KR20240037491A - 유전자 증폭 칩, 유전자 증폭 장치 및 생체입자 분석 장치 - Google Patents

유전자 증폭 칩, 유전자 증폭 장치 및 생체입자 분석 장치 Download PDF

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윤형준
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Abstract

유전자 증폭 칩, 유전자 증폭 장치 및 생체입자 분석 장치에 관한 것이다. 일 실시예에 따른 유전자 증폭 칩은 챔버층과, 커버층과, 바닥층과, 주입구, 및 배출구를 포함한다. 챔버층은 제1 통로와, 제1 통로의 한쪽에 샘플 용액이 분할되어 수용되는 관통홀들을 포함한다. 커버층은 제1 통로와 관통홀들과 통하게 형성된 커버 채널을 포함하고, 챔버층의 한쪽에 배치된다. 바닥층은 제1 통로와 관통홀들과 통하게 형성된 바닥 채널을 포함하고, 챔버층의 다른 쪽에 배치된다. 주입구는 커버층에 커버 채널과 통하게 형성된다. 배출구는 커버 채널과 바닥 채널 중 어느 한쪽과 통하게 형성된다.

Description

유전자 증폭 칩, 유전자 증폭 장치 및 생체입자 분석 장치{GENE AMPLIFICATION CHIP, APPARATUS FOR GENE AMPLIFICATION AND APPARATUS FOR ANALYZING BIO-PARTICLE}
유전자 증폭 칩, 유전자 증폭 장치 및 생체입자 분석 장치와 관련된다.
임상 혹은 환경과 관련된 시료의 분석은 일련의 생화학적, 화학적, 기계적 처리과정을 통하여 이루어진다. 최근에는 생물학적인 시료의 진단이나 모니터링을 위한 기술개발이 상당한 관심을 끌고 있다. 최근 핵산을 기반으로 한 분자진단 방법은 그 정확도 및 민감도가 우수하여 감염성 질환이나 암진단, 약물유전체학, 신약 개발 등에서 활용도가 상당히 증가하고 있다.
중합효소연쇄반응(Polymerase Chain Reaction, PCR)은 핵산(nucleic acid)을 증폭시키는 기술로서 분자생물학적(molecular biological) 진단법에서 사용되는 핵심 기술이다. PCR은 특정 염기서열을 증폭하여 타겟을 검출하는 방법으로 가열과 냉각을 반복하여 염기서열을 복제하는 효소를 활성화하거나 억제시킨다. PCR은 유전자를 증폭하여 검체에서 타겟 DNA 유무를 판단하는 기술로 PCR 과정 간소화를 통해 시간을 단축시켜 사용 편의성을 도모하고 PCR 시스템을 소형화하여 현장진단 또는 개인진단에 적용하려는 연구가 이루어지고 있다.
대한민국 공개특허공보 10-2015-0132852 (2015.11.26.)
PCR 과정 간소화를 통해 시간을 단축시켜 사용 편의성을 도모할 수 있게 하는 유전자 증폭 칩, 유전자 증폭 장치 및 생체입자 분석 장치가 제시된다.
일 양상에 따르면, 유전자 증폭 칩은 제1 통로와 제1 통로의 한쪽에 샘플 용액이 분할되어 수용되는 관통홀들을 포함하는 챔버층과, 제1 통로와 관통홀들과 통하게 형성된 커버 채널을 포함하고 챔버층의 한쪽에 배치되는 커버층과, 제1 통로와 관통홀들과 통하게 형성된 바닥 채널을 포함하고 챔버층의 다른 쪽에 배치되는 바닥층과, 커버층에 커버 채널과 통하게 형성된 주입구(inlet), 및 커버 채널과 바닥 채널 중 어느 한쪽과 통하게 형성된 배출구(outlet)를 포함할 수 있다.
여기서, 주입구는 제1 통로로부터 벗어나 관통홀들 쪽에 가깝게 배치될 수 있다. 제1 통로와 커버 채널은 샘플 용액이 주입구로부터 커버 채널로 이동해서 관통홀들에 분할되어 수용된 후, 샘플 용액보다 표면 장력이 작은 오일이 주입구로부터 커버 채널과 제1 통로와 바닥 채널로 이동해서 채워지게 형성될 수 있다.
제1 통로의 단면은 주입구에 연결된 커버 채널 영역의 단면보다 클 수 있다. 여기서, 제1 통로의 단면은 통로 폭과 통로 길이의 곱으로 정의되고, 커버 채널 영역의 단면은 채널 높이와 채널 길이의 곱으로 정의되는 경우, 통로 길이와 채널 길이가 동일한 방향으로 동일한 길이로 이루어지며, 통로 폭이 채널 높이보다 클 수 있다.
커버 채널의 단면은 관통홀의 단면보다 클 수 있다. 관통홀의 단면은 육각형, 사각형, 삼각형, 원형 중 어느 하나의 형상으로 이루어질 수 있다.
챔버층은 관통홀들을 사이에 두고 제1 통로의 반대 쪽에 형성된 제2 통로를 더 포함할 수 있다. 배출구는 제2 통로와 마주하게 배치될 수 있다. 배출구는 커버층에 형성될 수 있다. 배출구는 바닥층에 형성될 수 있다.
챔버층과 커버층 및 바닥층은 각각 별개로 형성되어 접합될 수 있다. 챔버층과 바닥층은 일체로 형성되어 커버층과 접합될 수 있다. 챔버층과 커버층 및 바닥층은 실리콘, 메탈, 글라스, 폴리머 중 어느 하나의 재질로 각각 형성될 수 있다. 커버층은 투명 재질로 형성될 수 있다.
일 양상에 따르면, 유전자 증폭 장치는 유전자 증폭 칩과, 열원, 및 열원 제어부를 포함할 수 있다. 유전자 증폭 칩은 제1 통로와 제1 통로의 한쪽에 샘플 용액이 분할되어 수용되는 관통홀들을 포함하는 챔버층과, 제1 통로와 관통홀들과 통하게 형성된 커버 채널을 포함하고 챔버층의 한쪽에 배치되는 커버층과, 제1 통로와 관통홀들과 통하게 형성된 바닥 채널을 포함하고 챔버층의 다른 쪽에 배치되는 바닥층과, 커버층에 커버 채널과 통하게 형성된 주입구, 및 커버 채널과 바닥 채널 중 어느 한쪽과 통하게 형성된 배출구를 포함할 수 있다. 열원은 유전자 증폭 칩을 가열하여 샘플 용액에 유전자 증폭 반응이 일어나도록 한다. 열원 제어부는 열원에 의한 가열 온도와 가열 시간을 제어할 수 있다.
여기서, 열원은 광을 조사하는 광원, 및 바닥층 외부에 부착된 상태로 광원으로부터 조사되는 광을 열로 변환해서 유전자 증폭 칩을 가열하는 광열 필름을 포함할 수 있다. 열원은 열전 소자를 포함할 수 있다.
일 양상에 따르면, 생체입자 분석 장치는 샘플 용액의 유전자 증폭 반응이 일어나는 유전자 증폭 장치와, 샘플 용액의 유전자 증폭 반응에 따라 발생하는 신호를 검출하는 검출부, 및 검출된 신호를 기초로 생체입자를 분석하는 프로세서를 포함하며, 유전자 증폭 장치는 유전자 증폭 칩과, 열원, 및 열원 제어부를 포함할 수 있다.
유전자 증폭 칩은 제1 통로와 제1 통로의 한쪽에 샘플 용액이 분할되어 수용되는 관통홀들을 포함하는 챔버층과, 제1 통로와 관통홀들과 통하게 형성된 커버 채널을 포함하고 챔버층의 한쪽에 배치되는 커버층과, 제1 통로와 관통홀들과 통하게 형성된 바닥 채널을 포함하고 챔버층의 다른 쪽에 배치되는 바닥층과, 커버층에 커버 채널과 통하게 형성된 주입구, 및 커버 채널과 바닥 채널 중 어느 한쪽과 통하게 형성된 배출구를 포함할 수 있다. 열원은 유전자 증폭 칩을 가열하여 샘플 용액에 유전자 증폭 반응이 일어나도록 한다. 열원 제어부는 열원에 의한 가열 온도와 가열 시간을 제어할 수 있다.
여기서, 프로세서는 형광 신호가 관측되는 관통홀의 개수를 측정해서 샘플 용액의 농도를 계산할 수 있다.
샘플 용액과 오일의 표면 장력이 서로 다른 특성을 이용하여, 샘플 용액을 간편하게 분할할 수 있는 유전자 증폭 칩과 이를 포함한 유전자 증폭 장치 및 생체입자 분석 장치가 제시됨으로써, PCR 과정 간소화를 통해 시간을 단축시켜 사용 편의성을 도모할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 유전자 증폭 칩에 대한 사시도이다.
도 2는 도 1에 대한 분해 사시도이다.
도 3은 도 1에 대한 평면도이다.
도 4는 도 3의 A 선을 따라 절취한 단면도이다.
도 5는 도 3의 B 선을 따라 절취한 단면도이다.
도 6은 도 3의 C 선을 따라 절취한 단면도이다.
도 7a 내지 도 7c는 유전자 증폭 칩의 작용 원리를 설명하기 위한 도면들이다.
도 8a 내지 8g는 유전자 증폭 칩에 샘플 용액 및 오일을 채우는 과정의 일 실시예를 나타낸 도면들이다.
도 9a 내지 도 9d는 유전자 증폭 칩에 샘플 용액을 채우는 과정의 다른 실시예를 나타낸 도면들이다.
도 10a 내지 도 10d는 유전자 증폭 칩에 샘플 용액 및 오일을 채우는 과정의 또 다른 실시예를 나타낸 도면들이다.
도 11은 배출구가 바닥층에 형성된 예를 나타낸 단면도이다.
도 12은 챔버층에 제2 통로가 생략된 예를 나타낸 단면도이다.
도 13는 일 실시예에 따른 유전자 증폭 장치에 대한 구성도이다.
도 14는 다른 실시예에 따른 유전자 증폭 장치에 대한 구성도이다.
도 15는 다른 예의 열원을 포함한 유전자 증폭 장치에 대한 구성도이다.
도 16은 일 실시예에 따른 생체입자 분석 장치에 대한 구성도이다.
도 17은 다른 실시예에 따른 생체입자 분석 장치에 대한 구성도이다.
도 18은 생체입자 분석 장치에 의한 분석 방법의 일 실시예를 나타낸 흐름도이다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 기재된 기술의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 유전자 증폭 칩에 대한 사시도이다. 도 2는 도 1에 대한 분해 사시도이다. 도 3은 도 1에 대한 평면도이다. 도 4는 도 3의 A 선을 따라 절취한 단면도이다. 도 5는 도 3의 B 선을 따라 절취한 단면도이다. 도 6은 도 3의 C 선을 따라 절취한 단면도이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 유전자 증폭 칩(100)은 챔버층(110)과, 커버층(120)과, 바닥층(130)과, 주입구(140), 및 배출구(150)를 포함할 수 있다.
챔버층(110)은 제1 통로(111)와, 제1 통로(111)의 한쪽에 샘플 용액이 분할되어 수용되는 관통홀(112)들을 포함할 수 있다. 챔버층(110)은 챔버 베이스(110a)에 제1 통로(111)와 관통홀(112)들이 형성된 구조로 이루어질 수 있다. 챔버층(110)은 챔버 베이스(110a)가 수평으로 나란히 놓인 기준으로, 제1 통로(111)가 챔버 베이스(110a)를 수직으로 관통해서 형성되고, 관통홀(112)들도 각각 챔버 베이스(110a)를 수직으로 관통해서 형성될 수 있다.
챔버 베이스(110a)는 일정한 두께를 가질 수 있다. 제1 통로(111)는 챔버 베이스(110a)의 한쪽 가장자리에 형성될 수 있다. 제1 통로(111)는 일정한 단면을 갖게 챔버 베이스(110a)를 관통해서 형성될 수 있다. 제1 통로(111)의 단면은 사각형, 원형 등과 같이 다양한 형상으로 이루어질 수 있다. 즉, 제1 통로(111)는 사각형 기둥, 원형 기둥 등으로 이루어질 수 있다. 제1 통로(111)는 주입구(140)를 통해 주입되는 오일을 통과시켜 바닥층(130)의 바닥 채널(131)로 이동할 수 있게 한다.
관통홀(112)들은 제1 통로(111)의 한쪽에 군집된 형태로 배열되어 관통홀 어레이(113)를 이룰 수 있다. 관통홀 어레이(113)는 챔버 베이스(110a)의 중앙 쪽에 위치될 수 있다. 챔버 베이스(110a)는 제1 통로(111)와 관통홀 어레이(113) 사이에 제1 비통공 영역(114)을 가질 수 있다.
관통홀 어레이(113)는 제1 비통공 영역(114)을 사이에 두고 제1 통로(111)로부터 이격될 수 있다. 관통홀(112)들은 X축, Y축 방향으로 일정 간격으로 배열될 수 있다. 관통홀(112)들은 Y축 방향보다 X축 방향으로 더 길게 배열될 수 있으나, 더 짧게 배열될 수도 있고, Y축 방향과 X축 방향으로 동일한 길이로 배열될 수도 있으므로, 이에 한정되는 것은 아니다.
관통홀(112)들은 모두 동일한 크기로 이루어질 수 있다. 관통홀(112)들은 각각 일정한 단면을 갖게 챔버 베이스(110a)를 관통해서 형성될 수 있다. 관통홀(112)의 단면은 육각형, 사각형, 삼각형, 원형 등과 같이 다양한 형상으로 이루어질 수 있다. 즉, 관통홀(112)은 육각형 기둥, 사각형 기둥, 원형 기둥 등으로 이루어질 수 있다.
관통홀(112)은 수십 개 이상으로 이루어질 수 있다. 관통홀(112)의 부피는 10pL 이상일 수 있다. 관통홀(112)의 개수와 부피는 예시된 바에 한정되지 않는다. 관통홀(112)들은 주입구(140)를 통해 커버층(120)의 커버 채널(121)로 이동하는 샘플 용액을 각각 나눠 수용할 수 있게 한다.
챔버층(110)은 관통홀(112)들을 사이에 두고 제1 통로(111)의 반대 쪽에 형성된 제2 통로(115)를 더 포함할 수 있다. 관통홀 어레이(113)는 제1 통로(111)와 제2 통로(115) 사이에 위치된다. 챔버 베이스(110a)는 제2 통로(115)와 관통홀 어레이(113) 사이에 제2 비통공 영역(116)을 가질 수 있다. 관통홀 어레이(113)는 제2 비통공 영역(116)을 사이에 두고 제2 통로(115)로부터 이격될 수 있다.
챔버 베이스(110a)가 수평으로 나란히 놓인 기준으로, 제2 통로(115)는 챔버 베이스(110a)를 수직으로 관통해서 형성될 수 있다. 제2 통로(115)는 일정한 단면을 갖게 챔버 베이스(110a)를 관통해서 형성될 수 있다. 제2 통로(115)의 단면은 사각형, 원형 등과 같이 다양한 형상으로 이루어질 수 있다. 즉, 제2 통로(115)는 사각형 기둥, 원형 기둥 등으로 이루어질 수 있다. 제2 통로(115)는 커버층(120)의 커버 채널(121)과 바닥층(130)의 바닥 채널(131) 간에 오일이 이동할 수 있게 한다.
커버층(120)은 제1 통로(111)와 관통홀(112)들과 통하게 형성된 커버 채널(121)을 포함하고, 커버층(120)은 챔버층(110)의 한쪽에 배치될 수 있다. 커버층(120)은 하면에 커버 채널(121)이 형성될 수 있다. 커버층(120)은 커버 채널(121)이 챔버층(110)을 향한 상태로 챔버층(110)의 상측에 배치될 수 있다.
커버 채널(121)은 제1 통로(111)로부터 관통홀 어레이(113)를 거쳐 제2 통로(115)까지 연속되게 홈진 형태로 이루어질 수 있다. 커버층(120)이 수평으로 나란히 놓인 기준으로, 커버 채널(121)은 제1 통로(111)로부터 제2 통로(115)까지 일정한 높이를 갖게 형성될 수 있다.
커버 채널(121)은 제1 통로(111)와 제1 비통공 영역(114)에 걸쳐 대응되는 영역의 Y축 방향 길이가 제1 통로(111)의 Y축 방향 길이와 동일할 수 있다. 커버 채널(121)은 제2 통로(115)와 제2 비통공 영역(116)에 걸쳐 대응되는 영역의 Y축 방향 길이가 제2 통로(115)의 Y축 방향 길이와 동일할 수 있다.
커버 채널(121)은 주입구(140)를 통해 주입되는 샘플 용액이 이동하여 관통홀(112)들에 수용될 수 있게 한다. 커버 채널(121)은 샘플 용액이 관통홀(112)들에 수용된 후, 주입구(140)를 통해 주입되는 오일이 채워질 수 있게 함으로써, 관통홀(112)들의 상측 개구가 오일에 의해 밀폐될 수 있게 한다. 커버 채널(121)의 단면은 관통홀(112)의 단면보다 크게 설정됨으로써, 샘플 용액과 오일의 이동을 원활하게 할 수 있다.
바닥층(130)은 제1 통로(111)와 관통홀(112)들과 통하게 형성된 바닥 채널(131)을 포함하고, 챔버층(110)의 다른 쪽에 배치될 수 있다. 바닥층(130)은 상면에 바닥 채널(131)이 형성될 수 있다. 바닥층(130)은 바닥 채널(131)이 챔버층(110)을 향한 상태로 챔버층(110)의 하측에 배치될 수 있다.
바닥 채널(131)은 제1 통로(111)로부터 관통홀 어레이(113)를 거쳐 제2 통로(115)까지 연속되게 홈진 형태로 이루어질 수 있다. 바닥층(130)이 수평으로 나란히 놓인 기준으로, 바닥 채널(131)은 제1 통로(111)로부터 제2 통로(115)까지 일정한 높이를 갖게 형성될 수 있다.
바닥 채널(131)은 제1 통로(111)와 제1 비통공 영역(114)에 걸쳐 대응되는 영역의 Y축 방향 길이가 제1 통로(111)의 Y축 방향 길이와 동일할 수 있다. 바닥 채널(131)은 제2 통로(115)와 제2 비통공 영역(116)에 걸쳐 대응되는 영역의 Y축 방향 길이가 제2 통로(115)의 Y축 방향 길이와 동일할 수 있다. 바닥 채널(131)은 커버 채널(121)과 동일한 형상으로 이루어질 수 있다.
바닥 채널(131)은 샘플 용액이 관통홀(112)들에 수용된 후, 주입구(140)를 통해 주입되는 오일이 채워질 수 있게 함으로써, 관통홀(112)들의 하측 개구가 오일에 의해 밀폐될 수 있게 한다. 바닥 채널(131)은 오일의 이동을 원활하게 할 수 있는 크기의 단면을 가질 수 있다.
주입구(140)는 커버층(120)에 커버 채널(121)과 통하게 형성될 수 있다. 주입구(140)는 Y축 방향으로 동일한 길이 또는 짧은 길이로 커버 채널(121)과 연결될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 커버층(120)이 수평으로 나란히 놓인 기준으로, 주입구(140)는 일정 단면을 갖게 커버층(120)을 수직으로 관통해서 형성될 수 있다. 다만, 주입구(140)는 커버 채널(121)로 갈수록 단면이 점진적으로 커지거나 작아지는 등 일정하지 않게 형성될 수도 있으므로, 이에 한정되지 않는다. 주입구(140)의 단면은 원형, 사각형 등과 같이 다양한 형상으로 이루어질 수 있다.
주입구(140)는 샘플 용액과 오일을 커버 채널(121)로 주입할 수 있게 한다. 샘플 용액은 RNA(ribonucleic acid), DNA(deoxyribonucleic acid), PNA(peptide nucleic acid), LNA(locked nucleic acid) 중의 하나 또는 둘 이상의 복합체(duplex), 올리고펩티드(oligopeptide), 단백질(protein) 및 톡신(toxin) 등을 포함할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 샘플 용액은 호흡기 분비물, 혈액, 소변, 땀, 눈물, 침 중의 적어도 하나를 포함하는 체액(bio-fluid), 폐결핵(upper respiratory tract)의 스왑(swab) 샘플, 또는 이러한 체액이나 스왑 샘플 등을 다른 매질에 분산시킨 용액을 포함할 수 있다. 여기서, 다른 매질은 물, 식염수, 알코올, 인산 완충 식염수, 바이러스 전달 매체(vital transport media) 등을 포함하며, 이에 한정되는 것은 아니다.
오일은 관통홀(112)들에 수용된 샘플 용액이 서멀 사이클링 동안 증발되는 것을 막고, 샘플 용액과 기체 간의 접촉을 방지할 수 있게 한다. 오일은 미네랄 오일 등으로 이루어질 수 있다. 오일은 샘플 용액보다 낮은 표면 장력을 가질 수 있다.
주입구(140)는 제1 통로(111)로부터 벗어나 관통홀(112)들 쪽에 가깝게 배치될 수 있다. 주입구(140)는 제1 통로(111)와 관통홀 어레이(113) 사이의 제1 비통공 영역(114)에 마주하게 배치될 수 있다. 주입구(140)를 통해 주입된 샘플 용액은 제1 비통공 영역(114)에 부착되어, 제1 통로(111)로 곧바로 빠지는 것이 방지될 수 있다.
샘플 용액과 오일은 능동/수동 구동 장치 등에 의해 주입구(140)를 통해 커버 채널(121)로 주입될 수 있다. 여기서, 능동(active)/수동(passive) 구동 장치는 수동 진공 펌프(passive vacuum void pump), 시린지 펌프(syringe pump), 진공 펌프(vacuum pump), 공기 펌프(pneumatic pump) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
샘플 용액은 가열, 화학적 처리, 마그네틱 비드(magnet beads)를 이용한 처리, 고상 추출(solid phase extraction), 초음파를 이용한 처리 등의 전처리 과정을 거친 후 관통홀(112)들에 채워질 수 있다.
배출구(150)는 커버 채널(121)과 바닥 채널(131) 중 어느 한쪽과 통하게 형성될 수 있다. 일 예로, 배출구(150)는 커버층(120)에 형성되어 커버 채널(121)과 통할 수 있다. 배출구(150)는 Y축 방향으로 동일한 길이로 커버 채널(121)과 연결될 수 있다. 커버층(120)이 수평으로 나란히 놓인 기준으로, 배출구(150)는 일정 단면을 갖게 커버층(120)을 수직으로 관통해서 형성될 수 있다. 배출구(150)의 단면은 원형, 사각형 등과 같이 다양한 형상으로 이루어질 수 있다.
배출구(150)는 제2 비통공 영역(116)과 마주하게 배치될 수 있다. 샘플 용액이 관통홀(112)들에 채워지고 커버 채널(121)에 남은 경우, 잔여 샘플 용액은 제2 비통공 영역(116)으로부터 배출구(150)로 원활하게 배출될 수 있다. 잔여 샘플 용액은 배출구(150)를 통해 모세관 배수(capillary drainage) 등에 의해 제거될 수 있다.
배출구(150)는 제2 통로(115)와 마주하게 배치될 수 있다. 배출구(150)는 제2 비통공 영역(116)과 제2 통로(115)에 걸쳐 대응되게 배치될 수 있다. 바닥 채널(131)로 이동한 오일은 제2 통로(115)를 거쳐 배출구(150)를 통해 원활하게 배출될 수 있다.
유전자 증폭 칩(100)의 챔버층(110)과 커버층(120) 및 바닥층(130)은 실리콘(silicon), 메탈(metal), 글라스(glass), 폴리머(polymer) 등의 재질로 각각 형성될 수 있다.
다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 챔버층(110)과 커버층(120) 및 바닥층(130)은 세라믹(ceramic), 그래파이트(graphite) 등의 무기물, 아크릴계, PET(PolyEthylene Terephtalate), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리스틸렌(polystylene), 폴리프로필렌(polypropylene) 등의 물질로 이루어질 수도 있다. 커버층(120)은 글라스 등의 투명 재질로 형성되어 광투과성을 가질 수 있다.
챔버층(110)과 커버층(120) 및 바닥층(130)은 각각 별개로 형성되어 접합될 수 있다. 일 예로, 챔버층(110)과 바닥층(130)은 실리콘 재질로 각각 이루어져 융합 접합(fusion bonding)에 의해 접착되고, 커버층(120)은 글라스 재질로 이루어져 양극 접합(anodic bonding)에 의해 챔버층(110)에 접합될 수 있다. 또는, 챔버층(110)과 커버층(120) 및 바닥층(130) 중 연속된 2개의 층이 일체로 형성되어 나머지 층에 접합될 수 있다. 예컨대, 챔버층(110)과 바닥층(130)은 일체로 형성되어 커버층(120)과 접합될 수도 있다.
챔버층(110)과 바닥층(130)의 두께의 합은 1mm 이하일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않는다. 챔버층(110)과 바닥층(130)으로 사용된 재질의 열전도율 등을 고려하여, 챔버층(110)과 바닥층(130)의 전체 두께 또는 챔버층(110)과 바닥층(130)의 각 두께가 다양하게 설정될 수 있다.
챔버층(110)과 커버층(120) 및 바닥층(130)은 각각 열전도율이 서로 다른 재질로 형성될 수 있다. 예컨대, 커버층(120), 챔버층(110) 및 바닥층(130)으로 갈수록 점차 열전도율이 높은 재질이 사용될 수 있다. 또는, 챔버층(110)과 바닥층(130)은 커버층(120)에 비해 상대적으로 높은 열전도율을 갖는 재질로 형성될 수 있다. 챔버층(110)과 커버층(120) 및 바닥층(130)은 관통홀(112)들 내의 샘플 용액에 열을 효과적으로 전달하는 범주에서 다양하게 구성될 수 있다.
샘플 용액이 챔버층(110)의 관통홀(112)들에 채워지면 챔버층(110)에서 유전자 증폭 반응이 일어날 수 있다. 이때, 챔버층(110)에서 RNA 샘플을 역전사 효소를 이용하여 역전사하는 과정이 수행될 수도 있다. 유전자 증폭반응은 예컨대 PCR 증폭 및 등온 증폭 중의 적어도 하나를 포함하는 핵산 증폭 반응, 산화-환원 반응 및 가수분해 반응 등을 포함할 수 있다.
챔버층(110)은 관통홀 어레이(113)를 복수 개로 포함하며, 관통홀 어레이(113)의 개수에 맞게 형성된 제1,2 통로(111, 115)를 포함할 수 있다. 커버층(120)도 관통홀 어레이(113)의 개수에 맞게 형성된 커버 채널(121)과 주입구(140) 및 배출구(150)를 포함할 수 있다. 바닥층(130)도 관통홀 어레이(113)의 개수에 맞게 형성된 바닥 채널(131)을 포함할 수 있다.
따라서, 유전자 증폭 칩(100)은 1개의 조를 이루는 관통홀 어레이(113)와 제1,2 통로(111, 115)와 주입구(140) 및 배출구(150)를 복수 개의 조로 포함하도록 구성될 수 있다. 유전자 증폭 칩(100)은 복수의 관통홀 어레이(113)들에 각기 다른 샘플 용액을 수용해서 동시에 증폭 반응시킬 수 있으므로, 효율성을 높일 수 있다.
유전자 증폭 칩(100)의 제1 통로(111)와 커버 채널(121)은 샘플 용액이 주입구(140)로부터 커버 채널(121)로 이동해서 관통홀(112)들에 분할되어 수용된 후, 샘플 용액보다 표면 장력이 작은 오일이 주입구(140)로부터 커버 채널(121)과 제1 통로(111)와 바닥 채널(131)로 이동해서 채워지게 형성될 수 있다.
예컨대, 제1 통로(111)의 단면은 주입구(140)에 연결된 커버 채널(121) 영역의 단면보다 클 수 있다. 여기서, 제1 통로(111)의 단면은 통로 폭과 통로 길이의 곱으로 정의되고, 커버 채널(121) 영역의 단면은 채널 높이와 채널 길이의 곱으로 정의되는 경우, 통로 길이와 채널 길이가 동일한 방향으로 동일한 길이로 이루어지며, 통로 폭이 채널 높이보다 클 수 있다.
그에 따라, 샘플 용액은 주입구(140)로부터 제1 비통공 영역(114)으로 이동한 후, 오일보다 높은 표면 장력에 의해 제1 통로(111)로 이동하지 않은 채, 제1 비통공 영역(114)으로부터 관통홀 어레이(113)로 커버 채널(121)을 따라 이동하면서 관통홀(112)들에 채워질 수 있다.
또한, 제2 통로(115)의 단면은 배출구(150)에 연결된 커버 채널(121) 영역의 단면보다 클 수 있다. 잔여 샘플 용액은 제2 비통공 영역(116)으로부터 제2 통로(115)로 이동하지 않은 채, 배출구(150)를 통해 배출될 수 있다.
도 7a 내지 도 7c는 유전자 증폭 칩의 작용 원리를 설명하기 위한 도면들이다. 여기서, 제1 통로(111)의 단면은 통로 폭(
Figure pat00001
)과 통로 길이(
Figure pat00002
)의 곱으로 정의되고, 커버 채널(121) 영역의 단면은 채널 높이(
Figure pat00003
)와 채널 길이(
Figure pat00004
)의 곱으로 정의될 수 있다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 통로 길이(
Figure pat00005
)와 채널 길이(
Figure pat00006
)가 동일한 방향으로 동일한 길이(
Figure pat00007
)로 이루어질 수 있다. 도 7b는 액체(1)가 주입구(140)를 통해 주입되어 커버 채널(121)을 따라 제1 비통공 영역(114)과 제1 통로(111)의 경계까지 이동한 상태를 나타낸다. 도 7c는 액체(1)가 주입구(140)를 통해 주입되어 커버 채널(121)을 따라 제1 비통공 영역(114)으로부터 제1 통로(111)의 상측으로 이동한 상태를 나타낸다.
액체(1)가 도 7b의 상태에서 도 7c의 상태로 진행하기 위해서는 표면 에너지가 감소해야 한다. 예컨대, 도 7b의 상태에서 표면 에너지가
Figure pat00008
이라 정의하고, 도 7c의 상태에서 표면 에너지가
Figure pat00009
라고 정의한다.
Figure pat00010
이면, 액체(1)가 도 7b의 상태에서 도 7c의 상태로 진행한다.
Figure pat00011
,
Figure pat00012
,
Figure pat00013
에 대한 식은 다음과 같다.
Figure pat00014
Figure pat00015
Figure pat00016
여기서,
Figure pat00017
는 액체의 표면 장력,
Figure pat00018
는 커버층의 채널 높이,
Figure pat00019
는 챔버층의 통로 폭,
Figure pat00020
은 커버층의 채널 길이/챔버층의 통로 길이,
Figure pat00021
는 커버층 벽면과 공기 사이의 표면 장력,
Figure pat00022
는 커버층 벽면과 액체 사이의 표면 장력,
Figure pat00023
은 0보다 큰 수이다.
챔버층의 통로 폭(
Figure pat00024
)이 커버층의 채널 높이(
Figure pat00025
)보다 작을 경우,
Figure pat00026
는 0보다 작으므로, 액체(1)는 제1 통로(111)를 지나 바닥 채널(131)로 흐르게 된다. 챔버층의 통로 폭(
Figure pat00027
)이 커버층의 채널 높이(
Figure pat00028
)보다 클 경우, 액체(1)의 이동은 액체의 표면 장력(
Figure pat00029
)에 따라 결정된다.
Figure pat00030
가 음수가 되게 액체의 표면 장력(
Figure pat00031
)이 낮은 액체는 제1 통로(111)를 지나 바닥 채널(131)로 흐르게 된다.
Figure pat00032
가 양수가 되게 액체의 표면 장력(
Figure pat00033
)이 높은 액체는 제1 통로(111)를 지나지 않고 커버 채널(121)로만 흐르게 된다.
통상적으로, 샘플 용액의 표면 장력은 대략 70mN/m이고, 오일의 표면 장력은 대략 30mN/m이다. 따라서, 전술한 원리를 이용하여, 챔버층의 통로 폭(
Figure pat00034
)이 커버층의 채널 높이(
Figure pat00035
)보다 크게 설정되면, 높은 표면 장력을 갖는 샘플 용액은 제1 통로(111)를 지나지 않고 커버 채널(121)로만 흐를 수 있게 되며, 낮은 표면 장력을 갖는 오일은 제1 통로(111)를 지나 바닥 채널(131)로 흐를 수 있게 된다. 일 예로, 커버층의 채널 높이(
Figure pat00036
)가 대략 100㎛로 설정될 경우, 챔버층의 통로 폭(
Figure pat00037
)은 대략 700㎛로 설정될 수 있다.
도 8a 내지 8g는 유전자 증폭 칩에 샘플 용액 및 오일을 채우는 과정의 일 실시예를 나타낸 도면들이다.
도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 샘플 용액(10)이 주입구(140)를 통해 커버 채널(121)로 주입된다. 그러면, 샘플 용액(10)은 제1 비통공 영역(114)에 부착된 후, 제1 통로(111)로 흘러가지 않은 채, 제1 비통공 영역(114)으로부터 관통홀 어레이(113)로 커버 채널(121)을 따라 이동하면서 관통홀(112)들에 채워지기 시작한다. 이후, 도 8c에 도시된 바와 같이, 샘플 용액(10)은 커버 채널(121)을 따라 이동하면서 관통홀(112)들에 모두 채워진다. 이후, 도 8d에 도시된 바와 같이, 관통홀(112)들에 채워지지 않은 잔여 샘플 용액(10)은 제2 비통공 영역(116)으로부터 배출구(150)를 통해 제거된다.
이후, 도 8e에 도시된 바와 같이, 오일(20)이 주입구(140)를 통해 커버 채널(121)로 주입된다. 그러면, 일부 오일(20)은 커버 채널(121)을 채우기 시작하고, 나머지 오일(20)은 제1 통로(111)를 지나 바닥 채널(131)을 채우기 시작한다. 이후, 도 8f 및 도 8g에 도시된 바와 같이, 바닥 채널(131)을 채운 오일(20)은 제2 통로(115)을 지나 커버 채널(121)로 이동한 후, 커버 채널(121)을 채운 오일(20)과 합류해서 배출구(150)에 도달한다. 이후, 배출구(150)와 주입구(140)는 밀봉 처리될 수 있다.
도 9a 내지 도 9d는 유전자 증폭 칩에 샘플 용액을 채우는 과정의 다른 실시예를 나타낸 도면들이다.
도 9a 내지 도 9d에 도시된 바와 같이, 샘플 용액(10)은 관통홀(112)들의 전체 부피만큼 주입구(140)를 통해 커버 채널(121)로 주입된다. 그러면, 샘플 용액(10)은 제1 비통공 영역(114)으로부터 관통홀 어레이(113)로 커버 채널(121)을 따라 이동하면서 관통홀(112)들에 순차적으로 채워진다. 이후, 주입구(140)를 통해 커버 채널(121)과 바닥 채널(131)에 오일이 채워진다.
도 10a 내지 도 10d는 유전자 증폭 칩에 샘플 용액 및 오일을 채우는 과정의 또 다른 실시예를 나타낸 도면들이다.
도 10a 내지 도 10c에 도시된 바와 같이, 주입구(140)를 통해 샘플 용액(10), 공기(30), 오일(20)이 순차적으로 커버 채널(121)에 주입된다. 그러면, 샘플 용액(10)은 제1 비통공 영역(114)에 부착된 후, 공기(30)와 오일(20)에 의해 밀려 관통홀 어레이(113)로 커버 채널(121)을 따라 이동하면서 관통홀(112)들에 모두 채워진다. 도 10d에 도시된 바와 같이, 오일(20)은 커버 채널(121)과 바닥 채널(131)로 계속 이동하여 커버 채널(121)과 바닥 채널(131)에 모두 채워진다.
한편, 다른 양상으로, 도 11에 도시된 바와 같이, 배출구(250)는 바닥층(230)에 형성될 수 있다. 이 경우, 샘플 용액은 관통홀(112)들의 전체 부피만큼 주입구(140)를 통해 커버 채널(121)에 주입되어 관통홀(112)들에 모두 채워진다. 이후, 오일이 주입구(140)를 통해 커버 채널(121)로 주입되면, 일부 오일은 커버 채널(121)을 채우기 시작하고, 나머지 오일은 제1 통로(111)를 지나 바닥 채널(131)을 채우기 시작한다. 커버 채널(121)을 채운 오일은 제2 통로(115)를 지나 바닥 채널(131)로 이동한 후, 바닥 채널(131)을 채운 오일과 합류해서 배출구(250)에 도달한다.
또한, 다른 양상으로, 도 12에 도시된 바와 같이, 챔버층(310)은 전술한 예의 제2 통로(115)가 생략된 구성으로 이루어질 수 있다. 배출구(150)가 커버층(120)에 형성된 경우, 추가적인 배출구가 바닥층(130)에 형성될 수도 있다.
도 13은 일 실시예에 따른 유전자 증폭 장치에 대한 구성도이다.
도 13을 참조하면, 유전자 증폭 장치(400)는 유전자 증폭 칩(100)과, 열원(410), 및 열원 제어부(420)를 포함할 수 있다. 유전자 증폭 칩(100)은 전술한 실시예들로 구성될 수 있다. 열원(410)은 유전자 증폭 칩(100)을 가열하여 샘플 용액에 유전자 증폭 반응이 일어나도록 한다. 일 예로, 열원(410)은 광원(411) 및 광열 필름(412)을 포함할 수 있다. 광원(411)은 광을 조사한다. 광원(411)은 광열 필름(412)을 향해 광을 조사할 수 있다. 광원(411)은 광열 필름(412)의 표면에 광을 조사하여 챔버층(110)에 수용된 샘플 용액을 가열시킬 수 있다.
광원(411)은 LED(light emitting diode), VCSEL(vertical-cavity surface-emitting laser), LD(laser diode), 텅스텐 램프, 형광 램프, 할로겐 램프, 수은 램프, 크세논 램프, 금속 할로겐화물 램프 중의 하나이거나 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 다만, 예시된 바에 한정되지 않는다. 광원(411)은 가시광선에서 적외선 대역의 파장의 광을 조사할 수 있으며, 광열 필름(412)에 따라 적합한 파장이 결정될 수 있다.
광열 필름(412)은 바닥층(130) 외부에 부착된 상태로 광원(411)으로부터 조사되는 광을 열로 변환해서 유전자 증폭 칩(100)을 가열한다. 광원(411)이 광열 필름(412)의 표면에 광을 조사하면, 광열 필름(412)에 의해 변환된 열은 열전도율이 높은 바닥층(130)과 챔버층(110)을 통해 챔버층(110)에 수용된 샘플 용액으로 빠르게 전달될 수 있다. 광열 필름(412)은 챔버층(110)이나 바닥층(130) 내에 배치되지 않고 바닥층(130)의 외부 표면에 부착됨으로써, 광원(411)이 조사한 광이 직접 광열 필름(412)에 흡수되어 광열 변환 효율이 향상될 수 있다.
광열 필름(412)은 일정 두께를 갖고 바닥층(130)의 외부 표면에 부착될 수 있다. 예컨대, 광열 필름(412)은 패터닝(patterning) 또는 증착을 통해 바닥층(130)의 외부 표면에 형성될 수 있다. 여기서, 증착은 화학적 증기 증착법(CVD), 물리적 기상 증착법(PVD), 원자층 증착법(ALD), 스퍼터링(sputtering), 및 증발 탈수법(evaporation) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
광열 필름(412)은 바닥층(130)의 외부 표면 전체에 부착된 것으로 예시되어 있으나, 바닥층(130)의 외부 표면 일부에 부착될 수 있다. 광열 필름(412)의 두께는 500㎛ 이하일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 광열 필름(412)으로 사용되는 재질의 특성 예컨대 열전도율, 열보존율 등을 고려하여 적절하게 변형될 수 있다.
광열 필름(412)은 폴리머(polymer), 금속(metal), 금속산화물(metal oxide), 나노복합체(nanocomposite), 나노구조(nanostructure) 및 반도체(semiconductor) 등의 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 광열 필름(412)은 금속에 비해 열전도율이 상대적으로 낮은 대신 열보존율이 상대적으로 높은 폴리이미드(polyimide, PI) 필름이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 금(Au) 필름 또는 알루미늄 나노구조(AINS) 필름이 사용될 수도 있다.
열원 제어부(420)는 열원(410)에 의한 가열 온도와 가열 시간을 제어할 수 있다. 열원 제어부(420)는 광원(411)의 온/오프, 광 세기, 광 조사시간, 광 조사 주기 등을 제어할 수 있다. 이때, 광의 세기는 인가되는 전류나 전압의 세기에 의해 제어될 수 있다. 광 조사 시간의 제어는 펄스 조사, 연속 조사와 같은 조사 형태의 제어를 포함할 수 있다. 광 조사 주기의 제어는 온/오프 제어를 포함할 수 있다.
열원 제어부(420)는 광원(411)의 제어를 통해 광열 필름(412)을 가열 및 냉각시켜 서멀 사이클링(thermal cycling)을 발생시킴으로써, 챔버층(110) 내에서 유전자가 증폭되도록 할 수 있다. 이때, 광열 필름(412)에 대한 냉각은 자연 대류 등을 통한 냉각이 가능하다.
도 14는 다른 실시예에 따른 유전자 증폭 장치에 대한 구성도이다.
도 14를 참조하면, 유전자 증폭 장치(500)는 온도 센서(510)와, 냉각부(520)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 유전자 증폭 칩(100)과, 열원(410)과, 열원 제어부(420)는 전술한 실시예와 같이 구성될 수 있다. 광열 필름(412)은 전술한 실시예와 같이, 바닥층(130)의 외부 표면에 부착될 수 있다.
온도 센서(510)는 유전자 증폭 칩(100)의 온도를 측정할 수 있다. 이때, 온도 센서(510)는 서모커플(thermo couple) 또는 적외선 센서 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 온도 센서(510)는 열전도율이 높은 서멀 패드(thermal pad, 530) 내에 위치하여 서멀 패드(530)를 매개로 광열 필름(412)에 부착될 수 있으며, 광원(411)의 광에 의해 변환된 광열 필름(412)의 온도를 측정할 수 있다.
또는, 도시하고 있지 않지만, 온도 센서(510)는 열전도율이 높은 서멀 패드(thermal pad, 530) 내에 위치하여 서멀 패드(530)를 매개로 광열 필름(412)이 없는 바닥층(130)의 외부 표면에 부착될 수 있으며, 광원(411)의 광에 의해 변환된 광열 필름(412)의 열전도에 따라 가열된 바닥층(130)의 온도를 측정할 수 있다.
냉각부(520)는 광열 필름(412)을 냉각시킬 수 있다. 냉각부(520)는 팬(fan) 등을 포함할 수 있다. 열원 제어부(420)는 온도 센서(510)에 의해 측정된 온도를 기초로 온도 프로파일에 부합하도록 광원(411)을 제어할 수 있다. 온도 프로파일은 실험을 통해 미리 설정되며, 예컨대 시간에 따른 온도, 유지 시간, 사이클 반복 횟수 등의 정보를 포함할 수 있다. 광열 필름(412)에 대한 냉각이 자연 대류에 의해 가능한 경우, 냉각부(520)는 생략될 수도 있다.
도 15는 다른 예의 열원을 포함한 유전자 증폭 장치에 대한 구성도이다.
도 15를 참조하면, 유전자 증폭 장치(600)에서, 열원은 열전 소자(610)를 포함할 수 있다. 유전자 증폭 칩(100)은 전술한 실시예와 같이 구성될 수 있다. 열전 소자(610)는 펠티어 효과(Peltier effect)를 이용한 소자이다. 펠티어 효과는 어떤 물체의 양쪽에 전위차를 걸어주면 전류와 함께 열이 흘러서 물체의 양쪽 끝에 온도 차이가 생기는 현상이다. 즉, 어떤 물체에 전류를 흘리면 온도 차이가 생겨 물체의 한쪽은 가열되고 물체의 다른 쪽은 냉각되는 현상이다.
열전 소자(610)는 바닥층(130)의 외부 표면에 부착될 수 있다. 열원 제어부(620)는 열전 소자(610)의 제어를 통해 챔버층(110)을 가열 및 냉각시켜 서멀 사이클링(thermal cycling)을 발생시킴으로써, 챔버층(110) 내에서 유전자가 증폭되도록 할 수 있다. 열원은 예시된 바와 한정되지 않고, 전술한 기능을 수행하는 범주에서 다양하게 구성될 수 있다.
도 16은 일 실시예에 따른 생체입자 분석 장치에 대한 구성도이다.
도 16을 참조하면, 생체입자 분석 장치(700)는 유전자 증폭 장치(400, 500, 600)와, 검출부(710) 및 프로세서(720)를 포함할 수 있다. 유전자 증폭 장치(400, 500, 600)는 샘플 용액의 유전자 증폭 반응이 일어나는 것으로, 전술한 실시예들로 구성될 수 있다.
검출부(710)는 샘플 용액의 유전자 증폭 반응에 따라 발생하는 신호를 검출할 수 있다. 검출부(710)는 유전자 증폭 장치(400, 500, 600)에서 유전자 증폭 반응이 수행되는 동안 또는 유전자 증폭 반응이 종료된 후 유전자 증폭 장치(400, 500, 600)에서 발생된 신호를 검출할 수 있다. 이때, 신호는 형광, 인광, 흡광, 표면 플라즈몬 공명, 라만 신호 등을 포함할 수 있다.
검출부(710)는 광전자증폭관(photomultiplier tube), 포토디텍터(photo detector), 광전자증폭관(photomultiplier tube) 어레이, 포토디텍터(photo detector) 어레이, CMOS 이미지 센서(complementary metal-oxide semiconductor) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또한, 검출부(710)는 특정 파장을 통과시키기 위한 필터(미도시), 유전자 증폭 장치(400, 500, 600)로부터 방출되는 광의 방향을 조절하는 미러(미도시), 유전자 증폭 장치(400, 500, 600)로부터 방출되는 광을 집광하는 렌즈(미도시) 등을 더 포함할 수 있다.
프로세서(720)는 검출된 신호를 기초로 생체입자를 분석할 수 있다. 프로세서(720)는 검출부(710)와 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 프로세서(720)는 검출부(710)로부터 검출된 신호를 수신하고 분석하여 생체입자를 검출할 수 있다. 일 예로, 프로세서(720)는 유전자 증폭 장치(400, 500, 600)에서 형광 신호가 관측되는 관통홀(112)의 개수를 측정해서 샘플 용액의 농도를 계산할 수 있다. 프로세서(720)는 검출된 신호를 푸아송 분포(Poisson distribution), 표면 증강 라만 산란 분광법(SERS) 등을 이용하여 생체입자의 정량을 분석할 수 있다.
도 17은 다른 실시예에 따른 생체입자 분석 장치에 대한 구성도이다.
도 17을 참조하면, 생체입자 분석 장치(800)는 출력부(810)와 저장부(820) 및 통신부(830)를 더 포함할 수 있다. 유전자 증폭 장치(400, 500, 600), 검출부(710), 프로세서(720)는 전술한 실시예와 같이 구성될 수 있다.
출력부(810)는 유전자 증폭 장치(400, 500, 600), 검출부(710) 및/또는 프로세서(720)의 처리 과정이나 처리 결과, 예컨대 생체입자 분석 결과를 출력할 수 있다. 출력부(810)는 시각적 출력 모듈(예: 디스플레이), 음성 출력 모듈(예: 스피커), 햅틱 모듈 등을 이용하여 시각적, 청각적 및 촉각적 방법 등으로 사용자에게 정보를 제공할 수 있다.
저장부(820)는 유전자 증폭 장치(400, 500, 600), 검출부(710) 및/또는 프로세서(720)에서 필요한 각종 데이터 및/또는 처리 결과를 저장할 수 있다. 저장부(820)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드 디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예컨대, SD 또는 XD 메모리 등), 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read Only Memory, ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), PROM(Programmable Read Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 등 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
통신부(830)는 외부 장치와 통신하여, 검출부(710) 및/또는 프로세서(720)에서 필요한 각종 데이터 및/또는 처리 결과를 송수신할 수 있다. 이때, 외부 장치는 의료 장비, 결과물을 출력하기 위한 프린트 또는 디스플레이 장치일 수 있다. 이외에도, 외부 장치는 디지털 TV, 데스크탑 컴퓨터, 휴대폰, 스마트 폰, 태블릿, 노트북, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, MP3 플레이어, 디지털 카메라, 웨어러블 디바이스 등일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
통신부(830)는 블루투스(bluetooth) 통신, BLE(Bluetooth Low Energy) 통신, 근거리 무선 통신(Near Field Communication, NFC), WLAN 통신, 지그비(Zigbee) 통신, 적외선(Infrared Data Association, IrDA) 통신, WFD(Wi-Fi Direct) 통신, UWB(ultra-wideband) 통신, Ant+ 통신, WIFI 통신, RFID(Radio Frequency Identification) 통신, 3G 통신, 4G 통신 및 5G 통신 등의 통신 기술을 이용하여 외부 장치와 통신할 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않는다.
도 18은 생체입자 분석 장치에 의한 분석 방법의 일 실시예를 나타낸 흐름도이다.
먼저, 유전자 증폭 칩의 커버층에 형성된 주입구를 통해 샘플 용액을 주입한다(S100). 이때, 샘플 용액의 가열, 화학적 처리, 마그네틱 비드(magnet beads), 고상 추출(solid phase extraction), 초음파 등을 이용한 전처리가 수행될 수 있다.
그 다음, 유전자 증폭 칩의 챔버층의 관통홀들에 샘플 용액이 채워지면 챔버층에서 유전자 증폭 반응을 수행한다(S200). 샘플 용액이 RNA 샘플인 경우 역전사 효소를 이용하여 역전사하는 과정이 수행될 수 있다. 효소 반응은 예컨대 PCR 증폭 및 등온 증폭 중의 적어도 하나를 포함하는 핵산 증폭 반응, 산화-환원 반응 및 가수분해 반응 등을 포함할 수 있다. 이때, 유전자 증폭 장치의 열원을 통해 챔버층의 샘플 용액을 가열할 수 있다. 열원은 챔버층을 가열 또는 냉각시키는 서멀 사이클링을 수행하여 유전자 증폭 칩의 챔버층에서 샘플 용액의 증폭 반응을 발생시킬 수 있다.
그 다음, 생체 입자 분석 장치의 검출부는 유전자 증폭 칩의 챔버층에서 샘플 용액의 유전자 증폭 반응에 따라 발생하는 신호를 검출할 수 있다(S300). 이때, 신호는 형광, 인광, 흡광, 표면 플라즈몬 공명, 라만 신호 등을 포함할 수 있다.
그 다음, 유전자 증폭 장치의 프로세서는 검출된 신호를 기초로 생체입자를 분석할 수 있다(S400). 예를 들어, 프로세서는 검출된 신호를 푸아송 분포(Poisson distribution)나 표면 증강 라만 산란 분광법(SERS) 등을 이용하여 생체입자의 물질 정보, 증폭 정도 등을 분석할 수 있다.
본 개시가 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 개시된 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1: 액체 10: 샘플 용액
20: 오일 30: 공기
100: 유전자 증폭 칩 110, 310: 챔버층
110a..챔버 베이스 111: 제1 통로
112: 관통홀 113: 관통홀 어레이
114: 제1 비통공 영역 115: 제2 통로
116: 제2 비통공 영역 120: 커버층
121: 커버 채널 130,230: 바닥층
131..바닥 채널 140: 주입구
150, 250: 배출구 400, 500, 600: 유전자 증폭 장치
410: 열원 411: 광원
412: 광열 필름 420, 620: 열원 제어부
510: 온도 센서 520: 냉각부
530: 서멀 패드 610: 열전 소자
700, 800..생체입자 분석 장치 710: 검출부
720: 프로세서 810: 출력부
820: 저장부 830: 통신부

Claims (20)

  1. 제1 통로와, 상기 제1 통로의 한쪽에 샘플 용액이 분할되어 수용되는 관통홀들을 포함하는 챔버층;
    상기 제1 통로와 관통홀들과 통하게 형성된 커버 채널을 포함하고, 상기 챔버층의 한쪽에 배치되는 커버층;
    상기 제1 통로와 관통홀들과 통하게 형성된 바닥 채널을 포함하고, 상기 챔버층의 다른 쪽에 배치되는 바닥층;
    상기 커버층에 상기 커버 채널과 통하게 형성된 주입구; 및
    상기 커버 채널과 바닥 채널 중 어느 한쪽과 통하게 형성된 배출구;
    를 포함하는 유전자 증폭 칩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주입구는 상기 제1 통로로부터 벗어나 상기 관통홀들 쪽에 가깝게 배치된 유전자 증폭 칩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 통로와 커버 채널은,
    샘플 용액이 상기 주입구로부터 상기 커버 채널로 이동해서 상기 관통홀들에 분할되어 수용된 후, 상기 샘플 용액보다 표면 장력이 작은 오일이 상기 주입구로부터 상기 커버 채널과 제1 통로와 바닥 채널로 이동해서 채워지게 형성된 유전자 증폭 칩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 통로의 단면은 상기 주입구에 연결된 커버 채널 영역의 단면보다 큰 유전자 증폭 칩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 통로의 단면은 통로 폭과 통로 길이의 곱으로 정의되고, 상기 커버 채널 영역의 단면은 채널 높이와 채널 길이의 곱으로 정의되는 경우,
    상기 통로 길이와 채널 길이가 동일한 방향으로 동일한 길이로 이루어지며, 상기 통로 폭이 상기 채널 높이보다 큰 유전자 증폭 칩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 커버 채널의 단면은 상기 관통홀의 단면보다 큰 유전자 증폭 칩.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 관통홀의 단면은 육각형, 사각형, 삼각형, 원형 중 어느 하나의 형상으로 이루어진 유전자 증폭 칩.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 챔버층은 상기 관통홀들을 사이에 두고 상기 제1 통로의 반대 쪽에 형성된 제2 통로를 더 포함하는 유전자 증폭 칩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 배출구는 상기 제2 통로와 마주하게 배치된 유전자 증폭 칩.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 배출구는 상기 커버층에 형성된 유전자 증폭 칩.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 배출구는 상기 바닥층에 형성된 유전자 증폭 칩.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 챔버층과 커버층 및 바닥층은 각각 별개로 형성되어 접합된 유전자 증폭 칩.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 챔버층과 바닥층은 일체로 형성되어 상기 커버층과 접합된 유전자 증폭 칩.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 챔버층과 커버층 및 바닥층은 실리콘, 메탈, 글라스, 폴리머 중 어느 하나의 재질로 각각 형성된 유전자 증폭 칩.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 커버층은 투명 재질로 형성된 유전자 증폭 칩.
  16. 제1 통로와 상기 제1 통로의 한쪽에 샘플 용액이 분할되어 수용되는 관통홀들을 포함하는 챔버층과, 상기 제1 통로와 관통홀들과 통하게 형성된 커버 채널을 포함하고 상기 챔버층의 한쪽에 배치되는 커버층과, 상기 제1 통로와 관통홀들과 통하게 형성된 바닥 채널을 포함하고 상기 챔버층의 다른 쪽에 배치되는 바닥층과, 상기 커버층에 상기 커버 채널과 통하게 형성된 주입구, 및 상기 커버 채널과 바닥 채널 중 어느 한쪽과 통하게 형성된 배출구를 포함하는 유전자 증폭 칩;
    상기 유전자 증폭 칩을 가열하여 상기 샘플 용액에 유전자 증폭 반응이 일어나도록 하는 열원; 및
    상기 열원에 의한 가열 온도와 가열 시간을 제어하는 열원 제어부;
    를 포함하는 유전자 증폭 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 열원은,
    광을 조사하는 광원, 및
    상기 바닥층 외부에 부착된 상태로 상기 광원으로부터 조사되는 광을 열로 변환해서 상기 유전자 증폭 칩을 가열하는 광열 필름을 포함하는 유전자 증폭 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 열원은 열전 소자를 포함하는 유전자 증폭 장치.
  19. 샘플 용액의 유전자 증폭 반응이 일어나는 유전자 증폭 장치;
    상기 샘플 용액의 유전자 증폭 반응에 따라 발생하는 신호를 검출하는 검출부; 및
    상기 검출된 신호를 기초로 생체입자를 분석하는 프로세서를 포함하며,
    상기 유전자 증폭 장치는,
    제1 통로와 상기 제1 통로의 한쪽에 샘플 용액이 분할되어 수용되는 관통홀들을 포함하는 챔버층과, 상기 제1 통로와 관통홀들과 통하게 형성된 커버 채널을 포함하고 상기 챔버층의 한쪽에 배치되는 커버층과, 상기 제1 통로와 관통홀들과 통하게 형성된 바닥 채널을 포함하고 상기 챔버층의 다른 쪽에 배치되는 바닥층과, 상기 커버층에 상기 커버 채널과 통하게 형성된 주입구, 및 상기 커버 채널과 바닥 채널 중 어느 한쪽과 통하게 형성된 배출구를 포함하는 유전자 증폭 칩;
    상기 유전자 증폭 칩을 가열하여 상기 샘플 용액에 유전자 증폭 반응이 일어나도록 하는 열원; 및
    상기 열원에 의한 가열 온도와 가열 시간을 제어하는 열원 제어부;
    를 포함하는 생체입자 분석 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 프로세서는 형광 신호가 관측되는 관통홀의 개수를 측정해서 샘플 용액의 농도를 계산하는 생체입자 분석 장치.
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