KR20220154553A - 광원을 이용한 핵산 증폭 장치 - Google Patents

광원을 이용한 핵산 증폭 장치 Download PDF

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Abstract

광원을 이용한 핵산 증폭 장치가 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광원을 이용한 핵산 증폭 장치는, 상기 광원에서 조사된 광을 통과시키는 광 투과성 소재로 형성되며, 타깃 핵산을 포함한 시료가 수용되는 수용 공간을 가진 수용 구조체; 및 상기 수용 구조체의 상기 수용 공간 내에 배치되어 적어도 일부가 상기 수용 공간에 수용된 상기 시료의 중심 영역에 위치하며, 상기 시료가 유입 또는 포획되는 공극들을 가진 다공 구조체를 포함하고, 상기 다공 구조체는, 광 투과성을 가지며 표면 또는 내부에 금속 나노 입자들이 분포되어 있는 파이버(fiber)로 형성될 수 있다.

Description

광원을 이용한 핵산 증폭 장치{Nucleic acid amplification device using light source}
본 발명은 광원을 이용한 핵산 증폭 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 광원을 이용하여 타깃 핵산의 온도를 변화시킴으로써 상기 타깃 핵산을 증폭시키는 핵산 증폭 장치에 관한 것이다.
일반적으로, DNA와 같은 핵산의 증폭은 PCR(Polymerase Chain Reaction) 기술을 통해 수행된다. 이러한 PCR 기술은 특정 염기 서열을 가진 타깃 핵산의 열변성 과정(denaturation), 프라이머(primer)의 결합 과정(annealing), 중합효소(polymerase)를 이용한 상보적 핵산의 신장 과정(elongation)을 1회의 반응 사이클로 하여 해당 반응 사이클을 대략 30회에서 40회 정도 반복 수행한다. 또한, 각각의 반응 사이클에서 열변성 과정은 94~96℃의 온도에서 진행되고, 결합 과정과 신장 과정은 각각 55~65℃와 72~75℃의 온도에서 진행되기 때문에 반응 사이클은 타깃 핵산의 온도 변화 사이클에 대응한다.
그러나, 한국 등록특허공보 제10-1423582호에 개시된 바와 같이, PCR 수행 시 펠티에 소자(Peltier element)를 이용하여 시료의 온도를 조절하는 기존 기술은, 온도 변화 사이클을 1회 수행하는데 수십 초에서 수 분 이상 소요되기 때문에, 핵산 증폭에 장시간이 요구되고 에너지 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 한국 공개특허공보 제10-2017-0106995호에 개시된 바와 같이, 시료가고정되는 웰(well) 내부면에 금(Au) 박막을 증착시켜 시료의 온도를 조절하는 기존 기술은, 시료의 표면 영역만 금 박막과 접촉되기 때문에, 열 대류를 통해 시료의 중심 영역까지 열이 도달하는데 비교적 장시간이 요구되며, 시료 가열 시간을 단축하기 위해 금 박막의 온도를 상승시키는 경우 금 박막에 직접 접촉되어 있는 일부 시료의 변형이나 파괴를 초래하는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 타깃 핵산의 증폭 시 타깃 핵산을 포함한 시료의 가열 및 냉각 속도를 향상시키면서도 열에 의한 시료의 변형이나 파괴를 방지하고, 에너지 효율을 개선하는 핵산 증폭 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광원을 이용한 핵산 증폭 장치는, 상기 광원에서 조사된 광을 통과시키는 광 투과성 소재로 형성되며, 타깃 핵산을 포함한 시료가 수용되는 수용 공간을 가진 수용 구조체; 및 상기 수용 구조체의 상기 수용 공간 내에 배치되어 적어도 일부가 상기 수용 공간에 수용된 상기 시료의 중심 영역에 위치하며, 상기 시료가 유입 또는 포획되는 공극들을 가진 다공 구조체를 포함하고, 상기 다공 구조체는, 광 투과성을 가지며 표면 또는 내부에 금속 나노 입자들이 분포되어 있는 파이버(fiber)로 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 다공 구조체를 형성하는 상기 파이버는, 상기 파이버의 중심을 이루는 코어; 상기 코어의 표면에 부착된 금속 나노 입자들; 및 상기 코어의 표면과 상기 금속 나노 입자들 위에 형성되는 코팅층을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수용 구조체는, 상단에 상기 수용 공간과 연통되는 개구를 가진 튜브(tube) 형태로 구성되고, 상기 다공 구조체는, 상기 개구를 통해 상기 수용 공간에 삽입되거나 상기 수용 공간에서 인출되도록 스틱(stick), 로드(rod) 또는 블록(block)의 형태로 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 핵산 증폭 장치는, 상기 광원에서 조사되어 상기 수용 구조체를 통과한 광을 다시 상기 수용 구조체의 상기 수용 공간 측으로 반사시키는 반사체를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수용 구조체는, 내부에 상기 수용 공간을 가진 칩(chip) 형태로 구성되고, 상기 다공 구조체는, 상기 수용 공간에 배치되는 네트워크(network) 또는 블록(block)의 형태로 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수용 구조체는, 상기 광원에서 조사된 광을 상기 수용 공간 측으로 입사시키는 입사면과, 상기 수용 공간을 통과한 광을 다시 수용 공간 측으로 반사시키는 반사면을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 표면 또는 내부에 금속 나노 입자들이 분포되어 있는 파이버로 형성되어 시료가 유입 또는 포획되는 다수의 공극을 가지는 다공 구조체를 수용 구조체에 수용된 시료의 중심 영역에 배치하고, 상기 다공 구조체에 광을 조사하거나 조사되던 광을 차단하는 방식으로 해당 시료를 가열 또는 냉각함으로써, 시료의 가열 및 냉각 속도를 향상시키면서도 열에 의한 시료의 변형이나 파괴를 방지하고, 에너지 효율을 개선할 수 있다.
또한, 상기 다공 구조체가 튜브 형태의 수용 구조체에 삽입되거나 해당 수용 구조체에서 인출될 수 있도록 상기 다공 구조체를 스틱, 로드 또는 블록 형태로 형성함으로써, 핵산 증폭 완료 후 해당 시료에서 핵산을 분리하는 작업을 용이하게 할 수 있으며, 다공 구조체의 재사용을 통해 비용 효율성을 개선할 수 있다.
또한, 광원에서 조사되어 상기 수용 구조체를 통과한 광을 반사체 또는 반사면을 이용하여 다시 상기 수용 구조체의 수용 공간 측으로 반사시킴으로써, 시료 가열 속도와 에너지 효율을 더욱 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 증폭 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 증폭 장치의 수용 구조체 및 다공 구조체를 나타낸 도면이다.
도 3은 다공 구조체를 형성하는 파이버의 일례를 나타낸 단면도이다.
도 4는 다공 구조체를 형성하는 파이버의 다른 일례를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 핵산 증폭 장치의 수용 구조체 및 다공 구조체를 나타낸 단면도이다.
도 6은 광원의 동작에 따른 시료의 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명과 기존 기술의 성능 실험 비교 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 기술적 과제에 대한 해결 방안을 명확히 하기 위해 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련 공지기술에 관한 설명이 오히려 본 발명의 요지를 불명료하게 하는 경우 그에 관한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이들은 설계자, 제조자 등의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있을 것이다. 그러므로 후술되는 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 증폭 장치(100)가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 증폭 장치(100)는 DNA와 같이 특정 염기 서열을 가진 타깃 핵산(target nucleic acid)을 증폭시키는 장치로서, 광원(light source)을 이용하여 타깃 핵산의 온도를 PCR(Polymerase Chain Reaction)에 요구되는 온도로 변화시키도록 구성될 수 있다.
이를 위해, 상기 핵산 증폭 장치(100)는 광원(110), 수용 구조체(120) 및 다공 구조체(130)를 포함할 수 있다. 또한, 실시예에 따라 상기 핵산 증폭 장치(100)는 지지 프레임(140), 광학 렌즈(150), 반사체(160), 온도 센서(170), 제어부(180) 등을 선택적으로 더 포함할 수 있다.
상기 광원(110)은 수용 구조체(120)를 향해 가시광선 대역이나 적외선 대역 등과 같이 특정 대역의 광을 조사하도록 구성된다. 이를 위해, 상기 광원(110)은 LED(Light Emitting Diode)나 레이저 다이오드(laser diode) 등을 포함할 수 있다.
상기 수용 구조체(120)는 광원(110)에서 조사된 광을 통과시키는 광 투과성 소재로 형성되며, 타깃 핵산을 포함한 시료(S)를 수용하는 수용 공간(122)을 가지도록 구성된다. 상기 수용 구조체(120)에 수용되는 시료(S)에는 타깃 핵산과 함께 해당 타깃 핵산을 주형으로 하여 새로운 핵산을 생성하기 위한 프라이머(primer), DNA 중합 효소, dNTP(Deoxynucleotide triphosphate) 등이 포함될 수 있다.
이러한 수용 구조체(120)는 광 투과성과 내열성을 가진 소재로 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 수용 구조체(120)는 PP(Polypropylene), PE(Polyethylene), COC(Cycloolefin copolymer), PC(Polycarbonate), PET(Polyethylene terephthalate) 또는 PDMS(Polydimethyls iloxane) 등과 같은 고분자 합성수지나, 유리와 같은 무기 소재로 구성될 수 있다.
또한, 상기 수용 구조체(120)는 도 1과 같이 튜브(tube) 형태로 구성될 수 있으며, 실시예에 따라 판상의 칩(chip) 형태로 구성될 수도 있다. 상기 수용 구조체(120)가 튜브 형태로 구성되는 경우, 상기 수용 구조체(120)의 개구에는 시료(S)의 증발이나 누출을 방지하는 마개(126)가 결합될 수 있다. 상기 마개(126)는 수용 구조체(120)와 같이 광 투과성을 가진 소재로 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 마개(126)는 PP(Polypropylene), PE(Polyethylene), COC(Cycloolefin copolymer), PC(Polycarbonate), PET(Polyethylene terephthalate) 또는 PDMS(Polydimethyls iloxane) 등과 같은 고분자 합성수지나, 유리와 같은 무기 소재로 구성될 수 있다.
또한, 상기 마개(126)는 분리형 돔(dome)형 캡(cap), 힌지형 돔형 캡, 또는 플랫 캡 등의 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 단일 마개 형태로 구성되거나 8개 또는 12개의 캡이 연결된 스트립 형태로 구성될 수 있다. 플랫 캡의 경우 라벨링이 가능하고, 돔형 캡의 경우 시료가 상단에 증발되어 있는 것을 방지할 수 있다.
상기 다공 구조체(130)는 다수의 공극(air gap)을 가진 입체형 구조체로서, 시료(S)가 수용되는 상기 수용 구조체(120)의 수용 공간(122) 내에 배치되어, 적어도 일부가 수용 공간(122)에 수용된 시료(S)의 중심 영역에 위치하도록 구성된다. 이러한 다공 구조체(130)가 시료(S) 속에 투입되면 해당 시료(S)는 다공 구조체(130)의 공극에 유입되거나 포획될 수 있다.
아래에서 다시 설명하겠지만, 상기 다공 구조체(130)는 광 투과성을 가지며 표면 또는 내부에 금속 나노 입자들이 분포되어 있는 단일 또는 다수의 파이버(fiber)로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 다공 구조체(130)는 다수의 공극이 형성되도록 단일 또는 다수 가닥의 파이버를 랜덤하게 접거나 만곡시켜 뭉치는 방식으로 구성되거나, 다수의 파이버 가닥들을 네트워크(network)나 스캐폴드(scaffold) 형태로 결합시키는 방식으로 구성될 수 있다. 즉, 상기 다공 구조체(130)를 형성하는 파이버들은 무질서하게 결합되거나 규칙적인 형태로 결합될 수 있다.
또한, 상기 다공 구조체(130)는 수용 구조체(120)의 수용 공간(122)에 배치 가능한 다양한 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 다공 구조체(130)는 수용 구조체(120)의 수용 공간(122) 내에 고정되도록 구성되거나, 외부에서 수용 구조체(120) 내부로의 삽입과 수용 구조체(120) 내부에서 외부로의 인출이 가능하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 다공 구조체(130)는 불규칙적인 파이버 뭉치 형태로 구성되거나, 전체적인 형상이 상기 수용 구조체(120)의 수용 공간(122)과 형합하는 튜브(tube), 스틱(stick), 로드(rod) 또는 블록(block) 등의 형태로 구성될 수 있다.
참고로, 상기 다공 구조체(130)의 공극에 유입 또는 포획된 시료는 핵산 증폭 과정 완료 후 원심분리 방식으로 분리되거나, 상기 수용 구조체(120)의 수용 공간(122)에서 상기 다공 구조체(130)를 서서히 인출하는 방식으로 분리될 수 있다.
한편, 상기 다공 구조체(130)를 형성하는 파이버는 광 투과성과 내열성을 가진 소재로 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 파이버는 PP(Polypropylene), PE(Polyethylene), COC(Cycloolefin copolymer), PC(Polycarbonate), PET(Polyethylene terephthalate) 또는 PDMS(Polydimethyls iloxane) 등과 같은 고분자 합성수지나, 유리와 같은 무기 소재로 구성될 수 있다.
또한, 상기 파이버의 표면 또는 내부에 분포되어 있는 금속 나노 입자들은 광원(110)에서 조사된 광에 의해 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance) 특성을 나타내도록 나노미터 단위의 크기 내지 직경으로 구성될 수 있다. 표면 플라즈몬 공명은 도체인 금속 나노 입자 표면과 공기, 물 등의 유전체 사이에 광이 입사되면 광이 가지는 특정 에너지의 전자기장과 공명하여 금속 나노 입자 표면의 자유 전자들이 집단적으로 진동하는 현상을 말한다. 상기 다공 구조체(130)는 상술한 바와 같이 금속 나노 입자들에서 발생하는 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하여 시료(S)를 신속하고 에너지 효율적으로 가열할 수 있다. 이 경우, 표면 플라즈몬 공명의 주파수는 금속 나노 입자들의 크기나 형태, 접촉하고 있는 유전체의 종류 등에 따라 변경될 수 있다.
또한, 상기 금속 나노 입자들은 예컨대, 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 게르마늄(Ge), 텅스텐(W) 또는 이리듐(Ir) 등으로 구성되거나, 이들 중 1 또는 2 이상의 조합으로 구성될 수 있다.
한편, 상기 지지 프레임(140)은 수용 구조체(120)를 지지하며 일정한 위치에 고정하도록 구성된다. 이 경우, 상기 지지 프레임(140)은 수용 구조체(120)와 같이 광 투과성 소재로 구성될 수 있다.
상기 광학 렌즈(150)는 광원(110)에서 조사된 광을 상기 수용 구조체(120) 측으로 수렴시키도록 구성된다. 이를 위해, 상기 광학 렌즈(150)는 광원(110)과 수용 구조체(120) 사이에 배치될 수 있다.
상기 반사체(160)는 광원(110)에서 조사되어 수용 구조체(120)체를 통과한 광을 다시 수용 구조체(120)의 수용 공간(122) 측으로 반사시키도록 구성된다. 이를 위해, 상기 반사체(160)는 오목 거울과 같이 오목한 반사면을 가질 수 있다.
상기 온도 센서(170)는 수용 구조체(120)에 수용된 시료(S)의 온도를 감지하도록 구성된다. 이 경우, 상기 온도 센서(170)는 열전쌍, 서미스터(thermistor) 또는 저항 온도 검출기(resistance temperature detectors) 등을 이용하는 접촉식 온도 센서로 구성되거나, 적외선 온도계를 이용하는 비접촉식 온도 센서로 구성될 수 있다.
상기 제어부(180)는 온도 센서(170)를 통해 시료(S)의 온도를 확인하고 확인된 온도에 따라 광원(110)의 동작을 제어하도록 구성된다. 이를 위해, 상기 제어부(180)는 1 또는 2 이상의 프로세서, 메모리 등을 포함할 수 있다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 증폭 장치의 수용 구조체(120) 및 다공 구조체(130)가 도시되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 수용 구조체(120)는 상단에 수용 공간(122)과 연통되는 개구(124)를 가진 튜브(tube) 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 다공 구조체(130)는 수용 구조체(120)의 개구(124)를 통해 수용 구조체(120)의 수용 공간(122)에 삽입되거나, 해당 수용 공간(122)에서 인출되도록 스틱(stick), 로드(rod) 또는 블록(block)의 형태로 구성될 수 있다. 상기 다공 구조체(130)가 상기 수용 구조체(120)의 수용 공간(122)에 삽입된 후, 상기 수용 구조체(120)의 개구(124)에는 도 1과 같이 마개(126)가 결합되어 시료(S)의 증발이나 누출을 방지할 수 있다.
이와 같이, 상기 수용 구조체(120)에 대하여 상기 다공 구조체(130)의 삽입과 인출이 가능하도록 구성됨으로써, 핵산 증폭 완료 후 해당 시료에서 핵산을 분리하는 작업을 용이하게 할 수 있으며, 다공 구조체(130)의 재사용을 통해 비용 효율성을 개선할 수 있다.
또한, 앞서 언급한 바와 같이, 상기 다공 구조체(130)는 광 투과성을 가지며 표면 또는 내부에 금속 나노 입자들이 분포되어 있는 단일 또는 다수의 파이버(132)로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 다공 구조체(130)는 다수의 공극(G)이 형성되도록 단일 가닥의 파이버를 랜덤하게 접거나 만곡시켜 뭉치는 방식으로 구성되거나, 다수의 파이버 가닥들을 네트워크(network)나 스캐폴드(scaffold) 형태로 결합시키는 방식으로 구성될 수 있다.
도 3에는 다공 구조체(130)를 형성하는 파이버의 일례가 단면도로 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 다공 구조체(130)는 금속 나노 입자들(136a)이 내부에 분포되어 있는 미세한 파이버(132a)로 구성될 수 있다.
이 경우, 상기 파이버(132a)의 몸체(134a)는 광 투과성과 내열성을 가진 소재로 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 파이버(132a)의 몸체(134a)는 PP(Polypropylene), PE(Polyethylene), COC(Cycloolefin copolymer), PC(Polycarbonate), PET(Polyethylene terephthalate) 또는 PDMS(Polydimethyls iloxane) 등과 같은 고분자 합성수지나, 유리와 같은 무기 소재로 구성될 수 있다.
또한, 상기 파이버(132a)의 내부에 분포되어 있는 금속 나노 입자들(136a)은 광원(110)에서 조사된 광에 의해 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance) 특성을 나타내도록 나노미터 단위의 크기 내지 직경으로 구성될 수 있다.
이 경우, 상기 금속 나노 입자들은 예컨대, 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 게르마늄(Ge), 텅스텐(W) 또는 이리듐(Ir) 등으로 구성되거나, 이들 중 1 또는 2 이상의 조합으로 구성될 수 있다.
도 4에는 다공 구조체(130)를 형성하는 파이버의 다른 일례가 단면도로 도시되어 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 다공 구조체(130)는 금속 나노 입자들(136b)이 표면 측에 분포되어 있는 미세한 파이버(132b)로 구성될 수 있다.
이 경우, 금속 나노 입자들(136b)이 부착되는 상기 파이버(132b)의 코어(134b)는 광 투과성과 내열성을 가진 소재로 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 코어(134b)는 PP(Polypropylene), PE(Polyethylene), COC(Cycloolefin copolymer), PC(Polycarbonate), PET(Polyethylene terephthalate) 또는 PDMS(Polydimethyls iloxane) 등과 같은 고분자 합성수지나, 유리와 같은 무기 소재로 구성될 수 있다.
또한, 상기 금속 나노 입자들(136b)은 상술한 바와 같이 광원(110)에서 조사된 광에 의해 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance) 특성을 나타내도록 나노미터 단위의 크기 내지 직경으로 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 금속 나노 입자들(136b)은 예컨대, 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 게르마늄(Ge), 텅스텐(W) 또는 이리듐(Ir) 등으로 구성되거나, 이들 중 1 또는 2 이상의 조합으로 구성될 수 있다.
이러한 금속 나노 입자들(136b)은 sputtering 또는 evaporation과 같은 물리적인 방식이나, 전구물질(precursor)의 환원이나 증착을 통한 화학적 방식으로 코어(134b)의 표면에 부착될 수 있다.
또한, 일 실시예에 있어서, 상기 파이버(132b)는 코어(134b) 표면에 부착된 금속 나노 입자들(136b)의 유실을 방지하기 위해 코어(134b)의 표면과 금속 나노 입자들(136b) 위에 형성되는 코팅층(138b)을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 코팅층(138b)은 PEG(Polyethylene glycol)와 같은 고분자 합성수지나, 실리카(silica)와 같은 무기 소재로 구성될 수 있다.
도 5에는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 핵산 증폭 장치의 수용 구조체(120a) 및 다공 구조체(130a)가 수직 단면도로 도시되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 수용 구조체(120a)는 내부에 채널(channel) 형태의 시료 수용 공간(122a)을 가진 판상의 칩(chip) 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 수용 구조체(120a)는 상술한 바와 같이 투과성과 내열성을 가진 소재로 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 수용 구조체(120a)는 PP(Polypropylene), PE(Polyethylene), COC(Cycloolefin copolymer), PC(Polycarbonate), PET(Polyethylene terephthalate) 또는 PDMS(Polydimethyls iloxane) 등과 같은 고분자 합성수지나, 유리와 같은 무기 소재로 구성될 수 있다.
또한, 상기 다공 구조체(130a)는 상술한 바와 같이 광 투과성을 가지며 표면 또는 내부에 금속 나노 입자들이 분포되어 있는 단일 또는 다수의 파이버(fiber)로 형성될 수 있으며, 상기 수용 구조체(120a)의 수용 공간(122a)에 배치되는 네트워크(network) 또는 블록(block)의 형태로 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수용 구조체(120a)는 광원(110)에서 조사된 광을 상기 수용 공간(122a) 측으로 입사시키는 입사면(124a)과, 상기 수용 공간(122a)을 통과한 광을 다시 수용 공간(122a) 측으로 반사시키는 반사면(126a)을 포함할 수 있다. 이를 위해, 상기 반사면(126a)은 미러면(mirror plane)을 포함하거나, 광의 전반사가 일어나도록 상기 수용 구조체(120a)의 수용 공간(122a)을 이루는 소재보다 고밀도의 소재로 구성될 수 있다.
도 6에는 광원(110)의 동작에 따른 시료의 온도 변화가 그래프로 도시되어 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 다공 구조체(130, 130a)가 배치된 수용 구조체(120, 120a)에 DNA, 프라이머(primer), DNA 중합 효소, dNTP(Deoxynucleotide triphosphate) 등을 포함한 시료가 수용되면, 상기 핵산 증폭 장치(100)의 제어부(180)는 광원(110)을 턴온하여 상기 수용 구조체(120, 120a) 측으로 광을 조사하게 된다. 그 결과, 상기 다공 구조체(130, 130a)에 포함된 금속 나노 입자들(136a, 136b)에서 표면 플라즈몬 공명이 발생하여 시료의 온도가 상승하게 된다.
시료의 온도가 92~96℃ 정도로 상승하면, 시료에 포함된 DNA가 두 가닥으로 분리되는 열 변성 과정이 진행된다. 이후, 상기 제어부(180)가 광원을 턴오프하여 시료의 온도가 50~65℃ 정도로 하강하면, 시료에 포함되어 있던 프라이머와 DNA 중합 효소가 외가닥 DNA의 특정 부위에 결합하는 과정(annealing)과, DNA 중합효소(polymerase)가 dNTP를 재료로 DNA를 합성하는 과정(elongation)이 진행된다. 이러한 과정들이 하나의 반응 사이클을 이룬다.
상기 제어부(180)는 광원(110)을 반복적으로 턴온, 턴오프하여 상기 반응 사이클을 30회 이상 반복하게 된다.
도 7에는 본 발명과 기존 기술의 성능 실험 비교 결과가 그래프로 도시되어 있다.
상기 성능 실험을 위해, 기존 기술로는 펠티에 소자를 통해 시료를 가열하는 기술이 사용되었다. 또한, 본 발명과 기존 기술 모두 동일한 크기와 구조의 튜브에 동일한 구성과 양의 시료를 수용하여 PCR 반응을 진행하였다.
우선, 핵산 증폭 완료에는 30회 이상의 온도 변화 사이클이 요구되는데, 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 경우에 핵산 증폭 완료에 필요한 사이클들이 300초 이내에 모두 완료됨을 알 수 있다.
반면, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 기존 기술의 경우에 300초 동안 8.5회 정도의 온도 변화 사이클만 진행됨을 알 수 있다. 즉, 기존 기술은 펠티에 소자로 시료의 표면만을 가열하여 열대류를 발생시키는 방식으로 시료의 온도를 상승시키기 때문에, 시료의 가열은 물론, 시료의 냉각에 오랜 시간이 걸림을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 표면 또는 내부에 금속 나노 입자들이 분포되어 있는 파이버(fiber)로 형성되어 시료가 유입 또는 포획되는 다수의 공극을 가지는 다공 구조체(130, 130a)를, 수용 구조체(120, 120a)에 수용된 시료의 중심 영역에 배치하고, 상기 다공 구조체(130, 130a)에 광을 조사하거나 조사되던 광을 차단하는 방식으로 해당 시료를 가열 또는 냉각함으로써, 시료의 가열 및 냉각 속도를 향상시키면서도 열에 의한 시료의 변형이나 파괴를 방지하고, 에너지 효율을 개선할 수 있다.
또한, 다공 구조체(130)가 튜브(tube) 형태의 수용 구조체(120)에 삽입되거나 해당 수용 구조체(120)에서 인출될 수 있도록, 상기 다공 구조체(130)를 스틱(stick), 로드(rod) 또는 블록(block)의 형태로 형성할 경우, 핵산 증폭 완료 후 해당 시료에서 핵산을 분리하는 작업을 용이하게 할 수 있으며, 다공 구조체의 재사용을 통해 비용 효율성을 개선할 수 있다.
또한, 광원(110)에서 조사되어 수용 구조체(120, 120a)를 통과한 광을 반사체(160) 또는 반사면(126a)을 이용하여 다시 상기 수용 구조체(120, 120a)의 수용 공간 측으로 반사시킴으로써, 시료 가열 속도와 에너지 효율을 더욱 개선할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 실시예들은, 당해 기술 분야는 물론 관련 기술 분야에서 본 명세서에 언급된 내용 이외의 다른 여러 기술적 과제들을 해결할 수 있음은 물론이다.
지금까지 본 발명에 대해 구체적인 실시예들을 참고하여 설명하였다. 그러나 당업자라면 본 발명의 기술적 범위에서 다양한 변형 실시예들이 구현될 수 있음을 명확하게 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 앞서 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 할 것이다. 즉, 본 발명의 진정한 기술적 사상의 범위는 청구범위에 나타나 있으며, 그와 균등범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 핵산 증폭 장치
110 : 광원
120 : 수용 구조체
130 : 다공 구조체
140 : 지지 프레임
150 : 광학 렌즈
160 : 반사체
170 : 온도 센서
180 : 제어부

Claims (6)

  1. 광원을 이용한 핵산 증폭 장치로서,
    상기 광원에서 조사된 광을 통과시키는 광 투과성 소재로 형성되며, 타깃 핵산을 포함한 시료가 수용되는 수용 공간을 가진 수용 구조체; 및
    상기 수용 구조체의 상기 수용 공간 내에 배치되어 적어도 일부가 상기 수용 공간에 수용된 상기 시료의 중심 영역에 위치하며, 상기 시료가 유입 또는 포획되는 공극들을 가진 다공 구조체를 포함하고,
    상기 다공 구조체는, 광 투과성을 가지며 표면 또는 내부에 금속 나노 입자들이 분포되어 있는 파이버(fiber)로 형성된 핵산 증폭 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다공 구조체를 형성하는 상기 파이버는,
    상기 파이버의 중심을 이루는 코어;
    상기 코어의 표면에 부착된 금속 나노 입자들; 및
    상기 코어의 표면과 상기 금속 나노 입자들 위에 형성되는 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵산 증폭 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수용 구조체는, 상단에 상기 수용 공간과 연통되는 개구를 가진 튜브(tube) 형태로 구성되고,
    상기 다공 구조체는, 상기 개구를 통해 상기 수용 공간에 삽입되거나 상기 수용 공간에서 인출되도록 스틱(stick), 로드(rod) 또는 블록(block)의 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 핵산 증폭 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광원에서 조사되어 상기 수용 구조체를 통과한 광을 다시 상기 수용 구조체의 상기 수용 공간 측으로 반사시키는 반사체를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵산 증폭 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수용 구조체는, 내부에 상기 수용 공간을 가진 칩(chip) 형태로 구성되고,
    상기 다공 구조체는, 상기 수용 공간에 배치되는 네트워크(network) 또는 블록(block)의 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 핵산 증폭 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 수용 구조체는, 상기 광원에서 조사된 광을 상기 수용 공간 측으로 입사시키는 입사면과, 상기 수용 공간을 통과한 광을 다시 수용 공간 측으로 반사시키는 반사면을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵산 증폭 장치.
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