WO2022098065A1 - 현장진단용 다중 초고속 핵산 추출 및 증폭이 가능한 통합칩 - Google Patents

현장진단용 다중 초고속 핵산 추출 및 증폭이 가능한 통합칩 Download PDF

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WO2022098065A1
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integrated chip
nucleic acids
extracting
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장희영
최문석
변재영
박현규
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주식회사 미코바이오메드
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Definitions

  • the present invention relates to a PCR chip capable of extracting and amplifying nucleic acids for on-site diagnosis.
  • a pre-treatment process for separating interfering substances contained in a sample In order to perform molecular diagnosis based on specific nucleotide sequence and gene detection, a pre-treatment process for separating interfering substances contained in a sample, a nucleic acid extraction process for separating pure nucleic acids from a sample, and a specific nucleotide sequence for the separated nucleic acid are required.
  • PCR polymerase chain reaction
  • the platform in order to prevent sample contamination and contamination from the sample, the platform must be kept sealed in all processes after sample injection, and therefore, it is necessary to be a single platform.
  • An object to be solved by the present invention is to provide an integrated chip capable of nucleic acid extraction and amplification capable of performing multiple diagnostics for on-site diagnosis and performing at high speed.
  • One embodiment of the present invention is a nucleic acid pre-treatment chip (pre-treatment chip) comprising a plurality of microfluidic channels and a valve provided between the channel and the channel; and a PCR chip comprising a plurality of PCR reaction channels extending from one surface of the pretreatment chip in the longitudinal direction of the channel; Including, wherein the microfluidic channel includes a plurality of first channels having one end connected to the sample inlet and the reagent inlet to transfer the biological sample or reagent to a first valve, wherein the first valve includes an internal It may include a mixing chamber in which the sample and the reagent can be mixed.
  • the valve may control opening and closing of the channel by rotational movement, sliding movement, or elastic movement.
  • the microfluidic channel includes: a second channel having one end connected to the first valve to transfer nucleic acids to the second valve; And one end is connected to the second valve may include a third channel corresponding to a plurality of PCR reaction channels for transferring nucleic acids.
  • the first valve includes an inlet corresponding to the first channel and an outlet corresponding to the second channel
  • the second valve includes an inlet corresponding to the second channel.
  • the outlet and the outlet corresponding to the third channel are provided on the side, and opening and closing of the first valve and the second valve can be controlled by rotational movement.
  • the mixing chamber may include a nucleic acid binding material and a magnetic stirring bar therein.
  • the nucleic acid-binding material may be a magnetic bead coated with silica or a carboxyl group on the surface.
  • a magnet part capable of vertical movement, horizontal movement or rotation movement may be provided under the first valve.
  • the second valve may include a distribution chamber therein to distribute the nucleic acid to a plurality of third channels.
  • the integrated chip includes: a first plate in the form of a flat plate; a second plate vertically disposed on the first plate to form microfluidic channels, chambers, valves and reaction channels; a third plate spaced apart from the first plate and disposed on the second plate and having an inlet and an outlet formed through the substrate; and an adhesive member disposed between the third plate and the second plate.
  • the integrated chip includes: a lower plate recessed from the surface of a plate-shaped substrate to form a microfluidic channel, a chamber, and a reaction channel; an upper plate having an inlet and an outlet formed by being depressed or penetrating from the surface of the substrate, and protruding from the surface of the substrate to have a valve; and an adhesive member for sealing the lower plate and the upper plate.
  • it may further include a sealing film attached to the third plate to protect the inlet or outlet from the outside.
  • the valve provided between the second plate and the third plate may include a sealing member therein to seal the inlet and the outlet of the microfluidic channel.
  • the inlet and/or outlet of the reaction channel may include a porous sintered polymer layer that expands upon contact with water to seal the inlet and/or outlet.
  • the reaction channel may include a lyophilization reagent therein.
  • the PCR chip may be detected using a plurality of fluorescent materials for each reaction channel.
  • a pump for applying a pressure necessary to move a biological sample or reagent from the microfluidic channel to the PCR reaction channel may be included.
  • the present invention provides an integrated chip including a nucleic acid pretreatment chip and a PCR chip, thereby allowing the processes of sample pretreatment, nucleic acid extraction, and nucleic acid amplification to be performed on a single platform, thereby enabling simple and rapid performance.
  • the present invention has the advantage that multiple amplification is possible by distributing the nucleic acid extracted by pretreatment to several PCR reaction channels, so that multiple diagnoses can be performed at the same time.
  • the present invention has the advantage of enabling multi-diagnosis since a plurality of fluorescence can be detected in several PCR reaction channels at the same time by allowing detection using a plurality of fluorescent labels in one PCR reaction channel.
  • the present invention has the advantage of reducing the time for on-site diagnosis by reducing the time for injecting a separate reagent by using the freeze-drying reagent in the PCR reaction channel, thereby reducing the PCR operation time.
  • 1 is a plan view showing an integrated chip according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the interior of the integrated chip according to an embodiment of the present invention as viewed from above.
  • FIG. 3 is a rear view showing the inside of the integrated chip according to an embodiment of the present invention as viewed from below.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the interior of the integrated chip according to an embodiment of the present invention as viewed from the side.
  • FIG. 5 is a perspective view illustrating a first valve according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a first valve and a microfluidic channel viewed from the side according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a perspective view illustrating a first valve according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 8 and 9 show a top view and a bottom view from below of a PCR chip according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the inside of a PCR chip according to an embodiment of the present invention viewed from the side.
  • the term 'pretreatment' refers to a preliminary treatment by applying chemical and physical actions prior to molecular diagnosis based on the detection of a specific base sequence and gene. Specifically, in the PCR reaction, it refers to the process of separating interfering substances included in the sample prior to nucleic acid extraction and amplification.
  • the term "molecular diagnosis” refers to a diagnostic technique that evaluates changes in various molecular levels occurring in cells with numerical values or images, and is a DNA or RNA molecule containing genetic information such as cells or viruses. It means diagnosing a disease or the like by detecting a level change.
  • sample or “biological sample” means one or more selected from blood, sputum, bacteria, semen, cell tissue, saliva, hair, urine, aspiration sample, swab sample, and cell culture solution.
  • FIG. 1 is a view showing a housing of an integrated chip according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the integrated chip as viewed from above with the housing removed
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the integrated chip as viewed from below.
  • the integrated chip 100 is a nucleic acid pretreatment chip 200 including a plurality of microfluidic channels and valves 300 and 400 provided between the channels and the channels. ; and a PCR chip including a plurality of PCR reaction channels 530 arranged to extend in the longitudinal direction of the channel from one surface of the pretreatment chip.
  • the PCR chip may be connected from the side of the pretreatment chip, but is not limited thereto.
  • the integrated chip 100 pre-processes the introduced samples and reagents and distributes them to a plurality of PCR reaction channels 530 to enable multiple diagnosis.
  • the valve includes a first valve 300 and a second valve 400, and the shape of the valve is not limited.
  • the fluid is introduced through the inlet, transferred through the microfluidic channel, and sequentially moved to the PCR reaction channel 530 through the first valve 300 and the second valve 400 .
  • the first valve 300 has an inlet portion corresponding to a first channel 235 to be described later and an outlet portion corresponding to a second channel 237 to be described later on the side
  • the second valve 400 is a second channel ( 237) and an outlet corresponding to the third channel 239, which will be described later, may be provided on the side.
  • the first valve 300 and the second valve 400 may each control opening and closing of the valve by rotating movement.
  • the first valve 300 and the second valve 400 may slide in a vertical or horizontal direction to control opening and closing of the valve, respectively. Accordingly, it is possible to control the flow of the fluid flowing into the chamber in the valve.
  • the shape of the sliding valve is not particularly limited. For example, when the first valve moves horizontally in one direction, both the first channels and the second channel are opened to allow fluid to flow into or out of the chamber, and when the valve moves horizontally in the opposite direction, the second channel is opened. Both the first channels and the second channels may be closed to prevent fluid from flowing into or out of the chamber.
  • a horizontal sliding driving method of the second valve may be the same as that of the first valve.
  • both the first channels and the second channel are opened to allow fluid to flow into or out of the chamber, and when the valve moves vertically in the opposite direction, the first Both the channels and the second channels may be closed to prevent fluid from flowing into or out of the chamber.
  • a vertical sliding driving method of the second valve may be the same as that of the first valve.
  • the first valve 300 and the second valve 400 may elastically move to control opening and closing of the valves, respectively.
  • Springs are inserted into the valves, and the valves can elastically move vertically by pressing the springs.
  • both the first channels and the second channels are opened to allow fluid to flow into or out of the chamber, and when the first valve moves elastically and is compressed, the first channels and All of the second channels may be closed to prevent fluid from flowing into or out of the chamber.
  • the opening and closing of the first valve 300 and the second valve 400 may be controlled by hinge movement using a hinge means. Opening and closing of the valve and opening and closing of the microfluidic channel can be controlled by moving the hinge, and thus the fluid flowing in the microfluidic channel can be controlled.
  • the microfluidic channel has one end connected to the inlet part, and a plurality of first channels for transferring a biological sample or reagent to the first valve 300 or the mixing chamber 315 in the first valve. (235), a second channel 237 and the second valve having one end connected to the first valve 300 and transferring the nucleic acid to the second valve 400 or the distribution chamber 415 in the second valve ( One end is connected to 400) and may include a plurality of PCR reaction channels 530 for transferring nucleic acids and a third channel 239 corresponding to the plurality of PCR reaction channels 530 .
  • the third channel 239 may be, for example, 4 to 6 channels, and the flow rate of the fluid is precisely distributed according to the number of channels, so that the fluid can be transferred to 4 to 6 channels at the same time.
  • the integrated chip is a first plate 210 in the form of a flat plate, is disposed on the first plate 210, microfluidic channels (235, 237, 239), chambers (315, 415), valves ( 300 , 400 and a second plate 230 forming a reaction channel 530 ; It is spaced apart from the first plate 210 and is disposed on the second plate 230 and includes a third plate 250 having an inlet and an outlet formed through the substrate.
  • an adhesive member 290 may be provided between the second plate 230 and the third plate 250 to seal it.
  • An adhesive member (not shown) for sealing the lower plate 210 and the upper plate 250 may be included.
  • the sample inlet 251 and the plurality of reagent inlets 253 may be formed to pass through the third plate or the upper plate 250 .
  • the reagent inlet 253 may be provided in a plurality of numbers so that a plurality of reagents may be respectively introduced through the plurality of inlets.
  • the third plate 250 and the first plate 210 , or the upper plate 250 and the lower plate 210 may be spaced apart from each other, and a microfluidic channel may be formed in a space between the respective substrates.
  • a space between the second plate 230 vertically arranged, and the third plate 250 and the first plate 210 spaced apart up and down may form a microfluidic channel.
  • the first plate 210 or the lower plate 210 is implemented in a flat plate shape, and may serve as a bottom support of the integrated chip 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the first plate 210 may be implemented with various materials, but preferably, polydimethylsiloxane (PDMS), cycloolefin copolymer (COC), polymethylmetharcylate , PMMA), polycarbonate (PC), polypropylene carbonate (PPC), polyether sulfone (PES), and polyethylene terephthalate (PET), and combinations thereof. It may be a material selected from, and according to an embodiment, at least a portion of the first plate 210 may be implemented with a light-transmitting material.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • COC cycloolefin copolymer
  • PMMA polymethylmetharcylate
  • PC polycarbonate
  • PPC polypropylene carbonate
  • PES polyether sulfone
  • PET polyethylene
  • the surface of the first plate 210 may be treated to have a hydrophilic surface.
  • the hydrophilic material may be a variety of materials, but preferably a carboxy group (-COOH), an amine group (-NH 2 ), a hydroxyl group (-OH), and a sulfone group (-SH) may be one selected from the group consisting of , the hydrophilic material may be treated according to a method known in the art.
  • the second plate 230 is disposed on the first plate 210, and serves to form the microfluidic channel and the PCR reaction channel 530 of the PCR integrated chip 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the second plate 230 may be implemented with various materials, but preferably, polymethylmethacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), cycloolefin copolymer (COC), poly Amide (polyamide, PA), polyethylene (PE), polypropylene (polypropylene, PP), polyphenylene ether (PPE), polystyrene (PS), polyoxymethylene (POM), poly Etheretherketone (polyetheretherketone, PEEK), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylchloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVDF), polybutyleneterephthalate (PBT) ), fluorinated ethylenepropylene (FEP), perfluoralkoxyalkane (PFA), and may be a thermo
  • the third plate 250 is disposed on the second plate 230, or the upper plate 250 is disposed on the lower plate 210, the microfluidic channel and the PCR reaction channel 530 of the integrated chip 100. It may serve as a cover to cover, and a bubble removing unit (not shown) may be formed to protrude into the reaction region on the lower surface of the third plate 250 or the upper plate 250 .
  • the third plate 250 may be implemented with various materials, but preferably, polydimethylsiloxane (PDMS), cycloolefin copolymer (COC), polymethylmetharcylate (PMMA) ), polycarbonate (PC), polypropylene carbonate (PPC), polyether sulfone (PES), and polyethylene terephthalate (PET), and combinations thereof. material, and according to an embodiment, at least a portion of the third plate 250 may be implemented with a light-transmitting material.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • COC cycloolefin copolymer
  • PMMA polymethylmetharcylate
  • PC polycarbonate
  • PPC polypropylene carbonate
  • PES polyether sulfone
  • PET polyethylene terephthalate
  • At least some of the inner surfaces of the first plate 210 , the second plate 230 , and the third plate 250 may be subjected to surface treatment.
  • at least some of the inner surfaces of the lower plate 210 and the upper plate 250 may be subjected to surface treatment.
  • a material such as a silane series or bovine serum albumin (BSA). It can be performed according to various techniques known in the art.
  • the adhesive member (not shown) disposed between the third plate 250 and the first plate 210 or between the upper plate 250 and the lower plate 210 leaks fluid between the two substrates. It has the effect of preventing the risk of becoming stale and blocking the outside air.
  • the adhesive member (not shown) may be an acrylic, silicone, or rubber-based member as a member having adhesive properties, but is not particularly limited. When the adhesive member is disposed adjacent to the sample inlet 251 , the reagent inlet 253 , and the periphery of the microfluidic channel, sealing force may be further increased.
  • the first valve 300 and the second valve 400 may be disposed in an extension direction along the length of the micro-oil channel to control the flow of the fluid. According to the control of the valve, the sample pretreatment process, the nucleic acid extraction process, and the process of transferring the nucleic acid to the PCR reaction channel may be sequentially performed.
  • the second valve differs from the first valve only in the function of the chamber and has the same overall structure and appearance.
  • the first valve may have an inlet corresponding to the first channel and an outlet corresponding to the second channel on the side 310, and the first valve may be rotated by moving. Opening and closing can be adjusted.
  • the second valve has an inlet corresponding to the second channel and an outlet corresponding to the third channel on the side, and opens and closes the second valve by turning movement can be adjusted
  • the second valve 400 serves to distribute the fluid introduced from the first valve 300 to a plurality of PCR reaction channels 530 . Due to the second valve 400, sophisticated nucleic acid distribution to each of the PCR reaction channels 530 is possible, and the number of detectable targets in each channel can be varied, so that multiple diagnosis is possible. For example, if 4 fluorescent labels are used per 1 PCR reaction channel, 4 targets can be detected and diagnosed.
  • a minimum amount of 4-8 ⁇ l per one PCR reaction channel It is sufficient if only the fluid of However, in the case of an exceptionally low PCR sensitivity, the capacity of the fluid may vary. Therefore, it is possible to form a PCR reaction channel 530 having a finer diameter, and thus a plurality of PCR reaction channels 530 can be arranged by utilizing the remaining space. Since the number of detection targets can be detected as much as a value obtained by multiplying the maximum number of channels and the number of fluorescent materials, there is an advantage that multiple diagnostics can be performed simultaneously in a short time. Specifically, when 4 fluorescent materials are used in 6 channels, it is possible to detect 16 or more targets and perform multiple diagnosis within 30 to 50 minutes.
  • the valve is formed to protrude from the surface of the third plate 250 or the upper plate 250, and the opening and closing are controlled according to the turning movement, so that the inlet 311 of the microfluidic channel. and the outlet 317 may be sealed.
  • the sealing member 350 is made of any one selected from a polymer resin, an amorphous material, and a metal, and in particular, chlorinated polyethylene, ethylene propylene dimethyl, silicone rubber, acrylic resin, amide resin, epoxy resin, phenol resin, polyester resin , polyethylene-based resin, ethylene-propylene rubber, polyvinyl butyral resin, polyurethane resin, and nitrile- may be formed including at least one selected from the group consisting of butadiene-based rubber. Since the valve is used, the process of using a conventional sealing member or applying heat to seal both sides can be omitted, the sealing process can be simpler, and the sealing effect is better. Moreover, the effect is better because it is double sealed through the sealing member inside the valve. In addition, it is possible to prevent leakage and evaporation of the fluid from the heat generated during the PCR reaction.
  • the first valve 300 may include a mixing chamber 315 including a nucleic acid binding material and a magnetic stirring bar 319 therein.
  • the first valve 300 includes a mixing chamber 315 therein to provide a space in which a sample and each reagent can be introduced and mixed.
  • the stirring process in the mixing chamber 315 is a process of mixing the sample and the reagent as part of the pre-processing process of removing and separating interfering substances from the sample before extracting the nucleic acid. After the sample containing the substance to be diagnosed and the reagent are introduced, they are stored in the mixing chamber 315 in the first valve 300 , respectively. A mixing process is performed, and thereafter, a substance to be diagnosed can be separated by a reagent.
  • the magnetic stir bar 319 is located inside the mixing chamber 315 of the first valve 300 and can serve to evenly mix the reagent, thereby accelerating the mixing of the sample and the reagent. can Accordingly, the mixing speed and efficiency are increased, and the total time required for the pretreatment process can be shortened. In this case, the rotation speed may be adjusted according to the sample to be pretreated.
  • the nucleic acid-binding material may serve to release nucleic acids from agglomeration, and may be silica beads.
  • the nucleic acid-binding material may be a magnetic bead having a magnetism, and the surface may be coated with silica or a carboxyl group.
  • the bead should be provided with an amino acid series that will halve the toxic substances of the metal by having a magnetic core in the core, and enveloping the core in the outermost layer of the bead, which will bind DNA or cells to be extracted on the outermost surface of the bead. Not limited.
  • a magnet part 370 capable of vertical movement, horizontal movement, or rotational movement may be provided under the first valve.
  • a magnetic force may be applied to the first valve 300 to separate the interfering material from the nucleic acid attached to the surface of the magnetic silica bead.
  • the magnet unit is disposed adjacent to the lower portion of the first valve 300 and serves to attract the magnetic beads.
  • the magnet part can be vertically moved, horizontally moved, or rotated under the first valve 300 , and the shape thereof is not limited.
  • the magnet part may include a support part for supporting the magnet.
  • the support part may be connected to the pretreatment chip to support the magnet part.
  • the magnet part may include an elastic member for shock mitigation between the magnet and the support part, and the elastic member may be preferably a spring.
  • a waste collecting part (not shown) that collects the separated interfering material after mixing by the rotational motion of the magnetic stir bar 319 is the lower portion of the first plate 210 or It may be provided under the mixing chamber 315 and may be in the form of a film. There is no need to manually remove the separated interfering material after the stirring process, and it can be recovered through the waste collecting part, thereby reducing the time required for the pretreatment process and easily separating the nucleic acid material to be diagnosed There are advantages to doing.
  • a bubble removing unit (not shown) may be further included in the first valve 300 .
  • the bubble removing unit may be disposed on the inner upper surface of the mixing chamber 315 and protrude toward the first plate 210 .
  • the bubbles contained in the fluid are pushed to the surroundings by the bubble removal unit due to buoyancy and are arranged in the surrounding space.
  • the bubble removal unit is exemplary, and the bubble removal unit may be used for various purposes according to an embodiment to which the present invention is applied.
  • the bubble removal unit may be used to remove bubbles included in the fluid from the flow of the fluid while the fluid passes through the reaction region.
  • the second valve 400 may include a distribution chamber 415 therein so that the fluid containing the nucleic acid is evenly distributed in the plurality of third channels 239 .
  • the fluid includes a nucleic acid, for example, double-stranded DNA, an oligonucleotide primer having a sequence complementary to a specific nucleotide sequence to be amplified, a DNA polymerase, deoxyribonucleotide triphosphates (dNTP), and a PCR reaction buffer (PCR). reaction buffer) and the like.
  • the third channel 239 corresponds to the plurality of PCR reaction channels 530 and has one end connected to the second valve 400 to transfer nucleic acids to the plurality of PCR reaction channels 530 .
  • the distribution chamber serves to guide the introduced fluid. Due to the second valve 400, there is an advantage that precise nucleic acid distribution to each of the PCR reaction channels 530 is possible.
  • the second valve is provided with the number of inlet portions corresponding to the second channel and the number of outlet portions corresponding to the third channel on the side, and the second valve by turning movement The opening and closing of the valve can be adjusted.
  • FIG. 8 and 9 show a top view and a top plan view of the PCR chip 500, respectively.
  • amplification of a nucleic acid having a specific nucleotide sequence is performed.
  • the PCR chip heats a solution containing a PCR sample and reagent containing double-stranded DNA, which is a template nucleic acid, at a specific temperature, for example, about 95°C.
  • the preprocessing chip 200 capable of multiple diagnosis for on-site diagnosis and the PCR integrated chip 100 including the same include modules for performing the above steps, and details not described in this specification It is premised that the module has all of the disclosed or obvious ranges in the prior art for performing PCR.
  • a plurality of PCR reaction channels 530 may be provided in the PCR chip. Two or more PCR reaction channels 530 may exist depending on the purpose and scope of use of the integrated chip 100 according to an embodiment of the present invention.
  • a separate reaction region 540 may be provided at the center of the reaction channel 530 .
  • the reaction channel may include a lyophilization reagent therein. Since a separate reagent is not added, there is an effect of further shortening the operation time of the PCR chip.
  • the PCR chip may be detected using a plurality of fluorescent materials for each reaction channel. For example, 4 diagnoses are possible using 4 fluorescent labels per 1 PCR reaction channel.
  • a separate fluorescent material provided in the PCR chip may generate a measurable and analyzeable optical signal by emitting light of a specific wavelength according to the generation of the PCR product.
  • the PCR reaction chip 500 may further include a dummy region 520 .
  • the dummy region may be provided in plurality, and a plurality of reaction regions may be arranged in parallel between the plurality of dummy regions.
  • the reaction channel may include a reaction region located inside the outlet and spaced apart.
  • the reaction areas are arranged side by side between the dummy areas, there is an advantage in that the heat of the reaction areas is uniformly controlled.
  • the temperature of the two reaction areas disposed on both side portions may be lower than that of the reaction area located in the center.
  • the two reaction areas arranged on both sides may have a lower temperature than the reaction area located in the center due to heat transfer due to heating of the surrounding plastic. Therefore, there is a problem that the efficiency of the PCR reaction may be inhibited compared to the reaction region 540 located in the center. Accordingly, since the dummy regions located on the sides of the two reaction regions disposed on both side portions prevent the temperature of the reaction regions located at the edges from dropping, it is possible to maintain a uniform temperature in all the reaction regions.
  • the PCR reaction channel 530 may be formed in a straight line to extend in the longitudinal direction of the microfluidic channel.
  • the inlet portions 251 and 253 or the outlet portion 550 of the integrated chip 100 may be sealed with a sealing member 570 , respectively.
  • a sealing film attached to the third plate 250 or the upper plate 250 to protect the inlet or outlet from the outside may be further included.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the inside of the PCR chip 1 according to an embodiment of the present invention viewed from the side.
  • the sealing member is also applicable to the inlet and/or outlet.
  • the sealing member may be applied to a position where it is necessary to prevent leakage of fluid, and the position of the sealing member is not necessarily limited to this description.
  • the sealing film or the sealing member used in the sealing member is made of any one selected from a polymer resin, an amorphous material, and a metal, in particular, chlorinated polyethylene, ethylene propylene dimethyl, silicone rubber, acrylic resin, amide-based resin, epoxy resin , phenol resin, polyester-based resin, polyethylene-based resin, ethylene-propylene rubber, polyvinyl butyral resin, polyurethane resin, and nitrile- may be formed including at least one of butadiene-based rubber.
  • the sealing member may be a porous sintered polymer layer 80 that seals the inlet or outlet by swelling when in contact with water therein.
  • the porous sintered polymer layer may include porous sintered polymer beads or an aggregate of porous sintered polymer beads.
  • the diameter of the bead may be 10 ⁇ m or more to 800 ⁇ m, and the diameter of the bead aggregate may be 5 mm or less.
  • the diameter of the polymer bead and the diameter of the bead aggregate are not limited to the present description.
  • the PCR chip includes an inlet through which a fluid is introduced, one or more reaction channels through which a predetermined reaction is performed with respect to the introduced fluid, and an outlet through which a fluid flows from the reaction channel, the inlet ( 40) and/or outlet 50 may include a porous sintered polymer layer 80 therein that seals the outlet by swelling upon contact with water.
  • the polymer layer 80 may be provided at the same or higher position than the upper position of the reaction channel 60 .
  • the porous sintered polymer is a sintering water-swelling polymer and has air permeability. As soon as it comes into contact with moisture, the pores are expanded to prevent the fluid from leaking to the outside.
  • the water-swellable polymer may swell upon contact with water to form a gel layer.
  • the swelling refers to a phenomenon in which a high molecular compound absorbs a solvent to increase its volume.
  • the sintering refers to a process in which powder particles become a single mass through a thermal activation process. When powder or a mass of compressed powder is heated to a temperature below the melting point, the powder melts and adheres to each other and solidifies. It is generally applied to the manufacture of ceramics or small plastics.
  • a water-swelling polymer is a polymer that exhibits fluid absorption due to the introduction of a hydrophilic group in a three-dimensional network structure or a single chain structure through cross-linking between polymer chains. may contain, capable of supporting a sufficient amount of fluid under a load, and may contain aqueous solutions, but insoluble in aqueous solutions. In addition, when it enters water, it swells instantaneously and becomes gelled.
  • the porous sintered polymer includes ultra-high molecular weight polyethylene (UHMW-PE), hydroxypropylmethylcellulose, hydroxyethylmethylcellulose, hydroxypropylcellulose, hydroxymethylcellulose, hydroxyethylcellulose, carboxymethylcellulose, carboxymethylcellulose calcium, Carboxymethylcellulose sodium, methylcellulose, ethylcellulose, polyethylene oxide, leukostbin gum, guar gum, xanthan gum, acacia gum, tragacanth gum, alginic acid, sodium alginate, calcium alginate, alginic acid Ammonium, agar, gelatin, poloxamer, polymethmethylacrylate, carbomer, polycarbophil, polyvinylpyrrolidone, polyvinyl acetate, polyethylene glycol, polyvinylpyrrolidone-polyvinyl acrylate copolymer , polyvinyl alcohol-polyethylene glycol copolymer, polyvinylpyrrolidone-polyviny
  • the inlet 40 and/or the outlet 50 includes a barrier layer 90 provided on top of the porous sintered polymer layer 80. It may include a multi-layer layer that further includes. Referring to FIG. 10C , both the polymer layer 80 positioned above the barrier layer 90 and the polymer layer 80 positioned below the barrier layer 90 may be included.
  • the barrier layer 90 may be a pipette tip filter layer, and any layer that blocks the movement of nucleic acids may be applied.
  • it may be made of a material comprising polyethylene.
  • the amplified nucleic acid remaining inside the chip is retained, and when the porous sintered polymer layer recovers air permeability, there is a possibility that it will leak out as an aerosol.
  • the barrier layer 90 is disposed on the porous sintered polymer layer, there is an effect of preventing leakage of nucleic acids to the outside.
  • the sealing member by using the sealing member, the size and structure of the chip can be simplified, and since a separate sealing device and a sealing unit are not required, a plurality of channels can be installed using the remaining space of the chip. can In addition, it is possible to quickly implement the sealing effect without additional equipment, thereby reducing driving time and cost. In addition, there is an advantage in that it is not necessary to precisely control the movement of the fluid on the movement path of the fluid on the chip. When the fluid comes into contact with the sealing member including the polymer layer, the inlet and/or outlet are sealed and the movement of the fluid is blocked, so there is no need to precisely control the flow rate and the moving speed of the fluid. Therefore, it is possible to miniaturize the equipment, and since the price of the equipment is reduced, there is an economic advantage.
  • the PCR reaction channel 530 may be formed in a U-turn shape such that an inlet and an outlet 550 of the PCR reaction channel 530 are disposed adjacently. That is, the central region may be bent in a 'U' shape so that both ends of the reaction chamber are positioned on the same vertical line.
  • a dried or lyophilized reagent may be provided in the PCR reaction channel 530 inside the PCR chip.
  • the present invention may further include a pump (not shown) for applying a pressure necessary to move the sample or reagent from the microfluidic channel to the PCR reaction channel 530 .
  • the pump is a module for controlling the flow rate and flow rate of a fluid flowing in one or more PCR reaction channels 530 of the PCR reaction chip, and may be a positive pressure pump or a negative pressure pump, for example, a syringe pump. can be
  • the pump may be drivably disposed in a portion of the PCR reaction channel 530 , but preferably, an inlet of the pretreatment chip 200 and/or an outlet formed at the end of the PCR reaction channel 530 . is placed connected to When the pump is disposed to be connected to the inlet and/or outlet, it may serve not only as a pump but also as a stopper for preventing the sample and reagent solution from leaking through the outlet.
  • the pump when it is desired to control the flow rate and flow rate of the fluid flowing in the microfluidic channel and the PCR reaction channel 530, that is, the sample and reagent solution in one direction, the pump is only used in either one of the inlet and the outlet.
  • a common stopper may be sealed to the other one, and the pump may be connected to both the inlet and the outlet when it is desired to control the flow rates and flow rates of the sample and reagent solutions in both directions.
  • a housing 270 covering the third plate 250 or the upper plate 250 of the integrated chip may be further included.
  • the inlets 251 and 253 may penetrate the housing 270 and protrude upwards of the housing 270 to facilitate sample or reagent injection.
  • the housing 270 blocks external air during the pretreatment process and prevents leakage of fluid.

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Abstract

본 발명은 복수 개의 미세유체 채널 및 상기 채널과 채널 사이에 구비되는 밸브를 포함하는 핵산 전처리칩(pre-treatment chip); 및 상기 전처리칩의 일면에서 상기 채널의 길이방향으로 연장 배치되는 복수 개의 PCR 반응 채널을 포함하는 PCR 칩; 을 포함하는 현장진단용 다중 초고속 핵산 추출 및 증폭이 가능한 통합칩에 관한 것이다. [대표도] 도 1

Description

현장진단용 다중 초고속 핵산 추출 및 증폭이 가능한 통합칩
본 발명은 현장 진단용 핵산 추출 및 증폭이 가능한 PCR 칩에 관한 것이다.
특정 염기서열 및 유전자 검출을 바탕으로 분자진단을 수행하기 위해서는 시료에 포함된 방해물질을 분리하는 전처리(pre-treatment)과정, 시료로부터 순수한 핵산을 분리하는 핵산 추출 과정, 분리된 핵산의 특정 염기서열을 증폭하는 중합효소 연쇄반응(PCR)과정 및 증폭되는 핵산을 검출하는 과정이 필요하다.
특히, 시료에 따라 상이한 전처리 과정 및 여러 단계로 진행되는 핵산 추출 과정은 복잡하기 때문에 해당 과정들을 자동으로 수행하기 위해서는 정교하게 구동 가능한 플랫폼과 이를 분석하는 장치가 필요하다.
추가적으로, 시료의 오염 및 시료로부터의 오염을 방지하기 위해서 플랫폼은 시료 주입 이후 모든 과정에서 밀폐된 상태를 유지하여야 하며 따라서 단일 플랫폼일 필요가 있다.
종래의 통합 카트리지는 전처리와 PCR부 구동에 사용자의 별도의 조작 없이 자동화되어 편리한 점이 있으나 구동이 복합하여 현장진단에 도입하기에는 결과 도출까지 시간이 많이 걸린다는 문제점이 있다. 또한, PCR 증폭부의 숫자가 작아 광학을 이용하여 다중진단을 수행하기도 어렵고 소요 시간도 1시간 30분 이상으로 오래 걸리는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 현장 진단용 다중 진단이 가능하고 초고속으로 수행이 가능한 핵산 추출 및 증폭이 가능한 통합칩을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예는 복수 개의 미세유체 채널 및 상기 채널과 채널 사이에 구비되는 밸브를 포함하는 핵산 전처리칩(pre-treatment chip); 및 상기 전처리칩의 일면에서 상기 채널의 길이방향으로 연장 배치되는 복수 개의 PCR 반응 채널을 포함하는 PCR 칩; 을 포함하고, 상기 미세유체 채널은, 시료유입부 및 시약유입부에 일 말단이 연결되어 제1 밸브로 생물학적 시료 또는 시약을 이송하는 복수 개의 제1 채널을 포함하며, 상기 제1 밸브는, 내부에 상기 시료와 상기 시약이 혼합될 수 있는 믹싱 챔버를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 밸브는, 회전 이동, 슬라이딩 이동, 또는 탄성 이동으로 채널의 개폐를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 미세유체 채널은, 상기 제1 밸브에 일 말단이 연결되어 제2 밸브로 핵산을 이송하는 제2 채널; 및 상기 제2 밸브에 일 말단이 연결되어 핵산을 이송하는 복수 개의 PCR 반응 채널과 대응되는 제3 채널을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 제1 밸브는, 상기 제1 채널과 대응되는 유입부와 제2 채널과 대응되는 유출부를 측부에 구비하고, 상기 제2 밸브는, 상기 제2 채널과 대응되는 유입부와 제3 채널과 대응되는 유출부를 측부에 구비하며, 회전 이동으로 상기 제1 밸브 및 제2 밸브의 개폐를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 믹싱 챔버는 내부에 핵산 결합 물질 및 자성 교반 막대(stirring bar)를 포함할 수 있다
본 발명의 일 실시예에서 상기 핵산 결합 물질은 표면을 실리카 또는 카르복실기로 코팅한 마그네틱 비드일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 제1 밸브의 하부에 상하 이동, 수평 이동 또는 회전 이동이 가능한 자석부를 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 제2 밸브는, 내부에 분배 챔버를 포함하여 복수 개의 제3 채널에 핵산을 분배되도록 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 통합칩은, 평판 형상의 제1 판; 상기 제1 판의 상부에 수직으로 배치되어 미세유체 채널, 챔버, 밸브 및 반응 채널을 형성하는 제2 판; 상기 제1판과 이격하여 제2 판의 상부에 배치되어 기판을 관통하여 형성된 유입부 및 유출부를 구비하는 제3 판; 및 상기 제3 판과 상기 제2 판 사이에 배치된 접착부재; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 통합칩은, 평판 형상의 기판의 표면에서 함몰되어 미세유체 채널, 챔버 및 반응 채널이 형성되는 하판; 기판의 표면에서 함몰되거나 관통하여 유입부와 유출부가 형성되고, 기판의 표면에서 돌출되어 밸브가 형성된 상판; 및 상기 하판과 상판을 밀봉하기 위한 접착부재; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 제3 판에 부착되어 유입부 또는 유출부를 외부로부터 보호하는 실링 필름을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 제2 판과 제3 판 사이에 구비된 밸브는, 내부에 실링부재를 구비하여 미세유체 채널의 유입부와 유출부를 밀봉할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 반응 채널의 유입부 및/또는 유출부는 물과 접촉시 스웰링하는 다공성 소결 폴리머 층을 내부에 포함하여 유입부 및/또는 유출부를 밀봉할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 반응 채널은 내부에 동결건조 시약을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 PCR 칩은, 각각의 반응 채널마다 복수 개의 형광 물질을 이용하여 검출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 생물학적 시료 또는 시약이 상기 미세유체 채널에서 상기 PCR 반응 채널로 이동할 수 있도록 필요한 압력을 인가하는 펌프를 포함할 수 있다.
본 발명은 핵산 전처리칩과 PCR 칩을 포함하는 통합칩을 제공함으로써, 시료의 전처리, 핵산 추출 및 핵산 증폭의 과정을 단일 플랫폼에서 수행하게 함으로써 간단하고 신속하게 수행할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 전처리하여 추출한 핵산을 여러 개의 PCR 반응 채널에 분배함으로써 다중 증폭이 가능하여 동시에 다중 진단을 할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 1개의 PCR 반응 채널에서 복수 개의 형광 표지를 이용하여 검출하게 함으로써, 동시에 여러 개의 PCR 반응 채널에서 복수 개의 형광 검출이 가능하므로 다중 진단이 가능하게 하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 PCR 반응 채널에 동결건조시약을 사용함으로써 별도의 시약을 주입하는 시간을 절약하게 되어 PCR 구동 시간을 감소시킬 있어서 현장 진단 시간을 단축 가능하게 하는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 통합칩을 나타내는 평면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 통합칩의 내부를 위에서 바라본 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 통합칩의 내부를 아래에서 바라본 배면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 통합칩의 내부를 측면에서 바라본 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제1 밸브를 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 제1 밸브 및 미세유체 채널을 측면에서 바라본 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 제1 밸브를 나타내는 사시도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 PCR 칩을 위에서 본 평면도와 아래서 본 저면도를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 PCR 칩의 내부를 측면에서 바라본 단면도이다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
이하의 특정한 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위하여 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들은 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수 개의 표현을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명에서 '전처리'라 함은 특정 염기서열 및 유전자 검출을 바탕으로 분자진단을 하기 앞서 화학적, 물리적 작용을 가하여 예비적으로 하는 처리를 말한다. 구체적으로, PCR 반응에 있어서, 핵산 추출 및 증폭하기에 앞서 시료에 포함된 방해물질을 분리하는 과정을 말한다.
본 발명에서, "분자진단" 이라 함은, 세포 내에서 일어나는 다양한 분자 수준의 변화를 수치나 영상으로 평가하는 진단기법을 의미하는 것으로, 세포나 바이러스 등의 유전자 정보를 담고 있는 DNA 또는 RNA의 분자 수준 변화를 검출하여 질병 등을 진단하는 것을 의미한다.
본 발명에서, "시료" 또는 "생물학적 시료"라 함은, 혈액, 객담, 세균, 정액, 세포 조직, 침, 머리카락, 소변, 흡인시료, 스왑시료 및 세포배양액으로부터 선택된 1종 이상을 의미한다.
이하에서는 본 발명에 따른 현장진단용 다중 초고속 핵산 추출 및 증폭이 가능한 통합칩의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합칩의 하우징을 나타낸 것이고, 도 2는 통합칩의 하우징을 탈착하고 위에서 본 단면도를 나타낸 것이며, 도 3은 통합칩의 아래에서 본 단면도를 나타낸 것이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 통합칩(100)은 복수 개의 미세유체 채널 및 상기 채널과 채널 사이에 구비되는 밸브(300, 400)를 포함하는 핵산 전처리칩(200)(pre-treatment chip); 및 상기 전처리칩의 일면에서 상기 채널의 길이방향으로 연장 배치되는 복수 개의 PCR 반응 채널(530)을 포함하는 PCR 칩을 포함할 수 있다. 상기 PCR 칩은 전처리칩의 측면에서 연결될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 통합칩(100)은 유입된 시료와 시약을 전처리하고 복수 개의 PCR 반응 채널(530)로 분배하여 다중진단이 가능한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 밸브는 제1 밸브(300) 및 제2 밸브(400)를 포함하며, 밸브의 형태는 제한되지 않는다. 유체는 유입부를 통해 유입되고, 미세유체 채널을 통해 이송되며, 순차적으로 제1 밸브(300) 및 제2 밸브(400)를 거쳐 PCR 반응 채널(530)로 이동된다. 제1 밸브(300)는 후술할 제1 채널(235)과 대응되는 유입부와 후술할 제2 채널(237)과 대응되는 유출부를 측부에 구비하고, 제2 밸브(400)는 제2 채널(237)과 대응되는 유입부와 후술할 제3 채널(239)과 대응되는 유출부를 측부에 구비할 수 있다. 상기 제1 밸브(300) 및 제2 밸브(400)는 회전(turning) 이동으로 밸브의 개폐를 각각 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 밸브(300) 및 제2 밸브(400)는 수직 또는 수평 방향으로 슬라이딩 이동하여 밸브의 개폐를 각각 조절할 수 있다. 이에 따라 밸브 내의 챔버로 유입되는 유체의 유동을 제어할 수 있다. 상기 슬라이딩 이동하는 밸브의 형태는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 어느 한 방향으로 제1 밸브가 수평 이동할 때 상기 제1 채널들과 제2 채널이 모두 개방되어 챔버 내로 유체가 유입되거나 유출되도록 할 수 있고, 반대 방향으로 밸브가 수평 이동할 때 상기 제1 채널들과 제2 채널들이 모두 폐쇄되어 챔버 내로 유체가 유입되거나 유출되지 않도록 할 수 있다. 제2 밸브의 수평 슬라이딩 구동 방식도 제1 밸브와 동일할 수 있다. 다른 예로, 어느 한 방향으로 제1 밸브가 수직 이동할 때 상기 제1 채널들과 제2 채널이 모두 개방되어 챔버 내로 유체가 유입되거나 유출되도록 할 수 있고, 반대 방향으로 밸브가 수직 이동할 때 상기 제1 채널들과 제2 채널들이 모두 폐쇄되어 챔버 내로 유체가 유입되거나 유출되지 않도록 할 수 있다. 제2 밸브의 수직 슬라이딩 구동 방식도 제1 밸브와 동일할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 밸브(300) 및 제2 밸브(400)는 탄성 이동하여 밸브의 개폐를 각각 조절할 수 있다. 상기 밸브들의 내부에 스프링이 삽입되고, 상기 스프링의 누름 작동으로 상기 밸브가 수직으로 탄성 이동을 할 수 있다. 제1 밸브가 탄성 이동하여 확장되면, 상기 제1 채널들과 제2 채널이 모두 개방되어 챔버 내로 유체가 유입되거나 유출될 수 있고, 제1 밸브가 탄성 이동하여 압축되면, 상기 제1 채널들과 제2 채널들이 모두 폐쇄되어 챔버 내로 유체가 유입되거나 유출되지 않도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 밸브(300) 및 제2 밸브(400)는 힌지 수단을 이용한 힌지 이동으로 개폐를 조절할 수도 있다. 힌지 이동에 의해 밸브의 개폐와 미세유체 채널의 개폐를 조절할 수 있고, 이에 따라 미세유체 채널에 흐르는 유체를 제어할 수 있다
본 발명의 일 실시예에서, 상기 미세유체 채널은 유입부에 일 말단이 연결되어 제1 밸브(300) 또는 제1 밸브 내의 믹싱 챔버(315)로 생물학적 시료 또는 시약을 이송하는 복수 개의 제1 채널(235), 상기 제1 밸브(300)에 일 말단이 연결되어 제2 밸브(400) 또는 제2 밸브 내의 분배 챔버(415)로 핵산을 이송하는 제2 채널(237) 및 상기 제2 밸브(400)에 일 말단이 연결되어 핵산을 이송하는 복수 개의 PCR 반응 채널(530)과 대응되는 제3 채널(239)을 포함할 수 있다. 여기서 제3 채널(239)은 예를 들어, 4~ 6개의 채널일 수 있고, 유체의 유량이 각 채널의 개수에 맞추어 정교하게 분배되어 동시에 4~ 6개의 채널로 유체를 이송할 수 있다.
도 4는 통합칩(100)의 내부를 측면에서 바라본 단면도이다. 도 4를 참조하면 통합칩은 평판 형상의 제1 판(210), 상기 제1 판(210)의 상부에 배치되어 미세유체 채널(235, 237, 239), 챔버(315, 415), 밸브(300, 400) 및 반응 채널(530)을 형성하는 제2 판(230); 상기 제1 판(210)과 이격하여 제2 판(230)의 상부에 배치되어 기판을 관통하여 형성된 유입부 및 유출부를 구비하는 제3 판(250)을 포함한다. 여기서 제2 판(230)과 제3 판(250) 사이에 접착부재(290)가 구비되어 밀봉할 수 있다.
다른 실시예에서, 기판의 표면에서 함몰되어 미세유체 채널(235, 237, 239), 챔버(315, 415), 또는 반응 채널(530)이 형성되는 하판(210); 및 기판의 표면에서 함몰되거나 관통하여 유입부(251, 253, 311)와 유출부(550)가 형성되고, 기판의 표면에서 돌출되어 밸브(300, 400)가 형성된 상판(250)을 포함하고, 상기 하판(210)과 상판(250)을 밀봉하기 위한 접착부재(미도시)를 포함할 수 있다.
상기 시료 유입부(251)와 복수 개의 시약 유입부(253)는 상기 제3 판 또는 상판(250)을 관통하여 형성될 수 있다. 상기 시약 유입부(253)는 복수개의 시약이 복수개의 유입부를 통해 각각 유입될 수 있도록 복수의 개수로 구비될 수 있다. 제3 판(250)과 제1 판(210), 또는 상판(250)과 하판(210)은 이격되게 배치되고 각 기판 사이의 공간에 미세유체 채널이 형성될 수 있다. 수직으로 배치된 제2 판(230)과, 위아래로 이격하여 배치된 제3 판(250)과 제1 판(210)의 공간은 미세유체 채널을 형성할 수 있다.
상기 제1 판(210) 또는 하판(210)은 평판 형상으로 구현되고, 본 발명의 일 실시예에 따른 통합칩(100)의 바닥 지지체(support) 역할을 수행할 수 있다. 이때, 제1 판(210)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 있으며, 실시예에 따라, 제1 판(210)은 적어도 일부가 광 투과성 재질로 구현될 수 있다. 또한, 실시예에 따라, 제1 판(210) 표면은, 친수성 표면을 갖도록 처리될 수 있다. 이때, 친수성 물질은 다양한 물질일 수 있으나, 바람직하게는 카르복시기(-COOH), 아민기(-NH2), 히드록시기(-OH), 및 술폰기(-SH)로 구성된 군으로부터 선택되는 것일 수 있고, 친수성 물질의 처리는 당업계에 공지된 방법에 따라 수행할 수 있다.
제2 판(230)은 제1 판(210)의 상부에 배치되는 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR통합칩(100)의 미세유체 채널 및 PCR 반응 채널(530)을 형성하는 역할을 수행할 수 있다. 제2 판(230)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 있으며, 실시예에 따라, 제2 판(230)은 적어도 일부가 광 투과성 재질로 구현될 수 있다.
제3 판(250)은 제2 판(230)의 상부에 배치되거나 상판(250)이 하판(210)의 상부에 배치되어, 통합칩(100)의 미세유체 채널 및 PCR 반응 채널(530)을 커버하는 덮개 역할을 수행할 수 있으며, 제3 판(250) 또는 상판(250)의 하부 면에는 기포 제거부(미도시)가 반응 영역 내측으로 돌출 형성될 수 있다. 제3 판(250)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 있으며, 또한 실시예에 따라, 제3 판(250)은 적어도 일부가 광 투과성 재질로 구현될 수 있다.
실시예에 따라, 제1 판(210), 제2 판(230) 및 제3 판(250)의 내부 표면 중 적어도 일부(예를 들어, 제3 판의 내벽 등)에는 표면 처리가 수행될 수 있다. 또는 하판(210), 및 상판(250)의 내부 표면 중 적어도 일부(예를 들어, 상판의 내벽 등)에는 표면 처리가 수행될 수 있다.
예를 들어, 표면 상에 DNA, 단백질(protein) 흡착을 방지하기 위해 실란(silane)계열, 보바인 시럼 알부민(Bovine Serum Albumin, BSA) 등의 물질로 코팅될 수 있으며, 이러한 표면 처리는 당해 기술 분야에 공지된 다양한 기술에 따라 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제3 판(250)과 제1 판(210)사이 또는 상판(250)과 하판(210) 사이에 배치된 접착부재(미도시)는 두 개의 기판 사이로 유체가 누수될 위험을 방지하고, 외부 공기를 차단하는 효과가 있다. 상기 접착부재(미도시)는 접착성을 갖는 부재로서 아크릴계, 실리콘계 또는 고무계일 수 있으나, 특별히 제한되지는 않는다. 상기 접착 부재는 시료 유입부(251)와 시약 유입부(253), 미세유체 채널의 주변에 인접하여 배치되는 것이 밀봉력을 더 높일 수 있다.
상기 제1 밸브(300) 및 제2 밸브(400)는 미세유채채널의 길이에 따른 연장방향에 배치되어 유체의 흐름을 조절할 수 있다. 밸브의 조절에 따라 시료의 전처리 과정, 핵산 추출 과정, 핵산을 PCR 반응 채널로 이송하는 과정이 순차적으로 진행될 수 있다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 밸브를 나타낸 것이다. 상기 제2 밸브는 제1 밸브와 챔버의 기능만 달리할 뿐 전체적인 구조 및 외관은 유사하다.
도 5를 참조하면, 상기 제1 밸브는, 상기 제1 채널과 대응되는 유입부와 제2 채널과 대응되는 유출부를 측부(310)에 구비할 수 있고, 회전(turning) 이동으로 상기 제1 밸브의 개폐를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제2 밸브는, 상기 제2 채널과 대응되는 유입부와 제3 채널과 대응되는 유출부를 측부에 구비하며, 회전(turning) 이동으로 상기 제2 밸브의 개폐를 조절할 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 제2 밸브(400)는 제1 밸브(300)로부터 유입된 유체를 복수 개의 PCR 반응 채널(530)로 분배하는 역할을 한다. 제2 밸브(400)로 인하여 PCR 반응 채널(530) 각각에 정교한 핵산 분배가 가능하며, 각 채널 내 검출 가능 표적 개수를 달리할 수 있어 다중 진단이 가능하다. 예를 들어, 1개의 PCR 반응 채널당 4개의 형광 표지를 이용하면 4개의 타겟 검출 및 진단이 가능하다. 종래의 PCR칩의 경우 1개의 PCR 반응 채널(530) 당 적어도 20~50㎕ 이상의 유체가 유입되지만, 본 발명의 실시예에 따른 PCR 반응 채널의 경우 1개의 PCR 반응 채널 당 최소량이 4~8㎕의 유체만 유입되어도 충분하다. 다만, 예외적으로 PCR 감도가 낮은 대상의 경우에는 유체의 용량이 달라질 수 있다. 따라서 더 미세한 직경의 PCR 반응 채널(530)을 형성할 수 있고, 이에 따라 남는 공간을 활용하여 복수개의 PCR 반응 채널(530)을 배치할 수 있다. 검출 타겟 수는 최대 채널 갯수와 형광 물질의 개수를 곱한 값만큼 검출할 수 있으므로 짧은 시간안에 동시에 다중 진단이 가능한 장점이 있다. 구체적으로 6채널에 4개의 형광 물질을 사용한 경우 30분~50분 이내에 16개 이상의 타겟에 대한 검출과 다중진단이 가능하다.
도 6을 참조하면, 상기 밸브는, 제3판(250) 또는 상판(250)의 표면에 돌출 형성되며, 회전(turning) 이동에 따라 개방과 폐쇄가 조절되어 미세유체 채널의 유입부(311)와 유출부(317)를 밀봉할 수 있다.
또한, 상기 밸브의 내부에 실링부재(350)를 구비하여 밀봉 효과를 더 높일 수 있다. 상기 실링부재는 고분자 수지, 비결정질(amorphous) 물질, 금속 중 선택된 어느 하나로 이루어지고, 특히, 염소화폴리에틸렌, 에틸렌프로필렌디메틸, 실리콘 고무, 아크릴 수지, 아미드계 수지, 에폭시 수지, 페놀 수지, 폴리에스테르계수지, 폴리에틸렌계 수지, 에틸렌-프로필렌 고무, 폴리비닐부티랄 수지, 폴리우레탄 수지 및 니트릴-부타디엔계 고무로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있다. 상기 밸브를 이용하기 때문에 종래의 실링부재를 사용하거나 열을 인가하여 양쪽을 다 밀봉시켜야 했던 과정을 생략할 수 있고, 밀봉과정이 더 간편해질 수 있고, 밀봉 효과가 더 좋다는 장점이 있다. 더욱이 상기 밸브 내부의 실링부재를 통해 이중으로 밀봉하게 되므로 효과가 더욱 좋다. 또한, 통해 PCR 반응시 발생하는 열로부터 유체의 누수와 증발을 방지할 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 제1 밸브(300)는, 내부에 핵산 결합 물질 및 자성 교반 막대(stirring bar)(319)를 포함하는 믹싱 챔버(315)를 포함할 수 있다. 상기 제1 밸브(300)는 내부에 믹싱 챔버(315)를 포함하여 시료와 각각의 시약이 유입되어 혼합될 수 있는 공간을 제공한다. 믹싱 챔버(315) 내에서의 교반 과정은 핵산을 추출하기 전 시료에서 방해물질을 제거하고 분리하는 전처리 과정의 일부로서 시료와 시약을 혼합하는 과정이다. 진단하고자 하는 물질이 포함되어 있는 시료와 해당 시약을 유입시킨 후 각각 제1 밸브(300) 내의 믹싱 챔버(315)에 저장된다. 교반(mixing)과정이 진행되고, 이후 시약에 의해 진단하고자 하는 물질을 따로 분리할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 자성 교반 막대(319)는 제1 밸브(300)의 믹싱 챔버(315) 내부에 위치하여 시약을 고르게 섞어주는 역할을 할 수 있어서 시료와 시약의 혼합을 가속화할 수 있다. 따라서 혼합 속도 및 효율이 증가하게 되고, 전체적으로 전처리 과정의 소요 시간이 단축될 수 있다. 이 경우, 전처리 대상의 시료에 따라 회전 속도를 조절할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 핵산 결합 물질은 핵산이 뭉친 것을 풀어주는 역할을 할 수 있고, 실리카 비드일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 핵산 결합 물질은 자성을 가진 마그네틱 비드일 수 있고, 표면을 실리카 또는 카르복실기로 코팅한 것일 수 있다. 상기 비드는 표면의 최외곽에 DNA나 추출하고자 하는 세포와 결합할 반응기들이 구비되고, 코어에 자성을 가지고, 코어 바깥층에 코어를 감싸며 금속의 독성물질을 반감해 줄 아미노산 계열이 구비되면 좋으나, 특별히 제한되지는 않는다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 밸브의 하부에 상하 이동, 수평 이동 또는 회전 이동이 가능한 자석부(370)를 구비할 수 있다. 상기 자성을 갖는 실리카 비드의 표면에 부착된 핵산으로부터 방해물질을 분리하도록 제1 밸브(300)에 자력을 가할 수 있다. 자석부는 제1 밸브(300)의 하부에 인접하게 배치되어 자성을 갖는 비드를 끌어당기는 역할을 한다. 진단하고자 하는 물질이 비드와 결합하여 자석부에 의해 하단으로 수집되면, 방해물질과 자연히 분리된다. 이후 방해물질을 회수할 수 있다. 이러한 자석부는 제1 밸브(300) 하부에서 상하이동, 수평이동 또는 회전이동이 가능하고, 그 형태 등에 제한되지 않는다.
상기 자석부는 자석을 지지하는 지지부를 포함할 수 있다. 상기 지지부는 전처리칩에 연결되어 자석부를 지지할 수 있다. 상기 자석부는 자석과 지지부 사이에 충격 완화를 위한 탄성부재를 포함할 수 있으며, 상기 탄성부재는 바람직하게는 스프링일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 자성 교반 막대(319)의 회전운동에 의한 믹싱 후 분리된 방해물질을 회수하는 회수부(waste collecting part)(미도시)가 제1 판(210)의 하부 또는 믹싱 챔버(315)의 하부에 구비될 수 있고, 필름 형태일 수도 있다. 교반 과정 이후 분리된 방해물질을 따로 수작업으로 제거할 필요가 없이, 상기 회수부(waste collecting part)를 통해 회수될 수 있어, 전처리 과정의 소요 시간이 단축되고, 용이하게 진단하고자 하는 핵산물질을 분리할 수 있는 장점이 있다.
상기 교반(mixing)과정 중 혼합을 위한 와류 운동이 복수 회 수행되면, 이에 따라 기포 발생이 증가할 수 있다. 상기 기포는 혼합과 물질의 분리를 방해할 우려가 있다. 상기 발생되는 기포를 효율적으로 제거하기 위해 제1 밸브(300)의 내부에 기포제거부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
기포 제거부는 믹싱 챔버(315) 내부 상단면에 배치되어 제1 판(210) 방향으로 돌출되어 형성될 수 있다. 유체 내에 포함된 기포는 부력으로 인해, 기포제거부에서 주변으로 밀려서 주변 공간에 배치되게 된다.
이러한 기포 제거부의 이용은 예시적인 것으로서, 본 발명이 적용되는 실시예에 따라 기포 제거부는 다양한 용도로 활용될 수 있다. 예를 들어, 기포 제거부는 반응 영역을 경유하는 유체의 이동 중 유체에 포함된 기포를 유체의 흐름으로부터 제거하기 위해 이용될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 제2 밸브(400)는, 내부에 분배 챔버(415)를 포함하여 복수 개의 제3 채널(239)에 핵산이 포함된 유체가 골고루 분배되도록 조절할 수 있다. 여기서 유체는 핵산, 예를 들어 이중 가닥 DNA, 증폭하고자 하는 특정 염기 서열과 상보적인 서열을 갖는 올리고뉴클레오티드프라이머, DNA 중합효소, 삼인산화데옥시리보뉴클레오티드 (deoxyribonucleotide triphosphates, dNTP), PCR 반응 완충액(PCR reaction buffer) 등을 포함하는 샘플 용액일 수 있다.
상기 제3 채널(239)은 복수 개의 PCR 반응 채널(530)과 대응되며 제2 밸브(400)에 일 말단이 연결되어 핵산을 복수 개의 PCR 반응 채널(530)로 이송한다. 분배 챔버는 믹싱 챔버(315)와 달리 유입된 유체를 가이드하는 역할을 한다. 제2 밸브(400)로 인하여 PCR 반응 채널(530) 각각에 정교한 핵산 분배가 가능하다는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제2 밸브는, 상기 제2 채널과 대응되는 개수갯 유입부와 제3 채널과 대응되는 갯수의 유출부를 측부에 구비하며, 회전(turning) 이동으로 상기 제2 밸브의 개폐를 조절할 수 있다.
도 8 및 도 9는 각각 PCR 칩(500)을 아래서 본 평면도와 위에서 본 평면도를 나타낸 것이다.
상기 PCR 칩 내의 PCR(Polymerase Chain Reaction) 반응 채널에서는 특정 염기 서열을 갖는 핵산의 증폭과정이 수행된다. 예를 들어, 특정 염기 서열을 갖는 DNA(deoxyribonucleic acid)를 증폭하기 위해 PCR 칩은 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. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 현장진단용 다중진단이 가능한 전처리칩(200) 및 이를 포함하는 PCR통합칩(100)은 상기 단계들을 수행하기 위한 모듈들을 포함하며, 본 명세서에 기재되지 아니한 세부 모듈은 PCR을 수행하기 위한 종래 기술 중 개시되거나 또는 자명한 범위에서 모두 구비하고 있는 것을 전제로 한다.
도 8을 참조하면, 상기 PCR 칩에는 복수 개의 PCR 반응 채널(530)이 구비될 수 있다. PCR 반응 채널(530)은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합칩(100)의 사용 목적 및 범위에 따라 두 개 이상 존재할 수 있다. 상기 반응 채널(530)의 중심부에 별도의 반응 영역(540)이 구비될 수 있다. 상기 반응 채널은 내부에 동결건조 시약을 포함할 수 있다. 별도의 시약을 투입하지 않기 때문에 PCR 칩의 구동시간을 더욱 단축시키는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 상기 PCR 칩은 각각의 반응 채널마다 복수 개의 형광 물질을 이용하여 검출할 수 있다. 예를 들면, 1개의 PCR 반응 채널당 4개의 형광 표지를 이용하여 4개의 진단이 가능하다. PCR 칩에 구비된 별도의 형광 물질은 PCR 산물의 생성에 따라 특정 파장의 광에 의해 발광함으로써 측정 및 분석 가능한 광 신호를 유발할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, PCR 반응 칩(500)은 더미(Dummy) 영역(520)을 더 포함할 수 있다. 상기 더미 영역은 복수 개로 구비될 수 있고, 상기 복수 개의 더미 영역 사이에 복수 개의 반응 영역들이 병렬로 나란히 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 반응 채널은 내부에 유출부와 이격하여 위치한 반응 영역을 포함할 수 있다.
더미 영역 사이에 반응 영역들이 나란히 배치되기 때문에 반응 영역들의 열을 균일하게 조절하게 되는 장점이 있다. 예를 들어 4~6개의 반응 영역이 나란히 배치되는 경우 양쪽 사이드 부에 배치된 2개의 반응 영역은 중심부에 위치한 반응 영역보다 온도가 떨어질 수 있는 문제가 있다. PCR 반응 칩의 경우 플라스틱 재료로 형성될 수 있기 때문에 양쪽 사이드 부에 배치된 2개의 반응 영역은 주변의 플라스틱의 히팅에 의해 열전달이 떨어져 중심부에 위치한 반응 영역보다 온도가 떨어질 수 있다. 그래서, PCR반응의 효율이 중앙에 위치한 반응 영역(540)에 비해 저해될 수 있는 문제점이 있다. 따라서, 양쪽 사이드 부에 배치된 2개의 반응 영역의 사이드에 위치한 더미 영역이 가장자리에 위치한 반응 영역들이 온도가 떨어지는 것을 방지해 주므로, 모든 반응 영역이 균일한 온도를 유지할 수 있게 하는 효과가 있다.
도 8 및 도 9를 참고하면 상기 PCR 반응 채널(530)은 상기 미세유체 채널의 길이방향으로 연장 배치되도록 일직선 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 통합칩(100)의 유입부(251, 253) 또는 유출부(550)는 각각 실링부재(570)로 밀봉될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 제3 판(250) 또는 상판(250)에 부착되어 유입부 또는 유출부를 외부로부터 보호하는 실링 필름을 더 포함할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 PCR 칩(1)의 내부를 측면에서 바라본 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따라 상기 실링 부재는 유입부 및/또는 유출부에도 적용 가능하다. 실링부재는 유체의 누수를 막을 필요가 있는 위치에 적용할 수 있고, 실링부재의 위치가 본 설명에 반드시 한정되는 것은 아니다.
상기 실링필름 또는 실링부재에 사용되는 실링부재는 고분자 수지, 비결정질(amorphous) 물질, 금속 중 선택된 어느 하나로 이루어지고, 특히, 염소화폴리에틸렌, 에틸렌프로필렌디메틸, 실리콘 고무, 아크릴 수지, 아미드계 수지, 에폭시 수지, 페놀 수지, 폴리에스테르계수지, 폴리에틸렌계 수지, 에틸렌-프로필렌 고무, 폴리비닐부티랄 수지, 폴리우레탄 수지 및 니트릴-부타디엔계 고무 중 적어도 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 실링부재는 내부에 물과 접촉시 스웰링하여 유입부 또는 유출부를 실링(sealing)하는 다공성 소결 폴리머 층(80)일 수 있다. 상기 다공성 소결 폴리머 층은 다공성 소결 폴리머 비드를 포함하거나 다공성 소결 폴리머 비드의 응집체를 포함할 수 있다. 상기 비드의 직경은　10 μm 이상 내지 800 μm일 수 있으며, 비드 응집체의 직경은 5mm 이하일 수 있다. 상기 폴리머 비드의 직경과 비드 응집체의 직경은 본 설명에 한정되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 PCR 칩은 유체가 유입되는 유입부, 유입된 유체에 대해 소정의 반응이 수행되는 하나 이상의 반응 채널 및 반응 채널로부터 유체가 유출되는 유출부를 포함하고, 상기 유입부(40) 및/또는 유출부(50)는 내부에 물과 접촉시 스웰링하여 유출부를 실링(sealing)하는 다공성 소결 폴리머 층(80)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 폴리머 층(80)은 상기 반응 채널(60)의 상부 위치와 같거나 높은 위치에 구비될 수 있다.
상기 다공성 소결 폴리머는 소결된(sintering) 수팽윤성 고분자(water-swelling polymer)로서 공기 투과성을 갖는다. 수분과 접촉하는 순간 기공은 팽창되어 유체가 외부로 누수되는 것을 방지할 수 있다. 상기 수팽윤성 고분자는 물과 접촉시 팽윤되어 겔층을 형성할 수 있다.
상기 팽윤이란 고분자 화합물이 용매를 흡수하여 부피가 늘어나는 현상을 말한다. 상기 소결(sintering)은 분말 입자들이 열적 활성화 과정을 거쳐 하나의 덩어리로 되는 과정을 말한다. 가루나 가루를 압축한 덩어리를 녹는점 이하의 온도로 가열하였을 때, 가루가 녹으면서 서로 밀착하여 고결되는 현상으로 일반적으로 세라믹 또는 소형 플라스틱의 제조에 응용된다. 수팽윤성 고분자(water-swelling polymer)는 고분자 사슬간에 가교결합을 통한 3차원 망상구조 또는 단일 사슬구조에서 친수성기의 도입에 따른 유체의 흡수현상을 나타내는 폴리머로 고분자 자체의 무게보다 적어도 15배 이상의 유체를 포함할 수 있고, 충분한 양의 유체를 하중이 가해진 상태에서 지탱할 수 있으며, 수용액을 함유할 수 있되 수용액에 불용성이다. 또한, 물속에 들어가면 순간적으로 팽윤되어 겔화되는 성질을 가지고 있다.
상기 다공성 소결 폴리머는 초고분자량 폴리에틸렌(UHMW-PE), 히드록시프로필메틸셀룰로오즈, 히드록시에틸메틸셀룰로오즈, 히드록시프로필셀룰로오즈, 히드록시메틸셀룰로오즈, 히드록시에틸셀룰로오즈, 카복시메틸셀룰로오즈, 카복시메틸셀룰로오즈칼슘, 카복시메틸셀룰로오즈나트륨, 메틸셀룰로오즈, 에틸셀룰로오즈, 폴리에틸렌옥사이드, 루코스트빈검, 구아검, 크산탄검(Xanthan gum), 아카시아검, 트라가칸트검(Tragacanth gum), 알긴산, 알긴산나트륨, 알긴산칼슘, 알긴산암모늄, 아가(Agar), 젤라틴, 폴록사머, 폴리메타메틸아크릴레이트, 카보머, 폴리카르보필, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐아세테이트, 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐피롤리돈-폴리비닐아크릴레이트 공중합제, 폴리비닐알콜-폴리에틸렌글리콜 공중합제, 폴리비닐피롤리돈-폴리비닐아세테이트 공중합체, 벤토나이트, 헥토라이트, 카라기난(Carrageenan), 세라토니아(Ceratonia), 세토스테아릴알콜(Cetostearyl alcohol), 키토산(Chitosan), 하이드록시프로필전분, 마그네슘 알루미늄 실리케이트, 폴리덱스트로오즈, 폴리(메틸비닐에테르/말레익안하이드로스), 프로필렌글리콜알지네이트, 사포네이트, 초고분자량 폴리에틸렌(UHMW-PE), 히프로멜로오스 및 폴리카르보필로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함하여 제조될 수 있다.
본 출원의 일 실시예에서 도 10(b)를 참조하면, 상기 유입부(40) 및/또는 유출부(50)는 상기 다공성 소결 폴리머 층(80)의 상부에 구비되는 배리어층(90)을 더 포함하는 멀티레이어층을 포함할 수 있다. 도 10(c)를 참조하면, 상기 배리어층(90)의 상부에 위치하는 폴리머층(80)과 하부에 위치하는 폴리머 층(80)을 모두 포함할 수 있다.
상기 배리어층(90)은 피펫 팁 필터(Pipette tip filter)층일 수 있고, 핵산의 이동을 차단하는 층이면 모두 적용 가능하다. 예를 들어, 폴리에틸렌을 포함하는 재료로 제조될 수 있다.
PCR 칩의 경우 칩 내부에 잔존하는 증폭된 핵산을 보유하게 되고 다공성 소결 폴리머 층이 공기 통과성을 다시 회복했을 때 에어로졸 상태로 외부로 유출 가능성이 있다. 다공성 소결 폴리머 층의 상부에 배리어층(90)을 배치하게 되면 핵산이 외부로 유출되는 것을 방지하는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 실링 부재를 사용함으로써, 칩의 크기 및 구조를 간단하게 할 수 있고, 별도의 실링 장치 및 실링부가 필요하지 않기 때문에 칩의 남은 공간을 활용하여 복수 개의 채널을 설치할 수 있다. 또한, 별도의 장비 없이 밀봉 효과를 빠르게 구현 가능하게 되어 구동시간 및 비용절감의 효과를 가져올 수 있다. 또한, 칩 상의 유체의 이동 경로상에 유체의 이동을 정밀하게 제어할 필요가 없게 되는 장점이 있다. 유체가 상기 폴리머 층을 포함하는 실링부재와 접촉 시에 유입부 및/또는 유출부가 밀봉되고, 유체의 이동이 차단되게 되므로 유체의 유량과 이동속도를 정밀하게 조절할 필요가 없다. 따라서, 장비의 소형화가 가능하고, 장비 가격이 인하되므로 경제적인 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 상기 PCR 반응 채널(530)은 상기 PCR 반응 채널(530)의 유입부와 유출부(550)가 인접하게 배치되도록 유턴형태로 형성될 수 있다. 즉, 중심 영역이 'Ｕ'자 형상으로 구부러져, 반응 챔버의 양 말단이 동일한 수직 선상에 위치하도록 구현될 수 있다. 상기 PCR칩의 내부의 PCR 반응 채널(530)에 건조 또는 동결건조된 시약이 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 시료 또는 시약이 상기 미세유체 채널에서 상기 PCR 반응 채널(530)로 이동할 수 있도록 필요한 압력을 인가하는 펌프(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 펌프는 상기 PCR 반응칩의 1 이상의 PCR 반응 채널(530) 내에서 유동하는 유체의 유량 및 유속을 제어하기 위한 모듈로서, 양압 펌프 또는 음압 펌프일 수 있고, 예를 들어 실린지(syringe) 펌프일 수 있다.
상기 펌프는 상기 PCR 반응 채널(530)의 일 부분에 구동가능하게 배치될 수 있으나, 바람직하게는 상기 전처리칩(200)의 유입부 및/또는 상기 PCR 반응 채널(530)의 말단에 형성된 유출부에 연결 배치된다. 상기 펌프가 상기 유입부 및/또는 유출부에 연결 배치된 경우 펌프 역할을 수행할 뿐만 아니라 상기 유출부를 통해 시료 및 시약 용액이 새어 나오는 것을 방지하는 마개 역할을 수행할 수도 있다.
또한, 상기 미세유체 채널과 PCR 반응 채널(530) 내에서 유동하는 유체, 즉 시료 및 시약 용액의 유량 및 유속을 일 방향으로 제어하고자 하는 경우 상기 펌프는 상기 유입부 및 상기 유출부 중 어느 하나에만 연결 배치되고, 남은 하나에는 일반적인 마개가 밀봉 연결될 수 있고, 시료 및 시약 용액의 유량 및 유속을 양 방향으로 제어하고자 하는 경우에는 상기 펌프는 상기 유입부 및 상기 유출부 모두에 연결 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 통합칩의 제3판(250) 또는 상판(250)을 덮는 하우징(270)을 더 포함할 수 있다. 상기 유입부(251, 253)들은 시료 또는 시약 주입에 용이하도록 하우징(270)을 관통하여 하우징(270)의 상부로 돌출 형성될 수 있다. 상기 하우징(270)에 의해 전처리 과정에서 외부공기를 차단하고, 유체의 누수를 방지할 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
[부호의 설명]
100: 통합칩
200: 전처리칩
251: 시료 유입부
253: 시약 유입부
270: 통합칩 하우징
300: 제1 밸브
315: 믹싱 챔버
400: 제2 밸브
415: 분배 챔버
500: PCR 칩
530: PCR 반응 채널
550: 유출부
570: 실링부재

Claims (16)

  1. 복수 개의 미세유체 채널 및 상기 채널과 채널 사이에 구비되는 밸브를 포함하는 핵산 전처리칩(pre-treatment chip); 및
    상기 전처리칩의 일면에서 상기 채널의 길이방향으로 연장 배치되는 복수 개의 PCR 반응 채널을 포함하는 PCR 칩; 을 포함하는 현장진단용 다중 초고속 핵산 추출 및 증폭이 가능한 통합칩.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 밸브는,
    회전 이동, 슬라이딩 이동, 또는 탄성 이동으로 채널의 개폐를 조절하는 것을 특징으로 하는 현장진단용 다중 초고속 핵산 추출 및 증폭이 가능한 통합칩.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 미세유체 채널은,
    시료유입부 및 시약유입부에 일 말단이 연결되어 제1 밸브로 생물학적 시료 또는 시약을 이송하는 복수 개의 제1 채널;
    상기 제1 밸브에 일 말단이 연결되어 제2 밸브로 핵산을 이송하는 제2 채널; 및
    상기 제2 밸브에 일 말단이 연결되어 핵산을 이송하는 복수 개의 상기 PCR 반응 채널과 대응되는 제3 채널; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 현장진단용 다중 초고속 핵산 추출 및 증폭이 가능한 통합칩.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 밸브는, 상기 제1 채널과 대응되는 유입부와 상기 제2 채널과 대응되는 유출부를 측부에 구비하고,
    상기 제2 밸브는, 상기 제2 채널과 대응되는 유입부와 상기 제3 채널과 대응되는 유출부를 측부에 구비하며,
    회전(turning) 이동으로 상기 제1 밸브 및 상기 제2 밸브의 개폐를 조절하는 것을 특징으로 하는 현장진단용 다중 초고속 핵산 추출 및 증폭이 가능한 통합칩.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 밸브는,
    내부에 핵산 결합 물질 및 자성 교반 막대(stirring bar)를 포함하는 믹싱 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 현장진단용 다중 초고속 핵산 추출 및 증폭이 가능한 통합칩.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 핵산 결합 물질은 표면을 실리카 또는 카르복실기로 코팅한 마그네틱 비드인 것을 특징으로 하는 현장진단용 다중 초고속 핵산 추출 및 증폭이 가능한 통합칩.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 밸브의 하부에 상하 이동, 수평 이동 또는 회전 이동이 가능한 자석부를 구비하는 것을 특징으로 하는 현장진단용 다중 초고속 핵산 추출 및 증폭이 가능한 통합칩.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2 밸브는,
    내부에 분배 챔버를 포함하여 복수 개의 상기 제3 채널에 핵산이 포함된 유체를 분배되도록 조절하는 것을 특징으로 하는 현장진단용 다중 초고속 핵산 추출 및 증폭이 가능한 통합칩.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 통합칩은,
    평판 형상의 제1 판;
    상기 제1 판의 상부에 수직으로 배치되어 상기 미세유체 채널, 챔버, 상기 밸브 및 상기 PCR 반응채널을 형성하는 제2 판;
    상기 제1 판과 이격하여 상기 제2 판의 상부에 배치되어 기판을 관통하여 형성된 시료유입부, 시약유입부 및 유출부를 구비하는 제3 판; 및
    상기 제3 판과 상기 제2 판 사이에 배치된 접착부재; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 현장진단용 다중 초고속 핵산 추출 및 증폭이 가능한 통합칩.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 통합칩은,
    평판 형상의 기판의 표면에서 함몰되어 상기 미세유체 채널, 챔버 및 상기 PCR 반응 채널이 형성되는 하판;
    기판의 표면에서 함몰되거나 관통하여 시료유입부, 시약유입부 및 유출부가 형성되고, 기판의 표면에서 돌출되어 상기 밸브가 형성된 상판; 및
    상기 하판 및 상기 상판을 밀봉하기 위한 접착부재; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 현장진단용 다중 초고속 핵산 추출 및 증폭이 가능한 통합칩.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 상판에 부착되어 상기 시료유입부, 상기 시약유입부 또는 유출부를 외부로부터 보호하는 실링 필름을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 현장진단용 다중 초고속 핵산 추출 및 증폭이 가능한 통합칩.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 밸브는,
    내부에 실링부재를 구비하여 상기 미세유체 채널의 상기 시료유입부, 상기 시약유입부 및 상기 유출부를 밀봉하는 것을 특징으로 하는 현장진단용 다중 초고속 핵산 추출 및 증폭이 가능한 통합칩.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 PCR 반응 채널의 유입부 또는 유출부는,
    물과 접촉시 스웰링하는 다공성 소결 폴리머 층을 내부에 포함하여 상기 유입부 또는 유출부를 밀봉하는 것을 특징으로 하는 현장진단용 다중 초고속 핵산 추출 및 증폭이 가능한 통합칩.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 PCR 반응 채널은,
    내부에 동결건조 시약을 포함하는 것을 특징으로 하는 현장진단용 다중 초고속 핵산 추출 및 증폭이 가능한 통합칩.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 PCR 칩은,
    각각의 상기 PCR 반응 채널마다 복수 개의 형광 물질을 이용하여 검출하는 것을 특징으로 하는 현장진단용 다중 초고속 핵산 추출 및 증폭이 가능한 통합칩.
  16. 청구항 1에 있어서,
    생물학적 시료 또는 시약이 상기 미세유체 채널에서 상기 PCR 반응 채널로 이동할 수 있도록 필요한 압력을 인가하는 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 현장진단용 다중 초고속 핵산 추출 및 증폭이 가능한 통합칩.
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