KR20140029404A - 폴리메라아제 연쇄 반응 핵산 증폭을 수행하기 위한 시스템 - Google Patents

폴리메라아제 연쇄 반응 핵산 증폭을 수행하기 위한 시스템 Download PDF

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KR20140029404A
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크리스토퍼 아이. 워커
아디트야 라자고팔
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캘리포니아 인스티튜트 오브 테크놀로지
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Abstract

폴리메라아제 연쇄 반응 분석을 위해 분석하고자 하는 샘플 및 형광체를 함유하는 수용액을 수용하도록 구성된 유체 챔버를 함유하는 인쇄 회로 구조물이 본원에 제공된다. 본 발명의 인쇄 회로 구조물은 또한 폴리메라아제 연쇄 반응 분석을 도와주는 유체 챔버의 온도 순환을 제공하는 가열 부재를 함유한다.

Description

폴리메라아제 연쇄 반응 핵산 증폭을 수행하기 위한 시스템{SYSTEM FOR PERFORMING POLYMERASE CHAIN REACTION NUCLEIC ACID AMPLIFICATION}
관련 출원에 대한 상호-참조
본 출원은 공동 계류 중이고 일반적으로 양도된 미국 특허 출원인, "Monolithic Miniaturized System for Performing Polymerase Chain Reaction Nucleic Acid Amplification Fabricated within a Printed Circuit Board"라는 표제로 2011년 3월 23일자 출원된 미국 특허 출원 번호 제61/466,835호와 관련된 것이고, 상기 출원의 우선권을 주장하며, 이의 전체 내용을 본원에 참조로 통합한다.
기술 분야
본 발명은 실시간 폴리메라아제 연쇄 반응(real-time polymerase chain reaction) 분석에 관한 것이다. 더욱 특히, 본 발명에는 분석하고자 하는 샘플 및 형광체(fluorophore)를 함유하는 수용액을 수용하도록 구성된 유체 구조물을 제공하는 인쇄 회로 구조물이 개시된다. 본 발명의 인쇄 회로 구조물은 폴리메라아제 연쇄 반응 분석을 도와주는 유체 챔버의 온도 순환을 제공한다.
DNA/RNA 분석은 매우 다양한 생화학적 적용을 위해 점점 더 중요한 분석 도구가 되고 있다. 핵산 서열의 독특성은 높은 정도의 특이성으로 생물학적 작용제의 검출을 가능하게 한다. 그러나, 생물학적으로 유도된 분석물 중에서 DNA 농도가 낮기 때문에, 검출 도구로서 효과적으로 사용되기 위해서는 DNA 농도가 증가, 즉, 증폭되어야 한다. DNA 농도를 증폭시키는 주요 방법은 폴리메라아제 연쇄 반응(PCR)이다. PCR에서, DNA-함유 용액은 요망되는 서열, 유리 뉴클레오티드(DNA 가닥의 빌딩 블록), 폴리메라아제 효소, 및 완충액을 결합시키는(bracket) 시발체(primer) 가닥과 혼합된다. 이후, 생성된 용액은 일련의 온도에 거쳐 순환되고, 이는 DNA가 분리("용융")되게 하고, 이용가능한 유리 뉴클레오티드로부터 복제된 가닥을 중합시킨다. 사용되는 폴리메라아제의 유형에 좌우하여, 온도 단계는 전형적으로 95℃(DNA 풀기(unwinding), 또는 용융), 50°내지 65℃(유리 뉴클레오티드 끌기(attracting), 또는 어닐링(annealing)), 및 70℃(DNA 가닥 복제 - 중합)이다. 각각의 온도 순환에 의해 요망되는 DNA 서열의 전체 농도가 두 배가 되어 일련의 온도 순환에 의해서 농도가 기하급수적으로 증폭되는 것이 가능하다.
특이적 표적의 DNA 서열에 링킹된 형광체(형광 화학물질)를 용액에 첨가하는 경우, 용액은 온도 순환 공정 동안 발광되고, 이러한 용액의 형광은 표적 DNA 서열의 전체 농도에 비례하게 된다. 이는 실시간 PCR(RT-PCR)로 알려져 있다. RT PCR은 생물학적 작용제의 초기 농도가 매우 낮은 샘플(적은 세포)로부터 거의 완벽한 특이성으로 생물학적 작용제(예, 대장균(E.Coli) 가닥)의 광학적 검출을 가능하게 한다. 따라서, 이는 질병 검출과 같은 다양한 적용에서 이상적이다.
PCR / RT-PCR용으로 시중에서 구입가능한 기기들의 대부분은 대용량의 액체 샘플에 의존한다. 용액은 전형적으로 수백 마이크로리터 내지 밀리리터 범위의 부피로 되어 있는 작은 바이알/큐벳/모세관에서 조작된다. 매우 적은 부피(마이크로리터)로 PCR을 수행하는 시스템이 시중에서 구입가능하지만(Fluidigm), 그러한 기기는 전형적으로 다수의 별개의 샘플들을 평행하게 처리하도록 최적화되어 있다. 따라서, PCR 기기는 정적인 실험실 환경에서 사용되는 경향이 있다.
생물학적 작용제의 동정에는 야외(field) 환경에서의 실시간 DNA/RNA 분석이 유리할 것인데, 왜냐하면 그러한 분석은 실험실로 샘플을 회수하는데 필수적으로 소요되는 지연을 방지할 것이기 때문이다. 저가로 제공될 수 있는 분석 시스템은 그러한 시스템의 폭넓은 사용을 가능하게 할 것이고, 이는 또한 실험실로 샘플을 회수하는데 필수적으로 소요되는 지연의 방지를 가능하게 한다. 따라서, 당해 분야에서는 비교적 저가로 야외 환경에서 RT-PCR을 수행할 필요성이 존재한다.
본원에는 야외 환경에서 RT-PCR의 수행을 제공하는 본 발명의 구체예에 따른 소자, 장치, 방법, 배열, 및 시스템이 개시된다. RT-PCR용으로 사용되는 기능성 부품(액체 용기, 가열기, 냉각기; 광학장치)의 소형화는 야외 환경 시험을 도와주고, 특히 이러한 부품이 저가로 제공될 수 있는 경우 그러하다. 인쇄 회로 기판을 위해 개발된 기술로 주요 부품인 유체 용기 및 가열기를 제작하는 것은 저가의 RT-PCR / PCR 카트리지를 가능하게 한다.
첫 번째 예시적인 구체예는 제 1층; 제 1층 상에 배치되고, 하나 이상의 전기 접속부(electrical interconnection)를 포함하는 제 2층; 및 제 1 층 또는 제 2층 상에, 또는 제 1 및 제 2 층 상에 배치되고, 수용액을 수용하도록 구성된 밀폐형 면상 챔버(enclosed planar chamber)를 포함하는 제 3 층을 포함하는 인쇄 회로 기판 구조물이다. 밀폐형 면상 챔버는 제 3 층에 금속을 디포지션(deposition)시킨 후, 엣칭 제거 공정(etch removal process)에 의해 금속을 제거함으로써 형성될 수 있다. 제 3 층은 광학적으로 투명한 재료를 포함할 수 있으며, 이러한 제 3층 재료는 폴리이미드일 수 있다. 제 2 층은 가열 부재를 포함할 수 있고, 이러한 가열 부재는 전기 공급부로부터 전기 회수부로의 구불구불한 경로를 지니는 하나 이상의 트레이스(trace)를 포함할 수 있다. 열 확산 부재는 가열 부재와 밀폐형 면상 챔버 사이에 배치될 수 있고, 열 확산 부재는 금속 층을 포함할 수 있다. 동결건조된 폴리메라아제 연쇄 반응 용액은 밀폐형 면상 구조물 내에 함유될 수 있다.
두 번째 예시적인 구체예는 가열 부재를 포함하는 제 1층, 및 광학적으로 접근가능한 외면(outer face)을 지니고 수용액을 수용하도록 구성되어 있는 밀폐형 면상 챔버를 포함하고, 제 1 층과 열적 소통되는 제 2 층을 포함하는 인쇄 회로 기판 카트리지; 광 에너지를 밀폐형 면상 챔버 내로 유도하도록 구성된 광 공급부; 및 밀폐형 면상 챔버로부터 방사되는 광 에너지를 모니터링하도록 구성된 광학 모니터를 포함하는 실시간 폴리메라아제 연쇄 반응 분석을 위한 시스템이다. 전기 공급부는 가열 부재에 결합될 수 있으며, 이러한 전기 공급부를 조절하여 밀폐형 면상 챔버의 온도를 조절한다. 전기 공급부를 조절하여 밀폐형 면상 챔버의 온도를 선택된 온도에 거쳐 순환시킬 수 있다. 열 확산 부재는 가열 부재와 밀폐형 면상 챔버 사이에 배치될 수 있다. 가열 부재는 전기 공급부로부터 전기 회수부로의 구불구불한 경로를 지니는 하나 이상의 트레이스를 포함할 수 있다. 열 확산 부재는 금속 층을 포함할 수 있다. 인쇄 회로 기판 구조물은 밀폐형 면상 구조물 내에 함유되는 동결건조된 폴리메라아제 연쇄 반응 용액을 지닐 수 있다.
세 번째 예시적인 구체예는 온도 조절되는 유체 챔버를 형성시키는 방법으로서, 베이스 층(base layer) 상에 전기 층을 디포지션시켜 저항 가열 부재를 형성시키고; 베이스 층 또는 전기 층, 또는 베이스 층 및 전기 층 상에 폴리이미드 층을 디포지션시키고; 폴리이미드 층 내에 금속을 디포지션시켜 면상 구조물을 형성시키고; 면상 구조물로부터 금속을 제거하여 폴리이미드 층 내에 면상 챔버를 형성시킴을 포함하는 방법이다. 저항 가열 부재는 하나 이상의 구불구불한 금속 트레이스를 포함할 수 있다. 본 발명의 방법은 저항 가열 부재와 면상 구조물 사이에 금속 층을 디포지션시킴을 추가로 포함할 수 있다. 본 발명의 방법은 폴리메라아제 연쇄 반응 분석을 위한 온도 조절되는 유체 챔버를 형성시킴을 포함할 수 있으며, 본 발명의 방법은 폴리메라아제 연쇄 반응 용액을 면상 챔버 내로 유도하고, 폴리메라아제 연쇄 반응 용액을 동결건조시킴을 추가로 포함한다.
도 1a는 유체 챔버의 형성을 도와주는 초기 인쇄 회로 기판 구조물을 도시한 것이다.
도 1b는 도 1a에 나타나 있는 구조물 상에 대한 마스크 층(mask layer)의 디포지션을 도시한 것이다.
도 1c는 유체 챔버의 형성을 보여주는 것이다.
도 1d는 유체 챔버를 지니는 인쇄 회로 기판 구조물의 최종 형태를 나타낸 것이다.
도 2는 가열 부재를 형성시키기 위한 회로 기판 트레이스를 도시한 것이다.
도 3은 인쇄 회로 기판 구조물에서 유체 챔버 하단에 배치된 가열기 구조물을 보여주는 것이다.
도 4는 인쇄 회로 기판 구조물에서 가열 부재와 유체 챔버 하단의 열 확산 부재를 보여주는 것이다.
도 5는 실시간 폴리메라아제 연쇄 반응 분석 시스템을 보여주는 것이다.
도 6은 가열 부재와 유체 챔버를 지니는 인쇄 회로 기판 구조물을 보여주는 것이다.
도 7은 가열 부재와 열 확산 부재를 지니는 인쇄 회로 기판 구조물을 보여주는 것이다.
도 8은 예시적인 인쇄 회로 기판 구조물에 의해 제공되는 가열에 대한 온도 곡선을 보여주는 것이다.
도 9는 예시적인 인쇄 회로 기판 구조물에 의해 제공되는 냉각에 대한 온도 곡선을 보여주는 것이다.
본 발명에는 인쇄 회로 기판 기술의 이용에 의한 RT-PCR 기능의 제공이 개시된다. RT-PCR용으로 사용되는 기능성 부품(액체 용기, 가열기, 냉각기; 광학장치)의 소형화는 야외 환경 시험을 도와주며, 특히 이러한 부품이 저가로 제공될 수 있는 경우 그러하다. 인쇄 회로 기판을 위해 개발된 기술로 주요 부품들인 유체 용기 및 가열기를 제작하는 것은 저가의 RT-PCR / PCR 카트리지를 가능하게 한다. 본 발명의 구체예는 인쇄 회로 기판 내에 형성되는 챔버를 포함하고, 이러한 챔버는 분석하고자 하는 샘플을 함유하는 수성 유체를 수용하도록 구성된다. 가열기는 또한 회로 기판 내에 또는 기회 기판 상에 형성되어 수성 유체를 여러 온도 단계에 거쳐 가열한다.
인쇄 회로 기판은 금속(구리) 코팅된 폴리머 층의 순차적인 라미네이션(lamination)에 의해 형성된다. 경질 기판의 경우, FR4(에폭시-함침된 섬유유리)와 같은 재료가 전형적이다. 가요성 기판의 경우, 폴리이미드-기반 필름이 가장 흔하다. 각각의 층이 기판에 접착된 후, 패턴(트레이스)이 포토리소그래피(photolithography)에 의해 형성되고; 원치 않는 구리가 이후 엣칭된다. 따라서, 순차적인 접착 및 포토리소그래피/엣칭 공정에 의해 복합의 다층 패턴을 지니는 기판이 형성될 수 있다. 층들 사이의(층들을 경유하는) 연결은 전형적으로 기판을 관통하거나 선택된 층들을 관통하는 홀을 드릴링(drilling)한 후, 생성된 홀의 내부를 구리로 도금함으로써 형성된다.
전기와 유체 기능이 조합된 인쇄 회로 기판을 형성시키기 위해서, 기판은 유체 용도로 지정된 특정 부재로 설계된다. 도 1a 내지 1d는 요망되는 기능을 제공하는 인쇄 회로 기판 내에 형성된 부재 및 그러한 부재를 형성시키는데 이용되는 단계를 도시한 것이다. 도 1a는 상단에 전기 층(130)이 디포지션된 FR4 층(140)을 지니는 초기 인쇄 회로 기판 구조물을 보여주는 것이다. 전기 층(130)은 바람직하게는 구리를 포함하지만, 다른 전기 전도성 재료를 포함할 수 있다. 폴리이미드 층(150)은 전기 층(120)의 상부 상에 디포지션된다. 구리 또는 다른 희생 재료를 포함하는 유체 캐비티(110)는 폴리이미드 층(150) 내에 형성된다. 전기 전도성 수직 구조물(120)이 또한 폴리이미드 층 내에 형성되어 전기 층(120)에 대해 전기 접촉을 제공할 수 있다. 전기 층(120) 또는 수직 구조물(120)에서 구리 또는 다른 전기 전도성 재료가 또한 희생 층으로서 기능할 수 있다. 하기 기재되는 바와 같이, 요망되는 부재를 형성시키기 위해서 초기 인쇄 회로 기판 구조물 상에 엣칭 공정이 이용된다.
회로 기판의 전기 부분의 기능을 보존하기 위해서, 엣칭 공정이 선별되어야 한다. 이는 엣칭 전에 기판의 전기 부분을 물리적으로 마스킹(포토레지스트(photoresist), 건식 필름 레지스트(dry film resist), 및 플라스틱 라미네이트(plastic laminate))함으로써 달성될 수 있다. 도 1b는 유체 캐비티(110) 내에 구리를 노출시키는 엣칭 마스크 층(160)의 디포지션을 보여주는 것이다. 이후, 유체 구조물에서 구리는 엣칭되어 인쇄 회로 기판 내에 엠베딩되는 중공형 챔버를 남기게 된다. 도 1c는 엣칭으로부터 생성된 중공형 유체 챔버(110)의 형성을 보여주는 것이다. 엣칭은 다양한 수성 엣칭제(페릭 클로라이드, 소듐 퍼설페이트 등)로 수행될 수 있다. 초음파 음장(ultrasonic acoustic field)의 적용은, 특히 깊게 엠베딩된 얇은 구조물에서 엣칭율(etch rate)을 향상시킬 수 있다. 이후, 마스크 층은 소듐 하이드록사이드와 같이 PCB 양립가능한 레지스트 스트립퍼(resist stripper)로 제거될 수 있다. 도 1d는 엣칭 층(160)이 제거된 후 생성된 인쇄 회로 기판 구조물을 보여주는 것이다.
가열기는 레지스터로서 구불구불한 경로로 폴딩된 긴 구리 트레이스를 이용함으로써 PCB의 전기 층(130)에서 구현될 수 있다. 도 2는 가열기를 구현하는데 사용될 수 있는 트레이스를 도시한 것이다. 전기 층에서 가열기의 형성은 PCB 상의 영역이 선택적으로 가열될 수 있게 한다. 전형적인 소자 크기의 경우, 이용가능한 저항은 Ohm에 따른다. 예를 들어, 6mil의 간격으로 6mil 폭의 트레이스를 지니는 1oz의 구리(35 마이크론 두께) 층 상에 제작된 1/2 인치 × 1/2 인치 정사각형 레지스터는 1.7Ohm의 저항을 제공한다. 3amp에서 구동되는 경우, 이러한 레지스터는 8.7W의 화력 발생을 가능하게 한다.
도 3은 폴리이미드 층(150)에서 유체 챔버(110)의 하단에 배치된 가열기 구조물(131)을 보여주는 것이다. 얇은 폴리이미드 층(150)에 의해 면상 유체 챔버(131)로부터 분리되는 경우, 가열기(131)는 챔버(110)에 열적으로 결합된다. 폴리이미드는 불량한 열 전도도(0.52W/m.K)를 지니지만, 챔버와 가열기 사이의 분리 층이 매우 얇기 때문에(전형적으로 25 내지 100마이크론) 가열기(131)로부터 챔버(110)로 열이 계속해서 효율적으로 전달될 수 있다. 챔버 내 온도 프로파일은 레지스터 트레이스에 의해서만 열이 발생되는 레지스터 층의 물리적 레이아웃에 의해 영향받을 수 있다. 생성된 불균형은 레지스터 트레이스와 간격 치수를 감소시킴으로써 완화될 수 있다.
가열기(131)에 의해 생성된 온도 프로파일이 또한 레지스터와 챔버 사이에 위치된 제 2 구리 층의 추가에 의해 평활화(smoothing) 될 수 있다. 도 4는 가열기(131)와 유체 챔버(110) 사이에 배치되는 구리로 제조된 열 평활화 층(133)을 보여주는 것이다. 구리는 효율적인 열 전도체이기 때문에(구리는 401W/m.K의 열 전도도를 지님), 이러한 열 평활화 층(133)은 상당히 등온성이고, 그에 따라서, 가열기(131)에서부터 챔버(110)로 열을 고르게 전도할 것이다. 당업자는 구리가 아닌 재료가 가열기(131) 및/또는 열 평활화 층(133)에 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
엠베딩된 레지스터에 가해지는 전류를 조절함으로써 유체 챔버 내의 온도를 조절할 수 있다. 구리의 저항율은 온도에 의해 변하기 때문에(약 7ppm/°K), 챔버와 가열기 사이의 열적 결합으로 보정된 가열기 레지스터의 저항 측정은 챔버 온도의 간접적인 전기 측정 및 조절을 가능하게 한다. 다르게는, 유체 챔버 온도의 외부 측정은 광학적으로(적외선 온도계를 통해) 또는 열전대의 부착에 의해 이루어질 수 있다. 이후, 아날로그 피드백 루프(analog feedback loop)가 사용되어 챔버의 온도를 안정화시킬 수 있다. 온도는 온도 감지기(temperature sense)인 전류 조절 피드백 루프와 함께 전기적으로 조절되어 유체 챔버가 일련의 온도 순환을 거치게 할 수 있다.
이러한 공정으로 제작된 유체 챔버의 외면은 폴리이미드, 또는 또 다른 투명한 폴리머일 것이다. 폴리이미드의 경우에, 흡광도(optical absorbance)는 더 짧은 파장에서 크다(500nm의 파장에서 약 150/cm). 챔버 벽이 매우 얇지만, 광 펌프는 계속해서 챔버 내로 효율적으로 전달될 수 있다(50마이크론 두께의 챔버 벽의 경우, 빛의 47%가 유체에 결합될 것이다). 형광체에 의해 생성된 파장은 펌프 파장보다 길고, 더 적은 흡수를 겪게 된다. 형광 표지(fluorescent tag)가 있는 적절한 PCR 용액으로 충전되는 경우, 챔버 내 핵산 농도의 광학적 측정이 이에 따라서 수행될 수 있다. PCR 용액, 또는 마스터-믹스(master-mix)는 상기 논의된 PCB의 제작 동안 유체 챔버 내부에서 동결건조될 수 있다. 다르게는, PCR이 제작되고 PCR 용액이 동일 반응계에서 동결건조된 후, PCR 용액이 유체 챔버 내로 유도될 수 있다. PCR 분석이 수행되어야 하는 경우, 용액 중에 현탁된 샘플 분석물은 유체 챔버 내로 유도되어 수행된 PCR 용액 및 분석을 재구성할 것이다. 또 다른 구체예에서, PCR 용액 및 샘플 분석물은 개별 용액 또는 조합된 용액으로서 유체 챔버 내로 유도될 수 있다. 유체 유입구 또는 다른 수단이 용액을 유체 챔버 내로 유도하는데 사용될 수 있다.
도 5는 PCB-기반 유체 챔버를 이용하는 RT-PCR 분석 시스템(200)을 보여주는 것이다. 도 5에서 보여지는 시스템(200)의 기본 부재에는 광 펌프 에너지(211)를 챔버(110) 내부에 결합시키는 공급부(210)(예, LED, 레이저 등), 형광 신호(221)를 챔버(110)의 외부에 결합시키는 빔스플리터(220) 또는 파장 선택적 색선별 거울(dichroic mirror), 광 신호(221)로부터 잔류 펌프 또는 폴리이미드 자가형광(autofluorescence) 신호(231)를 제거하는 필터(230), 및 수집된 빛을 전기 측정치로 전환시키는 검출기(240)(예, 광전자증배관(photomultiplier), 어발란체 포토다이오드(avalanche photodiode) 등)가 있다.
시험용으로 사용되는 예시적인 소자는 혼합된 FR4/폴리이미드/구리 인쇄 회로 기판 재료 시스템에서 제작된 것이었다. 한 가지 그러한 소자의 레이아웃은 도 6에서 보여진다. 도 6은 가열 부재에 사용되는 트레이스(330), 및 수용액을 수용하도록 제작된 중앙 챔버(310)를 보여주는 것이다. 도 6에서 보여지는 트레이스(330)는 전류 공급 및 회수가 소자의 동일한 면에 적용되게 하는 방식으로 얽혀져 있음이 주지된다. 도 6에서 보여지는 소자에서, 중앙 챔버가 증류수로 충전되고 가열기가 전류 공급부에 연결되는 경우, 유체 챔버에 스팀을 10초 미만으로 발생시키는 것이 가능하였다. PCR용 수용액으로 충전된 그러한 챔버를 가열하는 것은(95℃의 DNA 용융 온도까지) 단시간 내에 달성해야 한다.
도 7은 중공형 중앙 챔버가 형성되지 않았던 소자를 보여주는 것이다. 대신에, 도 7에서 보여지는 소자는 엣칭되지 않았고, 큰 정사각형 챔버(435)가 열 확산기로서 시험되었다. 이러한 소자에서 가열기 설계는 두 개의 얽혀져 있는 레지스터(431, 433)로 이루어지는데, 이러한 레지스터들은 평행하게 와이어링되는 경우 0.7ohm의 전체 저항을 지닌다. 구리 열 확산기 구조물(435)에서 유도되는 적외선 온도계는 전력이 레지스터 층에 가해짐에 따라 확산기의 온도를 측정하기 위해 사용되었다. 25℃의 주위 온도에서 가열 및 냉각에 대한 온도 대 시간 곡선이 측정되었다. 도 8은 가열에 대한 온도 곡선을 보여주는 것이고, 도 9는 냉각에 대한 온도 곡선을 보여주는 것이다. 냉각 곡선의 경우, 일련의 데이터는 냉각 공정을 가속화하는 강제 공기 대류(forced air convection)로 얻어진 것이었다. 이러한 곡선의 분석은 PCR 순환에서 공칭 50℃ 내지 95℃ 지점의 가열이 5초 내에 달성되고, 냉각이 10초 내에 달성될 수 있음을 시사한다. 안정화 시간, 및 피드백 루프와 관련된 지연을 감안하더라도, 전체 PCR 온도 순환을 20초 미만 내에 완료하는 것이 계속해서 가능할 것이다.
미세유체 인쇄 회로 기판 플랫폼은 값싸고/확장가능한 제작에 적합하다. 더욱이, 폴리이미드와 같은 PCB 재료 시스템의 생체 적합성은 저가의 폴리메라아제 연쇄 반응기의 제조를 가능하게 한다. 값싸고 일회용이 아닌 광학장치와 전자장치가 결합되는 경우, 이는 돼지 독감(swine-flu), 조류 독감(avian-flu), 및 HIV와 같은 흔한 질병의 야외 시험을 위해 이용될 수 있는 간단한 전체 분석 플랫폼의 기반이 된다. PCB 제조의 경제적 조건은 PCB 재료의 값싼 제작에 적합하다. 미세유체 PCB는 다중 사용용으로 구성될 수 있어서, 사용 중간에 적절한 세척이 요해진다. 그러나, 저가의 미세유체 PCB로 인해, PCB는 의도된 일회용으로 이용가능한 프로토콜로 제조될 수 있다. 또한, 상기 지시된 바와 같이, 미세유체 PCB는 동결건조된 칵테일(cocktail)(필수적인 PCR-생성물 검출 분자와의 PCR 마스터-믹스 포함)을 함유한 카트리지로서 구성될 수 있다. 샘플 분석물은 이후 PCR 분석이 수행될 시간에 카트리지 내의 유체 챔버 내로 도입될 것이다.
당업자는 상기 기재된 인쇄 회로 기판 구조물이 상기 논의된 인쇄 회로 기판 제작 기술, 즉, 순차적인 접착 및 포토리소그래피/엣칭 공정, 또는 당해 분야에 공지된 다른 기술, 예컨대, 박막 라미네이션 기술을 이용하여 형성될 수 있음을 이해할 것이다. 그러한 제작 기술은 또한 유체 챔버 내 용액의 도입을 위한 유체 유입구의 제작을 도울 수 있거나, 다른 기술이 유체 챔버 내 포트 또는 유입구를 형성시키는데 이용될 수 있다. 게다가, 제작 기술은 또한 미세유체 인쇄 회로 기판과 상기 기재된 몇몇 개별 부품들, 예컨대, 거울 또는 필터의 통합을 가능하게 하여 증가된 유용성(utility) 또는 더욱 저렴해진 비용을 제공할 수 있다.
예시적이고 바람직한 구체예의 상기 상세한 설명은 법 규정에 따라 예시 및 개시의 목적으로 제시된 것이다. 본 발명을 기재된 정확한 형태 또는 형태들로 완전하게 하거나 제한하고자 의도된 것이 아니고, 단지 당업자가 본 발명이 어떻게 특정 용도 또는 구현에 적합할 수 있는지를 이해할 수 있게 하고자 의도된 것이다. 변경 및 변형의 가능함이 당업자에게 자명할 것이다.
예시적인 구체예의 설명에는 허용치, 특징부 치수, 특정 작동 조건, 또는 기술 규격 등이 포함될 수 있는데 이들로 제한되는 것으로 의도되지 않으며, 이들은 구현 중에 또는 최신 기술에 대한 변화로 달라질 수 있으며, 이들로부터 제한되는 것으로 암시되지 않아야 한다. 특히, 본 발명은 특정 조성물 또는 생물학적 시스템으로 제한되지 않으며 당연히 달라질 수 있음을 이해해야 한다. 본 발명은 현재 최신 기술에 대해 이루어진 것이지만, 또한 진보된 기술을 심사숙고하며, 추후 그러한 진보된 기술을 고려하여, 즉, 그 이후 상태의 최신 기술에 따라 조정될 수 있다. 본 발명의 범위는 기재된 바와 같은 특허청구범위 및 적용가능한 등가물로 한정되는 것으로 의도된다. 또한, 본원에 사용된 용어는 단지 특정 구체예를 기재하기 위한 것이며, 제한하고자 의도된 것이 아님을 이해해야 한다. 단수의 청구된 부재에 대한 언급은 달리 명확하게 명시되지 않는 한 "하나 그리고 단지 하나"를 의미하는 것으로 의도되지 않는다. 본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수형은 달리 문맥에서 분명하게 지시되지 않는 한 복수의 대상을 포함한다. 용어 "여러 개"는 달리 문맥에서 분명하게 지시되지 않는 한 둘 이상의 대상을 포함한다. 달리 정의되지 않는 한, 본원에 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 분야의 당업자에게 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다.
더욱이, 본 발명의 부재, 부품, 방법 또는 공정 단계는 그러한 부재, 부품, 또는 단계가 특허청구범위에서 분명하게 인용되는지의 여부와 상관없이 일반인들에게 전용되는 것으로 의도된 것이 아니다. 본원에 청구된 부재는 부재가 문구 "...를 위한 수단"을 이용하여 명확하게 언급되지 않는 한, 35 U.S.C. Sec. 112, 여섯 번째 단락의 조항하에 해석되지 않아야 하고, 본원의 방법 또는 공정 단계는 그러한 단계, 또는 단계들이 문구 "...을 위한 단계(들)을 포함하는"을 이용하여 명확하게 언급되지 않는 한 상기 조항하에 해석되지 않아야 한다.
본 발명의 다수의 구체예가 기재되었다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어남 없이 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 이에 따라서, 다른 구체예들은 하기 특허청구범위의 범위 내에 있다.

Claims (20)

  1. 제 1층;
    제 1층 상에 배치되고, 하나 이상의 전기 접속부(electrical interconnection)를 포함하는 제 2층; 및
    제 1 층 또는 제 2층, 또는 제 1 및 제 2 층 상에 배치되고, 수용액을 수용하도록 구성된 밀폐형 면상 챔버(enclosed planar chamber)를 포함하는 제 3 층
    을 포함하는, 인쇄 회로 기판 구조물.
  2. 제 1항에 있어서, 밀폐형 면상 챔버가 제 3 층에 금속을 디포지션(deposition)시킨 후, 엣칭 제거 공정(etch removal process)에 의해 금속을 제거함으로써 형성되는, 인쇄 회로 기판 구조물.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 제 3층이 광학적으로 투명한 재료를 포함하는, 인쇄 회로 기판 구조물.
  4. 제 3항에 있어서, 제 3층이 폴리이미드를 포함하는, 인쇄 회로 기판 구조물.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 제 2층이 가열 부재를 포함하는, 인쇄 회로 기판 구조물.
  6. 제 5항에 있어서, 가열 부재가 전기 공급부로부터 전기 회수부로의 구불구불한 경로를 지니는 하나 이상의 트레이스(trace)를 포함하는, 인쇄 회로 기판 구조물.
  7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서, 열 확산 부재가 가열 부재와 밀폐형 면상 챔버 사이에 배치되는, 인쇄 회로 기판 구조물.
  8. 제 7항에 있어서, 열 확산 부재가 금속 층을 포함하는, 인쇄 회로 기판 구조물.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 밀폐형 면상 구조물 내에 함유되는 동결건조된 폴리메라아제 연쇄 반응(polymerase chain reaction) 용액을 추가로 포함하는, 인쇄 회로 기판 구조물.
  10. 가열 부재를 포함하는 제 1층, 및 광학적으로 접근가능한 외면(outer face)을 지니고 수용액을 수용하도록 구성되어 있는 밀폐형 면상 챔버를 포함하고, 제 1 층과 열적 소통되는 제 2 층을 포함하는 인쇄 회로 기판 카트리지;
    광 에너지를 밀폐형 면상 챔버 내로 유도하도록 구성된 광 공급부; 및
    밀폐형 면상 챔버로부터 방사되는 광 에너지를 모니터링하도록 구성된 광학 모니터를 포함하는 실시간 폴리메라아제 연쇄 반응 분석을 위한 시스템.
  11. 제 10항에 있어서, 가열 부재에 결합되는 전기 공급부를 추가로 포함하고, 그러한 전기 공급부를 조절하여 밀폐형 면상 챔버의 온도를 조절하는 시스템.
  12. 제 11항에 있어서, 전기 공급부를 조절하여 밀폐형 면상 챔버의 온도를 선택된 온도에 거쳐 순환시키는 시스템.
  13. 제 10항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 가열 부재와 밀폐형 면상 챔버 사이에 배치되는 열 확산 부재를 추가로 포함하는 시스템.
  14. 제 10항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서, 가열 부재가 전기 공급부로부터 전기 회수부로의 구불구불한 경로를 지니는 하나 이상의 트레이스를 포함하는 시스템.
  15. 제 13항에 있어서, 열 확산 부재가 금속 층을 포함하는 시스템.
  16. 제 10항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서, 인쇄 회로 기판 구조물이 밀폐형 면상 구조물 내에 함유되는 동결건조된 폴리메라아제 연쇄 반응 용액을 추가로 포함하는 시스템.
  17. 온도 조절되는 유체 챔버를 형성시키는 방법으로서,
    베이스 층(base layer) 상에 전기 층을 디포지션시켜 저항 가열 부재를 형성시키고;
    베이스 층 또는 전기 층, 또는 베이스 층 및 전기 층 상에 폴리이미드 층을 디포지션시키고;
    폴리이미드 층 내에 금속을 디포지션시켜 면상 구조물을 형성시키고;
    면상 구조물로부터 금속을 제거하여 폴리이미드 층 내에 면상 챔버를 형성시킴을 포함하는 방법.
  18. 제 17항에 있어서, 저항 가열 부재가 하나 이상의 구불구불한 금속 트레이스를 포함하는 방법.
  19. 제 17항 또는 제 18항에 있어서, 저항 가열 부재와 면상 구조물 사이에 금속 층을 디포지션시킴을 추가로 포함하는 방법.
  20. 제 17항 내지 제 19항 중 어느 한 항에 있어서,
    폴리메라아제 연쇄 반응 분석을 위한 온도 조절되는 유체 챔버를 형성시킴을 포함하고, 폴리메라아제 연쇄 반응 용액을 면상 챔버 내로 유도하고 폴리메라아제 연쇄 반응 용액을 동결건조시킴을 추가로 포함하는 방법.
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