KR20230113032A

KR20230113032A - Pcr플레이트, 핵산 추출 카트리지 및 이를 포함하는 중합효소 연쇄반응장치

Info

Publication number: KR20230113032A
Application number: KR1020220009441A
Authority: KR
Inventors: 박한오
Original assignee: (주)바이오니아
Priority date: 2022-01-21
Filing date: 2022-01-21
Publication date: 2023-07-28

Abstract

PCR플레이트, 핵산 추출 카트리지 및 이를 포함하는 중합효소 연쇄반응장치에 관한 발명이 개시된다. 본 발명에 따른 PCR플레이트는: 적어도 하나 이상의 반응웰을 구비하는 몸체부; 몸체부에서 연장되고, 핵산 추출 카트리지에 삽입되고, 핵산용액이 주입되는 주입구를 구비하는 삽입부; 주입구에서 반응웰로 핵산용액을 유동 가능하게 하는 유로부; 및 몸체부에 장착되고, 핵산용액이 반응웰에서 유로부 측으로의 역류를 차단하는 차단부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

PCR플레이트, 핵산 추출 카트리지 및 이를 포함하는 중합효소 연쇄반응장치{PCR PLATE, NUCLEIC ACID EXTRACTION CARTRIDGE, AND POLYMERASE CHAIN REACTION APPARATUS THEREWITH}

본 발명은 PCR플레이트, 핵산 추출 카트리지 및 이를 포함하는 중합효소 연쇄반응장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 핵산의 추출, 증폭반응 및 증폭된 결과물을 실시간으로 검출할 수 있는 PCR플레이트, 핵산 추출 카트리지 및 이를 포함하는 중합효소 연쇄반응장치에 관한 것이다.

시간과 장소에 구애받지 않고 환자의 질병을 정확하고 빠르게 진단하는 POC(Point of care) 진단 기술은 증거 기반 정밀의학의 매우 중요한 기술로 주목받고 있다. 기침, 설사, 고열, 생식기 이상 등의 질병증상을 기준으로 질병증상의 원인이 되는 모든 감염병원체를 한번에 빠른 시간에 검사하여 원인 병원체를 확인하고 최적의 항생제와 치료제를 처방하는 증상기반의 현장진단은 미래 정밀의학의 핵심적인 신기술로 많은 연구들이 더해져 발전해 나가고 있다. 이러한 현장진단기술은 기존에 임신을 확인하기 위한 임신테스트키트, 혈당을 확인할 수 있는 혈당측정기와 같이 현장에서 비전문가에 의해서도 빠르고 정확하게 진단을 하는데 그 장점이 있다. 현재 분자진단기술은 다양한 병원체들을 동시에 검사할 수 있는 다중검사법들이 개발되어 있으며 이러한 기술들을 활용하여 감염질병에서 정확한 원인을 알고 최적의 처방을 가능하게 함으로서 조기에 질병을 치료하여 환자의 회복기간을 획기적으로 단축하여 의료의 질을 높이고 의료비용을 절감하는 미래의학의 핵심적인 기술로 주목을 받고 있다.

그러나 현재의 분자진단 시스템은 결과 확인까지 3시간 이상 소요되고 숙련된 전문가들이 사용해야 하기 때문에, 현장에서 요구되는 POC 분자진단을 위해서는 복잡한 핵산추출과정과 실시간 유전자증폭검사를 전자동으로 수행할 수 있는 자동화된 소형장치의 개발이 필수적이며, 전문인력이 아니더라도 손쉽게 작동할 수 있어야 한다.

대표적인 분자진단방법으로는 중합효소 연쇄반응(PCR, Polymerase Chain Reaction, 이하, 'PCR'이라 한다)을 이용하는 방법이 있다. 중합효소연쇄반응(PCR)은 1985년 Kary Mullis 에 의해 발명된 이후 특정 DNA를 빠르고 쉽게 증폭할 수 있어 분자생물학과 분자진단 등에 하는 광범위하게 사용되고 있다. PCR/RT-PCR을 이용하면 생체시료 내에 특정한 DNA/RNA가 존재하는지의 여부를 확인할 수 있어 바이러스 등 병원성 미생물 감염을 진단하는데 많이 이용되고 있다. 이 PCR/RT-PCR 기술은 실시간 정량 PCR(Realtime PCR, Quantitative PCR)로 발전하면서 PCR 종료와 동시에 결과를 알 수 있어, 검사과정을 간소화하여 검사시간을 대폭 줄였을 뿐만 아니라, 병원체의 수를 정확하게 정량할 수 있어 HIV, HCV, HBV 바이러스 등의 치료효과를 모니터링하는 표준진단법으로 사용되고 있다. 또한 특정 질병과 관련된 유전자 발현양상이나 유전자변이를 검사할 수 있어 질병을 진단하는데 가장 중요한 기술로 이용되고 있다.

이러한 PCR을 수행하기 위해서는 생체시료로부터 PCR 반응을 저해하는 물질들을 제거하고 순수한 핵산을 추출하는 핵산추출단계가 필요하다. 핵산추출과정은 다단계로 이루어져 있고 생체시료 및 핵산추출 조작에 숙련된 기술이 필요하며 수작업으로 이루어질 경우 작업자의 실수로 인한 오염문제 등이 있어서, 대부분 자동화된 핵산추출장비를 사용하여 분자진단이 이루어지고 있다.

PCR 반응 및 반응산물의 검출을 위해서는 실시간 정량 PCR장치가 구비되어 있어야 하므로, 기존에는 주로 대형병원이나 임상검사 전문기관에서 분자진단이 이루어졌다.

최근 연구개발을 통해 핵산의 추출, PCR 반응 및 반응산물검출의 전 과정을 자동화하여 전문적인 기술이 없더라도 손쉽게 PCR을 이용할 수 있는 다양한 자동화 시스템 및 이를 이용하는 장치들이 개발된 바 있다.

하지만, 기존의 장치들은 너무 고가이거나 처리시간이 많이 소요되고 한번에 다양한 검사가 이루어지기 어려운 문제점이 있다.

PCR의 기본원리를 설명하면 DNA 이중나선을 95℃ 가열하여 단일가닥으로 분리시킨 다음, 반응용액을 어넬링 온도로 냉각시켜 PCR 반응용액에 들어 있는 증폭하려는 부위의 양말단에 상보적인 프라이머가 선택적으로 혼성화가 되게 하면, DNA 중합효소가 각각의 단일가닥에 상보적인 A,G,T,C 4종의 nucleotide triphosphate를 순차적으로 연결하여 2중나선으로 만드는 반응을 반복적으로 수행하는 것이다. 실험적으로 PCR 반응용액을 가온, 냉각하는 것을 반복적으로 30 내지 45 사이클(n)을 수행하여, 특정 DNA 이중나선을 2ⁿ개 만큼 기하급수적으로 증폭시키는 반응이다. RT-PCR 반응은 역전사 반응을 통해 cDNA 를 합성한 다음 PCR 을 통해 증폭할 수 있게 됨으로써 RNA를 검출하기 위한 방법으로 확장되었다.

PCR이 분자진단에 본격적으로 활용되기 위해, 새롭게 개발된 실시간 정량 PCR 의 원리를 설명하면, PCR 반응을 이용하여 증폭되는 DNA의 정량분석을 위해, DNA의 양에 비례해서 형광이 발생되는 물질을 PCR 반응액에 첨가한 후, 각 사이클 마다 형광을 측정하여 임계 형광값이 검출되는 사이클을 찾아내어 이로부터 초기의 타겟핵산의 농도를 정량적으로 측정하는 방법이다.

PCR이 발명된 이후 다양한 응용기술들이 개발되는 동안, 게놈프로젝트를 통해 수많은 병원체와 질병관련 유전자염기서열들이 알려지고 이러한 질병관련 DNA/RNA 염기서열을 증폭하여 정성, 정량으로 진단하는 분자진단이 빠르게 발전해 왔다. 기존의 PCR은 온도를 순환하는 데 있어서 2시간 내외의 시간이 걸리기 때문에, 현장진단을 위해 보다 빠르고 정확하게 PCR을 수행할 수 있는 방법들이 지속적으로 개발되어 왔다(Lab Chip, 2016, 16, 3866-3884).

빠른 시간에 PCR 반응을 수행하기 위해서는 반응용액의 온도를 빠르게 변화시켜 주어야 한다. 또한 정확한 PCR 반응으로 원하는 타겟만을 증폭하기 위해서는 프라이머들이 원하는 타겟에 특이적으로 붙도록 디자인 되어야 하고, PCR 온도순환 반응에서 어넬링 온도를 정확하게 조절을 해주어야 한다.

이를 위해서는 기존에 실험실에서 일반적으로 사용되고 있는 0.2ml, 0.5ml 반응기보다. 가능한 한 열용량이 작고 열전달이 잘되는 미세 PCR 반응용기들이 개발되었다. 이러한 미세 반응기들은 반응용액을 적게 사용하고 넓은 표면적을 가지고 있기 때문에 빠르게 열전달이 되어서 빠른 가열과 냉각이 가능하다. 실리콘 웨이퍼에 17 X 15 mm 의 크기로 40-80 um 의 얇은 반응홈에 PCR 용액 10 ul 를 넣고 유리판으로 덮어서 표면적이 높게 유지해 주었으나(>100 ㎟/10ul) 기존의 Peltier 방식의 thermal block 을 사용하여 한 사이클이 약 3분으로 시간을 단축시키는 것은 보여주지 못하였다(Clin. Chem. 40/9, 1815-1818 (1994)).

PCR 반응기를 빠르게 열순환을 시키기 위해 고온수조와 저온수조에 PCR 반응기를 반복적으로 담구어 옮겨 다니는 방식이 초기의 PCR 반응장치로 개발되었다. (Turbo Thermalcycler. Bioneer Corp. Daejeon). 이렇게 온도가 다른 구역에 반응기를 순환시키는 PCR 장비는 공간이동방식으로서 미리 정확하게 온도가 유지되고 있는 항온수조에 반응기를 담굼으로서 빠르고 정확하게 PCR 반응을 시킬 수 있는 장점이 있다. 그러나 여러 개의 항온 수조가 필요하여 장비가 크고 유지관리가 어려우며 고정된 블록에서 Peltier 소자 등을 이용하여 시간에 따라 온도를 바꾸어주는 시간차 온도순환방식을 채택한 PCR 장비가 주종을 이루고 있다.

미세유로를 이용한 PCR 방식도 공간이동 온도순환방식과 시간차 온도순환방식으로 개발이 되었다. 공간이동 온도순환방식은 크게 FIFO(First-In-First-Out) 방식으로 연속적으로 흘러나가는 개방형 방식과 다른 온도구간을 반복적으로 이동하는 폐쇄형 방식으로 나누어 볼 수 있다. 개방형 방식으로는 1994년에 Nakano 등이 온도가 다른 구획을 가지는 원통형 블록에 모세관을 감아서 여기에 연속적으로 PCR 용액을 흘려 보내는 방식으로 개발이 되었다(Biosci. Biotech. Biochem., 58(2), 349-352, 1994). 이것을 미세유로 형태로 1998년 고온과 저온구간을 반복해서 흘러 통과하는 미세유로 방식의 PCR 장비가 Kopp 등에 의해 10 ul 의 용액을 4.5초의 사이클로 20 사이클 통과시켜 PCR 이 진행되는 것을 확인하였다(Science 280 1046-1048, 1998).

본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2016-0067872호(2016.06.14 공개, 발명의 명칭: 중합 효소 연쇄 반응을 실행하기 위한 분석 유닛, 분석 장치, 상기 분석 유닛의 작동 방법 및 상기 분석 유닛의 제조 방법)에 개시되어 있다.

종래 대한민국 등록특허 제 10-2105558호에서는 고속 중합효소 연쇄반응 분석 플레이트를 공개하고 있다. 그러나 개시된 분석 플레이트를 사용하는 경우, 중합효소 연쇄반응 과정에서 반응웰과 반응웰 사이의 증폭 산물이 혼합되어 실험의 정확도를 감소시키는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 빠르게 다수의 타깃을 정량, 정성 분석할 수 있는 개선된 PCR 플레이트가 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 생체시료로부터 핵산의 추출, PCR 반응 및 다양한 파장대의 여기광과 해당 형광을 스캐닝을 통해 전자동으로 타겟 핵산 검출을 수행할 수 있으며, 한 번의 작동으로 다수의 타겟을 검사할 수 있고, 사용이 간편하며, 특히 빠른 시간에 정확한 결과를 얻을 수 있는 PCR플레이트, 핵산 추출 카트리지 및 이를 포함하는 중합효소 연쇄반응장치를 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은 PCR 과정에 필요한 온도 조절과정을 열변성과정에 필요한 온도와 결합과정에 필요한 정확한 온도를 반응 대상물에 빠르게 반복적으로 인가가 가능하도록 하여 신속하고 정확한 PCR이 가능하도록 하여, 반응의 신뢰성을 극대화할 수 있는 PCR플레이트, 핵산 추출 카트리지 및 이를 포함하는 중합효소 연쇄반응장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 PCR플레이트는: 적어도 하나 이상의 반응웰을 구비하는 몸체부; 상기 몸체부에서 연장되고, 핵산 추출 카트리지에 삽입되고, 핵산용액이 주입되는 주입구를 구비하는 삽입부; 상기 주입구에서 상기 반응웰로 상기 핵산용액을 유동 가능하게 하는 유로부; 및 상기 몸체부에 장착되고, 상기 핵산용액이 상기 반응웰에서 상기 유로부 측으로의 역류를 차단하는 차단부;를 포함한다.

본 발명에서 상기 몸체부는, 적어도 하나 이상의 상기 반응웰을 구비하는 몸체프레임부; 상기 몸체프레임부에 오목하게 형성되고, 상기 차단부를 수용하는 차단수용부; 상기 차단수용부와 상기 반응웰을 연결하는 연결유로부; 상기 몸체부에 오목하게 형성되고, 상기 유로부와 연통되며, 상기 핵산용액을 공급받는 저장부; 및 상기 저장부와 연통되고, 상기 핵산용액을 상기 차단부 측으로 유동되게 가이드하는 유로가이드부;를 포함한다.

본 발명에서 상기 연결유로부는 상기 차단부에서 상기 반응웰 측으로 폭이 좁게 형성되는 병목부를 구비한다.

본 발명에서 상기 차단수용부는 상기 저장부의 길이방향을 따라 형성되는 격벽부에 복수개로 분할되고, 상기 차단부는 분할되는 각각의 상기 차단수용부에 장착된다.

본 발명에서 상기 차단부는 탄성 변형 가능한 재질을 포함하여 이루어진다.

본 발명에서 상기 몸체부는, 적어도 하나 이상의 상기 반응웰을 구비하는 몸체프레임부; 상기 몸체프레임부에 오목하게 형성되고, 각각의 상기 반응웰에 대응되게 배치되고, 원형의 상기 차단부를 수용하게 원형으로 형성되는 차단수용부; 및 상기 차단수용부와 상기 반응웰을 연결하는 연결유로부;를 포함한다.

본 발명에서 상기 반응웰에는 시트부가 열융착된다.

본 발명에 따른 핵산 추출 카트리지는: DNA 추출에 필요한 용액이 담긴 다수의 격벽구조의 수용부를 구비하는 카트리지 덮개부; 및 상기 덮개부와 삽입구조로 결합하고, 상기 수용부에서 인입되는 용액을 시료와 반응 또는 세정하는 반응수용부가 마련되는 카트리지 본체부를 포함한다.

본 발명에서 상기 카트리지 덮개부는 상기 카트리지 본체부의 수용부의 일측면과 접하고, 탄성 변형 가능한 재질을 포함하는 러버부를 포함한다.

본 발명에서 상기 핵산 추출 카트리지에는 탄성 가능한 재질을 포함하고, 상기 핵산용액의 누출을 방지하는 누액 방지 러버가 장착된다.

본 발명에 따른 핵산 추출 카트리지 어셈블리는: 핵산 추출 카트리지; 및 상기 핵산 추출 카트리지에서 핵산용액을 인가받아 PCR혼합물 건조물이 수용된 반응웰에 수용하는 PCR 플레이트를 포함하고, 상기 핵산 추출 카트리지는, DNA 추출에 필요한 용액이 담긴 다수의 격벽구조의 수용부를 구비하는 카트리지 덮개부; 및 상기 덮개부와 삽입구조로 결합하고, 상기 수용부에서 인입되는 용액을 시료와 반응 또는 세정하는 반응수용부가 마련되는 카트리지 본체부를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 생체시료로부터 핵산의 추출, PCR 반응 및 다양한 파장대의 여기광과 해당 형광 스캐닝을 통한 실시간 반응산물검출을 자동화하여 수행할 수 있으며, 한 번의 작동으로 여러 가지 검사가 가능하고, 사용이 간편하며, 특히 빠른 시간에 정확한 결과를 얻을 수 있다.

또한, PCR플레이트에서 PCR혼합물 건조물이 반응웰에서 역류되는 것을 방지할 수 있어, 인접한 반응웰로 PCR혼합물 건조물이 혼합되어 오염되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, PCR 과정에 필요한 온도 조절을 열변성 단계와 결합에 필요한 정확한 온도를 반응 대상물에 빠르게 실시간으로 한 번에 인가가 가능하도록 하여 정확한 PCR이 가능하도록 함으로써, 반응의 신뢰성을 극대화할 수 있다.

즉, 본 발명은 종래의 반응액을 이동시키며 온도를 상승시키는 온도 제어 방식의 경우, 온도의 균일한 증가를 가할 수 없어서 PCR 반응에 불리하게 되며, 반응액이 이동하며 순차적인 온도증가를 가져오게 되는 방식으로 반응물 전체에 동시에 온도 균일화를 구현할 수 없어 다른 반응이 일어날 소지가 높게 되는 문제를 일소하여, 히팅블럭에 설정된 온도 범위를 항온 상태로 유지하며, 반응액 전체에 직접 가압하여 온도를 증가시키는 방식으로 PCR 반응에 필요한 온도 증가를 매우 효율적으로 구현할 수 있다.

나아가, 온도를 고온에서 저온으로 변화시키는 과정 역시 시간지연을 최소화하기 위해, 블록형상의 히팅블럭 구조물을 나란히 이격되도록 배치하고, PCR플레이트를 가압하는 경우, 히팅블럭의 위치를 변경하여, 개별적으로 서로 다른 온도를 가지는 히팅블럭으로 하여금 실시간으로 가압이 이루어지게 하는바, 온도 변화과정에서 필요한 시간 지연으로 인한 문제를 획기적으로 해소할 수 있게 된다.

나아가, PCR플레이트를 핵산 추출 카트리지에 삽입형 구조로 구현하여, 핵산추출카트리지는 공통으로 사용하고 다양한 검사키트에 사용되는 PCR플레이트를 적은 공간에 보관하면서 검사시에 적합한 PCR플레이트를 필요에 따라 삽입하여 사용할 수 있다. PCR플레이트 내에 구비되는 한 개의 반응웰에서 최대 6개의 형광값을 분석할 수 있도록 하고, 필요에 따라 PCR플레이트의 반응웰을 8개까지 증가시킬 수 있어서, 증상과 관련된 환자의 생체시료에 포함되어 있을 가능성이 있는 모든 병원균들을 증폭하여 검출할 수 있어 증상기반의 다중 분자진단 검사를 제공할 수 있도록 한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 항온플레이트를 제1온도와 제2온도의 구배를 가지는 영역으로 분획하고, 구동모듈을 통해 히팅블럭의 가압시 상기 히팅블럭의 온도에 대응되는 설정온도(제1온도 또는 제2온도)를 가지는 영역이 대응되도록 이동하여, PCR플레이트의 상하면에 동시에 접촉 가압을 수행하도록 함으로써, 단일 온도로 유지되는 항온플레이트 방식에 비해 2배의 효율을 구현할 수 있다.

또한, 이동형 항온플레이트 구조를 구현함에, 구동 동작을 진행하는 구성으로 슬라이딩 테이프를 사용하여 제품의 구성과 이동의 신뢰성을 확보할 수 있도록 하며, 타겟 내에 들어 있는 플레이트의 가열시간을 상하면 동시에 구현되는 방식을 취하므로, 검사시간을 단축시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응장치를 구성하는 요부 구성을 도시한 블록 구성도이다.
도 2 내지 도 7은 본 발명에서의 온도제어모듈의 구조를 설명하기 위한 도면을 도시한 것이다.
도 8 내지 도 13은 본 발명에 적용되는 PCR플레이트의 일 실시예를 도시한 것이다.
도 14 내지 도 19는 본 발명에 적용되는 PCR플레이트의 다른 실시예를 도시한 것이다.
도 20 내지 도 23은 본 발명에 적용되는 항온플레이트와 수평이동 구동모듈의 구조 및 작동을 설명하기 위한 개념도이다.
도 24는 본 발명의 핵산 추출 카트리지의 사시개념도로, 상술한 PCR플레이트가 삽입 결합된 구조를 도시한 것이다.
도 25는 도 24의 분리사시도이다.
도 26은 도 24의 구조에서 카트리지 덮개부의 내부 구조를 도시한 것이다.
도 27은 도 24의 구조의 결합상태를 투시도로 도시한 것이다.
도 28는 본 발명의 핵산 추출 카트리지의 다른 실시예의 조립 사시도이다.
도 29는 본 발명의 핵산 추출 카트리지의 다른 실시예의 단면도이다.
도 30 내지 도 32는 본 발명의 카트리지구조의 하부 작동 상태를 도시한 것이다.
도 33은 상술한 본 발명인 중합효소 연쇄반응장치를 구성하는 장치 전체적인 구조와 배치 구성을 도시한 것이다.
도 34는 도 33에서 본 발명의 주요부의 결합배치도를 확대한 것이다.
도 35는 도 34 부분의 수직단면 개념도를 도시하여 요부 구성의 배치를 제시한 것이다.
도 36은 도 35의 측면사시 단면도를 도시한 것이다.
도 37은 본 발명의 다른 실시예에 따른 핵산 추출 카트리지의 사시개념도이다.
도 38은 도 37의 단면도를 도시한 것이다.
도 39는 도 38에서 펀치로 누액 방지 러버를 펀칭하는 것을 도시한 것이다.
도 40은 도 39에서 누름 지그로 누액 방지 러버를 가압하는 것을 도시한 것이다.
도 41은 누액 방지 러버가 잔류 액체 누액을 방지하는 것을 도시한 것이다.
도 42는 PCR플레이트의 또 다른 실시예를 도시한 것이다.
도 43은 도 42의 단면도를 도시한 것이다.
도 44는 PCR플레이트에 시트가 장착된 것을 도시한 것이다.
도 45는 PCR 시 반응웰 간 용액의 혼합 유무를 확인하는 테스트를 나타낸 것이다.
도 46은 PCR 플레이트에서 반응웰의 혼류 테스트를 나타낸 것이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 PCR플레이트, 핵산 추출 카트리지 및 이를 포함하는 중합효소 연쇄반응장치의 일 실시예를 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응장치를 구성하는 요부 구성을 도시한 블록 구성도이고, 도 2 내지 도 7은 본 발명에서의 온도제어모듈의 구조를 설명하기 위한 도면을 도시한 것이고, 도 8 내지 도 13은 본 발명에 적용되는 PCR플레이트의 일 실시예를 도시한 것이고, 도 14 내지 도 19는 본 발명에 적용되는 PCR플레이트의 다른 실시예를 도시한 것이고, 도 20 내지 도 23은 본 발명에 적용되는 항온플레이트와 수평이동 구동모듈의 구조 및 작동을 설명하기 위한 개념도이고, 도 24는 본 발명의 핵산 추출 카트리지의 사시개념도로, 상술한 PCR플레이트가 삽입 결합된 구조를 도시한 것이고, 도 25는 도 24의 분리사시도이고, 도 26은 도 24의 구조에서 카트리지 덮개부의 내부 구조를 도시한 것이고, 도 27은 도 24의 구조의 결합상태를 투시도로 도시한 것이고, 도 28는 본 발명의 핵산 추출 카트리지의 다른 실시예의 조립 사시도이고, 도 29는 본 발명의 핵산 추출 카트리지의 다른 실시예의 단면도이고, 도 30 내지 도 32는 본 발명의 카트리지구조의 하부 작동 상태를 도시한 것이고, 도 33은 상술한 본 발명인 중합효소 연쇄반응장치를 구성하는 장치 전체적인 구조와 배치 구성을 도시한 것이고, 도 34는 도 33에서 본 발명의 주요부의 결합배치도를 확대한 것이고, 도 35는 도 34 부분의 수직단면 개념도를 도시하여 요부 구성의 배치를 제시한 것이고, 도 36은 도 35의 측면사시 단면도를 도시한 것이고, 도 37은 본 발명의 다른 실시예에 따른 핵산 추출 카트리지의 사시개념도이고, 도 38은 도 37의 단면도를 도시한 것이고, 도 39는 도 38에서 펀치로 누액 방지 러버를 펀칭하는 것을 도시한 것이고, 도 40은 도 39에서 누름 지그로 누액 방지 러버를 가압하는 것을 도시한 것이고, 도 41은 누액 방지 러버가 잔류 액체 누액을 방지하는 것을 도시한 것이고, 도 42는 PCR플레이트의 또 다른 실시예를 도시한 것이고, 도 43은 도 42의 단면도를 도시한 것이고, 도 44는 PCR플레이트에 시트가 장착된 것을 도시한 것이고, 도 45는 PCR 시 반응웰 간 용액의 혼합 유무를 확인하는 테스트를 나타낸 것이고, 도 46은 PCR 플레이트에서 반응웰의 혼류 테스트를 나타낸 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응장치는 PCR 과정에 필요한 온도 조절과정을 열변성(denaturation) 과정에 필요한 온도와 결합과정(annealing)에 필요한 정확한 온도를 반응 대상물에 시간적인 차이 없이 실시간으로 한 번에 인가가 가능하도록 하여 정확한 PCR이 가능하도록 하며, 반응의 신뢰성을 극대화할 수 있도록, PCR 반응 플레이트에 접촉하여 특정 온도를 인가하는 히팅블럭 구조물로 구현되는 온도제어모듈을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명에 따른 온도제어모듈은, 온도를 제1온도에서 상대적으로 저온인 제2온도 또는 이 역의 과정으로 제2온도에서 상대적으로 고온인 제1온도로 구현하는데 소요되는, 시간지연을 최소화하도록, 제1온도와 제2온도로 각각 설정된 히팅블럭의 위치를 변경하여 실시간으로 PCR 반응 플레이트에 가압이 이루어지게 하는바, 온도 변화과정에서 필요한 시간 지연으로 인한 문제를 획기적으로 해소할 수 있게 된다.

나아가, 본 발명에서는 PCR플레이트의 하부에 배치되며, 슬라이딩 방식으로 수평이동하는 구조로 동작하는 항온플레이트 구조물을 더 구비하도록 구현할 수 있다. 이 경우, 상기 PCR플레이트의 온도를 제1온도 또는 제2온도로 유지하는 항온플레이트 구조물로 온도 변화 조건의 인가에 필요한 소요시간을 최소화하여 반응속도를 극대화할 수 있도록 한다.

구체적으로, 본 발명은, 핵산 추출 카트리지(100)에서 핵산용액을 인가받아 PCR혼합물 건조물이 수용된 반응웰(W)에 수용하는 PCR플레이트(200)와, PCR플레이트(200)의 일측에 배치되고, 반응웰(W)에 인접하여 서로 다른 온도를 인가하며, 수평동작 및 상하 이동 동작이 가능한 한 쌍의 히팅블럭(310,320)을 포함하는 온도제어모듈(300)을 포함하고, PCR플레이트(200)는, 적어도 하나 이상의 상기 반응웰(W)을 구비하는 몸체부(210)와, 몸체부(210)에서 연장되고, 핵산 추출 카트리지(100)에 삽입되고, 핵산용액이 주입되는 주입구(h1)를 구비하는 삽입부(220)와, 주입구(h1)에서 반응웰(W)로 상기 핵산용액을 유동 가능하게하는 유로부(230)와, 몸체부(210)에 장착되고, 핵산용액이 반응웰(W)에서 유로부(230) 측으로의 역류를 차단하는 차단부(240)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상술한 구성을 통해, 핵산 추출 카트리지(100)를 통해 전문가가 아니라도 원하는 시료를 투입하여 자유롭게 핵산추출이 이루어질 수 있도록 하는 편의성을 제공하는 동시에, PCR플레이트(200)에 가해지는 증폭에 필요한 온도 순환을 얇은 필름과 압착을 통해 PCR플레이트(200) 내의 반응용액에 직접 목표온도를 인가할 수 있는 히팅블럭(310, 320) 구조물을 이용하여 빠르고 정밀한 온도 제어가 가능하도록 할 수 있다.

또한, 스캐닝 모듈을 통해, 실시간으로 PCR플레이트(200) 하부에서 다양한 파장대의 여기광과 해당 형광 스캐닝을 통해 반응물에 대한 검출작업이 이루어질 수 있도록 하나의 시스템으로 구현된 중합효소 연쇄반응(이하, 'PCR'이라 한다.) 장치를 제공할 수 있도록 할 수 있다.

도 2 내지 도 7은 본 발명에서의 온도제어모듈(300)의 구조를 설명하기 위한 도면을 도시한 것이다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 온도제어모듈의 사시개념도를 도시한 것이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 온도제어모듈(300)은 생체시료의 핵산을 추출하고, 중합효소와 혼합하여 PCR(polymerase chain reaction) 예비 혼합물 또는 핵산용액을 핵산 추출 카트리지(100)로부터 주입 받아 수용하는 PCR플레이트(200)에 대해 일정한 온도 제어를 수행하는 기능을 수행한다.

구체적으로는, 상기 온도제어모듈(300)은, PCR플레이트(200)에 구현되는 반응웰(W) 표면에 대응하는 제1가압면(G1)이 구현되며, 가열유닛에 의해 열변성(denaturation)에 필요한 온도(이하, '제1온도')의 범위로 설정된 온도로 유지되는 제1히팅블럭(310)을 구비한다. 동시에, 제1히팅블럭(310)과 대응되는 위치에 이격되어 배치되며, 반응웰(W) 표면에 대응하는 제2가압면(G2)이 마련되며, 가열유닛에 의해 결합(annealing)에 필요한 온도(이하, '제2온도')의 범위로 설정된 온도로 유지되는 제2히팅블럭(320)을 구비하여 구성된다. 특히, 제1히팅블럭(310)과 제2히팅블럭(320)의 구조물은 수평동작 및 상하 이동동작이 가능하도록 구현될 수 있도록 한다.

바람직한 실시예에서는, 제1히팅블럭(310)과 제2히팅블럭(320)은 입체형 구조를 구비하며, 하부면에 평평한 구조의 가압면을 구비하도록 할 수 있으며, 제1히팅블럭(310)과 제2히팅블럭(320)은 상호 이격되도록 배치될 수 있으며, 각각 다른 온도 범위의 온도를 가지도록 할 수 있다.

구체적으로, 제1히팅블럭(310)과 제2히팅블럭(320)은 도 2 및 도 3에 도시된 것과 같이, 상호 마주보는 구조로 대향 배치되며, 전체적으로 상부면에는 평평한 구조의 가압기능을 수행하기 위한 구조로 구현되며, 그 위 부분은 직육면체의 입체형 구조로 구비될 수 있다. 직육면체의 입체형 구조의 구현은 하나의 실시예이며, 가압을 위한 평평한 구조의 가압면을 구비하는 형상이면 어떠한 입체형상을 구비하더라도 본 발명의 요지에 포함된다고 할 것이다.

또한, 제1히팅블럭(310)과 제2히팅블럭(320)은 측면으로 배치되되, 인접한 면은 상호 이격되는 구조로 구현되며, 각각이 서로 다른 설정온도를 구비하도록 유지될 수 있다.

이를테면, 제1히팅블럭(310)의 제1온도는 이중나선 DNA(생체시료에서 추출된 DNA 포함)를 분리시키는 열변성 단계(denaturation)에 적용하는 온도로 94 ~ 96℃의 범위에서 설정될 수 있다. 본 발명의 바람직한 일예에서는, 95℃로 유지되도록 할 수 있다.

나아가, 제2히팅블럭(320)의 제2온도는, 분리된 주형 DNA에 프라이머가 결합되도록 하는 프라이머 결합 단계(annealing)에 필요한 온도로, 50 ~ 65℃의 범위에서 설정될 수 있다. 본 발명의 바람직한 일예에서는, 55℃로 유지되도록 할 수 있다.

제1히팅블럭(310)과 제2히팅블럭(320)은 내부에 물이나 열전달유체를 수용하는 방식이 아니라 열용량이 크고 열전달효율이 좋은 금속재질의 몸체를 구비하는 구조로 구현되어, 내부의 가열유닛에 의해 설정온도로 상시 유지가 가능하다. 이를 위해 내부에 온도센서를 장착하여 일정한 온도 유지를 할 수 있도록 가열유닛은 온도조절을 통해 제어되어야 한다.

즉, PCR플레이트(200)에 PCR 예비 혼합물 또는 핵산용액이 주입되는 경우, 제1온도의 적용이 필요한 시기에는 제1히팅블럭(310)이 수평이동하여 PCR플레이트(200)의 표면에 인접하게 된다. 즉, 제1가압면(G)은 평평한 구조의 평판 구조인 바, PCR플레이트(200)의 전표면에 동시에 동일한 온도로 동일한 가압력으로 가열이 가능하게 되는 바, 전체 시료에 균일한 온도전달이 가능하게 된다.

또한, 결합단계에 필요한 제2온도의 적용이 필요한 시기에는 제2히팅블럭(320)이 수평이동하여 PCR플레이트(200)의 상부에 위치하게 되며, PCR플레이트(200)의 전표면에 동시에 동일한 온도로 동일한 가압력으로 가열이 가능하도록 한다.

즉, 설정온도 반응을 준비하는 시간이 별도로 필요하지 않으며, 간단한 수평 동작에 의해 PCR플레이트(200)의 전표면에 동시에 동일한 온도로 동일한 가압력으로 가열이 가능한 방식으로 구동하게 되는 바, 기존의 설정온도를 제어하기 위한 방식에 비해 신속하고 정밀한 PCR 반응을 도출해 낼 수 있게 된다.

또한, 제1히팅블럭(310)과 제2히팅블럭(320)은 서로 다른 온도로 설정되어 있어서 상시적으로 제1히팅블럭(310)에 의해 제2히팅블럭(320)이 복사열, 전도열에 의해 가열될 수 있음을 감안하여, 두 구조물 사이의 이격 공간에 냉각효과를 구현할 수 있는 냉각팬유닛(340)을 구비할 수 있도록 한다.

제2히팅블럭(320)은 상대적으로 제2온도, 이를테면, 55℃의 어닐링 온도를 유지할 수 있도록 하는 것이 중요한 바, 제1히팅블럭(310)의 열간섭을 최소화하고 넘치는 열을 쉽게 냉각팬유닛에 의해 발산할 수 있는 발산형 냉각패턴을 상부에 구비할 수 있다. 이러한 일 예로, 본 발명에서는, 제2히팅블럭(320)에 제2가압면(G2)의 측면부에 구현되는 온도조절 패턴부(321)를 더 포함하도록 할 수 있다. 온도조절 패턴부(321)는 상부에 돌출형 패턴이 다수 구현되는 구조로, 공기와의 접촉 표면적을 넓혀 열 발산 효율을 높일 수 있어, 일정한 저온을 유지하는데 유리하게 한다.

상술한 본 발명은 PCR 반응을 구현하는 반응시료를 이동하거나 시간설정을 통해 다른 가열영역으로 이동시키는 방식과는 달리, 반응시료를 고정한 상태에서 상부에서 전체적으로 동시에 균일한 온도를 높일 수 있도록 히팅블럭 구조를 적용하여, 제1온도 및 제2온도의 정확한 전달을 구현할 수 있게 된다.

아울러, 본 발명에서의 제1히팅블럭(310)이나 제2히팅블럭(320)은 수평동작 또는 상하 이동 동작을 구현하는 구동모듈(330)과 연동하도록 하는 것이 바람직하다. 구동모듈(330)은 제1히팅블럭(310)과 제2히팅블럭(320)을 관통하는 가이드부재(331, 332)를 포함하며, 제1히팅블럭(310)과 제2히팅블럭(320)은 가이드부재(331, 332)를 따라 상하 이동을 수행하도록 할 수 있다.

즉, 본 발명에서의 제1히팅블럭(310)과 제2히팅블럭(320)은 상호 이격되어 배치되며, 구동모듈(330)의 동작에 따라 상호 교차하여 상하 이동을 구현하게 된다. 나아가, 가이드부재(331, 332)의 하부에 배치되는 탄성부재(S1, S2)를 더 포함하도록 하여, 히팅블럭(310, 320)이 PCR플레이트(200)를 가압하는 경우, 적절한 탄성력을 주어 완충작용을 할 수 있도록 함이 바람직하다(도 5 참조).

또한, 본 발명의 실시예에서는, 상술한 온도제어모듈(300)과 연동하는 항온플레이트(350)를 더 포함하여 구비할 수 있도록 한다.

항온플레이트(350)는 도 2 및 도 3에 도시된 것과 같이, 온도제어모듈(300)을 구성하는 히팅블럭(310, 320) 구조물의 하부에 배치되며, PCR플레이트(200)가 진입하고 난 후, 상부에서 온도제어모듈(300)의 제1히팅블럭(310)이나 제2히팅블럭(320)이 수평동작과 상하 이동동작에 의해 PCR플레이트(200)를 가압하는 경우, 제1히팅블럭(310)이나 제2히팅블럭(320)의 온도와 동일한 온도를 가지도록 기능할 수 있도록 한다.

이를 위해, 항온플레이트(350)는 PCR플레이트(200)의 하부로 수평이동하는 수평이동 구동모듈(400)을 더 포함하여 구성될 수 있도록 한다.

수평이동 구동모듈(400)은, 도 2 및 도 3에 도시된 것과 같이, 항온플레이트(350)의 일단에 결합하는 이동바(420)와 구동모터부(410), 그리고 구동모터부(410)의 회전력을 이동바(420)의 수평이동력으로 전환하는 전환플레이트(430)를 포함하여 구성될 수 있다.

이러한 수평이동 구동모듈(400)은 항온플레이트(350)를 상술한 온도제어모듈(300)의 하부 방향으로 수평이동할 수 있도록 하며, 특히, 본 발명의 실시예에 따른 항온플레이트(350)는, 제1온도로 가온되는 제1영역과, 제1영역과 이격되는 제2온도로 가온되는 제2영역으로 구획되는 구조로 구현될 수 있다.

특히, 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 온도제어모듈(300)과 항온플레이트(350)는 가이드부재(331, 332)를 매개로 상호 일체형으로 구현되도록 할 수 있다.

즉, 수평이동 구동모듈(400)이 구동하는 경우, 항온플레이트(350)와 히팅블럭(310, 320)을 포함하는 온도제어모듈(300)이 함께 이동될 수 있도록 할 수 있다.

이 경우, 항온플레이트(350)는, 제1온도로 가온되는 제1영역과, 제1영역과 이격되는 제2온도로 가온되는 제2영역을 포함하며, 제1히팅블럭(310)의 제1가압면(G1)은 제1영역의 상부에 대응되도록 배치되도록 하여 동시에 동일한 온도로 상하에서 항온플레이트(350)와 히팅블럭(310, 320) 사이에 PCR플레이트(200)를 배치하고 가압이 이루어질 수 있도록 할 수 있다.

즉, 본 발명의 실시예에서는, 항온플레이트(350)를 제1온도와 제2온도의 구배를 가지는 영역으로 분획하고, 수평이동 구동모듈(400)을 통해 히팅블럭의 가압시 히팅블럭(310, 320)의 온도에 대응되는 설정온도(제1온도 또는 제2온도)를 가지는 영역이 대응되도록 슬라이딩 구조로 수평 이동하여, PCR플레이트(200)의 상하면에 동시에 접촉 가압을 수행하도록 함으로써, 단일 온도로 유지되는 항온플레이트(350) 방식에 비해 2배의 효율을 구현하게 된다.

도 4는 도 3에서의 온도제어모듈을 후방에서 바라본 횡단면도이며, 도 5는 온도제어모듈을 전방에서 바라본 횡단면도를 도시한 것이다.

이와 같이, 본 발명의 온도제어모듈(300)은 제1히팅블럭(310)과 제2히팅블럭(320)의 수평동작 또는 상하 이동 동작을 구현하는 구동모듈(330)을 구비하여 이러한 히팅모듈의 동작을 자동화할 수 있도록 한다.

도 2 내지 도 5를 참조하면, 구동모듈(330)은, 제1히팅블럭(310)과 제2히팅블럭(320)을 상하이동시키는 동작을 수행하며, 동시에 수평이동 구동모듈(400)은 제1히팅블럭(310)과 제2히팅블럭(320)을 수평이동시켜 PCR플레이트(200) 상의 반응웰(W)의 표면에 접하는 부분을, 제1가압면(G1) 또는 제2가압면(G2)으로 변경시킬 수 있도록 한다.

제1히팅블럭(310)과 제2히팅블럭(320)은 상호 이격된 상태로 나란하게 배치되는 구조이며, 각각에는 가이드홈(312, 322; 도 2참조)이 관통구조로 마련되며, 제1히팅블럭(310)과 제2히팅블럭(320)은 가이드홈(312, 322)을 관통하는 가이드부재(331, 332)에 안착하게 된다. 이를 통해, 제1히팅블럭(310)과 제2히팅블럭(320)은 가이드부재(331, 332)를 따라 상하 이동을 수행하며, PCR플레이트(200)를 상부에서 가압할 수 있게 된다.

물론, 이 경우 제1히팅블럭(310)과 제2히팅블럭(320)의 하부에는 항온플레이트(350)가 배치되며, 각각의 히팅블럭이 구비한 제1온도 또는 제2온도와 동일한 온도를 가지는 영역을 대응시켜, PCR플레이트를 상하에서 가압할 수 있도록 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서의 온도제어모듈(300)은 PCR플레이트(200) 내의 PCR 대상물 전체에, 제1온도와 제2온도를 PCR플레이트 표면 전체에 바로 인가할 수 있게 되는 장점이 구현되며, 인가 속도 측면 및 반응효율측면에서 탁월한 효과를 구현할 수 있게 된다.

또한, 온도제어모듈(300)의 히팅블럭의 구조물은 상시로 수평이동이 가능한 상부에 위치하도록 하고 PCR플레이트(200)와 압착할 경우에만 하부로 내려오는 구조이다.

이런 구조를 구현하기 위해 구동프레임 내부에 내삽되는 구조로 배치되어 압착하지 않은 경우 상시 상부로 상승하게 하는 복원력을 가진 제1탄성부재(S1)를 포함할 수 있도록 한다. 본 발명에서는, 또한 PCR플레이트(200)에 접하여 가압을 구현하는 경우, 지나친 가압력을 인가하는 것을 방지하기 위해 가압하는 힘을 전달하는 제2탄성부재(335)를 구비한다(도 5). 제2탄성부재(335)는 도시된 실시예에서는 판스프링 구조물로 구현되어, 하부 방향으로의 제1 및 제2히팅블럭(310, 320)이 가압되는 경우에 일정한 완충력을 발휘하여 지나친 가압력이 PCR플레이트(200) 표면에 인가되지 않도록 제어할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에서 PCR플레이트(200)는 상면에 반응웰이 구현되는 판상형 구조물의 형태를 구비하는데, 이 경우 PCR플레이트(200)는 일정한 온도, 이를테면 제2온도(ex: 55℃)의 범위를 유지할 있도록 하부에 항온플레이트(350) 구조물을 더 포함하여 구성될 수 있도록 한다.

이는, 본 발명의 온도제어모듈(300)에 의해 제1온도((ex: 95℃)의 제1히팅블럭을 밀착하여 온도를 상승시키는 경우나, 제2온도(ex: 55℃)의 제2히팅블럭을 밀착하는 경우, PCR플레이트(200)가 목표 온도로 빠르게 도달해야만 내부 증폭 효율이 훨씬 좋아지기 때문이다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는, PCR플레이트(200)의 하부에 배치되어, PCR플레이트(200)의 온도를 제2온도로 유지하는 항온플레이트(350)를 더 포함하여 구성될 수 있도록 함이 바람직하다.

특히, 항온플레이트(350) 구조물을 구비하는 것은 고정형으로 장착하고, 일정하게 설정된 온도를 인가하는 방식으로 구현하는 것도 좋지만, 상술한 것과 같이, 항온플레이트(350) 자체를 구획하여 제1온도 및 제2온도를 인가하는 영역으로 구분하고, 항온플레이트를 수평이동 할 수 있는 구조로 구현될 수 있도록 함이 더욱 바람직하다.

도 6은 도 2의 구조에서 항온플레이트(350)를 수평이동 구동모듈(400)을 통해 온도제어모듈 하부로 수평이동 시켜 진입시킨 모습을 도시한 도면이며, 도 7은 도 6의 동작에서 항온플레이트(350)를 바깥쪽으로 수평이동시켜 온도 영역에 변경을 준 모습을 도시한 것이다.

즉, 도 6의 구조에서는, 제1히팅블럭(310)이 제1온도를 인가하도록 배치되면, 항온플레이트(350)에서의 제1영역이 제1히팅블럭과 함께 PCR플레이트의 하부로 수평이동 하여 배치되어, 제1히팅블럭(310)이 PCR플레이트(200)의 상부면과 마주하도록 대응되며, 이후 도 7과 같이, 제2영역이 제2히팅블럭과 함께 PCR플레이트의 하부로 수평이동 하여 배치되는 경우, 제2히팅블럭(320)이 수평이동하여 PCR플레이트(200)의 상부면과 마주하도록 대응되도록 작동되는 모습을 도시한 것이다.

항온플레이트(350)의 수평 이동 동작은 슬라이딩 방식으로 구현되되, 항온플레이트(350)의 측면부와 접촉하는 슬라이딩 테이프와 접촉하여 이동하도록 구현할 수 있다.

또한, 도 6 및 도 7을 참조하면, 이는 본 발명에 따른 온도제어모듈(300)의 저면을 도시한 개념도로, 도시된 것과 같이, 항온플레이트(350)는 PCR플레이트(200)와 하부의 스캐닝모듈(미도시: 도 1의 부호 500) 사이에 배치되도록 하며, 스캐닝모듈에서 조사되는 여기광이 조사하여 PCR플레이트(200)에 전달되고 형광이 검출될 수 있도록 스캐닝모듈(500)의 광이 유도되는 광투과부(H)가 관통구조로 다수 마련될 수 있다.

따라서, 본 발명에서는, 상술한 스캐너를 장착한 일체형 시스템으로 핵산추출, PCR 과정과 검출과정을 하나의 시스템 속에서 구현할 수 있으며, 다양한 질병진단에 적용이 가능하도록 분리형 PCR플레이트 구조물을 구현할 수 있도록 한다.

도 8 내지 도 13은 본 발명에 적용되는 PCR플레이트(200)의 일 실시예를 도시한 것이다.

도 8을 참조하고, 상술한 도 2 및 도 3의 개념도를 참고하면, 본 발명에서 따른 PCR플레이트(200)는, 몸체부(210), 삽입부(220), 유로부(230), 차단부(240)를 포함한다.

몸체부(210)는 적어도 하나 이상의 반응웰(W1....Wn)(W)을 구비한다. 반응웰(W)은 플레이트 형상의 표면에 핵산 추출 카트리지(100)에서 PCR(polymerase chain reaction) 예비 혼합물 또는 핵산용액(이하 "핵산용액"이라 함)을 인가받고, 프라이머, 프라이머/프로브, 또는 프라이머프로브가 포함된 PCR혼합물 건조물이 수용된다.

삽입부(220)는 몸체부(210)에서 연장되고, 핵산 추출 카트리지(100)에 삽입되고, 핵산용액이 주입되는 주입구(h1)를 구비한다. 삽입부(220)는 몸체부(210)의 일단에서 연장되며, 핵산 추출 카트리지(100)에 내삽되는 구조로 결합한다.

특히, 핵산 추출 카트리지(100)에서 인입되도록 핵산용액이 주입되는 주입구(h1)를 구비하는 삽입부(220)가 구현되는 구조로 구현될 수 있다. 또한, PCR플레이트(200)는 주입구(h1)와 연결되어 다수의 반응웰(W)로 연결되도록 몸체부(210) 표면에 마련되는 유로부(230)로 연결되는 구조로 구현될 수 있도록 한다.

본 발명에서 반응웰(W)의 경우, 도 8에서 도시된 구조에서는 8개의 반응웰(W1 ~ W8)을 구비하는 구조로 구현되었으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 적어도 1개 이상의 개수를 구비하는 구조로 구현할 수 있음은 물론이며, 반응웰(W)의 구조 역시 몸체부(210)의 표면을 가공하여 오목한 패턴 구조로 구현하는 것도 가능하다.

특히, 본 발명의 바람직한 실시예로는, 도 8과 같이 몸체부(210)의 표면영역에 일정한 반응웰(W)의 영역을 구획하는 구조로 마련되도록 하며, 반응웰(W) 내에 건조된 상태로 구비되는 프라이머와 핵산 추출 카트리지(100)에서 주입되는 핵산용액이 반응웰(W) 내에서 분산되어 혼합될 수 있도록 한다.

유로부(230)는 주입구(h1)에서 반응웰(W)로 핵산용액을 유동 가능하게 한다. 차단부(240)는 몸체부(210)에 장착되고, 핵산용액이 반응웰(W)에서 유로부(230) 측으로의 역류를 차단한다. 차단부(240)는 탄성 변형 가능한 재질을 포함하여 이루어진다. 차단부(240)의 탄성 변형 가능한 재질로는 고무, 실리콘 등으로 이루어질 수 있다.

몸체부(210)는 몸체프레임부(211), 차단수용부(213), 연결유로부(215), 저장부(217), 유로가이드부(219)를 포함한다. 몸체프레임부(211)는 적어도 하나 이상의 반응웰(W1....Wn)(W)을 구비한다.

차단수용부(213)는 몸체프레임부(211)에 오목하게 형성되고, 차단부(240)를 수용한다. 차단수용부(213)를 차단부(240)를 수용할 수 있도록 차단부(240)의 크기에 대응되게 오목하게 형성된다.

연결유로부(215)는 차단수용부(213)와 각각의 반응웰(W)을 연결한다. 핵산용액은 연결유로부(215)를 통해 반응웰(W)로 공급될 수 있다.

저장부(217)는 몸체부(210)에 오목하게 형성되고, 유로부(230)와 연통되며, 상기 핵산용액을 공급받는다. 저장부(217)는 각각의 반응웰(W)로 공급될 수 있도록 핵산용액을 공급받아 저장한다.

유로가이드부(219)는 저장부(217)와 연통되고, 핵산용액을 상기 차단부(240)측으로 유동되게 가이드한다.

연결유로부(215)는 차단부(240)에서 반응웰(W) 측으로 폭이 좁게 형성되는 병목부(215a)를 구비한다. 병목부(215a)는 연결유로부(215)에서 갑자기 폭이 좁게 형성되어, 차단수용부(213)에 차단부(240)가 수용된 부분이 약간 튀어나오는 구조로 형성된다.

도 10을 참조하면, 차단부(240)는 상측에서 하측으로 가압되어 차단수용부(213)에 삽입되어, 연결유로부(215)의 병목부(215a)의 폭이 좁게 형성된다.

도 11을 참조하면, 병목부(215a)에 투명필름이 실링 가압 부착되면, 차단부(240)에 의해 연결유로부(215)에서 4면이 가압되는 구조로 이루어져 핵산용액의 흐름이 차단된다. 따라서 각각 이웃하는 반응웰(W) 간의 약한 압력 차이로 인해 핵산용액의 흐름이 차단된다.

도 12를 참조하면, 차단부(240)에 계속적으로 핵산용액이 주입되면 저장부(217)에서 유로가이드부(219)를 통과하여 차단부(240)를 밀며 각 반응웰(W)으로 각 반응웰(W)로 핵산용액이 유입된다.

도 13을 참조하면, 각 반응웰(W)에 핵산용액이 유입된 후 각 반응웰(W)의 온도 변화에 의하여 압력이 상승되면, 반응웰(W)에서 차단부(240)를 가압하여 차단부(240)가 유로가이드부(219)를 밀착 가압하여 핵산용액이 반응웰(W)에서 유로부(230) 측으로 역류되는 것을 차단할 수 있다.

또한, PCR플레이트(200)는, 다수의 반응웰(W)의 상부를 밀봉하는 커버부재(미도시)를 포함하여 구성되며, 커버부재는 광투과성이 있는 투명한 재질의 필름소재를 적용할 수 있다.

커버부재가 반응웰(W)의 표면에 밀착하여 반응웰(W) 내부를 공동부로 구현하게 되면, 추후 핵산 추출 카트리지(100)에서 주입되는 PCR(polymerase chain reaction) 예비 혼합물, 핵산용액은 위 공동부에 존재하는 공기층을 밀어내며 반응웰(W) 내부로 주입되게 된다.

특히, 본 발명에서는, 도 8의 구조와 같이, 몸체부(210) 내의 반응웰(W)과 연결되는 유로부(230)는 주입구(h1)와 연결되는 시점에서 몸체부(210)를 경유하여 몸체부(210)의 말단부까지 연장도록 구현되되, 말단부에서 삽입부(220)와 반대되는 방향의 다수의 반응홀 단부와 각각 연결되도록 구현될 수 있도록 한다.

즉, 도 2에서와 같이, 삽입부 하부에 마련되는 주입구(h1)를 통해서 핵산추출 카트리지(100)로 PCR 예비 혼합물, 핵산용액이 주입되게 되는 경우, 유로부(230)의 시점에서 몸체부(210)를 가로지르는 방향(x1)으로 유로가 구현되고, 몸체부(210)의 말단 지점에서 좌우로 분지되어 각각의 반응웰(W)에 입구와 연결되도록 구현할 수 있다. 이렇게 유로를 형성하는 이유는, 커버부재에 의해 밀봉되는 반응웰(W) 영역에는 내부에 공기층이 미량 존재하게 되어, 주입되는 PCR 예비 혼합물, 핵산용액이 도 8의 구조와 같이 몸체부의 중심선(Cx)을 기준으로, 상부영역에서부터 차오르게 되며, 공기층은 몸체부(210)의 하부영역(Cb)으로 밀려 올라가게 된다.

따라서 상대적으로 반응웰(W)의 상부영역(Ca)에 PCR 반응이 이루어질 혼합물이 배치되게 되며, 이는 본 발명의 히팅블럭(310, 320)이 가압을 수행하는 영역과 스캐너모듈의 검출을 수행하는 영역이 장비의 특성상 도 8과 같이 상부영역(Ca)에서 이루어지게 되어, 검출의 정밀도나 PCR 반응의 효율성, 온도제어의 효율성 모두를 높일 수 있게 할 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 PCR플레이트(200)는 광투과성이 높은 합성수지재로 구현되도록 함이 바람직하다. 이는 상술한 스캐너모듈의 기능에 따라 광투과성이 높은 재질로 구성하여 검출의 효율성을 높일 수 있게 하기 위함이다.

이러한 재질로는 투명 PP, PE, PPA, PMMA, PC 등 다양한 합성수지재를 적용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 일정한 광투과성을 확보할 수 있는 재질이면 적용이 가능하다 할 것이다.

다만, PCR플레이트(200)는 하부의 항온플레이트(350)에서 인가되는 열원에 의해 일정한 온도를 유지할 수 있게 되며, 반응웰(W) 내에 충진되는 PCR(polymerase chain reaction) 예비 혼합물 또는 핵산용액과 건조된 프라이머와 프로브 중 적어도 일측을 포함하는 PCR반응물에 직접 인가되는 온도제어모듈의 온도유지의 효율성을 위해, 몸체부(210)의 두께는 1.0mm~3.0mm의 범위에서 구현될 수 있도록 한다. 1.0mm 미만의 두께에서는, 제1온도를 설정하는 고온의 열이 몸체부(210) 하부까지 쉽게 전달되어 항온플레이트(350)와의 열간섭이 이루어져 온도제어가 용이하지 않으며, 3.0mm를 초과하는 경우에는 반응웰(W)에 수용되는 물질에 대한 온도제어는 용이하나, 하부의 항온플레이트(350)의 온도제어가 용이하지 않게 되어 일정한 온도 유지가 어려운 단점이 발생하게 된다.

즉, 본 발명에서는, 도 4 및 도 5에서 상술한 것과 같이, 제1히팅블럭(310)과 제2히팅블럭(320)을 수평이동시켜 반응웰(W)의 표면에 접하는 제1가압면(G1) 또는 제2가압면(G2)은, 격벽패턴의 상부면과 격벽패턴을 커버하는 커버부재와 접촉하는 구조로 가압하여 설정 온도를 제1온도나 제2온도로 하여 반응물의 온도를 제어하게 된다.

또한, PCR플레이트(200)에 대해 온도순환을 시키는 경우, 도 2 및 도 3의 구조에 따른 온도제어모듈(300)에서, 제1온도로 올리기 위해서는 제1히팅블럭(310)이 PCR플레이트(200) 상부면과 마주 보게 수평이동하고 PCR플레이트(200) 하부면은 항온플레이트(350)의 제1영역이 제1히팅블럭(310)과 함께 수평이동한 후 제1히팅블럭(310)이 아래로 이동하여 접촉가압되며, 제2온도로 내리기 위해서는 PCR플레이트(200)의 상부면이 제2히팅블럭(320)과 마주보게 수평이동하고 PCR플레이트(200)의 하부면에서는, 항온플레이트(350)의 제2영역이 제2히팅블럭(320)과 함께 수평이동한 후 제2히팅블럭(320)이 아래로 이동하여 접촉가압되어, PCR플레이트(200)의 상하면에 동시 가온과 냉각이 이루어지도록 구동되게 된다. 본 발명에서는, 항온플레이트(350)와 제1 및 제2 히팅블럭(310, 320)이 일체로 수평이동을 함께 하는 구조로 구현되는바 PCR플레이트(200)의 상하부 가압은 동시에 동일한 온도로 구현될 수 있음은 물론이다.

이러한 동작으로 인해, PCR플레이트(200)의 상하면에 동시에 접촉 가압을 수행하도록 함으로써, 단일 온도로 유지되는 항온플레이트(350) 방식에 비해 2배의 효율을 구현할 수 있으므로, 타겟 내에 들어 있는 플레이트의 가열시간을 상하면 동시에 구현되는 방식을 취하므로, 검사시간을 1/2로 줄일 수 있는 장점이 구현된다.

도 14 내지 도 19는 본 발명에 적용되는 PCR플레이트(200)의 다른 실시예를 도시한 것이다.

도 14를 참조하고, 상술한 도 2 및 도 3의 개념도를 참고하면, 본 발명에서 따른 다른 실시예의 PCR플레이트(200)는, 몸체부(210), 삽입부(220), 유로부(230), 차단부(240)를 포함한다. PCR플레이트(200)의 몸체부(210), 삽입부(220), 유로부(230), 차단부(240)에 대한 설명은 상술한 설명으로 갈음한다.

본 발명의 PCR플레이트(200)의 다른 실시예서 차단수용부(213)는 저장부(217)의 길이방향을 따라 형성되는 격벽부(214)에 의해 복수개로 분할된다. 차단부(240)는 격벽부(214)에 의해 분할된 차단수용부(213) 각각에 장착된다.

도 16을 참조하면, 복수개의 차단부(240)는 상측에서 하측으로 각각의 차단수용부(213)에 삽입 장착된다. 탄성 변형 가능한 차단부(240)는 차단수용부(213)에 압입된다. 탄성 변형 가능한 차단부(240)는 차단수용부(213)를 실링한다.

도 17을 참조하면, 차단부(240)에 의해 실링된 후 각 차단수용부(213)의 압력 차에 의한 흐름은 격벽부(214)에 의해 차단된다.

도 18을 참조하면, 핵산용액이 주입되면, 저장부(217)를 통해 연결유로부(215)를 통과하여 차단부(240)를 밀며 각 반응웰(W)로 핵산용액이 유입된다.

도 19를 참조하면, 핵산용액 유입 이후 각 반응웰(W)의 온도 변화에 의한 압력이 상승되면, 반응웰(W)에서 차단부(240)를 가압한다. 차단부(240)는 연결유로부(215)를 밀착 가압하여 핵산용액의 역류를 차단할 수 있다.

도 20 내지 도 23은 이러한 항온프레이트와 수평이동 구동모듈의 구조 및 작동 방식을 상세하게 설명하기 위한 도면이다.

도 20은 도 2 및 도 3에서 항온플레이트(350)가 안착된 구조를 도시한 것이고, 도 22는 항온플레이트 구조만을 분리한 구조를 도시한 것이다.

도 20 및 도 21을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 항온플레이트(350)는 도 2 및 도 3에 도시된 온도제어모듈(300)을 구성하는 히팅블럭(310, 320) 구조물의 하부에 배치되며, PCR플레이트(200)가 배치되고 난 후, 상부에서 온도제어모듈(300)의 제1히팅블럭(310)이나 제2히팅블럭(320)이 수평동작과 상하 이동동작에 의해 PCR플레이트(200)를 가압하는 경우, 제1히팅블럭(310)이나 제2히팅블럭(320)의 온도와 동일한 온도를 가지도록 기능할 수 있도록 한다.

항온플레이트(350)는, 도 20에 도시된 것과 같이, 제1온도를 유지하는 상기 제1영역(a1)과 제2온도를 유지하는 제2영역(a2)을 구획하는 이격부(Ss)가 마련되며, 이격부(Ss) 양측단(a3, a4)을 기준으로 제1영역(a1)과 제2영역(a2)이 연결되는 구조로 구현된다.

항온플레이트(350)의 일단에는 커넥터 구조물(Ca, Cb)이 장착되어 전원 인가 또는 제어신호를 전달할 수 있도록 한다.

특히, 항온플레이트(350)의 수평 이동 동작은 슬라이딩 방식으로 구현되되, 항온플레이트(350)의 측면부와 접촉하는 슬라이딩 테이프와 접촉하여 이동되도록 구현하여 구조의 간소화를 구현함은 물론, 이동성을 증진할 수 있게 한다.

이 경우, 제2영역(a2) 부분에는 광투과부(H)를 두어 증폭된 반응물의 농도를 스케닝하는 스캐닝모듈(500)의 검출광을 투과할 수 있도록 구현할 수도 있다.

제1영역(a1)과 제2영역(a2)에는 온도센서(Sa, Sb)를 두어 해당 영역의 온도를 측정하고 제어관리할 수 있도록 할 수 있다.

도 23은 도 22의 하부면을 도시한 것으로, 제어신호와 전원을 인가하는 접속커넥터부(Cc, Cd)가 마련되며, 온도센서(Sa, Sb)를 두어 제1온도 및 제2온도의 항온유지를 구현할 수 있도록 한다.

항온플레이트(350)의 제1영역이나 제2영역의 온도 유지는, 다양한 가열수단, 열선이나 가열 저항체 등의 다양한 수단을 플레이트 내부에 장착하는 방식을 사용할 수도 있으나, 본 발명의 바림직한 실시예에서는, 에폭시 인쇄회로에 전극과 온도센서 회로를 구현하고 전극사이에 발열페인트를 도포한 후 제1영역과 제2영역에 해당하는 금속판을 각각의 온도센서와 발열페인트에 밀착하도록 접착하여 이러한 효과를 구현할 수 있도록 한다.

본 발명에서는, 항온플레이트(350)는 PCR플레이트(200)의 하부로 수평이동하는 수평이동 구동모듈(400)을 더 포함하여 구성될 수 있도록 한다.

상기 수평이동 구동모듈(400)은, 도 2 및 도 3에 도시된 것과 같이, 항온플레이트(350)의 일단에 결합하는 이동바(420)와 구동모터부(410), 그리고 구동모터부(410)의 회전력을 이동바(420)의 수평이동력으로 전환하는 전환플레이트(430)를 포함하여 구성될 수 있음은 상술한 바 있다.

도 21에 도시된 것과 같이, PCR플레이트(200)는 핵산 추출 카트리지(100)에 삽입되어 유로가 연결되는 구조로 결합하며, 핵산 추출 카트리지(100)에서 추출된 핵산용액은 주입구(h1)로 주입되게 되고, 주입된 추출 핵산용액은 이후, 프라이머와 프로브 중 적어도 일측이 포함된 PCR혼합물 건조물이 수용된 적어도 1 이상의 반응웰에 주입시켜 수용하는 PCR플레이트(200)로 이동하게 된다.

이후에, PCR플레이트(200)의 반응웰 부분에 제1온도 또는 제2온도를 형성하기 위한 본 발명의 온도제어모듈(300)의 제1히팅블럭(310)이나 제2히팅블럭(320)이 하강하게 된다.

이 경우, 수평이동 구동모듈(400)은 항온플레이트(350)와 온도제어모듈(300)을 함께 수평이동하게 되며, PCR플레이트(200)는 항온플레이트(350)와 온도제어모듈(300)의 사이로 내삽되는 구조로 배치되게 된다.

수평이동 구동모듈(400)을 통해 수평이동한 히팅블럭(310, 320)이 PCR플레이트(200)를 가압시 히팅블럭(310, 320)의 온도에 대응되는 설정온도(제1온도 또는 제2온도)를 가지는 항온플레이트(350)의 제1영역 또는 제2영역이 자연스럽게 대응되도록 배치되게 되게 된다.

즉, 항온플레이트(350)의 제1영역(a1)이 PCR플레이트(200)의 하부로 수평이동 하여 배치되는 경우, 제1히팅블럭(도 2, 310)이 동시에 수평이동하게 되며, PCR플레이트(200)의 상부면과 마주하도록 대응되며, 이후 히팅블럭(310, 320)이 하강하여 PCR플레이트(200)의 상부면과 접촉하게 된다.

또한, 제2영역(a2)이 PCR플레이트(200)의 하부로 수평이동 하여 배치되는 경우, 제2히팅블럭(eh 2, 320)이 동시에 수평이동하여 PCR플레이트(200)의 상부면과 마주하도록 대응되도록 작동하며, 이후 히팅블럭(310, 320)이 하강하여 PCR플레이트(200)의 상부면과 접촉하게 된다.

요컨데, PCR플레이트(200)에 대해 온도순환을 시키는 경우, 제1온도로 올리기 위해서는 제1히팅블럭(310)이 PCR플레이트(200)의 상부면과 마주 보게 수평이동하고 PCR플레이트(200)의 하부면은 항온플레이트(350)의 제1영역이 수평이동한 후 제1히팅블럭(310)이 아래로 이동하여 접촉가압되게 구동한다.

또한, 다시 제2온도로 내리기 위해서는 PCR플레이트(200)의 상부면이 제2히팅블럭(320)과 마주보게 수평이동하고 PCR플레이트(200)의 하부면에서는, 항온플레이트(350)의 제2영역이 제2히팅블럭(320)과 함께 수평이동한 후 제2히팅블럭(320)이 아래로 이동하여 접촉가압되어, PCR플레이트(200)의 상하면에 동시 가온과 냉각이 이루어지도록 구동하게 된다.

이와 같이, PCR플레이트(200)의 상하면에 동시에 접촉 가압을 수행하도록 함으로써, 단일 온도로 유지되는 항온플레이트(350) 방식에 비해 2배의 효율을 구현하게 된다.

이하에서는, 상술한 본 발명에서의 PCR플레이트(200)에 핵산추출물을 포함하는 PCR(polymerase chain reaction) 예비 혼합물, 핵산용액을 구현하는 핵산 추출 카트리지(100)를 도 24 내지 도 32를 참조하여 설명하기로 한다.

도 24는 본 발명의 핵산 추출 카트리지의 사시개념도로, 상술한 PCR플레이트가 삽입 결합된 구조를 도시한 것이다. 도 25는 도 24의 분리사시도이며, 도 26은 도 25의 구조에서 카트리지 덮개부(R1)의 내부 구조를 도시한 것이다.

도 24 내지 도 26을 참조하면, 본 발명에 따른 핵산 추출 카트리지(100)는, DNA 추출에 필요한 용액이 담긴 다수의 격벽구조의 수용부(22, 23, 24, 25, 26)를 구비하는 카트리지 덮개부(R1) 및 덮개부(R1)와 삽입구조로 결합하며, 수용부들(22, 23, 24, 25, 26)에서 인입되는 용액을 시료와 반응 또는 세정하는 반응수용부(11)가 마련되는 카트리지 본체부(R2)를 포함하여 구성될 수 있다.

이 경우, 반응수용부(11)에서 정제된 PCR 예비혼합물 또는 핵산용액을 카트리지 본체부(R2)로 내삽되는 구조로 결합되는 PCR플레이트(200)의 주입구(h1)로 주사하는 피스톤(18)을 구비하여 구성된다.

본 발명에서 카트리지 덮개부(R1)는 카트리지 본체부(R2)의 각 반응수용부(11)의 일측면과 접하고, 탄성 변형 가능한 재질을 포함하는 러버부(30)를 포함한다. 러버부(30)는 탄성 변형 가능한 재질로, 고무, 실리콘 등을 포함하여 이루어진다.

본 발명에서 러버부(30)는 카트리지 덮개부(R1)와 카트리지 본체부(R2)의 조립 시, 카트리지 덮개부(R1)와 카트리지 본체부(R2) 사이를 밀폐시켜 카트리지 본체부(R2)의 반응수용부(11)의 벽면을 타고 올라가서 핵산용액이 서로 혼합되는 것을 방지할 수 있다.

이러한 본 발명의 작용을 핵산 추출 카트리지 도 25 내지 도 32를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 27은 도 24의 투명 사시도를 도시하여 결합 후 내부 구조를 나타낸 것이다.

본 발명의 핵산 추출 카트리지는 본체부(R2)의 바닥면에 내부에 유로(19-1)가 형성된 로터리밸브(19)가 장착되어 있어, 이 로터리밸브를 회전시키면 카트리지 본체부(R2)의 각 수용부(11, 12, 13, 14, 15, 16, 17)의 공간과 로터리밸브(19)의 유로를 연결시킬 수 있다. 특정 수용부에 유로를 연결시킨 다음 피스톤(18)을 작동시켜 수용부에 담긴 용액을 취하고 다른 수용부 혹은 PCR플레이트(200)로 물질을 옮길 수 있도록 설계되었다.

도 25 및 도 26에 도시된 것과 같이, 카트리지 덮개부(R1) 내부에는 DNA 추출에 필요한 각각의 용액이 담긴 수용부(22, 23, 24, 25, 26)가 형성되어 있고, 이 수용부의 바닥면은 필름 등으로 밀봉되어 있어 본체 수용부의 관통침에 의해 쉽게 뚫릴 수 있도록 설계되었다. 또한, 다섯 개의 구멍(21-1, 21-2, 27, 28, 29)이 형성되어 있다.

카트리지 덮개부(R1)의 제1수용부(22)에는 Binding buffer, 제2수용부(23)에는 1st Washing buffer, 제3수용부(24)에는 2nd Washing buffer, 제4수용부(25)에는 3rd Washing buffer, 제5수용부(26)에는 Elution buffer가 담겨 있다.

PCR플레이트(200)는 투명한 플라스틱 재질(polyethylene, polypropylene, PET 등)의 필름으로 덮여 있고, 반응웰 내부에는 건조된 PCR 프라이머와 프로브 중 적어도 일측을 포함한 PCR건조물 혼합물이 담겨 있는 구조이며, 이는 상술한 도 8에서 상술한 구조와 같다.

본 발명의 핵산추출카트리지의 작용은 다음과 같은 순서로 진행될 수 있다.

1. 생체시료투입

카트리지 본체부(R2), 카트리지 덮개부(R1) 및 PCR플레이트(200)가 결합된 상태로 후술하는 자동화 장비에 장착되고, 도 25의 도시된 제1구멍(21-1)에 생체시료(혈액)가 투입된다.

2. 세포로부터 핵산의 유출 및 비드와의 결합

도 30에 도시된 것과 같이, 카트리지 본체부(R2)의 하부에 배치된 로터리밸브(19)의 회전 및 피스톤(18)의 작용을 통해 제1수용부(22)의 Binding buffer가 반응수용부(11)에 투입되어 생체시료 및 마그네틱 타블렛(MT)의 비드(실리카가 코팅된 마그네틱 비드)와 섞인다.

본 발명에서 사용되는 마그네틱 타블렛(MT)은 카트리지 본체부(R2)의 반응수용부(11)의 내부로 연장되는 관통관로의 말단부에 장착되어, 생체시료에 함유된 세포에서 추출되는 핵산이 마그네틱타블렛에 용해되어 분산된 마그네틱비드의 표면과 결합하도록 하는 기능을 수행한다.

이때 상기의 마그네틱 타블렛 대신에 Binding buffer에 상기 마그네틱 비드를 현탁시켜 사용하여도 된다.

이후, 카트리지 본체부(R2) 밀폐된 제2구멍(21-2)에 진동자(sonication tip)가 투입되어 초음파가 가해지면, 플라스틱을 통해 초음파가 전달되어 생체시료, 타블렛 및 Binding buffer가 혼합되어 반응액이 균질화되며, 이때 생체시료에 함유된 생체조직들도 파쇄되어 핵산이 유출되고 유출된 핵산은 비드의 표면에 결합된다.

카트리지 본체부(R2) 제3구멍(27)에 마그네틱바(magnetic bar)가 투입되면 비드가 반응수용부의 벽면에 고정되고, 로터리밸브의 회전 및 피스톤의 작용을 통해 나머지 반응액이 제1수용부로 옮겨진다.

3. 1차 세척

도 27에서 도시된 카트리지 본체부(R2)의 로터리밸브의 회전 및 피스톤의 작용을 통해 제2수용부(23)의 1st Washing buffer가 반응수용부(11)에 투입되어 핵산이 결합된 비드와 섞인다.

이후, 도 25의 제3구멍(27)에서 마그네틱바가 제거되고 제2구멍(21-2)에 진동자(sonication tip)에 초음파가 가해지면 1차 세척이 이루어진다. 이 1차 세척으로 인해 핵산 이외에 비드에 비특이적으로 결합된 물질들이 세척된다.

제3구멍(27)에 마그네틱바가 투입되어 비드가 반응수용부의 벽면에 고정되고, 로터리밸브의 회전 및 피스톤의 작용을 통해 1차 세척액이 제2수용부(23)로 옮겨진다.

4. 2차 세척

도 27에서 도시된 카트리지 본체부(R2)의 로터리밸브의 회전 및 피스톤의 작용을 통해 제3수용부(24)의 2nd Washing buffer가 반응수용부(11)에 투입되어 핵산이 결합된 비드와 섞인다.

이후, 도 25의 제3구멍(27)에서 마그네틱바가 제거되고 제2구멍(21-2)에 진동자(sonication tip)에 초음파가 가해지면 2차 세척이 이루어진다. 이 2차 세척으로 인해 핵산 이외에 비드에 비특이적으로 결합된 물질들이 세척된다.

제3구멍(27)에 마그네틱바가 투입되어 비드가 반응수용부의 벽면에 고정되고, 로터리밸브의 회전 및 피스톤의 작용을 통해 2차 세척액이 제3수용부(24)로 옮겨진다.

5. 3차 세척

도 27에서 도시된 카트리지 본체부(R2)의 로터리밸브의 회전 및 피스톤의 작용을 통해 제4수용부(25)의 3rd Washing buffer가 반응수용부(11)에 투입되어 핵산이 결합된 비드와 섞인다.

이후, 도 25의 제3구멍(27)에서 마그네틱바가 제거되고 제2구멍(21-2)에 진동자(sonication tip)에 초음파가 가해지면 3차 세척이 이루어진다. 이 3차 세척으로 인해 핵산 이외에 비드에 비특이적으로 결합된 물질들이 세척된다.

제3구멍(27)에 마그네틱바가 투입되어 비드가 반응수용부의 벽면에 고정되고, 로터리밸브의 회전 및 피스톤의 작용을 통해 3차 세척액이 제4수용부(25)로 옮겨진다.

6. 핵산 용출

도 27에서 도시된 카트리지 본체부(R2) 로터리밸브의 회전 및 피스톤의 작용을 통해 제5수용부(26)의 Elution buffer가 반응수용부(11)에 투입되어 핵산이 결합된 비드와 섞인다.

이후, 도 25의 제3구멍(27)에서 마그네틱바가 제거되고 제2구멍(21-2)에 진동자(sonication tip)가 투입되어 초음파가 가해지면 비드 표면에 결합되어 있던 핵산이 Elution buffer에 용해된다.

7. PCR 예비혼합물 생성

제3구멍(27)에 마그네틱바가 투입되어 비드가 반응수용부의 벽면에 고정되고, 로터리밸브의 회전 및 작은 피스톤을 선택하여 이를 이용하여 핵산이 용해된 Elution buffer가 제6수용부(17)에 투입되어, 제6수용부에 담긴 PCR 재료[중합효소(polymerase), dNTP 등의 혼합물]와 섞이고, 이에 따라 PCR 예비혼합물이 생성된다. 본 발명에서 사용되는 'PCR 예비혼합물'은 이상의 물질로 구현되는 것으로 정의하여 사용한다.

8. PCR플레이트로의 전달

도 27에서 도시된 카트리지 본체부(R2)의 로터리밸브의 회전 및 피스톤의 작용을 통해 제6수용부에 생성된 PCR 예비혼합물, 핵산용액이 PCR플레이트(200)에 투입되어, PCR플레이트(200)에 담긴 프라이머와 프로브 중 적어도 일측과 섞인다. 이러한 투입과정은 도 32에 도시된 것과 같이, 피스톤(18)의 가압에 의해 로터리밸브의 유로(Y)를 따라 이동하여 주입구(h1)로 주입되게 된다.

이후, 제4구멍(29)에 가열봉이 투입되어 PCR 반응 플레이트 입구 부분의 덮개필름이 가압 가열되고, 이에 따라 PCR 반응 플레이트가 밀봉된다.

9. PCR 반응

최종적으로 PCR플레이트(200)에는 생체시료에서 추출된 핵산, 중합효소(polymerase), dNTP, 프라이머와 프로브 중 적어도 일측 및 기타 완충액이 함유된 상태가 된다.

따라서 이 PCR플레이트(200)에 전술한 본 발명의 온도제어모듈을 통한 가압식 열 인가를 통해 PCR 반응이 이루어지도록 한다.

도 33 내지 도 36은 상술한 본 발명인 중합효소 연쇄반응 시스템을 구성하는 장치 전체적인 구조와 배치 구성을 도시한 것이다.

도 35와 같이, 본 발명에 따른 중합효소 연쇄반응 시스템에 핵산 추출 카트리지(100)의 내부에 장착되면, 측면에는 상술한 PCR플레이트(200)가 안착하게 된다. 상기 PCR플레이트(200)의 몸체부에 해당하는 반응웰이 존재하는 부분은 외부로 노출되며, 그 상부에 상술한 온도제어모듈(300)이 배치되게 된다.

도 34는 도 33에서 본 발명의 주요부의 결합배치도를 확대한 것이며, 도 35는 도 34 부분의 수직단면 개념도를 도시하여 요부 구성의 배치를 제시한 것이다. 도 35는 도 34의 측면사시 단면개념도를 도시한 것이다.

도 34 내지 도 36에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 핵산 추출 카트리지(100) 내부에서 추출된 핵산을 포함하는 PCR 예비 혼합물, 핵산용액은 반응웰(W)이 구현된 PCR플레이트(200)로 주입되게 된다. PCR플레이트(200)의 상부에는 반응웰(W) 표면에 대응하는 제1가압면(G1)이 구현되며, 가열유닛에 의해 열변성(denaturation)에 필요한 온도로 유지되는 제1히팅블럭(310)이 배치되며, 수평이동하여 가압되는 영역이 변경되는 구조로 구현할 수 있는 제2히팅블럭(320)이 근접 배치된다. 이에 따라 반응웰(W)에 주입된 PCR 예비 혼합물, 핵산용액은 열변성에 필요한 제1온도(95℃)나, 결합(annealing)에 필요한 제2온도(55℃)에 부합하게 히팅블럭에 의해 직접 가열되게 된다.

아울러, 도 35 및 도 36에 도시된 것과 같이, PCR플레이트(200)의 하부에는 항온플레이트(350)가 배치되어, PCR플레이트(200)의 온도를 일정한 온도 수준에서 유지되게 한다.

항온플레이트(350)의 하부에는 스캐닝모듈(500)이 배치되어, 광조사부(E1)에 의해 조사되는 광(L)이, 항온플레이트(350)의 광투과부(H)를 경유하여 PCR플레이트(200)에 도달하게 되어 형광검출이 이루어지게 된다.

본 발명의 실시예에서는, 상술한 것과 같이, 온도제어모듈(300)에 의해 제1온도((ex: 95℃)의 제1히팅블럭(310)을 밀착하여 온도를 상승시키는 경우나, 제2온도(ex: 55℃)의 제2히팅블럭(320)을 밀착하는 경우, PCR플레이트(200)가 일정한 온도 범위로 유지되는 상태라면 내부 증폭 반응물의 온도 제어가 훨씬 용이하게 되기 때문에 상술한 항온플레이트(350)의 온도를 제2온도로 일정하게 유지하는 것이 반응의 신뢰성을 높이기 위한 매우 중요한 요인으로 작용하게 된다. PCR플레이트(200)의 온도를 95 ℃로 올리는 경우, 제1온도 블록과 제1항온구역을 밀착시켜서 열전달 속도를 증가시켜 PCR플레이트의 온도를 2-3초내로 빠르게 95℃에 도달시킬 수 있다.

RNA 타겟을 검출하는 RT/PCR을 수행하는 경우 RT-PCR 반응 건조물이 들어있는 PCR 예비혼합물이나 PCR플레이트를 사용한다. 저온블록을 RT 반응온도로 조절하여 PCR반응플레이트에 밀착한 후 RT 반응 시간만큼 유지하여, 역전사반응을 수행한 후 상기 PCR 반응을 수행할 수 있다.

상기 PCR 반응을 통해 증폭된 핵산의 존재유무 혹은 증폭된 핵산의 농도를 결정하여 이 정보를 진단에 이용할 수 있는데, 이때 증폭된 핵산의 존재유무 혹은 농도는 통상의 핵산 검출방법을 이용하여 달성할 수 있다.

예를 들어, DNA 삽입(intercalation) 염료인 DNA 마이너그로브 삽입 형광염료인 SYBR green을 사용하는 방법, 다양한 형광과 소광체가 부착된 프로브를 사용하여 다양한 파장대의 여기광과 해당 형광 스캐닝 하는 방법, 등이 이용될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.

도 37 내지 도 44를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에서 PCR플레이트(200)의 몸체부(210)는 몸체프레임부(211), 차단수용부(213), 연결유로부(215)를 포함한다. 몸체프레임부(211)는 적어도 하나 이상의 반응웰(W1....Wn)(W)을 구비한다.

차단수용부(213)는 몸체프레임부(211)에 오목하게 형성되고, 각각의 반응웰(W)에 대응되게 배치되고, 원형의 차단부(240)를 수용하게 원형으로 형성한다. 차단수용부(213)는 차단부(240)를 수용할 수 있도록 차단부(240)의 크기에 대응되게 오목하게 형성된다.

차단부(240)는 탄성 변형 가능한 재질을 포함하여 이루어진다. 차단부(240)는 탄성 변형 가능한 재질로 고무, 실리콘 등으로 이루어진다. 각 반응웰(W)로 핵산용액 주입시, 각 차단수용부(213)에 배치된 차단부(240)는 고무 등으로 이루어져 자중이 작으므로 각 차단수용부(213)에 걸리는 저항이 작다.

따라서 하나의 유로부(230)를 통하여 핵산용액이 주입되어 각 반응웰(W)로 고르게 같은 양의 핵산용액이 주입된다.

도 43 및 도 44를 참조하면, 각 차단수용부(213)에는 하방에 구멍이 형성되고, 이 구멍은 차단부(240)가 자중에 의해 접촉된다. 각 반응웰(W)의 압력이 연결유로부(215) 측보다 높아질 때, 차단부(240)가 차단수용부(213)의 구멍에 밀착되어 핵산용액의 역류를 막는 체크 밸브의 기능을 할 수 있다.

도 45은 반응웰(W)에서 8개의 반응웰(W1 ~ W8) 중 최외측의 반응웰 W1과 W8에서 테스트한 것을 나타낸 것이다. PCR 반응시 반응웰(W) 간 핵산용액의 혼합 유무를 확인 하기 위하여 반응웰을 건조시킨 후 PCR을 진행하였다.

PCR 5분, 15분, 25분 경과 후 등에서 반응웰(W)을 확인하였고, 시간이 지날수록 핵산용액이 옆 반응웰(W)과 섞이는 것이 확인되었다. 15분 이후에는 모든 반응웰(W1~W8)에서 혼합됨을 확인할 수 있다.

도 46에서는 반응웰(W)에서 8개의 반응웰(W1 ~ W8) 중 최외측의 반응웰 W1과 W8에서 테스트한 것을 나타낸 것이다. 최외측의 반응웰을 건조한 후, PCR을 진행한 결과 체크 밸브로 인해 반응웰 사이의 용액이 혼합되지 않음을 확인할 수 있다.

도 37 내지 도 41을 참조하면, 핵산 추출 카트리지(100)에는 구멍(21-1, 21-2, 27, 28, 29)이 형성되어 있다. 핵산 추출 카트리지(100)의 각 구멍(21-1, 21-2, 27, 28, 29)에는 누액 방지 러버(40)가 장착된다. 누액 방지 러버(40)는 탄성 가능한 고무 등의 재질로 이루어진다.

이 누액 방지 러버(40)에 의해 핵산 추출 카트리지(100)에 잔류하는 핵산용액이 핵산 추출 카트리지(100)의 각 구멍(21-1, 21-2, 27, 28, 29)를 통해 누출되는 것을 방지할 수 있다.

도 39를 참조하면, 누액 방지 러버(40)는 반달형 펀치(50)에 의해 찔려서 공기가 유입될 수 있는 구멍이 형성된다.

도 40을 참조하면, 핵산용액이 유입될 때, 누액 방지 러버(40)를 누름 지그(60)를 눌러 대기압이 누액 방지 러버(40)의 구멍을 통해 원할하게 흡입될 수 있다.

도 41을 참조하면, 핵산 추출 카트리지(100) 폐기시, 누액 방지 러버(40)는 핵산 추출 카트리지(100)를 폐쇄하여 핵산 추출 카트리지(100)의 내부에 잔류하는 핵산용액의 누액을 방지할 수 있다.

도 44를 참조하면, 반응웰(W)에는 시트부(250)가 열융착된다. 각각의 반응웰(W)은 시트부(250)에 의해 열융착되어 각 반응웰(W)의 체적을 극대화하여 반응웰(W) 내에서 열전달이 빠르게 진행되어 핵산용액의 반응이 신속하게 이루어질 수 있다.

본 발명은 도면에 도시되는 일 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

100: 핵산 추출 카트리지 200: PCR플레이트
210: 몸체부 211: 몸체프레임부
213: 차단수용부 215: 연결유로부
215a: 병목부 217: 저장부
219: 유로가이드부 220: 삽입부
230: 유로부 240: 차단부
300: 온도제어모듈 310: 제1히팅블럭
320: 제2히팅블럭 330: 구동모듈
340: 냉각팬유닛 350: 항온플레이트
400: 수평이동 구동모듈 500: 스캐닝모듈
W: 반응웰

Claims

적어도 하나 이상의 반응웰을 구비하는 몸체부;
상기 몸체부에서 연장되고, 핵산 추출 카트리지에 삽입되고, 핵산용액이 주입되는 주입구를 구비하는 삽입부;
상기 주입구에서 상기 반응웰로 상기 핵산용액을 유동 가능하게 하는 유로부; 및
상기 몸체부에 장착되고, 상기 핵산용액이 상기 반응웰에서 상기 유로부 측으로의 역류를 차단하는 차단부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 PCR플레이트.
제1항에 있어서,
상기 몸체부는,
적어도 하나 이상의 상기 반응웰을 구비하는 몸체프레임부;
상기 몸체프레임부에 오목하게 형성되고, 상기 차단부를 수용하는 차단수용부;
상기 차단수용부와 상기 반응웰을 연결하는 연결유로부;
상기 몸체부에 오목하게 형성되고, 상기 유로부와 연통되며, 상기 핵산용액을 공급받는 저장부; 및
상기 저장부와 연통되고, 상기 핵산용액을 상기 차단부 측으로 유동되게 가이드하는 유로가이드부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 PCR플레이트.
제2항에 있어서,
상기 연결유로부는 상기 차단부에서 상기 반응웰 측으로 폭이 좁게 형성되는 병목부를 구비하는 것을 특징으로 하는 PCR플레이트.
제2항에 있어서,
상기 차단수용부는 상기 저장부의 길이방향을 따라 형성되는 격벽부에 복수개로 분할되고,
상기 차단부는 분할되는 각각의 상기 차단수용부에 장착되는 것을 특징으로 하는 PCR플레이트.
제1항에 있어서,
상기 차단부는 탄성 변형 가능한 재질을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 PCR플레이트.
제1항에 있어서,
상기 몸체부는,
적어도 하나 이상의 상기 반응웰을 구비하는 몸체프레임부;
상기 몸체프레임부에 오목하게 형성되고, 각각의 상기 반응웰에 대응되게 배치되고, 원형의 상기 차단부를 수용하게 원형으로 형성되는 차단수용부; 및
상기 차단수용부와 상기 반응웰을 연결하는 연결유로부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 PCR플레이트.
제6항에 있어서,
상기 차단부는 탄성 변형 가능한 재질을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 PCR플레이트.
제6항에 있어서,
상기 반응웰에는 시트부가 열융착되는 것을 특징으로 하는 PCR플레이트.
DNA 추출에 필요한 용액이 담긴 다수의 격벽구조의 수용부를 구비하는 카트리지 덮개부; 및
상기 덮개부와 삽입구조로 결합하고, 상기 수용부에서 인입되는 용액을 시료와 반응 또는 세정하는 반응수용부가 마련되는 카트리지 본체부를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵산 추출 카트리지.
제9항에 있어서,
상기 카트리지 덮개부는 상기 카트리지 본체부의 수용부의 일측면과 접하고, 탄성 변형 가능한 재질을 포함하는 러버부를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵산 추출 카트리지.
제9항에 있어서,
상기 핵산 추출 카트리지에는 탄성 가능한 재질을 포함하고, 핵산용액의 누출을 방지하는 누액 방지 러버가 장착되는 것을 특징으로 하는 핵산 추출 카트리지.
핵산 추출 카트리지; 및 상기 핵산 추출 카트리지에서 핵산용액을 인가받아 PCR혼합물 건조물이 수용된 반응웰에 수용하는 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 PCR 플레이트를 포함하고,
상기 핵산 추출 카트리지는,
DNA 추출에 필요한 용액이 담긴 다수의 격벽구조의 수용부를 구비하는 카트리지 덮개부; 및
상기 덮개부와 삽입구조로 결합하고, 상기 수용부에서 인입되는 용액을 시료와 반응 또는 세정하는 반응수용부가 마련되는 카트리지 본체부를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵산 추출 카트리지 어셈블리.
제12항에 있어서,
상기 카트리지 덮개부는 상기 카트리지 본체부의 수용부의 일측면과 접하고, 탄성 변형 가능한 재질을 포함하는 러버부를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵산 추출 카트리지 어셈블리.
제12항에 있어서,
상기 핵산 추출 카트리지에는 탄성 가능한 재질을 포함하고, 상기 핵산용액의 누출을 방지하는 누액 방지 러버가 장착되는 것을 특징으로 하는 핵산 추출 카트리지 어셈블리.