KR20240043563A - 펠티어 소자 기반의 소형 온도제어 시스템을 이용한 핵산증폭 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 펠티어 소자, 온도센서, 쿨링팬, 전력 제어를 위한 PCB 기판, 온도제어 시스템 제어를 위한 싱글보드 컴퓨터, 및 3D 프린팅 하우징을 포함하는, 펠티어 소자 기반의 온도제어 시스템을 이용한 핵산증폭 방법에 관한 것으로, 구체적으로 본 발명의 방법은 휴대성이 높고, 저전력으로도 구동이 가능하여 전력 공급이 어려운 환경에서도 질병의 진단을 위해 활용될 수 있는 펠티에 소자 기반의 온도제어 시스템을 이용하여, PCR 분석소요 시간을 단축시켜 감염성 질환의 빠른 진단이 가능하다.
Description
본 발명은 펠티어 소자, 온도센서 및 쿨링팬의 전력 제어를 위한 PCB 기판, 온도제어 시스템의 제어를 위한 싱글보드 컴퓨터 및 3D 프린팅으로 출력된 하우징 본체로 이루어진 펠티어 소자 기반의 온도제어 시스템, 및 이를 이용한 핵산증폭 방법에 관한 것이다.
일반적으로 유전자 진단은 소량의 시료, 예를 들면, 체액, 혈액 또는 체세포에서 디옥시리보핵산(Deoxyribonucleic acid; DNA)을 추출한 후, DNA 검사를 실시하게 된다. 이때, 대부분 추출된 DNA는 양이 적고 순도가 낮은 상태이다.
유전자 진단의 정확도를 높이기 위하여, 시료로부터 추출된 DNA의 양을 증폭시키거나, 추출된 DNA의 염기서열 중 특정 부분만을 증폭시킬 필요가 있다. 예를 들면, 중합효소 연쇄반응(Polymerase chain reaction; PCR)은 유전자 진단 기술을 구사하기 위하여 사전 준비 단계로서, 특정 DNA 및 DNA 내의 특정 염기 서열만을 증폭시키는 기술로 알려져 있다.
즉, 이러한 PCR은 핵산을 포함하는 샘플 용액을 반복적으로 가열 및 냉각하여 핵산의 특정 염기 서열을 갖는 부위를 연쇄적으로 복제하여 그 특정 염기 서열 부위를 갖는 핵산을 기하급수적으로 증폭하는 기술로써, 생명과학, 유전공학 및 의료 분야 등에서 널리 사용되고 있다.
PCR은 일반적으로 변성단계(Denaturation step), 결합단계(Annealing step), 신장단계(Extension step)를 통해 DNA 증폭이 달성된다. 상기 PCR은 PCR 장치에 의해 수행된다. 일반적인 PCR 장치는 하나의 온도 조절부를 이용하여 DNA 합성에 필요한 단계별 온도로 시료 샘플부의 온도를 조절한다. 하나의 온도조절부로 상기 시료 샘플부의 온도를 조절하므로, 상기 시료 샘플부의 온도를 상승하거나 하강하는데 시간이 지연되어 상기 PCR을 완료하기까지 많은 시간이 소요될 수 있다. 나아가 기존의 PCR 장치는 고전력을 필요로 하는 히팅 패드(heating pad)를 사용하고 한 번에 다수의 검체를 증폭시키기 위하여 매우 큰 시스템이 요구되는 문제점이 있다.
이러한 고전력 요구에 의한 비용적 한계, 큰 시스템 부피로 인한 낮은 휴대성, 및 느린 진단 속도와 같은 다양한 문제로 인해, 현장에서 즉각적으로 간편하고 신속하게 PCR 분석을 완료하는 것에 곤란함이 있어, 보다 편리하면서 신속하게 PCR 분석을 완료할 수 있는 기술의 개발이 필요한 실정이다.
이에 본 발명자들은 PCR 장치의 소형화를 위하여 DNA 증폭 과정에 필요한 온도 조절 장치 즉, 히팅 패드로서 펠티어 소자를 채택하고 이의 전력 공급을 위해 저전력 전압 공급이 가능한 라즈베리파이를 채택하였으며, 나아가 이를 이용하여 빠른 시간 내에 PCR 분석이 가능한 증폭방법의 개발을 위해 노력한 결과 본 발명을 완성하였다.
이에, 본 발명의 목적은 펠티어 소자 기반의 온도제어 장치를 이용한 핵산증폭 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 펠티어 소자 기반의 온도제어 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 펠티어 소자, 온도센서, 쿨링팬, 전력 제어를 위한 PCB 기판, 온도제어 시스템 제어를 위한 싱글보드 컴퓨터, 및 3D 프린팅 하우징을 포함하는, 펠티어 소자 기반의 온도제어 시스템을 이용한 핵산증폭 방법에 관한 것으로, 구체적으로 본 발명의 방법은 휴대성이 높고, 저전력으로도 구동이 가능하여 전력 공급이 어려운 환경에서도 질병의 진단을 위해 활용될 수 있는 펠티에 소자 기반의 온도제어 시스템을 이용하여, PCR 분석소요 시간을 단축시켜 감염성 질환의 빠른 진단이 가능하다.
이하 본 발명을 더욱 자세히 설명하고자 한다.
본 발명의 일 예는 다음의 단계를 포함하는 핵산증폭 방법에 관한 것이다:
시료가 포함된 마이크로칩을 히팅 패드에 안치시키는 안치 단계; 및
히팅 패드 및 쿨링팬을 이용하여 중합효소연쇄반응을 수행하는 중합 단계.
본 발명에 있어서 펠티어 소자 기반의 핵산증폭 방법은 펠티어 소자 기반의 온도제어 장치를 이용하여 수행되는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 펠티어 소자 기반의 온도제어 장치는 수용공간을 포함하고 일측에 쿨링팬이 결합된 하우징 본체; 및 상기 수용공간에 배치되고, 중합효소연쇄반응 진행이 가능하도록 제어부, PCB 기판 및 히팅 패드가 적층된 분석부;를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 안치 단계는 시료가 포함된 마이크로칩을 히팅 패드에 안치시키는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 시료는 PCR mix, target DNA 시료 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 중합효소연쇄반응(Polymerase chain reaction; PCR)이 수행되도록 필요한 시약들을 추가로 포함할 수도 있다.
본 발명에 있어서 중합 단계는 히팅 패드에 결합한 펠티어 소자의 P gain 값을 40 내지 60, 40 내지 58, 40 내지 56, 40 내지 54, 40 내지 52, 42 내지 60, 42 내지 58, 42 내지 56, 42 내지 54, 42 내지 52, 44 내지 60, 44 내지 58, 44 내지 56, 44 내지 54, 44 내지 52, 46 내지 60, 46 내지 58, 46 내지 56, 46 내지 54, 46 내지 52, 48 내지 60, 48 내지 58, 48 내지 56, 48 내지 54, 48 내지 52 또는 50으로 설정하여 수행되는 것일 수 있으며, 예를 들어, 50으로 설정하여 수행되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서 중합 단계는 변성 단계, 및 어닐링/연장 단계를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 변성 단계는 90 내지 100 ℃, 90 내지 98 ℃, 90 내지 96 ℃, 92 내지 100 ℃, 92 내지 98 ℃, 92 내지 96 ℃, 94 내지 100 ℃, 94 내지 98 ℃ 또는 94 내지 96 ℃의 온도 조건으로 수행되는 것일 수 있으며, 예를 들어, 94 ℃의 온도 조건으로 수행되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 용어 “변성(denaturation)”은 주형 DNA(Template DNA)의 이중나선 가닥(double strand)을 단일 가닥(single strand)으로 분리하는 과정을 의미할 수 있다. 변성은 일반적으로 약 30초 동안 수행되는 것일 수 있으나, GC contents가 높은 등의 이유로 약 2 내지 10분 동안 수행되는 것일 수도 있다.
본 발명에 있어서 어닐링/연장 단계는 40 내지 75 ℃, 40 내지 70 ℃, 40 내지 65 ℃, 45 내지 75 ℃, 45 내지 70 ℃, 45 내지 65 ℃, 50 내지 75 ℃, 50 내지 70 ℃, 50 내지 65 ℃, 55 내지 75 ℃, 55 내지 70 ℃, 55 내지 65 ℃, 60 내지 75 ℃, 60 내지 70 ℃ 또는 60 내지 65 ℃의 온도 조건으로 수행되는 것일 수 있으며, 예를 들어, 64 ℃의 온도 조건으로 수행되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 용어 “어닐링/연장(annealing/extension)” 중 어닐링은 단일 가닥으로 분리된 주형 DNA에 상보적인 PCR 프라이머(PCR primer)가 결합하는 과정을 의미하는 것일 수 있고, 수행 온도는 프라이머의 Tm 값에 따라 45 내지 68 ℃의 온도 범위에서 조절되는 것일 수 있다.
본 명세서에서 용어 “어닐링/연장(annealing/extension)”중 연장은 DNA 중합 반응이 일어나는 과정을 의미하는 것일 수 있고, 반응 온도는 이용되는 중합효소의 종류에 따라 상이할 수 있다. 중합효소가 Taq polymerase인 경우 72 ℃, Pfu DNA polymerase인 경우에는 68 ℃의 온도 조건에서 연장 단계가 수행될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 중합 단계에 포함되는 변성 단계는 90 내지 100 ℃의 온도 조건으로 수행되고, 어닐링/연장 단계는 40 내지 75 ℃의 온도 조건으로 수행되는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 중합 단계는 변성 단계, 및 어닐링/연장 단계로 연결하여 이루어지는 사이클(cycle)이 35 내지 45회 반복 수행되는 것일 수 있으며, 예를 들어, 40회 반복 수행되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 다른 일 예는 펠티어 소자 기반의 온도제어 장치에 관한 것이다.
본 발명에 있어서 펠티어 소자 기반의 온도제어 장치는 수용공간을 포함하고 일측에 쿨링팬이 결합된 하우징 본체; 및 상기 수용공간에 배치되고, 중합효소연쇄반응 진행이 가능하도록 제어부, PCB 기판 및 히팅 패드가 적층된 분석부;를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 히팅 패드는 펠티어 소자(Peltier module)가 탈착 가능하도록 추가로 결합된 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 펠티어 소자는 서로 다른 두 개의 소자 양단에 직류 전압을 가하면 전류의 방향에 따라 한 쪽 면에서는 흡열하고 다른 한 쪽 면에서는 발열을 일으키는 현상을 이용한 열전소자를 의미하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 펠티어 소자는 히팅 패드와 마이크로칩 사이에 배치될 수 있다. 이 경우 히팅 패드의 소재는 열전도도가 낮은 아크릴로나이트릴(Acrylonitrile), 뷰타다이엔(Butadiene), 스타이렌(Styrene) 등 (ABS 플라스틱)의 플라스틱 소재가 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 펠티어 소자와 마이크로칩 사이에는 글라스가 배치될 수 있으며, 펠티어 소자로부터 발생하는 열이 마이크로칩에 직접 전달되는 것을 중재할 수 있다. 글라스는 마이크로칩과 일체를 이루도록 마이크로칩의 저면에 장착되거나, 펠티어 소자의 상면을 덮도록 추가 장착되는 것일 수 있다. 글라스의 소재는 유리일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에서, 펠티어 소자는 마이크로칩과 대향하도록 히팅 패드의 저면에 배치될 수 있다. 이 경우 히팅 패드의 소재는 열전도율이 높은 금속 소재가 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서 제어부는 히팅 패드 및 쿨링팬의 구동을 제어하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 제어부는 PCB 기판을 통해 히팅 패드에 대한 전력 인가를 제어하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 제어부는 PCB 기판을 통해 쿨링팬에 대한 전력 인가를 제어하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제어부는 PCB 기판을 통해 히팅 패드 및 쿨링팬에 대한 전력 인가를 제어하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 PCB 기판은 펠티어 소자에 인가되는 전압의 PWM (Pulse Width Modulation; 펄스 폭 변조) 제어가 가능한 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, PWM 제어는 설정된 설정 온도와 실제 측정된 측정 온도의 차이 값에 P gain 값을 곱하여 PWM 계수에 대입하는 P 제어 방식으로 수행되는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 PCB 기판은 쿨링팬의 제어를 위한 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서 분석부는 시료의 온도 측정을 위한 비접촉 또는 접촉 기반의 온도 센서부를 추가로 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서 히팅 패드는 온도 센서의 장착 및 고정을 위한 지지대를 추가로 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 히팅 패드는 마이크로칩이 안치 가능하도록 상면수용부를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서 마이크로칩은 적어도 하나 이상의 웰(well), 및 적어도 하나 이상의 미세채널(micro channel)을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 마이크로칩은 포토 리소그래피(photo-lithography) 공정을 통해 제작되는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 마이크로칩은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane; PDMS)으로 이루어진 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에서, 마이크로칩은 히팅 패드의 상면수용부에 안치되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 마이크로칩은 적어도 하나 이상의 웰을 통해 PCR mix, DNA 시료 등을 주입받는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 히팅 패드에 의한 중합효소연쇄반응은 마이크로칩에서 수행되는 것일 수 있다.
본 발명은 펠티어 소자, 온도센서, 쿨링팬, 전력 제어를 위한 PCB 기판, 온도제어 시스템 제어를 위한 싱글보드 컴퓨터, 및 3D 프린팅 하우징을 포함한 펠티어 소자 기반의 온도제어 시스템을 이용함으로써, 휴대성이 높고 저전력으로도 구동이 가능하다는 장점을 활용하여, 전력 공급이 어려운 환경에서도 질병의 진단이 가능하고, 나아가 PCR 분석에 필요한 시간을 단축시켜 다양한 감염성 질환의 빠른 진단이 가능하다.
도 1a는 본 발명의 펠티어 소자(Peltier module) 기반의 온도제어 장치를 나타낸 모식도이다.
도 1b는 본 발명의 펠티어 소자(Peltier module) 기반의 온도제어 장치를 실제 제작한 모습을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 온도제어 장치에 안치 가능한 마이크로칩 샘플을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실험예에 따라 마이크로칩의 기준면이 목표 온도에 도달하는 시간을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실험예에 따라 PWM 제어시의 최적화된 P gain 값을 찾기 위한 그래프를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실험예에 따라 PWM 제어를 통해 94 ℃ 및 64 ℃ 범위 내에서 펠티어 소자의 온도 제어를 확인한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실험예에 따라 PCR 사이클 수와 음양성에 따른 비교를 위해 positive sample(PTC)과 negative sample(NTC)을 이용하여 20 Cycle, 40 Cycle의 중합효소연쇄반응(PCR)을 수행한 결과를 형광촬영한 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실험예에 따라 PCR 사이클 수와 음양성에 따른 비교를 위해 positive sample(PTC)과 negative sample(NTC)을 이용하여 20 Cycle, 40 Cycle의 중합효소연쇄반응(PCR)을 수행한 결과의 형광세기를 비교한 그래프이다.
도 1b는 본 발명의 펠티어 소자(Peltier module) 기반의 온도제어 장치를 실제 제작한 모습을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 온도제어 장치에 안치 가능한 마이크로칩 샘플을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실험예에 따라 마이크로칩의 기준면이 목표 온도에 도달하는 시간을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실험예에 따라 PWM 제어시의 최적화된 P gain 값을 찾기 위한 그래프를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실험예에 따라 PWM 제어를 통해 94 ℃ 및 64 ℃ 범위 내에서 펠티어 소자의 온도 제어를 확인한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실험예에 따라 PCR 사이클 수와 음양성에 따른 비교를 위해 positive sample(PTC)과 negative sample(NTC)을 이용하여 20 Cycle, 40 Cycle의 중합효소연쇄반응(PCR)을 수행한 결과를 형광촬영한 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실험예에 따라 PCR 사이클 수와 음양성에 따른 비교를 위해 positive sample(PTC)과 negative sample(NTC)을 이용하여 20 Cycle, 40 Cycle의 중합효소연쇄반응(PCR)을 수행한 결과의 형광세기를 비교한 그래프이다.
본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 발명의 설명에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다. 시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간 적 선후관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함한다.
이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
도 1a는 본 발명의 펠티어 소자(Peltier module) 기반의 온도제어 장치를 나타낸 모식도이다.
도 1a를 참조하면, 펠티어 소자 기반의 온도제어 장치는 수용공간을 포함하고 일측에 쿨링팬(120)이 결합된 하우징 본체(100); 및 상기 수용공간에 배치되고, 중합효소연쇄반응 진행이 가능하도록 제어부(220), PCB 기판(240) 및 히팅 패드(260)가 적층된 분석부(200);를 포함하는 것일 수 있다.
하우징 본체(100)는 FDM 방식(Fused Deposition Modeling)의 3D 프린팅 기술을 통해 준비되는 것일 수 있다. 하우징 본체는 일측이 개방된 내부 수용공간을 가질 수 있고, 수용공간을 둘러싼 하우징 본체의 벽면에는 쿨링팬(120)이 장착될 수 있다. 쿨링팬의 타측은 수용공간 내 공기의 순환이 원활하도록 흡기 또는 배기를 수행하도록 배치된 적어도 하나 이상의 통공(140)을 포함할 수 있다. 하우징 본체의 상면은 마이크로칩(300)의 출입이 용이하도록 개방될 수 있고, 마이크로칩 내 시료의 오염을 방지하기 위한 개폐 가능한 덮개부(160)가 추가로 장착될 수 있다.
분석부(200)는 하우징 본체의 내부 수용공간에 배치될 수 있다. 분석부는 제어부(220), PCB 기판(240) 및 히팅 패드(260)가 적층된 것일 수 있다. 구체적으로, 제어부, PCB 기판 및 히팅 패드는 순차 적층된 것일 수 있다. 제어부는 히팅 패드(260) 및 쿨링팬(120)의 구동을 위하여, PCB 기판을 통해 히팅 패드(260) 및/또는 쿨링팬(120)에 대한 전력 인가를 제어할 수 있다. 제어부(220)는 라즈베리파이 기반의 싱글보드 컴퓨터일 수 있으며, Python 소프트웨어가 설치된 것일 수 있다.
PCB 기판(240)은 펠티어 소자에 인가되는 전압의 PWM (Pulse Width Modulation) 제어, 쿨링팬의 제어를 위한 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), 및 시료의 온도 측정을 위한 비접촉 온도센서(MLX90614)로 구성된 것일 수 있다.
분석부(200)는 시료의 온도 측정이 가능한 비접촉 또는 접촉 기반의 온도 센서부(미도시)를 추가로 포함할 수도 있다. 온도 센서부는 시료의 온도 정보, 특히 마이크로칩의 상면을 기준으로 이의 온도 정보를 제어부(220)로 송신하는 것일 수 있다. 제어부(220)는 온도 정보를 인가받아, 기 설정된 온도 범위 및 온도별 지속시간값으로 히팅 패드(260) 및 쿨링팬(120)이 구동되도록, 히팅 패드와 쿨링팬을 제어하는 것일 수 있다. 히팅 패드(260)는 온도 센서의 장착 및 고정을 위한 지지대(280)를 추가로 포함할 수 있다.
한편, 히팅 패드(260)는 마이크로칩이 안치 가능하도록 지지대(280)와 인접한 상면수용부(290)를 포함하는 것일 수 있다. 마이크로칩은 후술한 도 2에 나타낸 것으로, 중합효소연쇄반응(PCR)이 수행 가능하도록 적어도 하나 이상의 웰(well); 및 적어도 하나 이상의 미세채널(micro channel)을 포함하는 것일 수 있다. 아울러, 펠티어 소자와 마이크로칩 사이에는 글라스(미도시)가 배치될 수 있으며, 펠티어 소자로부터 발생하는 열이 마이크로칩에 직접 전달되는 것을 중재할 수 있다. 글라스는 마이크로칩과 일체를 이루도록 마이크로칩의 저면에 장착되거나, 펠티어 소자의 상면을 덮도록 추가 장착되는 것일 수 있다. 글라스의 소재는 유리일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
히팅 패드(260)는 펠티어 소자(Peltier module)가 탈착 가능하도록 추가로 결합된 것일 수 있다. 여기서, 펠티어 소자는 서로 다른 두 개의 소자 양단에 직류 전압을 가하면 전류의 방향에 따라 한 쪽 면에서는 흡열하고 다른 한 쪽 면에서는 발열을 일으키는 현상을 이용한 열전소자를 의미하는 것일 수 있다.
이러한 펠티어 소자 기반의 온도제어 장치를 실제 제작한 모습을 도 1b에 나타내었으며, 실제 구현된 장치의 전체적인 크기는 81.5 x 113 x 100 mm (가로x세로x높이)이고, 총 무게는 286.4 g으로 작고 가볍다. 또한, 저전력 PCR에 활용이 가능하며, 나아가 펠티어 소자의 활용을 통하여 보조배터리의 적은 전력만으로도 작동이 가능하였다.
도 2는 본 발명의 온도제어 장치에 안치 가능한 마이크로칩 샘플을 나타낸 모식도이다.
도 2를 참조하면, 마이크로칩(300)은 적어도 하나 이상의 웰(well)(320a, 320b); 및 적어도 하나 이상의 미세채널(micro channel)(340);을 포함하는 것일 수 있다.
마이크로칩(300)은 포토 리소그래피(photo-lithography) 공정을 통해 제작 가능하며, 적어도 하나 이상의 웰을 통해 PCR mix, DNA 시료 등을 주입받는 것일 수 있다. 웰을 통해 주입된 DNA 시료는 미세채널(340)에서 증폭되는 것일 수 있다. 도 2의 마이크로칩은 본 발명의 온도제어 장치를 검증하기 위한 것이고, 본 발명의 온도제어 장치에 이용되는 마이크로칩의 형상이나 구조가 이에 한정되는 것은 아니다.
실험예 1. 승온 소요시간 확인
펠티어 소자로 샘플이 목표 온도에 도달하는 데 걸리는 시간과 필요한 온도 유지 시간을 예측하기 위해 다음과 같은 컴퓨터 시뮬레이션(computational simulation)을 진행하였다. PDMS 칩 내부 채널의 윗면을 기준면으로 설정하고 글라스의 바닥면을 펠티어 소자의 온도(94 ℃와 동일하게 설정한 후, 비접촉 온도센서를 이용하여 기준면이 목표 온도에 도달하는 시간을 측정한 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3에서 확인할 수 있듯이, 기준면 즉, PDMS 칩 내부에 안치된 DNA 샘플이 90 ℃에 도달하는 데에는 1.84 초가 걸렸으며, 최종 온도는 92.4 ℃에 수렴하였다.
실험예 2. PWM 제어
라즈베리파이를 통해 전압을 인가하여 가열된 펠티어 소자의 온도를 비접촉 온도센서로 측정한 후, 측정된 값에 따라 P 제어를 통해 온도를 조절하였다. 구체적으로 펠티어 소자의 온도 조절은 PWM 제어를 통해, 인가되는 전압을 조절함으로써 온도를 조절하였으며, 설정 온도와 측정 온도의 차이 값에 상수(P gain)를 곱하여 PWM 계수에 넣는 P 제어를 이용하여 온도를 제어하였다. P gain 값의 최적화를 위해 5, 50, 500으로 바꾸어 가며 실험을 진행하였고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 또한, 일반적인 2 step PCR cycle에 사용되는 온도인 64 ℃와 94 ℃로 설정하여 펠티어 소자의 온도 조절 결과를 도 5에 나타내었다.
도 4 및 도 5에서 확인할 수 있듯이, P gain이 500인 경우, 목표 온도 (94 ℃)를 넘어서는 오버슛(overshoot)이 발생하였으며, 목표 온도를 기준으로 위아래로 크게 온도가 변화하는 변동성이 나타났다. 또한 저온에서의 불안정성이 크고, 목표 온도 (64 ℃)에 도달하지 못하는 것을 확인할 수 있었다. P gain이 50인 경우, 온도가 상승하여 목표 온도 (94 ℃)에 근접하면서도 그 값을 넘어가지 않아 안정적이었고, 온도가 내려가는 데에 필요한 시간이 짧았다. 또한 저온부에서도 비교적 안정적으로 목표 온도 (64 ℃)에 잘 도달하는 것을 확인 할 수 있었다. 실험 결과에 따라 P gain 값을 50으로 설정하였고, 최적화된 조건을 기반으로 30 cycle을 구동한 결과 총 15 분가량이 소요되었으며, overshoot 현상은 관찰되지 않았다.
실험예 3. 코로나 바이러스 샘플을 이용한 PCR
코로나 바이러스 샘플을 이용하여 PCR 실험을 진행하였다. 도 2에 나타낸 샘플링 마이크로칩은 포토공정(photo-lithography)을 통해 제작되었으며, 크기는 20 x 3 x 1 mm이고, 총 부피는 28 uL였다.
COVID-19 PCR master mix는 총 30 uL로, PCR premix (15 uL), (primer & probe) 7.5 uL, target DNA (7.5 uL)로 구성된다. 상기 DNA 샘플은 300 rpm에서 1분간 원심분리 과정을 거쳐 혼합하였다. 혼합한 PCR master mix를 마이크로칩에 주입한 후, 온도제어 장치의 히팅 패드에 위치시켜 PCR 과정을 진행하였다. 사이클 수와 음양성에 따른 비교를 위해 positive sample과 negative sample을 이용하여 20 Cycle, 40 Cycle의 PCR 실험을 수행한 결과를 도 6, 도 7 및 표 1에 나타내었다.
| 20 cycles | 40 cycles | ||
| Fluorescence intensity(a.u.) | NTC | 25.642 ± 1.919 | 30.075 ± 1.021 |
| PTC | 52.051 ± 2.095 | 115.853 ± 1.871 | |
도 6, 도 7 및 표 1에서 확인할 수 있듯이, 20 Cycles의 경우 positive sample(PTC)의 형광 세기는 52.051로, negative sample(NTC)가 25.642로 측정된 것에 비하여 2.030배, 40 Cycles의 경우 positive sample의 형광 세기가 115.853으로 측정되어 negative sample이 30.075인 것에 비해 3.852배 증가되었음을 확인하였다.
종합하면, 본 발명에서 제안한 펠티어 소자 기반 히팅 패드 및 이를 이용한 온도제어 방법은 1) 펠티어 소자를 사용함으로써 높은 히팅 효율을 통해 PCR 과정을 빠른 시간 안에 진행할 수 있고, 2) 휴대성 및 저전력의 시스템을 통해 환경에 구애받지 않고 PCR 과정을 진행할 수 있다는 장점을 가진다.
100: 하우징 본체
120: 쿨링팬
140: 통공 160: 덮개부
200: 분석부
220: 제어부 240: PCB 기판
260: 히팅 패드 280: 지지대
290: 상면수용부
300: 마이크로칩 320a, 320b: 웰
340: 미세채널
140: 통공 160: 덮개부
200: 분석부
220: 제어부 240: PCB 기판
260: 히팅 패드 280: 지지대
290: 상면수용부
300: 마이크로칩 320a, 320b: 웰
340: 미세채널
Claims (10)
- 펠티어 소자 기반의 온도제어 장치를 이용하여 수행되는 펠티어 소자 기반의 핵산증폭 방법에 있어서,
상기 온도제어 장치는,
수용공간을 포함하고 일측에 쿨링팬이 결합된 하우징 본체; 및 상기 수용공간에 배치되고, 중합효소연쇄반응 진행이 가능하도록 제어부, PCB 기판 및 히팅 패드가 적층된 분석부;를 포함하고, 상기 히팅 패드는 펠티어 소자(Peltier module)가 탈착 가능하도록 추가로 결합된 것이며,
상기 핵산증폭 방법은,
시료가 포함된 마이크로칩을 히팅 패드에 안치시키는 안치 단계; 및
히팅 패드 및 쿨링팬을 이용하여 중합효소연쇄반응을 수행하는 중합 단계;를 포함하는 것인, 방법. - 제1항에 있어서, 상기 중합 단계는 히팅 패드에 결합한 펠티어 소자의 온도를 제어하는 온도 제어 단계를 포함하고,
상기 온도 제어 단계는 펠티어 소자에 기설정된 설정 온도와 실제 측정된 측정 온도의 차이 값에 P gain 값을 곱하여 PWM 계수에 대입하는 P 제어로 수행되는 것인, 방법. - 제2항에 있어서, 상기 P gain 값은 40 내지 60인 것인, 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 중합 단계는 변성 단계, 및 어닐링/연장 단계를 포함하고,
상기 변성 단계는 90 내지 100 ℃의 온도 조건으로 수행되고,
상기 어닐링/연장 단계는 40 내지 75 ℃의 온도 조건으로 수행되는 것인, 방법. - 제4항에 있어서, 상기 중합 단계는 변성 단계, 및 어닐링/연장 단계로 이루어지는 사이클(cycle)이 35 내지 45회 반복 수행되는 것인, 방법.
- 수용공간을 포함하고 일측에 쿨링팬이 결합된 하우징 본체; 및
상기 수용공간에 배치되고, 중합효소연쇄반응 진행이 가능하도록 제어부, PCB 기판 및 히팅 패드가 적층된 분석부;를 포함하는 펠티어 소자 기반의 온도제어 장치에 있어서,
상기 히팅 패드는 펠티어 소자(Peltier module)가 탈착 가능하도록 추가로 결합된 것인, 펠티어 소자 기반의 온도제어 장치. - 제6항에 있어서, 상기 제어부는 히팅 패드 및 쿨링팬의 구동을 위하여,
PCB 기판을 통해 상기 히팅 패드 및 상기 쿨링팬에 대한 전력 인가를 제어하는 것인, 펠티어 소자 기반의 온도제어 장치. - 제6항에 있어서, 상기 분석부는 시료의 온도 측정이 가능한 비접촉 또는 접촉 기반의 온도 센서부를 추가로 포함하고,
상기 히팅 패드는 온도 센서의 장착 및 고정을 위한 지지대를 추가로 포함하는 것인, 펠티어 소자 기반의 온도제어 장치. - 제6항에 있어서, 상기 히팅 패드는 마이크로칩이 안치 가능하도록 상면수용부를 포함하고,
상기 마이크로칩은 적어도 하나 이상의 웰(well); 및 적어도 하나 이상의 미세채널(micro channel);을 포함하는 것인, 펠티어 소자 기반의 온도제어 장치. - 제6항에 있어서, 상기 펠티어 소자는 PWM 제어를 통해 온도조절을 수행하고,
상기 PWM 제어는 설정된 설정 온도와 실제 측정된 측정 온도의 차이 값에 P gain 값을 곱하여 PWM 계수에 대입하는 P 제어 방식으로 수행되는 것인, 펠티어 소자 기반의 온도제어 장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220122817A KR20240043563A (ko) | 2022-09-27 | 2022-09-27 | 펠티어 소자 기반의 소형 온도제어 시스템을 이용한 핵산증폭 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220122817A KR20240043563A (ko) | 2022-09-27 | 2022-09-27 | 펠티어 소자 기반의 소형 온도제어 시스템을 이용한 핵산증폭 방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240043563A true KR20240043563A (ko) | 2024-04-03 |
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ID=90662428
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220122817A KR20240043563A (ko) | 2022-09-27 | 2022-09-27 | 펠티어 소자 기반의 소형 온도제어 시스템을 이용한 핵산증폭 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20240043563A (ko) |
-
2022
- 2022-09-27 KR KR1020220122817A patent/KR20240043563A/ko unknown
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