KR20240031478A - 분자 진단용 카트리지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 분자 진단용 카트리지에 관한 것이다. 본 발명은 핵산 추출 모듈, 핵산 증폭 모듈, 분석 모듈, 하우징을 포함한다. 핵산 추출 모듈은 추출 챔버 및 제1 유로를 구비하고, 핵산 증폭 모듈은 증폭 챔버와 제2 유로를 구비한다. 추출 챔버의 상단에는 제1 밀봉부가 연결되어, 제1 밀봉부의 회전에 의해 추출 챔버의 체적이 감소하고, 공기압에 의해 추출된 핵산이 제1 유로를 통해 증폭 챔버로 유입된다. 증폭 챔버의 일측 단부에는 제2 밀봉부가 구비되어, 제2 밀봉부의 회전에 의해 증폭 챔버의 체적이 감소하고, 공기압에 의해 PCR 결과물이 제2 유로를 통해 분석 모듈로 유입된다.
본 발명에 따르면 분자 진단용 카트리지는 현장에서 검체의 채취와 동시에 분자 진단을 하여 검사 결과를 빠르게 확인할 수 있으며, 검체의 오염 가능성을 낮추고 간편하게 분자 진단을 할 수 있다.
본 발명에 따르면 분자 진단용 카트리지는 현장에서 검체의 채취와 동시에 분자 진단을 하여 검사 결과를 빠르게 확인할 수 있으며, 검체의 오염 가능성을 낮추고 간편하게 분자 진단을 할 수 있다.
Description
본 발명은 분자 진단용 카트리지에 관한 것으로, 추출 챔버와 제1 유로를 구비하는 핵산 추출 모듈, 증폭 챔버, 제1 가온부, 제2 가온부, 제2 유로를 구비하는 핵산 증폭 모듈, 플레이트부를 구비하는 분석 모듈, 핵산 추출 모듈, 핵산 증폭 모듈, 분석 모듈을 내장하고 상단에 밀봉부를 구비하는 하우징을 포함하는 분자 진단용 카트리지에 관한 것이다.
분자진단학은 분자생물학적 기술을 이용하여 DNA, RNA, 단백질 등 생체 표지 물질을 검출하거나 분석하는 분야이다. 소량의 핵산을 중합효소연쇄반응(polymerase chain reaction, PCR)을 이용하여 중폭시켜 표적물질의 유무를 검출하는 것이다.
최근 등장한 코로나 바이러스를 비롯한 다양한 바이러스성 질병을 진단하는 데에 분자 진단 기술이 많이 활용되고 있으며, 이를 통한 질병의 빠른 진단은 최적의 치료로 이어질 수 있다.
분자 진단을 위해서는 핵산 추출 과정과 핵산 증폭 과정을 거쳐야 하는데, 아직까지는 이러한 과정에 많은 시간이 소요되고, 또한 전문 인력이 투입되어야 하는 상황이다. 또한, 정밀한 장치가 필요하다보니, 현장에서 실시간으로 질병을 진단하는데 어려움이 있다.
따라서, 현장에서 빠르게 진단 결과를 알 수 있고, 전문가가 아니더라도 쉽게 장비를 사용할 수 있는 분자 진단용 자동화 장치의 개발이 필요하다.
본 발명은 현장에서 검체의 채취와 동시에 분자 진단을 할 수 있는 분자 진단용 카트리지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 핵산 추출에서 분석까지 전과정이 자동으로 이루어지는 분자 진단용 카트리지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지는 핵산 추출 모듈, 핵산 증폭 모듈, 분석 모듈, 하우징을 포함한다. 핵산 추출 모듈은 상단이 개방된 추출 챔버, 추출 챔버에 연결된 제1 유로를 구비할 수 있다. 핵산 증폭 모듈은 제1 유로에 연결되는 증폭 챔버, 증폭 챔버의 일측에 배치되는 제1 가온부, 증폭 챔버의 타측에 배치되는 제2 가온부, 증폭 챔버에 연결된 제2 유로를 구비할 수 있다. 분석 모듈은 제2 유로에 연결되는 플레이트부를 구비할 수 있다. 하우징은 핵산 추출 모듈, 핵산 증폭 모듈, 분석 모듈을 내장하고, 상단에 제1 밀봉부를 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지에서 추출 챔버의 상단 내측에는 나사산이 형성되어, 추출 챔버는 제1 밀봉부와 나사산 결합할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지에서 핵산 증폭 모듈은 증폭 챔버의 일측 단부에 연결되는 제2 밀봉부를 더 구비하고, 증폭 챔버의 일측 단부 내측에는 나사산이 형성되어, 증폭 챔버는 제2 밀봉부와 나사산 결합할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지는 제1 밀봉부의 하부에 밀봉링이 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지에서 추출 챔버에는 핵산 추출용 시약이 수용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지에서 증폭 챔버에는 PCR 반응용 조성물이 수용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지에서 제1 유로에는 파열부가 형성된 멤브레인이 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지에서 제2 가온부는 상하 이동 가능할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지에서 핵산 추출 모듈은 제3 가온부를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지에서 플레이트부는 제1 플레이트, 제2 플레이트 및 측벽을 구비할 수 있다. 제1 플레이트는 제2 플레이트와 소정 간격 이격될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지에서 분석 모듈은 광학부를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지에서 하우징은 제1 밀봉부를 회전시키는 구동부를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지에서 플레이트부는 제1 플레이트, 제2 플레이트 및 측벽, 미세 유로, 복수의 전극을 구비할 수 있다. 제1 플레이트는 제2 플레이트와 소정 간격 이격되어, 제1 플레이트와 제2 플레이트 사이 공간에 미세 유로가 배치되며, 미세 유로의 양 단부에 전극이 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지에서 분석 모듈은 출력 펄스 분석부를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 분자 진단용 카트리지는 현장에서 검체의 채취와 동시에 분자 진단을 하여 검사 결과를 빠르게 확인할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 분자 진단용 카트리지는 핵산 추출에서 분석까지 전과정이 자동으로 수행되어, 오염 가능성을 낮추고 간편하게 분자 진단을 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지의 전체적인 형상을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지의 추출 챔버를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지의 제1 밀봉부를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지의 제1 유로를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지의 핵산 증폭 모듈을 위에서 바라본 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지의 증폭 챔버를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지의 분석 모듈을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지의 분석 모듈을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지의 전체적인 형상을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지의 추출 챔버를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지의 제1 밀봉부를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지의 제1 유로를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지의 핵산 증폭 모듈을 위에서 바라본 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지의 증폭 챔버를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지의 분석 모듈을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지의 분석 모듈을 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지를 개략적으로 나타내는 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지의 전체적인 형상을 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지(1000)는 하우징(1100), 핵산 추출 모듈(1200), 핵산 증폭 모듈(1300), 분석 모듈(1400)을 포함한다. 하우징(1100)은 핵산 추출 모듈(1200), 핵산 증폭 모듈(1300), 분석 모듈(1400)을 내장한다. 하우징(1100)의 상단에는 개구(1110)가 형성된다. 개구(1110)를 통해 검체가 삽입될 수 있다. 개구(1110)의 직경은 추출 챔버(1210)의 직경과 동일할 수 있다. 개구(1110)는 제1 밀봉부(1120)에 의해 폐쇄될 수 있다. 제1 밀봉부(1120)의 외측에는 나사산(1121)이 형성될 수 있다.
핵산 추출 모듈(1200)은 추출 챔버(1210)와 제1 유로(1230)를 구비한다. 핵산 추출 모듈(1200)에서는 채취된 검체로부터 핵산을 추출하는 단계가 수행된다. 추출 챔버(1210) 내에서 추출된 핵산은 제1 유로(1230)를 통해 핵산 증폭 모듈(1300)로 이동한다. 핵산은 공기압에 의해 제1 유로(1230)측으로 이동할 수 있다.
추출 챔버(1210)의 상단은 개방된다. 추출 챔버(1210)의 내부 공간에는 검체 및 핵산 추출용 시약이 수용된다. 추출 챔버(1210)는 원통형으로 형성되거나, 추출 챔버(1210)의 내측 형상이 원통형일 수 있으며, 직경은 하우징(1100)의 개구(1110)의 직경과 동일하게 형성될 수 있다.
추출 챔버(1210)의 내측 상부에는 나사산(1211)이 형성될 수 있다. 추출 챔버(1210)의 내측 나사산(1211)은 제1 밀봉부(1120)의 나사산(1121)과 결합한다. 제1 밀봉부(1120)는 회전에 의해 추출 챔버(1210) 내측으로 이동한다. 제1 밀봉부(1120)의 이동으로 추출 챔버(1210) 내의 체적이 작아지고 공기압이 커진다.
제1 유로(1230)는 추출 챔버(1210) 하단에 연결된다. 추출 챔버(1210) 내 공기압에 의해, 추출 챔버(1210) 하단의 액체는 제1 유로(1230)를 통해 이동한다.
다른 실시예에서 핵산 추출 모듈(1200)은 가온 수단을 더 구비할 수 있다. 가온 수단은 추출 챔버(1210)를 가온하여, 추출 챔버(1210) 내의 온도를 50~95℃로 유지시킬 수 있다.
핵산 증폭 모듈(1300)은 증폭 챔버(1310), 제2 밀봉부(1320), 제2 유로(1330), 제1 가온부(1340), 제2 가온부(1350)를 구비한다. 핵산 증폭 모듈(1300)에서는 추출된 핵산을 증폭시키는 단계가 수행된다.
증폭 챔버(1310)는 제1 유로(1230)와 연결되어, 제1 유로(1230)를 통해 추출된 핵산을 전달받는다. 추출 챔버(1210)로부터 유입된 핵산은 증폭 챔버(1310) 내에서 PCR 반응용 조성물과 혼합되어, 중합효소 연쇄 반응을 일으킨다. PCR 반응용 조성물은 동결건조된 고형물이거나, 실시간(Real- time) PCR 반응용 조성물일 수 있다. 구체적으로, PCR 반응용 조성물은 Taq 중합효소, 뉴클레오티드, 프라이머(primer) 등일 수 있다. PCR 반응용 조성물, 즉 Taq 중합효소, 뉴클레오티드, 프라이머 등은 증폭 챔버(1310) 내에 미리 수용될 수 있다.
중합효소 연쇄 반응(PCR)이란, DNA 중합효소를 이용해 DNA 단편의 여러 복제본을 한꺼번에 만드는 방법으로, 아주 적은 양의 DNA만으로도 단시간에 특정 부위의 유전자를 기하급수적으로 증폭시킬 수 있는 방법이다. 중합효소 연쇄 반응은 변성(denaturation), 결합(annealing), 신장(elongation)의 과정으로 이루어진다. DNA는 고온에서 변성하는데, 약 92~95℃로 가온하여, DNA의 이중 나선을 풀어준다. 그 후, 온도를 58~61℃로 낮추면, 프라이머와 변성된 각각의 DNA 조각이 결합된다. 신장 과정에서는, 중합효소가 동작 가능한 온도인 70~73℃에서 DNA 합성이 이루어진다. 냉각과 가열을 여러 번 반복하면, DNA가 증폭된다. 여기서, 정확한 온도 제어와 각 온도별 유지 시간 제어가 중요하다. 증폭 챔버(1310) 내의 온도 제어를 위해, 제1 및 제2 가온부(1340, 1350)를 구비한다.
제1 및 제2 가온부(1340, 1350)는 증폭 챔버(1310)에 열을 제공한다. 제1 가온부(1340)는 증폭 챔버(1310)의 일측에 배치된다. 제1 가온부(1340)는 증폭 챔버(1310)의 온도를 92~95℃로 유지한다. 제1 가온부(1340)는 열전 소자일 수 있다. 제1 가온부(1340)로서 열전 소자를 사용하는 경우 온도 제어가 용이하고, 특정 온도까지 빠르고 정밀하게 온도 제어가 가능하다. 제1 가온부(1340)는 증폭 챔버(1310)의 측벽에 접촉하여 열을 증폭 챔버(1310) 내로 전달한다. 제1 가온부(1340)에 의해 DNA의 변성이 이루어진다.
제2 가온부(1350)는 증폭 챔버(1310)의 타측에 배치된다. 제2 가온부(1350)는 증폭 챔버(1310)의 온도를 58~61℃로 유지한다. 제2 가온부(1350)는 열전 소자일 수 있다. 제2 가온부(1350)는 증폭 챔버(1310)의 측벽에 접촉하여 열을 증폭 챔버(1310) 내로 전달하여 증폭 챔버(1310) 내를 설정된 온도로 유지한다. 제2 가온부(1350)에 의해 프라이머와 변성된 DNA 조각의 결합이 이루어진다.
한편, 제2 가온부(1350)는 결합 과정 이후, 증폭 챔버(1310)의 온도를 70~73℃로 유지시킨다. 제2 가온부(1350)는 증폭 챔버(1310) 내의 온도가 70~73℃가 되도록 증폭 챔버(1310)를 소정 시간 가온한 후, 신장 단계가 종료되면 오프된다. 70~73℃는 신장이 이루어지는 온도로, 변성, 결합, 신장 단계를 거쳐 DNA가 증폭된다.
변성, 결합, 신장 단계는 수 회 내지 수십 회 반복될 수 있다. 제어부는 제1 및 제2 가온부(1340, 1350)의 온도 및 가온 시간을 조절하여 DNA를 효율적으로 증폭시킨다. 제어부는 DNA를 원하는 양만큼 증폭시키기 위한 최적의 시간을 도출하여, 온도 및 가온 시간을 스케줄링할 수 있다. 제1 및 제2 가온부(1340, 1350)는 증폭 챔버(1310)의 길이 방향으로 접촉하여 열을 효율적으로 전달할 수 있다. 증폭 대상 바이러스에 따라 온도 유지 시간은 상이할 수 있다. 제어부는 분자 진단 목적에 따라 온도 유지 시간을 조절할 수 있다.
핵산 증폭 모듈(1300)에서 표적 DNA의 증폭이 완료되면, PCR 결과물을 분석 모듈(1400)로 이동시킨다. 증폭 챔버(1310)의 하단에는 제2 유로(1330)가 연결되어 있다. 제2 유로(1330)를 통해 PCR 결과물이 증폭 챔버(1310)로부터 분석 모듈(1400)로 이동한다.
증폭 챔버(1310)는 원통형으로 형성되거나, 증폭 챔버(1310)의 내측 형상이 원통형일 수 있다. 증폭 챔버(1310)는 일측 단부에는 제2 밀봉부(1320)가 연결된다. 증폭 챔버(1310)는 제2 밀봉부(1320)에 의해 밀봉된다.
증폭 챔버(1310)의 일측 단부의 내측에는 나사산(1311)이 형성될 수 있다. 증폭 챔버(1310)의 내측 나사산(1311)은 제2 밀봉부(1320)의 나사산(1321)과 결합한다. 제2 밀봉부(1320)는 회전에 의해 증폭 챔버(1310) 내측으로 이동한다. 제2 밀봉부(1320)의 이동으로 증폭 챔버(1310) 내의 체적이 작아지고 공기압이 커진다.
제2 유로(1330)는 증폭 챔버(1310) 타측 하단에 연결된다. 증폭 챔버(1310) 내 공기압에 의해, 증폭 챔버(1310)에 수용된 액체는 제2 유로(1330)를 통해 이동한다.
분석 모듈(1400)은 증폭 챔버(1310)로부터 유입된 PCR 결과물을 스캔하여, 바이러스의 유무를 판단한다. 분석 모듈(1400)은 플레이트부(1410)와 광학부(1420)를 구비할 수 있다.
플레이트부(1410)는 증폭 챔버(1310)로부터 PCR 결과물을 전달받는다. 플레이트부(1410)는 제1 플레이트(1411), 제2 플레이트(1412), 측벽(1413)을 구비한다. 제1 플레이트(1411)는 제2 플레이트(1412)와 소정 간격 이격되어 있다. 제1 플레이트(1411)와 제2 플레이트(1412)의 사이 공간에 PCR 결과물이 수용된다.
광학부(1420)는 레이저를 조사하여 타겟 형광 신호의 유무를 검출한다. 검출 대상 타깃은 복수 개가 될 수 있다. 예를 들어 광학부(1420)는 4개의 광원을 구비할 수 있다. 각각의 광원은 각각 다른 표적 물질을 확인한다. 각각의 광원은 FAM, HEX, ROX, Cy5 등의 형광 염료를 검출할 수 있다. 사용가능한 형광의 파장대는 450nm-730nm일 수 있다. 플레이트부(1410)에 수용된 시료는 는 4개의 발광 다이오드에 의해 형광신호를 얻을 수 있도록 여기될 수 있다. 각각의 광원은 형광 신호를 검출하여 바이러스 감염 여부를 판단한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지의 추출 챔버를 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지의 제1 밀봉부를 나타내는 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지의 제1 유로를 나타내는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 추출 챔버(1210)의 상단은 제1 밀봉부(1120)에 의해 밀봉된다. 개방된 추출 챔버(1210) 내로 검체를 유입시키고, 제1 밀봉부(1120)로 추출 챔버(1210)를 폐쇄할 수 있다. 추출 챔버(1210)에 연결된 제1 유로(1230)의 내측에는 멤브레인(1231)이 구비된다. 추출 챔버(1210)는 핵산 추출 과정에서 기밀이 유지된다. 추출 챔버(1210)에 수용된 핵산은 제1 유로(1230)를 통해 증폭 챔버(1310)로 이동한다. 핵산의 이동은 공기압에 의해 수행된다.
추출 챔버(1210)에 수용된 핵산을 이동시키기 위해, 추출 챔버(1210) 내의 체적을 감소시킨다. 추출 챔버(1210)의 내측면 상부에는 나사산(1211)이 형성된다. 제1 밀봉부(1120)의 외측면에는 나사산(1221)이 형성된다(도 4). 추출 챔버(1210)의 내측 나사산(1211)은 제1 밀봉부(1120)의 나사산(1121)과 결합한다. 제1 밀봉부(1220)의 하단에는 밀봉링(1222)이 형성될 수 있다. 밀봉링(1222)은 제1 밀봉부(1220)와 추출 챔버(1210) 내측을 더욱 밀착하게 하여, 기밀 성능을 향상시킨다.
제1 밀봉부(1120)는 구동부로부터 회전력을 전달받아 회전한다. 제1 밀봉부(1120)는 회전에 의해 추출 챔버(1210) 내측으로 직선 이동한다. 제1 밀봉부(1120)는 모터에 직렬 연결되어 회전력을 전달받거나, 웜 기어와 웜 휠을 이용하여 회전력을 전달받을 수 있다. 웜 기어를 이용하는 경우, 모터 배치가 자유롭고 장치를 소형화할 수 있다는 장점이 있다. 모터의 회전수, 웜 기어의 감속비를 조절하여, 제1 밀봉부(1120)가 추출 챔버(1210) 내측으로 직선 이동하는 거리를 조절할 수 있다. 제1 밀봉부(1120)의 직선 이동으로 추출 챔버(1210) 내의 체적이 작아지고 공기압이 커진다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 추출 챔버(1210)에 연결된 제1 유로(1230)의 내측에는 멤브레인(1231)이 구비된다. 멤브레인(1231)은 제1 유로(1230)의 단면을 덮도록 배치되어, 추출 챔버(1210) 내에 수용된 용액이 추출 과정동안 증폭 챔버(1310)로 이동하는 것을 방지한다.
멤브레인(1231) 상면의 임의의 지점에 파열부(1232)가 형성된다. 파열부(1232)는 멤브레인(1231)의 두께보다 얇은 두께로 형성된 부분으로, 공기압에 의해 파열되는 위치이다.
제1 밀봉부(1120)가 회전하면서, 추출 챔버(1210) 내측으로 하강하면, 추출 챔버(1210) 내 체적이 감소한다. 추출 챔버(1210) 내의 체적이 감소함에 따라, 추출 챔버(1210) 내부의 공기압이 높아지고, 제1 유로(1230)의 파열부 (1232)가 파열된다. 이에 따라 제1 유로(1230)가 개방되고, 추출 챔버(1210) 내의 핵산이 제1 유로(1230)를 통해 증폭 챔버(1310)로 이동한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지의 핵산 증폭 모듈을 위에서 바라본 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지의 증폭 챔버를 나타내는 도면이다.
중합효소 연쇄 반응(PCR)을 위해, 증폭 챔버(1310)는 소정 온도로 제어된다. 중합효소 연쇄 반응은 변성, 결합, 신장의 과정으로 이루어지며, 각각의 단계에서 온도는 92~95℃, 58~61℃, 70~73℃로 제어된다. 이러한 냉각과 가열을 수회 반복하여 표적 DNA를 증폭시킨다. 제1 및 제2 가온부(1340, 1350)는 증폭 챔버(1310) 내의 온도를 소정 온도로 유지시킨다.
도 6에 도시된 바와 같이, 증폭 챔버(1310)의 일측에는 제1 가온부(1240)가, 타측에는 제2 가온부(1350)가 배치된다. 제1 및 제2 가온부(1340, 1350)는 증폭 챔버(1310)의 측면에 접촉하여 증폭 챔버(1310)에 열을 제공한다. 제1 가온부(1340)는 증폭 챔버(1310)의 온도를 92~95℃로 유지한다. 제1 가온부(1340)는 열전 소자일 수 있다. 제1 가온부(1340)로서 열전 소자를 사용하는 경우 온도 제어가 용이하고, 특정 온도까지 빠르고 정밀하게 온도 제어가 가능하다. 제1 가온부(1340)는 증폭 챔버(1310)의 측벽에 접촉하여 열을 증폭 챔버(1310) 내로 전달한다. 제1 가온부(1340)에 의해 DNA의 변성이 이루어진다.
제2 가온부(1350)는 증폭 챔버(1310)의 타측에 배치된다. 제2 가온부(1350)는 증폭 챔버(1310)의 온도를 58~61℃로 유지한다. 제2 가온부(1350)는 열전 소자일 수 있다. 제2 가온부(1350)는 증폭 챔버(1310)의 측벽에 접촉하여 열을 증폭 챔버(1310) 내로 전달하여 증폭 챔버(1310) 내를 설정된 온도로 유지한다. 제2 가온부(1350)에 의해 프라이머와 변성된 DNA 조각의 결합이 이루어진다.
한편, 제2 가온부(1350)는 결합 과정 이후, 증폭 챔버(1310)의 온도를 70~73℃로 유지시킨다. 제2 가온부(1350)는 증폭 챔버(1310) 내의 온도가 70~73℃가 되도록 증폭 챔버(1310)를 소정 시간 가온한 후, 신장 단계가 종료되면 오프된다. 70~73℃는 결합된 DNA의 신장이 이루어지는 온도로, 증폭 챔버 내에 유입된 핵산은 변성, 결합, 신장 단계를 거쳐 DNA가 증폭된다.
변성, 결합, 신장 단계는 수회 내지 수십회 반복될 수 있다. 제어부는 제1 및 제2 가온부(1340, 1350)의 온도 및 가온 시간을 조절하여 DNA를 효율적으로 증폭시킨다. 제어부는 DNA를 원하는 양만큼 증폭시키기 위한 최적의 시간을 도출하여, 온도 및 가온 시간을 스케줄링할 수 있다. 제1 및 제2 가온부(1340, 1350)는 증폭 챔버(1310)의 길이 방향으로 접촉하여 열을 효율적으로 전달할 수 있다. 증폭 챔버(1310)가 원통형으로 형성되는 경우, 제1 및 제2 가온부(1340, 1350)의 측면을 증폭 챔버(1310)와 동일 곡률로 형성하여, 열 전달의 효율을 높일 수 있다.
다른 실시예에서는 제2 가온부(1350)가 상하 이동을 하여 추출 챔버(1210)를 가온할 수도 있다. 제2 가온부(1350)에 의해 추출 챔버(1210), 증폭 챔버(1310) 모두를 가온함으로서 카트리지를 소형화할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 증폭 챔버(1310)는 원통형으로 형성될 수 있다. 증폭 챔버(1310)는 원형의 단부가 측면에 위치하도록 길이 방향으로 배치된다. 증폭 챔버(1310)의 일측 단부는 제2 밀봉부(1320)에 의해 밀봉된다. 증폭 챔버(1310)에 연결된 제2 유로(1330)의 내측에는 멤브레인이 구비된다. 멤브레인에 의해 증폭 챔버(1310)는 PCR 과정에서 기밀이 유지된다. 증폭 챔버(1310)에 수용된 PCR 결과물은 제2 유로(1330)를 통해 분석 모듈(1400)로 이동한다. PCR 결과물의 이동은 공기압에 의해 수행된다.
증폭 챔버(1310)에 수용된 PCR 결과물을 이동시키기 위해, 증폭 챔버(1310) 내의 체적을 감소시킨다. 증폭 챔버(1310)의 일측 단부의 내측에는 나사산(1311)이 형성된다. 제2 밀봉부(1320)의 외측면에는 나사산(1321)이 형성된다. 증폭 챔버(1310)의 내측 나사산(1311)은 제2 밀봉부(1320)의 나사산(1321)과 결합한다. 제2 밀봉부(1320)의 하단에는 밀봉링이 형성될 수 있다. 밀봉링은 제2 밀봉부(1320)와 증폭 챔버 내측을 더욱 밀착하게 하여, 기밀 성능을 향상시킨다.
여기서, 증폭 챔버(1310)의 일측 단부에는 제1 유로(1230)와의 연결 지점(A)이 위치한다. 제2 밀봉부(1320)는 증폭 챔버(1310) 내측으로 직선 이동하면서, 제1 유로(1230)와의 연결 지점(A)을 폐쇄한다. 이에 따라, 증폭 챔버(1310) 내부가 제2 밀봉부(1320)에 의해 밀봉될 수 있다.
제2 밀봉부(1320)는 모터로부터 회전력을 전달받아 회전한다. 제2 밀봉부(1320)는 회전에 의해 증폭 챔버(1310) 내측으로 직선 이동한다. 제2 밀봉부(1320)는 모터에 직렬 연결되어 회전력을 전달받거나, 웜 기어와 웜 휠을 이용하여 회전력을 전달받을 수 있다. 웜 기어를 이용하는 경우, 모터 배치가 자유롭고 장치를 소형화할 수 있다는 장점이 있다. 모터의 회전수, 웜 기어의 감속비를 조절하여, 제2 밀봉부(1320)가 증폭 챔버(1310) 내측으로 직선 이동하는 거리를 조절할 수 있다.
제2 밀봉부(1320)가 제1 유로(1230)와의 연결 지점(A)을 지나, 증폭 챔버(1310) 내측으로 계속하여 직선 이동하면, 증폭 챔버(1310) 내의 체적이 감소한다. 증폭 챔버(1310) 내의 체적이 작아지면서 증폭 챔버(1310) 내의 공기압이 커진다.
증폭 챔버(1310)에 연결된 제2 유로(1330)의 내측에는 멤브레인이 구비될 수 있으며, 멤브레인에 의해 증폭 챔버(1310) 내에 수용된 용액이 증폭 과정에서 분석 모듈(1400)로 이동하는 것이 방지된다. 멤브레인 상면의 임의의 지점에 파열부가 형성되며, 파열부는 공기압에 의해 파열된다.
제2 밀봉부(1320)가 제1 유로(1230)와의 연결 지점(A)을 지나, 증폭 챔버(1310) 내측으로 계속하여 직선 이동하면, 증폭 챔버(1310) 내의 체적이 감소한다. 증폭 챔버(1310) 내의 체적이 감소함에 따라, 증폭 챔버(1310) 내부의 공기압이 높아지고, 제2 유로(1330)의 파열부가 파열된다. 이에 따라 제2 유로(1330)가 개방되고, 증폭 챔버(1310) 내의 PCR 결과물이 제2 유로(1330)를 통해 분석 모듈(1400)로 이동한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지의 분석 모듈을 나타내는 도면이고, 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분자 진단용 카트리지의 분석 모듈을 나타내는 도면이다.
분석 모듈(1400)은 PCR 결과물을 스캔하여, 바이러스의 유무를 판단한다. 분석 모듈(1400)은 플레이트부(1410)와 광학부(1420)를 구비할 수 있다.
플레이트부(1410)는 증폭 챔버(1310)로부터 PCR 결과물을 전달받는다. 도 8에 도시된 바와 같이, 플레이트부(1410)는 제1 플레이트(1411), 제2 플레이트(1412), 측벽(1413)을 구비한다. 제1 플레이트(1411)는 제2 플레이트(1412)와 소정 간격 이격되어 있다. 제1 플레이트(1411)와 제2 플레이트(1412)의 사이 공간에 PCR 결과물이 수용된다.
광학부(1420)는 복수 개의 광원(1421. 1422, 1423, 1424)을 구비할 수 있다. 각각의 광원(1421. 1422, 1423, 1424)은 각각 다른 표적 물질을 확인할 수 있으며, 예를 들어 광학부(1420)는 4개의 광원을 구비할 수 있다. 각각의 광원(1421. 1422, 1423, 1424)은 일렬 또는 소정 패턴으로 정렬되어, 플레이트부(1410)를 향해 광을 조사할 수 있다. 각각의 광원은 FAM, HEX, ROX, Cy5 등의 형광 염료를 검출할 수 있다. 사용가능한 형광의 파장대는 450nm-730nm일 수 있다.
다른 실시예에서는 광원이 원주 방향으로 배열되어, 회전에 의해 타겟과 정렬될 수 있다. 이 경우, 광원의 조사 각도가 동일하여, 광학부(1420)의 구성이 더 간단해질 수 있다는 장점이 있다.
광학부(1420)는 광을 조사하여 타겟 형광 신호의 유무를 검출한다. 복수 개의 광원을 이용하여, 복수의 표적 DNA를 빠르게 검출할 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에서 분석 모듈(1400)은 플레이트부(1430)와 출력 펄스 분석부(1440)를 구비할 수 있다.
플레이트부(1430)는 제1 플레이트(1431), 제2 플레이트(1432), 측벽(1433), 개구(1434), 미세 유로(1435), 복수의 전극(1436)을 구비한다. 제1 플레이트(1431)는 제2 플레이트(1432)와 측벽(1433)에 의해 소정 간격 이격되며, 내부에 공간이 형성된다. 제1 플레이트(1431)와 제2 플레이트(1432)가 형성하는 내부 공간에는 미세 유로가 형성된다. 미세 유로(1435)는 플레이트부(1430) 내에서 十자 형상으로 형성되며, 十자 형상의 단부에는 PCR 결과물 수용부(1435a)가 각각 구비된다. PCR 결과물 수용부(1435a)의 양 단부에는 전극(1436)이 배치된다. PCR 결과물 수용부(1435a)와 전극(1436)은 전기적으로 연결된다.
플레이트부(1430)의 개구(1434)로부터 유입된 PCR 결과물은 미세 유로(1435)를 거쳐 4개의 PCR 결과물 수용부(1435a)에 수용된다.
출력 펄스 분석부(1440)는 PCR 결과물 수용부(1435a)에 수용된 PCR 결과물로부터 표적 DNA를 분석한다. 출력 펄스 분석부(1440)는 기판(1441), 전극 접촉부(1442), 분석 유닛(미도시)을 구비한다.
기판(1440)은 표면에 구리 또는 금과 같은 전기 전도성이 우수한 금속 물질을 도금하여 도선을 형성한다. 도선을 통해 전기가 전달되며, 도선의 개수 또는 배치 형태는 필요에 따라 달라질 수 있다. 본 실시예에서는 플레이트부(1430)의 8개의 전극(1435)에 전기를 인가할 수 있도록, 8개의 도선이 배치된다. 복수의 도선의 일단은 기판의 단부까지 연장된다. 기판(1440)은 SD카드 슬롯과 호환되도록 할 수도 있다.
전극 접촉부(1442)는 기판(1440) 상에서 플레이트부(1430)의 전극(1436)과 대응되는 위치에 배치된다. 전극 접촉부(1442)는 돌기 형태로 금속으로 형성된다. 전극 접촉부(1442)는 전극(1436)극에 접촉되어 전극(1436)에 전기를 인가한다.
DNA의 농도는 일정한 주파수 값을 가진 전기 펄스 신호로 인가로 인해 발생되는 임피던스와 밀접한 상관관계가 있다. 증폭된 PCR 결과물에 특정 주파수를 가진 전기 펄스 신호를 인가하면, PCR 결과물을 통과하면서 저항에 의해 입력 펄스와 다른 펄스 신호가 발생한다. 발생된 출력 펄스를 분석하여 표적 DNA를 검출한다.
구체적으로, 증폭 챔버(1310)로부터 유입된 PCR 결과물은 미세 유로(1435)를 거쳐 4개의 PCR 결과물 수용부(1435a)에 수용된다. PCR 결과물 수용부(1435a) 양측에는 PCR 결과물 수용부(1435a)와 전기적으로 연결된 전극(1436)이 배치된다. 전극(1436)은 전극 접촉부(1442)와 접촉되며, 전극 접촉부(1442)를 통해 전기 신호 처리 장치로부터 특정 주파수의 전압 신호를 인가받는다. 전기 신호 처리 장치는 NI-DAQ과 디지털신호합성장치인 AD9837 등일 수 있다.
전극(1436)에 전기가 인가되면, PCR 결과물 수용부(1435a)에 수용된 PCR 결과물에 특정 주파수의 전기 펄스 신호가 인가된다. 특정 주파수의 전기 펄스 신호는 PCR 결과물을 통과하면서 저항에 의해 입력 펄스와 다른 펄스 신호를 발생시킨다.
발생된 출력 펄스는 도선을 통해 피드백된다. 피드백된 전기 펄스 신호는 분석 유닛 내에 구비된 트랜스 임피던스 증폭기를 통과하면서 전류 펄스 신호가 전압 펄스 신호로 변환된다. 트랜스 임피던스 증폭기에서 출력된 전압 펄스 신호는 아날로그 신호로서 신호처리장치인 NI-DAQ에 입력된 후 MATLAB과 같은 수학계산 프로그램 등을 이용하여 수치 또는 영상 데이타로 가공된다. 가공된 결과로부터 표적 DNA 검출 여부를 판단한다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
1000 : 분자 진단용 카트리지
1100 : 하우징
1110 : 개구 1120 : 제1 밀봉부
1200 : 핵산 추출 모듈 1210 : 추출 챔버
1230 : 제1 유로 1231 : 멤브레인
1232 : 파열부 1300 : 핵산 증폭 모듈
1310 : 증폭 챔버 1320 : 제2 밀봉부
1330 : 제2 유로 1340 : 제1 가온부
1350 : 제2 가온부 1400 : 분석 모듈
1410 : 플레이트부 1420 : 광학부
1430 : 플레이트부 1440 : 출력 펄스 분석부
1110 : 개구 1120 : 제1 밀봉부
1200 : 핵산 추출 모듈 1210 : 추출 챔버
1230 : 제1 유로 1231 : 멤브레인
1232 : 파열부 1300 : 핵산 증폭 모듈
1310 : 증폭 챔버 1320 : 제2 밀봉부
1330 : 제2 유로 1340 : 제1 가온부
1350 : 제2 가온부 1400 : 분석 모듈
1410 : 플레이트부 1420 : 광학부
1430 : 플레이트부 1440 : 출력 펄스 분석부
Claims (14)
- 상단이 개방된 추출 챔버, 상기 추출 챔버에 연결된 제1 유로를 구비하는 핵산 추출 모듈;
상기 제1 유로에 연결되는 증폭 챔버, 상기 증폭 챔버의 일측에 배치되는 제1 가온부, 상기 증폭 챔버의 타측에 배치되는 제2 가온부, 상기 증폭 챔버에 연결된 제2 유로를 구비하는 핵산 증폭 모듈;
상기 제2 유로에 연결되는 플레이트부를 구비하는 분석 모듈; 및
상기 핵산 추출 모듈, 상기 핵산 증폭 모듈, 상기 분석 모듈을 내장하고, 상단에 제1 밀봉부를 구비하는 하우징;을 포함하는 것을 특징으로 하는 분자 진단용 카트리지. - 제1항에 있어서,
상기 추출 챔버의 상단 내측에는 나사산이 형성되어, 상기 추출 챔버는 상기 제1 밀봉부와 나사산 결합하는 것을 특징으로 하는 분자 진단용 카트리지. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 핵산 증폭 모듈은 상기 증폭 챔버의 일측 단부에 연결되는 제2 밀봉부를 더 구비하고, 상기 증폭 챔버의 일측 단부 내측에는 나사산이 형성되어, 상기 증폭 챔버는 상기 제2 밀봉부와 나사산 결합하는 것을 특징으로 하는 분자 진단용 카트리지. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 밀봉부의 하부에 밀봉 링이 구비된 것을 특징으로 하는 분자 진단용 카트리지. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 추출 챔버에는 핵산 추출용 시약이 수용된 것을 특징으로 하는 분자 진단용 카트리지. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 증폭 챔버에는 PCR 반응용 조성물이 수용된 것을 특징으로 하는 분자 진단용 카트리지. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 유로에는 파열부가 형성된 멤브레인이 구비된 것을 특징으로 하는 분자 진단용 카트리지. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2 가온부는 상하 이동 가능한 것을 특징으로 하는 분자 진단용 카트리지. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 핵산 추출 모듈은 제3 가온부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 분자 진단용 카트리지. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 플레이트부는 제1 플레이트, 제2 플레이트 및 측벽을 구비하며, 상기 제1 플레이트는 상기 제2 플레이트와 소정 간격 이격된 것을 특징으로 하는 분자 진단용 카트리지. - 제10항에 있어서,
상기 분석 모듈은 광학부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 분자 진단용 카트리지. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 하우징은 상기 제1 밀봉부를 회전시키는 구동부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 분자 진단용 카트리지. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 플레이트부는 제1 플레이트, 제2 플레이트 및 측벽, 미세 유로, 복수의 전극을 구비하되, 상기 제1 플레이트는 상기 제2 플레이트와 소정 간격 이격되어, 상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트 사이 공간에 상기 미세 유로가 배치되며, 상기 미세 유로의 양 단부에 상기 전극이 배치된 것을 특징으로 하는 분자 진단용 카트리지. - 제13항에 있어서,
상기 분석 모듈은 출력 펄스 분석부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 분자 진단용 카트리지.
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