KR101410752B1

KR101410752B1 - 광학 검출 장치, 광학 검출 방법, 및 상기 광학 검출장치를 포함하는 미세유동 시스템

Info

Publication number: KR101410752B1
Application number: KR1020070073116A
Authority: KR
Inventors: 김수현; 이정건
Original assignee: 삼성전자 주식회사
Priority date: 2007-07-20
Filing date: 2007-07-20
Publication date: 2014-06-23
Also published as: KR20090009654A; US7692794B2; US20090021741A1

Abstract

본 발명은, 본 발명은, 기설정(旣設定)된 파장 대역의 광을 투사하는 적어도 하나의 발광부; 상기 발광부에서 투사된 광이 입사 가능하게 배치되어 입사광의 세기에 따라 전기적 신호를 발생시키는, 상기 발광부의 개수와 동수(同數)의 수광부; 시료가 수용되는 적어도 하나의 검출 챔버를 포함하는 디스크형 미세유동장치를 회전시키는 것으로, 상기 검출 챔버가 상기 발광부와 상기 수광부 사이의 광 경로 상에 위치할 수 있게 상기 디스크형 미세유동장치를 회전시키는 회전 구동부; 및, 상기 수광부에서 발생된 전기적 신호를 이용하여 상기 검출 챔버에 수용된 시료의 특성을 계측(計測)하는 프로세서(processor);를 구비한 것을 특징으로 하는 광학 검출 장치를 제공한다. 또한, 상기 광학 검출 장치와, 이를 포함하는 미세유동 시스템과, 광학 검출 방법을 제공한다.

Description

광학 검출 장치, 광학 검출 방법, 및 상기 광학 검출 장치를 포함하는 미세유동 시스템{Optical detection apparatus, optical detection method, and microfluidic system including the apparatus}

본 발명은 광학적 방법으로 생화학 시료에 포함된 특정 성분의 농도를 검출할 수 있는 광학 검출 장치와, 광학 검출 방법과, 상기 광학 검출 장치를 포함하는 미세유동 시스템에 관한 것이다.

미세유체공학(microfluidics) 분야에서 소량의 유체를 이용한 작업에 사용되는 미세유동장치는 통상적으로, 소량의 유체를 가두어 둘 수 있는 챔버와, 유체가 흐를 수 있는 채널과, 유체의 흐름을 제어하는 밸브를 포함한다. 소형의 칩(chip) 상에서 생화학적 반응을 포함한 시험을 수행할 수 있도록 제작된 장치를 바이오칩(bio-chip)이라 하고, 특히 여러 단계에 걸친 유체의 처리 및 조작을 하나의 칩에서 수행할 수 있도록 제작된 장치를 랩온어칩(lab-on-a-chip)이라 한다.

미세유동장치 내에서 유체를 이송하기 위해서는 구동 압력이 필요한데, 구동 압력으로서 모세관압이 이용되기도 하고, 별도의 펌프에 의한 압력이 이용되기도 한다. 최근에는 챔버 및 채널을 배치한 디스크 형상의 미세유동장치를 회전시켜 원 심력에 의해 유체를 구동하는 디스크형 미세유동장치들이 제안되고 있다. 이를 일컬어 랩씨디(Lab CD) 또는 랩온어씨디(Lab-on-a-CD)라 하기도 한다.

디스크형 미세유동장치에서 수행된 생화학 검사, 면역혈청 검사(immunoassay), 또는 유전자 검사의 결과를 검출하는 방법의 예로써 광학 검출 장치를 이용하여 이 결과를 검출하는 방법이 알려져 있다. 종래의 광학 검출 장치는 파장을 선택할 수 있는 필터휠(filter wheel)을 사용하는 방식, 분광기(spectrograph) 및 어레이(array) 형태의 광검출기(photo detector)(예컨대, CCD)를 사용하는 방식, 다수의 미러(mirror)와 밴드패스필터(bandpass filter)를 사용하여 광원에서 투사된 광을 파장대별로 분리하는 방식 등을 채택하고 있다. 그런데, 상기한 종래의 광학 검출 장치들은 고가의 광 부품들을 많이 필요로 하여 제조비용이 증대된다는 문제점이 있다. 또한, 디스크형 미세유동장치를 이용하여 여러 종류의 반응을 수행한 다음, 그 결과를 빠른 시간내에 검출하기에는 여전히 미흡하다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 미세유동장치에서 수행된 여러 종류의 반응의 결과를 빠른 시간내에 검출할 수 있으며, 제조비용이 절감되는 광학 검출 장치와, 광학 검출 방법과, 상기 광학 검출 장치를 포함하는 미세유동 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기설정(旣設定)된 파장 대역의 광을 투사하는 적어도 하나의 발광부; 상기 발광부에서 투사된 광이 입사 가능하게 배치되어 입사광의 세기에 따라 전기적 신호를 발생시키는, 상기 발광부의 개수와 동수(同數)의 수광부; 시료가 수용되는 적어도 하나의 검출 챔버를 포함하는 디스크형 미세유동장치를 회전시키는 것으로, 상기 검출 챔버가 상기 발광부와 상기 수광부 사이의 광 경로 상에 위치할 수 있게 상기 디스크형 미세유동장치를 회전시키는 회전 구동부; 및, 상기 수광부에서 발생된 전기적 신호를 이용하여 상기 검출 챔버에 수용된 시료의 특성을 계측(計測)하는 프로세서(processor);를 구비한 것을 특징으로 하는 광학 검출 장치를 제공한다. 또한, 상기 광학 검출 장치와, 이를 구비한 미세유동 시스템을 제공한다.

바람직하게는, 상기 미세유동장치에 포함된 모든 검출 챔버 중 적어도 일부에 대하여 동시에 광을 투사하여 대응되는 전기적 신호를 획득할 수 있도록, 상기 광학 검출 장치는 상기 발광부와 그에 대응되는 상기 수광부를 복수 쌍 구비하며, 상기 복수 개의 발광부는 각각 서로 다른 파장 대역의 광을 투사하도록 구성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 복수 쌍의 발광부와 수광부는 상기 디스크형 미세유동장치의 회전 중심과 동심(同心)인 원호(圓弧) 상에 등간격으로 배열될 수 있다.

바람직하게는, 상기 디스크형 미세유동장치의 일 회전 동안 상기 미세유동장치에 포함된 모든 검출 챔버에 모든 발광부의 광(의->이) 순차적으로 투사되도록 구성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 발광부는 LED(light emitting diode)를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 수광부는 포토다이오드(photo diode)를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 수광부는 발광부에서 투사된 광의 파장 대역폭을 줄여주는 필터링부(filtering portion)를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 필터링부는 목표로 설정한 파장 및 그 보다 긴 파장 대역의 광을 통과시키는 장파 패스 필터(long wave pass filter)와, 목표로 설정한 파장 및 그 보다 짧은 파장 대역의 광을 통과시키는 단파 패스 필터(short wave pass filter)를 포함하여 구성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 프로세서는 상기 검출 챔버의 흡광도(absorbance)를 계측하도록 구성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 프로세서에 의해 계측되는 상기 시료의 특성은 상기 흡광도(absorbance)에 기초하여 계측된 특정 물질의 농도일 수 있다.

또한, 본 발명은, 시료가 수용된 디스크형 미세유동장치의 검출 챔버를 발광부와 수광부 사이의 광 경로 상에 위치시키는 포지셔닝(positioning) 단계; 상기 발광부를 이용하여 상기 검출 챔버에 기설정된 파장 대역의 광을 투사하는 발광 단계; 상기 수광부를 이용하여 상기 검출 챔버를 통과하여 입사한 광을 전기적 신호로 변환하는 수광 단계; 및, 상기 전기적 신호를 이용하여 상기 검출 챔버에 수용된 시료의 특성을 계측(計測)하는 특성 계측 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 검출 방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 디스크형 미세유동장치에 상기 검출 챔버가 복수 개 구 비되고, 상기 발광부와 수광부는 각각 서로 다른 파장 대역의 광을 투사하고 수광(受光)할 수 있게 복수 쌍 구비되며, 상기 포지셔닝 단계는 상기 디스크형 미세유동장치의 모든 검출 챔버 중 적어도 일부를 상기 복수 쌍의 발광부와 수광부 사이의 광 경로 상에 위치시키는 단계를 포함하고, 상기 발광 단계는 상기 복수의 발광부를 이용하여 서로 다른 파장 대역의 광을 상기 적어도 일부의 검출 챔버에 동시에 투사하는 단계를 포함하고, 상기 수광 단계는 상기 복수의 수광부를 이용하여 상기 적어도 일부의 검출 챔버를 통과하여 입사한 광을 전기적 신호로 변환하는 단계를 포함하고, 상기 특성 계측 단계는 상기 전기적 신호를 이용하여 상기 적어도 일부의 검출 챔버에 수용된 시료의 특성을 계측(計測)하는 단계를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 복수 개의 검출 챔버는 상기 디스크형 미세유동장치의 회전 중심과 동심(同心)인 원호(圓弧) 상에 등간격으로 배열되고, 상기 디스크형 미세유동장치의 일 회전 동안 상기 미세유동장치에 포함된 모든 검출 챔버에 모든 발광부의 광이 순차적으로 투사될 수 있다.

바람직하게는, 상기 특성 계측 단계는 상기 검출 챔버의 흡광도(absorbance)를 계측하는 단계를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 특성 계측 단계는 상기 흡광도에 기초하여 상기 시료에 포함된 특정 물질의 농도를 계측하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 필터 휠(filter wheel) 등 고가의 광 부품을 사용하지 않으므로 제조비용이 절감된다. 또한, 시료를 이용하여 여러 종류의 반응을 수행한 다음, 그 결과를 빠른 시간 내에 검출할 수 있다. 따라서, 환자의 신체 상태를 진단하고 치료하기 위한 검사에 소요되는 시간을 줄여, 특히 응급환자의 생명 보호 및 상태 호전에 도움을 줄 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학 검출 장치와, 이를 포함하는 미세유동 시스템과, 광학 검출 방법을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세유동 시스템을 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 미세유동 시스템에 사용되는 디스크형 미세유동장치의 일 예를 도시한 평면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세유동 시스템(100)은 디스크형 미세유동장치(150)와, 상기 미세유동장치(150)의 검출 챔버(165)에 수용되는 시료의 특성을 광학적으로 계측하는 광학 검출 장치(101)를 구비한다. 상기 디스크형 미세유동장치(150)는 디스크 형태의 플랫폼(platform, 151) 내에 시료의 원심 분리, 분배, 및 생화학 반응을 수행할 수 있는 구조물들이 배치된다.

상기 디스크형 플랫폼(151)은 성형이 용이하고, 광학적으로 투명하며, 그 표면이 생물학적으로 비활성인 PMMA(polymethyl methacrylate), PDMS(polydimethylsiloxane), PC(polycarbonate) 등의 플라스틱 소재로 만들어질 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 화학적, 생물학적 안정성과 광학적 투명성 그리고 기계적 가공성을 가지는 소재이면 족하다. 상기 디스크형 플랫폼(151)은 여러 층의 판으로 이루어질 수 있다. 판과 판이 서로 맞닿는 면에 챔버나 채널 등에 해당하는 음각 구조물을 만들고 이들을 접합함으로써 상기 플랫폼(151) 내부에 챔버와 채널에 각각 해당되는 공간과 통로를 제공할 수 있다. 판과 판의 접합은 접착제나 양면 접착테이프를 이용한 접착이나 초음파 융착, 레이저 용접 등 다양한 방법으로 이루어질 수 있다.

도 2에 도시된 상기 미세유동장치(150)는 다양한 생화학 검사를 하나의 플랫폼(151) 내에서 동시에 수행할 수 있도록 고안된, 단순한 미세유동장치의 일 예이다. 생화학 검사란 혈액, 혈액으로부터 분리된 혈청, 소변 또는 타액과 같은 생체 시료와 시약(reagent)과의 생화학적 반응을 이용하여 특정 표적 물질을 검출하는 반응이다. 도 2를 참조하면, 상기 미세유동장치(150)는 중앙부에 스핀들 장착홈(152)이 구비되고, 한 쌍의 원심 분리 유닛(155)과 두 쌍의 시료 챔버(160)와, 분배 채널(162)과, 다수의 검출 챔버(165)와, 블랭크 챔버(166)를 구비한다.

상기 원심 분리 유닛(155)은 원심 분리를 통하여 혈액으로부터 혈청을 분리 추출할 수 있는 유닛으로, 혈액을 상기 원심 분리 유닛(155)으로 주입하기 위한 주입홀(156)을 구비한다. 상기 시료 챔버(160)는 원심 분리된 혈청이 모이는 챔버이다. 상기 시료 챔버(160)에 모여진 혈청은 분배 채널(162)을 통하여 디스크형 미세유동장치(150)의 외주부에 배치된 다수 개의 검출 챔버(165)로 이동한다. 원심 분리 과정, 원심 분리 유닛(156)에서 시료 챔버(160)로의 혈청의 이동, 및 시료 챔버(160)에서 검출 챔버(165)로의 혈청의 이동은 디스크형 미세유동장치(150)의 회전으로 인한 원심력에 기인한다. 도시되진 않았으나 상기 미세유동장치(150)에 형성된 채널 상에는 혈청의 이동을 제어하기 위한 밸브(valve)가 구비된다.

상기 다수의 검출 챔버(165)는 디스크형 미세유동장치(150)의 회전 중심(C)과 동심(同心)인 원호(圓弧) 상에 위치하며, 인접하는 검출 챔버(165) 간에 등간격으로 배열되어 있다. 상기 검출 챔버(165)에는 상기 분배 채널(162)을 통해 분배된 시료(예컨대, 혈청)과 광학적으로 검출 가능한 생화학 반응을 일으키는 다양한 종류의 시약(reagent)들이 미리 주입되어 있다. 광학적으로 검출 가능한 반응의 예로는 흡광도(absorbance 또는 optical density)의 변화 또는 형광 발현량의 변화를 들 수 있다. 다만, 도 2에 도시된 미세유동장치(150)는 생화학 검사 용도의 미세유동장치이나, 본 발명이 적용 가능한 미세유동장치는 이에 한하지 않으며, 유전자 검사 또는 면역혈청검사 용도의 미세유동장치도 본 발명의 적용이 가능하다. 한편, 상기 블랭크 챔버(blank chamber, 166)는 분배 채널(162)과 연결되지 않으며 시료가 아닌 증류수가 채워진다.

도 1을 다시 참조하면, 상기 광학 검출 장치(101)는 디스크형 미세유동장치(150)를 회전시키는 회전 구동부(105)를 구비한다. 상기 회전 구동부(105)는 도면에 전부가 도시되지는 않았으나, 미세유동장치(150)의 각 위치(angular position)를 제어할 수 있는 모터 드라이브(motor drive)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 모터 드라이브 장치는 스텝 모터를 이용한 것일 수도 있고, 직류 모터를 이용한 것일 수도 있다. 참조번호 106은 미세유동장치(150)의 스핀들 장착홈(152)에 삽입되는 회전 구동부(105)의 스핀들(spindle)이다.

상기 광학 검출 장치(101)는 각각 서로 다른 파장 대역의 광을 투사하도록 구성된 3개의 발광부(107, 109, 111)와, 상기 발광부(107, 109, 111)와 동수(同數) 의 수광부(115, 120, 125)와, 프로세서(processor, 140)와, 증폭기(130)와, A/D 컨버터(analog to digital converter)와, 메모리(memory)를 더 구비한다. 상기 제1 내지 제3 발광부(107, 109, 111)는 광원으로, LED(light emitting diode)(미도시)를 각각 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 발광부(107)에 포함된 제1 LED는 대략 450 nm 근방의 파장 대역의 광을 투사하고, 제2 발광부(109)에 포함된 제2 LED는 대략 500 nm 근방의 파장 대역의 광을 투사하고, 제3 발광부(111)에 포함된 제2 LED는 대략 600 nm 근방의 파장 대역의 광을 투사하도록 설정할 수 있다.

상기 발광부들(107, 109, 111)은 디스크형 미세유동장치(150)의 아래에 위치하여 상측으로 광을 투사한다. 상기 발광부들(107, 109, 111)은 상기 미세유동장치(150)의 다수의 검출 챔버(165)에 대응되게 상기 미세유동장치(150)의 회전 중심(C)과 동심(同心)인 원호(圓弧) 상에 등(等)간격으로 배열된다. 상기 검출 챔버들(165) 중 인접 배열된 임의의 3개는 상기 제1 내지 제3 발광부(107, 109, 111)와 1대1로 정렬(aligning)될 수 있다. 상기 회전 구동부(105)에 의해 인접한 검출 챔버(165) 간의 간격에 대응되는 각도만큼 단속적으로 상기 미세유동장치(150)를 일 방향으로 회전시키면서 미세유동장치(150)가 정지되어 있을 때마다 상기 3개의 발광부(107, 109, 111)를 이용하여 광을 투사하면 미세유동장치(150)의 일 회전 동안 상기 미세유동장치(150)에 포함된 모든 검출 챔버(165)에 상기 제1 내지 제3 발광부(107, 109, 111)의 광이 순차적으로 투사될 수 있다.

상기 제1 내지 제3 수광부(115, 120, 125)는 상기 제1 내지 제3 발광부(107, 109, 111)에 1대1 대응되게 미세유동장치(150)의 위에 위치하며, 제1 내지 제3 발 광부(107, 109, 111)에서 투사된 광이 검출 챔버(165)를 통과하여 상기 제1 내지 제3 수광부(115, 120, 125)에 입사될 수 있게 배열된다. 상기 제1 내지 제3 발광부(107, 109, 111)와 제1 내지 제3 수광부(115, 120, 125) 사이에 제1 내지 제3 광 경로(L1, L2, L3, 도 3a 참조)가 형성되며, 시료의 특성 검출을 위하여 검출 챔버들(165)은 상기 3개의 광 경로(L1, L2, L3) 상에 순차적으로 위치한다.

도 3a를 참조하면, 상기 제1 내지 제3 수광부(115, 120, 125)는 각각, 입사광의 세기, 즉 광도(I: intensity)에 따라 전기적 신호를 발생시키는 포토다이오드(photo diode, 116, 121, 126)와, 상기 제1 내지 제3 발광부(107, 109, 111)에서 투사된 광의 파장 대역폭을 줄여주는 필터링부(filtering portion)를 포함한다. 상기 필터링부는 광 경로(L1, L2, L3) 상에서 3개의 포토다이오드(116, 121, 126)에 앞서서 배치된다. 상기 필터링부는 목표로 설정한 파장을 포함하고 그 이상의 상대적으로 긴 파장 대역의 광을 통과시키는 장파 패스 필터(long wave pass filter, 118, 123, 128)와, 목표로 설정한 파장을 포함하고 그 이하의 상대적으로 짧은 파장 대역의 광을 통과시키는 단파 패스 필터(short wave pass filter, 119, 124, 129)를 포함한다. 도 4a 및 도 4b는 3 종류의 LED의 투사광을 필터링 하기 전과 후의 파장 대역을 각각 나타내는 그래프로서, 이를 참조하면, 필터링(filtering) 전에는 서로 다른 3 종류의 LED에서 투사된 광의 파장 대역이 상대적으로 넓으나, 필터링 후에는 파장 대역이 상대적으로 좁아지고, 각각 목표로 설정한 450 nm, 500 nm, 및 600 nm 파장의 광도가 가장 커지게 됨을 알 수 있다. 다만, 본 발명에서 필터링부는 상술한 장파 패스 필터와 단파 패스 필터를 포함하는 것에 한정되는 것은 아니며, 다른 형태의 광학적 밴드 패스 필터도 채용 가능하다.

도 1을 다시 참조하면, 상기 광학 검출 장치(101)는 3개의 수광부(115, 120, 125), 구체적으로는 포토다이오드(116, 121, 126)에서 발생한 전기적 신호를 적절하게 증폭하는 증폭기(130)와, 아날로그 형태의 상기 전기적 신호를 디지털 형태로 변환하는 A/D 컨버터(analog to digital converter)와, 상기 디지털 변환된 전기적 신호를 이용하여 검출 챔버들(165)에 수용된 시료의 특성을 계측(計測)하는 프로세서(processor, 140)와, 상기 특성 계측을 위한 소프트웨어 및 상기 전기적 신호값들이 저장되는 메모리(145)를 더 구비한다. 바람직한 실시예에서 상기 프로세서(140)는 각 검출 챔버(165)의 흡광도(absorbance)를 계측하고, 상기 흡광도에 기초하여 시료에 포함된 특정 물질의 농도를 계측하도록 구성된다.

도 3a 내지 3c는 본 발명의 광학 검출 방법을 설명하기 위한 도면으로, 이하에서 이를 참조하여 본 발명의 광학 검출 방법을 설명한다.

시료의 특성을 광학 검출하기 위하여 검출 챔버들(165) 중 인접한 3개를 3개의 발광부(107, 109, 111)와 3개의 수광부(115, 120, 125) 사이의 3개의 광 경로(L1, L2, L3) 상에 각각 위치시킨다. 도 3a를 참조하면, 제1 검출 챔버(165(i))가 제1 광 경로(L1) 상에, 제2 검출 챔버(165(ii))가 제2 광 경로(L2) 상에, 제3 검출 챔버(165(iii))가 제3 광 경로(L3) 상에 위치한다. 회전 구동부(105, 도 1 참조)에 의한 각 위치 제어를 통해 이와 같은 검출 챔버(165(i) 내지 165(iii))의 포지셔닝(positioning)이 가능하다.

한편, 이와 같이 검출 챔버(165(i) 내지 165(iii))를 광 경로(L1, L2, L3) 상에 포지셔닝(positioning)하기에 앞서서, 각 검출 챔버(165) 내에서 생화학 반응을 일으키는 과정이 선행될 수 있다. 구체적으로, 미세유동장치(150)의 분배 채널(162, 도 2 참조)을 통하여 다수의 검출 챔버(165)로 시료를 분배하면, 상술한 바와 같이 각 검출 챔버(165)에는 서로 다른 다양한 종류의 시약(reagent)들이 미리 주입되어 있어서, 분배된 시료와 시약은 각 검출 챔버(165)에서 광학적으로 검출 가능한 생화학 반응을 일으킨다. 생화학 반응의 종류에 따라서 각각 다른 반응 생성물이 생성되는데, 그 반응 생성물의 종류에 따라 특정 파장의 광에 대한 흡광도가 검출 가능할 정도로 큰 경우가 있다. 따라서, 특정 검출 챔버(165)에 대하여 특정 파장 대역의 광의 흡광도를 측정하면 시료에 포함된 특정 물질(예컨대, 콜레스테롤, ALT(alanine aminotransferase) 등)의 농도를 계측할 수 있다.

검출 챔버(165(i) 내지 165(iii))를 광 경로(L1, L2, L3) 상에 포지셔닝(positioning)한 다음, 제1 내지 제3 발광부(107, 109, 111)를 이용하여 제1 내지 제3 검출 챔버(165(i) 내지 165(iii))에 각각 다른 파장 대역의 광을 투사하고, 상기 제1 내지 제3 수광부(115, 120, 125)를 이용하여 각 검출 챔버(165(i) 내지 165(iii))를 통과하여 입사한 광을 전기적 신호로 변환한다. 상기 전기적 신호는 포토다이오드에 입사된 광도에 따라 다른 값을 가지며, 적절히 증폭되고 디지털로 변환되어 메모리(145)에 저장된다. 상기 메모리(145)에 저장되는 전기적 신호값은 광도에 대응하는 값으로, 각 수광부 (115, 120, 125)에 도달한 광에 의해 변환된 전기적 신호를 증폭하고 A/D 컨버터를 통해 디지털화된 값일 수 있다. 또는 일정 시간 동안에 얻어진 상기 디지털화된 값들을 평균하거나 합산하여 얻어진 값일 수 도 있다.

다음으로, 인접한 검출 챔버(165) 사이의 간격에 대응되는 각도만큼 미세유동장치(150)를 도 1의 화살표로 도시된 방향으로 회전시킨다. 그리하면, 도 3b에 도시된 바와 같이 제1 검출 챔버(165(i))는 제1 광 경로(L1)를 벗어나고, 제2 검출 챔버(165(ii))가 제1 광 경로(L1) 상에, 제3 검출 챔버(165(iii))가 제2 광 경로(L2) 상에, 제4 검출 챔버(165(iv))가 제3 광 경로(L3) 상에 위치한다. 이처럼 제2 내지 제4 검출 챔버(165(ii) 내지 165(iv))를 광 경로(L1, L2, L3) 상에 포지셔닝(positioning)한 다음, 제1 내지 제3 발광부(107, 109, 111)를 이용하여 제2 내지 제4 검출 챔버(165(ii) 내지 165(iv))에 각각 다른 파장 대역의 광을 투사하고, 상기 제1 내지 제3 수광부(115, 120, 125)를 이용하여 각 검출 챔버(165(ii) 내지 165(iv))를 통과하여 입사한 광을 전기적 신호로 변환하며, 그 전기적 신호를 메모리(145)에 저장한다.

다음으로, 인접한 검출 챔버(165) 사이의 간격에 대응되는 각도만큼 미세유동장치(150)를 도 1의 화살표로 도시된 방향으로 다시 회전시킨다. 그리하면, 도 3c에 도시된 바와 같이 제2 검출 챔버(165(ii))는 제1 광 경로(L1)를 벗어나고, 제3 검출 챔버(165(iii))가 제1 광 경로(L1) 상에, 제4 검출 챔버(165(iv))가 제2 광 경로(L2) 상에, 제5 검출 챔버(165(v))가 제3 광 경로(L3) 상에 위치한다. 이처럼 제3 내지 제5 검출 챔버(165(iii) 내지 165(v))를 광 경로(L1, L2, L3) 상에 포지셔닝(positioning)한 다음, 제1 내지 제3 발광부(107, 109, 111)를 이용하여 제3 내지 제5 검출 챔버(165(iii) 내지 165(v))에 각각 다른 파장 대역의 광을 투사하 고, 상기 제1 내지 제3 수광부(115, 120, 125)를 이용하여 각 검출 챔버(165(iii) 내지 165(v))를 통과하여 입사한 광을 전기적 신호로 변환하며, 그 전기적 신호를 메모리(145)에 저장한다. 이와 같은 방법으로 미세유동장치(150)를 단속적으로 일 회전시키면 상기 미세유동장치(150)에 포함된 모든 검출 챔버들(165)과 블랭크 챔버(166)에 3개의 발광부(107, 109, 111)의 광이 순차적으로 투사되어 모든 검출 챔버(165) 및 블랭크 챔버(166, 도 2 참조)에 대한 광도 데이터를 얻을 수 있다.

상기 프로세서(140, 도 1 참조)는 상기 광도 데이터를 이용하여 시료에 포함된 특정 물질의 농도를 계측한다. 흡광도는 다음의 수학식 1로 정의된다.

A = -log(I/I₀)

여기서, A는 흡광도, I₀ 는 유체를 통과하기 전의 광도, I 는 유체를 통과한 후의 광도를 나타낸다. 람베르트-베르의 법칙이 성립하는 경우 흡광도는 다음의 수학식 2와 같은 관계가 성립한다.

A = -log(I/I₀) = εCd

여기서, ε 은 흡광계수, C 는 유체에 포함된 특정 물질의 농도, d 는 유체층의 두께이다. 상기 수학식 2로부터 흡광계수 ε 와, 유체층의 두께 d를 알면 검출 챔버(165) 및 블랭크 챔버(166)에 대한 광도 데이터를 이용하여 시료에 포함된 특정 물질의 농도 C를 계측할 수 있다. 예를 들면, 제1 검출 챔버(165(i))에서 콜 레스테롤을 광학적으로 검출할 수 있는 생화학 반응이 일어났다고 가정한다. 상기 생화학 반응의 반응 생성물은 500 nm 파장의 광에 대한 흡수도가 크므로, 상기 검출 챔버(165(i))가 제2 광 경로(L2) 상에 포지셔닝 되었을 때 얻어진 광도 값(상기 수학식 1에서 I 값에 해당된다)과 블랭크 챔버(166)가 제2 광 경로(L2) 상에 포지셔닝 되었을 때 얻어진 광도 값(상기 수학식 1에서 I₀값에 해당된다)을 통해 흡광도 A를 구할 수 있다. 그리고, 상기 수학식 2를 이용하여 콜레스테롤의 농도 C를 구할 수 있다. 한편, 동일한 생화학 반응을 통하여 콜레스테롤 농도와 그에 대응되는 흡광도를 알고 있는 기준 시료가 존재한다면, 기준 시료의 콜레스테롤 농도 Cs 와 흡광도 As의 비례관계를 이용하여 검사하고자 하는 시료의 콜레스테롤 농도 C를 산출할 수 있다. 즉, C = A×Cs/As 인 관계로부터 시료의 콜레스테롤 농도 C를 산출할 수 있다.

상술한 콜레스테롤 검출은 화학 반응이 일어날 수 있는 충분한 시간이 경과한 이후 얻어진 광도 데이터를 이용하여 계측하는 것으로, 소위 '1점 측정법(one point assay)'이라고도 불린다. 상기 1점 측정법은 반응을 산 또는 알칼리의 첨가 등과 같은 소정의 방법으로 정지시키거나, 반응이 진행 중인 특정 포인트를 측정하는 방법 등에서도 사용할 수 있다.

한편, 간기능 검사 항목군(liver panel)에 속하는 ALT(alanine aminotransferase) 등의 검출을 위해서는 효소의 반응속도(rate)가 이용될 수 있다. 즉, 시간 t1에서 측정한 흡광도 A1과 시간 t2에서 측정한 흡광도 A2를 이용하 여 시간당 기질양의 변화를 (A2-A1)/(t2-t1)으로 계산하고, 여기에 상수를 곱하여 ALT와 같은 효소를 정량할 수 있다.

구체적인 예로서 ALT를 검사한다고 가정하면, 검출 채널들(165)에 시료를 분배하여 생화학 반응을 일으킨 시점으로부터 1분 후에 미세유동장치(150)를 일 회전시켜 광도 데이터를 획득하여 그 시점의 흡광도를 측정하고, 생화학 반응 시점으로부터 3분 후에 미세유동장치(150)를 다시 일 회전시켜 광도 데이터를 획득하여 그 시점의 흡광도를 다시 측정한다. 그리고, 하기의 수학식 3을 이용하여 ALT를 검출할 수 있다.

ALT (IU/mL) = [(A(3분)-A(1분))/(2분)]/[(6.22d)*희석율]

여기서, 6.22는 기질인 NADH의 분자흡광계수(millimolar absorptivity)이고, d는 수학식 2에서와 마찬가지로 유체층의 두께이다. 3분과 1분의 흡광도의 차이(즉, A(3분)-A(1분))를 분자흡광계수(즉, 6.22)와 유체층의 두께(즉, d)로 나눠주면 2분 동안 반응한 NADH의 농도를 알 수 있어 반응용액 내의 ALT의 양을 알 수 있다. 시료는 반응용액과 섞여 희석되므로, 이렇게 희석된 값을 보정하기 위해 상기 반응용액 내의 ALT의 양을 '시료부피/전체부피' 인 희석율로 나누면 시료 내의 ALT 양을 알 수 있다.

한편, 데이터를 획득하는 시각을 3점 이상의 다점에 대하여 측정하고 회귀분석을 통하여 효소반응의 속도를 계산하는 것도 가능하다.

도면에 도시된 광학 검출 장치는 발광부와 수광부를 3쌍 구비하나, 본 발명 은 이에 한정되지 않으며, 서로 다른 파장 대역을 담당하는 발광부를 더 많이 구비할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세유동 시스템을 도시한 사시도이다.

도 2는 도 1의 미세유동 시스템에 사용되는 디스크형 미세유동장치의 일 예를 도시한 평면도이다.

도 3a 내지 3c는 본 발명의 광학 검출 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 4a 및 도 4b는 3 종류의 LED의 투사광을 필터링 하기 전과 후의 파장 대역을 각각 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 ...미세유동 시스템 101 ...광학 검출 장치

105 ...회전 구동부 107, 109, 111 ...발광부

115, 120, 125 ...수광부 116, 121, 126 ...포토다이오드

118, 123, 128 ...장파 패스 필터 119, 124, 129 ...단파 패스 필터

130 ...증폭기 135 ...A/D 컨버터

140 ...프로세서 145 ...메모리

150 ...미세유동장치 165 ...검출 챔버

Claims

기설정(旣設定)된 파장 대역의 광을 투사하는 적어도 하나의 발광부;

상기 발광부에서 투사된 광이 입사 가능하게 배치되어 입사광의 세기에 따라 전기적 신호를 발생시키는, 상기 발광부의 개수와 동수(同數)의 수광부;

시료가 수용되는 적어도 하나의 검출 챔버를 포함하는 디스크형 미세유동장치를 회전시키는 것으로, 상기 검출 챔버가 상기 발광부와 상기 수광부 사이의 광 경로 상에 위치할 수 있게 상기 디스크형 미세유동장치를 회전시키는 회전 구동부; 및,

상기 수광부에서 발생된 전기적 신호를 이용하여 상기 검출 챔버에 수용된 시료의 특성을 계측(計測)하는 프로세서(processor);를 구비한 것을 특징으로 하는 광학 검출 장치.
제1 항에 있어서,

상기 미세유동장치에 포함된 모든 검출 챔버 중 적어도 일부에 대하여 동시에 광을 투사하여 대응되는 전기적 신호를 획득할 수 있도록, 상기 광학 검출 장치는 상기 발광부와 그에 대응되는 상기 수광부를 복수 쌍 구비하며, 상기 복수 개의 발광부는 각각 서로 다른 파장 대역의 광을 투사하도록 구성된 것을 특징으로 하는 광학 검출 장치.
제2 항에 있어서,

상기 복수 쌍의 발광부와 수광부는 상기 디스크형 미세유동장치의 회전 중심과 동심(同心)인 원호(圓弧) 상에 등간격으로 배열된 것을 특징으로 하는 광학 검출 장치.
제3 항에 있어서,

상기 디스크형 미세유동장치의 일 회전 동안 상기 미세유동장치에 포함된 모든 검출 챔버에 모든 발광부의 광의 순차적으로 투사되도록 구성된 것을 특징으로 하는 광학 검출 장치.
제1 항에 있어서,

상기 발광부는 LED(light emitting diode)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 검출 장치.
제1 항에 있어

상기 수광부는 포토다이오드(photo diode)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 검출 장치.
제1 항에 있어서,

상기 수광부는 발광부에서 투사된 광의 파장 대역폭을 줄여주는 필터링 부(filtering portion)를 더 포함한 것을 특징으로 하는 광학 검출 장치.
제7 항에 있어서,

상기 필터링부는 목표로 설정한 파장 및 그 보다 긴 파장 대역의 광을 통과시키는 장파 패스 필터(long wave pass filter)와, 목표로 설정한 파장 및 그 보다 짧은 파장 대역의 광을 통과시키는 단파 패스 필터(short wave pass filter)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 광학 검출 장치.
제1 항에 있어서,

상기 프로세서는 상기 검출 챔버의 흡광도(absorbance)를 계측하도록 구성된 것을 특징으로 하는 광학 검출 장치.
제9 항에 있어서,

상기 프로세서에 의해 계측되는 상기 시료의 특성은 상기 흡광도(absorbance)에 기초하여 계측된 특정 물질의 농도인 것을 특징으로 하는 광학 검출 장치.
시료가 수용되는 적어도 하나의 검출 챔버를 포함하는 디스크형 미세유동장치와, 상기 검출 챔버에 수용된 시료의 특성을 광학적으로 계측하는 광학 검출 장치를 구비한 미세유동 시스템에 있어서, 상기 광학 검출 장치는,

기설정(旣設定)된 파장 대역의 광을 투사하는 적어도 하나의 발광부;

상기 발광부에서 투사된 광이 입사 가능하게 배치되어 입사광의 세기에 따라 전기적 신호를 발생시키는, 상기 발광부의 개수와 동수(同數)의 수광부;

상기 검출 챔버가 상기 발광부와 상기 수광부 사이의 광 경로 상에 위치할 수 있게 상기 디스크형 미세유동장치를 회전시키는 회전 구동부; 및,

상기 수광부에서 발생된 전기적 신호를 이용하여 상기 검출 챔버에 수용된 시료의 특성을 계측(計測)하는 프로세서(processor);를 구비한 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
제11 항에 있어서,

상기 디스크형 미세유동장치는 상기 검출 챔버를 복수 개 구비하고,

상기 미세유동장치에 포함된 모든 검출 챔버 중 적어도 일부에 대하여 동시에 광을 투사하여 대응되는 전기적 신호를 획득할 수 있도록, 상기 광학 검출 장치는 상기 발광부와 그에 대응되는 상기 수광부를 복수 쌍 구비하며, 상기 복수 개의 발광부는 각각 서로 다른 파장 대역의 광을 투사하도록 구성된 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
제12 항에 있어서,

상기 복수 개의 검출 챔버는 상기 디스크형 미세유동장치의 회전 중심과 동심(同心)인 원호(圓弧) 상에 등간격으로 배열되며, 상기 복수 쌍의 발광부와 수광 부도 상기 복수 개의 검출 챔버에 대응되게 상기 디스크형 미세유동장치의 회전 중심과 동심(同心)인 원호(圓弧) 상에 등간격으로 배열된 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
제13 항에 있어서,

상기 회전 구동부는 인접한 검출 챔버 간의 간격에 대응되는 각도만큼 단속적으로 상기 디스크형 미세유동장치를 일 방향으로 회전시킬 수 있도록 구성되고,

상기 디스크형 미세유동장치의 일 회전 동안 상기 미세유동장치에 포함된 모든 검출 챔버에 모든 발광부의 광이 순차적으로 투사되도록 구성된 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
제11 항에 있어서,

상기 발광부는 LED(light emitting diode)를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
제11 항에 있어

상기 수광부는 포토다이오드(photo diode)를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
제11 항에 있어서,

상기 수광부는 발광부에서 투사된 광의 파장 대역폭을 줄여주는 필터링부(filtering portion)를 더 포함한 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
제17 항에 있어서,

상기 필터링부는 목표로 설정한 파장 및 그 보다 긴 파장 대역의 광을 통과시키는 장파 패스 필터(long wave pass filter)와, 목표로 설정한 파장 및 그 보다 짧은 파장 대역의 광을 통과시키는 단파 패스 필터(short wave pass filter)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
제11 항에 있어서,

상기 프로세서는 상기 검출 챔버의 흡광도(absorbance)를 계측하도록 구성된 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
제19 항에 있어서,

상기 프로세서에 의해 계측되는 상기 시료의 특성은 상기 흡광도(absorbance)에 기초하여 계측된 특정 물질의 농도인 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
시료가 수용된 디스크형 미세유동장치의 검출 챔버를 발광부와 수광부 사이의 광 경로 상에 위치시키는 포지셔닝(positioning) 단계;

상기 발광부를 이용하여 상기 검출 챔버에 기설정된 파장 대역의 광을 투사하는 발광 단계;

상기 수광부를 이용하여 상기 검출 챔버를 통과하여 입사한 광을 전기적 신호로 변환하는 수광 단계; 및,

상기 전기적 신호를 이용하여 상기 검출 챔버에 수용된 시료의 특성을 계측(計測)하는 특성 계측 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 검출 방법.
제21 항에 있어서,

상기 디스크형 미세유동장치에 상기 검출 챔버가 복수 개 구비되고,

상기 발광부와 수광부는 각각 서로 다른 파장 대역의 광을 투사하고 수광(受光)할 수 있게 복수 쌍 구비되며,

상기 포지셔닝 단계는 상기 디스크형 미세유동장치의 모든 검출 챔버 중 적어도 일부를 상기 복수 쌍의 발광부와 수광부 사이의 광 경로 상에 위치시키는 단계를 포함하고,

상기 발광 단계는 상기 복수의 발광부를 이용하여 서로 다른 파장 대역의 광을 상기 적어도 일부의 검출 챔버에 동시에 투사하는 단계를 포함하고,

상기 수광 단계는 상기 복수의 수광부를 이용하여 상기 적어도 일부의 검출 챔버를 통과하여 입사한 광을 전기적 신호로 변환하는 단계를 포함하고,

상기 특성 계측 단계는 상기 전기적 신호를 이용하여 상기 적어도 일부의 검출 챔버에 수용된 시료의 특성을 계측(計測)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 검출 방법.
제22 항에 있어서,

상기 복수 개의 검출 챔버는 상기 디스크형 미세유동장치의 회전 중심과 동심(同心)인 원호(圓弧) 상에 등간격으로 배열되고,

상기 디스크형 미세유동장치의 일 회전 동안 상기 미세유동장치에 포함된 모든 검출 챔버에 모든 발광부의 광이 순차적으로 투사되는 것을 특징으로 하는 광학 검출 방법.
제21 항에 있어서,

상기 특성 계측 단계는 상기 검출 챔버의 흡광도(absorbance)를 계측하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 검출 방법.
제24 항에 있어서,

상기 특성 계측 단계는 상기 흡광도에 기초하여 상기 시료에 포함된 특정 물질의 농도를 계측하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 검출 방법.