KR20210147545A - 피씨알 장치 - Google Patents

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Abstract

피씨알 장치가 개시된다. 상기 피씨알 장치는 피씨알 튜브 삽입부를 포함하는 열유닛 상에, 상기 피씨알 튜브 삽입부를 중심으로 냉각수단 및 열원이 V자 또는 U자형 배치를 이루도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

피씨알 장치{APPARATUS FOR PCR}
본 발명은 피씨알 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기에너지 소모가 감소될 수 있는 피씨알 장치에 관한 것이다.
중합 효소 연쇄 반응(polymerase chain reaction; 이하, 피씨알(PCR))은 최근 유전물질을 다루는 거의 모든 과정에서 사용하고 있는 검사법으로 검출하기 위한 특정 표적유전자를 증폭하는 방법이다.
피씨알은 최근 한국을 비롯하여 세계적으로 유행하고 있는 코로나19의 확진 여부를 판별하는데 사용되고 있는 것처럼 생명공학이나 과학수사 등 광범위한 분야에서 사용되는 매우 일반적인 검사법이다.
피씨알은 대략 95℃ 정도에서 이루어지는 이중가닥 DNA를 단일가닥 DNA로 분리시키는 변성(Denaturation), 대략 60℃ 정도에서 이루어지는 프라이머와 DNA가 결합하는 결합(Annealing), 그리고 대략 72℃ 정도에서 이루어지며 DNA가 합성되는 신장(Extension) 과정을 반복하며 DNA가 복제되어 그 수가 증폭된다. 이러한 과정을 20회 반복하면 대략 100만배 정도의 증폭이 이루어진다.
중합효소반응을 위해서는 시약을 가열/냉각을 반복하는 과정을 반복해야 한다. 이를 위해 시약이 담긴 튜브를 금속으로 제작된 열유닛에 장착한 후 열유닛을 반복적으로 가열/냉각한다.
가열은 저항체 등을 사용하여 용이하게 수행할 수 있지만 냉각은 가열에 비해 복잡한 장치들을 필요로 한다. 전기모터와 팬(Fan)을 사용하여 공기로 냉각하는 방식은 냉각속도가 느리고 소음도 크며 부피증가를 동반한다. 또한 냉장고, 에어콘 등에서 사용하는 압축기를 사용하는 방법은 보다 효율적으로 냉각을 수행할 수 있지만 역시 모터, 압축기, 증발기 등 복잡한 구성요소에 따른 부피증가와 발생하는 소음을 피할 수 없다.
따라서 대부분의 피씨알 장치는 냉각을 위해 펠티어(Peltier) 소자를 사용한다. 펠티어 소자는 비교적 소형이며 반도체 소자로써 소음이 없는 장점을 지닌다.
그러나 펠티어 소자는 냉각에 있어서 에너지 효율은 약 5~10%정도로 냉장고와 같은 냉동장치에서 비해 매우 낮은 단점을 갖는다.
또한, 종래 대부분의 피씨알 장치는 상기 열유닛에 열을 전달하는 열원 및 냉각을 위한 냉각수단이 상기 열유닛과의 거리가 멀어서 효율적인 열 전달이 이루어지지 못하는 문제가 있었다.
한국등록특허 제10-1882239호
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전기에너지 소모가 절감되고, 나아가 중합 연소 연쇄 반응의 진행 속도가 빨라질 수 있도록 한 피씨알 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 피씨알 장치는 피씨알 튜브 삽입부를 포함하는 열유닛 상에, 상기 피씨알 튜브 삽입부를 중심으로 냉각수단 및 열원이 V자 또는 U자형 배치를 이루도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 열유닛은 상기 피씨알 튜브 삽입부가 일방향을 따라 복수로 배열되고, 상기 냉각수단은 상기 일방향을 따라 상기 열유닛을 관통하고 냉각액이 흐르는 냉각수로를 포함하고, 상기 열원은 상기 일방향을 따라 상기 열유닛에 삽입되는 히터를 포함하고, 상기 냉각수로 및 히터는 상기 일방향에 수직한 단면으로 볼 때 상기 피씨알 튜브 삽입부를 중심으로 V자 또는 U자형 배치를 이루도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 냉각수단은, 상기 냉각수로로 공급되기 위한 냉각액을 저장하는 냉각액 저장탱크; 및 상기 냉각액을 상기 냉각수로 및 상기 저장탱크 사이에 순환시키기 위한 냉각액 순환펌프를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 냉각수로 및 상기 냉각액 저장탱크 사이에 연결되어 상기 냉각수로 내의 냉각액을 상기 냉각액 저장탱크로 회수시키기 위한 냉각액 회수수단을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 냉각액 회수수단은 공기 진행 방향이 상기 냉각액 저장탱크를 향하도록 상기 냉각수로로 공기를 공급하는 송풍팬을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 냉각수단, 상기 열원 및 상기 냉각액 회수수단을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 냉각수단 및 상기 열원이 일정 주기로 온(ON)/오프(OFF)를 반복하도록 제어하고, 상기 냉각액 회수수단이 상기 열원이 발열되기 전에 동작하도록 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 피씨알 장치에 의하면, 냉각수단 및 열원을 피씨알 튜브가 삽입되는 피씨알 튜브 삽입부를 중심으로 V자형 또는 U자형으로 배치하여 냉각수단 및 열원이 시료와 최대한 근접할 수 있으므로 시료의 냉각속도 및 가열속도가 증가될 수 있고, 이에 따라 전기에너지 소모가 절감되고, 나아가 중합 연소 연쇄 반응의 진행 속도가 빨라질 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 피씨알 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 열유닛의 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 열유닛의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 피씨알 장치에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 피씨알 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 열유닛의 사시도이고, 도 3은 도 1에 도시된 열유닛의 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 피씨알 장치는 열유닛(100), 냉각수단(200), 열원(300), 냉각액 회수수단(400), 제어부(500)를 포함할 수 있다.
열유닛(100)에는 시료가 수용된 피씨알 튜브가 삽입된다. 일 예로, 열유닛(100)은 베이스부(110) 및 피씨알 튜브 삽입부(120)를 포함할 수 있다.
베이스부(110)는 블록 형태로서, 단면 형상이 다각형 형상일 수 있고, 일방향으로 긴 길이를 가질 수 있다.
피씨알 튜브 삽입부(120)는 베이스부(110)의 상면에서 베이스부(110)의 길이방향을 따라 다수 배열될 수 있다. 피씨알 튜브 삽입부(120)는 베이스부(110)의 상면에서 돌출되어 직립되며, 내부에 튜브 삽입구멍(121)을 가질 수 있다. 또한, 피씨알 튜브 삽입부(120)는 실시간 피씨알 반응을 모니터링하기 위해 피씨알 튜브 삽입부(120)로 삽입되는 피씨알 튜브 내의 시약에 여기광을 유입시키는 것에 따른 형광이 방출되는 구멍(122)이 구비될 수 있다.
이러한 열유닛(100)은 열전도성이 우수한 재질로 구비될 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 또는 구리 재질일 수 있고, 열유닛(100)의 표면 부식을 방지하기 위해 아노다이징 표면처리 기법으로 표면처리될 수 있다.
냉각수단(200) 및 열원(300)은 피씨알 튜브 삽입부(120)로 삽입된 피씨알 튜브 내의 시료의 가열 및 냉각을 반복하여 중합 효소 연쇄 반응(polymerase chain reaction; PCR)을 수행하기 위해 구비된다.
냉각수단(200)은 시료의 냉각을 위해 구비되며, 냉각수로(210), 냉각액 저장탱크(220) 및 냉각액 순환펌프(230)를 포함할 수 있다.
냉각수로(210)는 열유닛(100)의 베이스부(110)의 길이방향에 평행하도록 베이스부(110)의 길이방향의 일측 끝으로부터 다른 일측 끝을 향해 연장되어 베이스부(110)에 관통될 수 있다. 일 예로, 냉각수로(210)는 2개일 수 있다. 이러한 경우, 각각의 냉각수로(210)는 피씨알 튜브 삽입부(120)를 중심으로, 실질적으로는 피씨알 튜브 삽입부(120)의 튜브 삽입구멍(121)을 중심으로 튜브 삽입구멍(121)의 좌측 및 우측에 배치될 수 있다.
냉각액 저장탱크(220)는 열유닛(100)의 일측에 배치되어 냉각수로(210)와 유체 소통 가능하게 연결될 수 있다. 예를 들어, 냉각액 저장탱크(220)는 냉각수로(210)와 제1 순환라인(241) 및 제2 순환라인(242)을 통해 연결될 수 있다. 이때, 제1 순환라인(241)은 냉각액 저장탱크(220)의 일측으로부터 냉각수로(210)의 일측 단부로 연결될 수 있고, 제2 순환라인(242)은 제1 순환라인(241)이 연결된 냉각수로(210)의 일측 단부 반대편의 단부로부터 냉각액 저장탱크(220)의 다른 일측으로 연결될 수 있다. 이러한 경우, 냉각수로(210)로 연결되는 제1 순환라인(241)의 일측 단부는 2개의 냉각수로(210)에 연결되기 위한 2개의 냉각수로(210)로 분기되는 형태를 가질 수 있고, 냉각수로(210)로 연결되는 제2 순환라인(242)의 일측 단부는 2개의 냉각수로(210)로 분기되는 형태를 가질 수 있다. 여기서, 상기 제1 순환라인(241)은 냉각액 저장탱크(220)로부터 냉각액을 냉각수로(210)로 공급하는 공급라인일 수 있고, 상기 제2 순환라인(242)은 냉각수로(210)로부터 냉각액이 회수되는 회수라인일 수 있다.
냉각액 순환펌프(230)는 냉각액을 상기 냉각수로(210) 및 저장탱크(220) 사이에 순환시킬 수 있다. 일 예로, 냉각액 순환펌프(230)는 상기 제1 순환라인(241) 상에 설치될 수 있다.
열원(300)은 시료의 가열을 위해 구비되며, 열유닛(100)의 길이방향을 따라 열유닛(100)에 삽입되는 히터를 포함할 수 있다. 일 예로, 히터는 봉 또는 바 타입의 카트리지 히터일 수 있다. 이러한 열원(300)은 피씨알 튜브 삽입부(120)를 중심으로 냉각수로(210)와 함께 V자 또는 U자 형 배치를 이룰 수 있다. 일 예로, 열원(300)은 하나일 수 있고, 이러한 경우, 피씨알 튜브 삽입부(120)의 아래, 실질적으로는 피씨알 튜브 삽입부(120)의 튜브 삽입구멍(121)의 아래에 배치되어, 열유닛(100)의 길이방향에 수직한 단면으로 볼 때 튜브 삽입구멍(121)의 좌측 및 우측에 배치되는 2개의 냉각수로(210)와 함께 V자 형으로 배치될 수 있다.
예시된 바와 같이, 2개의 냉각수로(210)와 1개의 열원(300)이 V자 형 배치를 이룰 때, 냉각수로(210)들 및 열원(300)은 튜브 삽입구멍(121)에 근접하게 배치되며, 냉각수로(210)들과 튜브 삽입구멍(121) 사이의 거리는 3mm 이하일 수 있고, 열원(300)과 튜브 삽입구멍(121) 사이의 거리는 3mm 이하일 수 있다.
냉각액 회수수단(400)은 냉각수로(210) 및 냉각액 저장탱크 사이에 연결되어 냉각수로(210) 내의 냉각액을 냉각액 저장탱크(220)로 회수시킬 수 있다. 일 예로, 냉각액 회수수단(400)은 공기 진행 방향이 냉각액 저장탱크(220)를 향하도록 냉각수로(210)로 공기를 공급하는 송풍팬(410)을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 송풍팬(410)은 상기 제1 순환라인(241)의 끝의 분기된 라인들에 송풍관(420)으로서 연결될 수 있다. 이때, 송풍팬(410)으로부터 공급되는 공기가 냉각액 저장탱크(220)를 향하도록 상기 각각의 분기된 라인에는 냉각액이 냉각수로(210) 방향으로만 흐르도록 냉각수로(210) 방향으로만 개방되는 제1 체크밸브(11)가 설치될 수 있고, 상기 송풍관(420)에는 냉각액의 송풍팬(410) 방향으로의 유입을 차단하고 공기는 냉각수로(210) 방향으로 공급되도록 냉각수로(210) 방향으로만 개방되는 제2 체크밸브(12)가 설치될 수 있다.
제어부(500)는 냉각수단(200) 및 열원(300)이 일정 주기로 온(ON)/오프(OFF)를 반복하도록 제어하고, 냉각액 회수수단(400)이 열원(300)이 발열되기 전에 동작하도록 제어할 수 있다. 냉각수단(200) 및 열원(300)의 온/오프 주기는 미리 설정된 시료의 가열 온도 및 시료의 냉각 온도에 따라 설정될 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 피씨알 장치는 제어부(500)의 제어에 따라 냉각수단(200) 및 열원(300)의 온/오프를 반복하면서 미리 설정된 시료의 가열 온도 및 시료의 냉각 온도로 시료의 가열 및 냉각을 반복하여 중합 효소 연쇄 반응을 수행할 수 있다.
중합 효소 연쇄 반응을 위해 냉각수단(200) 및 열원(300)의 온/오프가 반복될 때, 열원(300)이 발열되기 전에 냉각수단(200)을 통해 냉각수로(210)를 순환하는 냉각액은 냉각액 저장탱크(220)로 회수되며, 이어서 냉각액 회수수단(400)이 가동되어 냉각수로(210) 내의 잔여 냉각액이 저장탱크(220)로 회수될 수 있다. 따라서, 열원(300)이 발열되면 냉각수로(210) 내의 냉각액이 완전히 회수되므로 열원(300)이 발열되면 빠르게 시료로 열이 전달될 수 있다.
또한, 냉각수단(200) 및 열원(300)은 피씨알 튜브 삽입부(120)를 중심으로 V자형 또는 U자형의 배치를 이루고 있으므로 피씨알 튜브 삽입부(120)에 냉각수단(200) 및 열원(300)이 최대한 근접하여 배치될 수 있고, 이에 따라, 냉각수단(200) 및 열원(300)의 온/오프가 반복되어 시료의 가열 및 냉각이 반복될 때 열전달이 빠르게 진행되어 가열속도 및 냉각속도가 빨라질 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 피씨알 장치를 이용하면, 냉각수단(200) 및 열원(300)을 피씨알 튜브가 삽입되는 피씨알 튜브 삽입부(120)를 중심으로 V자형 또는 U자형으로 배치하여 냉각수단(200) 및 열원(300)이 시료와 최대한 근접할 수 있으므로 시료의 냉각속도 및 가열속도가 증가될 수 있고, 이에 따라 전기에너지 소모가 절감되고, 나아가 중합 연소 연쇄 반응의 진행 속도가 빨라질 수 있는 이점이 있다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 피씨알 튜브 삽입부를 포함하는 열유닛 상에, 상기 피씨알 튜브 삽입부를 중심으로 냉각수단 및 열원이 V자 또는 U자형 배치를 이루도록 구성되는 것을 특징으로 하는,
    피씨알 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열유닛은 상기 피씨알 튜브 삽입부가 일방향을 따라 복수로 배열되고,
    상기 냉각수단은 상기 일방향을 따라 상기 열유닛을 관통하고 냉각액이 흐르는 냉각수로를 포함하고,
    상기 열원은 상기 일방향을 따라 상기 열유닛에 삽입되는 히터를 포함하고,
    상기 냉각수로 및 히터는 상기 일방향에 수직한 단면으로 볼 때 상기 피씨알 튜브 삽입부를 중심으로 V자 또는 U자형 배치를 이루도록 구성되는 것을 특징으로 하는,
    피씨알 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉각수단은,
    상기 냉각수로로 공급되기 위한 냉각액을 저장하는 냉각액 저장탱크; 및
    상기 냉각액을 상기 냉각수로 및 상기 저장탱크 사이에 순환시키기 위한 냉각액 순환펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    피씨알 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 냉각수로 및 상기 냉각액 저장탱크 사이에 연결되어 상기 냉각수로 내의 냉각액을 상기 냉각액 저장탱크로 회수시키기 위한 냉각액 회수수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    피씨알 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 냉각액 회수수단은 공기 진행 방향이 상기 냉각액 저장탱크를 향하도록상기 냉각수로로 공기를 공급하는 송풍팬을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    피씨알 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 냉각수단, 상기 열원 및 상기 냉각액 회수수단을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 냉각수단 및 상기 열원이 일정 주기로 온(ON)/오프(OFF)를 반복하도록 제어하고, 상기 냉각액 회수수단이 상기 열원이 발열되기 전에 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는,
    피씨알 장치.
KR1020200064957A 2020-05-29 2020-05-29 피씨알 장치 KR102412464B1 (ko)

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