KR20200143639A - 하나 이상의 형광 신호에 대한 실시간 검출이 가능한 중합효소 연쇄 반응 장치 - Google Patents

하나 이상의 형광 신호에 대한 실시간 검출이 가능한 중합효소 연쇄 반응 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하나 이상의 형광 신호에 대한 실시간 검출이 가능한 중합효소 연쇄 반응 장치를 공개한다. 본 장치는 시약 용기 수용 공간의 온도 상승 및 하강 구간을 제어하여 중합효소 연쇄 반응을 진행하며, 특이성 탐침, 형광 물질, 광원, 및 스펙트로미터를 채택하여 발생하는 형광 신호를 검출한다. 동시에, 본 장치는 형광 신호를 실시간으로 분석하고 정량화하기 위해 알고리즘을 프리로딩한다.

Description

하나 이상의 형광 신호에 대한 실시간 검출이 가능한 중합효소 연쇄 반응 장치{PCR APPARATUS FOR REAL-TIME DETECTING MULTIPLEX FLUORESCENT SIGNALS}
본 발명은 2019년 6월 13일에 대만 특허국에 출원된 중화민국(대만) 특허출원번호 108120548을 주장하는 바, 그 모든 내용은 본문에 인용된다.
본 발명은 중합효소 연쇄 반응 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 하나 이상의 형광 신호에 대한 실시간 정량화가 가능한 중합효소 연쇄 반응 장치에 관한 것이다.
중합효소 연쇄 반응(Polymerase Chain Reaction, 이하 PCR로 약칭함)은 DNA를 신속하게 확대하는 기술이며, 그 원리 및 주요 작동 단계는 하기와 같다. (a) 변성(denature): 90 ~ 95 ℃의 인큐베이션(incubation)을 이용하여 2중가닥 DNA를 외가닥 DNA로 해리하고, 다시 외가닥 DNA를 복제하기 위한 템플릿으로 사용한다. (b) 프라이머 어닐링(primer annealing): 온도가 적절한 온도까지 하강될 경우, 프라이머는 정확한 표적 유전자 위치에 점착된다. (c) 프라이머 신장(primer extension): 반응 온도를 72 ℃로 보정하고, DNA 중합효소는 디옥시리보뉴클레오티드 삼인산염(deoxy-ribonucleotide triphosphate, 이하 dNTPs로 약칭함)을 차례대로 프라이머에 점착한 후, 다른 한 가닥의 새로운 DNA 조각을 합성한다.
변성-프라이머 어닐링-프라이머 신장 3개의 단계를 통해, 핵산 증폭을 끊임없이 반복하고, 3개의 단계의 작동이 1번씩 반복될 때마다 표적 유전자의 수가 한 배로 증가하며, 3개의 단계의 작동이 총 40번 순환된다고 설장하면, 표적 유전자의 수는 거의 109배로 증폭될 수 있고, PCR은 체외로 대량의 표적 유전자 조각을 획득할 수 있으므로, 현재 임상 진단에서 대량으로 사용되는 분자 진단 기술 중 하나로 되며, 유전자 질환 진단, 병원균 진단, 종양 암증을 포함한 진단 예후 평가 및 기초 연구와 같은 프로젝트에 응용될 수 있으므로, 마찬가지로 현재 임상 진단에 대량으로 적용되는 기술로 된다.
최근 몇년간 기술발전의 수요로 인해, 정량적 실시간 중합효소 연쇄 반응(Quantitative real-time polymerase chain reaction, Q-PCR로 약칭함)으로도 지칭되는 실시간 중합효소 연쇄 반응(Real-time polymerase chain reaction)이 개발되었다(본문에서 이하 real-time PCR로 칭함). Real-time PCR 및 종래의 PCR은 모든 열순환 단계를 이용하여 표적 유전자의 미량 DNA가 증폭되어 증폭 목적에 달성하도록 하지만, 양자의 차이점은, Real-time PCR은 비특이성 형광 물질 또는 특이성을 갖는 형광 탐침을 PCR 반응에 추가하여, 매번 PCR 증폭 순환 후, 표적 유전자 DNA가 증폭됨과 동시에 형광 신호를 발생시키며, 그 생성물의 형광 신호를 검출 및 기록하고, PCR 반응이 완료된 후, cycle number 및 형광 신호를 플로팅하여 반응 곡선 도형을 얻을 수 있고, PCR 반응에서 매번 순환되는 산물의 생성 상황을 완전하게 나타내며, 다시 내장된 프로그램 분석을 통해 실시간 정량화한 결과에 달성한다.
현재 흔히 사용되는 비특이성의 형광 염색제는 SYBR Green 1이고, 이는 DNA의 작은 고랑(minor groove)과 결합된 후 형광을 방출하기 때문에, PCR 과정에서 매번 순환되는 프라이머 신장 단계가 종료될 때 형광 강도를 측정할 수 있으며, 매번 순환에서 얼마만큼의 PCR 산물이 생성되었는지 알 수 있다. 그러나 SYBR Green I가 모든 2중가닥 DNA와 결합될 수 있으므로, 특이성 산물과 비특이성 산물을 분별할 수 없으며, 따라서 산물에 대한 특이성은 좋지 않으며 가끔 거짓 양성의 테스트 결과가 나타날 수 있다.
현재 흔히 사용되는 특이성 형광 탐침은 TaqMan probe이며, 이는 인공합성의 올리고뉴클레오티드(oligonucleotide)이고, 표적 유전자 서열에 대한 특이성을 가지며, 올리고뉴클레오티드의 양단에 각각 상이한 형광 물질을 표기하고, 즉 5’단의 분자는 리포터(reporter)로 지칭되며, 3’단의 분자는 소광제(형광억제물질, quencher)로 지칭된다. 상기 특이성 탐침이 유리 상태일 경우, 리포터 및 소광제의 상호 작용은 서로의 형광을 차단하므로, 형광이 발생하지 않는다. 그러나 PCR 산물이 생성될 경우, 상기 특이성 탐침이 가수분해된 후, 소광제는 리포터를 차단하는 효과를 상실하게 되므로, reporter의 형광은 검출될 수 있다. 상기 특이성 탐침이 표적 유전자에 대해 유일하게 특이성을 갖는 올리고뉴클레오티드이므로, 다른 비특이성 산물과 결합하지 않는다. 현재 실천에서 흔히 TaqMan probe와 합병하여 사용되는 형광 염색제는 FAM, VIC, HEX, ROX, CY3, CY5, CY5.5, JOE, TET, Texas Red, TAMRA, NED, Quasar705, Alexa488, Alexa546, Alexa594, Alexa633, Alexa643 및 Alexa680을 포함한다.
이러한 형광 염색제는 각각 최적의 흡수 파장 범위와 산란 파장 범위를 갖고 있지만, 상기 형광 염색제 사이의 최적 흡수 파장 범위와 산란 파장은 대부분 중첩되므로, 동일한 시험관내에서 동시에 동일한 검사체에 대해 2개 이상의 상이한 표적 유전자의 정량화를 위하여 2개 이상의 형광 염색제를 사용하여야 할 경우, 실무에서는 고도의 신호 중첩(crosstalk)을 유발하지 않는 형광 염색제를 선택하여 조합 사용하며, 또한 종래의 데이터 방식으로 상기 획득한 데이터에 대해 분석하여 최종적으로 분별 가능성을 갖는 형광 신호를 얻어 결과 판독을 가속화한다. 다른 방법은 한번에 하나의 시험관내에서 상기 검사체의 하나의 표적 유전자만을 테스트하는 것이지만, 동시에 동일한 검사체의 상이한 표적 유전자를 검출하기 위한 복수의 시험관이 있으며, 이후 다시 상기 검사체의 복수의 검출대상의 검출 결과를 합병 및 검측하여, 형광 신호의 중첩으로 인해 데이터를 분석할 수 없는 상황을 피한다. 전자는, 몇 개의 표적 유전자를 테스트하던지, 모두 동일한 시험관 튜브에서 진행할 수 있어, 재료를 소모하는 낭비를 초래하지 않을 것이라는 이점을 갖고 있다. 그러나, 다양한 형광 신호로 인해 신호 중첩의 현상을 초래하여 데이터 분석 오류를 야기할 수 있거나, 신호 중첩 부분이 어느 하나의 표적 유전자에 속하는지 효과적으로 식별할 수 없어, 실험 결과를 잘못 판단하는 결과를 초래하기 쉽다. 후자는, 한번에 하나의 시험관내에서 하나의 표적 유전자만 테스트하고, 다시 여러 테스트 결과를 결합하여 판단하므로, 신호 중첩 문제를 효과적으로 해결할 수 있으며 신호 판독의 정확도가 전자보다 훨씬 높아지지만, 많은 재료를 소모할 수 있고, 수요되는 검사체의 양도 상대적으로 많다. 현재 실무에서 동일한 검사체에 대해 복수의 표적 유전자를 정량화할 경우, 대부분 여전히 후자의 방식을 사용한다.
현재, 실험실에서 real-time PCR을 위해 사용되는 대부분의 장치는 온도 제어 금속을 히터로 사용하고, 이의 빠른 가열 및 냉각 특성을 이용하여, 반복적으로 가열하고 냉각시키는 작동을 수행하여 변성, 프라이머 어닐링, 및 프라이머 신장 3개의 단계의 반응 온도에 도달한다. 이밖에, 플라스틱으로 제조된 시약 용기를 가열하여, 에너지가 시험관내의 시약 및 반응물(표적 유전자의 조각을 포함함)로 전달됨으로써, 표적 유전자 신호의 증폭 및 이의 형광 신호의 검출 효과를 달성한다. 그러나, 온도 제어 금속을 사용하여 온도를 반복적으로 높이고 낮추는 이러한 유형의 기계는 일반적으로 부피가 비교적 큰데 이는 효과적인 온도 제어에 달성하려면 전체 온도 제어 시스템은 반드시 비교적 큰 부피 및 열용량비를 가져야 하기 때문이며, 현재 기계 설계에 따르면, 대부분 시간은 온도 제어 금속이 반응 온도까지 가열 또는 냉각 될 때까지 대기하는데 사용되며, 종래의 테스트에 필요한 순환 횟수가 약 30 ~ 35 사이클이면, 종래의 기계에 필요한 반응 시간은 약 2 ~ 3시간이며, 반응 시간을 줄이는 것이 어렵기 때문에 매우 짧은 시간 내에 결과를 얻을 수 있는 실험에는 적용 될 수 없다.
종래의 장치의 문제점을 개선하기 위해, 연구자들은 real-time PCR을 미세 유체 칩에 적용하는 기술을 개발하였다. 이러한 기술의 이점은, 미세 유체 칩이 시약 또는 반응물의 부피와 전체 열용량비를 감소시킬 수 있어, 반응 시간과 시약의 소모를 감소시킬 수 있는 것이지만 이 기술은 여전히 3개의 상이한 온도 구간에서 반복적으로 온도를 상승 및 하강시켜야 하기 때문에 여전히 온도 상승 및 하강 시간이 매우 길다는 문제가 존재한다.
개발된 다른 real-time PCR 미세 유체 칩은 히터의 반복적인 온도 상승 및 하강 설정이 결여되어 있고, 특별히 설계된 구동력을 이용하여 유동 채널에서의 반응물 및 시약을 가압하여, 반응물 및 시약이 특수 가공 설계된 3개의 상이한 온도 구간을 갖는 유동 채널에 있도록 함으로써, 표적 유전자 증폭 및 신호 검출의 효과를 달성한다. 이 기술을 사용하여 real-time PCR을 수행하는 것은 온도 상승 및 하강으로 인한 시간 소비를 배제할 수 있지만 이 기술 시스템은 복잡한 가압 시스템 및 유압(hydraulic) 구동 시스템이 포함되어야 한다. 상기 유압 구동 시스템은 또한 액체의 체적 점도와 밀접한 관련이 있으며, 이는 시스템 및 기기의 제조 및 제어에 어려움을 초래하므로, 또한 이러한 기술의 발전을 간접적으로 제한한다.
일부 연구자들은 또한 열대류 순환을 이용하여 real-time PCR을 수행하는 기술을 개발하여 종래의 기계의 높은 정기용량비 및 높은 시간 소비 문제를 해결하였다. 이러한 기술은 2개의 상이한 온도의 열원을 이용하여 시약 및 반응물이 포함된 밀폐형 시험관 상하단에 대해 가열한다. 상하단의 온도차를 통해 시험관내의 시약 및 반응물을 구동하여 상기 시약 및 반응물이 상기 시험관의 상이한 온도 구간을 유동하도록 하여 실시간 real-time PCR을 수행한다. 이 기술은 히터의 반복적인 온도 상승 및 하강으로 인한 시간 소모를 극복하고 또한 외부 가압 방식을 통해 시험관 내의 유압 유동 순환을 구동할 필요도 없다. 그러나, 히터는 대부분 블록 금속이고 열용량비를 감소시킬 수 없기 때문에 기계의 부피를 축소시킬 수 없다. 이밖에, 복잡한 온도 제어 메커니즘 및 상기 금속 가열 시스템으로 인해 제조 비용이 높아진다.
동일한 검사체에 대해 복수의 표적 유전자 또는 마커의 정량화를 진행할 경우, 상기 형광 탐침 및 기계의 조합에 대한 문제는 보다 더 심각할 것이다. 즉, 신뢰도가 비교적 높은 형광 신호값을 획득하기 위해, 실무에서는 한번에 하나의 시험관내에서 하나의 표적 유전자만 테스트하고, 다시 복수의 테스트 결과를 결합하여 판단하는데, 이는 검사체마다 복수의 시험관이 필요하게 될 것이며, 사용되는 장치가 상기 실험실에서 흔히 사용되는 기계이거나 상이한 온도 구간에서 반복적으로 온도가 상승 및 하강하는 미세 유체 칩이면, 여전히 테스트 시간이 비교적 긴 문제가 있는 외에도, 재료 소모 및 필요한 검사체 양도 비교적 많은 문제가 더 존재한다. 특수 유동 채널로 설계된 미세 유체 칩 또는 열순환을 이용한 real-time PCR 테스트 장치에서 테스트할 지라도, 테스트 시간이 긴 문제는 배제할 수 있지만 재료 소모 및 필요한 검사체 양이 비교적 많은 문제는 극복할 수 없다.
상술한 문제를 감안하여, 본 발명은 종래의 기계 사이즈가 지나치게 크고, 반복적인 온도 상승 및 하강으로 인한 시간 소모를 극복할 수 있고, 동시에 재료 소모 및 필요한 검사체 양이 비교적 많은 등 문제를 극복할 수 있는 중합효소 연쇄 반응 장치를 공개한다.
본 발명은 하나 이상의 형광 신호에 대한 실시간 검출이 가능한 중합효소 연쇄 반응 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 시약 용기 수용 수단(또는 컴포넌트)을 포함하고, 시약 용기 수용 수단은 내열성 물질로 구성되며, 상기 내열성 물질 표층은, 내열성 절연 물질 또는 코팅된 도전 물질(conductive material)로 형성된 도전 필름 또는 양자를 모두 포함할 수 있다. 상기 시약 용기 수용 수단은 시약 용기 외부 윤곽이 상이함에 따라 또한 그 온도 제어 조건이 상이함에 따라 상이한 구조로 설계되며, 회로기판 또는 도전 금속 컴포넌트 등과 같은 다른 도전 컴포넌트에 통합되어 용이하게 작동할 수 있다. 상기 내열성 물질은 금속 또는 비금속일 수 있다. 내열성 물질이 금속이면, 이는 알루미늄, 구리, 이의 합금 도는 다른 내열성 금속일 수 있다. 내열성 물질이 비금속이면, 이는 유리, 플라스틱, 또는 세라믹일 수 있다. 상기 내열성 물질이 금속이면, 상기 금속에 산화알루미늄, 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene) 및 폴리이미드(polyimide) 등과 같은 한층의 내열성 절연 물질을 코팅할 수 있다.
상기 내열성 물질이 금속인지의 여부에 관계없이, 특정 저항값을 제공하기 위해 그 표층에 도전 필름을 코팅할 것인지의 여부는 시약 용기 수용 수단의 가열 수단의 설계에 의존한다. 상기 가열 수단이 금속 재질의 도전 물질만을 포함하도록 설계되고 다른 가열 컴포넌트가 없을 경우, 본 발명에 개시된 장치는 상기 내열성 물질의 표층에 도전 필름을 코팅할 것이다. 상기 도전 필름은 일정한 저항값을 갖고 있으므로, 상기 가열 수단에 전류가 공급되면 온도가 상승하여 가열을 시작할 수 있다. 반대로, 상기 가열 수단이 전기 가열 소자로 용접된 회로기판과 같은 전열 장치를 직접 포함하도록 설계되면, 통전 후 시약 용기 수용 수단은 가열하기 시작하여 온도가 상승할 수 있으며, 따라서 상기 내열성 물질에 한층의 도전 필름을 다시 코팅할 필요가 없다. 본 발명의 도전 물질은 산화 주석, 산화 인듐, 산화 아연, 산화 인듐 주석, 크롬, 티타늄, 탄탈 또는 구리일 수 있으며, 본 발명의 전기 가열 소자는 저항 또는 회로기판 레이아웃(printed circuit board; PCB layout)일 수 있다. 본 발명에 개시된 가열 수단의 설계를 통해, 가열 수단의 부피를 크게 감소시킬 수 있으며, 종래의 PCR 기계에 비해, 보다 많은 부피 상의 이점 및 파생 가능성을 갖는다.
시약 용기 수용 수단과 시약 용기가 접촉된 부위에 적어도 하나의 온도 센서가 설치되며, 이의 위치 및 개수는 실제 시약 용기가 시약 용기 수용 수단에 삽입될 때 반응에 영향을 주지 않으면서 온도 변화를 쉽게 검출할 수 있는 위치에 의해 결정되며, 온도 센서는 상기 위치의 온도를 모니터링하고 전달하는데 사용된다.
본 발명은 전원 공급 장치, 방열 장치 및 프로세서를 포함한다. 전원 공급 장치는 시약 용기 수용 수단의 온도 상승 및 하강 및 전체 장치 작동에 필요한 전원을 공급하는데 사용되며, 방열 장치는 시스템의 온도를 하강하는데 사용되고, 프로세서는 알고리즘을 이용하여 하나 이상의 형광 신호를 정량화 및 분석하기 위해 프로그램을 프리로딩하며, 상기 알고리즘은 최소제곱법에 따라 파라미터의 알고리즘을 설정할 수 있다.
상기 프로세서는 형광 신호를 분석하는 외에, 또한 전원 공급 장치가 시약 용기 수용 수단에 전원을 공급하여 온도를 상승시키고, 방열 장치를 작동시키고 또한 시스템 광원의 온오프 시점을 제어하도록 사용될 수 있다. 전원 공급 장치는 시약 용기 수용 수단과 통전되어 연결되며, 보다 정밀하게, 전원 공급 장치의 조인트는 시약 용기 수용 수단 표층의 도전 필름과 통전되어 연결될 수 있거나, 시약 용기 수용 수단의 다른 전기 가열 소자와 통전되어 연결될 수 있다. 전원 공급 장치가 전원을 공급하기 시작하면, 시약 용기 수용 수단은 온도가 상승하여 소정의 온도까지 가열하기 시작하며, 이때 시약 용기 수용 수단에 설치된 온도 센서는 온도를 검출하기 시작하여 프로세서에 전달할 것이고, 온도 센서가 시약 용기 수용 수단의 온도가 기설정된 시간내에 시스템에 의해 기설정된 최고 온도에서 유지되는 것을 감지할 경우, 기설정된 시간내에 방열 장치를 작동시켜 시스템에 의해 기설정된 최저 온도 구간까지 온도가 하강하기 시작한다. 방열 장치의 설치 또는 시약 용기 수용 수단에 대한 위치는 특정되지 않으며, 장치 온도를 빠르고 효과적으로 감소시킬 수 있으면 된다. 본 발명의 온도 설정에서, 시약 용기 수용 수단의 온도가 상승하도록 허용될 수 있는 온도 구간은 85 ℃ 내지 130 ℃이고, 시약 용기 수용 수단의 온도가 하강하도록 허용될 수 있는 온도 구간은 50 ℃ 내지 75 ℃이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서, 방열 장치는 팬일 수 있으며, 열전 냉각기(TE cooler)를 추가 채택하거나 하나 이상의 팬과 방열 장치를 합병하여 사용하면 빠르고 효과적으로 온도를 감소시키는 효과에 달성할 수 있으며, 시약 용기 수용 수단을 구성하는 내열성 물질은 방열 효과를 가속화하기 위해 복수의 관통된 방열 구멍을 포함할 수 있다.
본 발명에 개신된 장치는 적어도 하나의 광원 및 스펙트로미터를 구성한다. 광원은 형광 염색제 또는 형광 탐침이 검출 가능한 형광을 발생하도록 여기시키기 위한 것이고, 본 발명에 개신된 장치는 복수의 상이한 파장의 여기 광원을 채택할 수 있다. 광원에 의해 방출된 광선은 특정 각도로 광 여기 렌즈를 통과하여 시약 용기로 진입되어 형광 물질을 여기시켜 형광을 발생시킬 수 있다. 상기 발생된 형광은 형광 출구를 거쳐 광 검출 렌즈를 통과한 후 스펙트로미터에 진입한다. 상기 스펙트로미터는 형광을 처리하여 그것이 스펙트럼 형태를 나타내는 형광 신호(fluorescent signal in spectrum format)로 변환하도록 하고, 상기 신호를 프로세서로 송신하여 분석한다. 본 발명에 사용되는 광원은 LED(light emitting diode), 레이저 또는 파장이 형광 염색제 또는 형광 탐침의 흡수 파장과 동일한 기타 광원을 포함하며, 이러한 광원은 본 발명에 통합되어 사용될 수 있다. 본 발명에 사용되는 광 여기 렌즈 및 광 검출 렌즈는 양볼록 렌즈, 평면볼록 렌즈, 복 렌즈, 비구면 렌즈, 아크로매틱 렌즈, 애너스티그매틱 렌즈(anastigmatic lens, aberration elimination lens), 프레넬 렌즈, 평면오목 렌즈, 양오목 렌즈, 포지티브/네거티브 메니스커스 렌즈, 축 프리즘, 그린 (GRIN) 렌즈, 마이크로렌즈 어레이, 원기둥 렌즈, 웨이브 가이드 소자(waveguide elements), 회절 광학 소자, 홀로그래픽 광학 소자 또는 상기 각자의 조합일 수 있다. 프로세서는 광원의 온 오프 시간을 제어할 수 있고, 스펙트로미터가 광원이 작동될 때부터 시작하여 형광 신호를 검출할 것인지의 여부를 제어할 수 있다.
본 발명의 장치에서, 광원, 스펙트로미터, 광 여기 렌즈, 광 검출 렌즈 및 시약 용기 수용 수단의 배열 방식은 특별히 제한되지는 않지만, 기본적으로 광원 및 그 광선 방출 경로 및 광 여기 렌즈가 시약 용기 수용 수단의 일측에 위치되어 있음을 확인하면 되며, 광원에 의해 방출된 광선은 광 여기 렌즈를 통과하여 시약 용기로 가이드되어 시약 중 형광 염색제 또는 형광 탐침을 효과적으로 여기시킬 수 있다. 이밖에, 상기 발생된 형광은 광 검출 렌즈를 통과하여 스펙트로미터로 전송될 수 있고, 다시 스펙트로미터에 의해 처리된 후의 스펙트럼 형태를 나타내는 형광 신호는 프로세서에 전송되어 관련 신호를 분석한다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서, 광원 및 광 여기 렌즈는 시약 용기 수용 수단의 수직 아래에 위치하고, 광 검출 렌즈 및 스펙트로미터는 가상의 직선으로 배열되며, 상기 직선은 상기 광원 및 광 여기 렌즈로 형성된 가상 직선에 수직된다. 본 발명에 개시된 일 비교적 바람직한 실시예에서, 시약 용기 수용 수단에는 본 발명에 개시된 장치의 작동을 용이하게 하기 위해 형광이 방출되는 경로에 형광 출구가 설치된다.
본 발명에 개시된 장치에서, 스펙트로미터의 검출 가능한 형광 신호 범위는 340 nm 내지 850 nm 사이에 있다. 본 발명에 사용될 수 있는 형광 염색제 또는 형광 탐침의 방출 파장(Emission Wavelength)은 340 nm 내지 850 nm 사이에 있어야 하고, FAM, VIC, HEX, ROX, CY3, CY5, CY5.5, JOE, TET, SYBR, Texas Red, TAMRA, NED, Quasar705, Alexa488, Alexa545, Alexa594, Alexa633, Alexa643 및 Alexa680을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 다른 형광 염색제의 방사 파장이 340 nm 내지 850 nm 사이에 있으면, 본 발명에 응용될 수 있다.
본 발명에 개시된 장치는 동일한 시약 용기에서 복수의 표적 유전자 또는 마커의 검출을 수행할 수 있으며, 동일한 시약 용기에 하나 이상의 형광 염색제 또는 형광 탐침을 추가하여 real-time PCR을 수행하고, 매번 반응하는 형광 신호를 수집하여 프로세서에 의해 프리로딩된 알고리즘을 통해 형광 신호를 분석함으로써 복수의 표적 유전자 또는 마커의 정성 및 정량적 효과를 달성한다. 하나 이상의 형광 염색제 또는 형광 탐침을 추가하면, 상기 복수의 형광 신호 사이에 신호 중첩 상황이 발생할 것이며, 동일한 시약 용기에서 실시간으로 2가지 이상의 형광 신호를 효과적으로 검출 및 식별하기 위해, 우선 사용될 형광 염색제 또는 형광 탐침에 대해, 그 표준 형광 주파수 스펙트럼을 프로세서에 의해 프리로딩된 알고리즘에 입력하고, 동시에 장치에 사용되는 여기 광 광원의 표준 주파수 스펙트럼을 프로세서에 입력하며, 양자를 알고리즘의 대조 표준값으로 사용하고, 다시 측정한 초기 형광 신호 및 표준 주파수 스펙트럼을 알고리즘에 의해 연산하여 비교한 후, 그 형광 신호값을 얻을 수 있으며, 상기 형광 신호값과 표적 유전자의 농도는 정비례를 나타낸다. 예를 들어, 동일한 시약 용기에서 6개의 상이한 표적 유전자 또는 마커를 검출하려면, 6개의 상이한 형광 염색제 또는 형광 탐침을 사용해야 하므로, 먼저 6개의 형광 염색제 또는 형광 탐침의 표준 주파수 스펙트럼을 프로세서에 의해 프리로딩된 알고리즘에 입력하고, 동시에 여기 광 광원의 표준 주파수 스펙트럼을 프로세서에 의해 프리로딩된 알고리즘에 먼저 입력한 다음 real-time PCR을 수행한다. 프로그램 작동이 완료된 후, 프로세서는 측정된 주파수 스펙트럼 초기 데이터를 수신할 것이며, 이 초기 데이터는 6개의 형광 염색제 또는 형광 탐침의 중첩된 형광 신호(superimposed fluorescent signal)이고, 이어서 배경값을 뺀 후, 상기 알고리즘을 사용하여 PCR이 순환할 때마다 형광 주파수 스펙트럼에서 6개의 형광 신호가 각각 차지하는 비율을 계산하고, 연산을 통해 각 형광 염색제 또는 형광 탐침의 실시간 형광 신호값을 분리하여 얻을 수 있으며, 다시 환산을 통해 6개의 상이한 표적 유전자 또는 마커의 정성 또는 정량적 결과를 얻을 수 있다.
본 발명에 개시된 장치가 작동될 경우, 우선, 전원 공급 장치가 먼저 작동되고, 시약 용기 수용 수단의 온도가 상승하도록 도전 물질이 통전되기 시작한다. 반응물 및 시약을 포함한 시약 용기를 시약 용기 수용 수단의 수용 공간에 배치하고, 시약 용기 수용 수단의 온도 상승 및 하강을 빠르게 반복시킴으로써, 반응물 및 시약은 변성(denature), 프라이머 어닐링(primer annealing) 및 프라이머 신장(primer extension) 단계가 시작된다. 특정 시점에서 프로세서는 광원 스위치를 작동시키고 방출된 여기 광은 광 여기 렌즈를 통과하여 시약 용기로 진입되어 그 내부의 형광 물질이 형광을 방출하도록 여기시키며, 발생된 형광은 광 검출 렌즈를 통과하여 스펙트로미터에 의해 수신되어 스펙트럼 형태를 나타내는 형광 신호로 변환되고, 상기 신호는 다시 프로세서에 전송되어 신호 분석을 수행하며, 마지막으로 시약 용기내의 검출할 표적 유전자 또는 마커에 대해 정성 또는 정략적 분석을 수행할 수 있다.
본 발명에 개시된 장치는 도전 필름 또는 전기 가열 소자를 이용하며 이는 작은 부피의 가열 수단에 통합되어 빠른 온도 상승 및 하강 기능을 제공할 수 있으며, PCR 반응 시간을 효과적으로 단축시킬 수 있다. 동시에, 내장된 알고리즘은 하나 이상의 형광 신호의 형광값을 실시간으로 분석하여, 짧은 시간에 표적 유전자에 대해 정성 및 정량화 할 수 있는 기능을 달성할 수 있다. 상기 목적에 달성하고자, 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예가 제공된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에서의 장치의 컴포넌트 구성도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에서의 시약 용기 수용 수단, 방열 구멍 및 온도 센서 모식도이다.
도 2c는 본 발명의 바람직한 일 실시예에서의 시약 용기 수용 수단의 평면도이다.
도 2d는 본 발명의 바람직한 일 실시예에서의 시약 용기 수용 수단의 측면도이다.
도 2e는 본 발명의 바람직한 일 실시예에서의 제1 기판 및 제2 기판의 층 평면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에서의 초기 형광 신호 디스플레이 그래프이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에서의 형광 신호 분석 결과도이다.
도 5a는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에서의 시약 용기 수용 수단의 모식도이다.
도 5b는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에서의 시약 용기 수용 수단의 평면도이다.
도 6a는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에서의 시약 용기 수용 수단의 모식도이다.
도 6b는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에서의 시약 용기 수용 수단의 모식도이다.
이하 도면을 결부하여 본 발명의 바람직한 일 실시예의 구조 및 효과에 대해 상세하게 설명한다. 또한, 본 명세서에서, 수단 또는 그 부위의 위치 묘사에 있어 “전”, “후”, “좌”, “우”, “상”, “하” 등을 사용하며, 이는 사용자가 본 비교적 바람직한 실시예를 작동할 때 공간 관계에 대응된다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에서의 장치(1)의 컴포넌트 구성은 도면에 도시된 바와 같다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서의 장치(1)는 시약 용기 수용 수단(10), 제1 광학 소자(30), 광원(40), 제2 광학 소자(50), 스펙트로미터(60), 팬(70), 열전 냉각기(80), 프로세서(90) 및 전원 공급 장치(100)를 포함한다. 여기서, 시약 용기 수용 수단(10)은 시약 용기(20)를 배치하고 또한 필드(109)(도 2 ~ 도 3을 참조바람)를 제공하는데 사용되며, 상기 필드는 시약 및 반응물을 가열하여 온도가 상승하도록 하기 위한 것이고, 전원 공급 장치(100)와 시약 용기 수용 수단(10)은 전기적으로 연결되며, 팬(70) 및 열전 냉각기(80)는 전원 공급 장치(100)와 통전되어 연결되어 시약 용기 수용 수단(10)의 온도를 하강시킨다. 이밖에, 상기 제1 광학 소자(30) 및 제2 광학 소자(50)는 양볼록 렌즈, 평면볼록 렌즈, 복 렌즈, 비구면 렌즈, 아크로매틱 렌즈, 애너스티그매틱 렌즈, 프레넬 렌즈, 평면오목 렌즈, 양오목 렌즈, 포지티브/네거티브 메니스커스 렌즈, 축 프리즘, 그린 렌즈, 마이크로렌즈 어레이, 원기둥 렌즈, 회절 광학 소자, 웨이브 가이드 소자(waveguide elements), 홀로그래픽 광학 소자, 렌즈, 섬유 및 프리즘을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
도 2a 내지 도 2e를 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에서의 시약 용기 수용 수단(10)을 도시한다. 상기 시약 용기 수용 수단(10)은 제1 오목면(1011)을 구비한 제1 기판(101), 제2 오목면(1021)을 구비한 제2 기판(102), 제1 금속편(103), 제2 금속편(104)을 포함한다. 제1 기판(101)은 방열로서 사용되는 제1 방열 구멍(105) 및 제2 방열 구멍(107)을 구비하고, 제1 기판(101)은 제1 형광 출구(106), 및 제1 온도 센서(108)를 더 구비하며, 제1 온도 센서(108)는 시약 용기 수용 수단(10)의 온도를 검출하고 또한 프로세서(90)에 온도를 전달하는데 사용된다. 제2 기판(102)은 제1 방열 구멍(105) 및 제2 방열 구멍(107)만 구비한다.
제1 기판(101) 및 제2 기판(102)은 제1 오목면(1011) 및 제2 오목면(1021)이 수평면과 수직되는 방식으로 서로 커플링되어 시약 용기(20)를 배치하기 위한 공간(109)을 형성하도록 서로 평행되게 배열되며, 시약 용기(20) 외벽은 제1 오목면(1011) 및 제2 오목면(1021)과 접촉되어 열전도된다. 제1 오목면(1011) 및 제2 오목면(1021)의 외형은 시약 용기(20)와 실질적으로 일치하는 한, 특별히 제한되지 않으며, 본 실시예에서, 시약 용기(20)는 시험관이므로, 제1 오목면(1011)이 제2 오목면(1021)과 대향하여 시약 용기(20)를 배치하도록 제공된 공간(109)의 외형도 시험관 외표면의 형상을 형성하도록 한다. 제1 금속편(103) 및 제2 금속편(104)은 제1 기판(101) 및 제2 기판(102)에 의해 그리핑되고, 제1 기판(101) 및 제2 기판(102)과 평행하며, 제1 금속편(103) 및 제2 금속편(104)은 제1 기판(101) 및 제2 기판(102)의 양측에 위치한다. 제1 금속편(103) 및 제2 금속편(104)은 전원 공급 장치(100)와 연결된다.
본 실시예에서, 제1 기판(101) 및 제2 기판(102)의 베이스 기판 재질은 알루미늄이고, 베이스 기판 재질은 먼저 양극 전기도금 처리되며, 산화알루미늄(Al2O3, Aluminum Oxide) 층으로 코팅되고, 다시 그 위에 한층의 도전 필름으로 코팅되며, 본 실시예의 도전 필름의 재질은 산화 주석, 산화 인듐, 산화 아연, 산화 인듐 주석, 크롬, 티타늄, 탄탈 또는 구리일 수 있다. 제1 금속편(103) 및 제2 금속편(104)의 재질은 본 실시예에서 구리이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에서, 광원(40)은 레이저 다이오드이며, 이는 형광 염색제 또는 형광 탐침을 여기하여 검출될 수 있는 형광을 발생하도록 한다. 다른 수요가 있는 경우, 광원(40)은 레이저 광 그룹 또는 LED로 변경될 수 있다. 제1 광학 소자(30)는 광원(40)으로부터 방출된 광선을 시약 용기(20)로 가이드하는데 사용된다. 본 실시예에서, 시약 용기(20)는 시약 용기 수용 수단(10)에 배치되고, 광원(40) 및 제1 광학 소자(30)는 시약 용기(20) 아래에 위치하며, 시약 용기(20)와 수직으로 배열되고, 제1 광학 소자(30)는 광원(40) 및 시약 용기(20) 사이에 위치한다. 이러한 배열 방식은 광원(40)으로부터 방출된 여기 광이 시약 용기(20) 내의 형광 염색제 또는 형광 탐침을 여기시키기 위해 제1 광학 소자(30)에 의해 시약 용기(20)의 바닥으로 가이드되는 것을 보장할 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에서, 제2 광학 소자(50)는 발생된 형광을 스펙트로미터(60)에 전달하는데 사용된다. 상기 제2 광학 소자(50)는 시약 용기 수용 수단(10) 및 상기 스펙트로미터(60) 사이에 위치한 광학 필터(optical filter)(51)을 포함할 수 있으며, 상기 광학 필터(51)는 파장이 하나 또는 복수의 형광 신호의 범위를 초과하는 광을 필터링하는데 사용될 수 있다. 상기 스펙트로미터(60)는 상기 형광을 처리하여 이를 스펙트럼 형태를 나타내는 형광 신호로 변환시킨 다음, 상기 신호를 프로세서(90)에 다시 전송하여 신호 분석을 수행한다. 제2 광학 소자(50) 및 스펙트로미터(60)는 시약 용기 수용 수단(10)의 제1 기판(101)에 가까운 측에 위치하고, 제2 광학 소자(50), 스펙트로미터(60) 및 제1 형광 출구(106) 삼자는 가능한 수평으로 배열되어, 시약 용기(20)에서 여기된 형광 신호가 차례로 제1 형광 출구(106) 및 제2 광학 소자(50)를 통과하여 직선으로 방출되어 스펙트로미터(60)에 의해 검출되도록 하여야 한다. 본 실시예에서, 제2 광학 소자(50) 및 스펙트로미터(60)는 시약 용기 수용 수단(10)의 일측에 위치하고, 제2 광학 소자(50) 및 스펙트로미터(60)가 배열되어 형성된 가상선은 제1 광학 소자(30) 및 광원(40)이 배열되어 형성된 다른 하나의 가상선에 수직된다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에서, 팬(70)은 방열 장치이고, 열전 냉각기(80)에 통합되어 사용되며, 상기 팬(70)의 위치는 특별히 한정되지 않는다. 본 실시예에서, 팬(70)은 시약 용기 수용 수단(10)의 제2 기판(102)에 비교적 가까운 측에 위치하며, 열전 냉각기(80)는 상기 팬(70)의 상부에 위치하고, 장치(1)의 온도가 하강될 경우, 제1 방열 구멍(105) 및 제2 방열 구멍(107)은 함께 방열을 수행한다. 본 실시예의 장치(1)는 프로세서(90)를 포함하며, 이는 최소제곱법을 이용한 알고리즘을 프리로딩하여 형광 신호 분석을 수행한다. 본 실시예에서, 미리 사용될 형광 염색제 또는 형광 탐침 표준 주파수 스펙트럼을 미리 입력하여야 하고, 광원(40)의 주파수 스펙트럼은 후속 데이터 분석을 위해 입력되어야 한다.
프로세서(90)는 또한 제1 온도 센서(108)의 신호를 수신하고, 시약 용기 수용 수단(10)의 온도가 시스템 설정 온도 범위보다 높을 경우, 즉시 팬(70) 및 열전 냉각기(80)를 작동시켜 시약 용기 수용 수단(10)의 온도를 감소시킨다. 시약 용기 수용 수단(10)의 온도가 시스템 설정 온도 범위보다 낮을 경우, 전원 공급 장치(100)는 장치(1)를 가열하기 시작한다. 본 실시예에서, 온도 상승 속도를 제어하는데 협력하기 위해, 프로세서(90)는 동시에 제1 금속편(103) 및 제2 금속편(104)에 대해 통전하여 가열하거나, 제1 금속편(103) 또는 제2 금속편(104)에 대해서만 단일 가열하도록 더 제어할 수 있다.
본 실시예는 또한 전체 장치(1)에 필요한 전기량을 제공하기 위한 전원 공급 장치(100)를 포함한다. 전원 공급 장치(100)가 작동될 경우, 전류를 제1 금속편(103) 및 제2 금속편(104)에 전송할 것이며, 제1 금속편(103) 및 제2 금속편(104)의 재질이 구리이므로, 전류를 제1 기판(101) 및 제2 기판(102)의 제1 금속편(103) 및 제2 금속편(104)과 접촉되는 부위에 전도할 수 있다. 또한 제1 기판(101) 및 제2 기판(102)의 표층(101a 및 102a)에 도전 필름(101b 및 102b)이 코팅되는데, 이는 일정한 저항값을 가지고, 따라서 시약 용기 수용 수단(10)의 온도는 95 ℃ 내지 100 ℃의 온도 구간으로 상승하기 시작하며, 이 온도 구간은 즉 본 실시예에서 설정한 온도 상승 온도 구간이고, 본 실시예에서, 프로세서(90)는 시약 용기 수용 수단(10)이 이 온도 상승의 온도 구간에서 약 6초 내지 15초 유지되어 시약 용기(20) 내에서 real-time PCR 반응 단계를 수행하도록 설정된다. 이어서 프로세서(90)는 팬(70) 및/또는 열전 냉각기(80)를 작동시켜 시약 용기 수용 수단(10)의 온도가 60 ℃ 내지 62 ℃의 온도 구간으로 감소하기 시작하도록 설정되며, 이 온도 구간은 즉 본 실시예에서 설정된 저온 온도 구간이고, 본 실시예에서, 프로세서(90)는 시약 용기 수용 수단(10)이 이 저온 온도 구간에서 약 1초 내지 5초 유지되어 시약 용기(20) 내에서 real-time PCR 반응 단계를 수행하도록 설정된다. 효과적이고 충족한 반응시간 및 온도를 제공하기 위해, 프로세서(90)는 또한 시약 용기 수용 수단(10)의 온도가 반응이 종료될 때까지 온도 상승 온도 구간 및 저온 온도 구간내에서 반복적으로 순환하도록 조절하며, 시약 용기 수용 수단(10)의 온도가 이렇게 안정적으로 상승 및 하강할 경우, 시약 용기(20) 내의 반응물 및 시약의 온도는 real-time PCR에 필요한 3개의 온도 구간에 도달할 수 있다.
Real-time PCR 반응이 시작될 경우, 시약 용기(20) 및 시약 용기 수용 수단(10)과 인접한 시약 및 반응물은 먼저 가열되기 시작한다. 시약 용기(20)에 비교적 가까운 반응물 및 시약이 95 ℃까지 가열될 경우, 상기 부위의 반응물 및 시약은 변성(denature) 단계를 수행하기 시작하며, 시약 용기 수용 수단(10)의 온도 순환을 제어함으로써 프라이머 어닐링(primer annealing) 및 프라이머 신장(primer extension)을 수행하는 온도에 도달되도록 한다.
이때 프로세서(90)는 광원(40) 스위치를 작동시킬 것이며, 방출된 여기 광은 제1 광학 소자(30)를 통과하여 시약 용기(20)에 진입되어 시약 용기(20) 내의 형광물질이 형광을 방출하도록 여기시키며, 발생된 형광은 제2 광학 소자(50)를 통과하여 스펙트로미터(60)에 의해 처리되고 초기 형광 신호로 변환되며, 상기 초기 형광 신호는 다시 프로세서(90)로 전송되어, 프로세서(90) 내에서 프리로딩된 최소제곱법을 이용한 알고리즘에 의해 백그라운 광 신호값을 뺀 후, 다시 데이터를 미리 입력한 형광 염색제 또는 형광 탐침 표준 주파수 스펙트럼과 검증 분석을 수행하며, 마지막에 각각의 형광 신호의 강도를 얻을 수 있고, 환산을 통해 시약 용기(20) 내 검출할 표적 유전자 또는 마커에 대한 정성 또는 정략적 분석을 수행할 수 있다.
본 실시예의 설정을 통해, 4개의 시약 용기(20) 내에 각각 4가지 농도가 상이한 형광 탐침을 추가하고, 또한 각각의 시약 용기(20) 내에 4가지 농도가 같은 FAM, VIC, Alexa594, 및 Alexa647 형광 탐침이 포함될 경우, 본 장치(1)의 실시를 통해, 먼저 4개의 시약 용기(20) 내의 혼합된 초기 형광 데이터(도 3에 도시된 바와 같음)를 얻을 수 있다. 다시 내장된 최소제곱법을 이용하여 연산된 알고리즘 및 분석을 통해, 4개의 시약 용기(20) 내에서 각각의 형광 탐침의 농도 분석(도 4에 도시된 바와 같음)을 얻을 수 있다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 바람직한 다른 실시예에서, 상술한 시약 용기 수용 수단(10)을 대체할 수도 있는 다른 하나의 시약 용기 수용 수단(210)을 사용할 수 있으며, 나머지 장치에 대한 설치는 위의 실시예와 동일하다. 시약 용기 수용 수단(210)은 제3 기판(201), 제4 기판(202) 및 절연 시트(204)를 포함한다. 제3 기판(201)은 시약 용기 수용 수단(210)의 온도를 검출하여 프로세서(90)에 전달하기 위한 온도 센서(205)를 구비한다. 제3 기판(201) 및 제4 기판(202)은 동일한 내열성 물질이며, 특정 각도로 굽힌 후 대칭되는 방식으로 배열하기만 하면 되며, 굽힙 부분은 시약 용기 수용 부분(203)으로 구성된다. 시약 용기 수용 부분(203)의 외형은 시약 용기(220)를 수용할 수 있는 한 특별히 제한되지 않는다. 본 실시예에서, 시약 용기(220)는 시험관이므로, 시약 용기 수용 부분(203)은 시약 용기(220) 외벽의 형상과 같다. 제3 기판(201)과 제4 기판(202) 사이에는 절연 시트(204)가 포함되며, 제3 기판(201) 및 제4 기판(202)은 각각 전원 공급 장치(100)와 연결된다.
본 실시예에서, 제3 기판(201) 및 제4 기판(202)의 기저 재질은 알루미늄이고, 기저 재질은 먼저 양극 전기도금 처리되어 산화알루미늄(Aluminum Oxide) 층으로 코팅되고, 다시 그 위에 한층의 도전 필름으로 코팅된다. 본 실시예의 도전 필름의 재질은 산화 주석, 산화 인듐, 산화 아연, 산화 인듐 주석, 크롬, 티타늄, 탄탈 또는 구리일 수 있다. 전원 공급 장치(100)는 각각 제3 기판(201) 및 제4 기판(202)과 연결되어 통전되며, 제3 기판(201) 및 제4 기판(202)은 각각 양극 및 음극이며, 절연 시트(204)를 통해 양극 및 음극이 서로 접촉하지 않는 것이 보장된다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 바람직한 다른 실시예에서, 상술한 시약 용기 수용 수단(10)을 대체할 수도 있는 다른 하나의 시약 용기 수용 수단(310)을 사용할 수 있으며, 나머지 장치(1)의 컴포넌트 및 구성은 상술한 실시예와 동일하다. 시약 용기 수용 수단(310)은 제3 오목면(3011)을 구비한 제5 기판(301), 제4 오목면(3021)을 구비한 제6 기판(302), 제1 회로기판(303) 및 제2 회로기판(304)을 포함한다. 제5 기판(301)은 방열 작용을 하는 제3 방열 구멍(305) 및 제4 방열 구멍(307)을 구비하고, 제5 기판(301)은 제2 형광 출구(306) 및 제2 온도 센서(308)를 더 구비하며, 제2 온도 센서(308)는 시약 용기 수용 수단(310)의 온도를 검출하여 온도를 프로세서(90)에 전달하는데 사용된다. 제6 기판(302)은 제3 방열 구멍(305) 및 제4 방열 구멍(307)만 구비한다.
제5 기판(301) 및 제6 기판(302)은 제3 오목면(3011) 및 제4 오목면(3021)이 수평면과 수직되는 방식으로 서로 커플링되어 시약 용기(20)를 배치하기 위한 공간(109)을 형성하도록 서로 평행되게 배열되며, 시약 용기(20) 외벽(도 6a 및 도 6b에 도시되지 않음)은 제3 오목면(3011) 및 제4 오목면(3021)과 각각 열전도되도록 접촉한다. 제3 오목면(3011) 및 제4 오목면(3021)의 외형은 시약 용기(20) 외형과 일치하는 한, 특별히 제한되지 않으며, 본 실시예에서, 시약 용기(20)는 시험관이므로, 제3 오목면(3011) 및 제4 오목면(3021)은 커플링되어 시약 용기(20)를 배치하도록 제공된 공간 외형은 시험관 외표면의 형상과 같다. 제1 회로기판(303) 및 제2 회로기판(304)은 제5 기판(301) 및 제6 기판(302)에 의해 그리핑되고, 제5 기판(301) 및 제6 기판(302)과 평행하며, 제1 회로기판(303) 및 제2 회로기판(304)은 각각 제5 기판(301) 및 제6 기판(302)의 양단에 위치한다. 여기서, 제1 회로기판(303) 및 제2 회로기판(304) 정면 및 뒷면에는 각각 저항(309)이 용접되며, 제5 기판(301) 및 제6 기판(302)과 서로 접합된다. 제1 회로기판(303) 및 제2 회로기판(304)은 또한 전원 공급 장치(100)와 연결된다. 본 실시예에서, 제5 기판(301) 및 제6 기판(302)의 기저 재질은 알루미늄이고, 기저 재질은 먼저 양극 전기도금 처리되어, 산화알루미늄(Aluminum Oxide) 층으로 코팅된다.
전원 공급 장치(100)가 작동될 경우, 전류를 제1 회로기판(303) 및 제2 회로기판(304)에 전송할 것이며, 이때 저항(309)은 통전된 후 온도가 상승하기 시작하며, 그에 따라 제5 기판(301) 및 제6 기판(302)의 온도 상승을 구동하므로, 시약 용기 수용 수단(310)의 온도는 95 ℃ 내지 100 ℃의 온도 구간으로 상승하기 시작하고, real-time PCR 반응이 수행되기 시작하며, 제2 온도 센서(308)는 시약 용기 수용 수단(310)의 온도를 검출하여 프로세서(90)에 전달하고, 온도가 시스템이 설정한 온도 상승 온도 구간을 초과할 경우, 제3 방열 구멍(305) 및 제4 방열 구멍(307)은 팬(70) 및 열전 냉각기(80)로 인한 온도 하강을 가속화시킬 수 있다. real-time PCR 반응이 수행되어 형광 신호를 발생시킨 후, 상기 형광은 형광 출구(306) 및 제2 광학 소자(50)를 통과하여 방출되며, 스펙트로미터(60)에 의해 검출된다.

Claims (26)

  1. 시약 용기 중 하나 이상의 형광 신호에 대한 실시간 검출및 정량화가 가능한 중합효소 연쇄 반응(PCR) 장치로서,
    상기 시약 용기는 반응물 및 반응 시약을 함유하고, 상기 반응 시약은 하나 이상의 형광 탐침 또는 형광 염색제를 함유하며, 상기 PCR 장치는,
    상기 시약 용기를 수용하기 위한 시약 용기 수용 수단;
    상기 시약 용기 수용 수단의 일측에 위치하며, 방출된 광선이 상기 시약 용기에 진입되어 상기 하나 이상의 형광 탐침 또는 형광 염색제를 여기시켜 형광을 발생시킬 수 있는 광원;
    상기 시약 용기 수용 수단의 일측에 위치하며, 상기 형광의 하나 이상의 형광 신호를 검출하기 위해 설치된 스펙트로미터; 및
    상기 하나 이상의 형광 신호를 정량화하기 위해 알고리즘을 프리로딩하며, 상기 시약 용기 수용 수단의 온도 상승 및 온도 하강 주기 및 상기 광원의 온오프 시점을 제어하기 위한 프로세서;
    를 포함하는 PCR 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시약 용기 수용 수단은, 상기 시약 용기 온도가 상승하도록 전기가 통하면서 가열하기 시작하고;
    상기 프로세서는, 상기 반응물과 상기 시약의 PCR이 진행되도록 상기 시약 용기 수용 공간의 온도가 제1 온도 구간과 제2 온도 구간 사이에서 순환하도록 제어하며; 또한
    상기 스펙트로미터에 의해 검출된 상기 하나 이상의 형광 신호는 상기 프로세서에 전송되어 분석되는 PCR 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 PCR 장치는, 상기 시약 용기 수용 수단의 일측에 위치하여 상기 시약 용기 수용 수단의 온도를 측정하기 위한 방열 장치 및 온도 센서를 더 포함하고;
    상기 온도 센서가 상기 시약 용기 수용 수단의 온도가 상기 제1 온도 구간을 초과한 것으로 측정할 경우, 상기 온도 센서는 상기 프로세서에 피드백을 주며, 상기 프로세서는 제1 신호를 상기 방열 장치에 송신하여 온도를 하강시키고; 또한
    상기 온도 센서가 상기 시약 용기 수용 수단의 온도가 상기 제2 온도 구간보다 낮은 것으로 측정할 경우, 상기 온도 센서는 상기 프로세서에 정보를 피드백하며, 상기 프로세서는 제2 신호를 상기 시약 용기 수용 수단에 송신하여 전기가 통하면서 가열이 시작되는 PCR 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 시약 용기 수용 수단은 내열성 절연 물질로 형성되고, 상기 시약 용기 수용 수단의 온도는 신속히 검출되는 PCR 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 방열 장치는 하나 이상의 팬, 하나 이상의 열전 냉각기 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 PCR 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 PCR 장치는, 상기 시약 용기 수용 수단 및 상기 광원 사이에 위치하고, 상기 광선을 상기 시약 용기로 가이드하여 상기 하나 이상의 형광 탐침 또는 형광 염색제가 형광을 발생하도록 여기시키는 제1 광학 소자를 더 포함하되, 상기 제1 광학 소자 및 상기 광원은 상기 시약 용기 수용 수단 아래에 순차적으로 배열되는 PCR 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 PCR 장치는, 상기 시약 용기 수용 수단 및 상기 스펙트로미터 사이에 위치하고, 형광을 수집하여 상기 형광을 상기 스펙트로미터로 가이드하기 위한 제2 광학 소자를 더 포함하되, 상기 제2 광학 소자 및 상기 스펙트로미터는 동일한 수평면에 위치하는 PCR 장치.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 제1 광학 소자 및 제2 광학 소자는 양볼록 렌즈, 평면볼록 렌즈, 복 렌즈, 비구면 렌즈, 아크로매틱 렌즈, 애너스티그매틱 렌즈, 프레넬 렌즈(Fresnel lens), 평면오목 렌즈, 양오목 렌즈, 포지티브/네거티브 메니스커스 렌즈, 축 프리즘, 그린 렌즈, 마이크로렌즈 어레이, 원기둥 렌즈, 회절 광학 소자, 웨이브 가이드 소자(waveguide elements), 홀로그래픽 광학 소자, 렌즈, 섬유 및 프리즘으로 이루어진 군으로부터 각각 선택되는 PCR 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 시약 용기 수용 수단은 제1 오목면을 구비한 제1 기판, 제2 오목면을 구비한 제2 기판, 제1 도전 컴포넌트 및 제2 도전 컴포넌트로 이루어지고, 상기 제1 도전 컴포넌트 및 제2 도전 컴포넌트는 상기 제1 기판의 서로 다른 양단에 설치되며, 상기 제1 기판 및 제2 기판에 의해 그리핑되고, 상기 제1 오목면은 상기 제2 오목면에 대향하여 상기 시약 용기를 수용하는 공간을 형성하는 PCR 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 도전 컴포넌트 및 상기 제2 도전 컴포넌트는 금속편 또는 인쇄회로기판(printed circuit boards; PCBs)인 PCR 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 도전 컴포넌트 및 상기 제2 도전 컴포넌트가 금속편일 경우, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판의 각각의 표층에 도전 필름이 구비되고, 상기 도전 필름은 산화 주석, 산화 인듐, 산화 아연, 산화 인듐 주석, 크롬, 티타늄, 탄탈 또는 구리로 이루어진 군으로부터 선택된 재질로 형성되는 PCR 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 도전 컴포넌트 및 제2 도전 컴포넌트가 인쇄회로기판(printed circuit boards; PCBs)일 경우, 상기 회로기판은 저항 또는 PCB 회로 레이아웃인 하나 이상의 전기 가열 소자를 더 포함하는 PCR 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판은 서로 평행되게 배열되어, 상기 제1 오목면과 상기 제2 오목면이 수평면과 대략 수직인 방향으로 대응되는 커플링면을 따라 서로 커플링되도록 하여 상기 시약 용기 수용 수단을 형성하는 PCR 장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 제1 기판은 형광 신호 방출 창을 구비할 수 있고, 상기 제1 기판은 상기 제2 기판과 상기 스펙트로미터 사이에 위치하는 PCR 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 시약 용기 수용 수단은 제1 기판, 제2 기판 및 전기 절연 물질로 구성되고, 상기 제1 기판 및 제2 기판은 내열성 물질로 구성되어 특정 형상으로 구부러지며, 상기 제1 기판은 거울 대칭 방식으로 상기 제2 기판과 결합되고, 상기 전기 절연 물질은 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 배열되는 PCR 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 시약 용기 수용 수단은 내열성 물질로 구성되고, 상기 내열성 물질은 하나 이상의 방열 구멍을 구비하며, 상기 내열성 물질은 열전도가 빠른 금속이고, 알루미늄편, 구리편 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 PCR 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 내열성 물질 표층은, 산화알루미늄, 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene) 및 폴리이미드(polyimide)로 이루어진 군으로부터 선택되는 내열성 절연 물질을 포함하는 PCR 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 내열성 물질은 유리, 플라스틱 및 세라믹으로 이루어진 군으로부터 선택되는 비금속인 PCR 장치.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 알고리즘은 최소제곱법을 이용한 알고리즘인 PCR 장치.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 LED(light emitting diode), 레이저 광원, 상이한 파장을 갖는 복수의 LED, 상이한 파장을 갖는 복수의 레이저 광원 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 PCR 장치.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 광원이 특정 시간 간격으로 온 또는 오프되도록 제어할 수 있고, 상기 스펙트로미터는 상기 광원의 온 시간대에 상기 하나 이상의 형광 신호를 동기화 검출하는 PCR 장치.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 스펙트로미터의 검출 범위는 340 nm 내지 850 nm 사이에 있는 PCR 장치.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 PCR 장치는, 상기 시약 용기 수용 수단 및 상기 스펙트로미터 사이에 위치하고, 파장이 상기 하나 이상의 형광 신호의 범위를 초과한 광을 필터링하기 위한 광학 필터를 더 포함하는 PCR 장치.
  24. 제1항에 있어서,
    340 nm 내지 850 nm 사이에 있는 파장을 갖는 상기 하나 이상의 형광 탐침 또는 형광 염색제는 FAM, VIC, HEX, ROX, CY3, CY5, CY5.5, JOE, TET, SYBR, Texas Red, TAMRA, NED, Quasar705, Alexa488, Alexa546, Alexa594, Alexa633, Alexa643 또는 Alexa680일 수 있는 PCR 장치.
  25. 제2항에 있어서,
    상기 제1 온도 구간은 85 ℃ 내지 130 ℃이고, 상기 제2 온도 구간은 50 ℃ 내지 75 ℃인 PCR 장치.
  26. 제2항에 있어서,
    상기 PCR은 상기 제1 온도 구간 및 상기 제2 온도 구간과 상이한 제3 온도 구간을 구비하고, 상기 프로세서는 상기 시약 용기 수용 수단의 온도가 상기 제1 온도 구간, 상기 제2 온도 구간 및 상기 제3 온도 구간에서 온도 상승 및 하강이 순환되면서 반복되도록 제어하는 PCR 장치.
KR1020200033592A 2019-06-13 2020-03-19 하나 이상의 형광 신호에 대한 실시간 검출이 가능한 중합효소 연쇄 반응 장치 KR102352586B1 (ko)

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