KR101385998B1 - 형광 검출 방식의 바이오 칩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이오 칩에 관한 것이다. 보다 상세하게는 형광 물질로 표지화된 대상 물질로부터 발생되는 형광 강도를 검출하여 검출하고자 하는 대상 물질을 정량할 수 있는 바이오 칩에 관한 것이다. 본 발명은 미리 결정된 두께를 갖도록 구비되는 기판; 상기 기판의 일측 하부면으로부터 돌출 형성되며 광원으로부터 상기 기판의 내부로 입사되는 여기광의 입사각을 조절하는 전반사 조절부; 및 상기 기판의 상부면에 미리 결정된 패턴을 갖도록 형성되는 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면 여기광의 입사면과 여기광에 의해 형광 물질로부터 발생하는 형광의 방출면을 기판을 기준으로 분리시킬 수 있으므로 바이오 칩을 이용한 형광 검출 성능을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.

Description

형광 검출 방식의 바이오 칩 {Fluorescence detection-based biochip}
본 발명은 형광 검출 방식의 바이오 칩에 관한 것이다. 보다 상세하게는 형광 물질로 표지화된 대상 물질로부터 발생되는 형광 강도를 검출하여 검출하고자 하는 대상 물질을 정량할 수 있는 바이오 칩에 관한 것이다.
일반적으로 바이오 칩은 고체 기판 위에 항체 또는 DNA 등의 생체 물질이 코팅된 형태를 가지며, 생체 물질과 검출하고자 하는 대상 물질의 결합된 양을 검출함으로써 대상 물질을 정량할 수 있는데, 이를 위한 다양한 검출법이 개발되고 있다.
대표적인 검출법으로 형광 물질로 표지화된 인식자와의 반응을 통해 고체 기판에서 발생하는 형광 강도를 검출하는 형광 검출 방식이 일반적으로 사용되고 있다.
이러한 형광 검출 방식의 경우 고체 기판에 생체 물질이 고정화된 형태의 바이오 칩이 이용되고, 고체 기판에 고정화된 형태의 생체 물질은 검출 대상 물질에 선택적으로 결합하게 된다.
또한, 바이오 칩의 경우 생체 물질이 검출 대상 물질과 반응하여 생체 물질과 검출 대상 물질이 선택적으로 결합한 후 다시 형광 물질로 표지화된 생체 물질과 반응하게 되며, 형광 물질이 표지화된 생체 물질로부터 발생하는 형광 강도를 검출하게 되는데, 상기와 같이 바이오 칩 표면에 결합되는 형광 물질이 표지화된 생체 물질로부터 발생하는 형광의 형광 강도를 검출하기 위한 다양한 방법이 소개되고 있다.
도 1과 도 2는 종래의 바이오 칩을 이용한 형광 검출 방식에 대한 참고도이다.
먼저, 직접 형광 검출법의 경우 도 1에 도시된 바와 같이 형광 물질(FS)이 부착되어 있는 기판(2a)의 상부면 측으로 형광 물질(FS)을 여기시키기 위한 파장 대역을 갖는 빛, 다시 말해서 여기광(el)을 조사한 후 형광 물질(FS)로부터 방출된 후 필터(3a)를 통과하는 형광(F)을 광검출기(4a)를 통하여 검출하는 방식을 사용하게 된다.
그러나, 상기 방식의 경우 바이오 칩의 기판(2a)을 기준으로 검출 대상 물질과 형광 물질(FS)이 표지화된 생체 물질의 반응이 이루어진 반응 면과 여기광(el)의 입사면이 동일하기 때문에, 각종 시료의 전처리 구조를 도입하기 어려운 문제점이 있었다.
다음으로, 빛의 전반사 특성을 이용하는 방식의 경우 도 2에 도시된 바와 같이 형광(F)이 발생하는 영역 반대편에서 여기광(el)이 입사하며, 기판(2b)의 내부 경계면에서 여기광(el)의 전반사가 이루어진다.
또한, 상기와 같은 여기광(el)의 전반사가 이루어지는 기판(2b)의 내부 경계면 반대편에 위치하는 형광 물질(FS)이 부착되어 있는 기판(2b)의 상부면에서 발생하는 소사파(evanescent field)가 형광 물질(FS)을 여기시키며, 이에 따라 형광 물질(FS)로부터 형광이 발생될 수 있다.
그러나, 상기 방식의 경우 소사파의 강도가 입사되는 여기광의 강도에 비해 강도가 떨어지므로 검출되는 형광의 세기가 약하다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로 여기광의 입사면과 여기광에 의해 발생되는 형광의 방출면을 분리시켜 형광 검출 효율을 향상시킬 수 있는 바이오 칩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이오 칩은 미리 결정된 두께를 갖도록 구비되는 기판; 상기 기판의 일측 하부면으로부터 돌출 형성되며 광원으로부터 상기 기판의 내부로 입사되는 여기광의 입사각을 조절하는 전반사 조절부; 및 상기 기판의 상부면에 미리 결정된 패턴을 갖도록 형성되는 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전반사 조절부는 상기 전반사 조절부의 하부면을 통과하는 상기 여기광이 상기 기판의 일측 하부면에서 전반사가 되도록 상기 전반사 조절부의 하부면과 상기 기판의 일측 하부면이 미리 결정된 각도를 갖도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 전반사 조절부의 하부면을 통과하는 상기 여기광의 입사각은 90도일 수 있다.
또한, 상기 코팅층은 내부에 생체 물질을 포함할 수 있다.
또한, 상기 코팅층은 하이드로겔(hydrogel)로 형성될 수 있다.
또한, 상기 기판은 유리 소재로 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면 여기광의 입사면과 여기광에 의해 형광 물질로부터 발생하는 형광의 방출면을 기판을 기준으로 분리시킬 수 있으므로 바이오 칩을 이용한 형광 검출 성능을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 여기광의 입사면과 형광 물질이 부착되는 부착면을 기판을 기준으로 분리시킬 수 있으므로 형광 물질의 반응을 유도하기 위한 다양한 조작이 가능함과 동시에 다양한 형태의 바이오 칩을 제작할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1 과 도 2는 종래의 바이오 칩을 이용한 형광 검출 방식에 대한 참고도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이오 칩의 단면도, 및
도 4는 본 발명의 또다른 바람직한 실시예에 다른 바이오 칩의 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 첨가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호들을 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 실시될 수 있음은 물론이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이오 칩의 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이오 칩(10)은 기판(20), 전반사 조절부(30), 및 코팅층(40)을 포함한다.
기판(20)은 여기광(el)이 기판(20) 내부에서 전파될 수 있도록 하기 위해 미리 결정된 두께를 갖도록 구비되며, 광원으로부터 조사된 후 기판(20)의 내부로 입사되는 여기광(el)이 전반사에 의해 기판(20)의 내부에서 전파될 수 있으므로 일종의 광도파로(optical waveguide) 역할을 수행할 수 있다.
이때, 기판(20)은 고체 기판이며 유리 소재로 형성될 수 있다.
전반사 조절부(30)는 기판(20)의 일측 하부면으로부터 돌출 형성되며 광원으로부터 전반사 조절부(30)의 하부면을 통해 입사한 여기광(el)이 기판(20)의 일측 상부면으로 입사할 때 전반사가 발생할 수 있도록 기판(20)의 일측 상부면에서의 입사각을 조절한다. 이때, 전반사 조절부(30)의 하부면(M2)에 대한 여기광(el)의 입사각은 직각(90도)이 될 수 있다.
이때, 전반사 조절부(30)는 전반사 조절부(30)의 하부면(M2)(다시 말해서, 광원으로부터 조사되는 여기광(el)이 바이오 칩(10)에 입사되는 최초 입사면)을 통과하는 여기광(el)이 기판(20)의 일측 상부면(M1)에서 전반사가 발생하도록 전반사 조절부(30)의 하부면(M2)과 기판(20)의 일측 하부면(M1)이 미리 결정된 각도(θ)를 갖도록 구비될 수 있다.
또한, 상기 미리 결정된 각도(θ)는 여기광(el)의 파장과 기판(20) 소재의 굴절율(예를 들어, 여기광(el)의 파장과 유리의 굴절율)에 따라 결정될 수 있는데, 상기 미리 결정된 각도(θ)에 따라 기판(20)의 내부로 입사되는 여기광(el)이 기판(20) 외부로 전파되지 않고 기판(20) 내부에서만 전반사에 의해 전파될 수 있다.
이와 같이, 기판(20)의 일측 하부면으로부터 돌출 형성되는 전반사 조절부(30)를 포함하는 일종의 쇄기 구조를 갖도록 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이오 칩(10)을 구성하고, 전반사 조절부(30)의 하부면(M2)을 통과하는 여기광(el)의 입사각이 90도가 되도록 전반사 조절부(30)의 하부면(M2)과 기판(20)의 일측 하부면(M1)이 미리 결정된 각도(θ)를 갖게 구성하는 이유는 기판(20)의 상부면에서 전반사가 발생하여 반사된 여기광이 기판(10)의 외부로 전파되지 않고, 기판(10)의 내부에서 전반사가 의해 전파될 수 있게 하기 위해서이다.
또한, 전반사 조절부(30)의 하부면(M2)을 통과하는 여기광(el)의 입사각이 90도가 되도록 하는 이유는 전반사 조절부(30)의 하부면(M2)에서 여기광(el)에서 반사되는 광이 외부로 유출되는 것을 방지하기 위해서이다.
코팅층(40)은 기판(20)의 상부면에 미리 결정된 패턴을 갖도록 형성되고 코팅층(40)의 내부에는 생체 물질을 포함할 수 있는데, 코팅층(40)의 내부에 포함되는 상기 생체 물질과 검출 대상 물질과의 결합 과정 및 상기 검출 대상 물질과 결합된 생체 물질과 형광 물질이 표지화된 생체 물질과의 결합 과정을 연속적으로 거쳐 코팅층(40) 내부에 형광 물질(FS)이 포함될 수 있다.
이때, 코팅층(40)은 하이드로겔(hydrogel)로 형성될 수 있는데, 여기에서 하이드로겔이란 물을 분사 매체로 하는 겔로서 수화성 고분자의 일종이며, 기판(20)의 상부면에 미리 결정된 패턴을 갖도록 코팅층(40)을 형성함으로써 기판(20)과 코팅층(40)과의 접촉면, 다시 말해서 코팅층(40) 하부면과 기판(20) 상부면에서의 국부적인 굴절율 변화를 야기시킬 수 있게 된다.
이에 따라, 여기광 조절부(30)의 하부면(M1) 측으로 입사된 후 기판(20) 내부에서 조사되는 여기광(el)이 기판(20)과 코팅층(40)과의 접촉면에서만 전반사가 이루어지지 않고 일부 여기광(el)이 상기 접촉면을 통하여 외부로 전파될 수 있게 된다.
또한, 하이드로겔의 경우 수화성 고분자이므로 내부에 DNA 또는 항체 등의 생체 물질을 용이하게 함유할 수 있어, 코팅층(40) 내부에 생체 물질을 포함하는 과정, 상기 생체 물질과 검출 대상 물질과의 결합 과정, 및 상기 검출 대상 물질과 결합된 생체 물질과 형광 물질이 표지화된 생체 물질과의 결합 과정이 코팅층(40) 내부에서 용이하게 이루어질 수 있다.
여기에서, 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이오 칩(10)을 이용한 형광 검출 방식을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 광원으로부터 조사되는 여기광(el)이 기판(20)의 일측 하부면으로부터 돌출 형성되는 전반사 조절부(30)의 하부면(M1)으로 입사된다.
이때, 전반사 조절부(30)의 하부면(M1)으로 입사되는 여기광(el)은 90도의 입사각을 갖게 되고, 전반사 조절부(30)의 하부면(M1)을 통과한 여기광은 기판(20) 내부에서 전반사에 의해 기판(20) 내부로 전파될 수 있게 된다.
또한, 기판(20) 내부에서 전반사에 의해 전파되는 여기광(el) 중 일부가 기기판(20)과 코팅층(40) 간의 굴절율 차에 의해 기판(20)과 코팅층(40)의 경계면에으로부터 외부(다시 말해서, 코팅층(40)의 내부로)로 전파되며, 코팅층(40)으로 전파되는 일부 여기광(el)이 코팅층(40) 내부에 포함된 형광 물질(FS)을 여기시키므로 형광 물질(FS)로부터 형광(F)이 방출되게 된다.
그리고, 형광 물질(FS)로부터 방출되는 형광(F)을 필터(50)에 의해 필터링한 후 광검출기(60)를 이용하여 형광 강도를 검출하는 방식으로 형광 검출이 이루어질 수 있다.
따라서, 형광 검출 방식으로 특정 대상 물질의 정량을 검출하고자 하는 경우 코팅층(40) 내부에 포함되는 생체 물질을 검출 대상 물질과 결합하는 과정 및 상기 검출 대상 물질과 결합된 생체 물질과 형광 물질로 표지화된 생체 물질과의 결합 과정을 거쳐 형광 물질(FS)이 코팅층(40)의 내부에 포함될 수 있고, 이 결과 코팅층(40)에 포함되는 형광 물질(FS)에 따라 발생하는 형광(F)의 형광 강도를 검출하여 특정 대상 물질의 정량을 검출할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 또다른 바람직한 실시예에 따른 바이오칩의 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 또다른 바람직한 실시예에 따른 바이오칩(100)은 기판(120), 전반사 조절부(130), 및 코팅층(140)을 포함한다.
여기에서, 기판(120) 및 전반사 조절부(130)의 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이오 칩(10)의 기판(20) 및 전반사 조절부(30)의 구성과 동일하므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.
본 발명의 또다른 바람직한 실시예에 따른 바이오 칩(100)의 경우 기판(120)의 상부에 형성되는 코팅층(140)을 기판(120)의 상부면을 따라 복수 개의 미리 결정된 영역을 갖도록 패터닝한 구성으로서, 각 영역의 내부에 포함되는 생체 물질과정량을 검출하고자 하는 서로 다른 종류의 특정 물질을 각각 결합하고 다시 각 영역의 내부에 포함되는 생체 물질과 결합된 서로 다른 종류의 특정 물질과 형광 물질로 표지화된 생체 물질과 결합하는 과정을 수행하여 형광 물질(FS)이 각 영역의 내부에 포함되도록 할 수 있으며, 광원으로부터 조사되는 여기광(el)이 전반사 조절부(130)의 하부면으로 입사되도록 하여 각 영역의 내부에 포함되는 형광 물질(FS)로부터 발생하는 형광(F)을 필터(150)에 의해 필터링한 후 광검출기(160)를 이용하여 형광 강도를 검출할 수 있게 되므로, 본 발명의 또다른 바람직한 실시예에 따른 바이오 칩(100)의 경우 서로 다른 종류의 특정 물질들에 대한 정량 검출을 동시에 수행할 수 있게 된다.
이때, 필터(150) 및 광검출기(160)를 기판(20)의 길이 방향을 따라 이동시키는 방식으로 각 영역의 내부에 포함되는 형광 물질(FS)로부터 발생되는 형광(F)을 검출할 수 있다.
본 발명의 바이오 칩(10)은 여기광(el)이 전파될 수 있는 광도파로 형태의 기판(20)을 구성하고 기판(20)의 하부면 일측으로부터 돌출 형성되는 형태의 전반사 조절부(30)를 구성하여 광원으로부터 조사되는 여기광(el)의 최초 입사각이 90도가 되도록 함으로써 기판(20)의 내부로 입사되는 여기광(el)이 전반사에 의해 기판(20)의 내부에서만 전파되도록 한다.
그리고, 기판(20)의 상부면에 내부에 생체 물질을 포함하고 미리 결정된 패턴을 갖는 코팅층(40)을 형성하며, 코팅층(40)에 포함된 생체 물질은 검출 대상 물질과의 결합 과정 및 상기 검출 대상 물질과 결합된 생체 물질과 형광 물질로 표지화된 생체 물질과의 결합 과정을 거쳐 코팅층(40)에 형광 물질(FS)이 포함되도록 한다.
또한, 기판(20)과 코팅층(40)의 굴절율 차이에 의해 기판(20)의 내부에서 전파되는 여기광(el) 중 일부가 기판(20)과 코팅층(40)의 경계면에서만 외부로 전파되도록 하고, 상기 외부로 전파되는 일부 여기광(el)에 의해 코팅층(40) 내부에 포함된 형광 물질(FS)이 여기되어 형광 물질(FS)로부터 형광이 방출되도록 할 수 있다.
따라서, 여기광(el)의 입사면과 여기광에 의해 형광 물질로부터 발생하는 형광의 방출면을 기판(20)을 기준으로 분리시킬 수 있으므로 바이오 칩을 이용한 형광 검출 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 여기광(el)의 입사면과 형광 물질(FS)이 부착되는 부착면(다시 말해서, 기판(20)이 상부면에 형성되는 코팅층(40)의 내부)을 기판(20)을 기준으로 분리시킬 수 있으므로 형광 물질의 반응을 유도하기 위한 다양한 조작이 가능함과 동시에 다양한 형태의 바이오 칩을 제작할 수 있게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경, 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면들에 의해서 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
(10,100) : 바이오 칩 (20,120) : 기판
(30,130) : 전반사 조절부 (40,140) : 코팅층
(50,150) : 필터 (60,160) : 광 검출기

Claims (6)

  1. 기판;
    상기 기판의 일측 하부면으로부터 돌출 형성되며 광원으로부터 상기 기판의 내부로 입사되는 여기광의 입사각을 조절하여 상기 여기광이 상기 기판 내부에서 전반사 되도록 하는 전반사 조절부; 및
    상기 기판 상부면의 적어도 일 지점에 형성되는 코팅층을 포함하고,
    상기 여기광은 상기 전반사 조절부의 하부면을 통과한 후 상기 기판 내부에서 전반사가 이루어지되, 상기 기판과 상기 코팅층의 접촉면에서만 상기 코팅층 측으로 전파되는 것을 특징으로 하는 바이오 칩.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전반사 조절부의 하부면을 통과하는 상기 여기광의 입사각은 90도인 것을 특징으로 하는 바이오칩
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 코팅층은 내부에 생체 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 칩.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 코팅층은 하이드로겔(hydrogel)로 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오 칩.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 기판은 유리 소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오 칩.
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KR20020089315A (ko) * 2000-10-26 2002-11-29 바이오셉트 인코포레이티드 3차원 포맷 바이오칩
KR100768038B1 (ko) 2006-10-24 2007-10-17 한국전기연구원 균일한 내부 전반사 조명에 의한 바이오칩 측정 장치 및방법

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