KR20140141879A

KR20140141879A - 자동화된 핵산 분석 시스템

Info

Publication number: KR20140141879A
Application number: KR1020130063112A
Authority: KR
Inventors: 정원석; 남궁각; 김경호; 박진성; 김준호; 심준섭; 정원종
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2014-12-11
Also published as: US20140356853A1

Abstract

신속하고 간편하게 샘플에 대한 검사 결과를 얻을 수 있는 자동화된 핵산 분석 시스템이 개시된다. 개시된 핵산 분석 시스템은, 공압 및 진공을 발생시키고 제어하여 미세 유체 소자를 포함하는 카트리지로 공급하는 공압 모듈, 상기 카트리지 내의 특정 부분의 온도를 제어하는 열 모듈, 상기 카트리지 내에 빛을 조사하고 상기 카트리지 내의 샘플로부터 발생한 빛을 검출하는 광학 모듈, 상기 카트지리 내의 특정 부분에 있는 유체가 기체 상태인지 또는 액체 상태인지를 판단하는 유체 감지 모듈, 상기 광학 모듈과 유체 감지 모듈의 위치를 조절하는 이송 모듈, 및 상기 모듈들의 동작을 제어하고 그 결과로 얻은 데이터를 처리 및 분석하는 제어 모듈을 포함할 수 있다.

Description

자동화된 핵산 분석 시스템{Automated nucleic acid analysis system}

개시된 실시예들은 핵산 분석 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 신속하고 간편하게 샘플에 대한 검사 결과를 얻을 수 있는 자동화된 핵산 분석 시스템에 관한 것이다.

개인 맞춤형 의료(Point of Care) 시대가 도래함에 따라 유전자 분석 및 체외 진단, 그리고 유전자 염기 서열 분석 등의 중요성이 부각되고 있으며, 또한 그에 대한 수요가 점차 증가하고 있다. 특히, 핵산을 기반으로 한 분자 진단 방법은 정확도와 민감도가 우수하여 감염성 질환이나 암의 진단 및 약물 유전체학 등에서의 활용도가 계속 증가하는 추세이다.

이러한 핵산을 기반으로 한 분자 진단은 주로 미세유체칩(microfluidics)이나 랩온어칩(Lab on a Chip)과 같은 미세 유체 소자를 이용하여 수행되고 있다. 복수의 마이크로 채널과 마이크로 챔버를 포함하는 미세 유체 소자는 미량의 유체(예를 들어, 수 nl ~ 수 ml)를 제어하고 조작이 가능하도록 설계된 것이 특징이다. 미세 유체 소자를 이용함으로써, 미세 유체의 반응 시간을 최소화할 수 있으며, 미세 유체의 반응과 그 결과의 측정이 하나의 미세 유체 소자 내에서 이루어질 수 있다.

미세 유체 소자를 이용한 핵산 분석은, 예를 들어, 타깃 세포를 포집할 수 있도록 미세 유체 소자 내의 특정 위치로 샘플을 흘려 보내는 과정, 타깃 세포와 함께 포집된 불순물을 씻어 내는 과정, 포집된 세포를 파쇄하는 과정, 파쇄된 세포가 섞여 있는 용액을 미세 유체 소자 내의 특정 위치로 이동시키는 과정, 파쇄된 세포가 섞여 있는 용액을 핵산 증폭에 필요한 성분들과 혼합하는 과정, 추출된 핵산을 증폭하는 과정, 및 증폭된 핵산을 검출하는 과정 등을 포함할 수 있다. 최근에는 이러한 일련의 과정들을 자동으로 수행하기 위한 분석 시스템이 연구 중에 있다.

신속하고 간편하게 샘플에 대한 검사 결과를 얻을 수 있는 자동화된 핵산 분석 시스템을 제공한다.

일 유형에 따른 핵산 분석 시스템은, 공압 또는 진공을 발생시켜 미세 유체 소자를 포함하는 카트리지로 공급하는 공압 모듈; 상기 카트리지 내의 특정 부분의 온도를 조절하는 열 모듈; 상기 카트리지에 빛을 조사하고 상기 카트리지 내의 샘플로부터 발생한 빛을 검출하는 광학 모듈; 상기 카트지리 내의 특정 부분에 있는 유체가 기체 상태인지 또는 액체 상태인지를 판단하는 유체 감지 모듈; 상기 광학 모듈과 유체 감지 모듈의 위치를 조절하는 이송 모듈; 및 상기 공압 모듈, 열 모듈, 광학 모듈, 유체 감지 모듈 및 이송 모듈의 동작을 제어하고 그 결과로 얻은 데이터를 처리 및 분석하는 제어 모듈;을 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 유체 감지 모듈은 카트리지를 향해 빛을 방출하는 광원, 및 카트리지로부터 반사된 빛을 검출하는 광검출기를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 광원은 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드를 포함하며, 상기 광검출기는 포토다이오드, 광증배관, 포토트랜지스터, CCD 이미지 센서, 또는 CMOS 이미지 센서를 포함할 수 있다.

또한, 상기 유체 감지 모듈은 카트리지를 통과한 빛을 상기 광검출기로 반사하는 반사판을 더 포함할 수 있다.

상기 광원과 광검출기는 카트리지에 대해 동일한 방향에 배치될 수 있으며, 상기 반사판은 카트리지를 기준으로 상기 광원과 광검출기의 반대쪽에 배치될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어 모듈은 상기 유체 감지 모듈에서 측정한 반사광으로부터 얻은 신호를 기준값과 비교하여 유체의 상태를 판단하도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 제어 모듈은 상기 유체 감지 모듈에서 측정한 반사광으로부터 얻은 신호에 관한 현재의 데이터를 포함하여 그 직전에 측정된 반사광으로부터 얻은 신호에 관한 다수개의 데이터를 평균한 평균값을 기준값과 비교하여 유체의 상태를 판단하도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 제어 모듈은 상기 유체 감지 모듈에서 가장 최근에 측정한 반사광으로부터 얻은 신호에 관한 다수의 데이터들의 평균값과 그로부터 소정의 횟수 이전에 측정한 반사광으로부터 얻은 신호에 관한 다수의 데이터들의 평균값의 차이를 기준값과 비교하여 유체의 상태를 판단하도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 제어 모듈은 상기 유체 감지 모듈에서 가장 최근에 측정한 반사광으로부터 얻은 신호와 그로부터 소정의 횟수 이전에 측정한 반사광으로부터 얻은 신호를 이용하여 구한 미분값을 기준값과 비교하여 유체의 상태를 판단하도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 제어 모듈은 상기 유체 감지 모듈에서 가장 최근에 측정한 반사광으로부터 얻은 신호에 관한 다수의 데이터들의 평균값과 그로부터 소정의 횟수 이전에 측정한 반사광으로부터 얻은 신호에 관한 다수의 데이터들의 평균값을 이용하여 구한 미분값을 기준값과 비교하여 유체의 상태를 판단하도록 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어 모듈은 유체의 상태가 변하였음을 나타내는 신호가 소정의 측정 횟수 이상 연속적으로 나타난 후에 유체의 상태가 변하였음을 최종 판단하도록 구성될 수 있다.

상기 공압 모듈은, 공압 및 진공을 발생시키는 공압 펌프와 진공 펌프, 공압 및 진공을 저장하는 챔버, 상기 챔버의 압력을 조절하는 레귤레이터, 상기 챔버의 공압 및 진공을 측정하는 압력 센서, 카트리지에 공압 및 진공을 주입하는 다수의 공압 노즐, 및 선택된 공압 노즐에 공압 또는 진공을 제공하기 위한 다수의 밸브를 포함할 수 있다.

상기 열 모듈은 카트리지의 온도를 상승시키기 위한 가열 유닛, 카트리지의 온도를 하강시키기 위한 냉각 유닛, 및 온도를 측정하기 위한 온도 센서를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 가열 유닛은 저항성 히터 또는 펠티에 소자를 포함하며, 상기 냉각 유닛은 냉각 팬, 송풍기, 또는 펠티에 소자를 포함하고, 상기 온도 센서는 측온저항체(RTD), 서미스터, 열전대, 또는 적외선(IR) 센서를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 광학 모듈은 카트리지 내에서 증폭된 핵산들을 형광 검출법에 따라 검출할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 광학 모듈은 여기광을 발생시켜 카트리지에 조사하는 광원, 및 샘플에 표지된 형광 염료로부터 발생하는 형광을 검출하는 광검출기를 포함할 수 있다.

또한, 상기 이송 모듈은 모터 및 상기 모터에 의해 회전되는 리드 스크류를 포함할 수 있다.

상기 광학 모듈과 유체 감지 모듈은 상기 이송 모듈에 결합될 수 있다.

다른 실시예에서, 상기 이송 모듈은 모터 및 상기 모터에 연결된 풀리와 벨트를 포함할 수도 있다. 또는, 상기 이송 모듈은 자석, 보이스 코일 및 인코더를 구비하는 리니어 모터를 포함할 수도 있다.

상기 제어 모듈은 상기 공압 모듈, 열 모듈, 광학 모듈, 유체 감지 모듈 및 이송 모듈들을 제어하고 데이터를 분석하기 위한 알고리즘과 사용자 인터페이스가 프로그램밍된 제어 소프트웨어 및 마이크로 프로세서를 포함할 수 있다.

다른 유형에 따르면, 상술한 핵산 분석 시스템을 이용한 핵산 분석 방법이 제공될 수 있다.

상기 핵산 분석 방법은, 예를 들어, 분석하고자 하는 샘플을 파쇄하는 단계;

분석하고자 하는 샘플을 정제하는 단계; 파쇄 및 정제된 샘플을 핵산 증폭에 필요한 물질들과 혼합하여 혼합 용액을 형성하는 단계; 및 상기 혼합 용액의 온도 제어를 통해 핵산을 증폭하고 검출하는 단계;를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 샘플은 면봉, 배지, 타액, 객담, 세포 조직, 소변, 대변, 피, 고름, 또는 뇌척수액을 포함할 수 있다.

상기 샘플을 파쇄하는 단계는, 예를 들어, 기계적 파쇄, 화학적 파쇄, 열적 파쇄, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

상기 온도 제어는, 소정의 시간 동안 온도를 일정하게 유지시키는 단계; 소정의 시간 동안 소정의 범위 내에서 온도를 변화시키는 단계; 및 서로 다른 복수의 온도를 각각 일정 시간 동안 유지시키는 것을 반복하는 단계; 중에서 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

개시된 실시예에 따른 자동화된 핵산 분석 시스템을 이용하면 신속하고 간편하게 신뢰성 있는 진단 결과를 얻을 수 있다. 특히, 개시된 핵산 분석 시스템은, 미세 유체 소자 카트리지의 감시 위치에 있는 유체의 상태를 빠르고 정확하게 판단할 수 있는 유체 감지 모듈을 포함하기 때문에, 미세 유체 소자의 여러 위치에서 유체의 상태를 신속하게 파악하여 상황에 맞게 유체의 흐름을 정확하게 제어할 수 있으며 미세 유체 소자를 이용한 다양한 검사를 용이하게 수행할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 핵산 분석 시스템의 구조를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 핵산 분석 시스템의 예시적인 구성을 보이는 개략적인 사시도이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 핵산 분석 시스템의 이송 모듈 및 이에 결합된 광학 모듈과 유체 감지 모듈을 예시적으로 보이는 사시도이다.
도 4는 다수의 마이크로 채널과 반응 챔버를 갖는 미세 유체 소자 카트리지의 구조를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 5는 유체 상태 감지 동작의 원리를 보이는 개념도이다.
도 6은 미세 유체 소자를 스캐닝하여 얻은 광 신호를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 7은 마이크로 채널 내의 유체 상태의 변화에 따른 광 신호의 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 8은 마이크로 채널을 흐르는 액체 내에 기포가 포함되어 있을 경우의 광 신호의 변동을 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 9a 및 도 9b는 마이크로 채널 내의 유체 상태가 변화하였음을 판단하기 위한 알고리즘에 따라 광 신호를 처리한 결과를 보이는 그래프이다.
도 10은 액체 내의 기포 또는 기체 내의 액적에 의한 판단 오류를 억제하기 위한 알고리즘을 설명하기 위한 그래프이다.
도 11은 도 1에 도시된 핵산 분석 시스템의 열 모듈을 예시적으로 보이는 사시도이다.
도 12는 도 1에 도시된 핵산 분석 시스템을 이용하여 핵산을 분석한 결과를 예시적으로 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 자동화된 핵산 분석 시스템에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 핵산 분석 시스템의 구조를 개략적으로 나타내는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 핵산 분석 시스템(100)은 미세 유체 소자를 포함하는 미세 유체 소자 카트리지(200)(이하, 카트리지) 내에서 다양한 샘플들을 처리하고, 샘플로부터 추출 및 증폭한 핵산을 분석하는 일련의 과정을 자동으로 수행할 수 있다. 이를 위하여, 핵산 분석 시스템(100)은 공압 모듈(110), 열 모듈(120), 이송 모듈(130), 광학 모듈(140), 유체 감지 모듈(150), 및 제어 모듈(160)을 포함할 수 있다. 카트리지(200)는 핵산 분석 시스템(100)에 장착 및 탈착이 가능하게 배치될 수 있어서, 분석이 완료된 카트리지(200)를 제거하고 다른 카트리지(200)로 교환할 수 있다. 도시되지는 않았지만, 핵산 분석 시스템(100)은 카트리지(200)의 장착 및 탈착을 위한 데크를 더 포함할 수 있으며, 데크를 중심으로 공압 모듈(110)의 공압 노즐, 열 모듈(120) 및 이송 모듈(130) 등이 배치될 수 있다.

구체적으로, 공압 모듈(110)은 공압 및 진공을 발생시키고 원하는 압력으로 제어하여 카트리지(200)에 공압 및 진공을 공급하는 역할을 한다. 공압 모듈(110)은, 예를 들어, 공압 및 진공을 발생시키는 공압 펌프와 진공 펌프, 압력을 적절한 값으로 조절하는 레귤레이터, 공압 및 진공을 측정하는 압력 센서, 공압 및 진공을 저장하고 일정 범위의 압력 수준이 유지되도록 제어되는 챔버, 카트리지(200)에 공압 및 진공을 주입하는 다수의 공압 노즐, 선택된 공압 노즐에 공압 및 진공을 제공하기 위한 다수의 밸브 등을 포함할 수 있다. 공압 모듈(110)의 상술한 구성 부품들은 핵산 분석 시스템(100) 내의 특정 위치에 함께 배치될 필요는 없으며, 일부 부품들은 설계 및 기능상의 필요에 따라 핵산 분석 시스템(100) 내의 다수의 위치에 분산되어 배치될 수 있다.

열 모듈(120)은 카트리지(200) 내의 특정 부분의 온도를 원하는 값으로 제어하는 역할을 한다. 이를 위해, 열 모듈(120)은 카트리지(200)의 온도를 상승시키기 위한 가열 유닛, 카트리지(200)의 온도를 하강시키기 위한 냉각 유닛, 온도를 측정하기 위한 온도 센서 등을 포함할 수 있다. 가열 유닛으로는, 예를 들어, 저항성 히터(resistive heater), 펠티에(Peltier) 소자 등을 사용할 수 있다. 또한, 냉각 유닛으로는, 냉각 팬(cooling fan), 송풍기(blower), 펠티에 소자 등을 사용할 수 있다. 온도 센서로는, 예를 들어, 측온저항체(resistance temperature detector; RTD), 서미스터(thermistor), 열전대(thermocouple), 적외선(IR) 센서 등을 사용할 수 있다.

광학 모듈(140)은 카트리지(200) 내에 빛을 조사하고 카트리지(200) 내의 샘플로부터 발생한 빛을 검출하는 역할을 한다. 예를 들어, 광학 모듈(140)은 형광 검출법(fluorescence detection)에 따라 소정 파장의 여기광(excitation light)을 카트리지(200) 내의 샘플에 조사하고, 샘플에 표지된 형광 염료로부터 발생하는 형광을 검출할 수 있다. 이러한 광학 모듈(140)은 광원, 광검출기, 광학 렌즈, 광학 필터 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광원으로는 발광 다이오드(light emitting diode; LED)나 레이저 다이오드(laser diode; LD)를 사용할 수 있으며, 광검출기로는 포토다이오드(photodiode; PD), 광증배관(photo multiplier tube; PMT), 포토트랜지스터, 또는 CCD(charge-coupled device)나 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor)와 같은 이미지 센서를 사용할 수 있다.

유체 감지 모듈(150)은 카트지리(200) 내의 유체 이동을 감지하기 위한 것으로, 카트리지(200) 내의 특정 부분에 있는 유체가 기체 상태인지 또는 액체 상태인지를 판단하는 역할을 한다. 유체 감지 모듈(150)은, 카트리지(200)의 특정 부분에 빛 또는 전자기파를 조사하고 카트리지(200)에서 반사되는 빛 또는 전자기파의 세기 변화를 감지함으로써, 카트리지(200) 내의 특정 부분에 있는 유체가 기체 상태인지 또는 액체 상태인지를 판별할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 상기 유체 감지 모듈(150)을 사용함으로써, 카트리지(200)의 관심 있는 영역에 있는 유체의 상태를 빠르고 정확하게 판단할 수 있다. 따라서, 카트리지(200)의 여러 위치에서 유체의 상태를 신속하게 파악할 수 있으므로, 핵산 분석 시스템(100)의 제어 모듈(160)은 상황에 맞게 유체의 흐름을 정확하게 제어할 수 있다. 이러한 유체 감지 모듈(150)의 자세한 구성 및 동작에 대해서는 후에 더욱 상세하게 설명한다.

이송 모듈(130)은 광학 모듈(140)과 유체 감지 모듈(150)을 원하는 위치로 이송시키는 역할을 한다. 예를 들어, 이송 모듈(130)은 제어 모듈(160)의 제어에 따라 광학 모듈(140)과 유체 감지 모듈(150)을 카트리지(200) 상의 특정한 위치로 이송시킬 수 있다. 이러한 이송 모듈(130)은 예를 들어, 모터, 리드 스크류, 이송 가이드, 위치 센서 등을 포함할 수 있다.

제어 모듈(160)은 카트리지(200) 내의 샘플을 분석하기 위하여 핵산 분석 시스템(100) 내의 상술한 모듈(110, 120, 130, 140, 150)들의 동작을 전체적으로 제어하는 역할을 한다. 또한, 제어 모듈(160)은 상술한 모듈(110, 120, 130, 140, 150)들의 동작 결과로 얻은 데이터를 처리 및 분석하여 피드백할 수 있으며, 최종적인 분석 데이터를 계산 및 출력할 수 있다. 이를 위하여, 제어 모듈(160)은 마이크로 프로세서 및 상기 모듈(110, 120, 130, 140, 150)들을 제어하고 데이터를 분석하기 위한 알고리즘과 사용자 인터페이스가 프로그램밍된 제어 소프트웨어(170)를 포함할 수 있다.

예를 들어, 도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 핵산 분석 시스템(100)의 구성을 보이는 개략적인 사시도로서, 도 2a는 핵산 분석 시스템(100)의 우측면을 주로 보이고 있고, 도 2b는 핵산 분석 시스템(100)의 좌측면을 주로 보이고 있다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 핵산 분석 시스템(100)의 구성은 단지 이해를 돕기 위한 하나의 예일 뿐이며, 본 실시예는 도 2a 및 도 2b에 도시된 구성에 한정되는 것은 아니다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 공압 펌프(111) 및 진공 펌프(112)를 이용하여 발생시킨 공압과 진공은 각각 일정한 용량을 갖는 챔버(113, 114)의 입력단을 통해 주입되어 각각의 챔버(113, 114)에 저장될 수 있다. 챔버(113, 114)의 내부 압력은 각각의 챔버(113, 114)와 연결되어 있는 압력 센서로 모니터링 할 수 있다. 제어 모듈(160)은 챔버(113, 114)의 내부 압력이 미리 설정된 범위를 벗어나게 되면, 공압 펌프(111)나 진공 펌프(112)를 동작시켜 챔버(113, 114)의 내부 압력을 일정 범위 내에서 유지할 수 있다.

챔버(113, 114)의 출력단에는 레귤레이터(115)가 연결되어 있으며, 제어 모듈(160)은 레귤레이터(115)를 제어함으로써 소망하는 수준의 공압과 진공을 카트리지(200)에 제공할 수 있다. 예를 들어, 다수의 솔레노이드 밸브들(도시되지 않음)을 이용하여 카트리지(200)의 원하는 부분에만 공압과 진공을 공급할 수 있다. 카트리지(200)에 공급되는 공압과 진공은 카트리지(200) 내부의 유체 이동, 혼합, 샘플 내의 핵산 추출 등에 사용될 수 있다. 제어 모듈(160)은 유체 감지 모듈(150)을 통해 카트리지(200) 내부에서의 유체의 움직임을 감지함으로써 정해진 순서에 따라 원하는 위치로 유체를 이동시킬 수 있다.

광학 모듈(140)과 유체 감지 모듈(150)은 이송 모듈(130)에 장착되어 있어서, 제어 모듈(160)의 제어에 따라 필요한 때에 원하는 위치로 이동이 가능하다. 제어 모듈(160)은 예를 들어 마이크로 프로세서들이 실장된 제어 보드(161)와 구동 소프트웨어에 의해 구현될 수 있다.

도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 핵산 분석 시스템(100)의 이송 모듈(130) 및 이에 결합된 광학 모듈(140)과 유체 감지 모듈(150)을 예시적으로 보이는 사시도이다. 도 3을 참조하면, 이송 모듈(130)은 스텝 모터(131) 및 스텝 모터(131)에 의해 회전되는 리드 스크류(132)를 포함할 수 있다. 리드 스크류(132)에는 광학 모듈(140)과 유체 감지 모듈(150)이 함께 결합되어 있어서, 리드 스크류(132)의 회전 운동에 따라 광학 모듈(140)과 유체 감지 모듈(150)은 좌우로 직선 운동을 할 수 있다. 따라서, 스텝 모터(121)를 통해 리드 스크류(132)를 정밀하게 회전시킴으로써, 광학 모듈(140)과 유체 감지 모듈(150)을 원하는 위치로 정확하게 이동시킬 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 광학 모듈(140)은 형광 검출을 위한 광원(141)과 광검출기(142)를 포함할 수 있으며, 유체 감지 모듈(150)도 역시 광원(151)과 광검출기(152)를 포함할 수 있다. 광학 모듈(140)과 유체 감지 모듈(150)의 아래에는 카트리지(200)가 배치될 수 있어서, 광학 모듈(140)과 유체 감지 모듈(150)은 카트리지(200)의 관심 있는 특정 위치에 빛을 조사할 수 있다.

도 3에는 이송 모듈(130)이 예시적으로 스텝 모터(131)와 리드 스크류(132)를 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 이는 단지 한 예에 불과한 것으로서 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 이송 모듈(130)은 리드 스크류(132) 대신에 스텝 모터(131)에 연결된 풀리와 벨트를 포함할 수 있다. 또는, 이송 모듈(130)은 자석, 보이스 코일 및 인코더로 이루어진 리니어 모터를 포함할 수도 있다.

도 4는 다수의 마이크로 채널(210)과 반응 챔버(220)를 갖는 미세 유체 소자 카트리지(200)의 구조를 예시적으로 보이는 평면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 카트리지(200)는 시료나 시약과 같은 유체가 흐르는 다수의 마이크로 채널(210)과 시료와 시약의 반응이 일어나는 다수의 반응 챔버(220)를 포함할 수 있다. 도 4에는 상세하게 도시되어 있지 않지만, 카트리지(200) 내에는 마이크로 채널(210)과 반응 챔버(220) 외에도, 마이크로 채널(210) 내에서 유체의 흐름의 제어하기 위한 다수의 마이크로 밸브, 및 각각의 마이크로 채널 및 마이크로 밸브와 연결되는 다수의 공압 챔버, 카트리지(200) 내에 유체와 공압을 주입 및 배출하기 위한 다수의 개구들이 더 형성될 수 있다. 그러나, 도 4에는 설명의 편의상 마이크로 채널(210)과 반응 챔버(220)만이 도시되어 있다.

공압 모듈(110)은 제어 모듈(160)의 제어에 따라, 카트리지(200)의 개구들을 통해 마이크로 채널(210)이나 마이크로 밸브에 진공이나 공압을 인가함으로써, 마이크로 채널(210) 내의 유체를 밀거나 당길 수 있고, 또는 마이크로 밸브의 개폐 동작을 수행할 수 있다. 제어 모듈(160)은, 유체 감지 모듈(150)을 통해 각각의 마이크로 채널(210) 내의 유체 상태를 판별하고, 이를 기초로 공압 모듈(110)을 제어함으로써 카트리지(200) 내의 유체가 원하는 장소로 이동하게 할 수 있다. 이를 위하여, 제어 모듈(160)은 이송 모듈(130)을 이용하여 유체 감지 모듈(150)을 원하는 위치로 이동시키면서 카트리지(200) 내의 다수의 마이크로 채널(210)을 하나씩 스캔하여, 마이크로 채널(210)에 액체가 흐르고 있는지 또는 기체가 흐르고 있는지를 판단할 수 있다.

이하에서는, 본 실시예에 따른 핵산 분석 시스템(100)의 유체 상태 감지 동작에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 도 5는 유체 상태 감지 동작의 원리를 보이는 개념도이다. 도 5를 참조하면, 마이크로 채널(210)의 위쪽에는 광원(151)과 광검출기(152)가 배치되어 있고, 마이크로 채널(210)의 아래쪽에는 반사판(230)이 배치되어 있다. 반사판(230)은 카트리지(200)의 마이크로 채널(210)을 통과한 빛을 광검출기(152)로 반사시켜, 광검출기(152)로 충분한 광량의 빛이 입사하도록 한다. 광원(151) 및 광검출기(152)와 마이크로 채널(210) 사이에는, 예를 들어, 공기와 같은 제 1 매질(A)이 배치되어 있으며, 마이크로 채널(210) 내에는 제 2 매질(B)이 흐르고 있다고 가정한다.

만약 카트리지(200)의 마이크로 채널(210) 내를 흐르는 제 2 매질(B)이 제 1 매질(A)과 동일한 공기라면, 광원(151)에서 방출된 빛은 제 1 매질(A)과 제 2 매질(B)의 계면에서 굴절되지 않는다. 그러나 제 2 매질(B)이 제 1 매질(A)과 굴절률이 서로 다른 액체로 바뀌는 경우에는, 빛이 제 1 매질(A)과 제 2 매질(B)의 계면에서 굴절되기 때문에 빛의 이동 경로도 변화하게 된다. 그 결과, 광검출기(152)를 향하는 빛의 양이 달라지게 되므로, 광검출기(152)에서 검출되는 광량의 변화로부터 카트리지(200)의 마이크로 채널(210) 내를 흐르는 물질이, 예를 들어 기체에서 액체로 또는 액체에서 기체로 변화하는 것을 감지할 수 있다.

도 6은 유체 감지 모듈(150)이 카트리지(200)를 스캐닝하여 얻은 광 신호를 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 6의 그래프는 카트리지(200)의 어느 한 마이크로 채널(210)의 주위를 도 4에 도시된 화살표 방향을 따라 좌측에서 우측으로 가로지르면서 얻은 것으로서, 카트리지(200)는 PS(polystyrene)으로 이루어져 있고, 마이크로 채널(210)의 깊이와 폭은 각각 300㎛와 400㎛이며, 광원(151)으로서 850 nm의 중심 파장을 갖는 레이저를 사용하였다. 또한 반사판(230)으로서 반투명 실리콘 재료를 마이크로 채널(210)의 바닥면에 밀착시켰다. 또한, 도 6에서 점선 박스로 표시된 부분은 마이크로 채널(210)의 영역을 나타낸다. 도 6을 참조하면, 마이크로 채널(210)에 물이 흐르게 되면, 공기가 흐르는 경우에 비하여 광 신호가 작아지는 것을 쉽게 확인할 수 있다. 따라서, 마이크로 채널(210)의 영역에 해당하는 좌표의 데이터만을 선택적으로 처리하여 마이크로 채널(210) 내의 유체가 물인지 또는 공기인지를 쉽게 확인할 수 있다. 이러한 방식으로 다수의 마이크로 채널(210)들을 하나씩 스캔하면서, 다수의 마이크로 채널(210)들에 대한 병렬적인 유체 제어가 가능할 수 있다.

또한, 도 7은 마이크로 채널(210) 내의 유체 상태의 변화에 따른 광 신호의 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 7의 그래프는 특정 마이크로 채널(210)에 광원(151)과 광검출기(152)를 고정시킨 후, 마이크로 채널(210) 내의 유체가 공기에서 물로 변화하는 순간의 광 신호의 변화를 측정한 것이다. 여기서, 마이크로 채널(210)의 깊이와 폭은 각각 100㎛와 400㎛이었으며, 샘플링 속도는 100Hz이다. 도 7을 참조하면, 마이크로 채널(210) 내의 유체가 공기에서 물로 바뀌면서 광 신호가 작아지게 된다. 따라서, 이러한 원리를 이용하면 카트리지(200)의 어느 한 지점에서 유체 상태를 감시하고 있다가, 공기에서 물로 또는 물에서 공기로 바뀌는 순간을 감지할 수 있으며, 이러한 정보를 기초로 카트리지(200) 내의 유체 제어를 적절하게 수행할 수 있다. 예를 들어, 광검출기(152)에서 출력된 광 신호의 세기가 소정의 기준값 이상이면 제어 모듈(160)는 유체가 기체인 것으로 판단하고, 소정의 기준값 미만이면 유체가 액체인 것으로 판단할 수 있다.

그런데, 도 7에 도시된 바와 같이, 유체가 일정한 상태로 유지되어 있는 동안에도 계속해서 광 신호에 불규칙한 잡음 성분이 나타나는 것을 알 수 있다. 이러한 잡음 성분은 통상적으로 기체 내에 섞인 액적이나 액체 내에 있는 기포에 기인하는 것이다. 예를 들어, 도 8은 마이크로 채널(210)을 흐르는 액체(예컨대, 물) 내에 기포가 포함되어 있을 경우의 광 신호의 변동을 예시적으로 보이고 있다. 이러한 잡음 성분으로 인해 유체 상태가 변화하는 시점을 정확히 판단하기 어려울 수 있다. 또한, 측정 지점(예컨대, 마이크로 채널(210))의 크기, 유체 감지 모듈(150)과 측정 지점까지의 거리, 반사판(230)의 상태 등의 다양한 요인에 따라, 유체가 물일 때와 공기일 때의 광 신호 차이의 크기가 변할 수 있다. 따라서, 측정 지점을 흐르는 물에 기포가 섞여 들어오거나 측정 지점을 흐르는 공기에 액적이 함께 지나가면, 유체 상태가 완전하게 바뀌기 전에 잘못된 판단을 내릴 수도 있다.

이하, 상술한 여러 가지 상황 변화에서도 유체의 변화가 일어나는 시점을 정확하게 판단하기 위한 판단 알고리즘에 대해 설명한다.

먼저, 잡음 성분의 영향을 줄이기 위한 한 방법으로서 다수의 데이터를 평균하는 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 도 9a에서 가는 실선으로 표시된 그래프 B는 굵은 실선으로 표시된 원본 데이터의 그래프 A의 한 점을 기준으로 그 이전 16개의 데이터를 평균하여 나타낸 것이다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 평균 방식을 사용할 경우 잡음 성분이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이렇게 구한 평균 그래프 B의 값을 소정의 기준값과 비교하여 유체의 상태를 판단할 수 있다. 예컨대, 이러한 평균 방식은 아래와 같은 수학식으로 표현할 수 있다.

즉, 수학식(1)로 표현된 바와 같이, 현재의 데이터를 포함하여 그 직전에 측정된 n_a개의 데이터를 평균한 S_avg(n)의 값을 소정의 기준값인 S_c와 비교하여 현재 마이크로 채널(210) 내에 있는 유체가 기체(예컨대, 공기)인지 액체(예컨대, 물, 시료 또는 시약)인지를 판단할 수 있다. 여기서, 기준값인 S_c는 미리 정해진 고정된 특정 값일 수도 있으며, 또는 매 측정시마다 유체의 상태가 변하기 전에 측정한 데이터를 기준으로 정할 수 있다. 예를 들어, 매 측정시마다 유체가 액체에서 기체로 변한 직후의 S_avg(n) 값과 유체가 기체에서 액체 변한 직후의 S_avg(n) 값을 S_c의 값으로서 활용할 수 있다.

또한, 평균값 그 자체를 이용하는 대신, 평균값의 변화량을 이용할 수도 있다. 예를 들어, 가장 최근에 얻은 광 신호들의 평균값과 이전에 얻은 광 신호들의 평균값과의 차이가 기준 변화량을 초과하는 경우에, 유체의 상태가 변화한 것을 판단할 수 있다. 이러한 방식은 아래의 수학식으로 표현될 수 있다.

위의 수학식(2)에서 S_avg(n)는 가장 최근에 측정한 n_a개의 데이터들의 평균값이고 S_avg(n₀)는 S_avg(n)보다 소정의 횟수 이전에 측정된 n_a개의 데이터들의 평균값이다. 즉, 가장 최근에 측정한 데이터들의 평균값과 그로부터 소정의 횟수 이전에 측정한 데이터들의 평균값의 차이가 소정의 기준 변화량 ΔSc보다 크거나 같다면, 유체의 상태가 변화하였다고 판단할 수 있다.

또 다른 방식으로서, 데이터를 시간에 따라 미분한 값들을 이용하여 판단할 수도 있다. 예를 들어, 도 9b에서 점선으로 표시된 그래프 C는 도 9a에 표시된 원본 데이터의 그래프 A를 시간 미분하여 나타낸 것이고, 실선으로 표시된 그래프 D는 도 9a에 표시된 평균값 그래프 B를 시간 미분하여 나타낸 것이다. 그래프 C의 경우, 미분값이 시간에 따라 크게 변동하며, 특히 기체에서 액체로 유체의 상태가 변화하는 순간에 변동값이 더욱 커지게 된다. 또한, 그래프 D의 경우, 유체의 상태가 변화하지 않는 동안에는 미분값의 변동이 거의 없다가 유체의 상태가 기체에서 액체로 변화하는 동안에만 순간적으로 미분값이 크게 변화한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 미분값의 변화량을 소정의 기준 변화량과 비교하여 유체의 상태가 변화하였음을 판단할 수 있다. 특히, 평균화된 데이터들을 미분하는 경우에 유체 상태의 변화를 더욱 용이하게 판단할 수 있다. 예컨대, 이러한 미분 방식은 아래와 같은 수학식으로 표현할 수 있다.

위의 수학식(3)에서 t_n은 S_avg(n)을 획득한 시간이며 t₀은 S_avg(n₀)을 획득한 시간이다. 즉, 가장 최근에 측정한 데이터들의 평균값과 그로부터 소정의 횟수 이전에 측정한 데이터들의 평균값 사이의 차를 시간으로 나눈 값이 소정의 기준 변화량 ΔS'c보다 크거나 같다면, 유체의 상태가 변화하였다고 판단할 수 있다.

한편, 액체 내에 기포가 존재하는 경우 또는 기체 내의 액적이 존재하는 경우에 의한 판단 오류를 방지하기 위하여, 소정 횟수 이상의 데이터가 소정의 기준값보다 크거나 작은 상태를 연속적으로 유지해야 유체의 상태가 변화하였다고 판단할 수 있다. 예를 들어, 도 10을 참조하면, 초기에 마이크로 채널(210) 내의 유체는 액체 상태에 있으며 일정 시간 후, 마이크로 채널(210)에 공기가 유입되면서 기체 상태로 변한다고 가정한다. 공기가 유입되기 전에 측정한 초기의 광 신호에 대한 평균 데이터 값은 S_avg(0)이다. 그런 후, 마이크로 채널(210)에 공기가 유입되면 광 신호들의 평균값이 기준값 Sc 이상으로 증가하게 된다. 그러나, 아직 마이크로 채널(210) 내에 액적이 다수 존재하고 있기 때문에, 기준값을 중심으로 데이터가 변동할 수 있다. 따라서, 데이터가 기준값을 중심으로 변동하고 있는 동안에는 유체의 상태가 변화하였다고 판단하지 않고, 소정의 측정 횟수 n_c회 이상 연속하여 측정된 광 신호들의 값 또는 광 신호들의 평균값이 모두 기준값보다 크거나 같은 경우에, 마이크로 채널(210) 내의 유체가 액체에서 기체로 완전히 바뀌었다고 판단할 수 있다. 즉, 유체의 상태가 변하였음을 나타내는 신호가 소정의 측정 횟수 이상 연속적으로 나타날 때 비로소 유체의 상태가 변하였음을 최종 판단할 수 있다.

상술한 유체의 상태 변화를 판단하는 방법은 카트리지(200)의 어느 한 측정 지점에 대해서만 수행될 수도 있지만, 다수의 측정 지점을 스캐닝하면서 수행될 수도 있다. 또한, 다수의 측정 지점을 스캐닝하면서 유체의 상태를 감시하는 경우, 다수의 측정 지점에 대해 각각 독립적으로 판단을 할 수도 있고 또는 다수의 측정 지점에 대한 결과를 종합하여 판단할 수도 있다. 예를 들어, 이송 모듈(130)을 통해 유체 감지 모듈(150)을 카트리지(200)의 어느 한 측정 지점에 위치시켜 유체의 상태를 감시한 후, 다시 다음의 측정 지점으로 유체 감지 모듈(150)을 이동시킬 수 있다. 이때, 어느 한 측정 지점에서 유체의 상태가 변화하였음을 감지하면, 그 지점에 대해서만 유체의 상태가 변한 것으로 판단할 수 있다. 또는, 유체가 흐르는 구간에 내에서 다수의 측정 지점을 스캐닝한 후, 다수의 측정 지점들에서 모두 유체의 상태가 변화하였음을 감지하면, 그 구간 내에 있는 유체의 상태가 변한 것으로 판단할 수도 있다.

또한, 다수의 측정 지점에 대해 유체의 상태를 감시하는 경우, 각각의 측정 지점에 대해 미리 정해진 소정의 시간 동안만 감시를 한 후, 다음 측정 지점에 대한 감시를 수행할 수 있다. 전체 측정 지점에 대한 감시를 완료하면, 다시 처음의 측정 지점을 감시하게 되는데, 이때 그 측정 지점에서 이전에 측정한 결과를 현재의 측정 결과와 비교하여 그 측정 지점에서의 유체 상태를 판단할 수 있다.

한편, 도 11은 도 1에 도시된 핵산 분석 시스템(100)의 열 모듈(120)의 구성을 예시적으로 보이는 사시도이다. 열 모듈(120)은 조립된 핵산 분석 시스템(100)의 내측에 배치될 수 있어서, 도 2a 및 도 2b의 사시도에서는 보이지 않는다. 예를 들어, 열 모듈(120)은 카트리지(200)가 장착되는 안착부의 아래쪽에 배치되어 있는 가열 유닛(121)과 카트리지(200)가 장착되는 안착부를 향해 냉각용 공기를 송풍하도록 배치된 냉각 유닛(122)을 포함할 수 있다. 가열 유닛(121)은 카트리지(200) 내의 특정 부분의 온도를 원하는 수준으로 상승시키는 역할을 하고 냉각 유닛(122)은 상승시킨 온도를 다시 원하는 수준으로 내리는 역할을 한다. 카트리지(200)의 장착시 가열 유닛(121)과 카트리지(200) 사이의 접촉을 향상시키기 위하여, 가열 유닛(121)은, 예를 들어, 스프링과 같은 가압 부재(123)에 의해 지지될 수 있다. 그러면, 가열 유닛(121)으로부터 카트리지(200)로의 열전달 성능이 향상될 수 있다. 또한, 도 11에 도시된 바와 같이, 카트리지(200)가 장착되는 안착부의 아래에는 다수의 공압 노즐(116)들의 어레이가 배치될 수 있다. 공압 모듈(110)은 다수의 공압 노즐(116)들을 통해 카트리지(200) 내부의 유체 이동에 필요한 공압 및 진공을 카트리지(200)에 제공할 수 있다.

상술한 구조를 갖는 핵산 분석 시스템(100)을 이용하여 샘플 내의 핵산을 분석하는 과정은 다음과 같다. 먼저, 샘플이 들어 있는 카트리지(200)를 핵산 분석 시스템(100) 내에 장착한다. 예컨대, 샘플은 면봉(swab), 배지(culture medium), 타액, 객담, 세포 조직, 소변, 대변, 피, 고름, 또는 뇌척수액 등일 수 있다. 그리고, 샘플에 있는 타깃 세포들을 포집하기 위하여 카트리지(200) 내의 특정 위치로 샘플을 흘려 보낸다. 이러한 과정은 제어 모듈(160)의 제어에 따라 공압 모듈(110)이 다수의 공압 노즐(116)들 중에서 특정한 노즐에 선택적으로 공압 및 진공을 제공함으로써 이루어질 수 있다. 이때, 유체 감지 모듈(150)을 이용하여 샘플이 원하는 위치로 정확하게 이동하고 있는 지를 확인할 수 있다. 타깃 세포의 포집이 완료되면, 포집된 타깃 세포들을 고정시킨 후, 샘플 내의 타깃 세포들과 함께 포집되어 있는 불순물을 씻어서 제거하고 타깃 세포들 포집되어 있는 공간을 건조시킬 수 있다. 이러한 정제 과정도 역시 제어 모듈(160)의 제어에 따라 공압 모듈(110)과 유체 감지 모듈(150)을 구동시켜 수행될 수 있다.

그리고, 타깃 세포의 파쇄에 필요한 용액을 타깃 세포들이 포집되어 있는 공간에 채우고 다양한 방법으로 타깃 세포를 파쇄할 수 있다. 타깃 세포의 파쇄는, 예를 들어, 기계적 파쇄, 화학적 파쇄, 열적 파쇄, 또는 이들의 조합을 이용하여 수행될 수 있다. 여기서, 불순물을 제거하는 정제 과정과 타깃 세포의 파쇄 과정은 순서가 바뀔 수도 있다. 즉, 타깃 세포의 파쇄 후에 불순물의 정제를 수행할 수도 있다.

타깃 세포들이 파쇄된 후에는, 파쇄된 타깃 세포들이 섞여 있는 용액을 카트리지(200) 내의 특정한 위치로 이동시켜서, 파쇄된 타깃 세포들이 섞여 있는 용액을 핵산 증폭에 필요한 물질들과 혼합할 수 있다. 그런 후에, 예컨대, 중합효소 연쇄반응(polymerase chain reaction, PCR)을 통해 파쇄된 타깃 세포 내의 핵산을 증폭할 수 있다. PCR 과정을 수행하는 동안, 열 모듈(120)을 이용하여 카트리지(200) 내의 특정한 위치(즉, PCR이 일어나는 위치)에 대한 온도 제어를 수행할 수 있다. 온도 제어는 샘플의 종류나 검출 방식에 따라 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 핵산을 증폭시키는 동안, 원하는 수준으로 온도를 상승시켰다가 다시 원하는 수준으로 내리는 과정을 반복할 수 있다. 원하는 수준까지 온도가 상승하면 일정 시간 동안 그 온도를 유지시킨 후에 온도를 내리며, 원하는 수준까지 온도가 내려가면 그 온도를 다른 일정 시간 동안 유지시키는 과정을 반복할 수 있다. 이러한 온도 제어는 2가지 온도만을 반복하지 않고, 서로 다른 복수의 온도를 각각 일정 시간 동안 유지시키는 것을 반복할 수도 있다. 또한, 핵산을 증폭시키는 동안 온도를 일정하게 유지시킬 수도 있으며, 또는 일정한 시간 동안 소정의 범위 내에서 온도를 변화시킬 수도 있다.

예를 들어, 카트리지(200) 내의 특정한 위치에 대해 한번 온도를 상승시켰다가 하강시키는 1회의 PCR 사이클이 완료될 때마다, 광학 모듈(140)을 이용하여 핵산 분석을 수행할 수 있다. 광학 모듈(140)은 증폭된 핵산들의 성분을 예컨대 형광 검출법으로 검출할 수 있다. 도 12는 도 1에 도시된 핵산 분석 시스템(100)을 이용하여 형광 검출법에 따라 핵산을 분석한 결과를 예시적으로 나타내는 그래프이다. 도 12의 그래프에서 세로축은 핵산들이 배열되어 있는 다수의 영역에서 측정된 형광의 세기이며, 가로축은 PCR 사이클의 횟수이다. 도 12의 그래프에서 볼 수 있는 바와 같이, PCR 사이클의 횟수가 증가함에 따라 증폭된 핵산의 수가 증가하여 형광의 세기가 점차 커질 수 있다. 그러나, 영역 D에서는 그에 해당하는 핵산이 샘플 내에 존재하지 않아서 핵산이 증폭되지 않았음을 알 수 있다. 나머지 영역들의 경우, 샘플 내에 해당 핵산이 존재하기 때문에 핵산이 증폭되었는데, 제어 모듈(160)은 형광의 세기가 증가하는 PCR 사이클 상의 위치와 증폭이 완료된 후의 각 영역에서 형광의 세기 등을 고려하여 샘플 내의 핵산을 분석할 수 있다.

지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 자동화된 핵산 분석 시스템에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.

100.....핵산 분석 시스템 110.....공압 모듈
111.....공압 펌프 112.....진공 펌프
113, 114.....챔버 115.....레귤레이터
116.....공압 노즐 120.....열 모듈
121.....가열 유닛 122.....냉각 유닛
123.....가압 부재 130.....이송 모듈
131.....모터 132.....리드 스크류
140.....광학 모듈 141, 151.....광원
142, 152.....광검출기 150.....유체 감지 모듈
160.....제어 모듈 170.....제어 소프트웨어
200.....카트리지 210.....마이크로 채널
220.....반응 챔버

Claims

공압 또는 진공을 발생시켜 미세 유체 소자를 포함하는 카트리지로 공급하는 공압 모듈;
상기 카트리지 내의 특정 부분의 온도를 조절하는 열 모듈;
상기 카트리지에 빛을 조사하고 상기 카트리지 내의 샘플로부터 발생한 빛을 검출하는 광학 모듈;
상기 카트지리 내의 특정 부분에 있는 유체가 기체 상태인지 또는 액체 상태인지를 판단하는 유체 감지 모듈;
상기 광학 모듈과 유체 감지 모듈의 위치를 조절하는 이송 모듈; 및
상기 공압 모듈, 열 모듈, 광학 모듈, 유체 감지 모듈 및 이송 모듈의 동작을 제어하고 그 결과로 얻은 데이터를 처리 및 분석하는 제어 모듈;을 포함하는 핵산 분석 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 유체 감지 모듈은 카트리지를 향해 빛을 방출하는 광원, 및 카트리지로부터 반사된 빛을 검출하는 광검출기를 포함하는 핵산 분석 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 광원은 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드를 포함하며, 상기 광검출기는 포토다이오드, 광증배관, 포토트랜지스터, CCD 이미지 센서, 또는 CMOS 이미지 센서를 포함하는 핵산 분석 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 유체 감지 모듈은 카트리지를 통과한 빛을 상기 광검출기로 반사하는 반사판을 더 포함하는 핵산 분석 시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 광원과 광검출기는 카트리지에 대해 동일한 방향에 배치되어 있으며, 상기 반사판은 카트리지를 기준으로 상기 광원과 광검출기의 반대쪽에 배치되어 있는 핵산 분석 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 제어 모듈은 상기 유체 감지 모듈에서 측정한 반사광으로부터 얻은 신호를 기준값과 비교하여 유체의 상태를 판단하도록 구성된 핵산 분석 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 제어 모듈은 상기 유체 감지 모듈에서 측정한 반사광으로부터 얻은 신호에 관한 현재의 데이터를 포함하여 그 직전에 측정된 반사광으로부터 얻은 신호에 관한 다수개의 데이터를 평균한 평균값을 기준값과 비교하여 유체의 상태를 판단하도록 구성된 핵산 분석 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 제어 모듈은 상기 유체 감지 모듈에서 가장 최근에 측정한 반사광으로부터 얻은 신호에 관한 다수의 데이터들의 평균값과 그로부터 소정의 횟수 이전에 측정한 반사광으로부터 얻은 신호에 관한 다수의 데이터들의 평균값의 차이를 기준값과 비교하여 유체의 상태를 판단하도록 구성된 핵산 분석 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 제어 모듈은 상기 유체 감지 모듈에서 가장 최근에 측정한 반사광으로부터 얻은 신호와 그로부터 소정의 횟수 이전에 측정한 반사광으로부터 얻은 신호를 이용하여 구한 미분값을 기준값과 비교하여 유체의 상태를 판단하도록 구성된 핵산 분석 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 제어 모듈은 상기 유체 감지 모듈에서 가장 최근에 측정한 반사광으로부터 얻은 신호에 관한 다수의 데이터들의 평균값과 그로부터 소정의 횟수 이전에 측정한 반사광으로부터 얻은 신호에 관한 다수의 데이터들의 평균값을 이용하여 구한 미분값을 기준값과 비교하여 유체의 상태를 판단하도록 구성된 핵산 분석 시스템.
제 6 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어 모듈은 유체의 상태가 변하였음을 나타내는 신호가 소정의 측정 횟수 이상 연속적으로 나타난 후에 유체의 상태가 변하였음을 최종 판단하도록 구성된 핵산 분석 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 공압 모듈은, 공압 및 진공을 발생시키는 공압 펌프와 진공 펌프, 공압 및 진공을 저장하는 챔버, 상기 챔버의 압력을 조절하는 레귤레이터, 상기 챔버의 공압 및 진공을 측정하는 압력 센서, 카트리지에 공압 및 진공을 주입하는 다수의 공압 노즐, 및 선택된 공압 노즐에 공압 또는 진공을 제공하기 위한 다수의 밸브를 포함하는 핵산 분석 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 열 모듈은 카트리지의 온도를 상승시키기 위한 가열 유닛, 카트리지의 온도를 하강시키기 위한 냉각 유닛, 및 온도를 측정하기 위한 온도 센서를 포함하는 핵산 분석 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 가열 유닛은 저항성 히터 또는 펠티에 소자를 포함하며, 상기 냉각 유닛은 냉각 팬, 송풍기, 또는 펠티에 소자를 포함하고, 상기 온도 센서는 측온저항체(RTD), 서미스터, 열전대, 또는 적외선(IR) 센서를 포함하는 핵산 분석 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 광학 모듈은 카트리지 내에서 증폭된 핵산들을 형광 검출법에 따라 검출하는 핵산 분석 시스템.
제 15 항에 있어서,
상기 광학 모듈은 여기광을 발생시켜 카트리지에 조사하는 광원, 및 샘플에 표지된 형광 염료로부터 발생하는 형광을 검출하는 광검출기를 포함하는 핵산 분석 시스템.
제 16 항에 있어서,
상기 광원은 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드를 포함하며, 상기 광검출기는 포토다이오드, 광증배관, 포토트랜지스터, CCD 이미지 센서, 또는 CMOS 이미지 센서를 포함하는 핵산 분석 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 이송 모듈은 모터 및 상기 모터에 의해 회전되는 리드 스크류를 포함하는 핵산 분석 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 광학 모듈과 유체 감지 모듈은 상기 이송 모듈에 결합되어 있는 핵산 분석 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 이송 모듈은 모터 및 상기 모터에 연결된 풀리와 벨트를 포함하는 핵산 분석 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 이송 모듈은 자석, 보이스 코일 및 인코더를 구비하는 리니어 모터를 포함하는 핵산 분석 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제어 모듈은 상기 공압 모듈, 열 모듈, 광학 모듈, 유체 감지 모듈 및 이송 모듈들을 제어하고 데이터를 분석하기 위한 알고리즘과 사용자 인터페이스가 프로그램밍된 제어 소프트웨어 및 마이크로 프로세서를 포함하는 핵산 분석 시스템.
제 1 항에 따른 핵산 분석 시스템을 이용한 핵산 분석 방법.
제 23 항에 있어서,
상기 핵산 분석 방법은:
분석하고자 하는 샘플을 파쇄하는 단계;
분석하고자 하는 샘플을 정제하는 단계;
파쇄 및 정제된 샘플을 핵산 증폭에 필요한 물질들과 혼합하여 혼합 용액을 형성하는 단계; 및
상기 혼합 용액의 온도 제어를 통해 핵산을 증폭하고 검출하는 단계;를 포함하는 핵산 분석 방법.
제 24 항에 있어서,
상기 샘플은 면봉, 배지, 타액, 객담, 세포 조직, 소변, 대변, 피, 고름, 또는 뇌척수액을 포함하는 핵산 분석 방법
제 24 항에 있어서,
상기 샘플을 파쇄하는 단계는 기계적 파쇄, 화학적 파쇄, 열적 파쇄, 또는 이들의 조합을 포함하는 핵산 분석 방법.
제 24 항에 있어서,
상기 온도 제어는:
소정의 시간 동안 온도를 일정하게 유지시키는 단계;
소정의 시간 동안 소정의 범위 내에서 온도를 변화시키는 단계; 및
서로 다른 복수의 온도를 각각 일정 시간 동안 유지시키는 것을 반복하는 단계; 중에서 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함하는 핵산 분석 방법.