KR100600923B1 - 광학부를 구비한 미세입자 분석 장치 - Google Patents

광학부를 구비한 미세입자 분석 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미세입자를 포함하는 유체에 빛을 조사하고, 상기 미세입자로부터 발하는 빛을 신호처리 판독부가 판독하여 미세입자를 분석하는 장치에 있어서, 상기 유체에 조사할 빛을 발하는 광원부; 상기 광원부로부터 발한 빛의 양과 초점거리를 조절하는, 수치구경이 작은 렌즈; 및 상기 미세입자가 발하는 빛을 집광하여 판독부로 반사시키기 위한, 수치구경이 큰 오목거울을 포함하되, 상기 오목거울에는, 상기 렌즈를 통과한 광원부의 빛이 상기 오목거울을 통과할 수 있도록 홀이 형성되어 있는 미세입자 분석 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 분석 장치를 사용하여 미세입자를 분석하는 경우, 상기 미세입자가 흐르는 미세채널 내에서의 미세입자의 상하 위치에 따라서 미세입자로부터 방출되는 빛의 양이 달라지지 않는다. 따라서, 상기 미세입자를 정확하게 분석할 수 있다.

Description

광학부를 구비한 미세입자 분석 장치 {Device having an optical part for analyzing micro particles}
도 1은 종래의 교차형(transverse illlumination) 미세입자 분석장치의 구성도이고,
도 2는 상기 도 1에 도시된 분석장치 중 시료가 흐르는 플로우 셀의 단면도이며,
도 3은 종래의 동축형(axial illumination) 미세입자 분석장치의 단면도이고,
도 4는 종래의 또다른 동축형 미세입자 분석장치의 구성도이며,
도 5는 본 발명에 따른 미세입자 분석장치의 구성도이고,
도 6은 본 발명에 따른 미세입자 분석장치의 입체 구성도이며,
도 7은 미세입자의 위치에 따른 미세입자의 방출광의 크기 분포를 도시한 것이고,
도 8a 내지 8c는 종래의 동축형 미세입자 분석장치를 사용하는 경우, 미세입자의 위치에 따른 방출광의 분포를 도시한 것이며,
도 9a 내지 9c는 본 발명에 따른 미세입자 분석장치를 사용하는 경우, 미세입자의 위치에 따른 방출광의 분포를 도시한 것이고,
도 10a 및 10b는 각각 종래의 동축형 미세입자 분석장치 및 본 발명에 따른 미세입자 분석장치의 신호처리 판독부에서 검출한 미세입자의 실제 검출 신호를 도시한 것이며,
도 11은 미세입자를 포함하는 유체를 포커싱하는 미세채널의 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 300, 400, 500 : 광원 20, 510 : 실린더형 렌즈
30 : 윈도 40, 320, 430 : 대물렌즈
50, 420, 515 : 반사경 60 : 구경(aperture)
70, 556 : 필터 80, 330, 460, 560 : 신호처리 판독부
90 : 플로우 셀 91 : 시료 주입구
92 : 버퍼용액 주입구 93 : 관찰지점
94 : 버퍼용액 95 : 시료 출구
310, 410 : 이색성 거울 340 : 커버슬립
440, 540 : 마이크로칩 350, 450, 550 : 미세입자
520 : 수치구경이 낮은 렌즈 530 : 수치구경이 큰 오목거울
570 : 홀 710 : 미세채널
본 발명은 미세입자를 포함하는 유체에 빛을 조사하고, 상기 미세입자로부터 발하는 빛을 신호처리 판독부가 판독하여 미세입자를 분석하는 장치에 있어서, 상기 유체에 조사할 빛을 발하는 광원부; 상기 광원부로부터 발한 빛의 양과 초점거리를 조절하는, 수치구경이 작은 렌즈; 및 상기 미세입자가 발하는 빛을 집광하여 판독부로 반사시키기 위한, 수치구경이 큰 오목거울을 포함하되, 상기 오목거울에는, 상기 렌즈를 통과한 광원부의 빛이 상기 오목거울을 통과할 수 있는 홀이 형성되어 있는 미세입자 분석 장치에 관한 것이다.
종래의 미세입자 분석장치, 예를 들어, 혈액 중의 적혈구 또는 백혈구 등 혈액세포를 분석하는 유세포 분석기(flow cytometry)는 사각단면의 플로우 셀(flow cell)을 사용하며 중심부로 분석 대상 미세입자가 포함되어 있는 시료 용액이 흐르게 한다. 상기 사각 단면의 플로우 셀을 흐르는 시료를 분석하기 위한 광학부를 도 1에 도시하였다. 이 구조의 특징은, 레이저 광원이 입사되는 경로와 광원에 조사된 시료 입자가 여기되어 발생시키는 형광의 방출 경로가 교차하는 교차형(transverse illumination)이라는 점이다.
상기 교차형 미세입자 분석장치는 시료에 조사할 빛을 발하는 광원부(10); 상기 광원부(10)로부터 발한 빛의 양과 초점거리를 조절하는 실린더형 렌즈(20); 상기 시료가 발하는 빛을 집광하기 위하여 상기 시료와 접해있는 대물렌즈(40); 상기 대물렌즈를 통과한 빛을 판독부(80)로 반사시키기 위한 반사경(50); 및 상기 시료가 발하는 빛을 감지하여 판독하는 판독부(80)로 구성된다.
유체 중의 적혈구 또는 백혈구를 분석하기 위하여, 상기 미세입자 분석 장치 에 장착된 플로우 셀(90) 내에 유체를 흐르게 한다.
도 2는 상기 플로우 셀의 단면을 도시한 것이다. 상기 유체를 시료 주입구(91)에 흐르게 하고, 버퍼용액 주입구(92)에는 버퍼용액을 주입하여, 상기 시료의 둘레에 버퍼용액(94)이 흐르게 한다. 상기 시료는 관찰지점(93)을 통과할 때 광원(10)의 빛에 반응하여, 빛을 발하게 된다.
바람직하게는, 상기 플로우 셀(90) 또는 시료를 미리 형광물질로 처리한다. 상기 시료 중의 미세입자(예를 들어, 적혈구)에 광원(10)의 빛이 조사되면, 상기 형광물질과 함께 반응하여, 특정 파장대의 빛을 방출하게 된다. 이러한 빛을 필터(70)에 의하여 선택적으로 통과시킨 후, 신호처리 판독부(80)(예를 들어, 광증대관(PMT) 또는 CCD 카메라)에서 신호처리할 수 있다.
상기 미세입자 분석장치는 미세입자의 방출광 중 특정 파장대의 빛만을 통과시키기 위하여 구경(aperture)(60) 및 필터(70)를 추가로 포함할 수 있다.
최근에는, 미세채널이 포함된 마이크로칩(microchip)을 플로우 셀로서 사용하여, 미량의 시료를 분석하는 마이크로칩 기반의 유세포 분석기가 연구·개발 중이다. 도 6에 도시되어 있는 바와 같은 마이크로칩(540)을 사용하는 경우, 상기 마이크로 칩은 납작한 수평구조이므로, 도 3와 같이 하나의 대물렌즈를 통하여 레이저 광원이 입사되고, 동시에 미세입자로부터 방출되는 형광이 집속되는 광학부 구조를 채택하게 된다(동축형 방식(axial illumination)).
도 1의 교차형 방식에서는 광원의 입사 경로와 형광의 방출 경로에 각각 서로 다른 규격의 광학 장치를 설치할 수 있지만, 도 3 및 도 4와 같은 동축형 방식 에서는 입사되는 광원과 방출되는 형광이 한 개의 대물렌즈 규격에 따라 그 특성이 결정된다.
동축형 방식이 지닌 이러한 특징은 입사 광원의 광점(light spot) 형태와 방출 형광의 집속 형태를 서로 독립적으로 조절할 수 없다는 단점을 초래한다.
마이크로칩 기반의 유세포 분석기에서 샘플 입자로부터 방출되는 산란광 또는 형광 신호의 균일성을 확보하기 위해서는, 입사되는 레이저 광원의 광점 크기가 샘플 입자를 포함할 정도로 충분히 커야 한다. 또한, 상기 광점에 대한 입자의 상·하 위치에 상관없이 일정한 빛을 방출하여야 한다. 따라서, 수치구경(numerical aperture)이 작은 렌즈를 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 이와 같이 수치구경이 작은 렌즈로 다시 미세입자의 방출광을 집속하는 경우, 방출되는 빛의 집속 효율을 감소시킨다는 문제가 있다. 미세입자의 방출광을 집속시키는데는 수치구경이 큰 렌즈가 바람직하기 때문이다.
따라서, 유세포 분석기에 적용되는 광학부의 이상적인 조건은, 입사 광원을 수치구경이 작은 렌즈에 통과시켜 샘플 입자를 조사시키고, 방출되는 빛은 수치구경이 큰 렌즈를 통과시켜 감지부에서 검출하게 하는 것이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에 따른 미세입자 분석 장치에서는, 미세입자가 발하는 빛을 집광하여 판독부로 반사시키기 위한 오목거울 내에, 렌즈를 통과한 광원부의 빛이 통과할 수 있는 홀이 형성되어 있다. 이러한 분석 장치를 사용하여 미세입자를 분석하는 경우, 미 세입자의 상하 위치에 따라 미세입자로부터 방출되는 빛의 양이 달라지지 않는다.
따라서, 본 발명의 목적은 수치구경이 작은 렌즈를 통과한 광원부의 빛이 통과할 수 있는 홀이 형성되어 있는 수치구경이 큰 오목거울을 구비한 미세입자 분석 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 상기 미세입자 분석 장치에 사용되는, 상기한 바와 같은 구조를 갖는 오목거울을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 미세입자를 포함하는 유체에 빛을 조사하고, 상기 미세입자로부터 발하는 빛을 신호처리 판독부가 판독하여 미세입자를 분석하는 장치에 있어서,
상기 유체에 조사할 빛을 발하는 광원부;
상기 광원부로부터 발한 빛의 양과 초점거리를 조절하는, 수치구경이 작은 렌즈; 및
상기 미세입자가 발하는 빛을 집광하여 판독부로 반사시키기 위한, 수치구경이 큰 오목거울을 포함하되,
상기 오목거울에는, 상기 렌즈를 통과한 광원부의 빛이 상기 오목거울을 통과할 수 있는 홀이 형성되어 있는 미세입자 분석 장치에 관한 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 렌즈는 광원의 빛의 양과 초점거리를 조절하여 유체에 조사하는 것이므로, 수치구경이 작은 것이 바람직하다. 예를 들어, 수치구경이 약 0.1 미만으로서 작은 수치구경을 갖는 볼록렌즈를 사용하는 것이 바람직하다. 후술하는 실시예에서 사용된 렌즈의 수치구경은 약 0.01이다.
본 발명에 있어서, 상기 오목거울은 미세입자가 발하는 빛을 집광하여, 신호처리 판독부에 보내는 것이므로, 수치구경이 큰 것이 바람직하다. 예를 들어, 수치구경이 약 0.1 이상으로서 큰 수치구경을 갖는 오목거울을 사용하는 것이 바람직하다. 후술하는 실시예에서 사용된 오목거울의 수치구경은 약 0.5이다.
또한, 상기 오목거울은 포물면경 형태인 것이 바람직하다. 특히, 상기 오목거울은 포물면경의 일부로서, 후술하는 실시예에서와 같이, 반(半)-포물면경 (hemiparabolic mirror)인 것이 바람직하다.
상기 오목거울 내에 형성되는 상기 홀은 상기 포물면경의 중심축에서 벗어난 곳에 위치시킨다. 상기 홀은 상기 렌즈를 통과한 빛이 통과하는데 적합한 직경을 갖는다. 이와 같이 홀을 형성하는 경우, 미세입자가 발하는 빛을 집광하여 신호처리 판독부에 보낼 때, 상기 홀을 통하여 손실되는 빛의 양도 무시할 수 있을 정도로 작다. 예를 들어, 후술하는 실시예에서와 같이 약 1 내지 2 mm의 직경을 갖도록 홀을 형성시키는 경우, 광원이 오목거울을 통과할 수 있으며, 미세입자가 발하는 빛이 상기 홀을 통과하여 외부로 손실되는 양도 무시할 수 있다. 상기 홀의 직경은 사용되는 광원에 따라 적절하게 변경할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 미세입자 분석장치는 플라스틱 재질의 마이크로칩 내에 구비된 미세채널을 흐르는 유체에 빛을 조사하여 분석하는 장치로서 사용될 수 있다. 이 때, 상기 미세입자가 상기 미세채널 중에서 소정 영역만을 통과하도록 포커싱하기 위하여, 상기 미세채널의 좌우 벽면은 비대칭으로 형성되는 것이 바람 직하다. 즉, 상기 미세채널은, 경사면을 구비하는 좌측벽면 및 우측벽면에 의하여 형성되는 노즐부를 포함하고, 상기 노즐부의 폭방향 단면은 상기 노즐부의 입구로부터 상기 노즐부의 출구로 갈수록 단면적이 감소하며, 상기 미세채널의 길이방향의 단면 형상은 상기 미세채널의 길이방향의 중심선을 기준으로 좌우 비대칭인 것이 바람직하다. 특히, 상기 노즐부를 형성하는 좌측벽면 및 우측벽면 중 어느 하나의 벽면의 경사면이 다른 벽면의 경사면보다 상기 채널 장치의 입구측에 더 가까운 것이 바람직하다.
이와 같이 형성하는 경우, 상기 미세입자를 포함하는 유체가 포커싱될 때, 미세입자들이 결합하여 미세채널을 막는 현상(병목현상)이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 미세입자 분석장치에 사용되는 오목거울에 관한 것이다. 상기 오목거울은, 시료에 빛을 조사하기 위하여 광원으로부터 발한 빛의 양과 초점거리를 조절하는, 작은 수치구경을 갖는 렌즈와 광학적으로 결합하며, 상기 시료가 발하는 빛을 집광하여 신호처리 판독부로 반사시키기 위한 수치구경이 큰 오목거울로서, 상기 렌즈를 통과한 광원부의 빛이 상기 오목거울을 통과할 수 있도록 내부에 홀이 형성되어 있다.
상기 오목거울은, 수치구경이 약 0.1이상인 반-포물면경인 것이 바람직하며, 수치구경이 약 0.1미만인 렌즈와 광학적으로 결합하여 사용되는 것이 바람직하다.
상기 오목거울은 통상적인 광학기구 제조방법에 의하여 제조할 수 있다.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 포커싱 채널 장치를 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.
도 5는 본 발명에 따른 미세입자 분석장치의 구성도이며, 도 6은 본 발명에 따른 미세입자 분석장치를 입체적으로 도시한 것이다.
상기 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 미세입자 분석장치는 마이크로칩(540) 중의 미세채널(710) 중에 흐르고 있는, 미세입자(550)를 포함하는 유체에 빛을 조사하고, 상기 미세입자로부터 발하는 빛을 신호처리 판독부(560)에서 판독하여 미세입자를 분석한다.
상기 미세입자 분석장치는, 상기 유체에 조사할 빛을 발하는 광원부(500); 상기 광원부(500)로부터 발한 빛의 양과 초점거리를 조절하는, 수치구경이 작은 렌즈(520); 및 상기 미세입자(550)가 발하는 빛을 집광하여 판독부(560)로 반사시키기 위한, 수치구경이 큰 오목거울(530)을 포함한다. 상기 오목거울(530)에는, 상기 렌즈(520)를 통과한 광원부(500)의 빛이 상기 오목거울(530)을 통과할 수 있도록 홀(570)이 형성되어 있다.
상기 미세입자 분석장치는 추가로 실린더형 렌즈(510), 반사경(515), 구경, 및 필터(556) 등을 더 구비할 수 있다.
상기 광원(500)에서 발하는 빛은 수치구경이 작은 렌즈(520)를 통과한 후 미세입자(550)에 조사된다. 상기 렌즈(520)의 수치구경이 작기 때문에, 미세채널 (710) 중의 미세입자(550)의 위치에 따른 방출광의 편차가 감소된다. 이후, 상기 미세입자(550)가 방출하는 빛은 상기 오목거울(570)에 의하여 집광된 후 판독부(560)로 보내지게 된다. 상기 오목거울(570)의 수치구경이 크기 때문에, 넓게 방사되는 상기 방출광을 최대한 집광할 수 있다. 또한, 상기 홀(570)의 직경은 약 1.5±0.2mm로서, 상기 오목거울(570)의 크기에 비하여 매우 작기 때문에, 상기 홀(570)을 통하여 손실되는 방출광의 양은 무시할 수 있다.
도 7은 광원의 초점에 대한 입자의 위치에 따른 반사광의 크기 분포를 도시한 것이다. 상기 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 일반적으로 미세입자가 광원의 초점에 위치할 때 방출광이 최대가 된다. 상기 광원으로부터 먼 곳에 위치할수록 방출광이 감소하게 된다.
도 8a 내지 8c는 종래의 미세입자 분석장치를 사용하는 경우, 미세입자의 위치에 따른 반사광의 분포를 도시한 것이며,
종래의 미세입자 분석장치는 렌즈의 수치구경을 최소화하는데 제한이 있기 때문에, 통상적으로 사용되는 0.5 NA의 수치구경을 갖는 렌즈를 사용하였다. 이러한 렌즈를 사용하는 경우, 미세입자의 위치에 따른 반사광의 크기가 크게 달라짐을 알 수 있다.
도 8a는 광원에 대한 미세입자의 상대적 위치에 따른 방출광의 분포를 도시한 것이다. 실선은 상기 미세입자가 채널의 높이 방향에 대하여 중간 지점을 지나는 경우의 방출광의 분포이고, 점선은 상기 미세입자가 상측벽면 또는 하측벽면에 가까운 곳으로 흐르는 경우의 방출광의 분포이다. 도 8c는 미세입자들이 도 8b와 같은 위치(801 내지 806)에서 검출되었을 때, 각 미세입자가 발하는 빛의 크기를 도시한 것이다.
입사되는 빛의 수치구경이 상대적으로 큰 편이기 때문에, 상기 미세입자가 채널의 높이 방향에 대하여 중간에 위치하는 경우 방출광의 분포가 좁게 형성된다. 또한, 도 8b에 도시되어 있는 바와 같이, 빛의 초점이 채널의 중심에 형성되어 있는 상황에서, 상기 초점의 위쪽 또는 아래쪽에 위치한 입자의 방출광은 작게 나타남을 알 수 있다.
따라서, 종래의 미세입자 분석 장치를 이용하여 미세입자를 분석하는 경우에는, 미세입자들이 동일한 높이에서 흐르도록 포커싱하여야 한다. 따라서, 미세입자가 일렬로 흐르도록 포커싱하여야만 정확한 실험 결과를 얻을 수 있다.
그러나, 본 발명에 따른 미세입자 분석장치는 아무런 제한 없이 수치구경이 작은 렌즈를 사용할 수 있다는 장점이 있다. 본 실시예에서는 수치구경이 0.01인 것을 사용하였기 때문에, 도 9a에 도시되어 있는 바와 같이, 미세입자의 위치에 따른 방출광의 분포가 상기 도 8a의 예보다 넓게 분포되어 있다. 따라서, 미세입자의 위치에 따라 방출광이 크게 달라지지 않는다. 도 9c는 미세입자들이 도 9b와 같은 위치(901 내지 906)에서 검출되었을 때, 각 미세입자의 방출광의 크기를 도시한 것이다.
상기 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 빛의 초점에 위치한 미세입자와 비교할 때, 상기 미세입자보다 위에 위치하거나 아래 위치하는 미세입자들의 방출광의 크기도 유사함을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 미세입자 분석 장치를 사용하는 경우, 미세입자가 일렬로 흐르도록 포커싱하지 않아도 정확하게 분석할 수 있다. 즉, 미세채널을 흐르는 미세입자의 위치가 상하로 동시에 진행하여도 분 석에 지장이 없다.
또한, 빛의 초점의 전·후에 위치한 미세입자도 반사광의 크기가 크게 변화되지 않음을 알 수 있다.
도 10a 및 10b는 종래의 동축형 미세입자 분석장치 및 본 발명에 따른 미세입자 분석장치의 신호처리 판독부에서 검출한 미세입자의 실제 검출 신호의 예이다. 상기 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 미세입자의 분석장치를 사용하여 분석하는 경우(도 10b), 검출신호가 보다 더 균일함을 알 수 있다.
한편, 도 11은 미세입자를 포함하는 유체가 포커싱될 때, 미세입자들이 결합하여 채널을 막는 현상(병목현상)이 발생하는 것을 방지할 수 있도록, 좌우 벽면이 비대칭적으로 형성된 미세채널의 예를 도시한 것이다.
본 발명에 따른 분석 장치를 사용하여 미세입자를 분석하는 경우, 미세입자의 상하 위치에 따라서 미세입자로부터 방출되는 빛의 양이 달라지지 않는다. 따라서, 상기 미세입자를 정확하게 분석할 수 있다.

Claims (12)

  1. 미세입자를 포함하는 유체에 빛을 조사하고, 상기 미세입자로부터 발하는 빛을 신호처리 판독부가 판독하여 미세입자를 분석하는 장치에 있어서,
    상기 유체에 조사할 빛을 발하는 광원부;
    상기 광원부로부터 발한 빛의 양과 초점거리를 조절하는 렌즈; 및
    상기 미세입자가 발하는 빛을 집광하여 판독부로 반사시키기 위한 오목거울을 포함하되,
    상기 오목거울에는, 상기 렌즈를 통과한 광원부의 빛이 상기 오목거울을 통과할 수 있는 홀이 형성되어 있고,
    상기 렌즈는 수치구경이 0.1 미만인 볼록렌즈이며,
    상기 오목거울의 수치구경은 0.1 이상인 것을 특징으로 하는 미세입자 분석 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 오목거울은 포물면경 형태인 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 오목거울은 반(半)-포물면경(hemiparabolic mirror) 인 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 홀은 상기 포물면경의 중심축에서 벗어난 곳에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 홀의 직경은 1mm 내지 2mm인 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 미세입자 분석 장치는 플라스틱 재질의 마이크로칩 내에 구비된 미세채널을 흐르는 유체에 빛을 조사하되,
    상기 유체가 상기 미세채널 중에서 소정 영역만을 통과하도록 상기 유체를 포커싱하기 위하여, 상기 미세채널은 경사면을 구비하는 좌측벽면 및 우측벽면에 의하여 형성되는 노즐부를 포함하고, 상기 노즐부의 폭방향 단면은 상기 노즐부의 입구로부터 상기 노즐부의 출구로 갈수록 단면적이 감소하며,
    상기 미세채널의 길이방향의 단면 형상은 상기 미세채널의 길이방향의 중심선을 기준으로 좌우 비대칭인 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 노즐부를 형성하는 좌측벽면 및 우측벽면 중 어느 하나의 벽면의 경사면이 다른 벽면의 경사면보다 상기 미세채널의 입구측에 더 가 까운 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
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