KR100604154B1 - Enhancement of heat transfer rate using 3d structure in PCR chamber - Google Patents

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Abstract

본 발명은 디엔에이(DNA)의 증폭율을 높이고 전체 증폭사이클 시간을 단축하기 위해 3차원 구조물을 이용하여 열전달율을 향상시킨 중합효소 연쇄반응(PCR) 챔버 및 이를 채용한 PCR 랩온어칩을 제공한다. 본 발명의 PCR 챔버는, 기판에 일정 깊이를 갖고 배치된 트랜치 형태의 챔버, 및 챔버 내부에 돌출되는 3차원 구조물을 포함하되, 3차원 구조물이 챔버에 투입되는 샘플과 챔버 내부면과의 접촉 면적을 넓히는 것을 특징으로 하며, 본 발명의 PCR 랩온어칩은, 기판에 일정 깊이를 갖고 트랜치 형태로 배치되며 그 내부에 3차원 구조물이 돌출된 적어도 하나의 챔버, 및 이 챔버의 하부측에 접합되며 챔버에 열을 가하는 히터를 포함하되, 3차원 구조물이 챔버에 투입되는 반응액과 챔버 내부면과의 접촉 면적을 넓히는 것을 특징으로 한다.The present invention provides a polymerase chain reaction (PCR) chamber and a PCR lab-on-a-chip employing the same to improve the heat transfer rate by using a three-dimensional structure in order to increase the DNA amplification rate and shorten the overall amplification cycle time. The PCR chamber of the present invention includes a trench type chamber having a predetermined depth on a substrate, and a three-dimensional structure projecting inside the chamber, wherein the contact area between the sample into which the three-dimensional structure is introduced into the chamber and the inner surface of the chamber. Characterized in that to widen, the PCR lab-on-a-chip of the present invention, having a predetermined depth on the substrate is disposed in the form of a trench and a three-dimensional structure protrudes therein, and is bonded to the lower side of the chamber Including a heater for applying heat to the chamber, it characterized in that the three-dimensional structure widens the contact area between the reaction liquid and the inner surface of the chamber is introduced into the chamber.

중합효소 연쇄반응, PCR, 랩온어칩, DNA 증폭, 챔버, 열전달 Polymerase chain reaction, PCR, lab-on-a-chip, DNA amplification, chamber, heat transfer

Description

３차원 구조물을 구비한 ＰＣＲ 챔버 및 이를 채용한 ＰＣＲ 랩온어칩{Enhancement of heat transfer rate using 3d structure in PCR chamber}PCR chamber with three-dimensional structure and PCR wrap-on-chip employing it {Enhancement of heat transfer rate using 3d structure in PCR chamber}

도 1a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응(PCR) 챔버를 나타내는 사시도이다.1A is a perspective view of a polymerase chain reaction (PCR) chamber in accordance with a preferred embodiment of the present invention.

도 1b는 비교예에 따른 PCR 챔버를 나타내는 사시도이다.1B is a perspective view illustrating a PCR chamber according to a comparative example.

도 2a는 3차원 구조물을 구비한 챔버와 3차원 구조물을 구비하지 않는 챔버에서의 두 PCR 반응 결과물을 polyacrylamid gel 전기영동법으로 비교 분석한 사진이다.Figure 2a is a photograph of a comparative analysis of the results of the two PCR reactions in a chamber having a three-dimensional structure and a chamber having no three-dimensional structure by polyacrylamid gel electrophoresis.

도 2b는 3차원 구조물을 구비한 챔버와 필름히터의 조합으로 이루어진 PCR 칩과 3차원 구조물을 구비하지 않는 챔버와 필름히터로 이루어진 PCR 칩에서의 두 PCR 반응 결과물을 polyacrylamid gel 전기영동법으로 비교 분석한 사진이다.Figure 2b is a comparative analysis of the results of the two PCR reactions in a PCR chip consisting of a combination of a chamber and a film heater with a three-dimensional structure and a film heater and a PCR chip consisting of a chamber and a film heater without a three-dimensional structure by polyacrylamid gel electrophoresis It is a photograph.

도 3은 도 1a의 PCR 챔버 복수개를 어레이 형태로 제작한 PCR 칩을 나타내는 평면도이다.3 is a plan view illustrating a PCR chip in which a plurality of PCR chambers of FIG. 1A are manufactured in an array form.

도 4는 도 1a의 PCR 챔버 복수개를 어레이 형태로 제작하고 그 바닥면에 히터를 부착한 구조를 나타내는 단면도이다.4 is a cross-sectional view illustrating a structure in which a plurality of PCR chambers of FIG. 1A are manufactured in an array form and a heater is attached to the bottom surface thereof.

도 5는 도 4의 PCR 칩에 채용된 평판형 히터를 보다 상세히 나타내는 단면도이다.FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating the flat plate heater employed in the PCR chip of FIG. 4 in more detail. FIG.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 PCR 챔버가 채용된 PCR 랩온어칩의 일례를 나타내는 사시도이다.6 is a perspective view showing an example of a PCR lab-on-a-chip employing a PCR chamber according to an embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 PCR 챔버가 채용된 PCR 랩온어칩의 다른 예를 나타내는 사시도이다.7 is a perspective view showing another example of a PCR lab-on-a-chip employing a PCR chamber according to an embodiment of the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Explanation of symbols for the main parts of the drawings *

20: PCR 챔버(PCR chamber) 22: 실리콘웨이퍼(silicon wafer)20: PCR chamber 22: silicon wafer

24: 트랜치(tranch) 26: 3차원 구조물24: trench 26: three-dimensional structure

30: PCR 칩 40: 평판형 히터30: PCR chip 40: plate heater

본 발명은 디엔에이(DNA)의 증폭율을 높이고 전체 증폭사이클 시간을 단축하기 위해 3차원 구조물을 이용하여 열전달율을 향상시킨 중합효소 연쇄반응(polymerase chain reaction, PCR) 챔버 및 이를 채용한 PCR 랩온어칩(Lab-on-a-chip)에 관한 것이다.The present invention provides a polymerase chain reaction (PCR) chamber and a PCR lab-on-a-chip employing the same to improve heat transfer rate by using a three-dimensional structure in order to increase the amplification rate of DNA and shorten the overall amplification cycle time. (Lab-on-a-chip).

오늘날, 인간 게놈서열이 알려지면서 많은 인간 유전자에 관한 정보가 밝혀지고 있다. 특히, DNA 마이크로어레이(microarray) 기술이 개발되면서 분자생물학 및 유전학 분야의 발전은 급가속되고 있다. 그 가운데 IT 분야의 MEMS(micro-electrmechanical systems) 기술을 이용해 이동 가능하고 저비용, 고속 분석을 시도하고 있는 DNA 랩온어칩(Lab-on-a-chip) 개발은 좋은 예이다. 인간 DNA에 관한 정보가 늘어남에 따라 특화된 콘텐츠(contents)의 유전자 진단을 목적으로 랩온어칩의 개발 및 수요가 증가할 것을 예측하기는 그리 어려운 일이 아니다.Today, as human genome sequences become known, information about many human genes is revealed. In particular, with the development of DNA microarray technology, advances in the field of molecular biology and genetics are accelerating. A good example is the development of a DNA lab-on-a-chip, which uses mobile micro-electrmechanical systems (MEMS) technology for mobile, low-cost and high-speed analysis. As the information about human DNA increases, it is not difficult to predict that the development and demand of Lab-on-a-Chip will increase for the purpose of genetic diagnosis of specialized contents.

유전자 진단을 목적으로 하는 랩온어칩은 샘플전처리부, DNA증폭부, 증폭된 DNA를 이용해 진단결과를 내는 감지부로 구성된다. 그 중에서 DNA증폭부에서 많이 응용하는 증폭방법은 PCR 방법이다.Lab-on-a-chip for the purpose of genetic diagnosis consists of a sample preprocessing unit, a DNA amplification unit, and a detection unit that produces a diagnosis result using amplified DNA. Among them, the amplification method applied in the DNA amplification part is the PCR method.

PCR 방법은 이미 분자생물학 분야에서 널리 이용되고 있는 타겟 DNA 증폭방법으로서 열에 안정한 DNA 중합효소, DNA 단량체, 프라이머, Mg2+, 주형 DNA로 이루어진 반응액을 외부에서 주기적인 가열을 통해서 특정 타겟 DNA를 증폭해 내는 방법이다.The PCR method is a target DNA amplification method widely used in the field of molecular biology and amplifies a specific target DNA by periodically heating the reaction solution consisting of heat-stable DNA polymerase, DNA monomer, primer, Mg2 + and template DNA from the outside. How to pay

랩온어칩에서 PCR 방법을 적용함에 있어서 고려해야 할 것으로는 샘플의 유입을 원할히 할 수 있도록 재질의 표면, 접촉 각도(contact angle), 유로의 너비와 높이 조절을 통한 종횡비(aspect ratio), 열전도율(heat transfer rate/thermal conductivity), 히터 패턴(heater pattern), 열질량(thermal mass), 샘플내 열흐름(heat convection) 등 많은 요소들이 있다. 그리고, PCR 랩온어칩에서 PCR증폭부가 갖춰야 할 조건 중 특히 중요한 것은 반응 재현성, 반응후 결과물의 증폭 수율(yield), 및 반응 시간이다.In applying the PCR method in Lab-on-a-Chip, consideration should be given to the surface of the material, the contact angle, aspect ratio by adjusting the width and height of the flow path, and heat conductivity to facilitate the inflow of the sample. There are many factors such as transfer rate / thermal conductivity, heater pattern, thermal mass, and heat convection in the sample. In the PCR lab-on-a-chip, particularly important conditions for the PCR amplification part are reaction reproducibility, yield amplification of the result after the reaction, and reaction time.

실제로 대량생산을 위해 플래스틱(plastic) 소재를 이용한 PCR 챔버를 제작하고 증폭 실험을 수행해 보면 증폭률이 상당히 기대 이하이거나 재현성이 떨어지는 경우가 많다. 이는 위와 같은 고려사항을 정확히 충족시키기가 쉽지 않기 때문이다.In fact, when a PCR chamber using a plastic material is manufactured for a mass production and amplification experiments are performed, the amplification rate is often less than expected or the reproducibility is often low. This is because it is not easy to meet the above considerations exactly.

그리고, 종래의 PCR 랩온어칩에서는 PCR 챔버에 반응액을 담고 바닥이나 천정측에 위치한 히터를 통해 반응액에 열을 가하면서 저항온도검출기(resistance temperature detector, RTD)를 이용해서 히터 온도를 감지하며 온도조절을 하고 있다. 그러나, 상술한 종래의 구조에서는 히터에서 가열한 열이 빠른 시간내에 챔버내 PCR 반응액의 온도를 높이는 데 한계가 있기 때문에 PCR 반응액의 용량을 작게 만들게 된다. 특히, PCR 반응액의 용량을 서브마이크로리터(submicroliter) 수준으로 만들었을 경우, PCR 반응의 재현성에 문제가 될 수 있으며, 감지부에서 요구되는 충분한 량의 타겟 DNA를 증폭하지 못하는 문제가 발생될 수 있다.In the conventional PCR lab-on-a-chip, the reaction liquid is contained in the PCR chamber and heated to the reaction liquid through a heater located on the floor or the ceiling side to detect the heater temperature using a resistance temperature detector (RTD). Temperature control However, in the above-described conventional structure, since the heat heated by the heater has a limit in raising the temperature of the PCR reaction solution in the chamber within a short time, the capacity of the PCR reaction solution is reduced. In particular, if the capacity of the PCR reaction solution is made at the submicroliter level, it may cause a problem in the reproducibility of the PCR reaction, and may cause a problem of failing to amplify a sufficient amount of target DNA required by the detection unit. have.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에서는 PCR 반응액과 히터(heater)가 존재하는 반응 챔버 사이의 빠른 열전달이 가능하도록 챔버 내에 3차원 구조물이 존재하도록 제작하였다. 3차원 구조물로 인해 반응액과 챔버의 접촉면적이 증가되도록 하였다. 기존 일반적인 형태의 반응 챔버에서는 바닥에 히터를 배치해서 가열하는 데 이 경우 반응액의 상하부, 그리고 모서리 부위의 온도 차가 상당히 차이가 난다. 다시 말해서, 본 발명의 목적은 PCR 랩온어칩에서 관건이라고 할 수 있는 증폭 챔버 내의 PCR 반응액으로 열원으로부터의 열전달 효율을 높임으로써 DNA증폭량을 늘리고 증폭시간을 줄일 수 있는 PCR 랩온어칩을 제공하는데 있다.The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, in the present invention was produced so that the three-dimensional structure exists in the chamber to enable fast heat transfer between the reaction chamber in which the PCR reaction solution and the heater (heater) is present. Due to the three-dimensional structure, the contact area between the reaction solution and the chamber was increased. In the conventional general reaction chamber, a heater is placed on the bottom to heat the temperature, and the temperature difference between the upper and lower portions of the reaction liquid and the corner portion is significantly different. In other words, an object of the present invention is to provide a PCR lab-on-a-chip that can increase the amount of DNA amplification and reduce the amplification time by increasing the heat transfer efficiency from the heat source to the PCR reaction solution in the amplification chamber, which is the key to the PCR lab-on-a-chip. have.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 측면에 따르면, 기판에 일정 깊이를 갖고 배치된 트랜치 형태의 트랜치와, 이 트랜치 내부에 돌출되는 3차원 구조물을 포함하되, 3차원 구조물이 챔버에 투입되는 반응액과 트랜치 내부면과의 접촉 면적을 넓히는 것을 특징으로 하는 중합효소 연쇄반응(PCR) 챔버가 제공된다.In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a trench type trench having a predetermined depth disposed on the substrate and a three-dimensional structure protruding inside the trench, the three-dimensional structure is A polymerase chain reaction (PCR) chamber is provided, which extends the contact area between the injected reaction solution and the trench inner surface.

바람직하게, 3차원 구조물은 트랜치의 바닥면에 기둥 모양으로 돌출된 복수개의 구조물을 포함한다. 그리고, PCR 챔버는 히터를 추가적으로 포함하며 트랜치의 하부측에 접합된다.Preferably, the three-dimensional structure includes a plurality of structures protruding in a columnar shape on the bottom surface of the trench. The PCR chamber further includes a heater and is bonded to the lower side of the trench.

본 발명의 제2 실시예에 따르면, 기판에 일정 깊이를 갖고 트랜치 형태로 배치되며, 그 내부에 3차원 구조물이 돌출된 적어도 하나의 챔버와, 이 챔버의 하부측에 접합되며, 챔버에 열을 가하는 히터를 포함하되, 3차원 구조물이 챔버에 투입되는 반응액과 챔버 내부면과의 접촉 면적을 넓히는 것을 특징으로 하는 PCR 랩온어칩이 제공된다.According to a second embodiment of the present invention, at least one chamber having a predetermined depth and disposed in a trench form on a substrate, and having a three-dimensional structure protruded therein, is bonded to a lower side of the chamber, and heats the chamber. A PCR lab-on-a-chip is provided, including a heater, wherein the three-dimensional structure expands the contact area between the reaction liquid introduced into the chamber and the inner surface of the chamber.

바람직하게, 3차원 구조물은 챔버의 바닥면에 기둥 모양으로 돌출된 복수개의 구조물을 포함한다. 그리고 챔버 및 3차원 구조물은 일체형 구조로 실리콘, 유리 및 플라스틱 소재 중 적어도 어느 하나로 이루어진다. 또한, 히터는 금속을 소재로 한 열선과, 이 열선의 열을 챔버에 균일하게 전달하는 열분배 패턴이 절연성 필름 사이에 각각 삽입된 필름 히터로 이루어진다. 또한, 기판에는 반응액의 주입을 위한 샘플주입구와, 이 샘플주입구와 챔버 복수개를 연결하는 유로가 추가적으로 구비된다.Preferably, the three-dimensional structure includes a plurality of structures protruding in the shape of a column on the bottom surface of the chamber. And the chamber and the three-dimensional structure is an integral structure made of at least one of silicon, glass and plastic material. In addition, the heater consists of a heating wire made of metal and a film heater in which a heat distribution pattern for uniformly transferring the heat of the heating wire to the chamber is inserted between the insulating films. In addition, the substrate is further provided with a sample inlet for injection of the reaction liquid, and a flow path connecting the sample inlet and the plurality of chambers.

또한, PCR 랩온어칩은 챔버에서 증폭된 산물을 받아 분석하는 감지부를 추가적으로 포함한다. 감지부는 반응액에 혼합된 염료의 형광을 감지하는 형광감지부를 포함한다. 또한, PCR 랩온어칩은 챔버 또는 챔버 내의 반응액의 온도를 검출하는 온도검출부를 추가적으로 포함한다. 또한, PCR 랩온어칩은 온도검출부에서 측정된 온도에 따라 히터를 제어하는 제어부를 추가적으로 포함한다. 또한, PCR 랩온어칩은 중합효소 연쇄반응의 주형으로 사용할 DNA를 정제하는 샘플전처리부를 추가적으로 포함할 수 있다.In addition, the PCR lab-on-a-chip further includes a sensing unit for receiving and analyzing the amplified product in the chamber. The detection unit includes a fluorescence detection unit for detecting the fluorescence of the dye mixed in the reaction solution. In addition, the PCR lab-on-a-chip further includes a temperature detector for detecting the temperature of the chamber or the reaction liquid in the chamber. In addition, the PCR lab-on-a-chip further includes a control unit for controlling the heater according to the temperature measured by the temperature detector. In addition, the PCR lab-on-a-chip may further include a sample pretreatment unit for purifying DNA to be used as a template of the polymerase chain reaction.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention illustrated below may be modified in many different forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.

도 1a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 중합효소 연쇄반응(PCR) 챔버를 나타내는 사시도이다. 도 1a에서 PCR 챔버는 설명의 편의상 전면 일부가 절개된 형태로 도시되어 있다. 그리고, 도 1b는 비교예에 따른 PCR 챔버를 나타내는 사시도이다.1A is a perspective view of a polymerase chain reaction (PCR) chamber in accordance with a preferred embodiment of the present invention. In FIG. 1A, the PCR chamber is shown in a form in which a portion of the front surface is cut out for convenience of description. 1B is a perspective view illustrating a PCR chamber according to a comparative example.

도 1a를 참조하면, 본 발명의 PCR 챔버(20)에서는 PCR 챔버(20) 내의 용액으로 열전달을 원활히 하기 위해 챔버(20) 내에 3차원 구조물(26)을 생성한다. 상술한 구성에 의해, PCR 챔버(20) 내의 3차원 구조물(26)을 챔버 바닥으로부터 돌출된 형태로 형성하여 PCR액과 챔버 재질의 접촉면적을 크게 함으로써 챔버 외부로부터 공급되는 열이 PCR액으로 원활히 보다 빨리 전달되도록 이루어진다.Referring to FIG. 1A, the PCR chamber 20 of the present invention generates a three-dimensional structure 26 in the chamber 20 to facilitate heat transfer to a solution in the PCR chamber 20. By the above-described configuration, the three-dimensional structure 26 in the PCR chamber 20 is formed to protrude from the bottom of the chamber to increase the contact area between the PCR liquid and the material of the chamber, so that the heat supplied from the outside of the chamber is smoothly transferred to the PCR liquid. To be delivered faster.

본 실시예에 따른 PCR 챔버(20)의 제작 방법의 일례를 간략히 기술하면 다음 과 같다. 제작 방법은 반도체 사진식각(photolithography) 공정을 이용한다.An example of a method of manufacturing the PCR chamber 20 according to this embodiment is briefly described as follows. The fabrication method uses a semiconductor photolithography process.

먼저, 저온 산화물(Low Temperature Oxide, LTO)을 두께 1~4㎛로 P형 실리콘웨이퍼(22)에 증착하고, 포토레지스트(photo-resist, PR)을 입히고, 이 구조상에 패턴이 그려진 마스크를 소프트콘택 얼라인(soft contact align)시킨 후, 자외선(UV)을 15초 조사하여 원하는 형태를 패터닝한다.First, a low temperature oxide (LTO) is deposited on the P-type silicon wafer 22 with a thickness of 1 to 4 μm, coated with a photo-resist (PR), and a mask having a pattern drawn on the structure is soft. After soft contact alignment, the desired shape is patterned by irradiating UV light for 15 seconds.

다음, 현상을 하고 웨이퍼를 열처리(baking)한 후 깊은 반응성 이온식각(deep reactive ion etching, deep RIE) 공정을 통해서 250㎛를 식각한다. 이때, 플루오르계 화학반응(fluorine-based chemistry)을 사용하여 에칭과 패턴 옆면 패시베이션(passivation) 과정을 반복하면, 높은 종횡비를 얻을 수 있다.Next, after the development and the heat treatment (baking) the wafer is etched 250㎛ through a deep reactive ion etching (deep RIE) process. In this case, by repeating the etching and passivation pattern side by using a fluorine-based chemistry, a high aspect ratio can be obtained.

마지막으로, 산소(O2) 플라즈마를 이용해서 표면을 친수성을 띄도록 한다. 상술한 과정을 통해, 최종적으로 PCR 챔버로 이용될 수 있는, 깊이 250㎛의 트랜치(tranch, 24)가 얻어진다. 트랜치(24)의 내부에는 지름 30㎛의 필러(pillar) 즉, 3차원 구조물(26)이 형성되어 있다. 트랜치(24)의 깊이는 250~300㎛ 범위에서 적절하게 선택될 수 있다.Finally, oxygen (O 2 ) plasma is used to make the surface hydrophilic. Through the above process, a trench 24 having a depth of 250 μm, which can be finally used as a PCR chamber, is obtained. In the trench 24, a pillar having a diameter of 30 μm, that is, a three-dimensional structure 26 is formed. The depth of trench 24 may be appropriately selected in the range of 250-300 μm.

3차원 구조물의 열전달 효과가 중합효소 연쇄반응에 미치는 효과를 시험하기 위해, 도 1b에 도시한 것과 같이 3차원 구조물이 없는 형태의 U-모양의 챔버(20a)를 제작하였다. 또한 도 1a에 도시한 3차원구조물(26)의 밀도도 달리해서 실험해 보았다. 실험 중 비교예와 본 실시예의 반응액 증발을 막기 위해 도 1a에 도시한 것과 같이 미네날 오일(mineral oil) 등과 같은 증발차단막(28)을 사용하여 액체 상부를 덮었다.In order to test the effect of the heat transfer effect of the three-dimensional structure on the polymerase chain reaction, as shown in Figure 1b, a U-shaped chamber 20a of the three-dimensional structure is formed. In addition, the density of the three-dimensional structure 26 shown in FIG. In order to prevent evaporation of the reaction solution of the comparative example and the present embodiment during the experiment, the upper portion of the liquid was covered by using an evaporation barrier film 28 such as a mineral oil as shown in FIG. 1A.

실험 결과, 도 2a에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 PCR 챔버 즉, 내부에 3차원 구조물이 형성되어 있는 PCR 챔버에서는 비교예의 3차원 구조물이 없는 실리콘 PCR 챔버와 비교하여 PCR증폭 향상 효과와 PCR시간 감소 효과를 얻을 수 있었다.As a result, as shown in Figure 2a, the PCR chamber according to the present embodiment, that is, the PCR chamber having a three-dimensional structure formed therein compared to the silicone PCR chamber without the three-dimensional structure of the comparative example and the PCR amplification effect and PCR time reduction effect was obtained.

도 2a는 3차원 구조물을 구비한 챔버와 3차원 구조물을 구비하지 않는 챔버에서의 두 PCR 반응 결과물을 polyacrylamid gel 전기영동법으로 비교 분석한 사진이다.Figure 2a is a photograph of a comparative analysis of the results of the two PCR reactions in a chamber having a three-dimensional structure and a chamber having no three-dimensional structure by polyacrylamid gel electrophoresis.

PCR 증폭 대상은 NAT2 유전자(N-acetyltransferase 2)의 전체 염기서열을 포함하는 470 base DNA로서 외부 독성물질의 체내 유입시 acetylation 반응을 촉매해서 독성을 무독화, 감소화 하는 역할을 하는 효소의 유전자이다. 이 유전자에 SNP 혹은 돌연변이가 존재시 정상세포의 암화와 연관이 있다고 알려져 있다.PCR amplification target is 470 base DNA which contains the entire nucleotide sequence of NAT2 gene (N-acetyltransferase 2). . The presence of SNPs or mutations in these genes is known to be associated with cancer of normal cells.

PCR 과정은 다음과 같다. 혈액을 채취하고 200㎕만을 따로 blood genomic DNA preparation kit(Qiagen)를 사용해서 게놈DNA를 추출 정제하였다. NAT2 유전자를 증폭하기 위한 프라이머 한쌍을 합성하였다. 즉, N2seq: 5' aacatgcattgtgggcaagc3' forward primer, N2re2: 5' aggttcaagcgtaaataagtat3' reverse primer를 합성하였다.The PCR procedure is as follows. Blood was collected and genomic DNA was extracted and purified using a blood genomic DNA preparation kit (Qiagen). A pair of primers were synthesized to amplify the NAT2 gene. That is, N2seq: 5 'aacatgcattgtgggcaagc3' forward primer, N2re2: 5 'aggttcaagcgtaaataagtat3' reverse primer was synthesized.

PCR 혼합액은 10x PCR buffer-3㎕, dNTP(2.5mM)-2.5㎕, primer- 5pmol, genomic DNA 50ng, Taq DNA polymerase 2.5unit를 넣고 증류수로 최종 30㎕가 되도록 첨가하였다. PCR 혼합액에서 15㎕를 칩 내부에 투입하였다. PCR 과정 동안 반응 액의 증발을 막기 위해 미네랄 오일을 사용해서 액체상부를 덮었다. PCR 사이클 온도제어는 Labview로 자체 제작한 프로그램을 사용하였다.PCR mixture was added 10x PCR buffer-3μl, dNTP (2.5mM) -2.5μL, primer-5pmol, genomic DNA 50ng, Taq DNA polymerase 2.5unit was added to the final 30μL with distilled water. 15 μl of the PCR mixture was added into the chip. The liquid phase was covered with mineral oil to prevent evaporation of the reaction solution during the PCR process. PCR cycle temperature control was performed using Labview's own program.

온도조건은 predenaturation step- 94℃ 6분, denaturation step- 94℃ 1분, annealing step- 54℃ 1분, extension step- 72℃ 1분으로 30 사이클을 증폭하였다. 동일한 조건으로 동일 크기의 필라 구조만 없는 실리콘 챔버(도 1b 참조)에서도 NAT2 DNA 증폭을 시도하고 두 결과물을 polyacrylamid gel 전기영동법으로 비교 분석하였다. Pillar-formed PCR 챔버에서 보다 많은 증폭 DNA를 얻을 수 있었다.Temperature cycle was amplified by 30 cycles of predenaturation step-94 ℃ 6 minutes, denaturation step-94 ℃ 1min, annealing step-54 ℃ 1min, extension step-72 ℃ 1min. NAT2 DNA amplification was attempted in the silicon chamber without the same size of the pillar structure (see FIG. 1B) under the same conditions, and the two results were compared and analyzed by polyacrylamid gel electrophoresis. More amplified DNA could be obtained in a pillar-formed PCR chamber.

도 2b는 3차원 구조물을 구비한 챔버와 필름히터의 조합으로 이루어진 PCR 칩과 3차원 구조물을 구비하지 않는 챔버와 필름히터로 이루어진 PCR 칩에서의 두 PCR 반응 결과물을 polyacrylamid gel 전기영동법으로 비교 분석한 사진이다.Figure 2b is a comparative analysis of the results of the two PCR reactions in a PCR chip consisting of a combination of a chamber and a film heater with a three-dimensional structure and a film heater and a three-dimensional structure without a three-dimensional structure by polyacrylamid gel electrophoresis It is a photograph.

제작된 pillar-formed PCR 챔버와 필름히터 조합의 DNA 증폭능을 기존의 thermocycler(Bio-Rad사 icycler)와 비교하였다. 증폭대상 DNA는 NAT2의 SNP를 포함하는 일부분으로 104 base이다. 사용된 프라이머 서열은 5' tcacattgtaagaagaaacga3' forward primer, 5' gaggttcaagcgtaaataagtat3' reverse primer이고 사이클링 온도 조건은 predenaturation step- 94℃ 2분, denaturation step- 94℃ 10초, annealing step- 54℃ 25초, extension step- 72℃ 20초로 30 사이클 증폭하였다. 30 사이클 증폭 후 추가 1분 동안 72℃ extension 반응을 수행하였다. 2차례 pillar-formed PCR 칩을 사용하여 DNA 증폭 실험을 한 결과물과 thermocycler에서 얻은 결과물을 polyacrylamid gel 전기영동법으로 비교 분석하였다. 두 장치에서 얻은 증폭결과물에서 증폭량에는 큰 차이가 없음을 알 수 있었다.The DNA amplification ability of the fabricated pillar-formed PCR chamber and film heater combination was compared with that of the conventional thermocycler (Bio-Rad icycler). DNA to be amplified is a part containing the SNP of NAT2 is 104 base. The primer sequences used were 5 'tcacattgtaagaagaaacga3' forward primer, 5 'gaggttcaagcgtaaataagtat3' reverse primer, and the cycling temperature conditions were predenaturation step-94 ° C 2 minutes, denaturation step-94 ° C 10 seconds, annealing step-54 ° C 25 seconds, extension step- 30 cycles were amplified at 72 ° C. for 20 seconds. After 30 cycles of amplification, a 72 ° C. extension reaction was performed for an additional 1 minute. The results of DNA amplification experiments using two pillar-formed PCR chips and those obtained from thermocycler were compared and analyzed by polyacrylamid gel electrophoresis. The amplification results from the two devices showed no significant difference in amplification amount.

다음은 상술한 3차원 구조물이 구비된 PCR 챔버 및/또는 이 챔버의 하부측에 부착되는 필름 히터로 이루어지는 PCR 칩의 일례를 아래에서 설명한다.Next, an example of a PCR chip including a PCR chamber equipped with the above-described three-dimensional structure and / or a film heater attached to a lower side of the chamber will be described below.

도 3은 도 1a의 PCR 챔버 복수개를 어레이 형태로 제작한 PCR 칩을 나타내는 평면도이다.3 is a plan view illustrating a PCR chip in which a plurality of PCR chambers of FIG. 1A are manufactured in an array form.

도 3을 참조하면, PCR 칩(30)은 여러 개의 DNA를 증폭하고 분석하기 위하여 PCR 챔버(20) 복수개, 예컨대, 8개를 어레이 형태로 제작한 것이다. PCR 챔버(20) 내부에는 기둥 모양의 3차원 구조물(26)이 형성되어 있다. 그리고, PCR 칩(30)에는 샘플 주입구(32)로부터 각 PCR 챔버(20)를 연결하는 유로(34)가 형성되어 있다.Referring to FIG. 3, the PCR chip 30 is a plurality of PCR chambers 20, for example, eight, in the form of an array in order to amplify and analyze a plurality of DNAs. A columnar three-dimensional structure 26 is formed in the PCR chamber 20. The PCR chip 30 is formed with a flow path 34 connecting the PCR chambers 20 from the sample injection holes 32.

이러한 PCR 칩(30)은 앞서 언급한 PCR 챔버(20)의 제작 공정을 이용해서 용이하게 제작된다. 물론, PCR 칩(30)은 챔버 개수가 6개나 10인 PCR 칩으로 제작가능하다.The PCR chip 30 is easily manufactured using the above-described manufacturing process of the PCR chamber 20. Of course, the PCR chip 30 can be produced as a PCR chip having the number of chambers 6 or 10.

도 4는 도 1a의 PCR 챔버 복수개를 어레이 형태로 제작하고, 제작된 어레이 바닥면에 평판형 히터를 부착한 PCR 칩 구조를 나타내는 단면도이다. 도 4의 단면도는 도 3의 PCR 칩의 Ⅳ-Ⅳ선에 의한 단면에 대응된다.FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a structure of a PCR chip in which a plurality of PCR chambers of FIG. 1A are manufactured in an array form, and a flat plate heater is attached to the fabricated array bottom surface. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV of the PCR chip of FIG. 3.

도 4를 참조하면, 평판형 히터(40)가 부착된 PCR 칩(30)은 전원부에서 공급되는 전원에 의해 평판형 히터(40)가 열을 발생시키고 발생된 열에 의해 각 PCR 챔버(20) 내의 유체가 DNA 변성(denaturation), 프라이머(primer)의 결합(annealing), DNA 합성(polymerization)의 과정을 반복 진행하도록 함으로써 원하는 DNA 부분을 증폭시키기 위한 구조를 가진다.Referring to FIG. 4, in the PCR chip 30 to which the flat plate heater 40 is attached, the flat plate heater 40 generates heat by the power supplied from the power supply unit, and the generated heat in each PCR chamber 20 is generated by the generated heat. The fluid has a structure for amplifying a desired DNA part by causing DNA denaturation, annealing of primers, and DNA polymerization.

PCR 칩(30)은 실리콘웨이퍼(22) 상에 트랜치 형태로 형성되면서 그 내부에 3 차원 구조물(26)이 돌출되어 있는 8개의 PCR 챔버(20)를 구비한다. 그리고, 평판형 히터(40)는 절연성 필름(42) 내에 형성되는 히터 패턴(43)과 이 히터 패턴(43)에서 발생되는 열을 비교적 균일하게 PCR 챔버(20)로 전달하기 위한 열분배 패턴(45)을 포함한다.The PCR chip 30 includes eight PCR chambers 20 in which a three-dimensional structure 26 protrudes therein while being formed in a trench form on the silicon wafer 22. In addition, the flat heater 40 may include a heater pattern 43 formed in the insulating film 42 and a heat distribution pattern for transferring the heat generated from the heater pattern 43 to the PCR chamber 20 relatively uniformly. 45).

PCR 칩(30)과 평판형 히터(40)는 소정의 접착제(미도시)에 의해 접합된다. PCR 칩(30)과 평판형 히터(40) 사이에 도포되는 접착제는 써멀컴파운드(thermal compound)와 같이 접촉성과 열전달 특성이 우수한 재료가 적당하다.The PCR chip 30 and the flat plate heater 40 are joined by a predetermined adhesive (not shown). The adhesive applied between the PCR chip 30 and the flat plate heater 40 is preferably a material having excellent contact and heat transfer characteristics, such as a thermal compound.

도 5는 도 4의 PCR 칩에 채용된 평판형 히터의 일례를 보다 상세히 나타내는 단면도이다. 연성회로기판(FPC)의 재료인 캡톤(Kapton) 필름은 폴리머 재질로서 열전도성이 낮고 적층 두께가 50~100㎛ 이내로 열소모비용(thermal budget)이 작으므로 PCR의 빠른 온도응답에 유리한다. 따라서, 본 실시예에서는 캡톤 필름을 이용하여 FPC 기판으로 이루어진 평판형 히터, 즉 필름 히터를 제작하였다.5 is a cross-sectional view illustrating an example of a flat plate heater employed in the PCR chip of FIG. 4 in more detail. Kapton film, which is a material of a flexible printed circuit board (FPC), is a polymer material, and has a low thermal conductivity and a low thermal budget within 50-100 μm, which is advantageous for rapid temperature response of PCR. Therefore, in the present embodiment, using a Kapton film, a flat heater made of an FPC substrate, that is, a film heater was manufactured.

도 5를 참조하면, 온도 균일성을 향상시키기 위한 필름 히터(40a)는 히터 패턴(43a) 위에 열분배 패턴(heat spreader, 45a)을 제작하여 열이 챔버 내부에서 빠르게 확산될 수 있도록 제작하였다. 이는 히터 패턴(43a)에서 발생한 주울 열이 열분배 패턴(45a) 상에서 공간적으로 균일하게 퍼져서 챔버를 간접적으로 가열하는 구조이다. 히터 패턴(43a)에서 열유속(heat flux)이 바로 챔버 내부의 시료로 전달되는 것에 비하여 열분배 패턴(45a)을 통해서 열이 퍼지게 되면, 열분배 패턴(45a)이 일종의 항온원(constant temperature source)이 되어서 챔버의 균일한 가열에 유리하게 된다.Referring to FIG. 5, the film heater 40a for improving the temperature uniformity was manufactured such that heat is rapidly spread within the chamber by manufacturing a heat spreader 45a on the heater pattern 43a. This is a structure in which the joule heat generated in the heater pattern 43a is spread evenly spatially on the heat distribution pattern 45a to indirectly heat the chamber. When the heat spreads through the heat distribution pattern 45a as compared with the heat flux in the heater pattern 43a being directly transferred to the sample inside the chamber, the heat distribution pattern 45a is a kind of constant temperature source. This is advantageous for uniform heating of the chamber.

FPC 공정에 의해 가능한 미세 패턴은 50~70㎛로서 히터 패턴을 제작하는 데는 무리가 없다. 히터 패턴(43a), 히터 패드(43b) 그리고 열분배 패턴(45a)은 FPC 공정에 의해 구리로 8㎛ 두께로 제작하였다. 챔버 하부의 RTD 패턴(48)은 10㎛ 이내의 미세 패턴이 필요하므로 제작된 FPC 상부에 반도체 포토 공정을 이용하여 Cr/Au 메탈 층을 리프트 오프(lift-off) 방식으로 제작하였다. 이후, 절연막(49)을 증착하여 절연하였다. 도 5에서, 참조부호 41, 44 및 47은 캡톤 필름을 나타내고, 42 및 46은 접착제층을 나타낸다.The fine pattern possible by FPC process is 50-70 micrometers, and there is no problem in producing a heater pattern. The heater pattern 43a, the heater pad 43b, and the heat distribution pattern 45a were made into 8 micrometers thick with copper by the FPC process. Since the RTD pattern 48 at the bottom of the chamber requires a fine pattern within 10 μm, a Cr / Au metal layer was manufactured by a lift-off method by using a semiconductor photo process on the fabricated FPC. Thereafter, the insulating film 49 was deposited and insulated. In Fig. 5, reference numerals 41, 44 and 47 denote Kapton films, and 42 and 46 denote adhesive layers.

상술한 필름 히터(40a)는 잘 알려진 FPC 공정을 통해 저렴한 비용으로 대량 생산할 수 있고, 히터(40a) 내의 열분배 패턴(45a)에 의해 히터 패턴(43a)에서 발생되는 열을 PCR 챔버 전체로 전달해 줌으로써, 가열되는 라인에서의 열 집중으로 인해 PCR 반응액 내에서 버블이 발생하는 현상을 해소하는 데 도움을 준다.The above-mentioned film heater 40a can be mass-produced at low cost through a well-known FPC process, and transfers heat generated from the heater pattern 43a to the entire PCR chamber by the heat distribution pattern 45a in the heater 40a. By doing so, it helps to eliminate bubbles in the PCR reaction solution due to heat concentration in the heated line.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 PCR 챔버가 채용된 PCR 랩온어칩의 일례를 나타내는 사시도이다.6 is a perspective view showing an example of a PCR lab-on-a-chip employing a PCR chamber according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, PCR 랩온어칩(50)은 본 발명의 PCR 챔버(20)가 형성되어 있는 PCR 칩(30)을 이용해 SNP(single nucleotide polymorphism)를 분석할 수 있다. PCR 랩온어칩(50)은, 복수개의 PCR 챔버(20)와 이것들에 연결된 유로를 담고 있는 카트리지 형태의 PCR 챔버 어레이/PCR 칩(30), 히터 패턴 또는 열선이 내장된 필름 히터(40), 전기를 공급하며 전원부(미도시)와 PCR 챔버(20)의 온도를 제어하는 제어부(54)가 갖추어진 모체부(52), 그리고 형광을 확인할 수 있는 LED(62) 및 PD(photodiode, 64)로 이루어진 감지시스템(60)을 포함한다.Referring to FIG. 6, the PCR lab-on-a-chip 50 may analyze single nucleotide polymorphism (SNP) using the PCR chip 30 in which the PCR chamber 20 of the present invention is formed. The PCR lab-on-a-chip 50 includes a PCR chamber array / PCR chip 30 in the form of a cartridge containing a plurality of PCR chambers 20 and flow paths connected thereto, a film heater 40 incorporating a heater pattern or a heating wire, The mother unit 52 is provided with a control unit 54 for supplying electricity and controlling the temperature of the power supply unit (not shown) and the PCR chamber 20, and the LED 62 and PD (photodiode 64) capable of confirming fluorescence. It comprises a detection system consisting of 60.

PCR 칩(30)과 필름 히터(40)는 손쉽게 교체 사용하기 위하여 카트리지 형태로 탑재되어 있다. PCR 챔버(20) 내부나 하부측 또는 필름 히터(40) 상부측에는 PCR 챔버(20)의 온도 또는 PCR 챔버(20) 내에 주입되는 반응액의 온도를 검출하는 온도검출부(도 5의 48 참조)가 설치되어 있다. 그리고, 제어부(54)는 온도검출부의 온도에 따라 각 PCR 챔버(20)의 온도를 각 반응 단계에 맞추어 제어한다. 이러한 PCR 랩온어칩(50)의 동작을 아래에서 간략히 설명한다.PCR chip 30 and the film heater 40 is mounted in the form of a cartridge for easy replacement. Inside or below the PCR chamber 20 or above the film heater 40, a temperature detector (see 48 of FIG. 5) for detecting the temperature of the PCR chamber 20 or the temperature of the reaction solution injected into the PCR chamber 20 is provided. It is installed. Then, the control unit 54 controls the temperature of each PCR chamber 20 in accordance with each reaction step in accordance with the temperature of the temperature detector. The operation of the PCR lab-on-a-chip 50 will be briefly described below.

실리콘 혹은 플라스틱 위에 샘플주입구, 유로 및 복수의 챔버를 만들어 PCR 칩 카트리지를 준비하고, 샘플주입구를 통해 PCR 주형(template)과 버퍼(buffer)가 혼합된 혼합액을 투입하면 각 PCR 챔버(20)에 혼합액이 진입되고, 그곳에 동결건조 상태로 부착되어 있는 프라이머 세트(primer set), taq(thermus auaticus)와 같은 DNA 중합효소(polymerase), 소금(salt)과 섞이게 된다. PCR이 진행되면서 열이 가해지면, 위의 PCR 요소들이 녹게되고 증폭반응이 시작된다.Prepare a PCR chip cartridge by making a sample inlet, a flow path, and a plurality of chambers on silicon or plastic, and injecting a mixed solution in which a PCR template and a buffer are mixed through the sample inlet, and then mixing solution into each PCR chamber 20. It enters and mixes with a primer set, a DNA polymerase such as taq (thermus auaticus), and salt, which are attached to it in a lyophilized state. As the PCR progresses and heat is applied, the above PCR elements are dissolved and the amplification reaction begins.

본 실시예에서는 PCR 랩온어칩(50)의 여러 용도 가운데 개인 단일염기이상(single nucleotide polymorphism, SNP)을 분석하는 경우를 설명한다. 이를 좀 더 자세히 기술하면, SNP 분석은 allele specific PCR 방법을 이용한다. 그 PCR 방법은, 샘플 게놈내의 특정 SNP와 서열상 상보적인 allelic primer를 이용했을 경우만 PCR 증폭물이 생성되는 것을 이용하는 것으로, 서로 다른 챔버에 각각의 allelic primer를 투입하고 동시에 PCR을 하면 두 챔버 가운데 한 챔버에서만 증폭물이 생성되거나(homozygote인 경우), 두 챔버 모두에서 증폭물이 생성된다(heterozygote인 경우)는 것을 이용하는 것이다. 증폭물의 생성여부는 염료, 예컨대, sybr green I, picogreen dye 등을 사용해서 형광확인법으로 감지하면 된다.In this embodiment, the case of analyzing individual single nucleotide polymorphism (SNP) among the various uses of the PCR lab-on-a-chip 50 will be described. In more detail, SNP analysis uses the allele specific PCR method. The PCR method uses a PCR amplification product generated only when a specific SNP in the sample genome is complementary to a sequence of allelic primers. If each allelic primer is put in different chambers and PCR is carried out simultaneously, Amplification is produced in only one chamber (if homoygote), or amplification is produced in both chambers (if heterozygote). Whether amplification is generated can be detected by fluorescence identification using a dye such as sybr green I or picogreen dye.

각 PCR 챔버(20) 내에서 중합효소 연쇄반응이 완료되면, PCR 랩온어칩(50)의 감지시스템(60)은 카트리지 상부를 이동하면서 PCR 챔버(20) 내부에서 발광하는 형광량을 측정한다. LED(62)는 챔버(20) 내의 형광 염료(dye)를 여기시키고, PD(64)는 발산되어 나오는 형광을 측정하고, 측정된 형광량을 전류값 크기로 변환해 준다. When the polymerase chain reaction is completed in each PCR chamber 20, the detection system 60 of the PCR lab-on-a-chip 50 measures the amount of fluorescence emitted inside the PCR chamber 20 while moving the upper cartridge. The LED 62 excites a fluorescent dye in the chamber 20, the PD 64 measures the emitted fluorescence, and converts the measured amount of fluorescence into a current value.

이들 염료는 챔버 내 이중나선 DNA의 소홈(minor groove) 구조에 주로 붙는 것으로 알려져 있으며 용액내 자유로운 상태에서는 빛이 거의 나오지 않지만 이중나선DNA에 붙어있을 경우에만 주로 빛을 발하기 때문에 발광되어 나오는 빛의 형광량과 PCR 증폭된 이중나선DNA의 량은 비례한다고 볼 수 있다.These dyes are known to adhere mainly to the minor groove structure of the double-stranded DNA in the chamber. In the free state of the solution, almost no light is emitted. However, these dyes emit light only when they are attached to the double-stranded DNA. The amount of fluorescence and the amount of PCR amplified double helix DNA can be seen to be proportional.

한편, 상술한 PCR 랩온어칩에서 PCR액을 수동 제어(Passive control)하기는 쉽지 않게 될 수 있다. 다시 말해 PCR액을 챔버로 이송하는 것, 증폭반응 후 산물들을 감지부로 보내는 과정이 챔버내 생성된 3차원 구조물에 의해 장애를 받을 수 있다. 하지만, 감지 방법에 상술한 형광감지 형태를 적용할 경우 유체흐름 조절문제에 의한 장애는 회피될 수 있다.On the other hand, manual control of the PCR solution (Passive control) in the above-described PCR lab-on-a-chip may not be easy. In other words, the transfer of the PCR solution to the chamber, the process of sending the product to the sensing unit after the amplification reaction may be hindered by the three-dimensional structure generated in the chamber. However, when the above-described fluorescence sensing form is applied to the sensing method, the obstacle due to the fluid flow control problem can be avoided.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 PCR 챔버가 채용된 PCR 랩온어칩의 다른 예를 나타내는 사시도이다.7 is a perspective view showing another example of a PCR lab-on-a-chip employing a PCR chamber according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, PCR 랩온어칩(50a)은 감지시스템(60a)에서 측량된 전류값의 크기를 비교해서 SNP를 진단해 낼 수 있다. 본 실시예에 따른 PCR 랩온어칩(50a)는 도 6을 참조하여 앞서 설명한 실시예의 PCr 랩온어칩(50)과 비교할 때, 챔 버(20) 내의 염료를 흥분시키는 역할을 LED(62a, 62b)가 담당하는 것은 동일하지만 발광하는 형광을 감지하는 방식이 CCD(64a)를 이용한 이미지캡춰 방식이라는 면에서 차이가 있다. 그리고 두 실시예에서 그 외의 다른 구성은 실질적으로 동일한다.Referring to FIG. 7, the PCR lab-on-a-chip 50a may diagnose the SNP by comparing the magnitude of the current value measured by the sensing system 60a. The PCR lab-on-a-chip 50a according to the present embodiment, compared with the PCr lab-on-a-chip 50 of the embodiment described above with reference to FIG. 6, has a role of exciting the dye in the chamber 20. ) Is the same, but the method of detecting the fluorescence emitting light is different in that the image capture method using the CCD (64a). And the other configurations in the two embodiments are substantially the same.

한편, 감지시스템은 DNA증폭부에서 증폭된 타겟 DNA를 이용해서 원하는 진단 결과를 얻어내는 부분으로서 다양한 방법들이 응용되고 있다. 이미 센서분야의 연구가 진척되어 있는 바 이 부문에는 다양한 방법들이 이용되고 있다. 예를 들면, 감지부에 미리 부착된 혼성화 프로브와의 혼성화량을 이용하는 방식, 증폭된 DNA량을 감지하는 방식, 형광을 이용하는 방법, 전기화학적 방법을 이용하는 방식, 그리고 이들 방법을 혼용하는 방법 등이 이용될 수 있다.On the other hand, various methods have been applied as a detection system to obtain a desired diagnosis result using target DNA amplified by the DNA amplification unit. Research is already underway in the field of sensors, and a variety of methods are used in this area. For example, a method of using a hybridization amount with a hybridization probe previously attached to a detector, a method of detecting amplified DNA amount, a method of using fluorescence, a method of using an electrochemical method, and a method of using these methods, etc. Can be used.

한편, 랩온어칩에서 샘플전처리부는 혈액으로부터 PCR 반응에 있어서 주형으로 사용되는 게놈 DNA를 정제하는 기능을 담당하는 부분이다. 이 샘플전처리부는 다른 부위에 비해 연구가 더딘 부위이다. 현재 개발되어 있는 게놈 정제 방법을 랩온어칩과 같은 소형칩상에서 구현하기가 쉽지 않기 때문이다. 일례로, 실리콘이나 유리소재를 이용해서 혈액 속의 혈구들 가운데 백혈구만이 걸리도록 디자인된 둑(bank) 형태의 구조물을 생성하고, 모여진 백혈구를 PCR부에서 직접 열을 이용하여 게놈이 토출되도록 하는 PCR 방법이 논문으로 발표된 바 있고, 랩온어칩에서는 아니지만 DNA 유전자검사(genotyping)를 목적으로 하는 분석 장치의 선두부에 게놈 포집장치를 복잡하게 설치하여 제조한 장비가 알려져 있다. 하지만, 아직까지 샘플전처리부의 여러 가지 난관을 극복한 랩온어칩은 발표된 바 없다. 따라서, 본 발명의 PCR 랩온어칩은 기본적으로 샘플전처리부가 분리되어 있는 구조를 기본 구조로 한다. 하지만, 본 발명의 PCR 랩온어칩은 적절한 PCR 랩온어칩용 샘플전처리부가 있는 경우, 본 발명의 특징을 가진 DNA 증폭부와 샘플전처리부가 용이하게 조합될 수 있다는 것은 당업자에게 명백하다.On the other hand, in the lab-on-a-chip, the sample pretreatment part is responsible for purifying genomic DNA used as a template in the PCR reaction from blood. This sample pretreatment site is slower to study than other sites. This is because the currently developed genome purification method is not easy to implement on small chips such as lab-on-a-chip. For example, using a silicon or glass material to create a bank-like structure designed to take only white blood cells among the blood cells in the blood, and PCR to allow the genome to be discharged using the heat directly from the PCR unit The method has been published in the paper, and a device manufactured by incorporating a genome collecting device at the head of an analytical device for DNA genotyping, but not in a lab-on-a-chip, is known. However, no lab-on-a-chip chips have yet been announced that overcome various difficulties in the sample preprocessing unit. Therefore, the PCR lab-on-a-chip of the present invention basically has a structure in which the sample pretreatment unit is separated. However, it is apparent to those skilled in the art that the PCR lab-on-a-chip of the present invention can be easily combined with the DNA amplification unit and the sample pre-treatment unit having the features of the present invention when there is a suitable sample pre-treatment unit for the PCR lab-on-a-chip.

전술한 본 발명에 따른 PCR 랩온어칩에서 3차원 구조물이 형성된 증폭챔버를 이용한 반응액으로의 효과적인 열전달방법에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하다.Although a preferred embodiment of the effective heat transfer method to the reaction solution using the amplification chamber in which the three-dimensional structure is formed in the PCR lab-on-a-chip according to the present invention described above, the present invention is not limited thereto, and the detailed description of the invention and Various modifications can be made within the scope of the accompanying drawings.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 내부에 3차원 구조물이 형성된 반응 챔버를 이용함으로써 효과적인 열전달이 이루어지도록 하여 PCR 증폭 향상 효과와 PCR 시간 감소의 효과를 얻을 수 있고, 대량 생산에 적합하고 우수한 성능을 가진 SNP 분석용 PCR 랩온어칩을 제공할 수 있다.As described above, according to the present invention, by using a reaction chamber having a three-dimensional structure formed therein, effective heat transfer can be achieved, so that PCR amplification improvement effect and PCR time reduction effect can be obtained, and are suitable for mass production. A PCR lab-on-a-chip for SNP analysis with high performance can be provided.

Claims (14)

기판에 일정 깊이를 갖고 배치된 트랜치; 및A trench disposed on the substrate with a predetermined depth; And 상기 트랜치 내부에 돌출되는 3차원 구조물을 포함하되,Including a three-dimensional structure protruding inside the trench, 상기 3차원 구조물은 상기 트랜치에 투입되는 반응액과 상기 트랜치 내부면과의 접촉 면적을 넓히는 것을 특징으로 하는 중합효소 연쇄반응 챔버.The three-dimensional structure is a polymerase chain reaction chamber, characterized in that for expanding the contact area between the reaction liquid and the inner surface of the trench. 제1항에 있어서, 상기 3차원 구조물은 상기 트랜치의 바닥면에 기둥 모양으로 돌출된 복수개의 구조물을 포함하는 중합효소 연쇄반응 챔버.The polymerase chain reaction chamber of claim 1, wherein the three-dimensional structure includes a plurality of structures protruding in a columnar shape on the bottom surface of the trench. 제1항에 있어서, 상기 트랜치의 하부측에 접합되며, 상기 트랜치에 열을 가하는 히터를 추가적으로 포함하는 중합효소 연쇄반응 챔버.The polymerase chain reaction chamber of claim 1, further comprising a heater bonded to a lower side of the trench and configured to apply heat to the trench. 기판에 일정 깊이를 갖고 트랜치 형태로 배치되며, 그 내부에 3차원 구조물이 돌출된 적어도 하나의 챔버; 및At least one chamber having a predetermined depth on the substrate and disposed in a trench shape and protruding a three-dimensional structure therein; And 상기 챔버의 하부측에 접합되며, 상기 챔버에 열을 가하는 히터를 포함하되,Bonded to the lower side of the chamber, including a heater for applying heat to the chamber, 상기 3차원 구조물은 상기 챔버에 투입되는 반응액과 상기 챔버 내부면과의 접촉 면적을 넓히는 것을 특징으로 하는 중합효소 연쇄반응 랩온어칩.The three-dimensional structure is a polymerase chain reaction wrap-on chip, characterized in that for extending the contact area between the reaction liquid and the inner surface of the chamber. 제4항에 있어서, 상기 3차원 구조물은 상기 챔버의 바닥면에 기둥 모양으로 돌출된 복수개의 구조물을 포함하는 중합효소 연쇄반응 랩온어칩.The polymerase chain reaction wrap-on chip of claim 4, wherein the three-dimensional structure comprises a plurality of structures protruding in a columnar shape on the bottom surface of the chamber. 제5항에 있어서, 상기 챔버 및 상기 3차원 구조물은 일체형 구조로 실리콘, 유리 및 플라스틱 소재 중 적어도 어느 하나로 이루어지는 중합효소 연쇄반응 랩온어칩.The polymerase chain reaction lab-on-a-chip of claim 5, wherein the chamber and the three-dimensional structure are formed of at least one of silicon, glass, and plastic as an integrated structure. 제4항에 있어서, 상기 히터는 금속을 소재로 한 열선, 및 상기 열선의 열을 상기 챔버에 균일하게 전달하는 열분배 패턴이 절연성 필름 사이에 각각 삽입된 필름 히터로 이루어지는 중합효소 앤쇄반응 랩온어칩.The polymerase entrapment reaction wrap-on according to claim 4, wherein the heater comprises a metal wire and a film heater in which a heat distribution pattern for uniformly transferring heat of the hot wire to the chamber is inserted between the insulating films. chip. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판에는 상기 반응액의 주입을 위한 샘플주입구, 및 상기 샘플주입구와 상기 챔버 복수개를 연결하는 유로가 추가적으로 구비되는 중합효소 연쇄반응 랩온어칩.The polymerase chain reaction lab-on-a-chip according to any one of claims 4 to 7, wherein the substrate further comprises a sample inlet for injecting the reaction solution, and a passage connecting the plurality of chambers with the sample inlet. . 제8항에 있어서, 상기 챔버에서 증폭된 산물을 받아 분석하는 감지부를 추가적으로 포함하는 중합효소 연쇄반응 랩온어칩.The polymerase chain reaction lab-on-a-chip of claim 8, further comprising a detector configured to receive and analyze the amplified product in the chamber. 제9항에 있어서, 상기 감지부는 상기 반응액에 혼합된 염료의 형광을 감지하는 형광감지부를 포함하는 중합효소 연쇄반응 랩온어칩.The polymerase chain reaction lab-on-a-chip of claim 9, wherein the sensing unit comprises a fluorescence sensing unit for sensing the fluorescence of the dye mixed in the reaction solution. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 챔버 또는 상기 챔버 내의 상기 반응액의 온도를 검출하는 온도검출부를 추가적으로 포함하는 중합효소 연쇄반응 랩온어칩.The polymerase chain reaction lab-on-a-chip according to any one of claims 4 to 7, further comprising a temperature detector for detecting a temperature of the reaction liquid in the chamber or the chamber. 제11항에 있어서, 상기 온도검출부에서 측정된 온도에 따라 상기 히터를 제어하는 제어부를 추가적으로 포함하는 중합효소 연쇄반응 랩온어칩.The polymerase chain reaction lab-on-a-chip of claim 11, further comprising a controller for controlling the heater according to the temperature measured by the temperature detector. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응액은 중합효소 연쇄반응 주형과 버퍼가 혼합된 혼합액인 중합효소 연쇄반응 랩온어칩.The polymerase chain reaction lab-on-a-chip according to any one of claims 4 to 7, wherein the reaction solution is a mixed solution in which a polymerase chain reaction template and a buffer are mixed. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중합효소 연쇄반응의 주형으로 사용할 DNA를 정제하는 샘플전처리부를 추가적으로 포함하는 중합효소 연쇄반응 랩온어칩.The polymerase chain reaction lab-on-a-chip according to any one of claims 4 to 7, further comprising a sample pretreatment unit for purifying DNA to be used as a template of the polymerase chain reaction.
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