KR100912626B1 - 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치 및 이를이용한 멀티챔버 형광 측정 방법 - Google Patents

현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치 및 이를이용한 멀티챔버 형광 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소형이고 휴대가 가능하여 현장진단이 가능하고, 저전력으로 구동할 수 있으며, 제조 비용이 최소화되는 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치 및 그를 이용한 멀티챔버 형광 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명에 따른 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치는 주입된 시료를 이용하여 일련의 생화학적 반응을 수행하는 시료 처리부; 균일한 광을 조사하는 광원부; 상기 광원부에서 조사된 광을 상기 시료 처리부로 전달하는 여기광 전송부; 상기 시료 처리부의 형광 표지로부터 방사되는 형광 신호를 수신하여 비대칭적으로 축소된 형광 신호를 출력하는 방사광 축소부; 및 상기 방사광 축소부로부터 출력되는 형광 신호를 검출하는 형광 검출부를 포함한다.

Description

현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치 및 이를 이용한 멀티챔버 형광 측정 방법{Portable optical device for multi-chamber fluorescence measurement and method for multi-chamber fluorescence measurement using the same}
본 발명은 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치 및 그를 이용한 멀티챔버 형광 측정 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 소형이고 휴대가 가능하여 현장진단이 가능하고, 저전력으로 구동할 수 있으며, 제조 비용이 최소화되는 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치 및 그를 이용한 멀티챔버 형광 측정 방법에 관한 것이다.
랩온어칩(lab-on-a-chip; LOC)이란 바이오 칩의 일종으로, 손톱만한 크기의 칩 하나로 실험실에서 할 수 있는 연구를 수행할 수 있도록 만든 장치를 말한다. 플라스틱, 유리, 실리콘 등의 소재를 사용하여 마이크로 또는 나노 리터 이하의 미세 채널을 만들고, 이를 통해 극미량의 샘플이나 시료만으로 기존의 실험실에서 할 수 있는 실험이나 연구 과정을 신속하게 대체할 수 있도록 함으로써, 오랜 시간과 많은 비용이 소요되는 생물학적 검사를 단시간과 저비용으로 수행할 수 있도록 만든 시스템이다.
이는 차세대 진단장치로 주목 받고 있는데, 이 칩을 이용하면 한 방울의 피로도 각종 암 진단이나 적혈구·백혈구의 세포 수 측정이 가능하다. 또 축산이나 환경 등 다양한 분야로까지 응용 분야를 확장할 수 있는 고부가가치 상품으로, 최근에 바이오 기술이 급속도로 발달하면서 주목 받고 있다.
이러한 랩온어칩은 다중 채널 시스템으로 구성됨으로써, 고속의 병렬 처리를 수행할 수도 있다. 랩온어칩상의 생물학적 반응을 검출하기 위해서는 기계적 방법, 화학적 방법, 전기적 방법 등 다양한 방법들이 사용되고 있으나, 광원을 사용하여 생화학 물질로부터 방출된 형광량을 검출하는 형광 검출법이 높은 신뢰성을 확보하면서 고속 및 고감도 검사가 가능한 장점을 가지는 것으로 널리 알려져 있다.
따라서 고속-고감도 유전자검출에 필수적인 RT-PCR(Real Time Polymer Chain Reaction)을 이용한 유전자검출분야에서는 이러한 형광법을 이용한 검출법이 가장 많이 사용되고 있으며 최근에는 분석기기의 형태로 상용화되어 있는 실정이다.
더구나 이러한 형광을 이용한 RT-PCR 측정장치들은 갈수록 현장 진단 (point-of-care-testing; POCT) 시장을 겨냥하여 휴대가 간편한 소형 구조를 지향하고 저전력으로 구동되며 장치 비용 또한 최소화하는 것을 목표로 연구가 진행되고 있다.
특히 형광을 측정하는 광학계는 이러한 요구에 따라 고감도를 유지하면서도 소형화하기 위해 LED나 고감도 포토다이오드를 이용한 방식이 주류를 이용하고 있다.
하지만 원천적으로 광학계의 기하학적 구조는 측정하고자 하는 시료 챔버의 가열-냉각방식, 유체흐름제어 방식, 샘플주입방식 등에 크게 영향을 받기 때문에 주어진 광학계의 구조나 광학적 부품구성은 주로 시료 챔버의 형태나 구조에 따라 독특한 구조를 가지게 된다.
특히 플라스틱 MEMS 기술을 이용한 평면 랩온어칩의 경우에는 주로 epi-fluorescence 구조의 광학계를 많이 사용하며, 일회성 현장진단용이라 할지라도 복수개의 시료채널을 사용하는 것이 일반적이다. 왜냐하면 일회성이라 할지라도 한 개의 검출채널만으로는 측정이 용이하지 않고, 양성(positive), 음성(negative), 샘플의 동시 측정을 위해 최소 3채널은 필요하기 때문이다.
랩온어칩의 경우 일반적으로 미세유체의 흐름을 최적화하기 위하여 샘플 챔버의 모양은 로드(rod) 형태를 가지며, 샘플의 부피 조절은 상기 챔버의 길이 방향의 길이를 조절함으로써 결정된다. 이 경우 형광집광효율을 높이기 위해서는 로드 형태의 형광 패턴 중에서 특정 부분을 샘플링해서 측정하는 것보다 절삭 없이 가급적 모두 광검출기로 집광하는 것이 필요하다.
이때 집광을 위해 배율광학계를 사용하여 형광패턴을 축소하여 측정하는 방법이 가능하지만, 이를 위해서는 복수개의 채널 각각의 신호를 검출하기 위해 필수적으로 다채널이 동시에 측정 가능한 CCD나 CMOS와 같은 매트릭스 검출기가 필요하다. 왜냐하면 복수개의 형광패턴이 배율광학계로 축소하여 광검출기로 집광하게 될 때 긴 형태의 형광패턴을 작은 검출기로 축소하여 집광하면 부가적으로 형광 패턴 사이의 간격도 축소되어 저가의 개별적인 포토다이오드로 검출은 사실상 불가능하며, 매트릭스 또는 어레이 검출기를 사용해야 한다. 하지만 이러한 경우 전자 회로 등이 복잡해지고 고감도를 유지하기 위해서는 어레이 검출기의 단가가 상승하기 때문에 POCT에 응용하기에는 많은 무리가 있다.
한편, 소형광학계를 구현하기 위해 광원을 선정하는 문제에 있어서도 최근 고휘도 LED가 등장하여 LED가 광원 설계에 있어서 기존 램프보다 소비 전력량이 월등히 감소하고 사용 시간도 길어지는 등 기술적 우위를 점하고 있지만, 위에서 제기되었듯이 랩온어칩에 응용하기 위해 일정한 면적이나 패턴을 갖는 시료에 대해 광을 조사하기 위한 광원으로 사용하기 위해서는 LED 광의 균일한 조명이 중요한 문제가 된다. 그래서 이 과정에서는 반드시 광을 균일하게 만드는 빔 호모지나이저(Beam Homogenizer)가 필수적으로 광원 다음 단계에서 사용되어야 한다. 하지만 소형광학계에 있어서 이러한 빔 호모지나이저(Beam Homogenizer)는 광 경로를 길게 하고 추가적인 광부품의 사용으로 인한 단가상승, 추가적인 광 손실이 뒤따르는 문제점이 여전히 있다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 소형이고 휴대가 가능하여 현장진단이 가능하고, 저전력으로 구동할 수 있으 며, 제조 비용이 최소화되는 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치 및 그를 이용한 멀티챔버 형광 측정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 랩온어칩의 시료 챔버 패턴이 복수개의 로드 형태인 경우에도 고가의 CCD 또는 CMOS 소자와 같은 이미징(imaging) 검출기를 사용하지 않고 형광을 손실 없이 효율적으로 광 검출기에 집속시킬 수 있는 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치 및 이를 이용한 멀티챔버 형광 측정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 LED 어레이 믹싱을 통하여 특별한 광 부품 없이도 광 손실을 최소화하여 광 균일도를 확보할 수 있고, 일정한 조명 패턴을 유지하기 위해 저전력, 저발열의 LED를 어레이로 구성하고 마스크를 이용하여 조명하기 때문에 랩온어칩의 시료 패턴 변화에 대해 능동적으로 대처할 수 있는 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치 및 그를 이용한 멀티챔버 형광 측정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 주입된 시료를 이용하여 일련의 생화학적 반응을 수행하는 시료 처리부; 균일한 광을 조사하는 광원부; 상기 광원부에서 조사된 광을 상기 시료 처리부로 전달하는 여기광 전송부; 상기 시료 처리부의 형광 표지로부터 방사되는 형광 신호를 수신하여 비대칭적으로 축소된 형광 신호를 출력하는 방사광 축소부; 및 상기 방사광 축소부로부터 출력되는 형광 신호를 검출하는 형광 검출부를 포함하는 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치를 제공한다.
상기 시료 처리부는 기판, 그 내부에 형성되어 시료 또는 반응 용액을 수용하고 생화학적 반응을 수행하는 하나 이상의 마이크로챔버들, 및 상기 마이크로챔버들을 유체연결하는 마이크로채널을 포함할 수 있다.
상기 기판은 플라스틱으로 형성되고, 상기 마이크로챔버들은 병렬로 구성될 수 있다.
상기 마이크로챔버는 가로에 비해 세로가 긴 로드 형태일 수 있다.
상기 로드 형태의 마이크로챔버의 부피 조절은 세로 방향 길이를 변경함으로써 이루어질 수 있다.
상기 시료는 핵산 또는 단백질을 포함할 수 있다.
상기 광원부는 발광 다이오드 어레이 또는 발광 다이오드 매트릭스일 수 있다.
상기 여기광 전송부는 상기 시료 처리부의 마이크로챔버와 동일한 패턴을 갖는 마스크; 상기 광원으로부터의 여기광을 특정 파장대로 필터링하는 일차 광학 필터; 및 상기 광원으로부터의 여기광을 처리하는 일차 렌즈부 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 방사광 축소부의 비대칭적 축소는 상기 시료 처리부로부터 방사되는 형광 신호의 일차 방향의 축소 비율과 상기 일차 방향에 수직인 이차 방향의 축소 비율이 서로 상이할 수 있다.
상기 방사광 축소부는 상기 시료 처리부로부터 방사되는 형광 신호의 방향을 전환하는 다이크로익 미러(dichroic mirror); 상기 형광 신호를 처리하는 이차 렌즈부; 상기 형광 신호를 특정 파장대로 필터링하는 이차 광학 필터; 및 상기 형광 신호를 비대칭적으로 축소된 형광 신호로 변환하는 형광 신호 변환부 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 형광 신호 변환부는 반원통형 렌즈 또는 프리즘일 수 있다.
상기 형광 검출부는 하나 이상의 포토다이오드를 포함하고, 상기 하나의 포토다이오드는 상기 시료 처리부의 하나의 마이크로챔버에 대응할 수 있다.
또한, 본 발명은 시료 처리부에 시료를 주입하여 일련의 생화학적 반응을 수행하는 단계; 균일한 광을 조사하는 단계; 상기 광원부에서 조사된 광을 상기 시료 처리부로 전달하는 단계; 상기 시료 처리부로부터 방사되는 형광 신호를 수신하여 비대칭적으로 축소된 형광 신호를 출력하는 단계; 상기 비대칭적으로 축소된 형광 신호를 검출하는 단계를 포함하는 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치를 이용한 멀티챔버 형광 측정 방법을 제공한다.
상기 균일한 광은 발광 다이오드 어레이 또는 발광 다이오드 매트릭스에 의해 형성될 수 있다.
상기 시료 처리부의 형광 표지로부터 방사되는 형광 신호를 수신하여 비대칭적으로 축소된 형광 신호를 출력하는 단계는 반원통형 렌즈 또는 프리즘을 이용하여 수행될 수 있다.
상기 비대칭적 축소는 상기 시료 처리부로부터 방사되는 형광 신호의 일차 방향의 축소 비율과 상기 일차 방향에 수직인 이차 방향의 축소 비율이 서로 상이할 수 있다.
상기 검출 단계는 상기 시료 처리부의 마이크로챔버에 대응하는 포토다이오드를 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치는 소형이고 휴대가 가능하여 현장진단이 가능하고, 저전력으로 구동할 수 있으며, 제조 비용이 최소화되는 장점을 갖는다.
또한, 본 발명의 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치 및 그를 이용한 멀티챔버 형광 측정 방법에 따르면, 랩온어칩의 시료 챔버 패턴이 복수개의 로드 형태인 경우에도 고가의 CCD 또는 CMOS 소자와 같은 이미징(imaging) 검출기를 사용하지 않고 형광을 손실 없이 효율적으로 광 검출기에 집속시킬 수 있는 장점을 갖는다.
또한, 본 발명의 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치 및 그를 이용한 멀티챔버 형광 측정 방법에 따르면, LED 어레이 믹싱을 통하여 특별한 광 부품 없이도 광 손실을 최소화하여 광 균일도를 확보할 수 있고, 일정한 조명 패턴을 유지하기 위해 저전력, 저발열의 LED를 어레이로 구성하고 마스크를 이용하여 조명하기 때문에 랩온어칩의 시료 패턴 변화에 대해 능동적으로 대처할 수 있는 장점을 갖는다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치의 구성을 도시하는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치는 epi-fluorescence 구조임을 알 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치는 광원부(11), 형광 검출부(12), 다이크로익 미러(dichroic mirror)(13), 시료 처리부(14) 및 마이크로챔버(15)를 포함한다.
광원부(11)로부터 조사된 여기광은 시료 처리부(14), 예컨대 랩온어칩의 마이크로챔버(15)에 함유된 시료로 인가되고, 상기 시료에 포함된 형광 표지로부터 방사되는 방사광은 다이크로익 미러(13)를 거쳐 경로가 변환되며, 형광 검출부(12)는 상기 방사광의 존재 또는 패턴을 검출한다. 광원(11) 및 형광 검출부(12)의 위치는 서로 변경될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치의 바람직한 실시예에 따른 마이크로챔버를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 마이크로챔버(21) 및 그의 양쪽에 연결된 마이크로채널들(22, 23)이 도시되어 있다.
본 발명에 따른 마이크로챔버(21)는 다양한 형태로 형성될 수 있지만, 바람직하게 가로(W)에 비해 세로(L)가 긴 로드 형태인 것이 바람직하다. 마이크로챔버를 로드 형태로 형성하는 경우 모세관 현상이 미세유체의 유동에 도움을 줄 수 있으며, 따라서 미세유체의 흐름을 최적화할 수 있는 장점을 갖는다.
도 3은 도 2의 마이크로챔버에 인가되는 샘플의 부피를 조절하기 위해 챔버의 길이 방향을 조절하는 개념을 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 마이크로챔버의 부피를 조정하기 위해서 넓이(W) 및 높이(H) 방향은 그대로 두고 길이(L) 방향을 조절함을 알 수 있다. 상기에서 설명한 바와 같이 모세관 현상을 확보하기 위해서 넓이(W) 및 높이(H)를 늘리는 것에는 한계가 있다. 마이크로챔버의 부피를 높여야 하는 경우 길이(L) 대 넓이(W) 비율은 급격히 증가할 수도 있다.
상기와 같은 로드 형태의 마이크로챔버에서 발생한 생화학 반응 여부 또는 타겟 물질의 존재 여부를 확인하기 위하여, 로드 형태의 마이크로챔버에서 생성되는 형광 패턴 중에서 특정 부분을 샘플링해서 측정하는 것보다 그 전체를 광검출기로 집광하는 것이 매우 바람직하다.
이를 위하여 배율 광학계를 이용하여 상기 로드 형태의 형광 패턴을 축소하여 측정하는 방법을 고려해 볼 수 있다. 하지만, 이 경우 복수개의 마이크로챔버들 각각의 신호를 검출하기 위해 다중 챔버를 동시에 측정할 수 있는 CCD 또는 CMOS와 같은 매트릭스 검출기를 필요로 한다. 하지만, CCD 또는 CMOS와 같은 매트릭스 검출기를 사용하는 경우 관련 전자 회로들이 복잡해지고 고감도를 유지하기 위해 어레이 검출기의 단가가 상승하며 부피가 커지기 때문에 현장진단용으로 응용하기에는 많은 문제점이 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치의 구성을 도시한 것이다.
이하 도 4를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치를 보다 상세하게 설명한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치는 시료 처리부(47), 광원부(41), 여기광 전송부(42, 43, 44, 46), 방사광 축소부(48, 49, 50, 51) 및 형광 검출부(52)를 포함한다.
시료 처리부(47)는 주입된 시료를 이용하여 일련의 생화학적 반응을 수행한다.
시료 처리부(47)는 기판, 그 내부에 형성되어 시료 또는 반응 용액을 수용하고 생화학적 반응을 수행하는 하나 이상의 마이크로챔버들, 및 상기 마이크로챔버들을 유체연결하는 마이크로채널을 포함할 수 있다.
상기 하나 이상의 마이크로챔버들은 예컨대, 검체로부터 시료를 준비하기 위한 준비 챔버, 상기 시료를 증폭하기 위한 증폭 챔버, 상기 시료와 생물학적 또는 생화학적 반응을 하기 위한 프로브가 고정화되어 있는 분석 챔버, 분석에 필요한 효소 또는 버퍼 용액을 저장하는 액체 저장 챔버, 또는 다른 챔버의 세정 공정에 필요한 세정 용액을 저장하기 위한 세정 챔버일 수 있다. 바람직하게, 상기 하나 이상의 마이크로챔버들은 증폭 챔버 또는 분석 챔버인 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 하나 이상의 마이크로챔버들 내에서 RT-PCR이 수행될 수 있다.
상기 기판은 플라스틱으로 형성되고, 상기 마이크로챔버들은 병렬로 구성되는 것이 바람직하다. 예컨대, 시료 내의 타겟의 존재를 검출하기 위하여, 양성 반응을 검출하는 챔버, 음성 반응을 검출하는 챔버, 시료에 대한 반응을 검출하는 챔버가 병렬로 구성될 수 있다.
상기에서 상세하게 설명한 바와 같이, 마이크로챔버는 가로에 비해 세로가 긴 로드 형태인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 마이크로챔버는 용액이 유입 및 유출되는 유입구 및 유출구를 추가로 포함할 수 있고, 용액을 유입 및 유출시키기 위한 마이크로펌프를 추가로 포함할 수도 있다.
본 발명에 있어서, 시료는 다양한 형태일 수 있고, 예컨대, 핵산 또는 단백질을 포함할 수 있다. 상기 핵산은 DNA, RNA, PNA, LNA 및 그 혼성체로 이루어진 군에서 선택될 수 있고, 상기 단백질은 효소, 기질, 항원, 항체, 리간드, 압타머 및 수용체로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
광원부(41)는 균일한 광을 조사한다. 광원부(41)는 발광 다이오드 어레이 또는 발광 다이오드 매트릭스인 것이 바람직하다.
랩온어칩의 형광을 검출함에 있어서, 균일한 광을 조사하는 것은 매우 중요하다. 이를 위하여, 종래에는 빔 호모지나이저(Beam Homogenizer) 또는 광 파이프(light pipe) 등을 이용하였다. 종래 기술에 의하면 균일한 광을 얻을 수는 있지만, 상기 소자들은 고가일 뿐만 아니라 긴 광 경로에 의한 큰 부피를 차지하고 추가적인 광 손실이 있어 현장진단용 측정 장치에 적용하기에는 문제가 많았다.
하지만, 본 발명에서는 광원부(41)로서 저전력의 저가 LED 어레이 등을 사용함으로써 균일한 광을 얻음과 동시에, 측정 장치를 소형화 및 저가화할 수 있고 열 발생도 저감시킬 수 있는 장점을 갖는다.
여기광 전송부(42, 43, 44, 46)는 상기 광원부에서 조사된 광을 상기 시료 처리부(47)로 전달한다.
여기광 전송부는 상기 시료 처리부(47)의 마이크로챔버와 동일한 패턴을 갖는 마스크(42); 상기 광원(41)으로부터의 여기광을 특정 파장대로 필터링하는 일차 광학 필터(43); 및 상기 광원(41)으로부터의 여기광을 처리하는 일차 렌즈부(44, 46)를 포함한다.
방사광 축소부(48, 49, 50, 51)는 상기 시료 처리부(47)의 형광 표지로부터 방사되는 형광 신호를 수신하여 비대칭적으로 축소된 형광 신호를 출력한다.
방사광 축소부(48, 49, 50, 51)의 비대칭적 축소는 상기 시료 처리부로부터 방사되는 형광 신호의 일차 방향의 축소 비율과 상기 일차 방향에 수직인 이차 방향의 축소 비율이 서로 상이할 수 있다.
방사광 축소부는 상기 시료 처리부(47)로부터 방사되는 형광 신호의 방향을 전환하는 다이크로익 미러(dichroic mirror)(45); 상기 형광 신호를 처리하는 이차 렌즈부(48); 상기 형광 신호를 특정 파장대로 필터링하는 이차 광학 필터(50); 및 상기 형광 신호를 비대칭적으로 축소된 형광 신호로 변환하는 형광 신호 변환부(51)를 포함한다.
형광 신호 변환부(51)는 반원통형 렌즈 또는 프리즘일 수 있다. 챔버의 크기 및 가로/세로 비율에 따라 형광 신호 변환부(51)의 축소 비율 및 비대칭적 축소 비율을 달리할 수 있다.
형광 검출부(52)는 상기 방사광 축소부(48, 49, 50, 51)로부터 출력되는 형광 신호를 검출한다.
형광 검출부(52)는 하나 이상의 포토다이오드를 포함하고, 상기 하나의 포토다이오드는 상기 시료 처리부(47)의 하나의 마이크로챔버에 대응하는 것이 바람직하다. 상기 포토다이오드는 증폭기를 내장한 저가의 포토다이오드가 바람직하다.
이하 도 4를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치의 작동 과정 및 상기 광학 장치를 이용한 멀티챔버 형광 측정 방법을 보다 상세하게 설명한다.
먼저, 시료 처리부(47)에 시료를 주입하여 일련의 생화학적 반응을 수행한다. 이후, 상기 반응 결과를 확인하기 위하여 다음의 일련의 과정을 수행한다.
광원부(41)를 이용하여 균일한 광을 조사하여, 상기 광원부(41)에서 조사된 여기광을 상기 시료 처리부(47)의 반응 챔버로 전달한다. 상기 균일한 광은 발광 다이오드 어레이 또는 발광 다이오드 매트릭스에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
즉, 여기광을 시료 처리부(47)의 반응 챔버와 대응하는 패턴을 갖는 마스크(42), 필터(43), 다이크로익 미러(45), 및 렌즈부(44, 46)로 통과시켜 시료 처리부(47)의 반응 챔버로 인가한다.
다음으로, 시료 처리부(47)의 반응 챔버로부터 방사된 형광 신호는 차례로 다이크로익 미러(45)에서 방향이 전환되어 렌즈부(48), 필터(49, 50) 및 형광 신호 변환부(51)로 전달된다.
이후, 반원통형 렌즈 또는 프리즘일 수 있는 신호 변환부(51)를 이용하여 상기 시료 처리부로부터 방사되는 형광 신호를 수신하여 비대칭적으로 축소된 형광 신호를 출력한다. 상기 비대칭적 축소는 상기 시료 처리부로부터 방사되는 형광 신호의 일차 방향의 축소 비율과 상기 일차 방향에 수직인 이차 방향의 축소 비율이 서로 상이할 수 있다.
이후, 상기 비대칭적으로 축소된 형광 신호를 검출한다. 상기 검출 단계는 시료 처리부(47)의 마이크로챔버에 대응하는 포토다이오드를 이용하여 수행되는 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치의 방사광 축소부의 작동 방식을 개략적으로 도시한 것이다.
도 5의 상부 도면에 있어서, 도면부호 501은 본 발명의 방사광 축소부, 특히 신호 변환부이다. 신호 변환부(501)는 입력 형광 신호(502)를 비대칭적으로 축소하여 출력 형광 신호(503)로 변환한다.
도 5의 하부 도면에 있어서, 입력 형광 신호(54)는 변환되어 바람직하지 않은 출력 형광 신호(55) 또는 바람직한 출력 형광 신호(56)로 출력된다. 입력 형광 신호(54)는 3개의 로드 형태 챔버의 형광 신호들(54a, 54b, 54c)로 구성되어 있다.
바람직하지 않은 출력 형광 신호(55)는 길이 방향(Lf) 및 넓이 방향(Wf, df) 모두 대칭적으로 축소됨을 알 수 있다. 하지만, 이 경우 고감도 및 고가의 CCD 또는 CMOS를 이용해야 하는 문제점이 있다.
한편, 본 발명에 따른 신호 변환부(501)를 이용하여 얻을 수 있는 바람직한 출력 형광 신호(56)의 경우 넓이 방향(Wf, df)은 거의 축소되지 않은 반면 길이 방향(Lf)은 현저히 축소된 비대칭적 신호 변환이다. 이 경우 각 출력 신호(56a, 56b, 56c)는 각각 하나의 저가형 포토다이오드(561, 562, 563)에 의해 검출될 수 있는 장점을 갖는다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치의 광원부를 보다 상세하게 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 광원부는 기판(61) 및 LED 어레이 또는 매트릭스(63)로 구성된다. LED 어레이 또는 매트릭스(63)에서 방출된 빛은 서로 간섭을 통해 균일화되어 마스크(62)를 통과하기 전에 이미 균일화된 빔 영역(65)이 형성되고, 균일화된 빔은 마스크(62) 및 렌즈부(64)를 통과하여 진행한다.
상기에서 상세하게 설명한 바와 같이, 종래 기술에 따른 고가이고 큰 부피를 차지하는 1개의 고휘도 LED와 빔 호모지나이저(Beam Homogenizer) 또는 광 파이프(light pipe) 등을 대신하여, 본 발명에서는 광원부(41)로서 저휘도, 저전력의 저가 LED 어레이 등을 사용함으로써 균일한 광을 얻음과 동시에, 측정 장치를 소형화 및 저가화할 수 있고 열과 전력을 저감시킬 수 있는 장점을 갖는다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본 질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치의 구성을 도시하는 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치의 바람직한 실시예에 따른 마이크로챔버를 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 마이크로챔버에 인가되는 샘플의 부피를 조절하기 위해 챔버의 길이 방향을 조절하는 개념을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치의 구성을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치의 방사광 축소부의 작동 방식을 개략적으로 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치의 광원부를 보다 상세하게 도시한 것이다.

Claims (17)

  1. 주입된 시료를 이용하여 일련의 생화학적 반응을 수행하는 시료 처리부;
    균일한 광을 조사하는 광원부;
    상기 광원부에서 조사된 광을 상기 시료 처리부로 전달하는 여기광 전송부;
    상기 시료 처리부의 형광 표지로부터 방사되는 형광 신호를 수신하여 비대칭적으로 축소된 형광 신호를 출력하는 방사광 축소부; 및
    상기 방사광 축소부로부터 출력되는 형광 신호를 검출하는 형광 검출부를 포함하고,
    상기 방사광 축소부의 비대칭적 축소는 상기 시료 처리부로부터 방사되는 형광 신호의 일차 방향의 축소 비율과 상기 일차 방향에 수직인 이차 방향의 축소 비율이 서로 상이한 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 시료 처리부는 기판, 그 내부에 형성되어 시료 또는 반응 용액을 수용하고 생화학적 반응을 수행하는 하나 이상의 마이크로챔버들, 및 상기 마이크로챔버들을 유체연결하는 마이크로채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 기판은 플라스틱으로 형성되고, 상기 마이크로챔버들은 병렬로 구성되는 것을 특징으로 하는 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 마이크로챔버는 가로에 비해 세로가 긴 로드 형태인 것을 특징으로 하는 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 로드 형태의 마이크로챔버의 부피 조절은 세로 방향 길이를 변경함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 시료는 핵산 또는 단백질을 포함하는 것을 특징으로 하는 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 광원부는 발광 다이오드 어레이 또는 발광 다이오드 매트릭스인 것을 특징으로 하는 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 여기광 전송부는
    상기 시료 처리부의 마이크로챔버와 동일한 패턴을 갖는 마스크;
    상기 광원으로부터의 여기광을 특정 파장대로 필터링하는 일차 광학 필터; 및
    상기 광원으로부터의 여기광을 처리하는 일차 렌즈부 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치.
  9. 삭제
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 방사광 축소부는
    상기 시료 처리부로부터 방사되는 형광 신호의 방향을 전환하는 다이크로익 미러(dichroic mirror);
    상기 형광 신호를 처리하는 이차 렌즈부;
    상기 형광 신호를 특정 파장대로 필터링하는 이차 광학 필터; 및
    상기 형광 신호를 비대칭적으로 축소된 형광 신호로 변환하는 형광 신호 변환부 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 형광 신호 변환부는 반원통형 렌즈 또는 프리즘인 것을 특징으로 하는 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 형광 검출부는 하나 이상의 포토다이오드를 포함하고, 상기 하나의 포토다이오드는 상기 시료 처리부의 하나의 마이크로챔버에 대응하는 것을 특징으로 하는 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치.
  13. 시료 처리부에 시료를 주입하여 일련의 생화학적 반응을 수행하는 단계;
    균일한 광을 조사하는 단계;
    상기 광원부에서 조사된 광을 상기 시료 처리부로 전달하는 단계;
    상기 시료 처리부로부터 방사되는 형광 신호를 수신하여 비대칭적으로 축소된 형광 신호를 출력하는 단계;
    상기 비대칭적으로 축소된 형광 신호를 검출하는 단계를 포함하는 제1항 내지 제8항, 및 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 현장진단용 멀티챔버 형광 측정용 광학 장치를 이용한 멀티챔버 형광 측정 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 균일한 광은 발광 다이오드 어레이 또는 발광 다이오드 매트릭스에 의 해 형성되는 것을 특징으로 하는 멀티챔버 형광 측정 방법.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 시료 처리부의 형광 표지로부터 방사되는 형광 신호를 수신하여 비대칭적으로 축소된 형광 신호를 출력하는 단계는 반원통형 렌즈 또는 프리즘을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 멀티챔버 형광 측정 방법.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 비대칭적 축소는 상기 시료 처리부로부터 방사되는 형광 신호의 일차 방향의 축소 비율과 상기 일차 방향에 수직인 이차 방향의 축소 비율이 서로 상이한 것을 특징으로 하는 멀티챔버 형광 측정 방법.
  17. 제 13항에 있어서,
    상기 검출 단계는 상기 시료 처리부의 마이크로챔버에 대응하는 포토다이오드를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 멀티챔버 형광 측정 방법.
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