KR102505026B1 - 마이크로 니들 터널링 채널을 이용한 pcr 디스크 장치 및 이를 이용한 분석 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 컴팩트 디스크 상에서 중합효소연쇄반응을 수행하는 PCR 디스크 장치 및 이를 이용한 분석 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, DNA 또는 RNA를 증폭하기 위한 핵산 증폭 공정이 컴팩트 디스크 상에 일괄 배치된 PCR 디스크 장치 및 이들을 이용한 분석 방법에 관한 것으로, DNA 증폭 공정을 수행하기 위한 마이크로 니들 터널링 채널과 각종 챔버들을 디스크상에 집적화시켜, 코로나 같은 팬데믹 상황에서도 비대면으로 가정에서 손쉽게 환자 스스로 PCR 분석을 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 인터넷망에 의해 환자의 PCR분석 결과를 원격 체크할 수 있는 장치 와 방법을 제공한다.

Description

마이크로 니들 터널링 채널을 이용한 PCR 디스크 장치 및 이를 이용한 분석 방법 {PCR DISC APPARATUS USING MICRO-NEEDLE TUNNELLING CHANNEL AND ANALYSIS METHOD USING THE SAME}

본 발명은 컴팩트 디스크 상에서 중합효소연쇄반응을 수행하는 PCR 디스크 장치 및 이를 이용한 분석 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, DNA 또는 RNA를 증폭하기 위한 핵산 증폭 공정이 컴팩트 디스크(Compact Disc) 상에 일괄 배치된 PCR 디스크 장치 및 이들을 이용한 분석 방법에 관한 것으로, DNA 증폭 공정을 수행하기 위한 마이크로 니들 터널링 채널과 각종 챔버들을 디스크상에 집적화시켜, 코로나 같은 팬데믹 상황에서도 비대면으로 가정에서 손쉽게 환자 스스로 PCR 분석을 수행할 수 있을 뿐만 아니라, PCR 분석 결과를 원격 체크할 수 있는 장치 와 방법을 제공한다.

핵산을 이용한 분자진단법은 높은 정확성과 재현성, 신속성 등의 장점이 있어 최근 식품위생 분야와 법의학 분야에서 많은 이슈가 되고 있는 방법이다. 그러나 이런 장점에도 불구하고 여러 부가적인 측정 설비를 갖추어야 하기에 최근에는 이를 랩온어 디스크(Lab-on-a Disc) 형태로 구현하고자 하는 연구들이 많이 진행되고 있다.

이러한 랩온어 디스크는 디스크 상에 여러 공정을 담당하는 챔버(chamber) 및 유체의 흐름을 제어하기 위한 유공(hole) 밸브들을 구성하고, 주입구에 주입된 검체를 원심력을 이용하여, 유체를 채널로 이동시키기 위한 장치로서, 유럽 특허 "Disc for centrifuge"(GB1075800, publication date 1967.07.12)와 "Separating Disks for centrifuge"(3,335,946, April 12,1965)에 공개되어 있다.

그러나 이러한 랩 온어 디스크 기술은 핵산을 이용한 분자진단법에 적용하는데 매우 어렵다.

이러한 핵산을 이용한 분자진단법을 랩온어 디스크 상에서 구현하는 데 있어서, 가장 큰 장애물은 디스크 상에 PCR(Polymerase Chain Reaction, 중합효소연쇄반응) 공정의 집적화 시키는 것이다.

PCR 공정은 denaturation(~95℃), annealing(~50℃), 그리고 extension (~72℃)으로 구성되는 써머 사이클(thermo cycle)을 PCR 챔버내에서 반복 진행함으로써 이루어 질수 있는데, 랩온어 디스크 상에서 PCR공정을 구현하려면 먼저 denaturation(~95℃)에 과정에서 발생되는 PCR챔버내의 고온, 고압의 증기압로 부터 시료를 PCR챔버내에 가두는 것이 필요하다. 현재까지의 기술로는 고온(섭씨 약 100℃) 증기압에 견딜 수 있는 밸브를 랩온어 디스크상에 구현하는 것은 불가능하다.

즉, PCR 공정을 디스크 상에 집적화 하기 위해서는, PCR챔버내의 시료를 고온(섭씨 약 100℃) 고압의 증기압 조건하에서도 PCR챔버내에 시료를 가두어 둘 수 있는 밸브 기술이 필요하나, 현존하는 유공 밸브 기술로는 해결이 불가능하다. 본 발명에서는, 이러한 문제를 해결하는 마이크로 니들 터널링 채널을 제공한다. 마이크로 니들 터널링 채널은 채널 전체를 폐쇄함으로서, 기존의 유공 밸브에 비해 물리적 폐쇄 길이를 훨씬 길게 할 수 있어, 고온 고압을 견디는데 매우 유리하다.
(특허문헌 1) KR 10-2060810 B1

본 발명은 상기 종래기술의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, PCR(Polymerase Chain Reaction) 증폭시 발생하는 고열 고압으로 부터, PCR 챔버내의 시료의 누수를 방지하는 마이크로 니들 터널링 채널를 이용한 PCR 디스크 장치를 제공한다. 구체적으로, 용융된 검정색 열가소성 수지 내부에 마이크로 니들을 함께 같이 내장시켜 PCR 챔버의 입구 채널을 채워 굳히고, 이후 디스크 회전에 따른 강한 원심력에 의해 상기 검정색 열가소성 수지 내부에 내장된 마이크로 니들을 검정색 열가소성 수지로 부터 이탈시켜, PCR 챔버의 입구 채널상에 검정색 열가소성 수지로 만들어진 마이크로 니들 터널링 채널을 형성하고, 이후 상기 마이크로 니들 터널링 채널을 통해, PCR 챔버 내로 증폭시키고자 하는 시료를 이동시킨 후, 시료를 PCR 챔버내에 가두기 위해 레이저 가열에 의해 상기 검정색 열가소성 수지를 용융시켜 상기 마이크로 니들 터널링 채널을 녹여 PCR 챔버의 입구 채널을 폐쇄(closing)시킴으로서, PCR 공정 진행중 발생하는 고압 및 고열에 의한 시료 이탈을 막을 수 있는 PCR 디스크 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 상기 PCR 디스크 장치를 이용한 분석 방법을 제공한다.

다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.

본 발명에서, 디스크는 투명한 폴리카보네이트 내지 COC(Cyclic Olefin Copolymer)를 사용하는 것이 선호된다.

이하, 본 발명에서 DNA는 세균, 바이러스, 식물, 동물의 신체 일부(머리카락, 살점 등) 또는 그의 분비물(침, 소변 등), 혈액 또는 음식물 검체로부터 얻어진 디옥시리보 핵산 (deoxyribonucleic acid), RNA로부터 역전사(reverse transcription)에 의해 얻어진 cDNA(Complementary DNA) 샘플 중 선택된 어느 하나의 검체 인 것을 특징으로 한다.

상기 세균은 한국 식품 공전 (Korean Food Standards Codex)또는 미국의 FDA food code 에 따라 식품으로부터 25g을 취하여 표적 세균(target pathogen)에 맞는 액체 배양배지(liquid medium) 225ml에 주입하여 균질화(homogenization) 후 18~24시간의 증균배양(enrichment culture) 후, 표적 세균(target pathogen)에 맞는 선택 고체배지(selective agar medium)에서 분리 배양(separate culture)된 세균 군집(colony)을 사용하거나, 표적 세균(target pathogen)에 맞는 증균배양(enrichment culture)을 실시 후 원심분리하여 얻은 세균의 펠렛(pellet)을 사용하거나, 음식물로부터 스토마커(stomacher)에 의해 균질화된 것을 원심분리 내지 다공성 필터(porous filter)를 통해 얻는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에서 "디스크"는 "PCR 디스크"와 혼용한다.

이하, 본 발명에서 DNA 증폭 공정은 시료내에 포함된 DNA를 증폭하는 공정으로 PCR(Polymer Chain Reaction)의 써머 사이클(thermo cycle) 공정을 포함한다.

본 발명에서 유체는 디스크 회전에 따라 원심력에 의해 채널을 따라 이동하게 된다.

본 발명에 따른 검정색 열가소성 수지는 에틸렌비닐아세테이트(E.V.A: Ethylene Vinyl Acetate), 폴리에틸렌, 폴리염화비닐, 열가소성 에폭시수지, 폴리우레탄, 폴리올레핀, 폴리마이드, 스티레닉 혼성 중합체, 폴리에스처, 핫멜트, 열가소성 물질 중 선택된 어느 하나의 재료에 검은색 염료나 반타블랙 파우더를 첨가된 것이 선호된다.

본 발명의 PCR 디스크 장치는 PCR 디스크, 상기 PCR 디스크를 회전 및 구동 제어하기 위한 모터를 포함하는 구동 제어부,

상기 PCR 디스크상의 PCR 챔버를 가열하기 레이저 가열장치 및 상기 PCR 챔버의 온도를 PCR 디스크의 외부에서 측정하기 위한 비접촉 온도 센서를 포함하며,

상기 PCR 디스크는 검체를 주입하기 위한 시료 주입구, 상기 시료 주입구와 연결되어 시료를 일시 저장하는 시료 챔버, 상기 시료 주입구를 통해 시료 주입시, 주입 압력(주입 저항) 없이 시료를 원활히 주입하기 위해 상기 시료챔버에 연결된 배기구,

DNA 증폭 공정을 수행하는 동시에 상기 DNA 증폭 공정을 지원하는 돕는 효소를 저장하고 있는 적어도 1개 이상의 PCR 챔버, 상기 시료 챔버와 상기 PCR 챔버와의 연결 통로를 제공하는 마이크로 니들 터널링 채널, 상기 PCR 챔버의 정량을 초과하는 잉여분(excess)의 시료를 저장하기 위한 잉여챔버와 연결되는 통로를 제공하는 미터링 채널, 상기 PCR 챔버내에 저장되며 상기 레이저 가열장치에서 발생된 열을 흡수하거나 흡수된 열을 PCR 챔버내에 전달을 위한 히팅 필름, 및 상기 PCR 챔버내의 온도를 색깔의 변화 내지 적외선 방출로 표출하기 위한 온도 표출 수단을 포함하는 하는 것을 특징으로 한다.

상기 마이크로 니들 터널링 채널은 상기 PCR 챔버의 입구 채널쪽에 용융된 검정색 열가소성 수지와 마이크로 니들을 같이 매설시켜서 상기 PCR 챔버의 입구 채널을 채워 굳히고, 이후 디스크 회전에 따른 강한 원심력에 의해 상기 검정색 열가소성 수지 내부에 내장된 마이크로 니들을 검정색 열가소성 수지로 부터 이탈시켜, 상기 PCR 챔버의 입구 채널상의 검정색 열가소성 수지 내부에 형성되는 것을 특징으로 한다.

즉, PCR 챔버의 입구 채널상에 검정색 열가소성 수지와 상기 검정색 열가소성 수지 내부를 관통하는 마이크로 니들을 매설하고, 이후 상기 마이크로 니들의 이탈의 결과로 검정색 열가소성 수지 내부에 마이크로 니들 터널링 채널이 형성된다.

본 발명의 PCR 디스크는 PCR 챔버 내로 증폭시키고자 하는 시료를 이동시키기 위해, 상기 시료 주입구를 통해 시료 챔버에 주입된 시료를, 모터의 회전에 따른 원심력에 의해, 마이크로 니들 터널링 채널을 경유하여 PCR 챔버로 이송시키고, 이후, 시료를 PCR 챔버내에 가두기 위해 레이저 가열에 의해 상기 검정색 열가소성 수지로 만들어진 마이크로 니들 터널링 채널을 녹여 폐쇄(closing)시킴으로서, DNA 증폭 공정 진행중 발생하는 고압 및 고열에 의한 시료의 누수를 막을 수 있다.

즉, DNA 증폭 공정 수행 전에, 시료 챔버에 주입된 시료를 원심력에 의해 상기 마이크로 니들 터널링 채널을 통해 PCR 챔버로 이동시키고, 정량을 초과하는 잉여분(excess) 시료가 잉여챔버로 이송된 후, 레이저 가열에 의해 검정색 열가소성 수지를 녹여 상기 마이크로 니들 터널링 채널를 폐쇄한 후 DNA 증폭공정을 시작하게 된다.

바람직하게는, 본 발명을 따르는 DNA증폭 공정은 PNA(Peptide Nucleic Acid) 프로브들(probes)을 PCR 챔버내에 더 구비하여, 마이크로 니들 터널링 채널을 통해 PCR 챔버로 이송되어 온 DNA의 특이적 서열(specific sequence)과의 혼성화(hybridization)을 통해 PNA와 DNA를 결합시키는 혼성화 반응 공정을 수행하는 것이 선호된다. 상기 PNA는 정상적인 표적 서열(target sequence)을 갖고 있는 정상 DNA에 결합하고, 돌연변이된 표적 DNA(mutated target DNA)에는 결합하지 않는 것이 선호된다.

이 경우 상기 PNA와 결합된 정상 DNA는 증폭이 안되고, PNA와 결합하지 않은 돌연변이 된 표적 DNA만 DNA증폭 공정 동안 대량으로 증폭이 되어 질병 유무 내지 돌연변이 유무를 쉽게 판단할 수 있다.

또한 더욱 바람직하게는, 서로 다른 DNA 변성온도(melting/denaturation temperature) 조절과 복수개의 서로 다른 표적 서열마다 다른 색을 발광하는 형광 표지자를 상기 PNA 프로브에 표지(label)하여, 단일 반응에 대해 여러 개의 표적을 감지할수 있는 멀티플렉싱(multiplexing) 표적 진단(target detection)을 허용하는 것이 선호된다. 상기 형광 표지자는 상기 PNA 프로브(PNA probe)의 한쪽 단말에는 형광리포터(fluorescent reporter), 반대편쪽 단말에는 ??처(quencher)가 표지되는 것이 선호된다.

이 경우, 마이크로 니들 터널링 채널을 통해 PCR 챔버로 이송되어 온 DNA내에 표적 서열(target sequence)이 존재하지 않는 경우, 상기 PNA 프로브(PNA probe)의 형광 리포터(fluorescent reporter)와 ??처(quencher)가 물리적 거리가 아주 가까워 형광이 발생하지 않는 것처럼 된다. 반면, 상기 마이크로 니들 터널링 채널을 통해 PCR 챔버로 이송되어 온 DNA내에 표적 서열이 존재는 경우, PCR(Polymer Chain Reaction)의 써머 사이클(thermo cycle)중 어닐링(Annealing)과정에서 상기 PNA 프로브(PNA probe)가 표적서열과 혼성화되면, 상기 형광리포터 와 ??처가 서로 거리가 멀어져 ??칭(quenching) 작용이 더 이상 안 일어나 상기 형광 리포터로부터의 형광 빛을 형광 센서에 의해 관찰할 수 있어 DNA 증폭 산출물(product)을 정량 내지 정성적으로 분석할 수 있다.

본 발명에서 온도 표출 수단은 마이크로 캡슐화된 온도 감응 물질(micro encapsulated Temperature sensitive material) 또는 적외선 방사판 중 선택된 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 비접촉 온도 센서는 마이크로 캡슐화된 온도 감응 물질(micro encapsulated Temperature sensitive material)의 색깔 내지 투명도 변화를 읽기 위한 이미지 센서 또는 적외선 방사판으로부터 방출되는 적외선량을 계측하기 위한 적외선 센서 중 선택된 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 마이크로 캡슐화된 온도 감응 물질은 온도에 따라 캡슐 내부 물질의 분자 구조가 변함으로써 물질의 투명도 내지 색깔이 변하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 마이크로 캡슐화된 온도 감응 물질은 투명한 수성 페인트나 투명한 유성 페인트와 혼합되어, PCR 챔버내에 페인트 방식으로 코팅 도포되는 것이 선호되며, 이경우 PCR 챔버내의 온도를 비접촉방식으로 외부에서 이미지 센서에 의해 알 수 있다.

본 발명에서 바람직하게는 상기 이미지 센서가 마이크로 캡슐화된 온도 감응 물질의 온도에 따라 물질의 투명도 내지 색깔이 변하는 것을 감지하는 것에 의해 PCR 챔버 내부의 온도를 측정하는 것을 특징으로 한다.

상기 적외선 센서는 측정대상의 물체로부터 방출된 적외선 에너지를 렌즈에 의해 모아져 적외선 에너지를 읽어내어 물체의 온도를 비접촉 방식으로 측정할 수 있는 온도 센서로 PCR챔버 내부의 온도에 따라 적외선 방사판으로부터 방사되는 적외선량을 검출하는 것에 의해 PCR 챔버 내부의 온도를 측정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 바람직하게는 상기 적외선 방사판은 검정색이 칠해진 금속판이 선호된다. 또한 상기 금속판의 한쪽면은 PCR 챔버의 내부와 직접 맞닿아 있고 다른 반대편 면에서 PCR 챔버 내부의 온도를 적외선 센서에 의해 측정하는 것이 선호 된다.

또한 금속판은 열 전달율이 클 뿐만 아니라 금속판에 칠한 검정색 페인트는 적외선 방사율을 최대로 할 수 있어 적외선 센서에 의해 정확한 온도 계측이 가능하다는 장점을 제공한다.

본 발명에서 바람직하게는 마이크로 캡슐화된 온도 감응 물질은 감온변색 염료를 마이크로 캡슐화된 온도 감응 물질의 코어로서 캡슐 내부 중심에 구비시키고, 상기 감온변색 염료의 외주면에 고분자가 코팅되어 캡슐화된 것이 선호되며, 직경이 1nm 내지 10um 크기를 갖는 것이 더욱 선호 된다. 상기 마이크로 캡슐화된 온도 감응 물질은 외부가 고분자 코팅에 의해 방수처리가 되어 있어, PCR 챔버내에서도 시료와 섞여 녹지 않아, PCR 챔버내의 온도변화를 투명도나 색상변화를 통해 안정적으로 외부에 제공하는 온도 표출 수단이 된다.

상기 감온변색 염료의 외주면에 대한 고분자 코팅은 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 에폭시, 요소 수지, 폴리에스테르, 폴리아마이드, 폴리우레탄, 폴리에틸렌, 폴리비닐알콜, 멜라민 수지(Polyoxymethylenemelamine), 젤라틴, 셀룰로오스 또는 이들의 혼합물인 것이 선호된다.

본 발명의 PCR 디스크 장치는 바람직하게는 PCR 챔버의 내부에 코팅 배치된 마이크로 캡슐 온도 감응 물질의 투명도, 색깔 변화를 측정하여 상기 PCR 챔버 내의 온도를 계측하기 위한 이미지 센서를 구비하여, 상기 PCR 챔버가 DNA 중폭 공정을 수행하기 위한 최적의 온도로 가열되도록 레이저 가열장치와 쿨링(cooling)장치를 피드백 제어하는 중앙제어장치를 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 감온 변색 염료는 상변화 물질(phase change material), 본래 무색 혹은 미색이지만 특정 온도에서 유기산과 결합하여 발색하는 류코 염료 (leuco dye) 혼합물, 발색제인 디페닐 아미노페놀(Diphenyl aminophenol)과 현색제인 톨루이 딘(Toluidine)의 혼합물, 발색제인 테레프탈로일 아세타닐 리드(Terephthaloyl acetanilide)와 현색제인 아미노아조벤젠(Aminoazobenzene) 혼합물 중 선택된 어느 하나인 것이 선호된다.

본 발명에서 바람직하게는, 상기 감온변색 염료가 디페닐 아미노페놀(Diphenyl aminophenol), 테레프탈로일 아세타닐리드 (Terephthaloyl acetanilide) 등과 같은 발색제와 상기 발색제와 화합하여 새로운 색을 발색케 하는 톨루이딘(Toluidine), 아미노아조벤젠(Aminoazobenzene) 등과 같은 현색제 혼합물인 것이 선호된다.

본 발명에서 바람직하게는, 상기 감온변색 염료가 에코산(Eicosane), 노나데칸(Nonadecane) 등의 파라핀계 물질을 더 포함하는 것이 선호된다.

본 발명에서 바람직하게는, 상기 감온변색 염료는 류코 염료 (leuco dyes)의 일종으로 3,3-비스(p-디메틸아미노페닐)-6-디메틸아미노프탈라이드, 7'-아닐리노-3'-디부틸아미노-6'-메틸플루오렌, 3-(p-디메틸아미노페닐)-3-(1,2-디메틸-3-인돌릴) 프탈라이드, 3,3-비스(9-에틸-3-카바졸릴)-5-디메틸아미노프탈라이드 또는 3,3-비스(2-페닐-3-인돌릴)-5-디메틸아미노프탈라이드와 같은 트리아릴메탄 염료, 4,4'-비스(디메틸아미노벤지드랄)벤질 에테르와 같은 디페닐메탄 염료, 벤조일 류코메틸렌 블루와 같은 티아진 염료, 3-메틸스피로디나프토피렌과 같은 스피로 염료, 플루오렌 염료, 류코오라마인 염료, 인돌린 염료 및 인디고 염료 중 선택된 적어도 어느 하나 이상이 혼합된 것이 선호된다.

상기 류코 염료는 상온에서 무색 또는 미색의 물질로서, 가열시 유기산 물질과 반응하여 발색한다. 이러한 류코 염료들은 단독으로, 또는 두 종류 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 류코 염료와 반응을 일으키도록 첨가하는 유기산 물질로는 4-하이드록시다이페닐 술폰 유도체, 4,4'-디하이드록시다이페닐술폰, 2,4'-디하이드록시다이페닐 술폰 및 4-하이드록시다이페닐 술폰 유도체로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 두 종류 이상의 다이페닐 술폰 유도체를 유기산 물질로 포함하고, 4-치환된(substituted) 바이페닐 유도체를 포함할 수 있다.

상기 상변화 물질은 고체상에서 액체상으로 변화하는 물질 중 유기계열로는 파라핀계, 비파라핀계, 무기계열로는 이혼화합물계, 메탈계 등이 선호된다.

본 발명에서, 상기 레이저 가열장치는 적외선 파장 영역의 빛을 발산하는 적외선 레이저 가 선호된다. 적외선 파장은 검은색에 의해 가장 잘 흡수되는 특징을 갖는다.

따라서 적외선 파장영역을 갖는 레이저 가열 장치에 의해, 상기 마이크로 니들 터널링 채널을 형성한 검정색 열 가소성 수지를 쉽게 녹여 채널을 폐쇄할 수 있다.

본 발명의 히팅 필름은 검정색 필름, 반타블랙 시트(Vantablack sheet), 금속판 내지 흑연시트(Graphite Sheet) 중에 선택된 어느 하나가 선호되며, 금속판인 경우 검정색 페인트나 반타블랙(Vantablack)에 의한 검정색 코팅면을 구비한 것이 선호되며 레이저 가열장치에 의해 가열되는 것이 선호된다. 상기 검정색 코팅면은 상기 레이저 가열장치로부터의 열을 효율 높게 흡수할 뿐만 아니라, 상기 금속판은 열 전달률이 매우 높아 레이저에 의한 발생된 열이 상기 PCR 챔버 전체에 전달에 되어 챔버 내의 시료를 골고루 가열시킨다. 상기 반타블랙은 수직으로 정렬된 나노튜브의 배열로 구성되며, 튜브와 튜브사이에서 거듭된 반사를 통해 들어온 빛의 빛 대부분이 흡수되어 나가지 못하도록 하는 역할하는 것을 특징으로 한다. 이들 반타블랙은 직경1 nm 내지2 nm의　탄소 나노튜브로 구성되며, 가시광선과 적외선 영역의 99.97%의　빛을 거의 모두 흡수한다. 상기 히팅 필름은 0.01~0.1mm 두께가 선호된다.

상기 금속판은 0.01 mm 내지0.1 mm 두께의 알루미늄(alumnium) 내지 금속 재질이 선호된다.

본 발명의 흑연(graphite)시트는 열 전도성이 매우 클 뿐 만 아니라 자체가 검정색을 띄고 있어, 상기 레이저 가열장치로부터의 열을 쉽게 흡수하여, 열이 상기 PCR 챔버 전체에 전달에 되어 챔버 내의 시료를 골고루 가열시킨다.

상기 검정색 필름은 레이저 가열장치로부터의 레이저 빛을 흡수하여 PCR 챔버를 가열하여 DNA 증폭 공정을 수행한다.

상기 검정색 필름(블랙시트)은 레이저 가열 장치에 의해 녹지 않는 내열성 필름이 선호된다.

상기 내열성 필름은 아라미드(aramid) 필름, PET(Polyethylene Terephthalate) 필름, 폴리이미드 필름(polyimide film)이 선호된다.

본 발명의 또 다른 측면은 PCR 디스크는 PCR 증폭 공정 수행을 위해, dNTP를 비롯한 프라이머(Primer) 등 각종 효소(enzyme)들을 포함하는 버퍼 용액을 저장하거나, 폴리머라아제(polymerase)의 저장을 위한 별도의 챔버를 더 구비하는 것이 선호된다.

본 발명의 또 다른 측면은 PCR 챔버는 DNA 증폭 공정에 필요한 각종 효소를 동결 건조하여 고체 알갱이 형태의 태블릿(tablet)상태로 PCR 챔버에 저장하고, 마이크로 니들 터널링 채널을 통해 PCR 챔버로 유입된 시료에 의해 상기 태블릿이 액화되어 DNA 증폭 공정을 수행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 DNA 증폭 공정은 PCR(Polymer Chain Reaction) 써머 사이클(thermo cycle)을 반복적으로 수행함으로써 이루어지거나, 등온 증폭(isothermal amplification)에 의해 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 PCR 써머 사이클(thermo cycle)에 의한 DNA 증폭 공정은 denaturation(~95℃), annealing(~50℃), 그리고 extension (~72℃)으로 구성되는 세 가지 온도 내지 선택된 두가지 온도를 주기적으로 반복하여 수행하는 써머 사이클을 PCR 챔버내에서 진행함으로써 이루어지는 것이 선호된다.

바람직하게는, 상기 PCR 써머 사이클의 가열 동작은 레이저 가열장치가 히팅 필름을 가열하여 PCR 챔버를 가열하거나, 쿨링 장치에 의해 PCR 챔버를 쿨링함으로 진행하는 것이 선호된다.

바람직하게는, 상기 쿨링 장치의 쿨링 동작은 펠티어 소자(peltier element)의 차가운 면과 연결된 회전 팬(fan)의 바람에 의해 PCR 챔버를 냉각함으로서 진행되는 선호된다.

본 발명에서, PCR 디스크 장치는 DNA 증폭 산출물(product)을 정량 내지 정성적으로 분석하기 위한 형광 센서 내지 광학 센서를 더 구비한 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 형광 물질은 형광 염료(Fluorescent dyes) 일종인 FAM, TAMRA 등과 같은 형광 물질로 표지된 프라이머(primer)를 사용하여 FRET(fluorescence resonance energy transfer, 형광공명에너지전이)방법을 사용하여 별도의 형광 물질을 구비하지 않고도 실시간 DNA 증폭(real time DNA amplification) 여부를 확인하여 DNA 증폭 산출물 량을 정성 또는 정량적으로 측정하는 것이 선호된다.

본 발명에서 바람직하게는, 상기 구동 제어부는 PCR 디스크를 올려놓기 위한 턴 테이블(turn table), 상기 턴 테이블 상의 PCR 디스크를 회전시키기 위한 모터로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 PCR 디스크의 직경은　120 mm，80 mm, 60 mm 또는 32 mm의　원형이 선호되며,　두께는 1 mm 내지 20 mm가 바람직하다．

본 발명에서의 광학 센서는 포토다이오드(photodiode), 카메라, 포토다이오드 어레이(photodiode array), 스펙트로미터(spectrometer), CCD(charge-coupled device), 이미지 센서, 레이저 파워 미터(laser power meter), 형광 센서 중 어느 한 가지가 사용되는 것이 선호된다.

상기 광학 센서는 상기 PCR 챔버 내부에 설치된 마이크로 캡슐화된 온도 감응 물질의 색깔 변화 내지 투명도를 측정하여 PCR 챔버 내의 온도를 측정할 수 있다. 또한 상기 광학 센서는 상기 DNA 증폭 산출물(product)을 정성 내지 정량적으로 분석할 수 있다.

본 발명에서 바람직하게는, PCR 디스크는 실리콘 웨이퍼, 아크릴, 폴리프로필렌, 폴리아크릴레이트, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA: polymethyl methacrylate), 고리형 올레핀 고분자(COC: cyclic olefin copolymer) 및 폴리카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상으로 형성될 수 있다. 그러나, 플라스틱이 경제적 이유, 가공의 용이성 때문에 바람직하다.

본 발명을 따르는 PCR 디스크는 상부 기질, 중간 기질 및 하부 기질로 이루어지는 것이 선호되며, 이들은 점착제에 의해 접합되는 것이 바람직하다.

본 발명을 따르는 PCR 디스크는, 상부 기질, 중간 기질 및 하부 기질이 적층 접합되어 이루어지고, 각 기질을 결합하기 위해 기질간에 양면 접착 테이프가 포함되는 것이 선호된다.

상기 양면 접착 테이프는 종이, 비닐, 폴리에스테르 필름, 폴리에틸렌 필름 및 기타 합성 재질과 같은 이형지의 양쪽 면에 특수한 점착제(adhesive; gluing agent)로 표면 처리가 되어 있고, 필요로 하는 조건에 따라 높은 실링(sealing) 및 완충, 진동 완화, 내충격성, 내열성, 흡착성, 접착력 등의 특징을 가진 점착제 재료를 선정하여 사용할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면은, 상기 양면 접착 테이프는 이형지 또는 백킹(backing)을 사용하지 않고 점착제(adhesive; gluing agent) 자체가 양면 접착 테이프로 사용될 수 있다.

상기 양면 접착 테이프는 이형지 상에 점착제를 양면 코팅하거나 이형지를 사용하지 않는 점착제(adhesive; gluing agent) 형태가 선호되며, 점착제는 핫 멜트(hot melt), 실리콘, 고무계, 변성 실리콘계, 아크릴계(acrylic), 폴리아마이드(ployamide), 폴리오레핀(polyolefin), 테프론계, 폴리에스터(polyester), 에폭시, 자외선 감응 경화성 접착제(UV curable adhesive), UV접착제, 열 가소성 수지 등과 같은 재료가 사용될 수 있다.

본 발명에서 바람직하게는, PCR 디스크 장치는 표시장치를 더 구비하여 DNA 산출물에 대한 정성 및 정량분석 결과를 상기 표시장치에 디스플레이(display)하거나, 인터넷망을 통해 DNA분석 결과를 의료전문가에게 원격 제공하는 것을 특징으로 한다.

상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.

이상에서 본 바와 같이 본 발명은 DNA 증폭 공정을 수행하기 위한 마이크로 니들 터널링 채널 과 각종 챔버를 디스크상에 집적화 시킨 PCR 디스크 장치 및 이를 이용한 분석방법으로, 코로나 같은 팬데믹 상황에서 비대면으로 가정에서도 손쉽게 효율적으로 DNA 분석을 환자 스스로 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 원격 진단이 가능한 PCR 디스크 장치 및 이를 이용한 분석 방법을 제공한다.

다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.

도 1 은 DNA증폭 공정을 수행하기 위해, 시료 챔버, 마이크로 니들 터널링 채널 및 PCR 챔버가 PCR 디스크상에 함께 집적화되어 배치된 일 실시예이다.
도 2 는 마이크로 니들 터널링 채널의 형성과 DNA 증폭 과정을 설명하는 예시이다.
도 3 은 슬라이더의 전진 및 후진 이동에 따라 디스크상의 마이크로 니들 터널링 채널을 폐쇄하거나 PCR 챔버를 가열하기 위한 레이저 가열장치를 상기 슬라이더상에 탑재한 실시예이다.
도 4 는 본 발명의 PCR 디스크를 구동하기 위한 구동제어부를 포함하는 PCR 디스크 장치의 일 실시예이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.

본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 의 기재는, "A, B, 또는, A 및 B" 를 의미한다.

이하, 본원의 PCR 디스크 장치에 대하여 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.

도 1 은 DNA증폭 공정을 수행하기 위해, 시료 챔버(29a), 마이크로 니들 터널링 채널(51) 및 PCR 챔버(29b)가 PCR 디스크(100)상에 함께 집적화되어 배치된 일 실시예로,

검체를 주입하기 위한 시료 주입구(28a), 상기 시료 주입구(28a)와 연결되어 시료를 일시 저장하는 시료 챔버(29a), 상기 시료 주입구(28a)를 통해 시료 주입시, 주입 압력(주입 저항) 없이 시료를 원활히 주입하기 위한, 상기 시료챔버(29a)에 연결된 배기구(28b),

DNA 증폭 공정을 수행하는 동시에 상기 DNA 증폭 공정을 지원하는 돕는 효소를 저장하고 있는 적어도 1개 이상의 PCR 챔버(29b), 상기 시료 챔버(29a)와 상기 PCR 챔버(29b)와의 연결 통로를 제공하는 마이크로 니들 터널링 채널(51), 상기 PCR 챔버(29b)의 정량을 초과하는 잉여분(excess)의 시료를 저장하기 위한 잉여챔버(15)와 연결되는 통로를 제공하는 미터링 채널(14), 상기 PCR 챔버(29b)내에 저장되며 가열장치에서 발생된 열을 흡수하거나 흡수된 열을 PCR 챔버(29b)내에 전달을 위한 히팅 필름(30b), 및 상기 PCR 챔버(29b)내의 온도를 색깔의 변화 내지 적외선 방출로 표출하기 위한 온도 표출 수단(24b)을 포함하는 하는 것을 특징으로 한다. 시료 주입구(28a)를 통해 주입된 시료는 먼저 PCR 챔버(29b)를 채우고, 이후 잉여 시료는 미터링 채널(14)을 통해 잉여 챔버(15)로 보내어 진다. 즉, 시료 주입구(28a)를 통해 주입된 시료가 마이크로 니들 터널링 채널(51)을 통과하여 PCR 챔버(29b)을 채우고 난후, 잉여분의 시료가 잉여 챔버(15)로 보내어 진다.

도면 부호 170은 디스크(100) 회전시 턴 테이블과의 연결을 허여하는 디스크 공극이다. 도면 부호 16은 잉여 챔버(15)의 배기구이다.

도면 부호 18은 마이크로 니들 출구로, 마이크로 니들 터널링 채널(51) 형성후, 마이크로 니들을 원심력에 의해 검정색 열가소성 수지(19)의 내부로 부터 빼내기 위한 출구를 제공한다.

마이크로 니들을 원심력에 의해 빼낸 이후에는 마이크로 니들 출구(18)는 밀봉되어야 하며, 본 발명에서는 UV 접착체를 사용하여 밀봉하는 것이 선호된다.

상기 PCR 디스크(100)는 PCR 챔버(29b) 내로 증폭시키고자 하는 시료를 이동시키기 위해, 상기 시료 주입구(28a)를 통해 시료 챔버(29a)에 주입된 시료를 모터의 회전에 따른 원심력에 의해, 마이크로 니들 터널링 채널(51)을 경유하여 PCR 챔버(29b)로 이송시키고, 이후, DNA 증폭 공정 수행전에 시료를 PCR 챔버(29b)내에 가두기 위해 레이저 가열에 의해 검정색 열가소성 수지(19)을 녹여, 상기 마이크로 니들 터널링 채널(51)을 폐쇄시킴으로서, DNA 증폭 공정 진행중 발생하는 고압 및 고열에 의한 PCR 챔버(29b)로 부터의 시료 누출을 막을 수 있는 PCR 디스크를 제공한다.

도 1a의 왼쪽에 보여진 PCR 디스크(100) 예시는 두 쌍의 구조가 마주보는 대칭적 구조를 PCR 디스크(100)상 배치한 일 실시예로, 대칭적 구조 때문에 디스크(100)의 회전시 디스크(100)의 전체적인 무게 균형을 맞출수 있어, 디스크(100)의 고속 회전시 진동과 소음을 최소화할 수 있는 장점을 제공한다.

도 1a의 오른쪽에 보여진 PCR 디스크(100) 예시는 두 쌍의 구조가 이웃하게 PCR 디스크(100)상에 배치한 일 실시예로, 이웃한 대칭적 구조 때문에 배기구(28b) 및 잉여 챔버(15)를 서로 공유화하여 디자인 면적을 최소화할 수 있는 장점을 제공한다.

도 1b는 마이크로 니들 터널링 채널(51) 형성과정을 보인다.

도 1b의 왼쪽 그림은 용융된 검정색 열가소성 수지(19) 내부에 마이크로 니들(50b)을 함께 내장시켜 상기 시료 챔버(29a)와 상기 PCR 챔버(29b)와의 일직선 연결 통로(13)상의 일부를 채워 경화시킨 경우를 보인다.

반면, 도 1b의 오른쪽 그림은 디스크(100) 회전에 따른 강한 원심력에 의해 도 1(b)의 왼쪽 그림상의 마이크로 니들(50b)을 검정색 열가소성 수지(19)로 부터 이탈시켜, 상기 검정색 열가소성 수지(19)내부에 마이크로 니들 터널링 채널(51)을 형성하는 것을 보인다.

도 2는 마이크로 니들 터널링 채널(51)의 형성과 DNA 증폭 과정을 설명한다.

본 발명에서는 PCR 디스크(100)의 몸체는 상부 기질(100a), 중간 기질(100b) 과 하부 기질(100c)로 구성되는 것이 선호되며, 이들 각각은 플라스틱 사출 성형 공정 동안 기질 표면에 유체가 흐를 수 있는 채널(13,14) 및 시료 챔버(29a), PCR 챔버(29b), 잉여챔버(15) 등을 형성하며, 상기 기질들은 접착 테이프에 의해 서로 밀착 부착되어 하나의 PCR 디스크(100)를 이루는 것이 선호된다. 또한 PCR 챔버(29b)의 온도 변화를 외부에서 측정하기 위해 PCR 챔버(29b)내부의 온도의 높낮이에 따라 투명도 변화, 색깔변화 또는 적외선 방출량으로 온도값이 표현되는 온도 표출 수단(24b)을 PCR 챔버(29b)의 내부에 구비된다. 또한 상기 PCR 챔버(29b) 내에 저장되며 레이저 가열장치(44)에서 발생된 열을 흡수하거나 흡수된 열을 PCR 챔버(29b) 내부에 전달을 위한 히팅 필름(30b)을 PCR 챔버(29b)의 내부에 구비된다

본 발명의 PCR 디스크 장치는 PCR 디스크(100)상의 PCR 챔버(29b)를 가열하기 레이저 가열장치(44)와 온도 표출수단(24b)으로부터 표현된 투명도 변화, 색깔변화, 적외선 방출량을 측정하기 위한 비접촉 온도 센서(46a)이 구비된다.

도 2a 내지 도 2d는 마이크로 니들 터널링 채널(51)의 형성 방법과 그에 따른 DNA 증폭 공정을 수행하는 PCR 챔버(29b)에 대한 윗면도 및 b-b' 단면에 대한 단면도가 예시된다.

도 2a는 용융된 검정색 열가소성 수지(19) 내부에 마이크로 니들(50b)을 함께 같이 내장시켜 시료 챔버(29a)와 PCR 챔버(29b)와의 연결 통로(13)상의 일부를 채워 경화시킨 경우를 보인다. 이 경우 마이크로 니들(50b)의 머리(50a)는 마이크로 니들 출구(18)를 통해 디스크(100) 외부에 돌출된다.

이후 도 2b의 예시처럼, 디스크(100) 회전에 따른 강한 원심력에 의해 상기 마이크로 니들(50b)을 검정색 열가소성 수지(19)로 부터 이탈시켜, 상기 검정색 열가소성 수지(19) 내부에 마이크로 니들 터널링 채널(51)을 형성한다. 즉, 마이크로 니들(50b)은 원심력에 의해 마이크로 니들 출구(18)를 통해 외부로 빠져나가고, 마이크로 니들 터널링 채널(51)은 마이크로 니들(50b)이 빠져나가고 난 검정색 열가소성 수지(19) 내부 중심에 형성된다. 마이크로 니들의 머리(50a) 부분이 마이크로 니들(51b)에 비해 더 무거워 원심력에 의해 검정색 열가소성 수지(19)로부터 쉽게 이탈 될 수 있다.

도 2c와 도2d는 마이크로 니들 터널링 채널(51) 형성후, DNA 증폭 공정을 수행하기 위한 일련의 과정을 보인다.

도 2c는 도2b 과정후, 마이크로 니들 출구(18)를 UV본딩에 통해 실링(sealing)하고, PCR 챔버(29b) 내로 증폭시키고자 하는 시료를 이동시키기 위해, 시료 주입구(28a)를 통해 시료 챔버(29a)에 주입된 시료를, 모터의 회전에 따른 원심력에 의해, 마이크로 니들 터널링 채널(51)을 경유하여 PCR 챔버(29b)내로 이송시키는 과정을 보인다. 이때 상기 PCR 챔버(29b)의 정량을 초과하는 잉여분(excess)의 시료는 미터링 채널(14)을 통해 잉여챔버(15)로 이동하게 된다. 마이크로 니들 출구(18)의 UV본딩은 UV점착제를 채워서 이루어지는 것이 선호된다.

도 2d는, PCR 챔버(29b)내로 이동한 시료를 PCR 챔버(29b)내에 가두기 위해 레이저 가열장치(44)에 의해 검정색 열가소성 수지(19)로 만들어진 마이크로 니들 터널링 채널(51)을 녹여 폐쇄(closing)시킴으로서, DNA 증폭 공정 진행중 발생하는 고압 및 고열에 의한 시료 누출을 막을 수 있는 예시를 보인다.

즉, 도 2c와 도2d는 DNA 증폭 공정 수행전에, 마이크로 니들 터널링 채널(51)을 통해 시료를 이동시켜 상기 PCR 챔버(29b)를 채우고, 정량을 초과하는 잉여분(excess) 시료를 잉여챔버(15)로 이송 시킨후, 검정색 열가소성 수지(19)를 레이저 가열 장치(44)에 의해 녹여 상기 마이크로 니들 터널링 채널(51)을 폐쇄한 후 DNA 증폭공정을 시작하게 된다.

이러한 마이크로 니들 터널링 채널(51)은 채널을 따라 길게 늘어서 있는 구조로, 해당 채널 폐쇄시 물리적 폐쇄 길이를 길게 할 수 있어, PCR챔버(29b)로부터 발생하는 고온 고압을 견딜 수 있어, DNA 증폭공정 동안 PCR챔버(29b)로부터 시료의 누출을 방지할 수 있다. 본 발명에서 마이크로 니들 터널링 채널(51)의 길이는 1mm 에서 5mm 사이가 선호 된다.

본 발명의 일 실시예로 히팅 필름(30b)은 검정색 필름, 금속판, 반타블랙 시트(Vantablack sheet) 내지 흑연시트가 선호된다.

상기 금속판은 한쪽 면이 검정색 페인트나 반타블랙(Vantablack)에 의해 코팅된 검정색 코팅면을 구비하여 레이저 가열장치(44)에 의해 가열되는 것이 선호된다. 상기 검정색 코팅면(미도시)은 레이저 가열장치(44)로부터 발생된 빛을 흡수하여 상기 PCR 챔버(29b) 내의 시료에 열을 전달하여 가열시킨다. 또한 흑연시트와 반타블랙 시트(Vantablack sheet)는 열전도율이 클 뿐만 아니라, 자체 색상이 검정색이여서 검정색 페인트에 의해 코팅처리를 안 해도 상기 레이저 가열장치(44)에 의해 쉽게 가열되는 장점을 갖는다.

도면부호 24b는 온도 표출 수단으로 PCR 챔버(29b) 내부의 온도를 외부에 표출하기 위한것으로 적외선 방사판 내지 마이크로 캡슐화된 온도 감응 물질을 사용하는 것이 선호된다.

본 발명을 따르는 PCR디스크 장치는 마이크로 캡슐화된 온도 감응 물질의 온도변화에 따른 투명도 변화 내지 색깔 변화를 측정하기 위해, 비접촉 온도 센서(46a)를 PCR 챔버(29b)의 외부 상측에 구비하는 것이 선호된다.

본 발명에서, 마이크로 캡슐화된 온도 감응 물질의 온도변화에 따른 투명도 변화 내지 색깔 변화를 측정하기 위한 비접촉 온도 센서(46a)는 광학 센서를 사용하는 것이 선호된다.

상기 PCR 챔버(29b)의 외부 상측에 설치된 광학 센서(46a)에 의해 마이크로 캡슐화된 온도 감응 물질의 투명도 내지 색상 변화를 실시간 관찰함으로써 PCR 챔버(29b)내부의 온도를 비접촉식으로 측정할 수 있다.

따라서 광학 센서에 의해 판독된 마이크로 캡슐화된 온도 감응 물질의 투명도 내지 색상 변화를 기초로 레이저 가열장치(44)의 구동 전압 및 전류를 피드백 제어하여 PCR 챔버(29b) 내부의 온도를 원하는 대로 조절할 수 있다.

마이크로 캡슐화된 온도 감응 물질은 PCR 챔버(29b)의 내부 상측에 페인트 방식으로 코팅 도포되거나 구형의 알갱이형태로 PCR 챔버(29b)의 내부의 시료와 함께 섞여서 외부로 온도값을 표출하는 것을 특징으로 한다. 이 경우 비접촉 온도 센서(46a)에 의해 마이크로 캡슐화된 온도 감응 물질의 투명도 내지 색상 변화를 판독함으로서, PCR 챔버(29b)내부의 온도를 직접적으로 계측할 수 있다.

본 발명을 따르는 PCR디스크 장치는 적외선 방사판으로부터 방사되는 적외선량을 측정하기 위해 비접촉 온도 센서(46a)를 PCR 챔버(29b)의 외부 상측에 구비할수 있다.

본 발명에서, 적외선 방사판으로부터 방사되는 적외선량을 측정하기 위한 비접촉 온도 센서(46a)는 적외선 센서를 사용하는 것이 선호된다.

이경우, 상기 적외선 방사판의 한쪽면은 PCR 챔버(29b) 내부와 직접 맞닿아 있어, PCR 챔버(29b) 내부로부터 전달되어온 열을 적외선 센서에 의해 정확히 측정할 수 있다.

따라서, 상기 적외선 센서에 의해 판독된 적외선량을 기초로 레이저 가열장치(44)의 구동 전압 및 전류를 피드백 제어하여, 상기 PCR 챔버(29b) 내부의 온도를 원하는 대로 조절할 수 있다.

도 3은 슬라이더(211)의 전진 및 후진 이동에 따라 디스크(100) 상의 마이크로 니들 터널링 채널(51)을 폐쇄하거나 PCR 챔버(29b)를 가열하기 위한 레이저 가열장치(44)을 상기 슬라이더(211) 상에 탑재한 실시예를 보인다. 디스크 회전각과 슬라이더(211)의 방사 방향 거리 조절에 의해 마이크로 니들 터널링 채널(51) 내지 PCR 챔버(29b)의 공간 어드레싱(space addressing)이 가능하다.

상기 슬라이더(211)는 스텝 모터(109) 축에 연결된 웜(worm) 기어 연결부(109a, 109b)에 의해, 스텝 모터(109)의 회전에 따라, 디스크(100)의 방사 방향(radial direction)으로 이동 제어된다.

상기 슬라이더(211)는 스텝 모터(109)의 회전에 따라 슬라이드 아암(108a, 108b)을 가이드(guide)로 사용하여 미끄러지듯 이동된다. 상기 슬라이드 아암(108a, 108b)은 나사(110a, 110b, 110c, 110d)를 통해 구동제어부의 몸체에 체결된다. 도면 부호 113은 디스크(100)를 올려놓기 위한 턴 테이블(turn table)이다.

본 발명에서, 레이저 가열장치(44)은 레이저 다이오드가 선호되며, 폐쇄하고자 하는 마이크로 니들 터널링 채널(51)에 대한 공간 어드레싱(space addressing)을 먼저 수행한 후, 레이저 가열장치(44)를 온(on)시켜 검정색 열가소성 수지(19)를 녹여서 마이크로 니들 터널링 채널(51)을 폐쇄하는 것이 더욱 선호된다.

도 4는 본 발명의 PCR 디스크(100)를 구동하기 위한 구동제어부를 포함하는 PCR 디스크 장치(200)의 일 실시예를 보인다.

상기 구동 제어부는 상기 PCR 디스크(100)를 올려놓기 위한 턴 테이블(113), 상기 턴 테이블(113) 상의 PCR 디스크(100)를 회전시키기 위한 디스크 회전 모터(102), 및 중앙제어장치(101)로 구성된다. 본 실시예에서는 디스크 회전 모터(102)로서 저소음 고속회전에 적당한 브러쉬리스 모터(brushless motor)가 선호된다.

도면 부호 211은 방사 방향의 이동을 허여하는 슬라이더이고, 스텝 모터(109)에 의해 상기 슬라이더(211)의 방사방향 이동이 제어된다.

또한, 도 4의 PCR 디스크 장치(200)는 PCR 써머 사이클의 가열 동작은 레이저 가열장치(44)가 PCR 챔버(29b)를 가열함으로 진행하고,

상기 PCR 써머 사이클의 쿨링(cooling) 동작은 펠티어 소자(150)의 차가운 면과 연결된 회전 팬(151a)의 차가운 바람에 의해 PCR 챔버(29b)를 냉각하는 쿨링장치(180)를 포함한 실시예를 보인다. 도면 부호 151b는 상기 펠티어 소자(150)의 뜨거운 면과 연결된 회전 팬으로 바람에 의해 상기 펠티어 소자(150)의 뜨거운 면의 열을 외부로 방출한다. 도면부호 152a는 상기 펠티어 소자(150)의 차가운면과 회전팬(151a)을 연결하는 방열판이고, 도면부호 152b는 상기 펠티어 소자(150)의 뜨거운면 과 회전팬(151b)을 연결하는 방열판이다.

중앙제어장치(101)는 PCR 챔버(29b)가 DNA 중폭 공정을 수행하기 위한 최적의 온도로 가열되도록 레이저 가열장치(44)와 쿨링장치(180)를 피드백 제어하는 것을 특징으로 한다. 즉, 상기 중앙제어장치(101)는 비접촉 온도 센서 (46a)에 의해 PCR 챔버(29b) 내부의 온도를 측정하여 PCR 챔버(29b)가 DNA 중폭 공정을 수행하기 위한 최적의 온도로 가열되도록 레이저 가열장치(44)와 쿨링장치(180)를 피드백 제어한다.

도면 부호 350은 PCR 디스크 장치(200)를 지지하고 있는 몸체이다. PCR 디스크 장치(200)의 밑면에는 회로 기판(140)이 상기 몸체(350)에 이음 체결되어 있고, 회로 기판(140) 위에는 중앙제어장치(101), 저장 장치(112) 및 의료 전문가와의 인터넷 연결을 통해 DNA 분석 결과를 의료 전문가에게 원격 제공하는 입출력 장치(111)가 상기 회로 기판(140) 위에 배치 설계되어 있다. 상기 중앙제어장치(101)는 상기 디스크(100)의 회전 또는 정지를 위해 상기 브러쉬리스 모터(102)를 제어하고, 레이저 가열장치(44)를 제어할 뿐만 아니라, 스텝 모터(109) 제어에 의해 슬라이더(211) 상에 배치된 레이저 가열 장치(44) 의 이동을 제어한다.

또한 상기 중앙제어장치(101)는 LCD 표시부(320) 및 버튼 입력부(321)를 제어하여 사용자에게 PCR 디스크 장치(200)에 대한 사용자 인터페이스를 제공한다.

도면 부호 104는 디스크 공극(170)를 통해 턴 테이블(113)에 로딩된 디스크(100)의 압착 수단으로 턴 테이블(113)과의 자력 인력에 의해 압착하는 것으로 수직 이동을 허여하도록 설계되는 것이 바람직하다.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

13: 일직선 연결 통로
14: 미터링 채널
15: 잉여 챔버
24b: 온도 표출 수단
16,28b: 배기구
28a: 시료 주입구
29a: 시료 챔버
29b: PCR 챔버
30b: 히팅 필름
44: 레이저 가열 장치
46a: 비접촉 온도 센서
19: 검정색 열가소성 수지
18: 마이크로 니들 출구
50a: 마이크로 니들의 머리
50b: 마이크로 니들
51: 마이크로 니들 터널링 채널
100: PCR 디스크
100a: 상부 기질
100b: 중간 기질
100c: 하부 기질
101: 중앙제어장치
102: 디스크 회전 모터
104: 압착 수단
108a, 108b: 슬라이드 아암
109: 스텝 모터
109a, 109b: 웜 기어 연결부
110a, 110b, 110c, 110d: 나사
111: 입출력 장치
112: 저장 장치
113: 턴 테이블
140: 회로 기판
150: 펠티어 소자
151a, 151b: 회전 팬
152a, 152b: 방열판
180: 쿨링장치
170: 디스크 공극
200: PCR 디스크 장치
211: 슬라이더
320: LCD 표시부
321: 버튼 입력부
350: 몸체

Claims (12)

1. 시료 챔버;
   PCR 챔버; 및
   상기 시료 챔버와 상기 PCR 챔버를 연결하는 마이크로 니들 터널링 채널을 포함하는 PCR 디스크;
   를 포함하는 PCR 디스크 장치에 있어서,
   상기 마이크로 니들 터널링 채널은 용융된 검정색 열가소성 수지의 내부에 마이크로 니들을 내장시켜 상기 PCR 챔버의 입구 채널을 채워 굳히고, 이후 상기 마이크로 니들을 상기 검정색 열가소성 수지로부터 이탈시켜, 상기 PCR 챔버의 입구 채널 상에 형성되는 것을 특징으로 하고,
   상기 PCR 챔버의 입구 채널은 레이저 가열에 의해 상기 검정색 열가소성 수지를 용융시켜 상기 마이크로 니들 터널링 채널을 녹여서 폐쇄되는 것을 특징으로 하며,
   상기 PCR 디스크 장치는,
   상기 마이크로 니들을 원심력에 의해 상기 검정색 열가소성 수지 내부로부터 제거하기 위한 마이크로 니들 출구를 더 구비하는 것인,
   PCR 디스크 장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 PCR 디스크 장치는,
   상기 PCR 디스크를 회전 및 구동 제어하기 위한 모터를 포함하는 구동 제어부;
   상기 PCR 챔버를 가열하기 위한 레이저 가열장치; 및
   상기 PCR 챔버의 온도를 측정하기 위한 비접촉 온도 센서;
   를 포함하는 것인,
   PCR 디스크 장치.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 PCR 디스크 장치는,
   상기 PCR 챔버내에 저장되며 상기 레이저 가열장치에서 발생된 열을 흡수하거나 흡수된 열을 PCR 챔버내에 전달을 위한 히팅 필름; 및
   상기 PCR 챔버내의 온도를 색깔의 변화 내지 적외선 방출로 표출하기 위한 온도 표출 수단;
   을 포함하는 것인,
   PCR 디스크 장치.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 히팅 필름은 검정색 필름, 반타블랙 시트, 금속판 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것이고,
   상기 금속판은 검정색 코팅면을 구비하는 것인,
   PCR 디스크 장치.
   
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 온도 표출 수단은 마이크로 캡슐화된 온도 감응 물질, 적외선 방사판 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, PCR 디스크 장치.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 비접촉 온도 센서는 상기 마이크로 캡슐화된 온도 감응 물질의 색깔 내지 투명도 변화를 읽기 위한 이미지 센서 또는 상기 적외선 방사판으로부터 방출되는 적외선량을 계측하기 위한 적외선 센서 중 선택된 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는, PCR 디스크 장치.
   
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 PCR 디스크는,
    검체를 주입하기 위한 시료 주입구;
    상기 시료 주입구와 연결되어 시료를 일시 저장하는 시료 챔버; 및
    상기 PCR 챔버의 정량을 초과하는 잉여분(excess)의 시료를 저장하기 위한 잉여챔버;
    를 포함하는 것인,
    PCR 디스크 장치.
    
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 PCR 디스크 장치는,
    상기 마이크로 니들 터널링 채널을 폐쇄하거나 상기 PCR 챔버를 가열하기 위한 레이저 가열장치; 및
    상기 PCR 디스크의 방사(radial) 방향으로의 이동을 허여하는 슬라이더를 더 구비한 것인,
    PCR 디스크 장치.
    
12. 제 1 항에 있어서,
    정상적인 표적 서열을 갖고 있는 DNA에 결합하고, 돌연변이된 표적 DNA에는 결합하지 않는 PNA프로브들을 상기 PCR 챔버내에 구비하여,
    상기 PNA와 결합된 정상 표적 DNA는 증폭이 안되고, PNA와 결합하지 않은 돌연변이 된 표적 DNA만 PCR 증폭 공정 동안 증폭이 되어 질병 유무 내지 돌연변이 유무를 판단하는 것을 특징으로 하는, PCR 디스크 장치.

Images