KR20170045982A

KR20170045982A - 복수의 열 블록을 관통하는 반응 튜브를 포함하는 pcr 장치

Info

Publication number: KR20170045982A
Application number: KR1020150146205A
Authority: KR
Inventors: 김은근; 문태일; 임태근; 황도윤
Original assignee: 주식회사 퀀타매트릭스
Priority date: 2015-10-20
Filing date: 2015-10-20
Publication date: 2017-04-28
Also published as: KR102510230B1

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따라, PCR 장치가 제공된다. 상기 장치는 서로 상이한 온도를 유지하며, 이격하여 배치되는 복수의 열 블록; 및 상기 복수의 열 블록을 소정의 방향으로 연속하여 관통하며, 내부에 반응 유체를 수용하는 적어도 하나의 반응 튜브를 포함하고, 상기 반응 유체가 상기 반응 튜브를 따라 상기 복수의 열 블록을 순차적으로 통과함으로써, PCR 반응이 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.

Description

복수의 열 블록을 관통하는 반응 튜브를 포함하는 PCR 장치{PCR DEVICE COMPRISING REACTION TUBE PASSING THROUGH PLURAL HEATING BLOCKS}

본 발명은 복수의 열 블록을 관통하는 반응 튜브를 포함하는 PCR 장치에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 상이한 온도를 유지하는 복수의 열 블록을 관통하는 구조의 반응 튜브를 이용하여 반응 유체가 열 블록 내부를 순차적으로 통과하도록 제어함으로써, PCR 수행 속도를 향상시킬 수 있는 PCR 장치에 관한 것이다.

중합효소 연쇄 반응, 즉 PCR(Polymerase Chain Reaction)은 핵산을 포함하는 샘플 용액을 반복적으로 가열 및 냉각하여 핵산의 특정 염기 서열을 갖는 부위를 연쇄적으로 복제하여 그 특정 염기 서열 부위를 갖는 핵산을 기하급수적으로 증폭하는 기술로써, 구체적으로 변성(Denaturation), 어닐링(Annealing) 및 연장(Extension) 등의 일련의 온도 효소 반응 단계로 진행될 수 있다. PCR은 생명과학, 유전공학 및 의료 분야 등에서 분석 및 진단 목적으로 널리 사용되고 있다.

최근 이러한 PCR을 수행하기 위한 PCR 장치가 다양하게 개발되고 있다. 일 예에 의한 PCR 장치는 하나의 반응 챔버에 핵산을 포함하는 샘플 용액을 포함하는 용기를 장착하고, 이러한 용기를 반복적으로 가열 및 냉각하여 PCR 반응을 수행한다. 그러나, 상기 일 예에 의한 PCR 장치는 하나의 반응 챔버를 구비하기 때문에 전체 구조가 복잡하진 않지만, 정확한 온도 제어를 위한 복잡한 회로를 구비해야 하고, 하나의 반응 챔버에 대한 반복적인 가열 및 냉각으로 인해 전체 PCR 반응의 전체 시간이 길어질 수 밖에 없다. 또한, 다른 일 예에 의한 PCR 장치는 PCR 반응을 위한 온도를 갖는 복수 개의 온도 영역을 구비하고, 이들 온도 영역에 열 접촉되는 단일 유로를 통해 핵산을 포함하는 샘플 용액을 흐르게 하여 PCR 반응을 수행한다. 그러나, 상기 다른 일 예에 의한 PCR 장치는 복수 개의 온도 영역을 이용하기 때문에 온도 제어를 위한 복잡한 회로가 요구되진 않지만, 고온 및 저온의 온도 영역에 대하여 샘플 용액이 반복하여 열 접촉하기 위해서는 긴 유로가 반드시 필요하므로 전체 구조가 복잡할 수 밖에 없다는 문제점이 있다.

따라서, 전체 구조가 단순하고, 전체 PCR 반응 시간을 최소화할 뿐만 아니라, 신뢰할 수 있는 PCR 반응 수율을 얻을 수 있는 소형화된 PCR 장치의 필요성이 대두되고 있다.

본 발명은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 상이한 온도를 유지하는 복수의 열 블록을 관통하는 구조의 반응 튜브를 이용하여 반응 유체가 열 블록 내부를 순차적으로 통과하도록 제어함으로써, PCR 수행 속도를 향상시킬 수 있는 PCR 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

바람직하게는, 상기 반응 유체는 상기 복수의 열 블록을 반복하여 통과함으로써, PCR 반응이 수행될 수 있다.

또한, 바람직하게는, 상기 반응 유체는 드롭릿(droplet) 형태로 구성될 수 있다.

또한, 바람직하게는, 상기 복수의 열 블록은 제 1 열 블록 및 제 2 열 블록을 포함하고, 상기 제 1 열 블록은 PCR 반응의 변성 단계 온도를 유지하며, 상기 제 2 열 블록은 PCR 반응의 어닐링/연장 단계 온도를 유지할 수 있다.

또한, 바람직하게는, 상기 복수의 열 블록은 제 1 열 블록, 제 2 열 블록 및 제 3 열 블록을 포함하고, 상기 제 1 열 블록은 PCR 반응의 변성 단계 온도를 유지하며, 상기 제 2 열 블록은 PCR 반응의 어닐링 단계 온도를 유지하고, 상기 제 3 열 블록은 PCR 반응의 연장 단계 온도를 유지할 수 있다.

또한, 바람직하게는, 상기 반응 튜브는 적어도 일부가 광투과성 재질로 구성될 수 있다.

또한, 바람직하게는, 상기 반응 튜브에 수용된 반응 유체의 상기 복수의 열 블록 간의 이동을 제어하기 위한 유체 제어 유닛을 더 포함할 수 있다.

또한, 바람직하게는, 상기 유체 제어 유닛은 상기 반응 튜브 각각에 수용된 반응 유체의 이동을 개별 제어할 수 있다.

또한, 바람직하게는, 상기 유체 제어 유닛은 상기 반응 튜브 내의 반응 유체의 위치를 감지하는 위치 감지부; 및 상기 위치 감지부의 감지 결과에 기초하여, 상기 반응 유체를 이동시키는 구동부를 포함할 수 있다.

또한, 바람직하게는, 상기 위치 감지부는 상기 반응 유체에 대한 영상 정보를 생성하는 촬영부를 포함하고, 상기 영상 정보를 기초로 상기 반응 유체의 위치를 감지할 수 있다.

또한, 바람직하게는, 상기 구동부는 상기 반응 튜브의 일단에 결합되어, 상기 반응 유체의 이동을 위한 압력을 제공하는 펌프를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 이격 배치되어 상호 열 교환이 발생하지 않는 2 또는 3 개의 열 블록이 각각 핵산 증폭의 각 단계에 적합한 단일 온도를 유지하도록 구성되므로 정확한 온도 구현이 가능하고, 반응 유체의 온도 변화에 요구되는 시간을 최소화함으로써, PCR 반응 시간을 크게 단축할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 관통형 반응 튜브를 통해 반응 유체가 열 블록의 내부를 순차적으로 통과하면서 가열 및 냉각되도록 구현됨으로써, 반응 유체로의 열 전달 효율을 극대화하고, 전체적인 반응 속도를 증대시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 복수의 반응 튜브를 통해 다수의 샘플에 대한 다중 PCR 수행이 가능하며, 열 블록, 유체 채널, 제어 유닛 등의 구조가 단순화 됨으로써, 소형화된 PCR 장치의 구현이 가능하다.

본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치를 이용한 핵산 증폭 반응의 수행을 예시적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치에 있어서 히팅 유닛의 제작예를 도시한다.

이하, 본 발명에 따른 실시예들은 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 실시예들을 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.

본 발명에 따른 PCR 장치는 특정 염기 서열을 갖는 다양한 핵산을 증폭하는 PCR(Polymerase Chain Reaction)을 수행하기 위한 장치이다. 구체적으로, PCR 장치는 특정 염기 서열을 갖는 DNA(deoxyribonucleic acid)를 증폭하기 위해, 이중 가닥의 DNA를 포함하는 샘플 용액을 특정 온도, 예를 들어 약 95℃로 가열하여 이중 가닥의 DNA를 단일 가닥의 DNA로 분리하는 변성 단계(denaturing step), 샘플 용액에 증폭하고자 하는 특정 염기 서열과 상보적인 서열을 갖는 올리고뉴클레오티드(oligonucleotide) 프라이머를 제공하고, 분리된 단일 가닥의 DNA와 함께 특정 온도, 예를 들어 55℃로 냉각하여 단일 가닥의 DNA의 특정 염기 서열에 프라이머를 결합시켜 부분적인 DNA-프라이머 복합체를 형성하는 어닐링 단계(annealing step), 및 어닐링 단계 이후 샘플 용액을 적정 온도, 예를 들어 72℃로 유지하여 DNA 중합효소(polymerase)에 의해 부분적인 DNA-프라이머 복합체의 프라이머를 기초로 이중 가닥의 DNA를 형성하는 연장 단계(extension step)를 수행하고, 3 단계를 예를 들어, 20회 내지 40회로 반복함으로써 특정 염기 서열을 갖는 DNA를 기하급수적으로 증폭할 수 있다. 또한, 경우에 따라, PCR 장치는 어닐링 단계와 연장 단계를 동시에 수행할 수 있고, 이 경우 PCR 장치는 변성 단계와 어닐링/연장 단계로 구성된 2 단계를 수행함으로써, 제 1 순환을 완성할 수도 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치를 도시한다.

도 1을 참조하면, 본 발명이 일 실시예에 따른 PCR 장치(100)는 히팅 유닛(110), 반응 튜브(120) 및 유체 제어 유닛(130, 140)을 포함할 수 있다.

히팅 유닛(110)은 반응 유체(10)를 핵산 증폭을 수행하기 위한 소정의 온도로 가열 또는 냉각하기 위한 것으로서, 상이한 온도를 유지하는 복수의 열 블록(112, 114, 116)으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 히팅 유닛(110)은, 도 1에서 도시되는 바와 같이, 3 개의 열 블록(112, 114, 116), 즉, 제 1 열 블록(112), 제 2 열 블록(114) 및 제 3 열 블록(116)으로 구성될 수 있다. 이때, 제 1 내지 제 3 열 블록(112, 114, 116)은 각각 핵산 증폭을 수행하기 위한 변성 단계 온도, 어닐링 단계 온도 및 연장 단계 온도(즉, 3 단계 PCR을 수행하기 위한 온도)를 유지하도록 구현될 수 있다. 여기서, 변성 단계 온도는 85℃ 내지 105℃, 바람직하게는 95℃이고, 어닐링 단계 온도는 40℃ 내지 60℃, 바람직하게는 55℃이고, 연장 단계를 수행하기 위한 온도는 50℃ 내지 80℃, 바람직하게는 72℃일 수 있다. 또한, 예를 들어, 히팅 유닛(110)은 2 개의 열 블록(112, 114, 116), 즉, 제 1 열 블록(112) 및 제 2 열 블록(114)으로 구성될 수 있다. 이때, 제 1 내지 제 2 열 블록(112, 114)은 각각 변성 단계 온도 및 어닐링/연장 단계 온도(즉, 2 단계 PCR을 수행하기 위한 온도)를 유지하도록 구현될 수 있다. 여기서, 변성 단계 온도는 85℃ 내지 105℃, 바람직하게는 95℃이고, 어닐링/연장 단계 온도는 50℃ 내지 80℃, 바람직하게는 72℃일 수 있다. 종래 단일 열 블록을 이용하는 PCR 장치는 정확한 온도 제어에 어려움이 있을 뿐만 아니라 핵산 증폭의 각 단계에 적합한 온도 변화에 상당한 시간이 소모됨에 반해, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치(100)는 2 또는 3 개의 열 블록(112, 114, 116)이 각각 핵산 증폭의 각 단계에 적합한 단일 온도를 유지하도록 구성되므로 정확한 온도 구현이 가능하고, 반응 유체(10)의 온도 변화에 요구되는 시간을 최소화함으로써, PCR 반응 시간을 크게 단축할 수 있게 된다.

복수의 열 블록(112, 114, 116)은, 예를 들어, 기판(도 5의 118) 상에 소정의 간격으로 서로 이격하여 배치될 수 있다. 이때, 기판(도 5의 118)은 열 블록(112, 114, 116)의 가열 및 온도 유지로 인해 그 물리적 및/또는 화학적 성질이 변하지 않고, 인접하여 배치되는 열 블록(112, 114, 116) 사이에서 상호 열 교환이 일어나지 않도록 하는 재질을 갖는 모든 물질을 포함한다. 예를 들어, 기판(도 5의 118)은 플라스틱 등의 재질을 적어도 일부 포함하거나 그러한 재질로 구성될 수 있다. 이와 같이, 복수의 열 블록(112, 114, 116)이 상호 열 교환이 일어나지 않도록 이격 배치됨으로써, 미세한 온도 변화에 의해서도 중대한 영향을 받을 수 있는 핵산 증폭 반응에 있어서, 각 단계에 대한 정확한 온도 제어가 가능하다.

복수의 열 블록(112, 114, 116)은 상기 핵산 증폭을 위한 각 단계들에 요구되는 필요한 온도를 제공하고, 이를 유지하기 위한 다양한 모듈을 포함하거나 또는 그러한 모듈과 구동 가능하게 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 열 블록(112, 114, 116)은 그 내부에 열선(미도시)이 배치될 수 있다. 이러한 열선은 다양한 열원과 구동 가능하게 연결될 수 있고, 열선의 온도를 모니터링하기 위한 다양한 온도 센서와 구동 가능하게 연결될 수 있다. 또한, 일 실시예에서, 열 블록(112, 114, 116)은 그 내부 또는 일면에 접하여 펠티어 히터(peltier heater, 미도시) 및/또는 박막 히터(film heater, 미도시)가 배치될 수도 있다. 한편, 이러한 열선, 펠티어 히터 및/또는 박막 히터 등은 열 블록(112, 114, 116)의 내부 온도를 전체적으로 일정하게 유지하기 위해 각각의 열 블록(112, 114, 116) 면의 중심점을 기준으로 상하 및/또는 좌우 방향으로 일정한 간격으로 이격 배치될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며, 본 발명이 적용되는 실시예에 따라, 배치 구조는 다양하게 변형될 수 있다.

복수의 열 블록(112, 114, 116)은 동일한 면적에 대한 고른 열 분포 및 신속한 열 전달을 위해 금속 재질, 예를 들어 알루미늄 재질을 적어도 일부 포함하거나 또는 알루미늄 재질로 구성될 수 있다.

반응 튜브(120)는 내부에 핵산 증폭 반응을 수행하기 위한 반응 유체(10)를 수용할 수 있다. 여기서 반응 유체(10)는 표적 핵산(예를 들어 이중 가닥 DNA)을 포함하는 샘플 유체와 특정 염기 서열과 상보적인 서열을 갖는 올리고뉴클레오티드 프라이머, DNA 중합효소, 삼인산화데옥시리보뉴클레오티드 (deoxyribonucleotide triphosphates, dNTP), PCR 반응 완충액(PCR reaction buffer) 등을 포함하는 PCR 반응 용액으로 구성될 수 있다. 반응 유체(10)는, 도 1에서 도시되는 바와 같이, 드롭릿(droplet) 형태로 구현될 수 있다. 이때, 드롭릿 형태의 반응 유체(10)의 반응 튜브(120)로의 주입은 당해 분야에서 알려진 다양한 방식에 의해 수행될 수 있다. 즉, 예를 들어, 유체 제어 유닛(특히, 구동부(140))을 구동시켜 반응 튜브(120)의 일단을 통해 소량의 미네랄 오일(mineral oil)을 먼저 소량 주입하고, 이어서 반응 유체(10)를 일정량 주입한 이후 다시 소량의 미네랄 오일을 주입하여 반응 유체(10)의 양측에 미네랄 오일로 구성된 플러그(plug)를 형성시키는 방식으로 반응 유체(10)는 반응 튜브(120) 내에 드롭릿 형태로 수용될 수 있다. 이와 같이, 미네랄 오일로 이루어진 플러그를 형성하는 경우, 공기 및 오염 물질의 유입에 따른 영향을 방지할 수 있게 된다.

반응 튜브(120)는 이격하여 배치되는 복수의 열 블록(112, 114, 116)을 소정의 방향으로 연속하여 관통하도록 히팅 유닛(110)에 결합될 수 있다. 구체적으로, 복수의 열 블록(112, 114, 116)에는 반응 튜브(120)에 대응하는 관통홀(도 5의 20)이 각각 형성될 수 있으며, 반응 튜브(120)가 각각의 열 블록(112, 114, 116)에 형성된 이러한 관통홀(도 5의 20)에 차례로 삽입됨으로써, 복수의 열 블록(112, 114, 116)을 연속하여 관통하는 형태로 히팅 유닛(110)에 결합되게 된다. 따라서, 반응 튜브(120) 내에 수용된 반응 유체(10)는 반응 튜브(120) 따라 상이한 온도를 유지하는 복수의 열 블록(112, 114, 116)의 내부를 순차적으로 반복 통과함으로써, PCR 반응을 수행할 수 있게 된다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치(100)는 관통형 반응 튜브(120)를 통해 반응 유체(10)가 열 블록(112, 114, 116)의 내부에서 가열 및 냉각되도록 구현됨으로써, 반응 유체(10)로의 열 전달 효율을 극대화하고, 전체적인 반응 속도를 증대시킬 수 있다.

반응 튜브(120)는, 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), 폴리에틸렌텔레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE) 및 그의 조합물로 구성된 군으로부터 선택되는 재질일 수 있다. 한편, 반응 튜브(120)는 적어도 일부가 광투과성 재질로 구성될 수 있다. 특히, 반응 튜브(120) 중 열 블록(112, 114, 116) 사이의 이격 공간을 통해 외부로 노출되는 영역, 반응 유체(10)가 히팅 유닛(110) 도입되는 일측 말단의 열 블록(즉, 제 1 열 블록(112))으로부터 소정의 범위의 영역 등의 경우, 이하 상술되는 바와 같이, 위치 감지부(130)가 반응 유체(10)의 위치에 대한 감지를 수행할 수 있도록 소정의 투명도를 가지는 광투과성 재질로 구성됨이 바람직하다.

또한, 본 발명이 적용되는 실시예에 따라, 반응 튜브(120)의 일부 영역(예를 들어, 열 블록(112, 114, 116)의 내부에 삽입되는 영역)은 소정의 금속 막으로 코팅되도록 구현될 수 있다. 이와 같이, 열 블록(112, 114, 116)을 통과하는 반응 튜브(120)의 외곽을 금속 막으로 코팅함으로써, 반응 튜브(120) 내부에 수용된 반응 유체(10)로의 열 전달력을 보다 증대시킬 수 있게 된다.

유체 제어 유닛(130, 140)은 반응 유체(10)의 복수의 열 블록(112, 114, 116) 간의 이동을 제어하기 위한 것으로서, 위치 감지부(130) 및 구동부(140)를 포함할 수 있다.

위치 감지부(130)는 반응 튜브(120) 내에 수용된 반응 유체(10)의 위치, 즉, 반응 유체(10)가 현재 통과 또는 체류 중인 열 블록(112, 114, 116)을 감지할 수 있다. 이러한 반응 유체(10)의 위치 감지는 촬영부(미도시)에 의해 촬영된 반응 유체(10)에 대한 영상 정보를 기초로 수행될 수 있다. 구체적으로, 위치 감지부(130)는, 예를 들어, 최소형 카메라 모듈 등으로 구성되는 촬영부를 포함할 수 있으며, 열 블록(112, 114, 116) 사이의 이격 공간을 통해 노출된 반응 튜브(120) 영역 및/또는 반응 유체(10)가 히팅 유닛(110) 도입되는 제 1 열 블록(112)으로부터 업스트림(upstream) 방향으로 소정의 범위의 영역을 촬영하여 영상 정보를 생성할 수 있다. 이어서, 위치 감지부(130)는 촬영된 영상 정보를 분석하여, 복수의 열 블록(112, 114, 116) 중 임의의 열 블록(112, 114, 116)로의 반응 유체(10)의 진입 및 탈출 여부를 판단함으로써, 반응 유체(10)가 현재 통과 또는 체류 중인 열 블록(112, 114, 116)을 감지하게 된다.

구동부(140)는 반응 튜브(120)의 일단에 결합되어 압력(즉, 양압 및/또는 음압)을 제공할 수 있는 펌프(미도시)를 포함하고, 위치 감지부(130)의 감지 결과를 기초로 반응 유체(10)를 이동시킬 수 있다. 즉, 구동부(140)는 위치 감지부(130)의 위치 감지 결과에 따라 반응 유체(10)가 임의의 열 블록(112, 114, 116)에서 소정의 시간 동안 체류한 것으로 판단되면, 반응 튜브(120)에 양압 또는 음압을 가함으로써 반응 유체(10)를 핵산 증폭 반응의 다음 단계 수행을 위한 열 블록(112, 114, 116)으로 이동시키게 된다. 예를 들어, 이하 도 2를 참조하여 상술되는 바와 같이, 반응 유체(10)가 제 1 열 블록(112)에 도입된 이후 소정의 시간이 지나면, 구동부(140)는 어닐링 단계의 수행을 위해 반응 튜브(120)에 음압을 가하여 반응 유체(10)를 제 2 열 블록(114)으로 이동시키는 등의 방식으로 반응 유체(10)의 이동을 제어하게 된다. 구동부(140)는, 바람직하게는, 소형의 시린지 펌프(syringe pump)를 이용하여 구현될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며, 본 발명이 적용되는 실시예에 따라, 압전구동 펌프(piezoelectric pump), 자성유체 펌프(ferrofluidic magnetic pump), 동전기 펌프(electrokinetic micropump), 유압 펌프(pneumatic micropump) 등 당해 분야에서 적용 가능한 다양한 펌프를 적용하여 구현될 수 있다.

한편, 도 1에서는 도시되어 있지 않으나, 본 발명이 적용되는 실시예에 따라, 히팅 유닛(110)을 구성하는 복수의 열 블록(112, 114, 116)은 반응 튜브(120)의 관통 방향을 따라 서로 상이한 두께를 가지도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 반응 유체(10)가 일 방향 또는 양 방향으로 일정한 속도로 이동되도록 제어되는 경우, 이와 같이 열 블록(112, 114, 116)의 두께를 상이하게 하여 각 열 블록(112, 114, 116)을 통과하는 시간을 조절함으로써, 핵산 증폭의 각 단계가 수행되는 시간을 조절할 수 있게 된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치를 이용한 핵산 증폭 반응의 수행을 예시적으로 도시한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치(100)에서 반응 유체(10)는 상이한 온도를 유지하는 복수의 열 블록(112, 114, 116)을 순차적으로 반복 통과함으로써, 핵산 증폭 반응(즉, PCR)을 수행할 수 있다. 도 2에서는 설명의 편의를 위해 히팅 유닛(110)이 3 개의 열 블록(112, 114, 116)으로 구성됨을 전제로 상술한다.

도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치(100)의 핵산 증폭 반응의 수행 과정을 상술하면 다음과 같다.

먼저, 제 1 열 블록 내지 제 3 열 블록(112, 114, 116)을 각각 변성 단계, 어닐링 단계 및 연장 단계에 적합한 온도, 예를 들어, 95℃, 55℃ 및 72℃로 가열 및 유지하는 단계를 수행한다. 그 후 또는 이와 동시에, 반응 튜브(120)의 일단에 샘플 유체 및 PCR 반응 용액을 포함하는 반응 유체(10)를 드롭릿 형태로 주입한다. 이때, 상술된 바와 같이, 반응 유체(10)의 양측에는 소량의 미네랄 오일로 구성된 플러그가 형성될 수 있다.

그 후, 구동부(140)를 제어하여 소정의 음압을 가함으로써, 반응 튜브(120) 내의 반응 유체(10)를 제 1 열 블록(112)의 내부로 이동시킨다.

이어서, 반응 유체(10)를 제 1 블록(112) 내부에 소정의 시간 동안 체류시킴으로써, PCR의 제 1 변성 단계를 수행한다. 상기 시간이 경과하면, 다시 구동부(140)를 제어하여 소정의 음압을 가함으로써, 반응 유체(10)를 제 1 열 블록(112)으로부터 제 2 열 블록(114)으로 이동시켜 제 1 변성 단계를 종료한다(x 단계).

이어서, 반응 유체(10)를 제 2 열 블록(114)의 내부에서 소정의 시간 동안 체류시킴으로써, PCR의 제 1 어닐링 단계를 수행한다. 상기 시간이 경과하면, 다시 구동부(140)를 제어하여 소정의 음압을 가함으로써, 반응 유체(10)를 제 2 열 블록(114)으로부터 제 3 열 블록(116)로 이동시켜 제 1 어닐링 단계를 종료한다(y 단계).

이어서, 반응 유체(10)를 제 3 열 블록(116)의 내부에서 소정의 시간 동안 체류시킴으로써, PCR의 제 1 연장 단계를 수행한다. 상기 시간이 경과하면, 다시 구동부(140)를 제어하여 소정의 양압을 가함으로써, 반응 유체(10)를 제 3 열 블록(116)으로부터 제 1 열 블록(112)로 이동시켜 제 1 연장 단계를 종료한다(z 단계). 이때, 이동 과정에서 제 2 열 블록(114)의 온도에 의한 영향을 최소화 하기 위해, 제 3 열 블록(116)으로부터 제 1 열 블록(112)로의 이동은 제 1 열 블록(112)에서 제 2 열 블록(114)으로의 이동 및 제 2 열 블록(114)에서 제 3 열 블록(116)으로의 이동 보다 상당히 빠른 속도로 수행됨이 바람직하다.

이후, 상기 x, y, z 단계를 소정의 횟수(바람직하게는, 20 내지 40회) 반복함으로써, 핵산 증폭 반응을 수행한다(순환 단계). 한편, 각각의 열 블록(112, 114, 116)에서의 반응 유체(10)의 체류 시간은 본 발명이 적용되는 실시예에 따라 동일 또는 각각 개별적으로 다양하게 변형되어 적용될 수 있다.

이상에서는 핵산 증폭의 1 순환 수행을 위해 하나의 열 블록(112, 114, 116)의 내부에 반응 유체(10)를 정지시켜 소정의 시간 동안 체류하게 한 다음 해당 시간이 경과하면 다시 구동부(140)를 구동하여 다음 단계의 열 블록(112, 114, 116)의 내부로 이동 및 체류하게 하는 방식으로 반응 유체(10)의 이동을 제어하는 것으로 상술하고 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며, 본 발명이 적용되는 실시예에 따라, 반응 유체(10)는 일정한 양압 또는 음압을 통해 핵산 증폭의 1 순환 동안 소정의 방향으로 일정한 속도로 연속하여 이동하게 하는 방식으로 제어될 수 있다. 이 경우, 각 열 블록(112, 114, 116)의 두께를 상이하게 형성함으로써, 각 열 블록(112, 114, 116)에 대한 반응 유체(10)의 통과 시간을 조절할 수 있음은 앞에서 상술한 바와 같다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치를 도시한다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치(200)는 복수의 반응 튜브(220-1, 220-2)가 히팅 유닛(110)에 결합됨으로써, 다중 PCR 장치로 구현될 수 있다.

즉, 히팅 유닛(110)을 구성하는 복수의 열 블록(112, 114, 116)에는 각각의 반응 튜브(220-1, 220-2)가 삽입되는 복수의 관통홀(도 5의 20)이 형성될 수 있으며, 이러한 관통홀(도 5의 20)을 통해 각각의 반응 튜브(220-1, 220-2)가 삽입되어, 도 3에서 도시되는 바와 같이, 복수의 열 블록(112, 114, 116)을 연속적으로 관통하도록 히팅 유닛(110)에 결합되게 된다.

한편, 유체 제어 유닛(130, 240-1, 204-2)은 반응 튜브(220-1, 220-2) 각각에 수용된 반응 유체(10)의 이동을 개별 제어하도록 구현될 수 있다. 즉, 반응 튜브(220-1, 220-2)의 일단에는 구동부(240-1, 240-2)가 각각 개별 결합될 수 있으며, 위치 감지부(130)는 각각의 반응 튜브(220-1, 220-2) 내부에서의 반응 유체(10)의 위치를 개별적으로 감지하도록 구현될 수 있다. 따라서, 각각의 구동부(240-1, 240-2)는 위치 감지부(130)의 감지 결과에 따라, 자신이 결합된 반응 튜브(220-1, 220-2)에 양압 또는 음압을 가함으로써, 반응 유체(10)의 이동을 개별 제어하게 된다. 이로 인해, 각 반응 튜브(220-1, 220-2)에 수용된 반응 유체(10)는 동일한 시점에 서로 상이한 단계의 핵산 증폭 단계를 수행할 수 있게 된다.

다만, 이러한 유체 제어 유닛(130, 240-1, 204-2)의 구성은 예시적인 것으로서, 본 발명이 적용되는 실시예에 따라, 반응 튜브(220-1, 220-2)에 하나의 구동부만이 결합되어, 전체 반응 튜브(220-1, 220-2)의 반응 유체(10)가 동시에 이동 제어되도록 구현되는 등 다양한 형태로 변형되어 구성될 수 있다. 또한, 도 3에서는 2 개의 반응 튜브(220-1, 220-2)가 구비되는 것으로 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것이며, 3 개 이상의 반응 튜브(220-1, 220-2)가 구비되도록 구현될 수 있음은 물론이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치를 도시한다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치(300)는 반응 튜브(320)가 루프 형태를 이루도록 구현될 수 있다. 이 경우, 반응 유체(10)는 반응 튜브(320)를 따라 일 방향으로 연속 순환하도록 제어됨으로써, 핵산 증폭을 위한 각 단계가 반복 수행될 수 있다. 즉, 구동부(340)가 일정한 양압 또는 음압을 반응 튜브(320)에 지속적으로 가하면, 반응 튜브(320)에 도입된 반응 유체(10)는 일정한 속도를 가지고 루프 형태의 반응 튜브(320)를 따라 일 방향으로 연속 순환하게 되며, 이러한 순환 과정에서 반응 유체(10)가 복수의 열 블록(112, 114, 116)을 제 1 열 블록(112), 제 2 열 블록(114) 및 제 3 열 블록(116) 순으로 반복 통과하게 됨으로써, 핵산 증폭을 위한 각 단계를 반복 수행할 수 있게 된다.

이와 같이, 루프 형태의 반응 튜브(320)를 통해 반응 유체(10)를 일 방향으로 연속 순환시켜 핵산 증폭을 수행하도록 구현되는 경우, 단순히 구동부(340)를 통해 반응 튜브(320)에 일정한 압력을 지속적으로 가해주는 것만으로 반응 유체(10)에 대한 이동 제어가 완료될 수 있기 때문에, 반응 유체(10)에 대한 위치 감지의 필요가 없어 보다 용이하게 반응 유체(10)에 대한 이동 제어가 가능하게 된다.

또한, 도 4에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치(300)는 드롭릿 형태로 구현된 복수의 반응 유체(10)를 하나의 반응 튜브(320) 내에서 이격 배치시켜 반응 튜브(320)를 따라 동시에 순환하도록 구현될 수 있다. 이를 통해, 하나의 반응 튜브(320) 내에서 복수의 반응 유체(10)에 대하여 동시에 핵산 증폭을 수행할 수 있게 됨으로써, 반응 처리 속도를 보다 증대시킬 수 있다는 장점을 가질 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치에 있어서 히팅 유닛의 제작예를 도시한다.

도 5를 참조하면, 히팅 유닛(110)은 기판(118) 상에 이격 배치되는 복수의 열 블록(112, 114, 116)을 포함할 수 있다. 이때, 열 블록(112, 114, 116)은, 앞에서 상술한 바와 같이, 각각 변성 단계 온도(예를 들어, 95°C), 어닐링 단계 온도(예를 들어, 55°C) 및 연장 단계 온도(예를 들어, 72°C)를 유지하는 3 개의 열 블록(112, 114, 116)으로 구성되거나, 변성 단계 온도(예를 들어, 95°C) 및 어닐링/연장 단계 온도(예를 들어, 72°C)를 유지하는 2 개의 열 블록(112, 114, 116)으로 구성될 수 있다.

한편, 각각의 열 블록(112, 114, 116)에는 반응 튜브(120)를 삽입시키기 위한 1 이상의 관통홀(20)이 열 블록(112, 114, 116)의 양 측면을 관통하여 형성될 수 있으며, 상측으로 열 블록(112, 114, 116)의 온도를 모니터링 및 제어하기 위한 열전대(thermocouple) 온도 센서, RTD 등의 온도 센서(30)가 장착될 수 있다. 또한, 열 블록(112, 114, 116)의 내부에는 가열원으로서, 열선, 펠티어 히터 및/또는 박막 히터가 소정의 구조로 배치될 수 있다.

다만, 도 5에서 도시되는 히팅 유닛(110)의 형상이나 구조는 예시적인 것으로서, 본 발명이 적용되는 실시예에 따라 다양한 형상이나 구조의 히팅 유닛(110)이 이용될 수 있다.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims

PCR(Polymerase Chain Reaction) 장치로서,
서로 상이한 온도를 유지하며, 이격하여 배치되는 복수의 열 블록; 및
상기 복수의 열 블록을 소정의 방향으로 연속하여 관통하며, 내부에 반응 유체를 수용하는 적어도 하나의 반응 튜브를 포함하고,
상기 반응 유체가 상기 반응 튜브를 따라 상기 복수의 열 블록을 순차적으로 통과함으로써, PCR 반응이 수행되는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 반응 유체는 상기 복수의 열 블록을 반복하여 통과함으로써, PCR 반응이 수행되는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 반응 유체는 드롭릿(droplet) 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 열 블록은 제 1 열 블록 및 제 2 열 블록을 포함하고,
상기 제 1 열 블록은 PCR 반응의 변성 단계 온도를 유지하며, 상기 제 2 열 블록은 PCR 반응의 어닐링/연장 단계 온도를 유지하는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 열 블록은 제 1 열 블록, 제 2 열 블록 및 제 3 열 블록을 포함하고,
상기 제 1 열 블록은 PCR 반응의 변성 단계 온도를 유지하며, 상기 제 2 열 블록은 PCR 반응의 어닐링 단계 온도를 유지하고, 상기 제 3 열 블록은 PCR 반응의 연장 단계 온도를 유지하는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 반응 튜브는 적어도 일부가 광투과성 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 반응 튜브에 수용된 반응 유체의 상기 복수의 열 블록 간의 이동을 제어하기 위한 유체 제어 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 유체 제어 유닛은 상기 반응 튜브 각각에 수용된 반응 유체의 이동을 개별 제어하는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
제 7 항에 있어서, 상기 유체 제어 유닛은,
상기 반응 튜브 내의 반응 유체의 위치를 감지하는 위치 감지부; 및
상기 위치 감지부의 감지 결과에 기초하여, 상기 반응 유체를 이동시키는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 위치 감지부는 상기 반응 유체에 대한 영상 정보를 생성하는 촬영부를 포함하고, 상기 영상 정보를 기초로 상기 반응 유체의 위치를 감지하는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 구동부는 상기 반응 튜브의 일단에 결합되어, 상기 반응 유체의 이동을 위한 압력을 제공하는 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.