KR20210115144A - Polymerase chain reaction apparatus based on laser heating and induced fluorescence - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 레이저 가열과 유도 형광에 기반하는 유전자 증폭 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 중합효소연쇄반응 혼합액 시료에 선택적 적외선 흡수 안료를 혼합하여 시료관 내부를 조사하여 가열하고 형광유도봉을 사용하여 중합효소연쇄반응 혼합액의 증발을 막고 광원의 반대편에서 측광을 할 수 있게 하며 냉각수를 순환시켜 냉각할 수 있게 구성하여 효율적이고 확실한 유전자 증폭을 도모할 수 있으며, 전체적으로 소형 경량화가 가능한 레이저 가열과 유도 형광에 기반하는 유전자 증폭 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a gene amplification device based on laser heating and induced fluorescence, and more particularly, by mixing a selective infrared absorbing pigment with a polymerase chain reaction mixture sample, irradiating the inside of the sample tube and heating it, and using a fluorescence induction rod. By preventing evaporation of the polymerase chain reaction mixture, allowing photometry from the opposite side of the light source, and cooling by circulating cooling water, efficient and reliable gene amplification can be achieved. It relates to a gene amplification device based on
최근 분자생물학이 비약적으로 발전함에 따라 종래의 항원-항체 반응이나 유기분자간 상호작용을 통하여 진단하는 것보다 유전자를 이용하여 진단하는 기술이 더욱 빠르게 발전하고 있다.Recently, with the rapid development of molecular biology, the technology for diagnosing using a gene is developing faster than the conventional diagnosis through antigen-antibody reaction or organic molecule interaction.
이러한 유전자 진단기술은 신속한 진단을 위하여 필요한 DNA를 복제, 증폭시켜야 하는데, 미국의 생화학자인 캐리 멀리스(Kary Mullis)가 DNA의 복제, 증폭을 위한 방법으로서 중합효소연쇄반응(PCR: Polymerase Chain Reaction)을 제안하였다.This gene diagnosis technology requires the replication and amplification of DNA necessary for rapid diagnosis, and the US biochemist Kary Mullis has developed the polymerase chain reaction (PCR) as a method for DNA replication and amplification. has been proposed.
상기 중합효소연쇄반응을 일으키기 위해서는 DNA를 해리(Denaturation), 어닐링(Annealing) 및 확장(Elongation)의 3단계가 필요하다.In order to cause the polymerase chain reaction, three steps of DNA dissociation (Denaturation), annealing (Annealing) and extension (Elongation) are required.
상기 해리, 어닐링 및 확장의 3단계는 상온보다 높은 온도를 유지해야 하기 때문에 열원이 반드시 구비되어야 한다.In the three steps of dissociation, annealing, and expansion, a heat source must be provided because a temperature higher than room temperature must be maintained.
상기 DNA를 가열하기 위한 열원으로는 열원과 시료챔버가 직접 접촉하는 접촉식과 열원과 직접 접촉하지 않는 비접촉식으로 나눌 수 있다.A heat source for heating the DNA may be divided into a contact type in which the heat source and the sample chamber are in direct contact and a non-contact type in which the heat source is not in direct contact.
여기서 접촉식은 열원으로 펠티어 소자 또는 저항열을 이용하는 히터 등이 사용되고 있으며, 비접촉식으로는 열원으로 근적외선, 원적외선, 열풍 및 마그네트론 등이 사용되고 있다.Here, a heater using a Peltier element or resistance heat is used as a contact type heat source, and near infrared rays, far infrared rays, hot air and a magnetron are used as a non-contact type heat source.
먼저 접촉식은 펠티어 소자나 저항소자로 이루어진 히팅블록에 시료챔버를 접촉시켜 시료챔버에 수용된 DNA를 간접적으로 가열하는 방식으로 열원인 히팅블록에서 DNA까지 열전달하는 데 별도의 시간이 소요되는 문제점이 있다.First, the contact method indirectly heats the DNA contained in the sample chamber by contacting the sample chamber with a heating block made of a Peltier element or a resistance element.
한편 비접촉식은 시료챔버에 수용된 DNA를 열전달 매체의 접촉 없이 직접적으로 가열하도록 하는 방식으로 열풍을 이용할 경우 공기를 가열해야 하므로 열풍을 만들 수 있는 공간이 필요한 단점이 있고, 마그네트론의 경우 물의 공진 주파수에 해당하는 고주파를 발생시켜 대상물질을 가열하는데 이 경우 고속으로 대상물질을 가열할 수는 있으나 열원 주변에 공진 주파수에 영향을 미치는 금속재질을 사용할 수 없을뿐더러 열원 및 대상물질을 가열할 공간이 크게 소요되며 전자기파를 방출시키므로 인체에 해를 끼치는 단점이 있다.On the other hand, the non-contact type heats the DNA contained in the sample chamber directly without contact with the heat transfer medium. When using hot air, air must be heated, so space is required to create hot air, and in the case of a magnetron, it corresponds to the resonance frequency of water. In this case, it is possible to heat the target material at high speed, but it is not possible to use a metal material that affects the resonance frequency around the heat source, and it takes a lot of space to heat the heat source and the target material. Since it emits electromagnetic waves, it has the disadvantage of harming the human body.
아울러 적외선을 이용하는 경우 고속으로 대상물을 목표온도까지 신속하게 가열할 수 있고 중간 열전달 매질 없이도 직접적으로 대상물을 가열할 수 있는 장점은 있지만 열원의 온도변화를 위한 시간이 필요하고 대부분의 재질에 적외선이 흡수되며 시료 또한 직접적으로 열을 흡수하기 때문에 작은 시료 부피에서는 급격한 온도 변화로 시료의 불안정성을 초래할 수 있다는 단점이 있다.In addition, when using infrared rays, the object can be quickly heated to the target temperature at high speed and the object can be directly heated without an intermediate heat transfer medium. And since the sample also absorbs heat directly, there is a disadvantage in that it may cause instability of the sample due to rapid temperature change in a small sample volume.
이러한 적외선을 이용하여 중합효소연쇄반응을 일으키는 유전자 고속 증폭장치의 선행기술은 미국특허공개 제2005/0287661호에 개시되어 있다. 상기 특허문헌에 기재된 증폭장치는 단일 열원을 사용하여 동일 챔버의 내부를 해리, 어닐링 및 확장에 해당하는 온도로 유지되도록 제어한다.The prior art of a high-speed gene amplification apparatus for generating a polymerase chain reaction using such infrared rays is disclosed in US Patent Publication No. 2005/0287661. The amplification device described in the above patent document controls the interior of the same chamber to be maintained at a temperature corresponding to dissociation, annealing and expansion using a single heat source.
하지만 이와 같은 종래기술에 따른 중합효소연쇄반응을 일으키기는 유전자 증폭장치는 주변의 다른 재질에도 적외선이 흡수 되므로 국소적인 가열이 힘들어 다른 시약에도 영향을 미칠 수가 있으며 대상물의 직접 가열 하므로 온도의 미세한 조절이 힘들어 초과 가열 (over shoot) 현상을 초래 할 수 있다는 문제점이 있다.However, the gene amplification device that causes the polymerase chain reaction according to the prior art also absorbs infrared rays to other materials nearby, so it is difficult to heat locally, so it can affect other reagents. There is a problem that it is difficult and may cause an over shoot phenomenon.
구체적으로, 현재 유전자 증폭의 주된 방법은 PCR 혼합액의 온도를 변화시켜는 것이다. 섭씨 94~98℃에서 DNA 변성(denature), 50~65℃ 근처에서 DNA 프라이머 결합(annealing), 그리고 섭씨 75~80℃에서 DNA 신장을 하게 하는데 이런 온도 사이클을 30회 정보 반복하여 결과를 얻게 된다.Specifically, the current main method of gene amplification is to change the temperature of the PCR mixture. DNA denaturation at 94-98 °C, DNA primer annealing near 50-65 °C, and DNA elongation at 75-80 °C. These temperature cycles are repeated 30 times to obtain results. .
이를 위한 기존의 방법은 알루미늄이나 구리합금으로 이루어진 히팅 블록에 PCR 튜브를 삽입하고 이를 전체적으로 가열하고 냉각시키는 방법을 사용한다. 이러한 시스템은 구조적으로 소형화가 힘들고 특히 소비 전력이 매우 커서 전체 시스템을 휴대하기는 매우 힘든 문제점이 있다.The existing method for this uses a method of inserting a PCR tube into a heating block made of aluminum or copper alloy and heating and cooling the whole. Such a system has a problem in that it is structurally difficult to miniaturize, and in particular, power consumption is very high, so it is very difficult to carry the entire system.
따라서, 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 중합효소연쇄반응 혼합액 시료에 선택적 적외선 흡수 안료를 혼합하여 시료관 내부를 조사하여 가열하고 형광유도봉을 사용하여 중합효소연쇄반응 혼합액의 증발을 막고 광원의 반대편에서 측광을 할 수 있게 하며 냉각수를 순환시켜 냉각할 수 있게 구성하여 효율적이고 확실한 유전자 증폭을 도모할 수 있는 레이저 가열과 유도 형광에 기반하는 유전자 증폭 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.Therefore, the present invention for solving the above-mentioned problems in the prior art, by mixing a selective infrared absorbing pigment with a sample of the polymerase chain reaction mixture, irradiate the inside of the sample tube and heat, and evaporate the polymerase chain reaction mixture using a fluorescence induction rod. The purpose of this is to provide a gene amplification device based on laser heating and induced fluorescence that enables efficient and reliable gene amplification by preventing .
또한, 본 발명은 낮은 소비전력으로 작동가능하며, 전체적으로 소형 경량화가 가능한 레이저 가열과 유도 형광에 기반하는 유전자 증폭 장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a gene amplification device based on laser heating and induced fluorescence that can operate with low power consumption and can reduce overall size and weight.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved of the present invention are not limited to those mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기 본 발명의 목적들 및 다른 특징들을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 유전자 증폭 장치로서, 중합효소연쇄반응(PCR) 혼합액을 가열하고, 중합효소연쇄반응(PCR) 혼합액의 온도를 측정하는 가열-측정 수단; 중합효소연쇄반응(PCR) 혼합액 시료가 담기는 시료관; 중합효소연쇄반응(PCR) 혼합액의 형광을 측정 센서로 유도할 수 있는 아크릴 등의 재질로 투명한 형광유도봉; 중합효소연쇄반응(PCR) 혼합액에 빛을 조사하여 형광을 일으키고, 상기 형광유도봉을 통과한 형광을 각 파장에 따라 측정하도록 구성되는 형광발광 및 측정 수단; 상기 시료관을 고정하고 시료관을 냉각시킬 수 있도록 냉각수가 순환되는 냉각수 하우징을 포함하는 냉각 수단; 및 상기 가열-측정 수단과 형광발광 및 측정 수단 및 냉각 수단을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전자 증폭 장치가 제공된다.According to one aspect of the present invention for achieving the above objects and other features of the present invention, as a gene amplification device, a polymerase chain reaction (PCR) mixture is heated, and the temperature of the polymerase chain reaction (PCR) mixture is measured. heating-measuring means; a sample tube containing a polymerase chain reaction (PCR) mixture sample; a transparent fluorescence inducing rod made of a material such as acrylic capable of inducing the fluorescence of the polymerase chain reaction (PCR) mixture to a measuring sensor; Fluorescence emitting and measuring means configured to generate fluorescence by irradiating light to the polymerase chain reaction (PCR) mixture, and to measure the fluorescence that has passed through the fluorescence inducing rod according to each wavelength; a cooling means including a cooling water housing in which cooling water is circulated so as to fix the sample tube and cool the sample tube; and a control unit for controlling the heating-measuring unit and the fluorescence and measuring unit and the cooling unit.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 중합효소연쇄반응(PCR) 혼합액에 빛을 조사하여 혼합액을 직접 가열하되, 열이 목표점까지 전도되기 위한 시간 지연 및 에너지 손실을 최소화하면서 높은 온도 변화율을 도출하도록 제어하고, 3~20마이크로 리터의 중합효소연쇄반응(PCR) 혼합액의 온도를 90℃ 이상에서 냉각시켜 50~65℃의 DNA 결합 온도까지 빠른 속도로 냉각시키기 위해 냉각수를 순환시키도록 제어하며, 레이저 광원으로 중합효소연쇄반응(PCR) 혼합액을 조사하고, 프라이머의 DNA 연쇄중합반응에 의해 발생하는 형광을 측정하도록 제어하도록 이루어질 수 있다.In the present invention, the control unit directly heats the mixture by irradiating light to the polymerase chain reaction (PCR) mixture, and controls to derive a high rate of temperature change while minimizing the time delay and energy loss for heat to be conducted to the target point The temperature of the polymerase chain reaction (PCR) mixture of 3 to 20 microliters is cooled at 90° C. or higher, and the cooling water is controlled to circulate to rapidly cool it to the DNA binding temperature of 50 to 65° C., and the laser light source By irradiating the polymerase chain reaction (PCR) mixture, and controlling to measure the fluorescence generated by the DNA chain polymerization reaction of the primer.
본 발명에 있어서, 상기 중합효소연쇄반응(PCR) 혼합액은 자외선 파장 흡수 물질이 혼입되어 이루어질 수 있다.In the present invention, the polymerase chain reaction (PCR) mixture may be formed by mixing an ultraviolet wavelength absorbing material.
본 발명에 따른 레이저 가열과 유도 형광에 기반하는 유전자 증폭 장치에 의하면 다음과 같은 효과를 제공한다.According to the gene amplification apparatus based on laser heating and induced fluorescence according to the present invention, the following effects are provided.
첫째, 본 발명은 중합효소연쇄반응 혼합액 시료에 선택적 적외선 흡수 안료를 혼합하여 시료관 내부를 조사하여 가열하고 형광유도봉을 사용하여 중합효소연쇄반응 혼합액의 증발을 막고 광원의 반대편에서 측광을 할 수 있게 하며 냉각수를 순환시켜 냉각할 수 있게 구성하여 효율적이고 확실한 유전자 증폭을 도모할 수 있는 효과가 있다.First, the present invention mixes a selective infrared absorbing pigment with a polymerase chain reaction mixture sample, irradiates the inside of the sample tube, heats it, and uses a fluorescence induction rod to prevent evaporation of the polymerase chain reaction mixture solution and measure the light from the opposite side of the light source. It has the effect of promoting efficient and reliable gene amplification by circulating cooling water and cooling it.
둘째, 본 발명은 낮은 소비전력으로 작동가능한 유전자 증폭장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.Second, the present invention is effective in providing a gene amplification device that can be operated with low power consumption.
셋째, 본 발명은 전체적으로 소형 경량화가 가능하여 휴대할 수 있는 유전자 증폭장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.Third, the present invention has the effect of providing a portable gene amplification device because it is possible to reduce the overall size and weight.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.Effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
도 1은 본 발명에 따른 레이저 가열과 유도 형광에 기반하는 유전자 증폭 장치의 주요부를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 레이저 가열과 유도 형광에 기반하는 유전자 증폭 장치를 구성하는 일부 구성부를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 레이저 가열과 유도 형광에 기반하는 유전자 증폭 장치에서 광가열하는 동작을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 레이저 가열과 유도 형광에 기반하는 유전자 증폭 장치를 냉각하는 동작을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 레이저 가열과 유도 형광에 기반하는 유전자 증폭 장치에서 형광 측광하는 동작을 개략적으로 나타내는 도면이다.1 is a block diagram schematically showing the main part of a gene amplification device based on laser heating and induced fluorescence according to the present invention.
2 is a diagram schematically showing some components constituting a gene amplification device based on laser heating and induced fluorescence according to the present invention.
3 is a diagram schematically illustrating an operation of light heating in a gene amplification apparatus based on laser heating and induced fluorescence according to the present invention.
4 is a diagram schematically illustrating an operation of cooling a gene amplification device based on laser heating and induced fluorescence according to the present invention.
5 is a diagram schematically illustrating an operation of fluorescence metering in a gene amplification device based on laser heating and induced fluorescence according to the present invention.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다. Additional objects, features and advantages of the present invention may be more clearly understood from the following detailed description and accompanying drawings.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Prior to the detailed description of the present invention, the present invention can make various changes and can have various embodiments, and the examples described below and shown in the drawings are not intended to limit the present invention to specific embodiments. No, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.When a component is referred to as being “connected” or “connected” to another component, it is understood that the other component may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in between. it should be On the other hand, when it is said that a certain element is "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that no other element is present in the middle.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used herein are used only to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "comprises" or "have" are intended to designate that the features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification exist, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In addition, terms such as "...unit", "...unit", "...module", etc. described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which includes hardware or software or hardware and It can be implemented by a combination of software.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same components are given the same reference numerals regardless of the reference numerals, and the overlapping description thereof will be omitted. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
또한, 본원 명세서 전체에서, 어떤 단계가 다른 단계와 "상에" 또는 "전에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 단계가 다른 단계와 직접적 시계열적인 관계에 있는 경우 뿐만 아니라, 각 단계 후의 혼합하는 단계와 같이 두 단계의 순서에 시계열적 순서가 바뀔 수 있는 간접적 시계열적 관계에 있는 경우와 동일한 권리를 포함한다.In addition, throughout this specification, when a step is located "on" or "before" another step, this means not only when a step is in a direct time-series relationship with another step, but also includes a step of mixing after each step and Likewise, the order of two stages includes the same rights as in the case of an indirect time series relationship in which the time series order can be changed.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저 가열과 유도 형광에 기반하는 유전자 증폭 장치에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a gene amplification apparatus based on laser heating and induced fluorescence according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 레이저 가열과 유도 형광에 기반하는 유전자 증폭 장치의 주요부를 개략적으로 나타내는 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 레이저 가열과 유도 형광에 기반하는 유전자 증폭 장치를 구성하는 일부 구성부를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 3은 본 발명에 따른 레이저 가열과 유도 형광에 기반하는 유전자 증폭 장치에서 광가열하는 동작을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 레이저 가열과 유도 형광에 기반하는 유전자 증폭 장치를 냉각하는 동작을 개략적으로 나타내는 도면이며, 도 5는 본 발명에 따른 레이저 가열과 유도 형광에 기반하는 유전자 증폭 장치에서 형광 측광하는 동작을 개략적으로 나타내는 도면이다.1 is a block diagram schematically showing a main part of a gene amplification device based on laser heating and induced fluorescence according to the present invention, and FIG. 2 is a part of a gene amplification device based on laser heating and induced fluorescence according to the present invention It is a diagram schematically showing a component part. 3 is a diagram schematically showing an operation of light heating in a gene amplification device based on laser heating and induced fluorescence according to the present invention, and FIG. 4 is a cooling system for a gene amplification device based on laser heating and induced fluorescence according to the present invention. 5 is a diagram schematically showing the operation of fluorescence metering in the gene amplification device based on laser heating and induced fluorescence according to the present invention.
본 발명에 따른 레이저 가열과 유도 형광에 기반하는 유전자 증폭 장치는, 도 1 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 크게 적외선 레이저(110) 혹은 적외선 LED과 적외선 온도센서(120)를 포함하는 가열-측정 수단(100); 시료관(200); 형광유도봉(300); 형광 측정용 레이저(120)와 광센서(420)를 포함하는 형광발광 및 측정 수단(400); 냉각수 하우징(510)을 포함하는 냉각 수단; 및 제어부를 포함하여 구성된다.The gene amplification device based on laser heating and induced fluorescence according to the present invention, as shown in FIGS. 1 to 5 , largely includes an infrared laser 110 or an infrared LED and an infrared temperature sensor 120 - heating-measuring means (100);
구체적으로, 본 발명에 따른 레이저 가열과 유도 형광에 기반하는 유전자 증폭 장치는, 도 1 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 중합효소연쇄반응(PCR: Polymerase Chain Reaction) 혼합액을 가열하는 적외선 레이저(110) 혹은 적외선 LED, 및 중합효소연쇄반응(PCR) 혼합액의 온도를 측정하는 적외선 온도센서(120)를 포함하는 가열-측정 수단(100); 중합효소연쇄반응(PCR) 혼합액을 담기 위한 시료관(200); 중합효소연쇄반응(PCR) 혼합액의 형광을 측정 센서로 유도할 수 있는 아크릴 등의 재질로 투명한 형광유도봉(300); 중합효소연쇄반응(PCR) 혼합액에 빛을 조사하여 형광을 일으키게 하는 형광 측정용 레이저(410) 및 상기 형광유도봉을 통과한 형광을 각 파장에 따라 측정할 수 있는 광센서(420)를 포함하는 형광발광 및 측정 수단(400); 시료관을 고정하고 시료관을 냉각시킬 수 있도록 냉각수가 순환되는 냉각수 하우징(510)을 포함하는 냉각 수단; 및 상기 가열-측정 수단(100)과 형광발광 및 측정 수단(400) 및 냉각 수단을 제어하는 제어부;를 포함하여 구성될 수 있다.Specifically, the gene amplification device based on laser heating and induced fluorescence according to the present invention, as shown in FIGS. 1 to 5, is an infrared laser 110 for heating a polymerase chain reaction (PCR) mixture. or heating-measuring means 100 including an infrared LED, and an infrared temperature sensor 120 for measuring the temperature of the polymerase chain reaction (PCR) mixture; a
도면부호 430은 다이크로익 필터(dichroic filter)이며, 형광발광 및 측정 수단(400)의 일 구성요소를 구성한다.Reference numeral 430 denotes a dichroic filter, and constitutes one component of the fluorescence emission and measurement means 400 .
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 레이저 가열과 유도 형광에 기반하는 유전자 증폭 장치에서 광가열 동작을 설명하면, 도 3에 나타낸 바와 같이 중합효소연쇄반응(PCR) 내부에 강한 빛을 조사하여 혼합액을 직접 가열하되, 열이 목표점까지 전도되기 위한 시간지연 및 에너지 손실을 최소화하면서 높은 온도 변화율을 도출하게 된다.When the light heating operation is described in the gene amplification device based on laser heating and induced fluorescence according to the present invention configured as described above, as shown in FIG. 3 , the mixture is irradiated with strong light inside the polymerase chain reaction (PCR) It is directly heated, but a high temperature change rate is derived while minimizing the time delay and energy loss for heat to be conducted to the target point.
본 발명에서는 적외선 레이저 혹은 적외선 LED에 의해 빛을 중합효소연쇄반응(PCR) 혼합액에 조사하여 가열한다. 목표 온도에 정확하게 도달하기 위해 적외선 온도센서를 이용하여 컨트롤러가 온도 데이터를 수집하고 광 가열장치를 제어하도록 이루어진다.In the present invention, the polymerase chain reaction (PCR) mixture is heated by irradiating light with an infrared laser or infrared LED. In order to accurately reach the target temperature, the controller is configured to collect temperature data and control the light heating device using an infrared temperature sensor.
여기에서, 적외선 흡수안료를 사용하는데, 중합효소연쇄반응(PCR) 혼합액이 빛을 잘 흡수하기 위해 자외선 파장 흡수 물질로서 금속산화물(산화텅스텐 등)을 혼합하여 적외선 파장의 빛을 흡수시켜서 가열 효율과 온도 균일도가 증대되도록 이루어진다.Here, an infrared absorbing pigment is used. In order for the polymerase chain reaction (PCR) mixture to absorb light well, a metal oxide (tungsten oxide, etc.) is mixed as an ultraviolet wavelength absorbing material to absorb infrared wavelength light, thereby improving heating efficiency and improving heating efficiency. It is made to increase the temperature uniformity.
또한, 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 레이저 가열과 유도 형광에 기반하는 유전자 증폭 장치에서, 수냉각 동작을 설명하면, 도 4에 나타낸 바와 같이, 3~20마이크로 리터의 중합효소연쇄반응(PCR) 혼합액의 온도를 90℃ 이상에서 냉각시켜 50~65℃의 DNA 결합 온도까지 빠른 속도로 냉각시키기 위해 냉각수를 순환시킨다. 이때 마이크로 컨트롤러 등을 이용하여 목표 온도에 도달하도록 펌프와 광가열 장치를 적절하게 제어하도록 이루어진다.In addition, in the gene amplification apparatus based on laser heating and induced fluorescence according to the present invention configured as described above, when explaining the water cooling operation, as shown in FIG. 4 , 3 to 20 microliters of polymerase chain reaction (PCR) ) The temperature of the mixed solution is cooled above 90°C and the cooling water is circulated to rapidly cool it to the DNA binding temperature of 50-65°C. In this case, the pump and the light heating device are appropriately controlled to reach the target temperature using a microcontroller or the like.
또한. 본 발명에 따른 레이저 가열과 유도 형광에 기반하는 유전자 증폭 장치에서, 형광 측정 동작을 설명하면, 도 5에 나타낸 바와 같이, 405nm 파장의 레이저 광원을 사용하여 중합효소연쇄반응(PCR) 혼합액을 조사하고, 프라이머의 DNA 연쇄중합반응에 의해 발생하는 형광을 측정한다. PMMA 등의 투명한 재질을 사용하여 빛을 유도하여 측광 시스템에 도달하게 한다.In addition. In the gene amplification device based on laser heating and induced fluorescence according to the present invention, the fluorescence measurement operation is described. As shown in FIG. 5, a polymerase chain reaction (PCR) mixture is irradiated using a laser light source of 405 nm wavelength, and , Measure the fluorescence generated by the DNA chain polymerization reaction of the primer. Use a transparent material such as PMMA to guide the light to reach the metering system.
형광 측정은 광원의 반대 방향에서 할 수 있어 측광 모듈을 설치할 수 있는 공간을 용이하게 확보 할 수 있게 된다.Fluorescence measurement can be performed from the opposite direction of the light source, so it is possible to easily secure a space for installing the photometric module.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 레이저 가열과 유도 형광에 기반하는 유전자 증폭 장치에 의하면, 중합효소연쇄반응 혼합액 시료에 선택적 적외선 흡수 안료를 혼합하여 시료관 내부를 조사하여 가열하고 형광유도봉을 사용하여 중합효소연쇄반응 혼합액의 증발을 막고 광원의 반대편에서 측광을 할 수 있게 하며 냉각수를 순환시켜 냉각할 수 있게 구성하여 효율적이고 확실한 유전자 증폭을 도모할 수 있는 이점이 있다.According to the gene amplification apparatus based on laser heating and induced fluorescence according to the present invention as described above, a selective infrared absorbing pigment is mixed with a polymerase chain reaction mixture sample, irradiated inside the sample tube, and heated, and a fluorescence induction rod is used. This prevents evaporation of the polymerase chain reaction mixture, enables metering from the opposite side of the light source, and allows cooling by circulating cooling water, so that efficient and reliable gene amplification can be achieved.
본 발명에 의하면, 낮은 소비전력으로 작동가능한 유전자 증폭장치를 제공할 수 있으며, 전체적으로 소형 경량화가 가능하여 휴대할 수 있는 유전자 증폭장치를 제공할 수 있는 이점이 있다.According to the present invention, it is possible to provide a gene amplification device that can be operated with low power consumption, and it is possible to reduce the overall size and weight, thereby providing a portable gene amplification device.
상기한 바와 같은 실시 예들은 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.Although the embodiments as described above have been described with reference to the limited drawings, those skilled in the art may apply various technical modifications and variations based on the above. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the described components of the system, structure, apparatus, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components Or substituted or substituted by equivalents may achieve an appropriate result.
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The embodiments described in this specification and the accompanying drawings are merely illustrative of some of the technical ideas included in the present invention. Therefore, since the embodiments disclosed in the present specification are for explanation rather than limitation of the technical spirit of the present invention, it is obvious that the scope of the technical spirit of the present invention is not limited by these embodiments. Modifications and specific embodiments that can be easily inferred by those skilled in the art within the scope of the technical idea included in the specification and drawings of the present invention should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
100: 가열-측정 수단
110: 적외선 레이저
120: 적외선 온도센서
200: 시료관
300: 형광유도봉
400: 형광발광 및 측정 수단
410: 형광 측정용 레이저
420: 광센서
430: 다이크로익 필터
510: 냉각수 하우징100: heating-measuring means
110: infrared laser
120: infrared temperature sensor
200: sample tube
300: fluorescent induction rod
400: fluorescence and measurement means
410: laser for fluorescence measurement
420: optical sensor
430: dichroic filter
510: coolant housing
Claims (3)
중합효소연쇄반응(PCR) 혼합액을 가열하고, 중합효소연쇄반응(PCR) 혼합액의 온도를 측정하는 가열-측정 수단;
중합효소연쇄반응(PCR) 혼합액 시료가 담기는 시료관;
중합효소연쇄반응(PCR) 혼합액의 형광을 측정 센서로 유도할 수 있는 아크릴 등의 재질로 투명한 형광유도봉;
중합효소연쇄반응(PCR) 혼합액에 빛을 조사하여 형광을 일으키고, 상기 형광유도봉을 통과한 형광을 각 파장에 따라 측정하도록 구성되는 형광발광 및 측정 수단;
상기 시료관을 고정하고 시료관을 냉각시킬 수 있도록 냉각수가 순환되는 냉각수 하우징을 포함하는 냉각 수단; 및
상기 가열-측정 수단과 형광발광 및 측정 수단 및 냉각 수단을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는
유전자 증폭 장치.
A gene amplification device comprising:
heating-measuring means for heating the polymerase chain reaction (PCR) mixed solution and measuring the temperature of the polymerase chain reaction (PCR) mixed solution;
a sample tube containing a polymerase chain reaction (PCR) mixture sample;
a transparent fluorescence inducing rod made of a material such as acrylic capable of inducing the fluorescence of the polymerase chain reaction (PCR) mixture to a measuring sensor;
Fluorescence emitting and measuring means configured to generate fluorescence by irradiating light to the polymerase chain reaction (PCR) mixture, and to measure the fluorescence that has passed through the fluorescence inducing rod according to each wavelength;
a cooling means including a cooling water housing in which cooling water is circulated so as to fix the sample tube and cool the sample tube; and
and a control unit for controlling the heating-measuring means and the fluorescence and measuring means and the cooling means.
gene amplification device.
상기 제어부는,
중합효소연쇄반응(PCR) 혼합액에 빛을 조사하여 혼합액을 직접 가열하되, 열이 목표점까지 전도되기 위한 시간 지연 및 에너지 손실을 최소화하면서 높은 온도 변화율을 도출하도록 제어하고,
3~20마이크로 리터의 중합효소연쇄반응(PCR) 혼합액의 온도를 90℃ 이상에서 냉각시켜 50~65℃의 DNA 결합 온도까지 빠른 속도로 냉각시키기 위해 냉각수를 순환시키도록 제어하며,
레이저 광원으로 중합효소연쇄반응(PCR) 혼합액을 조사하고, 프라이머의 DNA 연쇄중합반응에 의해 발생하는 형광을 측정하도록 제어하는 것을 특징으로 하는
유전자 증폭 장치.
According to claim 1,
The control unit is
By irradiating light to the polymerase chain reaction (PCR) mixture, the mixture is directly heated, but controlled to induce a high rate of temperature change while minimizing the time delay and energy loss for heat conduction to the target point,
The temperature of the polymerase chain reaction (PCR) mixture of 3 to 20 microliters is cooled at 90 ° C. or higher, and the cooling water is circulated to rapidly cool it to the DNA binding temperature of 50 to 65 ° C.
A polymerase chain reaction (PCR) mixture is irradiated with a laser light source, and the fluorescence generated by the DNA chain polymerization reaction of the primer is controlled to be measured.
gene amplification device.
상기 중합효소연쇄반응(PCR) 혼합액은 자외선 파장 흡수 물질이 혼입되어 이루어지는 것을 특징으로 하는
유전자 증폭 장치.3. The method of claim 1 or 2,
The polymerase chain reaction (PCR) mixture is characterized in that the ultraviolet wavelength absorbing material is mixed
gene amplification device.
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