KR20220051792A - 박막 미세유체칩, 이를 포함하는 중합효소연쇄반응 장치 및 중합효소연쇄반응 장치를 이용한 중합효소연쇄반응 방법 - Google Patents
박막 미세유체칩, 이를 포함하는 중합효소연쇄반응 장치 및 중합효소연쇄반응 장치를 이용한 중합효소연쇄반응 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 박막 미세유체칩, 이를 포함하는 중합효소연쇄반응 장치 및 중합효소연쇄반응 장치를 이용한 중합효소연쇄반응 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 미세유체칩은, 금속 박막층; 및 상기 금속 박막층 상에 위치하고, 적어도 하나의 채널 내에 유체를 보유하는 적어도 하나의 플라스틱 챔버;를 포함한다.
Description
본 발명은 박막 미세유체칩, 이를 포함하는 중합효소연쇄반응 장치 및 중합효소연쇄반응 장치를 이용한 중합효소연쇄반응 방법에 관한 것이다.
분자진단은 고유의 바이오마커(DNA, RNA, 단백질 등)를 분석함으로써 의료분야부터 법의학 분야 등에 걸친 다양한 분야에서 중요한 역할을 하고 있다. 최근 분자진단 분야는 감염성 질환 및 암 등을 포함한 다양한 질병의 시기적절한 진단과 개인 맞춤형 치료를 가능하게 하는 현장진단(point-of-care, POC)용 분자진단 방법에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 분자진단 방법이 현장진단용으로 사용되기 위해서는 진단 기술이 저렴하고, 휴대성 있고, 간단하고, 사용하기 쉽고, 빠르게 결과를 얻을 수 있는 등의 특징을 갖춰야 한다.
중합효소연쇄반응(Polymerase Chain Reaction, PCR)은 핵산(nucleic acid)을 증폭시키는 기술로서, 분자생물학적(molecular biological) 진단법에서 필수적으로 사용되는 핵심적인 기술로서 DNA 변성단계(denaturation), 프라이머(Primer) 결합단계(annealing), DNA 복제단계(extension)의 3단계로 구성되어 있으며 각 단계는 시료의 온도에 의존되어 있으므로 시료의 온도를 반복적으로 변하게 함으로써 DNA를 증폭할 수 있다.
이에 PCR 주기는 변성 온도-결합 온도-신장 온도의 온도 주기에 대응할 수 있다. 이러한 온도 주기를 형성해주는 PCR용 기기를 일반적으로 열순환 장치 (thermal cycler)라고 한다. 종래의 PCR용 기기, 또는 열순환 장치는 펠티어 소자 (Peltier element)를 기반으로 금속판의 온도를 조절하여 온도 주기를 만든다. 종래의 PCR용 열순환 장치는 대부분의 실험실 및 병원 등에서 광범위하게 사용되고 있다. 하지만, 부피가 크고, 소비 전력이 높을 뿐만 아니라 결과를 얻는데 시간이 오래 걸리기 때문에, 현장에서 실시간으로 진단해야 하는 현장진단 분자진단에 활용하기에는 적합하지 않다.
이에, 가열기의 설정 온도를 정확하게 제어 또는 구현할 수 있는 기술, 현장에서 실시간으로 현장진단 분자진단으로 활용하기 기술을 가지는 PCR 장치의 구현이 여전히 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 중합효소연쇄반응 장치를 위한 박막 미세유체칩을 제공하는 것이다.
본 발명은 현장진단용 분자진단에 사용 가능하고, 중합효소연쇄반응에 의한 물질 (핵산 등) 증폭 정도를 실시간으로 관측 가능한 중합효소연쇄반응 장치 및 이를 이용한 중합효소연쇄반응 방법을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 박막 미세유체칩은, 금속 박막층; 및 상기 금속 박막층 상에 위치하고, 적어도 하나의 채널 내에 유체를 보유하는 적어도 하나의 플라스틱 챔버;를 포함한다.
일 실시형태에 있어서, 상기 금속 박막층은, 20 ℃에서 열전도율이 150 kcal/℃ 이상이거나, 열전도도가 200 W/mk 이상인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 금속 박막층은, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W) 및 구리(Cu)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 금속 박막층은, 20 ㎛ 이하인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 플라스틱 챔버는, 사출 성형 가능한 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 플라스틱 챔버는, 폴리에스테르, 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), 폴리스틸렌(PS), 폴리카보네이트(PC) 및 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 금속 박막층 및 상기 플라스틱 챔버 사이에 점착성 필름, 친수성 필름 또는 이 둘을 더 포함할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 점착성 필름은, 광학 투명 점착제(optically clean adhesive, OCA), 광학 투명 수지(optically clean resine, OCR), 폴리이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트 및 폴리카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 친수성 필름은, 폴리도파민, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리(에틸렌-alt-프로필렌), 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 폴리비닐 메틸 에테르, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리에틸렌글리콜(PEG), 헥사에틸렌글리콜(HEG), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 테트라플루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체(ETFE), 테트라플루오로에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체(TFE/CTFE) 및 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체(ECTFE)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 중합효소연쇄반응(Polymerase Chain Reaction) 장치는, 반응 에너지원; 상기 반응 에너지원 상에 위치하는 투명 기판; 및 상기 투명 기판 상에 위치하는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 미세유체칩;을 포함한다.
일 실시형태에 있어서, 상기 반응 에너지원은, 열원 또는 광원을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 반응 에너지원은, 가시광 내지 근적외선의 파장을 가지는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 반응 에너지원은, 하나 이상의 발광 다이오드(LED), 근 적외선 램프 또는 이 둘을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 반응 에너지원을 제어하는 제어부;를 더 포함하고, 상기 제어부는, 적어도 반응 에너지의 세기, 반응 에너지 조사 시간 및 반응 에너지의 조사 주기로부터 선택되는 하나 이상의 인자(factor)를 제어하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 투명 기판은, 3차원 나노구조를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 중합효소연쇄반응 방법은, 플라스틱 챔버에 중합효소연쇄반응 대상인 유체를 투입하는 단계; 및 상기 유체가 시간에 따른 온도 프로파일에 부합하도록 반응 에너지원에서 발생하는 에너지를 투명 기판에 조사하는 단계;를 포함하고, 본 발명의 일 실시예에 따른 중합효소연쇄반응 장치를 이용하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 박막 미세유체칩은 플라스틱 및 금속 박막층의 결합으로 간단하게 제작 가능하여 저비용으로 대량생산이 가능하며 현장진단용 분자진단 시스템에 용이하다. 랩온어칩(lap-on-a-chip), 예를 들어, 중합효소연쇄반응 장치는, 투명 기판에 직접 부착해서 사용하는 것이 아니라, 금속 박막층을 통해 투명 기판과 박막 미세유체 칩을 분리시킬 수 있다. 따라서, 박막 미세유체 칩은 일회용으로 사용 가능하므로 바이오 분야의 미세유체칩으로 사용가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중합효소연쇄반응 장치는, 박막 미세유체칩의 금속 박막층의 빛 반사를 통해 탐지기로의 빛 투과를 없애 실시간 정량화를 수행할 수 있다. 박막 미세유체칩은 플라스틱 및 금속 박막층의 결합으로 간단하게 제작가능하여 저비용으로 대량생산이 가능하며 현장진단용 분자진단시스템에 용이하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 미세유체칩의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 중합효소연쇄반응 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 금속 박막층을 포함하는 중합효소연쇄반응 장치의 빛 반사를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 PCR 장치의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 비교예에 따른 PCR 장치에서 광 조사의 제어에 따른 온도 사이클 특성을 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 PCR 장치에서 광 조사의 제어에 따른 온도 사이클 특성을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 박막 미세유체칩의 실제 이미지이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 박막 미세유체칩을 이용한 열전도도 특성을 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 박막 미세유체칩을 이용한 빛 반사 특성을 도시한 그래프이다.
도 10는 본 발명의 실시예에 따른 PCR 장치를 이용한 핵산을 증폭 결과를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 중합효소연쇄반응 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 금속 박막층을 포함하는 중합효소연쇄반응 장치의 빛 반사를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 PCR 장치의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 비교예에 따른 PCR 장치에서 광 조사의 제어에 따른 온도 사이클 특성을 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 PCR 장치에서 광 조사의 제어에 따른 온도 사이클 특성을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 박막 미세유체칩의 실제 이미지이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 박막 미세유체칩을 이용한 열전도도 특성을 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 박막 미세유체칩을 이용한 빛 반사 특성을 도시한 그래프이다.
도 10는 본 발명의 실시예에 따른 PCR 장치를 이용한 핵산을 증폭 결과를 도시한 도면이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 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.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이하, 본 발명의 박막 미세유체칩, 이를 포함하는 중합효소연쇄반응 장치 및 중합효소연쇄반응 장치를 이용한 중합효소연쇄반응 방법에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 박막 미세유체칩은, 금속 박막층; 및 상기 금속 박막층 상에 위치하고, 적어도 하나의 채널 내에 유체를 보유하는 적어도 하나의 플라스틱 챔버;를 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 미세유체칩의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 미세유체칩(100)은, 금속 박막층(110) 및 플라스틱 챔버(120)를 포함한다.
일 실시형태에 있어서, 상기 금속 박막층(110)은, 높은 열전도도 및 높은 반사율을 가진다. 따라서, 3차원 나노구조의 광열효과로 인한 열이나 이외 열발생 장치의 열을 매우 잘 전달하여 빠른 중합효소연쇄반응(Polymerase Chain Reaction; PCR)에 적합하다. 또한, 금속 박막층(110)의 높은 빛 반사율로 인해 PCR 정량화에 필요한 형광 측정을 저해하는 주변 광원으로부터 샘플을 차단할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 금속 박막층(110)은, 20 ℃에서 열전도율이 150 kcal/℃ 이상이거나, 열전도도가 200 W/mk 이상인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 금속 박막층(110)은, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W) 및 구리(Cu)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 금속 박막층(110)은, 20 ㎛ 이하, 18 ㎛ 이하, 16 ㎛ 이하, 14 ㎛ 이하, 12 ㎛ 이하, 10 ㎛ 이하, 8 ㎛ 이하, 6 ㎛ 이하, 4 ㎛ 이하인 것일 수 있다. 바람직하게는, 16 ㎛인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 플라스틱 챔버(120)는, 상기 금속 박막층(110) 상에 위치하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 플라스틱 챔버(120)는, 하부면 및 측면에 의해 구획되는 내부 공간을 가지는 적어도 하나의 채널(122)을 포함할 수 있고, 내부 공간에 유체(130)가 보유될 수 있다. 플라스틱 챔버(120)의 내부 공간은 PCR용 유체(130)가 수용되는 수용 공간으로 반응이 발생하는 영역이다.
일 실시형태에 있어서, 상기 플라스틱 챔버(120)는, 적어도 하나인 것일 수 있다. 도면에는 단일한 플라스틱 챔버(120)가 구비된 예를 도시하였으나, 둘 이상의 플라스틱 챔버(120)가 서로 이격되어 구비될 수 있으며, 플라스틱 챔버들에는 서로 동일하거나 상이한 유체가 보유될 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 플라스틱 챔버(120)는, 사출 성형(Injection Molding) 가능한 것일 수 있다. 상기 플라스틱 챔버(120)는, 사출 성형 이외에도, 압출 성형(Etrusion molding), 핫엠보싱(Hot Embossing), 캐스팅(Casting), 광성형(Stereolithography), 레이저 어블레이션(Laser Ablation), 쾌속조형(Rapid Prototyping), 실크스크린뿐만 아니라, NC(Numerical Control) 머시닝과 같은 전통적인 기계가공법을 이용하여 제조될 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 플라스틱 챔버(120)는, 폴리에스테르, 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), 폴리스틸렌(PS), 폴리카보네이트(PC) 및 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 플라스틱 챔버(120)는, 이 밖에도 재질이 다양하게 선택가능하나 투명하고 자가형광이 적은 물질인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 유체(130)는, PCR용 유체로서, 목적 핵산, 핵산 중합효소 및 목적 핵산을 증폭할 수 있는 프라이머 쌍을 포함하는 용액(완충 용액을 포함함)일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 통상의 PCR에 사용되는 조성물인 것일 수 있다. 목적 핵산은 PCR 등의 증폭반응으로 증폭시킬 수 있는 모든 핵산을 의미하며, 예를 들어, 1개 또는 복수 개의 염기 변이 부위를 함유하고 있는 DNA, RNA, cDNA 등의 핵산일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 금속 박막층 및 상기 플라스틱 챔버 사이에 점착성 필름, 친수성 필름 또는 이 둘을 더 포함할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 점착성 필름은, 고온에 적합하고, 바이오 물질의 저해도가 낮은 것이 좋다.
일 실시형태에 있어서, 상기 점착성 필름은, 광학 투명 점착제(optically clean adhesive, OCA), 광학 투명 수지(optically clean resine, OCR), 폴리이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트 및 폴리카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 친수성 필름은, 폴리도파민, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리(에틸렌-alt-프로필렌), 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 폴리비닐 메틸 에테르, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리에틸렌글리콜(PEG), 헥사에틸렌글리콜(HEG), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 테트라플루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체(ETFE), 테트라플루오로에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체(TFE/CTFE) 및 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체(ECTFE)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 박막 미세유체칩은 플라스틱 및 금속 박막층의 결합으로 간단하게 제작 가능하여 저비용으로 대량생산이 가능하며 현장진단용 분자진단 시스템에 용이하다. 랩온어칩(lap-on-a-chip), 예를 들어, 중합효소연쇄반응 장치는, 투명 기판에 직접 부착해서 사용하는 것이 아니라, 금속 박막층을 통해 투명 기판과 박막 미세유체 칩을 분리시킬 수 있다. 따라서, 박막 미세유체 칩은 일회용으로 사용 가능하므로 바이오 분야의 미세유체칩으로 사용가능하다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 중합효소연쇄반응(Polymerase Chain Reaction) 장치는, 반응 에너지원; 상기 반응 에너지원 상에 위치하는 투명 기판; 및 상기 투명 기판 상에 위치하는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 미세유체칩;을 포함한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 중합효소연쇄반응 장치의 개략도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 중합효소연쇄반응 장치(200)는, 반응 에너지원(210), 투명 기판(220) 및 박막 미세유체칩(100)을 포함한다.
일 실시형태에 있어서, 상기 반응 에너지원(210)은, 열원 또는 광원을 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 반응 에너지원은, 가시광 내지 근적외선의 파장을 가지는 것일 수 있다. 가시광은 400 nm 내지 700 nm 대역에 속하는 광일 수 있으며, 근적외선은 0.78 ㎛ 내지 3 ㎛ 대역에 속하는 광일 수 있다. 높은 광 흡수율, 핵산을 포함하는 생화학 물질의 손상 방지, 보다 빠르고 균일한 광열 효과의 발생을 위해, 조사되는 광원의 광은 가시광인 것이 유리하다. 이때, 가시광은 백색광만을 의미하는 것은 아니며, 적색광, 녹색광, 청색광, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있음은 물론이다. 즉, 광원은 적색 광원, 녹색 광원, 청색 광원, 또는 백색 광원을 포함한 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 반응 에너지원은, 하나 이상의 발광 다이오드(LED), 근 적외선 램프 또는 이 둘을 포함하는 것일 수 있다. 바람직하게는, 발광 다이오드(LED)인 것일 수 있다.
상기 광원으로부터 노출된 광은 상기 플라즈모닉 금속 나노섬을 조사하여 플라즈몬 광열 광-열 변환(plasmonic photothermal light-to-heat conversion) 및 상기 유체의 가열을 일으키는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 반응 에너지원을 제어하는 제어부(미도시);를 더 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 제어부는, 적어도 반응 에너지의 세기, 반응 에너지 조사 시간 및 반응 에너지의 조사 주기로부터 선택되는 하나 이상의 인자(factor)를 제어하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 제어부는 기 설정된 온도 프로파일에 부합하도록 광원을 제어할 수 있으며, 기 설정된 온도 프로파일에 부합하도록 적어도 광의 세기, 광 조사 시간 및 광의 조사 주기에서 하나 이상 선택되는 인자(factor)를 제어할 수 있다. 이때, 광 조사 제어부는 온도 센서의 출력을 입력받아 입력된 온도 센서의 정보를 기반으로 기 설정된 온도 프로파일에 부합하도록 적어도 광의 세기, 광 조사 시간 및 광의 조사 주기에서 하나 이상 선택되는 인자(factor)를 제어할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 투명 기판(220)은 광, 구체적으로 가시광 내지 근적외선, 보다 구체적으로 가시광에 대해 투명한 절연 물질이면 어떠한 물질이든 무방하다. 예를 들어, 투명 기판(220)은, 유리 등과 같은 투명 무기물; 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리우레탄아크릴레이트(PUA)등과 같은 투명 고분자;로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 투명 기판(220)은, 3차원 나노구조(222)를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 3차원 나노구조(222)는, 투명 기판과 동종 또는 이종의 물질일 수 있으며, 광, 구체적으로 가시광 내지 근적외선, 보다 구체적으로 가시광에 대해 투명한 절연 물질이면 어떠한 물질이든 무방하다. 예를 들어, 나노 기둥은 유리 등과 같은 투명 무기물; 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리우레탄아크릴레이트(PUA)등과 같은 투명 고분자;로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
도 2에서는, 3차원 나노구조(222)가 서로 이격 배열된 투명 나노 기둥 어레이가 형성되고, 나노 기둥의 상부면 및 측면을 포함하는 표면에 위치하는 플라즈모닉 금속 나노섬을 포함하는 것을 도시하였다. 플라즈모닉 금속 나노섬은 서로 이격되어 위치하는 상태일 수 있으며, 랜덤(random)하게 위치하되 서로 이격된 상태일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 나노 기둥 어레이를 이루는 나노 기둥의 평균 직경은 50 nm 내지 1000 nm, 구체적으로 100 nm 내지 500 nm, 보다 구체적으로 100 내지 300 nm이며, 나노 기둥의 평균 길이를 평균 직경으로 나눈 종횡비는 0.1 내지 10, 구체적으로 1 내지 10, 보다 구체적으로, 1.5 내지 7, 보다 더 구체적으로 1.5 내지 4일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 나노 기둥 어레이가 위치하는 투명 플레이트의 일 면을 기준으로, 일 면의 면적에서 나노 기둥 어레이에 의해 일 면이 덮인 면적의 비인 커버리지는 0.10 내지 0.90, 구체적으로 0.40 내지 0.85, 보다 구체적으로 0.50 내지 0.85일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 금속 나노섬의 금속은 플라즈몬 활성을 갖는 금속이면 무방하다. 예를 들어, 금속 나노섬의 금속은 금, 백금, 은등과 같은 귀금속(noble metal), 구리, 니켈 및 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있으며, 생체 적합성 측면에서 금일 수 있으나, 본 발명이 반드시 금에 한정되는 것은 아니다.
일 실시형태에 있어서, 상기 투명 기판에서, 나노 기둥의 상부면에 위치하는 나노섬은 나노 기둥의 상부면(상부면의 형상)에 대응하는 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 나노 기둥의 상부면에 위치하는 나노섬은 나노 기둥의 상부면의 형상과 크기(직경)에 대응하는 형상과 크기를 가지며 나노 기둥의 상부면을 덮을 수 있다. 실질적으로, 나노섬은 디스크 형상 또는 잘린 입자상일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 나노 기둥의 상부면에 위치하는 나노섬의 두께는 10 nm 내지 50 nm, 구체적으로 10 nm 내지 40 nm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 나노기둥의 측면에 위치하는 나노섬 또는 나노 기둥 사이의 투명 플레이트의 표면에 위치하는 나노섬은 원형, 타원 또는 불규칙한 형상등일 수 있으며, 금속 나노섬의 평균 직경은 5 nm 내지 100 nm일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 플라즈모닉 금속 나노섬에 의한 광 에너지의 흡수는 투명 기판(220)에 위치하는 3차원 나노구조(222)로서 금속 나노섬의 SPR(surface plasmon resonance), 일 나노기둥에 위치하는 금속 나노섬간의 핫-스팟에서 발생하는 LSPR(localized sourface plasmon resonance) 및 서로 인접하는 나노기둥에서 일 나노기둥에 위치하는 금속 나노섬과 다른 일 나노기둥에 위치하는 금속 나노섬간의 핫-스팟에서 발생하는 LSPR(localized sourface plasmon resonance)에 의한 광 에너지의 흡수를 포함할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 투명 기판(220)은, 가시광 내지 근적외선 대역, 특히 가시광 대역 전 영역의 광에 대해 0.5 이상의 우수한 광 흡수도를 가질 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 투명 기판(220)이 가시광 내지 근적외선 대역, 특히 가시광 대역(400 nm 내지 700 nm) 전 영역의 광에 대해 0.5 이상의 우수한 광 흡수도를 가짐에 따라, 핵산을 포함하는 생화학 물질에 광학적 손상을 야기하지 않는 단순 가시광 조사에 의해 광열 효과가 발생할 수 있으며, 400 nm 내지 700 nm 전 파장 대역에서 극히 우수한 광 흡수도로 광 에너지를 흡수함에 따라, 보다 빠르게 열이 발생할 수 있으며, 동일한 크기의 광 에너지를 조사할 때 보다 큰 열에너지가 발생할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, PCR 장치에서 '투명'하다 함은, 광, 구체적으로 가시광(400 nm 내지 700 nm) 내지 근적외선(0.78 ㎛ 내지 3 μm)의 투과율, 바람직하게는 가시광의 투과율이 90 % 이상, 바람직하게는 95 % 이상, 보다 더 바람직하게는 98 % 이상인 것을 의미할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 박막 미세유체칩(100)은 상기 투명 기판(220) 상에 위치하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 중합효소연쇄반응 장치(200)는, 상기 투명 기판(220) 상에 높은 열전도도 및 높은 반사율을 가진 금속 박막층(110)과 결합하여, 플라즈모닉 나노구조로 제작된 투명 기판은 가시광선 영역의 빛을 흡수하여 높은 비율로 열로 전환시키고 이를 활용하여 초고속으로 유전자를 증폭시킬 수 있으며, 기판 위 박막 미세유체칩(100)의 빛 반사로 인해 광-열 변환 효율이 극대화되어 더 빠른 온도주기를 형성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 금속 박막층을 포함하는 중합효소연쇄반응 장치의 빛 반사를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 금속 박막층에 의해 입사된 빛은 반사되어, 광열 전환 효율이 높은 것을 확인할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 중합효소연쇄반응 장치(200)는, 형광여기 광원 (230)을 더 포함할 수 있다.
상기 형광여기 광원(230)은, 형광 물질 종류에 따라 청색 LED, 녹색 LED 및 적색 LED로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다. 도 3에서는, 청색 LED인 것일 수 있다. 청색 LED는 형광여기를 위한 광원으로서, PCR 과정에서 증가하는 형광신호는 카메라를 통해 확인되는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 중합효소연쇄반응 장치(200)는, 유체, 예를 들어, 핵산을 실시간으로 검출하기 위하여 상보성 금속 산화물 반도체(Complementary Metal Oxide Semiconductor; CMOS) 카메라(240), 디지털 카메라(digital camera), 포토다이오드(photodiode) 또는 분광 광도계(spectrophotometer)를 더 포함할 수 있다.
일반적으로, 광열 PCR을 위한 고전력 광원이 탐지기로 들어가게 되면 형광측정이 힘들어지지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 중합효소연쇄반응 장치는, 박막 미세유체칩의 금속 박막층의 빛 반사를 통해 탐지기로의 빛 투과를 없애 실시간 정량화를 수행할 수 있다. 박막 미세유체칩은 플라스틱 및 금속 박막층의 결합으로 간단하게 제작가능하여 저비용으로 대량생산이 가능하며 현장진단용 분자진단시스템에 용이하다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 중합효소연쇄반응 방법은, 플라스틱 챔버에 중합효소연쇄반응 대상인 유체를 투입하는 단계; 및 상기 유체가 시간에 따른 온도 프로파일에 부합하도록 반응 에너지원에서 발생하는 에너지를 투명 기판에 조사하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 방법은 본 발명의 일 실시예에 따른 중합효소연쇄반응 장치를 이용하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 방법은, 유체 투입 단계 및 에너지를 투명 기판에 조사하는 단계를 포함한다.
일 실시형태에 있어서, 상기 PCR 장치를 기반으로 상술한 바와 같이, 투명 기판에 조사되는 광의 세기, 광 조사 시간 및 광의 조사 주기에서 하나 이상 선택되는 인자(factor)를 제어함으로써 기 설정된 시간에 따른 온도 프로파일에 부합하도록 유체의 온도가 제어될 수 있다.
이때, 시간에 따른 온도 프로파일은 결합 온도(annealing temperature)에서 변성 온도(denaturation temperature)로의 승온 및 변성 온도에서 결합 온도로의 감온을 사이클로 하여 상기 사이클이 반복되는 프로파일일 수 있다. 예를 들어, 결합 온도는 50 ℃ 내지 60 ℃일 수 있고, 변성 온도는 90 ℃ 내지 98 ℃일 수 있으나, 증폭하고자 하는 핵산인 목적 핵산, 핵산 중합효소 및 목적 핵산을 증폭할 수 있는 프라이머 쌍의 구체 물질에 따라 알려진 결합 온도와 변성 온도로 온도 프로파일을 구성할 수 있다.
에너지를 투명 기판에 조사하는 단계 중 또는 에너지를 투명 기판에 조사하는 단계 후, 유체에 라만 산란을 위한 여기광을 조사하거나 광원의 광을 조사하여 표면 증강 라만 산란 분석을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 방법은 초고속 및 초고효율 핵산 증폭과 함께, SERS를 이용한 실시간 핵산 검출 (증폭 과정 중 핵산의 실시간 검출)이 동시 수행될 수 있다.
이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 PCR 장치의 사시도이다.
본 발명의 실시예에 따른 PCR 장치의 박막 미세유체칩은 포토레지트스 패터닝 단계, 레플리카 몰딩 단계 및 16 ㎛ Al 필름의 본딩 단계를 통해 제조될 수 있다.
도 4에 도시된 PCR 장치를 준비하였다.
[비교예]
실시예에서 금속 박막층이 포함되지 않고, 플라스틱 챔버는 PDMS로 제조된 PCR 장치를 준비하였다.
도 5는 본 발명의 비교예에 따른 PCR 장치에서 광 조사의 제어에 따른 온도 사이클 특성을 도시한 그래프이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 PCR 장치에서 광 조사의 제어에 따른 온도 사이클 특성을 도시한 그래프이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 비교예에 비하여 실시예의 PCR 장치를 이용했을 경우 종래의 플라즈모닉 광열 효과에서 구현될 수 없는 초고속 온도 조절(가열 & 냉각)이 구현됨을 보이는 것이며, 초고속 및 초 고효율 PCR이 구현됨을 보이는 것이다.
본 발명의 PCR 장치는, 단순한 공정을 통해 광열 기판의 제조가 가능하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치가 저비용으로 대량 생산될 수 있음을 알 수 있다. 광원, 광열 기판, 금속 박막층 및 플라스틱 챔버라는 작고 가벼우며 단순한 장치 구조를 가져 휴대 및 이동 가능하며, 기 설정된 온도 프로파일에 부합하도록 제어부에 제어값들이 입력되어 온도 사이클이 반복 구현 될 수 있음에 따라, 비숙련자라도 안정적이고 효과적이며 정확하게 핵산을 증폭시킬 수 있어, 현장진단(POC)에 매우 적합함을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 박막 미세유체칩의 실제이미지이다.
상세하게, 도 7의 박막 미세유체칩은 사출성형으로 제작한 플라스틱 미세유체채널에 알루미늄 박막을 부착하여 제작하였으며, 친수성 표면 처리를 위해 플라스틱 칩과 알루미늄 박막에 모두 산소플라즈마 처리를 하였다.
도 7을 통하여 종래의 미세유체칩과 동일하게 박막미세유체칩에서도 샘플이 정상적으로 주입됨을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 박막 미세유체칩을 이용한 열전도도 특성을 도시한 그래프이다.
도 8을 통하여 여러가지 두께의 유리와 비교하여 박막 미세유체칩에 사용된 알루미늄 박막이 매우 높은 열전도도를 나타내며, 온도저하에 따른 열발산 또한 매우 빠르다는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예인 박막 미세유체칩은 백색광으로부터 3차원 나노구조에 발생한 광열이 박막 미세유체칩 내의 용액에 높은 효율로 전달가능함을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 박막 미세유체칩을 이용한 빛 반사 특성을 도시한 그래프이다.
상세하게, 도 9의 미세유체칩은 사출성형으로 제작된 플라스틱 미세유체채널을 각각 유리기판과 알루미늄 박막에 결합한 결과이며, 상기 반응 에너지원의 작동 여부가 형광 측정에 미치는 영향을 도시한 그래프이다.
도 9를 통하여 빛투과도가 높은 유리에 결합한 미세유체칩은 상기 반응 에너지원에 의해 형광신호가 저해되는 반면, 빛반사도가 높은 알루미늄 박막에 결합한 미세유체칩은 상기 반응 에너지원에 영향이 거의 없어 온도에 따른 형광 세기 변화만 나타남을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예인 박막 미세유체칩은 광열 PCR을 위한 상기 반응 에너지원의 작동여부와 관계없이 안정적인 형광 이미징이 가능하다.
도 10는 본 발명의 실시예에 따른 PCR 장치를 이용한 핵산을 증폭 결과를 도시한 도면이다.
상세하게, 도 10의 결과는 주형 10-1 pg/㎕ SARS-CoV-2 RNA를 사용한 것이다. 도 5 및 도 6을 기반으로 상술한 바와 유사하게, 온도 사이클이 반복되도록 하여 광열 PCR을 실시하였다.
이상과 같이 실시예들이 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.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.
100: 중합효소연쇄반응 장치
110: 금속 박막층
120: 플라스틱 챔버 122: 채널
130: 유체 200: 중합효소연쇄반응 장치
210: 반응 에너지원 220: 투명 기판
230: 형광여기 광원 240: CMOS 카메라
120: 플라스틱 챔버 122: 채널
130: 유체 200: 중합효소연쇄반응 장치
210: 반응 에너지원 220: 투명 기판
230: 형광여기 광원 240: CMOS 카메라
Claims (17)
- 금속 박막층; 및
상기 금속 박막층 상에 위치하고, 적어도 하나의 채널 내에 유체를 보유하는 적어도 하나의 플라스틱 챔버;
를 포함하는,
박막 미세유체칩.
- 제1항에 있어서,
상기 금속 박막층은,
20 ℃에서 열전도율이 150 kcal/℃ 이상이거나,
열전도도가 200 W/mk 이상인 것인,
박막 미세유체칩.
- 제1항에 있어서,
상기 금속 박막층은, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W) 및 구리(Cu)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
박막 미세유체칩.
- 제1항에 있어서,
상기 금속 박막층은, 20 ㎛ 이하인 것인,
박막 미세유체칩.
- 제1항에 있어서,
상기 플라스틱 챔버는, 사출 성형 가능한 것인,
박막 미세유체칩.
- 제1항에 있어서,
상기 플라스틱 챔버는 폴리에스테르, 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), 폴리스틸렌(PS), 폴리카보네이트(PC) 및 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
박막 미세유체칩.
- 제1항에 있어서,
상기 금속 박막층 및 상기 플라스틱 챔버 사이에
점착성 필름, 친수성 필름 또는 이 둘을 더 포함하는,
박막 미세유체칩.
- 제7항에 있어서,
상기 점착성 필름은, 광학 투명 점착제(optically clean adhesive, OCA), 광학 투명 수지(optically clean resine, OCR), 폴리이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트 및 폴리카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
박막 미세유체칩.
- 제7항에 있어서,
상기 친수성 필름은, 폴리도파민, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리(에틸렌-alt-프로필렌), 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 폴리비닐 메틸 에테르, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리에틸렌글리콜(PEG), 헥사에틸렌글리콜(HEG), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 테트라플루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체(ETFE), 테트라플루오로에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체(TFE/CTFE) 및 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체(ECTFE)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
박막 미세유체칩.
- 반응 에너지원;
상기 반응 에너지원 상에 위치하는 투명 기판; 및
상기 투명 기판 상에 위치하는 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 박막 미세유체칩;
을 포함하는,
중합효소연쇄반응(Polymerase Chain Reaction) 장치.
- 제10항에 있어서,
상기 반응 에너지원은, 열원 또는 광원을 포함하는 것인,
중합효소연쇄반응 장치.
- 제10항에 있어서,
상기 반응 에너지원은, 가시광 내지 근적외선의 파장을 가지는 것인,
중합효소연쇄반응 장치.
- 제10항에 있어서,
상기 반응 에너지원은, 하나 이상의 발광 다이오드(LED), 근 적외선 램프, UV 발생 장치 또는 이 둘을 포함하는 것인,
중합효소연쇄반응 장치.
- 제10항에 있어서,
상기 반응 에너지원을 제어하는 제어부;
를 더 포함하고,
상기 제어부는, 적어도 반응 에너지의 세기, 반응 에너지 조사 시간 및 반응 에너지의 조사 주기로부터 선택되는 하나 이상의 인자(factor)를 제어하는 것인,
중합효소연쇄반응 장치.
- 제10항에 있어서,
상기 투명 기판은, 3차원 나노구조를 포함하는 것인,
중합효소연쇄반응 장치.
- 플라스틱 챔버에 중합효소연쇄반응 대상인 유체를 투입하는 단계; 및
상기 유체가 시간에 따른 온도 프로파일에 부합하도록 반응 에너지원에서 발생하는 에너지를 투명 기판에 조사하는 단계;
를 포함하고,
제10항 내지 제15항 중 어느 한 항의 중합효소연쇄반응 장치를 이용하는 것인,
중합효소연쇄반응 방법.
- 플라즈몬 박막을 포함하는 하나 이상의 웰 내부에 유체 샘플을 배치하는 단계;
상기 플라즈몬 박막 내부에서 플라즈몬 광열 광-열 변환을 생성하도록 광원을 상기 플라즈몬 박막에 향하게 하는 단계; 및
상기 플라즈몬 박막 내부에서 광-열 변환의 결과로서 샘플을 가열하는 단계;를 포함하는, 핵산 증폭 방법.
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| KR20200135338 | 2020-10-19 | ||
| KR1020200135338 | 2020-10-19 |
Publications (2)
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