KR20230141169A - 디지털 pcr 분석 방법 - Google Patents

디지털 pcr 분석 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디지털 PCR 분석 방법을 개시한다. 그의 방법은 시료를 PCR 칩 내에 제공하는 단계와, 시료의 PCR을 수행하는 단계와, PCR 칩에 여기 광을 제공하여 시료에서 생성되는 형광을 검출하는 단계와, 형광을 이용하여 시료를 분석하는 단계를 포함한다. 여기서, PCR 칩은 상기 칩 바디의 상부면에 배치되어 상기 시료를 수용하는 시료 주입구와, 상기 시료 주입구 아래의 상기 칩 바디 하부 면에 배치되어 상기 시료를 배출하는 시료 배출구와, 상기 칩 바디 내에 제공되고, 상기 시료 주입구를 상기 시료 배출구에 연결하는 채널과, 상기 채널을 따라 연결되어 상기 시료를 일시적으로 저장하는 액적 포켓들을 포함할 수 있다.

Description

디지털 PCR 분석 방법{Digital PCR analysis method}
본 발명은 PCR(Polymerase Chain Reaction) 분석 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 디지털 PCR 분석 방법에 관한 것이다.
최근 사회 문화, 경제적 요인으로 인해 고위험성 감염병 질환 발명 확산과 유행 그리고 악성 종양의 발병과 다양한 종류의 암 발생으로 인하여 막대한 국가적, 사회적, 및 경제적 손실이 야기되고 있다. 고위험성 바이러스, 및 박테리아 등과 같은 병원체를 신속하고 정확하게 판독하는 기술 개발의 필요성이 증대되고 있다.
본 발명의 해결 과제는, 형광 검출 효율을 증가시킬 수 있는 디지털 PCR 분석 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명은 디지털 PCR 분석 방법을 개시한다. 그의 방법은, 시료를 PCR 칩 내에 제공하는 단계; 상기 시료의 PCR을 수행하는 단계; 상기 PCR 칩에 여기 광을 제공하여 상기 시료에서 생성되는 형광을 검출하는 단계; 및 상기 형광을 이용하여 상기 시료를 분석하는 단계를 포함한다. 여기서, 상기 PCR 칩은: 칩 바디; 상기 칩 바디의 상부면에 배치되어 상기 시료를 수용하는 시료 주입구; 상기 시료 주입구 아래의 상기 칩 바디 하부 면에 배치되어 상기 시료를 배출하는 시료 배출구; 상기 칩 바디 내에 제공되고, 상기 시료 주입구를 상기 시료 배출구에 연결하는 채널; 및 상기 채널을 따라 연결되어 상기 시료를 일시적으로 저장하는 액적 포켓들을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 디지털 PCR 분석 방법은 액적 포켓들을 갖는 PCR 칩을 이용하여 형광 검출 효율을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 개념에 따른 디지털 PCR 분석 방법의 일 예를 보여주는 플로우 챠트이다.
도 2는 도 1의 디지털 PCR 분석 방법에 사용되는 PCR 칩의 일 예를 보여주는 사시도이다.
도 3은 도 2의 시료의 PCR 장치의 일 예를 보여주는 사시도이다.
도 4는 도 2의 시료의 형광 검출 장치의 일 예를 보여주는 사시도이다.
도 5는 도 4의 형광의 이미지들의 일 예를 보여주는 도면이다.
도 6은 도 5의 이미지들의 데이터 분석 소프트웨어를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당 업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 포함한다(comprises) 및/또는 포함하는(comprising)은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 장치는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 명세서에서 PCR(Polymerase Chain Reaction), 액적(droplet), 및 샘플은 바이오 분야에서 주로 사용되는 의미로 이해될 수 있을 것이다. 바람직한 실시 예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다.
도 1은 본 발명의 개념에 따른 디지털 PCR 분석 방법의 일 예를 보여준다. 도 2는 도 1의 디지털 PCR 분석 방법에 사용되는 PCR 칩(10)의 일 예를 보여준다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 작업자 또는 로봇은 시료(13)를 PCR 칩(10) 내에 제공한다(S10). 시료(13)는 주사기 또는 스포이드에 의해 PCR 칩(10) 내에 제공될 수 있다. 예를 들어, 시료(13)은 DNA, RNA, 프라이머, 매개체, DNA 중합 효소, 완충 용액, 및 인산이 결합된 디옥시리보 뉴클레오타이드(deoxyribonucleotide)를 포함할 수 있으며 본 발명은 이에 한정되지 않는다. DNA는 시료(13) 중의 약 0.1 vol.% 내지 약 1 vol.%일 수 있다. RNA, 프라이머, 매개체, DNA 중합 효소, 및 인산이 결합된 디옥시리보 뉴클레오타이드는 시료(13) 중의 약 0.9 vol.% 내지 약 4 vol.%일 수 있다. 완충 용액은 DI 워터(De-Ionized water)를 포함할 수 있으며, 시료(13) 중의 약 95 vol.% 내지 약 99 vol.%일 수 있다.
PCR 칩(10)은 시료(13)를 일시적으로 저장할 수 있다. 일 예에 따르면, PCR 칩(10)은 칩 바디(11), 시료 주입구(12), 시료 배출구(14), 채널(16), 및 액적 포켓들(18)을 포함할 수 있다.
칩 바디(11)는 직육면체의 모양을 가질 수 있다. 칩 바디(11)은 투명할 수 있다. 칩 바디(11)는 글래스 또는 플라스틱을 포함할 수 있으며, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
시료 주입구(12)는 칩 바디(11)의 상부에 제공될 수 있다. 시료 주입구(12)는 스포이드 또는 주사기를 수용할 수 있다. 시료(13)는 스포이드 또는 주사기를 통해 시료 주입구(12) 내에 제공될 수 있다.
시료 배출구(14)는 시료 주입구(12) 아래의 칩 바디(11)의 하부에 제공될 수 있다. 시료 배출구(14)는 채널(16) 및 액적 포켓들(18)에 의해 시료 주입구(12)에 연결될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 시료 배출구(14)는 시료(13)를 외부로 배출할 수 있다.
채널(16)은 칩 바디(11) 내에 제공될 수 있다. 채널(16)은 시료 주입구(12를 시료 배출구(14)에 연결할 수 있다. 채널(16)은 칩 바디(11)의 상부 가장자리를 따라 소용돌이(helical shape)으로 연장할 수 있다. 또한, 채널(16)은 칩 바디(11)의 하부 가장자리를 따라 연장할 수 있다. 채널(16)은 약 10nm 내지 약 10μm의 직경을 가질 수 있다. 채널(16)은 칩 바디(11) 내의 모세관을 포함할 수 있다. 채널(16)은 약 10㎛ 내지 약 30㎛의 직경을 가질 수 있다. 채널(16)은 시료(13)을 저장 및/또는 수용할 수 있다.
액적 포켓들(18)은 채널(16)을 따라 연결될 수 있다. 액적 포켓들(18)의 각각은 채널(16)의 직경보다 큰 직경을 가질 수 있다. 액적 포켓들(18)은 시료(13)를 일시적으로 저장할 수 있다. 액적 포켓들(18)은 원통 모양을 가질 수 있으며, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
도 3은 도 2의 시료(13)의 PCR 장치(20)의 일 예를 보여준다.
도 1 및 도 3을 참조하면, PCR 장치(20)는 시료(13)의 중합효소연쇄반응을 수행한다(S20). PCR 장치(20)는 시료(13)를 반복적으로 가열하여 시료(13) 내의 DNA를 증폭시킬 수 있다. PCR 장치(20)는 시료(13)을 DNA 종류에 따라 결정되는 온도로 가열할 수 있다. 예를 들어, PCR 장치(20)는 시료(13)을 약 95℃, 약 55℃, 및 약 72℃의 온도로 순차적으로 가열하여 1회의 PCR을 유도할 수 있다. 시료(13)은 여기 광(31)을 흡수하여 형광(37)을 방출할 수 있다. 시료(13)의 PCR이 약 40회정도 수행되면, 여기 광(31)은 시료(13)에 제공되어 형광(37)을 생성시킬 수 있다. 일 예에 따르면, PCR 장치(20)는 히터(22), 칩 가이드(24), 온도 제어부(26), 방열판(28), 및 팬(29)을 포함할 수 있다.
히터(22)는 칩 가이드(24) 아래에 제공될 수 있다. 히터(22)는 칩 가이드(24) 및 도 2의 PCR 칩(10)을 가열할 수 있다. 히터(22)는 직육면체의 모양을 가질 수 있으며, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
칩 가이드(24)는 도 2의 PCR 칩(10)을 수용할 수 있다. 칩 가이드(24)는 홈(25)을 가질 수 있다. 홈(25) 내에는 PCR 칩(10)이 제공될 수 있다. 도시되지는 않았지만, PCR 칩(10)은 홈(25) 내에서 수직방향으로 세워진 직육면체의 모양을 가질 수 있다. 홈(25)은 평면적 관점에서 4각형의 모양을 가질 수 있다.
온도 제어부(26)는 히터(22)에 연결될 수 있다. 온도 제어부(26)는 히터(22)에 전력을 공급하여 PCR 칩(10) 및 칩 가이드(24)를 온도를 제어할 수 있다. 이와 달리, 온도 제어부(26)는 히터(22)에 냉매를 순환시키는 냉매 순환부를 포함할 수 있으며, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
방열판(28)은 히터(22)의 아래에 제공될 수 있다. 방열판(28)은 히터(22)의 표면적을 증가시킬 수 있다. 즉, 방열판(28)은 히터(22)의 열을 방사시키고, 상기 히터(22)를 냉각할 수 있다. 예를 들어, 방열판(28)은 알루미늄 합금을 포함할 수 있으며, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
팬(29)은 방열판(28) 아래에 제공될 수 있다. 팬(29)은 에어를 방열판(28)에 제공하여 상기 방열판(28) 및 히터(22)를 냉각할 수 있다.
도 4는 도 2의 시료(13)의 형광 검출 장치(30)의 일 예를 보여준다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 형광 검출 장치(30)는 여기 광(31)을 시료(13)에 조사하여 형광(37)을 검출한다(S30). 일 예에 따르면, 형광 검출 장치(30)는 광원(32), 미러(33), 제 1 렌즈들(34), 제 2 렌즈들(35), 및 센서(36)를 포함할 수 있다.
광원(32)은 여기 광(31)을 생성할 수 있다. 광원(32)은 발광 다이오드 또는 레이저 장치를 포함할 수 있으며, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 여기 광(31)은 백색의 가시 광을 포함할 수 있다. 여기 광은 가우시안 빔 또는 레이저 광일 수 있다. 예를 들어, 여기 광(31)은 약 400nm 내지 800nm의 파장을 가질 수 있다.
미러(33)는 광원(32)과 제 1 렌즈들(34) 사이에 제공될 수 있다. 미러(33)는 여기 광(31)를 반사하여 상기 여기 광(31)의 경로를 변경할 수 있다.
제 1 렌즈들(34)은 미러(33)와 제 2 렌즈들(35) 사이에 제공될 수 있다. 제 1 렌즈들(34)은 여기 광(31)을 제 2 렌즈들(35)에 제공할 수 있다. 제 1 렌즈들(34)은 여기 광(31)을 시준(collimate)할 수 있다. 제 1 렌즈들(34)은 볼록 렌즈를 포함할 수 있다.
제 2 렌즈들(35)은 PCR 칩(10)의 양측들에 제공될 수 있다. 제 2 렌즈들(35) 중의 하나는 여기 광(31)을 PCR 칩(10)에 집중할 수 있다. 여기 광(31)은 PCR 칩(10) 내의 시료(13)에 입사되어 형광(37)을 생성시킬 수 있다. 형광(37)은 약 520nm의 파장을 갖고, 녹색의 컬러를 가질 수 있다. 제 2 렌즈들(35) 중의 나머지 하나는 형광(37)을 센서(36)에 제공할 수 있다. 제 2 렌즈들(35)의 각각은 오브젝티브 렌즈를 포함할 수 있다.
센서(36)는 PCR 칩(10)에 대향하는 제 2 렌즈들(35) 중의 하나의 타측에 제공될 수 있다. 센서(36)는 형광(37)을 수신할 수 있다. 센서(36)는 CMOS 센서, 또는 CCD 센서를 포함할 수 있다. 이와 달리, 센서(36)는 포토다이오드를 포함할 수 있으며, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
도 5는 도 4의 형광(37)의 이미지들(40)의 일 예를 보여준다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 센서(36)는 형광(37)을 검출하여 복수개의 이미지들(40)을 획득할 수 있다. 이미지들(40)의 각각은 슬라이스된 이미지일 수 있다. 이미지들(40)은 시료(13)를 3D rendering 기술에 의해 3차원으로 재구성될 수 있다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 제어부(미도시)는 형광(37)의 검출 신호를 이용하여 시료(13)를 분석한다(S40). 제어부는 시료(13)의 DNA의 존재 및/또는 종류를 판별할 수 있다. 따라서, 본 발명의 PCR 분석 방법은 액적 포켓들(180을 갖는 PCR 칩(10)을 이용하여 형광(37)의 검출 효율을 증가시킬 수 있다.
도 6은 도 5의 이미지들(40)의 데이터 분석 소프트웨어를 보여준다.
도 6을 참조하면, 이미지들(40)은 데이터 분석 소프트웨어에 의해 3차원 이미지로 복원되고, 액적 포켓들의 액적 이미지들로 분할되고, 정량화될 수 있다. 예를 들어, 이미지들(40)은 "T1-T6"이고, 3차원 이미지는 직육면체의 모양을 갖고, 액적 이미지들은 "1-16"개로 구분될 수 있다. 또한, 이미지들(40)은 형광(37)의 파장 및 세기에 따라 표시될 수 있다.
위에서 설명한 내용은 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 예들이다. 본 발명에는 위에서 설명한 실시 예들뿐만 아니라, 단순하게 설계 변경하거나 용이하게 변경할 수 있는 실시 예들도 포함될 것이다. 또한, 본 발명에는 위에서 설명한 실시 예들을 이용하여 앞으로 용이하게 변형하여 실시할 수 있는 기술들도 포함될 것이다.

Claims (1)

  1. 시료를 PCR 칩 내에 제공하는 단계;
    상기 시료의 PCR을 수행하는 단계;
    상기 PCR 칩에 여기 광을 제공하여 상기 시료에서 생성되는 형광을 검출하는 단계; 및
    상기 형광을 이용하여 상기 시료를 분석하는 단계를 포함하되,
    상기 PCR 칩은:
    칩 바디;
    상기 칩 바디의 상부면에 배치되어 상기 시료를 수용하는 시료 주입구;
    상기 시료 주입구 아래의 상기 칩 바디 하부 면에 배치되어 상기 시료를 배출하는 시료 배출구;
    상기 칩 바디 내에 제공되고, 상기 시료 주입구를 상기 시료 배출구에 연결하는 채널; 및
    상기 채널을 따라 연결되어 상기 시료를 일시적으로 저장하는 액적 포켓들을 포함하는 디지털 PCR 분석 방법.
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