KR20230088830A - 써멀 모듈 및 이의 동작 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 구현예에 따른 써멀 모듈은, 샘플 홀더가 접촉되는 제 1 열전도체, 상기 제 1 열전도체와 열적으로 연결되어, 상기 샘플 홀더를 가열하기 위한 가열 동작을 수행하는 제 1 가열소자, 및 상기 제 1 열전도체와 열적으로 연결되어, 상기 샘플 홀더를 냉각하기 위한 냉각 동작을 수행하는 열전소자를 포함한다.

Description

써멀 모듈 및 이의 동작 방법
본 발명은 핵산 반응을 위한 써멀 모듈 및 이의 동작 방법에 관한 것이다.
중합효소 연쇄반응(Polymerase chain reaction: PCR)으로 공지된 가장 많이 사용되는 핵산 증폭 반응은 이중가닥 DNA의 변성, DNA 주형에로의 올리고뉴클레오타이드 프라이머의 결합 및 DNA 중합효소에 의한 프라이머 연장의 반복된 사이클 과정을 포함한다(Mullis 등, 미국 특허 제4,683,195호, 제4,683,202호 및 제4,800,159호; Saiki et al., (1985) Science 230, 1350-1354).
DNA의 변성은 약 95도에서 진행되고, 결합 및 프라이머의 연장은 95도보다 낮은 온도인 55도 내지 75도에서 진행된다. 따라서, 샘플이 수용되는 반응용기 또는 챔버들의 온도를 올렸다 내리는 과정을 반복하여 샘플의 핵산 증폭 반응을 수행한다. 이 때 샘플을 가열하거나 냉각시키기 위해 기존에는 반응용기 또는 챔버에 접촉되는 펠티어 소자를 이용하였다. 즉, DNA의 변성 단계에는 펠티어 소자에 의해 샘플이 약 95도로 가열되고, 결합 및 프라이머의 연장 단계에는 펠티어 소자에 의해 샘플이 55도 내지 75도로 냉각된다.
핵산 증폭 반응을 수행하기 위한 핵산 증폭 기기는 샘플의 가열 및 냉각을 수행하기 위해 펠티어(Peltier) 소자를 흔히 사용하는데, 펠티어 소자는 고온부와 저온부의 온도차가 클수록 냉각 효율이 저하되는 한계가 있어 높은 전력을 소비함에도 불구하고 효율이 낮은 문제가 있었다.
예를 들어, 변성 단계에서 샘플을 가열한 펠티어 소자는 발열부와 흡열부 사이의 큰 온도차를 가지게 되며, 따라서 그 후 결합 및 프라이머의 연장 단계에서는 샘플을 냉각하는 펠티어 소자는 상기 온도차에 의해 낮은 냉각 효율을 가지게 되는 것이다.
따라서, 핵산 증폭 반응을 수행하기 위한 열교환의 효율, 특히 냉각 효율이 개선되는 열교환 모듈 및 그 제어방법의 개발이 필요하다.
상술한 종래기술의 문제점을 극복하기 위해서, 본 발명은 샘플 홀더를 가열하기 위한 가열 동작을 수행하는 가열소자 및 샘플 홀더를 냉각하기 위한 냉각 동작을 수행하는 열전소자를 포함함으로써, 상기 열전소자의 냉각 동작 시 상기 열전소자의 냉각 효율을 확보할 수 있는 써멀 모듈 및 이의 동작 방법을 제공하기 위한 목적이 있다.
또한, 본 발명은 상기 샘플 홀더가 열적으로 연결되는 열전도체를 포함하고 상기 가열소자 및 열전소자가 상기 열전도체에 열적으로 연결되게 구비됨으로써, 상기 가열소자의 가열 동작 및 상기 열전소자의 냉각 동작이 상기 샘플 홀더에 상기 열전도체를 통해 간접적으로 수행되게 하기 위한 목적이 있다.
또한, 본 발명은 상기 가열소자의 가열 동작 시 상기 열전소자는 상기 제 1 열전도체와 열적으로 연결된 면을 발열함으로써, 상기 가열소자의 가열 동작 시 상기 열전소자로의 열손실을 최소화하기 위한 목적이 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 써멀 모듈은, 샘플 홀더가 접촉되는 제 1 열전도체, 상기 제 1 열전도체와 열적으로 연결되어, 상기 샘플 홀더를 가열하기 위한 가열 동작을 수행하는 제 1 가열소자, 및 상기 제 1 열전도체와 열적으로 연결되어, 상기 샘플 홀더를 냉각하기 위한 냉각 동작을 수행하는 열전소자를 포함한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 샘플 홀더를 가열하기 위한 상기 샘플 홀더와 접촉되는 제 1 열전도체를 포함하는 써멀 모듈의 동작 방법은, 상기 제 1 열전도체와 열적으로 연결된 제 1 가열소자가 상기 샘플 홀더를 가열하는 가열 단계, 및 상기 제 1 열전도체와 열적으로 연결된 열전소자가 상기 샘플 홀더를 냉각하는 냉각 단계를 포함한다.
본 발명은 샘플 홀더를 가열하기 위한 가열 동작을 수행하는 가열소자 및 샘플 홀더를 냉각하기 위한 냉각 동작을 수행하는 열전소자를 각각 구비함으로써 상기 열전소자의 냉각 동작 시 상기 열전소자의 냉각 효율을 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 상기 가열소자의 가열 동작 및 상기 열전소자의 냉각 동작이 상기 샘플 홀더에 상기 열전도체를 통해 간접적으로 수행되게 함으로써 컴팩트하게 모듈을 구성할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 상기 가열소자의 가열 동작 시 상기 열전소자는 상기 제 1 열전도체와 열적으로 연결된 면을 발열함으로써 상기 가열소자의 가열 동작 시 상기 열전소자로의 열손실을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 써멀 모듈의 구성도이다.
도 4 내지 도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 써멀 모듈의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따른 써멀 모듈의 일부에 대한 분해사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른 써멀 모듈의 일부에 대한 단면도이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시 예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시 예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업자계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서, 자명할 것이다.
각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 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. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 용어 “샘플(sample)”은 분석물(analyte)를 포함하거나 포함할 것으로 추정되는 물질을 의미한다.
“샘플”은 생물학적 샘플 (예를 들어, 생물학적 공급원으로부터의 세포, 조직 및 체액) 및 비생물학적 샘플 (예를 들어, 음식, 물 및 토양)을 포함할 수 있다. 상기 생물학적 샘플은 바이러스, 세균, 조직, 세포, 혈액 (예를 들어 전혈, 혈장 및 혈청), 림프, 골수액, 타액, 객담(sputum), 도말(swab), 흡인물(aspiration), 젖, 소변, 분변, 안구액, 타액, 정액, 뇌 추출물, 척수액(SCF), 관절액, 충수, 비장 및 편도 조직 추출물, 흉선액, 기관지 세척액, 복수 및 양막액을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 샘플은 생물학적 공급원으로부터 단리된 자연 핵산 분자 및 합성 핵산 분자를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 의하면, 상기 “샘플”은 샘플의 보존, 처리, 검출 등에 사용되는 물질을 포함할 수 있다. “샘플”은 증폭용 시약, 검출용 시약, 보존제, 물, 탈 이온수, 식염수, pH 완충액, 산성 용액, 염기성 용액과 같은 추가 물질을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 용어 “샘플 처리(processing)”란 일차적으로 상기 샘플로부터 분석대상 물질을 분리하여 검출 반응이 가능한 상태의 물질을 수득하는 일련의 과정을 의미한다. 상기 샘플 처리란 검출 반응이 가능한 상태의 물질로부터 타겟 분석물질을 검출하는 과정을 추가로 포함하는 의미로 사용될 수 있다. 상기 분석대상 물질은 예를 들어 핵산일 수 있다.
핵산 검출은 신호 발생 반응에 의하여 수행될 수 있다.
본 명세서에서 용어 “신호-발생 반응(signal-generating reaction 반응)”은 시료 내 타겟 분석물질의 특성(properties), 예컨대 활성, 양 또는 존재(또는 부존재), 구체적으로 존재(또는 부존재)에 의존적으로 신호를 발생시키는 반응을 의미한다. 본 발명의 신호-발생 반응은 생물학적 반응 및 화학적 반응을 포함한다. 상기 생물학적 반응은 PCR(Polymerase Chain Reaction), 실시간 PCR, 마이크로어레이 분석 및 인베이더 분석과 같은 유전적 분석 과정, 면역학적 분석 과정 및 박테리아 성장 분석 과정을 포함한다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 신호-발생 과정은 유전적 분석 과정이다. 상기 화학적 반응은 화학물질의 생성, 변화 또는 파괴를 분석하는 과정을 포함한다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 신호-발생 반응은 신호의 증폭 반응이다.
본 명세서에서 용어 "신호의 증폭 반응"은 상기 신호-발생수단에 의하여 발생되는 신호를 증가 또는 감소시키는 반응을 의미한다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 증폭 반응은 타겟 분석물질의 존재에 의존적으로 상기 신호-발생수단에 의하여 발생하는 신호의 증가(또는 증폭) 반응을 의미한다. 이러한 증폭 반응은 타겟 분석물질(예컨대, 핵산분자)의 증폭이 동반되거나 또는 동반되지 않을 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명에 있어서 증폭 반응은 타겟 분석물질의 증폭이 동반되는 신호의 증폭 반응을 의미한다.
신호 발생 반응을 이용하여 타겟 핵산의 존재를 나타내는 광학적 신호를 발생시키는 다양한 방법이 알려져 있다. 대표적인 예는 다음을 포함한다: TaqManTM 프로브 방법(미국특허 제5,210,015호), 분자 비콘 방법(Tyagi 등, Nature Biotechnology v.14 MARCH 1996), 스콜피온(Scorpion) 방법(Whitcombe 등, Nature Biotechnology 17:804-807(1999)), 선라이즈(Sunrise 또는 Amplifluor) 방법(Nazarenko 등, 2516-2521 Nucleic Acids Research, 25(12):2516-2521(1997), 및 미국특허 제6,117,635호), 럭스(Lux) 방법(미국특허 제7,537,886호), CPT(Duck P, 등. Biotechniques, 9:142-148(1990)), LNA 방법 (미국특허 제6,977,295호), 플렉서(Plexor) 방법(Sherrill CB, 등, Journal of the American Chemical Society, 126:4550-4556(2004)), HybeaconsTM (D. J. French, et al., Molecular and Cellular Probes (2001) 13, 363-374 및 미국특허 제7,348,141호), 이중표지된 자가-퀀칭된 프로브(Dual-labeled, self-quenched probe; 미국특허 제5,876,930호), 혼성화 프로브(Bernard PS, et al., Clin Chem 2000, 46, 147-148), PTOCE(PTO cleavage and extension) 방법(WO 2012/096523), PCE-SH(PTO Cleavage and Extension-Dependent Signaling Oligonucleotide Hybridization) 방법(WO 2013/115442), PCE-NH(PTO Cleavage and Extension-Dependent Non-Hybridization) 방법(PCT/KR2013/012312), CER 방법(WO 2011/037306), 및 동화 프로브 방법(Assimilating probe method) (PCR/US2011/041540).
본 발명의 써멀 모듈 및 이의 동작 방법을 이용하여 다양한 핵산 증폭 반응을 수행할 수 있다. 예를 들어, 중합효소연쇄반응(the polymerase chain reaction (PCR)), 리가아제 연쇄반응(ligase chain reaction (LCR)) (미국특허 제4,683,195호 및 제4,683,202호; PCR Protocols: A Guide to Methods and Applications (Innis et al., eds, 1990)), 가닥 치환 증폭(strand displacement amplification (SDA)) (Walker, et al. Nucleic Acids Res. 20(7):1691-6 (1992); Walker PCR Methods Appl 3(1):1-6 (1993)), 전사 매개 증폭(transcription-mediated amplification) (Phyffer, et al., J. Clin. Microbiol. 34:834-841 (1996); Vuorinen, et al., J. Clin. Microbiol. 33:1856-1859 (1995)), 염기순서기반증폭(nucleic acid sequence-based amplification (NASBA)) (Compton, Nature 350(6313):91-2 (1991)), 롤링서클 증폭(rolling circle amplification, RCA) (Lisby, Mol. Biotechnol. 12(1):75-99 (1999); Hatch et al., Genet. Anal. 15(2):35-40 (1999)) 및 Q-beta 레플리카제(Q-Beta Replicase) (Lizardi et al., BiolTechnology 6:1197 (1988)), 루프 매개 등온 증폭(loop-mediated isothermal amplication) (LAMP, Y. Mori, H. Kanda and T. Notomi, J. Infect. Chemother., 2013, 19, 404-411), 및 재조합효소 중합효소 증폭(recombinase polymerase amplication) (RPA, J. Li, J. Macdonald and F. von Stetten, Analyst, 2018, 144, 31-67) 등이 있다.
특히, 본 발명의 써멀 모듈 및 이의 동작 방법은 polymerase chain reaction 기반의 핵산 증폭 반응에 유용하게 이용된다. polymerase chain reaction을 기반으로 하는 다양한 핵산 증폭 방법이 알려져 있다. 예를 들어, 정량 PCR (quantitative PCR), digital PCR, 비대칭 PCR (asymmetric PCR), 역전사 효소 PCR (RT-PCR), 분별 디스플레이 PCR (Differential Display PCR: DD-PCR), 네스티드 PCR (nested PCR), 임의적 프라이밍 PCR(AP-PCR), 멀티플렉스 PCR, SNP 지놈 타이핑 PCR 등을 포함한다.
본 발명에서 용어 “사이클”은 일정한 조건의 변화를 수반한 복수의 측정에 있어, 상기 조건의 변화 단위를 말한다. 상기 일정한 조건의 변화는 예를 들어 온도, 반응시간, 반응횟수, 농도, pH, 측정 대상(예를 들어 핵산)의 복제 횟수 등의 증가 또는 감소를 의미한다. 따라서 사이클은 시간(time) 또는 과정(process) 사이클, 단위 운영(unit operation) 사이클 및 재생산(reproductive) 사이클 일 수 있다.
일예로 기질의 농도에 따른 효소의 기질 분해 능력을 측정하는 경우, 기질 농도를 달리하여 수 차례 효소의 기질 분해 정도를 측정한 후, 이로부터 효소의 기질 분해 능력을 분석한다. 이때 일정한 조건의 변화는 기질 농도의 증가이며, 사용된 기질 농도 증가 단위가 하나의 사이클로 설정된다.
다른 일예로 핵산의 등온증폭 반응(isothermal amplification)의 경우 하나의 시료를 반응시간을 달리하여 수 차례 측정을 할 수 있으며, 이 경우 반응시간이 조건의 변화이며, 반응시간 단위가 하나의 사이클로 설정된다. 예를 들어, 1분, 2분, 3분 등 반응시간을 변화시키며 수 차례 측정될 수 있고 이 경우, 사이클은 시간의 단위를 가지며, 하나의 사이클은 1분의 반응 시간 단위로 설정된다.
보다 구체적으로, 용어 "사이클"은 일정한 과정의 반응을 반복하거나 일정한 시간 간격 기준으로 반응을 반복하는 경우, 반복의 하나의 단위를 의미할 수 있다.
일 예로 중합효소 연쇄 반응(PCR)의 경우 하나의 사이클은 핵산의 변성단계(denaturation), 핵산과 프라이머의 결합 단계(hybridization 또는 annealing) 및 프라이머의 연장 단계(extension)를 포함하는 반응을 의미한다. 이 경우 일정한 조건의 변화는 반응의 반복 횟수의 증가이며, 상기 일련의 단계를 포함하는 반응의 반복 단위가 하나의 사이클로 설정된다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 써멀 모듈의 구성도이다. 도 1 내지 도 3에는 본 발명의 일 구현예에 따른 써멀 모듈의 구성 및 배치가 샘플 홀더(10, sample holder)에 대해 상대적으로 도시되어 있다. 도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른 써멀 모듈의 사시도 및 단면도이다.
샘플 홀더(10)에는 샘플이 수용되며, 샘플 홀더(10)는 예를 들어 튜브(tube), 베셀(vessel) 또는 큐벳(cuvette)일 수 있다. 샘플 홀더(10)에 수용된 샘플에는 타겟 핵산이 샘플 처리(processing) 과정에 의해 검출 반응 가능한 상태로 포함된다. 샘플 홀더(10)는 샘플이 수용되는 용기부(11)를 포함하며, 추가적으로 열전도부(12)를 더 포함할 수 있다. 도면에는 샘플 홀더(10)가 용기부(11) 및 제 1 열전도체(110)에 열적으로 연결되는 열전도부(12)를 포함하는 실시예가 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 샘플 홀더(10)는 용기부만을 포함할 수 있으며, 또는 용기부, 제 1 열전도체(110)에 열적으로 연결되는 열전도부 및 제 2 열전도체(150)에 열적으로 연결되는 열전도부를 포함할 수도 있다. 한편, 샘플이 수용되는 샘플공간은 용기부(11)의 일면에서 음각되어 형성되고 열전도부(12)가 용기부(11)의 일면에서 샘플공간을 커버하며 결합될 수 있다. 일예로, 용기부(11)는 육면체 형상으로 형성되고 샘플공간은 육면 중 일면에서 음각되어 형성되고, 열전도부(12)는 상기 일면에서 샘플공간을 커버하며 결합될 수 있다. 이러한 구조에 의하면 샘플공간에 수용된 샘플이 열전도부(12)와 직접적으로 열적으로 연결될 수 있으며, 따라서 샘플을 보다 빠르게 가열할 수 있다. 이러한 샘플 홀더(10)의 열전도부는 금속층으로 형성될 수 있으며, 예를 들어 알루미늄으로 형성된 금속층일 수 있다.
먼저, 도 1을 참고하여 살펴본다.
본 발명의 써멀 모듈(100)은 샘플 홀더(10)를 가열하거나 냉각함으로써 샘플에 포함된 타겟 핵산의 증폭 반응을 수행한다. 써멀 모듈(100)은 샘플 홀더(10)가 접촉되는 제 1 열전도체(110), 제 1 열전도체(110)와 열적으로 연결되어 샘플 홀더(10)를 가열하기 위한 가열 동작을 수행하는 제 1 가열소자(120, heating element), 및 제 1 열전도체(110)와 열적으로 연결되어 샘플 홀더(10)를 냉각하기 위한 냉각 동작을 수행하는 열전소자(130)를 포함한다.
제 1 가열소자(120)는 샘플 홀더(10)를 가열하는 가열 동작을 수행하는 구성으로서, 제 1 가열소자(120)는 저항 가열 모듈(resistance heating module)일 수 있으며, 예를 들어 12V 30W의 저항 가열 모듈일 수 있다. 제 1 가열소자(120)는 12V/24V, 그리고 10W/20W/30W/40W/50W/60W 중에서 적절히 선택될 수 있다. 열전소자(130)는 샘플 홀더(10)를 냉각하는 냉각 동작을 수행하는 구성으로서, 열전소자(130)는 펠티어(peltier) 소자 또는 열전냉각기(TEC, thermoelectric cooler)일 수 있다. 열전소자(130)는 제 1 열전도체(110) 및 히트싱크(142)에 열적으로 연결되는데, 금속 블록(141)을 매개로 히트싱크(142)에 열적으로 연결될 수 있다. 한편, 본 발명의 써멀 모듈(100)에는 샘플 홀더(10) 및/또는 제1열전도체(110)의 온도를 측정하기 위한 온도센서가 구비되어 샘플 홀더(10)가 적절한 온도로 가열되거나 냉각되었는지 센싱할 수 있다. 상기 온도센서는 후술할 써멀 푸셔(400)에 구비될 수도 있다.
제 1 열전도체(110)에는 샘플 홀더(10), 제 1 가열소자(120) 및 열전소자(130)가 각각 열적으로 연결된다. 열적으로 연결된다 함은 상호 간에 열교환이 가능하게 구비되는 것을 의미하며, 열교환을 매개하는 열전도체를 추가적으로 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 샘플 홀더(10), 제 1 가열소자(120) 또는 열전소자(130)는 제 1 열전도체(110)에 열적으로 연결될 수 있다.
또한, 제 1 가열소자(120)에 의한 샘플 홀더(10)의 가열 및 열전소자(130)에 의한 샘플 홀더(10)의 냉각은 제 1 열전도체(110)를 매개로 간접적으로 이루어진다. 즉, 제 1 가열소자(120) 및 열전소자(130)가 샘플 홀더(10)와 열적으로 직접 연결되지 않고 제 1 열전도체(110)를 매개로 열적으로 간접 연결된다.
제 1 열전도체(110)는 두 개의 면(two planes)을 포함하고, 상기 두 개의 면에 샘플 홀더(10), 제 1 가열소자(120) 및 열전소자(130)가 열적으로 연결될 수 있다. 제 1 열전도체(110)에 대해 샘플 홀더(10), 제 1 가열소자(120) 및 열전소자(130)의 배치를 컴팩트하게 구성하기 위해 샘플 홀더(10), 제 1 가열소자(120) 및 열전소자(130)의 일부는 상기 두 개의 면 중 어느 하나에 열적으로 연결되고 나머지는 상기 두 개의 면 중 다른 하나에 열적으로 연결될 수 있다. 제 1 가열소자(120)와 열전소자(130)는 제 1 열전도체(110)의 서로 다른 면에 열적으로 연결될 수 있다. 도면에 도시된 일 구현예에 의하면, 제 1 열전도체(110)의 두 개의 면 중 어느 하나에 열전소자(130)가 열적으로 연결되고 다른 하나에 샘플 홀더(10) 및 제 1 가열소자(120)가 열적으로 연결될 수 있다. 다른 구현예에 의하면, 제 1 열전도체(110)의 두 개의 면 중 어느 하나에 샘플 홀더(10)가 열적으로 연결되고 다른 하나에 제 1 가열소자(120) 및 열전소자(130)가 열적으로 연결될 수 있다. 다른 구현예에 의하면, 제 1 열전도체(110)의 두 개의 면 중 어느 하나에 제 1 가열소자(120)가 열적으로 연결되고 다른 하나에 샘플 홀더(10) 및 열전소자(130)가 열적으로 연결될 수 있다. 다른 구현예에 의하면, 제 1 열전도체(110)의 두 개의 면 중 어느 하나에 샘플 홀더(10), 제 1 가열소자(120) 및 열전소자(130)가 열적으로 연결될 수 있으며, 추가적으로 다른 하나는 절연소재(insulator)에 의해 열교환이 차단될 수 있다. 상기 구현예들에 있어서, 제 1 열전도체(110)의 열손실을 방지하기 위하여 상기 두 개의 면은 각각 샘플 홀더(10), 제 1 가열소자(120), 열전소자(130) 또는 상기 절연소재에 의해 모두 커버되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 구현예들 중 샘플 홀더(10), 제 1 가열소자(120) 및 열전소자(130) 중 어느 두 개가 제 1 열전도체(110)의 동일한 면에 열적으로 연결되는 구현예에 있어서, 상기 어느 두 개는 제 1 열전도체(110)에 동일한 면적으로 연결되거나 서로 다른 면적으로 연결될 수 있다. 또한, 상기 구현예들 중 샘플 홀더(10), 제 1 가열소자(120) 및 열전소자(130)가 제 1 열전도체(110)의 동일한 면에 열적으로 연결되는 구현예에 있어서, 제 1 열전도체(110)에 각각이 모두 동일한 면적으로 연결되거나, 어느 두 개는 동일한 면적으로 연결되고 나머지 하나는 다른 면적으로 연결되거나, 모두 다른 면적으로 연결될 수 있다.
제 1 열전도체(110)의 상기 두 개의 면은 상부 면(plane of top)과 하부 면(plane of bottom)일 수 있다. 도면에 도시된 실시예를 기준으로 열전소자(130), 제 1 열전도체(110), 샘플 홀더(10) 및 제 1 가열소자(120) 순으로 상하로 적층되게 배치되어, 예를 들면 제 1 가열소자(120)가 제 1 열전도체(110)의 상기 상부 면에 열적으로 연결되고 샘플 홀더(10) 및 열전소자(130)가 제 1 열전도체(110)의 상기 하부 면에 열적으로 연결될 수 있다. 또는, 제 1 열전도체(110)의 상기 두 개의 면은 전방 면과 후방 면일 수 있다. 전방 및 후방은 수평방향(또는 측방향) 일측 및 타측에 대응되는 것으로서 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 후술할 바와 같이 푸셔(400)가 샘플 홀더(10)를 향하여 슬라이딩되는 방향 및 그 반대방향일 수 있다. 도면에 도시된 실시예를 기준으로 열전소자(130), 제 1 열전도체(110), 샘플 홀더(10) 및 제 1 가열소자(120) 순으로 수평방향(또는 측방향)으로 배치되어, 예를 들면 샘플 홀더(10) 및 제 1 가열소자(120)가 제 1 열전도체(110)의 상기 전방 면에 열적으로 연결되고 열전소자(130)가 제 1 열전도체(110)의 상기 후방 면에 열적으로 연결될 수 있다.
제 1 열전도체(110)는 금속층으로 형성될 수 있으며, 따라서 샘플 홀더(10)와 제 1 가열소자(120) 및 샘플 홀더(10)와 열전소자(130) 간의 열교환이 신속하게 수행될 수 있다. 제 1 열전도체(110)는 낮은 열용량(heat capacity) 및 넓은 표면적을 가지는 금속층으로 형성되어, 제 1 가열소자(120)에 의한 가열 동작, 열전소자(130)에 의한 냉각 동작 시 샘플 홀더(10)의 가열 또는 냉각이 신속하게 수행될 수 있다. 이러한 금속층은 높은 열 전도도를 가지는 금속으로 형성되며, 예를 들어 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 또는 이들의 조합일 수 있으며, 또는 알루미늄-마그네슘(Al-Mg) 합금, 알루미늄-실리콘(Al-Si) 합금, 금(Au), 텅스텐(W)일 수 있다. 한편, 열전소자(130)의 제 1 열전도체(110)에 열적으로 연결되는 면 및/또는 금속 블록(141)에 열적으로 연결되는 면에는 나노 은 입자를 포함하는 레이어(170, nano silver layer)가 도포될 수 있는데(도 3 참조), 이러한 경우 제 1 열전도체(110)는 은으로 형성된 금속층일 수 있다.
샘플 홀더(10)를 가열하기 위한 제 1 가열소자(120)의 가열 동작 시, 열전소자(130)는 제 1 열전도체(110)와 열적으로 연결된 면을 발열할 수 있다. 따라서, 제 1 가열소자(120)가 발생하여 제 1 열전도체(110)로 전달된 열이 샘플 홀더(10)가 아닌 열전소자(130)로 전도되며 열손실이 발생하는 것을 방지 또는 감소시킬 수 있다. 즉, 제 1 가열소자(120)의 가열 동작에 의해 샘플 홀더(10)의 샘플에 포함된 타겟 핵산의 증폭 반응 중 변성 단계가 진행될 수 있는데, 이 때 열전소자(130)가 제 1 열전도체(110)와 열적으로 연결된 면을 발열함으로써 제 1 가열소자(120)에서 발생된 열이 샘플 홀더(10)가 아닌 열전소자(130)로 전도되며 열손실이 발생하는 것을 방지 또는 감소시킬 수 있다. 바람직하게는, 변성 단계를 진행하기 위한 샘플 홀더(10)의 가열은 열전소자(130)의 발열에 의해 수행되는 것이 아니라 제 1 가열소자(120)의 가열 동작에 의해 수행되는 것이며, 열전소자(130)의 발열은 열전소자(130)로의 열손실 발생을 방지 또는 감소시키기 위한 것이다.
종래기술에 따른 써멀 모듈은 하나의 펠티어 소자를 이용하여 샘플의 가열 및 냉각을 모두 수행하였는데, 상기 펠티어 소자가 약 95℃에서 진행되는 변성 단계를 수행한 후에는 상기 펠티어 소자의 고온부와 저온부 간의 온도차가 크게 벌어지게 되고, 따라서 변성 단계 후 약 55℃ 내지 75℃에서 진행되는 프라이머의 결합 단계 및 연장 단계를 수행하기 위해 펠티어 소자가 샘플을 냉각하는 경우 상기 온도차에 의해 펠티어 소자의 냉각 효율이 매우 낮은 문제가 있었다.
그러나, 본 발명의 써멀 모듈(100)은 제 1 가열소자(120) 및 열전소자(130)를 포함하여 제 1 가열소자(120)의 가열 동작에 의해 변성 단계가 진행되고, 제 1 가열소자(120)의 가열 동작 시 열전소자(130)는 열손실 발생을 방지 또는 감소시키도록 제 1 열전도체(110)와 열적으로 연결된 면을 발열하게 동작함으로써, 변성 단계가 진행된 후에도 열전소자(130)의 고온부와 저온부 간의 온도차가 종래기술에 비해 작으며 따라서 열전소자(130)가 상대적으로 높은 냉각 효율로 샘플 홀더(10)를 냉각하기 위한 냉각 동작을 수행할 수 있게 되는 것이다.
본 발명의 다른 구현예에서, 제 1 가열소자(120)의 가열 동작 시, 열전소자(130)는 제 1 열전도체(110)와 열적으로 연결된 면을 가열할 수 있다. 이때, 열전소자(130)가 제 1 열전도체(110)를 가열하는 온도는 가열동작 후에 냉각동작이 증대될 정도로 가열할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 가열동작에서 열전소자(130)는 제 1 가열소자(120)의 온도와 동일하거나 낮은 온도로 제 1 열전도체(110)를 가열할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 가열동작에서 열전소자(130)는 95℃ 이하의 온도로 제 1 열전도체(110)를 가열할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 가열동작에서 열전소자(130)는 80℃ 이하의 온도로 제 1 열전도체(110)를 가열할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 가열동작에서 열전소자(130)는 60℃ 이하의 온도로 제 1 열전도체(110)를 가열할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 열전소자(130)에 의해 가열된 제 1 열전도체(110)의 온도는 가열동작 동안에 변경될 수 있다.
또한, 열전소자(130)의 냉각 동작 시, 제 1 가열소자(120)는 가열 동작을 중지한다. 열전소자(130)는 제 1 열전도체(110)와 연결된 면을 흡열하여 샘플 홀더(10)의 냉각을 수행하며, 제 1 가열소자(120)의 가열 동작이 중지됨에 따라 열전소자(130)는 신속하게 샘플 홀더(10)의 냉각을 수행할 수 있게 된다. 즉, 열전소자(130)의 냉각 동작에 의해 샘플 홀더(10)의 샘플에 포함된 타겟 핵산의 증폭 반응 중 프라이머의 결합(annealing) 단계 및 연장(extension) 단계가 진행될 수 있다. 열전소자(130)의 냉각 동작은 제 1 가열소자(120)의 가열 동작에 의해 타겟 핵산의 변성(denaturation) 단계가 진행된 후에 수행될 수 있다. 전술한 바와 같이 변성 단계가 진행된 후 열전소자(130)의 고온부와 저온부 간의 온도차는 종래 써멀 모듈의 변성 단계를 진행한 후 펠티어 소자의 고온부와 저온부 간의 온도차보다 작으므로, 열전소자(130)는 상대적으로 높은 냉각 효율로 샘플 홀더(10)를 냉각하기 위한 냉각 동작을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 써멀 모듈(100)은 냉각 동작 시 열전소자(130)의 제 1 열전도체(110)로부터의 흡열을 방출하는 방열부(140)를 더 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 방열부(140)는 열전소자(130)의 냉각 동작에 의해 발생되는 상기 흡열을 흡수하여 발산하는 히트싱크(142, heat sink) 및 히트싱크(142)를 냉각시키는 송풍팬(143)을 포함할 수 있다. 히트싱크(142)는 열전소자(130)와 열적으로 연결되게 구비되어 상기 흡열을 흡수한다.
다른 구현예에서, 방열부(140)는 열전소자(130)와 히트싱크(142)를 열적으로 연결시키는 금속 블록(141, metal block)을 더 포함할 수 있다. 도면에는 금속 블록(141)이 제 1 열전도체(110)의 반대측에서 열전소자(130)와 열적으로 연결되는 실시예가 도시되어 있다.
다음으로, 도 2의 (a)를 참고하여 살펴본다.
본 발명의 써멀 모듈(100)은 샘플 홀더(10)와 열적으로 연결되는 제 2 열전도체(150) 및 제 2 열전도체(150)와 열적으로 연결되어 샘플 홀더(10)를 가열하기 위한 가열 동작을 수행하는 제 2 가열소자(160)를 더 포함할 수 있다.
제 2 가열소자(160)는 제 1 가열소자(120)와 마찬가지로 샘플 홀더(10)를 가열하는 가열 동작을 수행하는 구성으로서, 제 2 가열소자(160)는 저항 가열 모듈일 수 있으며, 예를 들어 12V 10W의 저항 가열 모듈일 수 있다. 제 2 가열소자(160)는 12V/24V, 그리고 10W/20W/30W/40W/50W/60W 중에서 적절히 선택될 수 있다. 제 2 열전도체(150)에는 샘플 홀더(10) 및 제 2 가열소자(160)가 각각 열적으로 연결된다. 예를 들어, 제 2 가열소자(160)는 제 2 열전도체(150)에 열접촉(thermal contact)될 수 있다. 제 2 가열소자(160)에 의한 샘플 홀더(10)의 가열은 제 2 열전도체(150)를 매개로 간접적으로 이루어진다. 즉, 제 2 가열소자(160)는 샘플 홀더(10)와 열적으로 직접 연결되지 않고 제 2 열전도체(150)를 매개로 열적으로 간접 연결된다. 제 2 열전도체(150)는 금속층으로 형성될 수 있으며, 따라서 샘플 홀더(10)와 제 2 가열소자(160) 간의 열교환이 신속하게 수행될 수 있다. 제 2 열전도체(150)는 낮은 열용량(heat capacity) 및 넓은 표면적을 가지는 금속층으로 형성되어, 제 2 가열소자(160)에 의한 가열 동작 시 샘플 홀더(10)의 가열이 신속하게 수행될 수 있다. 이러한 금속층은 높은 열 전도도를 가지는 금속으로 형성되며, 예를 들어 알루미늄(Al), 구리(Cu) 또는 은(Ag)일 수 있으며, 이들을 조합하는 합금일 수 있으며, 또는 알루미늄-마그네슘(Al-Mg) 합금, 알루미늄-실리콘(Al-Si) 합금, 금(Au), 텅스텐(W)일 수 있다.
제 1 열전도체(110)와 제 2 열전도체(150)는, 샘플 홀더(10)의 서로 다른 면에 열적으로 연결될 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 제 1 열전도체(110)와 제 2 열전도체(150)는 샘플 홀더(10)의 서로 반대측 면에 열적으로 연결될 수 있다.
제 2 가열소자(160)는 제 1 가열소자(120)와 함께 샘플 홀더(10)를 가열할 수 있다. 즉, 제 1 가열소자(120)의 가열 동작과 제 2 가열소자(160)의 가열 동작은 동시에 수행될 수 있다. 예를 들어, 변성 단계를 진행하기 위해, 제 1 가열소자(120)의 가열 동작과 제 2 가열소자(160)의 가열 동작이 동시에 수행될 수 있다. 제 2 가열소자(160)의 가열 동작에 의한 샘플 홀더(10)의 가열은, 제 1 가열소자(120)의 가열 동작에 의한 샘플 홀더(10)의 가열에 대해 보조적으로 수행될 수 있다. 즉, 제 1 가열소자(120)가 샘플 홀더(10)의 주가열부로서 동작하고, 제 2 가열소자(160)가 샘플 홀더(10)의 보조가열부로서 동작할 수 있다.
또한, 열전소자(130)의 냉각 동작 시, 제 2 가열소자(160)는 가열 동작에서 샘플 홀더(10)를 가열하는 온도보다 낮은 온도로 샘플 홀더(10)를 가열할 수 있다. 즉, 제 2 가열소자(160)는 제 1 가열소자(120)의 가열 동작과 동시에 가열 동작을 수행하여 샘플 홀더(10)를 가열할 수 있으며, 열전소자(130)의 냉각 동작 시에도 샘플 홀더(10)를 가열할 수 있다. 예를 들어, 변성 단계를 진행한 후 프라이머의 결합 단계 및 연장 단계를 진행하기 위해 열전소자(130)가 샘플 홀더(10)를 냉각하기 위한 냉각 동작을 수행하는 경우, 제 2 가열소자(160)는 변성 단계에서 제 1 가열소자(120)의 가열 동작과 동시에 수행하는 가열 동작에서 샘플 홀더(10)를 가열하는 온도보다 낮은 온도로 샘플 홀더(10)를 가열할 수 있다. 변성 단계는 약 95℃에서 수행되고 결합 및 연장 단계는 약 55℃ 내지 75℃에서 수행되므로, 열전소자(130)에 의해 샘플 홀더(10)가 냉각될 때 제 2 가열소자(160)는 샘플 홀더(10)가 결합 및 연장 단계를 진행하기 위한 온도를 유지하도록 샘플 홀더(10)를 가열할 수 있다.
본 발명의 일 구현예는, 도 1 내지 도 3에서와 같이 샘플 홀더(10)가 세로 방향으로 삽입될 수 있는 형태의 써멀 모듈(100)과 써멀 푸셔(400)가 실시되는 것을 설명하였다.
도 2의 (b)를 참조하는 본 발명의 다른 구현예는, 샘플 홀더(10)가 가로 방향으로 삽입될 수 있는 형태의 써멀 모듈(100)이 실시될 수 있다.
도 2의 (b)는 도 2 (a)와 동일한 구성요소를 포함하는 써멀 모듈(100)의 다른 구현예이다. 다만, 평면 형태의 샘플 홀더(10)를 제1 열전도체(110)의 상부에 위치시킬 수 있도록 각각의 구성이 적층되는 형태로 이루어져있다. 이에 따른 샘플 홀더(10)는 플랫(flat)한 형태이며, 샘플 홀더(10)의 상부에는 제2 가열소자(160)와 제2 열전도체(150)가 위치할 수 있다.
또한, 도 1 및 도 3에 도시된 써멀 모듈(100)도 도 2의 (b)의 형태와 같이 평면 형태로 위치하는 샘플 홀더(10)를 사용할 수 있도록 적층되는 형태로 구성될 수 있다.
다음으로, 도 4 내지 도 5를 참고하여 살펴본다.
본 발명의 써멀 모듈(100)은 써멀 푸셔(400)를 더 포함할 수 있다. 써멀 푸셔(400)에 의해 샘플 홀더(10)가 제 1 열전도체(110) 및 제 2 열전도체(150)에 밀착된다. 제 1 열전도체(110)는 제 2 열전도체(150)를 향하는 면 및 그 반대측 면을 포함하며, 상기 두 개의 면에 샘플 홀더(10), 제 1 가열소자(120) 및 열전소자(130)가 열적으로 연결된다.
샘플 홀더(10)가 제 1 열전도체(110) 및 제 2 열전도체(150)에 밀착된 상태에서 제 1 가열소자(120), 제 2 가열소자(160) 및/또는 열전소자(130)가 동작하며 샘플 홀더(10)의 가열 또는 냉각을 수행한다.
도면에는 샘플 홀더(10)가 제 1 열전도체(110)와 제 2 열전도체(150)의 사이에서 수평방향으로 대향되게 구비되는 실시예가 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 상하방향으로 대향되게 구비될 수도 있다. 써멀 푸셔(400)는 모터, 기어, 리니어가이더 등에 의해 제 1 열전도체(110)를 향하는 방향 및 그 반대방향으로 이동 가능하게 구비되는 지지부(430)를 포함하며, 지지부(430)의 제 1 열전도체(110)를 향하는 면에 제 2 열전도체(150)가 구비됨으로써 지지부(430)의 이동에 의해 제 1 열전도체(110)와 제 2 열전도체(150)의 사이에 위치된 샘플 홀더(10)가 제 1 열전도체(110) 및 제 2 열전도체(150)와 밀착될 수 있다. 모터, 기어, 리니어가이더 등에 의한 이동 구조는 일반적으로 알려진 바와 동일하므로 자세한 설명을 생략한다. 지지부(430)을 이동시키기 위한 구동부는 상기 모터, 기어, 리니어가이드 등을 이용하는 구조 외에 다양한 형태로 구성될 수 있다. 즉, 상기 구동부는, 예를 들어 유압/공압식 피스톤, 레일, 벨트, 체인, 풀리, 리니어 액추에이터, 랙 앤 피니언 등 중에서 적절히 선택되어 구성될 수 있으며, 본 발명을 제한하지 않는다.
써멀 모듈(100)에는 제 1 가열소자(120), 제2가열소자(160), 열전소자(130) 및 상기 구동부를 제어하기 위한 제어모듈이 구비될 수 있다. 일 구현예에 의하면, 제어모듈은 PCB 기판으로 구현될 수 있다(도면번호 500, 510 참조).
샘플 홀더(10)는 상측에서 하측으로 삽입되며 제 1 열전도체(110)와 제 2 열전도체(150)의 사이에 위치될 수도 있으며, 측방향으로 삽입되며 제 1 열전도체(110)와 제 2 열전도체(150)의 사이에 위치될 수도 있다. 샘플 홀더(10)를 제 1 열전도체(110)와 제 2 열전도체(150)의 사이에 위치시킨 후 샘플의 처리를 수행할 수 있으며, 그 이후에 핵산 증폭 반응이 수행할 수 있다.
써멀 모듈(100)은 제 1 열전도체(110)와 제 2 열전도체(150)의 사이에 위치된 샘플 홀더(10)를 지지하기 위한 가이드부를 포함할 수 있다. 일 구현예에 의하면, 상기 가이드부는 금속블록(141)에 결합되는 제 1 가이드부(410) 및 지지부(430)에 결합되는 제 2 가이드부(420)를 포함할 수 있다. 도면에는 제 1 가이드부(410)가 샘플 홀더(10)의 하면 및 일측면에 지지되고 제 2 가이드부(420)가 샘플 홀더(10)의 타측면에 지지되는 일 구현예가 도시되어 있으며, 제 1 가이드부(410) 및 제 2 가이드부(420)에 의해 제 1 열전도체(110)와 제 2 열전도체(150)의 사이에는 샘플 홀더(10)가 위치될 수 있는 공간이 상측으로 개구되게 형성된다. 또는, 도면에 도시된 바와 달리, 제 1 가이드부(410)가 샘플 홀더(10)의 하면(또는 상면) 및 일측면(또는 타측면)에 지지되고 제 2 가이드부(420)가 샘플 홀더(10)의 상면(또는 하면)에 지지되며, 제 1 가이드부(410) 및 제 2 가이드부(420)에 의해 제 1 열전도체(110)와 제 2 열전도체(150)의 사이에는 샘플 홀더(10)가 위치될 수 있는 공간이 타측(또는 일측)으로 개구되게 형성될 수 있다.
다음으로, 도 6을 참고하여 살펴본다.
금속 블록(141)을 기준으로, 금속 블록(141)에는 열전소자(130), 제 1 열전도체(110), 제 1 가열소자(120) 및 제 1 가이드부(410) 순으로 결합될 수 있다. 제 1 열전도체(110)의 제 2 열전도체(150)를 향하는 전방 면에 샘플 홀더(10) 및 제 1 가열소자(120)가 위치하고 그 반대측인 후방 면에 열전소자(130)가 위치할 수 있다. 제 1 열전도체(110)의 상기 전방 면은 일부가 제 1 가열소자(120)와 열적으로 연결되고, 나머지는 제 2 열전도체(150)를 향하게 노출되어 샘플 홀더(10)와 열적으로 연결된다. 제 1 가이드부(410)는 제 1 가열소자(120)를 커버하며 금속 블록(141)에 결합될 수 있다.
지지부(430)에는 제 2 가열소자(160) 및 제 2 열전도체(150) 순으로 결합될 수 있다. 제 2 열전도체(150)의 제 1 열전도체(110)를 향하는 전방 면에 샘플 홀더(10)가 위치하고 그 반대측인 후방 면에 제 2 가열소자(160)가 위치할 수 있다. 제 2 열전도체(150)의 상기 전방면은 제 1 열전도체(110)를 향하게 노출되어 샘플 홀더(10)와 열적으로 연결된다. 제 2 가이드부(420)는 지지부(430)의 측면에 결합될 수 있다.
다음으로, 도 7을 참고하여 살펴본다.
써멀 푸셔(400)에는, 지지부(430), 제 2 가열소자(160) 및 제 2 열전도체(150)를 관통하는 홀(440)이 형성될 수 있다. 홀(440)은 제 1 열전도체(110)를 향하는 방향으로 개구되며, 구체적으로는 샘플 홀더(10)의 샘플이 수용된 위치에 대응되는 위치에서 개구된다. 써멀 푸셔(400)의 홀(440)에는 제 1 열전도체(110)를 향하는 방향으로 광섬유(미도시)가 삽입되고, 광섬유에 의해 광원에서 발생되는 여기광이 샘플에 제공되고 및 샘플에서 발생되는 방출광이 광 검출기로 안내될 수 있다. 따라서, 핵산 증폭 과정의 각 단계인 변성 단계, 프라이머의 결합 단계 및 연장 단계를 수행하는 하나의 사이클(cycle)이 완료되면 증폭된 핵산을 실시간으로 검출할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 써멀 모듈의 동작 방법에 대해 살펴본다. 본 발명의 써멀 모듈의 동작방법은, 샘플 홀더(10)를 가열하기 위한 동작 방법으로서, 샘플 홀더(10)와 접촉되는 제 1 열전도체(110)를 포함하는 써멀 모듈(100)의 동작 방법이다.
써멀 모듈의 동작 방법은, 제 1 열전도체(110)와 열적으로 연결된 제 1 가열소자(120)가 샘플 홀더(10)를 가열하는 가열 단계, 및 제 1 열전도체(110)와 열적으로 연결된 열전소자(130)가 샘플 홀더(10)를 냉각하는 냉각 단계를 포함한다. 써멀 모듈의 동작 방법에 의해 샘플 홀더(10)의 샘플에 포함된 타겟 핵산의 증폭 반응을 수행할 수 있다. 상기 가열 단계에서 샘플 홀더(10)가 가열되며 상기 증폭 반응 중 변성 단계가 진행될 수 있으며, 상기 냉각 단계에서 샘플 홀더(10)가 냉각되며 상기 증폭 반응 중 프라이머의 결합 단계 및 연장 단계가 진행될 수 있다.
상기 가열 단계에서, 제 1 열전도체(110)와 열적으로 연결된 열전소자(130)를 발열할 수 있다. 따라서, 제 1 가열소자(120)가 샘플 홀더(10)를 가열할 때, 가열되는 열이 열전소자(130)로 전도되며 열손실이 발생하는 것을 것을 방지 또는 감소시킬 수 있다.
상기 냉각 단계에서, 제 1 가열소자(120)는 샘플 홀더(10)의 가열을 중지할 수 있다. 따라서, 상기 냉각 단계에서 열전소자(130)의 냉각 동작에 의해 샘플 홀더(10)의 냉각이 보다 신속하게 수행될 수 있다.
본 발명의 일 구현에서, 써멀 모듈의 동작은 가열 단계와 냉각 단계의 사이클 횟수에 따라 복수회 반복하여 수행될 수 있다. 즉, 핵산 증폭 과정의 각 단계인 변성 단계, 프라이머의 결합 단계 및 연장 단계를 수행하는 하나의 사이클(cycle)은 가열 단계와 냉각 단계를 포함한다. 결국, 복수의 사이클 수행동작에 의해 핵산 증폭 과정이 진행되므로, 써멀 모듈은 가열 단계와 냉각 단계를 복수회 반복할 수 있다.
제 1 열전도체(110)는 두 개의 면(two planes)을 포함하고, 상기 두 개의 면에 샘플 홀더(10), 제 1 가열소자(120) 및 열전소자(130)가 열적으로 연결될 수 있다. 상기 두 개의 면은 상부 면(plane of top)과 하부 면(plane of bottom)일 수 있다. 상기 두 개의 면은 전방 면(plane of front)과 후방 면(plane of back)일 수 있다. 제 1 가열소자(120)와 열전소자(130)는 제 1 열전도체(110)의 서로 다른 면에 열적으로 연결될 수 있다.
또한, 써멀 푸셔(400)는 샘플 홀더(10)와 열적으로 연결되는 제 2 열전도체(150)를 더 포함하며, 상기 가열 단계에서 제 2 열전도체(150)와 열적으로 연결된 제 2 가열소자(160)가 샘플 홀더(10)를 가열할 수 있다.
제 1 가열소자(120)와 제 2 가열소자(160)는 동시에 샘플 홀더(10)를 가열할 수 있다. 이 때, 제 1 가열소자(120)는 주가열부로서 동작하고 제 2 가열소자(160)는 보조가열부로서 동작할 수 있다.
상기 냉각 단계에서, 제 2 가열소자(160)는 상기 가열 단계에서 샘플 홀더(10)를 가열하는 온도보다 낮은 온도로 샘플 홀더(10)를 가열할 수 있다.
10: 샘플 홀더 11: 용기부
12: 열전도부 100: 써멀 모듈
110: 제 1 열전도체 120: 제 1 가열소자
130: 열전소자 140: 방열부
141: 금속 블록 142: 히트싱크
143: 송풍팬 150: 제 2 열전도체
160: 제 2 가열소자 170: 레이어
400: 써멀 푸셔 410: 제 1 가이드부
420: 제 2 가이드부 430: 지지부
440: 홀

Claims (30)

  1. 샘플 홀더가 열적으로 연결되는 제 1 열전도체;
    상기 제 1 열전도체와 열적으로 연결되어, 상기 샘플 홀더를 가열하기 위한 가열 동작을 수행하는 제 1 가열소자; 및,
    상기 제 1 열전도체와 열적으로 연결되어, 상기 샘플 홀더를 냉각하기 위한 냉각 동작을 수행하는 열전소자;
    를 포함하는 써멀 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 가열소자의 가열 동작 시, 상기 열전소자는 상기 가열 동작 다음의 냉각 동작이 증대될 정도로 상기 제 1 열전도체와 열적으로 연결된 면을 발열하는 써멀 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전소자의 상기 냉각 동작 시, 상기 제 1 가열소자는 상기 가열 동작을 중지하는 써멀 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 열전도체는 두 개의 면을 포함하고,
    상기 두 개의 면에 상기 샘플 홀더, 상기 제 1 가열소자 및 상기 열전소자가 열적으로 연결되는 써멀 모듈.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 두 개의 면은 상부 면과 하부 면을 포함하는 써멀 모듈.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 두 개의 면은 전방 면과 후방 면을 포함하는 써멀 모듈.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 가열소자와 상기 열전소자는 상기 제 1 열전도체의 서로 다른 면에 열적으로 연결된 써멀 모듈.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 열전도체는 금속층을 포함하는 써멀 모듈.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 금속층은 알루미늄, 구리, 은 또는 이들의 조합을 포함하는 써멀 모듈.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 가열소자는 저항 가열 모듈인 써멀 모듈.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 샘플 홀더와 열적으로 연결되는 제 2 열전도체; 및
    상기 제 2 열전도체와 열적으로 연결되어, 상기 샘플 홀더를 가열하기 위한 가열 동작을 수행하는 제 2 가열소자;
    를 더 포함하는 써멀 모듈.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 가열소자의 가열 동작과 상기 제 2 가열소자의 가열 동작은 동시에 수행되는 써멀 모듈.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 열전소자의 냉각 동작 시, 상기 제 2 가열소자는 상기 가열 동작에서 상기 샘플 홀더를 가열하는 온도보다 낮은 온도로 상기 샘플 홀더를 가열하는 써멀 모듈.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 열전도체와 상기 제 2 열전도체는, 상기 샘플 홀더의 서로 다른 면에 열적으로 연결되는 써멀 모듈.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 가열소자는 저항 가열 모듈인 써멀 모듈.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 열전도체는 금속층을 포함하는 써멀 모듈.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전소자의 상기 냉각 동작 시, 상기 제 1 열전도체로부터의 흡열을 방출하는 방열부를 더 포함하는 써멀 모듈.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 방열부는,
    상기 열전소자의 상기 냉각 동작에 의해 발생되는 상기 흡열을 흡수하여 발산하는 히트싱크; 및
    상기 히트싱크를 냉각시키는 송풍팬을 포함하는 써멀 모듈.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 방열부는, 상기 열전소자와 상기 히트싱크를 열적으로 연결시키는 금속블록을 더 포함하는 써멀 모듈.
  20. 샘플 홀더가 열적으로 연결되는 제 1 열전도체를 포함하는 써멀 모듈의 동작 방법으로서,
    상기 제 1 열전도체와 열적으로 연결된 제 1 가열소자가 상기 샘플 홀더를 가열하는 가열 단계; 및
    상기 제 1 열전도체와 열적으로 연결된 열전소자가 상기 샘플 홀더를 냉각하는 냉각 단계;
    를 포함하는 써멀 모듈의 동작 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 가열 단계에서,
    상기 열전소자는 상기 가열 동작 다음의 냉각 동작이 증대될 정도로 상기 제 1 열전도체와 열적으로 연결된 면을 발열하는 써멀 모듈의 동작 방법.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 냉각 단계에서,
    상기 제 1 가열소자는 상기 샘플 홀더의 가열을 중지하는 써멀 모듈의 동작 방법.
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 1 열전도체는 두 개의 면을 포함하고,
    상기 두 개의 면에 상기 샘플 홀더, 상기 제 1 가열소자 및 상기 열전소자가 열적으로 연결되는 써멀 모듈의 동작 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 두 개의 면은 상부 면과 하부 면을 포함하는 써멀 모듈의 동작 방법.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 두 개의 면은 전방 면과 후방 면을 포함하는 써멀 모듈의 동작 방법.
  26. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 1 가열소자와 상기 열전소자는 상기 제 1 열전도체의 서로 다른 면에 열적으로 연결된 써멀 모듈의 동작 방법.
  27. 제 20 항에 있어서,
    상기 써멀 모듈은 상기 샘플 홀더와 열적으로 연결되는 제 2 열전도체를 더 포함하며,
    상기 가열 단계에서 상기 제 2 열전도체와 열적으로 연결된 제 2 가열소자가 상기 샘플 홀더를 가열하는 써멀 모듈의 동작 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 제 1 가열소자와 상기 제 2 가열소자는 동시에 상기 샘플 홀더를 가열하는 써멀 모듈의 동작 방법.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 냉각 단계에서, 상기 제 2 가열소자는 상기 가열 단계에서 상기 샘플 홀더를 가열하는 온도보다 낮은 온도로 상기 샘플 홀더를 가열하는 써멀 모듈의 동작 방법.
  30. 제 20 항에 있어서,
    상기 가열 단계와 상기 냉각 단계는 반복적으로 복수 회 수행되는 써멀 모듈의 동작 방법.
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