본 연구에서는 대량 생산 라인이 이미 구축되어 있어 재료의 수급이 용이한 양면테이프, OPP테이프, 폴리프로필렌(PP)등을 이용하여 PCR 미세유체 칩 (이하 PCR chip)을 설계 및 제작하였다. 이 PCR chip에 있어 생화학 실험에 필요한 열 에너지를 공급하기 위해 PCB를 기반으로 한 가열 패턴을 제작하였으며, 또한 가열한 온도를 정밀하게 측정하기 위한 교정 시스템을 구축하였다. 그리고 최종 quadruple PCR 실험을 통하여 PCR chip의 성능을 검증하였다.소형화가 이루어진 PCR 칩을 제작 하기 위해 고려 해야 하는 것은 최소 3가지이다.첫째, PCR 칩의 온도를 높이기 위한 가열 방법이 필요하다. 그리고 이러한 가열방법을 이용해서 만든 칩들은 대량 생산이 가능해야 하고 저렴한 가격으로 제작되어 일회용으로 사용될 수 있어야 하며, 가열 표면과 재료가 밀착되어 있어야 한다. 또한저전력 시스템으로 빠른 가열 및 냉각속도가 가능하게 함으로써 현장 감식 시스템으로도 전환이 가능 해야 한다. 이와 같은 조건들을 충족 시키기 위해 기존의 대량 생산 라인이 구축되어 있는 PCB (Printed Circuit Board)를 이용함으로 저렴한 가격으로 일회용으로 제작이 가능하였다. 또한 PCB로 가열회로를 제작함으로써 칩의 두께를 200µm로 제작하였다. 그 결과 가열시간과 냉각시간을 단축할 수 있었다. 그리고 ...
본 연구에서는 대량 생산 라인이 이미 구축되어 있어 재료의 수급이 용이한 양면테이프, OPP테이프, 폴리프로필렌(PP)등을 이용하여 PCR 미세유체 칩 (이하 PCR chip)을 설계 및 제작하였다. 이 PCR chip에 있어 생화학 실험에 필요한 열 에너지를 공급하기 위해 PCB를 기반으로 한 가열 패턴을 제작하였으며, 또한 가열한 온도를 정밀하게 측정하기 위한 교정 시스템을 구축하였다. 그리고 최종 quadruple PCR 실험을 통하여 PCR chip의 성능을 검증하였다.소형화가 이루어진 PCR 칩을 제작 하기 위해 고려 해야 하는 것은 최소 3가지이다.첫째, PCR 칩의 온도를 높이기 위한 가열 방법이 필요하다. 그리고 이러한 가열방법을 이용해서 만든 칩들은 대량 생산이 가능해야 하고 저렴한 가격으로 제작되어 일회용으로 사용될 수 있어야 하며, 가열 표면과 재료가 밀착되어 있어야 한다. 또한저전력 시스템으로 빠른 가열 및 냉각속도가 가능하게 함으로써 현장 감식 시스템으로도 전환이 가능 해야 한다. 이와 같은 조건들을 충족 시키기 위해 기존의 대량 생산 라인이 구축되어 있는 PCB (Printed Circuit Board)를 이용함으로 저렴한 가격으로 일회용으로 제작이 가능하였다. 또한 PCB로 가열회로를 제작함으로써 칩의 두께를 200µm로 제작하였다. 그 결과 가열시간과 냉각시간을 단축할 수 있었다. 그리고 USB 파워의 5V만으로도 원하는 목표 온도에 도달할 수 있었다. 둘째, PCR 칩의 상용화를 위해서는 재현성(reproducibility) 및 감도(sensitivity)에 대한 신뢰성이 확보되어야 하며, 이를 위해 정밀한 온도 측정 및 센서의 교정이 필요하다. 따라서 앞서 제작한 PCB 가열 회로를 사용하여 가열된 PCB의 온도를 측정하는 것은 다양한 방법을 사용할 수 있지만, 본 연구에서는 RTD 방식대신 1% 오차율을 가진 NTC서미스터를 최종적으로 선택하였다. 4장에서는 NTC 서미스터를 선택하게 된배경과 온도 교정 방법에 대해 설명하였다. 셋째, DNA나 RNA를 포함한 시료를 담는 챔버의 소재 또한 중요하다. 지금까지 실리콘, 유리, PDMS, PC, PET 등 다양한 소재로 제작한 칩이 개발되고 있다. 그러나 실리콘이나 유리를 사용한 칩은 가공 단가가 높아 일회용으로 제작될 수 없다는 문제점이 보고 되었다. 그래서 이러한 문제를 해결 할 수 있는 대체 물질로서 고분자 재료를이용한 연구가 진행이 되었다. 연구가 진행되고 있는 대표적인 고분자 재료로는 PDMS가 가장 많이 사용되고 있다. 그러나 현재 PDMS를 연구 규모에서 상업적 규모로 변화 시키기에는 많은 어려움이 있다. 본 연구에서는 기존 PCR 칩에 개발되고 있는 PDMS를 대신하여 이미 대량으로 생산되며, 범용으로 널리 사용되고 있는 양면 테이프, O.P.P접착 테이프, 폴리프로필렌을 챔버의 소재로 사용하고 이를 검증하였다. 시중에서 손쉽게 구할 수 있고, 다양한 모양과 여러 접착 물질로 제작되어 판매되고 있는 8종류의 양면 테이프가 챔버의 소재로 적합한지의 여부를 확인하기 위해 PCR 실험을 하여 밴드 부피를 구하여 확인 하였다. 그리고 최종적으로 선택된 3개의 양면테이프의 검증을 위하여 Quadruple PCR 실험 검증을 진행하였다. 기타 연구 내용으로는 챔버의 내부 온도 측정 실험을 진행 하였다. 그 이유는 PCB 아래 표면에 있는 가열패턴을 사용하여 온도를 높이면 NTC 서미스터 센서가 온도를 측정하지만, 측정된 온도는 어디까지나 NTC 서미스터 온도센서에서 측정된 온도일뿐, DNA Sample의 온도가 동일한지 알 수 없기 때문이다. 또한 본 연구에서 제작한칩이 Real Time PCR에 적용이 가능한지를 확인하기 위하여 형광 측정실험을 진행하였다. 본 연구에서 제안한 PCB 기반 PCR chip은 PCR 실험에 필요한 열에너지를 USB Power를 사용하여 공급할 수 있기 때문에 열악한 환경에서도 PCR 과정이 가능함을 보였다. 그리고 일반 PCR 장치로 진행한 실험 결과와 PCB 기반 PCR chip을 사용하여 진행한 실험의 결과를 육안으로 비교 확인하였을 때, 유사한 결과물을 확인 할 수 있었으며, PCB 기반 PCR chip은 PCR 과정을 1시간 내에 수행하며 기존의 2시간 가량 소요되는 일반 상업적인 PCR 장비보다 빠르게 결과물을 도출하였다. 또한 형광 검출 실험 시 형광이 검출 되는 것을 확인한 결과로 볼 때, PCB 기반 PCR chip은 Real-Time Quan-titative PCR system으로의 전환도 가능함을 보였다. 따라서 본 연구에서 제안한 PCB 기반 PCR 칩은 PDMS로 연구되고 있는 PCR 칩 보다 좀 더 효율적인 방법과 경제적인 비용으로 PCR 칩 제작이 가능하며, PCR 칩의 대량 생산과 일회용으로의 제작 생산 가능성도 보여주었다. 이를 통하여 분자 진단기술이 필요한 다양한 분야에 유용하게 응용될 수 있을 것으로 기대한다.
본 연구에서는 대량 생산 라인이 이미 구축되어 있어 재료의 수급이 용이한 양면테이프, OPP테이프, 폴리프로필렌(PP)등을 이용하여 PCR 미세유체 칩 (이하 PCR chip)을 설계 및 제작하였다. 이 PCR chip에 있어 생화학 실험에 필요한 열 에너지를 공급하기 위해 PCB를 기반으로 한 가열 패턴을 제작하였으며, 또한 가열한 온도를 정밀하게 측정하기 위한 교정 시스템을 구축하였다. 그리고 최종 quadruple PCR 실험을 통하여 PCR chip의 성능을 검증하였다.소형화가 이루어진 PCR 칩을 제작 하기 위해 고려 해야 하는 것은 최소 3가지이다.첫째, PCR 칩의 온도를 높이기 위한 가열 방법이 필요하다. 그리고 이러한 가열방법을 이용해서 만든 칩들은 대량 생산이 가능해야 하고 저렴한 가격으로 제작되어 일회용으로 사용될 수 있어야 하며, 가열 표면과 재료가 밀착되어 있어야 한다. 또한저전력 시스템으로 빠른 가열 및 냉각속도가 가능하게 함으로써 현장 감식 시스템으로도 전환이 가능 해야 한다. 이와 같은 조건들을 충족 시키기 위해 기존의 대량 생산 라인이 구축되어 있는 PCB (Printed Circuit Board)를 이용함으로 저렴한 가격으로 일회용으로 제작이 가능하였다. 또한 PCB로 가열회로를 제작함으로써 칩의 두께를 200µm로 제작하였다. 그 결과 가열시간과 냉각시간을 단축할 수 있었다. 그리고 USB 파워의 5V만으로도 원하는 목표 온도에 도달할 수 있었다. 둘째, PCR 칩의 상용화를 위해서는 재현성(reproducibility) 및 감도(sensitivity)에 대한 신뢰성이 확보되어야 하며, 이를 위해 정밀한 온도 측정 및 센서의 교정이 필요하다. 따라서 앞서 제작한 PCB 가열 회로를 사용하여 가열된 PCB의 온도를 측정하는 것은 다양한 방법을 사용할 수 있지만, 본 연구에서는 RTD 방식대신 1% 오차율을 가진 NTC 서미스터를 최종적으로 선택하였다. 4장에서는 NTC 서미스터를 선택하게 된배경과 온도 교정 방법에 대해 설명하였다. 셋째, DNA나 RNA를 포함한 시료를 담는 챔버의 소재 또한 중요하다. 지금까지 실리콘, 유리, PDMS, PC, PET 등 다양한 소재로 제작한 칩이 개발되고 있다. 그러나 실리콘이나 유리를 사용한 칩은 가공 단가가 높아 일회용으로 제작될 수 없다는 문제점이 보고 되었다. 그래서 이러한 문제를 해결 할 수 있는 대체 물질로서 고분자 재료를이용한 연구가 진행이 되었다. 연구가 진행되고 있는 대표적인 고분자 재료로는 PDMS가 가장 많이 사용되고 있다. 그러나 현재 PDMS를 연구 규모에서 상업적 규모로 변화 시키기에는 많은 어려움이 있다. 본 연구에서는 기존 PCR 칩에 개발되고 있는 PDMS를 대신하여 이미 대량으로 생산되며, 범용으로 널리 사용되고 있는 양면 테이프, O.P.P접착 테이프, 폴리프로필렌을 챔버의 소재로 사용하고 이를 검증하였다. 시중에서 손쉽게 구할 수 있고, 다양한 모양과 여러 접착 물질로 제작되어 판매되고 있는 8종류의 양면 테이프가 챔버의 소재로 적합한지의 여부를 확인하기 위해 PCR 실험을 하여 밴드 부피를 구하여 확인 하였다. 그리고 최종적으로 선택된 3개의 양면테이프의 검증을 위하여 Quadruple PCR 실험 검증을 진행하였다. 기타 연구 내용으로는 챔버의 내부 온도 측정 실험을 진행 하였다. 그 이유는 PCB 아래 표면에 있는 가열패턴을 사용하여 온도를 높이면 NTC 서미스터 센서가 온도를 측정하지만, 측정된 온도는 어디까지나 NTC 서미스터 온도센서에서 측정된 온도일뿐, DNA Sample의 온도가 동일한지 알 수 없기 때문이다. 또한 본 연구에서 제작한칩이 Real Time PCR에 적용이 가능한지를 확인하기 위하여 형광 측정실험을 진행하였다. 본 연구에서 제안한 PCB 기반 PCR chip은 PCR 실험에 필요한 열에너지를 USB Power를 사용하여 공급할 수 있기 때문에 열악한 환경에서도 PCR 과정이 가능함을 보였다. 그리고 일반 PCR 장치로 진행한 실험 결과와 PCB 기반 PCR chip을 사용하여 진행한 실험의 결과를 육안으로 비교 확인하였을 때, 유사한 결과물을 확인 할 수 있었으며, PCB 기반 PCR chip은 PCR 과정을 1시간 내에 수행하며 기존의 2시간 가량 소요되는 일반 상업적인 PCR 장비보다 빠르게 결과물을 도출하였다. 또한 형광 검출 실험 시 형광이 검출 되는 것을 확인한 결과로 볼 때, PCB 기반 PCR chip은 Real-Time Quan-titative PCR system으로의 전환도 가능함을 보였다. 따라서 본 연구에서 제안한 PCB 기반 PCR 칩은 PDMS로 연구되고 있는 PCR 칩 보다 좀 더 효율적인 방법과 경제적인 비용으로 PCR 칩 제작이 가능하며, PCR 칩의 대량 생산과 일회용으로의 제작 생산 가능성도 보여주었다. 이를 통하여 분자 진단기술이 필요한 다양한 분야에 유용하게 응용될 수 있을 것으로 기대한다.
In this study, we designed and produced PCR Micro Fluid Chip(PCR Chip) by using polypro-pylene, O.P.P tape, double-sided tape which are easy to get because they already have mass produc-tion systems. We made the heating pattern on this PCR Chip based on PCB in order to supply thermal energy needed f...
In this study, we designed and produced PCR Micro Fluid Chip(PCR Chip) by using polypro-pylene, O.P.P tape, double-sided tape which are easy to get because they already have mass produc-tion systems. We made the heating pattern on this PCR Chip based on PCB in order to supply thermal energy needed for biochemical experiment, and constructed Correction System to measure the heat- ing temperature precisely. Then, we verified the performance through the experiment of Quadruple PCR. At least three things have to be considered in order to produce the miniaturized PCR Chip. First, the heating method to increase the temperature of PCR Chip has to be required and the things made by this heating system have to be produced in large quantities and be made in lower cost so that it can be disposable, and the heating surface and the material have to be stuck together. It should also be able to be converted to Field Scanning System by making heating and cooling time faster using Low Energy Consuming Electric System. To meet these requirements, we used PCB(Printed Circuit Board) which has existing mass production system, thus it could be made disposable. We also made the thickness of the chip 200µm by making heating circuit with PCB. In this way, we could make the heating and cooling time shorter and get to the ideal temperature using only 5V, the power of USB. Second, reproducibility and sensitivity have to be secured to make PCR Chip commercialized. For this, we have to measure the temperature precisely and the sensor has to be corrected. Thus, although we can use various ways to measure the temperature of PCB heated by PCB Heating Circuit which was made earlier, we ultimately chose NTC Thermistor with 1% error rate instead of RTD in this study. In the fourth chapter, we explained the reason why we chose NTC Thermistor and the way we corrected the temperature. Third, the material for Chamber that contains samples including DNA or RNA is also im-portant. By this time, chips made of various materials such as silicon, glass, PDMS, PC, PET, etc. have been developed. However, it is reported that the chip made of silicon or glass has a problem because it is too expensive to be made disposable. To solve this problem, the research has been con-ducted using a high molecular substance as an alternate material. PDMS has been most commonly used as the high molecular substance in researches but we have so many difficulties in making the scale of a research bigger for commercial purposes. In this study, we used double-sided tape, O.P.P tape and polypropylene, produced in large quan-tities and widely used, as the material for Chamber instead of PDMS that has been developed for previous PCR Chip. We checked the volume of the band by conducting a PCR experiment in order to know whether 8 kinds of double-sided tapes in various materials, which we can get easily around us, are suitable for the material of Chamber. Then, we conducted quadruple PCR experiments to verify the three selected double-sided tapes. We also conducted experiments to check the temperature inside Chamber for extra researches. Because, although the sensor in NTC Thermistor will measure the temperature as the temperature is going up by the heating pattern on the surface below PCB, the measured temperature is only the temperature measured by the sensor in NTC Thermistor and we do not know whether the temperature is the same as that of DNA sample. We conducted another experiment to check fluorescence so that we can ensure the chip we made this study can be applied to Real Time PCR. The PCR course is possible in poor conditions because PCR Chip Based On PCB, proposed in this study, can supply thermal energy needed for PCR experiment by using USB power. When we compared the result of the experiment using PCR things with the one of the experiment using PCR Chip Based On PCB, we can see the results are almost same. PCR Chip Based On PCB completed the PCR course within one hour and made the result faster than commercial PCR devices which need about two hours to complete the course. Also, PCR Chip Based On PCB seems to be able to be converted to Real-Time Quantitative PCR System, according to the result that fluorescence was found in the experiment to check detection of it. In conclusion, PCR Chips Based On PCB proposed in this study can be made in more efficient way and at more reasonable expenses than PCR Chip studied for PDMS. It also shows the possibility of being produced on a large scale and of making it disposable. Keywords: Micro PCR Chip, Double Sided Tape, PCR, Acrylic Adhesive, Microfluidic Channel
In this study, we designed and produced PCR Micro Fluid Chip(PCR Chip) by using polypro-pylene, O.P.P tape, double-sided tape which are easy to get because they already have mass produc-tion systems. We made the heating pattern on this PCR Chip based on PCB in order to supply thermal energy needed for biochemical experiment, and constructed Correction System to measure the heat- ing temperature precisely. Then, we verified the performance through the experiment of Quadruple PCR. At least three things have to be considered in order to produce the miniaturized PCR Chip. First, the heating method to increase the temperature of PCR Chip has to be required and the things made by this heating system have to be produced in large quantities and be made in lower cost so that it can be disposable, and the heating surface and the material have to be stuck together. It should also be able to be converted to Field Scanning System by making heating and cooling time faster using Low Energy Consuming Electric System. To meet these requirements, we used PCB(Printed Circuit Board) which has existing mass production system, thus it could be made disposable. We also made the thickness of the chip 200µm by making heating circuit with PCB. In this way, we could make the heating and cooling time shorter and get to the ideal temperature using only 5V, the power of USB. Second, reproducibility and sensitivity have to be secured to make PCR Chip commercialized. For this, we have to measure the temperature precisely and the sensor has to be corrected. Thus, although we can use various ways to measure the temperature of PCB heated by PCB Heating Circuit which was made earlier, we ultimately chose NTC Thermistor with 1% error rate instead of RTD in this study. In the fourth chapter, we explained the reason why we chose NTC Thermistor and the way we corrected the temperature. Third, the material for Chamber that contains samples including DNA or RNA is also im-portant. By this time, chips made of various materials such as silicon, glass, PDMS, PC, PET, etc. have been developed. However, it is reported that the chip made of silicon or glass has a problem because it is too expensive to be made disposable. To solve this problem, the research has been con-ducted using a high molecular substance as an alternate material. PDMS has been most commonly used as the high molecular substance in researches but we have so many difficulties in making the scale of a research bigger for commercial purposes. In this study, we used double-sided tape, O.P.P tape and polypropylene, produced in large quan-tities and widely used, as the material for Chamber instead of PDMS that has been developed for previous PCR Chip. We checked the volume of the band by conducting a PCR experiment in order to know whether 8 kinds of double-sided tapes in various materials, which we can get easily around us, are suitable for the material of Chamber. Then, we conducted quadruple PCR experiments to verify the three selected double-sided tapes. We also conducted experiments to check the temperature inside Chamber for extra researches. Because, although the sensor in NTC Thermistor will measure the temperature as the temperature is going up by the heating pattern on the surface below PCB, the measured temperature is only the temperature measured by the sensor in NTC Thermistor and we do not know whether the temperature is the same as that of DNA sample. We conducted another experiment to check fluorescence so that we can ensure the chip we made this study can be applied to Real Time PCR. The PCR course is possible in poor conditions because PCR Chip Based On PCB, proposed in this study, can supply thermal energy needed for PCR experiment by using USB power. When we compared the result of the experiment using PCR things with the one of the experiment using PCR Chip Based On PCB, we can see the results are almost same. PCR Chip Based On PCB completed the PCR course within one hour and made the result faster than commercial PCR devices which need about two hours to complete the course. Also, PCR Chip Based On PCB seems to be able to be converted to Real-Time Quantitative PCR System, according to the result that fluorescence was found in the experiment to check detection of it. In conclusion, PCR Chips Based On PCB proposed in this study can be made in more efficient way and at more reasonable expenses than PCR Chip studied for PDMS. It also shows the possibility of being produced on a large scale and of making it disposable. Keywords: Micro PCR Chip, Double Sided Tape, PCR, Acrylic Adhesive, Microfluidic Channel
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