(57)【要約】本発明の一実施形態は、パターンヒーターが繰り返し配置されたポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック及びこれを備えるＰＣＲ装置に関するものであり、これによれば、ヒーターが繰り返し配置された熱ブロックにおける個別のヒーターから発せられる放射状の熱の分布に伴う隣り合うヒーター間の不均一な熱の重なり合いを防いでＰＣＲの歩留まりを顕著に改善することができ、別途の温度調節手段が求められないので装置の小型化及び集積化にかなり寄与することができる。さらに、ヒーターユニットが繰り返し配置された熱ブロック及び板状のＰＣＲ部を用いて多数の核酸サンプルを一括して且つ速やかに増幅することができ、連続的な光学信号又は電気化学的な信号を測定して核酸増幅過程をリアルタイムにて確認することができる。【選択図】  図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２以上のヒーターが繰り返し配置されたポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック（１００）において、
前記ヒーターは、個別のヒーターから発せられる放射状の熱の分布に伴う隣り合うヒーター間の不均一な熱の重なり合いを防ぐために前記ヒーターの少なくとも一部分の抵抗を調節して前記ヒーターの表面の熱の均一度を調節する補償型パターン（１０００）を備えることを特徴とするポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック。
【請求項２】
前記補償型パターンは、前記ヒーターの少なくとも一部分に間隙（１１００）を繰り返し形成して間隙パターンによる抵抗を調節して前記ヒーターの表面の熱の均一度が調節されることを特徴とする請求項１に記載のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック。
【請求項３】
前記補償型パターンは、前記ヒーターの少なくとも一部分に繰り返し形成された間隙の線幅を異ならせて抵抗を調節することによって前記ヒーターの表面の熱の均一度が調節されることを特徴とする請求項２に記載のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック。
【請求項４】
前記補償型パターンは、前記ヒーターの少なくとも一部分の厚さを異ならせて抵抗を調節することによって前記ヒーターの表面の熱の均一度が調節されることを特徴とする請求項１に記載のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック。
【請求項５】
前記補償型パターンは、前記ヒーターの少なくとも一部分の材質を異ならせて抵抗を調節することによって前記ヒーターの表面の熱の均一度が調節されることを特徴とする請求項１に記載のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック。
【請求項６】
前記補償型パターンは、前記ヒーターの少なくとも一部分の配置を異ならせて抵抗を調節することによって前記ヒーターの表面の熱の均一度が調節されることを特徴とする請求項１に記載のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロック。
【請求項７】
請求項１に記載のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックと、
前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックと熱交換可能なように前記熱ブロックの上に取り付けられるが、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックに取着されたヒーターの上側の対応部分を長手方向に通過するように延びて配置された、両末端に流入部及び流出部が設けられた１以上の反応チャンネルを有する板状のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）部と、
を備えるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ。
【請求項８】
前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックの上部面にはポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）溶液の電気分解防止用絶縁膜が形成されることを特徴とする請求項７に記載のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）チップ。
【請求項９】
請求項１に記載のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックと、
前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックと熱交換可能なように前記熱ブロックの上に接触されるが、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックに取着されたヒーターの上側の対応部分を長手方向に通過するように延びて配置された、両末端に流入部及び流出部が設けられた１以上の反応チャンネルを有する板状のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）部と、
前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックに取着されたヒーターに電力を供給する電力供給部と、
を備えるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置。
【請求項１０】
前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックの上部面はにヒーター保護用絶縁膜が形成されることを特徴とする請求項９に記載のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置。
【請求項１１】
前記１以上の反応チャンネル内において流動するポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）溶液の流量及び流速を制御するために正圧又は負圧を提供するように配置されたポンプをさらに備えることを特徴とする請求項９に記載のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置。
【請求項１２】
前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）部に光を提供するように配置された光源と、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）部から発せられる光を収容するように配置された光検出部と、をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置。
【請求項１３】
前記光源又は光検出部は、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックの隣り合うヒーター間の空間に繰り返し配置されることを特徴とする請求項１２に記載のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置。
【請求項１４】
前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）部は、前記反応チャンネルの長手方向にその下断面を横切って繰り返し隔設されるが、前記反応チャンネルの内部における増幅核酸及び活性物質間の結合によって発生する電気化学的な信号を検出する検出電極を有するものであり、前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックとの熱接触に際して、前記検出電極は、前記２以上のヒーター群の間に配置されることを特徴とする請求項９に記載のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置。
【請求項１５】
前記検出電極と電気的に接続されて前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）部の反応チャンネルの内部において発生する電気化学的な信号をリアルタイムにて測定する電気化学的信号測定モジュールをさらに備えることを特徴とする請求項１４に記載のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置。
【請求項１６】
前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）部は、前記反応チャンネルの長手方向にその断面を横切って繰り返し隔設されるが、前記反応チャンネルの内部のある領域に形成されて増幅標的核酸のある領域と相補的に結合し得る捕捉プローブが表面処理された固定化層及び前記反応チャンネルの内部の他のある領域に形成されて電気化学的な信号を検出する検出電極を有するものであり、金属ナノ粒子及び前記金属ナノ粒子に連結されるが、前記増幅標的核酸の他のある領域と相補的に結合し得る信号プローブを有する複合体を備えることを特徴とする請求項９に記載のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置。
【請求項１７】
前記検出電極と電気的に接続されて前記ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）部の反応チャンネルの内部において発生する電気化学的な信号をリアルタイムにて測定する電気化学的信号測定モジュールをさらに備えることを特徴とする請求項１６に記載のポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒーターが連続的に繰り返し配置されたポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）熱ブロックを備えるポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ：Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ、以下、ＰＣＲと称する。）は、鋳型核酸の特定の部位を繰り返し加熱及び冷却して前記特定の部位を連鎖的に複製してその特定の部位を有する核酸を幾何級数的に増幅する技術であり、生命科学、遺伝工学及び医療分野などにおいて分析及び診断の目的で広く用いられている。最近、ＰＣＲを効率よく行うための種々の装置が開発されている。
【０００３】
既存の一例によるＰＣＲ装置は、加熱器に鋳型核酸を含むサンプル溶液を収容している容器を取り付け、前記容器を繰り返し加熱及び冷却してＰＣＲを行っていた。しかしながら、上記のＰＣＲ装置は単一の加熱器を有するため全体的な構造が複雑ではないが、正確な温度制御を行うために複雑な回路を備えることを余儀なくされ、一つの加熱器に対する加熱又は冷却を繰り返し行わなければならないため全体のＰＣＲ時間が長引いてしまうという欠点がある。
【０００４】
また、既存の他の例によるＰＣＲ装置は、ＰＣＲ温度を有する複数の加熱器を取り付け、これらの加熱器を通過する一つのチャンネルを介して核酸を含むサンプル溶液を流してＰＣＲを行っていた。しかしながら、上記のＰＣＲ装置は複数の加熱器を用いるので回路が比較的に単純であるが、高温及び低温の加熱器を通過するための長い流路を必要とするが故に全体的な構造が複雑であり、前記加熱器を通過するチャンネルに流れる核酸を含むサンプル溶液の流速を制御するための別途の制御装置が求められる。
【０００５】
一方、最近、ＰＣＲ装置におけるＰＣＲの歩留まりを改善するとともにＰＣＲ過程をリアルタイムにて把握することのできる効率よい方法が開発されているだけではなく、小型の加熱器を採用することによって装置の小型化及び携帯化が図れるＰＣＲ装置が開発されている。この場合、小型の加熱器の性能がＰＣＲの歩留まりに大きな影響を及ぼすため、小型の加熱器の設定温度を正確に制御し得る技術の開発が非常に重要である。この理由から、ＰＣＲ時間を画期的に短縮することができ、信頼性よいＰＣＲの歩留まりが得られる他、製品の小型化及び携帯化が図れるＰＣＲ装置が依然として切望されているのが現状である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の問題を解消するために、本発明の実施形態は、ＰＣＲ時間及び歩留まりを顕著に改善することができ、製品の小型化及び携帯化を図ることのできるＰＣＲ熱ブロック及びこれを備えるＰＣＲ装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の実施形態は、２以上のヒーターが繰り返し配置されたＰＣＲ熱ブロックにおいて、前記ヒーターは、個別のヒーターから発せられる放射状の熱の分布に伴う隣り合うヒーター間の不均一な熱の重なり合いを防ぐために前記ヒーターの少なくとも一部分の抵抗を調節して前記ヒーターの表面の熱の均一度を調節する補償型パターンを有することを特徴とするＰＣＲ熱ブロックを提供する。
【０００８】
本発明の第１の実施形態において、前記補償型パターンは、前記ヒーターの少なくとも一部分に間隙を繰り返し形成して間隙パターンによる抵抗を調節して前記ヒーターの表面の熱の均一度が調節されたものであってもよい。
【０００９】
前記補償型パターンは、前記ヒーターの少なくとも一部分に繰り返し形成された間隙の線幅を異ならせて抵抗を調節することによって前記ヒーターの表面の熱の均一度が調節されたものであってもよい。
【００１０】
前記補償型パターンは、前記ヒーターの少なくとも一部分の厚さを異ならせて抵抗を調節することによって前記ヒーターの表面の熱の均一度が調節されたものであってもよい。
【００１１】
前記補償型パターンは、前記ヒーターの少なくとも一部分の材質を異ならせて抵抗を調節することによって前記ヒーターの表面の熱の均一度が調節されたものであってもよい。
【００１２】
前記補償型パターンは、前記ヒーターの少なくとも一部分の配置を異ならせて抵抗を調節することによって前記ヒーターの表面の熱の均一度が調節されたものであってもよい。
【００１３】
本発明の第２の実施形態は、本発明の第１の実施形態によるＰＣＲ熱ブロックと、前記ＰＣＲ熱ブロックと熱交換可能なように前記熱ブロックの上に取り付けられるが、前記ＰＣＲ熱ブロックに取着されたヒーターの上側の対応部分を長手方向に通過するように延びて配置された、両末端に流入部及び流出部が設けられた１以上の反応チャンネルを有する板状のＰＣＲ部と、を備えるＰＣＲチップを提供する。
本発明の第２の実施形態において、前記ＰＣＲ熱ブロックの上部面にはＰＣＲ溶液の電気分解防止用絶縁膜が形成されてもよい。
【００１４】
本発明の第３の実施形態は、本発明の第１の実施形態によるＰＣＲ熱ブロックと、前記ＰＣＲ熱ブロックと熱交換可能なように前記熱ブロックの上に接触されるが、前記ＰＣＲ熱ブロックに取着されたヒーターの上側の対応部分を長手方向に通過するように延びて配置された、両末端に流入部及び流出部が設けられた１以上の反応チャンネルを有する板状のＰＣＲ部と、前記ＰＣＲ熱ブロックに取着されたヒーターに電力を供給する電力供給部と、を備えるＰＣＲ装置を提供する。
本発明の第３の実施形態において、前記ＰＣＲ熱ブロックの上部面はにヒーター保護用絶縁膜が形成されてもよい。
【００１５】
前記ＰＣＲ装置は、前記１以上の反応チャンネル内において流動するＰＣＲ溶液の流量及び流速を制御するために正圧又は負圧を提供するように配置されたポンプをさらに備えてもよい。
【００１６】
前記ＰＣＲ装置は、前記ＰＣＲ部に光を提供するように配置された光源と、前記ＰＣＲ部から発せられる光を収容するように配置された光検出部と、をさらに備えてもよい。
前記光源又は光検出部は、前記ＰＣＲ熱ブロックの隣り合うヒーター間の空間に繰り返し配置されてもよい。
【００１７】
前記ＰＣＲ部は、前記反応チャンネルの長手方向にその下断面を横切って繰り返し隔設されるが、前記反応チャンネルの内部における増幅核酸及び活性物質間の結合によって発生する電気化学的な信号を検出する検出電極を有するものであり、前記ＰＣＲ熱ブロックとの熱接触に際して、前記検出電極は、前記２以上のヒーター群の間に配置されてもよい。この場合、前記ＰＣＲ装置は、前記検出電極と電気的に接続されて前記ＰＣＲ部の反応チャンネルの内部において発生する電気化学的な信号をリアルタイムにて測定する電気化学的信号測定モジュールをさらに備えてもよい。
【００１８】
前記ＰＣＲ部は、前記反応チャンネルの長手方向にその断面を横切って繰り返し隔設されるが、前記反応チャンネルの内部のある領域に形成されて増幅標的核酸のある領域と相補的に結合し得る捕捉プローブが表面処理された固定化層及び前記反応チャンネルの内部の他のある領域に形成されて電気化学的な信号を検出する検出電極を有するものであり、金属ナノ粒子及び前記金属ナノ粒子に連結されるが、前記増幅標的核酸の他のある領域と相補的に結合し得る信号プローブを有する複合体を備えるものであってもよい。この場合、前記ＰＣＲ装置は、前記検出電極と電気的に接続されて前記ＰＣＲ部の反応チャンネルの内部において発生する電気化学的な信号をリアルタイムにて測定する電気化学的信号測定モジュールをさらに備えてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の実施形態によれば、ヒーターが繰り返し配置された熱ブロックにおける個別のヒーターから発せられる放射状の熱の分布に伴う隣り合うヒーター間の不均一な熱の重なり合いを防いでＰＣＲの歩留まりを顕著に改善することができ、別途の温度調節手段が求められないので装置の小型化及び集積化にかなり寄与することができる。さらに、ヒーターユニットが繰り返し配置された熱ブロック及び板状のＰＣＲ部を用いて多数の核酸サンプルを一括して且つ速やかに増幅することができ、連続的な光学信号又は電気化学的な信号を測定して核酸増幅過程をリアルタイムにて確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】２以上のヒーター１１１、１２１が繰り返し配置されたＰＣＲ熱ブロック１００を示す。
【図２】本発明の実施形態におけるＰＣＲ熱ブロック１００を実現するヒーターの配置構造を示す。
【図３】本発明の実施形態におけるＰＣＲ熱ブロック１００を実現するヒーターの配置構造を示す。
【図４】本発明の実施形態におけるＰＣＲ熱ブロック１００を実現するヒーターの配置構造を示す。
【図５】本発明の実施形態におけるＰＣＲ熱ブロック１００を実現するヒーターの配置構造を示す。
【図６】本発明の実施形態におけるＰＣＲ熱ブロック１００を実現するヒーターの配置構造を示す。
【図７】補償型パターンが適用されていない個別のヒーターに電力を供給する場合に発生する不均一な放射状の熱の分布を示す写真である。
【図８】ＰＣＲ熱ブロックの上に補償型パターンが適用されていない２以上のヒーターが繰り返し配置された状態で電力を供給する場合、個別のヒーターから発せられる不均一な放射状の熱分布に伴う隣り合うヒーター１１１、１２１間の不均一な熱の重なり合いを示す写真である。
【図９】補償型パターン１０００が適用された本発明の第１の実施形態によるＰＣＲ熱ブロック１００を示す。
【図１０】本発明の第１の実施形態によるＰＣＲ熱ブロックにおいて、ヒーター１１１の一部分に形成された間隙１１００を有する補償型パターンを示す。
【図１１】本発明の第１の実施形態によるＰＣＲ熱ブロックにおいて、ヒーター１１１の一部分に形成された間隙の線幅を異ならせた補償型パターンを示す。
【図１２】本発明の第１の実施形態によるＰＣＲ熱ブロックにおいて、ヒーター１１１の一部分の厚さを異ならせた補償型パターンを示す。
【図１３】本発明の第１の実施形態によるＰＣＲ熱ブロックにおいて、前記ヒーター１１１の少なくとも一部分の材質を異ならせた補償型パターンを示す。
【図１４】本発明の第１の実施形態によるＰＣＲ熱ブロックにおいて、前記ヒーター１１１の少なくとも一部分の配置を異ならせた補償型パターンを示す。
【図１５】本発明の第１の実施形態によるＰＣＲ熱ブロックから発せられる熱の分布を示す写真である。
【図１６】本発明の第１の実施形態によるＰＣＲ熱ブロックから発せられる熱の分布を示すグラフである。
【図１７】ＰＣＲ熱ブロックと熱接触するＰＣＲ部３００を示す。
【図１８】ＰＣＲ熱ブロック１００及びＰＣＲ部３００が一体に形成されたＰＣＲチップを示す。
【図１９】ＰＣＲ熱ブロック１００及びＰＣＲ部３００が別途に形成されたＰＣＲ装置を示す。
【図２０】本発明の第１の実施形態による補償型パターンが適用されたヒーターが繰り返し配置されたＰＣＲ熱ブロック１００を備えるＰＣＲ装置によって行われるＰＣＲを示す。
【図２１】本発明の第１の実施形態による補償型パターンが適用されたヒーターが繰り返し配置されたＰＣＲ熱ブロック１００と、光源１５０及び光検出部６００を備えるＰＣＲ装置によって行われる光学的なリアルタイムＰＣＲを示す。
【図２２】図１２乃至図１６のＰＣＲ熱ブロックと熱接触する他のタイプのＰＣＲ部９００を示す。
【図２３】図１２乃至図１６のＰＣＲ熱ブロックと熱接触する他のタイプのＰＣＲ部９００を示す。
【図２４】図１２乃至図１６のＰＣＲ熱ブロックと熱接触する他のタイプのＰＣＲ部９００を示す。
【図２５】図１２乃至図１６のＰＣＲ熱ブロックと熱接触する他のタイプのＰＣＲ部９００を示す。
【図２６】本発明の第１の実施形態による補償型パターンが適用されたヒーターが繰り返し配置されたＰＣＲ熱ブロック１００及び図２２乃至図２５のＰＣＲ部９００を備えるＰＣＲ装置によって行われるＰＣＲを示す。
【図２７】本発明の第１の実施形態による補償型パターンが適用されたヒーターが繰り返し配置されたＰＣＲ熱ブロック１００と、図２２乃至図２５のＰＣＲ部９００と、検出電極９５０及び信号測定モジュール８００を備えるＰＣＲ装置によって行われる電気化学的なリアルタイムＰＣＲを示す。
【図２８】図１２乃至図１６のＰＣＲ熱ブロックと熱接触するさらに他のタイプのＰＣＲ部９００を示す。
【図２９】図１２乃至図１６のＰＣＲ熱ブロックと熱接触するさらに他のタイプのＰＣＲ部９００を示す。
【図３０】図１２乃至図１６のＰＣＲ熱ブロックと熱接触するさらに他のタイプのＰＣＲ部９００を示す。
【図３１】図１２乃至図１６のＰＣＲ熱ブロックと熱接触するさらに他のタイプのＰＣＲ部９００を示す。
【図３２】本発明の第１の実施形態による補償型パターンが適用されたヒーターが繰り返し配置されたＰＣＲ熱ブロック１００及び図２８乃至図３１のＰＣＲ部９００を備えるＰＣＲ装置によって行われるＰＣＲを示す。
【図３３】本発明の第１の実施形態による補償型パターンが適用されたヒーターが繰り返し配置されたＰＣＲ熱ブロック１００と、図２８乃至図３１のＰＣＲ部９００と、固定化層９４０と、検出電極９５０及び信号測定モジュール８００を備えるＰＣＲ装置によって行われる電気化学的なリアルタイムＰＣＲを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付図面に基づき、本発明による実施形態について詳述する。
以下の説明は、本発明による実施形態を理解し易くするためのものに過ぎず、保護範囲を制限するためのものではない。
【００２２】
本発明の実施形態において、ＰＣＲは、特定の塩基配列を有する核酸を増幅する反応の一種を意味する。例えば、特定の塩基配列を有するデオキシリボ核酸（ＤＮＡ：ｄｅｏｘｙｒｉｂｏｎｕｃｌｅｉｃ ａｃｉｄ）を増幅するために、ＰＣＲ装置は、鋳型核酸である二本鎖のＤＮＡを含むＰＣＲ試料及び試薬を含む溶液を特定の温度、例えば、約９５℃に加熱して前記二本鎖のＤＮＡを一本鎖のＤＮＡに分離する変性段階（ｄｅｎａｔｕｒｉｎｇ ｓｔｅｐ）、増幅しようとする塩基配列と相補的な配列を有するオリゴヌクレオチドプライマーを提供し、前記分離された一本鎖のＤＮＡとともに特定の温度、例えば、５５℃に冷却して前記一本鎖のＤＮＡの特定の塩基配列に前記プライマーを結合して部分的なＤＮＡ−プライマー複合体を形成するアニーリング段階（ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｓｔｅｐ）及び前記アニーリング段階後に前記溶液を適正な温度、例えば、７２℃に維持してＤＮＡポリメラーゼによって前記部分的なＤＮＡ−プライマー複合体のプライマーに基づいて二本鎖のＤＮＡを形成する延長（又は、増幅）段階（ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ｓｔｅｐ）を行い、前記３つの段階を、例えば、２０回〜４０回繰り返し行うことによって前記特定の塩基配列を有するＤＮＡを幾何級数的に増幅することができる。場合によって、前記ＰＣＲ装置は、前記アニーリング段階及び前記延長（又は、増幅）段階を同時に行ってもよく、この場合、ＰＣＲ装置は、前記延長段階と前記アニーリング及び延長（又は、増幅）段階からなる２つの段階を行うことによって、第１の循環を完成してもよい。このため、本発明の実施形態によるＰＣＲ熱ブロック及びこれを備えるＰＣＲ装置とは、前記段階を行うためのモジュールを有する装置のことをいい、この明細書に記載されていない細部モジュールは、ＰＣＲを行うための従来の技術に開示されているか、あるいは、自明な範囲内において全て備えていることを前提とする。
【００２３】
図１は、２以上のヒーター１１１、１２１が繰り返し配置されたＰＣＲ熱ブロック１００を示し、図２乃至図６は、本発明の実施形態によるＰＣＲ熱ブロック１００を構成するヒーターの配置構造を示す。
【００２４】
図１を参照すると、本発明の実施形態は、ＰＣＲ溶液に熱を供給するＰＣＲ熱ブロック１００の上に２以上のヒーター１１１、１２１が繰り返し配置されていることを前提とする。前記ＰＣＲ熱ブロック１００は、ＰＣＲ溶液、すなわち、ＰＣＲを行うために試料及び試薬に特定の温度で熱を供給するモジュールであり、少なくとも片面に試料及び試薬が収容されているＰＣＲ部９００の接触面を設けて前記ＰＣＲ部９００の片面との熱接触を用いてＰＣＲ溶液に熱を供給してＰＣＲを行う。
【００２５】
図２乃至図６を参照すると、前記ＰＣＲ熱ブロック１００は、基板９９をベースとする。前記基板９９は、その表面に配置されたヒーター１１１、１２１の加熱などによってその物理的又は化学的な性質が変わることなく、２以上のヒーターの間において熱交換が頻繁に行われない材質によって製作される。例えば、前記基板９９は、プラスチック、ガラス、シリコンなどの材質によって製作され、必要に応じて、透明又は半透明に製作される。前記ＰＣＲ熱ブロック１００は、装置の小型化及び集積化を図るために全体的に薄い板状に、例えば、約５０ｎｍ〜１ｍｍの厚さ、好ましくは、約２５０μｍを有するように製作されるが、本発明はこれに何ら制限されない。前記ＰＣＲ熱ブロック１００の上には２以上のヒーターが繰り返し配置されるが、例えば、前記ＰＣＲ熱ブロック１００は、１以上のヒーターを有するヒーター群、前記ヒーター群を２以上有するが、前記２以上のヒーター群が隔設されたヒーターユニットが２以上繰り返し配置されてもよい。また、前記ＰＣＲ熱ブロック１００のＰＣＲ部９００の接触面は、ＰＣＲ溶液が収容されているＰＣＲ部９００に効率よく熱を供給するために、様々な形状、例えば、体積当たりの表面積の割合（Ｓｕｒｆａｃｅ ｔｏ Ｖｏｌｕｍｅ  Ｒａｔｉｏ）を増やすように平面状、流路状又は柱状に形成される。
【００２６】
前記ヒーター１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２は、前記基板９９に配置又は印刷される伝導性の発熱素子であり、ジュール熱を用いるヒーター、ペルティエ効果を奏するサーモ素子によって製作される。前記ヒーター１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２は、所定の温度を維持するために様々な電源モジュール及び制御モジュールと駆動自在に連結されてもよく、前記ヒーター１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２の温度をモニターリングするためのセンサーと駆動自在に連結されてもよい。前記ヒーター１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２は、その内部温度を一定に維持するために、単位電極、すなわち、ヒーター電極が前記ヒーター１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２の表面中心点を基準として上下及び／又は左右の方向に対称状に配置される。また、前記ヒーター１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２は、高い伝熱性及び伝導性を得るための金属材質、例えば、クロム、アルミニウム、銅、鉄、銀及び炭素よりなる群から選ばれるいずれか一種以上又はこれらの複合材料によって製造可能であるが、本発明はこれに何ら制限されない。さらに、前記ヒーター１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２は、透光性発熱素子、例えば、酸化物半導体物質又は前記酸化物半導体物質にＩｎ、Ｓｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｃ及びＳｎよりなる群から選ばれる不純物が添加された物質を含む導電性ナノ粒子、インジウム錫酸化物、伝導性高分子物質、炭素ナノチューブ及びグラフェンよりなる群から選ばれるいずれか一種以上の物質を含んでいてもよい。
【００２７】
前記ヒーター群１１０、１２０、１３０は、前記１以上のヒーター１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２を有する単位であり、ＰＣＲを行うための変性段階と、アニーリング段階及び／又は延長段階を行うための温度を維持する領域を意味する。前記ヒーター群１１０、１２０、１３０は、前記ＰＣＲ熱ブロック１００に２以上配置され、前記２以上のヒーター群１１０、１２０、１３０は、前記基板９９の上に隔設されるが、好ましくは、前記ＰＣＲ熱ブロック１００に２つ〜４つが配置される。もし、前記ＰＣＲ熱ブロック１００が２つのヒーター群を有するとしたとき、前記第１のヒーター群はＰＣＲ変性段階の温度を維持し、前記第２のヒーター群はＰＣＲアニーリング／延長段階温度を維持するものであるか、あるいは、前記第１のヒーター群はＰＣＲアニーリング／延長段階温度を維持し、前記第２のヒーター群はＰＣＲ変性段階の温度を維持するものであってもよい。また、もし、前記ＰＣＲ熱ブロック１００が３つのヒーター群を有するとしたとき、前記第１のヒーター群はＰＣＲ変性段階の温度を維持し、前記第２のヒーター群はＰＣＲアニーリング段階の温度を維持し、前記第３のヒーター群はＰＣＲ延長段階の温度を維持するものであるか、あるいは、前記第１のヒーター群はＰＣＲアニーリング段階の温度を維持し、前記第２のヒーター群はＰＣＲ延長段階の温度を維持し、前記第３のヒーター群はＰＣＲ変性段階の温度を維持するものであるか、あるいは、前記第１のヒーター群はＰＣＲ延長段階の温度を維持し、前記第２のヒーター群はＰＣＲ変性段階の温度を維持し、前記第３のヒーター群はＰＣＲアニーリング段階の温度を維持するものであってもよい。好ましくは、前記ヒーター群は、前記ＰＣＲ熱ブロック１００に３回配置されてＰＣＲを行うための３つの段階、すなわち、変性段階と、アニーリング段階及び延長段階を行うための温度をそれぞれ維持し、さらに好ましくは、前記熱ブロック１００に２回配置されてＰＣＲを行うための２つの段階、すなわち、変性段階及びアニーリング／延長段階を行うための温度をそれぞれ維持するものであってもよい。前記ヒーター群が前記ＰＣＲ熱ブロック１００の上に２回配置されてＰＣＲを行うための２つの段階、すなわち、変性段階及びアニーリング／延長段階を行う場合、ＰＣＲを行うための３つの段階、すなわち、変性段階と、アニーリング段階及び延長段階を行う場合よりもＰＣＲ時間を短縮することができ、ヒーター数が減ることによって構造の単純化及び集積度の増加を図ることができるというメリットがある。一方、この場合、ＰＣＲを行うための３つの段階において、変性段階を行うための温度は８５℃〜１０５℃、好ましくは、９５℃であり、アニーリング段階を行うための温度は４０℃〜６０℃、好ましくは、５０℃であり、延長段階を行うための温度は５０℃〜８０℃、好ましくは、７２℃であり、さらに、ＰＣＲを行うための２つの段階において、変性段階を行うための温度は８５℃〜１０５℃、好ましくは、９５℃であり、アニーリング／延長段階を行うための温度は５０℃〜８０℃、好ましくは、７２℃である。但し、前記ＰＣＲを行うための特定の温度及び温度範囲は、ＰＣＲを行うに当たって公知の範囲内において調節可能であるということはいうまでもない。前記ヒーター群１１０、１２０、１３０は、温度の緩衝役割を果たすためのヒーターをさらに備えてもよい。
【００２８】
前記ヒーターユニット１０、２０は、前記１以上のヒーターを有する前記２以上のヒーター群を有する単位であり、ＰＣＲを行うための変性段階と、アニーリング段階及び／又は延長段階を含む第１の循環が終わる領域を意味する。前記ヒーターユニット１０、２０は、必要に応じて、前記ＰＣＲ熱ブロック１００に２以上繰り返し配置されるが、好ましくは、前記ＰＣＲ熱ブロック１００に１０回、２０回、３０回又は４０回繰り返し配置される。
【００２９】
図２を参照すると、前記ＰＣＲ熱ブロック１００は、その上部面に繰り返し配置されたヒーターユニット１０、２０と、そこにそれぞれ配設された２つのヒーター群１１０、１２０と、そこにそれぞれ配設された１つのヒーター１１１、１２１と、を備えることによって、ＰＣＲを行うための２段階温度、すなわち、変性段階の１温度及びアニーリング／延長段階の１温度を順次に繰り返し提供することができる。例えば、第１のヒーター１１１は、８５℃〜１０５℃の範囲内の１温度、好ましくは、９５℃を維持して第１のヒーター群１１０は、変性段階を行うための温度を提供し、第２のヒーター１２１は５０℃〜８０℃の範囲内の１温度、好ましくは、７２℃を維持して第２のヒーター群１２０は、アニーリング／延長段階を行うための温度を提供して、前記ＰＣＲ熱ブロック１００は、第１のヒーターユニット１０及び第２のヒーターユニット２０においてＰＣＲを行うための２段階温度を順次に繰り返し提供することができる。
【００３０】
図３を参照すると、前記ＰＣＲ熱ブロック１００は、その上部面に繰り返し配置されたヒーターユニット１０、２０と、そこにそれぞれ配設された２つのヒーター群１１０、１２０と、そこにそれぞれ配設された２つのヒーター１１１、１１２、１２１、１２２を備えることによって、ＰＣＲを行うための２段階温度、すなわち、変性段階の２温度及びアニーリング／延長段階の２温度を順次に繰り返し提供することができる。例えば、第１のヒーター１１１は、８５℃〜１０５℃の範囲内の１温度、第２のヒーター１１２は、８５℃〜１０５℃の範囲内の前記第１のヒーター１１１の温度と同一又は異なる１温度を維持して第１のヒーター群１１０は、変性段階を行うための温度を提供し、第３のヒーター１２１は、５０℃〜８０℃の範囲内の１温度、第４のヒーター１２２は５０℃〜８０℃の範囲内の前記第３のヒーター１２１の温度と同一又は異なる１温度を維持して前記第２のヒーター群１２０は、アニーリング／延長段階を行うための温度を提供し、前記ＰＣＲ熱ブロック１００は、第１のヒーターユニット１０及び第２のヒーターユニット２０においてＰＣＲを行うための２段階温度を順次に繰り返し提供することができる。
【００３１】
図４を参照すると、前記ＰＣＲ熱ブロック１００は、その上部の表面に繰り返し配置されたヒーターユニット１０、２０と、そこにそれぞれ配設された３つのヒーター群１１０、１２０、１３０と、そこにそれぞれ配設された１つのヒーター１１１、１２１、１３１を備えることによって、ＰＣＲを行うための３段階温度、すなわち、変性段階の１温度、アニーリング段階の１温度及び延長段階の１温度を順次に繰り返し提供することができる。例えば、第１のヒーター１１１は、８５℃〜１０５℃の範囲内の１温度、好ましくは、９５℃を維持して前記第１のヒーター群１１０は、変性段階を行うための温度を提供し、第２のヒーター１２１は、４０℃〜６０℃の範囲内の１温度、好ましくは、５０℃を維持して前記第２のヒーター群１２０は、アニーリング段階を行うための温度を提供し、第３のヒーター１３１は、５０℃〜８０℃の範囲内の１温度、好ましくは、７２℃を維持して前記第３のヒーター群１３０は、延長段階を行うための温度を提供することによって、前記熱ブロック１００は、第１のヒーターユニット１０及び第２のヒーターユニット２０においてＰＣＲを行うための３段階温度を順次に繰り返し提供することができる。
【００３２】
図５を参照すると、前記ＰＣＲ熱ブロック１００は、その上部の表面に繰り返し配置されたヒーターユニット１０、２０と、そこにそれぞれ配設された３つのヒーター群１１０、１２０、１３０と、そこにそれぞれ配設された２つのヒーター１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２と、を備えることによって、ＰＣＲを行うための３段階温度、すなわち、変性段階の２温度と、アニーリング段階の２温度及び延長段階の２温度を順次に繰り返し提供する。例えば、第１のヒーター１１１は、８５℃〜１０５℃の範囲内の１温度、第２のヒーター１１２は、８５℃〜１０５℃の範囲内の前記第１のヒーター１１１の温度と同一又は異なる１温度を維持して前記第１のヒーター群１１０は、変性段階を行うための温度を提供し、第３のヒーター１２１は、４０℃〜６０℃の範囲内の１温度、第４のヒーター１２２は、４０℃〜６０℃の範囲内の前記第３のヒーター１２１の温度と同一又は異なる１温度を維持して第２のヒーター群１２０は、アニーリング段階を行うための温度を提供し、第５のヒーター１３１は、５０℃〜８０℃の範囲内の１温度、第６のヒーター１３２は５０℃〜８０℃の範囲内の前記第５のヒーター１３１の温度と同一又は異なる１温度を維持して前記第３のヒーター群１３０は、延長段階を行うための温度を提供して、前記ＰＣＲ熱ブロック１００は、第１のヒーターユニット１０及び第２のヒーターユニット２０においてＰＣＲを行うための３段階温度を順次に繰り返し提供することができる。
【００３３】
図２乃至図５に示すように、所定の温度を維持する２以上のヒーター１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２がＰＣＲ熱ブロック１００の上に繰り返し配置されることによって、１時間当たりの温度の変化率を大幅に高めることができる。例えば、既存の単一のヒーター方式によれば、１時間当たりの温度の変化率が１秒当たりに３℃〜７℃の範囲内であるのに対し、本発明の実施形態による繰り返し配置式のヒーターの構造によれば、前記ヒーター間の１時間当たりの温度の変化率が１秒当たりに２０℃〜４０℃の範囲内であるため、ＰＣＲ時間を大幅に短縮することができる。本発明の実施形態による繰り返し配置式のヒーターの構造によれば、ＰＣＲの変性段階と、アニーリング段階及び延長段階（又は、前記変性段階及びアニーリング／変性段階）において正確に温度を制御することが可能になり、しかも、前記ヒーターから熱が供給される部位においてのみ所望の温度又は温度範囲を維持することが可能になる。また、前記ＰＣＲ熱ブロック１００の上に様々な数のヒーターユニット１０、２０を繰り返し配置してＰＣＲ循環周期を多様化させることができる。例えば、循環周期が１０回であるＰＣＲに適用しようとする場合、前記ヒーターユニットを１０回繰り返し配置することができる。すなわち、意図されたＰＣＲ循環周期を考慮して、前記ＰＣＲ熱ブロック１００の上に前記ヒーターユニットを１０回、２０回、３０回、４０回、５０回などのように繰り返し配置することができる。加えて、前記ヒーターユニットを所定のＰＣＲ循環周期の半分の数だけ繰り返し配置することもできる。例えば、循環周期が２０回であるＰＣＲに適用しようとする場合、前記ヒーターユニットを１０回繰り返し配置することができる。この場合、試料及び試薬溶液は後述するＰＣＲ部の反応チャンネル内において流入部から流出部に向かってＰＣＲ循環周期を１０回繰り返し行うが、次いで、逆に、流出部から流入部に向かってＰＣＲ循環周期を１０回繰り返し行うことができる。
【００３４】
図６は、本発明の実施形態によるＰＣＲ熱ブロック１００及び前記ＰＣＲ熱ブロック１００に繰り返し配置されたヒーターに電力を供給する電力供給部２００を示す。
【００３５】
具体的に、図６の上段は、前記ＰＣＲ熱ブロック１００の垂直断面図であり、図６の下段は、前記ＰＣＲ熱ブロック１００の平面図である。図６のＰＣＲ熱ブロック１００は、１０回繰り返し配置されたヒーターユニットを備え、前記ヒーターユニットは、第１のヒーター群及び第２のヒーター群を備え、前記第１のヒーター群及び第２のヒーター群は、それぞれ１つのヒーター、すなわち、第１のヒーター１１０及び第２のヒーター１２０を備える。前記電力供給部２００は、電力供給源から前記ＰＣＲ熱ブロック１００に電力を供給して加熱するモジュールであって、前記各ヒーター１１０、１２０に電力を分配する配線２１０、２２０を備える。例えば、図６を参照すると、前記ＰＣＲ熱ブロック１００の前記第１の配線２１０は、前記第１のヒーター１１０に電力を供給するように連結され、前記第２の配線２２０は、前記第２のヒーター１２０に電力を供給するように連結されている。もし、前記第１のヒーター１１０がＰＣＲ変性段階温度、例えば、８５℃〜１０５℃を維持し、前記第２のヒーター１２０がＰＣＲアニーリング／延長段階温度、例えば、５０℃〜８０℃を維持する場合、前記第１の配線２１０には、前記電力供給部２００からＰＣＲ変性段階温度を維持するための電力が供給され、前記第２の配線２２０には、前記電力供給部２００からＰＣＲアニーリング／延長段階温度を維持するための電力が供給される。前記第１の配線２１０及び前記第２の配線２２０は、金、銀、銅など伝導性材質によって形成されるが、本発明はこれに何ら制限されない。
【００３６】
図７は、補償型パターンが適用されていない個別のヒーターに電力を供給する場合に発生する不均一な放射状の熱の分布を示す写真であり、図８は、ＰＣＲ熱ブロックの上に補償型パターンが適用されていない２以上のヒーターが繰り返し配置された状態で電力を供給する場合に個別のヒーターから発せられる不均一な放射状の熱の分布による隣り合うヒーター１１１、１２１間の不均一な熱の重なり合いを示す写真である。
【００３７】
図７を参照すると、全体的な周縁が長方形に形成された単一のヒーターが電力供給によって発熱するときに放射状の熱分布が形成される。一般に、全体的な周縁が長方形に形成された単一のヒーターは、電力を供給した後に所定の温度を維持するときにヒーターの中央領域において熱の偏り現象が発生して高温にて発熱し、ヒーターの周縁に進むにつれて熱損失現象が発生して前記ヒーターの中央領域に比べて周縁部が低温にて発熱する。このような不均一な発熱現象によって、図７に示すように、単一のヒーターの周りにおいて放射状の熱分布が観察される。このような放射状の熱分布は、長方形のヒーターが２以上繰り返し配置されたＰＣＲ熱ブロックにおいて隣り合うヒーター間の熱の重なり合いによる熱のばらつきを増大させる原因となる。図８を参照すると、第１のヒーター１１１と第２のヒーター１２１との間に、個別のヒーターから発せられる放射状の熱分布現象によって不均一な熱の重なり合い現象が生じるということを確認することができる。例えば、長方形のヒーターの幅が約４ｍｍであり、前記隣り合うヒーター間の距離が約８ｍｍである２以上のヒーターが繰り返し配置されたＰＣＲ熱ブロックにおいて、上記の如き不均一な熱の重なり合い現象が発生するということを容易に確認することができる。このような不均一な熱の重なり合い現象は、図１乃至図４に示すように、２以上のヒーターが繰り返し隔設された熱ブロックにおいて各ヒーターが維持すべき正確な温度の生成を妨げ、しかも、各ヒーターの温度を制御し難くする他、正確なＰＣＲを行い難くし、その結果、ＰＣＲ効率が低下する。
【００３８】
このような隣り合うヒーター間の不均一な熱の重なり合い現象による問題を解消するために、隣り合うヒーター間の距離を十分に確保したり、隣り合うヒーター間の空間に熱遮断物質などを処理したりするが、この場合、ＰＣＲ熱ブロックが全体的に肥大化して装置の小型化及び集積化が図られ難く、製造工程が複雑になって経済性が確保され難い。
図９は、補償型パターン１０００が適用された本発明の第１の実施形態によるＰＣＲ熱ブロック１００を示す。
【００３９】
図９を参照すると、本発明の第１の実施形態によるＰＣＲ熱ブロック１００は、個別のヒーター１１１、１２１から発せられる放射状の熱の分布による隣り合うヒーター間の不均一な熱の重なり合いを防ぐために、前記ヒーター１１１、１２１の少なくとも一部分の抵抗を調節して前記ヒーターの表面の熱の均一度を調節する補償型パターン１０００を備える。前記補償型パターン１０００とは、長方形のヒーターの少なくとも一部分の形状、材質、大きさ、配置などを変形してそのヒーター部分の抵抗及び放熱量を調節するための加工されたパターンの構造のことをいう。前記補償型パターン１０００は、長方形のヒーターの特徴に応じて様々に形成されるが、例えば、前記ヒーターの少なくとも一部分に間隙を繰り返し形成して間隙パターン又は波長形パターンを形成したり、前記ヒーターの少なくとも一部分の材質を他の部分と異ならせたり、前記ヒーターの少なくとも一部分の大きさを他の部分と異ならせたり、前記ヒーターの少なくとも一部分の単位電極、すなわち、ヒーター電極の配置を他の部分と異ならせたりする。また、前記補償型パターン１０００は、前記ヒーターの全体の領域に均一に適用されるが、場合によって、前記ヒーターの一部の領域に限って適用されたり、繰り返し配置された各ヒーターに異なる形状に形成されたりする。一方、本発明の第１の実施形態によるＰＣＲ熱ブロックにおいて、前記補償型パターンを有するヒーターは、前記基板にフォトリソグラフィ（Ｐｈｏｔｏ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）、電気めっき（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｐｌａｔｉｎｇ）、シャドーマスク（Ｓｈａｄｏｗ Ｍａｓｋ）及び蒸発蒸着（Ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、シャドーマスク（Ｓｈａｄｏｗ  Ｍａｓｋ）及びスパッター蒸着（Ｓｐｕｔｔｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、インクジェット（Ｉｎｋｊｅｔ）、グラビア（Ｇｒａｖｕｒｅ）、グラビア−オフセット（Ｇｒａｖｕｒｅ−Ｏｆｆｓｅｔ）、スクリーン印刷（Ｓｃｒｅｅｎ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ）、計算機数値制御工作機械（ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ）、レーザービーム加工（Ｌａｓｅｒ ｂｅａｍ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）及び放電加工（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）よりなる群から選ばれるいずれか一種を施して製作する。
図１０は、本発明の第１の実施形態によるＰＣＲ熱ブロックにおいて、ヒーター１１１の一部分に形成された間隙１１００を有する補償型パターンを示す。
【００４０】
図１０を参照すると、前記補償型パターン１０００は、前記ヒーター１１１の少なくとも一部分に間隙１１００を繰り返し形成して間隙パターンによる抵抗を調節して前記ヒーターの表面の熱の均一度が調節されたものであってもよい。前記間隙１１００は、前記ヒーター１１１の少なくとも一部分の形状を変形したものであり、凹状領域又は凸状領域又は隙間のようにヒーター状の加工パターンを意味する。図１０を参照すると、前記間隙１１００は、ヒーター１１１の表面に多種多様に形成されるが、識別番号１１００ａは凸状の間隙を示し、識別番号１１００ｂは凹状の間隙を示し、識別番号１１００ｃは隙間状間隙を示す。また、前記間隙１１００は、ヒーターの周縁の表面に繰り返し配置されて波長形に形成されるが、これは、前記ヒーター１１１の周縁の表面が連続的な凹状領域及び凸状領域の繰り返し形成されたものである。このため、前記様々な間隙１１００の構造によってヒーターの表面が様々な形状に形成され、これによって、前記ヒーターの少なくとも一部分の抵抗が調節されて放熱量が調節される。一方、前記間隙１１００は、前記ヒーター１１１の少なくともある表面に配置されるが、様々な規格に形成される。例えば、前記間隙１１００の大きさ又は間隙の線幅は、各ヒーター１１１の任意の表面に様々に実現される。このように、ヒーターの２以上の表面において前記間隙１１００の規格を調節して前記ヒーターの少なくとも２以上の領域の抵抗をそれぞれ調節することができ、その結果、放熱量を調節して各ヒーターの均一な熱分布が得られる。
図１１は、本発明の第１の実施形態によるＰＣＲ熱ブロックにおいて、ヒーター１１１の一部分に形成された間隙の線幅を異ならせた補償型パターンを示す。
【００４１】
前記補償型パターン１０００は、前記ヒーター１１１の少なくとも一部分に繰り返し形成された間隙の線幅を異ならせることによって抵抗を調節して前記ヒーターの表面の熱の均一度が調節されたものであってもよい。上記のように線幅による抵抗の調節によって熱の均一度が調節された補償型パターン１０００は、前記ヒーター１１１の少なくとも一部分の線幅を異ならせることによって前記ヒーターの少なくとも一部分の抵抗を変形してヒーターの各位置別の発熱量を調節するための加工形態を意味する。前記線幅が補償されたパターンは、前記ヒーターの表面に間隙が繰り返し形成された構造において様々に形成される。前記線幅が補償されたパターンは、前記ヒーター１１１の全体の領域に均一に適用されるが、場合によって、前記ヒーター１１１の一部の領域に適用されてもよい。一方、本発明の第１の実施形態によるＰＣＲ熱ブロック１００は、前記ヒーター１１１の少なくとも２以上の表面に形成された任意の区間において異なる線幅に形成される。すなわち、前記ヒーターの表面に多数の区間Ａ、Ｂ、Ｃを定め、各区間Ａ、Ｂ、Ｃに相当するヒーター領域の発熱量を調節することができる。例えば、図１１に示す本発明の第１の実施形態によるＰＣＲ熱ブロック１００において、区間Ａ、Ｂ、Ｃの凸状の間隙の線幅を比較すると、区間Ａ及びＣは、区間Ｂに比べて線幅が狭いため相対的に高い抵抗を有する結果、発熱量が増大するのに対し、区間Ｂは、区間Ａ及びＣに比べて線幅が広いため相対的に低い抵抗を有する結果、発熱量が低減される。このように、ヒーターの表面に形成された間隙の線幅を調節して、既存の長方形のヒーターのうち高温の部分は抵抗を低く調節し、低温の部分は抵抗を高く調節して放熱量を調節して全体的な温度のばらつきを改善することができる。
図１２は、本発明の第１の実施形態によるＰＣＲ熱ブロックにおいて、ヒーター１１１の一部分の厚さを異ならせた補償型パターンを示す。
【００４２】
前記補償型パターン１０００は、前記ヒーター１１１の少なくとも一部分の厚さを異ならせて抵抗を調節することによって前記ヒーターの表面の熱の均一度が調節されたものであってもよい。上記のように、前記ヒーター１１１の少なくとも一部分の厚さが補償されたパターン１０００は、前記ヒーター１１１の少なくとも一部分の厚さを異ならせることによって前記ヒーター１１１の少なくとも一部分の抵抗を変形して前記ヒーター１１１の位置別の発熱量を調節するための加工形態を意味する。例えば、前記厚さが補償されたパターン１０００は、前記ヒーター１１１の表面に凸面及び凹面を連続的に繰り返し配置するが、その凸面又は凹面の厚さを異ならせるものであってもよく、その厚さは約０．００１μｍ〜１ｍｍの範囲内に収まるが、本発明はこれに何ら制限されない。また、前記厚さが補償されたパターン１０００は、前記ヒーター１１１の全体の領域に均一に適用されるが、場合によって、前記ヒーターの一部の領域に適用されてもよい。一方、本発明の第１の実施形態によるＰＣＲ熱ブロック１００は、前記ヒーター１１１の少なくとも２以上の表面に形成された任意の区間において異なる厚さを有してもよい。すなわち、前記ヒーターの表面に多数の区間Ａ、Ｂ、Ｃを定め、各区間Ａ、Ｂ、Ｃに相当するヒーター領域の発熱量を調節することができる。例えば、図１２に示す本発明の第１の実施形態によるＰＣＲ熱ブロック１００において、区間Ａ、Ｂ、Ｃの凸面の厚さを比較すると、区間Ａ及びＣは、区間Ｂに比べて薄いため相対的に高い抵抗を有する結果、発熱量が増大されるのに対し、区間Ｂは、区間Ａ及びＣに比べて厚いため相対的に低い抵抗を有する結果、発熱量が低減される。上記のように、ヒーターの任意の一部分の厚さを調節して、既存の長方形のヒーターのうち高温の部分は抵抗を低く調節し、低温の部分は抵抗を高く調節して放熱量を調節して全体的な温度のばらつきを改善することができる。
図１３は、本発明の第１の実施形態によるＰＣＲ熱ブロックにおいて、前記ヒーター１１１の少なくとも一部分の材質を異ならせた補償型パターンを示す。
【００４３】
前記補償型パターン１０００は、前記ヒーター１１１の少なくとも一部分の材質を異ならせて抵抗を調節することによって前記ヒーターの表面の熱の均一度が調節されたものであってもよい。上記のように材質が補償されたパターン１０００は、前記ヒーター１１１の少なくとも一部分の材質を異ならせることによって前記ヒーター１１１の少なくとも一部分の抵抗を変形してヒーターの位置別の発熱量を調節するための加工形態を意味する。前記ヒーターの材質は、クロム、アルミニウム、銅、鉄、銀及び炭素よりなる群から選ばれるいずれか一種以上又はこれらの複合材料によって製造可能であり、伝導性を有する物質であれば、特に制限はない。また、前記材質が補償されたパターン１０００は、前記ヒーター１１１の全体の領域に均一に適用されるが、場合によって、前記ヒーターの一部の領域に適用されてもよいということはいうまでもない。一方、本発明の第１の実施形態によるＰＣＲ熱ブロック１００は、前記ヒーター１１１の少なくとも２以上の表面に形成された任意の区間に異なる材質によって製作される。すなわち、前記ヒーターの表面に多数の区間Ａ、Ｂ、Ｃを定め、各区間Ａ、Ｂ、Ｃに相当するヒーター領域の発熱量を調節することができる。例えば、図１３に示す本発明の第１の実施形態によるＰＣＲ熱ブロック１００において、区間Ａ、Ｂ、Ｃの凸面又は凸状の間隙の材質を比較すると、区間Ａ及びＣは、区間Ｂに比べて比抵抗の高い材質によって製造されて相対的に高い抵抗を有するため発熱量が増大されるのに対し、区間Ｂは、区間Ａ及びＣに比べて比抵抗の低い材質によって製造されて相対的に低い抵抗を有するため発熱量が低減される。上記のように、ヒーターの任意の一部分の材質を調節して、既存の長方形のヒーターのうち高温の部分は抵抗を低く調節し、低温の部分は抵抗を高く調節して放熱量を調節して全体的な温度のばらつきを改善することができる。
図１４は、本発明の第１の実施形態によるＰＣＲ熱ブロックにおいて、前記ヒーター１１１の少なくとも一部分の配置を異ならせた補償型パターンを示す。
【００４４】
前記補償型パターン１０００は、前記ヒーター１１１の少なくとも一部分の配置を異ならせて抵抗を調節することによって前記ヒーターの表面の熱の均一度が調節されたものであってもよい。本発明の第１の実施形態によるＰＣＲ熱ブロック１００は、前記ヒーター１１１のある表面及びこれに対応する他の表面に間隙１１００、例えば、凸状間隙又は凹状間隙が配置されるが、互いに双方向に千鳥状に形成されたヒーター電極１１１０ａ、１１１０ｂを有してもよい。例えば、前記間隙１１００は、前記ヒーター電極１１１０ａ、１１１０ｂの対応する表面に千鳥状に形成されてもよい。また、本発明の第１の実施形態によるＰＣＲ熱ブロック１００は、長方形のヒーター電極１５００と、前記長方形のヒーター電極１５００から離れて配置されるが、前記補償型パターン１０００が適用されたヒーター電極１１１０ａ、１１１０ｂと、を備えてもよい。さらに、図１４に示すように、前記長方形のヒーター電極１５００は、前記ヒーター１１１の中心領域に配置されるが、前記補償型パターンが適用されたヒーター電極１１１０ａ、１１１０ｂは、前記長方形のヒーター電極１５００から両方向に離れて配置されるが、前記補償型パターンが適用されたヒーター電極１１１０ａ、１１１０ｂは、前記長方形のヒーター電極１５００の位置を基準として対称状に形成されてもよい。すなわち、本発明の第１の実施形態によるＰＣＲ熱ブロック１００は、補償型パターン１０００を有するヒーター電極のみを備えるが、必要に応じて、補償型パターン１０００が適用されたヒーター電極と既存の長方形のヒーター電極１５００を様々に組み合わせてなることによって、既存の長方形のヒーターのうち高温の部分は抵抗を低く調節し、低温の部分は抵抗を高く調節して放熱量を調節して全体的な温度のばらつきを改善することができる。
【００４５】
図１５は、本発明の第１の実施形態によるＰＣＲ熱ブロックから発せられる熱の分布を示す写真であり、図１６は、本発明の第１の実施形態によるＰＣＲ熱ブロックから発せられる熱の分布を示すグラフである。
【００４６】
既存の長方形のヒーターに比べて本発明の第１の実施形態によるＰＣＲ熱ブロック１００の熱の均一度の改善効果を確認するために、図１１に示すＰＣＲ熱ブロックを製作した。
【００４７】
前記ＰＣＲ熱ブロックは、凸状間隙及び凹状間隙が連続的に繰り返し配置された補償型パターンを有するヒーターが基板の上に繰り返し配置されるように製作した。また、前記ＰＣＲ熱ブロックは、区間Ａ及びＣの凸状間隙の線幅及び間隙間距離を両方とも２００μｍに形成し、区間Ｂの凸状間隙の線幅及び間隙間距離を両方とも４００μｍに形成してヒーターの各区間の発熱量を調節した。この場合、凸状間隙の線幅及び間隙間距離は約５０ｎｍ〜１ｍｍの範囲内において調節可能であることが確認され、前記ヒーターの厚さは１０μｍに形成するが、約１０ｎｍ〜１ｍｍの範囲内において調節可能であることが確認された。
【００４８】
図１５を参照すると、本発明の一実施形態によるＰＣＲ熱ブロックの熱分布は、図７及び図８に示す既存の長方形のヒーターの熱分布に比べてかなり均一であることを確認することができる。また、図１６を参照すると、本発明の一実施形態によるＰＣＲ熱ブロックの第１のヒーター１１１及びこれと隣り合う第２のヒーター１２１の温度ピーク点（円形の点線）がはっきりと区別されることから、不均一な熱の重なり合い現象がかなり低減されて熱の均一度が増加したことを確認することができる。これに基づいて、上記の補償型パターンが適用されたヒーターに電力を供給した後に所定の温度を維持した状態で確認すれば、ヒーターの中央領域と周縁部分との間の温度差が減って全体的に均一な熱分布が形成されていることを確認することができた。また、上記の補償型パターンが適用されたヒーターが２以上繰り返し配置されたＰＣＲ熱ブロックに電力を供給した後に所定の温度を維持した状態で確認すれば、隣り合うヒーター間の熱の均一度がかなり増加することを確認することができた。さらに、上記の補償型パターンが適用されたヒーターが繰り返し配置されたＰＣＲ熱ブロックを用いて２段階ＰＣＲを行ったところ、隣り合う２つのヒーターはそれぞれ変性段階温度（９５℃）及びアニーリング／延長段階温度（７２℃）を正確に維持することが把握された。上述したように、本発明の第１の実施形態によるＰＣＲ熱ブロックを用いると、温度を精度よく制御することができてＰＣＲ過程を用いてＰＣＲ効率をかなり高めることができ、さらに、制御モジュールを単純化及び集積化させることができてＰＣＲ装置の小型化が図られ、製造工程が単純になって経済性が確保されることが予想される。
図１７は、ＰＣＲ熱ブロックと熱接触するＰＣＲ部３００を示す。
【００４９】
図１７を参照すると、前記ＰＣＲ部３００は、前記ＰＣＲ熱ブロック１００に貼着される第１の板３１０と、前記第１の板３１０の上に配置され、前記１以上の反応チャンネル３０３を有する第２の板３２０と、前記第２の板３２０の上に配置され、前記１以上の反応チャンネル３０３の両末端にそれぞれ流入部３０４及び流出部３０５が設けられる第３の板３３０と、を備える。このように、前記ＰＣＲ部３００を薄膜状の積層構造に形成して製造方式が簡単であり、コストを大幅に削減することができる他、前記ＰＣＲ熱ブロック１００と手軽に熱交換を行うことができる。前記ＰＣＲ部３００は、様々な材質によって形成されるが、全体的にプラスチック材質の薄膜状に形成されることが好ましい。また、前記ＰＣＲ部３００は、透光性材質によって形成され、もし、蛍光（Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ）、リン光（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｅｓｃｅｎｃｅ）、発光（Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）、ラマン分光法（Ｒａｍａｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）、表面強化ラマン散乱（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）及び表面プラスモン共鳴（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）などの光学測定に基づくリアルタイムＰＣＲ用途に用いられる場合、前記ＰＣＲ部３００は、透光性材質によって形成されることが好ましい。
【００５０】
前記第１の板３１０は、前記ＰＣＲ熱ブロック１００に貼着されて前記ＰＣＲ熱ブロック１００から熱の供給を受ける。前記第１の板３１０は、様々な材質によって形成されるが、好ましくは、ポリジメチルシロキサン（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ；ＰＤＭＳ）、シクロオレフィンコポリマー（ｃｙｃｌｅ ｏｌｅｆｉｎ ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ：ＣＯＣ）、ポリメチルメタクリレート（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｒｃｙｌａｔｅ；ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ；ＰＣ）、ポリプロピレンカーボネート（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｃａｒｂｏｎａｔｅ；ＰＰＣ）、ポリエーテルスルホン（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒ ｓｕｌｆｏｎｅ；ＰＥＳ）及びポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ；ＰＥＴ）及びこれらの混合物よりなる群から選ばれる材質であってもよい。また、前記第１の板３１０の上断面には親水性物質（図示せず）が処理され、これによって、ＰＣＲが円滑に行われる。前記親水性物質の処理によって前記第１の板３１０の上に親水性物質を含む単一層が形成される。前記親水性物質は様々な物質であるが、好ましくは、カルボキシ基（−ＣＯＯＨ）、アミン基（−ＮＨ２）、ヒドロキシ基（−ＯＨ）及びスルホン基（−ＳＨ）よりなる群から選ばれるものであり、前記親水性物質の処理は、当業界における公知の方法によって行われる。
【００５１】
前記第２の板３２０は、前記第１の板３１０の上に配置される。前記第２の板３２０は、１以上の反応チャンネル３０３を有する。前記１以上の反応チャンネル３０３は、前記第３の板３３０に形成された流入部３０４及び流出部３０５に対応する部分と連結される。このため、前記１以上の反応チャンネル３０３に増幅しようとする標的サンプル溶液が取り込まれた後にＰＣＲが行われる。また、前記１以上の反応チャンネル３０３は、使用目的及び範囲に応じて２以上存在してもよく、図１を参照すると、５つの反応チャンネル３０３が例示されている。さらに、前記第２の板３２０は、様々な材質によって形成されるが、好ましくは、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ポリアミド（ｐｏｌｙａｍｉｄｅ；ＰＡ）、ポリエチレン（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ；ＰＥ）、ポリプロピレン（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ；ＰＰ）、ポリフェニレンエーテル（ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｅｔｈｅｒ；ＰＰＥ）、ポリスチレン（ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ；ＰＳ）、ポリオキシメチレン（ｐｏｌｙｏｘｙｍｅｔｈｙｌｅｎｅ；ＰＯＭ）、ポリエーテルエーテルケトン（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ；ＰＥＥＫ）、ポリテトラフルオロエチレン（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ；ＰＴＦＥ）、ポリビニールクロライド（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｃｈｌｏｒｉｄｅ；ＰＶＣ）、ポリビニリデンフルオライド（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ；ＰＶＤＦ）、ポリブチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｂｕｔｙｌｅｎｅｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ；ＰＢＴ）、フッ素化エチレンプロピレン（ｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ ｅｔｈｙｌｅｎｅｐｒｏｐｙｌｅｎｅ；ＦＥＰ）、パーフルオロアルコキシアルカン（ｐｅｒｆｌｕｏｒａｌｋｏｘｙａｌｋａｎｅ；ＰＦＡ）及びこれらの混合物よりなる群から選ばれる熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂の材質であってもよい。また、前記第２の板３２０の厚さは様々であるが、０．０１μｍ〜５ｍｍの範囲内である。さらに、前記反応チャンネル３０３の幅及び長さは様々であるが、好ましくは、前記反応チャンネル３０３の幅は０．００１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内であり、前記反応チャンネル３０３の長さは１ｍｍ〜４００ｍｍの範囲内である。加えて、前記第２の板３２０の内壁は、ＤＮＡ、たんぱく質の吸着を防ぐためにシラン系、ウシ血清アルブミン（Ｂｏｖｉｎｅ  Ｓｅｒｕｍ Ａｌｂｕｍｉｎ；ＢＳＡ）などの物質によってコーティングされ、前記物質の処理は当業界における公知の方法によって行われる。
【００５２】
前記第３の板３３０は、前記第２の板３２０の上に配置される。前記第３の板３３０は、前記第２の板３２０に形成された１以上の反応チャンネル３０３上のある領域に形成された流入部３０４及び他のある領域に形成された流出部３０５を備える。前記流入部３０４は、増幅しようとする核酸を含む標的サンプル溶液が流入する部分である。前記流出部３０５は、ＰＣＲが終わった後に前記標的サンプル溶液が排出される部分である。このため、前記第３の板３３０は、前記第２の板３２０に形成された１以上の反応チャンネル３０３を覆うが、前記流入部３０４及び前記流出部３０５は前記１以上の反応チャンネル３０３の流入部及び流出部の役割を果たす。また、前記第３の板３３０は、様々な材質によって形成されるが、好ましくは、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレンカーボネート（ＰＰＣ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）及びこれらの混合物よりなる群から選ばれる材質である。さらに、前記流入部３０４は様々な大きさに形成されるが、好ましくは、０．００１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内の直径を有する。加えて、前記流出部３０５は様々な大きさに形成されるが、好ましくは、０．００１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内の直径を有する。加えて、前記流入部３０４及び貫通開口流出部３０５は別途のカバー手段（図示せず）を備えて、前記１以上の反応チャンネル３０３内において標的サンプル溶液に対するＰＣＲが行われるときに標的サンプル溶液が漏れ出ることを防ぐことができる。前記カバー手段は、様々な形状及び大きさに様々な材質によって形成される。また、前記第３の板３３０の厚さは様々であるが、好ましくは、０．００１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内である。なお、前記流入部３０４及び流出部３０５は、２以上存在する。
【００５３】
前記ＰＣＲ部３００は、機械的な加工を用いて前記流入部３０４及び前記流出部３０５を形成して前記第３の板３３０を提供する段階と、前記第３の板３３０の下部面と対応する大きさを有する板材に前記第３の板３３０の流入部３０４と対応する部分から前記第３の板３３０の流出部３０５に対応する部分まで機械的な加工を用いて１以上の反応チャンネル３０３を形成して第２の板３２０を提供する段階と、前記第２の板３２０の下部面と対応する大きさを有する板材の上部面に表面処理加工を施して親水性物質（図示せず）によって形成された表面を形成して第１の板３１０を提供する段階と、前記第３の板３３０の下部面を前記第２の板３２０の上部面に貼着し、前記第２の板３２０の下部面を前記第１の板３１０の上部面に貼着する段階と、を含む方法によって容易に製造される。
【００５４】
前記第３の板３３０の流入部３０４及び流出部３０５と、前記第２の板３２０の１以上の反応チャンネル３０３は、射出成形（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄｉｎｇ）、ホットエンボシング（ｈｏｔ−ｅｍｂｏｓｓｉｎｇ）、鋳造（ｃａｓｔｉｎｇ）及びレーザーアブレーション（ｌａｓｅｒ ａｂｌａｔｉｏｎ）よりなる群から選ばれる加工方法によって形成される。また、前記第１の板３１０の表面の親水性物質は、酸素及びアルゴンプラズマ処理、コロナ放電処理及び界面活性剤の塗布よりなる群から選ばれる方法によって処理され、当業界における公知の方法によって行われる。さらに、前記第３の板３３０の下部面と前記第２の板３２０の上部面、及び前記第２の板３２０の下部面と前記第１の板３１０の上部面は、熱貼り合わせ（Ｔｈｅｒｍａｌ ｂｏｎｄｉｎｇ）、超音波融着（Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ）、溶媒貼り合わせ（Ｓｏｌｖｅｎｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ）、熱板溶着（Ｈｏｔ Ｐｌａｔｅ Ｗｅｌｄｉｎｇ）、ＵＶ貼り合わせ（Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ）及びプレス貼り合わせ（Ｐｒｅｓｓ Ｂｏｎｄｉｎｇ）工程によって貼り合わせられ、当業界における公知の方法によって行われる。前記第３の板３３０と第２の板３２０との間及び前記第２の板３２０と第１の板３１０との間には両面接着剤又は熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂（図示せず）が処理される。
【００５５】
図１８は、ＰＣＲ熱ブロック１００とＰＣＲ部３００が一体に形成されたＰＣＲチップを示し、図１９は、ＰＣＲ熱ブロック１００とＰＣＲ部３００が別途に形成されたＰＣＲ装置を示す。
【００５６】
本発明の第１の実施形態による補償型パターンを有するＰＣＲ熱ブロックは、様々なＰＣＲモジュール又は装置に適用される。例えば、前記補償型パターンを有するＰＣＲ熱ブロックは、ＰＣＲ溶液を収容するＰＣＲ部に取り付けられてＰＣＲチップとして製造されてもよく（チップ内蔵型、図１８）、前記ＰＣＲ部を有する別個のＰＣＲチップと熱接触又は分離されるＰＣＲ装置として製造されてもよい（チップ外付け型、図１９）。前記チップ内蔵型の場合、前記補償型パターンを有するＰＣＲ熱ブロックの上部面にはＰＣＲ溶液の電気分解を防ぐための絶縁膜３０６が形成され、前記チップ外付け型の場合、前記補償型パターンを有するＰＣＲ熱ブロックの上部面にはヒーター保護用絶縁膜３０７が形成される。前記絶縁膜３０６、３０７の厚さは約２０μｍであることが好ましいが、約５０ｎｍ〜１ｍｍの範囲内の厚さを有してもよいことが確認された。
【００５７】
前記絶縁膜は、ＰＣＲ溶液の電気分解を防ぐための様々な材質によって形成されるが、例えば、酸化物（Ｏｘｉｄｅ）、窒化物（Ｎｉｔｒｉｄｅ）、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂及びＵＶ硬化樹脂よりなる群から選ばれる。具体的に、前記酸化物は、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）、チタン酸化物（ＴｉＯ２）、アルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）、ハフニウム酸化物（ＨｆＯ２）、バナジウム酸化物（Ｖ３Ｏ４）、ジルコニウム酸化物（ＺｒＯ２）、アンチモン酸化物（Ｓｂ２Ｏ３）及びイットリウム酸化物（Ｙ２Ｏ３）よりなる群から選ばれ、前記窒化物は、シリコン窒化物（Ｓｉ３Ｎ４）、チタン窒化物（ＴｉＮ）、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）、タンタル窒化物（Ｔａ３Ｎ５）、ハフニウム窒化物（ＨｆＮ）、バナジウム窒化物（ＶＮ）及びジルコニウム窒化物（ＺｒＮ）よりなる群から選ばれ、前記熱硬化性樹脂は、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ヨウ素樹脂、メラミン樹脂、アルキド樹脂、ポリエステル樹脂、アニリン、ポリイミド及びシリコン樹脂よりなる群から選ばれ、前記熱可塑性樹脂は、ポリエチレン、ポリ塩化ビニール樹脂、ポリスチレン、ポリアミド樹脂、ポリテトラフルオロエチレン及びポリプロピレンよりなる群から選ばれ、前記ＵＶ硬化樹脂は、エポキシアクリレート、ポリエステルアクリレート、ウレタンアクリレート、ポリブタジエンアクリレート、シリコンアクリレート及びアルキルアクリレートよりなる群から選ばれる。一方、前記絶縁膜は、前記ＰＣＲ熱ブロックの上部面にフォトリソグラフィ、電気めっき、シャドーマスク及び蒸発蒸着、シャドーマスク及びスパッター蒸着、インクジェット、グラビア、グラビア−オフセット、スクリーン印刷よりなる群から選ばれるいずれか一種を施して形成する。
【００５８】
図２０は、本発明の第１の実施形態による補償型パターンが適用されたヒーターが繰り返し配置されたＰＣＲ熱ブロック１００を有するＰＣＲ装置によって行われるＰＣＲを示す。
【００５９】
図２０を参照すると、本発明の一実施形態によるＰＣＲ装置は、ＰＣＲ部３００と、電力供給源４００及びポンプ５００を備える。具体的に、前記ＰＣＲ部３００は、前記ＰＣＲ熱ブロックの上に接触される。
【００６０】
前記電力供給源４００は、前記電力供給部２００に電力を供給するためのモジュールであり、前記電力供給部２００の第１の配線２１０及び第２の配線２２０とそれぞれ連結される。例えば、ＰＣＲを行うに当たって前記電力供給源４００の第１の電力ポート（図示せず）は前記第１の配線２１０と電気的に接続され、前記電力供給源４００の第２の電力ポート（図示せず）は前記第２の配線２２０と電気的に接続される。次いで、ＰＣＲを行うためのユーザーの指示がある場合、前記電力供給源４００は、前記第１の配線２１０及び前記第２の配線２２０にそれぞれ電力を供給して前記ＰＣＲ熱ブロックの第１のヒーター及び第２のヒーターを速やかに加熱することができ、各ヒーターが所定の温度に達すると、電力供給量を制御して前記所定の温度を維持する。例えば、前記所定の温度は、前記第１のヒーターにおいてはＰＣＲ変性段階温度（８５℃〜１０５℃、好ましくは、９５℃）であり、且つ、前記第２のヒーターにおいてはＰＣＲアニーリング／延長段階温度（５０℃〜８０℃、好ましくは、７２℃）であるか、あるいは、前記第１のヒーターにおいてはＰＣＲアニーリング／延長段階温度（５０℃〜８０℃、好ましくは、７２℃）であり、且つ、前記第２のヒーターにおいてはＰＣＲ変性段階温度（８５℃〜１０５℃、好ましくは、９５℃）である。
【００６１】
前記ポンプ５００は、前記ＰＣＲ部３００の１以上の反応チャンネル３０３内において流動する流体の流量及び流速を制御するためのモジュールであり、正圧ポンプ又は負圧ポンプであってもよく、例えば、シリンジポンプであってもよい。前記ポンプ５００は、前記反応チャンネル３０３の一部分に駆動自在に配置されるが、好ましくは、前記反応チャンネル３０３の両末端に形成された流入部３０４及び／又は流出部３０５に連結されるように配置される。前記ポンプ５００が前記流入部３０４及び／又は流出部３０５に連結されるように配置された場合、ポンプの役割を果たすだけではなく、前記流入部３０４及び／又は流出部３０５を介して標的サンプル溶液が漏れ出ることを防ぐ栓の役割も果たす。また、前記反応チャンネル３０３内において流動する流体、すなわち、標的サンプル溶液の流量及び流速を一方向に制御しようとする場合、前記ポンプ５００は、前記流入部３０４及び前記流出部３０５のうちのいずれか一方にのみ連結されるように配置され、残りの一方には通常の栓が密封状態で連結され、前記反応チャンネル３０３内において流動する流体、すなわち、標的サンプル溶液の流量及び流速を両方向に制御しようとする場合には、前記ポンプ５００は、前記流入部３０４及び前記流出部３０５の両方に連結されるように配置される。
【００６２】
前記ＰＣＲ部３００と、前記電力供給源４００及び前記ポンプ５００を有するＰＣＲ装置内におけるＰＣＲ溶液の核酸増幅反応は、例えば、下記の段階を経て行われる。
【００６３】
１．所望の二本鎖標的ＤＮＡ、増幅しようとする特定の塩基配列と相補的な配列を有するオリゴヌクレオチドプライマー、ＤＮＡ重合酵素、デオキシリボヌクレオチド３リン酸（ｄｅｏｘｙｒｉｂｏｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅ ｔｒｉｐｈｏｓｐｈａｔｅｓ；ｄＮＴＰ）、ＰＣＲ緩衝液を含むＰＣＲ溶液を準備する。
【００６４】
２．前記ＰＣＲ溶液をＰＣＲ部３００に取り込む。この場合、前記ＰＣＲ溶液は、前記流入部３０４を介して前記ＰＣＲ部３００の内部の反応チャンネル３０３に配置される。
【００６５】
３．前記電力供給部２００、具体的に、第１の配線２１０及び第２の配線２２０を前記電力供給源４００とそれぞれ連結し、前記ＰＣＲ部３００の前記流入部３０４及び前記流出部３０５をポンプ５００と密封状態で連結する。
【００６６】
４．前記電力供給部４００に電力供給の指示をして前記第１の配線２１０及び前記第２の配線２２０を用いて前記第１のヒーター及び前記第２のヒーターを発熱させ、特定の温度、例えば、第１のヒーターの場合にＰＣＲ変性段階温度（９５℃）及び第２のヒーターの場合にＰＣＲアニーリング／延長段階温度（７２℃）を維持する。
【００６７】
５．前記流入部３０４と連結されたポンプ５００によって正圧が提供されるか、あるいは、前記流出部３０５と連結されたポンプ５００によって負圧が提供されれば、前記標的サンプル溶液は、前記反応チャンネル３０３の内部において水平方向に流動する。この場合、前記ＰＣＲ溶液の流量及び流速は、前記ポンプ５００によって提供される正圧又は負圧の強さを調節することによって制御される。
【００６８】
前記段階を行うことによって、前記ＰＣＲ溶液は、前記反応チャンネル３０３の流入部３０４の末端から流出部３０５の末端まで前記第１のヒーターの上側との対応部分及び前記第２のヒーターの上側との対応部分を長手方向に移動しながらＰＣＲを行う。図２０を参照すると、前記ＰＣＲ溶液は、前記第１のヒーター及び前記第２のヒーターを有するヒーターユニットが１０回繰り返し配置された熱ブロック１００から熱の供給を受けて前記第１のヒーターの上側との対応部分におけるＰＣＲ変性段階及び前記第２のヒーターの上側との対応部分におけるＰＣＲアニーリング／延長段階を経て１０回のＰＣＲ循環周期を終える。次いで、選択的に、前記ＰＣＲ溶液は、前記反応チャンネル３０３の流出部３０５の末端から流入部３０４の末端まで前記第１のヒーターの上側との対応部分及び前記第２のヒーターの上側との対応部分を長手方向に逆移動しながらＰＣＲを再び行う。
【００６９】
図２１は、本発明の第１の実施形態による補償型パターンが適用されたヒーターが繰り返し配置されたＰＣＲ熱ブロック１００と、光源１５０及び光検出部６００を備えるＰＣＲ装置によって行われる光学的リアルタイムＰＣＲを示す。
【００７０】
図２１を参照すると、本発明の一実施形態によるＰＣＲ装置は、透光性材質のＰＣＲ部３００及びこれを備えるが、第１のヒーター１１０及び第２のヒーター１２０の間に光源１５０が配置された熱ブロック１００と、電力供給部４００と、ポンプ５００及び光検出部６００を備える。
【００７１】
図２１に示すＰＣＲ部３００は、透光性材質によって形成され、前記ＰＣＲ熱ブロック１００の第１のヒーター１１０及び第２のヒーター１２０の間に光源１５０が配置されることを特徴とする。また、前記ＰＣＲ装置は、前記光源１５０から発せられる光を検出するための光検出部６００をさらに備える。このため、前記ＰＣＲ装置は、ＰＣＲを行うに当たって核酸増幅過程をリアルタイムにて測定及び分析することができる。この場合、前記ＰＣＲ溶液には別途の蛍光物質がさらに添加されてもよく、これは、ＰＣＲ産物の生成に伴い特定の波長の光によって発光して、測定及び分析可能な光信号を誘発する。前記光源１５０は、水銀アーク灯、キセノンアーク灯、タングステンアーク灯、金属ハライドアーク灯、金属ハライド光ファイバ及び発光ダイオードよりなる群から選ばれる。また、前記光源１５０の波長は約２００ｎｍ〜１３００ｎｍの範囲内であり、多重光源又はフィルターを用いた多重波長であってもよい。さらに、前記光検出部６００は、電荷結合素子（ＣＣＤ：Ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）、電荷注入素子（ＣＩＤ：Ｃｈａｒｇｅ−ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ）、相補性金属酸化膜半導体検出器（ＣＭＯＳ：Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ−ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）及び光電子増倍管（ＰＭＴ：Ｐｈｏｔｏ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ Ｔｕｂｅ）よりなる群から選ばれる。本発明の一実施形態における前記光源１５０は、前記第１のヒーター１１０及び第２のヒーター１２０の間の空間に配置される。なお、前記光源１５０は、前記光源１５０から発せられる光を捕集するレンズ（図示せず）及び特定の波長帯の光をろ過する光フィルター（図示せず）と駆動自在に連結されるように配置される。
【００７２】
図２１を参照すると、本発明の一実施形態によるＰＣＲ装置によって核酸増幅反応がリアルタイムにて測定される段階を確認することができる。例えば、ＰＣＲ溶液は、前記反応チャンネル３０３内において前記第１のヒーター１１０の上側との対応部分３０１及び前記第２のヒーター１２０の上側との対応部分３０２を連続して通過しながらＰＣＲ変性段階及びＰＣＲアニーリング／延長段階を行うが、この場合、ＰＣＲ溶液は、前記第１のヒーター１１０と前記第２のヒーター１２０との間及び前記第１のヒーター１１０と前記第２のヒーター１２０を有するヒーターユニットの間において前記光源１５０の上側との対応部分を通過する。ＰＣＲ溶液が前記光源１５０の上側との対応部分を通過するとき、流体を制御して前記ＰＣＲ溶液の流速を遅らせたりしばらくの間停止状態に維持した後に前記光源１５０から光を発したりし、前記発せられた光は前記光透明性のＰＣＲ部３００、具体的に、前記反応チャンネル３３０を通過し、前記反応チャンネル３３０内の核酸増幅によって発生する光信号を前記光検出部６００が測定及び分析することができる。このため、ＰＣＲの各循環周期が進行される間に前記反応チャンネル３０３内において（蛍光物質が結合された）核酸の増幅による反応結果をリアルタイムにてモニターリングして標的核酸の量をリアルタイムにて測定及び分析することができる。
図２２乃至図２５は、図１２乃至図１６のＰＣＲ熱ブロックと熱接触する他のタイプのＰＣＲ部９００を示す。
【００７３】
図２２乃至図２５に示すＰＣＲ部９００は、前記反応チャンネルの長手方向にその下断面を横切って繰り返し隔設されるが、前記反応チャンネルの内部における増幅核酸及び活性物質間の結合によって発生する電気化学的な信号を検出する検出電極を有するものであり、前記熱ブロックとの熱接触に際して、前記検出電極は、前記２以上のヒーター群の間に配置される。前記ＰＣＲ部９００は、板状を呈し、両末端に流入部９３１及び流出部９３２が形成された１以上の反応チャンネル９２１と、前記反応チャンネル９２１の長手方向にその下断面を横切って繰り返し隔設されるが、前記反応チャンネル９２１の内部における増幅核酸及び活性物質間の結合によって発生する電気化学的な信号を検出する検出電極９５０を有するものであり、前記ＰＣＲ熱ブロック１００との熱接触に際して、前記検出電極９５０は、前記２以上のヒーター群１１０、１２０、１３０の間に配置される。前記ＰＣＲ部９００は、核酸、例えば、ＰＣＲ試料である鋳型核酸二本鎖ＤＮＡ、ＰＣＲ試薬である増幅しようとする特定の塩基配列と相補的な配列を有するオリゴヌクレオチドプライマー、ＤＮＡ重合酵素、デオキシリボヌクレオチド３リン酸（ｄＮＴＰ）、ＰＣＲ緩衝液を含む溶液を収容する。前記ＰＣＲ部９００は、前記試料及び試薬を取り込むための流入部９３１と、核酸増幅反応を終えた溶液を排出するための流出部９３２及び前記試料及び試薬の核酸増幅反応が行われる反応チャンネル９２１を備える。図２２を参照すると、前記反応チャンネル９２１は、前記第１のヒーターの上側との対応部分及び前記第２のヒーターの上側との対応部分を長手方向に通過するように延設される。前記ＰＣＲ部９００には、前記熱ブロック１００から熱が提供され、前記ＰＣＲ部９００の反応チャンネル９２１に含まれているＰＣＲ試料及び試薬は加熱及び維持される。また、前記ＰＣＲ部９００は、熱伝導率を高めるとともに２以上の反応チャンネル９２１を有するように全体的に板状に形成される。さらに、前記ＰＣＲ部９００は、透明又は不透明な材質のプラスチック材質によって形成されるが、プラスチック材質の特性上、厚さが調節し易いので厚さの調節だけで熱伝達効率を増大させることができ、製作工程が単純であるので製造コストを節減することができる。
【００７４】
一方、前記活性物質は、増幅核酸と化学的に反応（結合）して電気化学的な信号を誘発する物質であり、前記電気化学的な信号とは、核酸の連続的な増幅によって連続的に検出及び測定される信号のことをいう。例えば、二本鎖核酸ＤＮＡの場合、全体的に陰電荷を帯びるが、活性物質が陽電荷を帯びる場合、核酸の連続的な増幅によって増幅核酸と前記活性物質とが反応して総電荷量の変化によって検出可能な信号が導き出される。このため、前記電気化学的な信号は、前記増幅核酸の陰電荷及び前記活性物質の陽電荷間の結合による総電流値の変化に起因し、前記活性物質は、イオン結合性物質のイオン化産物のうち陽イオン物質であってもよい。より具体的に、前記イオン結合性物質は、メチレンブルーであり、前記活性物質は、メチレンブルーのイオン化産物のうち陽イオン物質であってもよい。前記メチレンブルー（Ｃ１６Ｈ１８Ｎ３ＳＣｌ・３Ｈ２Ｏ）は、溶媒に溶かすとイオン化されてＣ１６Ｈ１８Ｎ３Ｓ＋及びＣｌ−にイオン化され、前者の場合に硫黄原子（Ｓ）によって陽電荷を帯びる。二本鎖核酸ＤＮＡは、糖と、塩基及びリン酸からなるが、これらのうちリン酸基が陰電荷を帯びているため二本鎖核酸ＤＮＡは全体的に陰電荷を帯びる。メチレンブルーの陽イオンがＤＮＡのリン酸基と結合して、メチレンブルーの見かけ上の拡散率よりも二本鎖核酸と結合したメチレンブルーの見掛け上の拡散率が減少され、これは、電流のピーク値を減少させる。このため、ＰＣＲ周期が進行されることによって二本鎖核酸ＤＮＡが増幅され、二本鎖核酸ＤＮＡと結合されるメチレンブルーの量が増えて電流のピーク値が減少され、その結果、リアルタイムＰＣＲの増幅産物及びメチレンブルー間の化学的な結合による電気的な信号を用いて増幅核酸をリアルタイムにて定量することができる。
【００７５】
前記検出電極９５０は、前記１以上の反応チャンネル９２１の内部における増幅核酸及び活性物質間の結合によって発生する電気化学的な信号を検出するように様々な材質によって形成されるが、例えば、金（Ａｕ）、コバルト（Ｃｏ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、炭素ナノチューブ、グラフェン及び炭素よりなる群から選ばれる一種以上によって形成される。前記検出電極９５０は、前記反応チャンネル９２１の長手方向にその下断面を横切って繰り返し隔設されるが、前記熱ブロック１００との熱接触に際して、前記検出電極９５０は、前記２以上のヒーター群１１０、１２０、１３０の間に配置される。図２２を参照すると、前記検出電極９５０は、前記流入部９３１から流出部９３２までの反応チャンネル９２１領域に所定の間隔を隔てて繰り返し隔設されているが、このような構造を用いて、前記反応チャンネル９２１を長手方向に通過しながら順次に増幅される核酸から電気化学的な信号を繰り返し検出することができる。また、図２３を参照すると、前記検出電極９５０は、前記反応チャンネル９２１の下断面に配置されていることを確認することができる。一方、図２３を参照すると、前記ＰＣＲ部９００は、垂直断面図を基準として大きく３つの層に仕切られる。前記ＰＣＲ部９００は、前記検出電極９５０付き第１の板９１０と、前記第１の板９１０の上に配置されるが、前記１以上の反応チャンネル９２１が設けられた第２の板９２０と、前記第２の板９２０の上に配置されるが、前記流入部９３１及び流出部９３２が設けられた第３の板９３０と、を備える。
【００７６】
前記検出電極９５０が設けられた第１の板９１０の上部面は、前記第２の板９２０の下部面に貼着されて配置される。前記第１の板９１０が前記反応チャンネル９２１を有する第２の板９２０に貼着されて配置されることによって、前記反応チャンネル９２１に関する空間が確保され、さらに、前記反応チャンネル９２１の少なくともある領域（表面）に前記検出電極９５０が配置される。一方、前記第１の板９１０は、様々な材質によって形成されるが、好ましくは、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレンカーボネート（ＰＰＣ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）及びこれらの混合物よりなる群から選ばれる材質によって形成される。また、前記第１の板９１０の上部面には親水性物質（図示せず）が処理されてＰＣＲを円滑に行うことができる。前記親水性物質の処理によって前記第１の板９１０の上に親水性物質を含む単一層が形成される。前記親水性物質は、様々な物質であるが、好ましくは、カルボキシ基−（ＣＯＯＨ）、アミン基（−ＮＨ２）、ヒドロキシ基（−ＯＨ）及びスルホン基（−ＳＨ）よりなる群から選ばれるものであり、前記親水性物質の処理は、当業界における公知の方法によって行われる。
前記第２の板９２０の上部面は、前記第３の板９３０の下部面と接触されるように配置される。
【００７７】
前記第２の板９２０は、前記反応チャンネル９２１を有する。前記反応チャンネル９２１は、前記第３の板９１０に形成された流入部９３１及び流出部９３２に対応する部分と連結されて両末端に流入部９３１及び流出部９３２が設けられた１以上の反応チャンネル９２１を完成する。このため、前記反応チャンネル９２１にＰＣＲ試料及び試薬が取り込まれた後にＰＣＲが行われる。また、前記反応チャンネル９２１は、使用目的及び範囲に応じて２以上存在する。なお、前記第２の板９２０は、様々な材質によって形成されるが、好ましくは、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリビニールクロライド（ＰＶＣ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）及びこれらの混合物よりなる群から選ばれる熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂の材質によって形成される。また、前記第２の板９２０の厚さは様々であるが、１０μｍ〜２０００μｍの範囲内である。さらに、前記反応チャンネル９２１の幅及び長さは様々であるが、好ましくは、前記反応チャンネル９２１の幅は０．００１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内であり、前記反応チャンネル９２１の長さは１ｍｍ〜４００ｍｍの範囲内である。加えて、前記第２の板９２０の内壁は、ＤＮＡ、たんぱく質の吸着を防ぐためにシラン系、ウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）などの物質によってコーティングされ、前記物質の処理は当業界における公知の方法によって行われる。
【００７８】
前記第３の板９３０の下部面は、前記第２の板９２０の上部面に配置される。前記第３の板９３０は、前記第２の板９２０に形成された反応チャンネル９２１上のある領域に形成された流入部９３１及び他のある領域に形成された流出部９３２を備える。前記流入部９３１は、ＰＣＲ試料及び試薬が流入する部分である。前記流出部９３２は、ＰＣＲが終わった後にＰＣＲ産物が流出される部分である。このため、前記第３の板９３０は、前記第２の板９２０に形成された反応チャンネル９２１を覆うが、前記流入部９３１及び流出部９３２は、前記反応チャンネル９２１の流入部及び流出部の役割を果たす。さらに、前記第３の板９３０は、様々な材質によって形成されるが、好ましくは、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレンカーボネート（ＰＰＣ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）及びこれらの混合物よりなる群から選ばれる材質によって形成される。加えて、前記流入部９３１は、様々な大きさを有するが、好ましくは、 １．０ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲内の直径を有する。また、前記流出部９３２は、様々な大きさを有するが、好ましくは、１．０ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内の直径を有する。さらに、前記流入部９３１及び流出部９３２は、別途のカバー手段（図示せず）を備えて、前記反応チャンネル９２１内においてＰＣＲ試料及び試薬に対するＰＣＲが行われるときに溶液が漏れ出ることを防ぐことができる。前記カバー手段は、様々な形状及び大きさに様々な材質によって形成される。また、前記第３の板３３０の厚さは様々であるが、好ましくは、０．１ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲内である。なお、前記流入部９３１及び前記流出部９３２は、２以上存在する。
【００７９】
一方、前記ＰＣＲ部９００は、機械的な加工を用いて前記流入部９３１及び前記流出部９３２を形成して前記第３の板９３０を提供する段階と、前記第３の板９３０の下部面と対応する大きさを有する板材に前記第３の板９３０の流入部９３１と対応する部分から前記第３の板９３０の流出部９３２に対応する部分まで機械的な加工を用いて反応チャンネル９２１を形成して第２の板９２０を提供する段階と、前記第２の板９２０の下部面と対応する大きさを有する板材の上部面に表面処理加工を施して親水性物質９２２によって形成された表面を形成して第１の板９１０を提供する段階と、前記第３の板９３０の下部面を前記第２の板９２０の上部面に貼着し、前記第２の板９２０の下部面を前記第１の板９１０の上部面に貼着する段階と、を含む方法によって容易に製造される。前記第３の板９３０の流入部９３１及び流出部９３２、及び前記第２の板９２０の反応チャンネル９２１は、射出成形、ホットエンボシング、鋳造及びレーザーアブレーションよりなる群から選ばれる加工方法によって製造される。また、前記第１の板９１０の表面の親水性物質９２２は、酸素及びアルゴンプラズマ処理、コロナ放電処理及び界面活性剤の塗布よりなる群から選ばれる方法によって処理され、当業界における公知の方法によって行われる。さらに、前記第３の板９３０の下部面と前記第２の板９２０の上部面、及び前記第２の板９２０の下部面と前記第１の板９１０の上部面は、熱貼り合わせ、超音波融着、溶媒貼り合わせ、熱板溶着、ＵＶ貼り合わせ及びプレス貼り合わせ工程によって貼り合わせられ、当業界における公知の方法によって行われる。前記第３の板９３０と第２の板９２０との間及び前記第２の板９２０と第１の板９１０との間には両面接着剤又は熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂５００が処理される。
【００８０】
一方、図２２の「ａ」部分を拡大した図２４及び図２５を参照すると、前記検出電極９５０は、様々な構造を有する。例えば、図２４に示すように、前記増幅核酸及び活性物質間の結合が起こる作業電極９５０ａ及び前記増幅核酸及び活性物質間の結合が起こらないことによって電極電位の測定基準となる基準電極９５０ｂを備える２電極モジュール、又は、図２５に示すように、前記作業電極９５０ａと、前記基準電極９５０ｂ及び前記作業電極から発生する電流が流れる対電極９５０ｃを備える３電極モジュールとして製造される。このように、前記検出電極９５０が、上述したように、多電極モジュールの構造を有するように製造されれば、前記反応チャンネル９２１の内部において発生する電気化学的な信号の感度を高めることができ、しかも、発生信号の検出及び測定を容易に行うことができる。
【００８１】
図２６は、本発明の第１の実施形態による補償型パターンが適用されたヒーターが繰り返し配置されたＰＣＲ熱ブロック１００及び図２２乃至図２５のＰＣＲ部９００を有するＰＣＲ装置によって行われるＰＣＲを示す。
【００８２】
図２６を参照すると、前記ＰＣＲ部９００は、前記ＰＣＲ熱ブロック１００の上に配置され、前記検出電極９５０は、前記熱ブロック１００の上部表面に繰り返し配置された第１のヒーター及び第２のヒーターの間に繰り返し配置されている。前記ＰＣＲ部９００及びここに配設された構成要素については、上述した通りである。
【００８３】
前記電力供給源４００は、前記電力供給部２００に電力を供給するためのモジュールであり、前記電力供給部２００の第１の配線２１０及び第２の配線２２０とそれぞれ連結される。例えば、ＰＣＲに際して、前記電力供給源４００の第１の電力ポート（図示せず）は前記第１の配線２１０と電気的に接続され、前記電力供給源４００の第２の電力ポート（図示せず）は前記第２の配線２２０と電気的に接続される。次いで、ＰＣＲを行うためのユーザーの指示がある場合、前記電力供給源４００は、前記第１の配線２１０及び前記第２の配線２２０にそれぞれ電力を供給して前記ＰＣＲ熱ブロック１００の第１のヒーター及び第２のヒーターを速やかに加熱することができ、各ヒーターが所定の温度に達すると、電力供給量を制御して前記所定の温度を維持する。例えば、前記所定の温度は、前記第１のヒーターにおいてはＰＣＲ変性段階温度（８５℃〜１０５℃、好ましくは、９５℃）であり、且つ、前記第２のヒーターにおいてはＰＣＲアニーリング／延長段階温度（５０℃〜８０℃、好ましくは、７２℃）であるか、あるいは、前記第１のヒーターにおいてはＰＣＲアニーリング／延長段階温度（５０℃〜８０℃、好ましくは、７２℃又は６０℃）であり、且つ、前記第２のヒーターにおいてはＰＣＲ変性段階温度（８５℃〜１０５℃、好ましくは、９５℃）である。
【００８４】
前記ポンプ５００は、前記ＰＣＲ部９００の１以上の反応チャンネル９２１内において流動する流体の流量及び流速を制御するためのモジュールであり、正圧ポンプ又は負圧ポンプであってもよく、例えば、シリンジポンプであってもよい。前記ポンプ５００は、前記反応チャンネル９２１の一部分に駆動自在に配置されるが、好ましくは、前記反応チャンネル９２１の両末端に形成された流入部９３１及び／又は流出部９３２に連結されるように配置される。前記ポンプ５００が前記流入部９３１及び／又は流出部９３２に連結されるように配置された場合、ポンプの役割を果たすだけではなく、前記流入部９３１及び／又は流出部９３２を介して試料及び試薬溶液が漏れ出ることを防ぐ栓の役割も果たす。また、前記反応チャンネル９２１内において流動する流体、すなわち、試料及び試薬溶液の流量及び流速を一方向に制御しようとする場合、前記ポンプ５００は、前記流入部９３１及び前記流出部９３２のうちのいずれか一方にのみ連結されるように配置され、残りの一方には通常の栓が密封状態で連結され、前記反応チャンネル９２１内において流動する流体、すなわち、試料及び試薬溶液の流量及び流速を両方向に制御しようとする場合には、前記ポンプ５００は、前記流入部９３１及び前記流出部９３２の両方に連結されるように配置される。
前記リアルタイムＰＣＲ装置内におけるＰＣＲ溶液の核酸増幅反応は、例えば、下記の段階を経て行われる。
【００８５】
１．所望の二本鎖標的ＤＮＡ、増幅しようとする特定の塩基配列と相補的な配列を有するオリゴヌクレオチドプライマー、ＤＮＡ重合酵素、デオキシリボヌクレオチド３リン酸（ｄＮＴＰ）、ＰＣＲ緩衝液を含むＰＣＲ溶液を準備する。
【００８６】
２．前記ＰＣＲ溶液をＰＣＲ部９００に取り込む。この場合、前記ＰＣＲ溶液は、前記流入部９３１を介して前記ＰＣＲ部９００の内部の反応チャンネル９２１に配置される。
【００８７】
３．前記電力供給部２００、具体的に、第１の配線２１０及び第２の配線２２０を前記電力供給源４００とそれぞれ連結し、前記ＰＣＲ部９００の前記流入部９３１及び前記流出部９３２をポンプ５００と密封状態で連結する。
【００８８】
４．前記電力供給部４００に電力供給の指示をして前記第１の配線２１０及び前記第２の配線２２０を用いて前記第１のヒーター及び前記第２のヒーターを発熱させ、特定の温度、例えば、第１のヒーターの場合にＰＣＲ変性段階温度（９５℃）及び第２のヒーターの場合にＰＣＲアニーリング／延長段階温度（７２℃）を維持する。
【００８９】
５．前記流入部９３１と連結されたポンプ５００によって正圧が提供されるか、あるいは、前記流出部９３２と連結されたポンプ５００によって負圧が提供されれば、前記試料及び試薬溶液を前記反応チャンネル９２１の内部において水平方向に流動させる。この場合、前記試料及び試薬溶液の流量及び流速は、前記ポンプ５００によって提供される正圧又は負圧の強さを調節することによって制御される。
【００９０】
前記段階を行うことによって、前記ＰＣＲ溶液は、前記反応チャンネル９２１の流入部９３１の末端から流出部９３２の末端まで前記第１のヒーターの上側との対応部分及び前記第２のヒーターの上側との対応部分を長手方向に移動しながらＰＣＲを行う。図２６を参照すると、前記ＰＣＲ溶液は、前記第１のヒーター及び前記第２のヒーターを有するヒーターユニットが１０回繰り返し配置された熱ブロック１００から熱の供給を受けて前記第１のヒーターの上側との対応部分におけるＰＣＲ変性段階及び前記第２のヒーターの上側との対応部分におけるＰＣＲアニーリング／延長段階を経て１０回のＰＣＲ循環周期を終える。次いで、選択的に、前記ＰＣＲ溶液は、前記反応チャンネル９２１の流出部９３２の末端から流入部９３１の末端まで前記第１のヒーターの上側との対応部分及び前記第２のヒーターの上側との対応部分を長手方向に逆移動しながらＰＣＲを再び行う。
【００９１】
図２７は、本発明の第１の実施形態による補償型パターンが適用されたヒーターが繰り返し配置されたＰＣＲ熱ブロック１００と、図２２乃至図２５のＰＣＲ部９００と、検出電極９５０及び信号測定モジュール８００を備えるＰＣＲ装置によって行われる電気化学的なリアルタイムＰＣＲを示す。
【００９２】
図２７を参照すると、本発明の一実施形態によるＰＣＲ装置は、第１のヒーター１１０及び第２のヒーター１２０が水平方向に繰り返し配置されたＰＣＲ熱ブロック１００と、前記第１のヒーター１１０及び第２のヒーター１２０間の空間に検出電極９５０が対応するように繰り返し配置されたＰＣＲ部９００と、前記チップホルダー（図示せず）の連結ポート（図示せず）と電気的に接続されて前記ＰＣＲ部９００の反応チャンネル９２１の内部において発生する電気化学的な信号をリアルタイムにて測定する電気化学的信号測定モジュール８００と、図示はしないが、電力供給部及びポンプなどを備える。前記電気化学的信号測定モジュール８００は、前記チップホルダーの連結ポートと電気的な接続手段７００、例えば、リード電線を介して電気的に疎通可能なように連結される。このため、前記ＰＣＲ部９００の反応チャンネル９２１の内部における順次的な核酸増幅によって繰り返し発生する電気化学的な信号は、前記ＰＣＲ部９００の検出電極９５０によって順次に検出され、前記検出された信号は、前記チップホルダーの連結ポートと前記電気的な接続手段７００を経て前記電気化学的信号測定モジュール８００において測定され、さらに、加工又は分析される。前記電気化学的信号測定モジュール８００は、様々であるが、陽極溶出ボルタンメトリー（ａｎｏｄｉｃ ｓｔｒｉｐｐｉｎｇ ｖｏｌｔａｍｍｅｔｒｙ；ＡＳＶ）、クロノアンペロメトリ（ｃｈｒｏｎｏａｍｐｅｒｏｍｅｔｒｙ；ＣＡ）、サイクリックボルタンメトリー（ｃｙｃｌｉｃ ｖｏｌｔａｍｍｅｔｒｙ）、矩形波ボルタンメトリー（ｓｑｕａｒｅ ｗａｖｅ ｖｏｌｔａｍｍｅｔｒｙ；ＳＷＶ）、示差パルスボルタンメトリー（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｕｌｓｅ ｖｏｌｔａｍｍｅｔｒｙ；ＤＰＶ）及びインピーダンス計よりなる群から選ばれる。このため、本発明の一実施形態によるリアルタイムＰＣＲ装置によれば、ＰＣＲを行うに当たって核酸増幅過程をリアルタイムにて測定及び分析することができる。この場合、前記ＰＣＲ溶液は、光学的なリアルタイムＰＣＲ装置とは異なり、別途の蛍光物質が添加される必要がない。なお、本発明の一実施形態によるリアルタイムＰＣＲ装置によって核酸増幅反応がリアルタイムにて測定される段階を確認することができる。例えば、ＰＣＲ溶液は、前記反応チャンネル９２１内における前記第１のヒーター１１０の上側との対応部分３０１及び前記第２のヒーター１２０の上側との対応部分３０２を連続的に通過しながらＰＣＲ変性段階及びＰＣＲアニーリング／延長段階を行うが、この場合、ＰＣＲ溶液は、前記第１のヒーター１１０と前記第２のヒーター１２０との間、及び前記第１のヒーター１１０と前記第２のヒーター１２０を有するヒーターユニットの間に繰り返し配置された前記検出電極９５０領域を通過する。前記ＰＣＲ溶液が前記検出電極９５０の上側との対応部分を通過するとき、流体を制御して前記ＰＣＲ溶液の流速を遅らせたりしばらくの間停止状態に維持した後に増幅核酸及び活性物質間の結合によって発生する電気化学的な信号を前記検出電極９５０を用いて順次にリアルタイムにて検出及び測定することができる。このため、ＰＣＲの各循環周期が進行される間に��記反応チャンネル９２１内において（蛍光物質及び光検出システムなしに）核酸の増幅による反応結果をリアルタイムにてモニターリングして標的核酸の量をリアルタイムにて検出及び測定することができる。
図２８乃至図３１は、図１２乃至図１６のＰＣＲ熱ブロックと熱接触する他のタイプのＰＣＲ部９００を示す。
【００９３】
図２８乃至図３１に示すＰＣＲ部９００は、前記反応チャンネルの長手方向にその断面を横切って繰り返し隔設されるが、前記反応チャンネルの内部のある領域に形成されて増幅標的核酸のある領域と相補的に結合し得る捕捉プローブが表面処理された固定化層及び前記反応チャンネルの内部の他のある領域に形成されて電気化学的な信号を検出する検出電極を有するものであり、金属ナノ粒子及び前記金属ナノ粒子に連結されるが、前記増幅標的核酸の他のある領域と相補的に結合し得る信号プローブを有する複合体を備える。
【００９４】
前記ＰＣＲ部９００は、前記ＰＣＲ熱ブロック１００の上部に配置されたものであり、両末端に流入部９３１及び流出部９３２が設けられた１以上の反応チャンネル９２１と、前記反応チャンネル９２１の長手方向にその断面を横切って繰り返し隔設されるが、前記反応チャンネル９２１の内部のある領域に形成されて増幅標的核酸のある領域と相補的に結合し得る補足プローブが表面処理された固定化層９４０及び前記反応チャンネル９２１の内部の他のある領域に形成されて電気化学的な信号を検出する検出電極９５０を備える。
【００９５】
前記反応チャンネル９２１は、ＰＣＲ溶液によってＰＣＲが行われる空間であり、前記ＰＣＲ部９００の内部に形成される。前記反応チャンネル９２１は、空き円柱状、バー状、四角柱状など様々な形状及び構造を有する。前記反応チャンネル９２１は、その内部のある領域に配置されるが、増幅標的核酸のある領域と相補的に結合し得る補足プローブが表面処理された固定化層９４０と、その内部の他のある領域に配置されるが、電気化学的な信号を検出する検出電極９５０と、を備えるが、前記固定化層９４０及び前記検出電極９５０は、前記反応チャンネル９２１の内部における様々な個所に配置されるが、図２９に示すように、上下又は左右に向かい合うように配置されることが好ましい。さらに、前記反応チャンネル９２１は、その内部に金属ナノ粒子及び前記金属ナノ粒子に連結されるが、前記増幅標的核酸の他のある領域と相補的に結合し得る信号プローブを有する複合体を収容する。この場合、前記複合体は、鋳型核酸などを含むＰＣＲ試料を取り込む前に前記反応チャンネル９２１に予め収容されてもよく、プライマー、重合酵素など含むＰＣＲ試薬に含まれている状態で前記反応チャンネル２３に一緒に取り込まれる。前記固定化層９４０は、その片面に補足プローブが蒸着されて露出されるように様々な材質、例えば、シリコン、プラスチック、ガラス、金属材質などによって形成される。この場合、前記固定化層９４０の表面には、例えば、補足プローブが蒸着される前にアミン（ＮＨ３＋）、アルデヒド（ＣＯＨ）、カルボキシル基（ＣＯＯＨ）などの物質が先に表面処理されてもよい。前記補足プローブは、前記増幅標的核酸の一部位（領域）と相補的に結合するように設けられ、金属ナノ粒子と結合して複合体を形成する。前記金属ナノ粒子は様々であるが、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、鉛（Ｐｂ）、銅（Ｃｕ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、セシウム（Ｃｓ）、バリウム（Ｂａ）、カドミウム（Ｃｄ）、水銀（Ｈｇ）、砒素（Ａｓ）、セレニウム（Ｓｅ）、錫（Ｓｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）及び銀（Ａｇ）よりなる群から選ばれる一種以上である。前記信号プローブは、前記増幅標的核酸のある領域と相補的に結合し得るように設けられるが、この場合、前記増幅標的核酸において、前記信号プローブの相補的な結合領域は、前記補足プローブの相補的な結合領域とは異なる。このため、前記補足プローブ及び信号プローブは、増幅標的核酸に一緒に相補的に結合し得る。すなわち、ＰＣＲが行われながら前記反応チャンネル９２１の内部において標的核酸が増幅されれば、増幅標的核酸は、前記固定化層９４０に表面処理された補足プローブと相補的に結合し、且つ、金属ナノ粒子に連結された信号プローブと相補的に結合して前記金属ナノ粒子を前記固定化層９４０の近くの領域に集中させる。その結果、前記金属ナノ粒子は、前記検出電極２６に達せず、これによって、前記金属ナノ粒子と前記検出電極２６との間の電流の変化（減少）が引き起こされて標的核酸の増幅に伴う検出可能な電気化学的な信号が発生する。一方、前記増幅標的核酸、前記補足プローブ及び前記信号プローブは、一本鎖ＤＮＡであってもよい。
【００９６】
前記検出電極９５０は、前記反応チャンネル９２１の少なくともある領域に配置されるが、前記反応チャンネル９２１の内部において発生する電気化学的な信号を検出するように設けられる。前記検出電極９５０は、上記の機能を行うために様々な材質によって形成されるが、例えば、金（Ａｕ）、コバルト（Ｃｏ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、炭素ナノチューブ、グラフェン及び炭素よりなる群から選ばれる一種以上によって形成される。また、前記検出電極９５０は、前記反応チャンネル９２１の内部において発生する電気化学的な信号を効率よく検出するために、様々な形状及び構造を有するが、例えば、図２８に示すように、前記反応チャンネル９２１の内部の表面に沿って配置される金属製の板状を呈する。一方、前記電気化学的な信号は、後述する電気化学的信号測定モジュールによって測定されるが、前記電気化学的信号測定モジュールは様々であり、陽極溶出ボルタンメトリー（ＡＳＶ）、クロノアンペロメトリ（ＣＡ）、サイクリックボルタンメトリー、矩形波ボルタンメトリー（ＳＷＶ）、示差パルスボルタンメトリー（ＤＰＶ）及びインピーダンス計よりなる群から選ばれる。前記電気化学的な信号は、前記増幅標的核酸が前記補足プローブ及び信号プローブと相補的に結合することによって発生する電流の変化に起因する。本発明の一実施形態によるＰＣＲ装置の電気化学的な信号の発生過程は、下記の通りである。第１の段階は、ＰＣＲの開始前であり、固定化層に表面処理された補足プローブと信号プローブ及び金属ナノ粒子を含む複合体の元の状態を含み、第２の段階は、前記検出電極と金属ナノ粒子との間の還元又は酸化によって発生する電流の変化（信号）を含み、第３の段階は、ＰＣＲの開始後であり、増幅標的核酸が前記補足プローブ及び前記複合体（Ｓｉｇｎａｌｉｎｇ  ｐｒｏｂｅ−ｍｅｔａｌ  ｎａｎｏ  ｐａｒｔｉｃｌｅ）の信号プローブと結合して電流の変化の減少（信号の減少）を引き起こす段階を含む。具体的に、前記複合体 の金属ナノ粒子に還元電圧が加えられると、前記金属ナノ粒子は前記検出電極の近くの表面に集まって蓄積層を形成しながら還元され （Ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｍｅｔａｌ  ｎａｎｏ  ｐａｒｔｉｃｌｅ）、次いで、前記検出電極に電圧を印加すると、前記還元金属ナノ粒子が酸化されながら電流の変化、すなわち、信号が発生し、前記電流の変化は、酸化電流ピークが示す電圧値を用いて容易に測定することができる。この場合、前記反応チャンネル９２１の内部における電流の変化値、すなわち、電気化学的な信号は、標的核酸の変化量を示す。なお、前記金属ナノ粒子が酸化される電圧値は、金属ナノ粒子の種類ごとに異なるため、２以上の金属ナノ粒子を用いる場合に２以上の試料に対する同時信号の検出も行うことができる。次いで、ＰＣＲが行われると、鋳型核酸から標的核酸が増幅され、前記増幅標的核酸は、前記補足プローブ及び前記複合体の信号プローブと相補的に結合することによって、上述したように前記複合体の金属ナノ粒子の電極表面蓄積（Ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ ｍｅｔａｌ ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ）を妨げ、前記電流値を減少させ、さらに、ＰＣＲ周期が進行されるにつれて増幅標的核酸の量が増���し、これに伴い、前記補足プローブ及び前記複合体の信号プローブ間の相補的な結合（Ｈｙｂｒｉｄｉｚｅｄ ｔａｒｇｅｔ ＤＮＡ）も増大されて前記電流値（信号）はなお一層減少される。このため、上記の電流の減少現象、すなわち、電気化学的な信号を検出及び測定することによってリアルタイムＰＣＲが行われる。
【００９７】
図２８及び図２９を参照すると、前記固定化層９４０及び前記検出電極９５０は、前記反応チャンネル９２１の長手方向にその断面を横切って繰り返し隔設されるが、前記ＰＣＲ熱ブロック１００との熱接触に際して、前記固定化層９４０及び前記検出電極９５０は、前記２以上のヒーター群１１０、１２０、１３０の間に配置される。前記ＰＣＲ部９００の平面図である図２８を参照すると、前記固定化層９４０及び検出電極９５０は、前記流入部９３１から流出部９３２までの反応チャンネル９２１領域に所定の間隔を隔てて繰り返し配置されているが、このような構造を用いて、前記反応チャンネル９２１を長手方向に通過しながら順次に増幅される核酸から電気化学的な信号を繰り返し検出することができる。また、前記ＰＣＲ部９００の垂直断面図である図２９を参照すると、前記固定化層９４０及び検出電極９５０は、前記反応チャンネル９２１の断面に向かい合うように配置されたことを確認することができるが、前記固定化層９４０及び検出電極９５０の位置は上下に変動可能である。
【００９８】
図２９を参照すると、前記ＰＣＲ部９００は、垂直断面図を基準として大きく３つの層に仕切られる。前記ＰＣＲ部９００は、前記検出電極９５０付き第１の板９１０と、前記第１の板９１０の上に配置されるが、前記１以上の反応チャンネル９２１が設けられた第２の板９２０と、前記第２の板９２０の上に配置されるが、前記固定化層９４０と、前記流入部９３１及び流出部９３２が設けられた第３の板９３０と、を備える。この場合、前記検出電極９５０が前記第３の板９３０に配置され、前記固定化層９４０が前記第１の板９１０に配置されてもよいということはいうまでもない。
【００９９】
前記検出電極９５０が設けられた第１の板９１０の上部面は、前記第２の板９２０の下部面に貼着されて配置される。前記第１の板９１０が前記反応チャンネル９２１を有する第２の板９２０に貼着されて配置されることによって、前記反応チャンネル９２１に関する空間が確保され、さらに、前記反応チャンネル９２１の少なくともある領域（表面）に前記検出電極９５０が配置される。一方、前記第１の板９１０は、様々な材質によって形成されるが、好ましくは、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレンカーボネート（ＰＰＣ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）及びこれらの混合物よりなる群から選ばれる材質によって形成される。また、前記第１の板９１０の上部面には親水性物質（図示せず）が処理されてＰＣＲを円滑に行うことができる。前記親水性物質の処理によって前記第１の板９１０の上に親水性物質を含む単一層が形成される。前記親水性物質は、様々な物質であるが、好ましくは、カルボキシ基−（ＣＯＯＨ）、アミン基（−ＮＨ２）、ヒドロキシ基（−ＯＨ）及びスルホン基（−ＳＨ）よりなる群から選ばれるものであり、前記親水性物質の処理は、当業界における公知の方法によって行われる。
【０１００】
前記第２の板９２０の上部面は、前記第３の板９３０の下部面と接触されるように配置される。前記第２の板９２０は、前記反応チャンネル９２１を有する。前記反応チャンネル９２１は、前記第３の板９１０に形成された流入部９３１及び流出部９３２に対応する部分と連結されて両末端に流入部９３１及び流出部９３２が設けられた１以上の反応チャンネル９２１を完成する。このため、前記反応チャンネル９２１にＰＣＲ試料及び試薬が取り込まれた後にＰＣＲが行われる。また、前記反応チャンネル９２１は、使用目的及び範囲に応じて２以上存在する。なお、前記第２の板９２０は、様々な材質によって形成されるが、好ましくは、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリビニールクロライド（ＰＶＣ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）及びこれらの混合物よりなる群から選ばれる熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂の材質によって形成される。また、前記第２の板９２０の厚さは様々であるが、１００μｍ〜２００μｍの範囲内である。さらに、前記反応チャンネル９２１の幅及び長さは様々であるが、好ましくは、前記反応チャンネル９２１の幅は０．００１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内であり、前記反応チャンネル９２１の長さは１ｍｍ〜４００ｍｍの範囲内である。加えて、前記第２の板９２０の内壁は、ＤＮＡ、たんぱく質の吸着を防ぐためにシラン系、ウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）などの物質によってコーティングされ、前記物質の処理は当業界における公知の方法によって行われる。
【０１０１】
前記第３の板９３０の下部面は、前記第２の板９２０の上部面に配置される。前記第３の板９３０は、前記第２の板９２０に形成された反応チャンネル９２１の上に形成された固定化層９４０と、流入部９３１及び流出部９３２を備える。前記流入部９３１は、ＰＣＲ試料及び試薬が流入する部分である。前記流出部９３２は、ＰＣＲが終わった後にＰＣＲ産物が流出される部分である。このため、前記第３の板９３０は、前記第２の板９２０に形成された反応チャンネル９２１を覆うが、前記流入部９３１及び流出部９３２は、前記反応チャンネル９２１の流入部及び流出部の役割を果たす。さらに、前記第３の板９３０は、様々な材質によって形成されるが、好ましくは、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレンカーボネート（ＰＰＣ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）及びこれらの混合物よりなる群から選ばれる材質によって形成される。加えて、前記流入部９３１は、様々な大きさを有するが、好ましくは、 １．０ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲内の直径を有する。また、前記流出部９３２は、様々な大きさを有するが、好ましくは、１．０ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内の直径を有する。さらに、前記流入部９３１及び流出部９３２は、別途のカバー手段（図示せず）を備えて、前記反応チャンネル９２１内においてＰＣＲ試料及び試薬に対するＰＣＲが行われるときに溶液が漏れ出ることを防ぐことができる。前記カバー手段は、様々な形状及び大きさに様々な材質によって形成される。また、前記第３の板３３０の厚さは様々であるが、好ましくは、０．１ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲内である。なお、前記流入部９３１及び前記流出部９３２は、２以上存在する。
【０１０２】
一方、前記ＰＣＲ部９００は、機械的な加工を用いて前記流入部９３１及び前記流出部９３２を形成して前記第３の板９３０を提供する段階と、前記第３の板９３０の下部面と対応する大きさを有する板材に前記第３の板９３０の流入部９３１と対応する部分から前記第３の板９３０の流出部９３２に対応する部分まで機械的な加工を用いて反応チャンネル９２１を形成して第２の板９２０を提供する段階と、前記第２の板９２０の下部面と対応する大きさを有する板材の上部面に表面処理加工を施して親水性物質９２２によって形成された表面を形成して第１の板９１０を提供する段階と、前記第３の板９３０の下部面を前記第２の板９２０の上部面に貼着し、前記第２の板９２０の下部面を前記第１の板９１０の上部面に貼着する段階と、を含む方法によって容易に製造される。前記第３の板９３０の流入部９３１及び流出部９３２、及び前記第２の板９２０の反応チャンネル９２１は、射出成形、ホットエンボシング、鋳造及びレーザーアブレーションよりなる群から選ばれる加工方法によって製造される。また、前記第１の板９１０の表面の親水性物質９２２は、酸素及びアルゴンプラズマ処理、コロナ放電処理及び界面活性剤の塗布よりなる群から選ばれる方法によって処理され、当業界における公知の方法によって行われる。さらに、前記第３の板９３０の下部面と前記第２の板９２０の上部面、及び前記第２の板９２０の下部面と前記第１の板９１０の上部面は、熱貼り合わせ、超音波融着、溶媒貼り合わせ、熱板溶着、ＵＶ貼り合わせ及びプレス貼り合わせ工程によって貼り合わせられ、当業界における公知の方法によって行われる。前記第３の板９３０と第２の板９２０との間及び前記第２の板９２０と第１の板９１０との間には両面接着剤又は熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂５００が処理される。
【０１０３】
一方、図２８の「ａ」部分を拡大した図３０及び図３１を参照すると、前記検出電極９５０は、様々な構造を有する。例えば、図３０に示すように、酸化又は還元反応が起こる作業電極９５０ａ及び酸化又は還元反応が起こらない個順電極９５０ｂを備える２電極モジュール、又は、図３１に示すように、前記作業電極９５０ａと、前記基準電極９５０ｂ及び前記指示電極から発生する電子バランスを調節する対電極９５０ｃを備える３電極モジュールとして製造される。このように、前記検出電極９５０が、上述したように、多電極モジュールの構造を有するように製造されれば、前記反応チャンネル９２１の内部において発生する電気化学的な信号の感度を高めることができ、しかも、発生信号の検出及び測定を容易に行うことができる。
【０１０４】
図３２は、本発明の第１の実施形態による補償型パターンが適用されたヒーターが繰り返し配置されたＰＣＲ熱ブロック１００及び図２８乃至図３１のＰＣＲ部９００を有するＰＣＲ装置によって行われるＰＣＲを示す。
【０１０５】
図３２を参照すると、前記ＰＣＲ部９００は、前記ＰＣＲ熱ブロック１００の上に配置され、具体的に、前記検出電極９５０は、前記ＰＣＲ熱ブロック１００の上部表面に繰り返し配置された第１のヒーター及び第２のヒーターの間に繰り返し配置されている。前記電力供給源４００は、前記電力供給部２００に電力を供給するためのモジュールであり、前記電力供給部２００の第１の配線２１０及び第２の配線２２０とそれぞれ連結される。例えば、ＰＣＲを行うに当たって前記電力供給源４００の第１の電力ポート（図示せず）は前記第１の配線２１０と電気的に接続され、前記電力供給源４００の第２の電力ポート（図示せず）は前記第２の配線２２０と電気的に接続される。次いで、ＰＣＲを行うためのユーザーの指示がある場合、前記電力供給源４００は、前記第１の配線２１０及び前記第２の配線２２０にそれぞれ電力を供給して前記ＰＣＲ熱ブロックの第１のヒーター１１０及び第２のヒーター１２０を速やかに加熱することができ、各ヒーター１１０、１２０が所定の温度に達すると、電力供給量を制御して前記所定の温度を維持する。例えば、前記所定の温度は、前記第１のヒーター１１０においてはＰＣＲ変性段階温度（８５℃〜１０５℃、好ましくは、９５℃）であり、且つ、前記第２のヒーター１２０においてはＰＣＲアニーリング／延長段階温度（５０℃〜８０℃、好ましくは、７２℃）であるか、あるいは、前記第１のヒーター１１０においてはＰＣＲアニーリング／延長段階温度（５０℃〜８０℃、好ましくは、７２℃又は９０℃）であり、且つ、前記第２のヒーター１２０においてはＰＣＲ変性段階温度（８５℃〜１０５℃、好ましくは、９５℃）である。
【０１０６】
前記ポンプ５００は、前記ＰＣＲ部９００の１以上の反応チャンネル９２１内において流動する流体の流量及び流速を制御するためのモジュールであり、正圧ポンプ又は負圧ポンプであってもよく、例えば、シリンジポンプであってもよい。前記ポンプ５００は、前記反応チャンネル９２１の一部分に駆動自在に配置されるが、好ましくは、前記反応チャンネル９２１の両末端に形成された流入部９３１及び／又は流出部９３２に連結されるように配置される。前記ポンプ５００が前記流入部９３１及び／又は流出部９３２に連結されるように配置された場合、ポンプの役割を果たすだけではなく、前記流入部９３１及び／又は流出部９３２を介して試料及び試薬溶液が漏れ出ることを防ぐ栓の役割も果たす。また、前記反応チャンネル９２１内において流動する流体、すなわち、試料及び試薬溶液の流量及び流速を一方向に制御しようとする場合、前記ポンプ５００は、前記流入部９３１及び前記流出部９３２のうちのいずれか一方にのみ連結されるように配置され、残りの一方には通常の栓が密封状態で連結され、前記反応チャンネル９２１内において流動する流体、すなわち、試料及び試薬溶液の流量及び流速を両方向に制御しようとする場合には、前記ポンプ５００は、前記流入部９３１及び前記流出部９３２の両方に連結されるように配置される。
前記リアルタイムＰＣＲ装置内におけるＰＣＲ溶液の核酸増幅反応は、例えば、下記の段階を経て行われる。
【０１０７】
１．所望の二本鎖標的ＤＮＡ、増幅しようとする特定の塩基配列と相補的な配列を有するオリゴヌクレオチドプライマー、ＤＮＡ重合酵素、デオキシリボヌクレオチド３リン酸（ｄＮＴＰ）、ＰＣＲ緩衝液を含むＰＣＲ溶液を準備する。
【０１０８】
２．前記ＰＣＲ溶液をＰＣＲ部９００に取り込む。この場合、前記ＰＣＲ溶液は、前記流入部９３１を介して前記ＰＣＲ部９００の内部の反応チャンネル９２１に配置される。
【０１０９】
３．前記電力供給部２００、具体的に、第１の配線２１０及び第２の配線２２０を前記電力供給源４００とそれぞれ連結し、前記ＰＣＲ部９００の前記流入部９３１及び前記流出部９３２をポンプ５００と密封状態で連結する。
【０１１０】
４．前記電力供給部４００に電力供給の指示をして前記第１の配線２１０及び前記第２の配線２２０を用いて前記第１のヒーター１１０及び前記第２のヒーター１２０を発熱させ、特定の温度、例えば、第１のヒーター１１０の場合にＰＣＲ変性段階温度（９５℃）及び第２のヒーター１２０の場合にＰＣＲアニーリング／延長段階温度（７２℃）を維持する。
【０１１１】
５．前記流入部９３１と連結されたポンプ５００によって正圧が提供されるか、あるいは、前記流出部９３２と連結されたポンプ５００によって負圧が提供されれば、前記試料及び試薬溶液を前記反応チャンネル９２１の内部において水平方向に流動させる。この場合、前記試料及び試薬溶液の流量及び流速は、前記ポンプ５００によって提供される正圧又は負圧の強さを調節することによって制御される。
【０１１２】
前記段階を行うことによって、前記ＰＣＲ溶液は、前記反応チャンネル９２１の流入部９３１の末端から流出部９３２の末端まで前記第１のヒーター１１０の上側との対応部分及び前記第２のヒーター１２０の上側との対応部分を長手方向に移動しながらＰＣＲを行う。前記ＰＣＲ溶液は、前記第１のヒーター１１０及び前記第２のヒーター１２０を有するヒーターユニットが１０回繰り返し配置された熱ブロック１００から熱の供給を受けて前記第１のヒーター１１０の上側との対応部分３０１におけるＰＣＲ変性段階及び前記第２のヒーター１２０の上側との対応部分３０２におけるＰＣＲアニーリング／延長段階を経て１０回のＰＣＲ循環周期を終える。次いで、選択的に、前記ＰＣＲ溶液は、前記反応チャンネル９２１の流出部９３２の末端から流入部９３１の末端まで前記第１のヒーター１１０の上側との対応部分及び前記第２のヒーター１２０の上側との対応部分を長手方向に逆移動しながらＰＣＲを再び行う。
【０１１３】
図３３は、本発明の第１の実施形態による補償型パターンが適用されたヒーターが繰り返し配置されたＰＣＲ熱ブロック１００と、図２８乃至図３１のＰＣＲ部９００と、固定化層９４０と、検出電極９５０及び信号測定モジュール８００を備えるＰＣＲ装置によって行われる電気化学的なリアルタイムＰＣＲを示す。
【０１１４】
図３３を参照すると、前記本発明の一実施形態によるＰＣＲ装置は、第１のヒーター１１０及び第２のヒーター１２０が水平方向に繰り返し配置されたＰＣＲ熱ブロック１００と、前記第１のヒーター１１０及び第２のヒーター１２０間の空間に固定化層９４０及び検出電極９５０が対応するように繰り返し配置されたＰＣＲ部９００と、を備えるが、前記チップホルダー（図示せず）の連結ポート（図示せず）と電気的に接続されて前記ＰＣＲ部９００の反応チャンネル９２１の内部において発生する電気化学的な信号をリアルタイムにて測定する電気化学的信号測定モジュール８００と、図示はしないが、電力供給部及びポンプなどを備える。前記電気化学的信号測定モジュール８００は、前記チップホルダーの連結ポートと電気的な接続手段７００、例えば、リード電線を介して電気的に疎通可能なように連結される。このため、前記ＰＣＲ部９００の反応チャンネル９２１の内部における順次的な核酸増幅によって繰り返し発生する電気化学的な信号は、前記ＰＣＲ部９００の検出電極９５０によって順次に検出され、前記検出された信号は、前記チップホルダーの連結ポートと前記電気的な接続手段７００を経て前記電気化学的信号測定モジュール８００において測定され、さらに、加工又は分析される。前記電気化学的信号測定モジュール８００は、様々であるが、陽極溶出ボルタンメトリー（ＡＳＶ）、クロノアンペロメトリ（ＣＡ）、サイクリックボルタンメトリー、矩形波ボルタンメトリー（ＳＷＶ）、示差パルスボルタンメトリー（ＤＰＶ）及びインピーダンス計よりなる群から選ばれる。このため、図３３に示す本発明の一実施形態によるリアルタイムＰＣＲ装置によれば、ＰＣＲを行うに当たって核酸増幅過程をリアルタイムにて測定及び分析することができる。この場合、前記ＰＣＲ溶液は、従来のリアルタイムＰＣＲ装置とは異なり、別途の蛍光物質が添加される必要がない。例えば、ＰＣＲ溶液は、前記反応チャンネル９２１内における前記第１のヒーター１１０の上側との対応部分３０１及び前記第２のヒーター１２０の上側との対応部分３０２を連続的に通過しながらＰＣＲ変性段階及びＰＣＲアニーリング／延長段階を行うが、この場合、ＰＣＲ溶液は、前記第１のヒーター１１０と前記第２のヒーター１２０との間、及び前記第１のヒーター１１０と前記第２のヒーター１２０を有するヒーターユニットの間に繰り返し配置された前記検出電極９５０領域を通過する。前記ＰＣＲ溶液が前記検出電極９５０の上側との対応部分を通過するとき、流体を制御して前記ＰＣＲ溶液の流速を遅らせたりしばらくの間停止状態に維持した後に増幅標的核酸と、前記補足プローブ及び前記複合体の信号プローブ間の相補的な結合によって発生する電気化学的な信号（電流の変化）を前記検出電極９５０を用いて順次にリアルタイムにて検出及び測定することができる。このため、ＰＣＲの各循環周期が進行される間に前記反応チャンネル９２１内において（蛍光物質及び光検出システムなしに）核酸の増幅による反応結果をリアルタイムにてモニターリングして標的核酸の量をリアルタイムにて検出及び測定することができる。
【符号の説明】
【０１１５】
10    ヒーターユニット
100   ＰＣＲ熱ブロック
1000  補償型パターン
110   ヒーター
1100  間隙
120   第２のヒーター
150   光源
1500  ヒーター電極
20    第２のヒーターユニット
200   電力供給部
210   配線
220   第２の配線
23    反応チャンネル
26    検出電極
300   ＰＣＲ部
310   第１の板
320   第２の板
330   第３の板
400   電力供給源
500   ポンプ
600   光検出部
700   接続手段
800   電気化学的信号測定モジュール
900   ＰＣＲ部
910   第１の板
920   第２の板
921   反応チャンネル
922   親水性物質
930   第３の板
931   流入部
932   流出部
940   固定化層
950   検出電極
99    基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【国際調査報告】
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