WO2014014268A1 - Real-time polymerase chain reaction apparatus for detecting electrochemical signal using metallic nano particles - Google Patents

Real-time polymerase chain reaction apparatus for detecting electrochemical signal using metallic nano particles Download PDF

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WO2014014268A1
WO2014014268A1 PCT/KR2013/006387 KR2013006387W WO2014014268A1 WO 2014014268 A1 WO2014014268 A1 WO 2014014268A1 KR 2013006387 W KR2013006387 W KR 2013006387W WO 2014014268 A1 WO2014014268 A1 WO 2014014268A1
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pcr
real
electrode
chip
time pcr
Prior art date
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PCT/KR2013/006387
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Korean (ko)
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김성우
박현규
이정환
이유진
김덕중
원병연
백송이
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나노바이오시스(주)
한국과학기술원
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    • B01L3/5027Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502715Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by interfacing components, e.g. fluidic, electrical, optical or mechanical interfaces
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    • B01L2200/10Integrating sample preparation and analysis in single entity, e.g. lab-on-a-chip concept
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q2561/00Nucleic acid detection characterised by assay method
    • C12Q2561/113Real time assay

Definitions

  • One embodiment of the present invention relates to a real-time PCR device and a real-time PCR method using the same.
  • PCR Polymerase Chain Reaction
  • the overall structure is not complicated because the PCR apparatus has one reaction chamber, it is necessary to have a complicated circuit for accurate temperature control, and the entire PCR execution time due to repeated heating or cooling of one reaction chamber. There is a problem with this lengthening.
  • the PCR device since the PCR device requires the use of a separate detection device to identify the PCR final product, the working time is delayed and is always exposed to contamination of the PCR final product.
  • another example of the conventional PCR apparatus is equipped with a plurality of reaction chambers having a PCR progression temperature, and PCR is performed by flowing a sample solution containing nucleic acid through one channel passing through these reaction chambers.
  • the PCR apparatus uses a plurality of reaction chambers, a complicated circuit structure for accurate temperature control is not required, but a long flow path for passing the high and low temperature reaction chambers is required, and the structure is complicated.
  • a separate control device for controlling the flow rate of a sample solution comprising nucleic acid flowing in a channel passing therethrough.
  • the recent PCR device is developing a method for grasping the PCR process in real time as well as efforts to increase the yield of the PCR final product. This technique of real-time PCR process is called "real-time PCR", a real-time PCR device is a fluorescent material in the PCR chamber to measure the optical signal generated by coupling with the amplification product Technology is applied.
  • the real-time PCR apparatus has a complex structure such as a separate light source module for activating an optical signal from a fluorescent material, a light detection module for detecting an optical signal obtained from amplified nucleic acid, and a reflector for adjusting other optical paths. It must be adopted, it is difficult to miniaturize the device, there are a lot of difficulties in developing a portable device.
  • an embodiment of the present invention rationally improves the PCR time and yield for a plurality of samples, and furthermore, a real-time PCR device capable of miniaturizing and carrying a product, and a real-time PCR method using the same. I would like to propose.
  • a first embodiment of the present invention is directed to one or more column blocks;
  • a housing having a thermal block contact region in contact with the at least one thermal block, a reaction chamber formed within the housing, a capture disposed in one region within the reaction chamber and capable of complementarily binding to one region of the amplifying target nucleic acid
  • a probe having a surface-treated fixed layer and an electrode disposed in another region within the reaction chamber and configured to detect an electrochemical signal, the probe being connected to the metal nanoparticle and the metal nanoparticle,
  • a PCR vessel containing a complex having a signal probe capable of complementarily binding to another region;
  • an electrochemical signal measuring module electrically connected to an electrode of the PCR vessel and configured to measure in real time an electrochemical signal generated in the reaction chamber of the PCR vessel.
  • the metal nanoparticles are selected from the group consisting of zinc (Zn), cadmium (Cd), lead (Pb), copper (Cu), gallium (Ga), indium (In), gold (Au), and silver (Ag). Can be selected.
  • the electrochemical signal may be due to a change in current generated as the amplification target nucleic acid complementarily binds to the capture probe and the signal probe of the complex.
  • the electrode is at least one from the group consisting of gold (Au), cobalt (Co), platinum (Pt), silver (Ag), carbon nanotube (carbon nanotube), graphene (graphene) and carbon (Carbon). Can be selected.
  • the amplification target nucleic acid, the capture probe, and the signal probe may be single stranded DNA.
  • the electrochemical signal measuring module is an anode stripping voltammetry (ASV), a chronoamperometry (CA), a cyclic voltammetry, a square wave voltammetry (SWV), It may be selected from the group consisting of differential pulse voltammetry (DPV), and impedance (impedance).
  • ASV anode stripping voltammetry
  • CA chronoamperometry
  • SWV square wave voltammetry
  • DPV differential pulse voltammetry
  • impedance impedance
  • a second embodiment of the present invention includes a first column block and a second column block spaced apart on the substrate; At least one reaction channel having inlets and outlets at both ends, a fixed layer disposed on one region of the reaction channel, and having a capture probe surface-treated with a capture probe capable of complementarily binding to one region of the amplifying target nucleic acid, and An electrode disposed in another region inside the reaction channel and configured to detect an electrochemical signal, the electrode being coupled to the metal nanoparticle and the metal nanoparticle, and complementarily binding to the other region of the amplification target nucleic acid.
  • a plate-shaped PCR chip comprising a complex having a signal probe present;
  • Drive means implemented to move the chip holder on which the PCR chip is mounted vertically or horizontally so that the PCR chip is in thermal contact with the first row block or the second row block;
  • an electrochemical signal measuring module electrically connected to a connection port of the chip holder to measure in real time an electrochemical signal generated in a reaction channel of the PCR chip.
  • the metal nanoparticles are selected from the group consisting of zinc (Zn), cadmium (Cd), lead (Pb), copper (Cu), gallium (Ga), indium (In), gold (Au), and silver (Ag). Can be selected.
  • the electrochemical signal may be due to a change in current generated as the amplification target nucleic acid complementarily binds to the capture probe and the signal probe of the complex.
  • the electrode is at least one from the group consisting of gold (Au), cobalt (Co), platinum (Pt), silver (Ag), carbon nanotube (carbon nanotube), graphene (graphene) and carbon (Carbon). Can be selected.
  • the electrode is a two-electrode module having a working electrode (oxidation or reduction reaction) and a reference electrode (oxidation or reduction) does not occur, or the indicator electrode, the reference electrode, and the It may be implemented as a three-electrode module having a counter electrode for adjusting the electronic balance generated from the indicator electrode.
  • the electrochemical signal measuring module is an anode stripping voltammetry (ASV), a chronoamperometry (CA), a cyclic voltammetry, a square wave voltammetry (SWV), It may be selected from the group consisting of differential pulse voltammetry (DPV), and impedance (impedance).
  • ASV anode stripping voltammetry
  • CA chronoamperometry
  • SWV square wave voltammetry
  • DPV differential pulse voltammetry
  • impedance impedance
  • first and second heat blocks may be symmetrical in the up, down, and / or left and right directions with respect to the center point of each of the heat blocks in order to maintain a constant temperature of the first and second heat blocks.
  • the heating wire may be arranged at.
  • any one of the first row block and the second row block may be implemented to maintain the denaturation step temperature of the PCR, and the other may maintain the annealing and extension (or amplification) step temperature of the PCR.
  • the denaturation step temperature may be 90 °C to 100 °C
  • the extension (or amplification) step temperature may be 55 °C to 75 °C.
  • first and second heat blocks may be spaced apart at a predetermined distance such that mutual heat exchange does not occur.
  • the driving means includes a rail extending in the left and right direction, and a connecting member slidably movable in the left and right direction through the rail and slidable in the vertical direction, wherein one end of the connecting member is the chip holder Can be arranged.
  • the PCR chip may be implemented detachably to the chip holder.
  • the PCR chip comprises a first plate provided with the electrode; A second plate disposed on the first plate and provided with the one or more reaction channels; And a third plate disposed on the second plate, the third plate having a fixed layer on which the inlet and the outlet and the capture probe are surface treated.
  • FIGS. 1 to 2 are schematic diagrams of a real-time PCR device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG 3 shows the binding between the capture probe and the signal probe and the amplification target nucleic acid in the reaction chamber of the real-time PCR device according to the first embodiment of the present invention.
  • Figure 4 shows the electrochemical signal generation process of the real-time PCR device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 shows a real-time PCR device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 shows a driving principle of a real-time PCR device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 to 10 show a PCR chip according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 shows a chip holder according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a layout view of an electrochemical signal measurement module of a real-time PCR device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 illustrates a process of performing real-time PCR using a real-time PCR device according to a second embodiment of the present invention.
  • 17 to 18 are electrophoresis pictures showing the results of performing the real-time PCR method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 to 2 show schematic diagrams of a real-time PCR device according to a first embodiment of the present invention.
  • the real-time PCR device 1 comprises at least one column block 10; A housing 22 having a thermal block contact region 21 in contact with the at least one thermal block 10, a reaction chamber 23 formed in the housing 22, and a region inside the reaction chamber 23.
  • the PCR device refers to a device used for PCR (Polymerase Chain Reaction) for amplifying a nucleic acid having a specific nucleotide sequence.
  • PCR Polymerase Chain Reaction
  • a PCR device may prepare a solution containing a PCR sample and a reagent comprising double stranded DNA as a template nucleic acid at a specific temperature, for example about 95 ° C.
  • the real-time PCR device 1 refers to a device including modules for performing the above steps, detailed modules not described herein are disclosed in the prior art for performing PCR On the premise that all are provided in the obvious range.
  • the thermal block 10 is a module that maintains a temperature for performing a denaturation step, an annealing step and an extension (or amplification) step to amplify the nucleic acid. Accordingly, the thermal block 10 may include or be operably connected with various modules for providing the PCR vessel 20 with the temperatures required for the respective steps.
  • the heat block 10 may be a heating wire (not shown) disposed therein, the heating wire is a variety of heat sources to maintain a temperature for performing the denaturation step, annealing step and extension (or amplification) step It may be connected to and driven in conjunction with various temperature sensors for monitoring the temperature of the hot wire.
  • the heating wires may be symmetrically disposed in the vertical direction and / or the left and right directions with respect to the center point of the surface in order to keep the internal temperature of the heat block 10 as a whole.
  • the thermal block 10 may have a thin film heater (not shown) disposed therein.
  • the thin film heaters may be spaced apart at regular intervals in the vertical direction and / or the left and right directions with respect to the center point of the surface in order to keep the internal temperature of the thermal block 10 as a whole.
  • the heat block 10 may be implemented in a plate shape for uniform heat distribution and rapid heat transfer of the same area in the PCR vessel 20, and may be implemented in a metal material, for example, aluminum, but is not limited thereto. It is not.
  • the thermal block 10 maintains an appropriate temperature for performing the denaturation step or the annealing and extension (or amplification) step.
  • the thermal block 10 may maintain 50 ° C. to 100 ° C., preferably 90 ° C. to 100 ° C., more preferably 95 ° C. to perform the denaturation step, and the annealing and extension (or 55 ° C. to 75 ° C., preferably 72 ° C., may be maintained to effect the amplification) step.
  • the column block 10 may be implemented in two or more, the real-time PCR device according to a second embodiment of the present invention to be described later is implemented in two of the column block 10.
  • the PCR vessel 20 includes a housing 22 having a thermal block contact region 21 in contact with the thermal block 10, a reaction chamber 23 formed inside the housing 22, and the reaction chamber ( 23) a fixed layer 25 disposed in a region inside the surface of the capture probe 24, which is capable of complementarily binding to a region of the amplifying target nucleic acid 2, and the reaction chamber 23.
  • An electrode 26 disposed in the other region and configured to detect an electrochemical signal, and connected to the metal nanoparticle 27 and the metal nanoparticle 27 in the reaction chamber 23, wherein the amplification target nucleic acid And a complex 29 having a signal probe 28 capable of complementarily binding to another region of.
  • the housing 22 is a main body of the PCR vessel 20, and may be made of various materials, for example, plastic, metal, glass, silicon, and the like.
  • the housing 22, although not shown in Figure 1, having a separate inlet or outlet for introducing a PCR sample and reagents, or discharge the PCR final product or waste, or at the same time serves as an inlet and outlet It may be provided with a single opening to be carried out.
  • the thermal block contact area 21 refers to an area that is in thermal contact with the one or more thermal blocks 10 to receive heat from the thermal block 10 to transfer heat into the reaction chamber 23. .
  • the thermal block contact area 21 may be implemented in various shapes and structures according to the shape and structure of the housing 22 or the thermal block 10.
  • the reaction chamber 23 is a space in which PCR is performed by a PCR sample and a reagent, and is formed in the housing 22.
  • the reaction chamber 23 may be implemented in various shapes and structures, such as a hollow cylinder shape, a bar shape, and a square column shape.
  • FIG. 2 is a detailed view of the reaction chamber 23 and the complex 29 accommodated in the real-time PCR device 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • the reaction chamber 23 is disposed in one region therein, and the fixed layer 25 having the capture probe 24 surface-combined with the capture probe 24 capable of complementarily binding to one region of the amplification target nucleic acid 2, and the interior thereof.
  • an electrode 26 disposed in another region of the electrode and configured to detect an electrochemical signal, wherein the fixed layer 25 and the electrode 26 may be disposed at various positions within the reaction chamber 23. However, it is preferable to be disposed to face each other as shown in FIG.
  • the reaction chamber 23 is connected to the metal nanoparticles 27 and the metal nanoparticles 27 therein, the signal probe 28 that can be complementarily bonded to another region of the amplification target nucleic acid (28) Housed with a composite 29 having a.
  • the complex 29 may be previously accommodated in a real-time PCR device according to the first embodiment of the present invention before introduction of a PCR sample including a template nucleic acid and the like, and may be included in a PCR reagent including a primer, a polymerase, and the like. It may be introduced together into the reaction chamber 23 in a state.
  • the pinned layer 25 may be formed of various materials, for example, silicon, plastic, glass, and metal, such that the capture probe 24 may be deposited and exposed on one surface thereof.
  • the surface of the fixed layer 25 may be first surface-treated with a material such as amine NH 3 + , aldehyde COH, carboxyl group COOH, or the like before the capture probe 24 is deposited.
  • the capture probe 24 is implemented to complementarily bind to a portion (region) of the amplification target nucleic acid, and combines with the metal nanoparticles 27 to form a complex 29.
  • the metal nanoparticles 27 may vary, but zinc (Zn), cadmium (Cd), lead (Pb), copper (Cu), gallium (Ga), indium (In), gold (Au), and silver One or more from the group consisting of (Ag).
  • the signal probe 28 is implemented to bind to a region of the amplification target nucleic acid complementarily, in this case, in the amplification target nucleic acid, the complementary binding region of the signal probe 28 is the capture probe ( Different from the complementary binding region of 24).
  • the capture probe 24 and signal probe 28 may bind complementarily to the amplification target nucleic acid (see FIG. 3).
  • the left figure shows a case in which the amplification target nucleic acid is not present before the PCR
  • the right figure shows a case in which the amplification target nucleic acid is present after the PCR is performed.
  • the target nucleic acid is amplified inside the amplification target nucleic acid (2) is complementary to the capture probe 24 surface-treated in the fixed layer 25, as shown in the right figure, and to the metal nanoparticle (27) Complementarily binds to the connected signal probe 28 to concentrate the metal nanoparticles 27 in a region proximate the pinned layer 25.
  • the metal nanoparticles 27 do not reach the electrode 26 and cause a current change (decrease) between the metal nanoparticles 27 and the electrode 26 to amplify the target nucleic acid 2. Resulting in a detectable electrochemical signal. Meanwhile, the amplification target nucleic acid 2, the capture probe 24, and the signal probe 28 may be single stranded DNA.
  • the electrode 26 is disposed in at least one region of the reaction chamber 23, and is implemented to detect an electrochemical signal generated inside the reaction chamber 23.
  • the electrode 26 may be made of various materials to perform the above functions, but for example, gold (Au), cobalt (Co), platinum (Pt), silver (Ag), carbon nanotubes (carbon nanotubes) ), Graphene, and carbon may be selected from one or more selected from the group consisting of.
  • the electrode 26 may be implemented in various shapes and structures to efficiently detect electrochemical signals generated in the reaction chamber 23. For example, as shown in FIG. It may be implemented in a plate shape of a metal material disposed along the inner surface.
  • the electrochemical signal measuring module 30 is electrically connected to the electrode 26 of the PCR vessel 20 to measure in real time the electrochemical signal generated in the reaction chamber 23 of the PCR vessel 20. It is implemented to be.
  • the electrochemical signal measuring module 800 may vary, but an anode stripping voltammetry (ASV), a chronoamperometry (CA), a cyclic voltammetry, a square wave voltmeter (square) wave voltammetry (SWV), differential pulse voltammetry (DPV), and impedance.
  • the electrochemical signal may be due to a change in current that occurs as the amplification target nucleic acid complementarily binds with the capture probe 24 and the signal probe 28.
  • Figure 4 shows the electrochemical signal generation process of the real-time PCR device according to a first embodiment of the present invention.
  • the step S1 is a complex including a capture probe 24, a signal probe 28, and metal nanoparticles 27, which are surface-treated on a fixed layer 25, a gold matrix, before PCR is started.
  • the step S2 is the current change (signal, signal) generated by the reduction or oxidation between the electrode (26, GC electrode) and the metal nanoparticles (27, yellow particles)
  • the amplification target nucleic acid (2, H1N1 DNA) is captured by the capture probe 24 and the signaling probe 28 of the complex 29 (signaling probe-AuNP). In combination with and causes a decrease in current change (signal reduction).
  • the metal nanoparticles 27 (AuNP) of the complex 29 are proximal surfaces of the electrodes 26 (GC electrodes). Is accumulated while accumulating to form an accumulation layer (Accumulation of AuNP), followed by applying a voltage to the electrode (26, GC electrode) to oxidize the reducing metal nanoparticles (27, AuNP) as a current change, that is, a signal Is generated, and the current change can be easily measured by the voltage value indicated by the oxidation current peak (S2).
  • the current change value that is, the electrochemical signal, represents the maximum value in the reaction chamber 23.
  • the target nucleic acid (2, H1N1 DNA) is amplified from the template nucleic acid, and the amplified target nucleic acid (2, H1N1 DNA) is captured by the capture probe (24) and the complex (29, signaling probe).
  • FIG. 5 shows a real-time PCR device according to a second embodiment of the present invention.
  • the real-time PCR device 1 may include a first column block 100 and a second column block 200 spaced apart from each other on a substrate 400; At least one reaction channel having inlets and outlets at both ends, a fixed layer disposed on one region of the reaction channel, and having a capture probe surface-treated with a capture probe capable of complementarily binding to one region of the amplifying target nucleic acid, and An electrode disposed in another region inside the reaction channel and configured to detect an electrochemical signal, the electrode being coupled to the metal nanoparticle and the metal nanoparticle, and complementarily binding to the other region of the amplification target nucleic acid.
  • a plate-shaped PCR chip 900 comprising a complex with a signal probe present;
  • a chip holder 300 mounted with the PCR chip 900 and having a connection port 310 configured to be electrically connected to an end of the electrode 950 of the PCR chip 900;
  • the PCR chip 900 may be in thermal contact with the first row block 100 or the second row block 200 by moving the chip holder 300 on which the PCR chip 900 is mounted vertically or horizontally.
  • Drive means 500, 510, 520 implemented such that;
  • an electrochemical signal measuring module electrically connected to the connection port 310 of the chip holder 300 to measure in real time an electrochemical signal generated in the reaction channel 921 of the PCR chip 900. 800).
  • the real-time PCR apparatus 1 may include a first column block 100 disposed on the substrate 400 and spaced apart from the first column block 100 on the substrate 400.
  • the second column block 200 is included.
  • the substrate 400 does not change its physical or chemical properties due to heating of the first thermal block 100 and the second thermal block 200, and the first thermal block 100 and the second thermal block 200 do not change. It may be implemented as a material having a material so that heat exchange does not occur between).
  • the first row block 100 and the second row block 200 may maintain a temperature for performing a denaturation step, annealing step and extension (or amplification) step for amplifying the nucleic acid.
  • the first thermal block 100 and the second thermal block 200 may include or be operably connected with various modules for providing and maintaining the temperature required for the respective steps. Therefore, when the PCR chip 900 mounted on the chip holder 300 contacts one surface of each of the row blocks 100 and 200, the first row block 100 and the second row block 200 may be moved. The contact surface with the PCR chip 900 can be heated as a whole, so that the solution contained in the PCR chip 900 can be uniformly heated or maintained at temperature.
  • the real time PCR apparatus employing a conventional single row block has a rate of temperature change in a single row block within a range of 3 to 7 ° C.
  • the rate of temperature change in each of the thermal blocks 100 and 200 is within a range of 20 to 40 ° C. per second, which can significantly shorten the PCR execution time.
  • hot wires may be disposed in the first row block 100 and the second row block 200.
  • the hot wire can be operably connected with various heat sources to maintain a temperature for performing the denaturing, annealing and extending (or amplifying) steps, and can be operably connected with various temperature sensors for monitoring the temperature of the hot wire. Can be.
  • the heating wires may be moved up and down and / or left and right with respect to the center point of the surface of each of the heat blocks 100 and 200 in order to maintain a constant internal temperature of the first and second heat blocks 100 and 200. It may be arranged to be symmetrical.
  • a thin film heater (not shown) may be disposed in the first thermal block 100 and the second thermal block 200. The thin-film heater is vertically and / or horizontally based on a center point of each of the heat block 100 and 200 in order to maintain a constant internal temperature of the first and second heat blocks 100 and 200. May be spaced apart at regular intervals.
  • the first thermal block 100 and the second thermal block 200 are embodied in a plate shape for even heat distribution and rapid heat transfer of the same area to the PCR chip 900, and a metal material, for example, aluminum material It may comprise or be made of aluminum.
  • the first thermal block 100 may be implemented to maintain an appropriate temperature for performing the denaturation step, or the annealing and extension (or amplification) steps.
  • the first column block 100 of the real time PCR apparatus 1 may maintain 50 ° C.
  • the second thermal block 200 may be implemented to maintain an appropriate temperature for performing the denaturation step, or the annealing and extension (or amplification) steps.
  • the second row block 200 of the real time PCR apparatus 1 may maintain 90 ° C.
  • the annealing and extension (or amplification) step is performed in the second thermal block, 55 ° C. to 75 ° C. may be maintained, and preferably 72 ° C. may be maintained.
  • the specific temperature and range are not limited as long as the denaturation step or the temperature at which the annealing and extension (or amplification) steps can be performed.
  • the first heat block 100 can maintain the denaturing temperature of the PCR (denaturing temperature), the denaturation of the template nucleic acid occurs when the denaturation step temperature is lower than 90 °C The yield may not be reduced or the reaction may occur, and when the denaturation step temperature is higher than 100 ° C., the activity of the enzyme used in PCR is reduced or disappeared, so that the denaturation step temperature may be 90 ° C. to 100 ° C., preferably 95 May be ° C.
  • the second row block 200 may maintain the annealing / extension temperature of the annealing and extension (or amplification) of the PCR reaction.
  • extension (or amplification) step temperature is lower than 55 ° C, the specificity of the PCR reaction product may be lowered, and if the annealing and extension (or amplification) step temperature is higher than 74 ° C, extension by primers may not occur. Since the PCR efficiency is lowered, the annealing and extension (or amplification) step temperature may be 55 ° C to 75 ° C, preferably 72 ° C.
  • the first thermal block 100 and the second thermal block 200 are spaced apart at a predetermined distance such that mutual heat exchange does not occur.
  • the heat exchange does not occur between the first heat block 100 and the second heat block 200, in the nucleic acid amplification reaction that can be significantly affected by minute temperature changes, the denaturation step and the Accurate temperature control of the annealing and extension (or amplification) steps is possible.
  • the driving means 500 moves the chip holder 300 on which the PCR chip 900 is mounted up, down, left, or right so that the PCR chip 900 has the first row block 100 or the second row block ( Each of which is in thermal contact.
  • the chip holder 300 on which the PCR chip 900 is mounted is capable of reciprocating left and right between the first row block 100 and the second row block 200,
  • the driving means 500 the chip holder 300 on which the PCR chip 900 is mounted may be contacted or separated up and down with the first row block 100 and the second row block 200. According to FIG.
  • the driving means 500 is disposed to be slidably movable in the left and right directions through the rail 510 extending in the left and right directions, and the rail 510, and the connecting member 520 that is slidably movable in the vertical direction.
  • the chip holder 300 is connected to one end of the connection member 520.
  • the left and right and / or vertical movement of the driving means 500 may be controlled by control means (not shown) which is operably disposed inside or outside the real-time PCR apparatus 1.
  • the real-time PCR device 1 includes a plate-shaped PCR chip 900 and a chip holder 300 for accommodating PCR samples and reagents, the PCR chip 900 is implemented to be detachable to the chip holder 300 Details of the PCR chip 900 and the chip holder 300 will be described later.
  • FIG. 6 shows the driving principle of the real-time PCR device 1 according to the second embodiment of the present invention.
  • the nucleic acid amplification reaction using the real-time PCR device 1 is implemented as follows. First, for example, a template nucleic acid (eg, double-stranded DNA), an oligonucleotide primer having a sequence complementary to a specific nucleotide sequence to be amplified, a DNA polymerase, and a triphosphate deoxyribo After introducing a PCR sample including a nucleotide (deoxyribonucleotide triphosphates (dNTP), PCR buffer) and a solution containing a reagent, the PCR chip 900 is mounted on the chip holder 300.
  • a template nucleic acid eg, double-stranded DNA
  • an oligonucleotide primer having a sequence complementary to a specific nucleotide sequence to be amplified
  • a DNA polymerase e.g., a DNA polymerase, and a triphosphate deoxyribo
  • dNTP deoxyribonucle
  • the first heat block 100 is heated and maintained at a denaturation step temperature, for example 90 ° C. to 100 ° C., preferably 95 ° C.
  • the second heat block 200 is heated and maintained at a temperature for an annealing and extension (or amplification) step, for example 55 ° C. to 75 ° C., preferably 72 ° C.
  • the PCR chip 900 is moved downward by controlling the connection member 520 of the driving means 500 to move the PCR chip 900 mounted on the chip holder 300 to the first row block ( 100) to perform the PCR first denaturation step (step x).
  • the PCR chip 900 is moved upward by controlling the connecting member 520 of the driving means 500 to move the PCR chip 900 mounted on the chip holder 300 to the first row block 100. End the PCR first denaturation step and control the rail 510 and the connection member 520 of the driving means 500 to move the PCR chip 900 above the second row block 200. (Step y). Thereafter, the PCR chip 900 is moved downward by controlling the connection member 520 of the driving means 500 to move the PCR chip 900 mounted on the chip holder 300 to the second row block ( 100) to perform PCR first annealing and extension (or amplification) steps (step z).
  • the PCR chip 900 is moved upward by controlling the connecting member 520 of the driving means 500 to move the PCR chip 900 mounted on the chip holder 300 to the second row block 100. End the first annealing and extension (or amplification) step of the PCR, and control the rail 510 and the connecting member 520 of the driving means 500 to control the PCR chip 900 in a first row. After moving up block 200, the steps x, y, and z are repeated to perform nucleic acid amplification reactions at predetermined cycles (circulation step).
  • FIG. 7 to 10 are detailed views of the PCR chip 900 according to the second embodiment of the present invention.
  • the PCR chip 900 has a plate shape and is formed of one or more reaction channels 921 having inlets 931 and outlets 932 formed at both ends thereof, and in one region inside the reaction channel 921.
  • a capture probe disposed on the fixed layer 940 that is surface treated and capable of complementarily binding to one region of the amplification target nucleic acid, and the other region within the reaction channel 921, to detect an electrochemical signal.
  • a complex having a metal nanoparticle and a signal probe connected to the metal nanoparticle and complementarily binding to another region of the amplification target nucleic acid.
  • the reaction channel 921 should be understood as a kind of reaction chamber 23 according to the first embodiment of the present invention.
  • the reaction channel 921 is disposed in one region of the reaction channel 921 and is one region of the amplification target nucleic acid.
  • Composite having a will be as described in the first embodiment of the present invention described above.
  • the PCR chip 900 is a nucleic acid, for example, a template nucleic acid double stranded DNA as a PCR sample, an oligonucleotide primer having a sequence complementary to a specific nucleotide sequence to be amplified as a PCR reagent, DNA polymerase, and triphosphate deoxyribonucleotide (deoxyribonucleotide triphosphates (dNTP), a solution containing a PCR reaction buffer can be accommodated.
  • dNTP triphosphate deoxyribonucleotide triphosphates
  • the PCR chip 900 includes an inlet 931 for introducing the sample and a reagent, an outlet 932 for discharging the solution having completed the nucleic acid amplification reaction, and a nucleic acid amplification reaction of the sample and the reagent.
  • Channel 921 is provided.
  • the PCR chip 900 is implemented in a plate shape as a whole to increase the thermal conductivity and to have two or more reaction channels 921.
  • the external structure of the PCR chip 900 is implemented to be fixedly mounted in the inner space of the chip holder 300 so as not to be separated from the chip holder 300.
  • the PCR chip 900 may be implemented as a plastic material of a transparent or opaque material, the thickness of the plastic material is easy to adjust the thickness can increase the heat transfer efficiency only by adjusting the thickness, manufacturing process is simple chip manufacturing You can save money.
  • the electrode 950 is disposed in at least one region of the reaction channel 921 and is implemented to detect an electrochemical signal generated inside the reaction channel 921.
  • the electrode 950 may be formed of various materials to perform the above functions, but for example, gold (Au), cobalt (Co), platinum (Pt), silver (Ag), carbon nanotubes (carbon nanotubes) ), Graphene, and carbon may be selected from one or more selected from the group consisting of.
  • the electrode 950 may be implemented in various shapes or structures to perform the above function, but is disposed at the bottom of the center region of the reaction channel 921 as shown in FIG.
  • working electrode 950a oxygen or reduction reaction
  • a reference electrode oxygen or reduction
  • It may be implemented as a three-electrode module (left side of FIG. 8) having an electrode 950c.
  • the structure of the electrode 950 is implemented in the multi-electrode module method as illustrated in FIG. 8, not only the sensitivity of the electrochemical signal generated in the reaction channel 921 may be increased, but the detection of the generated signal may be performed. And measurement can be easily performed.
  • the PCR chip 900 may be divided into three layers based on the vertical cross-sectional view.
  • the PCR chip 900 includes: a first plate 910 provided with the electrode 950; A second plate 920 disposed on the first plate 910 and provided with the one or more reaction channels 921; And a third plate 930 disposed on the second plate 920 and having an inlet 931 and an outlet 932 and a fixing layer 940 on which the capture probe is surface treated. Can be.
  • the upper surface of the first plate 910 with the electrode 950 is adhesively disposed on the lower surface of the second plate 920.
  • the first plate 910 is adhered to the second plate 920 having the reaction channel 921 to secure a space with respect to the reaction channel 921, and further, at least the reaction channel 921.
  • the electrode 950 is disposed in one region (surface).
  • the first plate 910 may be implemented in a variety of materials, preferably polydimethylsiloxane (PDMS), cycloolefin copolymer (cycle olefin copolymer, COC), polymethyl methacrylate (polymethylmetharcylate) , PMMA), polycarbonate (PC), polypropylene carbonate (PPC), polyether sulfone (PES), and polyethylene terephthalate (PET), and combinations thereof It may be a material selected from.
  • a hydrophilic material (not shown) may be processed on the upper surface of the first plate 910 to smoothly perform PCR.
  • hydrophilic material By treating the hydrophilic material, a single layer including a hydrophilic material may be formed on the first plate 910.
  • the hydrophilic material may be a variety of materials, but preferably may be selected from the group consisting of carboxyl group (-COOH), amine group (-NH2), hydroxy group (-OH), and sulfone group (-SH), Treatment of the hydrophilic material can be carried out according to methods known in the art.
  • the second plate 920 having the one or more reaction channels 921 is disposed in contact with the lower surface of the third plate 930.
  • the second plate 920 includes the reaction channel 921.
  • the reaction channel 921 is connected to a portion corresponding to the inlet portion 931 and the outlet portion 932 formed on the third plate 910 so that the inlet portion 931 and the outlet portion 932 are implemented at both ends.
  • the reaction channel 921 may be present in two or more depending on the purpose and range of use of the PCR device 1 according to an embodiment of the present invention, according to Figure 3, two reaction channels 921 are illustrated have.
  • the second plate 920 may be formed of various materials, but preferably, polymethylmethacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), cycloolefin copolymer (cycloolefin copolymer, COC) , Polyamide (PA), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyphenylene ether (PPE), polystyrene (PS), polyoxymethylene (POM) Polyetheretherketone (PEEK), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylchloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVDF), polybutylene terephthalate (polybutylene terephthalate) , PBT), fluorinated ethylenepropylene (FEP), perfluoroalkoxyalkane (PFA), and combinations thereof It is chosen or a thermoplastic resin may be a thermosetting resin material.
  • the thickness of the second plate 920 may vary, but may be selected from 100 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • the width and length of the reaction channel 921 may vary, but preferably the width of the reaction channel 921 is selected from 0.5 mm to 3 mm, the length of the reaction channel 921 is 20 mm To 40 mm.
  • the inner wall of the second plate 920 may be coated with a material such as silane-based and Bovine Serum Albumin (BSA) to prevent DNA and protein adsorption.
  • BSA Bovine Serum Albumin
  • the lower surface of the third plate 930 having the inlet portion 931 and the outlet portion 932 and the fixed layer 940 on which the capture probe is surface treated is provided on the upper surface of the second plate 920. Is placed.
  • the third plate 930 includes an inlet portion 931 formed in one region on the reaction channel 921 formed in the second plate 920 and an outlet portion 932 formed in the other region.
  • the inlet portion 931 is a portion into which the PCR sample and the reagent are introduced.
  • the outlet 932 is a portion where the PCR product flows out after the PCR is completed. Accordingly, the third plate 930 covers the reaction channel 921 formed in the second plate 920, but the inlet part 931 and the outlet part 932 are the inlet part of the reaction channel 921 and the same.
  • the pinned layer 940 is formed in one region of the reaction channel 921.
  • the fixed layer 940 may be disposed to face the electrodes 950 of the first plate 910.
  • the third plate 930 may be made of various materials, but preferably, polydimethylsiloxane (PDMS), cycloolefin copolymer (CCO), polymethylmethacrylate (polymethylmetharcylate) , PMMA), polycarbonate (PC), polypropylene carbonate (PPC), polyether sulfone (PES), and polyethylene terephthalate (PET), and combinations thereof It may be a material selected from.
  • the inlet portion 931 may have various sizes, but preferably may be selected from a diameter of 1.0 mm to 3.0 mm.
  • the outlet portion 932 may have various sizes, but preferably may be selected from a diameter of 1.0 mm to 1.5 mm.
  • the inlet part 931 and the outlet part 932 are provided with separate cover means (not shown), so that the solution leaks when the PCR sample and the reagent in the reaction channel 921 proceed with the PCR. Can be prevented.
  • the cover means may be implemented in various shapes, sizes or materials.
  • the thickness of the third plate may vary, but preferably may be selected from 0.1 mm to 2.0 mm.
  • the inlet part 931 and the outlet part 932 may exist at least two.
  • the PCR chip 900 to form an inlet (931) and outlet 932 through mechanical processing to provide a third plate (930);
  • the plate having a size corresponding to the bottom surface of the third plate 930 from the portion corresponding to the inlet portion 931 of the third plate 930 to the outlet portion 932 of the third plate 930.
  • the inlet 931 and outlet 932 of the third plate 930 and the reaction channel 921 of the second plate 920 are injection molded, hot-embossing and casting. ), And laser ablation.
  • the hydrophilic material 922 on the surface of the first plate 910 may be treated by a method selected from the group consisting of oxygen and argon plasma treatment, corona discharge treatment, and surfactant application and are known in the art. Can be performed according to.
  • the lower surface of the third plate 930 and the upper surface of the second plate 920, the lower surface of the second plate 920 and the upper surface of the first plate 910 may be thermally bonded, It can be adhered by ultrasonic fusion, solvent bonding processes and can be carried out according to methods known in the art.
  • a double-sided adhesive, a thermoplastic resin, or a thermosetting resin 500 may be processed between the third plate 930 and the second plate 920 and between the second plate 920 and the third plate 910.
  • FIG. 11 shows a chip holder according to a second embodiment of the present invention.
  • the chip holder 300 includes a connection port 310 on which the PCR chip 900 is mounted but is electrically connected to an end of the electrode 950 of the PCR chip 900.
  • the chip holder 300 is a portion in which the PCR chip 900 is mounted to the PCR device 1.
  • the inner wall of the chip holder 300 may have a shape and structure for fixed mounting with the outer wall of the PCR chip 900 so that the PCR chip 900 having a plate shape does not leave the chip holder 300. That is, when the PCR chip 900 is mounted on the chip holder 300, the end of the electrode 950 of the PCR chip 900 is electrically connected to the connection port 310 of the chip holder 300.
  • the electrochemical signal generated due to the binding of the amplification target nucleic acid to the capture probe and the signal probe in the reaction channel 921 of the PCR chip 900 is transferred to the electrochemical signal measurement module 800.
  • the PCR chip 900 is removable from the chip holder 300.
  • the chip holder 300 is connected to the driving means 500, specifically, the end of the connecting member 520 may be moved up and down or left and right inside the real-time PCR device (1).
  • FIG. 12 is a layout view of an electrochemical signal measurement module of a real-time PCR device according to a second embodiment of the present invention.
  • the real-time PCR device 1 is electrically connected to the connection port 310 of the chip holder 300, so that the reaction channel 921 of the PCR chip 900 is provided.
  • An electrochemical signal measuring module 800 is implemented to measure the electrochemical signal generated therein in real time.
  • the electrochemical signal measuring module 800 may be electrically connected to the connection port 310 of the chip holder 300 through an electrical connection means 700, for example, a lead wire. Therefore, an electrochemical signal generated in the reaction channel 921 of the PCR chip 900 is detected through the electrode 950 of the PCR chip 900, and the detected signal is detected by the chip holder 300.
  • the electrochemical signal measuring module 800 may vary, but an anode stripping voltammetry (ASV), a chronoamperometry (CA), a cyclic voltammetry, a square wave voltmeter (square) wave voltammetry (SWV), differential pulse voltammetry (DPV), and impedance.
  • ASV anode stripping voltammetry
  • CA chronoamperometry
  • SWV square wave voltmeter
  • DPV differential pulse voltammetry
  • FIG. 13 illustrates a step-by-step method for performing real-time PCR using a real-time PCR device according to a second embodiment of the present invention.
  • the real-time PCR method includes providing the real-time PCR device 1 described above; Injecting a PCR sample containing a template nucleic acid and a PCR reagent containing the active material into the reaction channel 921 of the PCR chip 900; Mounting a PCR chip (900) into which the PCR sample and the PCR reagent are injected to the chip holder (300) such that an electrode (950) end of the PCR chip (900) is electrically connected to the connection port (310); The first row block for operating the driving means 500 to maintain the denaturation step temperature of the PCR and the annealing and extension (or amplification) step temperature of the PCR, respectively, mounted on the chip holder 300.
  • the real time PCR device providing step S1 is a step of preparing the real time PCR device 1 according to the second embodiment of the present invention. Therefore, the following real-time PCR method is based on the operation of the real-time PCR device 1 according to the second embodiment of the present invention. In this case, a metal-probe including metal nanoparticles and a signal probe may already be accommodated in the reaction chamber 921 of the real-time PCR device 1.
  • Sample and reagent injection step (S2) is a step of injecting the PCR sample and reagent to the PCR chip 900.
  • the metal-probe is not accommodated in the reaction chamber 921 of the real-time PCR device 1 in the step S1, the metal-probe including the metal nanoparticles and the signal probe in this step.
  • the metal-probe including the metal nanoparticles and the signal probe in this step can be accommodated in the reaction chamber 921 of the real-time PCR device (1).
  • the PCR chip mounting step S3 is a step of mounting the PCR chip 900 containing the PCR sample and the reagent to the chip holder 300 of the real-time PCR device 1.
  • the electrode 950 of the PCR chip 900 should be electrically connected to the connection port 310 of the chip holder 300 to detect the electrochemical signal.
  • the first heat block 100 and the second heat block 200 are heated and maintained, and the driving means 500 is operated to perform PCR in the reaction channel 921 of the PCR chip 900.
  • the target nucleic acid region is amplified based on the template nucleic acid in the reaction channel 921, and the binding between the amplifying target nucleic acid, the capture probe, and the signal probe increases according to the continuous amplification of the target nucleic acid region. An electrochemical signal is generated.
  • Electrochemical signal detection and measurement step (S5) is the electrochemical signal (current value change) generated by the continuous amplification of the nucleic acid in the step S4 the electrode 950 of the PCR chip 900, the chip holder 300 Detecting and measuring through the connection port 310 of the, the electrical connection means 700, and the electrochemical signal measuring module 800.
  • the time point for detecting and measuring the electrochemical signal may vary, but the PCR chip 900 mounted on the chip holder 300 maintains the temperature of the extension (or amplification) step of the PCR according to the time when the nucleic acid is amplified. The point of time in thermal contact with the heat block (first heat block or second heat block) or immediately after the heat contact is preferred.
  • the point of time immediately after the thermal contact refers to the driving means 500 after the PCR chip 900 mounted on the chip holder 300 is in thermal contact with a thermal block that maintains the temperature of the PCR (or amplification) step.
  • the PCR chip 900 includes three reaction channels 921 and electrodes 950 connected to ends thereof in a plastic plate shape.
  • the electrode 950 was fabricated using carbon nanotubes and silver (Ag), and the electrochemical signal measuring module 800 adopted an anode stripping voltammetry (ASV). Gold (Au) was used as the metal nanomaterial.
  • the detection conditions of the electrochemical signal of the anode peeling voltammeter were assumed as follows.
  • a PCR sample 0.1 ng / ⁇ l of double-stranded template DNA of H1N1 virus is prepared, and a pair of primers that can complementarily bind to the template DNA as a PCR reagent, specifically, a forward primer, 0.125 ⁇ l, 1 pmole), reverse primer (0.125 ⁇ l, 1 pmole), 0.2 mL of dNTP, 0.2 mL of polymerase (i-starmax II polymerase, iNtRON Biotechnology), PCR buffer (pH 9, 10 mM Tris-HCl, 50 After preparing mM KCl, 1.5 mM MgCl 2 , 30 mM salt), the PCR sample and reagent solution were introduced into the PCR chip 900, and the PCR chip 900 was mounted on the chip holder 300.
  • a forward primer 0.125 ⁇ l, 1 pmole
  • reverse primer 0.125 ⁇ l, 1 pmole
  • 0.2 mL of dNTP 0.2 m
  • the PCR device 1 was operated to perform 40 cycles of PCR (Pre-denaturation, 95 ° C., 30 sec, once; Denaturation 95 ° C., 4 sec, 40 times; Annealing & Extension 72 ° C.). , 30 sec, 40 times). As the PCR device 1 was driven, nucleic acid amplification was measured by anodizing stripping voltammetry (ASV) at every cycle.
  • ASV anodizing stripping voltammetry
  • FIG. 14 to 16 are graphs showing the results of the real-time PCR method
  • FIGS. 17 to 18 are electrophoretic photographs showing the results of the real-time PCR method.
  • FIG. 14 is an actual graph illustrating changes in ASV peak signals due to gold (Au) nanoparticles according to a PCR cycle
  • FIGS. 15 to 16 are processed graphs quantified in FIG.

Abstract

An embodiment of the present invention relates to a real-time polymerase chain reaction (PCR) apparatus and method. According to the apparatus and method, through a PCR chip having a dual block and plate shape, not only can a plurality of samples be analyzed at the same time at an ultrahigh speed, but a simple module capable of easily detecting sequential electrochemical signals generated during a nucleic acid amplification process can be embodied, thereby allowing microminiaturization and portability of products.

Description

금속 나노입자를 이용하여 전기화학적 신호를 검출하는 실시간 PCR 장치Real-time PCR device for detecting electrochemical signals using metal nanoparticles
본 발명의 일 실시예는 실시간 PCR 장치 및 이를 이용한 실시간 PCR 방법에 관한 것이다.One embodiment of the present invention relates to a real-time PCR device and a real-time PCR method using the same.
중합효소 연쇄 반응, 즉 PCR(Polymerase Chain Reaction)은 주형 핵산의 특정 표적 핵산 부위를 반복적으로 가열 또는 냉각하여 상기 특정 표적 핵산 부위를 연쇄적으로 복제하여 그 특정 표적 핵산 부위를 갖는 핵산을 기하급수적으로 증폭하는 기술로써, 생명과학, 유전공학 및 의료 분야 등에서 분석 및 진단 목적으로 널리 사용되고 있다. 최근 PCR을 수행하기 위한 다양한 PCR 장치가 개발되고 있다. 종래 PCR 장치의 일 예는 하나의 반응 챔버에 주형 핵산을 포함하는 샘플 용액을 포함하는 용기를 장착하고, 상기 용기를 반복적으로 가열 및 냉각하여 PCR 반응을 수행한다. 그러나, 상기 PCR 장치는 하나의 반응 챔버를 구비하기 때문에 전체적인 구조가 복잡하진 않지만, 정확한 온도 제어를 위해 복잡한 회로를 구비해야 하고, 하나의 반응 챔버에 대한 반복적인 가열 또는 냉각으로 인해 전체 PCR 수행 시간이 길어지는 문제점이 있다. 또한 상기 PCR 장치는 PCR 최종 산물의 확인을 위해 별도의 검출 장치를 사용해야 하기 때문에 작업 시간이 지연되고 PCR 최종 산물의 오염에 항시 노출되어 있다. 또한, 종래 PCR 장치의 다른 예는 PCR 진행 온도를 갖는 복수 개의 반응 챔버를 장착하고, 이들 반응 챔버를 통과하는 하나의 채널을 통해 핵산을 포함하는 샘플 용액을 흐르게 하여 PCR을 수행한다. 그러나, 상기 PCR 장치는 복수 개의 반응 챔버를 이용하기 때문에 정확한 온도 제어를 위한 복잡한 회로구조가 요구되진 않지만, 고온 및 저온의 반응 챔버를 통과하기 위한 긴 유로가 필요하므로 구조가 복잡하고, 상기 반응 챔버를 통과하는 채널에 흐르는 핵산을 포함하는 샘플 용액의 유속을 제어하기 위한 별도의 제어 장치가 요구된다. 한편, 최근 PCR 장치는 PCR 최종 산물의 수율을 높이기 위한 노력뿐만 아니라 PCR 과정을 실시간으로 파악하기 위한 방법도 개발하고 있다. 이와 같이 PCR 진행 과정을 실시간으로 파악하는 기술을 소위 "실시간 PCR(real-time PCR)"이라고 하는데, 실시간 PCR 장치는 PCR 챔버에 형광 물질을 투입하여 증폭 산물과의 결합으로 발생하는 광신호를 측정하는 기술이 적용된다. 그러나, 이 경우 상기 실시간 PCR 장치는 형광물질로부터 광신호를 활성화하기 위한 별도의 광원 모듈, 증폭 핵산으로부터 획득된 광신호를 검출하기 위한 광검출 모듈, 및 기타 광 경로를 조절하기 위한 반사경 등 복잡한 구조를 반드시 채용해야 하는 바, 기기의 소형화가 어렵고, 휴대용 장치를 개발하는데 많은 어려움이 있다.Polymerase chain reaction, or PCR (Polymerase Chain Reaction), repeatedly heats or cools a specific target nucleic acid site of a template nucleic acid, thereby serially replicating the specific target nucleic acid site to exponentially copy a nucleic acid having the specific target nucleic acid site. As amplification technology, it is widely used for analysis and diagnostic purposes in the life sciences, genetic engineering and medical fields. Recently, various PCR apparatuses for performing PCR have been developed. One example of a conventional PCR apparatus is equipped with a container containing a sample solution containing a template nucleic acid in one reaction chamber, and repeatedly heating and cooling the container to perform a PCR reaction. However, although the overall structure is not complicated because the PCR apparatus has one reaction chamber, it is necessary to have a complicated circuit for accurate temperature control, and the entire PCR execution time due to repeated heating or cooling of one reaction chamber. There is a problem with this lengthening. In addition, since the PCR device requires the use of a separate detection device to identify the PCR final product, the working time is delayed and is always exposed to contamination of the PCR final product. Further, another example of the conventional PCR apparatus is equipped with a plurality of reaction chambers having a PCR progression temperature, and PCR is performed by flowing a sample solution containing nucleic acid through one channel passing through these reaction chambers. However, since the PCR apparatus uses a plurality of reaction chambers, a complicated circuit structure for accurate temperature control is not required, but a long flow path for passing the high and low temperature reaction chambers is required, and the structure is complicated. There is a need for a separate control device for controlling the flow rate of a sample solution comprising nucleic acid flowing in a channel passing therethrough. On the other hand, the recent PCR device is developing a method for grasping the PCR process in real time as well as efforts to increase the yield of the PCR final product. This technique of real-time PCR process is called "real-time PCR", a real-time PCR device is a fluorescent material in the PCR chamber to measure the optical signal generated by coupling with the amplification product Technology is applied. However, in this case, the real-time PCR apparatus has a complex structure such as a separate light source module for activating an optical signal from a fluorescent material, a light detection module for detecting an optical signal obtained from amplified nucleic acid, and a reflector for adjusting other optical paths. It must be adopted, it is difficult to miniaturize the device, there are a lot of difficulties in developing a portable device.
따라서, 다수의 시료에 대한 PCR 시간을 줄임과 동시에 신뢰할 수 있는 PCR 수율을 얻을 수 있고, 더 나아가 제품의 소형화 및 휴대화가 가능한 실시간 PCR 장치의 필요성이 부각되고 있는 실정이다.Accordingly, there is a need for a real-time PCR device capable of reducing PCR time for a large number of samples and at the same time obtaining a reliable PCR yield, and further miniaturizing and carrying a product.
위와 같은 배경기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명의 일 실시예는 다수의 시료에 대한 PCR 시간 및 수율을 합리적으로 개선하고, 더 나아가 제품의 소형화 및 휴대화가 가능한 실시간 PCR 장치 및 이를 이용한 실시간 PCR 방법을 제안하고자 한다.In order to solve the problems of the background art as described above, an embodiment of the present invention rationally improves the PCR time and yield for a plurality of samples, and furthermore, a real-time PCR device capable of miniaturizing and carrying a product, and a real-time PCR method using the same. I would like to propose.
본 발명의 제1 실시예는 1 이상의 열 블록; 상기 1 이상의 열 블록과 접촉하는 열 블록 접촉 영역을 구비하는 하우징, 상기 하우징 내부에 형성된 반응 챔버, 상기 반응 챔버 내부의 일 영역에 배치되되 증폭 표적 핵산의 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 포획 프로브가 표면 처리된 고정 층, 및 상기 반응 챔버 내부의 다른 일 영역에 배치되되 전기화학적 신호를 검출하도록 구현된 전극을 구비하는 것으로서, 금속 나노입자 및 상기 금속 나노입자에 연결되되 상기 증폭 표적 핵산의 다른 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 신호 프로브를 구비하는 복합체가 수용된, PCR 용기; 및 상기 PCR 용기의 전극과 전기적으로 연결되어 상기 PCR 용기의 반응 챔버 내부에서 발생하는 전기화학적 신호를 실시간으로 측정하도록 구현된 전기화학적 신호 측정 모듈을 포함하는, 실시간 PCR 장치를 제공한다.A first embodiment of the present invention is directed to one or more column blocks; A housing having a thermal block contact region in contact with the at least one thermal block, a reaction chamber formed within the housing, a capture disposed in one region within the reaction chamber and capable of complementarily binding to one region of the amplifying target nucleic acid A probe having a surface-treated fixed layer and an electrode disposed in another region within the reaction chamber and configured to detect an electrochemical signal, the probe being connected to the metal nanoparticle and the metal nanoparticle, A PCR vessel containing a complex having a signal probe capable of complementarily binding to another region; And an electrochemical signal measuring module electrically connected to an electrode of the PCR vessel and configured to measure in real time an electrochemical signal generated in the reaction chamber of the PCR vessel.
본 발명의 제1 실시예에 있어서,In the first embodiment of the present invention,
상기 금속 나노입자는 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 납(Pb), 구리(Cu), 갈륨(Ga), 인듐(In), 금(Au), 및 은(Ag)으로 구성된 군으로부터 1 이상 선택될 수 있다.The metal nanoparticles are selected from the group consisting of zinc (Zn), cadmium (Cd), lead (Pb), copper (Cu), gallium (Ga), indium (In), gold (Au), and silver (Ag). Can be selected.
또한, 상기 전기화학적 신호는 상기 증폭 표적 핵산이 상기 포획 프로브 및 상기 복합체의 신호 프로브와 상보적으로 결합함에 따라 발생하는 전류 변화에 기인할 수 있다.In addition, the electrochemical signal may be due to a change in current generated as the amplification target nucleic acid complementarily binds to the capture probe and the signal probe of the complex.
또한, 상기 전극은 금(Au), 코발트(Co), 백금(Pt), 은(Ag), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그래핀(graphene), 및 탄소(Carbon)로 구성된 군으로부터 1 이상 선택될 수 있다.In addition, the electrode is at least one from the group consisting of gold (Au), cobalt (Co), platinum (Pt), silver (Ag), carbon nanotube (carbon nanotube), graphene (graphene) and carbon (Carbon). Can be selected.
또한, 상기 증폭 표적 핵산, 상기 포획 프로브, 및 상기 신호 프로브는 단일 가닥 DNA일 수 있다.In addition, the amplification target nucleic acid, the capture probe, and the signal probe may be single stranded DNA.
또한, 상기 전기화학적 신호 측정 모듈은 양극 벗김 전압전류계(anodic stripping voltammetry, ASV), 대시간 전류계 (chronoamperometry, CA), 순환 전압전류계(cyclic voltammetry), 네모파 전압전류계(square wave voltammetry, SWV), 펄스 전압전류계(differential pulse voltammetry, DPV), 및 임피던스계(impedance)로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다.In addition, the electrochemical signal measuring module is an anode stripping voltammetry (ASV), a chronoamperometry (CA), a cyclic voltammetry, a square wave voltammetry (SWV), It may be selected from the group consisting of differential pulse voltammetry (DPV), and impedance (impedance).
본 발명의 제2 실시예는 기판 상부에 이격 배치된 제1 열 블록 및 제2 열 블록; 양 말단에 유입부 및 유출부가 구현된 1 이상의 반응 채널, 상기 반응 채널 내부의 일 영역에 배치되되 증폭 표적 핵산의 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 포획 프로브가 표면 처리된 고정 층, 및 상기 반응 채널 내부의 다른 일 영역에 배치되되 전기화학적 신호를 검출하도록 구현된 전극을 구비하는 것으로서, 금속 나노입자 및 상기 금속 나노입자에 연결되되 상기 증폭 표적 핵산의 다른 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 신호 프로브를 구비하는 복합체를 포함하는, 판 형상의 PCR 칩; 상기 PCR 칩이 장착되되 상기 PCR 칩의 전극 말단과 전기적으로 연결되도록 구현된 연결 포트를 구비하는 칩 홀더; 상기 PCR 칩이 장착된 칩 홀더를 상하 또는 좌우로 이동하여 상기 PCR 칩이 상기 제1 열 블록 또는 상기 제2 열 블록에 열 접촉할 수 있도록 구현된 구동 수단; 및 상기 칩 홀더의 연결 포트와 전기적으로 연결되어 상기 PCR 칩의 반응 채널 내부에서 발생하는 전기화학적 신호를 실시간으로 측정하도록 구현된 전기화학적 신호 측정 모듈을 포함하는 실시간 PCR 장치를 제공한다.A second embodiment of the present invention includes a first column block and a second column block spaced apart on the substrate; At least one reaction channel having inlets and outlets at both ends, a fixed layer disposed on one region of the reaction channel, and having a capture probe surface-treated with a capture probe capable of complementarily binding to one region of the amplifying target nucleic acid, and An electrode disposed in another region inside the reaction channel and configured to detect an electrochemical signal, the electrode being coupled to the metal nanoparticle and the metal nanoparticle, and complementarily binding to the other region of the amplification target nucleic acid. A plate-shaped PCR chip comprising a complex having a signal probe present; A chip holder mounted with the PCR chip, the chip holder having a connection port configured to be electrically connected to an electrode end of the PCR chip; Drive means implemented to move the chip holder on which the PCR chip is mounted vertically or horizontally so that the PCR chip is in thermal contact with the first row block or the second row block; And an electrochemical signal measuring module electrically connected to a connection port of the chip holder to measure in real time an electrochemical signal generated in a reaction channel of the PCR chip.
본 발명의 제2 실시예에 있어서,In a second embodiment of the present invention,
상기 금속 나노입자는 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 납(Pb), 구리(Cu), 갈륨(Ga), 인듐(In), 금(Au), 및 은(Ag)으로 구성된 군으로부터 1 이상 선택될 수 있다.The metal nanoparticles are selected from the group consisting of zinc (Zn), cadmium (Cd), lead (Pb), copper (Cu), gallium (Ga), indium (In), gold (Au), and silver (Ag). Can be selected.
또한, 상기 전기화학적 신호는 상기 증폭 표적 핵산이 상기 포획 프로브 및 상기 복합체의 신호 프로브와 상보적으로 결합함에 따라 발생하는 전류 변화에 기인할 수 있다.In addition, the electrochemical signal may be due to a change in current generated as the amplification target nucleic acid complementarily binds to the capture probe and the signal probe of the complex.
또한, 상기 전극은 금(Au), 코발트(Co), 백금(Pt), 은(Ag), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그래핀(graphene), 및 탄소(Carbon)로 구성된 군으로부터 1 이상 선택될 수 있다.In addition, the electrode is at least one from the group consisting of gold (Au), cobalt (Co), platinum (Pt), silver (Ag), carbon nanotube (carbon nanotube), graphene (graphene) and carbon (Carbon). Can be selected.
또한, 상기 전극은 산화 또는 환원 반응이 일어나는 지시 전극(working electrode) 및 산화 또는 환원 반응이 일어나지 않는 기준 전극(reference electrode)을 구비하는 2-전극 모듈, 또는 상기 지시 전극, 상기 기준 전극, 및 상기 지시 전극으로부터 발생하는 전자 밸런스를 조절하는 카운터 전극(counter electrode)을 구비하는 3-전극 모듈로 구현될 수 있다.In addition, the electrode is a two-electrode module having a working electrode (oxidation or reduction reaction) and a reference electrode (oxidation or reduction) does not occur, or the indicator electrode, the reference electrode, and the It may be implemented as a three-electrode module having a counter electrode for adjusting the electronic balance generated from the indicator electrode.
또한, 상기 전기화학적 신호 측정 모듈은 양극 벗김 전압전류계(anodic stripping voltammetry, ASV), 대시간 전류계 (chronoamperometry, CA), 순환 전압전류계(cyclic voltammetry), 네모파 전압전류계(square wave voltammetry, SWV), 펄스 전압전류계(differential pulse voltammetry, DPV), 및 임피던스계(impedance)로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다.In addition, the electrochemical signal measuring module is an anode stripping voltammetry (ASV), a chronoamperometry (CA), a cyclic voltammetry, a square wave voltammetry (SWV), It may be selected from the group consisting of differential pulse voltammetry (DPV), and impedance (impedance).
또한, 상기 제1 열 블록 및 제2 열 블록은 상기 제1 열 블록 및 제2 열 블록의 온도를 전체적으로 일정하게 유지하기 위해 각 열 블록의 중심점을 기준으로 상하 및/또는 좌우 방향으로 대칭되도록 내부에 열선이 배치될 수 있다.In addition, the first and second heat blocks may be symmetrical in the up, down, and / or left and right directions with respect to the center point of each of the heat blocks in order to maintain a constant temperature of the first and second heat blocks. The heating wire may be arranged at.
또한, 상기 제1 열 블록 및 상기 제2 열 블록 중 어느 하나는 PCR의 변성 단계 온도를 유지하고, 다른 하나는 PCR의 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계 온도를 유지하도록 구현될 수 있다.In addition, any one of the first row block and the second row block may be implemented to maintain the denaturation step temperature of the PCR, and the other may maintain the annealing and extension (or amplification) step temperature of the PCR.
또한, 상기 변성 단계 온도는 90℃ 내지 100℃이고, 상기 연장 (혹은 증폭) 단계 온도는 55℃ 내지 75℃일 수 있다.In addition, the denaturation step temperature may be 90 ℃ to 100 ℃, the extension (or amplification) step temperature may be 55 ℃ to 75 ℃.
또한, 상기 제1 열 블록과 제2 열 블록은 상호 열 교환이 일어나지 않도록 미리 결정된 거리로 이격 배치될 수 있다.In addition, the first and second heat blocks may be spaced apart at a predetermined distance such that mutual heat exchange does not occur.
또한, 상기 구동 수단은 좌우 방향으로 연장된 레일, 및 상기 레일을 통해 좌우 방향으로 슬라이딩 이동가능하게 배치되고 상하 방향으로 슬라이딩 이동 가능한 연결 부재를 포함하고, 상기 연결 부재의 일 말단에는 상기 칩 홀더가 배치될 수 있다.In addition, the driving means includes a rail extending in the left and right direction, and a connecting member slidably movable in the left and right direction through the rail and slidable in the vertical direction, wherein one end of the connecting member is the chip holder Can be arranged.
또한, 상기 PCR 칩은 상기 칩 홀더에 탈착 가능하게 구현될 수 있다.In addition, the PCR chip may be implemented detachably to the chip holder.
또한, 상기 PCR 칩은 상기 전극이 구비된 제1 판; 상기 제1 판 상에 배치되되 상기 1 이상의 반응 채널이 구비된 제2 판; 및 상기 제2 판 상에 배치되되 상기 유입부 및 유출부, 및 상기 포획 프로브가 표면 처리된 고정 층이 구비된 제3 판을 포함할 수 있다.In addition, the PCR chip comprises a first plate provided with the electrode; A second plate disposed on the first plate and provided with the one or more reaction channels; And a third plate disposed on the second plate, the third plate having a fixed layer on which the inlet and the outlet and the capture probe are surface treated.
본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 PCR 장치 및 방법에 따르면, 듀얼(dual) 열 블록 및 판 형상의 PCR 칩을 통해 다수의 샘플을 동시에 초고속으로 분석할 수 있을 뿐만 아니라, 핵산 증폭 과정에서 발생하는 연속적인 전기화학적 신호를 쉽게 검출할 수 있는 단순한 모듈 구현을 통해 제품의 극-소형화 및 휴대화에 상당히 기여할 수 있다.According to the real-time PCR apparatus and method according to an embodiment of the present invention, not only can a plurality of samples be analyzed at a high speed at the same time through a dual column block and a plate-shaped PCR chip, Simple module implementations that can easily detect continuous electrochemical signals can contribute significantly to product miniaturization and portability.
도 1 내지 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 실시간 PCR 장치의 개략도이다.1 to 2 are schematic diagrams of a real-time PCR device according to a first embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 실시간 PCR 장치의 반응 챔버 내에서 일어나는 포획 프로브 및 신호 프로브와 증폭 표적 핵산 간의 결합을 도시한다.3 shows the binding between the capture probe and the signal probe and the amplification target nucleic acid in the reaction chamber of the real-time PCR device according to the first embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 실시간 PCR 장치의 전기화학적 신호 발생 과정을 도시한다.Figure 4 shows the electrochemical signal generation process of the real-time PCR device according to a first embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 실시간 PCR 장치를 도시한다.5 shows a real-time PCR device according to a second embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 실시간 PCR 장치의 구동원리를 도시한다.6 shows a driving principle of a real-time PCR device according to a second embodiment of the present invention.
도 7 내지 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 PCR 칩을 도시한다.7 to 10 show a PCR chip according to a second embodiment of the present invention.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 칩 홀더를 도시한다.11 shows a chip holder according to a second embodiment of the present invention.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 실시간 PCR 장치의 전기화학적 신호 측정 모듈의 배치도이다.12 is a layout view of an electrochemical signal measurement module of a real-time PCR device according to a second embodiment of the present invention.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 실시간 PCR 장치를 이용하여 실시간 PCR을 수행하는 과정을 도시한다.13 illustrates a process of performing real-time PCR using a real-time PCR device according to a second embodiment of the present invention.
도 14 내지 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 PCR 방법을 수행한 결과를 나타내는 다양한 유형의 그래프를 도시한다.14 to 16 show various types of graphs showing the results of performing a real-time PCR method according to an embodiment of the present invention.
도 17 내지 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 PCR 방법을 수행한 결과를 나타내는 전기영동 사진이다.17 to 18 are electrophoresis pictures showing the results of performing the real-time PCR method according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세하게 설명한다. 이하 설명은 본 발명에 따른 일 실시예들을 용이하게 이해하기 위한 것일 뿐이며, 보호범위를 제한하기 위한 것은 아니다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following description is only for easily understanding the embodiments according to the present invention, but is not intended to limit the scope of protection.
도 1 내지 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 실시간 PCR 장치의 개략도를 도시한다.1 to 2 show schematic diagrams of a real-time PCR device according to a first embodiment of the present invention.
도 1 내지 2에 따르면, 상기 실시간 PCR 장치(1)는 1 이상의 열 블록(10); 상기 1 이상의 열 블록(10)과 접촉하는 열 블록 접촉 영역(21)을 구비하는 하우징(22), 상기 하우징(22) 내부에 형성된 반응 챔버(23), 상기 반응 챔버(23) 내부의 일 영역에 배치되되 증폭 표적 핵산(2)의 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 포획 프로브(24)가 표면 처리된 고정 층(25), 및 상기 반응 챔버(23) 내부의 다른 일 영역에 배치되되 전기화학적 신호를 검출하도록 구현된 전극(26)을 구비하는 것으로서, 금속 나노입자(27) 및 상기 금속 나노입자(27)에 연결되되 상기 증폭 표적 핵산의 다른 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 신호 프로브(28)를 구비하는 복합체(29)가 수용된, PCR 용기(20); 및 상기 PCR 용기(20)의 전극(26)과 전기적으로 연결되어 상기 PCR 용기(20)의 반응 챔버(23) 내부에서 발생하는 전기화학적 신호를 실시간으로 측정하도록 구현된 전기화학적 신호 측정 모듈(30)을 포함한다.1 to 2, the real-time PCR device 1 comprises at least one column block 10; A housing 22 having a thermal block contact region 21 in contact with the at least one thermal block 10, a reaction chamber 23 formed in the housing 22, and a region inside the reaction chamber 23. The capture probe 24, which is disposed in the reaction chamber 23, and the capture probe 24 capable of complementarily binding to one region of the amplification target nucleic acid 2, and the other region inside the reaction chamber 23. And having an electrode 26 implemented to detect an electrochemical signal, which is connected to the metal nanoparticle 27 and the metal nanoparticle 27 and can complementarily bind to another region of the amplification target nucleic acid. A PCR vessel 20 containing a complex 29 having a signal probe 28 therein; And an electrochemical signal measuring module 30 electrically connected to the electrode 26 of the PCR vessel 20 to measure in real time an electrochemical signal generated in the reaction chamber 23 of the PCR vessel 20. ).
본 명세서에 있어서, PCR 장치란 특정 염기 서열을 갖는 핵산을 증폭하는 PCR(Polymerase Chain Reaction)에 사용하는 장치를 말한다. 예를 들어, 특정 염기 서열을 갖는 DNA(deoxyribonucleic acid)를 증폭하기 위해 PCR 장치는 주형 핵산인 이중 가닥의 DNA를 포함하는 PCR 시료 및 시약을 포함하는 용액을 특정 온도, 예를 들어 약 95℃로 가열하여 상기 이중 가닥의 DNA를 단일 가닥의 DNA로 분리하는 변성 단계(denaturing step), 증폭하고자 하는 염기 서열과 상보적인 서열을 갖는 올리고뉴클레오티드(oligonucleotide) 프라이머를 제공하고, 상기 분리된 단일 가닥의 DNA와 함께 특정 온도, 예를 들어 55℃로 냉각하여 상기 단일 가닥의 DNA의 특정 염기 서열에 상기 프라이머를 결합시켜 부분적인 DNA-프라이머 복합체를 형성하는 어닐링 단계(annealing step), 및 상기 어닐링 단계 이후 상기 용액을 적정 온도, 예를 들어 72℃로 유지하여 DNA 중합효소(polymerase)에 의해 상기 부분적인 DNA-프라이머 복합체의 프라이머를 기초로 이중 가닥의 DNA를 형성하는 연장 (혹은 증폭) 단계(extension step)를 수행하고, 상기 3 단계를 예를 들어 20회 내지 40회로 반복함으로써 상기 특정 염기 서열을 갖는 DNA를 기하급수적으로 증폭할 수 있다. 경우에 따라, 상기 PCR 장치는 상기 어닐링 단계와 상기 연장(혹은 증폭) 단계를 동시에 수행할 수 있고, 이 경우 PCR 장치는 상기 연장 단계와 상기 어닐링 및 연장(혹은 증폭) 단계로 구성된 2 단계를 수행함으로써, 제1 순환을 완성할 수도 있다. 따라서, 본 발명의 일 구체예에 따른 실시간 PCR 장치(1)는 상기 단계들을 수행하기 위한 모듈들을 포함하는 장치를 말하며, 본 명세서에 기재되지 아니한 세부적인 모듈들은 PCR을 수행하기 위한 종래 기술 중 개시되고 자명한 범위에서 모두 구비하고 있는 것을 전제로 한다.In the present specification, the PCR device refers to a device used for PCR (Polymerase Chain Reaction) for amplifying a nucleic acid having a specific nucleotide sequence. For example, to amplify deoxyribonucleic acid (DNA) having a specific base sequence, a PCR device may prepare a solution containing a PCR sample and a reagent comprising double stranded DNA as a template nucleic acid at a specific temperature, for example about 95 ° C. A denaturing step of separating the double-stranded DNA into a single-stranded DNA by heating, to provide an oligonucleotide primer having a sequence complementary to the base sequence to be amplified, and the isolated single-stranded DNA An annealing step in which the primer is coupled to a specific base sequence of the single strand of DNA by cooling to a specific temperature, for example, 55 ° C., to form a partial DNA-primer complex, and after the annealing step, The solution was kept at an appropriate temperature, for example 72 ° C., to primers of the partial DNA-primer complexes by DNA polymerase. An extension (or amplification) step of forming a double strand of DNA on the basis is performed, and the above steps are repeated, for example, 20 to 40 times to exponentially amplify the DNA having the specific base sequence. Can be. In some cases, the PCR device may simultaneously perform the annealing step and the extension (or amplification) step, and in this case, the PCR device performs two steps including the extension step and the annealing and extension (or amplification) step. By doing so, the first circulation can be completed. Therefore, the real-time PCR device 1 according to an embodiment of the present invention refers to a device including modules for performing the above steps, detailed modules not described herein are disclosed in the prior art for performing PCR On the premise that all are provided in the obvious range.
상기 열 블록(10)은 핵산을 증폭하기 위하여 변성 단계, 어닐링 단계 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행하기 위한 온도를 유지하는 모듈이다. 따라서 상기 열 블록(10)은 상기 각 단계들에 요구되는 온도를 상기 PCR 용기(20)에 제공하기 위한 다양한 모듈을 포함하거나 또는 그러한 모듈과 구동가능하게 연결될 수 있다. 또한, 상기 열 블록(10)은 그 내부에 열선(도시되지 않음)이 배치될 수 있고, 상기 열선은 상기 변성 단계, 어닐링 단계 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행하기 위한 온도를 유지하는 다양한 열원과 연결될 수 있으며, 상기 열선의 온도를 모니터하기 위한 다양한 온도 센서와 연결되어 구동될 수 있다. 상기 열선은 상기 열 블록(10)의 내부 온도를 전체적으로 일정하게 유지하기 위해 그 표면의 중심점을 기준으로 상하 및/또는 좌우 방향으로 대칭 배치될 수 있다. 또한, 상기 열 블록(10)은 그 내부에 박막 히터(thin film heater, 도시되지 않음)가 배치될 수 있다. 상기 박막 히터는 상기 열 블록(10)의 내부 온도를 전체적으로 일정하게 유지하기 위해 그 표면의 중심점을 기준으로 상하 및/또는 좌우 방향으로 일정한 간격으로 이격 배치될 수 있다. 상기 열 블록(10)은 PCR 용기(20)에 동일 면적의 고른 열 분포 및 신속한 열 전달을 위해 판 형상으로 구현될 수 있고, 금속 재질, 예를 들어 알루미늄 재질로 구현될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 열 블록(10)은 상기 변성 단계 또는 상기 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행하기 위한 적정 온도를 유지한다. 예를 들어, 상기 열 블록(10)은 상기 변성 단계를 수행하기 위해 50℃ 내지 100℃, 바람직하게는 90℃ 내지 100℃, 더 바람직하게는 95℃를 유지할 수 있고, 상기 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행하기 위해 55℃ 내지 75℃, 바람직하게는 72℃를 유지할 수 있다. 한편, 상기 열 블록(10)은 2 이상으로 구현될 수 있고, 후술할 본 발명의 제2 실시예에 따른 실시간 PCR 장치는 상기 열 블록(10)이 2개로 구현된다.The thermal block 10 is a module that maintains a temperature for performing a denaturation step, an annealing step and an extension (or amplification) step to amplify the nucleic acid. Accordingly, the thermal block 10 may include or be operably connected with various modules for providing the PCR vessel 20 with the temperatures required for the respective steps. In addition, the heat block 10 may be a heating wire (not shown) disposed therein, the heating wire is a variety of heat sources to maintain a temperature for performing the denaturation step, annealing step and extension (or amplification) step It may be connected to and driven in conjunction with various temperature sensors for monitoring the temperature of the hot wire. The heating wires may be symmetrically disposed in the vertical direction and / or the left and right directions with respect to the center point of the surface in order to keep the internal temperature of the heat block 10 as a whole. In addition, the thermal block 10 may have a thin film heater (not shown) disposed therein. The thin film heaters may be spaced apart at regular intervals in the vertical direction and / or the left and right directions with respect to the center point of the surface in order to keep the internal temperature of the thermal block 10 as a whole. The heat block 10 may be implemented in a plate shape for uniform heat distribution and rapid heat transfer of the same area in the PCR vessel 20, and may be implemented in a metal material, for example, aluminum, but is not limited thereto. It is not. The thermal block 10 maintains an appropriate temperature for performing the denaturation step or the annealing and extension (or amplification) step. For example, the thermal block 10 may maintain 50 ° C. to 100 ° C., preferably 90 ° C. to 100 ° C., more preferably 95 ° C. to perform the denaturation step, and the annealing and extension (or 55 ° C. to 75 ° C., preferably 72 ° C., may be maintained to effect the amplification) step. On the other hand, the column block 10 may be implemented in two or more, the real-time PCR device according to a second embodiment of the present invention to be described later is implemented in two of the column block 10.
상기 PCR 용기(20)는 상기 열 블록(10)과 접촉하는 열 블록 접촉 영역(21)을 구비하는 하우징(22), 및 상기 하우징(22) 내부에 형성된 반응 챔버(23), 상기 반응 챔버(23) 내부의 일 영역에 배치되되 증폭 표적 핵산(2)의 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 포획 프로브(24)가 표면 처리된 고정 층(25), 및 상기 반응 챔버(23) 내부의 다른 일 영역에 배치되되 전기화학적 신호를 검출하도록 구현된 전극(26)을 구비하고, 상기 반응 챔버(23)에 금속 나노입자(27) 및 상기 금속 나노입자(27)에 연결되되 상기 증폭 표적 핵산의 다른 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 신호 프로브(28)를 구비하는 복합체(29)를 포함한다.The PCR vessel 20 includes a housing 22 having a thermal block contact region 21 in contact with the thermal block 10, a reaction chamber 23 formed inside the housing 22, and the reaction chamber ( 23) a fixed layer 25 disposed in a region inside the surface of the capture probe 24, which is capable of complementarily binding to a region of the amplifying target nucleic acid 2, and the reaction chamber 23. An electrode 26 disposed in the other region and configured to detect an electrochemical signal, and connected to the metal nanoparticle 27 and the metal nanoparticle 27 in the reaction chamber 23, wherein the amplification target nucleic acid And a complex 29 having a signal probe 28 capable of complementarily binding to another region of.
상기 하우징(22)은 상기 PCR 용기(20)의 본체로서, 다양한 재질, 예를 들어 플라스틱, 금속, 유리, 실리콘 등으로 제작될 수 있다. 한편, 상기 하우징(22)은 비록 도 1에는 도시되지 않았지만, PCR 시료 및 시약을 도입하거나, 또는 PCR 최종 산물 또는 폐기물 등을 배출하기 위한 별개의 유입구 또는 유출구를 구비하거나, 유입구 및 유출구 역할을 동시에 수행하는 단일의 개구부를 구비할 수도 있다. 한편, 상기 열 블록 접촉 영역(21)은 상기 1 이상의 열 블록(10)과 열 접촉하여 상기 열 블록(10)으로부터 열을 제공받아 상기 반응 챔버(23) 내부로 열을 전달하게 하는 영역을 말한다. 상기 열 블록 접촉 영역(21)은 상기 하우징(22) 또는 상기 열 블록(10)의 형상 및 구조에 따라 다양한 형상 및 구조로 구현될 수 있다.The housing 22 is a main body of the PCR vessel 20, and may be made of various materials, for example, plastic, metal, glass, silicon, and the like. On the other hand, the housing 22, although not shown in Figure 1, having a separate inlet or outlet for introducing a PCR sample and reagents, or discharge the PCR final product or waste, or at the same time serves as an inlet and outlet It may be provided with a single opening to be carried out. On the other hand, the thermal block contact area 21 refers to an area that is in thermal contact with the one or more thermal blocks 10 to receive heat from the thermal block 10 to transfer heat into the reaction chamber 23. . The thermal block contact area 21 may be implemented in various shapes and structures according to the shape and structure of the housing 22 or the thermal block 10.
상기 반응 챔버(23)는 PCR 시료 및 시약에 의해 PCR이 수행되는 공간으로서, 상기 하우징(22) 내부에 형성된다. 상기 반응 챔버(23)는 빈 원기둥 형상, 바(bar) 형상, 사각기둥 형상 등 다양한 형상 및 구조로 구현될 수 있다. 구체적으로, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 실시간 PCR 장치(1)의 반응 챔버(23) 및 이에 수용된 복합체(29)에 관한 상세도이다. 상기 반응 챔버(23)는 그 내부의 일 영역에 배치되되 증폭 표적 핵산(2)의 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 포획 프로브(24)가 표면 처리된 고정 층(25), 및 그 내부의 다른 일 영역에 배치되되 전기화학적 신호를 검출하도록 구현된 전극(26)을 구비하는데, 상기 고정 층(25)과 상기 전극(26)은 상기 반응 챔버(23) 내부에서 다양한 위치에 배치될 수 있으나, 도 2와 같이 서로 마주보도록 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 반응 챔버(23)는 그 내부에 금속 나노입자(27) 및 상기 금속 나노입자(27)에 연결되되 상기 증폭 표적 핵산의 다른 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 신호 프로브(28)를 구비하는 복합체(29)를 수용한다. 이 경우 상기 복합체(29)는 주형 핵산 등을 포함하는 PCR 시료 도입 전 본 발명의 제1 실시예에 따른 실시간 PCR 장치에 미리 수용될 수 있고, 프라이머, 중합효소 등을 포함하는 PCR 시약에 포함된 상태로 상기 반응 챔버(23)에 함께 도입될 수도 있다. 상기 고정 층(25)은 그 일 면에 포획 프로브(24)가 증착되어 노출될 수 있도록 다양한 재질, 예를 들어 실리콘, 플라스틱, 유리, 금속 재질 등으로 구현된다. 이 경우 상기 고정 층(25)의 표면은 예를 들어, 포획 프로브(24) 증착 전 아민 NH3 +, 알데하이드 COH, 카르복실기 COOH 등과 같은 물질이 먼저 표면 처리될 수 있다. 상기 포획 프로브(24)는 상기 증폭 표적 핵산의 일 부위(영역)와 상보적으로 결합할 수 있도록 구현되고, 금속 나노입자(27)와 결합하여 복합체(29)를 형성한다. 상기 금속 나노입자(27)는 다양할 수 있으나, 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 납(Pb), 구리(Cu), 갈륨(Ga), 인듐(In), 금(Au), 및 은(Ag)으로 구성된 군으로부터 1 이상 선택될 수 있다. 상기 신호 프로브(28)는 상기 증폭 표적 핵산의 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있도록 구현되는데, 이 경우 상기 증폭 표적 핵산에 있어서, 상기 신호 프로브(28)의 상보적 결합 영역은 상기 포획 프로브(24)의 상보적 결합 영역과 상이하다. 따라서, 상기 포획 프로브(24) 및 신호 프로브(28)는 증폭 표적 핵산에 함께 상보적으로 결합할 수 있다(도 3 참조). 도 3을 참조하면, 좌측 그림은 PCR 수행 전, 즉 증폭 표적 핵산이 존재하지 않는 경우이고, 우측 그림은 PCR 수행 후, 즉 증폭 표적 핵산이 존재하는 경우인데, PCR이 진행되면서 상기 반응 챔버(23) 내부에서 표적 핵산이 증폭되면 상기 우측 그림과 같이 증폭 표적 핵산(2)은 상기 고정 층(25)에 표면 처리된 포획 프로브(24)와 상보적으로 결합하고, 아울러 금속 나노입자(27)에 연결된 신호 프로브(28)와 상보적으로 결합하여 상기 금속 나노입자(27)를 상기 고정 층(25)에 근접한 영역에 집중시킨다. 그 결과, 상기 금속 나노입자(27)는 상기 전극(26)에 도달하지 못하게 되어 상기 금속 나노입자(27)와 상기 전극(26) 간의 전류 변화(감소)를 야기하여 표적 핵산(2)의 증폭에 따른 검출 가능한 전기화학적 신호가 발생하게 된다. 한편, 상기 증폭 표적 핵산(2), 상기 포획 프로브(24), 및 상기 신호 프로브(28)는 단일 가닥 DNA일 수 있다.The reaction chamber 23 is a space in which PCR is performed by a PCR sample and a reagent, and is formed in the housing 22. The reaction chamber 23 may be implemented in various shapes and structures, such as a hollow cylinder shape, a bar shape, and a square column shape. Specifically, FIG. 2 is a detailed view of the reaction chamber 23 and the complex 29 accommodated in the real-time PCR device 1 according to the first embodiment of the present invention. The reaction chamber 23 is disposed in one region therein, and the fixed layer 25 having the capture probe 24 surface-combined with the capture probe 24 capable of complementarily binding to one region of the amplification target nucleic acid 2, and the interior thereof. And an electrode 26 disposed in another region of the electrode and configured to detect an electrochemical signal, wherein the fixed layer 25 and the electrode 26 may be disposed at various positions within the reaction chamber 23. However, it is preferable to be disposed to face each other as shown in FIG. In addition, the reaction chamber 23 is connected to the metal nanoparticles 27 and the metal nanoparticles 27 therein, the signal probe 28 that can be complementarily bonded to another region of the amplification target nucleic acid (28) Housed with a composite 29 having a. In this case, the complex 29 may be previously accommodated in a real-time PCR device according to the first embodiment of the present invention before introduction of a PCR sample including a template nucleic acid and the like, and may be included in a PCR reagent including a primer, a polymerase, and the like. It may be introduced together into the reaction chamber 23 in a state. The pinned layer 25 may be formed of various materials, for example, silicon, plastic, glass, and metal, such that the capture probe 24 may be deposited and exposed on one surface thereof. In this case, the surface of the fixed layer 25 may be first surface-treated with a material such as amine NH 3 + , aldehyde COH, carboxyl group COOH, or the like before the capture probe 24 is deposited. The capture probe 24 is implemented to complementarily bind to a portion (region) of the amplification target nucleic acid, and combines with the metal nanoparticles 27 to form a complex 29. The metal nanoparticles 27 may vary, but zinc (Zn), cadmium (Cd), lead (Pb), copper (Cu), gallium (Ga), indium (In), gold (Au), and silver One or more from the group consisting of (Ag). The signal probe 28 is implemented to bind to a region of the amplification target nucleic acid complementarily, in this case, in the amplification target nucleic acid, the complementary binding region of the signal probe 28 is the capture probe ( Different from the complementary binding region of 24). Thus, the capture probe 24 and signal probe 28 may bind complementarily to the amplification target nucleic acid (see FIG. 3). Referring to FIG. 3, the left figure shows a case in which the amplification target nucleic acid is not present before the PCR, that is, the right figure shows a case in which the amplification target nucleic acid is present after the PCR is performed. When the target nucleic acid is amplified inside the amplification target nucleic acid (2) is complementary to the capture probe 24 surface-treated in the fixed layer 25, as shown in the right figure, and to the metal nanoparticle (27) Complementarily binds to the connected signal probe 28 to concentrate the metal nanoparticles 27 in a region proximate the pinned layer 25. As a result, the metal nanoparticles 27 do not reach the electrode 26 and cause a current change (decrease) between the metal nanoparticles 27 and the electrode 26 to amplify the target nucleic acid 2. Resulting in a detectable electrochemical signal. Meanwhile, the amplification target nucleic acid 2, the capture probe 24, and the signal probe 28 may be single stranded DNA.
상기 전극(26)은 상기 반응 챔버(23)의 적어도 일 영역에 배치되되 상기 반응 챔버(23) 내부에서 발생하는 전기화학적 신호를 검출하도록 구현된다. 상기 전극(26)은 위와 같은 기능을 수행하기 위하여 다양한 재질로 구현될 수 있지만, 예를 들어 금(Au), 코발트(Co), 백금(Pt), 은(Ag), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그래핀(graphene), 및 탄소(Carbon)로 구성된 군으로부터 1 이상 선택될 수 있다. 또한, 상기 전극(26)은 상기 반응 챔버(23) 내부에서 발생하는 전기화학적 신호를 효율적으로 검출하기 위해 다양한 형상 및 구조로 구현될 수 있지만, 예를 들어 도 2과 같이 상기 반응 챔버(921) 내부 표면에 따라 배치되는 금속 재질의 판 형상으로 구현될 수 있다.The electrode 26 is disposed in at least one region of the reaction chamber 23, and is implemented to detect an electrochemical signal generated inside the reaction chamber 23. The electrode 26 may be made of various materials to perform the above functions, but for example, gold (Au), cobalt (Co), platinum (Pt), silver (Ag), carbon nanotubes (carbon nanotubes) ), Graphene, and carbon may be selected from one or more selected from the group consisting of. In addition, the electrode 26 may be implemented in various shapes and structures to efficiently detect electrochemical signals generated in the reaction chamber 23. For example, as shown in FIG. It may be implemented in a plate shape of a metal material disposed along the inner surface.
상기 전기화학적 신호 측정 모듈(30)은 상기 PCR 용기(20)의 전극(26)과 전기적으로 연결되어 상기 PCR 용기(20)의 반응 챔버(23) 내부에서 발생하는 전기화학적 신호를 실시간으로 측정할 수 있도록 구현된다. 상기 전기화학적 신호 측정 모듈(800)은 다양할 수 있으나, 양극 벗김 전압전류계(anodic stripping voltammetry, ASV), 대시간 전류계 (chronoamperometry, CA), 순환 전압전류계(cyclic voltammetry), 네모파 전압전류계(square wave voltammetry, SWV), 펄스 전압전류계(differential pulse voltammetry, DPV), 및 임피던스계(impedance)로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 상기 전기화학적 신호는 상기 증폭 표적 핵산이 상기 포획 프로브(24) 및 신호 프로브(28)와 상보적으로 결합함에 따라 발생하는 전류 변화에 기인할 수 있다. 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 실시간 PCR 장치의 전기화학적 신호 발생 과정을 도시한다. 도 4에 따르면, S1 단계는 PCR 개시 전으로서, 고정 층(25, Gold matrix)에 표면 처리된 포획 프로브(24, Capture probe)과 신호 프로브(28) 및 금속 나노입자(27)를 포함하는 복합체(29, Signaling probe-AuNP)의 원 상태를 나타내고, S2 단계는 상기 전극(26, GC electrode)과 금속 나노입자(27, 노란색 입자) 간의 환원 또는 산화에 의해 발생하는 전류 변화(신호, Signal)를 나타내고, S3 단계는 PCR 개시 후로서, 증폭 표적 핵산(2, H1N1 DNA)이 상기 포획 프로브(24, Capture probe) 및 상기 복합체(29, Signaling probe-AuNP)의 신호 프로브(28, Signaling probe)와 결합하여 전류 변화의 감소(신호 감소)를 야기하는 과정을 나타낸다. 구체적으로, 상기 복합체(29, Signaling probe-AuNP)의 금속 나노입자(27, AuNP)에 환원 전압이 가해지면, 상기 금속 나노입자(27, AuNP)는 상기 전극(26, GC electrode)의 근접 표면에 모여 축적 층을 형성하면서 환원되고(Accumulation of AuNP), 뒤이어 상기 전극(26, GC electrode)에 전압을 인가하면 상기 환원 금속 나노입자(27, AuNP)가 산화되면서(Stripping) 전류 변화, 즉 신호가 발생하고(Signal), 상기 전류 변화는 산화 전류 피크가 나타내는 전압 값으로 쉽게 측정할 수 있다(S2). 이 경우 상기 반응 챔버(23) 내부에서 전류 변화값, 즉 전기화학적 신호는 최대값을 나타낸다. 또한, 상기 전류 변화는 금속 나노입자(27, AuNP)의 종류마다 상이하기 때문에 2 이상의 금속 나노입자(27, AuNP)를 사용하는 경우 2 이상의 시료에 대한 동시 신호 검출도 가능하다. 그 후 PCR이 진행되면, 주형 핵산으로부터 표적 핵산(2, H1N1 DNA)이 증폭되고, 상기 증폭 표적 핵산(2, H1N1 DNA)은 상기 포획 프로브(24, Capture probe) 및 상기 복합체(29, Signaling probe-AuNP)의 신호 프로브(28, Signaling probe)와 상보적으로 결합(Hybridized target DNA)함으로써 위와 같이 상기 복합체(29, Signaling probe-AuNP)의 금속 나노입자(27, AuNP)의 전극 표면 축적(Accumulation of AuNP)을 방해하고, 상기 전류 값을 감소시키고, 더 나아가 PCR 주기가 진행될수록 증폭 표적 핵산(2, H1N1 DNA)의 양이 증가하면서 상기 포획 프로브(24, Capture probe) 및 상기 복합체(29, Signaling probe-AuNP)의 신호 프로브(28, Signaling probe)와의 상보적으로 결합(Hybridized target DNA) 또한 증가하여 상기 전류 값(신호)은 더욱 감소한다. 따라서, 위와 같은 전류 감소 현상, 즉 전기화학적 신호를 검출 및 측정함으로써 실시간 PCR 구현이 가능하다.The electrochemical signal measuring module 30 is electrically connected to the electrode 26 of the PCR vessel 20 to measure in real time the electrochemical signal generated in the reaction chamber 23 of the PCR vessel 20. It is implemented to be. The electrochemical signal measuring module 800 may vary, but an anode stripping voltammetry (ASV), a chronoamperometry (CA), a cyclic voltammetry, a square wave voltmeter (square) wave voltammetry (SWV), differential pulse voltammetry (DPV), and impedance. The electrochemical signal may be due to a change in current that occurs as the amplification target nucleic acid complementarily binds with the capture probe 24 and the signal probe 28. Figure 4 shows the electrochemical signal generation process of the real-time PCR device according to a first embodiment of the present invention. According to FIG. 4, the step S1 is a complex including a capture probe 24, a signal probe 28, and metal nanoparticles 27, which are surface-treated on a fixed layer 25, a gold matrix, before PCR is started. (29, showing the original state of the signaling probe-AuNP), the step S2 is the current change (signal, signal) generated by the reduction or oxidation between the electrode (26, GC electrode) and the metal nanoparticles (27, yellow particles) In the step S3, after the PCR is initiated, the amplification target nucleic acid (2, H1N1 DNA) is captured by the capture probe 24 and the signaling probe 28 of the complex 29 (signaling probe-AuNP). In combination with and causes a decrease in current change (signal reduction). Specifically, when a reducing voltage is applied to the metal nanoparticles 27 (AuNP) of the complex 29 (Signaling probe-AuNP), the metal nanoparticles 27 (AuNP) are proximal surfaces of the electrodes 26 (GC electrodes). Is accumulated while accumulating to form an accumulation layer (Accumulation of AuNP), followed by applying a voltage to the electrode (26, GC electrode) to oxidize the reducing metal nanoparticles (27, AuNP) as a current change, that is, a signal Is generated, and the current change can be easily measured by the voltage value indicated by the oxidation current peak (S2). In this case, the current change value, that is, the electrochemical signal, represents the maximum value in the reaction chamber 23. In addition, since the current change is different for each type of metal nanoparticles 27 and AuNP, simultaneous signal detection for two or more samples is also possible when two or more metal nanoparticles 27 and AuNP are used. After PCR, the target nucleic acid (2, H1N1 DNA) is amplified from the template nucleic acid, and the amplified target nucleic acid (2, H1N1 DNA) is captured by the capture probe (24) and the complex (29, signaling probe). Accumulation of the electrode surface of the metal nanoparticles 27 (AuNP) of the complex (29, Signaling probe-AuNP) as described above by hybridizing with a signaling probe (28, Signaling probe) of AuNP) of AuNP), decrease the current value, and further increase the amount of the amplification target nucleic acid (2, H1N1 DNA) as the PCR cycle proceeds, so that the capture probe (24) and the complex (29, The complementary target DNA of the signaling probe (AuNP) and the signal probe 28 (Signal Probe 28) also increase, so that the current value (signal) is further reduced. Therefore, real-time PCR can be implemented by detecting and measuring the current reduction phenomenon, that is, the electrochemical signal.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 실시간 PCR 장치를 도시한다. 5 shows a real-time PCR device according to a second embodiment of the present invention.
도 5에 따르면, 상기 실시간 PCR 장치(1)는 기판(400) 상부에 이격 배치된 제1 열 블록(100) 및 제2 열 블록(200); 양 말단에 유입부 및 유출부가 구현된 1 이상의 반응 채널, 상기 반응 채널 내부의 일 영역에 배치되되 증폭 표적 핵산의 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 포획 프로브가 표면 처리된 고정 층, 및 상기 반응 채널 내부의 다른 일 영역에 배치되되 전기화학적 신호를 검출하도록 구현된 전극을 구비하는 것으로서, 금속 나노입자 및 상기 금속 나노입자에 연결되되 상기 증폭 표적 핵산의 다른 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 신호 프로브를 구비하는 복합체를 포함하는, 판 형상의 PCR 칩(900); 상기 PCR 칩(900)이 장착되되 상기 PCR 칩(900)의 전극(950) 말단과 전기적으로 연결되도록 구현된 연결 포트(310)를 구비하는 칩 홀더(300); 상기 PCR 칩(900)이 장착된 칩 홀더(300)를 상하 또는 좌우로 이동하여 상기 PCR 칩(900)이 상기 제1 열 블록(100) 또는 상기 제2 열 블록(200)에 열 접촉할 수 있도록 구현된 구동 수단(500, 510, 520); 및 상기 칩 홀더(300)의 연결 포트(310)와 전기적으로 연결되어 상기 PCR 칩(900)의 반응 채널(921) 내부에서 발생하는 전기화학적 신호를 실시간으로 측정하도록 구현된 전기화학적 신호 측정 모듈(800)을 포함한다. According to FIG. 5, the real-time PCR device 1 may include a first column block 100 and a second column block 200 spaced apart from each other on a substrate 400; At least one reaction channel having inlets and outlets at both ends, a fixed layer disposed on one region of the reaction channel, and having a capture probe surface-treated with a capture probe capable of complementarily binding to one region of the amplifying target nucleic acid, and An electrode disposed in another region inside the reaction channel and configured to detect an electrochemical signal, the electrode being coupled to the metal nanoparticle and the metal nanoparticle, and complementarily binding to the other region of the amplification target nucleic acid. A plate-shaped PCR chip 900 comprising a complex with a signal probe present; A chip holder 300 mounted with the PCR chip 900 and having a connection port 310 configured to be electrically connected to an end of the electrode 950 of the PCR chip 900; The PCR chip 900 may be in thermal contact with the first row block 100 or the second row block 200 by moving the chip holder 300 on which the PCR chip 900 is mounted vertically or horizontally. Drive means 500, 510, 520 implemented such that; And an electrochemical signal measuring module electrically connected to the connection port 310 of the chip holder 300 to measure in real time an electrochemical signal generated in the reaction channel 921 of the PCR chip 900. 800).
본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 PCR 장치(1)는 기판(400) 상부에 배치된 제1 열 블록(100) 및 상기 기판(400) 상부에 상기 제1 열 블록(100)과 이격 배치된 제2 열 블록(200)을 포함한다. 상기 기판(400)은 상기 제1 열 블록(100) 및 제2 열 블록(200)의 가열로 인해 그 물리적 또는 화학적 성질이 변하지 않고, 상기 제1 열 블록(100) 및 제2 열 블록(200) 간에 열 교환이 일어나지 않도록 하는 재질을 갖는 물질로 구현될 수 있다. 상기 제1 열 블록(100) 및 제2 열 블록(200)은 핵산을 증폭하기 위한 변성 단계, 어닐링 단계 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행하기 위한 온도를 유지할 수 있다. 따라서 상기 제1 열 블록(100) 및 제2 열 블록(200)은 상기 각 단계들에 요구되는 온도를 제공하고, 이를 유지하기 위한 다양한 모듈을 포함하거나 또는 그러한 모듈과 구동가능하게 연결될 수 있다. 따라서, 상기 칩 홀더(300)에 장착된 PCR 칩(900)이 상기 각 열 블록(100, 200)의 일 면에 접촉하면 상기 제1 열 블록(100) 및 제2 열 블록(200)은 상기 PCR 칩(900)과의 접촉 면을 전체적으로 가열할 수 있어서, 상기 PCR 칩(900) 내부에 수용된 용액을 균일하게 가열 또는 온도 유지할 수 있다. 기존의 단일 열 블록을 채용했던 실시간 PCR 장치는 단일 열 블록에서의 온도 변화율이 초당 3 내지 7℃ 범위 내에서 이루어지는데 반해, 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 열 블록을 포함하는 실시간 PCR 장치(1)는 각각의 열 블록(100, 200)에서의 온도 변화율이 초당 20 내지 40℃ 범위 내에서 이루어져 PCR 수행 시간을 상당히 단축할 수 있다. 또한, 상기 제1 열 블록(100) 및 제2 열 블록(200)은 그 내부에 열선(도시되지 않음)이 배치될 수 있다. 상기 열선은 상기 변성 단계, 어닐링 단계 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행하기 위한 온도를 유지하도록 다양한 열원과 구동가능하게 연결될 수 있고, 상기 열선의 온도를 모니터하기 위한 다양한 온도 센서와 구동가능하게 연결될 수 있다. 상기 열선은 상기 제1 열 블록(100) 및 제2 열 블록(200) 내부 온도를 전체적으로 일정하게 유지하기 위해 각각의 열 블록(100, 200) 면의 중심점을 기준으로 상하 및/또는 좌우 방향으로 대칭되도록 배치될 수 있다. 또한, 상기 제1 열 블록(100) 및 제2 열 블록(200)은 그 내부에 박막 히터(thin film heater, 도시되지 않음)가 배치될 수 있다. 상기 박막 히터는 상기 제1 열 블록(100) 및 제2 열 블록(200) 내부 온도를 전체적으로 일정하게 유지하기 위해 각각의 열 블록(100, 200) 면의 중심점을 기준으로 상하 및/또는 좌우 방향으로 일정한 간격으로 이격 배치될 수 있다. 상기 제1 열 블록(100) 및 제2 열 블록(200)은 상기 PCR 칩(900)에 동일 면적의 고른 열 분포 및 신속한 열 전달을 위해 판 형상으로 구현되고, 금속 재질, 예를 들어 알루미늄 재질을 포함하거나 또는 알루미늄 재질로 구성될 수 있다. 상기 제1 열 블록(100)은 상기 변성 단계, 또는 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행하기 위한 적정 온도를 유지하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 실시간 PCR 장치(1)의 제1 열 블록(100)은 50℃ 내지 100℃를 유지할 수 있고, 바람직하게는 상기 제1 열 블록(100)에서 상기 변성 단계를 수행하는 경우 90℃ 내지 100℃를 유지할 수 있고, 바람직하게는 95℃를 유지할 수 있으며, 상기 제1 열 블록에서 상기 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행하는 경우에는 55℃ 내지 75℃를 유지할 수 있고, 바람직하게는 72℃를 유지할 수 있다. 다만, 상기 특정 온도 및 범위는 상기 변성 단계, 또는 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행할 수 있는 온도라면 제한되는 것은 아니다. 상기 제2 열 블록(200)은 상기 변성 단계, 또는 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행하기 위한 적정 온도를 유지하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 실시간 PCR 장치(1)의 제2 열 블록(200)은 상기 제2 열 블록에서 상기 변성 단계를 수행하는 경우 90℃ 내지 100℃를 유지할 수 있고, 바람직하게는 95℃를 유지할 수 있으며, 상기 제2 열 블록에서 상기 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행하는 경우에는 55℃ 내지 75℃를 유지할 수 있고, 바람직하게는 72℃를 유지할 수 있다. 다만, 상기 특정 온도 및 범위는 상기 변성 단계, 또는 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행할 수 있는 온도라면 제한되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 제2 실시예에 따르면, 상기 제1 열 블록(100)은 PCR의 변성 단계 온도 (denaturing temperature)를 유지할 수 있으며, 변성 단계 온도가 90℃보다 낮으면 주형 핵산의 변성이 일어나 수율이 떨어지거나 반응이 일어나지 않을 수도 있고, 변성 단계 온도가 100℃보다 높아지면 PCR에 사용되는 효소의 활성이 감소하거나 사라져서, 상기 변성 단계 온도는 90℃ 내지 100℃일 수 있고, 바람직하게는 95℃일 수 있다. 또한, 상기 제2 열 블록(200)은 PCR 반응의 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계 온도(annealing/extension temperature)를 유지할 수 있다. 연장 (혹은 증폭) 단계 온도가 55℃보다 낮으면 PCR 반응 산물의 특이성(specificity)이 떨어질 수 있고, 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계 온도가 74℃보다 높으면 프라이머에 의한 연장이 일어나지 않을 수 있기 때문에 PCR 효율이 떨어지게 되므로 상기 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계 온도는 55℃ 내지 75℃일 수 있고, 바람직하게는 72℃일 수 있다. 상기 제1 열 블록(100)과 제2 열 블록(200)은 상호 열 교환이 일어나지 않도록 미리 결정된 거리로 이격 배치된다. 이에 따라, 상기 제1 열 블록(100)과 제2 열 블록(200) 사이에서 열 교환이 일어나지 않기 때문에, 미세한 온도 변화에 의해서도 중대한 영향을 받을 수 있는 핵산 증폭 반응에 있어서, 상기 변성 단계와 상기 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계의 정확한 온도 제어가 가능하다.The real-time PCR apparatus 1 according to the exemplary embodiment of the present invention may include a first column block 100 disposed on the substrate 400 and spaced apart from the first column block 100 on the substrate 400. The second column block 200 is included. The substrate 400 does not change its physical or chemical properties due to heating of the first thermal block 100 and the second thermal block 200, and the first thermal block 100 and the second thermal block 200 do not change. It may be implemented as a material having a material so that heat exchange does not occur between). The first row block 100 and the second row block 200 may maintain a temperature for performing a denaturation step, annealing step and extension (or amplification) step for amplifying the nucleic acid. Thus, the first thermal block 100 and the second thermal block 200 may include or be operably connected with various modules for providing and maintaining the temperature required for the respective steps. Therefore, when the PCR chip 900 mounted on the chip holder 300 contacts one surface of each of the row blocks 100 and 200, the first row block 100 and the second row block 200 may be moved. The contact surface with the PCR chip 900 can be heated as a whole, so that the solution contained in the PCR chip 900 can be uniformly heated or maintained at temperature. The real time PCR apparatus employing a conventional single row block has a rate of temperature change in a single row block within a range of 3 to 7 ° C. per second, whereas a real time PCR device including two row blocks according to an embodiment of the present invention (1), the rate of temperature change in each of the thermal blocks 100 and 200 is within a range of 20 to 40 ° C. per second, which can significantly shorten the PCR execution time. In addition, hot wires (not shown) may be disposed in the first row block 100 and the second row block 200. The hot wire can be operably connected with various heat sources to maintain a temperature for performing the denaturing, annealing and extending (or amplifying) steps, and can be operably connected with various temperature sensors for monitoring the temperature of the hot wire. Can be. The heating wires may be moved up and down and / or left and right with respect to the center point of the surface of each of the heat blocks 100 and 200 in order to maintain a constant internal temperature of the first and second heat blocks 100 and 200. It may be arranged to be symmetrical. In addition, a thin film heater (not shown) may be disposed in the first thermal block 100 and the second thermal block 200. The thin-film heater is vertically and / or horizontally based on a center point of each of the heat block 100 and 200 in order to maintain a constant internal temperature of the first and second heat blocks 100 and 200. May be spaced apart at regular intervals. The first thermal block 100 and the second thermal block 200 are embodied in a plate shape for even heat distribution and rapid heat transfer of the same area to the PCR chip 900, and a metal material, for example, aluminum material It may comprise or be made of aluminum. The first thermal block 100 may be implemented to maintain an appropriate temperature for performing the denaturation step, or the annealing and extension (or amplification) steps. For example, the first column block 100 of the real time PCR apparatus 1 may maintain 50 ° C. to 100 ° C., and preferably, when the denaturation step is performed in the first row block 100, It can be maintained at ℃ to 100 ℃, preferably 95 ℃, 55 to 75 ℃ can be maintained when performing the annealing and extension (or amplification) step in the first heat block, preferably Preferably 72 ° C. However, the specific temperature and range are not limited as long as the denaturation step or the temperature at which the annealing and extension (or amplification) steps can be performed. The second thermal block 200 may be implemented to maintain an appropriate temperature for performing the denaturation step, or the annealing and extension (or amplification) steps. For example, the second row block 200 of the real time PCR apparatus 1 may maintain 90 ° C. to 100 ° C., preferably 95 ° C., when performing the denaturation step in the second row block. When the annealing and extension (or amplification) step is performed in the second thermal block, 55 ° C. to 75 ° C. may be maintained, and preferably 72 ° C. may be maintained. However, the specific temperature and range are not limited as long as the denaturation step or the temperature at which the annealing and extension (or amplification) steps can be performed. Therefore, according to the second embodiment of the present invention, the first heat block 100 can maintain the denaturing temperature of the PCR (denaturing temperature), the denaturation of the template nucleic acid occurs when the denaturation step temperature is lower than 90 ℃ The yield may not be reduced or the reaction may occur, and when the denaturation step temperature is higher than 100 ° C., the activity of the enzyme used in PCR is reduced or disappeared, so that the denaturation step temperature may be 90 ° C. to 100 ° C., preferably 95 May be ° C. In addition, the second row block 200 may maintain the annealing / extension temperature of the annealing and extension (or amplification) of the PCR reaction. If the extension (or amplification) step temperature is lower than 55 ° C, the specificity of the PCR reaction product may be lowered, and if the annealing and extension (or amplification) step temperature is higher than 74 ° C, extension by primers may not occur. Since the PCR efficiency is lowered, the annealing and extension (or amplification) step temperature may be 55 ° C to 75 ° C, preferably 72 ° C. The first thermal block 100 and the second thermal block 200 are spaced apart at a predetermined distance such that mutual heat exchange does not occur. Accordingly, since the heat exchange does not occur between the first heat block 100 and the second heat block 200, in the nucleic acid amplification reaction that can be significantly affected by minute temperature changes, the denaturation step and the Accurate temperature control of the annealing and extension (or amplification) steps is possible.
상기 구동 수단(500)은 상기 PCR 칩(900)이 장착된 칩 홀더(300)를 상하 또는 좌우로 이동하여 상기 PCR 칩(900)이 상기 제1 열 블록(100) 또는 상기 제2 열 블록(200)에 각각 열 접촉할 수 있도록 구현된다. 상기 구동 수단(500)에 의해, 상기 PCR 칩(900)이 장착된 칩 홀더(300)는 상기 제1 열 블록(100)과 제2 열 블록(200) 사이에서 좌우로 왕복 운동이 가능하고, 상기 구동 수단(500)에 의해, 상기 PCR 칩(900)이 장착된 칩 홀더(300)는 상기 제1 열 블록(100)과 제2 열 블록(200)에 상하로 접촉 또는 분리될 수 있다. 도 5에 따르면, 상기 구동 수단(500)은 좌우 방향으로 연장된 레일(510), 및 상기 레일(510)을 통해 좌우 방향으로 슬라이딩 이동 가능하게 배치되고, 상하 방향으로 슬라이딩 이동 가능한 연결 부재(520)를 포함하고, 상기 연결 부재(520)의 일 말단에 상기 칩 홀더(300)가 연결 배치된다. 상기 구동 수단(500)의 좌우 및/또는 상하 이동은 상기 실시간 PCR 장치(1)의 내부 또는 외부에 구동가능하게 배치된 제어 수단(도시되지 않음)에 의해 제어될 수 있다.The driving means 500 moves the chip holder 300 on which the PCR chip 900 is mounted up, down, left, or right so that the PCR chip 900 has the first row block 100 or the second row block ( Each of which is in thermal contact. By the driving means 500, the chip holder 300 on which the PCR chip 900 is mounted is capable of reciprocating left and right between the first row block 100 and the second row block 200, By the driving means 500, the chip holder 300 on which the PCR chip 900 is mounted may be contacted or separated up and down with the first row block 100 and the second row block 200. According to FIG. 5, the driving means 500 is disposed to be slidably movable in the left and right directions through the rail 510 extending in the left and right directions, and the rail 510, and the connecting member 520 that is slidably movable in the vertical direction. The chip holder 300 is connected to one end of the connection member 520. The left and right and / or vertical movement of the driving means 500 may be controlled by control means (not shown) which is operably disposed inside or outside the real-time PCR apparatus 1.
실시간 PCR 장치(1)는 PCR 시료 및 시약을 수용하는 판 형상의 PCR 칩(900) 및 칩 홀더(300)를 포함하고, 상기 PCR 칩(900)은 상기 칩 홀더(300)에 탈착 가능하게 구현된다, 상기 PCR 칩(900) 및 칩 홀더(300)에 관한 상세사항은 후술한다.The real-time PCR device 1 includes a plate-shaped PCR chip 900 and a chip holder 300 for accommodating PCR samples and reagents, the PCR chip 900 is implemented to be detachable to the chip holder 300 Details of the PCR chip 900 and the chip holder 300 will be described later.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 실시간 PCR 장치(1)의 구동원리를 도시한다.6 shows the driving principle of the real-time PCR device 1 according to the second embodiment of the present invention.
도 6에 따르면, 상기 실시간 PCR 장치(1)를 이용한 핵산 증폭 반응은 아래와 같이 구현된다. 먼저, 상기 PCR 칩(900)에 예를 들어, 주형 핵산(예를 들어, 이중 가닥 DNA), 증폭하고자 하는 특정 염기 서열과 상보적인 서열을 갖는 올리고뉴클레오티드 프라이머, DNA 중합효소, 삼인산화데옥시리보뉴클레오티드(deoxyribonucleotide triphosphates, dNTP), PCR 완충액(PCR buffer)를 포함하는 PCR 시료 및 시약을 포함하는 용액을 도입한 후, 상기 PCR 칩(900)을 상기 칩 홀더(300)에 장착한다. 뒤이어, 상기 제1 열 블록(100)을 변성 단계 온도, 예를 들어, 90℃ 내지 100℃, 바람직하게는 95℃로 가열 및 유지한다. 뒤이어 또는 이와 동시에, 상기 제2 열 블록(200)을 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 위한 온도, 예를 들어, 55℃ 내지 75℃, 바람직하게는 72℃로 가열 및 유지한다. 그 후, 상기 구동 수단(500)의 연결 부재(520)를 제어하여 상기 PCR 칩(900)을 하향 이동시켜, 상기 칩 홀더(300)에 장착된 PCR 칩(900)을 상기 제1 열 블록(100)에 접촉시켜 PCR 제1 변성 단계를 수행한다(x 단계). 뒤이어, 상기 구동 수단(500)의 연결 부재(520)를 제어하여 상기 PCR 칩(900)을 상향 이동시켜, 상기 칩 홀더(300)에 장착된 PCR 칩(900)을 상기 제1 열 블록(100)으로부터 분리시켜 PCR 제1 변성 단계를 종료하고, 상기 구동 수단(500)의 레일(510) 및 연결 부재(520)를 제어하여 상기 PCR 칩(900)을 제2 열 블록(200)의 위로 이동시킨다(y 단계). 그 후, 상기 구동 수단(500)의 연결 부재(520)를 제어하여 상기 PCR 칩(900)을 하향 이동시켜, 상기 칩 홀더(300)에 장착된 PCR 칩(900)을 상기 제2 열 블록(100)에 접촉시켜 PCR 제1 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 수행한다(z 단계). 뒤이어, 상기 구동 수단(500)의 연결 부재(520)를 제어하여 상기 PCR 칩(900)을 상향 이동시켜, 상기 칩 홀더(300)에 장착된 PCR 칩(900)을 상기 제2 열 블록(100)으로부터 분리시켜 PCR의 제1 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계를 종료하고, 상기 구동 수단(500)의 레일(510) 및 연결 부재(520)를 제어하여 상기 PCR 칩(900)을 제1 열 블록(200)의 위로 이동시킨 후 상기 x, y, z 단계를 반복함으로써, 일정 주기로 핵산 증폭 반응을 수행한다(순환 단계).According to Figure 6, the nucleic acid amplification reaction using the real-time PCR device 1 is implemented as follows. First, for example, a template nucleic acid (eg, double-stranded DNA), an oligonucleotide primer having a sequence complementary to a specific nucleotide sequence to be amplified, a DNA polymerase, and a triphosphate deoxyribo After introducing a PCR sample including a nucleotide (deoxyribonucleotide triphosphates (dNTP), PCR buffer) and a solution containing a reagent, the PCR chip 900 is mounted on the chip holder 300. Subsequently, the first heat block 100 is heated and maintained at a denaturation step temperature, for example 90 ° C. to 100 ° C., preferably 95 ° C. Subsequently or at the same time, the second heat block 200 is heated and maintained at a temperature for an annealing and extension (or amplification) step, for example 55 ° C. to 75 ° C., preferably 72 ° C. Thereafter, the PCR chip 900 is moved downward by controlling the connection member 520 of the driving means 500 to move the PCR chip 900 mounted on the chip holder 300 to the first row block ( 100) to perform the PCR first denaturation step (step x). Subsequently, the PCR chip 900 is moved upward by controlling the connecting member 520 of the driving means 500 to move the PCR chip 900 mounted on the chip holder 300 to the first row block 100. End the PCR first denaturation step and control the rail 510 and the connection member 520 of the driving means 500 to move the PCR chip 900 above the second row block 200. (Step y). Thereafter, the PCR chip 900 is moved downward by controlling the connection member 520 of the driving means 500 to move the PCR chip 900 mounted on the chip holder 300 to the second row block ( 100) to perform PCR first annealing and extension (or amplification) steps (step z). Subsequently, the PCR chip 900 is moved upward by controlling the connecting member 520 of the driving means 500 to move the PCR chip 900 mounted on the chip holder 300 to the second row block 100. End the first annealing and extension (or amplification) step of the PCR, and control the rail 510 and the connecting member 520 of the driving means 500 to control the PCR chip 900 in a first row. After moving up block 200, the steps x, y, and z are repeated to perform nucleic acid amplification reactions at predetermined cycles (circulation step).
도 7 내지 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 PCR 칩(900)의 상세도이다.7 to 10 are detailed views of the PCR chip 900 according to the second embodiment of the present invention.
상기 PCR 칩(900)은 판 형상으로서, 양 말단에 유입부(931) 및 유출부(932)가 구현된 1 이상의 반응 채널(921)로 구현되고, 상기 반응 채널(921) 내부의 일 영역에 배치되되 증폭 표적 핵산의 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 포획 프로브가 표면 처리된 고정 층(940), 및 상기 반응 채널(921) 내부의 다른 일 영역에 배치되되 전기화학적 신호를 검출하도록 구현된 전극(950)을 구비하고, 금속 나노입자 및 상기 금속 나노입자에 연결되되 상기 증폭 표적 핵산의 다른 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 신호 프로브를 구비하는 복합체를 수용한다. 이 경우 상기 반응 채널(921)은 본 발명의 제1 실시예에 따른 반응 챔버(23)의 일종으로 이해되어야 할 것이고, 상기 반응 채널(921) 내부의 일 영역에 배치되되 증폭 표적 핵산의 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 포획 프로브가 표면 처리된 고정 층(940), 및 금속 나노입자 및 상기 금속 나노입자에 연결되되 상기 증폭 표적 핵산의 다른 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 신호 프로브를 구비하는 복합체는 상술한 본 발명의 제1 실시예에서 설명한 바와 같다 할 것이다.The PCR chip 900 has a plate shape and is formed of one or more reaction channels 921 having inlets 931 and outlets 932 formed at both ends thereof, and in one region inside the reaction channel 921. A capture probe disposed on the fixed layer 940 that is surface treated and capable of complementarily binding to one region of the amplification target nucleic acid, and the other region within the reaction channel 921, to detect an electrochemical signal. And a complex having a metal nanoparticle and a signal probe connected to the metal nanoparticle and complementarily binding to another region of the amplification target nucleic acid. In this case, the reaction channel 921 should be understood as a kind of reaction chamber 23 according to the first embodiment of the present invention. The reaction channel 921 is disposed in one region of the reaction channel 921 and is one region of the amplification target nucleic acid. A capture probe capable of binding complementary to the surface-fixed fixed layer 940, and a signal probe coupled to the metal nanoparticle and the metal nanoparticle but capable of complementarily binding to another region of the amplification target nucleic acid. Composite having a will be as described in the first embodiment of the present invention described above.
상기 PCR 칩(900)은 핵산, 예를 들어 PCR 시료인 주형 핵산 이중 가닥 DNA, PCR 시약인 증폭하고자 하는 특정 염기 서열과 상보적인 서열을 갖는 올리고뉴클레오티드 프라이머, DNA 중합효소, 삼인산화데옥시리보뉴클레오티드(deoxyribonucleotide triphosphates, dNTP), PCR 완충액 (PCR reaction buffer)을 포함하는 용액을 수용할 수 있다. 상기 PCR 칩(900)은 상기 시료 및 시약을 도입하기 위한 유입부(931), 핵산 증폭 반응을 완료한 용액을 배출하기 위한 유출부(932) 및 상기 시료 및 시약의 핵산 증폭 반응이 수행되는 반응 채널(921)을 구비한다. 상기 PCR 칩(900)의 일 표면이 상기 제1 열 블록(100) 및 제2 열 블록(200)에 열 접촉하면 상기 제1 열 블록(100) 및 제2 열 블록(200)으로부터 열을 제공받고, 상기 PCR 칩(900)의 반응 채널(921)에 포함된 PCR 시료 및 시약은 가열 및 유지될 수 있다. 또한, 상기 PCR 칩(900)은 열 전도율을 높이고 2 이상의 반응 채널(921)을 구비할 수 있도록 전체적으로 판 형상으로 구현된다. 또한, 상기 PCR 칩(900)의 외부 구조는 상기 칩 홀더(300)로부터 이탈되지 않도록 상기 칩 홀더(300)의 내부 공간에 고정 장착되도록 구현된다. 또한, 상기 PCR 칩(900)은 투명 또는 불투명 재질의 플라스틱 재질로 구현될 수 있는데, 플라스틱 재질의 특성상 두께 조절이 용이하여 두께 조절만으로 열 전달 효율을 증대시킬 수 있고, 제작 공정이 단순하여 칩 제조 비용을 절감할 수 있다.The PCR chip 900 is a nucleic acid, for example, a template nucleic acid double stranded DNA as a PCR sample, an oligonucleotide primer having a sequence complementary to a specific nucleotide sequence to be amplified as a PCR reagent, DNA polymerase, and triphosphate deoxyribonucleotide (deoxyribonucleotide triphosphates (dNTP), a solution containing a PCR reaction buffer can be accommodated. The PCR chip 900 includes an inlet 931 for introducing the sample and a reagent, an outlet 932 for discharging the solution having completed the nucleic acid amplification reaction, and a nucleic acid amplification reaction of the sample and the reagent. Channel 921 is provided. When one surface of the PCR chip 900 is in thermal contact with the first row block 100 and the second row block 200, heat is provided from the first row block 100 and the second row block 200. The PCR samples and reagents included in the reaction channel 921 of the PCR chip 900 may be heated and maintained. In addition, the PCR chip 900 is implemented in a plate shape as a whole to increase the thermal conductivity and to have two or more reaction channels 921. In addition, the external structure of the PCR chip 900 is implemented to be fixedly mounted in the inner space of the chip holder 300 so as not to be separated from the chip holder 300. In addition, the PCR chip 900 may be implemented as a plastic material of a transparent or opaque material, the thickness of the plastic material is easy to adjust the thickness can increase the heat transfer efficiency only by adjusting the thickness, manufacturing process is simple chip manufacturing You can save money.
상기 전극(950)은 상기 반응 채널(921)의 적어도 일 영역에 배치되되 상기 반응 채널(921) 내부에서 발생하는 전기화학적 신호를 검출하도록 구현된다. 상기 전극(950)은 위와 같은 기능을 수행하기 위하여 다양한 재질로 구현될 수 있지만, 예를 들어 금(Au), 코발트(Co), 백금(Pt), 은(Ag), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그래핀(graphene), 및 탄소(Carbon)로 구성된 군으로부터 1 이상 선택될 수 있다. 또한, 상기 전극(950)은 위와 같은 기능을 수행하기 위하여 다양한 형상 또는 구조로 구현될 수 있지만, 예를 들어 도 7과 같이 상기 반응 채널(921)의 중심 영역의 바닥에 배치되고, 그 말단이 상기 PCR 칩의 테두리 경계까지 연장되는 선 형상으로 구현될 수 있고, 더 나아가 도 8과 같이 산화 또는 환원 반응이 일어나는 지시 전극(working electrode)(950a) 및 산화 또는 환원 반응이 일어나지 않는 기준 전극(reference electrode)(950b)을 구비하는 2-전극 모듈(도 8의 우측), 또는 상기 지시 전극(950a), 상기 기준 전극(950b), 및 상기 지시 전극으로부터 발생하는 전자 밸런스를 조절하는 카운터 전극(counter electrode)(950c)을 구비하는 3-전극 모듈(도 8의 좌측)로 구현될 수 있다. 이와 같이, 상기 전극(950)의 구조가 도 8과 같이 다-전극 모듈 방식으로 구현되면, 상기 반응 채널(921) 내부에서 발생하는 전기화학적 신호의 감도를 높일 수 있을 뿐만 아니라, 발생 신호의 검출 및 측정을 용이하게 수행할 수 있다.The electrode 950 is disposed in at least one region of the reaction channel 921 and is implemented to detect an electrochemical signal generated inside the reaction channel 921. The electrode 950 may be formed of various materials to perform the above functions, but for example, gold (Au), cobalt (Co), platinum (Pt), silver (Ag), carbon nanotubes (carbon nanotubes) ), Graphene, and carbon may be selected from one or more selected from the group consisting of. In addition, the electrode 950 may be implemented in various shapes or structures to perform the above function, but is disposed at the bottom of the center region of the reaction channel 921 as shown in FIG. It may be implemented in a linear shape extending to the edge of the PCR chip, further as shown in Figure 8 working electrode 950a (oxidation or reduction reaction) and a reference electrode (oxidation or reduction) does not occur A two-electrode module having an electrode 950b (right side in FIG. 8), or a counter electrode for adjusting the electronic balance generated from the indicator electrode 950a, the reference electrode 950b, and the indicator electrode. It may be implemented as a three-electrode module (left side of FIG. 8) having an electrode 950c. As such, when the structure of the electrode 950 is implemented in the multi-electrode module method as illustrated in FIG. 8, not only the sensitivity of the electrochemical signal generated in the reaction channel 921 may be increased, but the detection of the generated signal may be performed. And measurement can be easily performed.
한편, 도 9 내지 10에 따르면, 상기 PCR 칩(900)은 수직 단면도를 기준으로 크게 3개의 층(layer)으로 구분될 수 있다. 도 9 내지 10에 따르면, 상기 PCR 칩(900)은 상기 전극(950)이 구비된 제1 판(910); 상기 제1 판(910) 상에 배치되되 상기 1 이상의 반응 채널(921)이 구비된 제2 판(920); 및 상기 제2 판(920) 상에 배치되되 상기 유입부(931) 및 유출부(932), 및 상기 포획 프로브가 표면 처리된 고정 층(940)이 구비된 제3 판(930)을 포함할 수 있다.Meanwhile, according to FIGS. 9 to 10, the PCR chip 900 may be divided into three layers based on the vertical cross-sectional view. 9 to 10, the PCR chip 900 includes: a first plate 910 provided with the electrode 950; A second plate 920 disposed on the first plate 910 and provided with the one or more reaction channels 921; And a third plate 930 disposed on the second plate 920 and having an inlet 931 and an outlet 932 and a fixing layer 940 on which the capture probe is surface treated. Can be.
상기 전극(950)이 구비된 제1 판(910)의 상부 면은 상기 제2 판(920)의 하부 면에 접착 배치된다. 상기 제1 판(910)이 상기 반응 채널(921)을 구비하는 제2 판(920)에 접착 배치됨으로써 상기 반응 채널(921)에 관한 공간이 확보되고, 더 나아가 상기 반응 채널(921)의 적어도 일 영역(표면)에 상기 전극(950)이 배치된다. 한편, 상기 제1 판(910)은 다양한 재질로 구현될 수 있으나, 바람직하게는 폴리디메틸실옥산(polydimethylsiloxane, PDMS), 사이클로올레핀코폴리머(cycle olefin copolymer, COC), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmetharcylate, PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리프로필렌카보네이트(polypropylene carbonate, PPC), 폴리에테르설폰(polyether sulfone, PES), 및 폴리에틸렌텔레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 및 그의 조합물로 구성된 군으로부터 선택되는 재질일 수 있다. 또한, 상기 제1 판(910)의 상부 면은 친수성 물질(도시되지 않음)이 처리되어 PCR을 원활하게 수행할 수 있다. 상기 친수성 물질 처리에 의해 상기 제1 판(910) 상에 친수성 물질을 포함하는 단일 층이 형성될 수 있다. 상기 친수성 물질은 다양한 물질일 수 있으나, 바람직하게는 카르복시기(-COOH), 아민기(-NH2), 히드록시기(-OH), 및 술폰기(-SH)로 구성된 군으로부터 선택되는 것일 수 있고, 상기 친수성 물질의 처리는 당 업계에 공지된 방법에 따라 수행할 수 있다. The upper surface of the first plate 910 with the electrode 950 is adhesively disposed on the lower surface of the second plate 920. The first plate 910 is adhered to the second plate 920 having the reaction channel 921 to secure a space with respect to the reaction channel 921, and further, at least the reaction channel 921. The electrode 950 is disposed in one region (surface). On the other hand, the first plate 910 may be implemented in a variety of materials, preferably polydimethylsiloxane (PDMS), cycloolefin copolymer (cycle olefin copolymer, COC), polymethyl methacrylate (polymethylmetharcylate) , PMMA), polycarbonate (PC), polypropylene carbonate (PPC), polyether sulfone (PES), and polyethylene terephthalate (PET), and combinations thereof It may be a material selected from. In addition, a hydrophilic material (not shown) may be processed on the upper surface of the first plate 910 to smoothly perform PCR. By treating the hydrophilic material, a single layer including a hydrophilic material may be formed on the first plate 910. The hydrophilic material may be a variety of materials, but preferably may be selected from the group consisting of carboxyl group (-COOH), amine group (-NH2), hydroxy group (-OH), and sulfone group (-SH), Treatment of the hydrophilic material can be carried out according to methods known in the art.
상기 1 이상의 반응 채널(921)이 구비된 제2 판(920)의 상부 면은 상기 제3 판(930)의 하부 면과 접촉 배치된다. 상기 제2 판(920)은 상기 반응 채널(921)을 포함한다. 상기 반응 채널(921)은 상기 제3 판(910)에 형성된 유입부(931)와 유출부(932)에 대응되는 부분과 연결되어 양 말단에 유입부(931) 및 유출부(932)가 구현된 1 이상의 반응 채널(921)을 완성한다. 따라서, 상기 반응 채널(921)에 PCR 시료 및 시약이 도입된 후 PCR이 진행된다. 또한, 상기 반응 채널(921)은 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치(1)의 사용 목적 및 범위에 따라 2 이상 존재할 수 있고, 도 3에 따르면, 2개의 반응 채널(921)이 예시되고 있다. 또한, 상기 제2 판(920)은 다양한 재질로 구현될 수 있으나, 바람직하게는 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 사이클로올레핀 코폴리머(cycloolefin copolymer, COC), 폴리아미드(polyamide, PA), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리페닐렌 에테르(polyphenylene ether, PPE), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene, POM), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone, PEEK), 폴리테트라프로오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 폴리비닐리덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate, PBT), 불소화에틸렌프로필렌(fluorinated ethylenepropylene, FEP), 퍼플로로알콕시알칸(perfluoralkoxyalkane, PFA), 및 그의 조합물로 구성된 군으로부터 선택되는 열 가소성 수지 또는 열 경화성 수지 재질일 수 있다. 또한, 상기 제2 판(920)의 두께는 다양할 수 있으나, 100 ㎛ 내지 200 ㎛에서 선택될 수 있다. 또한, 상기 반응 채널(921)의 폭과 길이는 다양할 수 있으나, 바람직하게는 상기 반응 채널(921)의 폭은 0.5 mm 내지 3 mm에서 선택되고, 상기 반응 채널(921)의 길이는 20 mm 내지 40 mm에서 선택될 수 있다. 또한, 상기 제2 판(920) 내벽은 DNA, 단백질(protein) 흡착을 방지하기 위해 실란(silane) 계열, 보바인 시럼 알부민(Bovine Serum Albumin, BSA) 등의 물질로 코팅할 수 있고, 상기 물질의 처리는 당 업계에 공지된 방법에 따라 수행될 수 있다.An upper surface of the second plate 920 having the one or more reaction channels 921 is disposed in contact with the lower surface of the third plate 930. The second plate 920 includes the reaction channel 921. The reaction channel 921 is connected to a portion corresponding to the inlet portion 931 and the outlet portion 932 formed on the third plate 910 so that the inlet portion 931 and the outlet portion 932 are implemented at both ends. One or more reaction channels (921). Therefore, PCR is performed after the PCR sample and the reagent are introduced into the reaction channel 921. In addition, the reaction channel 921 may be present in two or more depending on the purpose and range of use of the PCR device 1 according to an embodiment of the present invention, according to Figure 3, two reaction channels 921 are illustrated have. In addition, the second plate 920 may be formed of various materials, but preferably, polymethylmethacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), cycloolefin copolymer (cycloolefin copolymer, COC) , Polyamide (PA), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyphenylene ether (PPE), polystyrene (PS), polyoxymethylene (POM) Polyetheretherketone (PEEK), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylchloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVDF), polybutylene terephthalate (polybutylene terephthalate) , PBT), fluorinated ethylenepropylene (FEP), perfluoroalkoxyalkane (PFA), and combinations thereof It is chosen or a thermoplastic resin may be a thermosetting resin material. In addition, the thickness of the second plate 920 may vary, but may be selected from 100 μm to 200 μm. In addition, the width and length of the reaction channel 921 may vary, but preferably the width of the reaction channel 921 is selected from 0.5 mm to 3 mm, the length of the reaction channel 921 is 20 mm To 40 mm. In addition, the inner wall of the second plate 920 may be coated with a material such as silane-based and Bovine Serum Albumin (BSA) to prevent DNA and protein adsorption. The treatment of can be carried out according to methods known in the art.
상기 유입부(931) 및 유출부(932), 및 상기 포획 프로브가 표면 처리된 고정 층(940)이 구비된 제3 판(930)의 하부 면은 상기 제2 판(920)의 상부 면에 배치된다. 상기 제3 판(930)은 상기 제2 판(920)에 형성된 반응 채널(921) 상의 일 영역에 형성된 유입부(931) 및 다른 일 영역에 형성된 유출부(932)를 구비한다. 상기 유입부(931)는 PCR 시료 및 시약이 유입되는 부분이다. 상기 유출부(932)는 PCR이 종료된 후 PCR 산물이 유출되는 부분이다. 따라서, 상기 제3 판(930)은 상기 제2 판(920)에 형성된 반응 채널(921)을 커버하되 상기 유입부(931) 및 유출부(932)는 상기 반응 채널(921)의 유입부 및 유출부 역할을 수행하게 된다. 또한, 상기 고정 층(940)의 상기 반응 채널(921)의 일 영역에 형성된다. 이 경우 상기 고정 층(940)은 상기 제1 판(910)의 전극(950)과 서로 마주보도록 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제3 판(930)은 다양한 재질로 구현될 수 있지만, 바람직하게는 폴리디메틸실옥산(polydimethylsiloxane, PDMS), 사이클로올레핀코폴리머(cycle olefin copolymer, COC), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmetharcylate, PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리프로필렌카보네이트(polypropylene carbonate, PPC), 폴리에테르설폰(polyether sulfone, PES), 및 폴리에틸렌텔레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 및 그의 조합물로 구성된 군으로부터 선택되는 재질일 수 있다. 또한, 상기 유입부(931)은 다양한 크기를 구비할 수 있으나, 바람직하게는 지름 1.0 mm 내지 3.0 mm에서 선택될 수 있다. 또한, 상기 유출부(932)는 다양한 크기를 구비할 수 있으나, 바람직하게는 지름 1.0 mm 내지 1.5 mm에서 선택될 수 있다. 또한, 상기 유입부(931) 및 유출부(932)는 별도의 커버 수단(도시되지 않음)을 구비하여, 상기 반응 채널(921) 내에서 PCR 시료 및 시약에 대한 PCR이 진행될 때 용액이 누출되는 것을 방지할 수 있다. 상기 커버 수단은 다양한 형상, 크기 또는 재질로서 구현될 수 있다. 또한, 상기 제3 판의 두께는 다양할 수 있으나, 바람직하게는 0.1 mm 내지 2.0 mm에서 선택될 수 있다. 또한, 상기 유입부(931) 및 상기 유출부(932)는 2 이상 존재할 수 있다.The lower surface of the third plate 930 having the inlet portion 931 and the outlet portion 932 and the fixed layer 940 on which the capture probe is surface treated is provided on the upper surface of the second plate 920. Is placed. The third plate 930 includes an inlet portion 931 formed in one region on the reaction channel 921 formed in the second plate 920 and an outlet portion 932 formed in the other region. The inlet portion 931 is a portion into which the PCR sample and the reagent are introduced. The outlet 932 is a portion where the PCR product flows out after the PCR is completed. Accordingly, the third plate 930 covers the reaction channel 921 formed in the second plate 920, but the inlet part 931 and the outlet part 932 are the inlet part of the reaction channel 921 and the same. It will act as an outlet. In addition, the pinned layer 940 is formed in one region of the reaction channel 921. In this case, the fixed layer 940 may be disposed to face the electrodes 950 of the first plate 910. In addition, the third plate 930 may be made of various materials, but preferably, polydimethylsiloxane (PDMS), cycloolefin copolymer (CCO), polymethylmethacrylate (polymethylmetharcylate) , PMMA), polycarbonate (PC), polypropylene carbonate (PPC), polyether sulfone (PES), and polyethylene terephthalate (PET), and combinations thereof It may be a material selected from. In addition, the inlet portion 931 may have various sizes, but preferably may be selected from a diameter of 1.0 mm to 3.0 mm. In addition, the outlet portion 932 may have various sizes, but preferably may be selected from a diameter of 1.0 mm to 1.5 mm. In addition, the inlet part 931 and the outlet part 932 are provided with separate cover means (not shown), so that the solution leaks when the PCR sample and the reagent in the reaction channel 921 proceed with the PCR. Can be prevented. The cover means may be implemented in various shapes, sizes or materials. In addition, the thickness of the third plate may vary, but preferably may be selected from 0.1 mm to 2.0 mm. In addition, the inlet part 931 and the outlet part 932 may exist at least two.
한편, 상기 PCR 칩(900)은 기계적 가공을 통해 유입부(931) 및 유출부(932)를 형성하여 제3 판(930)을 제공하는 단계; 상기 제3 판(930)의 하부 면과 대응되는 크기를 갖는 판재에 상기 제3 판(930)의 유입부(931)와 대응되는 부분으로부터 상기 제3 판(930)의 유출부(932)에 대응되는 부분까지 기계적 가공을 통해 반응 채널(921)을 형성하여 제2 판(920)을 제공하는 단계; 상기 제2 판(920)의 하부 면과 대응되는 크기를 갖는 판재의 상부 면에 표면 처리 가공을 통해 친수성 물질(922)로 구현된 표면을 형성하여 제1 판(910)을 제공하는 단계; 및 상기 제3 판(930)의 하부 면을 상기 제2 판(920)의 상부 면에 접합 공정을 통해 접합하고, 상기 제2 판(920)의 하부 면을 상기 제1 판(910)의 상부 면에 접합 공정을 통해 접합하는 단계를 포함하는 방법에 의해 용이하게 제조될 수 있다. 상기 제3 판(930)의 유입부(931) 및 유출부(932), 및 상기 제2 판(920)의 반응 채널(921)은 사출성형, 핫-엠보싱(hot-embossing), 캐스팅(casting), 및 레이저 어블레이션(laser ablation)으로 구성된 군으로부터 선택되는 가공 방법에 의해 제조될 수 있다. 또한, 상기 제1 판(910) 표면의 친수성 물질(922)은 산소 및 아르곤 플라즈마 처리, 코로나 방전 처리, 및 계면 활성제 도포로 구성된 군으로부터 선택되는 방법에 의해 처리될 수 있고 당 업계에 공지된 방법에 따라 수행될 수 있다. 또한, 상기 제3 판(930)의 하부 면과 상기 제2 판(920)의 상부 면, 및 상기 제2 판(920)의 하부 면과 상기 제1 판(910)의 상부 면은 열 접합, 초음파 융착, 용매 접합 공정에 의해 접착될 수 있고 당 업계에 공지된 방법에 따라 수행될 수 있다. 상기 제3 판(930)과 제2 판(920) 사이 및 상기 제2 판(920)과 제3 판(910) 사이에는 양면 접착제 또는 열가소성 수지 또는 열 경화성 수지(500)가 처리될 수 있다.On the other hand, the PCR chip 900 to form an inlet (931) and outlet 932 through mechanical processing to provide a third plate (930); The plate having a size corresponding to the bottom surface of the third plate 930 from the portion corresponding to the inlet portion 931 of the third plate 930 to the outlet portion 932 of the third plate 930. Forming a reaction channel 921 through mechanical processing to a corresponding portion to provide a second plate 920; Providing a first plate 910 by forming a surface made of a hydrophilic material 922 through surface treatment on an upper surface of a plate having a size corresponding to a lower surface of the second plate 920; And bonding a lower surface of the third plate 930 to an upper surface of the second plate 920 through a bonding process, and attaching a lower surface of the second plate 920 to an upper portion of the first plate 910. It can be easily produced by a method comprising the step of bonding to the surface through a bonding process. The inlet 931 and outlet 932 of the third plate 930 and the reaction channel 921 of the second plate 920 are injection molded, hot-embossing and casting. ), And laser ablation. In addition, the hydrophilic material 922 on the surface of the first plate 910 may be treated by a method selected from the group consisting of oxygen and argon plasma treatment, corona discharge treatment, and surfactant application and are known in the art. Can be performed according to. In addition, the lower surface of the third plate 930 and the upper surface of the second plate 920, the lower surface of the second plate 920 and the upper surface of the first plate 910 may be thermally bonded, It can be adhered by ultrasonic fusion, solvent bonding processes and can be carried out according to methods known in the art. A double-sided adhesive, a thermoplastic resin, or a thermosetting resin 500 may be processed between the third plate 930 and the second plate 920 and between the second plate 920 and the third plate 910.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 칩 홀더를 도시한다.11 shows a chip holder according to a second embodiment of the present invention.
도 11에 따르면, 상기 칩 홀더(300)는 상기 PCR 칩(900)이 장착되되 상기 PCR 칩(900)의 전극(950) 말단과 전기적으로 연결되도록 구현된 연결 포트(310)를 구비한다. 상기 칩 홀더(300)는 상기 PCR 칩(900)이 상기 PCR 장치(1)에 장착되는 부분이다. 상기 칩 홀더(300)의 내벽은 판 형상을 갖는 PCR 칩(900)이 상기 칩 홀더(300)로부터 이탈하지 않도록 상기 PCR 칩(900)의 외벽과 고정 장착되기 위한 형상 및 구조를 가질 수 있다. 즉, 상기 PCR 칩(900)이 상기 칩 홀더(300)에 장착되는 경우 상기 PCR 칩(900)의 전극(950) 말단은 상기 칩 홀더(300)의 연결 포트(310)와 전기적으로 연결되어 상기 PCR 칩(900)의 반응 채널(921) 내부에서 증폭 표적 핵산과 포획 프로브 및 신호 프로브와의 결합으로 인해 발생하는 전기화학적 신호가 전기화학적 신호 측정 모듈(800)로 전달된다. 한편, 상기 PCR 칩(900)은 상기 칩 홀더(300)와 탈착 가능하다. 또한, 상기 칩 홀더(300)는 상기 구동 수단(500), 구체적으로 상기 연결 부재(520)의 말단에 연결되어 상기 실시간 PCR 장치(1) 내부에서 상하 또는 좌우로 이동할 수 있다.According to FIG. 11, the chip holder 300 includes a connection port 310 on which the PCR chip 900 is mounted but is electrically connected to an end of the electrode 950 of the PCR chip 900. The chip holder 300 is a portion in which the PCR chip 900 is mounted to the PCR device 1. The inner wall of the chip holder 300 may have a shape and structure for fixed mounting with the outer wall of the PCR chip 900 so that the PCR chip 900 having a plate shape does not leave the chip holder 300. That is, when the PCR chip 900 is mounted on the chip holder 300, the end of the electrode 950 of the PCR chip 900 is electrically connected to the connection port 310 of the chip holder 300. The electrochemical signal generated due to the binding of the amplification target nucleic acid to the capture probe and the signal probe in the reaction channel 921 of the PCR chip 900 is transferred to the electrochemical signal measurement module 800. On the other hand, the PCR chip 900 is removable from the chip holder 300. In addition, the chip holder 300 is connected to the driving means 500, specifically, the end of the connecting member 520 may be moved up and down or left and right inside the real-time PCR device (1).
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 실시간 PCR 장치의 전기화학적 신호 측정 모듈의 배치도이다.12 is a layout view of an electrochemical signal measurement module of a real-time PCR device according to a second embodiment of the present invention.
도 12에 따르면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 실시간 PCR 장치(1)는 상기 칩 홀더(300)의 연결 포트(310)와 전기적으로 연결되어 상기 PCR 칩(900)의 반응 채널(921) 내부에서 발생하는 전기화학적 신호를 실시간으로 측정하도록 구현된 전기화학적 신호 측정 모듈(800)을 포함한다. 상기 전기화학적 신호 측정 모듈(800)은 상기 칩 홀더(300)의 연결 포트(310)와 전기적 연결 수단(700), 예를 들어 리드 전선을 통해 전기 소통가능하게 연결될 수 있다. 따라서, 상기 PCR 칩(900)의 반응 채널(921) 내부에서 발생된 전기화학적 신호는 상기 PCR 칩(900)의 전극(950)을 통해 검출되고, 상기 검출된 신호는 상기 칩 홀더(300)의 연결 포트(310)와 상기 전기적 연결 수단(700)을 경유하여 상기 전기화학적 신호 측정 모듈(800)에서 측정되고 더 나아가 가공 또는 분석될 수 있다. 상기 전기화학적 신호 측정 모듈(800)은 다양할 수 있으나, 양극 벗김 전압전류계(anodic stripping voltammetry, ASV), 대시간 전류계 (chronoamperometry, CA), 순환 전압전류계(cyclic voltammetry), 네모파 전압전류계(square wave voltammetry, SWV), 펄스 전압전류계(differential pulse voltammetry, DPV), 및 임피던스계(impedance)로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다.According to FIG. 12, the real-time PCR device 1 according to the second embodiment of the present invention is electrically connected to the connection port 310 of the chip holder 300, so that the reaction channel 921 of the PCR chip 900 is provided. An electrochemical signal measuring module 800 is implemented to measure the electrochemical signal generated therein in real time. The electrochemical signal measuring module 800 may be electrically connected to the connection port 310 of the chip holder 300 through an electrical connection means 700, for example, a lead wire. Therefore, an electrochemical signal generated in the reaction channel 921 of the PCR chip 900 is detected through the electrode 950 of the PCR chip 900, and the detected signal is detected by the chip holder 300. It may be measured and further processed or analyzed in the electrochemical signal measuring module 800 via the connection port 310 and the electrical connection means 700. The electrochemical signal measuring module 800 may vary, but an anode stripping voltammetry (ASV), a chronoamperometry (CA), a cyclic voltammetry, a square wave voltmeter (square) wave voltammetry (SWV), differential pulse voltammetry (DPV), and impedance.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 실시간 PCR 장치를 이용하여 실시간 PCR을 수행하는 방법을 각 단계별로 도시한다.FIG. 13 illustrates a step-by-step method for performing real-time PCR using a real-time PCR device according to a second embodiment of the present invention.
도 13에 따르면, 상기 실시간 PCR 방법은 상술한 실시간 PCR 장치(1)를 제공하는 단계; 주형 핵산을 포함하는 PCR 시료 및 상기 활성물질을 포함하는 PCR 시약을 상기 PCR 칩(900)의 반응 채널(921)에 주입하는 단계; 상기 PCR 칩(900)의 전극(950) 말단이 상기 연결 포트(310)에 전기적으로 연결되도록 상기 PCR 시료 및 PCR 시약이 주입된 PCR 칩(900)을 상기 칩 홀더(300)에 장착하는 단계; 상기 구동 수단(500)을 가동하여 상기 칩 홀더(300)에 장착된 PCR 칩(900)이 PCR의 변성 단계 온도 및 PCR의 어닐링 및 연장(혹은 증폭) 단계 온도를 각각 유지하는 상기 제1 열 블록(100) 및 상기 제2 열 블록(200)에 반복적으로 열 접촉하여 PCR을 수행하는 단계; 및 상기 PCR 수행 중 상기 PCR 칩(900) 내부에서 증폭 표적 핵산과 상기 포획 프로브 및 신호 프로브와의 결합으로 인해 발생하는 전기화학적 신호를 실시간으로 검출 및 측정하단계를 포함한다.According to FIG. 13, the real-time PCR method includes providing the real-time PCR device 1 described above; Injecting a PCR sample containing a template nucleic acid and a PCR reagent containing the active material into the reaction channel 921 of the PCR chip 900; Mounting a PCR chip (900) into which the PCR sample and the PCR reagent are injected to the chip holder (300) such that an electrode (950) end of the PCR chip (900) is electrically connected to the connection port (310); The first row block for operating the driving means 500 to maintain the denaturation step temperature of the PCR and the annealing and extension (or amplification) step temperature of the PCR, respectively, mounted on the chip holder 300. Performing PCR by thermally contacting the thermal block (100) and the second thermal block (200) repeatedly; And a detection and measurement and the step for the electrochemical signal generated due to coupling with the amplified target nucleic acid from the interior of the PCR chip 900 of the PCR performed with the capture probe and signal probe in real-time.
실시간 PCR 장치 제공 단계(S1)는 본 발명의 제2 실시예에 따른 실시간 PCR 장치(1)를 준비하는 단계이다. 따라서, 이하 상기 실시간 PCR 방법은 본 발명의 제2 실시예에 따른 실시간 PCR 장치(1)의 구동을 전제로 한다. 이 경우 금속 나노입자와 신호 프로브를 포함하는 복합체(metal-probe)는 이미 상기 실시간 PCR 장치(1)의 반응 챔버(921)에 수용된 상태일 수 있다.The real time PCR device providing step S1 is a step of preparing the real time PCR device 1 according to the second embodiment of the present invention. Therefore, the following real-time PCR method is based on the operation of the real-time PCR device 1 according to the second embodiment of the present invention. In this case, a metal-probe including metal nanoparticles and a signal probe may already be accommodated in the reaction chamber 921 of the real-time PCR device 1.
시료 및 시약 주입 단계(S2)는 상기 PCR 칩(900)에 PCR 시료 및 시약를 주입하는 단계이다. 이 경우 상기 S1 단계에서 상기 복합체(metal-probe)가 상기 실시간 PCR 장치(1)의 반응 챔버(921)에 수용되지 않았다면, 본 단계에서 금속 나노입자와 신호 프로브를 포함하는 복합체(metal-probe)를 본 단계에서 상기 실시간 PCR 장치(1)의 반응 챔버(921)에 수용할 수 있음은 물론이다.Sample and reagent injection step (S2) is a step of injecting the PCR sample and reagent to the PCR chip 900. In this case, if the metal-probe is not accommodated in the reaction chamber 921 of the real-time PCR device 1 in the step S1, the metal-probe including the metal nanoparticles and the signal probe in this step. Of course in this step can be accommodated in the reaction chamber 921 of the real-time PCR device (1).
PCR 칩 장착 단계(S3)는 상기 PCR 시료 및 시약이 수용된 PCR 칩(900)을 상기 실시간 PCR 장치(1)의 칩 홀더(300)에 장착하는 단계이다. 이 경우 전기화학적 신호 검출을 위해 상기 PCR 칩(900)의 전극(950)이 상기 칩 홀더(300)의 연결 포트(310)와 전기적으로 연결되어야 한다.The PCR chip mounting step S3 is a step of mounting the PCR chip 900 containing the PCR sample and the reagent to the chip holder 300 of the real-time PCR device 1. In this case, the electrode 950 of the PCR chip 900 should be electrically connected to the connection port 310 of the chip holder 300 to detect the electrochemical signal.
PCR 단계(S4)는 상기 제1 열 블록(100) 및 제2 열 블록(200)을 가열 유지하고, 상기 구동 수단(500)을 가동하여 상기 PCR 칩(900)의 반응 채널(921)에서 PCR이 수행되는 단계이다. 이 경우 상기 반응 채널(921) 내부에서 주형 핵산을 기초로 표적 핵산 부위가 증폭되고, 표적 핵산 부위의 연속적인 증폭에 따라 증폭 표적 핵산과 포획 프로브 및 신호 프로브 간의 결합이 증가하면서 전류 값 변화에 의한 전기화학적 신호가 발생한다.In the PCR step S4, the first heat block 100 and the second heat block 200 are heated and maintained, and the driving means 500 is operated to perform PCR in the reaction channel 921 of the PCR chip 900. This is the step to be performed. In this case, the target nucleic acid region is amplified based on the template nucleic acid in the reaction channel 921, and the binding between the amplifying target nucleic acid, the capture probe, and the signal probe increases according to the continuous amplification of the target nucleic acid region. An electrochemical signal is generated.
전기화학적 신호 검출 및 측정 단계(S5)는 상기 S4 단계에서 핵산의 연속적인 증폭에 의해 발생한 전기화학적 신호(전류값 변화)를 상기 PCR 칩(900)의 전극(950), 상기 칩 홀더(300)의 연결 포트(310), 상기 전기적 연결 수단(700), 및 상기 전기화학적 신호 측정 모듈(800)을 통해 검출 및 측정하는 단계이다. 이 경우 상기 전기화학적 신호 검출 및 측정 시점은 다양할 수 있으나, 핵산이 증폭되는 시점에 맞춰 상기 칩 홀더(300)에 장착된 PCR 칩(900)이 PCR의 연장 (혹은 증폭) 단계 온도를 유지하는 열 블록(제1 열 블록 또는 제2 열 블록)과 열 접촉하는 시점 또는 열 접촉 직후 시점이 바람직하다. 이 경우 열 접촉 직후 시점이라 함은 상기 칩 홀더(300)에 장착된 PCR 칩(900)이 PCR의 연장 (혹은 증폭) 단계 온도를 유지하는 열 블록에 열 접촉한 후 상기 구동 수단(500)을 통해 다른 열 블록으로 이동하는 시점뿐만 아니라 상기 칩 홀더(300)에 장착된 PCR 칩(900)이 PCR의 연장 (혹은 증폭) 단계 온도를 유지하는 열 블록에 열 접촉한 상태에서 그 열 블록의 온도가 하강하는 시점, 예를 들어 72℃에서 60℃로 하강하는 시점일 수 있다. 따라서, 본 단계에서 증폭 핵산의 실시간 확인이 가능하게 된다.Electrochemical signal detection and measurement step (S5) is the electrochemical signal (current value change) generated by the continuous amplification of the nucleic acid in the step S4 the electrode 950 of the PCR chip 900, the chip holder 300 Detecting and measuring through the connection port 310 of the, the electrical connection means 700, and the electrochemical signal measuring module 800. In this case, the time point for detecting and measuring the electrochemical signal may vary, but the PCR chip 900 mounted on the chip holder 300 maintains the temperature of the extension (or amplification) step of the PCR according to the time when the nucleic acid is amplified. The point of time in thermal contact with the heat block (first heat block or second heat block) or immediately after the heat contact is preferred. In this case, the point of time immediately after the thermal contact refers to the driving means 500 after the PCR chip 900 mounted on the chip holder 300 is in thermal contact with a thermal block that maintains the temperature of the PCR (or amplification) step. The temperature of the heat block in a state in which the PCR chip 900 mounted on the chip holder 300 is in thermal contact with the heat block maintaining the extension (or amplification) step temperature of the PCR as well as the time of moving to another heat block through It may be a time when the falling, for example, the time to drop from 72 ℃ to 60 ℃. Therefore, real-time confirmation of the amplified nucleic acid is possible in this step.
실시예Example
본 발명의 제2 실시예에 따른 PCR 장치(1)를 사용하여 핵산 증폭 반응을 수행하였다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 PCR 장치(1)에 있어서, 상기 PCR 칩(900)은 플라스틱 재질의 판 형상으로 3개의 반응 채널(921) 및 이의 말단에 각각 연결된 전극(950)을 구비하되, 상기 전극(950)은 탄소 나노튜브(carbon nanotube) 및 은(Ag)을 이용하여 제작하였고, 상기 전기화학적 신호 측정 모듈(800)은 양극 벗김 전압전류계(anodic stripping voltammetry, ASV)를 채용하였으며, 상기 금속 나노물질로서 금(Au)을 사용했다. 한편, 상기 양극 벗김 전압전류계의 전기화학적 신호의 검출 조건을 아래와 같이 전제하였다.The nucleic acid amplification reaction was performed using the PCR device 1 according to the second embodiment of the present invention. In the PCR device 1 according to the second embodiment of the present invention, the PCR chip 900 includes three reaction channels 921 and electrodes 950 connected to ends thereof in a plastic plate shape. The electrode 950 was fabricated using carbon nanotubes and silver (Ag), and the electrochemical signal measuring module 800 adopted an anode stripping voltammetry (ASV). Gold (Au) was used as the metal nanomaterial. On the other hand, the detection conditions of the electrochemical signal of the anode peeling voltammeter were assumed as follows.
- Preconcentration step : accumulation at -0.5 V 50초-Preconcentration step: accumulation at -0.5 V 50 seconds
- Stripping step : - 0.5 V → 0.5 V, step potential of 2 mV, amplitude of 25 mV, and frequency of 25 HzStripping step-0.5 V → 0.5 V, step potential of 2 mV, amplitude of 25 mV, and frequency of 25 Hz
PCR 시료로서 신종플루 바이러스의 이중 가닥 주형 DNA(template ds-DNA) 0.1 ng/㎕을 준비하고, PCR 시약으로서 상기 주형 DNA에 상보적으로 결합할 수 있는 프라이머 쌍, 구체적으로 포워드 프라이머(forward primer, 0.125 ㎕, 1pmole), 리버스 프라이머(reverse primer, 0.125 ㎕, 1pmole), dNTP 0.2 ㎖, 중합효소(i-starmax Ⅱ polymerase, iNtRON Biotechnology) 0.2 ㎖, PCR 버퍼(pH 9, 10 mM Tris-HCl, 50 mM KCl, 1.5 mM MgCl2, 30 mM salt) 등을 준비한 후, 상기 PCR 시료 및 시약 용액을 상기 PCR 칩(900)에 도입하고, 상기 PCR 칩(900)을 상기 칩 홀더(300)에 장착하였다. 한편, 상기 제1 열 블록(100)을 95℃, 즉 허용 온도 범위는 90℃ 내지 100℃로 가열 및 온도 유지하고, 상기 제2 열 블록(200)을 72℃, 즉 허용 온도 범위는 55℃ 내지 75℃로 가열 및 온도 유지하였다. 그 후 40 순환(cycle)의 PCR을 수행하기 위해 PCR 장치(1)를 구동하였다(Pre-denaturation, 95 ℃, 30 sec, 1회; Denaturation 95 ℃, 4 sec, 40회; Annealing & Extension 72 ℃, 30 sec, 40회). 상기 PCR 장치(1)가 구동됨에 따라 1 순환 단계마다 핵산 증폭 여부를 양극 벗김 전압전류계(anodic stripping voltammetry, ASV)로 측정하였다. 그 결과, 핵산 증폭 단계에 따라 전류의 피크 값 변화(감소)가 감지되었고, PCR 완료 후 최종 산물을 전기영동 한 결과, 반응 채널(921) 모두에서 증폭 표적 핵산을 확인할 수 있었다. 도 14 내지 16은 상기 실시간 PCR 방법을 수행한 결과 그래프이고, 도 17 내지 18은 상기 실시간 PCR 방법을 수행한 결과를 나타내는 전기영동 사진이다. 구체적으로, 도 14는 PCR 주기에 따른 금(Au) 나노입자에 의한 ASV peak 신호 변화에 관한 실측 그래프이고, 도 15 내지 16은 도 14를 순차 개념 및 증폭 개념으로 각각 정량화한 가공 그래프이다.As a PCR sample, 0.1 ng / μl of double-stranded template DNA of H1N1 virus is prepared, and a pair of primers that can complementarily bind to the template DNA as a PCR reagent, specifically, a forward primer, 0.125 μl, 1 pmole), reverse primer (0.125 μl, 1 pmole), 0.2 mL of dNTP, 0.2 mL of polymerase (i-starmax II polymerase, iNtRON Biotechnology), PCR buffer (pH 9, 10 mM Tris-HCl, 50 After preparing mM KCl, 1.5 mM MgCl 2 , 30 mM salt), the PCR sample and reagent solution were introduced into the PCR chip 900, and the PCR chip 900 was mounted on the chip holder 300. . Meanwhile, the first heat block 100 is heated and maintained at 95 ° C., that is, the allowable temperature range is 90 ° C. to 100 ° C., and the second heat block 200 is 72 ° C., that is, the allowable temperature range is 55 ° C. Heated to and maintained at 75 ° C. Then, the PCR device 1 was operated to perform 40 cycles of PCR (Pre-denaturation, 95 ° C., 30 sec, once; Denaturation 95 ° C., 4 sec, 40 times; Annealing & Extension 72 ° C.). , 30 sec, 40 times). As the PCR device 1 was driven, nucleic acid amplification was measured by anodizing stripping voltammetry (ASV) at every cycle. As a result, a change in current peak value (decrease) was detected according to the nucleic acid amplification step, and the final product was electrophoresed after completion of PCR. As a result, amplification target nucleic acids were identified in all reaction channels 921. 14 to 16 are graphs showing the results of the real-time PCR method, and FIGS. 17 to 18 are electrophoretic photographs showing the results of the real-time PCR method. Specifically, FIG. 14 is an actual graph illustrating changes in ASV peak signals due to gold (Au) nanoparticles according to a PCR cycle, and FIGS. 15 to 16 are processed graphs quantified in FIG.

Claims (19)

1 이상의 열 블록;One or more thermal blocks;
상기 1 이상의 열 블록과 접촉하는 열 블록 접촉 영역을 구비하는 하우징, 상기 하우징 내부에 형성된 반응 챔버, 상기 반응 챔버 내부의 일 영역에 배치되되 증폭 표적 핵산의 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 포획 프로브가 표면 처리된 고정 층, 및 상기 반응 챔버 내부의 다른 일 영역에 배치되되 전기화학적 신호를 검출하도록 구현된 전극을 구비하는 것으로서, 금속 나노입자 및 상기 금속 나노입자에 연결되되 상기 증폭 표적 핵산의 다른 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 신호 프로브를 구비하는 복합체가 수용된, PCR 용기; 및A housing having a thermal block contact region in contact with the at least one thermal block, a reaction chamber formed within the housing, a capture disposed in one region within the reaction chamber and capable of complementarily binding to one region of the amplifying target nucleic acid A probe having a surface-treated fixed layer and an electrode disposed in another region within the reaction chamber and configured to detect an electrochemical signal, the probe being connected to the metal nanoparticle and the metal nanoparticle, A PCR vessel containing a complex having a signal probe capable of complementarily binding to another region; And
상기 PCR 용기의 전극과 전기적으로 연결되어 상기 PCR 용기의 반응 챔버 내부에서 발생하는 전기화학적 신호를 실시간으로 측정하도록 구현된 전기화학적 신호 측정 모듈;An electrochemical signal measurement module electrically connected to an electrode of the PCR vessel and configured to measure in real time an electrochemical signal generated in the reaction chamber of the PCR vessel;
을 포함하는, 실시간 PCR 장치.Including, real-time PCR device.
제1항에 있어서,The method of claim 1,
상기 금속 나노입자는 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 납(Pb), 구리(Cu), 갈륨(Ga), 인듐(In), 금(Au), 및 은(Ag)으로 구성된 군으로부터 1 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 실시간 PCR 장치.The metal nanoparticles are selected from the group consisting of zinc (Zn), cadmium (Cd), lead (Pb), copper (Cu), gallium (Ga), indium (In), gold (Au), and silver (Ag). The real-time PCR device characterized in that the above is selected.
제1항에 있어서,The method of claim 1,
상기 전기화학적 신호는 상기 증폭 표적 핵산이 상기 포획 프로브 및 상기 복합체의 신호 프로브와 상보적으로 결합함에 따라 발생하는 전류 변화에 기인하는 것을 특징으로 하는 실시간 PCR 장치.The electrochemical signal is a real-time PCR device, characterized in that due to the change in current generated as the amplification target nucleic acid complementarily binds to the capture probe and the signal probe of the complex.
제1항에 있어서, The method of claim 1,
상기 전극은 금(Au), 코발트(Co), 백금(Pt), 은(Ag), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그래핀(graphene), 및 탄소(Carbon)로 구성된 군으로부터 1 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 실시간 PCR 장치.The electrode is selected from the group consisting of gold (Au), cobalt (Co), platinum (Pt), silver (Ag), carbon nanotubes, graphene, and carbon. Real time PCR device, characterized in that.
제1항에 있어서,The method of claim 1,
상기 증폭 표적 핵산, 상기 포획 프로브, 및 상기 신호 프로브는 단일 가닥 DNA인 것을 특징으로 하는 실시간 PCR 장치.The amplification target nucleic acid, the capture probe, and the signal probe are single-stranded DNA.
제1항에 있어서, The method of claim 1,
상기 전기화학적 신호 측정 모듈은 양극 벗김 전압전류계(anodic stripping voltammetry, ASV), 대시간 전류계 (chronoamperometry, CA), 순환 전압전류계(cyclic voltammetry), 네모파 전압전류계(square wave voltammetry, SWV), 펄스 전압전류계(differential pulse voltammetry, DPV), 및 임피던스계(impedance)로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 실시간 PCR 장치.The electrochemical signal measuring module includes an anodic stripping voltammetry (ASV), a chronoamperometry (CA), a cyclic voltammetry, a square wave voltammetry (SWV), and a pulse voltage Real-time PCR device, characterized in that it is selected from the group consisting of differential pulse voltammetry (DPV), and impedance (impedance).
기판 상부에 이격 배치된 제1 열 블록 및 제2 열 블록;First and second row blocks spaced apart from each other on the substrate;
양 말단에 유입부 및 유출부가 구현된 1 이상의 반응 채널, 상기 반응 채널 내부의 일 영역에 배치되되 증폭 표적 핵산의 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 포획 프로브가 표면 처리된 고정 층, 및 상기 반응 채널 내부의 다른 일 영역에 배치되되 전기화학적 신호를 검출하도록 구현된 전극을 구비하는 것으로서, 금속 나노입자 및 상기 금속 나노입자에 연결되되 상기 증폭 표적 핵산의 다른 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 신호 프로브를 구비하는 복합체를 포함하는, 판 형상의 PCR 칩;At least one reaction channel having inlets and outlets at both ends, a fixed layer disposed on one region of the reaction channel, and having a capture probe surface-treated with a capture probe capable of complementarily binding to one region of the amplifying target nucleic acid, and An electrode disposed in another region inside the reaction channel and configured to detect an electrochemical signal, the electrode being coupled to the metal nanoparticle and the metal nanoparticle, and complementarily binding to the other region of the amplification target nucleic acid. A plate-shaped PCR chip comprising a complex having a signal probe present;
상기 PCR 칩이 장착되되 상기 PCR 칩의 전극 말단과 전기적으로 연결되도록 구현된 연결 포트를 구비하는 칩 홀더;A chip holder mounted with the PCR chip, the chip holder having a connection port configured to be electrically connected to an electrode end of the PCR chip;
상기 PCR 칩이 장착된 칩 홀더를 상하 또는 좌우로 이동하여 상기 PCR 칩이 상기 제1 열 블록 또는 상기 제2 열 블록에 열 접촉할 수 있도록 구현된 구동 수단; 및Drive means implemented to move the chip holder on which the PCR chip is mounted vertically or horizontally so that the PCR chip is in thermal contact with the first row block or the second row block; And
상기 칩 홀더의 연결 포트와 전기적으로 연결되어 상기 PCR 칩의 반응 채널 내부에서 발생하는 전기화학적 신호를 실시간으로 측정하도록 구현된 전기화학적 신호 측정 모듈;An electrochemical signal measuring module electrically connected to a connection port of the chip holder and configured to measure in real time an electrochemical signal generated in a reaction channel of the PCR chip;
을 포함하는 실시간 PCR 장치.Real time PCR device comprising a.
제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein
상기 금속 나노입자는 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 납(Pb), 구리(Cu), 갈륨(Ga), 인듐(In), 금(Au), 및 은(Ag)으로 구성된 군으로부터 1 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 실시간 PCR 장치.The metal nanoparticles are selected from the group consisting of zinc (Zn), cadmium (Cd), lead (Pb), copper (Cu), gallium (Ga), indium (In), gold (Au), and silver (Ag). The real-time PCR device characterized in that the above selection.
제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein
상기 전기화학적 신호는 상기 증폭 표적 핵산이 상기 포획 프로브 및 상기 복합체의 신호 프로브와 상보적으로 결합함에 따라 발생하는 전류 변화에 기인하는 것을 특징으로 하는 실시간 PCR 장치.The electrochemical signal is a real-time PCR device, characterized in that due to the change in current generated as the amplification target nucleic acid complementarily binds to the capture probe and the signal probe of the complex.
제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein
상기 전극은 금(Au), 코발트(Co), 백금(Pt), 은(Ag), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그래핀(graphene), 및 탄소(Carbon)로 구성된 군으로부터 1 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 실시간 PCR 장치.The electrode is selected from the group consisting of gold (Au), cobalt (Co), platinum (Pt), silver (Ag), carbon nanotubes, graphene, and carbon. Real time PCR device, characterized in that.
제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein
상기 전극은 산화 또는 환원 반응이 일어나는 지시 전극(working electrode) 및 산화 또는 환원 반응이 일어나지 않는 기준 전극(reference electrode)을 구비하는 2-전극 모듈, 또는 상기 지시 전극, 상기 기준 전극, 및 상기 지시 전극으로부터 발생하는 전자 밸런스를 조절하는 카운터 전극(counter electrode)을 구비하는 3-전극 모듈로 구현되는 것을 특징으로 하는 실시간 PCR 장치.The electrode is a two-electrode module having a working electrode in which an oxidation or reduction reaction occurs and a reference electrode in which no oxidation or reduction reaction occurs, or the indicator electrode, the reference electrode, and the indicator electrode Real-time PCR device, characterized in that implemented as a three-electrode module having a counter electrode (counter electrode) for adjusting the electronic balance generated from.
제1항에 있어서,The method of claim 1,
상기 전기화학적 신호 측정 모듈은 양극 벗김 전압전류계(anodic stripping voltammetry, ASV), 대시간 전류계 (chronoamperometry, CA), 순환 전압전류계(cyclic voltammetry), 네모파 전압전류계(square wave voltammetry, SWV), 펄스 전압전류계(differential pulse voltammetry, DPV), 및 임피던스계(impedance)로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 실시간 PCR 장치.The electrochemical signal measuring module includes an anodic stripping voltammetry (ASV), a chronoamperometry (CA), a cyclic voltammetry, a square wave voltammetry (SWV), and a pulse voltage Real-time PCR device, characterized in that it is selected from the group consisting of differential pulse voltammetry (DPV), and impedance (impedance).
제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein
상기 제1 열 블록 및 제2 열 블록은 상기 제1 열 블록 및 제2 열 블록의 온도를 전체적으로 일정하게 유지하기 위해 각 열 블록의 중심점을 기준으로 상하 및/또는 좌우 방향으로 대칭되도록 내부에 열선이 배치된 것을 특징으로 하는 실시간 PCR 장치.The first thermal block and the second thermal block are heated to be symmetrical in the vertical direction and / or the left and right directions with respect to the center point of each thermal block so as to maintain the temperature of the first thermal block and the second thermal block as a whole. Real-time PCR device characterized in that the arrangement.
제7항에 있어서, The method of claim 7, wherein
상기 제1 열 블록 및 상기 제2 열 블록 중 어느 하나는 PCR의 변성 단계 온도를 유지하고, 다른 하나는 PCR의 어닐링 및 연장 (혹은 증폭) 단계 온도를 유지하도록 구현된 것을 특징으로 하는 실시간 PCR 장치.Any one of the first row block and the second row block is configured to maintain the denaturation step temperature of the PCR, and the other is to maintain the annealing and extension (or amplification) step temperature of the PCR .
제14항에 있어서,The method of claim 14,
상기 변성 단계 온도는 90℃ 내지 100℃이고, 상기 연장 (혹은 증폭) 단계 온도는 55℃ 내지 75℃인 것을 특징으로 하는 실시간 PCR 장치.The denaturation step temperature is 90 ℃ to 100 ℃, the extended (or amplified) step temperature is a real-time PCR device, characterized in that 55 ℃ to 75 ℃.
제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein
상기 제1 열 블록과 제2 열 블록은 상호 열 교환이 일어나지 않도록 미리 결정된 거리로 이격 배치된 것을 특징으로 하는 실시간 PCR 장치.The first thermal block and the second thermal block is a real-time PCR device, characterized in that spaced apart at a predetermined distance so that mutual heat exchange does not occur.
제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein
상기 구동 수단은 좌우 방향으로 연장된 레일, 및 상기 레일을 통해 좌우 방향으로 슬라이딩 이동가능하게 배치되고 상하 방향으로 슬라이딩 이동 가능한 연결 부재를 포함하고, 상기 연결 부재의 일 말단에는 상기 칩 홀더가 배치된 것을 특징으로 하는 실시간 PCR 장치.The driving means includes a rail extending in a left and right direction, and a connecting member slidably movable in a left and right direction through the rail and slidably movable in an up and down direction, wherein one end of the connecting member includes the chip holder. Real time PCR device, characterized in that.
제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein
상기 PCR 칩은 상기 칩 홀더에 탈착 가능하게 구현된 것을 특징으로 하는 실시간 PCR 장치.The PCR chip is a real-time PCR device, characterized in that detachable implementation in the chip holder.
제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein
상기 PCR 칩은 상기 전극이 구비된 제1 판; 상기 제1 판 상에 배치되되 상기 1 이상의 반응 채널이 구비된 제2 판; 및 상기 제2 판 상에 배치되되 상기 유입부 및 유출부, 및 상기 포획 프로브가 표면 처리된 고정 층이 구비된 제3 판을 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 PCR 장치.The PCR chip may include a first plate provided with the electrode; A second plate disposed on the first plate and provided with the one or more reaction channels; And a third plate disposed on the second plate, the third plate including a fixed layer on which the inlet and the outlet and the capture probe are surface treated.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105136886A (en) * 2015-10-14 2015-12-09 无锡百灵传感技术有限公司 Electrode for detecting Sudan red rapidly and quantitatively

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102166494B1 (en) * 2019-05-27 2020-10-15 김은근 Pcr apparatus
KR102375991B1 (en) * 2021-09-29 2022-03-18 주식회사 위즈바이오솔루션 Nucleic acid amplification device for molecular diagnosis

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020072054A1 (en) * 2000-12-13 2002-06-13 The Regents Of The University Of California Sensor using impedance change to detect the end-point for PCR DNA amplification
KR20030073255A (en) * 2002-03-09 2003-09-19 삼성전자주식회사 Multi chamber pcr chip
KR100488281B1 (en) * 2001-09-15 2005-05-10 아람 바이오시스템 주식회사 Method and apparatus for amplification of nucleic acid sequences by using thermal convection
KR100668320B1 (en) * 2003-12-10 2007-01-12 삼성전자주식회사 Module for polymerase chain reaction and multiple polymerase chain reaction system
KR101091906B1 (en) * 2005-10-01 2011-12-08 삼성테크윈 주식회사 PCR Device Designed to Reduce Module Variation

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020072054A1 (en) * 2000-12-13 2002-06-13 The Regents Of The University Of California Sensor using impedance change to detect the end-point for PCR DNA amplification
KR100488281B1 (en) * 2001-09-15 2005-05-10 아람 바이오시스템 주식회사 Method and apparatus for amplification of nucleic acid sequences by using thermal convection
KR20030073255A (en) * 2002-03-09 2003-09-19 삼성전자주식회사 Multi chamber pcr chip
KR100668320B1 (en) * 2003-12-10 2007-01-12 삼성전자주식회사 Module for polymerase chain reaction and multiple polymerase chain reaction system
KR101091906B1 (en) * 2005-10-01 2011-12-08 삼성테크윈 주식회사 PCR Device Designed to Reduce Module Variation

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105136886A (en) * 2015-10-14 2015-12-09 无锡百灵传感技术有限公司 Electrode for detecting Sudan red rapidly and quantitatively

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