Design of an Inexpensive Heater using Chip Resistors for a Portable Real-time Microchip PCR System

저항소자를 이용한 휴대형 Real-time PCR 기기용 히터 제작

Abstract

A heater in a portable real-time polymerase chain reaction(PCR) system is one of the important factors for controlling the PCR thermocycle precisely. Since heaters are integrated on a small-sized PCR chip for rapid heating and fabricated by semiconductor processes, the cost of producing PCR chips is high. Here, we propose to use chip resistors as an inexpensive and accurate temperature control method. The temperature distribution was simulated using one or two chip resistors on a real-time PCR chip and the PCR chip with uniform temperature distribution was fabricated. The temperature rise and fall rates were $18^{\circ}C/s$ and $3^{\circ}C/s$, respectively.

바이오샘플의 DNA를 대량 증폭할 수 있는 휴대형 실시간 중합효소연쇄반응(Real-time PCR) 기기에서 히터는 PCR 반응 온도를 제어하기 위한 중요한 요소 중의 하나이다. 보통 빠른 히팅을 위해 소형 PCR 칩에 집적화되어 있고, 반도체 공정을 이용하여 박막형태로 제작되어 PCR 칩 제작 단가가 높은 편이다. 따라서 본 연구에서는 값싸고 온도제어를 정확히 할 수 있는 히터로 칩 저항을 사용하는 것을 제안한다. 칩 저항을 사용한 히터는 구조가 단순하고 제작이 쉽다는 장점이 있다. $2.54{\times}2.54cm^2$ 크기의 실시간 PCR 칩 위에 칩 저항을 1개 또는 2개를 사용했을 때 온도분포를 시뮬레이션 하였고, 고른 온도분포를 갖는 PCR 칩을 제작했다. 또한 효율적인 PCR 칩 냉각을 위해 소형 fan이 내장된 하우징을 설계하였고, 3D 프린터로 제작했다. 온도제어는 마이크로프로세서를 이용한 PID제어법(Proportional-Integral-Differential control)을 적용했다. 온도상승비와 하강비는 각각 $18^{\circ}C/s$, $3^{\circ}C/s$이며, 각 PCR 반응 단계의 유지 시간을 30초로 하였을 때, 한 사이클은 약 2.66분이 걸렸고, 35 사이클은 약 93 분 내로 진행할 수 있었다.

Fig. 1. Illustration of a PCR chip using chip resistor heater. 그림 1. 칩 저항 히터와 결합된 PCR 칩 개략도

Fig. 2. Illustration of the portable real-time microchip PCR system using chip resistors. 그림 2. 칩 저항을 이용하는 휴대형 실시간 마이크로칩 PCR 시스템 구성도.

Fig. 3. Simulation result using one chip resistor, two resistors with the distance of 1 mm, 2 mm and 3 mm, respectively. 그림 3. 저항 히터별 디자인 시뮬레이션 (a-b : 칩 저항 1 개 사용 시 온도 분포, c-d : 1 mm 간격을 갖는 칩 저항 2개 사용 시 온도 분포, e-f : 2 mm 간격을 갖는 칩 저항 2개 사용 시 온도 분포, g-h : 3 mm 간격을 갖는 칩 저항 2개 사용 시 온도 분포)

Fig. 5. Temperature sensor location for heater performance evaluation 그림 5. 히터 성능 평가를 위한 온도센서 위치

Fig. 6. (a-d) Thermocycler housing design for a cooling fan and PCR chip, (e-f) Picture of fabricated the thermocycler housing. 그림 6. Thermocycler 하우징 디자인 및 3D 프린터로 제작된 하우징(a-d : 측면, 정면, 상단, 전체 조감도, e : 하우징 사진, f : 덮개 사진)

Fig. 4. (a) Fabrication process of a heater using chip resistors for a PCR chip (b) Fabricated chip resistor heaters. 그림 4. (a) 칩 저항을 사용한 PCR 칩 히터 제작 과정 (b) 제작된 히터

Fig. 7. (a) Picture of thermocycling test setup (b-e) Thermocycling measurement result with different chip resistor heater structures. 그림 7. (a) 서모사이클링 테스트 셋업 사진 (b-e) 저항 개수 (N)와 저항 간격(D)에 따른 서모사이클 실험 결과 (b : N=1. c : N=2, D=1 mm. d : N=2, D=2 mm. e : N=2, D=3 mm)