KR20210002317A

KR20210002317A - 휴대용 멀티플렉스 pcr 장치

Info

Publication number: KR20210002317A
Application number: KR1020190078470A
Authority: KR
Inventors: 서유진; 최옥란; 정현준; 박준희; 박정운; 이재웅; 최성흠; 이도부
Original assignee: 주식회사 진시스템
Priority date: 2019-06-30
Filing date: 2019-06-30
Publication date: 2021-01-07
Also published as: KR102400907B1

Abstract

본 발명은 휴대용 PCR 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 PCR 칩과 디지털 카메라의 이미지 센서 사이에 서로 다른 파장의 형광을 선택적으로 투과시키는 다수의 필터로 이루어진 필터어레이를 설치하여, 상기 PCR 칩의 다수의 챔버를 상기 필터어레이의 다수의 채널을 이용하여 여러 개의 소구역(즉, 형광 표시 영역)으로 구획함으로써, 하나의 챔버에서 발광 되는 여러 가지의 형광을 구분할 수 있게 하여 한 번에 복수의 타깃 핵산(표적 유전자)을 동시에 검출할 수 있는 멀티플렉스가 가능하도록 함과 아울러 경량화 및 소형화를 가능하게 하여 휴대가 용이하고 증폭 산물의 증폭 정도를 실시간으로 모니터링 할 수 있는 휴대용 멀티플렉스 PCR 장치에 관한 것이다.

Description

휴대용 멀티플렉스 PCR 장치{MULTIPLEX PCR APPARATUS }

본 발명은 휴대용 PCR 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 PCR 칩의 하나의 챔버에 주입된 시료로부터 다수의 표적 유전자를 검출할 수 있으면서도 경량화 및 소형화가 가능하여 휴대할 수 있고 증폭 산물을 실시간으로 모니터링 할 수 있는 휴대용 멀티플렉스 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 부위(타깃 핵산)를 연쇄적으로 복제하여 그 특정 염기 서열 부위를 갖는 핵산을 기하급수적으로 증폭하는 기술로서, 생명과학, 유전공학 및 의료 분야 등에서 분석 및 질병의 진단 목적으로 사용되고 있다.

일반적으로, PCR은 다음의 3단계를 반복적으로 수행하여 이루어지는데, 1) 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), 2) 변성 단계 이후 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 3) 어닐링 단계 이후 샘플 용액을 DNA 중합효소의 활성온도, 예를 들어 72℃로 유지하여 DNA 중합효소(polymerase)에 의해 부분적인 DNA-프라이머 복합체의 프라이머를 기초로 이중 가닥의 DNA를 형성하는 연장(또는 증폭) 단계(extension step)를 수행하고, 이를 수차례 반복함으로써 특정 염기 서열을 갖는 타겟 핵산을 기하급수적으로 증폭할 수 있다.

이러한 PCR을 수행하기 위해서는 시약과 시료는 물론 샘플 용액을 수용할 수 있는 챔버가 구비된 PCR 칩과, 상기 PCR 칩을 가열 및 냉각하여 증폭 반응을 유도하고 그 결과를 측정하는 PCR 장치가 필요하다. PCR 장치는 타깃 핵산의 증폭을 구현하기 위한 구체적인 수단으로, 현재 다양한 장치가 개발되었다.

종래의 PCR은 반응이 끝나고서 별도의 전기영동을 이용하여 증폭된 타깃 핵산의 정성적인 분석만 가능했으나 최근에는 광학적 검출시스템을 이용해서 증폭된 유전물질의 농도에 비례하는 형광의 세기를 검출하여 타깃 핵산의 정량분석이 가능한 리얼타임(Real Time) PCR 장치(즉, rPCR 장치)도 개발되었다.

또한, 실험실에서 사용하는 대형 PCR 장치를 소형화하여 시료가 채취되는 현장에서 PCR을 할 수 있는 휴대용 실시간 PCR 장치도 개발되었다. 본 발명은 이러한 휴대용 실시간 PCR 장치에 관한 것이다. 휴대용 PCR 장치는, PCR 칩(또는 바이오 칩, 마이크로 칩)을 사용하고, 크고 복잡한 광 검출시스템 대신에 카메라나 디지털 카메라를 사용하는 특징이 있다. 그런데 종래의 휴대용 PCR은, PCR 칩에 형성된 하나의 챔버에서 하나의 타깃 핵산만을 증폭하고 진단할 수 있다는 점에서 한계가 있었다.

즉, 동일한 증상이라도 발병 원인이 여러 감염성 병원체에 의한 경우가 많은데 이러한 경우에는 여러 개의 병원체를 통시에 검출하여야만 정확한 진단이 가능하다. 그런데 종래의 휴대용 PCR 장치는 여러 개의 표적 유전자를 검출하기 위해서 여러 번의 증폭 과정을 반복해야 하기 때문에 번거로울 뿐만 아니라 적은 시료에서 추출할 수 있는 핵산의 양도 한정되기 때문에 증폭을 반복적으로 실시하는 것도 현실적으로 불가능한 경우가 많다.

한 번의 증폭 또는 하나의 챔버에서 여러 개의 타깃 핵산을 동시에 증폭하고 검출할 필요가 있는데 이것을 멀티플렉스 PCR(multiplex PCR)라 한다. 예를 들어, 종래의 멀티플렉스 PCR은, 하나의 반응 용기(또는 튜브(tube))에 여러 종류의 프라이머 세트를 주입한다. 그러면 다종의 프라이머 세트는 핵산 분자의 다양한 서열에 특이적으로 혼성화될 수 있다. 따라서 동시에 여러 개의 표적 유전자가 증폭될 수 있다. 즉, 멀티플렉스 PCR 장치는 한 번의 실험으로 복수의 유전자 및 질병의 진단이 가능하기 때문에 실험 횟수 및 노동력 감소시키고, 비용 절감의 효과를 제공할 수 있다.

한편, 멀티플렉스 PCR의 증폭 산물을 검출하고 실시간으로 모니터링하기 위해서는 특수한 검출 장비가 요구된다. 즉, 멀티플렉스 PCR의 증폭 산물의 검출과 실시간 모니터링은 증폭 반응이 진행되는 동안 여기 광선을 조사하고 이로부터 발생하는 형광을 검출함으로써 수행될 수 있으며, 여기서 형광 발생을 위해서는 증폭반응 동안 표적 핵산 서열의 존재를 나타내는 시그널을 발생할 수 있는 형광 염료에 의해 표지된 프로브를 사용한다. 특히 멀티플렉스 PCR에서는 증폭될 수 있는 다수의 다양한 핵산 서열을 구분하기 위해서, 각 핵산 서열에 특이적인 다양한 프로브가 사용될 수 있다. 즉, 종래의 멀티플렉스 PCR에서는 다종의 표적 핵산 서열의 검출을 위해, 다종의 형광 염료가 표지되어야 하며, 또한, 다종의 형광 염료로부터의 다종의 형광 검출을 위해, 서로 다른 파장 대역에서의 각각의 형광 염료의 검출을 위해서 다중 파장의 광원 및 필터가 요구된다.

예를 들어, 한국공개특허 제10-2004-0048754호(온도 제어가 가능한 실시간 형광 검색 장치)는 수백에서 수천의 샘플에서 여러 파장대(Wavelength)의 형광을 수초 내에 빠르고 낮은 샘플의 농도에서도 민감하게 검색하되, 효소 반응들을 실시간으로 검색하고 분석할 수 있으며 경제적인 가격에 휴대 가능한 소형의 형광 검색 장치를 제공한다. 또한, 한국등록특허 제10-0794703호(생화학적 반응의 실시간 모니터링 장치)는 반응 튜브 플레이트 내의 반응시 광 검출 감도 편차를 최소화하여 다종의 시료의 반응 정도를 비교분석할 수 있는 장치를 제공한다. 또한, 한국등록특허 제10-1089045호(핵산 증폭반응 산물의 실시간 모니터링 장치)는 다수의 미량 시료를 중합효소 연쇄반응과 같은 핵산 증폭반응을 수행하면서 반응 중에 생성되는 반응 산물의 생성을 실시간으로 모니터링하기 위한 것으로서, 여기 광과 형광의 간섭을 효율적으로 분리하기 위해 편광자, 편광빔분할기, 편광변환기 등을 포함하는 생화학 반응의 실시간 모니터링 장치를 제공한다. 또한, 한국공개특허 제10-2008-0103548호(핵산 증폭 생성물의 실시간 검출 장치)는 각 웰에 있어서의 핵산 증폭 생성물로부터의 형광 강도를 실시간으로 검출하고, 더 나아가 웰로부터 얻어지는 형광 측정값 [DNA]raw와 이 웰 근방에 있어서의 주변의 연결벽으로부터 얻어지는 형광 측정값 [DNA]bg를 검출하고, 형광 측정값 [DNA]raw로부터 형광 측정값 [DNA]bg를 뺌으로써 당해 웰의 형광 강도[DNA]real을 결정할 수 있는 핵산 증폭 생성물의 실시간 검출 장치를 제공한다.

그러나 선행 기술의 형광검출 방법은 다중 파장별 측정 시간이 필요하여 핵산 서열의 검출에 소요되는 시간을 증가시키고, PCR 장치의 전체적인 크기 및 복잡도를 증가시키고, 결과적으로 비용-비경제적일 수 있다. 또한, 다수의 타깃 핵산 증폭 산물을 측정하기 위해서 복잡하고 정교한 장치들을 사용하기 때문에 휴대용 PCR 장치에 적용하기 어려운 문제가 있다.

이에 따라 대한민국 등록특허 제10-1696269(멀티플렉스 PCR 칩 및 이를 포함하는 멀티플렉스 장치)에는 간단한 방법으로 멀티플렉스 PCR를 수행하는 방법이 개시되었다. 즉, 선행 기술에서 사용한 멀티플렉스 PCR 칩은 서로 상이한 다수의 핵산 분자를 동시에 탐지하기 위해 상기 핵산 분자의 서로 상이한 증폭된 서열과 특이적으로 혼성화되는 다수의 혼성화 반응용 프로브(probe)를 포함하고, 상기 다수의 프로브는 서로 이격하여 고착되는 것을 특징으로 한다. 즉, 하나의 챔버에 여러 개의 프로브를 일정한 간격을 두고 고착함으로 단일 파장의 광으로 멀티프렉스가 가능하고 광원부와 광 검출부의 구조를 아주 단순하게 하여 휴대용 PCR 장치에 적용할 수 있었다.

그러나 선행 기술은 여러 개의 프로브를 챔버의 특정 위치에 고정하기 위해서 특별한 고정수단이 구비된 멀티플렉스 PCR 칩이 요구되거나 특수한 다공성 접착물질이 요구되기 때문에 쉽게 사용하거나 적용하는데 여전히 한계가 있었다.

대한민국 특허등록번호 제10-1724281(등록일:2017.04.03)

본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 주된 목적은, 광원부와 광 검출부의 구조를 단순하게 하고 통상의 PCR 칩을 사용하면서도 멀티플레스가 가능한 휴대용 실시간 PCR 장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 핵산 증폭의 결과를 시각적으로 표시하여 타깃 핵산의 존부를 신속하게 확인할 수 있을 뿐만 아니라 핵산 증폭 산물의 실시간 모니터링이 가능한 휴대용 멀티플렉스 실시간 PCR 장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 서로 다른 파장의 형광을 동시에 측정함으로써 핵산 서열의 검출에 소요되는 시간을 줄일 수 있는 휴대용 멀티플렉스 PCR 장치를 제공하는 것이다.

이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 휴대용 멀티프렉스 PCR 장치는,

히팅 블록의 상면에 안착되며 다수의 챔버가 평행하게 형성된 PCR 칩과, 상기 PCR 칩의 한쪽 또는 양쪽 측면에 설치되어 서로 다른 파장의 여기 광을 조사하는 다수의 광원으로 이루어진 광원부와, 상기 PCR 칩에서 발광하는 형광을 촬영하는 카메라를 포함하는 휴대용 PCR 장치에 있어서, .

상기 PCR 칩의 상부에 설치되고 상기 광원부에서 조사되는 여기 광에 의해 상기 다수의 챔버에서 발광하는 서로 다른 파장의 형광을 선택적으로 투과시키는 다수 개의 필터가 상기 PCR 칩의 챔버의 길이방향과 교차하도록 설치된 필터어레이와;

상기 필터어레이의 상부에 설치되고 상기 다수의 챔버의 길이방향과 상기 다수의 필터의 길이방향이 서로 교차하는 다수의 교차점을 통과한 형광을 측정하여 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서와;

상기 이미지 센서에서 측정한 전기적 신호를 근거로 상기 PCR 칩의 다수의 챔버의 길이방향과 상기 필터어레이의 다수의 필터의 길이방향이 교차하는 교차점에 형광의 색깔과 밝기를 시각적 신호로 표시하는 영상분석부;를 포함하여,

상기 필터어레이의 다수의 채널이 상기 PCR 칩의 다수의 챔버를 여러 개의 소구역(즉, 형광 표시 영역)으로 구획하여 하나의 챔버에서 발광하는 서로 다른 파장의 형광을 소구역 별로 구분하여 표시함으로써 한 번의 실험으로 복수의 타깃 핵산(표적 유전자)을 동시에 검출할 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 필터어레이의 다수의 필터는 상기 광원부에서 조사되는 여기 광의 진행 방향으로 설치된다.

상기 필터어레이의 다수의 필터의 폭은 상기 광원부에서 조사되는 여기 광의 광로의 폭과 유사하다.

상기 필터어레이의 다수의 필터는 평행하게 설치되고 이웃하는 필터 사이에는 일정 폭으로 차광라인이 형성된다.

상기 광원부의 다수의 광원에서 방사되는 서로 다른 파장의 여기 광에 의한 광로와 상기 PCR 칩의 다수의 챔버의 길이방향이 교차하는 교차점에서 상기 광원부의 광원에서 방사되는 특정 파장의 여기 광에 반응하여 특정 파장의 형광이 발광한다.

상기 PCR 칩의 다수의 챔버에서 발광하는 서로 다른 파장의 형광은 상기 필터어레이의 다수의 필터에 의해 선택적으로 통과될 수 있기 때문에 상기 PCR 칩의 다수의 챔버의 길이방향과 상기 다수의 필터의 길이방향이 교차하는 교차점에는 특정한 파장의 형광만이 통과한다.

상기 PCR 칩은, 광 투과성 플라스틱으로 이루어진 기판과, 상기 기판의 일면에 일정 간격으로 이격되어 평행하게 설치되는 다수 개의 챔버와; 상기 챔버와 연결되도록 형성된 주입구와; 상기 기판의 일면에 부착되어 상기 챔버의 개방부를 폐쇄하는 밀봉필름;을 포함하여 이루어진다.

상기 광원부는, 서로 다른 파장의 여기 광을 조사하는 다수의 광원과; 상기 다수의 광원을 동시에 또는 순차적으로 점등하는 스위치부;를 포함한다.

상기 광원부는,서로 다른 파장의 광이 포함된 고휘도 화이트 광을 발광하는 하나 또는 다수의 고휘도 화이트 광원과; 상기 고휘도 화이트 광원의 전방에 설치되고 서로 다른 파장의 광을 선택적으로 통과시키는 다수의 필터와; 상기 다수의 광원을 동시에 또는 순차적으로 점등하는 스위치부;를 포함한다.

.상기 다수의 광원 또는 하나 또는 다수의 고휘도 화이트 광원의 전방에는 상기 광원에서 조사되는 광선의 직진성을 좋게 하는 하나 또는 다수의 렌즈가 더 설치된다.

상기 영상분석부는 상기 PCR 칩의 다수의 챔버의 길이방향과 상기 필터어레이의 다수의 필터의 길이방향이 서로 교차하는 교차점에 '형광 표시 영역'을 형성하고 상기 형광 표시 영역에 형광의 색깔과 밝기를 시각적 신호로 표시한다.

상기 형광 표시 영역에는 좌표가 부여되고, 상기 좌표와 상기 형광 표시 영역에서 표시된 형광의 색깔을 알면 특정 챔버의 시료 내에 있는 다수의 표적 유전자를 검출할 수 있다.

본 발명에 따르면, PCR 칩이 챔버에서 발광하는 서로 다른 파장의 형광을 구분하여 표시하기 위해서 그 상부에 다수의 필터를 평행하게 배열한 필터어레이를 설치하여 하나의 챔버에서도 다수의 타깃 핵산을 검출할 수 있도록 한 것이므로 휴대용 PCR 장치의 크기나 무게가 늘어나지 않으면서도 멀티플렉스의 기능을 발휘할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 디지털 카메라의 이미지센서와 영상분석부를 이용하여 서로 다른 파장의 형광을 격자형으로 구분하여 표시함으로써 시각적 또는 감각적으로 타깃 핵산의 존부나 질병의 원인을 신속하게 진단할 수 있을 뿐만 아니라 형광의 밝기나 세기를 분석하여 핵산 증폭 산물을 실시간으로 관찰할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 광원부에서 광을 조사한 후 곧바로 소정의 디스플레이에 표시된 격자형 화면을 통해서 특정한 챔버에서 발광하는 형광을 신속하게 확인하거나 표적유전자의 존부를 신속하게 판단할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 휴대용 멀티플렉스 PCR 장치의 개략적인 구조를 보여주는 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 휴대용 멀티플렉스 PCR 장치의 일 예를 보여주는 사시도,
도 3은 본 발명의 휴대용 멀티플렉스 PCR 장치에 사용되는 PCR 칩의 일 예를 보여주는 평면도,
도 4는 본 발명의 휴대용 멀티플렉스 PCR 장치에 사용되는 PCR 칩의 다른 실시 예를 보여주는 평면도,
도 5는 본 발명에 따른 휴대용 멀티플렉스 PCR 장치의 광원부의 바람직한 실시 예를 보여주는 평면도,
도 6은 본 발명에 따른 필터어레이의 바람직한 실시 예를 보여주는 평면도,
도 7은 본 발명에 따라 영상분석부가 생성하는 격자형 스크린의 일 예를 보여주는 평면도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되는 실시 예를 통해 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 여기에서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 본 실시 예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대해 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 휴대용 멀티플렉스 PCR 장치의 바람직한 실시 예를 보여주는 구성도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 휴대용 멀티플렉스 PCR 장치(1)는, 크게 히팅 블록(3), 다수의 광원(15)으로 이루어진 광원부(5), 다수의 챔버(12)가 형성된 PCR 칩(10), 이미지 센서와 영상분석부가 구비된 디지털 카메라(8)로 구성되되, 상기 PCR 칩(10)과 디지털 카메라(8)의 이미지 센서(7) 사이에 서로 다른 파장의 형광을 선택적으로 투과시키는 다수의 필터(16)로 이루어진 필터어레이(6)를 설치하여, 상기 다수의 필터(16)가 챔버(12)를 여러 개의 소구역으로 구획함으로써, 상기 챔버(12)의 소구역에서 발광하는 형광을 측정함으로써 하나의 챔버(12)에서도 여러 가지 타깃 핵산(표적 유전자)을 동시에 검출할 수 있도록 한 것이다. 따라서 본 발명의 휴대용 멀티플렉스 PCR 장치는 한 번의 실험으로 복수의 유전자 및 질병의 진단이 가능하다.

이를 위해서, 본 발명의 휴대용 멀티플렉스 PCR 장치(1)는, 도 1에서 보는 바와 같이, 상기 히팅 블록(3)은 열 순환시스템과 연결되고 그 상면에 안착된 PCR 칩(10)을 가열 및 냉각한다. 그리고 히팅 블록(3)의 상면에 안착된 PCR 칩(10)은 다수 개의 챔버(12a)(12b)가 형성된다.

그리고 상기 광원부(5)는 PCR 칩(10)의 한쪽 또는 양쪽 측면에 설치된다. 광원부(5)는 서로 다른 파장의 여기 광을 조사하는 다수 개의 광원(15a)(15b)으로 이루어지고, 상기 PCR 칩(10)의 다수의 챔버(12)의 길이방향과 직교하는 방향으로 여기 광을 조사한다. 상기 다수의 광원(15)은 동시에 또는 순차적으로 여기 광을 조사한다. 상기 챔버(12)에는 프로브를 포함하는 시약이 들어있다. 프로브는 표적유전자와 결합할 때 특정한 광원의 파장에 반응하여 특정한 파장의 형광을 방출하는 특성이 있다. 따라서 각 챔버에서 발광하는 파장 또는 색깔을 분석하면 각 챔버에 들어있는 표적 유전자를 확인할 수 있다.

또한, PCR 칩(10)의 상부에는 적어도 두 개 이상의 필터(16a)(16b)가 배열된 필터어레이(6)가 설치된다. 다수의 필터(16a)(16b)는 상기 PCR 칩(10)에 형성된 다수의 챔버(12a)(12b)의 길이방향과 직교하는 방향으로 설치된다. 상기 다수의 필터(16)는 챔버(12)에서 발광하는 서로 다른 파장의 형광을 선택적으로 투과시킨다. 즉, 상기 광원(15)에서 조사되는 여기 광에 의해서 다수의 챔버(12)에서 서로 다른 파장의 형광이 동시에 또는 순차적으로 발광 되어도 상기 필터어레이(6)의 필터(16)들은 특정 파장의 형광만을 통과시키기 때문에 모든 형광이 필터어레이(6)를 통과하여 이미지 센서(7)로 갈 수 없다.

이어서, 상기 필터어레이(6)의 상부에는 이미지 센서(7)와 디지털 카메라(8) 및 영상분석부(9)가 순차적으로 설치된다. 상기 이미지 센서(7)는 필터어레이(6)의 상부에 일정 거리 이격되게 설치되어 상기 필터어레이(6)를 선택적으로 통과한 형광을 전기적 신호로 변환시킨다. 즉, 이미지 센서(7)는 다수의 챔버(12a)(12b)의 길이방향과 다수의 필터(16a)(16b)의 길이방향이 서로 교차하는 교차점(62)을 통과한 형광만을 감지할 수 있다. 또한, 이미지 센서(7)는 상기 교차점에서 감지되는 형광의 색깔과 밝기뿐만 아니라 그 좌표도 함께 전기적 신호로 변환시켜 저장한다. 그리고 디지털 카메라(8)는 이미지 센서(7)에서 측정된 전기적 신호를 영상분석부(9)로 전송한다.

그러면, 영상분석부(9)는 이미지 센서(7)에 기록된 좌표에 대응하는 교차점마다 일정한 크기의 '형광 표시 영역'을 설정하고, 각 형광 표시 영역에 내에 이미지 센서(7)가 측정된 형광의 색깔과 밝기를 시각적 신호로 전환한 후 그 결과를 디스플레이 장치에 표시한다.

따라서 사용자는 디스플레이 장치를 통해서, 다수의 챔버(12a)(12b)의 길이방향과 다수의 필터(16a)(16b)의 길이방향이 서로 교차하는 다수의 교차점에 '형광 표시 영역'이 표시된 격자형 화상을 볼 수 있게 된다. 그리고 상기 격자형 화상에 표시된 특정한 '형광 표시 영역'의 좌표를 통해서 형광이 발광된 챔버(12)와 그 형광이 투과된 필터(16)를 확인할 수 있다. 그리고 이러한 정보로부터 해당 챔버(12)에 주입된 시료를 확인할 수 있고 또 그 시료에 어떤 표적 유전자가 있는지를 확인할 수 있다. 또한, 하나의 챔버(12) 내에는 여러 종류의 프라이어 세트와 다양한 프로브가 들어 있고, 하나의 챔버(12)는 다수의 필터(16a)(16b)에 의해 여러 개의 소구역(또는 형광 표시 영역')으로 구획되기 때문에, 각 소구역(형광 표시 영역)에서 발광하는 여러 형광의 색깔을 통해 여러 개의 표적 유전자를 동시에 확인할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 휴대용 멀티플렉스 PCR 장치(1)는 PCR 칩(10)의 다수 개의 챔버(12)의 길이방향과 상기 필터어레이(6)의 다수의 필터(16a)(16b)의 길이방향이 서로 교차하는 교차점마다 일정한 크기의 '형광 표시 영역'을 구획하고, 각 형광 표시 영역에 형광의 색깔을 표시하므로 사용자는 시각적으로 표적 유전자의 존부를 쉽게 판단하고 또 형광의 밝기를 통해서 표적 유전자의 증폭 정도를 실시간으로 모니터링 할 수 있다. 그리고 상기 PCR 칩(10)과 이미지 센서(7) 사이에 설치되는 필터어레이(6)는 다수의 필터(16)가 수평으로 배열된 얇은 판 형상이므로 휴대용 멀티플렉스 PCR 장치의 부피가 무게에 큰 영향을 주지 않는다.

이어, 도 2는 본 발명에 따른 휴대용 멀티플렉스 PCR 장치(1)의 일례를 보여주는 사시도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 휴대용 멀티플렉스 PCR 장치(1)는 본체(102), 상기 본체(104)이 전면에 형성된 개구부(33)를 통해서 서랍식으로 슬라이드 가능하게 설치되는 열 순환장치(107), 상기 열 순환장치(107)의 상면에 형성된 안착홈(31)과, 상기 안착홈(31)의 후단에서 상하로 회동 가능하게 설치된 고정대(32) 등을 포함한다. 그리고 본체(104)의 내부에는 필터어레이(6), 이미지 센서(7), 디지털 카메라(8) 및 영상분석부(9)가 더 설치된다. 도시된 바와 같이, 필터어레이(6)는 두께가 얇기 때문에 본체(104)의 크기가 종래와 동일하다. 그리고 본체(104)의 상면에는 선택노브(108)와 디스프레이패널(109)이 더 구비된다.

구체적으로, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 PCR 칩(10)의 일례를 보여준다. 먼저, 도 3을 참조하면, 본 발명의 PCR 칩(10)은, 광 투과성 플라스틱으로 이루어진 기판(11)과, 상기 기판(11)의 일면에 평행하게 설치된 다수의 챔버(12a)(12b)를 포함한다. 이때, 챔버(12a)(12b)는 기판(11)에 일정한 깊이로 형성된 홈으로서 폭보다 길이가 긴 장방형으로 이루어진다. 그리고 이웃하는 챔버(12) 사이에는 일정한 두께로 격벽이 형성된다. 그리고 각 챔버(12)의 상단과 하단에는 시료를 주입하기 위한 주입구(14a) 및 배출구(14a)가 형성된다. 그리고 도 4를 참조하면, 기판(11)의 일면에는 얇은 밀봉필름(13)이 부착된다. 밀봉필름(13)은 다수의 챔버(12)의 개방부를 폐쇄하는 동시에 히팅 블록(3)의 열전달이 원활하게 한다.

이어, 도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 광원부(5)의 일례를 보여준다. 먼저, 도 5에서 보는 바와 같이, 광원부(5)는 PCR 칩(10)의 좌우 양쪽에 설치될 수 있다. 상기 광원부(5)에서 조사되는 여기 광은 PCR 칩(10)의 각 챔버(12)를 관통하게 된다. 그리고 각 챔버(12)의 내부에 주입된 프로브와 반응하여 특정 파장의 형광이 발광한다. 또한, 도 6을 참조하면, 광원부(5)는 다수의 광원(15a)(15b)으로 이루어진다. 상기 광원(15)은 서로 다른 파장의 광을 조사하거나 백색광을 조사할 수 있다. 바람직하게 상기 광원(15)은 직진성을 갖는 발광다이오드(LED)나 레이저 다이오드일 수 있다.

바람직하게 다수의 광원(15)은 PCR 칩(10)의 측면을 따라 일렬로 배열된다. 또한, 다수의 광원(15)의 전방에는 각 광원(15)에서 조사되는 특정 파장의 광만을 투과시키는 서로 다른 종류의 필터(16)가 일렬로 배열될 수 있다. 또한, 상기 다수의 광원(15)의 전면에는 여기 광의 직진성을 높이기 위한 렌즈가 더 설치될 수 있다. 또한, 광원부(5)는 다수의 광원(15a)(15b)을 전기적으로 연결하는 인쇄기판(17)과, 상기 인쇄기판(17)과 전기적으로 연결되는 스위치부(18)를 더 포함할 수 있다. 상기 스위치부(18)는 다수의 광원(15)을 동시에 또는 순차적으로 일정 시간 점등한다. 이때, 상기 스위치부(18)는 PCR 칩(10)의 좌우 양측에 배치된 광원(15)을 동시에 점등한다.

바람직하게 다수의 광원(15)에서 조사되는 여기 광은 직진성이 우수하여 일정한 폭을 유지한다. 따라서 상기 PCR 칩(3)에는 서로 다른 파장을 갖고 일정한 폭을 갖는 다수 개의 광로(51)가 평행하게 형성된다. 따라서 상기 다수의 광로(51)와 다수의 챔버(12)의 길이방향은 서로 교차하여 다수의 교차점(52)을 형성한다. 각 교차점(52)에서는 서로 다른 프로브와 반응하여 특정한 파장의 형광이 발광하게 된다. 즉, 하나의 챔버(12)에서 광로(51)에 따라 다양한 파장의 형광이 동시에 또는 순차적으로 발광하게 된다.

예를 들어, 챔버(12)에는 특정 파장대의 빛을 흡수하고 에너지가 낮은 장파장대의 형광을 방사하는 두 개 이상의 프로브가 주입될 수 있다. 예를 들어, "FAM-BHQ1"은 472nm의 광에 여기 되어 520nm의 형광을 방출한다. 그리고 "ROX-BHQ2"는 585nm의 조사광에 여기 되어 610nm의 형광을 방출된다. 따라서 특정한 챔버(12)에 두 종류의 프로브를 주입하고, 상기 광원부(5)에서 파장이 472nm와 585nm인 여기 광을 동시에 또는 순차적으로 조사하면, 파장이 472nm인 광로(51)가 지나가는 챔버(12)의 부분에서는 "FAM-BHQ1"가 반응하여 파장이 520nm인 형광을 방출하고 파장이 585nm인 광로(51)가 지나가는 챔버(12)의 다른 부분에서는 "ROX-BHQ2"가 반응하여 파장이 610nm인 형광을 방출한다. 그러나 하나의 챔버(12)에서 파장이 520nm인 형광과 파장이 610nm인 형광이 동시에 발생하면 이들이 서로 간섭을 일으켜서 어떤 파장의 형광이 발광했는지 구분하기 어렵다.

이어서, 상기 필터어레이(6)는, 도 7에서 보는 바와 같이, 상기 PCR 칩(10)의 상면으로부터 일정 거리 이격되게 설치되고, 특정 파장의 형광만을 선택적으로 투과시키는 다수의 필터(16a)(16b)로 이루어진다. 예를 들어, 필터(16)는 밴드 패스 필터 또는 Short/Long 패스 필터 등이 사용된다. 즉, 필터어레이(6)는 PCR 칩(10)의 챔버(12)에서 동시에 또는 순차적으로 발광하는 여러 가지 형광 중 어느 하나만을 투과시켜 구분할 수 있게 한다. 예를 들어, 하나의 챔버(12)에 3개의 프로브가 주입된 경우, 적어도 3개의 서로 다른 필터(16)를 설치해야 서로 다른 파장을 갖는 3개의 형광을 구분하여 표시할 수 있다.

바람직하게 상기 필터어레이(6)는 얇은 사각판으로 이루어지고 PCR 칩(10)과 평행하게 설치된다. 그리고 다수의 필터(16a)(16b)는 광원부(5)에서 조사되는 다수의 광로(51)와 일치하도록 가로방향으로 설치된다. 또한, 다수의 필터(16a)(16b)는 PCR 칩(10)에 형성된 다수의 챔버(12)의 길이방향과 직교하도록 설치된다. 즉, 다수의 챔버(12)에서 발광하는 형광은 다수의 형광 광로(61)를 형성하는데, 이들 형광 광로(61)는 다수의 필터(16)의 길이방향과 교차하는 교차점(62)에서 특정 파장의 형광만 통과한다. 그리고 이웃하는 필터(16) 사이에는 일정한 폭으로 차광라인(65)이 형성되어 이웃하는 필터(16)를 통과한 형광이 서로 간섭을 일으키지 않도록 한다.

다시 도 1을 참조하면, 필터어레이(6)의 상부에는 이미지 센서(7)가 구비된 디지털 카메라(8)가 설치된다. 그리고 디지털 카메라(8)는 영상분석부(9)와 연결된다. 이미지 센서(7)는 상기 필터어레이(6)의 필터(16a)(16b)를 통과한 형광을 전기적 신호로 변환한다. 이때, 이미지 센서(7)는 다수의 챔버(12a)(12b)의 길이방향과 다수의 필터(16a)(16b)의 길이방향이 서로 교차하는 교차점(62)에서 감지되는 형광의 색깔과 밝기와 함께 그 교차점(62)의 좌표를 전기적 신호로 변환한다. 그리고 디지털 카메라(8)는 이미지 센서(7)에서 측정한 전기적 신호를 영상분석부(9)로 전송한다.

그러면, 영상분석부(9)는 다수의 챔버(12a)(12b)의 길이방향과 다수의 필터(16a)(16b)의 길이방향이 서로 교차하는 교차점(62)에 해당하는 좌표에 대응하도록 '형광 표시 영역(72)'을 설정한다. 따라서 영상분석부(9)는 다수 개의 형광 표시 영역이 상하좌우로 배열된 격자형 화상을 생성하게 된다. 그리고 각각의 형과 표시 영역 내에는 이미지 센서(7)가 측정한 좌표에 대응하도록 형광의 색깔과 밝기를 시각적 신호로 표시한다.

또한 영상분석부(9)는 상기 격자형 화상을 디스플레이 장치에 표시한다. 사용자는 디스플레이 장치에 표시된 격자형 화상의 특정 형광 표시 영역의 좌표를 통해서 어느 챔버(12)에서 발광하는 형광인지 그리고 어떤 필터(16)를 통과한 형광인지를 파악할 수 있다. 그리고 이것을 통해서 사용자는 어떤 시료에서 어떤 표적 유전자가 검출됐는지 신속하게 확인할 수 있고, 하나의 챔버(12)에서 검출되는 몇 가지의 표전 유전자를 통해서 질병을 정확하게 진단할 수 있다.

도 8은 디스플레이 장치에서 표시하는 격자형 화상의 일 예를 보여준다. 도시된 바와 같이, 격자형 화상(70)은 다수 개의 형광 표시 영역(72)이 배열되어 있다. 이때, 각 형광 표시 영역(72)은 일정 간격 이격되어 구분되는데 이것은 이웃하는 챔버(12a)(12b) 사이에 있는 격벽과 이웃하는 필터(16a)(16b) 사이에 있는 차광라인(65)에 의해 구획된다. 그리고 형광 표시 영역(72)의 좌표는 챔버(12)의 위치와 필터(16)의 위치로 표시될 수 있다. 즉, 챔버(12)는 왼쪽에서 오른쪽으로 가면서 순번을 매기고, 필터(16)는 아래에서 위로 가면서 순번을 매기면, 특정 형광 표시 영역(72)의 좌표를 정할 수 있고 반대로 좌표를 알면 특정 형광 표시 영역(72)을 쉽게 찾을 수 있다. 또한, 사용자는 각 챔버(12)에 주입된 시료와 프로브의 종류를 기억하고 각 필터(16)가 투과시키는 형광의 파장을 알면, 특정 형광 표시 영역(72)에 표시된 형광의 색깔을 관찰하여 타깃 핵산의 유무를 판단할 수 있다. 또한, 특정 형광 표시 영역(72)에 표시된 형광의 세기를 실시간으로 모니터링하면, 해당 챔버(12)에서의 특정 타켓 핵산의 증폭 정도를 정량적으로 측정할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 휴대용 멀티플렉스 PCR 장치(1)는, PCR 칩(10)과 디지털 카메라(8) 사이에 챔버(12)에서 발광하는 형광을 선택적으로 투과시키는 필터어레이(6)를 설치하여 챔버(12)에서 발광하는 여러 개의 형광을 구분할 수 있게 함으로써 한 번의 실험으로 다수의 표적 유전자를 동시에 검출하는 멀티플렉스 기능을 달성할 수 있게 한다. 따라서 한 번의 실험으로 복수의 유전자 및 질병 확인/진단 가능하고, 이를 통해 실험 횟수 및 노동력 감소시키고, 비용 절감의 효과를 제공할 수 있다.

이상의 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 또한, 본 발명은 이상에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 오로지 특허청구범위에 기재된 청구항의 범주에 의하여 정의될 뿐이다.

1: 휴대용 멀티플렉스 PCR 장치 3: 히팅 블록
5: 광원부 6: 필터어레이
7: 이미지 센서 8: 디지털 카메라
9: 영상분석부 10: PCR 칩
12: 챔버 15: 광원
16: 필터 19: 스위치부
51: 광로 52, 62: 교차점
61: 형광 광로 70: 격자형 화상
72: 형광 표시 영역

Claims

히팅 블록의 상면에 안착되며 다수의 챔버가 평행하게 형성된 PCR 칩과, 상기 PCR 칩의 한쪽 또는 양쪽 측면에 설치되어 서로 다른 파장의 여기 광을 조사하는 다수의 광원으로 이루어진 광원부와, 상기 PCR 칩에서 발광하는 형광을 촬영하는 카메라를 포함하는 휴대용 PCR 장치에 있어서, .
상기 PCR 칩의 상부에 설치되고 상기 광원부에서 조사되는 여기 광에 의해 상기 다수의 챔버에서 발광하는 서로 다른 파장의 형광을 선택적으로 투과시키는 다수 개의 필터가 상기 PCR 칩의 챔버의 길이방향과 교차하도록 설치된 필터어레이와;
상기 필터어레이의 상부에 설치되고 상기 다수의 챔버의 길이방향과 상기 다수의 필터의 길이방향이 서로 교차하는 다수의 교차점을 통과한 형광을 측정하여 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서와;
상기 이미지 센서에서 측정한 전기적 신호를 근거로 상기 PCR 칩의 다수의 챔버의 길이방향과 상기 필터어레이의 다수의 필터의 길이방향이 교차하는 교차점에 형광의 색깔과 밝기를 시각적 신호로 표시하는 영상분석부;를 포함하여,
상기 필터어레이의 다수의 채널이 상기 PCR 칩의 다수의 챔버를 여러 개의 소구역(즉, 형광 표시 영역)으로 구획하여 하나의 챔버에서 발광하는 서로 다른 파장의 형광을 소구역 별로 구분하여 표시함으로써 한 번의 실험으로 복수의 타깃 핵산(표적 유전자)을 동시에 검출할 수 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 멀티플렉스 PCR 장치.
제1 항에 있어서,
상기 필터어레이의 다수의 필터는 상기 광원부에서 조사되는 여기 광의 진행 방향으로 설치되는 것을 특징으로 하는 휴대용 멀티플렉스 PCR 장치.
제1 항에 있어서,
상기 필터어레이의 다수의 필터의 폭은 상기 광원부에서 조사되는 여기 광의 광로의 폭과 유사한 것을 특징으로 하는 휴대용 멀티플렉스 PCR 장치.
제1 항에 있어서,
상기 필터어레이의 다수의 필터는 평행하게 설치되고 이웃하는 필터 사이에는 일정 폭으로 차광라인이 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 멀티플렉스 PCR 장치.
제1 항에 있어서,
상기 광원부의 다수의 광원에서 방사되는 서로 다른 파장의 여기 광에 의한 광로와 상기 PCR 칩의 다수의 챔버의 길이방향이 교차하는 교차점에서 상기 광원부의 광원에서 방사되는 특정 파장의 여기 광에 반응하여 특정 파장의 형광이 발광하는 것을 특징으로 하는 휴대용 멀티플렉스 PCR 장치.
제5 항에 있어서,
상기 PCR 칩의 다수의 챔버에서 발광하는 서로 다른 파장의 형광은 상기 필터어레이의 다수의 필터에 의해 선택적으로 통과될 수 있기 때문에 상기 PCR 칩의 다수의 챔버의 길이방향과 상기 다수의 필터의 길이방향이 교차하는 교차점에는 특정한 파장의 형광만이 통과하는 것을 특징으로 하는 휴대용 멀티플렉스 PCR 장치.
제1 항에서,
상기 PCR 칩은, 광 투과성 플라스틱으로 이루어진 기판과, 상기 기판의 일면에 일정 간격으로 이격되어 평행하게 설치되는 다수 개의 챔버와; 상기 챔버와 연결되도록 형성된 주입구와; 상기 기판의 일면에 부착되어 상기 챔버의 개방부를 폐쇄하는 밀봉필름; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 휴대용 멀티플렉스 PCR 장치.
제1 항에서,
상기 광원부는, 서로 다른 파장의 여기 광을 조사하는 다수의 광원과;
상기 다수의 광원을 동시에 또는 순차적으로 점등하는 스위치부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 멀티플렉스 PCR 장치.
제1 항에 있어서,
상기 광원부는, 서로 다른 파장의 광이 포함된 고휘도 화이트 광을 발광하는 하나 또는 다수의 고휘도 화이트 광원과;
상기 고휘도 화이트 광원의 전방에 설치되고 서로 다른 파장의 광을 선택적으로 통과시키는 다수의 필터와;
상기 다수의 광원을 동시에 또는 순차적으로 점등하는 스위치부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 멀티플렉스 PCR 장치.
제9 항 또는 제10 항에 있어서,
.상기 다수의 광원 또는 하나 또는 다수의 고휘도 화이트 광원의 전방에는 상기 광원에서 조사되는 광선의 직진성을 좋게 하는 하나 또는 다수의 렌즈가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 휴대용 멀티플렉스 PCR 장치.
제1 항에 있어서,
상기 영상분석부는 상기 PCR 칩의 다수의 챔버의 길이방향과 상기 필터어레이의 다수의 필터의 길이방향이 서로 교차하는 교차점에 '형광 표시 영역'을 형성하고 상기 형광 표시 영역에 형광의 색깔과 밝기를 시각적 신호로 표시하는 것을 특징으로 하는 휴대용 멀티플렉스 PCR 장치.
제11 항에 있어서,
상기 형광 표시 영역에는 좌표가 부여되고, 상기 좌표와 상기 형광 표시 영역에서 표시된 형광의 색깔을 알면 특정 챔버의 시료 내에 있는 다수의 표적 유전자를 검출할 수 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 멀티플렉스 PCR 장치.