KR200495832Y1 - Ｐｃｒ 장치의 광학모듈 - Google Patents

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KR200495832Y1 KR2020210001013U KR20210001013U KR200495832Y1 KR 200495832 Y1 KR200495832 Y1 KR 200495832Y1 KR 2020210001013 U KR2020210001013 U KR 2020210001013U KR 20210001013 U KR20210001013 U KR 20210001013U KR 200495832 Y1 KR200495832 Y1 KR 200495832Y1
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이성운
남호철
윤태호
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(주)레보스케치
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Abstract

본 고안은 PCR 장치의 광학모듈에 관한 것이다. 본 고안의 목적은, 복수 개의 웰을 원형으로 배치시키고 광학계를 회전시키면서 광 조사 및 검출을 수행함으로써 검출효율 및 정확도를 최적화시키는 PCR 장치의 광학모듈을 제공함에 있다.

Description

ＰＣＲ 장치의 광학모듈 {Optic module for PCR apparatus}
본 고안은 PCR 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수 개의 웰(well)에 대하여 광 조사 및 검출작업을 수행함에 있어서 검출효율 및 정확도를 최적화할 수 있는 PCR 장치의 광학모듈에 관한 것이다.
PCR(polymerase chain reaction, 중합효소연쇄반응)이란 검출하고자 하는 특정 표적 유전물질을 증폭하는 방법으로서, 핵산을 포함하는 시료를 반복적으로 가열 및 냉각하여 핵산의 특정 염기서열을 갖는 부위를 연쇄적으로 복제하여 그 특정 염기서열 부위를 갖는 핵산을 기하급수적으로 증폭하는 기술이다. PCR은 변성(denaturation), 결합(annealing), 신장(extension) 등의 일련의 온도효소반응 단계들로 진행될 수 있다. 간략히 설명하자면, 먼저 변성 단계에서는 두 가닥의 DNA가 가열되어 분리되며, 각각의 DNA는 주형(template)으로서의 역할을 하게 된다. 결합 단계에서는 주형 DNA에 프라이머(primer)들이 결합을 하게 되는데, 이 때 온도를 적절하게 맞추어 주어야 반응의 정확성을 향상할 수 있다. 신장 단계에서는 열에 강한 DNA 중합효소가 주형 DNA에서 새로운 DNA를 만들게 된다. 이러한 중합효소 연쇄 반응 1회를 시행하면 유전 물질은 2배로 증폭되며, 따라서 중합효소 연쇄 반응을 n회를 반복하면 이론상으로 2의 n승배의 유전자가 증폭될 수 있어, 반응의 반복에 의한 기하급수적인 증폭이 가능하다.
PCR 장치는 다량의 시료에 대하여 PCR 반응이 보다 효율적으로 일어날 수 있도록 하는 목적으로 만들어지는 장치이다. 앞서의 설명으로부터도 직관적으로 알 수 있는 바와 같이 PCR 반응에서는 온도제어가 핵심적으로 중요한 부분이기 때문에, PCR 장치에는 일반적으로 시료의 온도를 조절하기 위한 가열장치 및 냉각장치가 구비된다. 또한 하나의 PCR 장치로 다량의, 더불어 필요하다면 다종의 결과물을 얻을 수 있도록 하기 위해, 일반적으로 PCR 장치에는 복수 개의 웰(well)이 구비되며, 복수 개의 웰에 시료가 담긴 튜브(tube)가 각각 수용된 상태에서 앞서 설명한 가열장치 및 냉각장치를 이용하여 시료에 대한 온도제어가 이루어지게 된다. 한국특허등록 제2071058호("유전자 증폭을 위한 핵산의 추출 및 전달 자동화 장치 및 방법", 2020.01.21., 이하 '선행문헌') 등에 이러한 PCR 장치의 기본적인 구성이 잘 개시된다.
상기 선행문헌을 살펴보면, 하나의 웰 당 하나의 광 조사 및 검출용 광학계가 구비됨으로써 단번에 모든 튜브에서의 광 조사 및 검출을 수행하도록 형성된다. 그러나 이와 같이 하면 광학계의 개수가 지나치게 많아져 제작비용이 과도하게 증가할 뿐만 아니라, 광학계들 간 간격을 충분히 벌릴 수 없어 신호간섭이 크게 발생하여 검출정확도를 떨어뜨리는 문제가 있다.
따라서 일반적으로 종래의 많은 PCR 장치에서는, 상기 선행문헌과는 달리 튜브보다 적은 개수의 광학계를 구비하고 이를 이동시켜 가면서 광 조사 및 검출을 수행하도록 구성하기도 한다. 이 때 종래의 많은 PCR 장치에서는 튜브를 2차원으로 배열하고, 광학계를 가로 및 세로방향으로 진행시키면서 광 조사 및 검출을 수행하는 방식을 사용한다. 그런데 이와 같이 할 경우, 어느 하나의 튜브에서 광을 조사하거나 검출하기 위해서는 광학계가 멈추어야 하고, 다음 튜브에서 광 조사 및 검출을 수행하기 위해서는 광학계가 진행해야 하므로, 광학계는 계속 멈춤 및 진행동작을 교번 반복하게 된다. 이 과정에서 광학계가 관성에 의해 불필요한 충격을 받을 수 있고, 또한 이동장치의 액추에이터가 계속 멈춤과 진행을 반복해야 하기 때문에 동적 불안정성이 증가할 우려가 있다.
1. 한국특허등록 제2071058호("유전자 증폭을 위한 핵산의 추출 및 전달 자동화 장치 및 방법", 2020.01.21.)
따라서, 본 고안은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 고안의 목적은, 복수 개의 웰을 원형으로 배치시키고 광학계를 회전시키면서 광 조사 및 검출을 수행함으로써 검출효율 및 정확도를 최적화시키는 PCR 장치의 광학모듈을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안의 PCR 장치(100)의 광학모듈(130)은, 튜브(200)에 수용된 시료를 가열 및 냉각하여 PCR(polymerase chain reaction) 반응을 발생시키며, 상기 시료에 여기광을 조사하여 발생된 형광을 이용하여 상기 시료 내 표적물질을 검출하는 PCR 장치(100)에 구비되는 광학모듈(130)에 있어서, 원형으로 형성되는 고정판(131), 원형으로 방사상 등간격 배치되며 각각 개별적으로 광 조사 및 검출을 수행하는 복수 개의 광학계(132)로 이루어져 상기 고정판(132) 상에 구비되는 배열체, 상기 배열체의 상면에 구비되어 상기 배열체의 상면을 지지하면서 상기 광학계(132)의 광 조사 및 검출동작을 제어하는 제1광학제어기판(133), 상기 제1광학제어기판(133)의 상면에 적층 구비되어 상기 광학계(132)의 광 조사 및 검출동작에 맞추어 상기 모터(140)와의 연계동작을 제어하는 제2광학제어기판(134)을 포함할 수 있다.
이 때 상기 광학모듈(130)은, 기결정된 주기로 각각의 상기 튜브(200)에 수용된 상기 시료에 대하여 광 조사 및 검출이 수행되도록 모터(140)에 의해 회전되도록 형성될 수 있다.
또한 상기 광학모듈(130)은, 중심에 통공이 형성되어 상기 모터(140)가 상기 광학모듈(130) 중심통공에 배치되도록 형성될 수 있다.
또한 상기 모터(140)는, 원하는 신호세분율(sampling rate)에 따라 상기 모터(140)의 회전속도가 조절될 수 있다.
본 고안에 의하면, 복수 개의 웰에서 발생되는 형광신호를 보다 효율적으로 검출할 수 있는 광학모듈을 구비함으로써, 형광신호 검출효율 및 정확도를 크게 향상시키는 효과 또한 있다. 보다 구체적으로는, 본 고안에서는 웰을 원형으로 배치하고, 광학모듈이 복수 개의 웰에 구비된 튜브 내 시료에 여기광을 조사하고 형광을 검출하는 과정을 회전동작과 함께 수행한다. 이에 따라 복수 개의 웰에서의 형광신호 검출을 보다 효율적으로 수행할 수 있으며, 광학모듈의 회전속도를 조절함으로써 검출정확도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 고안의 PCR 장치의 폐쇄 시 외형사시도.
도 2는 본 고안의 PCR 장치의 개방 시 외형사시도.
도 3은 본 고안의 PCR 장치의 외형측면도 및 단면측면도.
도 4는 본 고안의 PCR 장치의 광학모듈 분해사시도.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 고안에 의한 PCR 장치의 광학모듈을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 고안의 PCR 장치의 폐쇄 및 개방 시 외형사시도이며, 도 3은 본 고안의 PCR 장치의 외형측면도 및 단면측면도이다. 본 고안의 PCR 장치(100)는 기본적으로 튜브(200)에 수용된 시료를 가열 및 냉각하여 PCR(polymerase chain reaction) 반응을 발생시키며, 상기 시료에 여기광을 조사하여 발생된 형광을 이용하여 상기 시료 내 표적물질을 검출한다. 이 때 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 고안의 PCR 장치(100)는 상부몸체(110) 및 하부몸체(120)로 이루어지며, 상기 상부몸체(110)에 광학모듈(130) 및 모터(140)가 수용 구비되어 광 조사 및 검출을 수행하며, 상기 하부몸체(120) 상단에 복수 개의 상기 튜브(200)가 원형으로 배열되도록 형성되며 상기 하부몸체(120)에 히터모듈 및 쿨링팬이 수용 구비되어 가열 및 냉각을 수행한다.
이 때, 본 고안에서는 상기 광학모듈(130)이 상기 모터(140)에 의하여 회전하면서 광 조사 및 검출을 수행하도록 함으로써 시료검출의 효율 및 정확도를 향상한다. 이하에서 각부에 대하여 보다 상세히 설명한다.
상기 광학모듈(130)은, 원형으로 방사상 등간격 배치되며 각각 개별적으로 광 조사 및 검출을 수행하는 복수 개의 광학계(132)를 포함하여 상기 튜브(200)에 수용된 상기 시료에 대하여 광 조사 및 검출을 수행한다. 도 4는 본 고안의 PCR 장치의 광학모듈 분해사시도로서, 도 4를 참조하여 상기 광학모듈(130)의 세부구성을 설명하면 다음과 같다.
상기 광학모듈(130)은, 기본적으로 원형으로 형성되는 고정판(131) 및 복수 개의 상기 광학계(132)로 이루어져 상기 고정판(132) 상에 구비되는 배열체를 포함한다. 이 때 상기 광학계(132)는 상술한 바와 같이 원형으로 방사상 등간격으로 적절하게 서로 이격 배치됨으로써 서로 간의 신호간섭(cross-talk)을 방지한다. 상기 광학계(132)는 각각 여기광을 조사하는 광원 및 형광을 검출하는 검출수단을 포함하며, 따라서 개별적으로 광 조사 및 검출을 수행할 수 있다.
상기 광학모듈(130)은 또한 상기 배열체의 상면에 구비되어 상기 배열체의 상면을 지지하면서 상기 광학계(132)의 광 조사 및 검출동작을 제어하는 제1광학제어기판(133) 및 상기 제1광학제어기판(133)의 상면에 적층 구비되어 상기 광학계(132)의 광 조사 및 검출동작에 맞추어 상기 모터(140)와의 연계동작을 제어하는 제2광학제어기판(134)을 포함한다. 이에 따라 구조적으로 상기 광학모듈(130)은, 원형으로 배열되는 복수 개의 상기 광학계(132)로 이루어지는 배열체의 하면은 상기 고정판(131)으로 지지되고, 상면은 상기 제1, 2광학제어기판(133)(134)으로 지지되어 안정된 구조를 이루게 된다.
한편 상기 상부몸체(110)에 보조적인 가열을 수행하는 핫탑히터기판이 구비될 경우, 상기 광학모듈(130)에 불필요한 열이 가해질 우려가 있다. 이런 문제를 방지하도록, 상기 고정판(131)은 열을 차단할 수 있는 단열소재로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 모터(150)는 기결정된 주기로 각각의 상기 튜브(200)에 수용된 상기 시료에 대하여 광 조사 및 검출이 수행되도록 상기 광학모듈(130)을 회전시키는 역할을 한다. 즉 상기 모터(140)가 상기 광학모듈(130)을 기결정된 회전속도로 회전시키면서 상기 광학계(132)가 상기 튜브(200)에 수용된 상기 시료에 대하여 광 조사 및 검출을 수행하게 되는데, 이 때 원하는 신호세분율(sampling rate)에 따라 상기 모터(140)의 회전속도가 조절되도록 한다.
도면들로 잘 나타난 바와 같이 본 고안의 PCR 장치(100)는 복수 개의 상기 튜브(200)에 수용된 상기 시료에 대하여 시료검출을 수행한다. 앞서 설명한 바와 같이 본 고안에서는, 상기 튜브(200)보다 적은 개수의 상기 광학계(132)를 구비함으로써 상기 광학계(132)들 간의 간격을 충분히 벌려 신호간섭 문제를 근본적으로 해결한다. 뿐만 아니라 본 고안에서는, 상기 광학모듈(130)이 상기 모터(140)에 의해 회전하도록 형성되어, 상기 광학계(132)가 회전함에 따라 상기 튜브(200) 위치를 지나가면서 광 조사 및 검출을 수행하게 된다. 이 때 상기 광학계(132) 및 상기 튜브(200)의 배치구조 및 상기 모터(140)의 회전속도 등을 모두 알고 있다면, 어느 시점에 상기 광학계(132)가 어느 튜브(200)에 위치하는지 등을 쉽게 파악할 수 있으므로, 적절히 신호처리만 해줌으로써 원활하게 표적물질 검출신호를 얻을 수 있다. 즉 본 고안에서는, 광 조사 및 검출동작 / 다음 튜브 위치로의 진행동작이 연속적으로 이루어지게 함으로써, 앞서 설명한 바와 같은 종래의 PCR 장치에서 불연속동작에 의하여 발생되는 광학계나 이동장치 액추에이터의 충격이나 동적 불안정성을 크게 저감할 수 있다.
앞서 설명한 상기 광학모듈(130) 및 상기 모터(140)의 구성을 참조하여, 본 고안의 PCR 장치의 광학모듈을 이용한 시료검출방법을 단계적으로 설명하면 다음과 같다. 상기 PCR 장치의 광학모듈을 이용한 시료검출방법은, 크게 모듈회전단계, 광조사단계, 광검출단계를 포함한다.
상기 모듈회전단계에서는, 상기 모터(140)가 상기 광학모듈(130)을 기결정된 회전속도로 회전시킨다. 이 때 상기 회전속도는 앞서 설명한 바와 같이 원하는 신호세분율(sampling rate)에 따라 적절히 결정될 수 있다. 상기 모터(140)의 회전속도에 따라 상기 광학계(132)가 각각의 상기 튜브(200)에 수용된 시료를 지나는 시간이 달라지지만 샘플링속도는 동일하기 때문에, 회전속도가 느릴수록 세분화된 형광신호 즉 신호세분율이 높은 신호를 획득할 수 있다. 따라서 회전속도가 빠를 때에 비하여 더 정확한 형광신호의 검출이 가능하다. 다만 회전속도가 너무 느려지면 검출효율이 떨어질 수 있기 때문에, 검출효율 및 검출정확도를 모두 고려하면서 적절한 최적의 회전속도를 결정하면 된다.
상기 광조사단계에서는, 상기 광학계(132)가 상기 튜브(200)에 수용된 상기 시료에 여기광을 조사한다. 시료에 여기광이 조사되면 전자가 여기되어 여기상태가 일정시간 유지되다가 바닥상태로 전이되면서 형광 광자가 생성된다.
상기 광검출단계에서는, 상기 광학계(132)가 상기 튜브(200)에 수용된 상기 시료에서 발생된 형광을 이용하여 상기 시료 내 표적물질을 검출한다.
이 때 상기 광조사단계 및 상기 광검출단계는 상기 광학계(132)가 계속해서 회전하고 있는 상태에서 이루어진다. 따라서 어떤 하나의 상기 튜브(200)에 광을 조사한 상기 광학계(132)가 반드시 동일한 상기 튜브(200)에서 발생된 형광을 검출하지 못할 수 있다. 그러나 앞서 설명한 바와 같이 상기 광학계(132) 및 상기 튜브(200)의 배치구조 및 상기 모터(140)의 회전속도 등을 모두 알고 있다면, 어느 시점에 상기 광학계(132)가 어느 튜브(200)에 위치하는지 등을 쉽게 파악할 수 있으므로, 적절한 신호처리를 통해 어느 시점에 어느 튜브(200)에 여기광이 조사되었으며 그 후 얼마만큼의 시간이 지난 후에 그 튜브(200)에서 형광이 발생하는지 등의 관계를 쉽게 파악할 수 있으므로, 어느 하나의 튜브(200)에 대하여 광을 조사하는 광학계(132)와 광을 검출하는 광학계(132)가 반드시 동일할 필요는 없다.
본 고안은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 고안의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 고안이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100 : PCR 장치
110 : 상부몸체 120 : 하부몸체
130 : 광학모듈
131 : 고정판 132 : 광학계
133 : 제1광학제어기판 134 : 제2광학제어기판
140 : 모터
200 : 튜브

Claims (4)

  1. 튜브(200)에 수용된 시료를 가열 및 냉각하여 PCR(polymerase chain reaction) 반응을 발생시키며, 상기 시료에 여기광을 조사하여 발생된 형광을 이용하여 상기 시료 내 표적물질을 검출하는 PCR 장치(100)에 구비되는 광학모듈(130)에 있어서,
    원형으로 형성되는 고정판(131),
    원형으로 방사상 등간격 배치되며 각각 개별적으로 광 조사 및 검출을 수행하는 복수 개의 광학계(132)로 이루어져 상기 고정판(131) 상에 구비되는 배열체,
    상기 배열체의 상면에 구비되어 상기 배열체의 상면을 지지하면서 상기 광학계(132)의 광 조사 및 검출동작을 제어하는 제1광학제어기판(133),
    상기 제1광학제어기판(133)의 상면에 적층 구비되어 상기 광학계(132)의 광 조사 및 검출동작에 맞추어 모터(140)와의 연계동작을 제어하는 제2광학제어기판(134)
    을 포함하며,
    상기 제2광학제어기판(134) 상에서 상기 복수 개의 광학계(132) 각각에 상응하는 위치에 접속단자가 형성되고, 상기 제1광학제어기판(133) 및 상기 고정판(131) 상에서 상기 복수 개의 광학계(132) 각각에 상응하는 위치에 통공이 형성되어,
    상기 제2광학제어기판(134) 상의 접속단자에 상기 광학계(132) 상단에 형성되는 연결단자가 접속연결되고, 상기 제1광학제어기판(133) 상의 통공에 상기 광학계(132)의 상부가 끼워져 고정되고, 상기 고정판(131) 상의 통공에 상기 광학계(132)의 하부가 끼워져 고정됨으로써,
    상기 광학계(132)가 상기 제2광학제어기판(134), 상기 제1광학제어기판(133) 및 상기 고정판(131)에 의해 위치가 고정되도록 형성되고,
    상기 광학모듈(130)이 기결정된 주기로 각각의 상기 튜브(200)에 수용된 상기 시료에 대하여 광 조사 및 검출이 수행되도록 모터(140)에 의해 회전되도록 형성되되,
    상기 제2광학제어기판(134), 상기 제1광학제어기판(133), 상기 고정판(131) 중심에 통공이 형성되어 상기 모터(140)가 상기 제2광학제어기판(134), 상기 제1광학제어기판(133), 상기 고정판(131)의 적층체 중심에 형성된 통공에 수용 배치되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 PCR 장치의 광학모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 모터(140)는,
    원하는 신호세분율(sampling rate)에 따라 상기 모터(140)의 회전속도가 조절되는 것을 특징으로 하는 PCR 장치의 광학모듈.
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