JP3878605B2 - 重合酵素連鎖反応（ｐｃｒ）チップを駆動するための温度制御方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は重合酵素連鎖反応（ＰＣＲ：Ｐｏｌｙｍｅｒｉｚｅ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ）チップを駆動するためのＰＣＲチップの温度を制御する方法及び装置に関する。

従来のＰＣＲを利用してＤＮＡを増幅する装置は、０.５ｍｌあるいは０.２ｍｌ容量の小型チューブを１４個以上ずつまとめて同じ温度サイクルでＰＣＲ増幅ができる。しかし、既存の装置を利用すれば、色々な患者のサンプルを一度に分析するのに有利であるものの、ＤＮＡ種類ごとに増幅を最大にするための温度条件が相異なるので、色々な種類のＤＮＡ検査を一度にし難いという問題点がある。そして、実験をするのに必要な試料の量も、最小０.２ｍｌであって本制御機が制御する超小型ＰＣＲチップのチャンバ容量である３.６μｌより約５５倍がさらに必要になるので、既存の方式を使用する場合、実験に必要な試料を確保するために患者から多くの量のサンプルを抽出しなければならないという問題点があるだけでなく、また実験のために添加される物質がほとんど発ガン物質であるが、これもまた多くを使用するため環境汚染を起こすという問題点もある。

本発明が解決しようとする技術的課題は、ＰＣＲチップの温度を高速、高精度に制御する方法及び装置を提供することである。

前記問題点を解決するための本発明によるＰＣＲチップ温度制御装置は、外部から供給された電力で熱を発生させて所定の温度を維持し、実際の温度情報を外部に出力するＰＣＲチップと、入力された制御信号によって前記ＰＣＲチップに電力を供給する電力供給部と、事前に設定された制御温度及び制御時間情報を含む制御情報と前記ＰＣＲチップから提供された前記実際の温度情報とに基づいて制御信号を発生させて前記電力供給部に提供する制御部を含み、前記電力供給部は、外部電源と、前記制御信号によって前記外部電源から出力される電源をオンオフして前記ＰＣＲチップに供給するフォトＭＯＳＦＥＴを含むことを特徴とする。

また前記ＰＣＲチップ温度制御装置は、複数のＰＣＲチップのうち制御対象となるＰＣＲチップを選択する第１選択信号及び前記制御信号を前記制御部から入力し、前記制御対象となるＰＣＲチップに電力を供給する電力供給部を選択して前記制御信号を提供する選択部と、前記複数のＰＣＲチップのうち何れか一つを選択する第２選択信号を前記制御部から入力し、前記第２選択信号によって所定のＰＣＲチップの実際の温度情報を前記制御部に提供するＭＵＸ部と、をさらに含みうる。

そして、前記ＰＣＲチップ温度制御装置のＰＣＲチップは、前記電力供給部から電力を供給されて熱を発生させるヒータ部と、前記ＰＣＲチップの温度を測定して外部に出力する温度センサ部と、を含みうる。

また、前記問題点を解決するための本発明によるＰＣＲチップ温度制御方法は、（ａ）ＰＣＲチップの制御温度、時間を含む制御情報を入力する段階と、（ｂ）前記制御温度を所定時間維持するように前記ＰＣＲチップの制御信号を発生する段階と、（ｃ）前記制御信号によって前記ＰＣＲチップの温度を制御する段階とを含み、前記ＰＣＲチップの温度は、前記制御信号によって外部電源から出力される電源をオンオフして前記ＰＣＲチップに供給するフォトＭＯＳＦＥＴにより制御されることを特徴とする。

また、前記ＰＣＲチップ温度制御方法は、（ｄ）前記ＰＣＲチップの温度を測定する段階、（ｅ）前記ＰＣＲチップの実際の温度が前記制御温度と異なる場合には、前記（ｂ）段階を行う段階をさらに含むことを特徴とし、ここで前記（ｅ）段階は、（ｅ１）前記ＰＣＲチップが複数ある場合には、所定のＰＣＲチップを選択する情報を生成させる段階、（ｅ２）前記選択されたＰＣＲチップの実際の温度とそれに対応する制御温度を順次に比較して両者が異なる場合には、前記（ｂ）段階を行うことを特徴とする。

発明を実施するための最良の態様
以下では、図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明によるＰＣＲチップ温度制御装置の望ましい実施例の機能的ブロック図である。まず、入出力部１０１は、外部から所定の時間、所定の温度で制御するＰＣＲチップを選択する選択情報、制御温度及び制御時間情報が入力されて制御部１０２に提供し、前記制御部１０２から前記ＰＣＲチップを制御した結果情報、すなわちＰＣＲチップの実際の温度情報を使用者に提供する機能を持つ。

制御部１０２は、前記入出力部１０１から提供された前記選択情報、制御時間及び制御温度情報に基づいて制御信号を発生させて選択部１０３に提供し、制御対象となるＰＣＲチップの実際の温度情報を収集して前記入出力部１０１に提供する機能を持つ。また、制御対象となる複数のＰＣＲチップのうち実際の温度情報を読取る所定の何れか一つのＰＣＲチップを選択する選択信号を発生させてＭＵＸ部１０６に提供する機能を持つ。

選択部１０３は、前記制御部１０２から提供された制御信号によって制御対象となるＰＣＲチップに電力を提供する電力供給部１０４１，１０４２，．．．を選択して前記制御信号を提供する機能を持つ。

電力供給部１０４１，１０４２，．．．は、前記選択部１０３から提供された制御信号に基づいて自体に接続されている所定のＰＣＲチップ１０５１または１０５２，．．．に電力を提供する機能を持つ。

ＰＣＲチップ１０５１，１０５２，．．．は、前記電力供給部１０４１，１０４２，．．．から電力を供給され、前記電力を利用して熱を発生させることによって温度を調節する機能を持ち、自体の温度を測定してＭＵＸ部１０６に提供する機能を持つ。

ＭＵＸ部１０６は、前記ＰＣＲチップ１０５１，１０５２，．．．から前記ＰＣＲチップの実際の温度情報が提供され、前記制御部から複数のＰＣＲチップのうち何れか一つのＰＣＲチップを選択する選択信号が提供され、前記選択信号によって指定されたＰＣＲチップの実際の温度情報をＡ／Ｄ変換部に提供する機能を持つ。

Ａ／Ｄ変換部１０７は、前記ＭＵＸ部１０６から前記選択情報によって選択されたＰＣＲチップの実際の温度情報が提供され、これをデジタル信号に変換して前記制御部１０２に提供する機能を行う。

図２は、本発明に適用されるＰＣＲチップの望ましい実施例の機能的ブロック図である。

ヒータ部２０１は、外部から電力が提供されて熱を発生させる機能を持つ。

温度センサ部２０２は、前記ヒータ部２０１の実際の温度を測定して外部に出力する機能を持つ。

図３は、本発明によるＰＣＲチップの温度制御方法の望ましい実施例の順序図である。まず、ＰＣＲチップの温度情報、時間情報を含む制御情報を入力（３０１）し、前記ＰＣＲチップの温度を前記制御情報によって制御する制御信号を発生（３０２）させ、その後には前記制御信号によって制御対象ＰＣＲチップを選択して前記ＰＣＲチップの温度を制御（３０３）する。その後、前記ＰＣＲチップの実際の温度を測定（３０４）した後で前記測定温度と前記制御温度とを比較（３０５）して両者が同じである場合には前記３０４段階に移動し、両者が同一でない場合には前記３０２段階に移動する。

図４は、図１のＰＣＲチップの温度制御装置を実際に具現した望ましい実施例のハードウェア構成図である。本実施例では１２８個のＰＣＲチップを制御する場合を示してあり、動作原理はＰＣＲチップの白金センサに静電流を印加すると、チップの温度によって異なる電圧が白金センサの両端に発生し、この電圧は適切に加工された後にＣＰＵに伝達される。中央処理装置（ＣＰＵ）は、前記アナログ電圧情報をデジタル情報に変え、これを目標温度と比較して、チップの温度が高ければチップに内蔵されたヒータをオフし、低ければオンする方式でチップを制御する。前記過程を詳細に説明すれば、次の通りである。

まず、中央制御装置ＣＰＵ４０１は、図１の制御部１０１に対応する構成要素である。すなわち、前記中央制御装置ＣＰＵ４０１は、あらかじめ設定された制御温度、制御時間及び制御対象となるＰＣＲチップ情報に基づいて前記制御対象ＰＣＲチップの温度を制御する制御信号を発生させる。本実施例で、前記制御信号には前記ＰＣＲチップに電力を提供するフォトＭＯＳＦＥＴ（図１の電力供給部１０４１，１０４２，．．．に対応する）４０４００１，４０４００２，．．．にヒータオンまたはオフ信号及び前記ＰＣＲチップを選択する４ビットアドレス信号が含まれる。前記オンまたはオフ信号は、８ビットラッチ４０３０１，．．．，４０３１６に供給され、前記４ビットアドレス信号もデコーダ４０２を通じて前記ラッチ４０３０１，．．．，４０３１６に供給される。すなわち、前記デコーダ４０２とラッチ４０３０１，．．．，４０３１６とは、図１の選択部１０３に対応する。

その後、ラッチ４０３０１，．．．，４０３１６は、前記４ビットアドレス信号によって制御対象となるＰＣＲチップを選択し、前記制御対象となるＰＣＲチップに電力を供給するフォトＭＯＳＦＥＴ４０４００１，．．．，４０４１２８に前記オンまたはオフ信号を提供する。前記フォトＭＯＳＦＥＴ４０４００１，．．．，４０４１２８は、前記オンまたはオフ信号によってＰＣＲチップ４０５００１，．．．，４０５１２８に電力を供給し、前記ＰＣＲチップ４０５００１，．．．，４０５１２８は供給された電力によって熱を発生させる。そして、ＰＣＲチップの実際の温度情報を発生させてアナログＭＵＸ４０６０１，．．．，４０６０８に提供する機能を持つ。

アナログＭＵＸ４０６０１，．．．，４０６０８には、前記ＣＰＵから前記制御対象となるＰＣＲチップの実際の温度のうち読取るＰＣＲチップを選択する選択信号が入力され、前記ＰＣＲチップの実際の温度情報が提供され、前記選択されたＰＣＲチップの実際の温度信号を前記ＣＰＵ４０１に提供する機能を持つ。

図５は、図２のＰＣＲチップを実際に具現した望ましい実施例のハードウェア構成図である。本実施例の動作原理を説明すれば、次の通りである。ＰＣＲチップは、白金ヒータとセンサとで構成されており、より精密な測定用静電流を生成するために０.８％の出力電圧誤差を有するレギュレータＡＤＰ３３０１と高性能オペアンプであるＭＣ３３１８４とを使用して４ｍＡ静電流を生成し、これを白金センサに供給する。この時、純粋白金センサであらわれる電圧を測定するために４位置プローブ方式を利用し、この白金センサの両端の電圧を計装用増幅器を利用して測定し、最終端回路でＤＣオフセットと増幅率とを調整した後、二つのダイオードで構成されている過電圧制限器を通過してアナログマルチプレクサに送られる。ＣＰＵは、この情報に基づいてＰＣＲチップの温度を把握し、目標温度と比較して制御命令を生成し、リレーの代わりに高速フォトＭＯＳＦＥＴを利用してヒータに供給される外部電力をスイッチングして前記ＰＣＲチップの温度を制御する。このような過程を図面を参照して詳細に説明すれば、次の通りである。

まず、電力供給部５０１は、外部電源５０１１及びフォトＭＯＳＦＥＴ５０１２で構成されており、前記フォトＭＯＳＦＥＴ５０１２は外部からオンまたはオフ信号が入力されて前記外部電源５０１１と白金ヒータ５０２１とに供給される電源をオンまたはオフする機能を持つ。

５０２は、白金ヒータ部５０２１と白金センサ部５０２２とで構成されており、前記白金ヒータ部５０２１は外部電源５０１１から供給される電力を熱に変換させる機能を持ち、白金センサ部５０２２には、静電圧静電流が供給されて前記白金ヒータ部５０２１の温度に対応する電圧を発生させて外部に出力する機能を持つ。

５０３は、前記白金センサ部５０２２に静電圧静電流を供給し、前記白金センサ部５０２２の白金ヒータ部５０２１の温度に対応する出力電圧と前記入力電圧（静電圧）とを比較して前記白金ヒータ部５０２１の温度を測定する回路を具現した望ましい実施例である。ここで、５０３１は、静電圧回路であり、レギュレータＡに３３０１が使用され、５０３２は静電流回路にオペアンプとしてＭＣ３３１８４が使用され、５０３３は入力電圧と出力電圧との差を増幅する増幅器である。そして、前記５０３で測定された前記白金ヒータ部５０２１の実際の温度情報をアナログＭＵＸに出力する。

以下では、本発明によるＰＣＲチップの温度制御装置を利用してＰＣＲ実験を行った望ましい実施例を説明する。本実施例では、増幅用試料はプラスミッドＤＮＡを使用し、出発試料にプライマー、ｄＮＤＰ、塩、ＤＮＡ重合酵素が含まれている緩衝液を添加して駆動液を作った。そして、駆動液をＰＣＲチップの入口に流して反応チャンバを充填した後、入口と出口とを微細ブロック及びエポキシを利用して密封した。温度制御器で温度区間を５５℃、７２℃、９５℃に設定し、維持時間を各々３０秒に維持した。

図６は、前記実施例で、Ａ／Ｄ変換機入力端においてオシロスコープで測定した白金センサ電圧の波形を示し、図７は前記実施例で、ＣＰＵで得た白金センサの電圧の波形を示す図面である。二つの図面で分かるように白金センサの出力値をＣＰＵで確実に認識している。

図８は、前記実施例で、白金ヒータ温度のオーバシュートを示す図面であり、図９は前記実施例で、白金ヒータの温度の定常状態の誤差を示す図面である。前記二つの図面を通じて分かるように本制御機の性能が±０.４℃の定常状態の誤差と０.６℃以内のオーバシュート、そして６.８℃／ｓｅｃの上昇速度の特性で超小型ＰＣＲチップを制御できることが分かる。これは既存の０.２ｍｌのチューブでＰＣＲ増幅をする常用製品の性能に劣らないことを意味する。

図１０は、前記実施例で、増幅されたＤＮＡ蛍光イメージを示す図面である。前記図面には明確な増幅ＤＮＡのバンドがあらわれたことが分かる。

一方、前述した本発明の実施例はコンピュータで実行しうるプログラムで作成でき、コンピュータで読取れる記録媒体を利用して前記プログラムを動作させる汎用デジタルコンピューターで具現できる。

前記コンピュータで読取れる記録媒体は、マグネチック保存媒体（例えば、ＲＯＭ、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスクなど）、光学的判読媒体（例えば、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤなど）及びキャリヤウェーブ（例えば、インターネットを通した伝送）のような保存媒体を含む。

これまで、本発明についてその望ましい実施例を中心に説明した。当業者は、本発明が本発明の本質的な特性から外れない範囲で変形された形態に具現できることが分かる。したがって、開示された実施例は、限定的な観点でなく説明的な観点で考慮しなければならない。本発明の範囲は、前述した説明でなく特許請求の範囲にあらわれており、それと同等な範囲内にある全ての差異点は、本発明に含まれたものと解釈されなければならない。

産業上の利用分野
本発明によれば、色々なＤＮＡサンプルを相異なる温度制御条件で同時に分析できて分析時間及び実験時間を大きく短縮できる効果が得られ、実験のために少量のサンプルだけあればよいので、患者の負担を減らせ、環境問題をある程度解決できる。

また、本発明では超小型ＰＣＲチップを制御対象とするので、迅速な昇減温速度が得られ、ＰＣＲチップのチャンバの下部に付着されている白金センサを利用してチャンバの温度を早く正確に測定でき正確な温度制御が可能である。

図１は、本発明によるＰＣＲチップ温度制御装置の望ましい実施例の機能的ブロック図である。 図２は、本発明に適用されるＰＣＲチップの望ましい実施例の機能的ブロック図である。 図３は、本発明によるＰＣＲチップの温度制御方法の望ましい実施例の順序図である。 図４は、図１のＰＣＲチップの温度制御装置を実際に具現した望ましい実施例のハードウェア構成図である。 図５は、図２のＰＣＲチップを実際に具現した望ましい実施例のハードウェア構成図である。 図６は、本発明によるＰＣＲチップを利用して所定のＰＣＲチップの温度を制御した実施例で、Ａ／Ｄ（Ａｎａｌｏｇ／Ｄｉｇｉｔａｌ）変換機入力端においてオシロスコープで測定した白金センサ電圧の波形を示す図面である。 図７は、図５の実施例で、ＣＰＵで得た白金センサの電圧の波形を示す図面である。 図８は、図５の実施例で、白金ヒータ温度のオーバシュートを示す図面である。 図９は、図５の実施例で、白金ヒータ温度の定常状態の誤差を示す図面である。 図１０は、図５の実施例で、増幅されたＤＮＡ蛍光イメージを示す図面である。

Claims (12)

1. 外部から供給された電力で熱を発生させて所定の温度を維持し、実際の温度情報を外部に出力するＰＣＲチップと、
   入力された制御信号によって前記ＰＣＲチップに電力を供給する電力供給部と、
   事前に設定された制御温度及び制御時間情報を含む制御情報と前記ＰＣＲチップから提供された前記実際の温度情報とに基づいて制御信号を発生させて前記電力供給部に提供する制御部を含み、
   前記電力供給部は、外部電源と、前記制御信号によって前記外部電源から出力される電源をオンオフして前記ＰＣＲチップに供給するフォトＭＯＳＦＥＴ
   を含むことを特徴とするＰＣＲチップ温度制御装置。
2. 複数のＰＣＲチップのうち制御対象となるＰＣＲチップを選択する第１選択信号及び前記制御信号を前記制御部から入力され、前記制御対象となるＰＣＲチップに電力を供給する電力供給部を選択して前記制御信号を提供する選択部と、
   前記複数のＰＣＲチップのうち何れか一つを選択する第２選択信号を前記制御部から入力し、前記第２選択信号によって所定のＰＣＲチップの実際の温度情報を前記制御部に提供するＭＵＸ部と、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＰＣＲチップ温度制御装置。
3. 前記ＰＣＲチップは、
   前記電力供給部から電力が供給されて熱を発生させるヒータ部と、
   前記ＰＣＲチップの温度を測定して外部に出力する温度センサ部と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のＰＣＲチップ温度制御装置。
4. 使用者から制御温度及び制御時間情報を含む制御情報が入力されて前記情報を制御部に提供し、前記制御情報によって所定のＰＣＲチップの温度を制御した結果を外部に出力する入出力部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＰＣＲチップ温度制御装置。
5. （ａ）ＰＣＲチップの制御温度、時間を含む制御情報を入力する段階と、
   （ｂ）前記制御温度を前記時間維持するように前記ＰＣＲチップの制御信号を発生する段階と、
   （ｃ）前記制御信号によって前記ＰＣＲチップの温度を制御する段階を含み、
   前記ＰＣＲチップの温度は、前記制御信号によって外部電源から出力される電源をオンオフして前記ＰＣＲチップに供給するフォトＭＯＳＦＥＴにより制御されること
   を特徴とするＰＣＲチップ温度制御方法。
6. 前記（ｂ）段階は、（ｂ１）制御対象となるＰＣＲチップが複数ある場合には、前記制御信号で制御されるＰＣＲチップを選択する選択信号を生成させる段階をさらに含み、
   前記（ｃ）段階は、前記選択信号及び前記制御信号によって所定のＰＣＲチップの温度を制御することを特徴とする請求項５に記載のＰＣＲチップ温度制御方法。
7. （ｄ）前記ＰＣＲチップの温度を測定する段階と、
   （ｅ）前記ＰＣＲチップの実際の温度が前記制御温度と異なる場合には、前記（ｂ）段階を行う段階をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載のＰＣＲチップ温度制御方法。
8. 前記（ｅ）段階は、（ｅ１）前記ＰＣＲチップが複数ある場合には、所定のＰＣＲチップを選択する情報を生成する段階、
   （ｅ２）前記選択されたＰＣＲチップの実際の温度とそれに対応する制御温度を順次に比較して両者が異なる場合には、前記（ｂ）段階を行うことを特徴とする請求項５に記載のＰＣＲチップ温度制御方法。
9. 請求項５の方法をコンピュータで実行させるためのプログラムを記録したコンピュータで読取れる記録媒体。
10. 請求項６の方法をコンピュータで実行させるためのプログラムを記録したコンピュータで読取れる記録媒体。
11. 請求項７の方法をコンピュータで実行させるためのプログラムを記録したコンピュータで読取れる記録媒体。
12. 請求項８の方法をコンピュータで実行させるためのプログラムを記録したコンピュータで読取れる記録媒体。