WO2020184844A2 - 독립적 온도 제어가 가능한 pcr용 블록 - Google Patents

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    • C12Q1/6844—Nucleic acid amplification reactions
    • C12Q1/686—Polymerase chain reaction [PCR]

Definitions

  • the present invention relates to a PCR block capable of independent temperature control, and more particularly, by dividing the upper and lower ends of a plurality of heating chambers forming an array into columns and rows, respectively, and selectively energizing each heating chamber, thereby independently controlling the temperature of each heating chamber. It can be controlled precisely by simply combining a heating chamber coated with a heating element between the upper board and the lower board in the form of a printed circuit board, so that the structure is simple and the manufacturing cost is reduced. , It is possible to directly conduct heat to the tube body closely attached to the inner side by directly heating the heating chamber having the shape of the upper beam, and the heat capacity of the heating chamber is small so that heating and cooling can be performed quickly, thereby shortening the temperature cycling time. It is an object of the present invention to provide a temperature circulator for PCR with a single thermal chamber.
  • the conventional thermal cycler used for gene amplification consists of a hot lid to prevent evaporation of the sample in the tube, a block for mounting a tube or plate containing the sample, and a heat supply device for temperature cycling of the block. Has been.
  • the heat supply device must be capable of heating and cooling, and for this purpose, a thermoelectric element or a heat exchange device has been used.
  • a thermoelectric element or a heat exchange device has been used.
  • most of the Peltier elements are used to cycle the temperature of the block containing the tube, especially for the simplification of the device and the convenience of control.
  • Thermal cyclers that perform temperature cycling using a Peltier block have the opposite side of the Peltier in contact with the block and have the opposite thermal characteristics. When the Peltier side attached to the block is heated, the other side is cooled and the Peltier side on the block side When it is cooled, the other side is heated. In these Peltier devices, heating or cooling is determined in the direction of the supplied current, and in the case of Peltier devices, if the temperature difference between both sides is not maintained over a certain temperature, the temperature of the target surface does not change. A heat sink has been attached to induce a difference over a certain temperature.
  • each Peltier device is connected in series or parallel to control the amount of current and the direction of the current to change or maintain the temperature.
  • the Peltier element attached to the block is usually composed of 4 or 6, but since the temperature cannot be controlled differently on one Peltier surface, the same amount of heat is supplied within the area of the block corresponding to the size of the Peltier surface. It will be. However, a temperature deviation occurs around the block due to temperature disturbance due to contact of external air or equipment.
  • the main factor influencing gene amplification in the PCR thermal cycler is the temperature of the block.When using a Peltier element, the temperature of the center and the outside cannot be controlled individually, so there is inevitably a temperature difference between the center and the outside of the block. I did.
  • the block had to be constructed in an integrated form in order to reduce the temperature deviation between wells and mechanically attach it to the Peltier surface. For this reason, the heat capacity of the block increases, and as a result, more energy than necessary for temperature cycling of the gene sample is consumed, and there is a problem in that it takes more time required for temperature cycling.
  • Patent Document 1 KR10-0603821 (registration number) 2006.07.14.
  • the present invention reduces the heat capacity of the block and enables temperature control for each heating chamber independently, thereby providing a temperature circulator for PCR having a plurality of single thermal chambers capable of accurate and rapid temperature cycling. have.
  • the present invention can be selectively energized by dividing the upper and lower ends of a plurality of heating chambers forming an array into columns and rows, respectively, so that the temperature for PCR has a plurality of single column chambers capable of independently controlling the temperature of each heating chamber. Its purpose is to provide a circulation device.
  • the conventional heat chamber can be replaced only by combining the heating chamber coated with the heating element between the upper board and the lower board in the form of a printed circuit board, the structure is simple and the manufacturing cost is reduced.
  • An object thereof is to provide a temperature circulator for PCR with a single thermal chamber.
  • An object of the present invention is to provide a temperature circulator for PCR having a plurality of single thermal chambers that can shorten the temperature cycling time.
  • the present invention comprises: an upper board including a plurality of upper holes perforated while forming an array, an upper electrode formed in the upper hole, and a plurality of upper power lines connected to the upper electrode; A lower board including a plurality of lower holes perforated in an array, a lower electrode formed in the lower hole, and a plurality of lower power lines connected to the lower electrode; A temperature measurement board disposed below the lower board and including a plurality of temperature measurement sensors; A lower surface of the chamber body in contact with the temperature measurement sensor, a heating element formed on the outer periphery of the chamber body to generate heat when electricity is supplied, and the chamber body provided to be electrically connected to the heating element to contact the upper electrode A plurality of heating chambers including an upper ring and a lower ring provided in the chamber body to be electrically conductive with the heating element and in contact with the lower electrode; And a control unit configured to selectively energize the upper electrode and the lower electrode so that the heating element of the heating chamber selectively generates heat.
  • control unit of the present invention includes a power terminal switch each provided on the upper power line to connect the upper power line to a power terminal, and a power terminal switch respectively provided on the lower power line to connect the lower power line to the ground terminal. Includes a ground stage switch.
  • the temperature measurement sensor of the present invention has a heating address in which the sequence number of the upper power line and the lower power line is a serial number, and the control unit receives the measured value of the temperature measurement sensor, and the temperature Using the difference between the measured value of the measurement sensor and the target temperature value, the pulse width of the voltage to be supplied to each of the heating chambers is matched to the heating address and stored, and the upper power line and the lower power line are When connected to the ground terminal, the driving time of the power terminal switch and the ground terminal switch is controlled so that power having a pulse width corresponding to a corresponding heating address is applied to the upper power line and the lower power line.
  • the upper surface part is opened so that the upper hole of the upper board is exposed to the outside to form an upper surface opening, and the lower central part is opened to form a lower surface opening;
  • a suction motor coupled to a lower end of the lower surface opening of the bracket to suck air inside the bracket, wherein the temperature measuring board has a plurality of through holes formed at positions corresponding to the lower surface openings, and the bracket has the temperature
  • An air inlet through which external air is introduced is formed in a pair of mutually symmetrical directions not in contact with the measurement board or the upper board.
  • the shape of the chamber body is formed in the upper light lower side.
  • the upper ring and the lower ring are formed of a material capable of energizing and soldering, and the upper ring and the lower ring are coupled to the chamber body by coating a heat generating paste. To form a heating element.
  • a plurality of heating chambers are each independently arranged and provided, and since the tube body is heated by applying power to the heating element formed on the outer periphery of the heating chamber, heating is fast, and each heating chamber is heated independently Temperature control is possible.
  • the upper and lower ends of the plurality of heating chambers constituting the arrangement can be divided into columns and rows, respectively, and selectively energized, so that the temperature of each heating chamber can be independently controlled.
  • the conventional thermal chamber can be replaced only by combining a heating chamber coated with a heating element between the upper board and the lower board in the form of a printed circuit board, so that the structure is simple and the manufacturing cost is reduced. have.
  • the present invention directly heats the heating chamber having the upper light lower narrow shape and directly transfers heat to the tube body close to the inner side, so that the heat conduction time is short, and the heat capacity of the heating chamber is small, so that heating and cooling can be performed quickly. , It has the effect of shortening the temperature cycling time.
  • FIG. 1 is an internal perspective view of a PCR block capable of independent temperature control.
  • Figure 2 is a perspective view of the internal separation of the PCR block capable of independent temperature control.
  • FIG 3 is an enlarged view of a main part of a PCR block capable of independent temperature control.
  • FIG. 4 is a perspective view and an exploded perspective view of a heating chamber of a PCR block capable of independent temperature control.
  • FIG. 5 is a perspective view of a PCR block capable of independent temperature control.
  • FIG. 6 is an exemplary diagram of a cooling operation of a PCR block capable of independent temperature control.
  • FIG. 7 is an exemplary diagram of a cooling operation of a PCR block capable of independent temperature control.
  • a plurality of upper holes are arranged and perforated, and upper electrodes 120 are provided in each upper hole, and a plurality of upper ends connected to each row of the upper electrode 120
  • the upper board 100 including the power line 130 and the upper board 100 are provided under the upper board 100, and a plurality of lower holes are arranged and perforated, and the lower electrode 220 is provided in each lower hole, and the lower electrode (
  • a lower board 200 including a plurality of lower power lines 230 connected to each row of 220), and a plurality of temperature measurement sensors 320 disposed below the lower board 200 are arranged to be provided.
  • the temperature measurement board 300 is formed in a cylindrical shape with an open top so that the top and bottom are respectively inserted into the top hole of the top board 100 and the bottom hole of the bottom board 200, and the top electrode 120 and A sample plate 600 having a heating chamber 400 provided with a heating element 420 connected to the lower electrode 220, and a plurality of tube bodies 610 that are provided to be inserted into the heating chamber 400, respectively. And a control unit that selectively connects the upper power line 130 and the lower power line 230 to the power terminal and the ground terminal, respectively, so that the heating element 420 of the heating chamber 400 generates heat.
  • the upper board 100 serves to provide a power line to selectively conduct a power supply terminal to the heating element 420 of the heating chamber 400, and for this purpose, a plate-shaped upper plate 110 and an upper plate ( Consisting of a plurality of upper holes arranged in 110) and perforated, upper electrodes 120 formed in each upper hole, and a plurality of upper power lines 130 connected to each row of the upper electrode 120 do.
  • the upper plate 110 may be a conventional printed circuit board (PCB) formed in a plate shape, and a plurality of upper holes are arranged in the inner side to be perforated.
  • PCB printed circuit board
  • the upper electrode 120 may be formed by printing on the upper plate 110 together with the upper power line 130.
  • the upper electrode 120 is a portion of the heating chamber 400 that is in contact with the upper ring 430 and conducts, and the upper power line 130 connects external power to the upper electrode 120.
  • the upper power line 130 is configured in plural and serves to electrically connect each row of the upper electrodes 120 arranged.
  • the upper power line 130 is formed by printing on the upper plate 110, and a connection terminal for connecting each upper power line 130 to the outside may be formed on one side of the upper plate 110.
  • the upper power line 130 may be formed only on the upper surface of the upper plate 110, or may be formed only on the lower surface of the upper plate 110, or, partly on the upper surface of the upper plate, and partly on the lower surface of the upper plate. May be formed.
  • Each of these upper power lines 130 is connected to a power end through a power end switch, and each upper power line 130 is given a unique sequence number for controlling the power end connection from the control unit.
  • the lower board 200 serves to provide a power line so that the ground terminal can be selectively connected to the heating element 420 of the heating chamber 400, and is disposed under the upper board 100 for this purpose.
  • the bottom plate 210 of the bottom plate 210 a plurality of bottom holes arranged and perforated in the bottom plate 210, bottom electrode 220 formed in each bottom hole, and connected to each row of the bottom electrode 220 It is configured to include a plurality of lower power lines 230.
  • the lower plate 210 may be a conventional printed circuit board formed in a plate shape, and a plurality of lower holes are arranged to be drilled inside.
  • the lower electrode 220 may be formed by printing on the lower plate 210 together with the lower power line 230.
  • the lower electrode 220 is a portion of the heating chamber 400 that is in contact with the lower ring 440 and conducts, and the lower power line 230 connects external power to the lower electrode 220.
  • the lower power line 230 is configured in plural and serves to electrically connect each row of the arranged lower electrodes 220 to each other.
  • the lower power line 230 is formed by printing on the lower plate 210, and a connection terminal for connecting each lower power line 230 to the outside may be formed on one side of the lower plate 210.
  • the lower power line 230 may be formed only on the upper surface of the lower plate 210, may be formed only on the lower surface of the lower plate 210, or, partly on the upper surface of the upper plate, and partly on the lower surface of the upper plate. May be formed.
  • Each of these lower power lines 230 is connected to the ground terminal through a ground terminal switch, and each lower power line 230 is assigned a unique sequence number for controlling connection to the ground terminal from the controller.
  • the upper power line 130 may be arranged in a row, and the lower power line 230 may be arranged in a column, which is selectively If power can be applied to the heating chamber 400 located at the intersection through the upper power line 130 and the lower power line 230 connected to the end, the upper and lower boards 100 and 200
  • column and row substitution is a structure that is obvious to those skilled in the art.
  • the temperature measurement board 300 serves to measure the heat of the chamber body 410 of the heating chamber 400, and is disposed under the lower board 200 for this purpose, and the plate-shaped temperature measurement plate 310 and , It is configured to include a plurality of temperature measurement sensors 320 arranged and provided on the temperature measurement plate 310.
  • the temperature measurement plate 310 may be a conventional printed circuit board formed in a plate shape, and a plurality of temperature measurement sensors 320 are arranged and provided. To this end, a measurement line connected to the temperature measurement sensor 320 is printed on the temperature measurement plate 310 and the temperature measurement sensor 320 is a negative thermometer whose resistance value decreases as the ambient temperature increases.
  • An NTC-thermistor Negative Temperature Coefficient-thermic resistor having a number ( ⁇ ) may be employed, but is not limited thereto.
  • the temperature measurement sensor 320 contacts the lower end of the chamber body 410 of the heating chamber 400 to measure the temperature of the chamber body 410, and for this purpose, it is provided to form the same arrangement as the heating chamber 400.
  • a thermally conductive bonding material such as thermally conductive silicon is provided between the chamber body 410 and the temperature measurement sensor 320. Can be connected.
  • the temperature measurement sensor 320 has a heating address in which the sequence number of the upper power line 130 and the sequence number of the lower power line 230 are serial numbers, and the heating address is described in more detail in the following description of the controller. I will explain.
  • the temperature measurement plate 310 may have a shape in which the temperature measurement sensor 320 and the remaining portion on which the measurement line is formed are perforated. This is to secure a flow path of air when air is sucked in and discharged from the suction motor 520 to be described below.
  • the heating chamber 400 is heated when power is applied to heat the tube body 610 inserted inside, and for this purpose, it is formed in a cylindrical shape with an open top so that the top is in the top hole of the top board 100.
  • the chamber body 410 which is inserted and the lower end is inserted into the lower hole of the lower board 200, a heating element 420 formed on the outer periphery of the chamber body 410 to generate heat when electricity is supplied, and the chamber body 410
  • the upper ring 430 and the chamber body 410 are provided to be electrically connected to the heating element 420 at the upper outer periphery of the chamber body 410 and contact the upper electrode 120 when the upper end of the chamber body 410 is inserted into the upper hole.
  • It is configured to include a lower ring 440 that is provided to be electrically conductive with the heating element 420 at the lower outer periphery of the chamber body 410 and contacts the lower electrode 220 when the lower end of the chamber body 410 is inserted into the lower hole.
  • the chamber body 410 is coated with insulation, provides a space so that the tube body 610 can be inserted, and serves to transfer heat generated from the heating element 420 to the tube body 610.
  • the chamber body 410 is formed in an inverted conical shape of the upper light lower narrow shape, and the upper part is opened so that the tube body 610 to be described below can be inserted.
  • the upper end of the chamber body 410 is inserted into the upper hole of the upper board 100, and the lower end is inserted into the lower hole of the lower board 200 to be fixed. At this time, the upper end coupled to the upper end of the chamber body 410 The ring and the lower ring coupled to the lower end of the chamber body 410 may be interposed between the chamber body 410 and the upper hole or the lower hole, but are not limited thereto.
  • a heating element 420 that generates heat when power is applied is formed on the outer periphery of the chamber body 410.
  • the heating element 420 generates heat when power is applied to heat the chamber body 410 to finally heat the tube body 610 inside the chamber body 410.
  • the outside of the chamber body 410 It is formed by coating an exothermic paste on the periphery.
  • the heating element 420 In order to form the heating element 420, first, the upper ring is coupled to the upper end of the chamber body 410, and the lower ring is coupled to the lower end. Thereafter, a heat generating coating agent such as a carbon nano tube (CNT) paste is applied to the outer periphery of the chamber body 410.
  • a heat generating coating agent such as a carbon nano tube (CNT) paste is applied to the outer periphery of the chamber body 410.
  • power applied through the upper power line 130 flows along the upper ring 430 to generate thermal energy while passing through the application portion of the heat generating coating agent, and the lower ring 440 and the lower power line By flowing along 230, the chamber body 410 is heated.
  • CNT carbon nano tube
  • the upper ring 430 and the lower ring 440 are formed of a material capable of energization and soldering, and a stepped step is formed on the outer periphery of each to be firmly supported by the upper plate 110 and the lower plate 210 It is structured to be.
  • the stepped jaws formed on the outer peripheries of the upper ring 430 and the lower ring 440 serve to more stably contact the upper electrode 120 and the lower electrode 220 of the upper board 100 and the lower board 200 And, accordingly, the application of power can be stably made.
  • the heating chamber 400 is a plurality of heating chambers 400 are each independently configured and the shape of the upper light lower narrow heat capacity is small, heating and cooling can be quickly performed, and because the heating chamber 400 is separated from each other. Since there is little thermal interference with other adjacent heating chambers 400, it is possible to accurately control the temperature independently.
  • the bracket 500 seals the upper board 100 and the temperature measurement board 300 from the outside, and serves to form an air flow path therebetween.
  • the bracket 500 is formed in a box shape, and the temperature measurement board 300 and the upper board
  • the 100 is built-in, and a portion of the upper surface is opened so that the upper hole of the upper board 100 is exposed to the outside to form an upper surface opening, and the lower central part is opened to form a lower opening.
  • the upper board 100, the lower board 200, the heating chamber 400, and the temperature measuring board 300 are built into the bracket 500, and only the upper surface of the upper board 100 is the bracket 500 Is exposed to the outside of the temperature measurement board 300, and the central portion of the temperature measurement board 300 is exposed through an opening at the bottom of the bracket 500 on which the suction motor 520 is mounted, and the remaining part has a shape sealed by the bracket 500.
  • the bracket 500 is an air inlet 510 through which external air is introduced in a pair of mutually symmetrical directions that are not in contact with the temperature measuring board 300 or the upper board 100 so that air can be introduced from the outside to the inside. Is formed.
  • the air inlet 510 is shown to be formed on both sides of the lower surface of the bracket 500 in the drawing, but it is also possible to be formed on both sides or one side of the upper surface of the bracket 500, based on the center of the bracket 500 Any shape is possible as long as it is formed in the same size at a symmetrical position.
  • a suction motor 520 is connected to the lower surface opening.
  • the suction motor 520 serves to suck air inside the bracket 500, and is installed at the lower end of the bracket 500 to communicate with an opening.
  • the suction motor 520 is driven by the control of the controller and performs temperature control by varying the rotation speed and the amount of air passing through it.
  • the air inside the bracket 500 is discharged to the outside through the intake motor 520. At this time, a negative pressure is formed inside the bracket 500 to allow external air to pass through the air inlet 510. It is introduced into the bracket 500. Preferably, the air sucked through the suction motor 520 is discharged through a separate line so as not to be mixed with the air introduced through the air inlet 510.
  • the sample plate 600 serves to accommodate the gene sample and insert it into the heating chamber 400 so that the gene sample can be repeatedly heated and cooled, and is typically composed of a plurality of tube bodies 610.
  • the eight tube body 610 connected to each other is called an 8 strip tube, and 12 connected to the 12 strip tube, and is commonly used.
  • the controller serves to control power supplied to the heating element 420 of the heating chamber 400, and for this purpose, the upper power line 130 is selectively connected to the power terminal, and the lower power line 230 is selectively
  • the heating element of the heating chamber 400 to which the upper ring 430 and the lower ring 440 are connected to the upper power line 130 connected to the power terminal and the lower power line 230 connected to the ground terminal by connecting to the ground terminal ( 420) is configured to generate heat.
  • control unit is provided in each of the upper power line 130, the power end switch for connecting the upper power line 130 to the power end, and the lower power line 230 is respectively provided in the lower power line 230 to ground. It consists of a ground terminal switch connected to the terminal.
  • each power stage switch is assigned a serial number according to the sequence number of the upper power line 130
  • each ground stage switch is also assigned a serial number according to the sequence number of the lower power line 230.
  • the temperature measurement sensor 320 has a heating address in which the order of the upper power line 130 and the lower power line 230 is a complex serial number. For example, if the upper power line 130 has a serial number of C1 to C12, and the lower power line 230 has a serial number of R1 to R8, the heating address of the temperature measurement sensor 320 is C1R1, C1R2, You will have the serial number of C1R3...C12R8. And, each heating chamber 400 is matched one-to-one with each temperature measurement sensor 320, that is, each heating address.
  • the controller may control the power terminal switch and the ground terminal switch to be sequentially driven. For example, if the power stage switch has a serial number of C1 to C12 and the ground switch has a serial number of R1 to R8, first, the power stage switches from C1 to C12 are sequentially connected to the power stage. At this time, the R1 ground switch is It is controlled so that it is continuously connected to the ground terminal. When one cycle of the power stage switch ends, the power stage switches C1 to C12 are sequentially connected to the power stage, and the R2 ground stage switch is continuously connected to the ground stage.
  • the controller receives the measured value of the temperature measuring sensor 320 and calculates a difference between the measured value of the temperature measuring sensor 320 and the target temperature value. Then, the pulse width of the voltage supplied to each heating chamber 400 is matched to the heating address by using the difference between the calculated temperature values, and the upper power line 130 and the lower power line 230 When connected to the ground terminal, the driving time of the power terminal switch or the ground terminal switch is controlled so that a voltage having a pulse width corresponding to a corresponding heating address is applied to the upper power line 130.
  • the measured value measured by the temperature measuring sensor 320 is positioned equal to or below the target temperature value.
  • the difference between these temperature values is calculated according to the experimentally arranged table to determine how much power must be supplied to reach the target temperature value at the corresponding heating address, and this calculated power value is again the voltage pulse. Is converted to width.
  • there is a method of varying the power value by varying the size of the voltage but rather than supplying different voltages to dozens of heating chambers 400, it is quick control to change the pulse width of the voltage after setting the same voltage value. And precise control is possible.
  • the greater the required power value that is, the greater the difference between the measured value measured by the temperature sensor 320 and the target temperature value at the corresponding heating address, the greater the voltage pulse width.
  • the controller matches and stores it with the heating address.
  • the power stage switch and the ground stage switch having the serial number of the heating address are operated, the power stage switch or the ground stage switch is turned on so that a voltage corresponding to the stored pulse width is supplied by matching the corresponding heating address.
  • the controller supplies power to the heating chamber 400 to heat the heating chamber 400, stops heating the heating chamber 400, and then drives the suction motor 520 to cool the heating chamber 400. Repeat the process.
  • a plurality of heating chambers 400 are each independently arranged and provided, and power is applied to the heating element 420 formed on the outer periphery of the heating chamber 400 to thereby supply the tube body 610. Because it is heated, heating is quick, and since each heating chamber 400 is heated independently, accurate temperature control is possible.
  • the upper and lower ends of the plurality of heating chambers 400 forming an arrangement can be separated into columns and rows, and can be selectively connected to the power terminal and the ground terminal, so that the temperature of each heating chamber 400 can be independently controlled. It can have an effect.
  • the upper and lower ends of the plurality of heating chambers 400 forming an array can be separated into columns and rows, respectively, and can be selectively connected to the power supply terminal and the ground terminal, so that a gene amplification experiment with different temperature conditions within one block Can be performed at once.
  • the present invention it is possible to replace the conventional thermal chamber only by coupling the heating chamber 400 coated with the heating element 420 between the upper board 100 and the lower board 200 in the form of a printed circuit board. ,
  • the structure is simple and the manufacturing cost is reduced.
  • the present invention directly heats the heat generating chamber 400 having a lower narrow shape of the upper beam to directly transfer heat to the tube body 610 in close contact with the inner side, so that the heat conduction time is short and the heat capacity of the heat generating chamber 400 is small. Since heating and cooling can be performed quickly, there is an effect of shortening the gene amplification time by shortening the temperature cycling time.
  • top board 110 top plate
  • bracket 510 air inlet

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Abstract

본 발명은, 독립적 온도 제어가 가능한 PCR용 블록에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 배열을 이루는 복수의 발열 챔버 상하단을 각각 열과 행으로 구분하여 선택적으로 통전시킬 수 있고, 발열 챔버에 일대일 매칭되도록 온도 측정 센서가 구비됨으로써, 발열 챔버 각각을 독립적으로 정확히 제어할 수 있으며, 인쇄회로기판 형태의 상단 보드와 하단 보드의 사이에 발열체가 코팅된 발열 챔버를 결합하는것만으로 종래의 열 챔버의 대체가 가능하므로, 구조가 단순하고 제조 비용이 저감되고, 상광 하협 형상을 갖는 발열 챔버를 직접 가열하여 내측에 밀착된 튜브 몸체로 직접 열의 전도가 가능하고, 발열 챔버의 열용량이 작아 가열 및 냉각을 빠르게 실시할 수 있어 온도사이클링 시간을 단축시킬 수 있는 다수의 단일 열 챔버를 가진 PCR용 온도 순환 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

독립적 온도 제어가 가능한 PCR용 블록
본 발명은, 독립적 온도 제어가 가능한 PCR용 블록에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 배열을 이루는 복수의 발열 챔버 상하단을 각각 열과 행으로 구분하여 선택적으로 통전이 가능하여, 발열 챔버 각각의 온도를 독립적으로 정확히 제어할 수 있으며, 인쇄회로기판 형태의 상단 보드와 하단 보드의 사이에 발열체가 코팅된 발열 챔버를 결합하는 것만으로 종래의 열 챔버의 대체가 가능하므로, 구조가 단순하고 제조 비용이 저감되고, 상광 하협 형상을 갖는 발열 챔버를 직접 가열하여 내측에 밀착된 튜브 몸체로 직접 열의 전도가 가능하고, 발열 챔버의 열용량이 작아 가열 및 냉각을 빠르게 실시할 수 있어 온도사이클링 시간을 단축시킬 수 있는 다수의 단일 열 챔버를 가진 PCR용 온도 순환 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
종래의 유전자 증폭을 위해 사용되는 써멀싸이클러는 튜브 안 샘플의 증발을 막기 위한 핫 리드(hot lid), 샘플이 담긴 튜브나 플레이트를 장착하는 블록, 블록의 온도 사이클링을 위한 열 공급장치 등으로 구성되어 있다.
열 공급장치는 가열 및 냉각이 가능하여야 하며, 이를 위해 열전소자나 열교환장치가 사용되어 왔다. 최근에는 특히 장치의 간소화와 제어의 편리성을 위해 대부분 펠티에(Peltier) 소자를 이용하여 튜브가 담긴 블록의 온도를 싸이클링 하고 있는 실정이다.
펠티에를 이용해 온도싸이클링을 하는 써멀싸이클러는 블록과 접촉되는 펠티에의 반대쪽 면은 블록쪽과 반대의 열특성을 갖고 있는데, 블록에 붙어있는 펠티에면을 가열하면 반대편은 냉각이 되고, 블록쪽 펠티에 면을 냉각하면 반대편은 가열되는 특성이 있다. 이러한 펠티에 소자는 공급되는 전류의 방향으로서 가열 또는 냉각이 결정되며, 펠티에 소자의 경우 양쪽 면의 온도 차이가 일정한 온도 이상 유지되지 않으면 타깃면의 온도가 변화하지 않기 때문에 블록의 반대편 펠티에 면은 통상적으로 방열판을 부착하여 일정 온도 이상의 차이를 유도하여왔다.
통상의 블록은 튜브나 플레이트의 형상에 맞게 구성되어 있기 때문에 그 형상이나 크기가 거의 일정하다. 블록의 크기에 맞게 다수의 펠티에 소자를 부착하여 각각의 펠티에 소자를 직렬 혹은 병렬로 연결하여 전류의 양과 전류의 방향을 조절하여 온도를 변화시키거나 유지하여 왔다.
이때, 블록에 부착되는 펠티에소자는 통상적으로 4개 혹은 6개로 구성되는데, 하나의 펠티에 면상에서는 온도를 다르게 제어할 수 없기 때문에 펠티에 면의 사이즈에 해당되는 블록의 영역 내에서는 동일한 양의 열이 공급되게 된다. 그러나, 블록 주변은 외부의 공기나 기구물들의 접촉에 의한 온도 교란으로 중앙부와 온도 편차가 발생하게 된다.
PCR용 써멀싸이클러에서 유전자 증폭에 영향을 주는 주요 요인은 블록의 온도인데, 펠티에 소자를 이용하는 경우 중앙부와 외곽부의 온도를 서로 개별적으로 제어할 수 없기 때문에 필연적으로 블록 중앙부와 외곽부의 온도 차이가 발생하였다.
또한, 블록은 웰간의 온도편차를 줄이고, 기구적으로 펠티에 면에 부착시키기 위해 일체화된 형태로 구성되어야만 했다. 이러한 이유 때문에 블록의 열용량이 커지게 되고, 결과적으로 유전자 샘플의 온도 사이클링에 필요 이상의 에너지가 소모되고, 또한 온도 사이클링에 필요한 시간도 더 소요되는 문제가 있었다.
따라서, 유전자 샘플이 담긴 튜브 각각의 온도를 독립적으로 제어가 가능하게 하고, 열용량을 작게 하여 온도 사이클링을 신속하게 수행할 수 있는 PCR용 온도 순환 장치의 개발이 필요로 하게 되었다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) KR10-0603821(등록번호) 2006.07.14.
본 발명은, 블록의 열용량을 줄이고, 각각의 발열 챔버에 대해 독립적으로 온도 제어가 가능하게 하여, 정확하고 신속한 온도사이클링이 가능한 다수의 단일 열 챔버를 가진 PCR용 온도 순환 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은, 배열을 이루는 복수의 발열 챔버 상하단을 각각 열과 행으로 구분하여 선택적으로 통전시킬 수 있어, 발열 챔버 각각의 온도를 독립적으로 제어할 수 있는 다수의 단일 열 챔버를 가진 PCR용 온도 순환 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은, 인쇄회로기판 형태의 상단 보드와 하단 보드의 사이에 발열체가 코팅된 발열 챔버를 결합하는것만으로 종래의 열 챔버의 대체가 가능하므로, 구조가 단순하고 제조 비용이 저감되는 다수의 단일 열 챔버를 가진 PCR용 온도 순환 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은, 상광 하협 형상을 갖는 발열 챔버를 직접 가열하여 내측에 밀착된 튜브 몸체로 열을 직접 전달하여 열전도 시간이 짧으며, 발열 챔버의 열용량이 작아 가열 및 냉각을 빠르게 실시할 수 있어, 온도사이클링 시간을 단축시킬 수 있는 다수의 단일 열 챔버를 가진 PCR용 온도 순환 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은, 배열을 이루며 천공되는 복수의 상단 홀과, 상기 상단 홀에 형성되는 상단 전극과, 상기 상단 전극에 연결되는 복수의 상단 전원 라인을 포함하는 상단 보드; 배열을 이루며 천공되는 복수의 하단 홀과, 상기 하단 홀에 형성되는 하단 전극과, 상기 하단 전극에 연결되는 복수의 하단 전원 라인을 포함하는 하단 보드; 상기 하단 보드의 하방에 배치되며, 복수의 온도 측정 센서를 포함하는 온도 측정 보드; 하단면이 상기 온도 측정 센서에 접촉되는 챔버 몸체와, 상기 챔버 몸체의 외주연에 형성되어 전기가 공급되면 발열되는 발열체와, 상기 챔버 몸체에 상기 발열체와 전기적으로 도통되도록 구비되어 상기 상단 전극과 접촉되는 상부링과, 상기 챔버 몸체에 상기 발열체와 전기적으로 도통되도록 구비되어 상기 하단 전극과 접촉되는 하부링을 포함하는 복수의 발열 챔버; 상기 상단 전극과 상기 하단 전극을 선택적으로 통전시켜 상기 발열 챔버의 상기 발열체가 선택적으로 발열되도록 하는 제어부;를 포함한다.
또한, 본 발명의 상기 제어부는, 상기 상단 전원 라인에 각각 구비되어 상기 상단 전원 라인을 전원단에 연결하는 전원단 스위치와, 상기 하단 전원 라인에 각각 구비되어 상기 하단 전원 라인을 그라운드단에 연결하는 그라운드단 스위치를 포함한다.
*또한, 본 발명의 상기 온도 측정 센서는, 상기 상단 전원 라인과 상기 하단 전원 라인의 순번을 일련 번호로 하는 히팅 어드레스를 갖고, 상기 제어부는, 상기 온도 측정 센서의 측정값을 입력받아, 상기 온도 측정 센서의 측정값과 목표 온도값의 차를 이용하여, 각각의 상기 발열 챔버에 공급될 전압의 펄스 폭을 상기 히팅 어드레스에 매칭하여 저장하고, 상기 상단 전원 라인과 상기 하단 전원 라인이 전원단 및 그라운드단에 연결될 때 해당 히팅 어드레스에 대응되는 펄스 폭을 갖는 전력이 상기 상단 전원 라인 및 상기 하단 전원 라인에 인가되도록 상기 전원단 스위치 및 상기 그라운드단 스위치의 구동 시간을 제어한다.
또한, 본 발명은, 상기 상단 보드의 상기 상단 홀이 외부로 노출되도록 상면 일부가 개구되어 상면 개구부가 형성되고, 하면 중앙부가 개구되어 하면 개구부가 형성된 브라켓; 상기 브라켓의 상기 하면 개구부 하단에 결합되어 상기 브라켓 내부의 공기를 흡입하는 흡입 모터;를 포함하고, 상기 온도 측정 보드는 상기 하면 개구부에 대응되는 위치에 복수의 통공이 형성되며, 상기 브라켓은 상기 온도 측정 보드 또는 상기 상단 보드와 접하지 않은 한 쌍의 상호 대칭되는 방향에 외부 공기가 유입되는 공기 유입구가 형성된다.
또한, 본 발명의 상기 발열 챔버는, 상기 챔버 몸체의 형상이 상광 하협으로 형성된다.
또한, 본 발명의 상기 발열 챔버는, 상기 상부링과 상기 하부링이 통전 및 솔더링 가능한 재질로 형성되며, 상기 챔버 몸체에 상기 상부링과 상기 하부링이 결합된 상태에서 발열성 페이스트를 코팅하여 상기 발열체를 형성한다.
본 발명은, 복수의 발열 챔버가 각각 독립적으로 배열되어 구비되고, 발열 챔버의 외주연에 형성된 발열체에 전원을 인가하여 튜브 몸체를 가열하므로 가열이 신속하고, 각각의 발열 챔버가 독립적으로 가열되므로 정확한 온도 제어가 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 배열을 이루는 복수의 발열 챔버 상하단을 각각 열과 행으로 구분하여 선택적으로 통전시킬 수 있어, 발열 챔버 각각의 온도를 독립적으로 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 발열 챔버 각각에 대하여 서로 다른 온도의 설정이 가능하므로, 한번의 시험으로 다수의 온도 조건에 대한 반응성을 확인할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 발열 챔버 각각에 대하여 서로 다른 온도의 설정이 가능하므로, 하나의 블록에서 온도 조건이 서로 다른 유전자 증폭 실험을 한번에 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 인쇄회로기판 형태의 상단 보드와 하단 보드의 사이에 발열체가 코팅된 발열 챔버를 결합하는것만으로 종래의 열 챔버의 대체가 가능하므로, 구조가 단순하고 제조 비용이 저감되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 상광 하협 형상을 갖는 발열 챔버를 직접 가열하여 내측에 밀착된 튜브 몸체로 열을 직접 전달하여 열전도 시간이 짧으며, 발열 챔버의 열용량이 작아 가열 및 냉각을 빠르게 실시할 수 있어, 온도사이클링 시간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 독립적 온도 제어가 가능한 PCR용 블록의 내부 사시도.
도 2 는 독립적 온도 제어가 가능한 PCR용 블록의 내부 분리사시도.
도 3 은 독립적 온도 제어가 가능한 PCR용 블록의 요부 확대도.
도 4 는 독립적 온도 제어가 가능한 PCR용 블록의 발열 챔버의 사시도 및 분리사시도.
도 5 는 독립적 온도 제어가 가능한 PCR용 블록의 사시도.
도 6 은 독립적 온도 제어가 가능한 PCR용 블록의 냉각 동작 예시도.
도 7 은 독립적 온도 제어가 가능한 PCR용 블록의 냉각 동작 예시도.
이하에서, 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명은, 도 1 내지 도 7 에 도시된 바와 같이, 복수의 상단 홀이 배열을 이루어 천공되고 각 상단 홀에 상단 전극(120)이 구비되며 상단 전극(120)의 각 열에 연결되는 복수의 상단 전원 라인(130)을 포함하는 상단 보드(100)와, 상단 보드(100)의 하방에 구비되고 복수의 하단 홀이 배열을 이루어 천공되고 각 하단 홀에 하단 전극(220)이 구비되며 하단 전극(220)의 각 행에 연결되는 복수의 하단 전원 라인(230)을 포함하는 하단 보드(200)와, 하단 보드(200)의 하방에 배치되며 복수의 온도 측정 센서(320)가 배열을 이루어 구비되는 온도 측정 보드(300)와, 상단이 개구된 원통형으로 형성되어 상단 및 하단이 각각 상단 보드(100)의 상단 홀과 하단 보드(200)의 하단홀에 인입되고 외주연에 상단 전극(120) 및 하단 전극(220)에 각각 도통되는 발열체(420)가 구비된 발열 챔버(400)와, 발열 챔버(400)의 내측으로 삽입 가능하게 구비되는 복수의 튜브 몸체(610)가 형성된 샘플플레이트(600)과, 상단 전원 라인(130)과 하단 전원 라인(230)을 각각 전원단과 그라운드단에 선택적으로 연결하여 발열 챔버(400)의 발열체(420)가 발열되도록 하는 제어부를 포함하여 구성된다.
상단 보드(100)는, 발열 챔버(400)의 발열체(420)에 선택적으로 전원단이 도통될 수 있도록 전원 라인을 제공하는 역할을 하며, 이를 위하여 판형의 상단 플레이트(110)와, 상단 플레이트(110)에 배열을 이루며 천공되는 복수의 상단 홀과, 각각의 상단 홀에 형성되는 상단 전극(120)과, 상단 전극(120)의 각 열에 연결되는 복수의 상단 전원 라인(130)을 포함하여 구성된다.
상단 플레이트(110)는 판형으로 형성된 통상의 인쇄회로기판(PCB, Printed Circuit Board)이 그 대상이 될 수 있으며, 내측으로 복수의 상단 홀이 배열을 이루어 천공된다.
상단 전극(120)은 상단 전원 라인(130)과 함께 상단 플레이트(110)상에 인쇄되어 형성될 수 있다. 발열 챔버(400)의 상부링(430)에 접촉되어 도통되는 부분이 상단 전극(120)이 되고, 외부의 전원을 상단 전극(120)까지 연결시켜 주는 부분이 상단 전원 라인(130)이다.
상단 전원 라인(130)은 복수로 구성되어서 배열된 상단 전극(120)의 각 열을 전기적으로 서로 잇는 역할을 한다. 이러한 상단 전원 라인(130)은 상단 플레이트(110)상에 인쇄되어 형성되며, 상단 플레이트(110)의 일측에는 각 상단 전원 라인(130)이 외부와 연결되기 위한 접속 단자가 형성될 수 있다. 이때, 상단 전원 라인(130)은 상단 플레이트(110)의 상면에만 형성될수도 있고, 상단 플레이트(110)의 하면에만 형성될수도 있으며, 또는, 일부는 상부 플레이트의 상면에, 일부는 상부 플레이트의 하면에 형성될수도있다. 이러한 상단 전원 라인(130) 각각은 전원단 스위치를 통해 전원단에 연결되며, 각 상단 전원 라인(130)은 제어부로부터 전원단 연결 제어를 위한 고유의 순번을 부여받는다.
하단 보드(200)는, 발열 챔버(400)의 발열체(420)에 선택적으로 그라운드단이 도통될 수 있도록 전원 라인을 제공하는 역할을 하며, 이를 위하여 상단 보드(100)의 하방에 배치되며, 판형의 하단 플레이트(210)와, 하단 플레이트(210)에 배열을 이루며 천공되는 복수의 하단 홀과, 각각의 하단 홀에 형성되는 하단 전극(220)과, 하단 전극(220)의 각 행에 연결되는 복수의 하단 전원 라인(230)을 포함하여 구성된다.
하단 플레이트(210)는 판형으로 형성된 통상의 인쇄회로기판이 그 대상이 될 수 있으며, 내측으로 복수의 하단 홀이 배열을 이루어 천공된다.
하단 전극(220)은 하단 전원 라인(230)과 함께 하단 플레이트(210) 상에 인쇄되어 형성할 수 있다. 발열 챔버(400)의 하부링(440)에 접촉되어 도통되는 부분이 하단 전극(220)이 되고, 외부의 전원을 하단 전극(220)까지 연결시켜 주는 부분이 하단 전원 라인(230)이다.
하단 전원 라인(230)은 복수로 구성되어서 배열된 하단 전극(220)의 각 행을 전기적으로 서로 잇는 역할을 한다. 이러한 하단 전원 라인(230)은 하단 플레이트(210)상에 인쇄되어 형성되며, 하단 플레이트(210)의 일측에는 각 하단 전원 라인(230)이 외부와 연결되기 위한 접속 단자가 형성될 수 있다. 이때, 하단 전원 라인(230)은 하단 플레이트(210)의 상면에만 형성될수도 있고, 하단 플레이트(210)의 하면에만 형성될수도 있으며, 또는, 일부는 상부 플레이트의 상면에, 일부는 상부 플레이트의 하면에 형성될수도있다. 이러한 하단 전원 라인(230) 각각은 그라운드단 스위치를 통해 그라운드단에 연결되며, 각 하단 전원 라인(230)은 제어부로부터 그라운드단 연결 제어를 위한 고유의 순번을 부여받는다.
한편, 상단 보드(100)와 하단 보드(200)를 설명함에 있어, 상단 전원 라인(130)이 행을, 하단 전원 라인(230)이 열을 이루어 배열될 수 있으며, 이는 선택적으로 전원단 및 그라운드단에 도통된 상단 전원 라인(130)과 하단 전원 라인(230)을 통해 그 교차점에 위치된 발열 챔버(400)에 전원이 인가될 수 있는 구조이면 상단 보드(100)와 하단 보드(200)의 열과 행의 치환은 당업자에게 자명한 구성이기 때문이다. 또한, 같은 이유로, 상단 전원 라인(130)이 그라운드단에, 하단 전원 라인(230)이 전원단에 연결되는 것 역시 가능하며, 발명의 설명에 있어서 오인의 여지를 줄이기 위하여 택일적 기재를 사용하지 않고 확정적 기재를 사용한 것일 뿐, 방향성이 없는 전열 소자의 양 극을 치환하여 활용할 수 있음은 당업자에게 자명하다.
온도 측정 보드(300)는, 발열 챔버(400)의 챔버 몸체(410)의 열을 측정하는 역할을 하며, 이를 위하여 하단 보드(200)의 하방에 배치되고, 판형의 온도 측정 플레이트(310)와, 온도 측정 플레이트(310)상에 배열을 이루며 구비되는 복수의 온도 측정 센서(320)를 포함하여 구성된다.
온도 측정 플레이트(310)는 판형으로 형성된 통상의 인쇄회로기판이 그 대상이 될 수 있으며, 복수의 온도 측정 센서(320)가 배열을 이루어 구비된다. 이를 위하여 온도 측정 플레이트(310)상에는 온도 측정 센서(320)에 연결되는 측정 라인이 인쇄되어 구비되며, 온도 측정 센서(320)는 주변 온도의 상승에 따라 저항값이 감소하는 부(-)의 온도계수(α)를 갖는 NTC-서미스터(NTC-thermistor, Negative Temperature Coefficient-thermic resistor)가 채용될 수 있으나 이를 한정하는 것은 아니다.
이러한 온도 측정 센서(320)는 발열 챔버(400)의 챔버 몸체(410) 하단과 접촉되어 챔버 몸체(410)의 온도를 측정하게 되며, 이를 위하여 발열 챔버(400)와 동일한 배열을 이루도록 구비된다. 또한, 이때 챔버 몸체(410)의 열을 효과적으로 온도 측정 센서(320)에 전도하기 위하여 챔버 몸체(410)와 온도 측정 센서(320) 사이에는 열전도성 실리콘 등의 열전도성 결합 물질이 구비되어 열적으로 연결될 수 있다.
그리고, 온도 측정 센서(320)는 상단 전원 라인(130)의 순번과 하단 전원 라인(230)의 순번을 일련 번호로 하는 히팅 어드레스를 갖으며, 이러한 히팅 어드레스에 대해서는 하기의 제어부의 설명에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
한편, 온도 측정 플레이트(310)는 온도 측정 센서(320) 및 측정 라인이 형성된 나머지 부분이 천공된 형태를 가질 수 있다. 이는 하술할 흡입 모터(520)에서 공기를 흡입하여 배출할 때에 공기의 유로를 확보하기 위함이다.
발열 챔버(400)는, 전원을 인가받으면 발열됨으로써 내측에 삽입된 튜브 몸체(610)를 가열하는 역할을 하며, 이를 위하여 상단이 개구된 원통형으로 형성되어 상단은 상단 보드(100)의 상단 홀에 인입되고 하단은 하단 보드(200)의 하단 홀에 인입되는 챔버 몸체(410)와, 챔버 몸체(410)의 외주연에 형성되어 전기가 공급되면 발열되는 발열체(420)와, 챔버 몸체(410)의 상단 외주연에 발열체(420)와 전기적으로 도통되도록 구비되어 챔버 몸체(410)의 상단이 상단 홀에 인입될 때 상단 전극(120)과 접촉되는 상부링(430)과, 챔버 몸체(410)의 하단 외주연에 발열체(420)와 전기적으로 도통되도록 구비되어 챔버 몸체(410)의 하단이 하단 홀에 인입될 때 하단 전극(220)과 접촉되는 하부링(440)을 포함하여 구성된다.
챔버 몸체(410)는, 절연 코팅되어 있으며, 튜브 몸체(610)가 삽입될 수 있도록 공간을 제공하며, 발열체(420)로부터 생성된 열을 튜브 몸체(610)에 전달하는 역할을 한다. 이를 위하여 챔버 몸체(410)는 상광 하협 형상의 역 원뿔 형상으로 형성되며, 상부가 개구되어 하술할 튜브 몸체(610)가 삽입될 수 있도록 구성된다.
이러한 챔버 몸체(410)는 상단이 상단 보드(100)의 상단 홀에 삽입되고, 하단이 하단 보드(200)의 하단 홀에 삽입되어 고정되며, 이때, 챔버 몸체(410)의 상단에 결합되는 상단링과 챔버 몸체(410)의 하단에 결합되는 하단링이 챔버 몸체(410)와 상단 홀 또는 하단 홀 사이에 개재될 수 있으나 이를 한정하는 것은 아니다.
이러한 챔버 몸체(410)의 외주연에는 전원이 인가되었을 때 발열되는 발열체(420)가 형성된다.
발열체(420)는, 전원의 인가시 발열되어 챔버 몸체(410)를 가열하여 최종적으로 챔버 몸체(410) 내측의 튜브 몸체(610)를 가열하는 역할을 하며, 이를 위하여 챔버 몸체(410)의 외주연에 발열성 페이스트를 코팅함으로써 형성된다.
발열체(420)를 형성하기 위하여 우선 챔버 몸체(410)의 상단에 상단링을 결합하고, 하단에 하단링을 결합한다. 이후 챔버 몸체(410)의 외주연에 CNT(Carbon Nano tube) 페이스트 등의 발열성 코팅제를 도포한다. 이러한 발열체(420)는 상단 전원 라인(130)을 통해 인가된 전원이 상부링(430)을 따라 유입되어 발열성 코팅제의 도포 부위를 지나면서 열 에너지를 생성하고 하부링(440) 및 하단 전원 라인(230)을 따라 흘러나감으로써 챔버 몸체(410)를 가열하게 된다.
이를 위하여 상부링(430) 및 하부링(440)은 통전 및 솔더링(Soldering)이 가능한 재질로 형성되며, 각각 외주연에 단턱이 형성되어 상단 플레이트(110) 및 하단 플레이트(210)에 견고하게 지지될 수 있도록 구성된다.
또한, 상부링(430) 및 하부링(440)의 외주연에 형성된 단턱은 상단 보드(100) 및 하단 보드(200)의 상단 전극(120) 및 하단 전극(220)에 보다 안정적으로 접촉되는 역할을 하며, 이에 따라 전원의 인가가 안정적으로 이루어질 수 있게 된다.
한편, 발열 챔버(400)는 복수의 발열 챔버(400)가 각각 독립적으로 구성되고 상광 하협의 형상으로서 열용량이 작아 가열 및 냉각이 신속하게 이루어질 수 있고, 발열 챔버(400)가 각각 분리되어 있기 때문에 인접한 다른 발열 챔버(400)와의 열 간섭이 적어 정확한 독립적 온도 제어가 가능한 장점을 갖추게 된다.
브라켓(500)은, 상단 보드(100)와 온도 측정 보드(300)를 외부로부터 밀폐하여, 그 사이로 공기 유로를 형성하는 역할을 하며, 이를 위하여 박스형으로 형성되어 온도 측정 보드(300) 및 상단 보드(100)가 내장되되, 상단 보드(100)의 상단 홀이 외부로 노출되도록 상면 일부가 개구되어 상면 개구부가 형성되고, 하면 중앙부가 개구되어 하면 개구부가 형성된다.
즉, 브라켓(500)의 내부에는 상단 보드(100), 하단 보드(200), 발열 챔버(400), 온도 측정 보드(300)가 내장되며, 이중 상단 보드(100)의 상면만 브라켓(500)의 외부로 노출되고, 온도 측정 보드(300)의 중앙부근이 흡입 모터(520)가 장착되는 브라켓(500)의 하면 개구부로 노출되며, 나머지 부분은 브라켓(500)에 의해 밀폐된 형상을 갖게 되는 것이다.
이러한 브라켓(500)은, 외부로부터 내부로 공기가 유입될 수 있도록 온도 측정 보드(300) 또는 상단 보드(100)와 접하지 않은 한쌍의 상호 대칭되는 방향에 외부 공기가 유입되는 공기 유입구(510)가 형성된다. 공기 유입구(510)는 도면상에는 브라켓(500)의 하면 양 측방향에 형성된 것을 도시하였으나, 브라켓(500)의 양 측면 또는 상면 일측에 형성되는 것 역시 가능하며, 브라켓(500)의 중심부를 기준으로 대칭되는 위치에 동일한 크기로 형성되는 형상이면 어느 것이든 가능하다.
이러한 브라켓(500)의 하단에는 하면 개구부에 흡입 모터(520)가 연통 결합된다.
흡입 모터(520)는, 브라켓(500) 내부의 공기를 흡입하는 역할을 하며, 이를 위하여 브라켓(500)의 하단에 하면 개구부와 연통되게 설치된다. 이러한 흡입 모터(520)는 제어부의 제어에 의해 구동되며 회전 속도를 가변시켜 통과되는 풍량에 의해 온도 제어를 수행한다.
흡입 모터(520)가 구동되면 브라켓(500) 내부의 공기가 흡입 모터(520)를 거쳐 외부로 방출되는데, 이때 브라켓(500) 내부에는 음압이 형성되어 공기 유입구(510)를 통해 외부의 공기가 브라켓(500) 내부로 유입된다. 바람직하게는 흡입 모터(520)를 통해 흡입된 공기는 공기 유입구(510)를 통해 유입되는 공기와 혼합되지 않도록 별도의 라인을 통해 배출된다.
흡입 모터(520)의 구동에 의해 외부로부터 공기가 유입되면 유입된 공기는 상단 보드(100) 및 하단 보드(200) 사이의 발열 챔버(400)들 사이로 이동된다. 이러한 공기의 흐름에 의해 발열 챔버(400)가 냉각된다.
샘플플레이트(600)는, 유전자 샘플이 가열과 냉각이 반복될 수 있도록 유전자 샘플을 수용하여 발열 챔버(400)에 삽입되는 역할을 하며, 통상적으로 복수의 튜브 몸체(610)로 구성되어 있다.
튜브 몸체(610)를 8개 연결하여 사용하는 것을 8 strip 튜브, 12개 연결한 것을 12 strip 튜브라 명칭하며, 통상적으로 사용되고 있다.
제어부는, 발열 챔버(400)의 발열체(420)에 공급되는 전원을 제어하는 역할을 하며, 이를 위하여 상단 전원 라인(130)을 선택적으로 전원단에 연결하고, 하단 전원 라인(230)을 선택적으로 그라운드단에 연결하여, 전원단에 연결된 상단 전원 라인(130) 및 그라운드단에 연결된 하단 전원 라인(230)에 각각 상부링(430)과 하부링(440)이 연결된 발열 챔버(400)의 발열체(420)가 발열될 수 있도록 구성된다.
이를 위하여 제어부는, 상단 전원 라인(130)에 각각 구비되어 상단 전원 라인(130)을 전원단에 연결하는 전원단 스위치와, 하단 전원 라인(230)에 각각 구비되어 하단 전원 라인(230)을 그라운드단에 연결하는 그라운드단 스위치를 포함하여 구성된다.
이때, 각각의 전원단 스위치는 상단 전원 라인(130)의 순번에 맞게 일련번호가 지정되며, 각각의 그라운드단 스위치 역시 하단 전원 라인(230)의 순번에 맞게 일련번호가 지정된다. 그리고, 온도 측정 센서(320)는 상단 전원 라인(130)과 하단 전원 라인(230)의 순번을 복합적 일련번호로 하는 히팅 어드레스를 갖는다. 예를 들어 상단 전원 라인(130)이 C1~C12의 일련번호를 갖고, 하단 전원 라인(230)이 R1~R8의 일련번호를 갖는다면, 온도 측정 센서(320)의 히팅 어드레스는 C1R1, C1R2, C1R3... C12R8의 일련번호를 갖게 되는 것이다. 그리고, 각각의 발열 챔버(400)는 각각의 온도 측정 센서(320), 즉, 각각의 히팅 어드레스와 일대일 매칭된다.
그리고, 제어부는 전원단 스위치와 그라운드단 스위치가 순차적으로 구동되도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 전원단 스위치가 C1~C12, 그라운드단 스위치가 R1~R8의 일련번호를 갖는 경우, 우선 C1에서 C12까지의 전원단 스위치를 순차적으로 전원단에 도통시키는데, 이때 R1 그라운드단 스위치가 그라운드단에 계속 연결되어 있도록 제어하는 것이다. 이렇게 전원단 스위치의 한 사이클이 종료되면 다시 C1에서 C12까지의 전원단 스위치를 순차적으로 전원단에 도통시키면서, R2 그라운드단 스위치가 그라운드단에 계속 연결되어 있도록 한다. 이를 통해, C1R1의 히팅 어드레스를 갖는 발열 챔버(400)에서 C12R8의 히팅 어드레스를 갖는 발열 챔버(400)까지 순차적으로 전원을 공급할 수 있게 되고, 발열 챔버(400)에 일괄적으로 전원을 인가하는 것에 비해 빠른 응답이 가능하며, 발열 챔버(400) 각각에 독립적으로 전원을 인가하는 것에 비해 간결한 구성으로 유사한 효과를 낼 수 있게 된다.
제어부는 온도 측정 센서(320)의 측정값을 입력받아 온도 측정 센서(320)의 측정값과 목표 온도값을 차이를 산출한다. 그리고 산출된 온도값의 차이를 이용하여 각각의 발열 챔버(400)에 공급된 전압의 펄스폭을 히팅 어드레스에 매칭하여 저장하고, 상단 전원 라인(130)과 하단 전원 라인(230)이 전원단 및 그라운드단에 연결될 때 해당 히팅 어드레스에 대응되는 펄스폭을 갖는 전압이 상단 전원 라인(130)에 인가되도록 전원단 스위치 또는 그라운드단 스위치의 구동 시간을 제어한다.
이를 좀 더 상세히 설명하면, 온도 측정 센서(320)로부터 측정된 측정값은 목표 온도값과 같거나 그보다 아래에 위치된다. 이러한 온도값의 차이는 실험적으로 정리된 테이블에 의해 얼마만큼의 전력이 공급되어야 해당 히팅 어드레스에서의 온도 측정값을 목표 온도값에 도달시킬 수 있는지 계산되며, 이러한 계산된 전력값은 다시 전압의 펄스폭으로 변환된다. 물론, 전압의 크기를 가변함으로써 전력값을 가변시키는 방법도 있으나, 수십개의 발열 챔버(400)에 서로 다른 전압을 공급하기보다는 전압값은 동일하게 설정한 후 전압의 펄스폭을 가변하는 것이 신속한 제어 및 정확한 제어가 가능하다.
이때, 요구되는 전력값이 클수록, 즉, 해당 히팅 어드레스에서 온도 측정 센서(320)로부터 측정된 측정값과 목표 온도값의 차이가 클수록 전압의 펄스폭이 커지게 된다.
상술한 방식으로 해당 히팅 어드레스에서 요구되는 전압의 펄스폭이 결정되면, 제어부는 이를 히팅 어드레스에 매칭하여 저장한다. 그리고, 해당 히팅 어드레스의 일련 번호를 갖는 전원단 스위치와 그라운드단 스위치가 동작될 때 해당 히팅 어드레스에 매칭되어 저장된 펄스폭만큼의 전압이 공급되도록 전원단 스위치 또는 그라운드단 스위치를 도통시키게 된다.
한편, 유전자를 증폭시키기 위해서는 유전자 샘플이 수용된 튜브 몸체(610)를 가열한 후 냉각하는 과정을 빠르게 수차례 반복해야 한다. 이를 위하여 제어부는 발열 챔버(400)에 전원을 공급하여 발열 챔버(400)를 가열하고, 발열 챔버(400)의 가열을 중단한 후 흡입 모터(520)를 구동시켜 발열 챔버(400)를 냉각시키는 과정을 반복한다.
상술한 구성으로 이루어진 본 발명은, 복수의 발열 챔버(400)가 각각 독립적으로 배열되어 구비되고, 발열 챔버(400)의 외주연에 형성된 발열체(420)에 전원을 인가하여 튜브 몸체(610)를 가열하므로 가열이 신속하고, 각각의 발열 챔버(400)가 독립적으로 가열되므로 정확한 온도 제어가 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 배열을 이루는 복수의 발열 챔버(400) 상하단을 각각 열과 행으로 구분하여 전원단 및 그라운드단에 선택적으로 접속시킬 수 있어, 발열 챔버(400) 각각의 온도를 독립적으로 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 발열 챔버(400) 각각에 대하여 서로 다른 온도의 설정이 가능하므로, 한번의 시험으로 다수의 온도 조건에 대한 반응성을 확인할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 배열을 이루는 복수의 발열 챔버(400) 상하단을 각각 열과 행으로 구분하여 전원단 및 그라운드단에 선택적으로 접속시킬 수 있어, 하나의 블록내에서 온도 조건이 서로 다른 유전자 증폭 실험을 한번에 수행할 수 있다.
또한, 본 발명은, 인쇄회로기판 형태의 상단 보드(100)와 하단 보드(200)의 사이에 발열체(420)가 코팅된 발열 챔버(400)를 결합하는것만으로 종래의 열 챔버의 대체가 가능하므로, 구조가 단순하고 제조 비용이 저감되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 상광 하협 형상을 갖는 발열 챔버(400)를 직접 가열하여 내측에 밀착된 튜브 몸체(610)로 열을 직접 전달하여 열전도 시간이 짧으며, 발열 챔버(400)의 열용량이 작아 가열 및 냉각을 빠르게 실시할 수 있어, 온도사이클링 시간을 단축시켜 유전자 증폭시간 단축할 수 있는 효과가 있다.
[부호의 설명]
100 : 상단 보드 110 : 상단 플레이트
120 : 상단 전극 130 : 상단 전원 라인
200 : 하단 보드 210 : 하단 플레이트
220 : 하단 전극 230 : 하단 전원 라인
300 : 온도 측정 보드 310 : 온도 측정 플레이트
320 : 온도 측정 센서 400 : 발열 챔버
410 : 챔버 몸체 420 : 발열체
430 : 상부링 440 : 하부링
500 : 브라켓 510 : 공기 유입구
520 : 흡입 모터 600 : 샘플플레이트
610 : 튜브 몸체

Claims (6)

  1. 배열을 이루며 천공되는 복수의 상단 홀과, 상기 상단 홀에 형성되는 상단 전극과, 상기 상단 전극에 연결되는 복수의 상단 전원 라인을 포함하는 상단 보드;
    배열을 이루며 천공되는 복수의 하단 홀과, 상기 하단 홀에 형성되는 하단 전극과, 상기 하단 전극에 연결되는 복수의 하단 전원 라인을 포함하는 하단 보드;
    상기 하단 보드의 하방에 배치되며, 복수의 온도 측정 센서를 포함하는 온도 측정 보드;
    하단면이 상기 온도 측정 센서에 접촉되는 챔버 몸체와, 상기 챔버 몸체의 외주연에 형성되어 전기가 공급되면 발열되는 발열체와, 상기 챔버 몸체에 상기 발열체와 전기적으로 도통되도록 구비되어 상기 상단 전극과 접촉되는 상부링과, 상기 챔버 몸체에 상기 발열체와 전기적으로 도통되도록 구비되어 상기 하단 전극과 접촉되는 하부링을 포함하는 복수의 발열 챔버;
    상기 상단 전극과 상기 하단 전극을 선택적으로 통전시켜 상기 발열 챔버의 상기 발열체가 선택적으로 발열되도록 하는 제어부;
    를 포함하는 독립적 온도 제어가 가능한 PCR용 블록.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 상단 전원 라인에 각각 구비되어 상기 상단 전원 라인을 전원단에 연결하는 전원단 스위치와, 상기 하단 전원 라인에 각각 구비되어 상기 하단 전원 라인을 그라운드단에 연결하는 그라운드단 스위치를 포함하는 독립적 온도 제어가 가능한 PCR용 블록.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 온도 측정 센서는, 상기 상단 전원 라인과 상기 하단 전원 라인의 순번을 일련 번호로 하는 히팅 어드레스를 갖고,
    상기 제어부는, 상기 온도 측정 센서의 측정값을 입력받아, 상기 온도 측정 센서의 측정값과 목표 온도값의 차를 이용하여, 각각의 상기 발열 챔버에 공급될 전압의 펄스 폭을 상기 히팅 어드레스에 매칭하여 저장하고, 상기 상단 전원 라인과 상기 하단 전원 라인이 전원단 및 그라운드단에 연결될 때 해당 히팅 어드레스에 대응되는 펄스 폭을 갖는 전력이 상기 상단 전원 라인 및 상기 하단 전원 라인에 인가되도록 상기 전원단 스위치 및 상기 그라운드단 스위치의 구동 시간을 제어하는 독립적 온도 제어가 가능한 PCR용 블록.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 상단 보드의 상기 상단 홀이 외부로 노출되도록 상면 일부가 개구되어 상면 개구부가 형성되고, 하면 중앙부가 개구되어 하면 개구부가 형성된 브라켓;
    상기 브라켓의 상기 하면 개구부 하단에 결합되어 상기 브라켓 내부의 공기를 흡입하는 흡입 모터;
    를 포함하고,
    상기 온도 측정 보드는 상기 하면 개구부에 대응되는 위치에 복수의 통공이 형성되며,
    상기 브라켓은 상기 온도 측정 보드 또는 상기 상단 보드와 접하지 않은 한 쌍의 상호 대칭되는 방향에 외부 공기가 유입되는 공기 유입구가 형성되는 독립적 온도 제어가 가능한 PCR용 블록.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 발열 챔버는, 상기 챔버 몸체의 형상이 상광 하협으로 형성되는 독립적 온도 제어가 가능한 PCR용 블록.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 발열 챔버는, 상기 상부링과 상기 하부링이 통전 및 솔더링 가능한 재질로 형성되며, 상기 챔버 몸체에 상기 상부링과 상기 하부링이 결합된 상태에서 발열성 페이스트를 코팅하여 상기 발열체를 형성하는 독립적 온도 제어가 가능한 PCR용 블록.
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