게 되는데, 이는 배출되는 공기의 온도가 40 ℃ 아래로 현저하게 떨어진다는 것을 의미한다. 이로 인한 이점은 주위 온도가 증가하여도 상기 유닛의 성능이 교란되지 않은 채 유지된다는 것이다.

상기 시스템의 또 다른 이점은 외부 주위 온도의 변화에 덜 민감하다는 것인데, 이는 컴포넌트들의 배치의 효율성과 상기 시스템으로부터 열을 제거하기 위한 복수의 방법이 있기 때문이다. 이는 휴대용 유닛에 있어서 또한 중요한 것이다. 그래서 주위 온도가 50 ℃를 초과하는 경우에도, 상기 유닛은 종래의 통상적인 유닛의 열 사이클링 타임과 같이 유사한 열 사이클링 타임(thermal cycling times)을 여전히 나타낸다. 이는 상기 팬 및 히트 싱크가 상당한 오버헤드(overhead)를 갖고 있어서, 만약 주위 온도가 상승하면, 더 많은 열이, 상기 히트 싱크의 증발성(evaporative properties)에 의해서라기 보다는, 상기 팬 및 히트 싱크에 의하여 본 발명의 시스템으로부터 제거되기 때문이다. 실제로, 본 발명의 일부 실시예에 따른 시스템은 55 ℃ 또는 그 이상까지 상승한 주위 온도에서 작동할 수 있는 것으로 예상되는 반면, 표준 펠티에 열주기 장치는 30 - 40 ℃까지에서만 작동할 수 있다.

본 발명의 시스템의 구조에 따르면, 알루미늄 또는 높은 열전달성을 가진 열탄성 폴리머(thermoelastomer polymers)로 만들어진 낮은 질량의 시료 블럭을 이용할 수 있다; 이는 상기 블럭에 유연성을 허용하며, 이는 소모품이 거기에 들러붙지 않게 되며, 고체 블럭 및 얇은 벽을 가진 기다란 튜브에서는 통상적으로 불가능한, 양호한 저항 결합(resistance fit)이 가능하다는 것을 의미한다.

본 발명의 기타 이점들도 분명해질 것이다.

Claims (25)

1. 시료를 수용하기 위한 시료 블럭(sample block);
   상기 시료 블럭에 인접하여 위치하며, 상기 시료 블럭을 냉각시키기 위한 펠티에-타입의 열전소자(Peltier-type thermoelectric element);
   상기 시료 블럭에 인접하여 위치하며, 상기 시료 블럭을 가열시키기 위한 비펠티에-타입의 가열 기구(non-Peltier-type heating device);
   상기 시료 블럭 및 펠티에-타입 소자로부터 분리되어 있는 히트 싱크(heat sink); 및
   상기 히트 싱크를 상기 펠티에-타입 소자에 연결하여 열 에너지가 상기 펠티에-타입 소자로부터 상기 히트 싱크로 전달되도록 하는 열 파이프(heat pipe)
   를 포함하는, 열주기 장치(Thermal Cycler).
2. 제1항에 있어서,
   상기 시료 블럭은, 상기 펠티에-타입 소자와 상기 비펠티에-타입 가열 기구 사이에 샌드위치형으로 위치하는, 열주기 장치.
3. 제1항에 있어서,
   광학적 어셈블리(optics assembly)을 추가로 더 포함하는, 열주기 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 광학적 어셈블리는, 광원(light source) 및 광검출기(light detector)를, 선택적으로 하나 이상의 렌즈와 함께, 포함하는, 열주기 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 시료 블럭은, 일렬로 배열된 복수의 시료 튜브, 또는 시료 튜브 스트립(strip)을 수용할 수 있는 크기와 형태로 되어 있는, 열주기 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 시료 블럭은, 사용시 시료 홀더를 측면으로부터 수용할 수 있는 크기와 형태로 되어 있는, 열주기 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 시료 블럭은, 상기 열주기 장치로부터 제거 가능한, 열주기 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 비펠티에-타입 가열 기구는, 전기 저항 히터(electrical resistance heater)인, 열주기 장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 비펠티에-타입 가열 기구는, 빛이 상기 장치를 통과할 수 있도록 하는 하나 이상의 개구부(openings)를 포함하는, 열주기 장치.
10. 제1항에 있어서,
    상기 펠티에-타입 소자는, 상기 비펠티에-타입 히터가 활성화되는 때에는, 비활성화되는, 열주기 장치.
11. 제1항에 있어서,
    컴퓨터 프로세서를 추가로 더 포함하는, 열주기 장치.
12. 제11항에 있어서,
    상기 열주기 장치는, 사용자가 상기 컴퓨터 프로세서와 상호작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스를 포함하는, 열주기 장치.
13. 제11항에 있어서,
    상기 컴퓨터 프로세서는, 기판(substrate) 상에 장착되는, 열주기 장치.
14. 제13항에 있어서,
    상기 펠티에-타입 소자, 상기 히터, 상기 시료 블럭, 및 상기 히트 싱크 및 파이프가 또한 상기 기판에 고정되는, 열주기 장치.
15. 제1항에 있어서,
    상기 열 파이프는, 플랫형의 단면(flat cross section)을 가지고 있으며, 냉각액(cooling fluid)을 함유하는 마이크로-채널 파이프(micro-channel pipes)를 포함하는, 열주기 장치.
16. 제1항에 있어서,
    상기 열 파이프는, 일반적으로 S-자형이며, 상기 히트 싱크와 접촉하는 상부 섹션(upper section), 및 상기 펠티에 소자와 접촉하는 하부 섹션(lower section)을 갖는, 열주기 장치.
17. 제16항에 있어서,
    상기 상부 섹션은 경사져 있고, 상기 하부 섹션은 전체적으로 플랫형(flat)인, 열주기 장치.
18. 제16항에 있어서,
    상기 하부 섹션은 상기 상부 섹션보다 면적이 더 작은, 열주기 장치.
19. 제1항에 있어서,
    50 W 이하의 전력에서 작동되는 경우에는, 30분 안에 50 ℃, 72 ℃ 및 95 ℃에서 각 5초씩 30 이상의 표준 사이클(standard cycles)을 진행시키는, 열주기 장치.
20. 제1항에 있어서,
    100 W 이하의 전력에서 작동되는 경우에는, 20분 안에 50 ℃, 72 ℃ 및 95 ℃에서 각 5초씩 30 이상의 표준 사이클을 진행시키는, 열주기 장치.
21. 제1항에 있어서,
    150 W 이하의 전력에서 작동되는 경우에는, 15분 안에 50 ℃, 72 ℃ 및 95 ℃에서 각 5초씩 30 이상의 표준 사이클을 진행시키는, 열주기 장치.
22. 제1항에 있어서,
    전기 전력을 제공하기 위한 하나 이상의 전지(batteries)를 추가로 더 포함하는, 열주기 장치.
23. 제1항에 있어서,
    선택 가능한 전력 입력(power input)으로 작동되는, 열주기 장치.
24. 제1항에 있어서,
    상기 열주기 장치는 실온에서 사용시 50 ℃, 72 ℃ 및 95 ℃에서 각 5초씩 30 이상의 표준 사이클을 진행시키는 경우, 상기 히트 싱크가 50 ℃ 이상으로 상승하지 않는, 열주기 장치.
25. 제1항에 있어서,℃
    상기 열주기 장치는 실온에서 사용시 50 ℃, 72 ℃ 및 95 ℃에서 각 5초씩 30 이상의 표준 사이클을 진행시키는 경우, 상기 열파이프가 63 ℃ 이상으로 상승하지 않는, 열주기 장치.

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