KR20150094811A

KR20150094811A - 일 방향 슬라이딩 구동 수단을 구비하는 pcr 장치 및 이를 이용하는 pcr 방법

Info

Publication number: KR20150094811A
Application number: KR1020140014777A
Authority: KR
Inventors: 김성우
Original assignee: 나노바이오시스 주식회사
Priority date: 2014-02-10
Filing date: 2014-02-10
Publication date: 2015-08-20
Also published as: CA2939073A1; JP2017504348A; US20170008000A1; EP3106510B1; AU2015214704B2; CN105940097A; AU2015214704A1; CA2939073C; KR101618113B1; US11084038B2; CN105940097B; EP3106510A4; JP6345258B2; AU2017236005A1; WO2015119470A1; RU2666925C1; EP3106510A1

Abstract

본 발명의 일 실시예는 일 방향 슬라이딩 구동 수단을 구비하는 PCR 장치 및 이를 이용하는 PCR 방법에 관한 것으로서, 이에 따르면 2 이상의 히터가 반복 배치된 열 블록 및 2 이상의 반응 챔버가 반복 배치된 PCR 칩 간의 순차적인 열 접촉으로 많은 수의 시료를 동시에 신속하고 정확한 PCR을 수행함으로써 시료의 처리량을 증가시킬 수 있다. 또한, 개별 히터로부터 발생하는 방사형 열 분포 및 이에 따른 인접 히터 간 불균일한 열 중첩을 방지하여 PCR 수율을 상당히 개선할 수 있으며, 별도의 온도 조절 수단이 요구되지 아니하므로 장치의 소형화 및 집적화에 상당히 기여할 수 있고, 더 나아가 히터 유닛이 반복 배치된 열 블록 및 판 형상의 PCR 반응부를 이용하여 다수의 핵산 샘플을 동시에 그리고 신속하게 증폭할 수 있고, 연속적인 광학 신호 또는 전기화학적 신호를 측정함으로써 핵산 증폭 과정을 실시간으로 확인할 수 있다.

Description

일 방향 슬라이딩 구동 수단을 구비하는 PCR 장치 및 이를 이용하는 PCR 방법{Device for polymerase chain reaction comprising driving element for one-direction sliding, and method for polymerase chain reaction using the same}

본 발명은 히터가 연속적으로 반복 배치된 PCR 열 블록 및 반응 챔버가 반복 배치된 PCR 칩을 구비하는 PCR 장치, 및 이를 이용하는 PCR 방법에 관한 것이다.

중합효소 연쇄 반응, 즉 PCR(Polymerase Chain Reaction, 이하 같다)은 주형 핵산의 특정 부위를 반복적으로 가열 및 냉각하여 상기 특정 부위를 연쇄적으로 복제하여 그 특정 부위를 갖는 핵산을 기하급수적으로 증폭하는 기술로써, 생명과학, 유전공학 및 의료 분야 등에서 분석 및 진단 목적으로 널리 사용되고 있다. 최근 PCR을 효율적으로 수행하기 위한 장치가 다양하게 개발되고 있는 실정이다.

기존 PCR 장치의 일 예는 하나의 가열기에 주형 핵산을 포함하는 샘플 용액을 다수 도입한 튜브(tube) 형태의 반응 용기를 장착하고, 상기 반응 용기를 반복적으로 가열(heating) 및 냉각(cooling)하여 PCR을 수행하도록 구현된다(도 1 내지 2 참조). 그러나, 상기 PCR 장치는 하나의 가열기를 구비하여 전체적인 구조가 복잡하지 않고, 복수 개의 시료를 도입할 수 있어서 시료의 집적도(density)를 증가시킬 수 있는 장점은 있지만, 정확한 온도 제어를 위해 복잡한 회로를 구비해야 하고, 튜브형 반응 용기의 크기가 커서 많은 시료를 필요로 하고, 하나의 가열기에 대한 가열 또는 냉각의 반복으로 인해 전체 PCR 시간이 길어지는 문제점이 있다.

또한, 기존 PCR 장치의 다른 예는 PCR 온도를 갖는 복수 개의 가열기를 장착하고, 이들 각각의 가열기를 통과하도록 하나의 유로를 통해 핵산을 포함하는 샘플 용액을 흐르게 하여 PCR을 수행하도록 구현된다(도 3 참조). PCR 온도로 설정된 복수 개의 가열기를 사용함으로써 가열기에 대한 반복적인 가열(heating) 및 냉각(cooling)을 할 필요가 없기 때문에, PCR 시간이 빠르다는 장점이 있다. 그러나, 상기 PCR 장치는 복수 개의 가열기를 이용하기 때문에 비교적 단순한 회로 구현이 가능하지만, 고온 및 저온의 가열기를 통과하기 위한 긴 유로가 반드시 필요하여 전체적인 구조가 복잡하고, 복수 개의 시료를 적용하기 어렵고, 상기 가열기를 통과하는 유로에 흐르는 핵산을 포함하는 샘플 용액의 유속을 제어하기 위한 별도의 제어 장치가 요구되어 시료 및 장치의 집적도(density)를 증가시키기 어려운 문제점이 있다.

최근 PCR 장치는 PCR 수율 개선 및 PCR 과정을 실시간으로 파악하기 위한 효율적인 방법이 개발되고 있을 뿐만 아니라, 집적도(density)를 증가시켜 단 한 번의 PCR 공정에서 많은 수의 시료를 처리할 수 있으며, PCR 시간을 줄임으로써 시료의 처리량(throughput)을 증가시킬 수 있도록 개발되고 있다. 이 경우, PCR 시간을 크게 줄일 수 있도록 반복적인 가열(heating) 및 냉각(cooling)이 요구되지 않는 병렬 배치된 가열기의 설정 온도를 정확하게 제어 또는 구현할 수 있는 기술, 설정된 온도의 가열기를 이용하여 많은 수의 시료가 동시에 PCR이 될 수 있도록 이송하기 위한 기술 및 이에 관한 PCR 장치의 구현이 여전히 요구되고 있는 실정이다.

위와 같은 문제점을 해결하고자, 본 발명의 일 실시예는 PCR 시간, 수율 및 시료의 처리량을 상당하게 개선하고, 더 나아가 실시간으로 측정 및 분석이 가능하도록 구현된 PCR 장치를 제안하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 기판 상부 면에 2 이상의 히터가 반복적으로 이격 배치된 PCR 열 블록; 상기 PCR 열 블록에 접촉시 상기 PCR 열 블록에 배치된 2 이상의 각 히터에 맞닿도록 반복 구현된 2 이상의 반응 챔버를 구비하는, 판 형상의 PCR 칩; 및 상기 PCR 칩이 장착된 상태에서 상기 PCR 칩과 상기 PCR 열 블록 간의 접촉을 유지하며 슬라이딩 이동을 구현하는 것으로서, 상기 슬라이딩 이동시 상기 PCR 칩의 일 말단으로부터 다른 말단으로 반복 배치된 2 이상의 반응 챔버와 상기 PCR 열 블록의 일 말단으로부터 다른 말단까지 반복 배치된 2 이상의 히터 간에 순차적인 열 접촉이 일어나도록 구현된 일 방향 슬라이딩 구동 수단을 포함하는 PCR 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서,

상기 2 이상의 히터 중 인접 히터는 상이한 온도로 구현될 수 있다.

상기 2 이상의 히터는 상기 PCR 열 블록의 일 말단의 히터에서 PCR의 제1 순환이 개시되고, 상기 PCR 열 블록의 다른 말단의 히터에서 PCR의 마지막 순환이 종료되도록 구현될 수 있다.

상기 PCR 칩의 반응 챔버는 상기 PCR 칩의 슬라이딩 방향으로 2 이상 이격 배치되거나, 또는 상기 PCR 칩의 슬라이딩 방향과 수직 방향으로 2 이상 이격 배치되거나, 또는 상기 PCR 칩의 슬라이딩 방향과 수직 방향으로 연속적으로 통과하는 채널 형태로 구현될 수 있다.

상기 PCR 칩의 반응 챔버는 유입부/유출부 통합형 웰 형태 또는 유입부/유출부 별개형 유로 형태로 구현될 수 있다.

상기 PCR 칩의 반응 챔버에 광을 제공하도록 배치된 광원, 및 상기 PCR 반응부로부터 방출되는 광을 수용하도록 배치된 광 검출부를 더 포함할 수 있다. 상기 광원 또는 광 검출부는 상기 PCR 열 블록의 인접 히터 사이 공간에 반복 배치될 수 있고, 상기 PCR 칩의 이동 경로에 대응하여 이동할 수 있다.

상기 PCR 칩은 상기 반응 챔버의 내부에서 증폭 핵산과 활성물질의 결합으로 인해 발생하는 전기화학적 신호를 검출하도록 구현된 검출 전극을 구비할 수 있고, 상기 검출 전극과 전기적으로 연결되어 상기 PCR 칩의 반응 챔버 내부에서 발생하는 전기화학적 신호를 실시간으로 측정하도록 구현된 전기화학적 신호 측정 모듈을 더 포함할 수 있다.

상기 PCR 칩은 상기 반응 챔버 내부의 일 영역에 형성되어 증폭 표적 핵산의 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 포획 프로브(capture probe)가 표면 처리된 고정화(immobilization) 층 및 상기 반응 챔버 내부의 다른 일 영역에 형성되어 전기화학적 신호를 검출하도록 구현된 검출 전극을 구비하는 것으로서, 금속 나노입자 및 상기 금속 나노입자에 연결되되 상기 증폭 표적 핵산의 다른 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 신호 프로브(signaling probe)를 구비하는 복합체를 포함할 수 있고, 상기 검출 전극과 전기적으로 연결되어 상기 PCR 칩의 반응 챔버 내부에서 발생하는 전기화학적 신호를 실시간으로 측정하도록 구현된 전기화학적 신호 측정 모듈을 더 포함할 수 있다.

상기 PCR 장치는 제1 PCR 칩이 상기 PCR 열 블록과 순차적인 열 접촉이 진행된 후 제2 PCR 칩이 상기 PCR 열 블록과 열 접촉을 개시하도록 구동가능하게 연결된, 복수의 PCR 칩을 수용하는 칩 대기부를 더 구비할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 2 이상의 PCR 온도를 갖는 히터가 반복 배치된 열 블록 및 2 이상의 반응 챔버가 반복 배치된 PCR 칩 간의 순차적인 열 접촉으로 인해 신속하고 정확한 PCR을 수행할 수 있고, 다수의 시료를 동시에 PCR 함으로써 시료의 처리량을 증가시킬 수 있다. 또한, 개별 히터로부터 발생하는 방사형 열 분포 및 이에 따른 인접 히터 간 불균일한 열 중첩을 방지하여 PCR 수율을 상당히 개선할 수 있으며, 별도의 온도 조절 수단이 요구되지 아니하므로 장치의 소형화 및 집적화에 상당히 기여할 수 있다. 더 나아가, 히터 유닛이 반복 배치된 열 블록 및 판 형상의 PCR 반응부를 이용하여 다수의 핵산 샘플을 동시에 그리고 신속하게 증폭할 수 있고, 연속적인 광학 신호 또는 전기화학적 신호를 측정함으로써 핵산 증폭 과정을 실시간으로 확인할 수 있다.

도 1 내지 2는 기존 단일 가열기 방식의 PCR 열 블록과 이에 장착된 튜브(tube) 타입의 PCR 반응 용기의 평면도 및 측 방향 단면도를 도시한다.
도 3은 기존 다수 히터 방식의 PCR 열 블록과 이에 장착된 유로 타입의 PCR 반응 용기의 평면도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판(99) 상부 면에 2 이상의 히터(111, 121)가 반복적으로 이격 배치된 PCR 열 블록(100)을 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 열 블록(100)의 히터의 배치 구조를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 칩(900) 및 그 내부에 배치된 2 이상의 반응 챔버(910)의 배치 구조를 도시한다.
도 7 내지 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 유형의 PCR 칩(900)을 도시한다.
도 10 내지 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 유형의 PCR 칩(900)과 이와 PCR 열 블록이 접촉한 상태를 도시한다.
도 13 내지 14는 기존 튜브(tube) 타입 및 유로 타입의 PCR 반응 용기와 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 칩의 비교 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 일 방향 슬라이딩 구동 수단 및 이를 통한 PCR 수행 원리를 도시한다.
도 16 내지 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 PCR 장치를 통해 구현되는 실시간 PCR을 도시한다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치와 연계된 칩 대기부를 도시한다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치의 PCR 시험 결과를 나타내는 전기영동 사진이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세하게 설명한다. 이하 설명은 본 발명에 따른 실시예들을 용이하게 이해하기 위한 것일 뿐이며, 보호범위를 제한하기 위한 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, PCR(Polymerase Chain Reaction)은 특정 염기 서열을 갖는 핵산을 증폭하는 반응의 일종을 의미한다. 예를 들어, 특정 염기 서열을 갖는 DNA(deoxyribonucleic acid)를 증폭하기 위해 PCR 장치는 주형 핵산인 이중 가닥의 DNA를 포함하는 PCR 시료 및 시약을 포함하는 용액을 특정 온도, 예를 들어 약 95℃로 가열하여 상기 이중 가닥의 DNA를 단일 가닥의 DNA로 분리하는 변성 단계(denaturing step), 증폭하고자 하는 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 용액을 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. 경우에 따라, 상기 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 발명의 실시예에 따른 PCR 열 블록 및 이를 포함하는 PCR 장치는 상기 단계들을 수행하기 위한 모듈들을 포함하는 장치를 말하며, 본 명세서에 기재되지 아니한 세부 모듈은 PCR을 수행하기 위한 종래 기술 중 개시되거나 또는 자명한 범위에서 모두 구비하고 있는 것을 전제로 한다.

도 4는 기판(99) 상부 표면에 2 이상의 히터(111, 121)가 반복적으로 이격 배치된 PCR 열 블록(100)을 도시한다.

도 4에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 열 블록(100)은 PCR 용액에 열을 공급하는 2 이상의 히터(111, 121)가 그 상부 표면에 반복 배치된다. 상기 PCR 열 블록(100)은 특정 온도를 유지하는 모듈로서, 적어도 일 면에 PCR 반응 영역과의 접촉 면을 구비하여 열 접촉을 통해 PCR 용액(PCR을 수행하기 위해 시료 및 시약)에 열을 공급하여 PCR을 수행하도록 한다. 상기 기판(99)은 그 표면에 배치된 히터(111, 121)의 가열로 인해 그 물리적 또는 화학적 성질이 변하지 않고, 2 이상의 히터 사이에서 열 교환이 일어나지 않도록 하는 재질로 구현된다. 예를 들어, 상기 기판(99)은 플라스틱, 유리, 실리콘 등의 재질로 구현되되, 필요에 따라 투명 또는 반투명하게 구현될 수 있다. 상기 PCR 열 블록(100)은 장치의 소형화 및 집적화를 위해 전체적으로 얇은 판 형상, 예를 들어 약 50 나노미터(nm) 내지 1 밀리미터(mm)의 두께, 바람직하게는 약 250 마이크로미터(㎛)로 구현될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 PCR 열 블록(100)의 상부 표면에는 2 이상의 히터가 반복적으로 이격 배치되는데, 예를 들어 상기 PCR 열 블록(100)의 2 이상의 히터는 상기 PCR 열 블록의 일 말단의 히터에서 PCR의 제1 순환이 개시되고, 상기 PCR 열 블록의 다른 말단의 히터에서 PCR의 마지막 순환이 종료되도록 구현될 수 있다. 또한, 상기 PCR 열 블록(100)은 PCR 반응 영역에 효율적으로 열을 공급하기 위한 형상, 예를 들어 체적당 표면적 비율(Surface to Volume Ratio)을 증가시킬 수 있는 평면(Plane) 형상, 유로(Channel) 형상 또는 기둥(pillar) 형상 등으로 다양하게 구현될 수 있다.

상기 히터(111, 121)는 상기 기판(99)에 배치되는 전도성 발열 소자로서, 줄 열(Joule Heating)을 이용하는 히터, 펠티어 효과(Peltier Effect)를 일으키는 열전소자(Thermoelement)로 구현될 수 있다. 한편, 상기 PCR 열 블록(100)의 2 이상의 히터 중 인접 히터는 상이한 온도로 구현될 수 있고, 인접 히터 간 온도 패턴은 일정한 수의 히터 조합으로 반복될 수 있다. 예를 들어, 제1 히터는 95℃, 제2 히터는 55℃, 제3 히터는 72℃로 구현되되 이러한 온도 패턴이 10회, 20회, 30회 또는 40회 등으로 반복 구현될 수 있고, 제1 히터는 95℃, 제2 히터는 72℃로 구현되되 이러한 온도 패턴이 10회, 20회, 30회 또는 40회 등으로 반복 구현될 수 있다. 따라서, 상기 PCR 열 블록(100)의 2 이상의 히터는 상기 PCR 열 블록의 일 말단의 히터(95℃)에서 PCR의 제1 순환이 개시되어, 상기 PCR 열 블록의 다른 말단의 히터(72℃)에서 PCR의 마지막 순환이 종료되도록 구현될 수 있다.

상기 히터(111, 121)는 일정 온도를 유지하기 위해 전원 모듈 및 제어 모듈과 연결될 수 있고, 상기 히터(111, 121)의 온도를 모니터링하기 위한 센서와 연결될 수도 있다. 상기 히터(111, 121)는 그 내부 온도를 일정하게 유지하기 위해 단위 전극, 즉 히터 전극들이 상기 히터(111, 121)의 표면 중심점을 기준으로 상하 및/또는 좌우 방향으로 대칭 배치될 수 있다. 또한, 상기 히터(111, 121)는 신속한 열전달성 및 전도성을 구현하기 위한 금속 재질, 예를 들어 크롬, 알루미늄, 구리, 철, 은, 및 탄소로 구성된 군으로부터 1 이상 선택되거나 또는 이를 기초로 하는 복합재료(composite materials)로 제조될 수 있으나, 이에 제한되진 않는다. 또한, 상기 히터(111, 121)는 광 투과성 발열 소자, 예를 들어 산화물 반도체 물질 또는 상기 산화물 반도체 물질에 In, Sb, Al, Ga, C 및 Sn로 구성된 군으로부터 선택된 불순물이 첨가된 물질을 포함하는 도전성 나노 입자, 인듐 주석 산화물, 전도성 고분자 물질, 탄소 나노 튜브, 및 그래핀(graphene)이 포함된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.

상기 히터(111, 121)가 상기 PCR 열 블록(100)의 상부 표면에 2회 배치되어 PCR 수행을 위한 2 단계, 즉 변성 단계 및 어닐링/연장 단계를 수행하는 경우 PCR 수행을 위한 3 단계, 즉 변성 단계, 어닐링 단계 및 연장 단계를 수행하는 것보다 PCR 시간을 줄일 수 있고, 히터 개수가 줄어듦으로써 구조의 단순화 및 집적도(density)를 증가시키는 이점이 있다. 한편, 이 경우 PCR 수행을 위한 3 단계에 있어서, 변성 단계를 수행하기 위한 온도는 85℃ 내지 105℃, 바람직하게는 95℃이고, 어닐링 단계를 수행하기 위한 온도는 40℃ 내지 60℃, 바람직하게는 50℃이고, 연장 단계를 수행하기 위한 온도는 50℃ 내지 80℃, 바람직하게는 72℃이고, 더 나아가 PCR 수행을 위한 2 단계에 있어서, 변성 단계를 수행하기 위한 온도는 85℃ 내지 105℃, 바람직하게는 95℃이고, 어닐링/연장 단계를 수행하기 위한 온도는 50℃ 내지 80℃, 바람직하게는 72℃이다. 다만, 상기 PCR 수행을 위한 특정 온도 및 온도 범위는 PCR 수행에 있어서 공지된 범위 내에서 조절 가능함은 물론이다.

위와 같이, 일정 온도를 유지하는 2 이상의 히터(111, 121)가 PCR 열 블록(100)의 상부 표면에 반복적으로 이격 배치됨으로써 시간당 온도 변화율을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 기존의 단일 히터 방식에 따르면, 시간당 온도 변화율이 초당 3℃ 내지 7℃ 범위 내에서 이루어지는 데 반해, 본 발명의 실시예에 따른 반복 배치 히터 구조에 의하면, 상기 히터들 간의 시간당 온도 변화율이 초당 20℃ 내지 40℃ 범위 내에서 이루어져 PCR 시간을 크게 단축할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 반복 배치 히터 구조에 따르면, PCR의 변성 단계, 어닐링 단계 및 연장 단계(또는 상기 변성 단계 및 어닐링/변성 단계)에서 정확한 온도 제어가 가능하게 되고, 아울러 상기 히터들로부터 열을 공급받는 부위에서만 원하는 온도 또는 온도 범위를 유지하는 것이 가능하게 된다. 또한, 상기 PCR 열 블록(100) 상에 다양한 수의 히터를 반복 배치함으로써 PCR 순환 주기를 다양하게 구현할 수 있다. 예를 들어, 순환 주기를 10회로 하는 PCR에 적용하고자 하는 경우 상기 히터 20개 또는 30개를 반복 배치할 수 있다. 즉, 의도된 PCR 순환 주기를 고려하여 상기 PCR 열 블록(100) 상에 상기 히터를 10회, 20회, 30회, 40회, 50회 등으로 반복 배치할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 PCR 열 블록(100) 및 상기 PCR 열 블록(100)에 반복 배치된 히터에 전력을 공급하도록 구현된 전력 공급부(200)를 도시한다. 구체적으로, 도 5의 상단은 상기 PCR 열 블록(100)의 수직 단면도를 도시하고, 도 5의 하단은 상기 PCR 열 블록(100)의 평면도를 도시한다. 도 5의 PCR 열 블록(100)은 20개의 히터가 반복 배치된다. 상기 전력 공급부(200)는 전력 공급원으로부터 상기 PCR 열 블록(100)에 전력을 공급하여 가열하는 모듈로서, 상기 각 히터들(110, 120)에 전력을 분배하도록 구현된 배선(210, 220)을 포함한다. 예를 들어, 도 5에 따르면, 상기 PCR 열 블록(100)의 제1 배선(210)은 제1 히터(110)에 전력을 공급하도록 연결되고, 제2 배선(220)은 제2 히터(120)에 전력을 공급하도록 연결되어 있다. 만약 상기 제1 히터(110)가 PCR 변성 단계 온도, 예를 들어 85℃ 내지 105℃를 유지하고 상기 제2 히터(120)가 PCR 어닐링/연장 단계 온도, 예를 들어 50℃ 내지 80℃를 유지하는 경우 상기 제1 배선(210)은 상기 전력 공급부(200)로부터 PCR 변성 단계 온도 유지를 위한 전력을 공급받고, 상기 제2 배선(220)은 상기 전력 공급부(200)로부터 PCR 어닐링/연장 단계 온도 유지를 위한 전력을 공급받을 수 있다. 상기 제1 배선(210) 및 상기 제2 배선(220)은 금, 은, 구리 등 전도성 재질로 구현될 수 있으나, 이에 제한되진 않는다. 상기 전력 공급원은 상기 전력 공급부(200)에 전력을 공급하기 위한 모듈로서, 상기 전력 공급부(200)의 제1 배선(210) 및 제2 배선(220)과 각각 연결될 수 있다. 예를 들어, PCR 수행시 상기 전력 공급원의 제1 전력 포트는 상기 제1 배선(210)과 전기적으로 연결되고, 상기 전력 공급원의 제2 전력 포트는 상기 제2 배선(220)과 전기적으로 연결된다. 뒤이어, PCR 수행을 위한 사용자 지시가 있는 경우 상기 전력 공급원은 상기 제1 배선(210) 및 상기 제2 배선(220)에 각각 전력을 공급하여 상기 PCR 열 블록의 제1 히터 및 제2 히터를 신속히 가열할 수 있고, 각 히터들이 미리 결정된 온도에 도달하게 되면 전력 공급량을 제어하여 상기 미리 결정된 온도를 유지토록 한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 칩(900) 및 그 내부에 배치된 2 이상의 반응 챔버(910)의 배치 구조를 도시하고, 도 7 내지 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 유형의 PCR 칩(900)을 도시한다.

도 6에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 칩(900)은 판 형상으로 구현되고, PCR 열 블록(100)의 상부 표면, 구체적으로 히터(110, 120)와 접촉하되, 접촉시 상기 PCR 열 블록(100)에 배치된 2 이상의 히터(110, 120)에 맞닿도록 반복 구현된 2 이상의 반응 챔버(910, 920)를 구비한다. 이를 전제로, 도 7 내지 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 유형의 PCR 칩(900)을 도시한다.

상기 반응 챔버는 특정 염기 서열을 갖는 DNA(deoxyribonucleic acid)를 증폭하기 위해 주형 핵산인 이중 가닥의 DNA를 포함하는 PCR 시료 및 시약을 포함하는 용액을 수용하는 공간이다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 반응 챔버는 PCR 수행을 위해 상기 PCR 열 블록(100)과의 열 접촉시 상기 PCR 열 블록(100)에 구비된 히터 영역에 배치되도록 구현되는 것을 특징으로 한다. 한편, 상기 PCR 칩은 전체적으로 판 형상으로 구현됨으로 상기 PCR 열 블록(100)과 열 접촉시 상기 반응 챔버 각각에 고르게 열을 전달할 수 있다.

도 7에 따르면, 상기 반응 챔버(910)는 판 형상의 칩에 2 이상 반복 배치된다. 또한, 상기 반응 챔버(910)는 상기 칩의 길이 방향으로 또는 길이 방향 대비 수직 방향으로 2 이상 배치될 수 있다. 이 경우 각 반응 챔버(910)는 동일 또는 상이한 PCR 시료 및 시약을 포함할 수도 있는데, 이 경우 하나의 PCR 칩(900)을 통해 2 이상 또는 다양한 종류의 시료에 대한 PCR을 수행할 수도 있다.

도 8에 따르면, 상기 반응 챔버(910)는 판 형상의 칩에 2 이상 반복 배치되되, 상기 반응 챔버(910)는 상기 칩의 길이 방향 대비 수직 방향으로 연속적으로 통과하는 유로 형태로 구현될 수 있다. 이 경우 각 반응 챔버(910)는 동일 또는 상이한 PCR 시료 및 시약을 포함할 수도 있는데, 이 경우 하나의 PCR 칩(900)에서 2 이상 또는 다양한 종류의 시료에 대한 PCR을 수행할 수 있다.

한편, 도 7 내지 8에 따른 PCR 칩(900)의 반응 챔버(910)는 유입부/유출부의 구별없이 하나로 구현된 유입부/유출부 통합형 웰 형태로 구현된 반면, 도 9에 따른 PCR 칩(900)의 반응 챔버(910)는 단위 영역에 유입부(931) 및 유출부(932)가 분리 구현되고, 유입부(931) 및 유출부(932)가 하나의 유로(921)로 연결된 유입부/유출부 별개형 유로 형태로 구현될 수도 있다. 기존 다중 웰 플레이트(multi well plate) 형태의 PCR 칩은 시료의 양(volume)이 크기 때문에 체적당 표면적 비율(Surface to Volume Ratio)이 낮아서 PCR 시간이 오래 걸렸지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 유입부/유출부 별개형 유로 형태의 PCR 칩은 체적당 표면적 비율(Surface to Volume Ratio)이 높아서 PCT 시간을 크게 단축할 수 있다. 상기 반응 챔버 내의 유로 높이는 0.01 마이크로미터(㎛) 내지 5 밀리미터(mm)에서 선택될 수 있으나, 체적당 표면적 비율(Surface to Volume Ratio)이 높아지도록 유로의 높이가 낮은 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 칩(900)은 상기 PCR 열 블록(100)에 접촉되는 제1 판, 상기 제1 판 상에 배치되고 상기 2 이상의 반응 챔버를 구비하는 제2 판, 및 상기 제2 판 상에 배치되고 상기 2 이상의 반응 챔버의 유입부 또는 유출부를 구비하는 제3 판을 포함할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 칩(900)이 판 형상의 적층 구조로 구현됨으로써 제조 공정이 단순해지고, 비용을 크게 낮출 수 있으며, PCR 열 블록(100)과 열 교환 면적이 넓어지는 장점이 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 칩(900)은 다양한 재질로 구현될 수 있으나, 플라스틱 재질의 박막 형상으로 구현되는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 칩(900)은 광 투과성 재질로 구현될 수 있고, 만약 형광(Fluorescence), 인광(Phosphorescence), 발광(Luminescence), 라만 분광법(Raman Spectroscopy), 표면 강화 라만 산란 (Surface Enhanced Raman Scattering), 및 표면 플라스몬 공명 (Surface Plasmon Resonance)와 같은 광학 측정 기반의 실시간(real-time) PCR 용도로 사용될 경우 광 투과성 재질로 구현되는 것이 바람직하다.

상기 제1 판은 상기 PCR 열 블록(100)과 접착 또는 부착되어 상기 PCR 열 블록(100)으로부터 열을 공급받는 부분이다. 상기 제1 판은 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 판의 상단 면은 친수성 물질(도시되지 않음)이 처리될 수 있고, 이는 PCR을 원활하게 수행할 수 있도록 한다. 상기 친수성 물질의 처리에 의해 상기 제1 판 상에 친수성 물질을 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 판은 상기 제1 판 상에 배치된다. 상기 제2 판은 2 이상의 반응 챔버를 포함한다. 상기 2 이상의 반응 챔버에 증폭하고자 하는 표적 샘플 용액이 도입된 후 PCR 반응이 진행된다. 또한, 상기 제2 판은 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 판의 두께는 다양할 수 있으나, 0.01 ㎛ 내지 5 mm에서 선택될 수 있다. 또한, 상기 반응 챔버의 폭과 길이는 다양할 수 있으나, 바람직하게는 상기 반응 챔버의 폭은 0.001 mm 내지 10 mm에서 선택되고, 상기 길이는 1 mm 내지 400 mm에서 선택될 수 있다. 또한, 상기 제2 판의 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 판은 상기 제2 판 상에 배치된다. 상기 제3 판은 상기 제2 판에 형성된 2 이상의 반응 챔버 영역에 형성된 유입부 또는 유출부를 구비한다. 상기 유입부는 증폭하고자 하는 핵산을 포함하는 표적 샘플 용액이 유입되는 부분이고, 상기 유출부는 PCR이 종료된 후 상기 표적 샘플 용액이 배출되는 부분이다. 상술한 바와 같이 상기 유입부와 유출부는 통합형 또는 분리형으로 구현될 수 있고, 상기 유입부와 유출부의 내부 표면은 상기 제2판의 2 이상의 반응 챔버의 내부 표면과 연속하여 연결된다. 한편, 상기 제3 판은 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 유입부는 다양한 크기를 구비할 수 있으나, 바람직하게는 지름 0.001 mm 내지 10 mm에서 선택될 수 있다. 또한, 상기 유출부는 다양한 크기를 구비할 수 있으나, 바람직하게는 지름 0.001 mm 내지 10 mm에서 선택될 수 있다. 또한, 상기 유입부 및 유출부는 별도의 커버 수단을 구비하여 표적 샘플 용액에 대한 PCR이 진행될 때 상기 2 이상의 반응 챔버 내의 표적 샘플 용액이 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 0.001 mm 내지 10 mm에서 선택될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 칩(900)은 기계적 가공을 통해 상기 유입부 또는 유출부를 형성하여 상기 제3 판을 제공하는 단계; 상기 제3 판의 하부 면과 대응되는 크기를 갖는 판재에 상기 제3 판의 유입부 또는 유출부에 대응되는 부분에 기계적 가공을 통해 2 이상의 반응 챔버를 형성하여 제2 판을 제공하는 단계; 상기 제2 판의 하부 면과 대응되는 크기를 갖는 판재의 상부 면에 표면 처리 가공을 통해 친수성 물질로 표면을 형성하여 제1 판을 제공하는 단계; 및 상기 제3 판의 하부 면을 상기 제2 판의 상부 면에 접합 공정을 통해 접합하고, 상기 제2 판의 하부 면을 상기 제1 판의 상부 면에 접합 공정을 통해 접합하는 단계를 포함하는 방법에 의해 쉽게 제조될 수 있다.

상기 제3 판의 유입부 또는 유출부, 및 상기 제2 판의 2 이상의 반응 챔버는 사출성형(injection molding), 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 표면의 친수성 물질은 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 판의 하부 면과 상기 제2 판의 상부 면, 및 상기 제2 판의 하부 면과 상기 제1 판의 상부 면은 열 접합(Thermal bonding), 초음파 융착(Ultrasonic Welding), 용매 접합(Solvent Bonding), 열판용착(Hot Plate Welding), UV 접합(Ultraviolet Bonding), 및 프레스 접합(Press Bonding) 공정에 의해 접착될 수 있고 당 업계에 공지된 방법에 따라 수행될 수 있다. 상기 제3 판과 제2 판 사이 및 상기 제2 판과 제1 판 사이에는 양면 접착제 또는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지가 처리될 수 있다.

도 10 내지 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 유형의 PCR 칩(900)과 이와 PCR 열 블록이 접촉한 상태를 도시한다.

도 10에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 칩(900)은 유입부/유출부 통합형 웰(well) 형태의 반응 챔버(910)를 구비하고, 상기 반응 챔버(910)는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 열 블록의 히터(110, 120) 상에 대응되도록 배치된다. 도 11에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 칩(900)은 유입부/유출부 별개형 유로 형태의 반응 챔버(910)를 구비하고, 상기 반응 챔버(910)는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 열 블록의 히터(110, 120) 상에 수직하게 대응되도록 배치된다. 더 나아가, 도 12에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 칩(900)은 유입부/유출부 별개형 유로 형태의 반응 챔버(910)를 구비하되, 상기 반응 챔버(910)는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 열 블록의 히터(110, 120) 상에 수평하게 대응되도록 배치된다.

위와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 형태의 PCR 칩은 종래 PCR 반응 용기에 비해 PCR 장치 구현의 집적도를 증가시키고, 아울러 효율적인 PCR 수행에 기여할 수 있다. 도 13에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 칩은 단일 가열기를 전제로 하는 종래 튜브 방식의 PCR 반응 용기를 사용하는 것보다 더 많은 다양한 시료를 동시에 PCR 할 수 있고, PCR 시간도 크게 단축할 수 있으며, 용기의 크기도 크게 줄일 수 있다. 더 나아가, 종래 다수 가열기를 전제로 하는 단일 유로 방식의 PCR 반응 용기를 사용하는 것보다 더 많은 다양한 시료를 동시에 PCR 할 수 있고, 다수 시료에 대한 PCR 시간을 단축시킬 수 있고, 유로를 통한 유체 제어 모듈이 별도로 필요하지 않아 PCR 장치의 집적도를 크게 증가할 수 있다. 한편, 도 14에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 다른 PCR 칩은 소형으로 구현 가능하므로 시료의 양을 최소화할 수 있고, 가열기, 즉 열 블록과 시료 간의 열 접촉 면을 증가시킬 수 있어서 체적당 표면적 비율(Surface to Volume Ratio)을 증가시킬 수 있다(a < a' < a''). 이 경우 본 발명의 일 실시예 따른 PCR 칩 중에서도 체적당 표면적 비율은 도 10에 따른 칩에 비해 도 11 내지 12에 따른 칩이 더 개선된 형태임을 쉽게 확인할 수 있다.

도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 일 방향 슬라이딩 구동 수단 및 이를 통한 PCR 수행 원리를 도시한다.

도 15에 따르면, PCR 열 블록(100), 전력 공급부(200), PCR 칩(900), 및 일 방향 슬라이딩 구동 수단(990)을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치를 통해 PCR이 수행되는 단계(S1 내지 S3)를 확인할 수 있다. 일 방향 슬라이딩 구동 수단(990)은 PCR 칩(900)을 장착한 상태로 상기 PCR 칩(900)과 상기 PCR 열 블록(100) 간의 접촉을 유지하며 슬라이딩 이동하는 것으로서, 상기 슬라이딩 이동시 상기 PCR 칩(900)의 일 말단으로부터 다른 말단으로 반복 배치된 2 이상의 반응 챔버(910)와 상기 PCR 열 블록(100)의 일 말단으로부터 다른 말단까지 반복 배치된 2 이상의 히터(110, 120) 간에 순차적인 열 접촉이 일어나도록 구현된다.

먼저, 이중 가닥 표적 DNA, 증폭하고자 하는 특정 염기 서열과 상보적인 서열을 갖는 올리고뉴클레오티드 프라이머, DNA 중합효소, 삼인산화데옥시리보뉴클레오티드(deoxyribonucleotide triphosphates, dNTP), PCR 반응 완충액(PCR reaction buffer)를 포함하는 PCR 용액을 준비하고, 상기 PCR 용액을 PCR 칩(900)의 반응 챔버에 도입한 후 밀봉한다. 뒤이어, 상기 전력 공급부(200), 구체적으로 제1 배선(210) 및 제2 배선(220) 등이 전력 공급원과 각각 연결되도록 한다. 뒤이어, 상기 제1 배선(210) 및 상기 제2 배선(220) 등을 통해 상기 제1 히터(110) 및 상기 제2 히터(120) 등을 가열하고, PCR 수행을 위한 온도, 즉 제1 히터(110)의 경우 PCR 변성 온도(95℃) 및 제2 히터의 경우 PCR 어닐링/연장 단계 온도(72℃)를 유지한다.

S1 내지 S3 단계에 있어서, 상기 PCR 칩(900)의 2 이상의 반응 챔버(910)는 동일한 또는 서로 상이한 PCR 시료 및 시약을 수용할 수 있고, 상기 PCR 열 블록(100)에 반복 배치된 히터(110, 120)는 전력 공급부(200)의 전력 공급에 의해 PCR 수행을 위한 2 단계, 즉 제1 히터(110)는 변성 단계를 수행하기 위한 온도인 95℃를 유지하고, 제2 히터(120)는 어닐링/연장 단계를 수행하기 위한 온도인 72℃를 유지하고, 이후 20개의 히터들이 95℃/72℃를 반복적으로 유지하고 있는 것을 전제로 한다.

S1 단계를 참조하면, 상기 일 방향 슬라이딩 구동 수단(990)에 의해 상기 PCR 칩(900)은 상기 PCR 열 블록(100)의 일 말단과 접촉을 시작하며 슬라이딩 이동을 개시한다. 즉, 상기 PCR 칩(900)의 우측 말단의 제1 반응 챔버(910)는 상기 PCR 열 블록(100)의 좌측 말단의 제1 히터(110)와 열 접촉하여 변성 단계를 수행함으로써 PCR을 개시한다.

S2 단계를 참조하면, 상기 일 방향 슬라이딩 구동 수단(990)에 의해 상기 PCR 칩(900)은 상기 열 블록(100)의 상부 면과 접촉을 유지하며 연속적으로 슬라이딩 이동을 하면서 PCR을 순차적으로 진행한다. 예를 들어, PCR 칩(900)의 슬라이딩 이동에 의해 상기 PCR 칩(900)의 우측 말단의 제1 반응 챔버(910)는 상기 열 블록(100)의 좌측 말단의 제2 히터(120)와 열 접촉하여 어닐링/연장 단계를 수행하되 상기 PCR 칩(900)의 우측 말단의 제2 반응 챔버(920)는 상기 PCR 열 블록(100)의 좌측 말단의 제1 히터(110)와 열 접촉하여 변성 단계를 수행함으로써 상기 PCR 칩(900)의 우측 말단에 반복 배치된 반응 챔버들과 상기 PCR 열 블록(100)의 좌측 말단에 반복 배치된 히터들과 열 접촉을 반복하며 순차적으로 PCR을 수행한다.

S3 단계를 참조하면, 상기 일 방향 슬라이딩 구동 수단(990)에 의해 상기 PCR 칩(900)은 상기 열 블록(100)의 상부 면과 접촉하면서 슬라이딩 이동을 한 후, PCR을 완료한다. 예를 들어, 상기 PCR 칩(900)의 좌측 말단의 반응 챔버는 상기 열 블록(100)의 우측 말단의 히터와 열 접촉하여 어닐링/연장 단계를 수행함으로써 순차적으로 진행된 PCR을 완료한다.

한편, S1 내지 S3 단계가 완료한 후, 일 방향 슬라이딩 구동 수단(990)은 기존 정방향 슬라이딩 이동을 전제로 하는 PCR 수행 후 역방향 슬라이딩 이동을 통해 S1 내지 S3 단계를 반복 수행할 수 있음은 물론이다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치는 복잡하고 다른 제어 모듈 없이도 PCR 열 블록과 PCR 챔버를 구비하는 PCR 칩 간의 열 접촉을 유지하며 신속한 PCR을 수행할 수 있어서, 장치의 소형화 및 집적화에 크게 기여하게 된다.

도 16 내지 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 PCR 장치를 통해 구현되는 실시간 PCR을 도시한다.

도 16a 내지 16d는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치를 통해 구현되는 실시간 PCR을 도시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치는 PCR 칩(900)의 반응 챔버(910) 내에서 일어나는 핵산 증폭 반응을 실시간으로 측정하기 위한 광학 모듈을 포함할 수 있다. 상기 광학 모듈은 PCR 칩(900)의 반응 챔버(910)에 광을 제공하도록 배치된 광원(150), 및 PCR 칩(900)으로부터 방출되는 광을 수용하도록 배치된 광 검출부(600)를 포함할 수 있다. 광학 모듈을 이용하여 핵산 증폭 반응을 실시간으로 측정하기 위해 표적 샘플 용액에 별도의 형광 물질이 첨가될 수 있고, 그로 인해 PCR 산물 생성에 따라 특정 파장의 광에 의해 발광함으로써 측정 및 분석 가능한 광신호를 유발하게 된다. 상기 광원(150)은 수은 아크 램프(Mercury Arc Lamp), 크세논 아크 램프(Xenon Arc Lamp), 텅스텐 아크 램프(Tungsten Arc Lamp), 금속 할라이드 아크 램프(Metal Halide Arc Lamp), 금속 할라이드 광섬유(Metal Halide fiber), 및 LED(Light Emitting Diodes)로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 또한, 상기 광원(150)의 파장은 약 200 나노미터(nm) 내지 1300 나노미터(nm) 범위 내에서 선택될 수 있고, 다중 광원을 이용하거나, 필터를 이용하여 다중 파장으로 구현될 수 있다. 또한, 상기 광 검출부(600)는 CCD(Charge-coupled Device), CID(Charge-injection Device), CMOS(Complementary-metal-oxide-semiconductor Detector), 및 PMT(Photo Multiplier Tube)로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 한편, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광원(150) 및 광 검출부(600)는 검출 효율을 개선하기 위하여 다양한 모듈과 구동가능하게 연결 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 광원(150)은 형광 물질을 여기(excitation)시킬 수 있는 파장 대역의 빛만 통과시킬 수 있는 1 이상의 광학 대역 필터(optical band pass filter)를 더 포함하거나 구동가능하게 연결될 수 있고, 상기 광 검출부(600)는 형광 물질의 발광(emission)된 파장 대역의 빛만 통과시킬 수 있는 1 이상의 광학 대역 필터(optical band pass filter)를 더 포함하거나 구동가능하게 연결될 수 있으며, 이 경우 상기 광원(150) 또는 광 검출부(600)는 상기 1 이상의 광학 대역 필터를 검출하고자 하는 형광 물질의 여기 파장과 발광 파장을 일치시킬 수 있도록 하는 치환부를 더 포함하거나 구동가능하게 연결될 수 있다. 또한, 상기 광원(150)은 1 이상의 형광 물질을 여기시킬 수 있도록 1 이상의 파장을 사용하는 LED(Light Emitting Diode)를 더 포함하거나 구동가능하게 연결될 수 있으며, 이 경우 상기 LED 광원에서 1 이상의 형광 물질의 여기 파장과 발광 파장을 일치시킬 수 있도록 하는 치환부를 더 포함하거나 구동가능하게 연결될 수 있다.

도 16a에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치는 광 투과성 재질의 PCR 칩(900), PCR 열 블록(100)의 제1 히터(110) 및 제2 히터(120) 사이에 배치된 광원(150), 및 광원(150)으로부터 방출된 광신호를 검출하기 위한 광 검출부(600)를 포함한다. 구체적으로, 표적 샘플 용액을 포함하는 PCR 용액은 반응 챔버(910) 내에서 제1 히터(110)의 상측 대응 부분 및 제2 히터(120)의 상측 대응 부분을 슬라이딩 이동하면서 PCR 변성 단계 및 PCR 어닐링/연장 단계를 반복 수행하는데, 이 경우 표적 샘플 용액은 제1 히터(110)와 제2 히터(120) 사이, 및 제1 히터(110)와 제2 히터(120)를 포함하는 히터 유닛 사이에서 광원(150)의 상측 대응 부분을 통과하게 된다. 표적 샘플 용액이 수용된 반응 챔버(910)가 광원(150)의 상측 대응 부분을 이동할 때 일 방향 슬라이딩 구동 수단(990) 제어를 통해 PCR 칩(900)의 이동 속도를 느리게 하거나 잠시 정지 상태로 유지한 후 광원(150)으로부터 광을 방출시키고, 방출된 광은 PCR 칩(900), 구체적으로 반응 챔버(910)를 통과하고, 반응 챔버(910) 내의 핵산 증폭에 의해 발생하는 광신호를 상기 광 검출부(600)가 측정 및 분석할 수 있다. 따라서, PCR 각 순환 주기가 진행되는 동안 반응 챔버(910) 내에서 (형광 물질이 결합된) 핵산의 증폭에 의한 반응 결과를 실시간(real-time)으로 모니터링함으로써 표적 핵산의 양을 실시간(real-time)으로 측정 및 분석할 수 있다.

도 16a에 따른 PCR 장치와는 달리, 도 16b 내지 16c에 따른 PCR 장치는 반 투과성(상층은 투과성 재질, 하층은 비-투과성 재질로 구현) 재질의 PCR 칩(900), PCR 열 블록(100)의 제1 히터(110) 및 제2 히터(120) 사이에 배치된 광원(150), 및 광원(150)으로부터 방출된 광신호를 검출하기 위한 것으로서, PCR 칩(900)의 이동 경로에 대응하여 이동하는 광 검출부(600)를 포함한다. 이 경우 광 검출부(600)가 고정 배치되고, 광원(150)이 PCR 칩(900)의 이동 경로에 대응하여 이동할 수 있음은 물론이다. 한편, 도 16d에 따른 PCR 장치는 반 투과성(상층은 투과성 재질, 하층은 비-투과성 재질로 구현) 재질의 PCR 칩(900), PCR 칩(900)의 이동 경로에 대응하여 이동하되, 광원(150), 광원(150)으로부터 방출된 광신호를 검출하기 위한 광 검출부(600), 및 광원(150)으로부터 방출된 광을 PCR 칩(900)의 반응 챔버(910)에 전달하되 반응 챔버(910)으로부터 방출된 광을 광 검출부(600)로 전달하는 다이크로익 미러(620)를 수용하는 광학 모듈(610)을 포함할 수 있다.

도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 유형의 PCR 장치를 통해 구현되는 실시간 PCR을 도시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치는 PCR 열 블록(100), PCR 칩(900), 일 방향 슬라이딩 구동 수단(990), 및 실시간 측정을 위한 전기화학적 모듈을 포함한다. 구체적으로, 상기 PCR 칩(900)은 상기 반응 챔버(910)의 내부에서 증폭 핵산과 활성물질의 결합으로 인해 발생하는 전기화학적 신호를 검출하도록 구현된 검출 전극(950)을 구비하는 것일 수 있다.

상기 전기화학적 모듈은 상기 PCR 칩(900)의 반응 챔버(910) 내에서 일어나는 핵산 증폭 반응을 전기화학적으로 실시간으로 측정하기 위한 모듈을 포함한다. 상기 전기화학적 모듈은 그 목적을 달성하기 위해 다양하게 구현될 수 있으나, 바람직하게는 도 17과 같이 상기 PCR 칩(900)의 반응 챔버(910) 내부에서 증폭 핵산과 활성물질의 결합으로 인해 발생하는 전기화학적 신호를 검출하도록 구현된 검출 전극(950), 상기 검출 전극(950)과 연계된 전기적 연결 수단(700), 및 상기 전기적 연결 수단(700)을 경유하여 상기 검출된 신호를 측정하는 전기화학적 신호 측정 모듈(800)을 포함할 수 있다.

상기 활성물질(redox indicator)은 증폭 핵산과 화학적으로 반응(결합)하여 전기화학적 신호를 일으키는 물질로 정의되고, 상기 전기화학적 신호는 핵산의 연속적인 증폭에 따라 연속적으로 검출 및 측정될 수 있는 신호를 말한다. 예를 들어, 이중 가닥 핵산(DNA)의 경우 전체적으로 음전하를 띠는데, 활성물질이 양전하를 띠는 경우 핵산의 연속적인 증폭에 따라 증폭 핵산과 상기 활성물질이 반응하여 총 전하량 변화에 의해 검출가능한 신호가 도출될 수 있다. 따라서, 상기 전기화학적 신호는 상기 증폭 핵산의 음 전하와 상기 활성물질의 양 전하의 결합에 인한 총 전류값 변화에 기인할 수 있고, 상기 활성물질은 이온결합성 물질의 이온화 산물 중 양이온 물질일 수 있다. 더 구체적으로, 상기 이온결합성 물질은 메틸렌 블루(methylene blue)이고, 상기 활성물질은 메틸렌 블루의 이온화 산물 중 양이온 물질일 수 있다. 상기 메틸렌 블루(C₁₆H₁₈N₃SCl·3H₂O)는 용매에 녹이면 이온화 되어 C₁₆H₁₈N₃S⁺와 Cl^-로 이온화되고, 전자의 경우 황원자(S)에 의하여 양전하를 띤다. 이중 가닥 핵산(DNA)은 당과 염기와 인산으로 이루어져 있는데, 이 중 인산기가 음전하를 띠고 있어 이중 가닥 핵산(DNA)은 전체적으로 음전하를 띤다. 메틸렌 블루의 양이온이 DNA의 인산기와 결합하여, 메틸렌 블루의 겉보기 확산율보다 이중가닥 핵산과 결합한 메틸렌블루의 겉보기 확산율이 감소하고, 이에 따라 전류의 피크 값을 감소시킨다. 따라서 PCR 주기가 진행됨에 따라 이중 가닥 핵산(DNA)이 증폭되고 이중가닥 핵산(DNA)에 결합되는 메틸렌 블루의 양이 늘어나 전류의 피크 값이 감소하게 되고, 결과적으로 실시간 PCR의 증폭 산물과 메틸렌 블루의 화학적 결합으로 인한 전기적 신호를 통해 증폭 핵산의 실시간 정량이 가능하다.

상기 검출 전극(950)은 상기 반응 챔버(910) 내부에서 증폭 핵산과 활성물질의 결합으로 인해 발생하는 전기화학적 신호를 검출할 수 있도록 다양한 재질로 구현될 수 있는데, 예를 들어 금(Au), 코발트(Co), 백금(Pt), 은(Ag), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그래핀(graphene), 및 탄소(Carbon)로 구성된 군으로부터 1 이상 선택될 수 있다. 한편, 상기 검출 전극(950)은 효율을 극대화하기 위해 다양한 형상 및 규격으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 증폭 핵산과 활성물질의 결합이 일어나는 작업 전극(working electrode) 및 상기 증폭 핵산과 활성물질의 결합이 일어나지 않음으로써 전극 전위의 측정 기준이 되는 기준 전극(reference electrode)을 구비하는 2-전극 모듈, 또는 상기 작업 전극, 상기 기준 전극, 및 상기 작업 전극으로부터 발생하는 전류가 흐르게 되는 상대 전극(counter electrode)을 구비하는 3-전극 모듈로 구현될 수 있다. 이와 같이, 상기 검출 전극의 구조가 위와 같이 다-전극 모듈 방식으로 구현되면, 상기 반응 챔버 내부에서 발생하는 전기화학적 신호의 감도를 높일 수 있을 뿐만 아니라, 발생 신호의 검출 및 측정을 용이하게 수행할 수 있다.

상기 전기화학적 신호 측정 모듈(800)은 상기 PCR 칩(900)의 임의의 홀더(도시되지 않음)의 연결 포트와 전기적 연결 수단(700), 예를 들어 리드 전선을 통해 전기 소통가능하게 연결될 수 있다. 따라서, 상기 PCR 칩(900)의 반응 챔버(910) 내부에서 순차적인 핵산 증폭에 의해 반복적으로 발생하는 전기화학적 신호는 상기 PCR 칩(900)의 검출 전극(950)을 통해 순차적으로 검출되고, 상기 검출된 신호는 상기 전기적 연결 수단(700)을 경유하여 상기 전기화학적 신호 측정 모듈(800)에서 측정되고 더 나아가 가공 또는 분석될 수 있다. 상기 전기화학적 신호 측정 모듈(800)은 다양할 수 있으나, 양극 벗김 전압전류계(anodic stripping voltammetry, ASV), 대시간 전류계 (chronoamperometry, CA), 순환 전압전류계(cyclic voltammetry), 네모파 전압전류계(square wave voltammetry, SWV), 펄스 전압전류계(differential pulse voltammetry, DPV), 및 임피던스계(impedance)로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다.

도 17에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 PCR 장치에 의한 PCR 수행시 핵산 증폭 과정을 실시간(real-time)으로 측정 및 분석할 수 있다. 이 경우 상기 시료 및 시약에는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 PCR 장치와는 달리 별도의 형광 물질이 첨가될 필요가 없다. 예를 들어, PCR 시료 및 시약 용액은 상기 PCR 칩(900)의 슬라이딩 이동에 의해 상기 반응 챔버(910) 내에서 상기 제1 히터(110)의 상측 대응 부분 및 상기 제2 히터(120)의 상측 대응 부분(302)을 연이어 통과하면서 변성 단계 및 어닐링/연장 단계를 수행하는데, 이 경우 증폭 핵산은 상기 제1 히터(110) 및 제2 히터(120)의 임의의 위치에서 상기 일 방향 슬라이딩 구동 수단(990)의 제어를 통해 이동 속도를 느리게 하거나 잠시 정지 상태로 유지한 후 증폭 핵산과 활성물질의 결합으로 인해 발생하는 전기화학적 신호를 상기 검출 전극(950)을 통해 순차적으로 실시간으로 검출 및 측정할 수 있다. 따라서, PCR 각 순환 주기가 진행되는 동안 상기 반응 챔버(910) 내에서 (형광 물질 및 광 검출 시스템 없이) 핵산의 증폭에 의한 반응 결과를 실시간(real-time)으로 모니터링함으로써 표적 핵산의 양을 실시간(real-time)으로 검출 및 측정할 수 있다.

도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 유형의 PCR 장치를 통해 구현되는 실시간 PCR을 도시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치는 PCR 열 블록(100), PCR 칩(900), 일 방향 슬라이딩 구동 수단(990), 및 실시간 측정을 위한 전기화학적 모듈을 포함한다. 구체적으로, 상기 PCR 칩(900)은 상기 반응 챔버(910) 내부의 일 영역에 형성되어 증폭 표적 핵산의 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 포획 프로브(capture probe)가 표면 처리된 고정화(immobilization)(940) 층 및 상기 반응 챔버(910) 내부의 다른 일 영역에 형성되어 전기화학적 신호를 검출하도록 구현된 검출 전극(950)을 구비하는 것으로서, 금속 나노입자 및 상기 금속 나노입자에 연결되되 상기 증폭 표적 핵산의 다른 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 신호 프로브(signaling probe)를 구비하는 복합체를 포함하는 것일 수 있다.

상기 전기화학적 모듈은 상기 PCR 칩(900)의 반응 챔버(910) 내에서 일어나는 핵산 증폭 반응을 전기화학적으로 실시간으로 측정하기 위한 모듈을 포함할 수 있다. 상기 전기화학적 모듈은 그 목적을 달성하기 위해 다양하게 구현될 수 있으나, 바람직하게는 상기 PCR 칩(900)의 반응 챔버(910) 내부의 일 영역에 형성되어 증폭 표적 핵산의 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 포획 프로브가 표면 처리된 고정화 층(940), 상기 반응 챔버(910) 내부의 다른 일 영역에 형성되어 전기화학적 신호를 검출하도록 구현된 검출 전극(950), 및 상기 검출 전극(950)과 연계된 전기적 연결 수단(700), 및 상기 전기적 연결 수단(700)을 경유하여 상기 검출된 신호를 측정하는 전기화학적 신호 측정 모듈(800)을 포함할 수 있다. 이 경우 상기 반응 챔버(910) 내부에는 금속 나노입자 및 상기 금속 나노입자에 연결되되 상기 증폭 표적 핵산의 다른 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 신호 프로브를 구비하는 복합체를 포함할 수 있다.

상기 고정화(immobilization) 층(940)과 상기 검출 전극(950)은 상기 반응 챔버(910)의 다양한 위치에 배치될 수 있으나, 서로 좌우 또는 상하로 마주보도록 배치될 수 있다. 또한, 상기 반응 챔버(910)는 그 내부에 금속 나노입자 및 상기 금속 나노입자에 연결되되 상기 증폭 표적 핵산의 다른 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 신호 프로브를 구비하는 복합체를 수용한다. 이 경우 상기 복합체는 주형 핵산 등을 포함하는 PCR 시료 도입 전 상기 반응 챔버(910)에 미리 수용될 수 있고, 프라이머, 중합효소 등을 포함하는 PCR 시약에 포함된 상태로 상기 반응 챔버(910)에 함께 도입될 수도 있다. 상기 고정화 층(940)은 그 일 면에 포획 프로브가 증착되어 노출될 수 있도록 다양한 재질, 예를 들어 실리콘, 플라스틱, 유리, 금속 재질 등으로 구현된다. 이 경우 상기 고정화 층(940)의 표면은 예를 들어, 포획 프로브 증착 전 아민 NH₃ ⁺, 알데하이드 COH, 카르복실기 COOH 등과 같은 물질이 먼저 표면 처리될 수 있다. 상기 포획 프로브는 상기 증폭 표적 핵산의 일 부위(영역)와 상보적으로 결합할 수 있도록 구현되고, 금속 나노입자와 결합하여 복합체를 형성한다. 상기 금속 나노입자는 다양할 수 있으나, 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 납(Pb), 구리(Cu), 갈륨(Ga), 인듐(In), 금(Au), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 세슘(Cs), 바륨(Ba), 카드뮴(Cd), 수은(Hg), 비소(As), 셀레늄(Se), 주석(Sn), 안티몬(Sb), 비슈뮤트(Bi) 및 은(Ag)으로 구성된 군으로부터 1 이상 선택될 수 있다. 상기 신호 프로브는 상기 증폭 표적 핵산의 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있도록 구현되는데, 이 경우 상기 증폭 표적 핵산에 있어서, 상기 신호 프로브의 상보적 결합 영역은 상기 포획 프로브의 상보적 결합 영역과 상이하다. 따라서, 상기 포획 프로브 및 신호 프로브는 증폭 표적 핵산에 함께 상보적으로 결합할 수 있다. 즉, PCR이 진행되면서 상기 반응 챔버(910) 내부에서 표적 핵산이 증폭되면 증폭 표적 핵산은 상기 고정화 층(940)에 표면 처리된 포획 프로브와 상보적으로 결합하고, 아울러 금속 나노입자에 연결된 신호 프로브와 상보적으로 결합하여 상기 금속 나노입자를 상기 고정화 층(940)에 근접한 영역에 집중시킨다. 그 결과, 상기 금속 나노입자는 상기 검출 전극(26)에 도달하지 못하게 되어 상기 금속 나노입자와 상기 검출 전극(26) 간의 전류 변화(감소)를 야기하여 표적 핵산의 증폭에 따른 검출 가능한 전기화학적 신호가 발생하게 된다. 한편, 상기 증폭 표적 핵산, 상기 포획 프로브, 및 상기 신호 프로브는 단일 가닥 DNA일 수 있다.

상기 검출 전극(950)은 상기 반응 챔버(910)의 적어도 일 영역에 배치되되 상기 반응 챔버(910) 내부에서 발생하는 전기화학적 신호를 검출하도록 구현된다. 상기 검출 전극(950)은 위와 같은 기능을 수행하기 위하여 다양한 재질로 구현될 수 있지만, 예를 들어 금(Au), 코발트(Co), 백금(Pt), 은(Ag), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그래핀(graphene), 및 탄소(Carbon)로 구성된 군으로부터 1 이상 선택될 수 있다. 또한, 상기 검출 전극(950)은 상기 반응 챔버(910) 내부에서 발생하는 전기화학적 신호를 효율적으로 검출하기 위해 다양한 형상 및 구조로 구현될 수 있지만, 예를 들어 상기 반응 챔버(910)의 임의의 표면에 따라 배치되는 금속 재질의 판 형상으로 구현될 수 있다. 한편, 상기 전기화학적 신호는 전기화학적 신호 측정 모듈(800)에 의해 측정되는데, 상기 전기화학적 신호 측정 모듈은 다양할 수 있으나, 양극 벗김 전압전류계(anodic stripping voltammetry, ASV), 대시간 전류계 (chronoamperometry, CA), 순환 전압전류계(cyclic voltammetry), 네모파 전압전류계(square wave voltammetry, SWV), 펄스 전압전류계(differential pulse voltammetry, DPV), 및 임피던스계(impedance)로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 상기 전기화학적 신호는 상기 증폭 표적 핵산이 상기 포획 프로브 및 신호 프로브와 상보적으로 결합함에 따라 발생하는 전류 변화에 기인할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치의 전기화학적 신호 발생 과정은 다음과 같다. 제1 단계는 PCR 개시 전으로서, 고정화(immobilization) 층에 표면 처리된 포획 프로브(capture probe)와 신호 프로브(signaling probe) 및 금속 나노입자를 포함하는 복합체(Signaling probe-metal nano particle)의 원래 상태를 포함하고, 제2 단계는 상기 검출 전극(working electrode)과 금속 나노입자 간의 환원 또는 산화에 의해 발생하는 전류 변화(신호, Signal)를 포함하고, 제3 단계는 PCR 개시 후로서, 증폭 표적 핵산(target DNA)이 상기 포획 프로브(capture probe) 및 상기 복합체(Signaling probe-metal nano particle)의 신호 프로브(signaling probe)와 결합하여 전류 변화의 감소(신호 감소)를 야기하는 단계를 포함한다. 구체적으로, 상기 복합체(Signaling probe-metal nano particle)의 금속 나노입자(metal nano particle)에 환원 전압이 가해지면, 상기 금속 나노입자(metal nano particle)는 상기 검출 전극(working electrode)의 근접 표면에 모여 축적 층을 형성하면서 환원되고(Accumulation of metal nano particle), 뒤이어 상기 검출 전극(working electrode)에 전압을 인가하면 상기 환원 금속 나노입자(metal nano particle)가 산화되면서(Stripping) 전류 변화, 즉 신호가 발생하고(Signal), 상기 전류 변화는 산화 전류 피크가 나타내는 전압 값으로 쉽게 측정할 수 있다. 이 경우 상기 반응 챔버 내부에서 전류 변화값, 즉 전기화학적 신호는 표적 핵산(target DNA)의 변화량을 나타낸다. 또한, 상기 금속 나노입자(metal nano particle)가 산화되는 전압값은 금속 나노입자(metal nano particle)의 종류마다 상이하기 때문에 2 이상의 금속 나노입자(metal nano particle)를 사용하는 경우 2 이상의 시료에 대한 동시 신호 검출도 가능하다. 그 후 PCR이 진행되면, 주형 핵산으로부터 표적 핵산(target DNA)이 증폭되고, 상기 증폭 표적 핵산(target DNA)은 상기 포획 프로브(capture probe) 및 상기 복합체(Signaling probe-metal nano particle)의 신호 프로브(signaling probe)와 상보적으로 결합(Hybridized target DNA)함으로써 위와 같이 상기 복합체(Signaling probe-metal nano particle)의 금속 나노입자(metal nano particle)의 전극 표면 축적(Accumulation of metal nano particle)을 방해하고, 상기 전류 값을 감소시키고, 더 나아가 PCR 주기가 진행될수록 증폭 표적 핵산(target DNA)의 양이 증가하면서 상기 포획 프로브(capture probe) 및 상기 복합체(Signaling probe-metal nano particle)의 신호 프로브(signaling probe)와의 상보적으로 결합(Hybridized target DNA) 또한 증가하여 상기 전류 값(신호)은 더욱 감소한다. 따라서, 위와 같은 전류 감소 현상, 즉 전기화학적 신호를 검출 및 측정함으로써 실시간 PCR 구현이 가능하다. 한편, 상기 검출 전극(950)은 다양하게 구현될 수 있다. 예를 들어, 산화 또는 환원 반응이 일어나는 작업 전극(working electrode)(950a) 및 산화 또는 환원 반응이 일어나지 않는 기준 전극(reference electrode)(950b)을 구비하는 2-전극 모듈, 또는 도 16과 같이 상기 작업 전극(950a), 상기 기준 전극(950b), 및 상기 지시 전극으로부터 발생하는 전자 밸런스를 조절하는 상대 전극(counter electrode)(950c)을 구비하는 3-전극 모듈로 구현될 수 있다. 이와 같이, 상기 검출 전극(950)의 구조가 위와 같이 다-전극 모듈 방식으로 구현되면, 상기 반응 챔버 내부에서 발생하는 전기화학적 신호의 감도를 높일 수 있을 뿐만 아니라, 발생 신호의 검출 및 측정을 용이하게 수행할 수 있다.

도 18에 따르면, 상기 전기화학적 신호 측정 모듈(800)은 상기 PCR 칩(900)의 임의의 칩 홀더(도시되지 않음)의 연결 포트와 전기적 연결 수단(700), 예를 들어 리드 전선을 통해 전기 소통가능하게 연결될 수 있다. 따라서, 상기 PCR 칩(900)의 반응 챔버(910) 내부에서 순차적인 핵산 증폭에 의해 반복적으로 발생하는 전기화학적 신호는 상기 PCR 칩(900)의 검출 전극(950)을 통해 순차적으로 검출되고, 상기 검출된 신호는 상기 칩 홀더의 연결 포트와 상기 전기적 연결 수단(700)을 경유하여 상기 전기화학적 신호 측정 모듈(800)에서 측정되고 더 나아가 가공 또는 분석될 수 있다. 상기 전기화학적 신호 측정 모듈(800)은 다양할 수 있으나, 양극 벗김 전압전류계(anodic stripping voltammetry, ASV), 대시간 전류계 (chronoamperometry, CA), 순환 전압전류계(cyclic voltammetry), 네모파 전압전류계(square wave voltammetry, SWV), 펄스 전압전류계(differential pulse voltammetry, DPV), 및 임피던스계(impedance)로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다.

도 18에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치에 의한 PCR 수행시 핵산 증폭 과정을 실시간(real-time)으로 측정 및 분석할 수 있다. 이 경우 상기 시료 및 시약에는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 PCR 장치와는 달리 별도의 형광 물질이 첨가될 필요가 없다. 예를 들어, PCR 시료 및 시약 용액은 상기 PCR 칩(900)의 슬라이딩 이동에 의해 상기 반응 챔버(910) 내에서 상기 제1 히터(110)의 상측 대응 부분 및 상기 제2 히터(120)의 상측 대응 부분(302)을 연이어 통과하면서 변성 단계 및 어닐링/연장 단계를 수행하는데, 이 경우 증폭 핵산은 상기 제1 히터(110) 및 제2 히터(120)의 임의의 위치에서 상기 일 방향 슬라이딩 구동 수단(990)의 제어를 통해 이동 속도를 느리게 하거나 잠시 정지 상태로 유지한 후 증폭 표적 핵산과 상기 포획 프로브 및 상기 복합체의 신호 프로브와의 상보적 결합으로 인해 발생하는 전기화학적 신호(전류 변화)를 상기 검출 전극(950)을 통해 순차적으로 실시간으로 검출 및 측정할 수 있다. 따라서, PCR 각 순환 주기가 진행되는 동안 상기 반응 챔버(910) 내에서 (형광 물질 및 광 검출 시스템 없이) 핵산의 증폭에 의한 반응 결과를 실시간(real-time)으로 모니터링함으로써 표적 핵산의 양을 실시간(real-time)으로 검출 및 측정할 수 있다.

도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치와 연계된 칩 대기부(1000)를 도시한다.

도 19에 따르면, 상기 PCR 장치는 제1 PCR 칩(900, 칩 번호 1)이 상기 PCR 열 블록(100)과 순차적인 열 접촉이 진행된 후 제2 PCR 칩(900, 칩 번호 2)이 상기 PCR 열 블록(100)과 열 접촉을 개시하도록 구동가능하게 연결된, 복수의 PCR 칩(900, 칩 번호 1, 2, 3, 4, 5)을 수용하는 칩 대기부(1000)를 더 구비할 수 있다. 칩 대기부(1000)는 복수의 PCR 칩(900, 칩 번호 1, 2, 3, 4, 5)을 구비할 수 있다. 칩 대기부(1000)에 수용된 PCR 칩은 다양한 샘플을 포함할 수 있고, 그 수용공간의 크기에 따라 도 19에 수용된 수(5개)보다 더 많은 수일 수 있다. 예를 들어, PCR 열 블록(100)과 제1 PCR 칩(900, 칩 번호 1)이 순차적으로 열 접촉하며 제1 PCR이 개시되면, 제1 PCR 칩(900, 칩 번호 1)은 패키지(995)의 칩 배출구(995b)를 통해 외부로 이동하고 패키지(995)의 칩 투입구(995a)가 개방되며, 별도의 구동수단(도시되지 않음)에 의해 칩 대기부(1000)에 수용되어 있던 제2 PCR 칩(900, 칩 번호 2)이 PCR 열 블록(100) 위로 이동하여 PCR 열 블록(100)과 순차적으로 열 접촉하며 제2 PCR이 개시된다. 이 경우 상기 제2 PCR 칩(900, 칩 번호 2)이 칩 투입구(995a)를 통과하기 전에 패키지(995)에 장착된 별도의 센서가 제2 PCR 칩(900, 칩 번호 2)을 인식하고 패키지(995) 내 조건, 예를 들어 PCR 열 블록(100)의 온도 조건, PCR 측정 장치의 반응 조건을 새로 셋팅(setting)할 수 있다. 위와 같은 일련의 과정은 칩 대기부(1000)에 수용된 복수의 PCR 칩의 PCR 반응이 완료될 때까지 반복될 수 있다. 위와 같은 칩 대기부(1000)를 구비함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치는 복수의 샘플과 시료에 대한 PCR을 동시에 순차적으로 신속하게 수행할 수 있다.

도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치의 PCR 시험 결과를 나타내는 전기영동 사진이다.

도 20에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치를 사용하여 PCR을 수행한 결과를 확인할 수 있는데, 전기영동 사진에 표시된 "M"은 size marker를 의미하고, 각 숫자는 PCR을 수행한 시료 번호를 의미한다. 본 실험을 통해 매우 빠른 시간, 약 15분 동안 많은 수의 시료를 동시에 PCR을 수행할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치를 사용하면, 기존 단일 가열기 방식의 다수 웰 타입 PCR 반응 용기를 사용하는 경우 또는 다수 가열기 방식의 단일 유로 타입 PCR 반응 용기를 사용하는 경우보다 PCR 칩의 크기를 상당히 줄일 수 있고, 사용하는 시료의 양을 줄일 수 있으며, PCR 시간을 크게 단축시키고, 많은 시료를 동시에 PCR할 수 있어서 기존 PCR 장치의 문제점을 효과적으로 개선할 수 있다.

Claims

기판 상부 면에 2 이상의 히터가 반복적으로 이격 배치된 PCR 열 블록;
상기 PCR 열 블록에 접촉시 상기 PCR 열 블록에 배치된 2 이상의 각 히터에 맞닿도록 반복 구현된 2 이상의 반응 챔버를 구비하는, 판 형상의 PCR 칩; 및
상기 PCR 칩이 장착된 상태에서 상기 PCR 칩과 상기 PCR 열 블록 간의 접촉을 유지하며 슬라이딩 이동을 구현하는 것으로서, 상기 슬라이딩 이동시 상기 PCR 칩의 일 말단으로부터 다른 말단으로 반복 배치된 2 이상의 반응 챔버와 상기 PCR 열 블록의 일 말단으로부터 다른 말단까지 반복 배치된 2 이상의 히터 간에 순차적인 열 접촉이 일어나도록 구현된 일 방향 슬라이딩 구동 수단;
을 포함하는 PCR 장치.
제1항에 있어서,
상기 2 이상의 히터 중 인접 히터는 상이한 온도로 구현된 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
제1항에 있어서,
상기 2 이상의 히터는 상기 PCR 열 블록의 일 말단의 히터에서 PCR의 제1 순환이 개시되고, 상기 PCR 열 블록의 다른 말단의 히터에서 PCR의 마지막 순환이 종료되도록 구현된 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
제1항에 있어서,
상기 PCR 칩의 반응 챔버는 상기 PCR 칩의 슬라이딩 방향으로 2 이상 이격 배치되거나, 또는 상기 PCR 칩의 슬라이딩 방향과 수직 방향으로 2 이상 이격 배치되거나, 또는 상기 PCR 칩의 슬라이딩 방향과 수직 방향으로 연속적으로 통과하는 채널 형태로 구현된 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
제1항에 있어서,
상기 PCR 칩의 반응 챔버는 유입부/유출부 통합형 웰 형태 또는 유입부/유출부 별개형 유로 형태로 구현된 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
제1항에 있어서,
상기 PCR 칩의 반응 챔버에 광을 제공하도록 배치된 광원, 및 상기 PCR 반응부로부터 방출되는 광을 수용하도록 배치된 광 검출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
제6항에 있어서,
상기 광원 또는 광 검출부는 상기 PCR 열 블록의 인접 히터 사이 공간에 반복 배치되는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
제6항에 있어서,
상기 광원 또는 광 검출부는 상기 PCR 칩의 이동 경로에 대응하여 이동하는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
제1항에 있어서,
상기 PCR 칩은 상기 반응 챔버의 내부에서 증폭 핵산과 활성물질의 결합으로 인해 발생하는 전기화학적 신호를 검출하도록 구현된 검출 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
제9항에 있어서,
상기 검출 전극과 전기적으로 연결되어 상기 PCR 칩의 반응 챔버 내부에서 발생하는 전기화학적 신호를 실시간으로 측정하도록 구현된 전기화학적 신호 측정 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
제1항에 있어서,
상기 PCR 칩은 상기 반응 챔버 내부의 일 영역에 형성되어 증폭 표적 핵산의 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 포획 프로브(capture probe)가 표면 처리된 고정화(immobilization) 층 및 상기 반응 챔버 내부의 다른 일 영역에 형성되어 전기화학적 신호를 검출하도록 구현된 검출 전극을 구비하는 것으로서, 금속 나노입자 및 상기 금속 나노입자에 연결되되 상기 증폭 표적 핵산의 다른 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 신호 프로브(signaling probe)를 구비하는 복합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
제11항에 있어서,
상기 검출 전극과 전기적으로 연결되어 상기 PCR 칩의 반응 챔버 내부에서 발생하는 전기화학적 신호를 실시간으로 측정하도록 구현된 전기화학적 신호 측정 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
제1항에 있어서,
제1 PCR 칩이 상기 PCR 열 블록과 순차적인 열 접촉이 진행된 후 제2 PCR 칩이 상기 PCR 열 블록과 열 접촉을 개시하도록 구동가능하게 연결된, 복수의 PCR 칩을 수용하는 칩 대기부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.