PCR 칩을 이용한 비용 효율적인 실시간 중합효소 연쇄반응 시스템의 구현 = Implementation of cost-effective real-time polymerase chain reaction system using PCR chip

국문 초록 (Abstract)

실시간 중합효소 연쇄반응(Real-time Polymerase Chain Reaction, RT-PCR)은 전염병 진단을 위한 효과적인 방법이지만 실험 장비의 휴대성과 비용의 한계로 인해 대형 병원과 중앙 검사실 등 특정 시설에만 적용 가능한 진단법이다. 본 논문에서는 개발도상국과 같은 자원이 부족한 환경에서 전염병 진단을 위해 현장진단(Point of Care Test, POCT)기기로 사용할 수 있는 PCR 칩을 이용한 비용 효율적인 실시간 중합효소 연쇄반응 시스템을 제안한다. 제안한 시스템은 형광 검출을 위한 광학 시스템에 경사 조명 방식과 스마트폰용 카메라를 사용하여 비용 효율성을 높이고 소형화를 수행하였으며, PCR 칩을 사용하여 저비용 열 순환이 가능하게 설계하였다. 또한, 호스트-로컬 구조를 적용하여 소프트웨어 시스템 개발에 드는 개발 기간과 유지보수 비용을 절감하였다.
PCR 칩과 구동 시스템을 구현하고 해당 시스템이 PCR을 수행하기 위한 열 순환 과정을 수행 가능한지 확인하였다. 또한, 형광 용액을 사용한 형광 검출 실험을 통해 목표 형광을 검출할 수 있는지 확인하였다. 마지막으로, 구현한 시스템이 실시간 PCR 실험이 가능한지 확인하기 위해 DNA 증폭 실험을 진행하였으며, 정량 분석에 필요한 baseline correction 방법과 threshold line을 선정하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Real-time Polymerase Chain Reaction(RT-PCR) is a useful diagnostic technique for diagnosing infectious disease. However, because of the high cost and portability of RT-PCR instruments, RT-PCR is limited to use in certain types of facilities, such as laboratories and hospitals. Thus, in this paper propose a cost-effective RT-PCR system using a PCR chip that can be applied a Point-of-care test(POCT) in environments with limited resources, such as developing countries. The proposed system was designed to low-cost thermal cycling using a PCR chip. Furthermore, miniaturization and cost-effectiveness were enhanced by applied an side illumination method and a smartphone camera in the optical system for
fluorescence detection. Additionally, by applying the host-local structure, the development period and maintenance costs required for software system development were reduced. The capability of the PCR chip driving system to thermal cycling for PCR reactions was verified. In addition, a fluorescence detection experiment was conducted to verify whether the optical system could detect target fluorescence. Finally, a DNA amplification experiment was conducted to verify that the proposed system was capable of real-time PCR experiments, and the baseline correction method and threshold line necessary for quantitative analysis were selected.
Keywords: Polymerase chain reaction, Real-time polymerase chain reaction, Molecular diagnostic device, Point-of-care test

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 2 장 본 론 4
• 1. PCR 칩의 제작 4
• 2. PCR 칩 구동 시스템의 설계 5
• 2.1. 하드웨어 시스템의 설계 5
• 2.2. PCR 칩 구동 시스템의 기구 설계 및 제작 7
• 2.3. 소프트웨어 시스템의 설계 8
• A. 호스트-로컬 구조 8
• B. 소프트웨어 시스템의 구조 10
• 3. PCR 칩 구동 시스템의 기능 구현 및 시나리오 11
• 3.1. PCR 프로토콜의 처리 11
• 3.2. 온도 제어 기능의 구현 14
• 3.3. 형광 검출 기능의 구현 16
• A. SHOT 프로토콜의 처리 시나리오 16
• B. 카메라와 조명의 동기화 17
• C. 이미지 처리 18
• 3.4. 정량 분석 기능의 구현 20
• 3.5. 유저 인터페스의 구현 22
• 제 3 장 실험 및 결과 26
• 1. 온도 제어 실험 및 결과 26
• 2. Shot 스레드 대기시간 결정 실험 28
• 3. 형광 검출 실험 및 결과 29
• 4. DNA 증폭 실험 및 결과 31
• 제 4 장 결론 및 향후 과제 36
• 참고문헌 38
• 영문 초록 43