KR20240026011A - 유전자 분석용 디바이스 및 이를 이용한 유전자 분석 방법 - Google Patents

유전자 분석용 디바이스 및 이를 이용한 유전자 분석 방법 Download PDF

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이석재
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정남규
배남호
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박유민
이태재
이문근
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한국과학기술원
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Abstract

분석 효율성 및 정확도가 향상된 유전자 분석용 디바이스가 개시된다.
유전자 분석용 디바이스의 바디를 형성하는 하우징부, 미세 액적을 포함하는 유체칩을 수용하며, 하우징부에 고정되며 수용된 유체칩에 열을 전도하는 히팅부, 히팅부에 안착된 유체칩으로부터 미세 액적을 추출하고, 추출된 미세 액적을 분석하기 위한 리더기를 포함하되, 리더기는 복수의 파장 범위를 갖는 서로 다른 광 신호를 제공하는 복수의 광원, 광 신호 간 간섭을 차단하며, 유동하는 미세 액적으로부터 여기된 광 신호 각각을 검출하도록 구성된 광 검출부를 포함한다.

Description

유전자 분석용 디바이스 및 이를 이용한 유전자 분석 방법{DEVICE FOR GENETIC ANALYSIS AND METHOD USING THE SAME}
본 발명은 유전자 분석용 디바이스 및 유전자 분석 방법에 관한 것으로, 유체칩이 수용한 미세 액적을 증폭 및 검사할 수 있는 유전자 분석용 디바이스 및 유전자 분석 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 디지털 PCR (Polymerase Chain Reaction) 기술은 인간의 질병 중 바이러스와 같이 인간에게 치명적이면서 치사율이 높은 질병을 진단하기 위한 대표적인 유전자 검사법이다.
이러한 디지털 PCR 기술은 기존의 시료를 나노리터 부피의 미세 액적으로 나누고, 그 안에 들어있는 표적 유전자를 관찰하는 방법으로서, 민감도가 높고, 절대 정량 분석이 가능하다. 이에, 디지털 PCR 기술은 유전자 분석, 바이오 마커 개발, 및 유전자 염기 서열 분석 등의 분야에서 다양하게 적용될 수 있다.
종래의 기술의 경우, 디지털 PCR 기술을 활용함에 있어서, 오일과 시료가 합쳐진 미세 액적을 수용한 유체칩에 열 주기를 주어 PCR을 수행한 후, 별도로 구비된 리더기를 통해 유체칩 내의 표적 유전자에 대한 분석이 수행될 수 있다. 한편, 이와 같은 방식은 디지털 PCR 기술을 구현하는 디지털 PCR을 위한 환경의 전체 체적을 증가시키는 문제를 야기할 수 있다.
이에 전술한 기술의 한계를 극복할 수 있는, 디지털 PCR 기반의 새로운 유전자 분석 시스템에 대한 개발이 지속적으로 요구되고 있는 실정이다.
발명의 배경이 되는 기술은 본 발명에 대한 이해를 보다 용이하게 하기 위해 작성되었다. 발명의 배경이 되는 기술에 기재된 사항들이 선행기술로 존재한다고 인정하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
(특허문헌 1) US 9132394 B1
한편, 전술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 발명자들은 단일의 디바이스 내에서 PCR 반응을 유도하고, 증폭된 표적 유전자를 포함하는 미세 액적에 대하여 분석이 가능한 유전자 분석 시스템을 개발하고자 하였다.
특히, 본 발명의 발명자들은, 통합형의 유전자 분석 시스템을 제공함으로써 종래의 디지털 PCR 분석 시스템에서 나타나는 한계를 극복할 수 있음을 인지할 수 있었다.
보다 구체적으로, 본 발명의 발명자들은, 새로운 유전자 분석 시스템을 제공함으로써, 유전자 분석을 위한 유체칩의 이동 중에 발생할 수 있는 시료의 오염, 작업 환경 이동에 따라 수반되는 복잡한 워크플로우 등의 한계를 극복할 수 있음을 기대할 수 있었다.
이때, 본 발명의 발명자들은, 새로운 유전자 분석 시스템에 대하여, 유전자 분석을 위한 PCR 반응이 유도된 미세 액적에 대한 광학 분석 과정에서 복수의 파장 범위를 갖는 복수의 광원을 제공하되, 서로 간섭하지 않는 조사 환경을 적용하고자 하였다.
그 결과, 본 발명의 발명자들은 광 분석 과정에서 서로 다른 파장의 광이 조사되더라도, 미세 유체 채널을 유동하는 미세 액적으로부터 여기된 광 신호를 간섭 없이 정밀하게 검출 또는 측정할 수 있는 새로운 유전자 분석 시스템을 개발하기에 이르렀다.
나아가, 본 발명의 발명자들은, 새로운 유전자 분석 시스템에 대하여, 별도의 독립된 장비 없이도 미세 액적 기반의 PCR 디지털 분석뿐만 아니라, 2세대 PCR인 정량 또는 실시간 (quantitative/real-time) PCR 분석이 동시에 가능하도록 설계할 수 있었다.
본 발명의 발명자들은, 다양한 PCR 분석이 가능한 유전자 분석 시스템을 제공함으로써, 표적 유전자에 대한 효율적인 분석이 가능할 수 있음을 기대할 수 있었다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 공간 효율성이 향상된 유전자 분석용 디바이스 및 유전자 분석 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 미세 액적 내 광 신호를 간섭없이 정밀하게 측정하기 유전자 분석용 디바이스 및 유전자 분석 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 미세 액적 내 표적 유전자에 대한 디지털 PCR 분석과 동시에 실시간 PCR이 가능한 유전자 분석용 디바이스 및 유전자 분석 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 유전자 분석용 디바이스를 제공한다. 이때, 상기 디바이스는 유전자 분석용 디바이스의 바디를 형성하는 하우징부, 미세 액적을 포함하는 유체칩을 수용하며, 하우징부에 고정되며 수용된 유체칩에 열을 전도하는 히팅부, 히팅부에 안착된 유체칩으로부터 미세 액적을 추출하고, 추출된 미세 액적을 분석하기 위한 리더기를 포함하되, 리더기는, 복수의 파장 범위를 갖는 서로 다른 광 신호를 제공하는 복수의 광원, 유동하는 미세 액적으로부터 여기된 광 신호 각각을 검출하도록 구성된 광 검출부를 포함한다.
본 발명의 특징에 따르면, 광 검출부는, 복수의 광원 각각에 대응하며 광 신호 간 간섭을 차단하도록 구성된 복수의 홀이 구비되고, 복수의 홀 각각을 통해 대응하는 하나의 광 신호가 통과하는 제1 플레이트부, 및 미세 액적이 유동하며 대응하는 하나의 광 신호로부터 적어도 일면에 광 신호가 조사되는 유체 채널이 구비되고, 제1 플레이트부의 상부에 배치되는 제2 플레이트부를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 복수의 광원은, 제1 파장 범위를 가지도록 구성된 제1 광원, 제1 파장 범위와 상이한 제2 파장 범위를 가지도록 구성된 제2 광원, 제1 파장 범위 및 제2 파장 범위와 상이한 제3 파장 범위를 가지도록 구성된 제3 광원, 제1 파장 범위, 제2 파장 범위, 및 제3 파장 범위와 상이한 제4 파장 범위를 가지도록 구성된 제4 광원, 및 제1 파장 범위, 제2 파장 범위, 제3 파장 범위, 및 제4 파장 범위와 상이한 제5 파장 범위를 가지도록 구성된 제5 광원을 포함할 수 있다. 이때, 복수의 홀은, 제1 광원, 제2 광원, 제3 광원, 제4 광원 및 제5 광원 각각에 대응하는, 제1 홀, 제2 홀, 제3 홀, 제4 홀 및 제 5홀을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 유체 채널은 복수의 채널이고, 복수의 채널 중 어느 하나를 통해 미세 액적이 유동하고, 복수의 채널 중 서로 마주보는 채널들을 통해 미세 액적과 접촉하는 유체가 유동하며, 서로 마주보는 채널들에서 배출되는 유체를 통해 미세 액적간의 사이가 일정하게 이격되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 제2 플레이트는, 일면에 복수의 홈이 배치되도록 구성된 홈 플레이트; 및 홈 플레이트에 접하도록 구성된 커버 플레이트를 포함하며, 커버 플레이트가 홈 플레이트와 접하여 유체 채널이 구획될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 디바이스는, 제2 플레이트부의 상부를 커버할 수 있도록, 적어도 일부가 제2 플레이트부의 상부 면적과 같거나 큰 면적을 갖는 커버부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 미세 액적은, 표적 유전자 및 표적 유전자 특이적 형광 탐침 (probe) 을 포함하고, 광 검출부는 제1 광 검출부이고, 상기 디바이스는, 유체칩에 대응하며, 히팅부의 열 전도에 의한 미세 액적의 표적 유전자 증폭에 따른 형광 신호를 검출하도록 구성된 제2 광 검출부, 및 제2 광 검출부와 전기적으로 연결되며, 형광 신호에 기초하여 표적 유전자의 정량 분석이 가능하도록 구성된 프로세서를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 디바이스는 히팅부에 결합되며, 유체칩의 상부를 커버할 수 있도록, 적어도 일부가 유체칩의 상부 면적과 같거나 큰 면적을 갖는 커버부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 리더기는, 미세 액적을 흡인할 수 있도록, 미세 액적이 수용된 유체칩에 구비된 복수의 웰에 삽입 가능하며, 유체 채널과 연통하는 추출부, 및 추출부에 연결되며, 추출부를 복수의 웰에 정렬시킬 수 있도록, 3 축 방향으로 직선 이동 가능하게 하우징부에 설치되는 추출 구동부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 하우징부는, 히팅부와 이격되고, 히팅부로부터 방출된 열을 하우징부의 외부로 방출하도록 구성된 방열부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 리더기는, 광 검출부와 전기적으로 연결되고, 광 신호에 기초하여 정량 분석하도록 구성된 프로세서를 더 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 유전자 분석 방법을 제공한다. 상기 방법은 미세 액적을 포함하는 유체칩을 유전자 분석용 디바이스의 히팅부에 안착시키는 단계, 히팅부를 통해, 미리 결정된 수준의 온도로 유체칩에 열을 전도시키는 단계, 복수의 파장 범위를 갖는 복수의 광원을 포함하는, 유전자 분석용 디바이스의 리더기를 통해, 유체칩에 서로 다른 광 신호를 제공하는 단계, 및 광 신호 간 간섭을 차단하며, 유동하는 미세 액적으로부터 여기된 광 신호 각각을 검출하도록 구성된 광 검출부를 포함하는 리더기를 통해, 미세 액적 내의 표적 유전자를 분석하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 특징에 따르면, 미세 액적은, 표적 유전자 특이적 형광 탐침을 더 포함하고, 광 검출부는 제1 광 검출부이고, 표적 유전자를 분석하는 단계는, 유체칩에 대응하며, 히팅부의 열 전도에 의한 미세 액적의 표적 유전자 증폭에 따른 형광 신호를 검출하도록 구성된 제2 광 검출부를 통해, 형광 신호를 검출하는 단계, 및 제2 광 검출부와 전기적으로 연결되며, 형광 신호에 기초하여 표적 유전자의 정량 분석이 가능하도록 구성된 프로세서를 이용하여, 표적 유전자의 정량 분석을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 서로 다른 광 신호를 제공하는 단계는, 리더기의 복수의 광원 각각에 대응하여 광 신호 간 간섭을 차단하도록 구성된 복수의 홀 각각을 통해, 대응하는 하나의 광 신호를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 방법은 히팅부에 안착시키는 단계 이후에, 히팅부에 유체칩이 고정되도록, 유체칩의 상부 면적과 같거나 큰 면적을 갖는 커버부를 유체칩의 상부에 배치하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 방법은 열을 전도시키는 단계 이후에, 히팅부에 안착된 유체칩 상으로, 유전자 분석용 디바이스의 추출부를 이동시키는 단계, 및 미세 액적을 수용하는 유체칩의 복수의 웰에 순차적으로 추출부를 정렬시켜, 복수의 웰 내의 미세 액적을 흡인하는 단계를 더 포함할 수 있다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명은 새로운 유전자 분석 시스템을 제공함으로써, 유체칩을 히팅부에 안착시킨 상태에서 유체칩에 수용된 미세 액적을 분석을 위해 추출할 수 있다. 이에, 유전자 분석용 디바이스의 체적이 감소되어 공간 효율성이 향상될 수 있다.
이에, 본 발명은 유전자 분석용 디바이스의 체적이 감소되어 전체 공정 진행 시간이 단축될 수 있다.
또한, 본 발명은 새로운 유전자 분석 시스템을 제공함으로써, 유전자 분석을 위한 유체칩의 이동 중에 발생할 수 있는 시료의 오염, 작업 환경 이동에 따라 수반되는 복잡한 워크플로우 등의 종래의 디지털 PCR 분석 시스템의 한계를 극복할 수 있다.
나아가, 본 발명은, 유전자 분석을 위한 PCR 반응이 유도된 미세 액적에 대한 광학 분석 과정에서 복수의 파장 범위를 갖는 복수의 광원을 제공하되, 서로 간섭하지 않는 조사 환경을 제공할 수 있다.
이에, 본 발명은, 표적 유전자의 광 분석 과정에서 서로 다른 파장의 광이 조사되더라도, 미세 유체 채널을 유동하는 미세 액적으로부터 여기된 광 신호를 간섭 없이 정밀하게 검출 또는 측정할 수 있다.
더욱이, 본 발명은 다양한 PCR 분석이 가능한 유전자 분석 시스템을 제공함으로써, 표적 유전자에 대한 효율적인 분석이 가능할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1, 도 2a 및 2b는 본 발명의 다양한 실시예에 이용되는 유전자 분석용 디바이스의 모습을 도시한 것이다.
도 3a 내지 3b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 유전자 분석용 디바이스의 히팅부의 모습을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 유전자 분석용 디바이스의 qPCR 분석을 위한 광 검출부의 모습을 도시한 것이다.
도 5a 내지 5h는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 유전자 분석용 디바이스의 리더기의 모습을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 유전자 분석 방법을 나타내는 플로우차트를 도시한 것이다.
본 명세서에 기재된 실시예는 다양하게 변형될 수 있다. 특정한 실시예가 도면에서 묘사되고 상세한 설명에서 자세하게 설명될 수 있다. 그러나, 첨부된 도면에 개시된 특정한 실시 예는 다양한 실시 예를 쉽게 이해하도록 하기 위한 것일 뿐이다. 따라서, 첨부된 도면에 개시된 특정 실시 예에 의해 기술적 사상이 제한되는 것은 아니며, 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성요소들은 상술한 용어에 의해 한정되지는 않는다. 상술한 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
한편, 본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 "모듈" 또는 "부"는 적어도 하나의 기능 또는 동작을 수행한다. 그리고, "모듈" 또는 "부"는 하드웨어, 소프트웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합에 의해 기능 또는 동작을 수행할 수 있다. 또한, 특정 하드웨어에서 수행되어야 하거나 적어도 하나의 프로세서에서 수행되는 "모듈" 또는 "부"를 제외한 복수의 "모듈들" 또는 복수의 "부들"은 적어도 하나의 모듈로 통합될 수도 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
그 밖에도, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그에 대한 상세한 설명은 축약하거나 생략한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시 예를 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 유전자 분석용 디바이스는 ddPCR (Droplet Digital Polymerase Chain Reaction) 방법을 통해 자기 복제된 복수의 미세 액적 (Microdroplet; MD) 및 복수의 미세 액적에 수용된 표적 유전자를 분석하는 디바이스일 수 있다. 여기서, 미세 액적은 유전자가 담긴 샘플 시료와 샘플 시료를 운반하는 캐리어 유체 (예를 들어, 오일 (Oil) 등), 광학 분석을 위한 형광 물질을 포함할 수 있다. 이러한, 미세 액적은 카트리지 (Cartridge) 또는 유체칩 내에서 물방울 모양의 캐리어 유체에 샘플 시료가 포집되어 형성되고, 형성된 미세 액적은 후술할 유체칩 (10) 에 수용된 상태로 운반될 수 있다.
이하에서는, 도 1, 도 2a 및 2b를 참조하여, 본 발명의 다양한 실시예에 이용되는 유전자 분석용 디바이스를 설명한다.
도 1, 도 2a 및 2b는 본 발명의 다양한 실시예에 이용되는 유전자 분석용 디바이스의 모습을 도시한 것이다.
먼저, 도 1을 참조하면 본 발명의 실시 예들에 따른 유전자 분석용 디바이스 (1000) 는 하우징부 (1100), 하우징부 (1100) 에 고정되는 히팅부 (1200), 히팅부 (1200) 상에서 PCR 반응이 일어난 미세 액적을 수용한 유체칩 (10) 으로부터 미세 액적을 추출하고 추출된 미세 액적에 대한 광학 분석을 수행하기 위한 리더기 (1300) 를 포함할 수 있다.
하우징부 (1100) 는 유전자 분석용 디바이스 (1000) 의 바디를 이루는 구성으로, 하우징부 (1100) 에는 후술하는 히팅부 (1200), 리더기 (1300) 가 설치될 수 있다. 즉, 하우징부 (1100) 는 유전자 분석용 디바이스 (1000) 의 몸체를 이루는 부분일 수 있다.
히팅부 (1200) 는 하우징부 (1100) 에 고정 설치되고, 유체칩 (10) 에 접촉 가능하며, 유체칩 (10) 과 접촉시, 유체칩 (10) 에 미리 결정된 수준의 온도 (예를 들어, 표적 유전자의 증폭을 위한 온도 사이클) 을 제공할 수 있다. 이때, 히팅부 (1200) 는 소정의 두께를 갖는 플레이트 형상으로 형성되며, 그 상부가 유체칩 (10) 의 하부에 대응되는 형상으로 마련될 수 있다. 이에, 히팅부 (1200) 의 상면이 유체칩 (10) 의 하면과 유체칩과 면접촉될 수 있고, 히팅부 (1200) 의 열이 유체칩 (10) 으로 보다 원활하게 전도될 수 있다.
또한, 히팅부 (1200) 는 미세 액적에 포함된 유전자가 증폭될 수 있도록, 미리 결정된 온도 사이클로 유체칩 (10) 을 가열할 수 있다. 예를 들어, 히팅부 (1200) 는 전압의 인가에 따라 열을 전도하도록 구성된 열 전도부 (미도시) 및 열 전도부 (미도시) 와 연결된 전극 (미도시) 을 포함할 수 있다. 예를 들어, 히팅부 (1200) 는 전압의 인가에 따라 열을 전도하도록 구성된 열 전도부 (미도시) 및 열 전도부 (미도시) 와 연결된 전극 (미도시) 을 포함할 수 있다.
본 발명의 특징에 따르면, 히팅부 (1200) 는 전류의 이동방향에 따라 열 방출 또는 열 흡수되는 면이 상이한 펠티어 소자로 마련될 수 있다. 본 발명의 다른 특징에 따르면, 히팅부 (1200) 는 하우징부 (1100) 에 설치되는 하부에 금속층이 코팅될 수 있다. 이에, 히팅부 (1200) 가 하우징부 (1100) 에 열을 뺏기지 않을 수 있고, 히팅부 (1200) 내부에 전체적인 온도를 균일하게 유지시킬 수 있다. 본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 히팅부 (1200) 는 유체칩 (10) 과 접촉하는 일면 (즉, 상면) 에 열 전달을 용이하게 하는 물질이 도포되거나 박막형태로 삽입될 수도 있다. 이에, 히팅부 (1200) 의 열기가 유체칩 (10) 으로 원활하게 전도될 수 있다. 한편, 히팅부 (1200) 는 온도 센서 (미도시) 를 구비할 수 있고, 미리 결정된 수준의 온도를 제공하는지 모니터링할 수 있다.
리더기 (1300) 는 히팅부 (1200) 에 안착된 유체칩 (10) 으로부터 미세 액적을 추출하고, 추출된 미세 액적에 대한 광학 분석을 수행하도록 구성될 수 있다. 이때, 리더기 (1300) 는 복수의 광원 (1310), 광 검출부 (1320) 및 추출부 (1330) 를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 복수의 광원 (1310) 은 복수의 파장 범위를 갖는 서로 다른 광 신호를 제공할 수 있다.
본 발명의 특징에 따르면, 복수의 광원은, 제1 파장 범위를 가지도록 구성된 제1 광원, 제1 파장 범위와 상이한 제2 파장 범위를 가지도록 구성된 제2 광원, 제1 파장 범위 및 제2 파장 범위와 상이한 제3 파장 범위를 가지도록 구성된 제3 광원, 제1 파장 범위, 상기 제2 파장 범위, 및 제3 파장 범위와 상이한 제4 파장 범위를 가지도록 구성된 제4 광원, 및 제1 파장 범위, 제2 파장 범위, 제3 파장 범위, 및 제4 파장 범위와 상이한 제5 파장 범위를 가지도록 구성된 제5 광원을 포함할 수 있다. 이러한 복수의 파장의 광원이 제공됨에 따라 본 발명의 다양한 실시예에 따른 디바이스는 노이즈 대비 형광 신호 검출 효율이 높을 수 있다. 한편, 복수의 광원의 수는 이에 제한되는 것이 아니다.
예를 들어, 제1 광원은 제1 파장 범위를 가지는 제1 광 신호를 발생시킬 수 있다. 여기서, 제1 광 신호는 형광 레이저 광 신호일 수 있다. 이때, 형광 레이저 광은 적절한 파장 범위를 가질 수 있으며, 적절한 파장 범위는 490nm의 스펙트럼 범위를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 다양한 실시예에서 제1 광원은 FAM 형광을 발생시키는 레이저 다이오드 (Laser Diode) 일 수 있다. 나아가, 제2 광원은 제1 파장 범위와 다른 제2 파장 범위를 가지는 제2 광 신호를 발생시킬 수 있다. 여기서, 제2 광 신호는 제1 광 신호와 다른 형광 레이저 광 신호일 수 있다. 이러한 형광 레이저 광 신호의 파장 범위는 530nm의 스펙트럼 범위를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 다양한 실시예에서 제2 광원은 HEX 형광을 발생시키는 레이저 다이오드일 수 있다.
종래의 디지털 PCR 기반의 광한 분석에서, 백색 광원을 이용할 경우 백색 광원에서 출력되는 광신호를 필터하기 광필터가 사용될 수 있는데, 이때 광필터는 90% 정도의 투과율을 가질 수 있다. 이러한 경우 투과되지 않은 일부 광에 의해 미세 액적으로 조사되는 광 신호에 노이즈가 증가될 수 있으며 미세 액적에서 여기되는 형광의 세기는 매우 작기 때문에 노이즈가 증가할 경우 형광 검출이 어려울 수 있다.
한편, 본원의 실시예에 따른 서로 다른 파장 범위를 가지는 복수의 광원을 이용하는 경우 각 광 신호가 특정 파장 범위를 가지므로, 투과되지 않은 광이 줄어들어 미세 액적으로 조사되는 광 신호에 노이즈가 최소화되어 미세 액적에서 여기되는 매우 작은 형광 신호도 검출될 수 있다.
다양한 실시예에서 복수의 광원은 30~100 μm의 스팟 빔 지름 (spot beam dia) 을 가지고, 원형의 스팟 빔 모양을 가지는 광 신호를 출력하도록 광섬유 (optical fiber) 로 구현되거나, 직접 연결될 수도 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 복수의 광원은 전체 파장 범위의 광 신호를 출력하기 위해 타원형의 스팟 빔 모양을 가질 수 있다. 빔 모양이 원형이 아닐 경우 미세 액적 외에 빔이 조사되어 조사된 물질 (예를 들어, 채널 벽, 지그 등) 에서 형광 노이즈가 발생되어 미세 액적에 조사된 광 신호에 간섭이 생길 수 있다. 이를 방지하기 위해 본 발명의 다양한 실시예에 개시된 복수의 광원 각각은 원형의 스팟 빔 모양을 가지도록 광섬유로 구현됨으로써, 광 신호 간의 간섭을 없앨 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 복수의 광원 각각은 동시에 광신호를 출력하거나, 특정 시간 간격으로 광 신호를 출력할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 여기서, 특정 시간 간격은 후술할 미세 유체 채널을 통과하는 미세 액적의 유량에 기반하여 복수의 광 신호 각각을 조사하기 위한 적절한 시간 간격일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 복수의 광원 각각은 특정 거리만큼 이격될 수 있으며, 특정 거리는 유체 채널을 지나가는 적어도 하나의 미세 액적으로 각 광 신호를 순차적으로 조사하기 위한 적절한 거리일 수 있다.
광 검출부 (1320) 는 광 신호 간 간섭을 차단하며, 유동하는 미세 액적으로부터 여기된 상기 광 신호 각각을 검출하도록 구성될 수 있고 구체적인 구성은 이하에서 후술할 예정이다.
한편, 추출부 (1330) 는 추출 유닛 (1332) 및 추출 구동 유닛 (1334) 으로 이루어지며, 추출 유닛 (1332) 은 유체칩 (10) 의 복수의 웰에 삽입 가능하며, 복수의 웰에 수용된 미세 액적을 추출할 수 있다. 추출 유닛 (1332) 은 추출 구동 유닛 (1334) 에 결합될 수 있다. 이에, 추출 유닛 (1332) 은 추출 구동 유닛 (1334) 에 의해 적어도 3축 방향으로 직선 이동될 수 있고, 복수의 웰 상에 정렬된 후 복수의 웰 에 각각 삽입될 수 있다. 여기서, 3축 방향은 이송방향, 교차방향 및 상하방향일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 한편, 미세 액적은 히팅부 (1200) 에 의해 미리 결정된 온도 사이클로 가열되며, 샘플 시료의 표적 유전자가 증폭된 상태일 수 있다. 예를 들어, 추출 유닛 (1332) 은 상하방향으로 연장된 피펫 (Pipette) 으로 마련될 수 있다.
추출 유닛 (1332) 은 추출 구동 유닛 (1334) 에 연결되며, 복수의 웰 상에 각각 순차적으로 정렬되고, 정렬된 추출 유닛 (1332) 은 복수의 웰에 삽입될 수 있다. 여기서, 추출 구동 유닛 (1334) 은 적어도 3축 이상의 방향으로 직선 이동 가능하도록, 제1 구동 유닛 (1334a), 제2 구동 유닛 (1334b) 및 제3 구동 유닛 (1334c) 를 포함할 수 있다.
상기에서 설명한 제1 실시 예에 따른 유전자 분석용 디바이스 (1000) 의 구성요소들의 구조와 형상은 이에 한정되지 않고 다양할 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 유전자 분석용 디바이스 (1000') 가 도시된다.
보다 구체적으로, 유전자 분석용 디바이스 (1000') 에서, 하우징부 (1100) 상에 PCR 분석을 위한 작업 프로세스에서 프로세스 변경 시간이 최소화도록 구성 요소 (1200, 1300) 가 구비될 수 있다. 예를 들어, 히팅부 (1200) 에 의한 온도 사이클에 따라 증폭된, 유체칩 (10) 내의 미세 액적은, 별도의 유체칩 (10) 의 이동 공정 없이 리더기 (1300) 의 추출부 (1330) 를 통해, 상부에 배치된 광학 분석을 위한 광원 (1310) 및 광 검출부 (1320) 로 유동할 수 있다. 이후, 리더기 (1300) 의 광 검출부 (1320) 및 프로세서 (미도시) 에 의해 미세 액적에 대한 광학 분석 및 표적 유전자에 대한 정략 분석이 수행될 수 있다.
이때, 본 발명의 다른 특징에 따르면, 하우징부 (1100) 상에 방열부 (1400) 가 더 구비될 수 있고, 방열부 (1400) 를 통해 히팅부로부터 방출된 열이 하우징부 (1100) 의 외부로 방출될 수 있어 표적 유전자에 대한 분석이 보다 안정된 환경에서 수행될 수 있다.
즉, 이러한 유전자 분석용 디바이스 (1000') 의 구조적 특징에 의해 표적 유전자에 대한 효율성 높은 디지털 PCR 분석이 가능할 수 있다.
이하에서는, 도 3a 및 3b를 참조하여 본 발명의 다양한 실시예에 따른 유전자 분석용 디바이스 (1000, 1000') 의 히팅부에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 3a 내지 3b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 유전자 분석용 디바이스의 히팅부의 모습을 도시한 것이다.
먼저, 도 3a를 참조하면, 히팅부 (1200) 는 유체칩 (10) 을 커버하도록 구성된 커버부 (1210) 를 더 포함할 수 있다. 이때, 도 3b를 더욱 참조하면 커버부 (1210) 는 연결부 (12102) 를 통해 히팅부 (1200) 와 결합하며, 유체칩 (10) 의 상면과 접촉 가능하며, 유체칩 (10) 과 같거나 큰 면적을 갖을 수 있다. 예를 들어, 커버부 (1210) 는 상하방향으로 소정의 두께를 갖는 직육면체의 판 형상으로 형성될 수 있다. 이에, 커버부 (1210) 는 유체칩 (10) 에 형성된 복수의 웰의 상부를 차폐할 수 있다.
일반적으로, 히팅부 (1200) 로 유체칩 (10) 에 열을 전달하면, 복수의 웰에 수용된 미세 액적이 가열되고, 미세 액적이 가열되는 중에 미세 액적에 포함된 샘플 시료가 증발되거나, 복수의 웰 내부의 수분이 가열되며 증기가 발생될 수 있다. 샘플 시료가 증발될 경우, 리더기 (1300) 에서 유전자 분석의 정확도가 떨어질 수 있다. 또한, 복수의 웰 내부의 수분이 가열되어 증발될 경우, 복수의 웰 내부의 미세 액적이 원활하게 가열되지 못할 수 있다. 즉, 복수의 웰은 차폐 (그 내부가 밀폐) 될 필요가 있다. 이에, 유체칩 (10) 의 상면 면적과 같거나 큰 커버부 (1210) 를 통해 유체칩 (10) 의 상부가 차폐될 수 있다.
이하에서는, 도 4를 참조하여 본 발명의 다양한 실시예에 따른 유전자 분석용 디바이스 (1000, 1000') 의 광 검출부에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 유전자 분석용 디바이스의 qPCR 분석을 위한 광 검출부의 모습을 도시한 것이다.
유전자 분석용 디바이스 (1000, 1000') 는, 유체칩 (10) 에 대응하는 qPCR 분석을 위한 광 검출부 (1500) 를 더 포함할 수 있다.
광 검출부 (1500) 는, 미리 결정된 파장을 갖는 광 신호를 제공하는 복수의 광원 (1510), 조사된 광이 유체칩 (10), 특히 유체칩 상에 미세 액적을 포함하는 복수의 웰 상에 조사될 수 있도록 광 방향을 조절하며, 여기된 광 신호를 전달하는 복수의 렌즈부 (1520a, 1520b 및 1520c) 를 포함할 수 있다. 나아가, 신호의 변화를 감지하는 센서부 (1530) 및 센서부와 연결되어 표적 유전자에 대한 다양한 정략적 분석을 수행하는 프로세서 (1540) 가 더욱 구비될 수 있다.
이때, 광 검출부 (1500) 는, 히팅부 (1200) 를 통해 제공되는 열 주기에 따른 미세 액적 내의 표적 유전자에 대한 PCR 반응에 의한 광 신호를 실시간으로 감지할 수 있다. 이에, 광 검출부 (1500) 를 통해 표적 유전자에 대한 실시간 PCR 분석 또는 정량 PCR 분석이 가능할 수 있다.
한편, 광 검출부 (1500) 는, 전술한 리더기 (1300) 상의 미세 액적에 대한 디지털 광 분석이 가능한 광 검출부 (1320) 과 구별된 유닛일 수 있다. 이에, 본 명세서에서, 디지털 PCR 분석을 위한 광 검출부 (1320) 는 “제1 광 검출부”로, 실시간 PCR 분석 또는 정량 PCR 분석을 위한 광 검출부 (1500) 는 “제2 광 검출부”로 명시될 수 있다.
즉, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 유전자 분석용 디바이스 (1000, 1000') 는, 별도의 독립된 장비 없이도 미세 액적 기반의 PCR 디지털 분석뿐만 아니라, 2세대 PCR인 정량 또는 실시간 (quantitative/real-time) PCR 분석이 동시에 가능할 수 있다.
이에, 본 발명은 다양한 PCR 분석이 가능한 유전자 분석 시스템을 제공함으로써, 표적 유전자에 대한 효율적인 분석이 가능할 수 있다.
이하에서는, 도 5a 내지 5h를 참조하여, 유전자 분석용 디바이스의 리더기를 보다 구체적으로 설명한다.
도 5a 내지 5h는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 유전자 분석용 디바이스의 리더기의 모습을 도시한 것이다.
먼저, 도 5a를 참조하면, 리더기 (1300) 는 복수의 광원 (1310), 광 검출부 (1320) 를 포함할 수 있다.
이때, 광 검출부 (1320) 는 복수의 광원 (1310) 각각에 대응하며 광 신호 간 간섭을 차단하도록 구성된 복수의 홀이 구비되고, 복수의 홀 각각을 통해 대응하는 하나의 광 신호가 통과하는 제1 플레이트부 (1322), 및 미세 액적이 유동하며 대응하는 하나의 광 신호로부터 적어도 일면에 광 신호가 조사되는 유체 채널이 구비되고, 제1 플레이트부의 상부에 배치되는 제2 플레이트부 (1324) 를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 5b 및 5c를 함께 참조하면, 복수의 광원 (1310) 각각을 통해 조사된 광 신호 (13102a, 13102b, 13102c, 13102d 및 13102e) 는 제1 플레이트부 (1322) 에 구비된 복수의 홀 (1322a, 1322b, 1322c, 1322d 및 1322e) 을 통과할 수 있다. 그 다음, 제2 플레이트부 (1324) 상의 유체 채널 (13242) 을 유동하는 미세 액적 (MD) 에 광 신호 (13102a, 13102b, 13102c, 13102d 및 13102e) 각각이 서로 간섭 없이 조사될 수 있다.
즉, 복수의 파장을 갖는 광 신호가 동시에 (또는 이시에) 조사되더라도, 일정한 두께를 갖고 복수의 광원 (1310) 각각에 대응하는 복수의 홀 (1322a, 1322b, 1322c, 1322d 및 1322e) 이 구비된 제1 플레이트부 (1322) 에 의해, 광 신호는 간섭되지 않고 미세 액적에 조사될 수 있다.
즉, 이러한 구조적 특징에 의해, 미세 액적으로 조사되는 광 신호에 노이즈가 최소화되어 미세 액적에서 여기되는 매우 작은 형광 신호도 검출될 수 있다.
한편, 도 5a 및 도 5d를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에서, 적어도 일부가 제2 플레이트부 (1324) 의 상부 면적과 같거나 큰 면적을 갖는 커버부 (1326) 가, 제2 플레이트부 (1324) 의 상부를 커버할 수 있도록 배치될 수 있다. 이때, 커버부 (1326) 는 연결부 (1362) 를 통해 광 검출부 (1320) 에 고정될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 광 검출부 (1300) 는 신호의 변화를 감지하는 센서부 (미도시) 및 센서부와 연결되어 표적 유전자에 대한 다양한 정략적 분석을 수행하는 프로세서 (미도시) 가 더욱 구비될 수 있다. 이때, 센서부는 제2 플레이트 (1324) 의 적어도 일면에 배치되어, 유동하는 미세 액적으로부터 여기된 복수의 광 신호를 검출하며, 프로세서는 광 신호를 기초로 미세 액적 내의 표적 유전자에 대한 디지털 정량 분석을 수행할 수 있다.
한편 전술한 구성 요소에 제한되지 않고, 광 검출부 (1300) 는 전기적 센싱, 전기화학적 센싱, 캐패시터형 전기적 센싱뿐만 아니라, 샘플 시료에 대한 추가 분석을 위한 항원 항체 반응, 친화크로마토그래피 (Affinity Chromatography) 각각을 수행할 수 있는 구성들을 더 포함할 수도 있다.
도 5e를 참조하면, 유체 채널 (13242) 이 구비된 제2 플레이트 (1324) 는, 일면에 복수의 홈이 배치되도록 구성된 홈 플레이트 (1324a) 및 홈 플레이트 (1324a) 에 접하도록 구성된 커버 플레이트 (1324b) 로 이루어질 수 있다.
이때, 커버 플레이트 (1324b) 가 홈 플레이트 (1324a) 와 접함에 따라, 복수의 유체 채널 (13243, 13244 및 13245) 이 구획될 수 있다.
본 발명의 특징에 따르면, 유체 채널 (13242) 은 복수의 채널로서, 복수의 채널 중 어느 하나를 통해 미세 액적이 유동하고, 복수의 채널 중 서로 마주보는 채널들을 통해 미세 액적과 접촉하는 유체가 유동하며, 서로 마주보는 채널들에서 배출되는 유체를 통해 미세 액적간의 사이가 일정하게 이격되도록 구성될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 5f를 참조하면, 홈 플레이트 (1324a) 상의 복수의 홈은 커버 플레이트 (1324b) 에 의해 그 일부가 폐쇄되도록 커버되며, 제 커버 플레이트 (1324b) 의 일면과 함께 제1 채널 (C1), 제2 채널 (C2), 제 3 채널 (C3) 및 제4 채널 (C4) 을 구획한다. 이때, 3 채널 (C3) 및 제4 채널 (C4) 은 서로 마주보도록 구비될 수 있다.
이때, 구획된 제1 채널 (C1), 제2 채널 (C2), 제3 채널 (C3) 및 제4 채널 (C4) 이 서로 만나는 지점에 조인트 (J) 가 형성되며, 미세 액적 (MD) 은 제1 채널 (C1) 에서 조인트 (J) 를 통과하여 제4 채널 (C4) 로 유입되고, 미세 액적 (MD) 의 간격 조절을 위한 유체 (F) 는, 서로 마주보는 제2 채널 (C2) 및 제3 채널 (C3) 에서 배출되어 조인트 (J) 를 통과하는 각각의 미세 액적 (MD) 과 접촉하게 된다.
보다 구체적으로, 제2 채널 (C2) 과 제3 채널 (C3) 을 통해 배출되는 유체 (F) 는 제1 채널 (C1) 을 통해 통과되는 각각의 미세 액적 (MD) 을 가압할 수 있다. 미세 액적 (MD) 은 유체 (F) 에 의해 가압되어 그 모양이 찌그러면서 일시적으로 홀딩될 수 있다. 유체 (F) 에 의해 일시적으로 홀딩되는 미세 액적 (MD) 과 유체 (F) 를 통과하여 제4 채널 (C4) 에 유입된 미세 액적 (MD) 은, 이처럼 유체 (F) 에 의해 일시적으로 홀딩되는 미세 액적 (MD) 에 의해 그 간격이 벌어질 수 있다.
이러한 구조적 특징에 의해 미세 액적은 유체 채널 내에서 일정한 간격으로 유동할 수 있다.
더욱이, 제2 채널 (C2) 과 제3 채널 (C3) 에서 배출되는 유체 (F) 에 의해 미세 액적 (MD) 의 유동이 일시적으로 홀딩될 수 있어, 제4 채널 (C4) 에 유입된 미세 액적 (MD) 이 제4 채널 (C4) 을 통과하면서 여기된 광 신호가 검출될 수 있는 시간이 확보될 수 있다.
한편, 홈 플레이트 (1324a) 상의 복수의 홈은 제1 홈 (13243), 제2 홈 (13244), 제3 홈 (13245) 및 제4 홈 (13246) 을 포함한다. 복수의 홈은 복수의 홈을 구성하는 일측면과 타측면이 커버 플레이트 (1324b) 를 향해 점점 개방되도록 경사지게 형성된다.
제1 홈 (13243) 은 홈 플레이트 (1324a) 의 길이방향을 따라 형성된다. 제1 홈 (13243) 은 커버 플레이트 (1324b) 의 일면과 함께 복수의 미세 액적 (MD) 이 유입되는 제1 채널 (C1) 을 형성한다.
제1 홈 (13243) 은 제1 유입부 (13243a) 및 제1 경사부 (13243b) 를 포함하며, 제1 유입부 (13243a) 는 제1 채널 (C1) 에 유입되는 미세 액적 (MD) 을 가이드하도록 구성될 수 있다. 이때, 제1 경사부 (13243b) 는 제1 유입부 (13243a) 와 연통하도록 구성되는데, 제1 경사부 (13243b) 는 제1 경사부 (13243b) 를 구성하는 일측면과 타측면이 일단에서 타단을 향해 점점 좁아지도록 경사지게 형성될 수 있다. 즉, 제1 경사부 (13243b) 는 제1 경사부 (13243b) 를 구성하는 일측면과 타측면이 일단에서 타단을 향해 점점 좁아지므로, 미세 액적 (MD) 은 제1 채널 (C1) 중 제1 경사부 (13243b) 를 통과할 때 제1 채널 (C1) 의 외부로 복수개씩 배출되지 않는다.
한편, 제1 경사부 (13243b) 는 제4 홈 (13246) 의 제4 유입부 (13246a) 와 대향 배치되며, 조인트 (J) 와 직접 연결될 수 있다. 이때, 제1 경사부 (13243b) 는 별도의 가이드 구간 없이 직접 조인트 (J) 와 연결되므로, 제1 채널 (C1) 의 외부로 배출되는 각각의 미세 액적 (MD) 의 간격이 일정하게 조절될 수 있다. 제1 경사부 (13243b) 와 조인트(J) 사이에 별도의 가이드 구간이 있다면, 각각의 미세 액적 (MD) 이 가이드 구간의 내부에서 부딪혀 손상이 일어날 수 있으며, 각각의 미세 액적 (MD) 이 가이드 구간의 내부에서 부딪히면, 일정하게 간격이 유지되던 각각의 미세 액적 (MD) 의 간격이 좁아지거나 넓어지므로 유전자 분석의 신뢰성이 저하될 수도 있다.
한편, 제2 홈 (13244) 은 'ㄱ' 형상으로 마련되며, 제1 홈 (13243) 과 연결된다. 제2 홈 (13244) 은 커버 플레이트 (1324b) 의 일면과 함께 유체 (F) 가 유입되는 제2 채널 (C2) 을 형성한다. 그러나 제1 및 제2 홈 (13243, 13244) 의 형상은 제한되지 않으며, 다양한 형상으로 조인트 (J) 와 연결될 수 있다.
제2 홈 (13244) 은 제2 유입부 (13244a), 제2 경사부 (13244b), 제1 축소부 (13244c) 및 제2 축소부 (미도시) 를 포함한다. 이때, 제2 유입부 (13244a) 는 제2 채널 (C2) 에 유입되는 유체 (F) 를 가이드하며, 제2 경사부 (13244b) 와 연통하도록 구성될 수 있다.
제2 경사부 (13244b) 는 제2 경사부 (13244b) 를 구성하는 일측면과 타측면이 일단에서 타단을 향해 점점 좁아지도록 경사지게 형성됨에 따라, 제2 경사부 (13244b) 를 통과하는 유체 (F) 의 속도는 베르누이의 정리 (Bernoulli's Theorem) 에 의해 점진적으로 증가될 수 있다.
제1 축소부 (13244c) 는 제2 경사부 (13244b) 와 연통하도록 구성되며, 제1 축소부 (13244c) 는 그 폭이 제2 경사부 (13244b) 와 연결되는 부분의 폭에 대응되는 폭을 가진다. 즉, 제1 축소부 (13244c) 의 폭이 제2 경사부 (13244b) 와 연결되는 부분의 폭에 대응되도록 마련되면, 제1 축소부 (13244c) 를 통과하는 유체 (F) 의 압력과 속도는 베르누이의 정리에 의해 제2 경사부 (13244b) 를 통과할 때 보다 증가될 수 있다.
제2 채널 (C2) 에 유입되는 유체 (F) 는 제1 축소부 (13244c) 를 통과하면서 제1 채널 (C1) 을 통해 배출되는 각각의 미세 액적 (MD) 의 유동을 일시적으로 홀딩시킬 수 있는 충분한 속도와 충분한 압력을 가지게 될 수 있다.
제3 홈 (13245) 은 제1 홈 (13243) 을 사이에 두고 제2 홈 (13244) 과 마주보도록 이격배치된다. 제3 홈 (13245) 은 제1 홈 (13243) 을 기준으로 제2 홈 (13244) 의 형상에 대칭되는 형상을 가질 수 있다. 이때, 제3 홈 (13245) 은 제3 홈 (13245) 을 구성하는 일측면과 타측면이 커버 플레이트 (1324b) 를 향해 점점 개방되도록 경사지게 형성되며, 제 커버 플레이트 (1324b) 의 일면과 함께 유체 (F) 가 유입되는 제3 채널 (C3) 을 형성한다.
이때, 제3 홈 (13245) 은 제3 유입부 (13245a), 제3 경사부 (13245b), 제3 축소부 (13245c) 및 제4 축소부 (미도시) 를 포함한다.
제3 유입부 (13245a) 는 제3 채널 (C3) 에 유입되는 유체 (F) 를 가이드하도록, 제3 경사부 (13245b) 와 연결된다. 이때, 제3 경사부 (13245b) 를 구성하는 일측면과 타측면이 일단에서 타단을 향해 점점 좁아지므로, 제3 경사부 (13245b) 를 통과하는 유체 (F) 의 속도는 베르누이의 정리에 의해 점진적으로 증가될 수 있다.
제3 축소부 (13245c) 는 제3 경사부 (13245b) 와 연결되며, 그 폭이 제3 경사부 (13245b) 와 연결되는 부분의 폭에 대응되는 폭을 가질 수 있다. 제3 축소부 (13245c) 의 폭이 제3 경사부 (13245b) 와 연결되는 부분의 폭에 대응되도록 마련되면, 제3 축소부 (13245c) 를 통과하는 유체 (F) 의 압력과 속도는 베르누이의 정리에 의해 제3 경사부 (13245b) 를 통과할 때 보다 증가될 수 있다.
이때 제3 채널 (C3) 에 유입되는 유체 (F) 는 제3 축소부 (13245c) 를 통과하면서 제1 채널 (C1) 을 통해 배출되는 각각의 미세 액적 (MD) 의 유동을 일시적으로 홀딩시킬 수 있는 충분한 속도와 충분한 압력을 가지게 될 수 있다.
도 5g를 더욱 참조하면, 제4 홈 (13246) 은 제1 채널 (C1) 을 통해 배출되는 각각의 미세 액적 (MD) 이 유입되어 홈 플레이트 (1324a) 와 커버 플레이트 (1324b) 의 외부로 배출될 수 있도록 마련될 수 있다.
이때, 제4 홈 (13246) 은 커버 플레이트 (1324b) 의 일면과 함께 제4 채널 (C4) 을 형성하며, 제4 유입부 (13246a), 제4 경사부 (13246b) 및 확장부 (13246c) 로 이루어질 수 있다.
제4 유입부 (13246a) 는 제4 채널 (C4) 로 유입된 각각의 미세 액적 (MD) 을 가이드하고, 제1 홈 (13243) 의 제1 경사부 (13243b) 와 대향 배치될 수 있다. 제4 경사부 (13246b) 는 제4 유입부 (13246a) 와 연결되는데, 제4 경사부 (13246b) 를 구성하는 일측면과 타측면이 일단에서 타단을 향해 점점 넓어지도록 경사지게 형성될 수 있다. 즉, 제4 유입부 (13246a) 를 통과하면서 검출이 끝난 각각의 미세 액적 (MD) 은 제4 경사부 (13246b) 를 통해 확장부 (13246c) 로 유입되도록 가이드될 수 있다.
이때, 확장부 (13246c)는 제4 경사부 (13246b) 와 연결되며 제4 경사부 (13246b) 와 연결되는 부분의 폭에 대응되는 폭을 가질 수 있다. 즉, 확장부 (13246c) 는 제4 유입부 (13246a) 에서 제4 경사부 (13246b) 를 통해 유입되는 검출이 끝난 각각의 미세 액적 (MD) 을 수용하도록 마련될 수 있다. 확장부 (13246c) 에 수용된 미세 액적 (MD) 은 폐기되거나 재사용되기 위해 홈 플레이트 (1324a) 와 커버 플레이트 (1324b) 의 외부로 배출될 수 있다.
이와 같이 유체 채널의 구조적 특징에 의해 미세 액적이 일정한 간격을 가지도록 가이드되어 정확도 높은 광학 분석이 가능할 수 있다.
한편, 커버 플레이트 (1324b) 는 미세 액적 (MD) 을 검출하기 위한 복수의 광원 (1310) 에서 발산되는 광 신호가 투과될 수 있도록 투명한 유리재질로 형성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 커버 플레이트 (1324b) 는 빛이 투과될 수 있는 다양한 재질로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 커버 플레이트 (1324b) 는 홈 플레이트 (1324a) 의 두께보다 작은 두께를 가질 수도 있다. 보다 구체적으로, 커버 플레이트 (1324b) 의 두께가 홈 플레이트 (1324a) 의 두께보다 작은 두께를 가지면, 제4 채널 (C4) 을 통과하는 미세 액적 (MD) 을 검출하기 위한 복수의 광원 (1310) 에서 발산되는 광의 굴절이 적게 일어날 수 있으며, 이에 복수의 광 신호 각각이 미세 액적 (MD) 에 정확히 도달될 수 있으므로 유전자 검사의 신뢰성이 향상될 수 있다.
한편, 본 발명의 다양한 실시예에서 리더기 (1300) 상에 추출부 (1330) 가 구비될 수 있다.
도 5h를 참조하면, 추출부 (1330) 는 도 1에서 전술한 바와 같이 추출 유닛 (1332) 및 추출 구동 유닛 (1334) 으로 이루어지며, 추출 유닛 (1332) 은 추출 구동 유닛 (1334) 에 연결되며, 복수의 웰 상에 각각 순차적으로 정렬되고, 정렬된 추출 유닛 (1332) 은 복수의 웰에 삽입될 수 있다.
여기서, 추출 구동 유닛 (1334) 은 적어도 3축 이상의 방향으로 직선 이동 가능하도록, 제1 구동 유닛 (1334a), 제2 구동 유닛 (1334b) 및 제3 구동 유닛 (1334c) 를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 구동 유닛 (1334a) 은 하우징부 (1100) 에 설치되며, 이송방향을 따라 연장되는 제1 레일 및 제1 레일상을 직선 이동하는 제1 이동체를 포함할 수 있다. 제1 레일은 이송방향에 대하여 적어도 일부가 히팅부 (1200) 과 중첩되게 (즉, 교차방향을 기준으로 적어도 일부가 서로 마주보게) 배치될 수 있다. 제1 이동체는 이송방향을 따라 슬라이딩 이동 가능하게 제1 레일에 결합될 수 있다.
제2 구동 유닛 (1334b) 는 후술할 제3 구동 유닛 (1334c) 에 설치되며, 상하방향을 따라 연장되는 제2 레일 및 제2 레일 상을 직선 이동하는 제3 이동체를 포함할 수 있다. 제2 레일은 상하방향에 대하여 적어도 일부가 복수의 광원과 중첩되게 배치될 수 있다. 제2 이동체는 상하방향을 따라 슬라이딩 이동 가능하게 제2 레일에 결합될 수 있다. 이에, 광 검출부 (1320) 가 히팅부 (1200) 에 안착된 유체칩 (10) 의 복수의 웰에 정렬될 수 있는 환경이 형성될 수 있다. 또한, 광 검출부 (1320) 가 복수의 웰에 정렬된 상태에서 복수의 웰에 삽입될 수 있는 환경과, 추출한 미세 액적을 복수의 광원 (1310) 을 향해 이동시킬 수 있는 환경이 형성될 수 있다.
마지막으로, 제3 구동 유닛 (1334c) 은 제1 구동 유닛 (1334a) 에 설치되며, 교차방향을 따라 연장되는 제3 레일 및 제3 레일 상을 직선 이동하는 제3 이동체를 포함할 수 있다. 제3 레일은 교차방향에 대하여 적어도 일부가 히팅부 (1200) 와 중첩되게 (즉, 이송방향을 기준으로 적어도 일부가 서로 마주보게) 배치될 수 있다. 제3 이동체는 교차방향을 따라 슬라이딩 이동 가능하게 제3 레일 에 결합될 수 있다.
즉, 이러한 구조적 특징에 의해, PCR 반응이 유도된 히팅부 (1200) 상의 미세 액적은 별도의 이동 프로세스 없이, 추출부 (1330) 에 의해 흡인되어 광 검출부 (1320) 에 구비된 유체 채널로 유동할 수 있다.
이에, 미세 액적에 대한 안정적인 광 분석이 수행될 수 있다.
이하에서는 도 6을 참조하여 본 발명의 실시 예들에 따른 유전자 분석 방법에 관하여 설명한다. 여기서, 유전자 분석 방법은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 유전자 분석용 디바이스 (1000, 1000') 를 이용하여 진행되는 경우를 예시적으로 설명한다. 즉, 각각의 단계는, 유전자 분석용 디바이스 (1000, 1000') 의 구동에 따라 상기 디바이스를 이루는 각 구성 요소가 주체가 되어 수행될 수 있다.
먼저, 유전자 분석을 위해 미세 액적을 포함하는 유체칩이 본 발명의 다양한 실시예에 따른 유전자 분석용 디바이스의 히팅부에 안착된다 (S610). 그 다음, 히팅부를 통해 미리 결정된 수준의 온도의 열이 유체칩에 전도되고 (S620), 리더기를 통해 미세 액적 내의 표적 유전자의 분석이 수행된다 (S630).
본 발명의 특징에 따르면, 히팅부에 안착되는 단계 (S610) 이후에, 히팅부에 유체칩이 고정되고, 열 손실이 발생하지 않도록 유체칩의 상부 면적과 같거나 큰 면적을 갖는 커버부가 유체칩의 상부에 배치될 수도 있다.
이에, 히팅부의 열을 유체칩의 미세 액적으로 더 원활하게 전달하여, 표적 유전자를 더 효과적으로 증폭시킬 수 있다. 또한, 유체칩의 상부가 밀폐되어 유체칩 내부의 열기에 의해 유체칩과 유체칩을 가압하는 커버부 사이에 유격이 발생되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 히팅부에서 유체칩으로 전달되는 열의 온도 구배가 균일하게 형성될 수 있다. 선택적으로, 유체칩을 히팅부에 안착시킨 상태에서 유체칩에 수용된 미세 액적이 추출될 수 있다. 이에, 유전자 분석용 디바이스의 전체 체적이 감소될 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 열이 유체칩에 전도되는 단계 (S620), 이후에, 히팅부에 안착된 유체칩 상으로, 유전자 분석용 디바이스의 추출부가 이동되고, 미세 액적을 수용하는 유체칩의 복수의 웰에 순차적으로 추출부가 정렬된 후 복수의 웰 내의 미세 액적이 흡인될 수 있다.
보다 구체적으로, 전술한 도 5h를 함께 참조하면 미세 액적이 흡인되는 단계에서, 제1 구동 유닛 (1334a) 의 제1 이동체가 제1 레일을 따라 이송방향으로 이동하며 히팅부 (1200) 에 안착된 유체칩 (10) 과 마주보게 배치될 수 있다. 이후, 제3 구동 유닛 (1334c) 의 제3 이동체가 제3 레일을 따라 교차방향으로 이동하면서 추출 유닛 (1332) 을 유체칩 (10) 의 복수의 웰 상에 정렬시킬 수 있다. 이후, 제2 구동 유닛 (1334b) 의 제2 이동체가 제2 레일을 따라 하강하며, 추출 유닛 (1332) 이 복수의 웰에 삽입될 수 있다. 이후, 추출 유닛 (1332) 은 복수의 웰에 수용된 미세 액적을 흡인할 수 있다. 이후, 제1 구동 유닛 내지 제3 구동 유닛이 선택적으로 구동되며, 추출 유닛 (1332) 이 복수의 웰에 수용된 미세 액적들을 순차적으로 흡인할 수 있다.
다시 도 6으로 돌아오면, 표적 유전자의 분석이 수행되는 (S630) 단계, 에서 복수의 파장 범위를 갖는 복수의 광원을 포함하는, 유전자 분석용 디바이스의 리더기를 통해, 유체칩에 서로 다른 광 신호가 조사될 수 있다. 그 다음, 광 신호 간 간섭을 차단하며 유동하는 미세 액적으로부터 여기된 광 신호 각각을 검출하도록 구성된 광 검출부를 통해, 미세액적 내의 표적 유전자에 대한 분석이 수행될 수 있다.
이때, 광 신호가 조사되는 단계에서, 리더기의 복수의 광원 각각에 대응하여 광 신호 간 간섭을 차단하도록 구성된 복수의 홀 각각을 통해, 대응하는 하나의 광 신호가 미세 액적에 조사될 수 있다.
이에 따라, 복수의 파장을 갖는 광 신호가 미세 액적에 동시에 조사되더라도, 노이즈 없이 각각의 광 신호가 높은 민감도로 검출될 수 있어, 미세 액적 내 표적 유전자에 대한 정확도 높은 광학 분석이 수행될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 표적 유전자의 분석이 수행되는 단계 (S630) 에서, 미세 액적 내의 표적 유전자에 대한 실시간 PCR 분석이 수행될 수 있다.
보다 구체적으로, 표적 유전자의 분석이 수행되는 단계 (S630) 에서, 유체칩에 대응하며 히팅부의 열 전도에 의한 표적 유전자 증폭에 따른 형광 신호를 검출하도록 구성된 광 검출부를 통해, 광 신호가 검출되고, 형광 신호에 기초하여 표적 유전자의 정량 분석이 가능하도록 구성된 프로세서에 의해 표적 유전자의 정량 분석이 수행될 수 있다.
즉, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 유전자 분석 방법에 따라, 별도의 독립된 장비 없이도 미세 액적 기반의 PCR 디지털 분석뿐만 아니라, 2세대 PCR인 정량 또는 실시간 PCR 분석이 가능할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 제한하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 제한되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 유체칩 1000: 유전자 분석용 디바이스
1100: 하우징부 1200: 히팅부
1300: 리더기 1310, 1510: 복수의 광원
1320, 1500: 광 검출부 1330: 추출부
1400: 방열부 1520: 렌즈부
1530: 센서부 1540: 프로세서

Claims (16)

  1. 유전자 분석용 디바이스로서,
    상기 유전자 분석용 디바이스의 바디를 형성하는 하우징부;
    미세 액적을 포함하는 유체칩을 수용하며, 상기 하우징부에 고정되며 수용된 상기 유체칩에 열을 전도하는 히팅부;
    상기 히팅부에 안착된 상기 유체칩으로부터 상기 미세 액적을 추출하고, 추출된 상기 미세 액적을 분석하기 위한 리더기;를 포함하되,
    상기 리더기는,
    복수의 파장 범위를 갖는 서로 다른 광 신호를 제공하는 복수의 광원;
    유동하는 미세 액적으로부터 여기된 상기 광 신호 각각을 검출하도록 구성된 광 검출부를 포함하는, 유전자 분석용 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광 검출부는,
    상기 복수의 광원 각각에 대응하며 상기 광 신호 간 간섭을 차단하도록 구성된 복수의 홀이 구비되고, 상기 복수의 홀 각각을 통해 대응하는 하나의 광 신호가 통과하는 제1 플레이트부, 및
    상기 미세 액적이 유동하며 상기 대응하는 하나의 광 신호로부터 적어도 일면에 광 신호가 조사되는 유체 채널이 구비되고, 상기 제1 플레이트부의 상부에 배치되는 제2 플레이트부를 포함하는, 유전자 분석용 디바이스.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 광원은,
    제1 파장 범위를 가지도록 구성된 제1 광원;
    상기 제1 파장 범위와 상이한 제2 파장 범위를 가지도록 구성된 제2 광원;
    상기 제1 파장 범위 및 상기 제2 파장 범위와 상이한 제3 파장 범위를 가지도록 구성된 제3 광원;
    상기 제1 파장 범위, 상기 제2 파장 범위, 및 상기 제3 파장 범위와 상이한 제4 파장 범위를 가지도록 구성된 제4 광원, 및
    상기 제1 파장 범위, 상기 제2 파장 범위, 상기 제3 파장 범위, 및 상기 제4 파장 범위와 상이한 제5 파장 범위를 가지도록 구성된 제5 광원을 포함하고,
    상기 복수의 홀은,
    상기 제1 광원, 상기 제2 광원, 상기 제3 광원, 상기 제4 광원 및 상기 제5 광원 각각에 대응하는,
    제1 홀, 제2 홀, 제3 홀, 제4 홀 및 제 5홀을 포함하는, 유전자 분석용 디바이스.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 유체 채널은 복수의 채널이고,
    상기 복수의 채널 중 어느 하나를 통해 상기 미세 액적이 유동하고, 상기 복수의 채널 중 서로 마주보는 채널들을 통해 상기 미세 액적과 접촉하는 유체가 유동하며, 상기 서로 마주보는 채널들에서 배출되는 상기 유체를 통해 상기 미세 액적간의 사이가 일정하게 이격되도록 구성되는, 포함하는 유전자 분석용 디바이스.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제2 플레이트는,
    일면에 복수의 홈이 배치되도록 구성된 홈 플레이트; 및
    상기 홈 플레이트에 접하도록 구성된 커버 플레이트를 포함하며,
    상기 커버 플레이트가 상기 홈 플레이트와 접하여 상기 유체 채널이 구획되는, 유전자 분석용 디바이스.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제2 플레이트부의 상부를 커버할 수 있도록, 적어도 일부가 상기 제2 플레이트부의 상부 면적과 같거나 큰 면적을 갖는 커버부를 더 포함하는, 유전자 분석용 디바이스.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 미세 액적은, 표적 유전자 및 상기 표적 유전자 특이적 형광 탐침 (probe) 을 포함하고,
    상기 광 검출부는 제1 광 검출부이고,
    상기 유체칩에 대응하고,
    상기 히팅부의 열 전도에 의한 상기 미세 액적의 상기 표적 유전자 증폭에 따른 형광 신호를 검출하도록 구성된 제2 광 검출부, 및
    상기 제2 광 검출부와 전기적으로 연결되며, 상기 형광 신호에 기초하여 상기 표적 유전자의 정량 분석이 가능하도록 구성된 프로세서를 더 포함하는, 유전자 분석용 디바이스.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 히팅부에 결합되며, 상기 유체칩의 상부를 커버할 수 있도록, 적어도 일부가 상기 유체칩의 상부 면적과 같거나 큰 면적을 갖는 커버부를 더 포함하는, 유전자 분석용 디바이스.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 리더기는,
    미세 액적을 흡인할 수 있도록, 미세 액적이 수용된 상기 유체칩에 구비된 복수의 웰에 삽입 가능하며, 상기 유체 채널과 연통하는 추출부, 및
    상기 추출부에 연결되며, 상기 추출부를 상기 복수의 웰에 정렬시킬 수 있도록, 3 축 방향으로 직선 이동 가능하게 상기 하우징부에 설치되는 추출 구동부를 더 포함하는, 유전자 분석용 디바이스.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 하우징부는,
    상기 히팅부와 이격되고, 상기 히팅부로부터 방출된 열을 상기 하우징부의 외부로 방출하도록 구성된 방열부를 더 포함하는, 유전자 분석용 디바이스.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 리더기는,
    상기 광 검출부와 전기적으로 연결되고, 상기 광 신호에 기초하여 정량 분석하도록 구성된 프로세서를 더 포함하는, 유전자 분석용 디바이스.
  12. 미세 액적을 포함하는 유체칩을 제1항 내지 제11항에 기재된 유전자 분석용 디바이스의 히팅부에 안착시키는 단계;
    상기 히팅부를 통해, 미리 결정된 수준의 온도로 상기 유체칩에 열을 전도시키는 단계;
    복수의 파장 범위를 갖는 복수의 광원을 포함하는, 상기 유전자 분석용 디바이스의 리더기를 통해, 상기 유체칩에 서로 다른 광 신호를 제공하는 단계, 및
    상기 광 신호 간 간섭을 차단하며, 유동하는 미세 액적으로부터 여기된 상기 광 신호 각각을 검출하도록 구성된 광 검출부를 포함하는 상기 리더기를 통해, 상기 미세 액적 내의 표적 유전자를 분석하는 단계를 포함하는, 유전자 분석 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 미세 액적은, 상기 표적 유전자 특이적 형광 탐침 (probe) 을 더 포함하고,
    상기 광 검출부는 제1 광 검출부이고,
    상기 표적 유전자를 분석하는 단계는,
    상기 유체칩에 대응하며, 상기 히팅부의 열 전도에 의한 상기 미세 액적의 상기 표적 유전자 증폭에 따른 형광 신호를 검출하도록 구성된 제2 광 검출부를 통해, 상기 형광 신호를 검출하는 단계, 및
    상기 제2 광 검출부와 전기적으로 연결되며, 형광 신호에 기초하여 상기 표적 유전자의 정량 분석이 가능하도록 구성된 프로세서를 이용하여, 상기 표적 유전자의 정량 분석을 수행하는 단계를 포함하는, 유전자 분석 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 서로 다른 광 신호를 제공하는 단계는,
    상기 리더기의 상기 복수의 광원 각각에 대응하여 상기 광 신호 간 간섭을 차단하도록 구성된 복수의 홀 각각을 통해, 대응하는 하나의 광 신호를 제공하는 단계를 포함하는, 유전자 분석 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 히팅부에 안착시키는 단계 이후에,
    상기 히팅부에 상기 유체칩이 고정되도록, 상기 유체칩의 상부 면적과 같거나 큰 면적을 갖는 커버부를 상기 유체칩의 상부에 배치하는 단계를 더 포함하는, 유전자 분석 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 열을 전도시키는 단계 이후에,
    상기 히팅부에 안착된 상기 유체칩 상으로, 상기 유전자 분석용 디바이스의 추출부를 이동시키는 단계, 및
    상기 미세 액적을 수용하는 상기 유체칩의 복수의 웰에 순차적으로 상기 추출부를 정렬시켜, 상기 복수의 웰 내의 상기 미세 액적을 흡인하는 단계를 더 포함하는, 유전자 분석 방법.
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