KR100564230B1 - 형광 집속수단을 갖는 바이오칩 스캐너 - Google Patents

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KR100564230B1 KR1020030048001A KR20030048001A KR100564230B1 KR 100564230 B1 KR100564230 B1 KR 100564230B1 KR 1020030048001 A KR1020030048001 A KR 1020030048001A KR 20030048001 A KR20030048001 A KR 20030048001A KR 100564230 B1 KR100564230 B1 KR 100564230B1
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Abstract

본 발명은 광원으로부터 발생되는 여기광을 바이오칩에 효과적으로 집속하여 조사하고, 이로부터 발생되는 형광을 검출함으로써 바이오칩을 분석할 수 있는 바이오칩 스캐너에 관한 것이다.
이에 본 발명에 따른 형광 집속수단을 갖는 바이오칩 스캐너는, 분석 대상이 되는 스팟(spot)이 기판에 부착되어 이루어지는 바이오칩과, 이 바이오칩이 고정되는 스테이지부; 여기광(勵起光)을 생성시켜 상기 바이오칩 기판상의 스팟에 이를 조사(照射)하는 광원부; 및 상기 바이오칩 기판상의 스팟으로부터 발현되는 형광을 검출하여 분석하는 검출부를 포함하고, 상기 바이오칩 기판상에 부착되는 스팟의 하부에 형광 반사체가 형성되거나 스팟의 상부에 형광 집속체가 형성되어 검출부로의 형광 집속효율을 높일 수 있다.
바이오칩, 스캐너, 형광 반사체, 형광 집속체, 자발광

Description

형광 집속수단을 갖는 바이오칩 스캐너{BIOCHIP SCANNER HAVING MEANS OF COLLECTING FLUORESCENCE}
도 1은 일반적인 바이오칩 스캐너의 기본 구조를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 바이오칩 스캐너를 도시한 부분 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 바이오칩 스캐너를 도시한 부분 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 바이오칩 스캐너를 도시한 부분 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예의 변형예에 따른 바이오칩 스캐너를 도시한 부분 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 바이오칩 스캐너를 도시한 부분 구성도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10: 광원부 21: 로더(loader)
33: 포커싱 렌즈 35: CCD
40: 바이오칩 41: 기판
50,52,54,55: 형광 반사체 E: 여기광
S: 스팟 F: 자발광 형광
F': 반사 형광 F": 굴절된 형광
본 발명은 바이오칩 스캐너에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광원으로부터 발생되는 여기광을 바이오칩에 효과적으로 집속하여 조사하고, 이로부터 발생되는 형광을 검출함으로써 바이오칩을 분석할 수 있는 바이오칩 스캐너에 관한 것이다.
일반적으로 바이오칩(Biochip)이란 유리, 실리콘, 또는 나일론 등의 재질로 된 작은 기판 위에 DNA, 단백질 등의 생물분자(biomolecule)들을 집적시켜 놓은 것을 말하며, 이 때 DNA를 집적시켜 놓으면 DNA 칩, 단백질을 집적시켜 놓으면 단백질칩이라고 한다.
바이오칩의 기본원리는 기판에 고정된 고정분자와 표적분자의 상호 작용에 기초한다. 예를 들어 DNA칩의 경우, 기판에 고정된 올리고뉴클레오티드(oligonucleotides)와 시료 속에서 존재하는 DNA 염기간의 상보적인 결합에 그 원리를 두고 있으며, 단백질 칩의 경우, 항원-항체 결합 또는 리간드-수용체 결합과 같은 단백질 분자간의 상호 작용에 그 원리를 두고 있다.
바이오칩을 분석하여 진단하는 방법은 바이오칩 내의 반응물질에 형광물질을 덧씌운 뒤, 상기 형광물질을 특정 파장의 빛으로 가진시켜서 방출되는 특정 파장의 빛을 검출한다. 즉, 상기 형광물질이 특수한 파장(가진 파장)의 빛을 받으면 내부 에너지가 상승하였다가 다시 제 위치로 떨어지면서 가진 파장보다 긴 파장의 빛을 발산하는 물질(형광물질)의 특성을 이용하는 것이다.
이러한 분석/진단 방법에 사용되는 바이오칩 스캐너는 바이오 테크 혁명을 이끌기 위한 기반 기술들인 유전자 분리 및 재조합 기술, 유전자 이식기술, 게놈 데이터 베이스 구축기술, 생물정보학 기술, 바이오 칩 기술 중 대량으로 쏟아져 나오고 있는 DNA 염기서열 정보로부터 특정유전자를 찾아내고 각 유전자와 단백질의 기능을 밝히는 데에 핵심적으로 활용된다. 특히 짧은 시간 내에 많은 양의 정보를 나타낼 수 있고 자동화가 용이하기 때문에 주목받고 있다.
바이오칩 스캐너는 사용되는 광원에 따라 크게 두 가지로 분류되는 바, 레이저를 사용하는 레이저 방식과 제논(Xenon)이나 메탈 할라이드 램프(metal halide lamp) 등과 같은 백색광을 사용하는 CCD 방식으로 분류된다.
도 1은 일반적인 바이오칩 스캐너의 기본 구조를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 바이오칩 스캐너는 크게 여기광을 발생시키는 광원부(10), 바이오칩을 고정시키는 스테이지부(20), 및 바이오칩으로부터 발생하는 형광을 검출하기 위한 검출부(30)로 이루어진다.
상기 광원부(10)는 발생된 여기광(Excitation Light)을 바이오칩(40)에 조사하기 위해 램프(11) 및 필터(15)를 포함하여 구성되어 있으며, 광원으로부터 발생 된 여기광(E)은 상기 필터(15)를 통과하여 렌즈(19)를 거쳐 스테이지부(20)에 고정된 바이오칩(40)에 조사된다.
상기 스테이지부(20)는 바이오칩(40)을 외부로부터 로딩하는 로더(loader)(21),이 로더(21)가 장착되는 X-Y 스테이지(23)를 포함하여 구성된다.
상기 검출부(30)는 발광 필터(emission filter)(31), 포커싱 렌즈(focusing lens)(33), 및 CCD(Charge Coupled Detector)(35)를 포함하여 구성되며, 이들 간의 구성은 광효율을 최대화할 수 있도록 최적화된다.
상기 광원부(10)는 램프(11)에서 발생되는 백색광을 바이오칩(40)에 처리된 염료의 종류에 따라 적당한 칼라의 필터(15)로 걸러 여기광(Excitation Light)을 발생시키며, 이를 스테이지부(20)에 고정되는 상기 바이오칩(40)(보다 정확하게는 바이오칩을 구성하는 기판상의 스팟(spot))에 조사하여 염료를 들뜨게 한다. 여기서 스팟은 DNA/RNA 정보를 가지고 있으며 염료와 섞여 있어 외부의 여기광원에 반응하게 되는데, 형태가 작은 점으로 되어 있어 스팟(spot)이라 불린다. 이렇게 염료에서 방출된 자발광(spontaneous emission, F)은 상기 검출부(30)의 CCD(35) 앞단에 설치된 발광 필터(31)에 의해 걸러져 순수하게 염료에서만 방출된 빛을 이미징하게 된다.
그러나 스팟으로부터 자발광된 빛은 구(球)의 형태로 모든 방향으로 퍼져나가게 되는데, 종래의 스캐너에서는 이 중에서 검출부가 위치하는 방향으로 입사되는 일부분의 빛만 검출하게 되고 그 밖의 방향으로 퍼져나가는 빛은 사용하지 못하고 잃어버림에 따라 자발광의 이용 효율이 좋지 못한 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 그 목적은 광원으로부터 생성된 여기광에 의해 자발광된 형광을 효과적으로 집속하여 검출부로 입사시킴으로써, 시스템의 성능을 극대화할 수 있고 보다 많은 정보를 수집할 수 있게 하여 더욱 정확한 바이오 분석데이터를 얻을 수 있는 형광 집속수단을 갖는 바이오칩 스캐너를 제공한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 형광 집속수단을 갖는 바이오칩 스캐너는, 분석 대상이 되는 스팟(spot)이 기판에 부착되어 이루어지는 바이오칩과, 이 바이오칩이 고정되는 스테이지부; 여기광(勵起光)을 생성시켜 상기 바이오칩 기판상의 스팟에 이를 조사(照射)하는 광원부; 및 상기 바이오칩 기판상의 스팟으로부터 발현되는 형광을 검출하여 분석하는 검출부를 포함하고, 상기 바이오칩 기판상에 부착되는 스팟의 하부에 형광 반사체가 형성된다.
상기 형광 반사체는 상기 스팟 하부의 상기 기판 상단부에 형성될 수 있으며, 상기 기판 상단부에 평면상으로 형성될 수 있다.
또한 형광 반사체는 상기 스테이지부의 상부면에 형성될 수 있다. 이 때, 상기 형광 반사체는 상기 스테이지부의 상부면에 평면상으로 형성되거나, 상기 스팟을 향해 오목한 곡면을 이루며 형성될 수 있다.
상기 오목한 곡면을 갖는 형광 반사체는 또한 상기 스테이지부의 상부면에 다수개가 연이어 배열될 수 있다.
상기 형광 반사체는 다수의 미세한 프리즘이 표면에 연이어 배열되어 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 형광 집속수단을 갖는 바이오칩 스캐너는, 분석 대상이 되는 스팟(spot)이 기판에 부착되어 이루어지는 바이오칩과, 이 바이오칩이 고정되는 스테이지부; 상기 스테이지의 하부에 위치하며, 여기광을 생성시켜 상기 바이오칩 기판상의 스팟에 이를 조사하는 광원부; 및 상기 바이오칩 기판상의 스팟으로부터 발현되는 형광을 검출하여 분석하는 검출부를 포함하고, 상기 바이오칩 기판상에 부착되는 스팟의 상부에 형광 집속체가 배치된다.
이 때, 상기 형광 집속체로 볼록렌즈를 사용할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
이하에서 설명하는 바이오칩 스캐너는 도 1에 도시된 일반적인 바이오칩 스캐너의 구성들을 포함하여 제작될 수 있지만 도면의 간략화를 위하여 일부 대표적인 구성들만 도시하였다. 또한 바이오칩은 일반적으로 DNA 스팟 등이 기판상에 부착되어 있지만 설명의 편의를 위해 간격을 두고 표현하기도 하였다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 바이오칩 스캐너를 도시한 부분 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 바이오칩 스캐너는 크게 여기광을 발생시키는 광원부(10), 바이오칩을 구성하는 기판(41)을 고정시키는 스테이지부 및 바이오칩으로부터 발현되는 형광을 검출하기 위한 검출부로 이루어진다. 광원부(10) 는 스테이지부를 기준으로 검출부와 같은 쪽에 위치한다. 스테이지부는 기판(41)을 외부로부터 로딩(loading)하여 받쳐주는 로더(21)를 포함하며, 검출부는 포커싱 렌즈(33)와 CCD(35)를 포함한다.
바이오칩을 구성하는 기판(41)의 상단부에는 형광 반사체(50)가 형성되어 있고, 스팟(S)은 그 위에 부착된다. 형광 반사체(50)는 평면상으로 적어도 상기 광원부(10)로부터 생성되는 여기광(E)을 수용할 수 있을 만큼의 면적으로 형성되며, 기판 전면에 형성될 수도 있다. 상기 형광 반사체(50)는 바이오칩의 기판(41)상에 부착되는 스팟(S)으로부터 발현되는 자발광 형광(F)을 반사할 수 있는 소재로 이루어질 수 있으며, 통상의 거울면을 형성함으로써 형광 반사체 역할을 할 수 있다.
이렇게 스팟(S)과 기판(41)의 사이에 형광 반사체(50)를 형성함으로써, 여기광(E)에 의하여 발현되는 자발광 형광 중 기판(41) 뒷면, 즉 검출부로 향하지 못하던 형광을 검출부쪽으로 반사시켜 보다 많은 양의 형광을 검출하여 분석에 이용할 수 있어 스캐너의 효율을 향상시킬 수 있다. 도 2에서 F'은 형광 반사체(50)에서 반사되어 검출부로 향하게 되는 반사 형광을 나타내는 것이다.
또한 투명한 기판의 상단부에 형광 반사체(50)인 거울면을 형성하게 되면 투명한 기판의 경우와는 다르게 하단부가 차단된다. 이는 스테이지의 표면 상태에 따라 난반사되는 빛을 차단하게 되고 또한 기판의 하단부에 붙어 있는 이물질에 대한 자발광 빛을 막음으로써 불필요한 영상의 왜곡을 가져오는 문제점을 동시에 해결할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 바이오칩 스캐너를 도시한 부분 구성도 이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 바이오칩 스캐너도 마찬가지로 크게 여기광을 발생시키는 광원부(10), 바이오칩을 구성하는 기판(41)을 고정시키는 스테이지부 및 바이오칩으로부터 발현되는 형광을 검출하기 위한 검출부로 이루어진다. 스테이지부는 기판(41)을 외부로부터 로딩(loading)하여 받쳐주는 로더(21)를 포함하며, 검출부는 포커싱 렌즈(33)와 CCD(35)를 포함한다. 이 때 상기 바이오칩의 기판(41)은 슬라이드 글라스 등과 같은 투명한 소재로 이루어진다.
본 실시예에서 형광 반사체(52)는 상기 스테이지부의 상부면에 형성된다. 바이오칩의 기판(41)이 스테이지부의 로더(21) 상부에 안착되게 되므로, 형광 반사체(52)는 상기 로더(21)의 상부면에 형성되어 기판(41)과 스테이지부의 사이에 위치하게 된다. 형광 반사체(50)는 평면상으로 적어도 상기 광원부(10)로부터 생성되는 여기광(E)을 수용할 수 있을 만큼의 면적으로 형성되며, 기판 전면에 형성될 수도 있다. 상기 형광 반사체(50)는 바이오칩의 기판(41)상에 부착되는 스팟(S)으로부터 발현되는 자발광 형광(F)을 반사할 수 있는 소재로 이루어질 수 있으며, 통상의 거울면을 형성함으로써 형광 반사체 역할을 할 수 있다.
만일 검출부를 구성하는 포커싱 렌즈(33)의 초점심도가 작아 자발광 형광(F)과 반사된 형광(F') 사이의 광 경로차에 의한 영상의 번짐이 발생할 경우 기판을 뒤집어 설치하면 된다. 이 때 스팟(S)의 손상을 초래할 수 있는 경우 기판(41)과 스테이지부의 로더(21)상의 형광 반사체(52) 사이에 별도의 공간을 둘 수 있다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 바이오칩 스캐너를 도시한 부분 구성도 이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 바이오칩 스캐너도 마찬가지로 크게 여기광을 발생시키는 광원부(10), 바이오칩을 구성하는 기판(41)을 고정시키는 스테이지부 및 바이오칩으로부터 발현되는 형광을 검출하기 위한 검출부로 이루어진다. 스테이지부는 기판(41)을 외부로부터 로딩(loading)하여 받쳐주는 로더(21)를 포함하며, 검출부는 포커싱 렌즈(33)와 CCD(35)를 포함한다. 이 때 상기 바이오칩의 기판(41)은 슬라이드 글라스 등과 같은 투명한 소재로 이루어진다.
본 실시예에서 형광 반사체(54)는 상기 스테이지부의 상부면에 형성된다. 바이오칩의 기판(41)이 스테이지부의 로더(21) 상부에 안착되게 되므로, 형광 반사체(52)는 상기 로더(21)의 상부면에 형성되어 기판(41)과 스테이지부의 사이에 위치하게 된다. 특히 상기 형광 반사체(54)는 비평면 거울의 형태를 갖는 바, 구면, 비구면 형상을 갖거나 다수의 미세한 프리즘형상이 배열된 형태의 표면을 갖는 반사체로 이루어질 수 있다.
이렇게 비평면 거울 형상을 갖는 형광 반사체(54)는 반사된 형광(F')의 집속효율을 더욱 높일 수 있다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예의 변형예에 따른 바이오칩 스캐너를 도시한 부분 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 변형예에 따른 바이오칩 스캐너에서 형광 반사체(55)는 상기 제3 실시예에서와 같은 위치에 같은 형상을 갖는 반사체가 형성되지만, 비평면 거울 형태의 형광 반사체(55)가 상기 스테이지의 로더(21) 상부면에 다수개 연 이어 배열된다. 이렇게 구성함으로써 보다 넓은 영역에 상기 형광 반사체(55)를 적용할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 바이오칩 스캐너를 도시한 부분 구성도이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 바이오칩 스캐너는 크게 여기광을 발생시키는 광원부(10), 바이오칩을 구성하는 기판(41)을 고정시키는 스테이지부 및 바이오칩으로부터 발현되는 형광을 검출하기 위한 검출부로 이루어진다. 여기서 상기 광원부(10)는 스테이지부를 기준으로 상기 검출부와 반대쪽에 위치한다. 스테이지부는 기판(41)을 외부로부터 로딩(loading)하여 받쳐주는 로더(21)를 포함하며, 검출부는 포커싱 렌즈(33)와 CCD(35)를 포함한다. 이 때 상기 바이오칩의 기판(41)은 슬라이드 글라스 등과 같은 투명한 소재로 이루어진다.
본 실시예에서는 바이오칩의 기판(41)상에 부착되는 스팟(S)의 상부에 형광 집속체(60)가 더욱 설치된다. 상기 형광 집속체(60)는 광학렌즈, 특히 볼록렌즈로 이루어질 수 있다. 이렇게 구성함으로써 검출부로 향하지 못하던 넓은 각도로 입사되던 형광(F")을 모아서 검출부로 전달할 수 있으며, 따라서 검출 성능을 높일 수 있다. 동시에 광원부(10)에서 입사된 여기광(E)의 검출부로의 진입을 차단할 수 있는데, 이는 형광 집속체(60)로 입사되는 광의 입사각이 다르기 때문에 동일한 렌즈로 상기 두가지 기능을 구현할 수 있다.
한편, 넓은 면적을 갖는 바이오칩상의 스팟(S)을 검출하고자 할 경우에는 상기 형광 집속체(60)를 구성하는 볼록렌즈를 다수개로 배열하여 렌즈군을 형성하도 록 설치할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 형광 집속수단을 갖는 바이오칩 스캐너에 의하면, 바이오칩의 하부 또는 상부에 형광 반사체 또는 형광 집속체를 배치함으로써, 여기광에 의하여 발현되는 형광을 보다 효율적으로 집속하여 검출기로 전달할 수 있고, 따라서 형광의 손실을 줄이고 주변광에 대한 잡음을 감소시킬 수 있어 영상의 신호대 잡음비를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 투명한 기판의 상단부에 거울면을 형성함으로써 하부면의 상태에 따라 영상의 왜곡을 가져오는 문제점을 동시에 해결할 수 있다.

Claims (11)

  1. 분석 대상이 되는 스팟(spot)이 기판에 부착되어 이루어지는 바이오칩과, 이 바이오칩이 고정되는 스테이지부;
    여기광(勵起光)을 생성시켜 상기 바이오칩 기판상의 스팟에 이를 조사(照射)하는 광원부; 및
    상기 바이오칩 기판상의 스팟으로부터 발현되는 형광을 검출하여 분석하는 검출부
    를 포함하고,
    상기 스테이지부의 상부면에 형광 반사체가 형성되는 바이오칩 스캐너.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 형광 반사체는 상기 스테이지부의 상부면에 평면상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오칩 스캐너.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 형광 반사체는 상기 스테이지부의 상부면에 상기 스팟을 향해 오목한 곡면을 이루며 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오칩 스캐너.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 오목한 곡면을 갖는 형광 반사체는 상기 스테이지부의 상부면에 다수개가 연이어 배열되는 것을 특징으로 하는 바이오칩 스캐너.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 형광 반사체는 구면 또는 비구면 거울인 것을 특징으로 하는 바이오칩 스캐너.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 형광 반사체는 다수의 미세한 프리즘이 표면에 연이어 배열되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이오칩 스캐너.
  10. 분석 대상이 되는 스팟(spot)이 기판에 부착되어 이루어지는 바이오칩과, 이 바이오칩이 고정되는 스테이지부;
    상기 스테이지의 하부에 위치하며, 여기광을 생성시켜 상기 바이오칩 기판상의 스팟에 이를 조사하는 광원부; 및
    상기 바이오칩 기판상의 스팟으로부터 발현되는 형광을 검출하여 분석하는 검출부
    를 포함하고,
    상기 바이오칩 기판상에 부착되는 스팟의 상부에 형광 집속체가 배치되는 바이오칩 스캐너.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 형광 집속체는 볼록렌즈인 것을 특징으로 하는 바이오칩 스캐너.
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