KR20230065121A - 일체형 분자 진단 장치 및 이를 이용한 분자 진단 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 일체형 분자 진단 장치 및 이를 이용한 분자 진단 방법에 관한 것으로, 시료를 채취하는 시료 채취 도구가 삽입되고, 채취된 시료로부터 추출된 핵산이 포함된 시료 용액을 생성하는 버퍼 튜브, 버퍼 튜브와 결합하여 시료 용액을 공급받고, 유체 채널을 통해 시료 용액을 반응 챔버로 이송하고, 일정 온도의 열을 공급받아 핵산 증폭 반응을 수행하는 카트리지, 및 카트리지와 탈착 가능하게 결합하여 반응 챔버에 상기 일정 온도의 열을 공급하고, 핵산 증폭 반응을 검출하여 진단 대상의 존재 여부를 진단하는 진단 모듈 본체를 포함한다.
Description
본 발명은 일체형 분자 진단 장치 및 이를 이용한 분자 진단 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 채취한 시료의 전처리부터 분자 진단까지 사용자의 개입을 최소화하여 하나의 장치로 수행할 수 있고, 소형으로 제작 가능하여 현장 진단이 가능한 일체형 분자 진단 장치 및 이를 이용한 분자 진단 방법에 관한 것이다.
일반적으로 분자 진단 방법은 유해균이나 바이러스의 유전자를 직접 검사하므로 면역 진단 방법에 비해 정확성이 높고, 감염 원인균을 보다 정확하게 진단할 수 있다. 그런데, 분자 진단 방법은 시료 채취, 세포 파괴, 핵산 추출 및 핵산 증폭 공정이 순차적으로 진행되기 때문에 상대적으로 절차가 복잡하고, 결과 도출에 약 30분 내지 2시간 정도의 긴 시간이 소요된다.
따라서, 분자 진단 방법의 검사 시간을 단축하고, 현장 검사(Point Of Care Testing; POCT)에 적용하기 위해 시료에 대한 전처리를 신속하게 수행하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 일반적으로 시료 전처리는 세포 내에 있는 핵산(DNA, RNA 등)이 중합 효소 연쇄반응(Polymerase Chain Reaction; PCR)을 통해 증폭되도록 추출하는 것으로, 증폭 반응을 방해하거나 억제하는 성분은 제거하고 타겟 핵산만을 순도 높게 정제하는 것이다.
전통적인 시료 전처리 방법은 원심 분리기를 이용하여 핵산을 추출하는 방식이나, 최근에는 원심 분리기를 사용하지 않고 시료 전처리 과정을 자동화하는 기술이 개발되고 있다. 이에 따라, 시료 전처리와 분자 진단까지 하나의 진단 장치로 수행하는 카트리지 일체형 분자 진단 장치가 제품화되고 있다.
일반적으로 카트리지 일체형 분자 진단 장치는 시료 전처리부터 증폭 과정까지 시료를 이송하기 위해 밸브나 모터를 이용하여 유체를 기계적인 방법으로 제어한다. 따라서, 카트리지 구조나 제어 방법이 복잡하다. 이러한 방식 외에 전기 습윤(electrowetting) 방법을 이용하여 작은 부피의 유체를 제어하는 방식이 있으나, 전극 어레이의 제작이 필수적이므로 카트리지 비용이 비싸고, 진단 결과에 대한 신뢰성이 상대적으로 낮다.
본 발명의 일 실시예는 채취한 시료의 전처리부터 분자 진단까지 사용자의 개입을 최소화하여 하나의 장치로 수행할 수 있고, 소형으로 제작 가능하여 현장 진단이 가능한 일체형 분자 진단 장치 및 이를 이용한 분자 진단 방법을 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 일체형 분자 진단 장치는, 시료를 채취하는 시료 채취 도구가 삽입되고, 상기 채취된 시료로부터 추출된 핵산이 포함된 시료 용액을 생성하는 버퍼 튜브; 상기 버퍼 튜브와 결합하여 상기 시료 용액을 공급받고, 유체 채널을 통해 상기 시료 용액을 반응 챔버로 이송하여 핵산 증폭 반응을 수행하는 카트리지; 및 상기 카트리지와 탈착 가능하게 결합하여 상기 반응 챔버에 일정 온도의 열을 공급하고, 상기 핵산 증폭 반응을 검출하여 진단 대상의 존재 여부를 진단하는 진단 모듈 본체를 포함한다.
실시예들 중에서, 일체형 분자 진단 장치를 이용한 분자 진단 방법은 시료 채취 도구를 이용하여 시료를 채취하는 단계; 상기 버퍼 튜브가 카트리지에 장착되고, 상기 카트리지가 진단 모듈 본체에 삽입된 상태로 상기 시료로부터 핵산을 추출하여 시료 용액을 준비하는 단계; 상기 버퍼 튜브가 삽입된 상태로 카트리지가 진단 모듈 본체에 삽입되면, 상기 버퍼 튜브로부터 상기 시료 용액을 배출시켜 상기 카트리지에 형성된 유체 채널을 통해 반응 챔버로 이송하는 단계; 상기 반응 챔버에 일정 온도의 열을 가하여 핵산 증폭 반응을 수행하는 단계; 및 상기 핵산 증폭 반응을 검출하여 진단 대상의 존재 여부를 진단하는 단계를 포함한다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 분자 진단 장치 및 이를 이용한 분자 진단 방법은 채취한 시료의 전처리부터 분자 진단까지 사용자의 개입을 최소화하여 하나의 장치로 수행할 수 있고, 소형으로 제작 가능하여 현장 진단이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단 시스템을 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 일체형 분자 진단 장치의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 도 1에 도시된 버퍼 튜브를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 도 3에 도시된 개폐 몸체를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 카트리지를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 6a 내지 도 6d는 도 5에 도시된 카트리지 몸체를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 도 5에 도시된 카트리지 홀더를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 8은 도 1에 도시된 진단 모듈 본체를 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 9는 도 8에 도시된 몸체를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 10은 도 8에 도시된 열 공급 모듈을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 11은 도 8에 도시된 검출 모듈을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단 방법을 도시한 순서도이다.
도 13은 버퍼 튜브의 유입구 마개 부재의 이동 동작을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 14는 시료 용액의 이동 경로를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 15a 및 도 15b는 진단 결과를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 일체형 분자 진단 장치의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 도 1에 도시된 버퍼 튜브를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 도 3에 도시된 개폐 몸체를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 카트리지를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 6a 내지 도 6d는 도 5에 도시된 카트리지 몸체를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 도 5에 도시된 카트리지 홀더를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 8은 도 1에 도시된 진단 모듈 본체를 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 9는 도 8에 도시된 몸체를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 10은 도 8에 도시된 열 공급 모듈을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 11은 도 8에 도시된 검출 모듈을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단 방법을 도시한 순서도이다.
도 13은 버퍼 튜브의 유입구 마개 부재의 이동 동작을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 14는 시료 용액의 이동 경로를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 15a 및 도 15b는 진단 결과를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
본 발명은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있고, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽힐 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단 시스템을 도시한 블록도이고, 도 2는 도 1에 도시된 일체형 분자 진단 장치의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 분자 진단 시스템은 일체형 분자 진단 장치(1) 및 사용자 단말(2)을 포함할 수 있다. 일체형 분자 진단 장치(1)는 사용자 단말(2)과 네트워크를 통해 통신할 수 있다. 여기에서, 네트워크는 유선 통신망, 무선랜, Wi-Fi, 블루투스, 지그비 등의 무선 통신망이나 2G, 3G, 4G, 5G, LTE 등 다양한 종류의 이동 통신망이 포함될 수 있다.
일체형 분자 진단 장치(1)는 검사 대상 사용자로부터 채취되어 주입된 시료를 자동으로 전처리하고, 전처리된 시료로부터 진단 대상의 존재 여부를 실시간으로 진단할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 진단 대상은 호흡기 질환 원인균일 수 있다. 예를 들어, 진단 대상은 RS 바이러스(respiratory syncytial virus; RSV), COVID-19, 델타 COVID-19 등의 호흡기 질환 원인균 분자일 수 있다. 일체형 분자 진단 장치(1)는 진단 결과를 사용자 단말(2)에 전송할 수 있다.
일체형 분자 진단 장치(1)는 시료 채취 도구(100), 버퍼 튜브(200), 카트리지(300) 및 진단 모듈 본체(400)를 포함할 수 있다. 여기에서, 시료 채취 도구(100), 버퍼 튜브(200) 및 카트리지(300)는 일회용으로서, 사용 후 폐기 처리될 수 있다. 시료 채취 도구(100)는 검사 대상 사용자로부터 시료를 채취한다. 시료 채취 도구(100)는 호흡기 질환 원인균을 진단하기 위해 검사 대상 사용자의 비강이나 구강 내벽의 점막으로부터 시료를 채취할 수 있다. 시료 채취 도구(100)는 검사 대상 사용자로부터 시료를 용이하게 채취할 수 있는 형태 및 재질로 형성될 수 있고, 예를 들어, 검사 대상 사용자의 비강이나 구강에 삽입될 수 있는 면봉의 형태로 형성될 수 있다.
버퍼 튜브(200)는 미리 주입된 버퍼 용액을 포함하고, 시료 채취 도구(100)를 수용하여 버퍼 용액에 침지시킨다. 여기에서, 버퍼 용액은 세포막을 파괴시킬 때 사용되는 완충 용액인 라이시스 버퍼(lysis buffer)로서, 라이시스 효율 향상을 위한 마이크로 입자 등이 혼합되어 버퍼 튜브(200)에 미리 주입될 수 있다.
버퍼 튜브(200)는 시료 채취 도구(100)를 통해 채취된 시료로부터 핵산을 추출하여 시료 용액을 생성한다. 일반적으로 시료의 세포막을 파괴시키는 방법은 버퍼 용액의 pH를 조절하는 화학적 방식이나, 버퍼 용액을 일정 온도(60~95℃)로 가열하여 단백질 변성을 통한 거대 단백질 분자를 제거하는 방식이나, 초음파를 이용하여 물리적인 충격을 가하는 방식 등이 있다.
호흡기 원인균 시료의 경우 혈액이나 다른 시료에 비해 상대적으로 불순물이 적기 때문에 본 발명의 일 실시예는 버퍼 튜브(200)를 흔드는 동작으로 시료에 물리적 충격을 가해 세포막을 파괴하는 방식을 적용한다. 즉, 버퍼 튜브(200)는 시료 채취 도구(100)가 삽입되고, 밀폐된 상태로 버퍼 용액과 함께 흔들어지고, 흔드는 동작에 의해 시료의 세포막을 파괴시켜 핵산을 추출할 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않고, 버퍼 용액을 가열하거나 초음파를 이용하여 물리적 충격을 가하는 방법 중 적어도 어느 하나를 혼용하여 핵산을 추출할 수 있다.
버퍼 튜브(200)는 카트리지(300)에 삽입 장착되고, 카트리지(300)에 핵산이 추출된 시료 용액을 공급할 수 있다. 버퍼 튜브(200)는 카트리지(300)에 삽입될 때 바닥면의 천공에 의해 시료 용액을 외부로 배출할 수 있다. 이를 위해, 버퍼 튜브(200)는 내화학성이 우수하고, 단단하지 않은 플라스틱 소재로 형성될 수 있다. 예를 들어, 버퍼 튜브(200)는 폴리프로필렌(Polypropylene; PP)이나 폴리카보네이트(polycarbonate; PC) 등으로 형성될 수 있다.
카트리지(300)는 버퍼 튜브(200)와 결합하여 버퍼 튜브(200)로부터 시료 용액을 공급받는다. 카트리지(300)는 적어도 하나의 유체 채널을 통해 정량의 시료 용액을 추출하여 미리 주입된 시약과 혼합하고, 진단 모듈 본체(400)로부터 일정 온도의 열을 공급받아 핵산 증폭 반응을 수행한다.
여기에서, 시약은 시료 용액에 포함된 핵산을 증폭시켜 진단 대상을 검출하기 위한 것으로, 동결 건조 상태로 카트리지(300)에 미리 주입될 수 있다. 카트리지(300)는 내화학성이 우수하고, 단단하지 않으며, 투명한 플라스틱 소재로 형성될 수 있다. 예를 들어, 카트리지(300)는 폴리프로필렌(PP), 폴리카보네이트(PC), 아크릴(acryl) 등으로 형성될 수 있다.
진단 모듈 본체(400)는 카트리지(300)와 탈착 가능하게 결합되고, 미리 설정된 동작 조건에 따라 카트리지(300)에 핵산 증폭 반응에 필요한 일정 온도의 열을 공급하고, 핵산 증폭 반응에 의해 변하는 시료 용액의 색 또는 형광 세기를 검출하여 진단 대상의 존재 여부를 진단할 수 있다. 여기에서, 동작 조건은 카트리지(300)가 진단 모듈 본체(400) 내에 삽입되고, 카트리지(300) 내에서 시료 용액이 시약과 혼합되어 핵산 증폭 반응을 수행하기 위한 준비가 완료된 상태로 설정될 수 있다.
진단 모듈 본체(400)는 사용자 단말(2)에 의해 제어될 수 있고, 사용자 단말(2)과 통신하여 진단 대상에 대한 진단 결과를 전송할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 분자 진단 장치(1)는 시료 용액을 사용자가 카트리지(300)에 옮겨 담는 등의 절차가 생략 가능하여 사용자의 개입이 최소화된 상태로 시료 채취부터 핵산을 추출하고, 증폭하는 전처리 과정 및 진단 과정을 하나의 장치에서 구현할 수 있다.
사용자 단말(2)은 일체형 분자 진단 장치(1)와 통신하여 일체형 분자 진단 장치(1)의 동작을 제어할 수 있다. 사용자 단말(2)은 일체형 분자 진단 장치(1)로부터 진단 결과를 제공받아 화면에 표시할 수 있다. 여기에서, 진단 결과는 음성(negative) 또는 양성(positive)으로 표시될 수 있다. 또한, 사용자 단말(2)은 진단 소요 시간 및 진단 결과를 표시하는 화면을 제공할 수 있다. 사용자 단말(2)은 진단 장소, 날짜, 진단 시간 등을 진단 결과와 함께 데이터베이스에 전송 및 저장할 수 있다. 여기에서, 데이터베이스는 사용자 단말(2)의 내부 또는 외부에 위치할 수 있고, 별도의 서버에 의해 관리될 수 있다.
사용자 단말(2)은 일체형 분자 진단 장치(1)를 사용하는 사용자가 이용하는 컴퓨팅 장치일 수 있다. 예를 들어, 사용자 단말(2)은 스마트폰, 태블릿 PC, 데스크탑 PC, 랩톱 PC 등과 같은 컴퓨팅 장치일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 사용자 단말(2)에는 일체형 분단 진단 장치(1)와 연동되는 어플리케이션이 설치될 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 도 1에 도시된 버퍼 튜브를 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 4a 내지 도 4c는 도 3에 도시된 개폐 몸체를 설명하기 위해 도시한 도면이다. 여기에서, 도 3c는 도 1에 도시된 버퍼 튜브가 도 5에 도시된 카트리지 몸체에 결합된 상태를 도시한 측면 단면도이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 개폐 몸체의 하면도이며, 도 4c는 도 4a에 도시된 개폐 몸체의 상면도이다.
도 3a를 참조하면, 버퍼 튜브(200)는 튜브 몸체(210) 및 개폐 몸체(220) 및 유입구 마개 부재(230)를 포함할 수 있다. 튜브 몸체(210)는 원통형으로 형성되고, 버퍼 용액을 수용하는 내부 공간을 포함한다. 튜브 몸체(210)는 개폐 몸체(220)에 의해 상단이 개방되어 내부 공간에 시료 채취 도구(100)를 수용할 수 있다.
여기에서, 튜브 몸체(210)의 상단은 실링막(sealing film)(미도시)으로 밀폐될 수 있고, 실링막은 분자 진단 검사 시 제거될 수 있다. 튜브 몸체(210)는 카트리지(300)와 걸림 결합되기 위해 외주면에 형성된 단턱(211) 및 오목 홈(213)을 포함할 수 있다. 단턱(211)은 튜브 몸체(210)의 직경보다 상대적으로 큰 직경을 갖도록 형성된다. 단턱(211)은 튜브 몸체(210)가 카트리지(300)에 안착될 때 카트리지 홀더(330)의 삽입홀(331)에 걸림 결합되어 튜브 몸체(210)의 이탈을 방지할 수 있다.
오목 홈(213)은 튜브 몸체(210)의 직경보다 상대적으로 작은 직경을 갖도록 외주면을 따라 형성된다. 오목 홈(213)은 카트리지 홀더(330)의 결합 돌기(335)에 대응하는 위치에 형성되어 결합 돌기(335)에 걸림 결합된다. 이에 따라, 튜브 몸체(210)는 결합 돌기(335)에 제공된 탄성 부재(333)의 탄성력에 의해 카트리지(300)에 삽입된 상태로 가압된다. 이로 인해, 버퍼 튜브(200)는 카트리지(300)와 함께 고정될 수 있다.
그리고, 튜브 몸체(210)는 도 3b에 도시된 바와 같이, 바닥면 상에 역류 방지턱(215)을 포함할 수 있다. 여기에서, 역류 방지턱(215)은 튜브 몸체(210)의 바닥면으로부터 돌출되어 형성되고, 링 형상으로 형성될 수 있다. 역류 방지턱(215)은 튜브 몸체(210)의 바닥면보다 좁은 너비로 형성될 수 있다. 역류 방지턱(215)은 도 3c에 도시된 바와 같이, 튜브 몸체(210)가 카트리지(300)와 결합될 때 유입구(310)의 일부를 차단하는 높이로 형성될 수 있다. 또한, 바람직하게, 역류 방지턱(215)의 외경은 튜브 수용 몸체(311)의 지지턱(311c)의 내경과 동일한 크기로 형성될 수 있다.
이에 따라, 튜브 몸체(210)의 내부에 수용된 시료 용액이 배출될 때 시료 용액의 이동이 유입구(310)를 통해 복수의 유체 채널(315)로만 전달되고 튜브 몸체(210)의 외벽과 카트리지(300)의 내벽 사이로의 흐름은 제한된다. 이로 인해, 시료 용액이 튜브 몸체(210)의 외측면을 따라 역류하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 튜브 몸체(210)의 외측면은 시료 용액과 접촉하지 않게 되므로 튜브 몸체(210)의 외벽에 존재할 수도 있는 오염원이 시료 용액과 접촉하는 것을 방지할 수 있다.
개폐 몸체(220)는 튜브 몸체(210)의 상단에 결합되어 튜브 몸체(210)의 내부 공간을 개폐한다. 개폐 몸체(220)는 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이, 요철 패턴(221), 돌출턱(223), 관통 홀(225), 복수의 통기 홀(227) 및 걸림턱(229)을 포함할 수 있다. 요철 패턴(221)은 개폐 몸체(220)의 상부면에 형성되고, 개폐 동작 및 버퍼 튜브(200)를 카트리지(300)에 삽입하는 과정에서 사용자의 손이 접촉되는 면적을 최소화하여 시료의 오염을 방지할 수 있다.
돌출턱(223)은 개폐 몸체(220)의 바닥면으로부터 돌출되고, 환형으로 형성되어 외주면이 튜브 몸체(210)의 내주면에 삽입된다. 관통 홀(225)은 개폐 몸체(220)의 중앙 영역에 대응하는 상부면과 하부면을 관통하여 형성된다.
복수의 통기 홀(227) 각각은 관통 홀(225)의 측면과 돌출턱(223) 사이의 개폐 몸체(220)의 하부면 상에 형성된다. 복수의 통기 홀(227) 각각은 서로 일정 간격 이격되어 형성될 수 있다.
걸림턱(229)은 관통 홀(225)의 측면에서 내측 방향으로 절곡되어 유입구 마개 부재(230)를 지지한다. 여기에서, 걸림턱(229)의 절곡면은 유입구 마개 부재(230)가 이동될 때 유입구 마개 부재(230)를 통해 전달되는 가압력에 의해 형태가 변형되고, 유입구 마개 부재(230)의 이동이 멈춘 상태로 유입구 마개 부재(230)를 지지할 수 있다.
유입구 마개 부재(230)는 개폐 몸체(220)의 관통 홀(225)에 삽입되어 튜브 몸체(210)의 내부 공간을 밀봉시킨다. 여기에서, 유입구 마개 부재(230)는 걸림턱(229)에 의해 지지될 수 있다. 유입구 마개 부재(230)는 진단 모듈 본체(400)의 개폐 동작에 의해 가압되고, 튜브 몸체(210)의 내부 공간 방향으로 이동하여 복수의 통기 홀(227)을 개방시킨다. 즉, 유입구 마개 부재(230)는 진단 모듈 본체(400)의 개폐 동작에 의해 내부 공간으로 공기가 통과하는 공기 유입 경로를 형성한다.
유입구 마개 부재(230)는 공기는 통과시키고, 시료 용액(또는 버퍼 용액)은 차단시킬 수 있는 소재로 형성될 수 있다. 즉, 유입구 마개 부재(230)는 버퍼 튜브(200) 또는 카트리지(300)를 거꾸로 뒤집어도 시료 용액이 외부로 흘러나오지 않도록 소수성(hydrophobic) 소재로 형성되고, 마개 기능을 수행할 수 있는 일정 길이로 형성될 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 카트리지의 일 실시예를 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 6a 내지 도 6d는 도 5에 도시된 카트리지 몸체를 설명하기 위해 도시한 도면이며, 도 7a 및 도 7b는 도 5에 도시된 카트리지 홀더를 설명하기 위해 도시한 도면이다. 여기에서, 도 6c는 도 6a에 도시된 카트리지 몸체의 상면도이며, 도 6d는 도 6a의 A-A' 절단선을 따라 도시한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 카트리지(300)는 카트리지 몸체(310), 복수의 유출구 마개 부재(320) 및 카트리지 홀더(330)를 포함할 수 있다. 여기에서, 카트리지 몸체(310)는 도 6a 내지 도 6d에 도시된 바와 같이, 전면과 후면을 포함하는 판 형태로 형성되고, 튜브 수용 몸체(311), 유입구(313), 복수의 유체 채널(315), 복수의 반응 챔버(317) 및 복수의 유출구(319)를 포함할 수 있다.
튜브 수용 몸체(311)는 카트리지 몸체(310)의 전면에 돌출된 형태로 형성되고, 상단이 개방되어 버퍼 튜브(200)가 삽입되는 내부 공간을 포함한다. 여기에서, 내부 공간은 버퍼 튜브(200)와 동일한 형태 및 크기로 형성되어 튜브 몸체(210)가 카트리지(300)와 결합될 때 시료 용액이 유입구(310)로만 흐를 수 있도록 제한할 수 있다.
튜브 수용 몸체(311)는 결합 홀(311a), 천공 부재(311b) 및 지지턱(311c)을 포함할 수 있다. 여기에서, 결합 홀(311a)은 카트리지 홀더(330)의 결합 돌기(335)에 대응하는 위치에 튜브 수용 몸체(311)의 전면을 관통하여 형성될 수 있다.
천공 부재(311b)는 튜브 수용 몸체(311)의 지지면 상에 형성되고, 버퍼 튜브(200)가 삽입되는 동작에 의해 가해지는 압력을 이용하여 버퍼 튜브(200)의 바닥면을 천공시킬 수 있다. 천공 부재(311b)는 튜브 수용 몸체(311)의 지지면으로부터 상측으로 돌출되고, 뾰족한 단부를 갖도록 형성될 수 있다.
지지턱(311c)은 유입구(313)를 제외한 튜브 수용 몸체(311)의 내측면을 따라 내부 공간 방향으로 돌출되어 형성되고, 튜브 수용 몸체(311)의 지지면을 기준으로 일정 높이만큼 형성될 수 있다. 즉, 지지턱(311c)은 튜브 수용 몸체(311)의 지지면을 둘러싸는 링 형태로 형성될 수 있다.
지지턱(311c)은 튜브 몸체(210)가 튜브 수용 몸체(311)의 내부 공간에 삽입될 때 튜브 몸체(210)의 역류 방지턱(215)을 지지한다. 즉, 역류 방지턱(215)의 외측면은 지지턱(311c)의 내측면과 접하도록 결합되고, 이에 따라 시료 용액이 유입구(313)로만 흐를 수 있게 제한된다.
유입구(313)는 튜브 수용 몸체(311)의 지지면에서 카트리지 몸체(310)의 후면을 관통하여 형성된다. 유입구(313)는 버퍼 튜브(200)의 바닥면으로부터 배출되는 시료 용액을 복수의 유체 채널(315) 각각으로 유입시킨다.
복수의 유체 채널(315) 각각은 카트리지 몸체(310)의 후면에 형성되고, 유입구(313)로부터 대응하는 반응 챔버(317)를 경유하여 대응하는 유출구(319)까지 시료 용액을 이송시킬 수 있다. 여기에서, 복수의 유체 채널(315) 각각은 제1 유로(315a) 및 제2 유로(315b)를 포함할 수 있다.
제1 유로(315a)는 유입구(313)로부터 복수의 반응 챔버(317) 각각으로 분기되어 형성될 수 있다. 제2 유로(315b)는 대응하는 반응 챔버(317)와 유출구(319) 사이에 형성될 수 있다. 제2 유로(315b)는 유체 저항을 증가시키기 위해 평면 형태가 지그재그로 굴곡진 형태로 형성될 수 있다. 이에 따라, 제2 유로(315b)를 통해 흐르는 시료 용액의 유체 저항이 증가되어 이동 속도가 일정하게 유지될 수 있다.
복수의 반응 챔버(317) 각각은 카트리지 몸체(310)의 후면에 형성되고, 복수의 유체 채널(315) 각각을 통해 이송된 시료 용액을 수용한다. 여기에서, 복수의 반응 챔버(317) 각각은 미리 주입된 시약을 포함할 수 있고, 진단 모듈 본체(400)로부터 일정 온도의 열을 공급받아 시료 용액에 대한 핵산 증폭 반응을 수행할 수 있다. 복수의 반응 챔버(317) 각각은 정량의 시료 용액을 수용할 수 있는 크기로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 복수의 반응 챔버(317)가 3개인 경우를 예를 들어 설명하나, 본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않고, 반응 챔버(317)는 타겟 진단 대상의 개수에 따라 증감될 수 있다.
복수의 유출구(319) 각각은 카트리지 몸체(310)의 전면에 형성되고, 대응하는 반응 챔버(317)와 튜브 수용 몸체(311) 사이에 형성된다. 즉, 복수의 유출구(319) 각각은 대응하는 반응 챔버(317) 보다 상측에 위치함으로써 시료 용액이 복수의 반응 챔버(317) 내에 채워진 상태로 유지시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 카트리지 몸체(310)는 후면에 유입구(313), 복수의 유체 채널(315) 및 복수의 반응 챔버(317)를 밀봉하는 밀봉 부재(미도시)를 더 포함할 수 있다. 밀봉 부재는 투명하고, 얇은 막으로 형성될 수 있다.
복수의 유출구 마개 부재(320) 각각은 복수의 유출구(319) 각각에 삽입된다. 복수의 유출구 마개 부재(320) 각각은 공기는 통과시키고, 복수의 유체 채널(315) 각각을 흐르는 시료 용액의 배출을 차단시킬 수 있다. 복수의 유출구 마개 부재(320) 각각은 다공성 소재, 예를 들어 폴리에틸렌(Porous polyethylene)이나 다공성 하이드로겔(Porous hydrogel) 소재로 형성될 수 있다. 따라서, 시료 용액은 외부로 배출되지 않고, 복수의 유체 채널(315) 내에 흐름이 멈춘 상태로 유지될 수 있다.
카트리지 홀더(330)는 카트리지 몸체(310)의 전면에 결합되고, 버퍼 튜브(200)를 카트리지 몸체(310) 내에 고정시킨다. 카트리지 홀더(330)는 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 카트리지 몸체(310)가 삽입되는 내부 공간을 포함하고, 삽입 홀(331), 탄성 부재(333) 및 결합 돌기(335)를 포함할 수 있다.
삽입 홀(331)은 튜브 수용 몸체(311)의 상단에 대응하는 위치에 형성되어 튜브 수용 몸체(311)의 내부 공간을 노출시킨다. 탄성 부재(333)는 판 스프링으로서, 튜브 수용 몸체(311)와 대면하는 내측면 상에 형성된다. 탄성 부재(333)는 버퍼 튜브(200)의 삽입에 따른 슬라이딩 동작에 의해 탄성 변형되어 결합 돌기(335)에 탄성력을 제공한다.
결합 돌기(335)는 튜브 수용 몸체(311)의 결합 홀(311a)에 대응하는 위치에 탄성 부재(333)로부터 돌출되어 형성되고, 결합 홀(311a) 내에 삽입된다. 결합 돌기(335)는 기울어진 경사면을 갖고, 경사면의 끝단에서 탄성 부재(333)의 탄성 변형을 최대로 유도하여 탄성 부재(333)의 복원에 따른 탄성 복원력을 증가시킬 수 있다. 결합 돌기(335)는 버퍼 튜브(200)의 삽입에 따른 슬라이딩 동작에 의해 오목 홈(213)에 다다르면 탄성 부재(333)로부터 탄성 복원력을 제공받고, '딸깍' 소리와 함께 오목 홈(213)에 걸림 체결된다.
즉, 결합 돌기(335)는 오목 홈(213)과 걸림 결합될 때 '딸깍' 소리로 튜브 몸체(210)가 정위치에 카트리지 몸체(310)에 완전히 결합됨을 알 수 있게 한다. 그리고, 결합 돌기(335)는 버퍼 튜브(200)와 카트리지 몸체(310)를 하나로 결합시켜 일회적 체결 후 버퍼 튜브(200)가 카트리지 몸체(310)로부터 재분리되지 않도록 한다.
도 8은 도 1에 도시된 진단 모듈 본체를 설명하기 위해 도시한 블록도이고, 도 9는 도 8에 도시된 몸체를 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 10은 도 8에 도시된 열 공급 모듈을 설명하기 위해 도시한 도면이며, 도 11은 도 8에 도시된 검출 모듈을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 진단 모듈 본체(400)는 몸체(410), 열 공급 모듈(420), 검출 모듈(430), 전원 모듈(440), 감지 모듈(450) 및 통합 제어 모듈(460)을 포함할 수 있다. 몸체(410)는 카트리지(300), 열 공급 모듈(420), 검출 모듈(430), 전원 모듈(440) 및 통합 제어 모듈(460)을 수용한다. 몸체(410)는 도 9에 도시된 바와 같이, 하부 몸체(411) 및 개폐 몸체(413)를 포함할 수 있다. 하부 몸체(411)는 사각형 형태로 형성될 수 있고, 일정 크기의 내부 공간을 포함한다. 하부 몸체(411)는 삽입 홀(411a)을 포함할 수 있다. 삽입 홀(411a)은 하부 몸체(411)의 상면에 형성되고, 카트리지(300)를 삽입하기 위해 카트리지(300)에 대응하는 형태 및 크기로 형성될 수 있다.
개폐 몸체(413)는 하부 몸체(411)와 결합되어 하부 몸체(411)의 내부 공간을 개폐시킨다. 개폐 몸체(413)는 누름 부재(413a)를 포함할 수 있다. 누름 부재(413a)는 하부 몸체(411)의 상면에 대응하는 내부 표면으로부터 돌출되어 형성되고, 버퍼 튜브(200)의 유입구 마개 부재(230)에 대응하는 위치에 형성될 수 있다. 누름 부재(413a)는 유입구 마개 부재(230)를 가압하여 이동시킬 수 있다.
열 공급 모듈(420)은 카트리지(300)와 탈착 가능하게 결합되고, 통합 제어 모듈(460)에 의해 제어되어 복수의 반응 챔버(317) 각각에 핵산 증폭 반응에 필요한 일정 온도의 열을 공급한다.
열 공급 모듈(420)은 도 10에 도시된 바와 같이, 열 전도 몸체(421) 및 발열 수단(423)을 포함할 수 있다. 열 전도 몸체(421)는 카트리지(300)와 결합되고, 발열 수단(423)으로부터 일정 온도의 열을 공급받아 카트리지(300)에 전달한다. 열 전도 몸체(421)는 카트리지(300) 및 발열 수단(423)을 수용하고, 카트리지 삽입 홈(421a), 복수의 제1 홀(421b) 및 복수의 제2 홀(421c)을 포함할 수 있다.
카트리지 삽입 홈(421a)은 하부 몸체(411)의 삽입 홀(411a)에 대응하는 위치에 형성되고, 내면이 복수의 반응 챔버(317)를 포함하는 영역의 카트리지(300)의 전면, 후면 및 바닥면에 접하도록 형성될 수 있다.
복수의 제1 홀(421b) 각각은 카트리지 삽입 홈(421a)의 일측 내면을 관통하여 형성된다. 복수의 제1 홀(421b) 각각은 복수의 반응 챔버(317) 각각에 대응하는 위치에 형성될 수 있다.
복수의 제2 홀(421c) 각각은 카트리지 삽입 홈(421a)의 바닥면을 관통하여 형성된다. 복수의 제2 홀(421c) 각각은 복수의 반응 챔버(317) 각각에 대응하는 위치에 형성될 수 있다.
발열 수단(423)은 열 전도 몸체(421) 내에 배치되고, 일정 온도의 열을 발열한다. 발열 수단(423)은 저항성 히터, 열전 소자 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않고, 열 공급 모듈(420)은 열 전도 몸체(421)의 열을 외부로 방출하는 히트 싱크 등을 더 포함할 수 있다.
검출 모듈(430)은 열 공급 모듈(420)에 인접하여 배치되고, 통합 제어 모듈(460)에 의해 제어되어 복수의 반응 챔버(317) 각각에 광을 조사하고, 복수의 반응 챔버(317) 각각을 통과한 광을 검출하여 검출 신호를 생성한다.
검출 모듈(430)은 도 11에 도시된 바와 같이, 복수의 광원(431) 및 복수의 광 검출기(433)를 포함할 수 있다. 복수의 광원(431) 각각은 통합 제어 모듈(460)에 의해 제어되어 복수의 반응 챔버(317) 각각에 광을 조사할 수 있다. 복수의 광원(431) 각각은 발광 다이오드(Light emitting diode; LED)나 레이저 다이오드(laser diode; LD)로 형성될 수 있다.
여기에서, 복수의 광원(431) 각각은 열 전도 몸체(421)의 복수의 제2 홀(421c)에 인접하여 배치될 수 있다. 복수의 광원(431) 각각은 카트리지(300)를 기준으로 복수의 광 검출기(433) 각각과 수평한 방향 또는 수직한 방향에 배치될 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 복수의 광원(431) 각각이 복수의 광 검출기(433) 각각과 수직한 방향에 배치되는 경우를 예를 들어 도시하였으나, 본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않고, 복수의 광원(431) 각각은 카트리지(300)를 기준으로 복수의 광 검출기(433) 각각과 수평한 방향에 배치될 수 있다.
바람직하게, 광 검출기(433)가 시료 용액의 색을 검출하는 경우 광원(431)은 광 검출기(433)와 수평한 방향에 배치될 수 있고, 광 검출기(433)가 시료 용액의 형광을 검출하는 경우 광원(431)은 광 검출기(433)와 수직한 방향에 배치될 수 있다.
복수의 광 검출기(433) 각각은 복수의 반응 챔버(317) 각각을 통과한 광을 검출하여 검출 신호를 생성하고, 통합 제어 모듈(460)에 전송할 수 있다. 복수의 광 검출기(433) 각각은 복수의 반응 챔버(317) 각각에 대면하여 배치될 수 있다. 복수의 광 검출기(433) 각각은 열 전도 몸체(421)의 복수의 제1 홀(421b)에 인접하여 배치될 수 있다. 여기에서, 복수의 광 검출기(433) 각각은 포토다이오드(photodiode; PD), 광증배관(photo multiplier tube; PMT), 포토트랜지스터, 또는 CCD(charge-coupled device)나 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor)와 같은 이미지 센서를 포함할 수 있다.
전원 모듈(440)은 열 공급 모듈(420), 검출 모듈(430) 및 통합 제어 모듈(460) 각각에 전원을 공급할 수 있다. 전원 모듈(440)은 배터리, 전원 버튼, 전원 단자 등을 포함할 수 있다.
감지 모듈(450)은 몸체(410)의 닫힘 상태를 감지하여 개폐 감지 신호를 생성하고, 열 공급 모듈(420)의 온도를 감지하여 온도 감지 신호를 생성할 수 있다. 감지 모듈(450)은 개폐 몸체(413)를 지지하는 판 스프링 부재(미도시), 압력 센서(미도시) 및 온도 센서(미도시)를 포함할 수 있다.
감지 모듈(450)은 압력 센서를 통해 개폐 몸체(413)의 닫힘 동작 시 판 스프링 부재로부터 발생하는 탄성력을 감지하여 개폐 감지 신호를 생성할 수 있다. 또한, 감지 모듈(450)은 온도 센서를 통해 열 공급 모듈(420)의 온도를 감지하여 온도 감지 신호를 생성할 수 있다.
통합 제어 모듈(460)은 검출 모듈(430)로부터 전송된 검출 신호 및 개폐 감지 신호에 따라 미리 설정된 동작 조건을 만족하는지 여부를 판단할 수 있다. 구체적으로, 통합 제어 모듈(460)은 검출 신호에 따라 카트리지(300)의 삽입 및 복수의 반응 챔버(317) 내에 시료 용액의 이송 여부를 판단할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 제어 모듈(460)은 검출 모듈(430)을 몸체(410) 내에 카트리지(300)가 삽입되었는지 여부를 판단하기 위한 센서 및 각 반응 챔버(317) 내에 시료 용액이 주입되었는지 여부를 판단하기 위한 센서로 활용하여 동작 조건을 판단할 수 있다.
또한, 통합 제어 모듈(460)은 개폐 감지 신호에 따라 몸체(410)의 개폐 여부를 판단할 수 있다. 즉, 통합 제어 모듈(460)은 카트리지(300)가 삽입되어 복수의 반응 챔버(317) 내에 시료 용액이 이송되고, 몸체(410)가 닫힘 상태인 경우 모든 동작 조건이 만족되는 것으로 판단할 수 있다.
통합 제어 모듈(460)은 동작 조건을 만족하면 열 공급 모듈(420)을 통해 복수의 반응 챔버(317) 각각에 핵산 증폭 반응에 필요한 일정 온도의 열을 공급한다. 통합 제어 모듈(460)은 온도 감지 신호에 따라 열 공급 모듈(420)의 온도를 일정하게 제어할 수 있다.
통합 제어 모듈(460)은 복수의 반응 챔버(317) 각각에 일정 온도의 열이 공급되면 복수의 반응 챔버(317) 각각의 시료 용액으로부터 핵산 증폭 반응에 의한 색 또는 형광 세기의 변화를 검출하여 진단 대상의 존재 여부를 진단할 수 있다. 통합 제어 모듈(460)은 사용자 단말(2)과 통신하여 진단 대상에 대한 진단 결과를 전송할 수 있다. 통합 제어 모듈(460)은 사용자 단말(2)에 의해 제어될 수 있고, PCB(Printed Circuit Board) 기판으로 구현될 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단 방법을 도시한 순서도이고, 도 13은 버퍼 튜브의 유입구 마개 부재의 이동 동작을 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 14는 시료 용액의 이동 경로를 설명하기 위해 도시한 도면이며, 도 15a 및 도 15b는 진단 결과를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 12를 참조하면, 먼저 시료 채취 도구(100)를 이용하여 사용자로부터 시료를 채취한다(단계 S110). 그 다음, 시료 채취 도구(100)를 버퍼 튜브(200)의 튜브 몸체(210)에 투입한다(단계 S120). 이때, 시료 채취 도구(100)는 버퍼 튜브(200) 내에 미리 주입된 버퍼 용액에 침지된다. 그 다음, 개폐 몸체(220)를 닫는다. 이때, 유입구 마개 부재(230)는 개폐 몸체(220)의 관통 홀(225)에 끼움 삽입된 상태이므로 개폐 몸체(220)가 닫히면 튜브 몸체(210)가 밀봉된다.
그 다음, 버퍼 튜브(200)를 흔든다. 그러면, 시료 채취 도구(100)를 통해 채취된 시료의 세포막이 파괴되어 핵산이 추출된다(단계 S130). 이에 따라, 버퍼 용액에 핵산이 혼합된 시료 용액이 준비된다.
이 상태에서, 카트리지(300)를 하부 몸체(411)의 삽입 홀(411a)을 통해 진단 모듈 본체(400)에 카트리지(300)를 장착한다(단계 S140). 그리고, 버퍼 튜브(200)를 카트리지(300)의 튜브 수용 몸체(311) 내에 삽입한다. 이때, 튜브 몸체(210)의 바닥면은 천공 부재(311b)에 의해 천공된다(단계 S150). 그러면, 시료 용액이 튜브 몸체(210)로부터 배출된다. 이때, 버퍼 튜브(200)의 유입구 마개 부재(230)에 의해 복수의 통기 홀(227)이 닫힘 상태이므로, 시료 용액은 유입구(313)로 유입되지 않는다.
이 상태에서 개폐 몸체(413)를 닫으면, 도 13에 도시된 바와 같이, 개폐 몸체(413)의 누름 부재(413a)가 버퍼 튜브(200)의 유입구 마개 부재(230)를 가압하고, 유입구 마개 부재(230)는 하측 방향으로 이동하여 복수의 통기 홀(227)을 개방시킨다. 이에 따라, 튜브 몸체(210)의 내부 공간으로 공기가 유입되는 공기 유입 경로(A)가 형성된다.
그러면, 도 14에 도시된 바와 같이, 복수의 유체 채널(315)의 양단에서 공기가 통하는 상태로 모세관력(capillary force)에 의해 시료 용액이 유입구(313)부터 대응하는 반응 챔버(317)를 거쳐 대응하는 유출구(319)까지 이어지는 경로(B)로 이동한다. 이때, 복수의 유출구(319) 각각은 대응하는 유출구 마개 부재(320)에 의해 막힌 상태이므로 시료 용액은 흐름이 멈춘 상태로 반응 챔버(317) 내에 수용된다. 이와 같이, 시료 용액이 복수의 유체 채널(315) 각각을 통해 대응하는 반응 챔버(317)로 이송된다(단계 160).
이때, 통합 제어 모듈(460)은 검출 신호 및 개폐 감지 신호에 따라 동작 조건을 만족하는지 여부를 판단한다. 예를 들어, 통합 제어 모듈(460)은 검출 신호에 따라 몸체(410) 내에 카트리지(300)가 삽입되었는지 여부를 판단하고, 각 반응 챔버(317) 내에 시료 용액이 주입되었는지 여부를 판단할 수 있다. 그리고, 통합 제어 모듈(460)은 개폐 감지 신호에 따라 몸체(410)의 개폐 여부를 판단할 수 있다. 여기에서, 통합 제어 모듈(460)은 진단 모듈 본체(400) 내에 카트리지(300)가 삽입되고, 몸체(410)가 닫혀 각 반응 챔버(317) 내에 시료 용액이 주입되면 모든 동작 조건을 만족하는 것으로 판단할 수 있다.
이와 같이 모든 동작 조건이 만족되면 통합 제어 모듈(460)은 열 공급 모듈(420)을 통해 복수의 반응 챔버(317)에 일정 온도의 열을 공급한다. 이에 따라, 복수의 반응 챔버(317) 각각에 수용된 시료 용액의 핵산 증폭 반응이 수행된다. 이때, 검출 모듈(430)은 시료 용액의 색 또는 형광 세기를 검출하여 검출 신호를 생성하고, 통합 제어 모듈(460)에 전송한다.
그 다음, 통합 제어 모듈(460)은 검출 신호에 따라 복수의 반응 챔버(317) 각각의 시료 용액으로부터 핵산 증폭 반응에 의한 색 또는 형광 세기의 변화를 검출하여 진단 대상의 존재 여부를 진단한다.
예를 들어, 반응 챔버(317)가 A, B, C의 3개이고, 반응 챔버(A) 및 반응 챔버(B) 각각에 COVID-19를 진단할 수 있는 제1 및 제2 유형의 유전자를 검출하기 위한 시약이 포함되고, 반응 챔버(C)에 장치의 정상 동작 여부 및 시료 채취가 충분한지 여부를 확인하기 위한 내부 대조 물질(Internal control; IC) 시약이 포함될 수 있다. 여기에서, 내부 대조 물질(IC)은 상피 세포의 RNA를 확인하기 위한 물질로서, 시료 채취가 충분하지 않거나, 장치가 정상적으로 동작하지 않은 경우 음성(negative)으로 나타난다.
이 상태에서 통합 제어 모듈(460)은 반응 챔버(A, B, C) 각각에 수용된 시료 용액에서 핵산 증폭 반응 전과 후에 pH 변화로 인한 색 변화가 검출되면 진단 대상이 존재하는 것으로 판단할 수 있다. 이를 위해, 반응 챔버(A, B, C) 각각에 수용된 시료 용액에는 핵산 증폭 반응에 의해 색이 변하는 페놀 레드(Phenol red) 표지자(indicator) 또는 퍼플(purple) 표지자가 포함될 수 있다.
예를 들어, 도 15a에 도시된 바와 같이, 핵산 증폭 반응 후에 반응 챔버(A) 및 반응 챔버(C) 각각에 수용된 시료 용액의 색이 변화되고, 반응 챔버(B)에 수용된 시료 용액의 색이 변화되지 않은 경우 반응 챔버(A, C) 각각의 색 변화에 대응하는 검출 신호, 즉 전기적 출력(Electrical signal) 값은 핵산 증폭 반응 전의 전기적 출력 값(점선 표시) 보다 증가한다. 그러면, 통합 제어 모듈(460)은 시료 채취가 적절하게 이루어졌고, 장치가 정상적으로 동작하였음을 확인하고, 제1 유형의 COVID-19 바이러스가 존재(positive)하는 것으로 판단할 수 있다.
이와 달리, 통합 제어 모듈(460)은 핵산 증폭 반응에 의한 시료 용액의 형광 세기의 변화를 검출하여 진단 대상의 존재 여부를 진단할 수 있다. 예를 들어, 도 15b에 도시된 바와 같이, 반응 챔버(A) 및 반응 챔버(C) 각각에 수용된 시료 용액의 형광 세기가 (B)와 달리 증가한 경우 통합 제어 모듈(460)은 시료 채취가 적절하게 이루어졌고, 장치가 정상적으로 동작하였음을 확인하고, 제1 유형의 COVID-19 바이러스가 존재(positive)하는 것으로 판단할 수 있다.
그 다음, 통합 제어 모듈(460)은 진단 대상에 대한 진단 결과를 사용자 단말(2)에 제공한다(단계 S170). 이후, 버퍼 튜브(200) 및 카트리지(300)는 밀봉되어 폐기 처리될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않고, S140 단계에서, 카트리지(300)를 진단 모듈 본체(400)에 삽입할 때, 카트리지(300)에 버퍼 튜브(200)를 삽입한 상태로 진단 모듈 본체(400)에 삽입할 수 있다. 즉, 버퍼 튜브(200)를 카트리지(300)에 먼저 삽입하고, 버퍼 튜브(200)와 함께 카트리지(300)를 진단 모듈 본체(400)에 삽입할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 분자 진단 장치(1)는 채취된 시료의 전처리 및 진단 결과까지 하나의 장치로 구현할 수 있다. 따라서, 간편하고, 신속하게 진단 결과를 얻을 수 있다. 또한, 광학 방식으로 진단 결과를 얻음으로써 기기를 작고, 단순하게 구현할 수 있어 현장 진단에도 이용될 수 있다. 그리고, 사용자 단말(2)에서 진단 결과를 확인할 수 있으므로 편의성이 향상될 수 있다.
1: 일체형 분자 진단 장치
2: 사용자 단말
2: 사용자 단말
Claims (24)
- 시료를 채취하는 시료 채취 도구가 삽입되고, 상기 채취된 시료로부터 추출된 핵산이 포함된 시료 용액을 생성하는 버퍼 튜브;
상기 버퍼 튜브와 결합하여 상기 시료 용액을 공급받고, 유체 채널을 통해 상기 시료 용액을 반응 챔버로 이송하여 핵산 증폭 반응을 수행하는 카트리지; 및
상기 카트리지와 탈착 가능하게 결합하여 상기 반응 챔버에 일정 온도의 열을 공급하고, 상기 핵산 증폭 반응을 검출하여 진단 대상의 존재 여부를 진단하는 진단 모듈 본체를 포함하는 일체형 분자 진단 장치. - 제1항에 있어서, 상기 버퍼 튜브는
버퍼 용액이 미리 주입되고, 상기 시료 채취 도구가 삽입된 상태로 흔드는 동작에 의해 상기 시료의 세포막을 파괴하여 상기 핵산을 추출하는 일체형 분자 진단 장치. - 제2항에 있어서, 상기 버퍼 튜브는
상기 시료 채취 도구를 수용하고, 상기 버퍼 용액이 미리 주입된 내부 공간을 포함하는 튜브 몸체;
상기 튜브 몸체와 결합되어 상기 내부 공간을 개폐하는 개폐 몸체; 및
상기 개폐 몸체를 관통하여 삽입되고, 상기 진단 모듈 본체로부터 인가되는 가압력에 의해 이동하여 상기 튜브 몸체의 내부 공간에 선택적으로 공기를 유입시키는 유입구 마개 부재를 포함하는 일체형 분자 진단 장치. - 제3항에 있어서, 상기 개폐 몸체는
하부면으로부터 돌출되고, 환형으로 형성되어 외주면이 상기 튜브 몸체의 내주면에 삽입되는 돌출턱;
상부면과 상기 하부면 사이를 관통하여 형성되고, 상기 유입구 마개 부재가 삽입되는 관통 홀; 및
상기 관통 홀의 측면과 상기 돌출턱 사이의 상기 하부면 상에 형성되고, 서로 이격되어 형성된 복수의 통기 홀을 포함하는 일체형 분자 진단 장치. - 제3항에 있어서,
상기 진단 모듈 본체는 상기 유입구 마개 부재에 대응하는 위치에 형성된 누름 부재를 포함하고,
상기 누름 부재는 상기 진단 모듈 본체의 개폐 동작에 의해 상기 유입구 마개 부재에 상기 가압력을 인가하는 일체형 분자 진단 장치. - 제1항에 있어서, 상기 버퍼 튜브는
폴리프로필렌 및 폴리카보네이트 중 적어도 어느 하나를 포함하는 플라스틱 소재로 형성되는 일체형 분자 진단 장치. - 제1항에 있어서, 상기 카트리지는
전면과 후면을 포함하는 판 형태로 형성된 카트리지 몸체; 및
상기 카트리지 몸체의 전면에 결합된 카트리지 홀더를 포함하는 일체형 분자 진단 장치. - 제7항에 있어서, 상기 카트리지 몸체는
상기 카트리지 몸체의 전면에 형성되고, 상기 버퍼 튜브가 삽입되는 내부 공간을 포함하는 튜브 수용 몸체;
상기 버퍼 튜브의 바닥면과 접하는 상기 튜브 수용 몸체의 지지면에서 상기 카트리지 몸체의 후면을 관통하여 형성되는 유입구;
상기 카트리지 몸체의 전면에 형성되고, 상기 유입구와 상기 반응 챔버 사이에 배치되는 유출구;
상기 카트리지 몸체의 후면에 형성되고, 상기 유입구로부터 상기 유출구까지 상기 시료 용액을 이송시키는 상기 유체 채널;
상기 카트리지 몸체의 후면의 상기 유체 채널 내에 형성되어 상기 시료 용액을 수용하고, 미리 주입된 시약을 포함하며, 상기 일정 온도의 열을 공급받아 상기 핵산 증폭 반응을 수행하는 상기 반응 챔버; 및
상기 유출구에 삽입되어 공기는 통과시키고, 상기 시료 용액은 차단시키는 유출구 마개 부재를 포함하는 일체형 분자 진단 장치. - 제8항에 있어서, 상기 유체 채널은
상기 유입구부터 상기 반응 챔버까지 형성된 제1 유로; 및
상기 반응 챔버부터 상기 유출구까지 형성된 제2 유로를 포함하는 일체형 분자 진단 장치. - 제9항에 있어서, 상기 제2 유로는
지그재그로 굴곡진 형태로 형성되는 일체형 분자 진단 장치. - 제8항에 있어서, 상기 유출구 마개 부재는
다공성 폴리에틸렌 및 다공성 하이드로겔 중 적어도 어느 하나로 형성되는 일체형 분자 진단 장치. - 제8항에 있어서, 상기 튜브 수용 몸체는
전면에 형성된 결합 홀; 및
상기 지지면 상에 형성되어 상기 버퍼 튜브의 바닥면을 천공시키는 천공 부재를 포함하는 일체형 분자 진단 장치. - 제12항에 있어서, 상기 카트리지 홀더는
상기 튜브 수용 몸체에 대면하는 내측면 상에 형성되고, 상기 버퍼 튜브의 삽입에 따른 슬라이딩 동작에 의해 탄성 변형되는 탄성 부재; 및
상기 결합 홀에 대응하는 위치에 상기 탄성 부재로부터 돌출되어 형성되고, 기울어진 경사면을 갖는 결합 돌기를 포함하는 일체형 분자 진단 장치. - 제13항에 있어서,
상기 버퍼 튜브는 상기 결합 홀에 대응하는 위치의 외주면에 형성된 오목 홈을 포함하며,
상기 결합 돌기는 상기 결합 홀에 삽입되어 상기 오목 홈에 걸림 결합되고, 상기 탄성 부재로부터 탄성 복원력을 제공받아 상기 버퍼 튜브를 가압하는 일체형 분자 진단 장치. - 제1항에 있어서, 상기 카트리지는
폴리프로필렌, 폴리카보네이트 및 아크릴 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 투명한 플라스틱 소재로 형성되는 일체형 분자 진단 장치. - 제1항에 있어서, 상기 진단 모듈 본체는
일정 크기의 내부 공간을 포함하고, 상면에 상기 카트리지가 삽입되는 삽입 홀을 포함하는 하부 몸체와 상기 하부 몸체와 결합되어 상기 내부 공간을 개폐하는 개폐 몸체를 포함하는 몸체;
상기 몸체의 내부 공간에 배치되고, 상기 삽입 홀에 대응하는 위치에 형성된 카트리지 삽입 홈을 통해 상기 카트리지와 탈착 결합되며, 상기 반응 챔버에 상기 일정 온도의 열을 공급하는 열 공급 모듈;
상기 몸체의 내부 공간에 배치되어 상기 반응 챔버에 광을 조사하고, 상기 시료 용액의 색상 또는 형광 세기를 검출하여 검출 신호를 생성하는 검출 모듈; 및
상기 몸체의 내부 공간에 배치되고, 상기 검출 신호로부터 상기 핵산 증폭 반응에 의한 상기 시료 용액의 색상 또는 형광 세기의 변화를 판단하여 상기 진단 대상의 존재 여부를 진단하는 통합 제어 모듈을 포함하는 일체형 분자 진단 장치. - 제16항에 있어서, 상기 검출 모듈은
상기 반응 챔버에 광을 조사하는 광원; 및
상기 광이 조사된 상기 시료 용액의 색상 또는 형광 세기를 검출하여 상기 검출 신호를 생성하는 광 검출기를 포함하는 일체형 분자 진단 장치. - 제16항에 있어서, 상기 통합 제어 모듈은
사용자 단말과 통신하고, 상기 진단 대상에 대한 진단 결과를 상기 사용자 단말에 전송하는 일체형 분자 진단 장치. - 시료 채취 도구를 이용하여 시료를 채취하는 단계;
상기 시료 채취 도구가 버퍼 튜브에 삽입되면, 상기 시료로부터 핵산을 추출하여 시료 용액을 준비하는 단계;
상기 버퍼 튜브가 카트리지에 장착되고, 상기 카트리지가 진단 모듈 본체에 삽입된 상태로 상기 버퍼 튜브로부터 상기 시료 용액을 배출시켜 상기 카트리지에 형성된 유체 채널을 통해 반응 챔버로 이송하는 단계;
상기 반응 챔버에 일정 온도의 열을 가하여 핵산 증폭 반응을 수행하는 단계; 및
상기 진단 모듈 본체를 통해 상기 핵산 증폭 반응을 검출하여 진단 대상의 존재 여부를 진단하는 단계를 포함하는 일체형 분자 진단 장치를 이용한 분자 진단 방법. - 제19항에 있어서, 상기 시료 용액을 준비하는 단계는
상기 버퍼 튜브에 미리 주입된 버퍼 용액에 상기 시료 채취 도구가 침지된 상태에서 상기 버퍼 튜브를 흔드는 동작에 의해 상기 시료의 세포막을 파괴시켜 상기 핵산을 추출하는 단계를 포함하는 일체형 분자 진단 장치를 이용한 분자 진단 방법. - 제19항에 있어서, 상기 시료 용액을 이송하는 단계는
상기 버퍼 튜브의 바닥면을 천공시켜 상기 시료 용액을 상기 버퍼 튜브로부터 배출시키는 단계; 및
상기 유체 채널의 양단에 연결된 유입구 및 유출구에 공기를 유입시키는 단계를 포함하는 일체형 분자 진단 장치를 이용한 분자 진단 방법. - 제21항에 있어서, 상기 유입구에 공기를 유입시키는 단계는
상기 카트리지가 삽입된 이후 상기 진단 모듈 본체의 닫힘 동작에 의해 상기 버퍼 튜브를 개폐시키는 개폐 몸체에 형성된 복수의 통기 홀을 개방시키는 단계를 포함하는 일체형 분자 진단 장치를 이용한 분자 진단 방법. - 제22항에 있어서,
상기 복수의 통기 홀은 상기 개폐 몸체를 관통하는 유입구 마개 부재에 의해 닫힌 상태이고, 상기 진단 모듈 본체의 닫힘 동작에 의해 상기 진단 모듈 본체에 형성된 누름 부재가 상기 유입구 마개 부재를 가압하면 개방되는 일체형 분자 진단 장치를 이용한 분자 진단 방법. - 제19항에 있어서, 상기 진단 대상의 존재 여부를 진단하는 단계는
상기 반응 챔버에 광을 조사하는 단계;
상기 시료 용액의 색 또는 형광 세기를 검출하는 단계; 및
상기 핵산 증폭 반응의 전과 후에 상기 색 또는 형광 세기의 변화 여부를 판단하는 단계를 포함하는 일체형 분자 진단 장치를 이용한 분자 진단 방법.
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