KR20180087892A - 고속 핵산증폭 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핵산 증폭 장치에 관한 것으로서, 온도변화를 필요로 하는 화학/생화학 반응을 위해 반응 용기 내의 반응물을 빠르게 가열, 냉각하여 고속의 핵산 증폭이 가능한 핵산 증폭 장치에 관한 것이다.

Description

고속 핵산증폭 장치 {Device for high-speed amplification of nucleic acid molecules}

본 발명은 온도변화를 필요로 하는 화학/생화학 반응을 위해 반응 용기 내의 반응물을 빠르게 가열, 냉각할 수 있는 고속 핵산증폭 장치에 관한 것이다.

PCR (polymerase chain reaction, 중합효소연쇄반응)은 생물학적 시료 등에서 특정 핵산을 선택적으로 증폭할 수 있는 기술로, 이 과정에서 시료를 포함하는 반응물은 보통 수십회의 반복적인 가열 및 냉각을 필요로 한다. 핵산증폭 반응에서 전체 반응 시간을 결정하는 중요한 요소 중 하나는 반응물을 소정의 온도로 가열 또는 소정 온도로 냉각하는데 걸리는 시간이다. 따라서 이러한 방법에 사용되는 장치는 주기적으로 온도를 가열 및 냉각할 수 있는 모듈을 구비하고 있으며, 온도 조절의 정밀성 및/또는 신속성을 개선한다는 측면에서 개발되고 있다.

최근에는 핵산 증폭이 농업, 축산, 환경 및 의료 분야에서 대량의 샘플 처리에 사용되는 추세이기 때문에, 이에 맞추어 고속으로 신속한 반응을 수행할 수 있는 장치의 개발을 필요로 한다.

미국 공개특허 US6565815

본 발명의 기술적 과제는, 반복적 온도변화를 필요로 하는 핵산증폭 반응에서 반응 용기 내의 반응물을 빠르게 가열, 냉각할 수 있어 신속한 핵산증폭이 가능한 고속 핵산증폭 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 핵산증폭 장치는, 증폭 반응이 일어나는 반응물 또는 반응용액의 온도를 신속하게 조절하여 고속의 핵산증폭이 가능한 핵산증폭 장치로서, 상기 장치는 상기 반응물이 담겨지는 튜브를 위치 고정시키는 홀더; 상기 반응물을 가열시키는 가열 모듈; 상기 가열 모듈 또는 상기 홀더를 이동시켜서 상기 가열 모듈과 상기 홀더 사이의 거리가 가변하도록 하는 구동 모듈; 및 상기 홀더에 위치한 튜브를 냉각시키는 냉각 모듈;을 포함한다.

바람직하게는, 상기 가열 모듈은, 열을 생성하는 히터, 상기 히터와 연결된 가열 블록을 포함하며, 상기 가열 블록은 상기 히터에 의해 가열되고, 상기 가열 블록은 하나 이상의 함몰부를 포함하여 상기 함몰부는 상기 튜브의 적어도 일 부분이 투입될 수 있게 구성되며, 상기 구동 모듈은 상기 홀더 또는 상기 가열 모듈을 이동시켜서 상기 함몰부와 상기 튜브 사이의 거리를 가변하도록 구성된다.

바람직하게는, 상기 가열 블록은 상기 홀더의 아래에 배치되고, 상기 구동 모듈은 상기 가열 블록을 상하 방향으로 이동시키며, 상기 홀더는 소정의 내경을 갖고 상하 방향으로 관통되며 하나 이상의 탑재구를 포함하여 상기 탑재구에 상기 튜브가 탑재되되 상기 튜브의 하부분이 하방향으로 노출되게 구성되며, 상기 가열 블록이 상승하면 상기 함몰부 내에 상기 튜브의 하부분이 투입되며, 상기 가열 블록이 하강하면 상기 함몰부로부터 상기 튜브의 하부분이 이격되어 노출되는 구성을 갖는다.

바람직하게는, 상기 가열 모듈은, 상기 히터의 측부에 배치되는 가이드부를 더 포함하며, 상기 가이드부는, 상하 방향으로 관통된 홀을 갖는 가이드 관, 상기 가이드 관의 홀에 삽입되며 상하 방향으로 연장되는 가이드 빔, 및 상기 가이드 관 상에 위치하며 상기 가이드 빔이 내삽되는 탄성 스프링을 포함한다.

바람직하게는, 상기 냉각 모듈은, 냉각용 바람을 생성하는 송풍 팬, 및 상기 송풍 팬에서 생성된 냉각용 바람을 상기 홀더에 고정된 튜브로 전달하는 송풍 노즐을 포함하며, 상기 송풍 노즐은 상기 가열 모듈이 상기 홀더에 인접하면 밀폐되고 상기 가열 모듈이 상기 홀더로부터 이격되면 개방된다.

바람직하게는, 상기 가열 모듈은 상기 홀더의 아래에 배치되며, 상기 구동 모듈은 상기 가열 모듈을 상하 방향으로 이동시키고, 상기 송풍 노즐은 상기 홀더의 측방향 일 측에 배치되며, 상기 가열 모듈은 개폐 블록을 포함하고, 상기 개폐 블록은 차폐부를 포함하며, 상기 차폐부는 상기 가열 모듈이 상승하면 상기 송풍 노즐을 막고, 상기 가열 모듈이 하강하면 상기 송풍 노즐로부터 하방향으로 이격되어 상기 송풍 노즐이 개방되도록 하게 구성된다.

바람직하게는, 상기 홀더는 복수 개의 탑재구를 포함하되 상기 탑재구는 하나 이상의 배열 라인을 가지며 나란하게 배열되고, 상기 송풍 노즐은 상기 송풍 팬에 인접한 입구부, 및 상기 홀더에 인접한 출구부를 포함하며, 상기 입구부의 수평 방향 폭에 비해 출구부의 수평 방향 폭이 넓게 확장되게 구성되고, 상기 송풍 노즐의 출구부는 수평 방향으로 상기 홀더의 외측에 배치되되 상기 출구부의 폭 방향은 상기 탑재구의 배열 라인과 나란한 방향을 갖게 구성된다.

바람직하게는, 상기 튜브 내의 반응물의 반응 신호를 감지하는 감지 모듈; 및 상기 홀더 상에 배치되며 개폐 가능한 커버 모듈;을 더 포함하되, 상기 커버 모듈은 상기 튜브에 대해 광을 제공하는 광원부를 포함하고, 상기 감지 모듈은 상기 튜브 내의 반응물에서 생성된 광을 감지하는 센서부를 포함한다.

바람직하게는, 상기 커버 모듈은, 상기 광원부 아래에 배치되는 여기 필터을 더 포함하고, 상기 감지 모듈은, 상기 튜브와 상기 센서부 사이에 배치되는 방출 필터를 더 포함한다.

바람직하게는, 상기 가열 블록은, 상기 튜브에서 생성된 광이 적어도 일 측방향으로 전달되도록 적어도 일 방향으로 관통되는 광 전달부를 포함한다.

바람직하게는, 상기 가열 모듈, 구동 모듈, 및 냉각 모듈의 작동을 제어하는 제어 장치;를 더 포함한다.

본 발명에 따라서, 핵산증폭 반응에서 반응물의 온도가 신속하게 조절될 수 있다. 즉, 반응물이 담긴 튜브가 가열 모듈의 가열 블록과 접촉하여 신속히 가열되고, 소정의 온도로 가열이 충분히 이루어지면, 가열 블록에서 튜브가 분리되고, 송풍 노즐이 개방되어 송풍 팬에서 생성된 냉각용 바람에 의해서 반응물이 신속히 냉각될 수 있다.

아울러, 사용자가 의도하는 바에 따라서 가열 모듈의 동작을 설정함으로써 반응물의 가열 시간 및 냉각 시간을 조절하여 반응물의 온도가 다양한 목표 온도에 도달하고, 목표 온도 범위를 유지하도록 할 수 있다. 예컨대, 가열 모듈의 작동 주기를 다르게 하거나, 또는 가열 모듈이 상승한 위치를 유지하는 시간, 또는 가열 모듈이 하강한 위치를 유지하는 시간을 달리 설정함으로써, 반응물의 가열 시간, 및 냉각 시간이 달리 설정되어 사용자가 목표하는 바에 따라서 반응물의 온도를 용이하게 조절할 수 있다.

또한, 반응물의 가열 및 냉각이 매우 간단한 동작으로 달성될 수 있다. 즉, 가열 모듈에 구비된 가열 블록과 개폐 블록이 함께 상승, 하강함으로써, 가열시에는 가열 블록이 튜브에 근접하여 신속한 가열을 수행함과 동시에, 개폐 블록이 송풍 노즐을 막아서 냉각용 바람에 의한 냉각을 차단한다. 아울러, 냉각시에는 가열 블록이 튜브로부터 이격되어 가열을 중단시킴과 동시에, 개폐 블록이 송풍 노즐로부터 이격되어 송풍 노즐이 개방됨으로써, 냉각용 바람에 의한 신속한 냉각이 이루어진다. 따라서, 냉각을 위한 별도의 작동 신호 입력이 필요 없이, 단지 가열 모듈을 이동시키는 구동 모듈에 대한 작동 신호만으로 가열 및 냉각이 적절히 신속하게 수행될 수 있다.

아울러, 가열 과정에서 커버 모듈의 광원부에서 생성된 광이 튜브 내의 반응물이 입사하고, 반응물에서 생성된 광이 센서부로 전달되어 감지됨에 따라서, 반응물의 반응을 실시간으로 검출할 수 있다.

이에 따라서, 일정 주기로 가열과 냉각의 온도조절이 필요한 대표적인 화학/생화학 반응인 PCR(중합효소연쇄반응)을 신속하게 수행할 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 핵산 증폭 장치의 외관을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 핵산 증폭 장치의 외관에서 케이싱의 커버 모듈을 제거한 상태를 도시한 도면이며, 도 4는 도 3의 P 부분의 확대도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 핵산 증폭 장치의 외관에서 케이싱의 측판을 제거한 상태를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 핵산 증폭 장치의 단면을 도시한 도면이며, 도 8은 도 7의 Q 부분의 확대도이다.
도 9는 본 발명에 따른 핵산 증폭 장치의 가열 블록을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 핵산 증폭 장치의 가열 블록과 감지 모듈 간의 위치 관계를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 핵산 증폭 장치의 송풍 노즐을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 핵산 증폭 장치의 단면을 도시한 도면이며,
도 13a는 도 12의 R 부분의 확대도 이다.
도 13b는 도 12의 R 부분에서 튜브를 제거하고 다른 방향에서 바라본 도면이다.
도 14는 본 발명에 따른 핵산 증폭 장치의 커버 모듈을 도시한 도면이며, 도 15는 도 14의 X-X 단면을 도시한 도면이다.
도 16은 본 발명에 따른 핵산 증폭 장치의 커버 모듈의 결합 구조를 도시한 도면이다.
도 17은 도 14의 Y-Y 단면을 도시한 도면이다.
도 18은 본 발명에 따른 핵산 증폭 장치의 튜브, 홀더, 및 가열 블록 간의 관계를 도시한 도면이다.
도 19는 본 발명에 따른 핵산 증폭 장치의 가열 모듈이 하강 위치에 있는 상태를 도시한 도면이다.
도 20은 본 발명에 따른 핵산 증폭 장치의 가열 모듈이 상승 위치에 있는 상태를 도시한 도면이다.
도 21은 본 발명에 따른 핵산 증폭 장치의 커버 모듈에서 생성된 광의 경로를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 설명한다. 본 실시예는 예시적인 것으로 어떤 식으로든 본 발명을 제한하는 것은 아니다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 핵산 증폭 장치의 외관을 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 핵산 증폭 장치의 외관에서 케이싱(100) 상의 커버 모듈(600)을 제거한 상태를 도시한 도면이며, 도 4는 도 3의 P 부분의 확대도이다. 또한, 도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 핵산 증폭 장치의 외관에서 케이싱(100)의 측판을 제거한 상태를 도시한 도면이다. 또한, 도 7은 도 1의 X-X 단면을 도시한 도면이며, 도 8은 도 7의 Q 부분의 확대도이다. 도 9는 본 발명에 따른 핵산 증폭 장치의 가열 블록을 나타낸 도면이며, 도 10은 본 발명에 따른 핵산 증폭 장치의 가열 블록과 감지 모듈 간의 위치 관계를 나타낸 도면이고, 도 11은 본 발명에 따른 핵산 증폭 장치의 송풍 노즐을 도시한 도면이다. 아울러, 도 12는 도 1의 Y-Y 단면을 도시한 도면이며, 도 13a는 도 12의 R 부분의 확대도이고, 도 13b는 도 12의 R 부분에서 튜브를 제거하고 다른 방향에서 바라본 도면이다.

본 발명에 따른 핵산 증폭 장치는, 튜브(T)에 담긴 반응물의 온도를 조절하는 핵산 증폭 장치로서, 장치의 외관을 구성하며 적어도 일 부분에 튜브(T)가 위치 고정되는 케이싱(100); 상기 튜브(T)의 아래에 위치하며 상기 튜브(T)를 가열시키도록 열을 생성하는 가열 모듈(200); 상기 가열 모듈(200)에 의해서 가열된 튜브에서 생성된 광을 감지하는 감지 모듈(300); 상기 가열 모듈(200)을 상하로 이동시켜서 상기 튜브(T)와 상기 가열 모듈(200) 사이의 거리가 가변하도록 하는 구동 모듈(400); 상기 튜브(T)에 담긴 반응물을 냉각시키는 생성하는 냉각 모듈(500); 상기 케이싱(100) 상에 배치되며 상기 튜브(T)에 빛을 제공할 수 있는 커버 모듈(600) 및 전체 장치의 동작을 제어하는 소정의 제어 장치(700)를 포함하여 구성될 수 있다.

케이싱(100)은 소정의 육면체형 구성을 가질 수 있으며, 바닥면을 구성하는 하판(110), 상면을 구성하는 상판(120), 및 측면을 구성하는 측판(130)을 가질 수 있다. 후술하는 홀더(150), 가열 모듈(200), 감지 모듈(300), 구동 모듈(400), 및 냉각 모듈(500), 제어 장치(700)는 상기 케이싱(100) 내에 내장되는 구성을 가질 수 있다.

상판(120)은 상하방향으로 관통되어 홀더(150)가 상방향으로 노출될 수 있도록 하는 소정의 투입구(122)를 가질 수 있다. 상기 투입구(122)를 통해 노출된 홀더(150)에 튜브(T)가 탑재되어 위치 고정될 수 있다. 또한, 상기 상판(120)에는 상기 상판(120)에 대해 회동가능하도록 연결되어 상기 탑재구(154)를 개폐하는 소정의 커버 모듈(600)이 구비될 수 있다. 커버 모듈(600)의 구체적인 구성은 후술한다.

상기 상판(120)과 상기 커버 모듈(600)은 소정의 힌지부(160)에 의해서 연결될 수 있다. 또한, 상판(120)에는 상기 커버 모듈(600)을 체결시키는 소정의 체결 수단(124)이 마련되며, 장치의 작동 상태를 표시하는 소정의 디스플레이 장치(140)가 마련될 수 있다.

상기 홀더(150)는 상기 케이싱(100) 내에 배치되되, 상기 케이싱(100)에 형성된 투입구(122)를 통해 상방향으로 노출될 수 있다.

상기 홀더(150)는 블록 형태의 홀딩 바디(152)를 가지며, 상기 홀딩 바디(152)는 상기 케이싱(100)의 적어도 일 부분에 고정되어 위치 고정될 수 있다. 또한, 상기 홀딩 바디(152)의 상면에는 상하방향으로 관통되거나 또는 하방향으로 함몰된 탑재구(154)가 형성될 수 있다. 따라서, 시료가 담긴 튜브(T)가 상기 탑재구(154) 내에 탑재되어 위치 고정될 수 있다. 바람직하게는, 탑재구(154)는 복수 개 형성되며 소정의 열을 갖고 배치되되, 예컨대 도면에 도시된 바와 같이 8개의 탑재구(154)가 일렬로 배열되는 배치를 가질 수 있다.

바람직하게는, 상기 탑재구(154)는 상하방향으로 관통되어 상기 탑재구(154) 내에 튜브(T)가 탑재되면 튜브(T)의 하부분이 상기 홀더(150) 아래로 돌출되어 노출될 수 있다. 또한, 탑재구(154)는 복수 개가 소정의 라인을 갖고 나란하게 형성되는 배열을 가질 수 있다.

또한, 상기 홀딩 바디(152)를 상기 케이싱(100)의 상판(120)의 하면에 고정시키도록 하는 소정의 고정 지그(156)가 구비될 수 있다.

또한, 케이싱(100)에는 전기 신호 입력 및 교환이 가능하며 전원이 공급되도록 하는 소정의 신호 입출력 장치(170) 및 전원 장치(180)가 구비될 수 있다.

가열 모듈(200)은 상기 홀더(150)의 아래에 위치할 수 있으며 상기 홀더(150)에 탑재된 튜브(T)에 담긴 반응물을 가열할 수 있는 부재이다.

가열 모듈(200)은 후술하는 구동 모듈(400)에 의해서 변위될 수 있는 입체 구조물로서, 히터(210), 상기 히터(210) 상부에 배치되는 가열 블록(220), 상기 히터(210)의 측부에 배치되는 가이드부(230), 상기 히터(210)의 상부에 배치되는 개폐부(240)를 포함하여 구성될 수 있다.

히터(210)는 튜브(T)에 담긴 반응물을 가열시키도록 열을 생성하는 부재로서, 예컨대 제어 장치(700)에서 생성되는 전기 신호에 의해서 동작할 수 있다. 히터(210)는 사용자가 의도하는 바에 따라서 정확한 온도의 열을 생성하도록 제어될 수 있다. 히터(210)는 예컨대 펠티어 소자를 포함하여 구성될 수 있고, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.

도 9는 가열 블록(220)의 전체적인 구조를 나타낸 도면으로, 도 9를 참조하면, 가열 블록(220)은 블록 형태의 구조물로서, 함몰부(222) 및 광 전달부(224)를 포함하여 구성될 수 있다. 가열 블록(220)은 히터(210)의 상부에 배치될 수 있다. 가열 블록(220)은 히터(210)에서 생성된 열을 전달받아 위쪽에 위치한 홀더(150)에 탑재된 튜브(T)에 열을 전달하는 부재이며, 바람직하게는 열 전도율이 좋은 재질로 구성될 수 있다.

함몰부(222)는 가열 블록(220)의 상부에 형성되어 있다. 상기 함몰부(222)는 상기 홀더(150)에 형성된 탑재구(154)의 위치에 대응하는 위치에 형성되며, 복수 개가 소정의 라인을 갖고 나란하게 형성되어 있을 수 있다. 예컨대, 위에서 설명한 바와 같이, 탑재구(154)가 8개 형성되며 일렬로 배치될 경우, 함몰부(222)또한 8개 형성되며 일렬로 배열되는 배치를 가질 수 있다. 아울러, 각각의 함몰부(222)는 상기 튜브(T)의 하부 형상에 대응하는 형상을 가져서, 튜브(T)의 하부가 함몰부(222) 내에 밀착하여 투입될 수 있는 구성을 가질 수 있다.

광 전달부(224)는 각각의 함몰부(222)의 적어도 일 측에 형성되며 측방향으로 관통되는 통로 형태의 부분으로 구성된다. 예컨대, 광 전달부(224)는 함몰부(222)의 후방에 형성되며 가열 블록(220)의 후방을 전후 방향으로 관통하게 구성되는 소정의 통로로 구성될 수 있다.

가이드부(230)는 히터(210)의 측부에 연결될 수 있다. 가이드부(230)는 가이드 관(232), 가이드 빔(234), 및 탄성 스프링(236)을 포함하여 구성될 수 있다.

가열 모듈(200)에 포함된 가이드 관(232)은 상하로 관통된 가이드 홀을 갖고 상기 히터(210)의 측부에 고정된다.

가열 모듈(200)에 가이드 빔(234)은 상기 가이드 홀을 관통하여 상하로 연장되며, 예컨대 하단은 하판(110)상에 고정되고 상단은 상판(120) 또는 고정 지그(154)에 고정될 수 있다.

상기 탄성 스프링(236)은 상기 가이드 빔(234)이 관통되도록 배치되되, 가이드 관(232)과 상판(120) 사이에 배치된다. 따라서, 상기 탄성 스프링(236)이 압축되면 상기 탄성 스프링(236)은 상기 가이드 관(232)에 대해 하방향으로 탄성력을 가한다. 즉, 탄성 스프링(236)은 상기 가이드 관(232)이 하강된 위치를 유지하도록 탄성력을 가할 수 있다. 또한, 히터(210) 및 가열 블록(220)이 상방향으로 이동할 때, 가열 블록(220)과 튜브(T) 사이의 강한 충돌을 방지하며 동시에 가열 블록(220)과 튜브(T) 사이를 밀착시킬 수 있다.

개폐부(240)는 소정의 높이 및 두께를 갖고 세워지는 차폐벽과 같은 구성을 갖는다. 한편, 개폐부(240)는 상기 히터(210)의 상부에 배치되되 상기 가열 블록(220)의 측부에 배치되며, 소정의 높이를 갖고 상방향으로 세워져서 후술하는 송풍 노즐(520)과 가열 블록(220) 사이에 위치할 수 있다.

감지 모듈(300)은 모듈 하우징(310), 광 포착부(320), 및 방출 필터(330)를 포함하여 구성될 수 있다. 바람직하게는, 감지 모듈(300)은 상기 가열 모듈(200)의 히터(210) 상에 배치되어 가열 모듈(200)과 함께 변위할 수 있다.

모듈 하우징(310)은 모듈 커버(312) 및 모듈 베이스(314)를 포함하여 구성되며, 내부에 광 포착부(320), 방출 필터(330)가 내장되도록 구성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 가열 블록(220) 또한 상기 모듈 하우징(310) 내에 내장되되, 가열 블록(220)의 함몰부(222)가 상방향으로 노출되도록 모듈 커버(312)에는 상방향으로 개방 공간이 형성될 수 있다. 또한, 모듈 베이스(314)에는 가열 블록(220)이 결합되고 광 포착부(320), 방출 필터(330)가 각각 탑재되도록 탑재벽(316)을 갖되, 상기 탑재벽(316)에는 상기 가열 블록(220)의 광 전달부(224)의 위치에 대응하여 광 전달부(224)와 연통하는 관통공(318)이 형성되어 광이 통과하도록 구성될 수 있다.

광 포착부(320)는 소정의 PCB(322)에 소정의 센서부(324)가 실장된 부재로 구성될 수 있다. 상기 센서부(324)는 예컨대 포토 다이오드일 수 있으며, 광 전달부(224)의 개수 및 배열에 대응하는 개수 및 배열을 가질 수 있다. 즉, 가열 블록(220)의 함몰부(222)의 수에 따라서 8개의 광 전달부(224)가 형성되며, 각각의 광 전달부(224)에 대응하여 8개의 광 포착부(320)가 마련될 수 있다. 예컨대 도 10에 도시된 바에 따라서, 상기 가열 블록(220)의 후방에 상기 PCB(322)가 세워지되 상기 센서부(324)와 광 전달부(224)가 서로 마주보는 배치를 가질 수 있다.

방출 필터(330)는 상기 광 포착부(320)와 상기 가열 블록(220) 사이에 배치될 수 있다. 방출 필터(330)는 입사광에 의해 튜브의 형광물질에서 생성되는 파장의 광만 통과시키는 밴드패스 필터이다. 따라서, 튜브에서 생성된 광이 가열 블록(220) 후방의 광 전달부(224)를 지나서 방출 필터(330)를 통과하여 광 포착부(320)의 센서부(324)에 입사할 수 있게 된다.

구동 모듈(400)은 상기 가열 모듈(200) 및 감지 모듈(300)을 변위시키는 부재이다.

구동 모듈(400)은 상기 가열 모듈(200)의 아래에 위치하며, 예컨대 소정의 모터(410), 및 모터 축(420)을 포함하여 구성될 수 있다. 모터 축(420)은 상기 가열 모듈(200)의 하부에 연결되며 상기 모터(410)가 작동하면 상기 모터 축(420)이 상방향으로 이동하여 상기 가열 모듈(200)을 상방향으로 변위시킬 수 있다. 물론, 반드시 이에 한정하는 것은 아니며, 구동 모듈(400)의 구성은 상기 가열 모듈(200) 및 감지 모듈(300)을 변위시킬 수 있는 수단이면 어느 것이든 가능하다.

구동 모듈(400)의 작동에 의해서 가열 모듈(200), 및 감지 모듈(300)은 상승 위치와 하강 위치 사이에서 왕복 이동할 수 있다. 예컨대, 구동 모듈(400)이 상방향으로 작동하면 가열 모듈(200) 및 감지 모듈(300)은 상승 위치로 이동하며, 구동 모듈(400)이 하방향으로 작동하면 가열 모듈(200) 및 감지 모듈(300)은 하강 위치로 이동할 수 있다.

냉각 모듈(500)은 송풍 팬(510), 및 송풍 노즐(520)을 포함하여 구성된다.

송풍 팬(510)은 튜브(T)를 냉각시킬 수 있도록 바람을 생성하는 부재로서, 도시되지는 아니하였으나, 소정의 프로펠러 및 모터(410)를 포함하여 구성될 수 있다.

송풍 노즐(520)은 송풍 팬(510)에서 생성된 바람을 상기 홀더(150)에 탑재된 튜브(T)에 전달하는 부재이다. 바람직하게는, 송풍 노즐(520)은 내부에 양방향으로 관통된 소정의 공간을 갖게 구성되며, 상기 공간의 일 측은 입구부(522)로 기능하여 상기 송풍 팬(510)과 인접하게 배치되고, 타 측은 출구부(524)로 기능하여 상기 홀더(150)와 인접하게 배치된다.

바람직하게는, 도 11에 도시된 바와 같이, 출구부(524)는 입구부(522)에 비해서 수평 방향으로 넓게 확장되며 수직 방향으로는 좁게 좁혀진 형상을 가질 수 있다. 따라서, 송풍 노즐(520)은 위에서 볼 때 입구가 좁고 출구가 넓은 깔때기 형태를 갖고, 옆에서 볼 때에는 입구가 넓고 출구가 좁은 6 자 형태를 가질 수 있다.

송풍 노즐(520)의 출구부(524)는 상기 홀더(150)에 탑재되어 배열된 복수개의 튜브(T)의 배열과 나란하게 위치하여, 홀더(150)에 탑재된 복수 개의 튜브(T)에 대해 냉각용 바람을 동시에 균일하게 제공할 수 있게 구성될 수 있다.

즉, 도 13A를 참조하면, 상기 탑재구(154)의 배열이 형성하는 라인을 따라서 상기 출구부(524)의 폭 방향이 서로 나란한 방향을 갖게 구성될 수 있다.

커버 모듈(600)은 상술한 바와 같이, 케이싱(100)의 상판(120)에 힌지부(160)를 통해 회동 가능하게 연결되는 소정의 커버이다. 이하에서는 도 14 내지 도 17을 참조하여 커버 모듈(600)에 관해 설명한다. 커버 모듈(600)은 상기 홀더(150) 상에 위치하되, 커버 하우징(610), 커버 베이스(620), 발광부(630), 여기 필터(650), 튜브 뚜껑 가열부(640)를 포함하여 구성될 수 있다.

커버 하우징(610)은 전체적으로 직육면체 형태로 구성되며, 소정의 공간을 갖는 하우징부(612) 및 하우징부(612)에 대해 개폐 가능하게 연결되는 개폐 커버(614)를 포함하여 구성될 수 있다.

커버 베이스(620)는 커버 하우징(610) 내에 내장되며, 개폐 커버(614)가 개방되면 내부의 적어도 일 부분이 노출된다. 커버 베이스(620)는 필터 내삽구(622), 및 광 통과부(624)를 갖는다. 필터 내삽구(622)는 커버 베이스(620)의 전면에 형성되되 후방으로 소정의 깊이를 갖고 측방향으로 소정의 폭을 갖게 구성된다. 광 통과부(624)는 필터 내삽구(622)의 상하를 관통하며 상하 방향으로 연장되는 소정의 통로로 구성된다.

발광부(630)는 PCB(632) 및 상기 PCB(632)의 하면에 실장되는 복수 개의 광원부(634)를 포함하여 구성된다. 도 16의 화살표 B와 같이 상기 PCB(632)는 상기 커버 베이스(620)의 상면에 탑재되되, 각각의 광원부(634)는 각각의 광 통과부(624)의 위치에 대응하는 위치에 위치한다. 따라서, 광원부(634)의 수와 광 통과부(624)의 수는 동일할 수 있다.

상기 광 통과부(624), 광원부(634)의 배열은 상기 가열 블록(220)의 함몰부(222)의 배치와 동일할 수 있다. 즉, 함몰부(222)가 8개가 형성되되 일렬로 배열된 배치를 갖는 것에 대응하여, 광원부(634)와 광 통과부(624)는 상기 함몰부(222) 상에 일렬로 8개가 배열될 수 있다.

여기 필터(650)은 소정의 두께와 소정의 면적을 갖는 광학 밴드패스 (bandpass) 필터로, 발광부(630)의 광원부(634)에서 방출되는 브로드밴드 광원으로부터, 본 장치를 사용한 반응에서 사용되는 형광물질에 적합한, 특정 파장이 광만을 통과시켜 튜브의 반응물에 입사하도록 한다. 이는 도 15 및 16의 화살표 A와 같이 커버 베이스(620)에 형성된 필터 내삽구(622) 내에 삽입될 수 있다. 여기 필터(650)가 필터 내삽구(622) 내에 삽입되면 여기 필터(650)은 광 통과부(624)의 적어도 일 부분을 가로지르게 된다. 한편, 개폐 커버(614)를 열어서 여기 필터(650)을 제거, 교환하는 것도 가능하다.

튜브 뚜껑 가열부(640)는 도 16의 화살표 C와 같이 커버 베이스(620)의 하면에 탑재되며, 열을 발산할 수 있는 부재이다. 튜브 뚜껑 가열부(640)에는 상하로 관통되는 복수 개의 관통 홀(642)이 형성되며, 상기 복수의 관통 홀(642)은 상기 광 통과부(624)의 배치에 대응하는 배치를 가져, 발광부(630)에서 방출되는 광이 통과하여 튜브내로 입사할 수 있도록 한다. 튜브 뚜겅 가열부(640)는 튜브의 뚜겅을 가열하여 고온에서의 반응으로 인해 증발된 수증기가 뚜껑의 하면에서 응결하여 물방울이 맺히는 것을 방지하여, 시료의 부피 변화를 최소화 하고, 형광 측정을 위해 튜브 상부 광원에서 뚜껑을 통해 조사되는 빛의 양을 일정하게 유지하는 역할을 한다.

제어 장치(700)는 상기 가열 모듈(200), 감지 모듈(300), 구동 모듈(400), 및 냉각 모듈(500)의 작동을 제어할 수 있는 소정의 CPU로 구성될 수 있다. 제어 장치(700)는 외부의 신호를 입력받아 상기 가열 모듈(200), 감지 모듈(300), 구동 모듈(400), 및 냉각 모듈(500)의 작동을 제어하며, 작동 상태를 외부로 출력할 수도 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 핵산 증폭 장치의 동작을 설명한다. 도 19는 본 발명에 따른 핵산 증폭 장치의 가열 모듈(200)이 하강 위치에 있는 상태를 도시한 도면이다. 도 20은 본 발명에 따른 핵산 증폭 장치의 가열 모듈(200)이 상승 위치에 있는 상태를 도시한 도면이다. 또한, 도 21은 본 발명에 따른 핵산 증폭 장치의 커버 모듈(600)에서 생성된 광의 경로를 나타낸 도면이다.

우선, 반응물이 담긴 튜브(T)를 홀더(150) 내에 탑재한다. 이때, 튜브(T)의 탑재는, 케이싱(100)상의 커버 모듈(600)을 연 후, 튜브(T)를 홀더(150)의 탑재구(154)에 투입시켜 탑재하고, 커버 모듈(600)를 닫는 형태로 이루어질 수 있다.

이때에는, 도 18에 도시된 바와 같이 튜브(T)가 먼저 홀더(150)의 탑재구(154) 내에 수납되게 되며, 구동 모듈(400)이 작동하기 전이므로, 가열 모듈(200), 감지 모듈(300)은 하강 위치에 위치하여 가열 블록(220)은 홀더(150)에 대해 이격되게 위치한다.

제어 장치(700)에 의해서 동작 신호가 발생하면 가열 모듈(200), 감지 모듈(300), 구동 모듈(400), 냉각 모듈(500), 및 커버 모듈(600)이 동작할 수 있다. 한편, 각각의 동작은 동시에 이루어지거나, 또는 시간차를 갖고 이루어질 수도 있으며, 그 형태는 한정하지 않는다.

가열 모듈(200)에 동작 신호가 전달되면 히터(210)가 동작하여 열을 생성할 수 있다. 아울러, 구동 모듈(400)에 동작 신호가 전달되면 모터(410)가 작동하여 가열 모듈(200)을 상승시킨다. 따라서 도 20과 같이 가열 모듈(200)이 상승 위치로 이동하게 된다.

구동 모듈(400)에 의해서 가열 모듈(200)이 상승하여 가열 모듈(200)의 가열 블록(220)이 홀더(150)와 근접하게 되면 홀더(150)에 탑재된 튜브(T) 내의 반응물이 가열된다. 이때, 바람직하게는, 가열 블록(220)에 형성된 함몰부(222)의 함몰면과 상기 튜브(T)의 하면이 접촉하여 빠른 열 전달이 이루어지도록 할 수 있다.

이때, 가열 모듈(200)이 상승하였을 때에는 튜브(T)에 대한 냉각이 불필요하므로, 냉각 모듈(500)의 송풍 팬(510)이 정지될 수 있다.

한편, 일 예에 따르면, 가열 모듈(200)이 상승하면 가열 모듈(200)에 구비된 개폐부(240)가 상승하며, 상승한 개폐부(240)가 냉각 모듈(500)의 송풍 노즐(520)의 출구부(524)를 막아서 냉각 모듈(500)에서 생성되는 냉각용 바람이 튜브(T)에 전달되지 아니하는 것도 가능하다.

이때, 도 21과 같이, 커버 모듈(600)에 구비된 광원부(634)에서 빛이 생성되며, 광원부(634)에서 생성된 빛은 여기 필터(650)를 통과하여 적절한 light wavelength를 갖게 되며, 광 통과부(624), 관통 홀(642)을 지나 튜브(T) 내로 입사한다. 튜브(T) 내의 반응물에 대해 광이 입사됨에 따라서 튜브 내의 핵산 증폭에 따른 형광 신호가 발생하게 되고, 상기 형광 신호는 가열 블록(220)의 광 전달부(224)를 통하여 방출 필터(330)를 통과하고, 이어서 센서부(324)에 입사하게 된다. 따라서, 튜브 내의 반응물의 반응을 실시간(real time)으로 검출할 수 있다.

가열 모듈(200)이 소정의 시간 동안 상승한 위치를 유지하여 지정된 가열 시간에 도달하면 제어 장치(700)는 상기 구동 모듈(400)의 모터(410)를 반대로 동작시키는 신호를 발생할 수 있다.

구동 모듈(400)의 모터(410)가 반대로 동작하면 가열 모듈(200)이 하강하게 된다. 가열 모듈(200)의 하강에 따라서 튜브(T)와 가열 블록(220)이 이격되고 가열 블록(220)에 의한 튜브(T)의 가열이 중단된다. 이때, 중단이라 함은 열 전달을 완전히 배제하는 것에 한정하지는 않는다.

가열 모듈(200)이 하강하면 송풍 팬(510)이 동작하여 튜브(T)에 대한 냉각을 수행한다. 한편, 일 예에 따르면 가열 모듈(200)에 구비된 개폐부(240)가 하강함에 따라서 송풍 노즐(520)의 출구부(524)가 개방되고 송풍 팬(510)에 의해서 생성된 냉각용 바람이 홀더(150)에 탑재된 튜브(T)를 냉각시키는 형태도 가능하다.

가열 모듈(200)이 소정의 시간 동안 하강 위치를 유지하여 지정된 냉각 시간에 도달하면 제어 장치(700)는 상기 구동 모듈(400)을 다시 동작시키는 신호를 발생하여, 가열 블록(220)이 상승하고 홀더(150)에 탑재된 튜브(T) 내의 반응물에 대한 가열을 수행한다. 이어서, 가열 시간에 다시 도달하면 상기와 같이 가열 블록(220)이 하강하고, 튜브가 바람에 노출되어 냉각되는 과정을 정해진 횟수로 반복하게 된다.

본 발명에 따라서, 반응물의 온도가 신속하게 조절될 수 있다. 즉, 반응물이 담긴 튜브(T)가 가열 모듈(200)의 가열 블록(220)과 접촉하여 신속히 가열되고, 가열이 충분히 이루어지면 가열 모듈(200) 또는 홀더가 이동하여 송풍 노즐(520)이 개방되어 송풍 팬(510)에서 생성된 냉각용 바람에 의해서 반응물이 신속히 냉각될 수 있다.

아울러, 사용자가 의도하는 바에 따라서 가열 모듈(200) 또는 홀더(200)의 동작을 설정함으로써 반응물의 가열 시간 및 냉각 시간을 조절하여 반응물의 온도가 다양한 목표 온도에 도달하고, 목표 온도 범위를 유지하도록 할 수 있다. 예컨대, 가열 모듈(200)의 작동 주기를 다르게 하거나, 또는 가열 모듈(200)이 상승한 위치를 유지하는 시간, 또는 가열 모듈(200)이 하강한 위치를 유지하는 시간을 달리 설정함으로써, 반응물의 가열 시간, 및 냉각 시간이 달리 설정되어 사용자가 목표하는 바에 따라서 반응물의 온도를 용이하게 조절, 선택할 수 있다.

또한, 반응물의 가열 및 냉각이 매우 간단한 동작으로 달성될 수 있다. 즉, 가열 모듈(200)에 구비된 가열 블록(220)과 개폐 블록(240)이 함께 상승, 하강함으로써, 가열시에는 가열 블록(220)이 튜브(T)에 근접하여 신속한 가열을 수행함과 동시에, 개폐 블록(240)이 송풍 노즐(520)을 막아서 냉각용 바람에 의한 냉각을 차단한다. 아울러, 냉각시에는 가열 블록(220)이 튜브(T)로부터 이격되어 가열을 중단시킴과 동시에, 개폐 블록(240)이 송풍 노즐(520)로부터 이격되어 송풍 노즐(520)이 개방됨으로써, 냉각용 바람에 의한 신속한 냉각이 이루어진다. 따라서, 냉각을 위한 별도의 작동 신호 입력이 필요 없이, 단지 가열 모듈(200)을 이동시키는 구동 모듈(400)에 대한 작동 신호만으로 가열 및 냉각이 적절히 수행될 수 있다.

아울러, 가열 과정에서 커버 모듈(600)의 광원부(634)에서 생성된 광이 튜브(T) 내의 반응물이 입사하고, 반응물에서 생성된 광이 센서부(324)로 전달되어 감지됨에 따라서, 반응물의 반응결과를 실시간으로 검출할 수 있다.

이에 따라서, 온도조절이 필요한 대표적인 화학/생화학 반응인 PCR(중합효소연쇄반응)을 신속하고 정확하게 수행할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100: 케이싱
110: 하판
120: 상판
122: 투입구
124: 체결 수단
130: 측판
140: 디스플레이 장치
150: 홀더
152: 홀딩 바디
154: 탑재구
156: 고정 지그
160: 힌지부
170: 신호 입력 장치
180: 전원 장치
200: 가열 모듈
210: 히터
220: 가열 블록
222: 함몰부
224: 광 전달부
230: 가이드부
232: 가이드 관
234: 가이드 빔
236: 탄성 스프링
240: 개폐부
300: 감지 모듈
310: 모듈 하우징
312: 모듈 커버
314: 모듈 베이스
316: 탑재벽
318: 관통공
320: 광 포착부
322: PCB
324: 센서부
330: 방출필터
400: 구동 모듈
410: 모터
420: 모터 축
500: 냉각 모듈
510: 송풍 팬
520: 송풍 노즐
522: 입구부
524: 출구부
600: 커버 모듈
610: 커버 하우징
612: 하우징부
614: 개폐 커버
620: 커버 베이스
622: 필터 내삽구
624: 광 통과부
630: 발광부
632: PCB
634: 광원부
640: 튜브 뚜껑 가열부
642: 관통 홀
650: 여기 필터
700: 제어 장치

Claims (10)

1. 고속 핵산증폭 반응에 사용되는 장치에 있어서,
   상기 반응이 이루어지는 튜브를 위치 고정시키는 홀더(150);
   상기 튜브를 가열시키도록 열을 생성하는 히터(210) 및 상기 히터(210)와 연결되는 가열 블록(220)을 포함하는 가열 모듈(200);
   상기 가열 모듈(200)을 상하 방향으로 이동시켜서 상기 가열 모듈(200)과 상기 홀더(150) 사이의 거리가 가변하도록 하는 구동 모듈(400); 및
   상기 홀더(150)에 고정된 튜브를 냉각시키는 냉각 모듈(500);을 포함하며,
   상기 냉각 모듈(500)은,
   냉각용 바람을 생성하는 송풍 팬(510), 및 상기 송풍 팬(510)에서 생성된 냉각용 바람을 상기 홀더(150)에 고정된 튜브로 전달하는 송풍 노즐(520)을 포함하며,
   상기 송풍 노즐(520)은 상기 가열 모듈(200)이 상기 홀더(150)에 인접하면 밀폐되고 상기 가열 모듈(200)이 상기 홀더(150)로부터 이격되면 개방되는 고속 핵산증폭 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 가열 블록(220)은 상기 홀더(150)의 아래에 배치되고, 상기 튜브의 적어도 일 부분이 투입될 수 있게 구성되는 하나 이상의 함몰부(222)를 포함하여
   상기 구동 모듈(400)은 상기 가열 블록(220)을 이동시켜서 상기 함몰부(222)와 상기 튜브 사이의 거리를 가변하도록 하는, 고속 핵산증폭 장치.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 홀더(150)는 소정의 내경을 갖고 상하 방향으로 관통되는 하나 이상의 탑재구(154)를 포함하여, 상기 탑재구(154)에 상기 튜브가 탑재되되 상기 튜브의 하부분이 하방향으로 노출되게 구성되며,
   상기 가열 블록(220)이 상승하면 상기 함몰부(222) 내에 상기 튜브의 하부분이 투입되며,
   상기 가변 블록(220)이 하강하면 상기 함몰부(222)로부터 상기 튜브의 하부분이 이격되는 고속 핵산증폭 장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 가열 모듈(200)은,
   상기 히터(210)의 측부에 배치되는 가이드부(230)를 더 포함하며,
   상기 가이드부(230)는,
   상하 방향으로 관통된 홀을 갖는 가이드 관(232),
   상기 가이드 관(232)의 홀에 삽입되며 상하 방향으로 연장되는 가이드 빔(234), 및
   상기 가이드 관(232) 상에 위치하며 상기 가이드 빔(234)이 내삽되는 탄성 스프링(236)을 포함하는 고속 핵산증폭 장치.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 가열 블록(220)은 상기 홀더(150)의 아래에 배치되며,
   상기 송풍 노즐(520)은 상기 홀더(150)의 측방향 일 측에 배치되며,
   상기 가열 모듈(200)은 개폐부(240)를 포함하고,
   상기 개폐부(240)는 상기 가열 블록(220)이 상승하면 상기 송풍 노즐(520)을 막고, 상기 가열 블록(220)이 하강하면 상기 송풍 노즐(520)로부터 하방향으로 이격되어 상기 송풍 노즐(520)이 개방되도록 하는, 고속 핵산증폭 장치.
   
6. 제 3 항에 있어서,
   상기 홀더(150)는 복수 개의 탑재구(154)를 포함하되 상기 탑재구(154)는 하나 이상의 배열 라인을 가지며 나란하게 배열되고,
   상기 송풍 노즐(520)은 상기 송풍 팬(510)에 인접한 입구부(522), 및 상기 홀더(150)에 인접한 출구부(524)를 포함하며, 상기 입구부(522)의 수평 방향 폭에 비해 출구부(524)의 수평 방향 폭이 넓게 확장되게 구성되고,
   상기 송풍 노즐(520)의 출구부(524)는 수평 방향으로 상기 홀더(150)의 외측에 배치되되 상기 출구부(524)의 폭 방향은 상기 탑재구(154)의 배열 라인과 나란한 방향을 갖게 구성되는, 고속 핵산증폭 장치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 튜브 내의 반응물의 반응 신호를 감지하는 감지 모듈(300); 및
   상기 홀더(150) 상에 배치되며 개폐 가능한 커버 모듈(600);을 더 포함하되,
   상기 커버 모듈(600)은 상기 튜브에 대해 광을 제공하는 광원부(634)를 포함하고,
   상기 감지 모듈(300)은 상기 튜브 내의 반응물에서 생성된 광을 감지하는 센서부(324)를 포함하는 고속 핵산증폭 장치.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 커버 모듈(600)은,
   상기 광원부(634) 아래에 배치되는 여기 필터(650)을 더 포함하고,
   상기 감지 모듈(300)은,
   상기 튜브와 상기 센서부(324) 사이에 배치되는 방출 필터(330)를 더 포함하는 고속 핵산증폭 장치.
   
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 가열 블록(220)은,
   상기 튜브에서 생성된 광이 적어도 일 측방향으로 전달되도록 적어도 일 방향으로 관통되는 광 전달부(224)를 포함하는 고속 핵산증폭 장치.
   
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열 모듈(200), 구동 모듈(400), 및 냉각 모듈(500)의 작동을 제어하는 제어 장치(700);를 더 포함하는 고속 핵산증폭 장치.

Images