KR100900956B1 - Apparatus for PCR using a disposable polymer chip and natural convection and method the same - Google Patents

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KR100900956B1 KR1020070053800A KR20070053800A KR100900956B1 KR 100900956 B1 KR100900956 B1 KR 100900956B1 KR 1020070053800 A KR1020070053800 A KR 1020070053800A KR 20070053800 A KR20070053800 A KR 20070053800A KR 100900956 B1 KR100900956 B1 KR 100900956B1
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정광효
이대식
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박선희
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한국전자통신연구원
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
    • C12M1/36—Apparatus for enzymology or microbiology including condition or time responsive control, e.g. automatically controlled fermentors
    • C12M1/38—Temperature-responsive control

Abstract

본 발명은 복수의 채널이 연결된 루프형 마이크로 채널이 형성되고, 채널 내부로 시료가 충진되는 폴리머 칩; 상기 폴리머 칩의 루프형 마이크로 채널과 접촉되어 열을 전달하는 복수개의 가열금속부; 상기 복수개의 가열금속부에 연결되고, 상기 복수개의 가열금속부를 각각 다른 일정한 온도로 유지시키는 온도제어기; 상기 복수개의 가열금속부 및 온도제어기에 연결되고, 온도제어기에 의해 가열금속부에 열을 공급하는 가열기; 및 상기 복수개의 가열금속부 및 온도제어기에 연결되는 온도센서를 포함하는 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 장치를 제공한다.The present invention relates to a polymer chip in which loop-type microchannels to which a plurality of channels are connected are formed and a sample is filled in a channel; A plurality of heating metal parts for contacting the loop type microchannel of the polymer chip to transfer heat; A temperature controller connected to the plurality of heating metal parts and maintaining the plurality of heating metal parts at different constant temperatures; A heater connected to the plurality of heating metal parts and the temperature controller and supplying heat to the heating metal part by a temperature controller; And a temperature sensor connected to the plurality of heated metal parts and the temperature controller. The present invention also provides a natural convection PCR apparatus using the disposable polymer chip.

따라서, 본 발명은 루프형 채널에서 자연대류에 의한 유동이 발생되어 시료가 주기적인 온도변화를 제공받고, 외부적인 유동제어가 없고 간편한 온도제어에의해 휴대용 PCR 장치로 활용이 가능하고, 루프형 마이크로 채널에 시료를 공기층 없이 모세관 유동만으로 완전하게 충전되어 시료가 원활하게 이동가능한 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 장치 및 그 방법을 제공하는 효과를 갖는다. Therefore, the present invention can provide a portable PCR device by providing a periodic temperature change of a sample due to natural convection flow in a loop-type channel, without external flow control, and by a simple temperature control, There is provided an effect of providing a natural convection PCR apparatus and a method using the disposable polymer chip in which a sample is completely filled only with a capillary flow without an air layer and a sample can move smoothly.

자연대류, PCR, 폴리머 칩, 가열부 Natural Convection, PCR, Polymer Chip, Heating

Description

일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 ＰＣＲ 장치 및 그 방법{Apparatus for PCR using a disposable polymer chip and natural convection and method the same}[0001] The present invention relates to a natural convection PCR apparatus using a disposable polymer chip,

도1은 본 발명에 따른 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 장치에 대한 개략적인 구성도.1 is a schematic diagram of a natural convection PCR apparatus using a disposable polymer chip according to the present invention.

도2는 도1에 나타낸 A-A'에 대한 단면도.2 is a sectional view taken along the line A-A 'shown in Fig.

도3은 본 발명에 따른 일회용 폴리머 칩 및 채널의 형상을 개략적으로 나타낸 평면도.3 is a plan view schematically illustrating the shape of a disposable polymer chip and a channel according to the present invention.

도4는 본 발명에 따른 일회용 폴리머 칩의 채널을 형성하기 위한 기판접착공정의 개략적인 설명도.4 is a schematic illustration of a substrate adhering process for forming a channel of a disposable polymer chip according to the present invention.

도5는 본 발명에 따른 일회용 폴리머 칩의 채널에 시료가 이동되는 과정을 개략적으로 나타낸 설명도.FIG. 5 is an explanatory view schematically showing a process of moving a sample to a channel of a disposable polymer chip according to the present invention. FIG.

도6은 본 발명에 따른 일회용 폴리머 칩의 모세관 정지 밸브에 대한 개념도.6 is a conceptual view of a capillary stop valve of a disposable polymer chip according to the present invention.

도7은 본 발명에 따른 일회용 폴리머 칩의 자연대류에 의한 채널 속 시료 흐름에 대한 전산모사 결과도.7 is a computer simulation result of a sample flow in a channel due to natural convection of the disposable polymer chip according to the present invention.

도8은 본 발명에 따른 일회용 폴리머 칩의 방향에 따른 PCR 시간의 변화에 대한 설명도.FIG. 8 is an explanatory diagram of a change in PCR time according to the orientation of the disposable polymer chip according to the present invention. FIG.

도9는 본 발명에 따른 일회용 폴리머 칩의 시료의 증발을 막는 기밀판이 부착된 개략적인 평면도.9 is a schematic plan view with a gas tight plate to prevent evaporation of a sample of a disposable polymer chip according to the present invention.

도10은 본 발명에 따른 일회용 폴리머 칩의 입구 전단에 PCR을 위한 시료전처리부가 포함된 개략적인 평면도.10 is a schematic plan view showing a sample pretreatment section for PCR at the inlet end of the disposable polymer chip according to the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명DESCRIPTION OF REFERENCE NUMERALS

100: 폴리머 칩 105: 폴리머 칩 유로기판100: polymer chip 105: polymer chip flow substrate

110: 폴리머 칩 덮개판 111: 구멍110: polymer chip cover plate 111: hole

200: 폴리머 칩의 채널 210: 해리 채널200: channel 210 of polymer chip: dissociation channel

220: 확장 채널 230: 어닐링 채널220: Extension channel 230: Annealing channel

241: 해리-어닐링 연결채널 242: 확장-해리 연결채널241: dissociation-annealing connection channel 242: extended-dissociation connection channel

243: 어닐링-확장 연결채널 244: 단열구멍 243: Annealing-extended connection channel 244: Insulation hole

250: 모세관 정지밸브 260: 입구250: capillary stop valve 260: inlet

270: 출구 280: 출구 연결채널270: outlet 280: outlet connecting channel

290: 입구 연결채널 300: 가열금속부290: inlet connection channel 300: heating metal part

310: 가열금속 블록 320: 가열금속 핀310: heating metal block 320: heating metal pin

330: 가열금속 접촉부 400: 온도센서 330: heating metal contact 400: temperature sensor

410: 가열기 도선 420: 가열기 410: heater wire 420: heater

500: 온도제어기 600: 기밀판500: Temperature controller 600: Airtight plate

700: 전처리부700:

본 발명은 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 폴리머 칩 상에 루프형 채널을 형성하고, 각 채널에 각기 다른 일정한 온도로 유지된 가열금속부를 접촉시킴으로써, 루프형 채널에서 자연 대류에 의한 유동이 발생되도록 시료에 주기적인 온도변화가 주어지도록 하는, 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a natural convection PCR apparatus using a disposable polymer chip and a method thereof. More particularly, the present invention relates to a method for forming a looped channel on a polymer chip and contacting each channel with a heated metal portion maintained at a different temperature to provide a cyclic temperature To a natural convection PCR apparatus using the disposable polymer chip and a method thereof.

일반적으로, 생화학적 분석을 위한 바이오칩, 바이오센서, 화학 센서 등에서는 시료에 일정한 온도변화를 가하여 소정의 반응이 이루어지는 것을 요구되며, 이를 위한 다양한 가열방식이 제안되고 있다. 그리고 일정한 온도 변화를 가하여 반응이 이루어지는 소자의 대표적인 예로서, DNA 템플레이트에 효소를 첨가하고 일정한 온도 사이클링을 가하여 DNA를 증폭하는 DNA 증폭소자가 있다. In general, biochips, biosensors, and chemical sensors for biochemical analysis require that a predetermined reaction be performed by applying a constant temperature change to a sample. Various heating methods have been proposed for this purpose. As a representative example of a device that reacts by applying a constant temperature change, there is a DNA amplification device that amplifies DNA by adding an enzyme to a DNA template and applying a constant temperature cycling.

보다 구체적으로, 상기 온도 사이클링은 두가지 혹은 세가지의 각기 다른 온도로 변화시키는 것이다. 즉, DNA이중나선을 분리시키는 해리(denaturation), DNA 템플레이트가 상보적인 쌍을 찾아가도록 조절하는 어닐링(annealing), DNA가 성장하는 확장(extension)을 위하여 각기 다른 온도로 변화시킨다. 이러한 온도변화에 의해서 DNA를 증폭하는 것이 PCR(Polymerase Chain Reaction)이다. More specifically, the temperature cycling is to change the temperature to two or three different temperatures. That is, denaturation to separate the DNA double helix, annealing to arrange for the DNA template to find a complementary pair, and temperature extension for DNA growth. PCR (Polymerase Chain Reaction) is the amplification of DNA by this temperature change.

상기 PCR 온도변화를 제공하기 위한 가열방식은 크게 두가지로 구분된다. 하나는 챔버에 충전되어 정지된 시료에 외부적으로 온도변화를 가하여 시료의 온도를 변화시키는 방법이고, 다른 하나는 시료를 원하는 온도조건을 가진 환경으로 이송시켜서 시료에 온도변화를 주는 방법이다. 여기서 정지된 시료에 외부 온도 환경을 변화시키는 방식의 경우, 시료가 정지되어 있으므로 추가적인 유체제어 동작이 필요없는 장점이 있다. 그러나 외부 온도 환경을 변화시키기 위하여 외부환경이 열용량이 큰 경우에 많은 시간이 소요되고 온도변화를 위한 제어동작이 추가로 요구되어 복잡해지는 문제점을 지니고 있다. The heating method for providing the PCR temperature change is roughly classified into two types. One is a method of changing the temperature of a sample by applying a temperature change externally to a sample which is charged in the chamber and the other is a method of transferring the temperature to a sample by transferring the sample to an environment having a desired temperature condition. Here, in the case of changing the external temperature environment to the stopped sample, there is an advantage that the additional fluid control operation is not necessary since the sample is stopped. However, in order to change the external temperature environment, it takes a lot of time when the external environment has a large heat capacity, and the control operation for temperature change is additionally required, which is complicated.

한편, 시료를 이송시켜서 온도 변화를 가하는 방식의 경우, 외부의 온도환경이 일정하게 유지되기 때문에 빠르고 정확하게 시료에 온도변화를 줄 수 있다는 장점이 있으나, 시료를 이송하기 위한 유체제어 동작이 필요한 문제점을 지니고 있다. On the other hand, in the case of the method of applying the temperature change by transferring the sample, since the external temperature environment is kept constant, there is an advantage that the temperature can be changed quickly and accurately, but the problem of requiring the fluid control operation for transferring the sample .

따라서, 상기의 두가지 방식에서 단점을 극복하기 위해 제안하고자 하는 방법으로서, 시료에 주기적으로 온도변화를 가하는 방법은 자연대류를 활용하여 추가적인 외부의 유체제어 동작이 필요없이 일정하게 유지된 온도구간을 통과시킴으로써 빠르고 정확하게 시료에 온도변화를 주는 것이다. Therefore, as a method to overcome the disadvantages of the above-mentioned two methods, a method of periodically applying a temperature change to a sample is a method of using a natural convection to pass a constant temperature range without needing an additional external fluid control operation To quickly and accurately change the temperature of the sample.

상기 자연대류는 중력장하에 놓인 유체가 열에 의해 발생되는 유체의 밀도 변화에 따른 부력발생으로부터 유래되는 유동현상이다. 상대적으로 차갑고 뜨거운 외부 환경에 유체가 놓인 경우, 각각 하강 및 상승 유동이 발생된다. PCR의 경우 증폭대상인 DNA시료의 종류에 따라 차이가 있으나, 주로 해리(denaturation)는 90~97℃, 어닐링(annealing)은 50-65℃, 확장(extension)은 68-74℃로 주어져야 한다. 따라서, 상기의 온도차이를 이용하면 자연대류 유동을 발생시킬 수 있고, 이에따른 유동은 중력장이 존재하는 곳에서 자연적으로 발생되므로 외부로부터 시료를 이송시키기 위한 유체제어 동작을 생략시킬 수 있는 장점이 있다. The natural convection is a flow phenomenon resulting from the generation of buoyancy due to the density change of the fluid generated by the heat generated by the fluid placed under the gravity field. When the fluid is placed in a relatively cool and hot external environment, downward and upward flows occur, respectively. In PCR, the denaturation is 90-97 ° C, annealing is 50-65 ° C, and extension is 68-74 ° C, depending on the type of DNA sample to be amplified. Therefore, the natural convection flow can be generated by using the temperature difference, and the flow is naturally generated in the presence of the gravitational field, so that the fluid control operation for transferring the sample from the outside can be omitted .

이와같은 자연대류를 이용한 PCR의 방법과 장치에 대하여 공지되어 있으며, 이하 공지된 발명에 따른 자연대류를 이용한 PCR의 방법과 장치에 대하여 기술한다. Methods and apparatus for PCR using natural convection are known, and methods and apparatus for PCR using natural convection according to the known methods will be described below.

자연대류를 활용한 PCR의 예로는, US 제6586233호“Convectively driven PCR thermal-cycling”, US 제2004/0152122호 “Method and apparatus for amplification of nucleic acid sequences by using thermal convection", 및 공개특허 제2006-0025027호“마랑고니 대류를 이용한 PCR장치 및 이를 이용한 PCR방법"등이 있다. 그리고, 상기“Convectively driven PCR thermal-cycling”에는 트랜치를 설치하여 분리된 두가지 온도로 가열된 가열블록 속에 파우치 형태의 시료 저장소를 삽입하여 누름으로써 발생되는 대류를 이용하여 PCR 온도 사이클링을 이루는 방법이 제시되어 있고, 가열 블록에 있는 홈에 파우치형 시료저장소가 삽입되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기“Method and apparatus for amplification of nucleic acid sequences by using thermal convection"에는 상대적으로 높은 온도 영역을 낮은 높이에 설치하고, 상대적으로 낮은 온도영역을 높은 높이에 위치에 설치하여 공간적으로 온도 분포를 가함으로써 시료속의 온도를 공간적으로 변화시켜 서 대류를 발생시킴으로써 PCR이 수행되도록 한 방법과 장치가 제시되어 있다. 그리고“마랑고니 대류를 이용한 PCR장치 및 이를 이용한 PCR방법”에는 챔버의 양 측벽을 일정한 온도로 유지시키고 시료의 계면에서 발생되는 마랑고니 표면장력 유동에 의해 대류 현상을 이용한 PCR 장치 및 방법을 제시되어 있다. Examples of PCR using natural convection include, but are not limited to, US 6586233 "Convectively driven PCR thermal-cycling", US 2004/0152122 "Method and apparatus for amplification of nucleic acid sequences using thermal convection" -0025027 " PCR apparatus using Marangoni convection and PCR method using the same ". In the above-mentioned " Convectively driven PCR thermal-cycling ", a method of performing PCR temperature cycling using a convection generated by pressing a pouch-type sample reservoir in a heating block heated by two separate temperature trenches is presented And the pouch-shaped sample reservoir is inserted into the groove in the heating block. In the above-mentioned " Method and apparatus for amplifying nucleic acid sequences using thermal convection ", a relatively high temperature region is installed at a low height, a relatively low temperature region is installed at a high height, A method and an apparatus have been proposed in which PCR is carried out by spatially changing the temperature in a sample to generate convection, and "PCR apparatus using Marangoni convection and PCR method using the same" , And a PCR apparatus and a method using a convection phenomenon by the surface tension of margarine surface generated at the interface of the sample are proposed.

또한, “Thermosiphon-based PCR reactor: Experiment and modeling"를 제목으로 2004년에 Anal. Chem. vol. 76에 게재된 논문이 발표되었다. 그리고, 상기 논문에는 세 개의 알루미늄 가열블록의 온도를 각각 일정하게 유지하고, 그 중심으로 튜브로 루프를 형성하여 PCR을 이루어지도록 하는 방법이 제시되어 있다.In addition, a paper published in Anal. Chem., Vol. 76, entitled "Thermosiphon-based PCR reactor: Experiment and modeling," was published in the paper, And a loop is formed by a tube at the center thereof, thereby performing PCR.

그러나, 상기 공지된 특허문헌 및 논문에는 파우치형의 시료 저장소 또는 튜브를 이용하고 국부적인 공간적이고, 온도 변화를 가하여 자연대류가 발생하도록 하여 PCR이 수행되는 방법과 장치가 제시되어 있고, 상기 파우치형 또는 튜브를 이용하는 경우에는 시료를 투입하는데 불편하거나 재사용할 때 튜브 등을 교체해야 하며 다중제작이 힘든 문제점을 지니고 있다. 또한, 공간적 온도변화도 열간섭을 효율적으로 제거하기에는 어려운 구조이고, 시료 체적의 측면에 국부적 가열을 시도하여 시료가 각 온도 구간에서 원하는 온도로 변화되어 흐르지 않고 온도 간섭이 있을 수 있는 문제점을 지니고 있다. However, the above-mentioned known patent documents and papers disclose a method and an apparatus in which PCR is performed by using a pouch-type sample reservoir or tube and applying a local spatial temperature change to generate natural convection, In case of using a tube, it is inconvenient to inject the sample, or the tube must be replaced when reused, and it is difficult to produce multiple samples. In addition, the spatial temperature change is a structure that is difficult to efficiently remove heat interference, and there is a problem that the sample is heated to a desired temperature in each temperature range by attempting local heating on the side of the sample volume, .

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 폴리머 칩 상에 루프형 채널을 형성시키고, 각 채널에 각기 다른 일정한 온도로 유 지된 가열금속부를 접촉시켜, 루프형 채널에서 자연대류에 의한 유동이 발생되도록 하여 시료에 주기적인 온도변화를 제공하는 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a method of forming a loop type channel on a polymer chip and bringing the heated metal part, The present invention provides a natural convection PCR apparatus using the disposable polymer chip and a method thereof, in which a flow due to convection is generated so as to provide a periodic temperature change to the sample.

본 발명의 다른 목적은 폴리머 기판을 이용하여 저가의 다중 제작이 가능한 소자로 이용될 수 있으며, 외부적인 유동제어가 없고 간편한 온도제어만이 요구되어 휴대용 PCR 장치로 활용이 가능하고, 가열금속부의 열간섭을 방지하여 시료의 온도변화를 정확히 구현시키며, 루프형 마이크로 채널 속에 시료를 공기층 없이 모세관 유동만으로 완전하게 충전시켜 시료가 원활하게 이동가능하도록 하는 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다. Another object of the present invention is to provide a PCR device which can be used as an element which can be manufactured at low cost by using a polymer substrate and which can be used as a portable PCR device without external flow control and requiring only simple temperature control, A natural convection PCR apparatus using the disposable polymer chip and a method thereof, which precisely realizes the temperature change of the sample by preventing the interference, and the sample is completely filled with the capillary flow without the air layer in the loop type microchannel, .

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 복수의 채널이 연결된 루프형 마이크로 채널이 형성되고, 채널 내부로 시료가 충전되는 폴리머 칩; 상기 폴리머 칩의 루프형 마이크로 채널과 접촉되어 열을 전달하는 복수개의 가열금속부; 상기 복수개의 가열금속부에 연결되고, 상기 복수개의 가열금속부를 각각 다른 일정한 온도로 유지시키는 온도제어기; 상기 복수개의 가열금속부 및 온도제어기에 연결되고, 온도제어기에 의해 가열금속부에 열을 공급하는 가열기; 및 상기 복수개의 가열금속부 및 온도제어기에 연결되는 온도센서를 포함하는 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 장치를 제공한다. In order to accomplish the above object, the present invention provides a polymer chip in which a loop-type microchannel to which a plurality of channels are connected is formed and a sample is charged into a channel; A plurality of heating metal parts for contacting the loop type microchannel of the polymer chip to transfer heat; A temperature controller connected to the plurality of heating metal parts and maintaining the plurality of heating metal parts at different constant temperatures; A heater connected to the plurality of heating metal parts and the temperature controller and supplying heat to the heating metal part by a temperature controller; And a temperature sensor connected to the plurality of heated metal parts and the temperature controller. The present invention also provides a natural convection PCR apparatus using the disposable polymer chip.

상기 루프형 마이크로 채널은 시료가 유입되는 입구와, 복수의 채널과, 상기 채널을 연결하고 시료가 유동되는 연결채널과, 시료가 유출되는 출구를 포함한다.The loop-type microchannel includes an inlet through which the sample flows, a plurality of channels, a connection channel connecting the channels and flowing the sample, and an outlet through which the sample flows.

그리고, 상기 루프형 마이크로 채널은 채널내에 시료를 공기층 없이 충전시키는 모세관 정지 밸브를 더 포함한다.The loop type microchannel further includes a capillary stop valve for filling the sample in the channel without the air layer.

또한, 상기 복수개의 채널은 해리 채널, 어닐링 채널 및 확장채널을 포함한다.In addition, the plurality of channels include a dissociation channel, an annealing channel, and an extension channel.

상기 폴리머 칩은 사출성형 또는 핫엠보싱의 방법에 의하여 채널이 형성된 유로기판과 폴리머 필름이 접착되어 이루어진다. 상기 유로기판과 폴리머 필름의 접착은 라미네이션 방법 및 접착제 접합으로 이루어진다. 그리고, 상기 폴리머 칩은 채널의 표면이 생물, 화학 및 광학적 처리되어 가열유체속의 생물분자와 같은 성분이 채널 표면에 흡착되는 것이 방지한다.The polymer chip is formed by adhering a polymer film and a flow path substrate on which channels are formed by injection molding or hot embossing. The adhesion between the flow channel substrate and the polymer film is made by a lamination method and an adhesive bonding. In addition, the polymer chip prevents the surface of the channel from being biologically, chemically, and optically processed and adsorbing components such as biomolecules in the heating fluid to the channel surface.

상기 가열금속부는 가열기에 연결되고, 상기 가열기로부터 열전달되는 가열금속 블록; 상기 가열금속 블록으로부터 돌출되도록 연결되고, 가열금속 블록으로부터 열전달되는 가열금속핀; 일면은 상기 가열금속핀에 연결되고 타면은 상기 폴리머 칩의 채널에 접촉되는 가열금속 접촉부를 포함한다. The heated metal portion being connected to the heater and being heat-transferred from the heater; A heated metal pin connected to be protruded from the heated metal block and heat-transferred from the heated metal block; And one side of which is connected to the heated metal pin and the other side of which is in contact with the channel of the polymer chip.

또한, 상기 가열금속부는 가열금속 블록, 가열금속핀 및 가열금속 접촉부가 일체화되고, 폴리머 칩이 끼워질 수 있도록 슬롯형으로 형성된다. 그리고, 상기 가열금속 블록은 가열기, 온도제어기 및 온도센서에 의해 일정한 온도로 유지되고, 상기 루프형 마이크로 채널 내의 시료는 상기 가열금속 블록에 의해 일정한 온도로 가열되고, 상기 가열에 의해 자연대류가 발생되어 시료가 루프를 따라 유동되어 순차적으로 온도가 변화된다. Further, the heated metal part is formed in a slot shape so that the heated metal block, the heated metal pin, and the heated metal contact part are integrated and the polymer chip can be inserted. The heating metal block is maintained at a constant temperature by a heater, a temperature controller, and a temperature sensor. A sample in the loop-type microchannel is heated to a predetermined temperature by the heating metal block, So that the sample flows along the loop and the temperature changes sequentially.

상기 가열금속부는 서로 다른 온도로 유지되는 가열금속 블록 사이에 열적간섭이 최소화되도록 고정하기 위한 단열재를 더 포함하고, 상기 단열재 사이에 가열금속 블록이 고정 및 설치된다. The heating metal part further includes a heat insulating material for fixing the thermal metal block to minimize thermal interference between the heated metal blocks maintained at different temperatures, and a heating metal block is fixed and installed between the heat insulating materials.

상기 가열기는 필름 가열기, 세라믹 가열기, 봉 가열기 중에서 하나를 선택하여 이루어진다. The heater may be a film heater, a ceramic heater, or a rod heater.

상기 폴리머 칩은 중력장 방향에 대하여 소정각도로 장착되어 자연대류 PCR 시간이 조절된다. The polymer chip is mounted at an angle with respect to the direction of gravitational field so that the natural convection PCR time is adjusted.

본 발명에 따른 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 장치는 상기 폴리머 칩을 이용하여 실시간으로 PCR의 결과를 얻기 위한 형광 검출기를 더 구비한다. The natural convection PCR apparatus using the disposable polymer chip according to the present invention further comprises a fluorescence detector for obtaining a PCR result in real time using the polymer chip.

또한, 상기 폴리머 칩은 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), 불소화 에틸렌프로필렌(fluorinated ethylenepropylene, FEP), 퍼플로로알콕시알칸(perfluoralkoxyalkane, PFA) 중에서 하나 또는 그 이상의 조합으로 이루어진다.The polymer chip may be made of a polymer such as polymethylmethacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), cycloolefin copolymer (COC), polyamide (PA), polyethylene (PE) , Polypropylene (PP), polyphenylene ether (PPE), polystyrene (PS), polyoxymethylene (POM), polyetheretherketone (PEEK), polytetrafluoroethylene Polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylchloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVDF), polybutylene terephthalate (PBT), fluorinated ethylenepropylene (FEP) And perfluoroalkoxyalkane (PFA).

그리고, 본 발명은 상기 폴리머 칩, 가열금속부, 온도제어기, 가열기 및 온도센서를 포함하는 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 방법으로서, 가열기, 온도제어기 및 온도센서를 이용하여 가열금속부를 일정한 온도로 유지시키고, 상기 가열금속부를 통해 루프형 마이크로 채널 내의 시료를 일정한 온도로 가열하고, 상기 가열에 의해 자연대류를 발생시키고, 상기 자연대류에 의해 시료가 루프를 따라 유동되어 PCR을 위한 순차적인 온도변화를 가하는 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 방법을 제공한다. The present invention is a natural convection PCR method using a disposable polymer chip including the polymer chip, a heated metal part, a temperature controller, a heater, and a temperature sensor. The heated convection PCR method uses a heater, a temperature controller and a temperature sensor, And heating the sample in the looped microchannel to a predetermined temperature through the heating metal part to cause natural convection by the heating so that the sample flows along the loop by the natural convection so that a sequential temperature change A natural convection PCR method using a disposable polymer chip.

또한, 본 발명에 따른 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 장치는 폴리머 기판을 이용하여 저가의 다중 제작이 가능한 소자로 이용될 수 있으며, 외부의 유동제어장치 없이, 간편한 온도제어만이 요구되어 휴대용 PCR 장치로 활용이 가능하다. In addition, the natural convection PCR apparatus using the disposable polymer chip according to the present invention can be used as an inexpensive multi-productable device using a polymer substrate, requires no external flow control device, requires only simple temperature control, It can be used as a device.

그리고, 상기 폴리머 칩은 마이크로 채널형태로 제조됨에 따라 시료의 유동이 원활하고 간섭 또는 저항이 적으며, 루프형 마이크로 채널 속에 시료를 공기층 없이 모세관 유동만으로 완전하게 충전하는 방식으로 시료가 원할하게 유동될 수 있다. Since the polymer chip is manufactured in the form of a microchannel, the flow of the sample is smooth, the interference or resistance is small, and the sample is completely filled with the capillary flow without the air layer in the loop type microchannel. .

또한, 다중제작이 가능한 폴리머 기판에 루프형 마이크로 채널을 형성시키고, 가열금속부의 열간섭을 방지하여 시료의 온도변화를 정확히 구현시킨다. In addition, a loop type microchannel is formed on a polymer substrate capable of multi-fabrication, and thermal interference of the heated metal part is prevented, thereby realizing a temperature change of the sample accurately.

그리고, 본 발명에 따른 폴리머 기판의 루프형 마이크로 채널은 시료를 공기층 없이 모세관 유동만으로 완전하게 충전되어, 시료가 원활히 유동될 수 있다.In the loop type microchannel of the polymer substrate according to the present invention, the sample is completely filled with only the capillary flow without the air layer, and the sample can smoothly flow.

아울러, 본 발명에 따른 폴리머 칩은 2차원 폴리머 기판을 이용하여 평면상 에 형성될 수 있는 각종센서와 직접화가 용이하다. 또한, 가열 방식에 있어서 폴리머 칩을 루프형 마이크로 채널에만 국부적으로 양면접촉에 따라 가열시킴으로써 열적 간섭이 최소화되고, 매우 간단한 온도 제어기만이 요구되어, 작고 가볍게 제조될 수 있어서 휴대가 용이한 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 장치를 제공한다. In addition, the polymer chip according to the present invention is easy to be directly applied to various sensors that can be formed on a plane using a two-dimensional polymer substrate. In addition, in the heating method, the polymer chip is locally heated only in the loop-type microchannel according to the two-side contact so that thermal interference is minimized, only a very simple temperature controller is required, and a small and light- To provide a natural convection PCR apparatus.

이하, 본 발명에 따른 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 장치 및 그 방법의 바람직한 구체예에 대한 구성, 기능 및 효과에 대하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, the configuration, functions, and effects of the natural convection PCR apparatus using the disposable polymer chip according to the present invention and preferred embodiments of the method will be described in detail.

도1은 본 발명인 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 장치의 실시예를 설명하기 위한 도면이고, 도2는 도1에 나타낸 A-A'에 대한 단면도이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 자연대류 PCR 장치는 폴리머 칩(100), 가열금속부(300), 온도제어기(500), 가열기(420) 및 온도센서(400)를 포함하여 이루어진다. FIG. 1 is a view for explaining an embodiment of a natural convection PCR apparatus using the disposable polymer chip of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view taken along the line A-A 'shown in FIG. As shown in the figure, the natural convection PCR apparatus comprises a polymer chip 100, a heating metal part 300, a temperature controller 500, a heater 420, and a temperature sensor 400.

상기 폴리머 칩(100)은 복수의 채널이 연결된 루프형 마이크로 채널(200)(도3 및 도5에 나타냄)이 형성된 유로기판(105)과 폴리머 칩 덮개판(110)이 결합되어 이루어진다.The polymer chip 100 is formed by combining a flow channel substrate 105 and a polymer chip cover plate 110 on which a plurality of looped microchannels 200 (shown in FIGS. 3 and 5) are connected.

그리고, 상기 복수개의 가열금속부(300)는 상기 폴리머 칩의 루프형 마이크로 채널과 접촉되어 열전달하기 위한 것으로서, 가열금속 블록(310), 가열금속핀(320) 및 가열금속 접촉부(330)를 포함한다. 상기 복수개의 가열금속 블록(310)은 가열기(420)로부터 열을 제공받아 채널로 열전달하기 위한 것이고, 상기 가열금속핀(320)은 가열금속 블록(310)에 연결되고, 가열금속 블록(310)의 열이 채널에 쉽게 전달될 수 있도록 열전도도가 높은 금속으로 형성되는 것이 바람직하다. 또한 상기 가열금속 접촉부(330)는 가열금속핀에서 돌출되고, 폴리머 칩(100)의 복수개의 채널(210,220,230)의 양쪽 외면과 접촉되어 가열금속 블록(310)의 열을 폴리머 칩(100)의 채널에 전달한다.The plurality of heated metal parts 300 are for contacting and transferring heat to the looped microchannels of the polymer chip and include a heated metal block 310, a heated metal pin 320, and a heated metal contact 330 . The plurality of heating metal blocks 310 are for receiving heat from the heater 420 and transferring heat to the channels. The heating metal pins 320 are connected to the heating metal block 310, It is preferable to be formed of a metal having high thermal conductivity so that heat can be easily transmitted to the channel. The heated metal contact portion 330 protrudes from the heated metal pin and contacts both outer surfaces of the plurality of channels 210, 220 and 230 of the polymer chip 100 to heat the heated metal block 310 to the channel of the polymer chip 100 .

상술된 바와같이, 상기 가열금속부(300)를 형성하는 가열금속 블록(310), 가열금속핀(320), 및 가열금속 접촉부(330)는 일체화되어 폴리머 칩이 끼워질 수 있도록 슬롯형으로 형성되는 것이 바람직하다. As described above, the heating metal block 310, the heating metal pin 320, and the heating metal contacting part 330 forming the heating metal part 300 are integrally formed into a slot shape so that the polymer chip can be fitted .

또한, 상기 가열금속핀(320)은 가열금속 블록(310)으로부터 다수로 연결되어 다수의 슬롯을 형성함으로써 동시에 많은 폴리머 칩을 장착할 수 있다. 또한, 상기 가열금속 블록(310)은 다른 온도로 유지되는 금속가열 블록 사이에 열적 간섭이 최소화되며 고정되기 위하여 단열재를 사이에 두고 고정 및 설치되는 것이 바람직하다.In addition, the heated metal pins 320 may be connected to a plurality of the heating metal blocks 310 to form a plurality of slots, thereby mounting many polymer chips at the same time. In addition, it is preferable that the heating metal block 310 is fixed and installed with a heat insulating material interposed therebetween so that thermal interference between the metal heating blocks maintained at different temperatures is minimized and fixed.

그리고, 상기 폴리머 칩(100)의 채널과 각각 접촉되는 가열금속 접촉부(330)의 접촉면은 접촉부에 공기층이 형성되지 않고 긴밀히 접촉되어 열전달이 용이하도록 표면이 매끄럽게 가공되는 것이 바람직하다. The contact surface of the heating metal contact part 330, which is in contact with the channel of the polymer chip 100, is in contact with the contact part without forming an air layer, so that the surface is smoothly processed to facilitate heat transfer.

다음으로, 상기 온도제어기(500)는 가열기(420) 및 온도센서(400)를 통해 상기 복수개의 가열금속 블록(310)을 각각 다른 일정한 온도 즉, PCR을 위한 온도로 유지시키기 위한 것이다.The temperature controller 500 is for maintaining the plurality of heated metal blocks 310 at a constant temperature, that is, for PCR, through the heater 420 and the temperature sensor 400.

그리고, 상기 가열기(420)는 복수개의 가열금속 블록(310)을 가열시키기 위한 것으로서 복수개의 가열금속 블록에 각각 결합 또는 삽입장착되고, 가열기 도선(410)을 통해 상기 온도제어기(500)에 연결된다. 그리고 본 발명에 따른 상기 가 열기(420)는 필름 가열기, 세라믹 가열기, 봉 가열기 중의 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.The heater 420 is for heating a plurality of heating metal blocks 310 and is coupled to or inserted into a plurality of heating metal blocks and is connected to the temperature controller 500 through a heater wire 410 . Further, the heater 420 according to the present invention preferably comprises one of a film heater, a ceramic heater, and a rod heater.

상기 온도센서(400)는 가열금속 블록의 온도를 검출하기 위한 것으로 상기 복수개의 가열금속 블록(310) 및 온도제어기(500)에 연결된다. The temperature sensor 400 is for detecting the temperature of the heated metal block and is connected to the plurality of heated metal blocks 310 and the temperature controller 500.

상기한 바와 같이 이루어짐에 따라, 본 발명에 따른 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 장치는 도2에 나타낸 바와 같이, 상기 가열금속 블록(310), 가열금속핀(320), 및 가열금속 접촉부(330)로 이루어진 슬롯형 공간에 폴리머 칩(100)이 장착되며, 가열금속핀 사이는 공간적으로 분리되어 열적 간섭을 제거할 수 있다. 또한, 폴리머 칩과는 가열 금속 접촉부(330)만이 접촉됨에 따라 폴리머 칩(100) 상에서 서로 다른 온도 영역 간의 간섭이 최소화된다. 2, the natural convection PCR apparatus using the disposable polymer chip according to the present invention includes the heating metal block 310, the heating metal pin 320, and the heating metal contact 330, The polymer chip 100 is mounted in a slot-shaped space formed by the metal pins 100 and the heated metal pins are spatially separated from each other to remove thermal interference. In addition, since only the heated metal contacts 330 are in contact with the polymer chip, interference between different temperature zones on the polymer chip 100 is minimized.

도3은 본 발명에 따른 일회용 폴리머 칩 및 채널의 형상을 개략적으로 나타낸 평면도이다. 도면에 나타낸 바와 같이 상기 폴리머 칩의 채널(200)은 PCR을 위한 세 가지 온도영역을 위하여, 해리(denaturation)채널(210), 어닐링(annealing)채널(230) 및 확장(extension)채널(220)이 형성되고, 상기 채널들은 해리-어닐링 연결채널(241), 확장-해리 연결채널(242) 및 어닐링-확장 연결채널(243)에 의해 루프 형태로 연결된다. 또한, 시료의 유입 및 유출을 위하여 입구(260), 출구(270) 및 연결채널(280, 290)이 더 형성된다. 또한, 본 발명에 따른 폴리머 칩의 채널은 유입되는 시료가 시료를 공기층에 의한 막힘없이 루프 형태의 채널로 충전시키기 위한 모세관 정지밸브(250)가 채널 내에 설치된다. 또한 채널 간의 열적 간섭을 최소화하기 위하여 루프형 채널로 이루어진 폐곡형 단면의 중심부를 제거하여 형성되 는 단열구멍(244)가 형성된다. 3 is a plan view schematically showing the shapes of disposable polymer chips and channels according to the present invention. As shown in the figure, the polymer chip channel 200 includes a denaturation channel 210, an annealing channel 230, and an extension channel 220 for three temperature regions for PCR. And the channels are looped by a dissociation-annealing connection channel 241, an extension-dissociation connection channel 242 and an annealing-extension connection channel 243. Further, an inlet 260, an outlet 270, and connection channels 280 and 290 are further formed for the inflow and outflow of the sample. Also, the channel of the polymer chip according to the present invention is provided with a capillary stop valve 250 in the channel for charging the sample into the loop-shaped channel without clogging of the sample by the air layer. Also, in order to minimize thermal interference between channels, a heat insulating hole 244 is formed by removing the center portion of the closed curved cross section of the loop type channel.

도4는 본 발명에 따른 일회용 폴리머 칩의 채널을 형성하기 위한 기판접착공정의 개략적인 설명도이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 상기 채널은 사출 성형 및 핫엠보싱 등의 방법으로 유로기판(105)에 형성되고, 상기 유로기판에 입구(260)와 출구(270)에 대응하는 구멍(111)이 형성된 폴리머 칩 덮개판(110)이 접착되어 폴리머 칩이 이루어진다. 또한, 상기 유로기판(105)과 칩 덮개판(110)의 접착은 라미네이션 방법 및 접착제 접합으로 이루어지는 것이 바람직하다. 4 is a schematic illustration of a substrate adhering process for forming a channel of a disposable polymer chip according to the present invention. As shown in the drawing, the channel is formed on the flow path substrate 105 by a method such as injection molding and hot embossing, and the channel substrate has a hole 111 corresponding to the inlet 260 and the outlet 270, The chip cover plate 110 is bonded to form a polymer chip. In addition, it is preferable that the flow channel substrate 105 and the chip cover plate 110 are bonded by a lamination method and an adhesive bonding.

상기 폴리머 칩을 형성하기 위한 재질로서, 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), 불소화 에틸렌프로필렌(fluorinated ethylenepropylene, FEP), 퍼플루로알콕시알칸(perfluoralkoxyalkane, PFA) 중에서 하나 또는 그 이상의 조합으로 이루어진다.As a material for forming the polymer chip, a material such as polymethylmethacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), cycloolefin copolymer (COC), polyamide (PA), polyethylene polyethylene, PE), polypropylene (PP), polyphenylene ether (PPE), polystyrene (PS), polyoxymethylene (POM), polyetheretherketone Polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylchloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVDF), polybutyleneterephthalate (PBT), fluorinated ethylenepropylene, FEP), and perfluoroalkoxyalkane (PFA).

또한, 상기 폴리머 칩(100)의 채널은 핫엠보싱(Hot Embossing), 사출성형(Injection Molding), 캐스팅(Casting), 광조형(Stereolithography), 레이저 어 블레이션(Laser Ablation), 쾌속조형(Rapid Prototyping), 실크스크린 뿐만 아니라, NC(Numerical Control) 머시닝과 같은 다양한 방법으로 제작될 수 있다.The channel of the polymer chip 100 may be formed by hot embossing, injection molding, casting, stereolithography, laser ablation, rapid prototyping, ), Silkscreen as well as Numerical Control (NC) machining.

또한, 폴리머 칩(100)의 채널은 가열유체속의 생물분자와 같은 성분이 채널 표면에 흡착되는 것을 방지하기 위해 표면이 생물, 화학 및 광학적 처리되는 것이 바람직하다. In addition, it is preferable that the channel of the polymer chip 100 be biologically, chemically, and optically treated so that components such as biomolecules in the heating fluid are adsorbed on the channel surface.

도5는 본 발명에 따른 일회용 폴리머 칩의 채널(200)에 시료가 이동되는 과정을 개략적으로 나타낸 설명도이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 상기 루프형의 폴리머 칩의 채널(200)에는 모세관 정지 밸브(250)가 설치되어, 입구(260)로부터 유입되는 시료를 루프형 폴리머칩의 채널(200)로 순차적으로 이동되도록 하여 최종적으로 루프형 폴리머칩의 채널(200)에 공기층 없이 시료를 충진시키고 시료가 출구(270)로 흐르도록 한다. 참고로, 루프형 채널에 시료를 충진할 시에, 시료의 흐름이 루프형 채널의 출구를 막아서 공기 배기가 안되면 루프형 채널 내에 공기층이 발생하고 완전한 충진이 되지 않는다. FIG. 5 is an explanatory view schematically showing a process of moving the sample to the channel 200 of the disposable polymer chip according to the present invention. As shown in the figure, a capillary stop valve 250 is provided in the channel 200 of the loop-type polymer chip to sequentially move the sample introduced from the inlet 260 to the channel 200 of the loop- So that the sample is finally filled in the channel 200 of the loop-shaped polymer chip without the air layer, and the sample flows to the outlet 270. For reference, when the sample is filled in the looped channel, if the flow of the sample blocks the outlet of the looped channel so that the air can not be exhausted, an air layer is generated in the looped channel and is not completely filled.

보다 구체적으로, 도5의 (a), (b) 및 (c)에 나타낸 바와 같이, 상기 채널(200)의 입구(260)로부터 유입된 시료는 입구 연결채널(290)을 채우고, 해리-어닐링 연결채널(241)과 해리 채널(210)로 분기되며, 상기 해리-어닐링 연결채널(241)로 유입된 시료는 단부에 형성된 모세관 정지밸브(250)에 의해 정지된다. 그리고, 도5의 (d) 및 (e)에 나타낸 바와 같이, 상기 해리 채널(210)로 이동하는 시료는 확장-해리 연결채널(242), 확장 채널(220), 어닐링-확장 연결채널(243), 어닐링 채널(230), 출구 연결채널(280) 및 출구(270)로 유동되어 루프형 폴리머칩의 채널(200)을 완전히 충진한다. 그리고, 시료가 어닐링 채널(230)에서 출구 연결채널(280)로 유동 시에 상기 모세관 정지밸브(250)에서 정지된 시료와 만나게 되어 정지된 시료가 다시 흐를 수 있도록 한다. 상기의 충진 과정을 통해서 채널은 공기층에 의해 막힘없이 완전히 시료로 충진될 수 있다. 5 (a), (b) and (c), the sample introduced from the inlet 260 of the channel 200 fills the inlet connection channel 290 and the dissociation- The sample is branched into the connection channel 241 and the dissociation channel 210 and the sample introduced into the dissociation-annealing connection channel 241 is stopped by the capillary stop valve 250 formed at the end. 5 (d) and 5 (e), the sample moving to the dissociation channel 210 is transmitted through the extension-dissociation connection channel 242, the extension channel 220, the annealing-extension connection channel 243 ), The annealing channel 230, the outlet connection channel 280, and the outlet 270 to completely fill the channel 200 of the looped polymer chip. When the sample flows from the annealing channel 230 to the outlet connection channel 280, the sample is stopped with the capillary stop valve 250 so that the stopped sample can flow again. Through the filling process, the channel can be completely filled with the sample without being clogged by the air layer.

도6은 본 발명에 따른 일회용 폴리머 칩의 모세관 정지 밸브에 대한 개념도이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 도6의 (a)에 나타낸 본 발명에 따른 모세관 정지 밸브(250)는 도6의 (b)에 나타낸 바와 같이, 채널의 높이방향으로 단차부가 형성되는 경우와, 도6의 (c)에 나타낸 바와 같이, 채널(241)의 폭이 확장되도록 구현되는 경우를 통해 모세관력을 정지시킬 수 있다. 또한, 상기의 두가지 효과를 동시에 이용하면 더욱 안정적으로 시료를 정지시킬 수 있으며, 이와 같은 형태로 모세관 정지밸브(250)가 장착되는 것이 바람직하다. 6 is a conceptual diagram of a capillary stop valve of a disposable polymer chip according to the present invention. As shown in FIG. 6A, the capillary stop valve 250 according to the present invention shown in FIG. 6A has a case in which a stepped portion is formed in the channel height direction as shown in FIG. 6B, The capillary force can be stopped through the case where the width of the channel 241 is enlarged as shown in (c) of FIG. In addition, if the above two effects are used at the same time, the sample can be more stably stopped, and it is preferable that the capillary stop valve 250 is mounted in this form.

도7은 본 발명에 따른 일회용 폴리머 칩의 자연대류에 의한 채널 속 시료 흐름에 대한 전산모사 결과도이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 상기 채널(200) 중에서 해리 채널(210)에는 상대적으로 높은온도로 인해 상승유동이 발생되고, 어닐링 채널(230)에는 상대적으로 낮은 온도로 인하여 하강유동이 발생된다. 또한, 본 발명에 따른 폴리머 칩의 채널(200)은 루프형으로 연결되어 각 채널에서 일정하게 유동이 발생되는 것을 확인 할 수 있다. 7 is a computer simulation result of the flow of a sample in a channel by natural convection of the disposable polymer chip according to the present invention. As shown in the figure, upward flow is generated in the channel 200 due to relatively high temperature in the dissociation channel 210, and a downward flow is generated due to a relatively low temperature in the annealing channel 230. Also, the channel 200 of the polymer chip according to the present invention is connected in a loop shape, and it can be confirmed that a constant flow is generated in each channel.

도8은 본 발명에 따른 일회용 폴리머 칩의 방향에 따른 PCR 시간의 변화에 대한 설명도이다. 도8의 (a)에 나타낸 바와 같이, 자연대류는 중력장의 크기에 비례하여 유동의 세기가 결정되므로, 본 발명의 폴리머 칩(100)을 중력장(g)에 대하여 일정한 각도(θ)로 기울일 경우 PCR시간에 변화를 줄 수 있다. 또한 도8의 (b)에 나타낸 바와 같이, 중력장 방향에 대한 칩 방향의 사이각이 커질수록 유동은 느려진다.FIG. 8 is an explanatory view of a change in PCR time according to the orientation of the disposable polymer chip according to the present invention. As shown in FIG. 8A, the natural convection determines the intensity of flow in proportion to the size of the gravitational field. Therefore, when the polymer chip 100 of the present invention is inclined at a certain angle (?) With respect to the gravitational field g PCR time can be varied. Also, as shown in Fig. 8 (b), the flow becomes slower as the inter-chip angle in the direction of the gravity field becomes larger.

도9는 본 발명에 따른 일회용 폴리머 칩의 시료의 증발을 막는 기밀판이 부착된 개략적인 평면도이다. 도면에 나타낸 바와 같이, PCR 과정에서 시료에 열을 가함으로써 시료 내에 공기방울이 형성되거나 증발이 될 수 있는 위험이 있다. 따 라서 이를 방지하기 위하여 기밀판(600)을 더 구비하고, 상기 기밀판(600)을 입구(260) 및 출구(270)에 부착할 수 있다. 상기 기밀판(600)은 탄성을 가진 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 일면에 접착제를 도포하거나 기계적 압력을 가함으로써 기밀을 유지하는 것이 바람직하다.FIG. 9 is a schematic plan view of a disposable polymer chip according to the present invention, in which a gas tight plate is attached to prevent the sample from evaporating. As shown in the figure, there is a risk that air bubbles may form in the sample or evaporate by applying heat to the sample during the PCR process. Therefore, the airtight plate 600 may be further attached to the inlet 260 and the outlet 270 to prevent this. The airtight plate 600 is preferably made of a material having elasticity. Further, it is preferable to maintain airtightness by applying an adhesive to one surface or by applying mechanical pressure.

도10은 본 발명에 따른 일회용 폴리머 칩의 입구 전단에 PCR을 위한 시료전처리부가 포함된 개략적인 평면도이다. 도면에 나타낸 바와 같이, PCR을 위한 시료는 종류에 따라서 시료에서 DNA를 추출 및 정제하는 전처리 과정이 요구될 수 있다. 이를 위하여 입구(260)의 전단에 이를 위한 시료 전처리부(700)를 구비하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 시료 전처리부(700)는 도10에 예시한 바와 같이 일회용 폴리머 칩 상에 구현되는 것이 바람직하지만, 입구(260)에 부착되는 외부 구조물의 형태로 구현되는 것도 무관하다.FIG. 10 is a schematic plan view showing a sample pretreatment section for PCR at the inlet end of the disposable polymer chip according to the present invention. As shown in the figure, a sample for PCR may require a preprocessing process for extracting and purifying DNA from a sample depending on the type. For this purpose, it is preferable to provide a sample pretreatment unit 700 at the front end of the inlet 260. The sample pretreatment unit 700 is preferably implemented on a disposable polymer chip as illustrated in FIG. 10, but may be implemented in the form of an external structure attached to the inlet 260.

본 발명에 따른 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 장치는 상기 폴리머 칩을 이용하여 실시간으로 PCR의 결과를 얻기 위한 형광 검출기를 더 구비하여이루어질 수 있다. 또한, 상기 형광검출기를 이용하여 실시간으로 결과를 얻을 수 있는 형광검출법은 본 발명에 따른 기술분야의 당업자에 의해 용이하게 구현될 수 있으며, 이를 이용한 기술구현 모두 본 발명의 권리범위임은 자명하다. The natural convection PCR apparatus using the disposable polymer chip according to the present invention may further comprise a fluorescence detector for obtaining a PCR result in real time using the polymer chip. In addition, a fluorescence detection method that can obtain results in real time using the fluorescence detector can be easily implemented by those skilled in the art, and it is obvious that all of the technical implementations using the method are within the scope of the present invention.

본 발명에 따른 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 장치는 상기한 바와같이 이루어지고, 이에 더하여 본 발명은 루프형으로 연결된 채널이 형성된 상기 폴리머 칩(100), 가열금속부(300), 온도제어기, 가열기 및 온도센서를 포함하는 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 방법으로서, 가열기, 온도제어기 및 온도센 서를 이용하여 금속가열 블록을 일정한 온도로 유지시키고, 상기 금속가열 블록에 의해 루프형 마이크로 채널 속의 시료를 일정한 온도로 가열하고, 상기 가열에 의해 자연대류를 발생시키고, 상기 자연대류에 의해 시료가 루프를 따라 유동되어 PCR을 위한 순차적인 온도변화를 가하는 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 방법에 관한 것이다. The natural convection PCR apparatus using the disposable polymer chip according to the present invention is as described above. In addition, the polymer chip 100, the heated metal part 300, the temperature controller, A natural convection PCR method using a disposable polymer chip including a heater and a temperature sensor, comprising the steps of: maintaining a metal heating block at a constant temperature by using a heater, a temperature controller and a temperature sensor; To a natural convection PCR method using a disposable polymer chip in which natural convection is caused by the heating and a sample flows along a loop by the natural convection to apply a sequential temperature change for PCR .

본 발명에 따른 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다. 그리고 상기 저장과정은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에 의해 용이하게 구현될 수 있다.The natural convection PCR method using the disposable polymer chip according to the present invention can be implemented as a program and stored in a computer readable recording medium (CD-ROM, RAM, ROM, floppy disk, hard disk, magneto-optical disk, etc.) . The storing process can be easily implemented by those skilled in the art.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. The present invention is not limited to the drawings.

상기와 같은 본 발명에 의하면, 폴리머 칩 상에 루프형 채널을 형성시키고, 각 채널에 각기 다른 일정한 온도로 유지된 가열금속부를 접촉시켜, 루프형 채널에서 자연대류에 의한 유동이 발생되도록 하여 시료에 주기적인 온도변화를 제공하는 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 장치 및 방법을 제공하고, 폴리머 기판을 이용하여 저가의 다중 제작이 가능한 소자로 이용될 수 있으며, 외부적인 유동제어 가 없고 간편한 온도제어만이 요구되어 휴대용 PCR 장치로 활용이 가능하고, 마이크로 채널형태로 제작하여 시료의 흐름이 원활하고, 시료의 온도변화를 정확히 구현시킴에 따라 시료간의 간섭이 최소화되며, 루프형 마이크로 채널 속에 시료를 공기층 없이 모세관 유동만으로 완전하게 충전되어 시료가 원활하게 이동가능한 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 장치 및 그 방법을 제공하는 효과를 갖는다. According to the present invention, a loop channel is formed on a polymer chip, a heating metal portion maintained at a different temperature is brought into contact with each channel, and a flow due to natural convection is generated in the loop channel, The present invention provides a natural convection PCR apparatus and method using a disposable polymer chip that provides a periodic temperature change, and can be used as a device capable of low-cost multi-fabrication using a polymer substrate. In addition, there is no external flow control, And it is possible to use it as a portable PCR device. By making it in the form of a microchannel, the flow of the sample is smooth and the temperature change of the sample is precisely realized, the interference between the samples is minimized. In the loop type microchannel, Disposable polymer chips that are completely filled with capillary flow and can move the sample smoothly A natural convection PCR apparatus using the same, and a method therefor.

Claims (19)

시료가 충전되는 복수의 채널이 루프형으로 연결된 루프형 마이크로 채널을 포함하는 폴리머 칩;A polymer chip comprising a looped microchannel in which a plurality of channels to which a sample is charged are connected in a loop; 상기 폴리머 칩의 루프형 마이크로 채널과 접촉되어 열을 전달하는 복수개의 가열금속부;A plurality of heating metal parts for contacting the loop type microchannel of the polymer chip to transfer heat; 상기 복수개의 가열금속부에 연결되고, 상기 복수개의 가열금속부를 각각 다른 일정한 온도로 유지시키는 온도제어기; A temperature controller connected to the plurality of heating metal parts and maintaining the plurality of heating metal parts at different constant temperatures; 상기 복수개의 가열금속부 및 온도제어기에 연결되고, 온도제어기에 의해 가열금속부에 열을 공급하는 가열기; 및 A heater connected to the plurality of heating metal parts and the temperature controller and supplying heat to the heating metal part by a temperature controller; And 상기 복수개의 가열금속부 및 온도제어기에 연결되는 온도센서를 포함하고,And a temperature sensor connected to the plurality of heating metal parts and the temperature controller, 상기 루프형 마이크로 채널은The loop- 상기 채널 내에 상기 시료를 공기층 없이 충전시키는 모세관 정지 밸브 및 상기 충전을 위한 입구 및 출구를 포함하고,A capillary stop valve for filling the sample without the air layer in the channel, and an inlet and an outlet for the filling, 상기 복수개의 채널은 The plurality of channels 해리 채널, 어닐링 채널 및 확장채널을 포함하는 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 장치.Natural convection PCR apparatus using disposable polymer chip including dissociation channel, annealing channel and extension channel. 제1항에 있어서, The method according to claim 1, 상기 루프형 마이크로 채널은The loop- 상기 시료가 상기 복수의 채널을 루프형으로 유동되도록 연결하는 연결채널을 더 포함하는 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 장치.Further comprising a connection channel connecting the plurality of channels so that the sample flows in a loop shape. The natural convection PCR apparatus using the disposable polymer chip. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, The method according to claim 1, 상기 폴리머 칩은The polymer chip 사출성형 또는 핫엠보싱의 방법에 의하여 채널이 형성된 유로기판과 폴리머 필름이 접착되어 이루어진 A channel substrate on which a channel is formed by injection molding or hot embossing is adhered to a polymer film 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 장치.Natural convection PCR device using disposable polymer chip. 제5항에 있어서, 6. The method of claim 5, 상기 유로기판과 폴리머 필름의 접착은The adhesion between the flow channel substrate and the polymer film 라미네이션 방법 및 접착제 접합으로 이루어진 Lamination method and adhesive bonding 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 장치.Natural convection PCR device using disposable polymer chip. 제1항 또는 제5항에 있어서, 6. The method according to claim 1 or 5, 상기 폴리머 칩은The polymer chip 채널의 표면이 생물, 화학 또는 광학적 처리되어 가열유체속의 생물분자와 같은 성분이 채널 표면에 흡착되는 것이 방지되는The surface of the channel is biologically, chemically or optically treated so that components such as biomolecules in the heating fluid are prevented from adsorbing to the channel surface 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 장치.Natural convection PCR device using disposable polymer chip. 제1항에 있어서, The method according to claim 1, 상기 가열금속부는The heated metal portion 상기 가열기에 연결되고, 상기 가열기로부터 열전달되는 가열금속 블록;A heating metal block connected to the heater and being heat-transferred from the heater; 상기 가열금속 블록으로부터 돌출되도록 연결되고, 가열금속 블록으로부터 열전달되는 가열금속핀;A heated metal pin connected to be protruded from the heated metal block and heat-transferred from the heated metal block; 일면은 상기 가열금속핀에서 돌출되어 일면이 상기 폴리머 칩의 채널에 접촉되는 가열금속 접촉부를 포함하는Wherein the one surface comprises a heated metal contact protruding from the heated metal pin and having one side in contact with the channel of the polymer chip 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 장치.Natural convection PCR device using disposable polymer chip. 제8항에 있어서,9. The method of claim 8, 상기 가열금속부는The heated metal portion 가열금속 블록, 가열금속핀 및 가열금속 접촉부가 일체화되고, 다수의 폴리머 칩이 끼워질 수 있는 다중 슬롯형으로 형성되는The heated metal block, the heated metal pin, and the heated metal contact are integrated and formed into a multi-slot type in which a plurality of polymer chips can be inserted 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 장치.Natural convection PCR device using disposable polymer chip. 제8항에 있어서, 9. The method of claim 8, 상기 가열금속 블록은The heated metal block 가열기, 온도제어기 및 온도센서에 의해 일정한 온도로 유지되고,Maintained at a constant temperature by a heater, a temperature controller and a temperature sensor, 상기 루프형 마이크로 채널 내의 시료는 상기 가열금속 블록에 의해 일정한 온도로 가열되고, 상기 가열에 의해 자연대류가 발생되어 시료가 루프를 따라 유동되어 순차적으로 온도가 변화되는 The sample in the loop-type microchannel is heated to a predetermined temperature by the heating metal block, and natural convection is generated by the heating, so that the sample flows along the loop and the temperature is sequentially changed 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 장치.Natural convection PCR device using disposable polymer chip. 제8항에 있어서, 9. The method of claim 8, 상기 가열금속부는The heated metal portion 서로 다른 온도로 유지되는 가열금속 블록 사이에 열적간섭이 최소화되도록 고정하기 위한 단열재를 더 포함하고, 상기 단열재 사이에 가열금속 블록이 고정 및 설치되는 Further comprising a thermal insulation for fixing thermal interference between the heated metal blocks maintained at different temperatures so as to minimize thermal interference, wherein a heating metal block is fixed and installed between the thermal insulation 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 장치.Natural convection PCR device using disposable polymer chip. 제1항에 있어서, The method according to claim 1, 상기 가열기는The heater 필름 가열기, 세라믹 가열기, 봉 가열기 중에서 하나를 선택하여 이루어지는 A film heater, a ceramic heater, and a rod heater. 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 장치.Natural convection PCR device using disposable polymer chip. 제1항에 있어서, The method according to claim 1, 상기 복수개의 가열금속부는 폴리머 칩의 루프형 마이크로 채널의 양쪽면에 접촉되어 열전달하는The plurality of heated metal parts are brought into contact with both sides of the loop-shaped microchannel of the polymer chip, 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대로 PCR 장치.Natural PCR apparatus using disposable polymer chip. 제1항에 있어서, The method according to claim 1, 상기 폴리머 칩은The polymer chip 중력장 방향에 대하여 소정각도로 장착되어 자연대류 PCR 시간이 조절되는And the natural convection PCR time is adjusted at a predetermined angle with respect to the gravitational field direction 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 장치.Natural convection PCR device using disposable polymer chip. 제1항에 있어서, The method according to claim 1, 상기 폴리머 칩은The polymer chip PCR과정에서 시료에 공기방울이 생성되거나 증발되는 것을 방지하기 위해 상기 시료가 상기 루프형 마이크로 채널로 유입되는 입구 및 유출되는 출구를 외부공기와 차단시키는 기밀판을 더 구비하는 폴리머 칩을 이용한 자연 대류 PCR 장치.And a gas tight plate for blocking the inlet and outlet of the sample to the loop-type microchannel from outside air in order to prevent air bubbles from being generated or evaporated in the sample during PCR, Device. 제1항에 있어서, The method according to claim 1, 상기 폴리머 칩은The polymer chip PCR을 위한 시료의 전처리 과정을 위해, 상기 시료가 상기 루프형 마이크로 채널로 유입되는 입구의 전단에 구비되는 전처리부를 더 포함하는 폴리머 칩을 이용한 자연 대류 PCR 장치.Further comprising a pretreatment unit provided at a front end of an inlet through which the sample flows into the loop-type microchannel for a pretreatment of a sample for PCR. 제1항에 있어서, The method according to claim 1, 상기 폴리머 칩을 이용하여 실시간으로 PCR의 결과를 얻기 위한 형광 검출기를 더 구비하는 And a fluorescence detector for obtaining a PCR result in real time using the polymer chip 폴리머 칩을 이용한 자연 대류 PCR 장치.Natural convection PCR system using polymer chip. 제1항에 있어서, The method according to claim 1, 상기 폴리머 칩은The polymer chip 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), 불소화 에틸렌프로필렌(fluorinated ethylenepropylene, FEP), 퍼플로로알콕시알칸(perfluoralkoxyalkane, PFA) 중에서 하나 또는 그 이상의 조합으로 이루어지는Polyolefins such as polymethylmethacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), cycloolefin copolymer (COC), polyamide (PA), polyethylene (PE), polypropylene PP, polyphenylene ether (PPE), polystyrene (PS), polyoxymethylene (POM), polyetheretherketone (PEEK), polytetrafluoroethylene (PTFE) , Polyvinylchloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVDF), polybutyleneterephthalate (PBT), fluorinated ethylenepropylene (FEP), perfluoralkoxyalkane , PFA). ≪ RTI ID = 0.0 > 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 장치. Natural convection PCR device using disposable polymer chip. 제1항에 따른 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR장치를 이용한 자연대류 PCR 방법으로서, A natural convection PCR method using a natural convection PCR apparatus using the disposable polymer chip according to claim 1, 가열기, 온도제어기 및 온도센서를 이용하여 가열금속부를 일정한 온도로 유지시키고, A heater, a temperature controller and a temperature sensor are used to maintain the heated metal part at a constant temperature, 상기 가열금속부를 통해 루프형 마이크로 채널이 형성된 폴리머 칩을 접촉시켜 채널 내의 시료를 일정한 온도로 가열하고,Contacting the polymer chip on which the loop-shaped microchannel is formed through the heated metal part to heat the sample in the channel to a predetermined temperature, 상기 가열에 의해 자연대류를 발생시키고, The natural convection is generated by the heating, 상기 자연대류에 의해 시료가 루프를 따라 유동되어 PCR을 위한 순차적인 온도변화를 가하는 The natural convection causes the sample to flow along the loop and apply a sequential temperature change for PCR 일회용 폴리머 칩을 이용한 자연대류 PCR 방법.Natural convection PCR method using disposable polymer chip.
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