WO2014035163A1 - Real-time pcr device comprising thermal block in which heater units are repeatedly arranged for detecting electrochemical signals and real-time pcr method using same - Google Patents

Real-time pcr device comprising thermal block in which heater units are repeatedly arranged for detecting electrochemical signals and real-time pcr method using same Download PDF

Info

Publication number
WO2014035163A1
WO2014035163A1 PCT/KR2013/007783 KR2013007783W WO2014035163A1 WO 2014035163 A1 WO2014035163 A1 WO 2014035163A1 KR 2013007783 W KR2013007783 W KR 2013007783W WO 2014035163 A1 WO2014035163 A1 WO 2014035163A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pcr
heater
real
electrode
chip
Prior art date
Application number
PCT/KR2013/007783
Other languages
French (fr)
Korean (ko)
Inventor
김성우
박현규
이정환
이유진
김덕중
원병연
백송이
Original Assignee
나노바이오시스(주)
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 나노바이오시스(주), 한국과학기술원 filed Critical 나노바이오시스(주)
Publication of WO2014035163A1 publication Critical patent/WO2014035163A1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • 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
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6844Nucleic acid amplification reactions
    • C12Q1/686Polymerase chain reaction [PCR]
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L7/00Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices
    • B01L7/52Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices with provision for submitting samples to a predetermined sequence of different temperatures, e.g. for treating nucleic acid samples
    • B01L7/525Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices with provision for submitting samples to a predetermined sequence of different temperatures, e.g. for treating nucleic acid samples with physical movement of samples between temperature zones
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • 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
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28Electrolytic cell components
    • G01N27/30Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/327Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
    • G01N27/3275Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction
    • G01N27/3278Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction involving nanosized elements, e.g. nanogaps or nanoparticles
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00Additional constructional details
    • B01L2300/08Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0861Configuration of multiple channels and/or chambers in a single devices
    • B01L2300/087Multiple sequential chambers
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00Additional constructional details
    • B01L2300/18Means for temperature control
    • B01L2300/1805Conductive heating, heat from thermostatted solids is conducted to receptacles, e.g. heating plates, blocks
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00Additional constructional details
    • B01L2300/18Means for temperature control
    • B01L2300/1838Means for temperature control using fluid heat transfer medium
    • B01L2300/185Means for temperature control using fluid heat transfer medium using a liquid as fluid

Definitions

  • One embodiment of the present invention relates to a real-time PCR device and a real-time PCR method using the same that can detect and measure the electrochemical signal according to the amplified nucleic acid in real time.
  • PCR Polymerase Chain Reaction
  • 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 overall PCR execution time due to repeated heating and cooling of one reaction chamber. There is a problem with this lengthening.
  • 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 for accurate temperature control is not required, but a long flow path for passing a high and low temperature reaction chamber is necessary, so that the overall structure is complicated.
  • PCR apparatus has recently been developed to open an efficient method for grasping PCR progress in real time as well as efforts to improve PCR yield.
  • real-time PCR Such a technique for real-time understanding of PCR progress is called "real-time PCR", and a real-time PCR device inputs a fluorescent material into a PCR chamber to detect an optical signal generated by coupling with an amplification product. The measuring technique is adopted.
  • 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. Bar must be adopted, there is a problem that it is difficult to miniaturize the device, it is difficult to utilize a portable.
  • an embodiment of the present invention is to propose a real-time PCR device and a real-time PCR method using the same that can reasonably improve the PCR time and yield, and further miniaturization and portability of the product.
  • One embodiment of the present invention is a heater group having at least one heater, the heater group having at least two and the two or more heater groups are at least two heater units spaced apart so that mutual heat exchange does not occur, at least,
  • a thermal block having a contact surface of a PCR chip containing a sample and a reagent on one surface thereof;
  • a column electrode unit having a column electrode connected to supply electric power to heaters provided in the column block;
  • At least one reaction channel having both an inlet and an outlet at both ends, and repeatedly spaced apart across the cross section in the longitudinal direction of the reaction channel, and formed in one region inside the reaction channel to complement one region of the amplification target nucleic acid;
  • the capture probe that can be coupled to each other is provided with a fixed surface-treated fixed layer and a detection electrode formed in another region inside the reaction channel and configured to detect an electrochemical signal.
  • a plate-shaped PCR chip comprising a complex connected to the signal probe capable of complementarily binding to another region of the amplification target nucleic acid;
  • an electrochemical signal measuring module electrically connected to the connection port of the chip holder to measure in real time an electrochemical signal generated in the reaction channel of the PCR chip. to provide.
  • 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 detection electrode is at least one selected from the group consisting of gold (Au), cobalt (Co), platinum (Pt), silver (Ag), carbon nanotubes, graphene, and carbon. Can be.
  • the amplification target nucleic acid, the capture probe, and the signal probe may be single stranded DNA.
  • 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 It may be implemented as a three-electrode module having a counter electrode (counter electrode) for adjusting the electronic balance generated from.
  • 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 It may be selected from the group consisting of differential pulse voltammetry (DPV), and impedance.
  • ASV anodic stripping voltammetry
  • CA chronoamperometry
  • SWV square wave voltammetry
  • DPV differential pulse voltammetry
  • impedance impedance
  • the thermal block may have two to four heater groups.
  • the thermal block has two heater groups, the first heater group maintains the PCR denaturation step temperature and the second heater group maintains the PCR annealing / extension step temperature, or the first heater group is PCR annealing Maintain extension step temperature and the second heater group may maintain PCR denaturation step temperature.
  • the thermal block has three heater groups, the first heater group maintains the PCR denaturation step temperature, the second heater group maintains the PCR annealing step temperature, and the third heater group maintains the PCR extension step temperature. Or the first heater group maintains a PCR annealing step temperature and the second heater group maintains a PCR extension step temperature and the third heater group maintains a PCR denaturation step temperature, or the first heater group Maintaining the PCR extension step temperature and the second heater group may be to maintain the PCR denaturation step temperature and the third heater group to maintain the PCR annealing step temperature.
  • the one or more reaction channels may be extended so as to pass in a straight longitudinal direction through the upper corresponding part of the heater most disposed among the heater unit and the upper corresponding part of the heater disposed last.
  • the PCR chip may include a first plate provided with the detection 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 and provided with the inlet and the outlet.
  • the PCR chip may be implemented detachably to the chip holder.
  • the apparatus may further include a power supply unit for supplying power to the column electrode unit.
  • It may further comprise a pump arranged to provide a positive or negative pressure to control the flow rate and flow rate of the fluid flowing in the one or more reaction channels.
  • the real-time PCR device not only can a plurality of samples be analyzed at a high speed at the same time through a heat block and a plate-shaped PCR chip in which a heater unit is repeatedly arranged, Simple module implementations that can easily detect continuous electrochemical signals can contribute significantly to product miniaturization and portability.
  • FIG. 1 to 5 show a column block and a column electrode part of a real-time PCR device according to an embodiment of the present invention.
  • 6 to 9 illustrate the coupling between the capture probe and the signal probe and the amplification target nucleic acid, and the electrochemical signal generation process, which occur in the reaction chamber of the PCR chip of the real-time PCR device according to an embodiment of the present invention.
  • 10 to 12 show the detailed components of the PCR chip of the real-time PCR device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 to 14 are enlarged views of one horizontal section of a real-time PCR apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 shows a chip holder of a real-time PCR device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 16 shows a real-time PCR device according to an embodiment of the present invention having a PCR chip, a power supply, and a pump.
  • FIG. 17 illustrates a nucleic acid amplification process by a real time PCR apparatus according to an embodiment of the present invention, and a process of detecting and measuring a nucleic acid amplification signal in real time.
  • FIG. 18 illustrates a series of procedures for detecting and measuring nucleic acid amplification and nucleic acid amplification signals in real time using a real time PCR apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • PCR device refers to a device used for PCR (Polymerase Chain Reaction) for amplifying a nucleic acid 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 It is assumed that all of them are provided or are provided in the obvious range.
  • FIG. 1 to 5 show a column block and a column electrode part of a real-time PCR device according to an embodiment of the present invention.
  • the thermal block 100 is a module implemented to supply heat to a sample and a reagent at a specific temperature to perform a PCR, and has at least one surface of a contact surface of a PCR chip containing a sample and a reagent, One side of the PCR chip to be described is contacted to heat the sample and reagents present in one or more reaction channels to perform PCR.
  • the thermal block 100 may be implemented using a substrate as a body.
  • the substrate may be made of any material such that physical and / or chemical properties thereof do not change due to heating and temperature maintenance of a heater disposed in the substrate, and mutual heat exchange does not occur between two or more heaters spaced apart in the substrate. Can be.
  • the substrate may be formed of a material such as plastic, glass, silicon, or the like, or may be implemented to be transparent or translucent.
  • the thermal block 100 may be implemented in a plate shape as a whole, but is not limited thereto.
  • the thermal block 100 includes a heater group including one or more heaters, two or more heater groups, and the two or more heater groups are repeatedly disposed at least two heater units spaced apart from each other so that mutual heat exchange does not occur.
  • the contact surface of the PCR chip is implemented on at least one surface of the thermal block 100, various shapes for efficiently supplying heat to the PCR chip containing the sample and reagents, for example, to increase the surface area of the contact surface It may be implemented in a planar shape or a pillar shape (pillar).
  • the heaters 111, 112, 121, 122, 131, and 132 are heat generating elements, and may be implemented such that a hot wire (not shown) is disposed therein.
  • the heating wire may be operably connected with various heat sources to maintain a constant temperature, and may be operably connected with various temperature sensors for monitoring the temperature of the heating wire.
  • the heating wire may be disposed to be symmetrical in the vertical direction and / or the horizontal direction with respect to the surface center point of the heater in order to maintain the internal temperature of the heater as a whole.
  • the heater may have a thin film heater (not shown) disposed therein.
  • the thin film heaters may be disposed at regular intervals in the vertical direction and / or the left and right directions with respect to the center point of the heater surface in order to maintain the internal temperature of the heater as a whole.
  • the heater is a heating element, and may itself be a metal material, for example, chromium, aluminum, copper, iron, silver, and the like, for even heat distribution and rapid heat transfer over the same area.
  • the heater is a light-transmitting heating element, for example, conductive nanoparticles including an oxide semiconductor material or a material added with impurities selected from the group consisting of In, Sb, Al, Ga, C and Sn to the oxide semiconductor material, And at least one selected from the group consisting of indium tin oxide, conductive polymeric materials, carbon nanotubes, and graphene.
  • conductive nanoparticles including an oxide semiconductor material or a material added with impurities selected from the group consisting of In, Sb, Al, Ga, C and Sn to the oxide semiconductor material, And at least one selected from the group consisting of indium tin oxide, conductive polymeric materials, carbon nanotubes, and graphene.
  • the heater groups 110, 120, and 130 are units including the one or more heaters, and are regions that maintain a temperature for performing a denaturation step, annealing step, and / or extension step for PCR.
  • Two or more heater groups are disposed in the thermal block 100, and the two or more heater groups are spaced apart from each other so that mutual heat exchange does not occur.
  • Two to four heater groups may be included in the thermal block 100. That is, the thermal block includes two heater groups, the first heater group maintains the PCR denaturation step temperature and the second heater group maintains the PCR annealing / extension step temperature, or the first heater group Maintaining the PCR annealing / extension step temperature and the second heater group may maintain the PCR denaturation step temperature.
  • the thermal block includes three heater groups, wherein the first heater group maintains the PCR denaturation step temperature, the second heater group maintains the PCR annealing step temperature, and the third heater group has the PCR extension step temperature.
  • the first heater group maintains a PCR annealing step temperature and the second heater group maintains a PCR extension step temperature and the third heater group maintains a PCR denaturation step temperature, or the first heater The group may maintain the PCR extension step temperature, the second heater group may maintain the PCR denaturation step temperature, and the third heater group may maintain the PCR annealing step temperature.
  • the heater group may be disposed three times in the thermal block 100 to maintain three temperatures for performing PCR, that is, a temperature for performing a denaturation step, an annealing step, and an extension step, and more preferably, The heater group may be disposed twice in the thermal block 100 to maintain two temperatures for performing PCR, that is, a temperature for performing a denaturation step and an annealing / extension step, respectively, but is not limited thereto.
  • the heater group is disposed in the heat block 100 twice, and when performing two steps for performing PCR, that is, denaturation step and annealing / extension step, three steps for performing PCR, that is, denaturation step, annealing step and extension step It is possible to reduce the reaction time than to perform, there is an advantage of simplifying the structure by reducing the number of heaters.
  • the temperature for performing the denaturation step is 85 °C to 105 °C, preferably 95 °C
  • the temperature for performing the annealing step is 40 °C to 60 °C, preferably 50 °C
  • the temperature for performing the extension step is 50 °C to 80 °C, preferably 72 °C
  • the temperature for performing the denaturation step is 85 °C to 105 °C, preferably 95 ° C.
  • the temperature for performing the annealing / extension step is 50 ° C. to 80 ° C., preferably 72 ° C.
  • the specified temperature and temperature range for performing the PCR can be adjusted within a range feasible in performing the PCR.
  • the heater group may further include a heater that serves as a temperature buffer.
  • the heater units 10 and 20 are units including the two or more heater groups including the one or more heaters, and the first circulation including the denaturation step, annealing step, and / or extension step for performing PCR is completed. Area.
  • the heater unit is repeatedly arranged at least two in the thermal block (100). Preferably, the heater unit may be repeatedly arranged in the heat block 100 10 times, 20 times, 30 times, or 40 times, but is not limited thereto.
  • the heat block 100 includes heater units 10 and 20 repeatedly arranged, two heater groups 110 and 120 included therein, and one heater 111 and 121 respectively included therein.
  • a two-step temperature for performing the PCR that is, one temperature of the denaturation step and one temperature of the annealing / extension step are repeatedly provided sequentially.
  • the first heater 111 maintains one temperature in the range of 85 ° C. to 105 ° C., preferably 95 ° C., so that the first heater group 110 provides a temperature for performing the modification step.
  • the second heater 121 maintains one temperature in the range of 50 ° C. to 80 ° C., preferably 72 ° C. such that the second heater group 120 provides a temperature for performing an annealing / extension step.
  • 100 sequentially and repeatedly provides two-step temperature for performing PCR in the first heater unit 10 and the second heater unit 20.
  • the thermal block 100 includes heater units 10 and 20 repeatedly arranged, two heater groups 110 and 120 included therein, and two heaters 111 and 112 respectively included therein. 121, 122) to provide a two-step temperature for performing PCR, that is, two temperatures of the denaturation step and two temperatures of the annealing / extension step.
  • the first heater 111 has one temperature in the range of 85 ° C to 105 ° C
  • the second heater 112 has one temperature that is the same as or different from the temperature of the first heater 111 in the range of 85 ° C to 105 ° C.
  • the third heater 121 is one temperature in the range of 50 °C to 80 °C
  • the fourth heater 122 is 50 °C to
  • the thermal block 100 is maintained by maintaining a temperature equal to or different from the temperature of the third heater 121 in an 80 ° C range so that the second heater group 120 provides a temperature for performing an annealing / extension step. Is sequentially and repeatedly provided two-step temperature for performing PCR in the first heater unit 10 and the second heater unit 20.
  • the heat block 100 may include heater units 10 and 20 repeatedly arranged, three heater groups 110, 120, and 130 included therein, and one heater 111, respectively included therein.
  • 121, 131 sequentially provide three steps of temperature for performing PCR, that is, one temperature of the denaturation step, one temperature of the annealing step, and one temperature of the extension step.
  • the first heater 111 maintains one temperature in the range of 85 ° C. to 105 ° C., preferably 95 ° C., so that the first heater group 110 provides a temperature for performing the modification step.
  • the second heater 121 maintains one temperature in the range of 40 ° C.
  • the thermal block 100 is provided with a first heater unit. 10 and the second heater unit 20 sequentially and repeatedly provide three step temperatures for performing PCR.
  • heater units 10 and 20 repeatedly arranged, three heater groups 110, 120, and 130 included therein, and two heaters 111, 112, 121, 122, and 131 respectively included therein , 132) to provide three steps of temperature for performing PCR, that is, two temperatures of the denaturation step, two temperatures of the annealing step, and two temperatures of the extension step.
  • the first heater 111 has one temperature in the range of 85 ° C to 105 ° C
  • the second heater 112 has one temperature that is the same as or different from the temperature of the first heater 111 in the range of 85 ° C to 105 ° C.
  • the third heater 121 is in the temperature range of 40 °C to 60 °C 1
  • the fourth heater 122 is 40 °C to
  • the second heater group 120 provides a temperature for performing the annealing step by maintaining one temperature equal to or different from the temperature of the third heater 121 in a range of 60 ° C
  • the fifth heater 131 is 50 ° C.
  • the third heater group 130 extends by maintaining one temperature equal to or different from the temperature of the fifth heater 131 in a temperature range of 50 ° C. to 80 ° C., and the sixth heater 132.
  • the thermal block 100 is configured in three stages for performing PCR in the first heater unit 10 and the second heater unit 20. The system temperature is repeatedly provided sequentially.
  • the rate of change of temperature can be significantly improved.
  • the heater The rate of change of temperature between them is within the range of 20 °C to 40 °C per second can greatly shorten the reaction time.
  • the heaters are spaced apart so that mutual heat exchange does not occur, and as a result, in the nucleic acid amplification reaction that can be greatly affected by minute temperature changes, the denaturation step, annealing step and extension step (or the denaturation step and annealing).
  • the heater unit may be repeatedly arranged 10 times. That is, the heater unit may be repeatedly arranged in 10 times, 20 times, 30 times, 40 times, 50 times, etc. in consideration of the PCR circulation cycle according to the user who intends to perform the PCR or the type of the sample and the reagent. It is not limited.
  • the heater unit may be repeatedly arranged in half of the predetermined PCR cycle.
  • the heater unit may be repeatedly arranged ten times.
  • the sample and reagent solutions may be repeated 10 times of the PCR cycle from the inlet to the outlet in one or more reaction channels to be described in detail below, followed by 10 times of the PCR cycle from the outlet to the inlet. Can be run repeatedly
  • the thermal block 100 includes a heater unit repeatedly disposed ten times, and the heater unit includes a first heater group and a second heater group, and the first heater group and the second heater group. Each includes one heater, that is, the first heater 110 and the second heater 120.
  • the heaters, heater groups, heater units and heat blocks according to FIG. 5 are as described above.
  • the column electrode part 200 is a module for heating the heat block 100 by supplying power to the heat block 100 from a power supply unit (not shown), and the heaters provided in the heat block 100.
  • column electrodes 210 and 220 connected to supply power thereto.
  • the first column electrode 210 of the column block 100 is connected to supply power to the first heater 110
  • the second column electrode 220 is connected to the second heater ( It is connected to supply power to 120, but is not limited thereto.
  • the first heater 110 maintains the PCR denaturation step temperature, for example 85 °C to 105 °C and the second heater 120 maintains the PCR annealing / extension stage temperature, for example 50 °C to 80 °C
  • the second column electrode 220 is supplied with power for maintaining the PCR annealing / extension step temperature from the power supply I can receive it.
  • the first column electrode 210 and the second column electrode 220 are respectively provided to the first heater 110 and the two or more second heaters 120 repeatedly arranged in the column block 100. Can be connected.
  • the first column electrode 210 and the second column electrode 220 may be conductive materials such as gold, silver, and copper, and are not particularly limited.
  • the PCR chip 900 will be described later.
  • 6 to 9 illustrate a combination between a capture probe and a signal probe and an amplification target nucleic acid, and an electrochemical signal generation process, which occur inside a reaction chamber of a PCR chip of a real-time PCR device according to an embodiment of the present invention.
  • the PCR chip 900 is a nucleic acid, for example, a template nucleic acid double-stranded DNA PCR sample, oligonucleotide primer having a sequence complementary to a specific base sequence to be amplified PCR reagent, DNA polymerase, three A solution containing deoxyribonucleotide triphosphates (dNTP) and 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. According to FIG.
  • the reaction channel 921 extends so as to pass through the upper corresponding portion of the first heater and the upper corresponding portion of the second heater in the longitudinal direction.
  • 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 outer 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 to be described later.
  • 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 reaction chamber 921 is a space in which PCR is performed by a PCR sample and a reagent, and is formed in the PCR chip 900.
  • the reaction chamber 921 may be implemented in various shapes and structures, such as a hollow cylinder shape, a bar shape, and a square pillar shape.
  • FIG. 7 is a detailed view of the reaction chamber 921 and the complex 29 accommodated in the PCR chip 900 of the real-time PCR device according to an embodiment of the present invention.
  • the reaction chamber 921 is disposed in one region therein, and the fixed layer 940 surface-treated with the capture probe 24 capable of complementarily binding to one region of the amplifying target nucleic acid, and the other work therein.
  • the detection electrode 950 is disposed in the area and is configured to detect an electrochemical signal.
  • the fixed layer 940 and the detection electrode 950 may be disposed at various positions within the reaction chamber 921. As illustrated in FIG. 7, it is preferable to be disposed to face each other up and down or left and right.
  • the reaction chamber 921 is connected to the metal nanoparticles 27 and the metal nanoparticles 27 therein, the signal probe 28 that can be complementarily coupled to another region of the amplification target nucleic acid (28) Housed with a composite 29 having a.
  • the complex 29 may be previously contained in the reaction chamber 921 before introduction of a PCR sample including a template nucleic acid and the like, and the reaction chamber may be included in a PCR reagent including a primer, a polymerase, and the like. 23 may be introduced together.
  • the pinned layer 940 is formed of various materials, for example, silicon, plastic, glass, metal, or the like, so that the capture probe 24 is deposited and exposed on one surface thereof.
  • the surface of the pinned layer 940 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. 8).
  • the left figure shows a case where the amplification target nucleic acid is not present before the PCR is performed, that is, the right figure shows the case where the amplification target nucleic acid is present after the PCR is performed.
  • the amplification target nucleic acid 2 is complementarily bound to the capture probe 24 surface-treated in the fixed layer 940, 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 940.
  • the metal nanoparticles 27 do not reach the detection electrode 26 and cause a current change (decrease) between the metal nanoparticles 27 and the detection electrode 26 to cause A detectable electrochemical signal is generated upon amplification.
  • the amplification target nucleic acid 2, the capture probe 24, and the signal probe 28 may be single stranded DNA.
  • the detection electrode 950 is disposed in at least one region of the reaction chamber 921 and is implemented to detect an electrochemical signal generated in the reaction chamber 921.
  • the detection electrode 950 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) nanotube), graphene, graphene, and carbon.
  • the detection electrode 950 may be implemented in various shapes and structures in order to efficiently detect the electrochemical signal generated inside the reaction chamber 921, but for example, the reaction chamber 921 as shown in FIG. 7. ) It may be implemented in a plate shape of a metal material disposed along the inner surface.
  • the electrochemical signal is measured by the electrochemical signal measuring module to be described later, the electrochemical signal measuring module may vary, but anodizing stripping voltammetry (ASV), a time-based ammeter (chronoamperometry, CA) ), Cyclic voltammetry, 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.
  • 9 illustrates an electrochemical signal generation process of a real-time PCR device according to an embodiment of the present invention. According to FIG.
  • step S1 is a complex including a capture probe 24, a signal probe 28, and metal nanoparticles 27 surface-treated in a gold matrix, before the PCR is started.
  • the step S2 is the current change (signal, signal generated by the reduction or oxidation between the detection electrode (950, GC electrode) and the metal nanoparticles (27, yellow particles)
  • step S3 is after initiation of PCR, wherein the amplification target nucleic acid (2, H1N1 DNA) is a signal probe (28, Signaling probe-AuNP) of the capture probe (24) and the complex (29, Signaling probe-AuNP) ) And a process that causes a decrease in current change (signal reduction).
  • the metal nanoparticles 27 (AuNP) of the complex 29 are close to the detection electrode 950 (GC electrode).
  • the accumulation of AuNP, which is accumulated on the surface, is reduced (Accumulation of AuNP), and when a voltage is applied to the detection electrode 950 (GC electrode), the reducing metal nanoparticles 27 and AuNP are oxidized (Stripping). That is, a signal is generated (Signal), 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 921.
  • 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).
  • 10 to 12 show the detailed components of the PCR chip of the real-time PCR device according to an embodiment of the present invention.
  • the PCR chip 900 may be repeatedly spaced across the cross section in one or more reaction channels 921 having the inlet part 931 and the outlet part 932 at both ends, and the length of the reaction channel 921.
  • a fixed layer 940 disposed in a region within the reaction channel 921 and surface-treated with a capture probe capable of complementarily binding to a region of the amplification target nucleic acid, and the other inside the reaction channel 921.
  • a detection electrode 950 is formed in one region and implemented to detect an electrochemical signal.
  • the pinned layer 940 and the detection electrode 950 are repeatedly spaced apart across the cross section in the longitudinal direction of the reaction channel 921, but are in thermal contact with the thermal block 100.
  • the fixed layer 940 and the detection electrode 950 are implemented to be disposed between the two or more heater groups 110, 120, and 130.
  • FIG. 10 which shows a plan view of the PCR chip 900, the fixed layer 940 and the detection electrode 950 are located in the reaction channel 921 region from the inlet portion 931 to the outlet portion 932. It is repeatedly spaced at regular intervals, through this structure it is possible to repeatedly detect the electrochemical signal from the nucleic acid sequentially amplified while passing through the reaction channel 921 in the longitudinal direction.
  • the PCR chip 900 may be divided into three layers based on a vertical cross-sectional view.
  • the PCR chip 900 includes: a first plate 910 provided with the detection 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 provided with the fixing layer 940, the inlet 931, and the outlet 932.
  • the detection electrode 950 may be disposed on the third plate 930
  • the fixing layer 940 may be disposed on the first plate 910.
  • An upper surface of the first plate 910 provided with the detection electrode 950 is adhesively disposed on a 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 detection 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 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 according to the purpose and range of use of the PCR device according to an embodiment of the present invention.
  • 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 is disposed on the upper surface of the second plate 920.
  • the third plate 930 has a fixed layer 940, an inlet 931, and an outlet 932 formed on the reaction channel 921 formed in the second plate 920.
  • 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.
  • 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.
  • the detection electrode 950 may be implemented in various ways.
  • a two-electrode module having a working electrode 950a in which an oxidation or reduction reaction occurs and a reference electrode 950b in which no oxidation or reduction reaction occurs, as shown in FIG. 13, or FIG.
  • the three-electrode module may include the indicator electrode 950a, the reference electrode 950b, and a counter electrode 950c for adjusting the electronic balance generated from the indicator electrode.
  • the structure of the detection electrode 950 is implemented in the multi-electrode module method as illustrated in FIGS. 13 to 14, the sensitivity of the electrochemical signal generated inside the reaction channel 921 may be increased, and the generation may be performed. Detection and measurement of signals can be performed easily.
  • FIG. 15 shows a chip holder of a real-time PCR device according to an embodiment of the present invention.
  • the chip holder 300 includes a connection port 310 mounted on the PCR chip 900 and electrically connected to an end of the detection 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.
  • 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, an end of the detection electrode 950 of the PCR chip 900 is electrically connected to the connection port 310 of the chip holder 300.
  • the electrochemical signal generated inside the reaction channel 921 of the PCR chip 900 is transferred to the electrochemical signal measuring module 800 which will be described later.
  • the PCR chip 900 is removable from the chip holder 300.
  • the chip holder 300 may be connected to any driving means (not shown) to move up and down or left and right inside the real-time PCR apparatus.
  • FIG. 16 illustrates a real-time PCR device according to an embodiment of the present invention having a PCR chip 900, a power supply 400, and a pump 500.
  • the PCR chip 900 is disposed on and in contact with the heat block, and specifically, the detection electrode 950 is disposed between the repeatedly arranged first and second heaters on the heat block 100. It is arranged repeatedly.
  • the PCR chip 900 and the components included therein are as described above.
  • the power supply unit 400 is a module for supplying power to the column electrode unit 200, and may be connected to the first column electrode 210 and the second column electrode 220 of the column electrode unit 200, respectively. have.
  • a first power port (not shown) of the power supply 400 may be connected to the first column electrode (not shown).
  • a second power port (not shown) of the power supply 400 is electrically connected to the second column electrode 220.
  • the power supply unit 400 supplies power to the first column electrode 210 and the second column electrode 220, respectively, so that the first block of the column block 100 is provided.
  • the heater 110 and the second heater 120 can be quickly heated, and when the heaters 110 and 120 reach a predetermined temperature, the power supply is controlled to maintain the predetermined temperature.
  • the predetermined temperature may be a PCR denaturation step temperature (85 ° C. to 105 ° C., preferably 95 ° C.) in the first heater 110 and a PCR annealing / extension step temperature (in the second heater 120). 50 ° C. to 80 ° C., preferably 72 ° C.), or in the first heater 110, a PCR annealing / extension step temperature (50 ° C. to 80 ° C., preferably 72 ° C. or 60 ° C.) and the second heater At 120, the PCR denaturation step temperature (85 °C to 105 °C, preferably 95 °C) may be.
  • the pump 500 is a module for controlling the flow rate and the flow rate of the fluid flowing in one or more reaction channels 921 of the PCR chip 900, may be a positive pressure pump or a negative pressure pump, for example a syringe It may be a syringe pump.
  • the pump 500 may be operably disposed in a portion of the reaction channel 921, but preferably the inlet 931 and / or outlet 932 formed at both ends of the reaction channel 921. Is placed in the connection. When the pump 500 is connected to the inlet 931 and / or the outlet 932, the pump 500 may not only serve as a pump but also provide a sample and the like through the inlet 931 and / or the outlet 932.
  • the pump 500 when it is desired to control the flow rate and flow rate of the fluid flowing in the reaction channel 921, that is, the sample and reagent solutions in one direction, the pump 500 includes the inlet part 931 and the outlet part 932. If only one of the connections, and the remaining one can be a general plug is sealed, the flow of the fluid flowing in the reaction channel 921, that is, if you want to control the flow rate and flow rate of the sample and reagent solution in both directions The pump 500 may be connected to both the inlet part 931 and the outlet part 932.
  • Nucleic acid amplification reaction of the sample and the reagent in the PCR device including the PCR chip 900, the power supply 400 and the pump 500 may be performed through the following steps as an embodiment.
  • oligonucleotide primer having a sequence complementary to the specific nucleotide sequence to be amplified
  • DNA polymerase DNA polymerase
  • deoxyribonucleotide triphosphates dNTP
  • PCR reaction buffer PCR reaction buffer
  • the sample and reagent solutions are introduced into the PCR chip 100.
  • the sample and reagent solutions are disposed in the reaction channel 921 inside the PCR chip 900 through the inlet portion 931.
  • the column electrode unit 200 specifically, the first column electrode 210 and the second column electrode 220 are connected to the power supply 400, respectively, and the inlet of the PCR chip 900 931 and the outlet 932 are sealingly connected to the pump 500.
  • the power supply unit 400 is instructed to supply power to heat the first heater 110 and the second heater 120 through the first column electrode 210 and the second column electrode 220. And a specific temperature, for example, a PCR denaturation step temperature (95 ° C.) for the first heater 110 and a PCR annealing / extension step temperature (72 ° C.) for the second heater 120.
  • a specific temperature for example, a PCR denaturation step temperature (95 ° C.) for the first heater 110 and a PCR annealing / extension step temperature (72 ° C.) for the second heater 120.
  • the sample and reagent solutions are transferred to the reaction channel 921.
  • the flow rate and flow rate of the sample and reagent solutions may be controlled by adjusting the strength of the positive pressure or the negative pressure provided by the pump 500.
  • the sample and reagent solution may be transferred from the inlet 931 end of the reaction channel 921 to the outlet 932 end of the upper corresponding portion 301 and the first heater 110.
  • 2 PCR is performed while moving the upper corresponding portion 302 of the heater 120 in the longitudinal direction.
  • the first sample and reagent solution receives heat from a heat block 100 in which a heater unit including the first heater 110 and the second heater 120 is repeatedly disposed 10 times. 10 PCR cycles are completed while undergoing a PCR denaturation step in the upper counterpart 301 of the heater 110 and a PCR annealing / extension step in the upper counterpart 302 of the second heater 120.
  • the sample and reagent solution is formed from the upper end of the first heater 110 and the second heater 120 from the outlet 931 end of the reaction channel 921 to the end of the inlet 932.
  • PCR can be performed again by moving the upper corresponding part of the back side in the longitudinal direction.
  • FIG. 17 illustrates a nucleic acid amplification process by a real time PCR apparatus according to an embodiment of the present invention, and a process of detecting and measuring a nucleic acid amplification signal in real time.
  • a PCR device may include a heat block 100, the first heater 110, and the first heater 110 and the second heater 120 repeatedly arranged in a horizontal direction.
  • a PCR chip 900 repeatedly arranged such that the fixed layer 940 and the detection electrode 950 correspond to a space between the second heaters 120, and a connection port (not shown) of the chip holder (not shown).
  • the electrochemical signal measuring module 800 may be electrically connected to the connection port of the chip holder through an electrical connection means 700, for example, a lead wire. Therefore, electrochemical signals repeatedly generated by sequential nucleic acid amplification inside the reaction channel 921 of the PCR chip 900 are sequentially detected through the detection electrode 950 of the PCR chip 900. The detected signal may be measured and further processed or analyzed by the electrochemical signal measuring module 800 via the connection port of the chip holder 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. Therefore, according to the PCR device according to an embodiment of the present invention according to FIG. 17, the nucleic acid amplification process may be measured and analyzed in real-time during PCR. In this case, unlike the conventional real-time PCR device, the sample and reagent solutions do not need to be added a separate fluorescent material.
  • ASV anode stripping voltammetry
  • CA chronoamperometry
  • SWV square wave voltmeter
  • DPV differential pulse voltammetry
  • the step of measuring the nucleic acid amplification reaction in real-time (real-time) by the real-time PCR device can be confirmed.
  • the sample and reagent solutions pass through the upper corresponding portion 301 of the first heater 110 and the upper corresponding portion 302 of the second heater 120 in the reaction channel 921.
  • a PCR denaturation step and a PCR annealing / extension step are performed, in which case the sample and reagent solution is between the first heater 110 and the second heater 120 and between the first heater 110 and the second heater. It passes through the detection electrode 950 region repeatedly disposed between the heater unit including the (120).
  • the amplification target nucleic acid and the capture probe and the amplification target nucleic acid and the capture probe and the The electrochemical signal (change of current) generated by complementary coupling of the complex with the signal probe may be sequentially detected and measured in real time through the detection electrode 950. Accordingly, the amount of target nucleic acid is monitored in real time by monitoring the result of the reaction by amplification of the nucleic acid in the reaction channel 921 (without the fluorescent substance and the light detection system) in real time during each cycle of PCR. Can be detected and measured in real-time
  • FIG. 18 illustrates a series of procedures for detecting and measuring nucleic acid amplification and nucleic acid amplification signals in real time using a real time PCR apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • a real-time PCR method using a real-time PCR device may include providing the real-time PCR device described above; Injecting a PCR sample comprising a template nucleic acid and a PCR reagent comprising the metal nanoparticle-signal probe complex into a 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 PCR sample and the PCR reagent are sequentially moved to the first heater and the second heater to maintain the denaturation stage temperature of the PCR and the annealing and extension (or amplification) stage temperatures of the PCR while moving the reaction channel 921 in the longitudinal direction, respectively.
  • the real time PCR device providing step S1 is a step of preparing the above-described real time PCR device. Therefore, the real-time PCR method according to an embodiment of the present invention below assumes the operation of the real-time PCR device.
  • Sample and reagent injection step (S2) is a material that can generate an electrical signal, for example, metal nanoparticles by chemical reaction (combination) with the PCR sample and reagent, the template nucleic acid to be amplified in the PCR chip 900 Injecting the signal probe complex.
  • 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 temperature of the first heater 110 and the second heater 120 of the thermal block 100 is maintained while heating, and the sample and the reagent are removed from the reaction channel 921 of the PCR chip 900.
  • PCR is performed while moving in the longitudinal direction.
  • target nucleic acid sites are sequentially amplified on the basis of template nucleic acids in samples and reagents moving in the reaction channel 921, and the capture probes and the signal probes of the complex are sequentially amplified according to the continuous amplification of the target nucleic acid sites.
  • Complementary coupling results in electrochemical signals.
  • 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.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)

Abstract

One embodiment of the present invention relates to a real-time PCR device comprising a thermal block in which heater units are repeatedly arranged for detecting electrochemical signals, and to a real-time PCR method using same. According to the present invention, a plurality of samples can be analyzed simultaneously at an ultra-high speed through the thermal block in which the heater units are repeatedly arranged and a plate-shaped PCR chip, and a simple module that can easily detect continuous electrochemical signals, which are generated during a nucleic acid amplification process, can significantly contribute to the miniaturization and increased portability of a product.

Description

히터 유닛이 반복 배치된 열 블록을 포함하는 전기화학적 신호를 검출하기 위한 실시간 PCR 장치, 및 이를 이용한 실시간 PCR 방법Real-time PCR device for detecting an electrochemical signal including a heat block in which the heater unit is repeatedly arranged, and a real-time PCR method using the same
본 발명의 일 실시예는 증폭 핵산에 따른 전기화학적 신호를 실시간으로 검출 및 측정할 수 있는 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 that can detect and measure the electrochemical signal according to the amplified nucleic acid in real time.
중합효소 연쇄 반응, 즉 PCR(Polymerase Chain Reaction)은 주형 핵산의 특정 부위를 반복적으로 가열 및 냉각하여 상기 특정 부위를 연쇄적으로 복제하여 그 특정 부위를 갖는 핵산을 기하급수적으로 증폭하는 기술로써, 생명과학, 유전공학 및 의료 분야 등에서 분석 및 진단 목적으로 널리 사용되고 있다. 최근 상기 PCR을 수행하기 위한 PCR 장치가 다양하게 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 및 냉각으로 인해 전체 PCR 수행 시간이 길어지는 문제점이 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 회로가 요구되진 않지만, 고온 및 저온의 반응 챔버를 통과하기 위한 긴 유로가 반드시 필요하므로 전체 구조가 복잡하고, 상기 반응 챔버를 통과하는 채널에 흐르는 핵산을 포함하는 샘플 용액의 유속을 제어하기 위한 별도의 제어 장치가 요구된다. 한편, 최근 PCR 장치는 PCR 수율을 개선하기 위한 노력뿐만 아니라 PCR 진행 과정을 실시간으로 파악하기 위한 효율적인 방법을 개방하기 위한 방향으로 개발되고 있다. 이와 같이 PCR 진행 과정을 실시간으로 파악할 수 있는 기술을 소위 "실시간 PCR(real-time PCR)"이라고 하는데, 실시간 PCR 장치는 PCR 챔버에 형광물질을 투입하여 증폭 산물과의 결합으로 발생하는 광신호를 측정하는 기술이 채용된다. 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 하는바, 기기의 소형화가 어렵고, 휴대용으로 활용하기 어려운 문제점이 있다.Polymerase chain reaction, or PCR (Polymerase Chain Reaction), is a technology that repeatedly heats and cools a specific site of a template nucleic acid, thereby serially replicating the specific site and exponentially amplifies a nucleic acid having the specific site. It is widely used for analysis and diagnostic purposes in science, genetic engineering and medical fields. Recently, various PCR apparatuses for performing the 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 overall PCR execution time due to repeated heating and cooling of one reaction chamber. There is a problem with this lengthening. 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 for accurate temperature control is not required, but a long flow path for passing a high and low temperature reaction chamber is necessary, so that the overall 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 through the chamber. On the other hand, the PCR apparatus has recently been developed to open an efficient method for grasping PCR progress in real time as well as efforts to improve PCR yield. Such a technique for real-time understanding of PCR progress is called "real-time PCR", and a real-time PCR device inputs a fluorescent material into a PCR chamber to detect an optical signal generated by coupling with an amplification product. The measuring technique is adopted. 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. Bar must be adopted, there is a problem that it is difficult to miniaturize the device, it is difficult to utilize a portable.
따라서, 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.Therefore, there is a need for a real-time PCR device that can reduce the PCR time and at the same time obtain a reliable PCR yield, further miniaturization and portability of the product.
위와 같은 배경기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명의 일 실시예는 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 is to propose a real-time PCR device and a real-time PCR method using the same that can reasonably improve the PCR time and yield, and further miniaturization and portability of the product.
본 발명의 일 실시예는 1 이상의 히터를 구비하는 히터 군, 상기 히터 군을 2 이상 구비하고 상기 2 이상의 히터 군은 상호 열 교환이 일어나지 않도록 이격 배치된 히터 유닛이 2 이상 반복 배치된 것으로서, 적어도 일 면에 시료 및 시약이 수용되는 PCR 칩의 접촉 면을 구비하는 열 블록; 상기 열 블록에 구비된 히터들에 전력을 공급하도록 연결된 열 전극을 구비하는 열 전극부; 양 말단에 유입부 및 유출부가 구현된 1 이상의 반응 채널, 및 상기 반응 채널의 길이 방향으로 그 단면을 가로질러 반복 이격 배치되되 상기 반응 채널 내부의 일 영역에 형성되어 증폭 표적 핵산의 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 포획 프로브가 표면 처리된 고정 층 및 상기 반응 채널 내부의 다른 일 영역에 형성되어 전기화학적 신호를 검출하도록 구현된 검출 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 검출 전극 말단과 전기적으로 연결되도록 구현된 연결 포트를 구비하는 칩 홀더; 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(Polymerase Chain Reaction) 장치를 제공한다.One embodiment of the present invention is a heater group having at least one heater, the heater group having at least two and the two or more heater groups are at least two heater units spaced apart so that mutual heat exchange does not occur, at least, A thermal block having a contact surface of a PCR chip containing a sample and a reagent on one surface thereof; A column electrode unit having a column electrode connected to supply electric power to heaters provided in the column block; At least one reaction channel having both an inlet and an outlet at both ends, and repeatedly spaced apart across the cross section in the longitudinal direction of the reaction channel, and formed in one region inside the reaction channel to complement one region of the amplification target nucleic acid; The capture probe that can be coupled to each other is provided with a fixed surface-treated fixed layer and a detection electrode formed in another region inside the reaction channel and configured to detect an electrochemical signal. A plate-shaped PCR chip comprising a complex connected to the signal probe capable of complementarily binding to another region of the amplification target nucleic acid; A chip holder mounted with the PCR chip, the chip holder having a connection port configured to be electrically connected to the detection electrode end of the PCR chip; And an electrochemical signal measuring module electrically connected to the connection port of the chip holder to measure in real time an electrochemical signal generated in the reaction channel of the PCR chip. to provide.
본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 PCR 장치에 있어서,In the real-time PCR device according to an 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.
상기 전기화학적 신호는 상기 증폭 표적 핵산이 상기 포획 프로브 및 상기 복합체의 신호 프로브와 상보적으로 결합함에 따라 발생하는 전류 변화에 기인하는 것일 수 있다.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.
상기 검출 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.The detection electrode is at least one selected from the group consisting of gold (Au), cobalt (Co), platinum (Pt), silver (Ag), carbon nanotubes, graphene, and carbon. Can be.
상기 증폭 표적 핵산, 상기 포획 프로브, 및 상기 신호 프로브는 단일 가닥 DNA일 수 있다.The amplification target nucleic acid, the capture probe, and the signal probe may be single stranded DNA.
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 것일 수 있다.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 It may be implemented as a three-electrode module having a counter electrode (counter electrode) for adjusting the electronic balance generated from.
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.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 It may be selected from the group consisting of differential pulse voltammetry (DPV), and impedance.
상기 열 블록은 2개 내지 4개의 히터 군을 구비할 수 있다.The thermal block may have two to four heater groups.
상기 열 블록은 2개의 히터 군을 구비하고, 상기 제1 히터 군은 PCR 변성 단계 온도를 유지하고 상기 제2 히터 군은 PCR 어닐링/연장 단계 온도를 유지하거나, 또는 상기 제1 히터 군은 PCR 어닐링/연장 단계 온도를 유지하고 상기 제2 히터 군은 PCR 변성 단계 온도를 유지하는 것일 수 있다.The thermal block has two heater groups, the first heater group maintains the PCR denaturation step temperature and the second heater group maintains the PCR annealing / extension step temperature, or the first heater group is PCR annealing Maintain extension step temperature and the second heater group may maintain PCR denaturation step temperature.
상기 열 블록은 3개의 히터 군을 구비하고, 상기 제1 히터 군은 PCR 변성 단계 온도를 유지하고 상기 제2 히터 군은 PCR 어닐링 단계 온도를 유지하고 상기 제3 히터 군은 PCR 연장 단계 온도를 유지하거나, 또는 상기 제1 히터 군은 PCR 어닐링 단계 온도를 유지하고 상기 제2 히터 군은 PCR 연장 단계 온도를 유지하고 상기 제3 히터 군은 PCR 변성 단계 온도를 유지하거나, 또는 상기 제1 히터 군은 PCR 연장 단계 온도를 유지하고 상기 제2 히터 군은 PCR 변성 단계 온도를 유지하고 상기 제3 히터 군은 PCR 어닐링 단계 온도를 유지하는 것일 수 있다.The thermal block has three heater groups, the first heater group maintains the PCR denaturation step temperature, the second heater group maintains the PCR annealing step temperature, and the third heater group maintains the PCR extension step temperature. Or the first heater group maintains a PCR annealing step temperature and the second heater group maintains a PCR extension step temperature and the third heater group maintains a PCR denaturation step temperature, or the first heater group Maintaining the PCR extension step temperature and the second heater group may be to maintain the PCR denaturation step temperature and the third heater group to maintain the PCR annealing step temperature.
상기 1 이상의 반응 채널은 상기 히터 유닛 중 최선 배치된 히터의 상측 대응 부분과 최후 배치된 히터의 상측 대응 부분을 직선 길이 방향으로 통과하도록 연장 배치될 수 있다.The one or more reaction channels may be extended so as to pass in a straight longitudinal direction through the upper corresponding part of the heater most disposed among the heater unit and the upper corresponding part of the heater disposed last.
상기 PCR 칩은 상기 검출 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 유출부가 구비된 제3 판을 포함할 수 있다.The PCR chip may include a first plate provided with the detection 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 and provided with the inlet and the outlet.
상기 PCR 칩은 상기 칩 홀더에 탈착 가능하게 구현될 수 있다.The PCR chip may be implemented detachably to the chip holder.
상기 열 전극부에 전력을 공급하기 위한 전력 공급부를 더 포함할 수 있다.The apparatus may further include a power supply unit for supplying power to the column electrode unit.
상기 1 이상의 반응 채널 내에서 유동하는 유체의 유량 및 유속을 제어하기 위해 양압 또는 음압을 제공하도록 배치된 펌프를 더 포함할 수 있다.It may further comprise a pump arranged to provide a positive or negative pressure to control the flow rate and flow rate of the fluid flowing in the one or more reaction channels.
본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 PCR 장치에 따르면, 히터 유닛이 반복 배치된 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 device 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 heat block and a plate-shaped PCR chip in which a heater unit is repeatedly arranged, Simple module implementations that can easily detect continuous electrochemical signals can contribute significantly to product miniaturization and portability.
도 1 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 PCR 장치의 열 블록 및 열 전극부를 도시한다.1 to 5 show a column block and a column electrode part of a real-time PCR device according to an embodiment of the present invention.
도 6 내지 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 PCR 장치의 PCR 칩의 반응 챔버 내에서 일어나는 포획 프로브 및 신호 프로브와 증폭 표적 핵산 간의 결합, 및 그에 따른 전기화학적 신호 발생 과정을 도시한다.6 to 9 illustrate the coupling between the capture probe and the signal probe and the amplification target nucleic acid, and the electrochemical signal generation process, which occur in the reaction chamber of the PCR chip of the real-time PCR device according to an embodiment of the present invention.
도 10 내지 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 PCR 장치의 PCR 칩의 상세 구성요소를 도시한다.10 to 12 show the detailed components of the PCR chip of the real-time PCR device according to an embodiment of the present invention.
도 13 내지 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 PCR 장치의 일 수평 단면을 확대한 도면이다.13 to 14 are enlarged views of one horizontal section of a real-time PCR apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 PCR 장치의 칩 홀더를 도시한다.15 shows a chip holder of a real-time PCR device according to an embodiment of the present invention.
도 16은 PCR 칩, 전력 공급부, 및 펌프를 구비하는 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 PCR 장치를 도시한다.Figure 16 shows a real-time PCR device according to an embodiment of the present invention having a PCR chip, a power supply, and a pump.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 PCR 장치에 의한 핵산 증폭 과정, 및 그에 따른 핵산 증폭 신호를 실시간으로 검출 및 측정하는 과정을 도시한다.17 illustrates a nucleic acid amplification process by a real time PCR apparatus according to an embodiment of the present invention, and a process of detecting and measuring a nucleic acid amplification signal in real time.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 PCR 장치를 이용하여 핵산 증폭, 및 그에 따른 핵산 증폭 신호를 실시간으로 검출 및 측정하는 일련의 과정을 도시한다.18 illustrates a series of procedures for detecting and measuring nucleic acid amplification and nucleic acid amplification signals in real time using a real time PCR apparatus 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.
본 발명의 일 실시예에 따른 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 개시되거나 또는 자명한 범위에서 모두 구비하고 있는 것을 전제로 한다.PCR device according to an embodiment of the present invention refers to a device used for PCR (Polymerase Chain Reaction) for amplifying a nucleic acid having a specific base 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 It is assumed that all of them are provided or are provided in the obvious range.
도 1 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 PCR 장치의 열 블록 및 열 전극부를 도시한다.1 to 5 show a column block and a column electrode part of a real-time PCR device according to an embodiment of the present invention.
상기 열 블록(100)은 PCR을 수행하기 위해 시료 및 시약에 특정 온도로 열을 공급하도록 구현된 모듈로서, 적어도 일 면에 시료 및 시약이 수용되는 PCR 칩의 접촉 면을 구비하고, 이하 상세하게 설명될 PCR 칩의 일 면에 접촉하여, 1 이상의 반응 채널 내에 존재하는 시료 및 시약에 열을 공급하여 PCR을 수행하도록 한다. 상기 열 블록(100)은 기판을 몸체로 하여 구현될 수 있다. 상기 기판은 상기 기판 내에 배치된 히터의 가열 및 온도 유지로 인해 그 물리적 및/또는 화학적 성질이 변하지 않고, 상기 기판 내에 이격 배치된 2 이상의 히터 사이에서 상호 열 교환이 일어나지 않도록 하는 모든 재질로 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 기판은 플라스틱, 유리, 실리콘 등의 재질로서, 투명 또는 반투명하게 구현될 수 있다. 상기 열 블록(100)은 전체적으로 판 형상으로 구현될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 열 블록(100)은 1 이상의 히터를 구비하는 히터 군, 상기 히터 군을 2 이상 구비하고 상기 2 이상의 히터 군은 상호 열 교환이 일어나지 않도록 이격 배치된 히터 유닛이 2 이상 반복 배치된다. 또한, 상기 PCR 칩의 접촉 면은 상기 열 블록(100)의 적어도 일 면에 구현되고, 시료 및 시약이 수용된 PCR 칩에 효율적으로 열을 공급하기 위한 다양한 형상, 예를 들어 접촉 면의 표면적을 넓게 하는 평면 형상 또는 필러(pillar) 형상으로 구현될 수 있다.The thermal block 100 is a module implemented to supply heat to a sample and a reagent at a specific temperature to perform a PCR, and has at least one surface of a contact surface of a PCR chip containing a sample and a reagent, One side of the PCR chip to be described is contacted to heat the sample and reagents present in one or more reaction channels to perform PCR. The thermal block 100 may be implemented using a substrate as a body. The substrate may be made of any material such that physical and / or chemical properties thereof do not change due to heating and temperature maintenance of a heater disposed in the substrate, and mutual heat exchange does not occur between two or more heaters spaced apart in the substrate. Can be. For example, the substrate may be formed of a material such as plastic, glass, silicon, or the like, or may be implemented to be transparent or translucent. The thermal block 100 may be implemented in a plate shape as a whole, but is not limited thereto. The thermal block 100 includes a heater group including one or more heaters, two or more heater groups, and the two or more heater groups are repeatedly disposed at least two heater units spaced apart from each other so that mutual heat exchange does not occur. In addition, the contact surface of the PCR chip is implemented on at least one surface of the thermal block 100, various shapes for efficiently supplying heat to the PCR chip containing the sample and reagents, for example, to increase the surface area of the contact surface It may be implemented in a planar shape or a pillar shape (pillar).
상기 히터(111, 112, 121, 122, 131, 132)는 발열 소자로서, 그 내부에 열선(도시되지 않음)이 배치되도록 구현될 수 있다. 상기 열선은 일정 온도를 유지하도록 다양한 열원과 구동가능하게 연결될 수 있고, 상기 열선의 온도를 모니터하기 위한 다양한 온도 센서와 구동가능하게 연결될 수 있다. 상기 열선은 상기 히터의 내부 온도를 전체적으로 일정하게 유지하기 위해 상기 히터의 표면 중심점을 기준으로 상하 및/또는 좌우 방향으로 대칭되도록 배치될 수 있다. 또한, 상기 히터는 그 내부에 박막 히터(thin film heater, 도시되지 않음)가 배치될 수도 있다. 상기 박막 히터는 상기 히터의 내부 온도를 전체적으로 일정하게 유지하기 위해 상기 히터 표면의 중심점을 기준으로 상하 및/또는 좌우 방향으로 일정한 간격으로 배치될 수 있다. 또한, 상기 히터는 발열 소자로서, 동일한 면적에 대한 고른 열 분포 및 신속한 열 전달을 위한 그 자체로 금속 재질, 예를 들어 크롬, 알루미늄, 구리, 철, 은 등일 수 있다. 또한, 상기 히터는 광 투과성 발열 소자, 예를 들어 산화물 반도체 물질 또는 상기 산화물 반도체 물질에 In, Sb, Al, Ga, C 및 Sn로 구성된 군으로부터 선택된 불순물이 첨가된 물질을 포함하는 도전성 나노 입자, 인듐 주석 산화물, 전도성 고분자 물질, 탄소 나노 튜브, 및 그래핀(graphene)이 포함된 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.The heaters 111, 112, 121, 122, 131, and 132 are heat generating elements, and may be implemented such that a hot wire (not shown) is disposed therein. The heating wire may be operably connected with various heat sources to maintain a constant temperature, and may be operably connected with various temperature sensors for monitoring the temperature of the heating wire. The heating wire may be disposed to be symmetrical in the vertical direction and / or the horizontal direction with respect to the surface center point of the heater in order to maintain the internal temperature of the heater as a whole. Also, the heater may have a thin film heater (not shown) disposed therein. The thin film heaters may be disposed at regular intervals in the vertical direction and / or the left and right directions with respect to the center point of the heater surface in order to maintain the internal temperature of the heater as a whole. In addition, the heater is a heating element, and may itself be a metal material, for example, chromium, aluminum, copper, iron, silver, and the like, for even heat distribution and rapid heat transfer over the same area. In addition, the heater is a light-transmitting heating element, for example, conductive nanoparticles including an oxide semiconductor material or a material added with impurities selected from the group consisting of In, Sb, Al, Ga, C and Sn to the oxide semiconductor material, And at least one selected from the group consisting of indium tin oxide, conductive polymeric materials, carbon nanotubes, and graphene.
상기 히터 군(110, 120, 130)은 상기 1 이상의 히터를 포함하는 단위로서, PCR 수행을 위한 변성 단계, 어닐링 단계 및/또는 연장 단계를 수행하기 위한 온도를 유지하는 영역이다. 상기 히터 군은 상기 열 블록(100)에 2 이상 배치되고, 상기 2 이상의 히터 군은 상호 열 교환이 일어나지 않도록 이격 배치된다. 상기 히터 군은 상기 열 블록(100)에 2개 내지 4개 포함될 수 있다. 즉, 상기 열 블록은 2개의 히터 군을 구비하고, 상기 제1 히터 군은 PCR 변성 단계 온도를 유지하고 상기 제2 히터 군은 PCR 어닐링/연장 단계 온도를 유지하거나, 또는 상기 제1 히터 군은 PCR 어닐링/연장 단계 온도를 유지하고 상기 제2 히터 군은 PCR 변성 단계 온도를 유지할 수 있다. 또한, 상기 열 블록은 3개의 히터 군을 구비하고, 상기 제1 히터 군은 PCR 변성 단계 온도를 유지하고 상기 제2 히터 군은 PCR 어닐링 단계 온도를 유지하고 상기 제3 히터 군은 PCR 연장 단계 온도를 유지하거나, 또는 상기 제1 히터 군은 PCR 어닐링 단계 온도를 유지하고 상기 제2 히터 군은 PCR 연장 단계 온도를 유지하고 상기 제3 히터 군은 PCR 변성 단계 온도를 유지하거나, 또는 상기 제1 히터 군은 PCR 연장 단계 온도를 유지하고 상기 제2 히터 군은 PCR 변성 단계 온도를 유지하고 상기 제3 히터 군은 PCR 어닐링 단계 온도를 유지할 수 있다. 바람직하게는 상기 히터 군은 상기 열 블록(100)에 3회 배치되어 PCR 수행을 위한 3 단계, 즉 변성 단계, 어닐링 단계 및 연장 단계를 수행하기 위한 온도를 각각 유지할 수 있고, 더 바람직하게는 상기 히터 군은 상기 열 블록(100)에 2회 배치되어 PCR 수행을 위한 2 단계, 즉 변성 단계 및 어닐링/연장 단계를 수행하기 위한 온도를 각각 유지할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 히터 군은 상기 열 블록(100)에 2회 배치되어 PCR 수행을 위한 2 단계, 즉 변성 단계 및 어닐링/연장 단계를 수행할 경우 PCR 수행을 위한 3 단계, 즉 변성 단계, 어닐링 단계 및 연장 단계를 수행하는 것보다 반응 시간을 줄일 수 있고, 히터의 수를 줄임으로써 구조를 단순화시키는 이점이 있다. 이 경우 PCR 수행을 위한 3 단계에 있어서, 변성 단계를 수행하기 위한 온도는 85℃ 내지 105℃, 바람직하게는 95℃이고, 어닐링 단계를 수행하기 위한 온도는 40℃ 내지 60℃, 바람직하게는 50℃이고, 연장 단계를 수행하기 위한 온도는 50℃ 내지 80℃, 바람직하게는 72℃이고, PCR 수행을 위한 2 단계에 있어서, 변성 단계를 수행하기 위한 온도는 85℃ 내지 105℃, 바람직하게는 95℃이고, 어닐링/연장 단계를 수행하기 위한 온도는 50℃ 내지 80℃, 바람직하게는 72℃이다. 다만, 상기 PCR 수행을 위한 특정된 온도 및 온도 범위는 PCR을 수행함에 있어서 실현 가능한 범위 내에서 조절 가능하다. 한편, 상기 히터 군은 온도 완충 역할을 수행하는 히터를 더 포함할 수 있다.The heater groups 110, 120, and 130 are units including the one or more heaters, and are regions that maintain a temperature for performing a denaturation step, annealing step, and / or extension step for PCR. Two or more heater groups are disposed in the thermal block 100, and the two or more heater groups are spaced apart from each other so that mutual heat exchange does not occur. Two to four heater groups may be included in the thermal block 100. That is, the thermal block includes two heater groups, the first heater group maintains the PCR denaturation step temperature and the second heater group maintains the PCR annealing / extension step temperature, or the first heater group Maintaining the PCR annealing / extension step temperature and the second heater group may maintain the PCR denaturation step temperature. In addition, the thermal block includes three heater groups, wherein the first heater group maintains the PCR denaturation step temperature, the second heater group maintains the PCR annealing step temperature, and the third heater group has the PCR extension step temperature. Or the first heater group maintains a PCR annealing step temperature and the second heater group maintains a PCR extension step temperature and the third heater group maintains a PCR denaturation step temperature, or the first heater The group may maintain the PCR extension step temperature, the second heater group may maintain the PCR denaturation step temperature, and the third heater group may maintain the PCR annealing step temperature. Preferably, the heater group may be disposed three times in the thermal block 100 to maintain three temperatures for performing PCR, that is, a temperature for performing a denaturation step, an annealing step, and an extension step, and more preferably, The heater group may be disposed twice in the thermal block 100 to maintain two temperatures for performing PCR, that is, a temperature for performing a denaturation step and an annealing / extension step, respectively, but is not limited thereto. The heater group is disposed in the heat block 100 twice, and when performing two steps for performing PCR, that is, denaturation step and annealing / extension step, three steps for performing PCR, that is, denaturation step, annealing step and extension step It is possible to reduce the reaction time than to perform, there is an advantage of simplifying the structure by reducing the number of heaters. In this case, in the three steps for performing the PCR, the temperature for performing the denaturation step is 85 ℃ to 105 ℃, preferably 95 ℃, the temperature for performing the annealing step is 40 ℃ to 60 ℃, preferably 50 ℃, the temperature for performing the extension step is 50 ℃ to 80 ℃, preferably 72 ℃, in two steps for performing the PCR, the temperature for performing the denaturation step is 85 ℃ to 105 ℃, preferably 95 ° C., and the temperature for performing the annealing / extension step is 50 ° C. to 80 ° C., preferably 72 ° C. However, the specified temperature and temperature range for performing the PCR can be adjusted within a range feasible in performing the PCR. On the other hand, the heater group may further include a heater that serves as a temperature buffer.
상기 히터 유닛(10, 20)은 상기 1 이상의 히터를 포함하는 상기 2 이상의 히터 군을 포함하는 단위로서, PCR 수행을 위한 변성 단계, 어닐링 단계 및/또는 연장 단계를 포함하는 제1 순환이 완료되는 영역이다. 상기 히터 유닛은 상기 열 블록(100)에 2 이상 반복 배치된다. 바람직하게는 상기 히터 유닛은 상기 열 블록(100)에 10회, 20회, 30회 또는 40회로 반복 배치될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The heater units 10 and 20 are units including the two or more heater groups including the one or more heaters, and the first circulation including the denaturation step, annealing step, and / or extension step for performing PCR is completed. Area. The heater unit is repeatedly arranged at least two in the thermal block (100). Preferably, the heater unit may be repeatedly arranged in the heat block 100 10 times, 20 times, 30 times, or 40 times, but is not limited thereto.
도 1에 따르면, 상기 열 블록(100)은 반복 배치된 히터 유닛(10, 20), 그에 각각 포함된 2개의 히터 군(110, 120), 및 그에 각각 포함된 1개의 히터(111, 121)를 구비함으로써, PCR 수행을 위한 2 단계 온도, 즉 변성 단계의 1 온도 및 어닐링/연장 단계의 1 온도를 순차적으로 반복 제공한다. 예를 들어, 제1 히터(111)는 85℃ 내지 105℃ 범위 중 1 온도, 바람직하게는 95℃를 유지하여 상기 제1 히터 군(110)은 변성 단계를 수행하기 위한 온도를 제공하고, 제2 히터(121)는 50℃ 내지 80℃ 범위 중 1 온도, 바람직하게는 72℃를 유지하여 상기 제2 히터 군(120)은 어닐링/연장 단계를 수행하기 위한 온도를 제공함으로써, 상기 열 블록(100)은 제1 히터 유닛(10) 및 제2 히터 유닛(20)에서 PCR 수행을 위한 2 단계 온도를 순차적으로 반복 제공한다.According to FIG. 1, the heat block 100 includes heater units 10 and 20 repeatedly arranged, two heater groups 110 and 120 included therein, and one heater 111 and 121 respectively included therein. By providing a two-step temperature for performing the PCR, that is, one temperature of the denaturation step and one temperature of the annealing / extension step are repeatedly provided sequentially. For example, the first heater 111 maintains one temperature in the range of 85 ° C. to 105 ° C., preferably 95 ° C., so that the first heater group 110 provides a temperature for performing the modification step. The second heater 121 maintains one temperature in the range of 50 ° C. to 80 ° C., preferably 72 ° C. such that the second heater group 120 provides a temperature for performing an annealing / extension step. 100 sequentially and repeatedly provides two-step temperature for performing PCR in the first heater unit 10 and the second heater unit 20.
도 2에 따르면, 상기 열 블록(100)은 반복 배치된 히터 유닛(10, 20), 그에 각각 포함된 2개의 히터 군(110, 120), 및 그에 각각 포함된 2개의 히터(111, 112, 121, 122)를 구비함으로써, PCR 수행을 위한 2 단계 온도, 즉 변성 단계의 2 온도 및 어닐링/연장 단계의 2 온도를 순차적으로 반복 제공한다. 예를 들어, 제1 히터(111)는 85℃ 내지 105℃ 범위 중 1 온도, 제2 히터(112)는 85℃ 내지 105℃ 범위 중 상기 제1 히터(111)의 온도와 동일한 또는 상이한 1 온도를 유지하여 상기 제1 히터 군(110)은 변성 단계를 수행하기 위한 온도를 제공하고, 제3 히터(121)는 50℃ 내지 80℃ 범위 중 1 온도, 제4 히터(122)는 50℃ 내지 80℃ 범위 중 상기 제3 히터(121)의 온도와 동일한 또는 상이한 1 온도를 유지하여 상기 제2 히터 군(120)은 어닐링/연장 단계를 수행하기 위한 온도를 제공함으로써, 상기 열 블록(100)은 제1 히터 유닛(10) 및 제2 히터 유닛(20)에서 PCR 수행을 위한 2 단계 온도를 순차적으로 반복 제공한다.According to FIG. 2, the thermal block 100 includes heater units 10 and 20 repeatedly arranged, two heater groups 110 and 120 included therein, and two heaters 111 and 112 respectively included therein. 121, 122) to provide a two-step temperature for performing PCR, that is, two temperatures of the denaturation step and two temperatures of the annealing / extension step. For example, the first heater 111 has one temperature in the range of 85 ° C to 105 ° C, and the second heater 112 has one temperature that is the same as or different from the temperature of the first heater 111 in the range of 85 ° C to 105 ° C. By maintaining the first heater group 110 provides a temperature for performing the modification step, the third heater 121 is one temperature in the range of 50 ℃ to 80 ℃, the fourth heater 122 is 50 ℃ to The thermal block 100 is maintained by maintaining a temperature equal to or different from the temperature of the third heater 121 in an 80 ° C range so that the second heater group 120 provides a temperature for performing an annealing / extension step. Is sequentially and repeatedly provided two-step temperature for performing PCR in the first heater unit 10 and the second heater unit 20.
도 3에 따르면, 상기 열 블록(100)은 반복 배치된 히터 유닛(10, 20), 그에 각각 포함된 3개의 히터 군(110, 120, 130), 및 그에 각각 포함된 1개의 히터(111, 121, 131)를 구비함으로써, PCR 수행을 위한 3 단계 온도, 즉 변성 단계의 1 온도, 어닐링 단계의 1 온도, 및 연장 단계의 1 온도를 순차적으로 반복 제공한다. 예를 들어, 제1 히터(111)는 85℃ 내지 105℃ 범위 중 1 온도, 바람직하게는 95℃를 유지하여 상기 제1 히터 군(110)은 변성 단계를 수행하기 위한 온도를 제공하고, 제2 히터(121)는 40℃ 내지 60℃ 범위 중 1 온도, 바람직하게는 50℃를 유지하여 상기 제2 히터 군(120)은 어닐링 단계를 수행하기 위한 온도를 제공하고, 제3 히터(131)는 50℃ 내지 80℃ 범위 중 1 온도, 바람직하게는 72℃를 유지하여 상기 제3 히터 군(130)은 연장 단계를 수행하기 위한 온도를 제공함으로써, 상기 열 블록(100)은 제1 히터 유닛(10) 및 제2 히터 유닛(20)에서 PCR 수행을 위한 3 단계 온도를 순차적으로 반복 제공한다.According to FIG. 3, the heat block 100 may include heater units 10 and 20 repeatedly arranged, three heater groups 110, 120, and 130 included therein, and one heater 111, respectively included therein. 121, 131, sequentially provide three steps of temperature for performing PCR, that is, one temperature of the denaturation step, one temperature of the annealing step, and one temperature of the extension step. For example, the first heater 111 maintains one temperature in the range of 85 ° C. to 105 ° C., preferably 95 ° C., so that the first heater group 110 provides a temperature for performing the modification step. The second heater 121 maintains one temperature in the range of 40 ° C. to 60 ° C., preferably 50 ° C., so that the second heater group 120 provides a temperature for performing the annealing step, and the third heater 131. Is maintained at a temperature in the range of 50 ° C to 80 ° C, preferably 72 ° C, so that the third heater group 130 provides a temperature for performing the extension step, whereby the thermal block 100 is provided with a first heater unit. 10 and the second heater unit 20 sequentially and repeatedly provide three step temperatures for performing PCR.
도 4에 따르면, 반복 배치된 히터 유닛(10, 20), 그에 각각 포함된 3개의 히터 군(110, 120, 130), 및 그에 각각 포함된 2개의 히터(111, 112, 121, 122, 131, 132)를 구비함으로써, PCR 수행을 위한 3 단계 온도, 즉 변성 단계의 2 온도, 어닐링 단계의 2 온도, 및 연장 단계의 2 온도를 순차적으로 반복 제공한다. 예를 들어, 제1 히터(111)는 85℃ 내지 105℃ 범위 중 1 온도, 제2 히터(112)는 85℃ 내지 105℃ 범위 중 상기 제1 히터(111)의 온도와 동일한 또는 상이한 1 온도를 유지하여 상기 제1 히터 군(110)은 변성 단계를 수행하기 위한 온도를 제공하고, 제3 히터(121)는 40℃ 내지 60℃ 범위 중 1 온도, 제4 히터(122)는 40℃ 내지 60℃ 범위 중 상기 제3 히터(121)의 온도와 동일한 또는 상이한 1 온도를 유지하여 제2 히터 군(120)은 어닐링 단계를 수행하기 위한 온도를 제공하고, 제5 히터(131)는 50℃ 내지 80℃ 범위 중 1 온도, 제6 히터(132)는 50℃ 내지 80℃ 범위 중 상기 제5 히터(131)의 온도와 동일한 또는 상이한 1 온도를 유지하여 상기 제3 히터 군(130)은 연장 단계를 수행하기 위한 온도를 제공함으로써, 상기 열 블록(100)은 제1 히터 유닛(10) 및 제2 히터 유닛(20)에서 PCR 수행을 위한 3 단계 온도를 순차적으로 반복 제공한다.According to FIG. 4, heater units 10 and 20 repeatedly arranged, three heater groups 110, 120, and 130 included therein, and two heaters 111, 112, 121, 122, and 131 respectively included therein , 132) to provide three steps of temperature for performing PCR, that is, two temperatures of the denaturation step, two temperatures of the annealing step, and two temperatures of the extension step. For example, the first heater 111 has one temperature in the range of 85 ° C to 105 ° C, and the second heater 112 has one temperature that is the same as or different from the temperature of the first heater 111 in the range of 85 ° C to 105 ° C. By maintaining the first heater group 110 provides a temperature for performing the modification step, the third heater 121 is in the temperature range of 40 ℃ to 60 1, the fourth heater 122 is 40 ℃ to The second heater group 120 provides a temperature for performing the annealing step by maintaining one temperature equal to or different from the temperature of the third heater 121 in a range of 60 ° C, and the fifth heater 131 is 50 ° C. The third heater group 130 extends by maintaining one temperature equal to or different from the temperature of the fifth heater 131 in a temperature range of 50 ° C. to 80 ° C., and the sixth heater 132. By providing a temperature for performing the step, the thermal block 100 is configured in three stages for performing PCR in the first heater unit 10 and the second heater unit 20. The system temperature is repeatedly provided sequentially.
도 1 내지 4와 같이, 일정 온도를 유지하는 2 이상의 히터를 반복 배치함으로써 온도 변화율을 상당히 개선할 수 있다. 예를 들어, 종래 하나의 히터만을 채택하는 단일 히터 방식에 의하면, 온도 변화율이 초당 3℃ 내지 7℃ 범위 내에서 이루어지는 데 반해, 본 발명의 일 실시예에 따른 반복 히터 배치 방식에 의하면, 상기 히터들 간의 온도 변화율이 초당 20℃ 내지 40℃ 범위 내에서 이루어져 반응 시간을 크게 단축할 수 있다. 상기 히터들은 상호 열 교환이 일어나지 않도록 이격 배치되어 있고, 그 결과, 미세한 온도 변화에 의해서도 큰 영향을 받을 수 있는 핵산 증폭 반응에 있어서, 상기 변성 단계, 어닐링 단계 및 연장 단계(또는 상기 변성 단계 및 어닐링/변성 단계)의 정확한 온도 제어가 가능하고, 상기 히터들로부터 열을 공급받는 부위에서만 원하는 온도 또는 온도 범위를 유지하는 것이 가능하다. 또한, 상기 열 블록(100)에는 상기 히터 유닛이 2 이상 반복 배치되어 있고, 상기 히터 유닛(10, 20)의 반복 배치 수는 PCR을 수행하고자 하는 사용자 또는 시료 및 시약의 종류에 따라 다양할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치를 순환 주기 10회로 하는 PCR에 적용하고자 하는 경우 상기 히터 유닛을 10회 반복 배치할 수 있다. 즉, PCR을 수행하고자 하는 사용자 또는 시료 및 시약의 종류에 따라 PCR 순환 주기를 고려하여 상기 히터 유닛을 10회, 20회, 30회, 40회, 50회 등으로 반복 배치할 수 있고, 이는 특별히 제한되는 것은 아니다. 한편, 상기 히터 유닛을 미리 결정된 PCR 순환 주기의 절반의 수로 반복 배치할 수도 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치를 순환 주기 20회로 하는 PCR에 적용하고자 하는 경우 상기 히터 유닛을 10회 반복 배치할 수 있다. 이 경우 시료 및 시약 용액은 이하 상세하게 설명될 1 이상의 반응 채널 내에서 유입부로부터 유출부 방향으로 PCR 순환 주기를 10회 반복 실행하되, 뒤이어 반대로 유출부로부터 유입부 방향으로 PCR 순환 주기를 10회 반복 실행할 수 있다.1 to 4, by repeatedly disposing two or more heaters maintaining a constant temperature, the rate of change of temperature can be significantly improved. For example, according to the conventional single heater method using only one heater, while the temperature change rate is within the range of 3 ° C to 7 ° C per second, according to the repeated heater arrangement method according to an embodiment of the present invention, the heater The rate of change of temperature between them is within the range of 20 ℃ to 40 ℃ per second can greatly shorten the reaction time. The heaters are spaced apart so that mutual heat exchange does not occur, and as a result, in the nucleic acid amplification reaction that can be greatly affected by minute temperature changes, the denaturation step, annealing step and extension step (or the denaturation step and annealing). Accurate temperature control), and it is possible to maintain the desired temperature or temperature range only at the site where heat is supplied from the heaters. In addition, two or more heater units are repeatedly arranged in the thermal block 100, and the number of repetitive batches of the heater units 10 and 20 may vary according to a user or a kind of sample and reagent to be PCR. have. For example, when the PCR apparatus according to an embodiment of the present invention is to be applied to a PCR having 10 cycles, the heater unit may be repeatedly arranged 10 times. That is, the heater unit may be repeatedly arranged in 10 times, 20 times, 30 times, 40 times, 50 times, etc. in consideration of the PCR circulation cycle according to the user who intends to perform the PCR or the type of the sample and the reagent. It is not limited. On the other hand, the heater unit may be repeatedly arranged in half of the predetermined PCR cycle. For example, when the PCR apparatus according to an embodiment of the present invention is to be applied to a PCR having a circulation cycle of 20 cycles, the heater unit may be repeatedly arranged ten times. In this case, the sample and reagent solutions may be repeated 10 times of the PCR cycle from the inlet to the outlet in one or more reaction channels to be described in detail below, followed by 10 times of the PCR cycle from the outlet to the inlet. Can be run repeatedly
도 5는 PCR 칩(900)과 열 접촉하는 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치의 열 블록(100) 및 상기 열 블록(100)에 구비된 히터들에 전력을 공급하도록 연결된 열 전극(210, 220)을 구비하는 열 전극부(200)를 도시한다. 구체적으로, 상기 PCR 칩(900)과 열 접촉하는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 블록(100)에 있어서, 도 5의 상단은 상기 열 블록(100)의 수직 단면도를 도시하고, 도 2의 하단은 상기 열 블록(100)의 평면도를 도시한다. 도 5에 따르면, 상기 열 블록(100)은 10회 반복 배치된 히터 유닛을 포함하고, 상기 히터 유닛은 제1 히터 군 및 제2 히터 군을 포함하며, 상기 제1 히터 군 및 제2 히터 군은 각각 1개의 히터, 즉 제1 히터(110) 및 제2 히터(120)를 포함한다. 도 5에 따른 히터, 히터 군, 히터 유닛 및 열 블록에 관해서는 상기 설명된 것과 같다. 상기 열 전극부(200)는 전력 공급부(도시되지 않음)로부터 상기 열 블록(100)에 전력을 공급하여 상기 열 블록(100)을 가열하는 모듈로서, 상기 열 블록(100)에 구비된 히터들에 전력을 공급하도록 연결된 열 전극(210, 220)을 포함한다. 도 5에 따르면, 상기 열 블록(100)의 상기 제1 열 전극(210)은 상기 제1 히터(110)에 전력을 공급하도록 연결되고, 상기 제2 열 전극(220)은 상기 제2 히터(120)에 전력을 공급하도록 연결되어 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 만약 상기 제1 히터(110)가 PCR 변성 단계 온도, 예를 들어 85℃ 내지 105℃를 유지하고 상기 제2 히터(120)가 PCR 어닐링/연장 단계 온도, 예를 들어 50℃ 내지 80℃를 유지하는 경우 상기 제1 열 전극(210)은 전력 공급부로부터 PCR 변성 단계 온도 유지를 위한 전력을 공급받고, 상기 제2 열 전극(220)은 전력 공급부로부터 PCR 어닐링/연장 단계 온도 유지를 위한 전력을 공급받을 수 있다. 도 5에 따르면, 상기 제1 열 전극(210) 및 상기 제2 열 전극(220)은 상기 열 블록(100)에 반복 배치된 제1 히터(110) 및 2 이상의 제2 히터(120)에 각각 연결될 수 있다. 상기 제1 열 전극(210) 및 상기 제2 열 전극(220)은 금, 은, 구리 등 전도성 재질일 수 있고, 특별히 제한되는 것은 아니다. 상기 PCR 칩(900)에 대해서는 후술한다.5 is a thermal electrode 210 connected to supply power to the thermal block 100 of the PCR device and the heaters provided in the thermal block 100 according to an embodiment of the present invention in thermal contact with the PCR chip 900. And a column electrode portion 200 having a 220. Specifically, in the thermal block 100 according to an embodiment of the present invention in thermal contact with the PCR chip 900, the upper end of Figure 5 shows a vertical cross-sectional view of the thermal block 100, The bottom shows a top view of the row block 100. According to FIG. 5, the thermal block 100 includes a heater unit repeatedly disposed ten times, and the heater unit includes a first heater group and a second heater group, and the first heater group and the second heater group. Each includes one heater, that is, the first heater 110 and the second heater 120. The heaters, heater groups, heater units and heat blocks according to FIG. 5 are as described above. The column electrode part 200 is a module for heating the heat block 100 by supplying power to the heat block 100 from a power supply unit (not shown), and the heaters provided in the heat block 100. And column electrodes 210 and 220 connected to supply power thereto. According to FIG. 5, the first column electrode 210 of the column block 100 is connected to supply power to the first heater 110, and the second column electrode 220 is connected to the second heater ( It is connected to supply power to 120, but is not limited thereto. If the first heater 110 maintains the PCR denaturation step temperature, for example 85 ℃ to 105 ℃ and the second heater 120 maintains the PCR annealing / extension stage temperature, for example 50 ℃ to 80 ℃ When the first column electrode 210 is supplied with power for maintaining the PCR denaturation step temperature from the power supply, the second column electrode 220 is supplied with power for maintaining the PCR annealing / extension step temperature from the power supply I can receive it. According to FIG. 5, the first column electrode 210 and the second column electrode 220 are respectively provided to the first heater 110 and the two or more second heaters 120 repeatedly arranged in the column block 100. Can be connected. The first column electrode 210 and the second column electrode 220 may be conductive materials such as gold, silver, and copper, and are not particularly limited. The PCR chip 900 will be described later.
도 6 내지 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 PCR 장치의 PCR 칩의 반응 챔버 내부에서 일어나는 포획 프로브 및 신호 프로브와 증폭 표적 핵산 간의 결합, 및 그에 따른 전기화학적 신호 발생 과정을 도시한다.6 to 9 illustrate a combination between a capture probe and a signal probe and an amplification target nucleic acid, and an electrochemical signal generation process, which occur inside a reaction chamber of a PCR chip of a real-time PCR device according to an embodiment of the present invention.
도 6에 따르면, 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. 도 6에 따르면, 상기 반응 채널(921)은 상기 제1 히터의 상측 대응 부분 및 상기 제2 히터의 상측 대응 부분을 길이 방향으로 통과하도록 연장 배치된다. 상기 PCR 칩(900)의 외부 표면이 상기 열 블록(100)에 열 접촉하면, 상기 열 블록(100)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 후술할 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.According to Figure 6, the PCR chip 900 is a nucleic acid, for example, a template nucleic acid double-stranded DNA PCR sample, oligonucleotide primer having a sequence complementary to a specific base sequence to be amplified PCR reagent, DNA polymerase, three A solution containing deoxyribonucleotide triphosphates (dNTP) and 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. According to FIG. 6, the reaction channel 921 extends so as to pass through the upper corresponding portion of the first heater and the upper corresponding portion of the second heater in the longitudinal direction. When the outer surface of the PCR chip 900 is in thermal contact with the thermal block 100, the PCR sample is provided with heat from the thermal block 100 and included in the reaction channel 921 of the PCR chip 900. And reagents 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 outer 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 to be described later. 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.
도 7에 따르면, 상기 반응 챔버(921)는 PCR 시료 및 시약에 의해 PCR이 수행되는 공간으로서, 상기 PCR 칩(900) 내부에 형성된다. 상기 반응 챔버(921)는 빈 원기둥 형상, 바(bar) 형상, 사각기둥 형상 등 다양한 형상 및 구조로 구현될 수 있다. 구체적으로, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 PCR 장치의 PCR 칩(900)의 반응 챔버(921) 및 이에 수용된 복합체(29)에 관한 상세도이다. 상기 반응 챔버(921)는 그 내부의 일 영역에 배치되되 증폭 표적 핵산의 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 포획 프로브(24)가 표면 처리된 고정 층(940), 및 그 내부의 다른 일 영역에 배치되되 전기화학적 신호를 검출하도록 구현된 검출 전극(950)을 구비하는데, 상기 고정 층(940)과 상기 검출 전극(950)은 상기 반응 챔버(921) 내부에서 다양한 위치에 배치될 수 있으나, 도 7과 같이 서로 상하 또는 좌우로 마주보도록 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 반응 챔버(921)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 상기 반응 챔버(921)에 미리 수용될 수 있고, 프라이머, 중합효소 등을 포함하는 PCR 시약에 포함된 상태로 상기 반응 챔버(23)에 함께 도입될 수도 있다. 상기 고정 층(940)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(940)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 8 참조). 도 8을 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(921) 내부에서 표적 핵산이 증폭되면 상기 우측 그림과 같이 증폭 표적 핵산(2)은 상기 고정 층(940)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(940)에 근접한 영역에 집중시킨다. 그 결과, 상기 금속 나노입자(27)는 상기 검출 전극(26)에 도달하지 못하게 되어 상기 금속 나노입자(27)와 상기 검출 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.According to FIG. 7, the reaction chamber 921 is a space in which PCR is performed by a PCR sample and a reagent, and is formed in the PCR chip 900. The reaction chamber 921 may be implemented in various shapes and structures, such as a hollow cylinder shape, a bar shape, and a square pillar shape. Specifically, FIG. 7 is a detailed view of the reaction chamber 921 and the complex 29 accommodated in the PCR chip 900 of the real-time PCR device according to an embodiment of the present invention. The reaction chamber 921 is disposed in one region therein, and the fixed layer 940 surface-treated with the capture probe 24 capable of complementarily binding to one region of the amplifying target nucleic acid, and the other work therein. The detection electrode 950 is disposed in the area and is configured to detect an electrochemical signal. The fixed layer 940 and the detection electrode 950 may be disposed at various positions within the reaction chamber 921. As illustrated in FIG. 7, it is preferable to be disposed to face each other up and down or left and right. In addition, the reaction chamber 921 is connected to the metal nanoparticles 27 and the metal nanoparticles 27 therein, the signal probe 28 that can be complementarily coupled 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 contained in the reaction chamber 921 before introduction of a PCR sample including a template nucleic acid and the like, and the reaction chamber may be included in a PCR reagent including a primer, a polymerase, and the like. 23 may be introduced together. The pinned layer 940 is formed of various materials, for example, silicon, plastic, glass, metal, or the like, so that the capture probe 24 is deposited and exposed on one surface thereof. In this case, the surface of the pinned layer 940 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. 8). Referring to FIG. 8, the left figure shows a case where the amplification target nucleic acid is not present before the PCR is performed, that is, the right figure shows the case where 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 as shown in the right figure, the amplification target nucleic acid 2 is complementarily bound to the capture probe 24 surface-treated in the fixed layer 940, 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 940. As a result, the metal nanoparticles 27 do not reach the detection electrode 26 and cause a current change (decrease) between the metal nanoparticles 27 and the detection electrode 26 to cause A detectable electrochemical signal is generated upon amplification. Meanwhile, the amplification target nucleic acid 2, the capture probe 24, and the signal probe 28 may be single stranded DNA.
상기 검출 전극(950)은 상기 반응 챔버(921)의 적어도 일 영역에 배치되되 상기 반응 챔버(921) 내부에서 발생하는 전기화학적 신호를 검출하도록 구현된다. 상기 검출 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 검출 전극(950)은 상기 반응 챔버(921) 내부에서 발생하는 전기화학적 신호를 효율적으로 검출하기 위해 다양한 형상 및 구조로 구현될 수 있지만, 예를 들어 도 7과 같이 상기 반응 챔버(921) 내부 표면에 따라 배치되는 금속 재질의 판 형상으로 구현될 수 있다. 한편, 상기 전기화학적 신호는 후술할 전기화학적 신호 측정 모듈에 의해 측정되는데, 상기 전기화학적 신호 측정 모듈은 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 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 PCR 장치의 전기화학적 신호 발생 과정을 도시한다. 도 9에 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 검출 전극(950, 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 검출 전극(950, GC electrode)의 근접 표면에 모여 축적 층을 형성하면서 환원되고(Accumulation of AuNP), 뒤이어 상기 검출 전극(950, 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(921) 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 detection electrode 950 is disposed in at least one region of the reaction chamber 921 and is implemented to detect an electrochemical signal generated in the reaction chamber 921. The detection electrode 950 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) nanotube), graphene, graphene, and carbon. In addition, the detection electrode 950 may be implemented in various shapes and structures in order to efficiently detect the electrochemical signal generated inside the reaction chamber 921, but for example, the reaction chamber 921 as shown in FIG. 7. ) It may be implemented in a plate shape of a metal material disposed along the inner surface. On the other hand, the electrochemical signal is measured by the electrochemical signal measuring module to be described later, the electrochemical signal measuring module may vary, but anodizing stripping voltammetry (ASV), a time-based ammeter (chronoamperometry, CA) ), Cyclic voltammetry, 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. 9 illustrates an electrochemical signal generation process of a real-time PCR device according to an embodiment of the present invention. According to FIG. 9, step S1 is a complex including a capture probe 24, a signal probe 28, and metal nanoparticles 27 surface-treated in a gold matrix, before the PCR is started. (29, indicating 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 detection electrode (950, GC electrode) and the metal nanoparticles (27, yellow particles) , And step S3 is after initiation of PCR, wherein the amplification target nucleic acid (2, H1N1 DNA) is a signal probe (28, Signaling probe-AuNP) of the capture probe (24) and the complex (29, Signaling probe-AuNP) ) And a process that causes a decrease in current change (signal reduction). Specifically, when a reduction voltage is applied to the metal nanoparticles 27 (AuNP) of the complex 29 (Signaling probe-AuNP), the metal nanoparticles 27 (AuNP) are close to the detection electrode 950 (GC electrode). The accumulation of AuNP, which is accumulated on the surface, is reduced (Accumulation of AuNP), and when a voltage is applied to the detection electrode 950 (GC electrode), the reducing metal nanoparticles 27 and AuNP are oxidized (Stripping). That is, a signal is generated (Signal), 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 921. 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 10 내지 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 PCR 장치의 PCR 칩의 상세 구성요소를 도시한다.10 to 12 show the detailed components of the PCR chip of the real-time PCR device according to an embodiment of the present invention.
상기 PCR 칩(900)은 양 말단에 유입부(931) 및 유출부(932)가 구현된 1 이상의 반응 채널(921), 및 상기 반응 채널(921)의 길이 방향으로 그 단면을 가로질러 반복 이격 배치되되 상기 반응 채널(921) 내부의 일 영역에 형성되어 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 형성되어 전기화학적 신호를 검출하도록 구현된 검출 전극(950)을 구비한다.The PCR chip 900 may be repeatedly spaced across the cross section in one or more reaction channels 921 having the inlet part 931 and the outlet part 932 at both ends, and the length of the reaction channel 921. A fixed layer 940 disposed in a region within the reaction channel 921 and surface-treated with a capture probe capable of complementarily binding to a region of the amplification target nucleic acid, and the other inside the reaction channel 921. A detection electrode 950 is formed in one region and implemented to detect an electrochemical signal.
도 10 내지 12에 따르면, 상기 고정 층(940) 및 상기 검출 전극(950)은 상기 반응 채널(921)의 길이 방향으로 그 단면을 가로질러 반복 이격 배치되되 상기 열 블록(100)과의 열 접촉시 상기 고정 층(940) 및 상기 검출 전극(950)은 상기 2 이상의 히터 군(110, 120, 130) 사이에 배치되도록 구현된다. 상기 PCR 칩(900)의 평면도를 도시하는 도 10에 따르면, 상기 고정 층(940) 및 검출 전극(950)은 상기 유입부(931)로부터 유출부(932)까지의 반응 채널(921) 영역에 일정한 간격으로 반복적으로 이격 배치되어 있는데, 이와 같은 구조를 통해 상기 반응 채널(921)을 길이 방향으로 통과하면서 순차적으로 증폭되는 핵산으로부터 반복적으로 전기화학적 신호를 검출할 수 있다. 아울러, 상기 PCR 칩(900)의 수직 단면도를 도시하는 도 11 내지 12에 따르면, 상기 고정 층(940) 및 검출 전극(950)은 상기 반응 채널(921)의 단면에 서로 마주 보며 배치된 것을 확인할 수 있는데, 상기 고정 층(940) 및 검출 전극(950)의 위치는 상하 변동될 수 있다.10 to 12, the pinned layer 940 and the detection electrode 950 are repeatedly spaced apart across the cross section in the longitudinal direction of the reaction channel 921, but are in thermal contact with the thermal block 100. The fixed layer 940 and the detection electrode 950 are implemented to be disposed between the two or more heater groups 110, 120, and 130. According to FIG. 10, which shows a plan view of the PCR chip 900, the fixed layer 940 and the detection electrode 950 are located in the reaction channel 921 region from the inlet portion 931 to the outlet portion 932. It is repeatedly spaced at regular intervals, through this structure it is possible to repeatedly detect the electrochemical signal from the nucleic acid sequentially amplified while passing through the reaction channel 921 in the longitudinal direction. In addition, according to FIGS. 11 to 12, which show vertical cross-sectional views of the PCR chip 900, it is confirmed that the fixed layer 940 and the detection electrode 950 are disposed to face each other in the cross section of the reaction channel 921. The positions of the pinned layer 940 and the detection electrode 950 may be changed up and down.
도 11 내지 12에 따르면, 상기 PCR 칩(900)은 수직 단면도를 기준으로 크게 3개의 층(layer)으로 구분될 수 있다. 도 11 내지 12에 따르면, 상기 PCR 칩(900)은 상기 검출 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 고정 층(940), 상기 유입부(931), 및 상기 유출부(932)가 구비된 제3 판(930)을 포함할 수 있다. 이 경우 상기 검출 전극(950)이 상기 제3 판(930)에 배치되고, 상기 고정 층(940)이 상기 제1 판(910)에 배치될 수도 있음은 물론이다. 11 to 12, the PCR chip 900 may be divided into three layers based on a vertical cross-sectional view. 11 to 12, the PCR chip 900 includes: a first plate 910 provided with the detection 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 provided with the fixing layer 940, the inlet 931, and the outlet 932. In this case, the detection electrode 950 may be disposed on the third plate 930, and the fixing layer 940 may be disposed on the first plate 910.
상기 검출 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 검출 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. An upper surface of the first plate 910 provided with the detection electrode 950 is adhesively disposed on a 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 detection 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 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 장치의 사용 목적 및 범위에 따라 2 이상 존재할 수 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 is disposed in contact with a 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 according to the purpose and range of use of the PCR device according to an embodiment of the present invention. 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 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) 상에 형성된 고정 층(940), 유입부(931), 및 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 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 is disposed on the upper surface of the second plate 920. The third plate 930 has a fixed layer 940, an inlet 931, and an outlet 932 formed on the reaction channel 921 formed in the second plate 920. 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 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.
한편, 도 10의 "a" 부분을 확대한 도 13 내지 14에 따르면, 상기 검출 전극(950)은 다양하게 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 13과 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, 또는 도 14과 같이 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 모듈로 구현될 수 있다. 이와 같이, 상기 검출 전극(950)의 구조가 도 13 내지 14와 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.Meanwhile, according to FIGS. 13 to 14 in which the portion “a” of FIG. 10 is enlarged, the detection electrode 950 may be implemented in various ways. For example, a two-electrode module having a working electrode 950a in which an oxidation or reduction reaction occurs and a reference electrode 950b in which no oxidation or reduction reaction occurs, as shown in FIG. 13, or FIG. As illustrated in FIG. 14, the three-electrode module may include the indicator electrode 950a, the reference electrode 950b, and a counter electrode 950c for adjusting the electronic balance generated from the indicator electrode. . As such, when the structure of the detection electrode 950 is implemented in the multi-electrode module method as illustrated in FIGS. 13 to 14, the sensitivity of the electrochemical signal generated inside the reaction channel 921 may be increased, and the generation may be performed. Detection and measurement of signals can be performed easily.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 PCR 장치의 칩 홀더를 도시한다.15 shows a chip holder of a real-time PCR device according to an embodiment of the present invention.
도 15에 따르면, 상기 칩 홀더(300)는 상기 PCR 칩(900)이 장착되되 상기 PCR 칩(900)의 검출 전극(950) 말단과 전기적으로 연결되도록 구현된 연결 포트(310)를 구비한다. 상기 칩 홀더(300)는 상기 PCR 칩(900)이 상기 PCR 장치에 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 검출 전극(950) 말단은 상기 칩 홀더(300)의 연결 포트(310)와 전기적으로 연결되어 상기 PCR 칩(900)의 반응 채널(921) 내부에서 발생하는 전기화학적 신호가 후술할 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 임의의 구동 수단(도시되지 않음)에 연결되어 상기 실시간 PCR 장치 내부에서 상하 또는 좌우로 이동할 수 있음은 물론이다.According to FIG. 15, the chip holder 300 includes a connection port 310 mounted on the PCR chip 900 and electrically connected to an end of the detection 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. 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, an end of the detection electrode 950 of the PCR chip 900 is electrically connected to the connection port 310 of the chip holder 300. The electrochemical signal generated inside the reaction channel 921 of the PCR chip 900 is transferred to the electrochemical signal measuring module 800 which will be described later. On the other hand, the PCR chip 900 is removable from the chip holder 300. In addition, the chip holder 300 may be connected to any driving means (not shown) to move up and down or left and right inside the real-time PCR apparatus.
도 16은 PCR 칩(900), 전력 공급부(400), 및 펌프(500)를 구비하는 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 PCR 장치를 도시한다.16 illustrates a real-time PCR device according to an embodiment of the present invention having a PCR chip 900, a power supply 400, and a pump 500.
도 16에 따르면, 상기 PCR 칩(900)은 상기 열 블록 상에 접촉 배치되어 있고, 구체적으로 상기 검출 전극(950)은 상기 열 블록(100) 상의 반복 배치된 제1 히터 및 제2 히터 사이에 반복 배치되어 있다. 상기 PCR 칩(900) 및 이에 포함된 구성요소에 관해서는 상술한 바와 같다. According to FIG. 16, the PCR chip 900 is disposed on and in contact with the heat block, and specifically, the detection electrode 950 is disposed between the repeatedly arranged first and second heaters on the heat block 100. It is arranged repeatedly. The PCR chip 900 and the components included therein are as described above.
상기 전력 공급부(400)는 상기 열 전극부(200)에 전력을 공급하기 위한 모듈로서, 상기 열 전극부(200)의 제1 열 전극(210) 및 제2 열 전극(220)과 각각 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 PCR 칩(900)이 PCR 수행을 위해 상기 열 블록(100) 상에 접촉 배치되면, 상기 전력 공급부(400)의 제1 전력 포트(도시되지 않음)는 상기 제1 열 전극(210)과 전기적으로 연결되고, 상기 전력 공급부(400)의 제2 전력 포트(도시되지 않음)는 상기 제2 열 전극(220)과 전기적으로 연결된다. 뒤이어, PCR 수행을 위한 사용자 지시가 있는 경우 상기 전력 공급부(400)는 상기 제1 열 전극(210) 및 상기 제2 열 전극(220)에 각각 전력을 공급하여 상기 열 블록(100)의 제1 히터(110) 및 제2 히터(120)를 신속히 가열할 수 있고, 각 히터들(110, 120)이 미리 결정된 온도에 도달하게 되면 전력 공급량을 제어하여 상기 미리 결정된 온도를 유지하도록 한다. 예를 들어, 상기 미리 결정된 온도는 상기 제1 히터(110)에서는 PCR 변성 단계 온도(85℃ 내지 105℃, 바람직하게는 95℃) 및 상기 제2 히터(120)에서는 PCR 어닐링/연장 단계 온도(50℃ 내지 80℃, 바람직하게는 72℃)이거나, 또는 상기 제1 히터(110)에서는 PCR 어닐링/연장 단계 온도(50℃ 내지 80℃, 바람직하게는 72℃ 또는 60℃) 및 상기 제2 히터(120)에서는 PCR 변성 단계 온도(85℃ 내지 105℃, 바람직하게는 95℃)일 수 있다.The power supply unit 400 is a module for supplying power to the column electrode unit 200, and may be connected to the first column electrode 210 and the second column electrode 220 of the column electrode unit 200, respectively. have. For example, when the PCR chip 900 is disposed in contact with the column block 100 to perform PCR, a first power port (not shown) of the power supply 400 may be connected to the first column electrode (not shown). Electrically connected to 210, a second power port (not shown) of the power supply 400 is electrically connected to the second column electrode 220. Subsequently, when there is a user instruction for performing a PCR, the power supply unit 400 supplies power to the first column electrode 210 and the second column electrode 220, respectively, so that the first block of the column block 100 is provided. The heater 110 and the second heater 120 can be quickly heated, and when the heaters 110 and 120 reach a predetermined temperature, the power supply is controlled to maintain the predetermined temperature. For example, the predetermined temperature may be a PCR denaturation step temperature (85 ° C. to 105 ° C., preferably 95 ° C.) in the first heater 110 and a PCR annealing / extension step temperature (in the second heater 120). 50 ° C. to 80 ° C., preferably 72 ° C.), or in the first heater 110, a PCR annealing / extension step temperature (50 ° C. to 80 ° C., preferably 72 ° C. or 60 ° C.) and the second heater At 120, the PCR denaturation step temperature (85 ℃ to 105 ℃, preferably 95 ℃) may be.
상기 펌프(500)는 상기 PCR 칩(900)의 1 이상의 반응 채널(921) 내에서 유동하는 유체의 유량 및 유속을 제어하기 위한 모듈로서, 양압 펌프 또는 음압 펌프일 수 있고, 예를 들어 실린지(syringe) 펌프일 수 있다. 상기 펌프(500)는 상기 반응 채널(921)의 일 부분에 구동가능하게 배치될 수 있으나, 바람직하게는 상기 반응 채널(921)의 양 말단에 형성된 유입부(931) 및/또는 유출부(932)에 연결 배치된다. 상기 펌프(500)가 상기 유입부(931) 및/또는 유출부(932)에 연결 배치된 경우 펌프 역할을 수행할 뿐만 아니라 상기 유입부(931) 및/또는 유출부(932)를 통해 시료 및 시약 용액이 새어 나오는 것을 방지하는 마개 역할을 수행할 수도 있다. 또한, 상기 반응 채널(921) 내에서 유동하는 유체, 즉 시료 및 시약 용액의 유량 및 유속을 일 방향으로 제어하고자 하는 경우 상기 펌프(500)는 상기 유입부(931) 및 상기 유출부(932) 중 어느 하나에만 연결 배치되고, 남은 하나에는 일반적인 마개가 밀봉 연결될 수 있고, 상기 반응 채널(921) 내에서 유동하는 유체, 즉 시료 및 시약 용액의 유량 및 유속을 양 방향으로 제어하고자 하는 경우에는 상기 펌프(500)는 상기 유입부(931) 및 상기 유출부(932) 모두에 연결 배치될 수 있다.The pump 500 is a module for controlling the flow rate and the flow rate of the fluid flowing in one or more reaction channels 921 of the PCR chip 900, may be a positive pressure pump or a negative pressure pump, for example a syringe It may be a syringe pump. The pump 500 may be operably disposed in a portion of the reaction channel 921, but preferably the inlet 931 and / or outlet 932 formed at both ends of the reaction channel 921. Is placed in the connection. When the pump 500 is connected to the inlet 931 and / or the outlet 932, the pump 500 may not only serve as a pump but also provide a sample and the like through the inlet 931 and / or the outlet 932. It may also serve as a stopper to prevent leakage of reagent solution. In addition, when it is desired to control the flow rate and flow rate of the fluid flowing in the reaction channel 921, that is, the sample and reagent solutions in one direction, the pump 500 includes the inlet part 931 and the outlet part 932. If only one of the connections, and the remaining one can be a general plug is sealed, the flow of the fluid flowing in the reaction channel 921, that is, if you want to control the flow rate and flow rate of the sample and reagent solution in both directions The pump 500 may be connected to both the inlet part 931 and the outlet part 932.
상기 PCR 칩(900), 상기 전력 공급부(400) 및 상기 펌프(500)를 포함하는 PCR 장치 내에서 시료 및 시약의 핵산 증폭 반응은 일 실시예로서, 아래와 같은 단계를 통해 수행될 수 있다.Nucleic acid amplification reaction of the sample and the reagent in the PCR device including the PCR chip 900, the power supply 400 and the pump 500 may be performed through the following steps as an embodiment.
1. 원하는 이중 가닥 표적 DNA, 증폭하고자 하는 특정 염기 서열과 상보적인 서열을 갖는 올리고뉴클레오티드 프라이머, DNA 중합효소, 삼인산화데옥시리보뉴클레오티드(deoxyribonucleotide triphosphates, dNTP), PCR 반응 완충액(PCR reaction buffer)를 포함하는 시료 및 시약 용액을 준비한다.1.Double-stranded target DNA, oligonucleotide primer having a sequence complementary to the specific nucleotide sequence to be amplified, DNA polymerase, deoxyribonucleotide triphosphates (dNTP), PCR reaction buffer (PCR reaction buffer) Prepare a sample and reagent solution containing.
2. 상기 시료 및 시약 용액을 PCR 칩(100)에 도입한다. 이 경우 상기 시료 및 시약 용액은 상기 유입부(931)를 통해 PCR 칩(900) 내부의 반응 채널(921)에 배치된다.2. The sample and reagent solutions are introduced into the PCR chip 100. In this case, the sample and reagent solutions are disposed in the reaction channel 921 inside the PCR chip 900 through the inlet portion 931.
3. 상기 열 전극부(200), 구체적으로 제1 열 전극(210) 및 제2 열 전극(220)이 상기 전력 공급부(400)과 각각 연결되도록 하고, 상기 PCR 칩(900)의 상기 유입부(931) 및 상기 유출부(932)를 펌프(500)와 밀봉 연결한다. 3. The column electrode unit 200, specifically, the first column electrode 210 and the second column electrode 220 are connected to the power supply 400, respectively, and the inlet of the PCR chip 900 931 and the outlet 932 are sealingly connected to the pump 500.
4. 상기 전력 공급부(400)에 전력 공급 지시를 하여 상기 제1 열 전극(210) 및 상기 제2 열 전극(220)을 통해 상기 제1 히터(110) 및 상기 제2 히터(120)를 발열시키고, 특정 온도, 예를 들어 제1 히터(110)의 경우 PCR 변성 단계 온도(95℃) 및 제2 히터(120)의 경우 PCR 어닐링/연장 단계 온도(72℃)를 유지한다.4. The power supply unit 400 is instructed to supply power to heat the first heater 110 and the second heater 120 through the first column electrode 210 and the second column electrode 220. And a specific temperature, for example, a PCR denaturation step temperature (95 ° C.) for the first heater 110 and a PCR annealing / extension step temperature (72 ° C.) for the second heater 120.
5. 상기 유입부(931)와 연결된 펌프(500)에 의해 양압이 제공되거나 또는 상기 유출부(932)와 연결된 펌프(500)에 의해 음압이 제공되면 상기 시료 및 시약 용액은 상기 반응 채널(921) 내부에서 수평 방향으로 유동하도록 한다. 이 경우 상기 시료 및 시약 용액의 유량 및 유속은 상기 펌프(500)에 의해 제공되는 양압 또는 음압의 세기를 조절하여 제어될 수 있다.5. If a positive pressure is provided by the pump 500 connected to the inlet 931 or a negative pressure is provided by the pump 500 connected to the outlet 932, the sample and reagent solutions are transferred to the reaction channel 921. ) Flow in the horizontal direction from the inside. In this case, the flow rate and flow rate of the sample and reagent solutions may be controlled by adjusting the strength of the positive pressure or the negative pressure provided by the pump 500.
상기 단계들을 수행함으로써, 상기 시료 및 시약 용액은 상기 반응 채널(921)의 유입부(931) 말단으로부터 유출부(932) 말단까지 상기 제1 히터(110)의 상측 대응 부분(301) 및 상기 제2 히터(120)의 상측 대응 부분(302)을 길이 방향으로 이동하면서 PCR을 수행한다. 도 16에 따르면, 상기 시료 및 시약 용액은 상기 제1 히터(110) 및 상기 제2 히터(120)를 포함하는 히터 유닛이 10회 반복 배치된 열 블록(100)으로부터 열을 공급받아 상기 제1 히터(110)의 상측 대응 부분(301)에서 PCR 변성 단계 및 상기 제2 히터(120)의 상측 대응 부분(302)에서 PCR 어닐링/연장 단계를 거치면서 10회 PCR 순환 주기를 완료하게 된다. 뒤이어, 선택적으로, 상기 시료 및 시약 용액은 상기 반응 채널(921)의 유출부(931) 말단으로부터 유입부(932) 말단까지 상기 제1 히터(110)의 상측 대응 부분 및 상기 제2 히터(120)의 상측 대응 부분을 길이 방향으로 역 이동하면서 PCR을 재수행할 수 있다.By performing the above steps, the sample and reagent solution may be transferred from the inlet 931 end of the reaction channel 921 to the outlet 932 end of the upper corresponding portion 301 and the first heater 110. 2 PCR is performed while moving the upper corresponding portion 302 of the heater 120 in the longitudinal direction. According to FIG. 16, the first sample and reagent solution receives heat from a heat block 100 in which a heater unit including the first heater 110 and the second heater 120 is repeatedly disposed 10 times. 10 PCR cycles are completed while undergoing a PCR denaturation step in the upper counterpart 301 of the heater 110 and a PCR annealing / extension step in the upper counterpart 302 of the second heater 120. Subsequently, optionally, the sample and reagent solution is formed from the upper end of the first heater 110 and the second heater 120 from the outlet 931 end of the reaction channel 921 to the end of the inlet 932. PCR can be performed again by moving the upper corresponding part of the back side in the longitudinal direction.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 PCR 장치에 의한 핵산 증폭 과정, 및 그에 따른 핵산 증폭 신호를 실시간으로 검출 및 측정하는 과정을 도시한다.17 illustrates a nucleic acid amplification process by a real time PCR apparatus according to an embodiment of the present invention, and a process of detecting and measuring a nucleic acid amplification signal in real time.
도 17에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치는 제1 히터(110) 및 제2 히터(120)가 수평 방향으로 반복 배치된 열 블록(100), 상기 제1 히터(110) 및 제2 히터(120) 사이 공간에 고정 층(940) 및 검출 전극(950)이 대응하도록 반복 배치된 PCR 칩(900)을 포함하되, 상기 칩 홀더(도시되지 않음)의 연결 포트(도시되지 않음)와 전기적으로 연결되어 상기 PCR 칩(900)의 반응 채널(921) 내부에서 발생하는 전기화학적 신호를 실시간으로 측정하도록 구현된 전기화학적 신호 측정 모듈(800), 기타 비록 도시되지는 않았지만, 전력 공급부, 펌프 등을 포함한다. 상기 전기화학적 신호 측정 모듈(800)은 상기 칩 홀더의 연결 포트와 전기적 연결 수단(700), 예를 들어 리드 전선을 통해 전기 소통가능하게 연결될 수 있다. 따라서, 상기 PCR 칩(900)의 반응 채널(921) 내부에서 순차적인 핵산 증폭에 의해 반복적으로 발생하는 전기화학적 신호는 상기 PCR 칩(900)의 검출 전극(950)을 통해 순차적으로 검출되고, 상기 검출된 신호는 상기 칩 홀더의 연결 포트와 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. 따라서, 도 17에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치에 의하면, PCR 수행시 핵산 증폭 과정을 실시간(real-time)으로 측정 및 분석할 수 있다. 이 경우 상기 시료 및 시약 용액은 종래 실시간 PCR 장치와는 달리 별도의 형광 물질이 첨가될 수 필요가 없다. 아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 PCR 장치에 의해 핵산 증폭 반응이 실시간(real-time)으로 측정되는 단계를 확인할 수 있다. 예를 들어, 시료 및 시약 용액은 상기 반응 채널(921) 내에서 상기 제1 히터(110)의 상측 대응 부분(301) 및 상기 제2 히터(120)의 상측 대응 부분(302)을 연이어 통과하면서 PCR 변성 단계 및 PCR 어닐링/연장 단계를 수행하는데, 이 경우 시료 및 시약 용액은 상기 제1 히터(110)와 상기 제2 히터(120) 사이, 및 상기 제1 히터(110)와 상기 제2 히터(120)를 포함하는 히터 유닛 사이에서 반복 배치된 상기 검출 전극(950) 영역을 통과하게 된다. 상기 시료 및 시약 용액이 상기 검출 전극(950)의 상측 대응 부분을 통과할 때 유체 제어를 통해 상기 시료 및 시약 용액의 유속을 느리게 하거나 잠시 정지 상태로 유지한 후 증폭 표적 핵산과 상기 포획 프로브 및 상기 복합체의 신호 프로브와의 상보적 결합으로 인해 발생하는 전기화학적 신호(전류 변화)를 상기 검출 전극(950)을 통해 순차적으로 실시간으로 검출 및 측정할 수 있다. 따라서, PCR 각 순환 주기가 진행되는 동안 상기 반응 채널(921) 내에서 (형광 물질 및 광 검출 시스템 없이) 핵산의 증폭에 의한 반응 결과를 실시간(real-time)으로 모니터링함으로써 표적 핵산의 양을 실시간(real-time)으로 검출 및 측정할 수 있다.According to FIG. 17, a PCR device according to an embodiment of the present invention may include a heat block 100, the first heater 110, and the first heater 110 and the second heater 120 repeatedly arranged in a horizontal direction. A PCR chip 900 repeatedly arranged such that the fixed layer 940 and the detection electrode 950 correspond to a space between the second heaters 120, and a connection port (not shown) of the chip holder (not shown). ) Is electrically connected to the electrochemical signal measuring module 800, which is implemented to measure in real time the electrochemical signal generated inside the reaction channel 921 of the PCR chip 900, other power supply unit, although not shown , Pumps and the like. The electrochemical signal measuring module 800 may be electrically connected to the connection port of the chip holder through an electrical connection means 700, for example, a lead wire. Therefore, electrochemical signals repeatedly generated by sequential nucleic acid amplification inside the reaction channel 921 of the PCR chip 900 are sequentially detected through the detection electrode 950 of the PCR chip 900. The detected signal may be measured and further processed or analyzed by the electrochemical signal measuring module 800 via the connection port of the chip holder 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. Therefore, according to the PCR device according to an embodiment of the present invention according to FIG. 17, the nucleic acid amplification process may be measured and analyzed in real-time during PCR. In this case, unlike the conventional real-time PCR device, the sample and reagent solutions do not need to be added a separate fluorescent material. In addition, the step of measuring the nucleic acid amplification reaction in real-time (real-time) by the real-time PCR device according to an embodiment of the present invention can be confirmed. For example, the sample and reagent solutions pass through the upper corresponding portion 301 of the first heater 110 and the upper corresponding portion 302 of the second heater 120 in the reaction channel 921. A PCR denaturation step and a PCR annealing / extension step are performed, in which case the sample and reagent solution is between the first heater 110 and the second heater 120 and between the first heater 110 and the second heater. It passes through the detection electrode 950 region repeatedly disposed between the heater unit including the (120). When the sample and reagent solution passes through the upper corresponding portion of the detection electrode 950, the amplification target nucleic acid and the capture probe and the amplification target nucleic acid and the capture probe and the The electrochemical signal (change of current) generated by complementary coupling of the complex with the signal probe may be sequentially detected and measured in real time through the detection electrode 950. Accordingly, the amount of target nucleic acid is monitored in real time by monitoring the result of the reaction by amplification of the nucleic acid in the reaction channel 921 (without the fluorescent substance and the light detection system) in real time during each cycle of PCR. Can be detected and measured in real-time
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 PCR 장치를 이용하여 핵산 증폭, 및 그에 따른 핵산 증폭 신호를 실시간으로 검출 및 측정하는 일련의 과정을 도시한다.18 illustrates a series of procedures for detecting and measuring nucleic acid amplification and nucleic acid amplification signals in real time using a real time PCR apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 18에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 PCR 장치를 이용한 실시간 PCR 방법은 상술한 실시간 PCR 장치를 제공하는 단계; 주형 핵산을 포함하는 PCR 시료 및 상기 금속 나노입자-신호 프로브 복합체를 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 PCR 시료 및 PCR 시약을 상기 반응 채널(921)을 길이 방향으로 이동하게 하면서 PCR의 변성 단계 온도 및 PCR의 어닐링 및 연장(혹은 증폭) 단계 온도를 각각 유지하는 제1 히터 및 제2 히터에 순차적이고 반복적으로 열 접촉하여 PCR을 수행하는 단계; 및 상기 PCR 수행 중 상기 PCR 칩(900) 내부에서 증폭 표적 핵산과 상기 포획 프로브 및 상기 복합체의 신호 프로브와의 상보적 결합으로 인해 발생하는 전기화학적 신호(전류 변화)를 실시간으로 검출 및 측정하는 단계를 포함한다.According to FIG. 18, a real-time PCR method using a real-time PCR device according to an embodiment of the present invention may include providing the real-time PCR device described above; Injecting a PCR sample comprising a template nucleic acid and a PCR reagent comprising the metal nanoparticle-signal probe complex into a 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 PCR sample and the PCR reagent are sequentially moved to the first heater and the second heater to maintain the denaturation stage temperature of the PCR and the annealing and extension (or amplification) stage temperatures of the PCR while moving the reaction channel 921 in the longitudinal direction, respectively. Repeatedly performing thermal contact with PCR; And detecting and measuring, in real time, an electrochemical signal (current change) generated by complementary coupling between the amplification target nucleic acid, the capture probe, and the signal probe of the complex in the PCR chip 900 during the PCR. It includes.
실시간 PCR 장치 제공 단계(S1)는 상술한 실시간 PCR 장치를 준비하는 단계이다. 따라서, 이하 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 PCR 방법은 상기 실시간 PCR 장치의 구동을 전제로 한다. The real time PCR device providing step S1 is a step of preparing the above-described real time PCR device. Therefore, the real-time PCR method according to an embodiment of the present invention below assumes the operation of the real-time PCR device.
시료 및 시약 주입 단계(S2)는 상기 PCR 칩(900)에 PCR 시료 및 시약, 아울러 증폭하고자 하는 주형 핵산과 화학적 반응(결합)을 통해 전기적 신호를 발생시킬 수 있는 물질, 예를 들어 금속 나노입자-신호 프로브 복합체를 주입하는 단계이다.Sample and reagent injection step (S2) is a material that can generate an electrical signal, for example, metal nanoparticles by chemical reaction (combination) with the PCR sample and reagent, the template nucleic acid to be amplified in the PCR chip 900 Injecting the signal probe complex.
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 열 블록(100)의 제1 히터(110) 및 제2 히터(120)의 온도를 가열 유지하고, 상기 PCR 칩(900)의 반응 채널(921)에서 시료 및 시약이 길이 방향으로 이동하면서 PCR이 수행되는 단계이다. 이 경우 상기 반응 채널(921) 내부를 이동하는 시료 및 시약 중에 주형 핵산을 기초로 표적 핵산 부위가 순차적으로 증폭되고, 표적 핵산 부위의 연속적인 증폭에 따라 상기 포획 프로브 및 상기 복합체의 신호 프로브와의 상보적 결합으로 인해 전기화학적 신호가 발생한다.In the PCR step S4, the temperature of the first heater 110 and the second heater 120 of the thermal block 100 is maintained while heating, and the sample and the reagent are removed from the reaction channel 921 of the PCR chip 900. PCR is performed while moving in the longitudinal direction. In this case, target nucleic acid sites are sequentially amplified on the basis of template nucleic acids in samples and reagents moving in the reaction channel 921, and the capture probes and the signal probes of the complex are sequentially amplified according to the continuous amplification of the target nucleic acid sites. Complementary coupling results in electrochemical signals.
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.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.

Claims (15)

1 이상의 히터를 구비하는 히터 군, 상기 히터 군을 2 이상 구비하고 상기 2 이상의 히터 군은 상호 열 교환이 일어나지 않도록 이격 배치된 히터 유닛이 2 이상 반복 배치된 것으로서, 적어도 일 면에 시료 및 시약이 수용되는 PCR 칩의 접촉 면을 구비하는 열 블록;Heater group having at least one heater, at least two of the heater group and the two or more heater group is a repeating arrangement of two or more heater units spaced apart so that mutual heat exchange does not occur, the sample and reagents on at least one side A thermal block having a contact surface of a PCR chip to be received;
상기 열 블록에 구비된 히터들에 전력을 공급하도록 연결된 열 전극을 구비하는 열 전극부;A column electrode unit having a column electrode connected to supply electric power to heaters provided in the column block;
양 말단에 유입부 및 유출부가 구현된 1 이상의 반응 채널, 및 상기 반응 채널의 길이 방향으로 그 단면을 가로질러 반복 이격 배치되되 상기 반응 채널 내부의 일 영역에 형성되어 증폭 표적 핵산의 일 영역과 상보적으로 결합할 수 있는 포획 프로브가 표면 처리된 고정 층 및 상기 반응 채널 내부의 다른 일 영역에 형성되어 전기화학적 신호를 검출하도록 구현된 검출 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 both an inlet and an outlet at both ends, and repeatedly spaced apart across the cross section in the longitudinal direction of the reaction channel, and formed in one region inside the reaction channel to complement one region of the amplification target nucleic acid; The capture probe that can be coupled to each other is provided with a fixed surface-treated fixed layer and a detection electrode formed in another region inside the reaction channel and configured to detect an electrochemical signal. A plate-shaped PCR chip comprising a complex connected to the signal probe capable of complementarily binding to another region of the amplification target nucleic acid;
상기 PCR 칩이 장착되되 상기 PCR 칩의 검출 전극 말단과 전기적으로 연결되도록 구현된 연결 포트를 구비하는 칩 홀더; 및A chip holder mounted with the PCR chip, the chip holder having a connection port configured to be electrically connected to the detection electrode end of the PCR chip; 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(Polymerase Chain Reaction) 장치.Real-time PCR (Polymerase Chain Reaction) apparatus comprising a.
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 selection.
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 검출 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 detection electrode is at least one 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 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).
제1항에 있어서, The method of claim 1,
상기 열 블록은 2개 내지 4개의 히터 군을 구비하는 것을 특징으로 하는 실시간 PCR 장치.The thermal block is a real-time PCR device, characterized in that it comprises two to four heater groups.
제1항에 있어서, The method of claim 1,
상기 열 블록은 2개의 히터 군을 구비하고, 상기 제1 히터 군은 PCR 변성 단계 온도를 유지하고 상기 제2 히터 군은 PCR 어닐링/연장 단계 온도를 유지하거나, 또는 상기 제1 히터 군은 PCR 어닐링/연장 단계 온도를 유지하고 상기 제2 히터 군은 PCR 변성 단계 온도를 유지하는 것을 특징으로 하는 실시간 PCR 장치.The thermal block has two heater groups, the first heater group maintains the PCR denaturation step temperature and the second heater group maintains the PCR annealing / extension step temperature, or the first heater group is PCR annealing Real-time PCR device, characterized in that to maintain the extension step temperature and the second heater group maintains the PCR denaturation step temperature.
제1항에 있어서, The method of claim 1,
상기 열 블록은 3개의 히터 군을 구비하고, 상기 제1 히터 군은 PCR 변성 단계 온도를 유지하고 상기 제2 히터 군은 PCR 어닐링 단계 온도를 유지하고 상기 제3 히터 군은 PCR 연장 단계 온도를 유지하거나, 또는 상기 제1 히터 군은 PCR 어닐링 단계 온도를 유지하고 상기 제2 히터 군은 PCR 연장 단계 온도를 유지하고 상기 제3 히터 군은 PCR 변성 단계 온도를 유지하거나, 또는 상기 제1 히터 군은 PCR 연장 단계 온도를 유지하고 상기 제2 히터 군은 PCR 변성 단계 온도를 유지하고 상기 제3 히터 군은 PCR 어닐링 단계 온도를 유지하는 것을 특징으로 하는 실시간 PCR 장치.The thermal block has three heater groups, the first heater group maintains the PCR denaturation step temperature, the second heater group maintains the PCR annealing step temperature, and the third heater group maintains the PCR extension step temperature. Or the first heater group maintains a PCR annealing step temperature and the second heater group maintains a PCR extension step temperature and the third heater group maintains a PCR denaturation step temperature, or the first heater group Real-time PCR device, characterized in that to maintain the PCR extension step temperature, the second heater group maintains the PCR denaturation step temperature and the third heater group maintains the PCR annealing step temperature.
제1항에 있어서, The method of claim 1,
상기 1 이상의 반응 채널은 상기 히터 유닛 중 최선 배치된 히터의 상측 대응 부분과 최후 배치된 히터의 상측 대응 부분을 직선 길이 방향으로 통과하도록 연장 배치된 것을 특징으로 하는 실시간 PCR 장치.And said at least one reaction channel is extended so as to pass in a straight length direction through an upper corresponding portion of the heater disposed most optimally and an upper corresponding portion of the heater disposed last.
제1항에 있어서,The method of claim 1,
상기 PCR 칩은 상기 검출 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 유출부가 구비된 제3 판을 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 PCR 장치.The PCR chip may include a first plate provided with the detection 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 and provided with the inlet and the outlet.
제1항에 있어서,The method of claim 1,
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.
제1항에 있어서, The method of claim 1,
상기 열 전극부에 전력을 공급하기 위한 전력 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 PCR 장치.Real-time PCR device further comprises a power supply for supplying power to the column electrode.
제1항에 있어서, The method of claim 1,
상기 1 이상의 반응 채널 내에서 유동하는 유체의 유량 및 유속을 제어하기 위해 양압 또는 음압을 제공하도록 배치된 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 PCR 장치.And a pump arranged to provide a positive pressure or a negative pressure to control the flow rate and flow rate of the fluid flowing in the one or more reaction channels.
PCT/KR2013/007783 2012-08-29 2013-08-29 Real-time pcr device comprising thermal block in which heater units are repeatedly arranged for detecting electrochemical signals and real-time pcr method using same WO2014035163A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120094676A KR101946339B1 (en) 2012-08-29 2012-08-29 Real-time PCR device for detecting electrochemcial signal comprising heating block of repetitively disposed heater unit, and Real-time PCR using the same
KR10-2012-0094676 2012-08-29

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014035163A1 true WO2014035163A1 (en) 2014-03-06

Family

ID=50183896

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2013/007783 WO2014035163A1 (en) 2012-08-29 2013-08-29 Real-time pcr device comprising thermal block in which heater units are repeatedly arranged for detecting electrochemical signals and real-time pcr method using same

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101946339B1 (en)
WO (1) WO2014035163A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111551607A (en) * 2020-05-21 2020-08-18 福建医锦智能科技有限公司 Biological array for detection and detection method thereof

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101840530B1 (en) * 2016-01-08 2018-05-04 고려대학교 산학협력단 Surface measurement sensing-based realtime nucleic acid amplification measuring apparatus

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
US20040100284A1 (en) * 2002-11-12 2004-05-27 Jae-Hoon Lee Method for detecting PCR product using electrical signal
US20050053962A1 (en) * 1998-01-27 2005-03-10 Gary Blackburn Amplification of nucleic acids with electronic detection
KR100668320B1 (en) * 2003-12-10 2007-01-12 삼성전자주식회사 Module for polymerase chain reaction and multiple polymerase chain reaction system
KR20100019409A (en) * 2007-01-22 2010-02-18 웨이퍼젠, 인크. Apparatus for high throughput chemical reactions

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050053962A1 (en) * 1998-01-27 2005-03-10 Gary Blackburn Amplification of nucleic acids with electronic detection
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
US20040100284A1 (en) * 2002-11-12 2004-05-27 Jae-Hoon Lee Method for detecting PCR product using electrical signal
KR100668320B1 (en) * 2003-12-10 2007-01-12 삼성전자주식회사 Module for polymerase chain reaction and multiple polymerase chain reaction system
KR20100019409A (en) * 2007-01-22 2010-02-18 웨이퍼젠, 인크. Apparatus for high throughput chemical reactions

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111551607A (en) * 2020-05-21 2020-08-18 福建医锦智能科技有限公司 Biological array for detection and detection method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
KR101946339B1 (en) 2019-04-25
KR20140028430A (en) 2014-03-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2015119470A1 (en) Pcr device provided with unidirectional sliding means and pcr method using same
KR102041205B1 (en) Heating block for polymerase chain reaction comprising repetitively disposed patterned heater and device for polymerase chain reaction comprising the same
WO2016105073A1 (en) Pcr apparatus comprising repeated sliding means, and pcr method using same
WO2011132977A2 (en) Pcr device including two heating blocks
CN101250483B (en) Combined splint microelectrode type micro-fluidic dielectrophoresis cell separation and enrichment chip
WO2014007557A1 (en) Real-time pcr device for detecting electrochemical signals, and real-time pcr method using same
WO2014035167A1 (en) Pcr chip comprising thermal block in which heater units are repeatedly arranged for detecting electrochemical signals, pcr device comprising same, and real-time pcr method using pcr device
WO2014014268A1 (en) Real-time polymerase chain reaction apparatus for detecting electrochemical signal using metallic nano particles
WO2014035164A1 (en) Pcr chip comprising thermal block in which heater units are repeatedly arranged for detecting electrochemical signals, pcr device comprising same, and real-time pcr method using pcr device
KR20120137054A (en) Fluidic pcr chip comprising heating block of repetitively disposed heater unit and pcr apparatus comprising the same
WO2014035163A1 (en) Real-time pcr device comprising thermal block in which heater units are repeatedly arranged for detecting electrochemical signals and real-time pcr method using same
WO2014017821A1 (en) Real-time pcr device for detecting electrochemical signals comprising heating block in which heater units are repeatedly disposed, and real-time pcr method using same
WO2014104770A1 (en) Primer set for detecting food poisoning, pcr apparatus using same, and method for detecting food poisoning therewith
WO2021215783A1 (en) Biosensor having channel into which fluid is easily introduced
WO2011152474A1 (en) Analysis device and manufacturing method for same
WO2022136243A1 (en) Cartridge and analysis system for testing a sample

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13832206

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13832206

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1