[논문]Peltier 기반 보급형 PCR Thermocycler

김지민; 박찬영; 김종대

Peltier 기반 보급형 PCR Thermocycler
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김지민 (한림대학교 컴퓨터공학과) , 박찬영 (한림대학교 유비쿼터스 컴퓨팅학과) , 김종대 (한림대학교 유비쿼터스 컴퓨팅학과)

중합효소 연쇄 반응(polymerase chain reaction, PCR)은 현재 유전물질을 조작하여 실험하는 거의 모든 과정에 사용하고 있는 검사법으로, 검출을 원하는 특정 표적 유전물질을 증폭하는 방법이다. GUI 개발 환경이나 사용자 접근성을 고려하여 윈도우시스템이 탑재된 PC나 그의 임베디드 버전들을 호스트로 사용할 경우, 개발 인력 및 기간 등의 자원 절약과 함께 제품의 보급에도 많은 도움이 될 것이다. 본 연구에서는 Peltier를 기반으로 PCR thermocycler에서 생화학 처리과정의 구동 기능을 저 기능의 지역시스템을 구현하고, PC에서 PCR 프로토콜 등의 데이터 처리 및 사용자 인터페이스 관리기능을 구현하여 제품 개발에 필요한 시간 및 비용과 유지보수 비용을 절감하여 저가의 보급형 PCR thermocycler를 연구 개발 하였다.

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문제 정의

본 연구에서는 Peltier를 기반으로 생화학 처리를 위한 PCR thermocycler의 구동 기능을 저 기능의 지역시스템에서 구현하고, PC에서는 PCR 프로토콜 등의 데이터 처리 및 사용자 인터페이스 관리기능을 구현하여 제품 개발에 필요한 시간 및 비용과 유지보수 비용을 절감하여 저가의 보급용 PCR thermocycler를 연구 개발 하였다. 그리고 이와같은 비용절감과 PCR Thermocycler의 소형화로 현장 현시 검사 장치로의 보급을 가속시킬 수 있을 것이다[6-9].
본 연구에서는 Peltier를 기반으로 하는 보급용 PCR Thermocycler 개발을 목적으로 기존 PCR Thermocycler의 user interface를 PC로 옮기는 호스트-지역 시스템을 제안하고, 기존의 PCB 공정 및 PC의 heatsink 등의 기성품을 최대로 이용하여 제품의 소형화가 가능하였고, PCR Thermocycler를 구동하기 위하여 강력한 GUI 개발 시스템을 갖춘 호스트를 선택하여 구동시스템의 개발 기간을 단축하고, 유지보수 비용을 절감하며, 결과적으로 구동시스템의 가격을 낮출 수 있는 시스템을 제안하였다. PCR 프로토콜을 PC에서 관리함으로 인해서 기존의 PCR Thermocycler에서 관리하던 방식에 비해 사용자가 프로토콜 편집 및 관리 편리성이 향상되어 사용자 편이성이 향상 되었다.

제안 방법

PCR 시스템의 성능 테스트를 위해서 프로토콜을 사용하여, HPV DNA 양성과 음성을 준비하여 기존 장비와 같이 PCR을 하였다.
하지만 이를 한 시스템에 모두 구현하기에는 제한적이고 가격이 높아지는 이유뿐만 아니라 안정성을 확보하는데 수십배의 인력과 시간이 요구된다. 그리하여 제안한 시스템의 GUI는 강력한 GUI 개발 환경을 갖춘 호스트와 저 기능의 지역시스템을 표준 인터페이스로 연결한 호스트-지역 시스템 구조로 분석시스템을 구현하였다. GUI는 UI 디자인과 debugging을 편리하게 제공하는 Microsoft visual studio에서 개발하였다.
그림 3과 같이 방열판의 온도를 측정하기 위하여 Peltier와 방열판 사이에 NTC Thermistor를 삽입할 수 있는 Cooler Plate를 알루미늄으로 제작하여 방열판의 온도를 측정하고, 온도에 따라 방열판의 팬 속도를 조절하였다.
또한, 그림 3에서처럼 챔버와 Peltier, 방열판을 물리적으로 결합하면 접촉면 사이에 미세한 공기층이 생겨 열전도율이 떨어지는 문제가 발생 할 수 있다. 위의 문제를 해결하기 위한 방법으로 thermal grease를 사용하여 열 전도율을 향상 시켰다.
이 문제를 해결하기 위해서 PC에서 PCR 시스템에 RUN 명령을 내린 이후에는 PCR 시스템은 독립적으로 동작하게 되고, PC는 PCR 시스템의 상태를 모니터링하는 기능만 지원하게 되어 PC와 통신이 끊겨도 PCR 동작에는 영향이 없게 설계 하였다.
장비의 성능 검증을 위하여 현재 시중에서 사용 중인 PCR 장비(APPLIED BIOSYSTEMS GENEAMP PCR SYSTEM 2700)와 HPV DNA를 사용한 PCR 실험을 통하여 장비의 성능을 비교 검증 하였다.

대상 데이터

챔버의 온도를 조절하기 위한 device로는 IT 산업에서 저가격으로 쉽게 얻을 수 있는 Peltier를 선정하였다. Peltier의 효과는 열전대에 전류를 흐르게 했을 때, 전류에 의해 발생하는 줄 열량 외에도 열전대의 각 접점에서 발열 혹은 흡열 작용이 일어난 현상을 말한다.

성능/효과

본 연구에서는 Peltier를 기반으로 하는 보급용 PCR Thermocycler 개발을 목적으로 기존 PCR Thermocycler의 user interface를 PC로 옮기는 호스트-지역 시스템을 제안하고, 기존의 PCB 공정 및 PC의 heatsink 등의 기성품을 최대로 이용하여 제품의 소형화가 가능하였고, PCR Thermocycler를 구동하기 위하여 강력한 GUI 개발 시스템을 갖춘 호스트를 선택하여 구동시스템의 개발 기간을 단축하고, 유지보수 비용을 절감하며, 결과적으로 구동시스템의 가격을 낮출 수 있는 시스템을 제안하였다. PCR 프로토콜을 PC에서 관리함으로 인해서 기존의 PCR Thermocycler에서 관리하던 방식에 비해 사용자가 프로토콜 편집 및 관리 편리성이 향상되어 사용자 편이성이 향상 되었다. 개발한 PCR Thermocycler에 독립적인 serial number를 부여하여 PC에서 다수의 PCR Thermocycler를 독립 장치로 인식하게 하여 하나의 PC에서 다수의 PCR Thermocycler를 구동하는 multi-PCR Thermocycler의 구현이 가능해 바이오 실험실에서 PCR 시스템 구축에 소요되는 비용을 절감할 수 있을 것이다.
그림 1은 제안한 시스템의 정면 및 내부 측면도 이다. 시스템은 LED를 제외한 다른 사용자 인터페이스를 갖고 있지 않아 시스템을 소형화하고 비용을 절감할 수 있었다. LED는 파워의 인가 여부, 호스트와의 연결, PCR thermal cycling중의 에러를 표시한다.
PCR 시스템의 성능 테스트를 위해서 <표 2> 프로토콜을 사용하여, HPV DNA 양성과 음성을 준비하여 기존 장비와 같이 PCR을 하였다. 실험결과 그림 5와 같이 양성은 기존 장비와 동일한 결과를 얻었고, 음성의 경우 증폭이 되지 않는 결과를 얻을 수 있었다.

후속연구

PCR 프로토콜을 PC에서 관리함으로 인해서 기존의 PCR Thermocycler에서 관리하던 방식에 비해 사용자가 프로토콜 편집 및 관리 편리성이 향상되어 사용자 편이성이 향상 되었다. 개발한 PCR Thermocycler에 독립적인 serial number를 부여하여 PC에서 다수의 PCR Thermocycler를 독립 장치로 인식하게 하여 하나의 PC에서 다수의 PCR Thermocycler를 구동하는 multi-PCR Thermocycler의 구현이 가능해 바이오 실험실에서 PCR 시스템 구축에 소요되는 비용을 절감할 수 있을 것이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

중합효소 연쇄 반응은 무엇인가?

중합효소 연쇄 반응(polymerase chain reaction, PCR)은 현재 유전물질을 조작하여 실험하는 거의 모든 과정에 사용하고 있는 검사법으로, 검출을 원하는 특정 표적 유전물질을 증폭하는 방법이다. GUI 개발 환경이나 사용자 접근성을 고려하여 윈도우시스템이 탑재된 PC나 그의 임베디드 버전들을 호스트로 사용할 경우, 개발 인력 및 기간 등의 자원 절약과 함께 제품의 보급에도 많은 도움이 될 것이다.

Peltier기반 보급형 PCR Thermocycler에 명령어를 입력하거나 상태를 체크하기 위해서는 무엇을 이용해야 하는가?

Peltier기반 보급형 PCR Thermocycler는 LED를 제외한 입출력 장치가 없다. 본 시스템에 명령어를 입력하거나 상태를 체크하기 위해서는 PC의 입출력 인터페이스를 활용해야 한다. 시스템과 PC의 통신을 위해서 USB 인터페이스를 사용하는데 PC에서 PCR 시스템을 제어하게 되면 PCR 시스템 동작 중 USB 통신선이 제거되는 상황이 발생할 때 시스템이 오작동을 하게 될 수 있다.

PCR thermocycler는 어떤 장치인가?

중합효소 연쇄 반응은 열을 이용하여 두 가닥의 DNA를 분리하는 열변성 과정(denaturation)을 거친 후, 온도를 낮추어 시발체(primer)가 증폭을 원하는 서열 말단에 결합(annealing)하게 하고, 다시 열을 약간 올려서 DNA를 합성하는 중합 반응(polymerization or extension)을 일으킨다[1]. PCR thermocycler는 챔버의 온도를 컨트롤하여 중합효소 연쇄 반응에 필요한 온도를 조절하는 장치이다[1]. PCR thermocycler는 생화학 처리과정의 구동 기능 뿐 아니라 데이터의 처리 및 사용자 인터페이스 등의 시스템관리기능 (system management function)도 갖추어야 한다[1,2].

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