KR102038400B1 - 미세유체-기반 흐름 분석기 - Google Patents
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Abstract
본 공개는 병리학 검출을 위한 미세유체 흐름 분석기에 관한 것이다. 미세유체 흐름 분석기는 복수의 완충 채널, 샘플 채널, 중앙 유동 채널, 복수의 여기 광학 채널, 및 복수의 수신 광학 채널을 포함한다. 복수의 여기 광학 채널 및 복수의 수신 광학 채널은 중앙 유동 채널에 대해서 소정의 각도로 배치된다. 복수의 여기 광학 채널은 중앙 유동 채널을 통해 흐르는 샘플 용액에서 세포를 여기시킨다. 여기되는 세포는 하나 이상의 광학 신호를 생성한다. 하나 이상의 광학 신호는 복수의 수신 광학 채널에 의해 수신된다. 미세유체 흐름 분석기는 하나 이상의 광학 신호 중 하나를 검출하기 위한 복수의 수신 광학 채널의 각각에 배치되는 복수의 검출기를 포함한다. 검출된 광학 신호는 병리학 검출을 위해 컴퓨팅 유닛에 전송된다.
Description
본 출원은, 2012년 02월 04일자 인도 특허 출원된 번호 제 4067/CHE/2011 호의 우선권을 주장하며, 이 전체 내용이 참고로서 본 명세서에 포함되어 있다.
본 공개는 미세유체 흐름 분석기에 관한 것이다. 특히, 본 공개는 병리학 검출을 위한 미세유체 흐름 분석기에 관한 것이다.
인간 면역 결핍 바이러스(HIV)는 2009년에 전 세계적으로 약 3천 3백 3십만 감염된 개인이 있는 가장 심각한 감염성 질환 중 하나입니다, 이들 감염된 개인들 중, 2백 5십만은 15세 이하이며, 항레트로바이러스 치료(ART)의 필요성이 있다고 추정된 사람은 1천 4백 6십만이다. 350보다 낮은 세포수(cell count)를 갖는 사람들은 일반적으로 ART로 관리된다.
후천성 면역 결핍증(AIDS) 환자에 있어서, HIV는 CD4 세포의 상당히 감소를 야기한다. CD4 세포는 인체의 면역 반응을 개시한다. 따라서, AIDS를 모니터링할 수 있는 효과적인 방법은 HIV에 대한 치료 중에 환자의 혈액 샘플에서 CD4 세포 비율을 측정하는 것이다. 환자는 질병의 진행을 확인하기 위해 3-6개월마다 모니터링 될 필요가 있다.
현재, HIV 진단은 효소결합 면역흡수 분석법(ELISA)을 사용하거나 종래의 유동 세포 계측 기술을 통해 수행된다. ELISA는 HIV 진단에 사용되는 공통 정량 기술이며, 이는 HIV 검출의 효과적인 방법이다. 종래에는, 유동 세포 계측기(flow cytometers)가 면역 반응 동안 증가하는 CD4 세포 카운트에 의해 HIV 감염의 수준을 측정하는데 사용된다. 이들 부피 측정 계기는 효율적으로 동작 및 유지하기 위해 고가의 화학 물질, 철저한 유지 보수 및 숙련된 의료 전문가가 필요하다는 단점이 있다. 이는 AIDS 진단을 현 시점에서 매우 비용이 많이 들고 번거롭게 한다.
따라서, 병리학 검출을 위한 비용이 효율적인 시스템 및 방법에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명에 따라, 병리학 검출을 위한 비용이 효율적인 시스템 및 방법을 제공한다.
종래 기술의 단점은 본 상세한 설명에 기재된 방법 및 시스템의 제공을 통해 해소되면서 추가적인 장점이 제공된다.
한 실시예에 있어서, 본 공개는 병리학 검출을 위한 미세유체 흐름 분석기를 제공한다. 미세유체 흐름 분석기는 복수의 완충 채널, 샘플 채널, 중앙 유동 채널, 복수의 제 1 여기 광학 채널, 복수의 제 1 수신 광학 채널, 복수의 제 1 검출기, 하나 이상의 제 2 여기 광학 채널, 하나 이상의 제 2 수신 광학 채널 및 하나 이상의 제 2 검출기를 포함한다. 복수의 완충 채널은 완충 용액을 운반하도록 구성되고, 샘플 채널은 샘플 용액을 운반하도록 구성된다. 중앙 유동 채널은 완충 용액 및 샘플 용액을 수신하도록 구성되며, 복수의 완충 채널과 샘플 채널은 중앙 유동 채널에 흐르는 샘플 용액에 대한 중앙 유동 채널의 좁은 경로를 형성하도록 중앙 유동 채널의 입구 측에 수렴된다. 복수의 제 1 여기 광학 채널은 중앙 유동 채널에 대해서 직각으로 배치된다. 복수의 제 1 여기 광학 채널의 각각은 하나 이상의 제 1 광학 신호를 생성하기 위하여 중앙 유동 채널을 통해 흐르는 샘플 용액에서 세포를 여기시키는 섬유 결합 레이저 소스의 제 1 세트와 결합된다. 복수의 제 1 수신 광학 채널의 각각은 하나 이상의 제 1 광학 신호를 수신하기 위하여 복수의 제 1 여기 광학 채널의 각각의 광학 축에 소정의 각도로 배치된다. 복수의 제 1 수신 광학 채널의 각각에 배치된 복수의 제 1 검출기의 각각은 하나 이상의 제 1 광학 신호 중 적어도 하나를 검출한다.
하나 이상의 제 2 여기 광학 채널의 각각은 중앙 유동 채널에 대해서 소정의 각도로 배치된다. 하나 이상의 제 2 여기 광학 채널의 각각은 하나 이상의 제 2 광학 신호를 생성하기 위하여 중앙 유동 채널을 통해 흐르는 샘플 용액에서 세포를 여기시키는 섬유 결합 레이저 소스의 제 2 세트와 결합된다. 중앙 유동 채널에 대해서 소정의 각도로 배치된 하나 이상의 제 2 수신 광학 채널의 각각은 하나 이상의 제 2 광학 신호를 수신하도록 구성된다. 하나 이상의 제 2 검출기의 각각은 하나 이상의 제 2 광학 신호 중 적어도 하나를 검출하기 위하여 하나 이상의 제 2 수신 광학 채널의 각각에 배치된다.
한 실시예에 있어서, 본 공개는 미세유체 흐름 분석기를 사용하여 병리학 검출을 위한 방법을 제공한다. 본 방법은 복수의 완충 채널과 하나의 샘플 채널을 통해 중앙 유동 채널에 의해 완충 용액 및 샘플 용액을 수신하는 단계를 포함하고, 복수의 완충 채널과 샘플 채널은 중앙 유동 채널에 흐르는 샘플 용액에 대한 중앙 유동 채널에서 좁은 경로를 형성하도록 중앙 유동 채널의 입구 측에 수렴된다. 중앙 유동 채널에 의해 완충 용액 및 샘플 용액을 수신할 때, 중앙 유동 채널을 통해 흐르는 샘플 용액의 세포는 하나 이상의 제 1 광학 신호를 생성하기 위하여 섬유 결합 레이저 소스의 복수의 제 1 세트에 의해 여기된다. 섬유 결합 레이저 소스의 복수의 제 1 세트는 복수의 제 1 여기 광학 채널에 각각 결합된다. 하나 이상의 제 1 광학 신호는 복수의 제 1 수신 광학 채널에 의해 수신된다. 하나 이상의 제 1 광학 신호를 수신할 때, 복수의 제 1 수신 광학 채널의 각각에 배치된 복수의 제 1 검출기의 각각은 하나 이상의 제 1 광학 신호 중 하나를 검출한다. 하나 이상의 제 1 광학 신호 중 검출된 신호는 병리학 검출을 위한 컴퓨팅 유닛에 의해 수신된다. 또한, 본 방법은, 하나 이상의 제 2 광학 신호를 생성하기 위하여 섬유 결합 레이저 소스의 복수의 제 2 세트에 의해 샘플 용액에서 세포들을 여기시키는 단계를 포함하고, 섬유 결합 레이저 소스의 복수의 제 2 세트는 하나 이상의 제 2 여기 광학 채널에 각각 결합된다. 하나 이상의 제 2 광학 신호는 복수의 제 2 수신 광학 채널에 의해 수신된다. 하나 이상의 제 2 신호를 수신할 때, 복수의 제 2 수신 광학 채널의 각각에 배치된 복수의 제 2 검출기의 각각은 하나 이상의 제 2 광학 신호 중 하나를 검출한다. 하나 이상의 제 2 광학 신호 중 검출된 신호는 병리학 검출을 위한 컴퓨팅 유닛에 의해 수신된다.
상술한 개요는 단지 예시된 것이며, 어떠한 방식으로든 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 예시적인 관점, 실시예와 함께, 상술한 특징, 다른 관점, 실시예 및 특징은 도면과 다음의 상세한 설명을 참조하여 명백해질 것이다.
본 발명에 따라, 낮은 비용, 이동성, 필요한 샘플의 낮은 양, 사용의 용이성, 유지 보수의 용이성, 수정 및 업그레이드 기능의 용이성과 같은 장점을 갖는 미세유체 흐름 분석기를 제공한다.
도 1은 본 공개의 한 실시예에 따라 병리학 검출을 위한 미세유체 흐름 분석기의 개략적인 설계를 도시한 도면;
도 2는 본 공개의 다른 실시예에 따라 병리학 검출을 위한 미세유체 흐름 분석기의 예시적 개략적인 설계를 도시한 도면;
도 3은 본 공개의 다른 실시예에 따라 병리학 검출을 위한 미세유체 흐름 분석기의 예시적 개략적인 설계를 도시한 도면;
도 4는 본 공개의 다른 실시예에 따라 병리학 검출을 위한 미세유체 흐름 분석기의 예시적 개략적인 설계를 도시한 도면;
도 5는 본 공개의 다른 실시예에 따라 병리학 검출을 위한 미세유체 흐름 분석기의 예시적 개략적인 설계를 도시한 도면;
도 6a는 여기되는 세포에서 생성되는 하나 이상의 광학 신호를 도시한 도면;
도 6b는 소정의 각도로 배치된 하나 이상의 여기 광학 채널을 통해 세포가 여기될 때 생성되는 하나 이상의 광학 신호의 강도의 그래프를 도시한 도면;
도 7은 본 공개의 실시예에 따라 병리학 검출을 위한 시스템 다이어그램을 도시한 도면;
도 8은 여기되는 세포에서 생성되는 광학 신호를 검출 및 분석하기 위한 하드웨어 시스템의 블록 다이어그램을 도시한 도면;
도 9a는 샘플 용액에 입사되는 레이저 펄스의 그래프를 도시한 도면;
도 9b는 검출된 펄스의 진폭이 감소되는 검출된 펄스의 그래프를 도시한 도면; 및
도 10은 본 공개의 실시예에 따라 검출된 버블의 데이터 표현을 위한 사용자 인터페이스를 도시한 도면.
도 2는 본 공개의 다른 실시예에 따라 병리학 검출을 위한 미세유체 흐름 분석기의 예시적 개략적인 설계를 도시한 도면;
도 3은 본 공개의 다른 실시예에 따라 병리학 검출을 위한 미세유체 흐름 분석기의 예시적 개략적인 설계를 도시한 도면;
도 4는 본 공개의 다른 실시예에 따라 병리학 검출을 위한 미세유체 흐름 분석기의 예시적 개략적인 설계를 도시한 도면;
도 5는 본 공개의 다른 실시예에 따라 병리학 검출을 위한 미세유체 흐름 분석기의 예시적 개략적인 설계를 도시한 도면;
도 6a는 여기되는 세포에서 생성되는 하나 이상의 광학 신호를 도시한 도면;
도 6b는 소정의 각도로 배치된 하나 이상의 여기 광학 채널을 통해 세포가 여기될 때 생성되는 하나 이상의 광학 신호의 강도의 그래프를 도시한 도면;
도 7은 본 공개의 실시예에 따라 병리학 검출을 위한 시스템 다이어그램을 도시한 도면;
도 8은 여기되는 세포에서 생성되는 광학 신호를 검출 및 분석하기 위한 하드웨어 시스템의 블록 다이어그램을 도시한 도면;
도 9a는 샘플 용액에 입사되는 레이저 펄스의 그래프를 도시한 도면;
도 9b는 검출된 펄스의 진폭이 감소되는 검출된 펄스의 그래프를 도시한 도면; 및
도 10은 본 공개의 실시예에 따라 검출된 버블의 데이터 표현을 위한 사용자 인터페이스를 도시한 도면.
본 공개의 신규 특징 및 특성은 첨부된 청구 범위에 기재되어 있다. 그러나, 본 공개의 자체, 사용의 바람직한 모드뿐만 아니라, 그 다른 목적 및 장점은 첨부된 도면과 함께 읽을 때 예시적인 실시예의 다음 상세한 설명을 참조하여 최상으로 이해될 것이다. 지금, 동일한 참조 부호가 동일한 요소를 나타내는 첨부된 도면을 참조하여, 하나 이상의 실시예가 단지 예를 통해 설명된다.
도면은 단지 예시의 목적을 위해 본 공개의 실시예를 도시한다. 본 기술에 숙련된 사람은 본 명세서에 기재된 구조 및 방법의 대안적인 실시예가 본 명세서에 기재된 본 공개의 원리에서 벗어나지 않고 채용될 수 있다는 것을 다음 설명으로부터 인식할 것이다.
상기 설명은 본 공개의 상세한 설명이 보다 잘 이해될 수 있도록 본 공개의 특징 및 기술적 장점을 넓게 개술하였다. 본 공개의 청구 범위의 주제를 형성하는 추가적인 특징 및 장점은 이하에서 설명될 것이다. 본 기술에 숙련된 사람들은 설명된 개념 및 특정 실시예가 본 공개의 동일한 목적을 실행하기 위해 다른 구조를 변경 또는 설계하기 위한 기초로서 용이하게 사용될 수 있음을 이해해야한다. 또한, 본 기술에 숙련된 사람들은 그와 같은 등가 구성이 첨부된 청구 범위에 기재된 본 공개의 정신 및 범위를 벗어나지 않는다는 것을 인식해야 한다. 다른 목적 및 장점과 함께 동작의 구조 및 방법 모두에 대해 본 공개의 특징이라고 생각되는 새로운 특징은 첨부된 도면과 함께 고려될 때 다음 설명으로부터 보다 잘 이해될 것이다. 그러나, 도면들 각각이 단지 예시 및 설명의 목적으로 제공되고, 본 공개의 제한의 정의로서 의도되지 않음을 명확히 이해되어야 한다.
한 실시예에 있어서, 본 공개는 병리학 검출을 위한 미세유체 흐름 분석기를 제공한다.
도 1은 본 공개의 실시예에 따라 병리학 검출을 위한 미세유체 흐름 분석기의 개략적인 설계를 도시한다. 미세유체 흐름 분석기는 복수의 완충 채널(B1, B2), 샘플 채널(S), 중앙 유동 채널(C), 폐기 저장소(W), 복수의 제 1 여기 광학 채널(FR1, FR2), 복수의 제 1 수신 광학 채널(FR3, FR4), 복수의 제 1 검출기(도면에 도시하지 않음), 하나 이상의 제 2 여기 광학 채널(F1, F4a), 하나 이상의 제 2 수신 광학 채널(F2, F4b) 및 하나 이상의 제 2 검출기(도면에 도시하지 않음)를 포함한다. 복수의 완충 채널(B1 및 B2)의 각각은 완충 용액을 운반하도록 구성되고, 샘플 채널(C)은 샘플 용액을 운반하도록 구성된다. 완충 용액은, 물, 플루오레세인 용액, 혈청, 인산 완충 식염수(PBS) 및 다른 식염수 완충제를 포함하지만, 이에 제한하지 않는다. 샘플 용액은 혈액 세포, 배양 세포계에서 단일 세포, 혈청, 박테리아, 순수 액체의 오염 물질 및 형광 분류된 세포를 포함할 수 있으나, 이들에 제한하지 않는다. 중앙 유동 채널(C)은 복수의 완충 채널(B1, B2) 및 샘플 채널(S)에서 완충 용액 및 샘플 용액을 수신하도록 구성된다. 복수의 완충 채널(B1, B2) 및 샘플 채널(S)은 중앙 유동 채널(C)에 흐르는 샘플 용액에 대한 중앙 유동 채널(C)의 좁은 경로를 형성하도록 중앙 유동 채널(C)의 입구 측에서 수렴된다. 샘플 채널(S)의 좁은 경로는 샘플 용액에서 각각의 세포의 직선 이동을 허용한다. 한 실시예에 있어서, 복수의 완충 채널(B1, B2) 및 샘플 채널(S)은 미세유체 칩에 구성된다. 폐기 저장소(W)는 중앙 유동 채널에서 분석 이후에 샘플을 수집하도록 중앙 유동 채널(C)의 출구 측에 구성된다.
한 실시예에 있어서, 복수의 완충 채널(B1, B2)의 각각과 샘플 채널(S)은 복수의 완충 채널(B1, B2) 및 샘플 채널(S)을 통해 각각 흐르는 완충 용액 및 샘플 용액의 흐름을 제어하기 위해 주입 펌프와 결합된다. 복수의 완충 채널(B1, B2) 및 샘플 채널(C)에 결합된 주입 펌프는 컴퓨팅 디바이스에 연결된다. 복수의 제 1 여기 광학 채널(FR1, FR2)의 각각은 중앙 유동 채널에 대해서 직각으로 배치된다. 복수의 제 1 여기 광학 채널(FR1, FR2)의 각각은 섬유 결합 레이저 소스의 제 1 세트와 결합된다. 섬유 결합 레이저 소스의 제 1 세트는 렌즈형 섬유에서 종료된다. 복수의 제 1 수신 광학 채널(FR3, FR4)의 각각은 복수의 제 1 여기 광학 채널(FR1, FR2)의 각각의 광학 축에 소정의 각도로 배치된다. 한 실시예에 있어서, 복수의 제 1 수신 광학 채널(FR3, FR4)의 각각이 배치된 소정의 각도는 복수의 제 1 여기 광학 채널(FR1, FR2)의 각각의 광학 축에 ±5의 각도로 각각 배치된다.
복수의 제 1 여기 광학 채널(FR1, FR2)의 각각에 결합된 섬유 결합 레이저 소스의 제 1 세트는 중앙 유동 채널(C)을 통해 흐르는 샘플 용액(S)에서 세포를 여기시킨다. 여기되는 세포는 하나 이상의 제 1 광학 신호를 생성한다. 하나 이상의 제 1 광학 신호는 여기되는 세포에서 순방향으로 산란된 신호, 여기되는 세포에서 순방향 이외의 임의의 다른 방향으로 산란된 신호, 및 여기되는 세포에서 방출되는 형광 신호 중 적어도 하나의 신호가 된다. 복수의 제 1 수신 광학 채널(FR3, FR4)의 각각은 여기되는 세포에 의해 생성되는 하나 이상의 제 1 광학 신호를 수신한다.
한 실시예에 있어서, 복수의 제 1 검출기의 각각은 복수의 제 1 수신 광학 채널(FR3, FR4)의 각각에 배치된다. 복수의 제 1 검출기는 섬유 결합된 인듐 갈륨비소(InGaAs) 검출기, 실리콘-광증배기(Si-PMT) 기반 광 검출기, 실리콘 기반 광 검출기 및 실리콘 애벌란치 광 다이오드 중 적어도 하나가 된다. FR3에 배치된 제 1 검출기는 하나 이상의 제 1 광학 신호 중 하나를 검출한다. 제 1 광학 검출기에 의해 검출된 하나 이상의 제 1 광학 신호 중 하나는 여기되는 세포에서 순방향으로 산란된 신호이다. FR3에 배치된 제 1 검출기는 하나 이상의 제 1 광학 신호 중 검출된 신호를 컴퓨팅 유닛에 전송한다. 컴퓨팅 유닛은 병리학 검출을 위해 여기되는 세포에서 순방향으로 산란된 신호를 분석한다. 여기되는 세포에서 순방향으로 산란된 신호의 강도는 세포 크기 또는 직경에 대략 비례한다. FR4에 배치된 제 1 검출기는 하나 이상의 제 1 광학 신호 중 하나를 검출한다. 제 1 광학 검출기에 의해 검출된 하나 이상의 제 1 광학 신호 중 하나는 여기되는 세포에서 순방향으로 산란된 신호이다. FR4에 배치된 제 1 검출기는 하나 이상의 제 1 광학 신호 중 검출된 신호를 컴퓨팅 유닛에 전송한다. 컴퓨팅 유닛은 병리학 검출을 위해 여기된 세포에서 순방향으로 산란된 신호를 분석한다. 복수의 제 1 수신 광학 채널(FR3, FR4)에서 제어 피드백은 완충 용액 및 샘플 용액의 흐름 속도를 또한 제어하는 시린지 펌프(syringe pump)를 제어하는데 사용된다.
한 실시예에 있어서, 하나 이상의 제 2 여기 광학 채널(F1, F4a)의 각각은 중앙 유동 채널(C)에 대해 소정 각도로 배치된다. 예를 들어, F1은 중앙 유동 채널(C)에 대해 직각으로 배치되고, F4a는 중앙 유동 채널(C)에 대해 45도의 각도로 배치된다. 하나 이상의 제 2 여기 광학 채널(F1, F4a)의 각각은 섬유 결합 레이저 소스의 제 2 세트와 결합되어 샘플 용액의 세포를 여기시킨다. 섬유 결합 레이저 소스의 제 2 세트는 렌즈형 섬유에서 종료된다. 제 2 여기 광학 채널(F1)은 렌즈형 섬유에서 종료되는 섬유 결합 레이저 소스의 제 2 세트와 결합되고, 제 2 여기 광학 채널(F4a)은 렌즈형 섬유에서 종료되는 섬유 결합 레이저 소스의 제 2 세트와 결합된다. 하나 이상의 제 2 여기 광학 채널(F1 및 F4a)의 각각에 결합된 섬유 결합 레이저 소스의 제 2 세트는 샘플 용액의 세포를 여기시켜 하나 이상의 제 2 광학 신호를 생성한다. 하나 이상의 제 2 광학 신호는 여기되는 세포에서 순방향으로 산란된 신호, 여기되는 세포에서 순방향 이외의 임의의 다른 방향으로 산란된 신호, 및 여기되는 세포에서 방출되는 형광 신호 중 적어도 하나가 된다.
하나 이상의 제 2 수신 광학 채널(F2, F4b)의 각각은 하나 이상의 제 2 광학 신호를 수신한다. 하나 이상의 제 2 수신 광학 채널(F2, F4b)의 각각은 중앙 유동 채널(C)에 대해 소정의 각도로 배치된다. F2는 중앙 유동 채널(C)에 대해 직각으로 배치되고, F4b는 중앙 유동 채널(C)에 대해 45도의 각도로 배치된다. F1 및 F2의 둘 다의 광학축은 동일하다. 미세유체 흐름 분석기는 하나 이상의 제 2 검출기를 더 포함하고, 하나 이상의 제 2 검출기의 각각은 하나 이상의 제 2 수신 광학 채널(F2, F4b)의 각각에 배치된다. 복수의 제 2 검출기는 섬유 결합된 인듐 갈륨비소(InGaAs) 검출기, 실리콘-광증배기(Si-PMT) 기반 광 검출기, 실리콘 기반 광 검출기, 및 실리콘 애벌란치 광 다이오드 중 적어도 하나이다. 하나 이상의 제 2 검출기의 각각은 하나 이상의 제 2 광학 신호 중 하나를 검출한다. F2에 배치된 제 2 검출기는 여기되는 세포에서 방출되는 형광 신호를 검출하고, 검출된 형광 신호를 컴퓨팅 유닛에 전송한다. 컴퓨팅 유닛은 병리학 검출을 위한 형광 신호를 분석한다. F4b에 배치된 제 2 검출기는 여기되는 세포에서 순방향 이외의 임의의 다른 방향으로 산란된 신호를 검출하고, 검출된 신호를 컴퓨팅 유닛에 전송한다. 컴퓨팅 유닛은 병리학 검출을 위해 여기되는 세포에서 순방향 이외의 임의의 다른 방향으로 산란된 신호를 분석한다. 한 실시예에 있어서, 하나 이상의 제 2 수신 광학 채널 중 하나는 하나 이상의 제 2 여기 광학 채널(F1, F4a)의 각각에서 방출되는 레이저 광을 필터링하는 광섬유 브래그 격자로 구성된다. 한 예로서, F2는 광섬유 브래그 격자로 구성된다.
도 2는 본 공개의 다른 실시예에 따라 병리학 검출을 위해 미세유체 흐름 분석기의 개략적인 설계를 도시한다. 미세유체 흐름 분석기는 두 개의 완충 채널(B1, B2) 및 하나의 샘플 채널(S)을 포함한다. 완충 채널(B1, B2) 및 샘플 채널(S)은 중앙 유동 채널(C)의 입구 측에 수렴된다. 미세유체 흐름 분석기는 중앙 유동 채널(C)에 대해 직각으로 배치된 복수의 제 1 여기 광학 채널(FR1, FR2)을 포함한다. 복수의 제 1 여기 광학 채널(FR1, FR2)의 각각에 결합된 섬유 결합 레이저 소스의 제 1 세트는 중앙 유동 채널(C)을 통해 흐르는 샘플 용액의 세포를 여기시켜, 하나 이상의 제 1 광학 신호를 생성한다. 미세유체 흐름 분석기는 하나 이상의 제 1 광학 신호를 수신하기 위하여 복수의 제 1 여기 광학 채널(FR1, FR2)의 각각의 광학 축에 대해 소정의 각도로 배치된 복수의 제 1 수신 광학 채널(FR3, FR4)을 포함한다. 광학 채널(FR1, FR2, FR3 및 FR4)을 사용하여 미세유체 흐름 분석기에 의해 병리학 검출의 프로세스가 도 1에 도시되어 있다.
미세유체 흐름 분석기는 하나 이상의 제 2 여기 광학 채널을 포함한다. 본 실시예에 있어서, 미세유체 흐름 분석기는 중앙 유동 채널에 대해서 소정의 각도로 배치된 단일 제 2 여기 광학 채널(F1)을 포함한다. 예를 들어, F1은 중앙 유동 채널(C)에 대해 직각으로 배치된다. 또한, F1은 섬유 결합 레이저 소스의 제 2 세트와 결합되어 샘플 용액에서 세포들을 여기시킨다. 섬유 결합 레이저 소스의 제 2 세트는 렌즈형 섬유에서 종료된다. F1에 결합된 섬유 결합 레이저 소스의 제 2 세트는 샘플 용액에서 세포를 여기시켜 하나 이상의 제 2 광학 신호를 생성한다. 하나 이상의 제 2 광학 신호는 여기되는 세포에서 순방향으로 산란된 신호, 여기되는 세포에서 순방향 이외의 다른 임의의 방향으로 산란된 신호, 및 여기되는 세포에서 방출되는 형광 신호 중 적어도 하나가 된다.
미세유체 흐름 분석기는 하나 이상의 제 2 광학 신호를 수신하기 위한 하나의 이상의 제 2 수신 광학 채널을 포함한다. 본 실시예에 있어서, 미세유체 흐름 분석기는 중앙 유동 채널(C)에 직각으로 배치된 단일 제 2 수신 광학 채널(F2)을 포함한다. 또한, F1 및 F2 모두의 광학축은 동일하다. 미세유체 흐름 분석기는 하나 이상의 제 2 검출기를 포함하고, 하나 이상의 제 2 검출기의 각각은 제 2 수신 광학 채널(F2)에 배치된다. 복수의 제 2 검출기는 섬유 결합된 인듐 갈륨비소(InGaAs) 검출기, 실리콘-광증배기(Si-PMT) 기반 광 검출기, 실리콘 기반 광 검출기, 및 실리콘 애벌란치 광 다이오드 중 적어도 하나이다. 하나 이상의 제 2 검출기의 각각은 하나 이상의 제 2 광학 신호 중 하나를 검출한다. F2에 배치된 제 2 검출기는 여기되는 세포에서 방출되는 형광 신호를 검출하고, 검출된 형광 신호를 컴퓨팅 유닛에 전송한다. 컴퓨팅 유닛은 병리학 검출을 위한 형광 신호를 분석한다. 한 실시예에 있어서, F2는 제 2 여기 광학 채널(F1)에서 방출되는 레이저 광을 필터링하는 광섬유 브래그 격자로 구성된다.
미세유체 흐름 분석기는 복수의 제 3 검출기를 또한 포함한다. 복수의 제 3 검출기의 각각은 중앙 유동 채널(C)의 중심축과 복수의 제 1 여기 광학 채널 중 하나의 광학축의 교점에 배치되어, 여기되는 세포에서 순방향 이외의 다른 임의의 방향으로 산란된 하나 이상의 제 1 광학 신호 중 하나를 검출한다. 제 3 검출기는 중앙 유동 채널의 중심축과 FR2의 광학축의 교점에 배치된다. 제 3 검출기는 여기되는 세포에서 순방향 이외의 임의의 다른 방향으로 산란된 광학 신호를 검출한다. 제 3 검출기는 검출된 광학 신호를 컴퓨팅 유닛으로 전송하고, 컴퓨팅 유닛은 병리학 검출을 위해 여기된 세포에서 순방향 이외의 다른 임의의 방향으로 산란된 신호를 분석한다. 제 3 검출기의 각각은 중앙 유동 채널의 중심축과 하나 이상의 제 2 여기 광학 채널 중 하나의 광학축의 교점에 배치되어, 여기되는 세포에서 순방향 이외의 임의의 다른 방향으로 산란된 하나 이상의 제 2 광학 신호 중 하나를 검출한다.
하나 이상의 제 3 검출기는 또한 중앙 유동 채널(C)의 중심축과 F1의 광학축의 교점에 또한 배치된다. 제 3 검출기는 여기되는 세포에서 순방향 이외의 임의의 다른 방향으로 산란된 광학 신호를 검출한다. 제 3 검출기는 검출된 광학 신호를 컴퓨팅 유닛에 전송하고, 컴퓨팅 유닛은 병리학 검출을 위해 여기되는 세포에서 순방향 이외의 임의의 다른 방향으로 산란된 신호를 분석한다.
도 3은 본 공개의 예의 실시예에 따라 병리학 검출을 위해 미세유체 흐름 분석기의 개략적인 설계를 도시한다. 미세유체 흐름 분석기는 두 개의 완충 채널(B1, B2) 및 샘플 채널(S)을 포함한다. 완충 채널(B1, B2) 및 샘플 채널(S)은 중앙 유동 채널(C)의 입구 측에 수렴된다. 미세유체 흐름 분석기는 중앙 유동 채널(C)에 직각으로 배치된 복수의 제 1 여기 광학 채널(FR1, FR2)을 포함한다. 복수의 제 1 여기 광학 채널(FR1, FR2)의 각각에 결합된 섬유 결합 레이저 소스의 제 1 세트는 중앙 유동 채널(C)을 통해 흐르는 샘플 용액에서 세포를 여기시켜, 하나 이상의 제 1 광학 신호를 생성한다. 미세유체 흐름 분석기는 하나 이상의 제 1 광학 신호를 수신하기 위하여 복수의 제 1 여기 광학 채널(FR1, FR2)의 각각의 광학 축에 대해 소정의 각도로 각각 배치된 복수의 제 1 수신 광학 채널(FR3, FR4)을 포함한다. 광학 채널(FR1, FR2, FR3 및 FR4)을 사용하여 미세유체 흐름 분석기에 의해 검출된 병리학 검출의 프로세스는 도 1에 도시되어 있다.
미세유체 흐름 분석기는 하나 이상의 제 2 여기 광학 채널(F1, F3a, 및 F4a)을 포함한다. 하나 이상의 제 2 여기 광학 채널(F1, F3a, 및 F4a)의 각각은 중앙 유동 채널(C)에 소정의 각도로 배치된다. F1은 중앙 유동 채널(C)에 대해 직각으로 배치되고, F3a 및 F4a는 중앙 유동 채널(C)에 대해 45도 각도로 배치된다. F1, F3a 및 F4a는 섬유 결합 레이저 소스의 제 2 세트와 결합되어 샘플 용액에서 세포들을 여기시킨다. F1은 렌즈형 섬유에서 종료되는 섬유 결합 레이저 소스의 제 2 세트와 결합된다. F3a는 렌즈형 섬유에서 종료되는 섬유 결합 레이저 소스의 제 2 세트와 결합된다. F4a는 렌즈형 섬유에서 종료되는 섬유 결합 레이저 소스의 제 2 세트와 결합된다. 복수의 제 2 여기 광학 채널(F1, F3a 및 F4a)의 각각에 결합된 섬유 결합 레이저 소스의 제 2 세트의 각각은 하나 이상의 제 2 광학 신호를 생성하기 위하여 샘플 용액에서 세포를 여기시킨다. 하나 이상의 제 2 광학 신호는, 여기되는 세포에서 순방향으로 산란된 신호, 여기되는 세포에서 순방향 이외의 다른 임의의 방향으로 산란된 신호, 및 여기되는 세포에서 방출되는 형광 신호 중 적어도 하나이다.
미세유체 흐름 분석기는 하나 이상의 제 2 광학 신호를 수신하기 위하여 하나 이상의 제 2 수신 광학 채널(F2, F3b, 및 F4b)을 포함한다. 예를 들어, F2는 중앙 유동 채널(C)에 대해 직각으로 배치된다. F3b는 중앙 유동 채널(C)에 대해 45도 각도로 배치되고, F4b는 중앙 유동 채널(C)에 대해 ±40도의 각도로 배치된다. 대안의 실시예에 있어서, F4b는 도 4에 도시된 것과 같은 중앙 유동 채널(C)에 대해 45도의 각도로 배치된다. 미세유체 흐름 분석기는 하나 이상의 제 2 검출기를 포함하고, 하나 이상의 제 2 검출기의 각각은 하나 이상의 제 2 수신 광학 채널(F2, F3b 및 F4b)의 각각에 배치된다. 복수의 제 2 검출기는 섬유 결합된 인듐 갈륨비소(InGaAs) 검출기, 실리콘-광증배기(Si-PMT) 기반 광 검출기, 실리콘 기반 광 검출기, 및 실리콘 애벌란치 광 다이오드 중 적어도 하나이다. 하나 이상의 제 2 검출기의 각각은 하나 이상의 제 2 광학 신호 중 하나를 검출한다. F2에 배치된 제 2 검출기는 여기되는 세포에서 방출되는 형광 신호를 검출하고, 검출된 형광 신호를 컴퓨팅 유닛에 전송한다. 컴퓨팅 유닛은 병리학 검출을 위한 형광 신호를 분석한다. 한 실시예에 있어서, F2는 하나 이상의 제 2 여기 광학 채널의 각각에서 방출되는 레이저 광을 필터링하기 위한 광섬유 브래그 격자로 구성된다. F3b에 배치된 제 2 검출기는 여기되는 세포에서 순방향 이외의 다른 방향으로 산란된 신호를 검출하고, 검출된 신호를 컴퓨팅 유닛에 전송한다. 컴퓨팅 유닛은 병리학 검출을 위해 여기되는 세포에서 순방향 이외의 임의의 다른 검출 방향으로 산란된 신호를 분석한다. F4b에 배치된 제 2 검출기는 여기되는 세포에서 순방향 이외의 임의의 다른 방향으로 산란된 신호를 검출하고, 검출된 신호를 컴퓨팅 유닛에 전송한다. 컴퓨팅 유닛은 병리학 검출을 위해 여기된 세포에서 순방향 이외의 임의의 다른 방향으로 산란된 신호를 분석한다.
도 5는 본 공개의 예의 실시예에 따라 병리학 검출을 위한 미세유체 흐름 분석기의 개략적인 설계들 도시한다. 미세유체 흐름 분석기는 두 개의 완충 채널(B1, B2) 및 샘플 채널(S)을 포함한다. 완충 채널(B1, B2) 및 샘플 채널(S)은 중앙 유동 채널(C)의 입구 측에 수렴된다. 미세유체 흐름 분석기는 중앙 유동 채널(C)에 대해 직각으로 배치된 복수의 제 1 여기 광학 채널(FR1, FR2)을 포함한다. 복수의 제 1 여기 광학 채널(FR1, FR2)의 각각에 결합된 섬유 결합 레이저 소스의 제 1 세트는 중앙 유동 채널(C)을 통해 흐르는 샘플 용액에서 세포를 여기시켜, 하나 이상의 제 1 광학 신호를 생성한다. 미세유체 흐름 분석기는 하나 이상의 제 1 광학 신호를 수신하기 위하여 복수의 제 1 여기 광학 채널(FR1, FR2)의 각각의 광학 축에 대해 소정의 각도로 각각 배치된 복수의 제 1 수신 광학 채널(FR3, FR4)을 포함한다. 광학 채널(FR1, FR2, FR3 및 FR4)을 사용하여 미세유체 흐름 분석기에 의한 병리학 검출의 프로세서는 도 1에 도시되어 있는 것과 같다.
미세유체 흐름 분석기는 하나 이상의 제 2 여기 광학 채널(F1, F3a 및 F4a)을 포함한다. 하나 이상의 제 2 여기 광학 채널(F1, F3a 및 F4a)의 각각은 중앙 유동 채널(C)에 대해 소정의 각도로 배치된다. F1은 중앙 유동 채널(C)에 대해 직각으로 배치되고, F3a 및 F4a는 중앙 유동 채널(C)에 대해 45도 각도로 배치된다. F1, F3a 및 F4a는 섬유 결합 레이저 소스의 제 2 세트와 결합되어, 샘플 용액에서 세포들을 여기시킨다. F1은 렌즈형 섬유에서 종료되는 섬유 결합 레이저 소스의 제 2 세트와 결합된다. F3a는 렌즈형 섬유에 종료되는 섬유 결합 레이저 소스의 제 2 세트와 결합된다. F4a는 렌즈형 섬유에서 종료되는 섬유 결합 레이저 소스의 제 2 세트와 결합된다. 복수의 제 2 여기 광학 채널(F1, F3a 및 F4a)의 각각에 결합된 섬유 결합 레이저 소스의 제 2 세트의 각각은 샘플 용액에서 세포를 여기시켜, 하나 이상의 제 2 광학 신호를 생성한다. 하나 이상의 제 2 광학 신호는 여기되는 세포에서 순방향으로 산란된 신호, 여기되는 세포에서 순방향 이외의 임의의 방향으로 산란된 신호, 및 여기되는 세포에서 방출되는 형광 신호 중 하나이다.
미세유체 흐름 분석기는 하나 이상의 제 2 광학 신호를 수신하기 위하여 하나 이상의 제 2 수신 광학 채널을 포함한다. 본 실시예에 있어서, 미세유체 흐름 분석기는 중앙 유동 채널(C)에 대해 직각으로 배치된 단일 제 2 수신 광학 채널(F2)을 포함한다. 미세유체 흐름 분석기는 하나 이상의 제 2 검출기를 포함하고, 하나 이상의 제 2 검출기의 각각은 하나 이상의 제 2 수신 광학 채널의 각각에 배치된다. 하나 이상의 제 2 검출기는 섬유 결합된 인듐 갈륨비소(InGaAs) 검출기, 실리콘-광증배기(Si-PMT) 기반 광 검출기, 실리콘 기반 광 검출기 및 실리콘 애벌란치 광 다이오드 중 적어도 하나이다. 하나 이상의 제 2 검출기의 각각은 하나 이상의 제 2 광학 신호 중 하나를 검출한다. F2에 배치된 제 2 검출기는 여기되는 세포에서 방출되는 형광 신호를 검출하고, 검출된 형광 신호를 컴퓨팅 유닛에 전송한다. 컴퓨팅 유닛은 병리학 검출을 위해 형광 신호를 분석한다. 한 실시예에 있어서, F2는 하나 이상의 제 2 여기 광학 채널의 각각에서 방출되는 레이저 광을 필터링하기 위한 광섬유 브래그 격자로 구성된다.
한 실시예에 있어서, 여기되는 세포에서 순방향으로 산란된 신호는 샘플 용액에서 세포의 사이즈 및 실행 가능성에 관한 정보를 제공한다. 여기되는 세포에서 순방향 이외의 임의의 다른 방향으로 산란된 신호는 입도와 같은 세포의 표면 거칠기 및 내부 구조에 관한 정보를 제공한다. 형광 신호는 세포에 착색된 특정 마커를 정량화하기 위한 것이다.
도 6a는 여기되는 세포에서 생성된 하나 이상의 광학 신호를 도시한다. 샘플 용액에서 세포가 섬유 결합 레이저 소스에 의해 여기될 때, 세포는 하나 이상의 광학 신호를 생성한다. 하나 이상의 광학 신호는 여기되는 세포에서 순방향으로 산란된 신호, 및 여기되는 세포에서 순방향 이외의 임의의 다른 방향(직각 방향)으로 산란된 신호이다. 생성된 하나 이상의 광학 신호는 섬유 결합 레이저 소스와 동일한 파장을 가질 것이다. 생성된 하나 이상의 광학 신호의 강도는 도 6b에 도시된 것 같이 낮은 각도에서 높고, 높은 각도에서 낮다. 여기되는 세포에서 순방향으로 산란된 신호의 강도는 세포의 사이즈 또는 직경에 대략 비례하고, 여기되는 세포에서 순방향 이외의 임의의 다른 방향으로 산란된 신호의 강도는 세포 표면 복잡성 또는 세포 내의 입상 구조의 양에 대략 비례한다.
한 실시예에 있어서, 여기되는 세포에서 순방향으로 산란된 신호(FS)와 여기되는 세포에서 순방향 이외의 임의의 다른 방향으로 산란된 신호(LS)는 혈액 샘플에서 인간의 림프구, 단핵구 및 과립구를 구별하기 위해 사용된다. 보다 작고 입상 구조의 림프구는 낮은 FS 및 LS를 나타낸다. 크고 입성 구조의 호중구는 높은 FS 및 LS를 나타낸다. 단핵 세포는 림프구와 호중구의 사이에 있다.
도 7은 본 공개의 실시예에 따라 병리학 검출을 위한 시스템 다이어그램을 도시한다. 본 시스템은 미세유체 흐름 분석기, 레이저 전자 부품, 컴퓨팅 디바이스, 검출기 및 펌프 전자 부품, 및 복수의 주입 펌프를 포함한다. 미세유체 흐름 분석기는 복수의 완충 채널(B1, B2), 샘플 채널(S), 중앙 유동 채널(C), 폐기 저장소(W), 및 중앙 유동 채널(C)에 대해 소정의 각도로 배치되는 복수의 광학 채널(FR1, FR2, FR3, FR4, F1, F2, F4a 및 F4b)을 포함한다. 복수의 주입 펌프의 각각은 복수의 완충 채널(B1, B2)의 각각과 샘플 채널(S)에 결합된다. 주입 펌프는 복수의 완충 채널(B1, B2) 및 샘플 채널(S)을 통해 각각 흐르는 완충 용액 및 샘플 용액의 흐름을 제어한다. 복수의 주입 펌프의 각각은 검출기 및 펌프 전자 부품에 의해 제어되고, 검출기 및 펌프 전자 부품은 분석을 위해 필요한 완충 용액 및 샘플 용액을 제공한다. FR1 및 FR2는 중앙 유동 채널(C)을 통해 흐르는 샘플 용액에서 세포를 여기시키기 위해 사용되고, 여기된 세포는 하나 이상의 제 1 광학 신호를 생성한다. FR3 및 FR4는 여기되는 세포에 의해 생성된 하나 이상의 제 1 광학 신호를 수신하기 위해 사용된다. F1 및 F4a는 중앙 유동 채널(C)을 통해 흐르는 샘플 용액에서 세포를 여기시키는데 사용되고, 여기된 세포는 하나 이상의 제 2 광학 신호를 생성한다. F2 및 F4b는 여기되는 세포에 의해 생성된 하나 이상의 제 2 광학 신호를 수신하기 위해 사용된다. 레이저 전자 부품은 섬유 결합 레이저 소스의 제 1 세트 및 섬유 결합 레이저 소스의 제 2 세트를 포함한다. 섬유 결합 레이저 소스의 제 1 세트는 렌즈형 섬유에서 종료되고 FR1 및 FR2에 결합되며, 섬유 결합 레이저 소스의 제 2 세트는 렌즈형 섬유에서 종료되고 F1 및 F4a에 결합된다. 레이저 전자 부품은 샘플 용액에서 세포를 여기시키기 위하여 사용될 레이저의 파장을 제어한다. 적어도 하나의 제 1 광학 검출기는 FR3 및 FR4에 배치되어, 하나 이상의 제 1 광학 신호 중 적어도 하나를 검출한다. 하나 이상의 광학 신호 중 검출된 적어도 하나의 신호는 컴퓨팅 디바이스에 전송된다. 컴퓨팅 디바이스는 병리학 검출을 위해 수신된 검출 신호를 분석한다. 적어도 하나의 제 2 광학 검출기는 F2 및 F4b에 배치되어, 하나 이상의 제 2 광학 신호 중 적어도 하나를 검출한다. 하나 이상의 제 2 광학 신호 중 검출된 적어도 하나는 컴퓨팅 디바이스에 전송된다. 컴퓨팅 디바이스는 병리학 검출을 위해 수신된 검출 신호를 분석한다. 검출기 및 펌프 전자 부품은 제 1 및 제 2 광학 검출기를 제어한다.
도 8은 여기되는 세포에서 생성된 광학 신호를 검출 및 분석하는 하드웨어 시스템의 블록 다이어그램을 도시한다. 한 예로서, 미세유체 흐름 분석기는 여기된 세포에서 생성되는 하나 이상의 광학 신호 중 하나를 검출하는 광학 검출기로서 애벌란치 광 다이오드(APD)를 사용한다. 검출된 광학 신호는, 검출된 신호가 아날로그 신호일 때, 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 통해 분석하기 위한 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(FPGA) 또는 컴퓨팅 디바이스에 제공된다. APD에서 검출된 아날로그 광학 신호는 ADC에 의해 디지털 데이터로 변환되어 FPGA에 제공된다. 아날로그-디지털 변환기(ADC)의 샘플링 레이트는 72 MHz로 설정된 FPGA에 의해 제어 가능하다. FPGA는 APD로의 바이어스 전압 공급 및 레이저 드라이버를 제어한다. APD는 디지털-아날로그 변환기(DAC)를 통해 FPGA에 연결된다. APD의 바이어스 전압은 전형적으로 30 V와 70 V 사이의 범위에 있으며, FPGA에 의해 제어되어, 검출기의 감도를 최대로 하면서 오류 검출을 최소화한다. 레이저 드라이버는 샘플 용액에 입사될 레이저 소스의 파장을 제어한다. 5 볼트의 전력 공급이 ADC에 제공되며, 3.3 볼트의 전력 공급이 DAC 및 APD 바이어스에 제공된다.
APD는 보다 양호한 감도를 얻기 위해 검출기로서 사용된다. 트랜스-임피던스 증폭기가 사용되어, 입력되는 전력을 전압으로 변환한다. 레이저 드라이버는 두 개의 채널을 가지며, 각각의 채널은 낮은 전류에서 두 개의 서로 다른 레이저를 동작시키거나, 높은 전력에서 단일 레이저를 동작시키는 펄스 동작 동안 적당한 전류를 공급할 수 있다. 동작하는 레이저의 개수는 보다 많은 레이저 드라이버 칩을 통합함으로써 더 증가될 수 있다. 레이저 소스에서 입사되는 광은 산란되고, 세포에 부착된 분석제에서 형광을 낸다. 산란된 신호는 수신 광학 채널에 의해 선택되고, 이후에, 하나 이상의 검출기에 제공된다. 검출기에 도달하는 광은 APD에서 비례 전류를 흐르게 한다. 트랜스-임피던스 증폭기는 전류를 비례 전압으로 변환한다. 아날로그-디지털 변환기(ADC)의 샘플링 레이트는 본 실시예에서 FPGA에 의해 제어 가능하고, 72 MHz로 설정된다. APD 바이어스 전압은 전형적으로 30 V와 70 V 사이의 범위에 있으며, 이는 FPGA에 의해 제어되어, 검출기의 감도를 최대로 하면서 오류 검출을 최소화한다.
한 실시예에 있어서, APD 바이어스 전압은 제 2 게이트 펄스 전압의 인가에 의해 더 증가된다. 일 실시예에 있어서, 게이트 펄스 전압은 여기 레이저 소스에서 유도된다. 다른 실시예에 있어서, 게이트 펄스 전압은 FPGA에 의해 생성된다. 여기 신호의 변조와 게이트 검출은 신호 대 잡음비를 높이는데 도움이 된다.
한 실시예에 있어서, 미세유체 흐름 분석기는 샘플 및 시스 유체(sheath fluid)의 속도를 조절함으로써 샘플의 흐름 속도를 모니터링 및 제어한다. 미세유체 흐름 분석기는 저전력 적외선 레이저를 작동시켜 사인파 신호를 발생하여 레이저를 변조시킨다. 광은 여기 광학 채널에서 직선으로 배치된 수신 광학 채널에 의해 검출된다. 검출된 광은 또한 사인파 변조된다. 전자 부품의 저역 통과 필터는 광학 노이즈를 제거하고, 결과로서 생성된 사인파 신호는 믹서로 전송될 것이다. 믹서에서, 사인파 신호는 DC 전압을 생성하는 다른 사인파 신호와 승산된다. 여기 광이 세포에 의해 수집 광섬유에서 차단되는 경우, DC 전압은 감소한다. DC 전압은 비교기를 사용하여 임계 전압과 비교되고, 비교기의 출력은 마이크로컨트롤러에 제공된다. 광학 섬유의 제 2 쌍은 유체 채널의 하류에 더 배치되고, 그 회로로부터의 D.C 전압은 마이크로컨트롤러에 또한 제공된다. 마이크로컨트롤러는 두 개의 비교기 신호 사이의 시간차를 측정하고 세포의 속도를 계산하는 클록을 갖는다. 마이크로컨트롤러는, 세포의 속도가 일정하게 되도록, 샘플 용액 및 완충제의 흐름 속도를 변경한다.
한 실시예에 있어서, 미세유체 흐름 분석기는 여기 레이저를 턴-온/오프시키고, 여기되는 세포에서 순방향으로 산란된 신호, 여기되는 세포에서 순방향 이외의 임의의 다른 방향으로 산란된 신호, 및 형광 신호를 검출한다. 미세유체 흐름 분석기는 고전력 펄스 레이저에 적당한 고전류 드라이버로 구성된다. 미세유체 흐름 분석기의 마이크로컨트롤러는 광학 펄스를 생성하기 위해 나중에 레이저를 펄스화 하게 되는 전류의 펄스를 생성하는 고전류 드라이버에 전송되는 디지털 펄스를 발생한다. 동시에, 미세유체 흐름 분석기는 다른 펄스의 3개의 카피를 발생한다. 각각의 카피는 3개의 검출기에 대한 게이트 펄스의 역할을 한다. 각각의 검출기에 대한 게이트 펄스는 광학 펄스가 검출기에 인가될 때 동시에 검출기에 인가된다. 각각의 검출기의 출력은 비교기에 공급되고, 전압은 임계 전압과 비교된다. 비교기의 출력은 각각의 검출기에서 신호의 존재를 기록하는 마이크로컨트롤러에 전송된다. 다음에, 마이크로컨트롤러는 다른 처리를 위한 정보를 컴퓨팅 디바이스에 전송하는데, 컴퓨팅 디바이스는 다음에 그래픽 사용자 인터페이스로 사용자에 표시한다. 한 실시예에서, 펄스 발생기, 비교기, 및 아날로그-디지털 변환기는 마이크로컨트롤러의 내부 구성 요소이다. FPGA의 응용은 APD에 의해 검출된 전력을 mV로 계산 및 표시하기 위하여 입력으로서 레이저 전력 및 수평균(the number of averages)을 사용한다. 섬유에 결합된 레이저 소스로부터의 변조된 광은 연구 중에 샘플 및 완충 용액이 통과되는 중앙 유동 채널(C)에 입사된다. 레이저는 매우 짧은 시간(~10ns, 1MHz의 반복 레이트) 동안 레이저 드라이버 회로를 사용하여 작동되고, 도 9a에 도시된 것처럼 디지털 회로에 의해 제어된다. 검출기 신호는 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 사용하여 디지털화된다. ADC의 샘플링 레이트는 FPGA에 의해 설정된다. 또한, 노이즈의 감소는 1μs 마다 샘플링된 신호를 평균함으로써 성취된다. 펄스 폭, 전력 및 반복 시간, APD 바이어스 전압, 수평균과 같은 레이저 파라미터는 사용자 인터페이스를 통해 사용자에 의해 설정된다. 매 사이클의 최대가 출력으로서 전송된다. 샘플이 레이저 빔을 통과할 때, 검출기에 도달하는 광은 차단되고, 펄스의 진폭은 감소하며, 패턴은 도 9b의 사용자 인터페이스 캔버스에 나타낸다.
한 실시예에 있어서, 광섬유 브래그 격자 필터는 수신 광학 채널에 부가되어, 여기 광학 채널 및 수신 광학 채널은 보다 높은 연속 평균 전력으로 레이저 캐비티를 형성한다. 세포에 부착된 분석제는 수신 광학 채널에 수집된 광학 신호의 드롭에 의해 검출된다.
연속적인 데이터 수집을 가능하게 하기 위하여, 시작 및 정지 버튼이 도 10에 도시되는 사용자 인터페이스에 제공된다. 플롯에 도시된 데이터는 시스(sheath)로서 물과 샘플로서 공기가 취해진다. 레이저가 버블을 통해 통과할 때, 포화 값으로부터의 광의 강도의 드롭이 존재한다. 도 10은, 순방향 산란 손실에 대해서 적외선 펄스 레이저 및 단일 애벌런치 포토다이오드 검출기를 사용하는 미세유체 흐름 분석기로부터 검출된 버블의 데이터 표현을 위한 사용자 인터페이스를 도시한다.
검출 속도 및 각도는 작은 크기의 샘플에서 빠른 산란 신호를 선택하도록 최적화되어 있다. 적외선 레이저는 산란 신호와 함께 형광 신호를 수집하기 위한 가시적 여기 소스로 대체된다.
배경 기술에서 언급한 단점을 해소하기 위하여, 본 공개는 형광으로 라벨된 면역 세포뿐만 아니라, 감염의 수준과 같은 정량적 정보를 검출하는 미세유체 흐름 분석기를 제공한다. 본 공개의 미세유체 흐름 분석기는, 도 1에 도시된 것처럼, HIV 스크리닝 센터의 설립을 위한 인프라 비용을 크게 절감한다. 종래의 유동 세포 계측기는 50 ~ 100 래크(lakhs)의 범위에 있지만, 본 소형 흐름 분석기의 소비는 약 2-4 래크 루피(lakhs rupees)가 될 것이다. 또한, 새로운 HIV 스크리닝 센터의 설립을 지원하는 인센티브를 정부가 제공할 것이다.
미세유체 흐름 분석기는 HIV 모니터링을 위해 사용될 뿐만 아니라 비형광 세포 집단의 배경에서 세포를 카운팅하는 세포 카운팅을 위한 칼리지 모델(college models)과 같은 다른 다양한 응용에 사용될 수 있고, 이에 따라, 세포 증식을 검출하기 위해, 세포 배양 분석, 수질 오염 카운터와 같은 환경 제어, 혈액 카운트, 및 종양학적 응용에 유용된다.
미세유체 흐름 분석기는 낮은 비용, 이동성, 필요한 샘플의 낮은 양, 사용의 용이성, 유지 보수의 용이성, 수정 및 업그레이드 기능의 용이성과 같은 장점을 갖는다.
미세유체 흐름 분석기는 PIN 포토다이오드를 사용하여 저렴한 검출기 기술을 이용할 수 있다. 비선형 진동 분광법은 세포의 크기를 검출하는 미세유체 장치와 통합되었다.
현재의 기술은 HIV 검사에 사용하기 위한 종래의 유동 세포 계측기의 고비용 및 이동성 부족의 문제를 해결하고자 한다. 현재 정량적 HIV 검출 기술에 비하여 본 공개에 의해 수득되는 상당한 장점이 있다.
마지막으로, 본 명세서에서 사용된 언어는 가독성 및 교육적인 목적으로 주로 선택되고, 본 발명의 주제를 서술하거나 제한하는 것으로 선택되지 않을 수도 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 본 명세서의 상세한 설명에 의해 한정되지 않고, 본 명세서에 기초한 출원에 기재된 임의의 청구 범위에 의해 다소 제한되는 것으로 의도된다. 이에 따라, 본 발명의 실시예의 개시 내용은 예시적인 것으로 의도되지만, 다음의 청구 범위에 설명되는 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니다.
본 명세서에서 실질적으로, 임의의 복수 및/또는 단수 용어의 사용에 대해서, 본 기술에 숙련된 사람들은 문맥 및/또는 응용에 적당한 복수에서 단수 및/또는 단수에서 복수까지 해석할 수 있다. 다양한 단수/복수 치환은 명확성을 위해 본 명세서에서 기재될 수 있다.
또한, 본 공개의 특징 또는 관점이 마쿠시 그룹(Markush groups)의 관점에서 기재되었지만, 본 기술에 숙련된 사람들은 본 공개가 또한 마쿠시 그룹의 임의의 개별 부재 또는 부재들의 서브그룹의 관점에서 기재될 수 있음을 인식할 것이다.
다양한 관점 및 실시예들이 본 명세서에 개시되어 있지만, 다른 관점 및 실시예는 본 기술에 숙련된 사람에게 명백할 것이다. 본 명세서에 개시된 여러 관점 및 실시예는 예시의 목적이며 다음 청구 범위에 기재된 진정한 범위 및 사상을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
B1, B2: 완충 채널
S: 샘플 채널
C: 중앙 유동 채널
W: 폐기 저장소
FR1, FR2: 제 1 여기 광학 채널
FR3, FR4: 제 1 수신 광학 채널
F1, F4a: 제 2 여기 광학 채널
F2, F4b: 제 2 수신 광학 채널
S: 샘플 채널
C: 중앙 유동 채널
W: 폐기 저장소
FR1, FR2: 제 1 여기 광학 채널
FR3, FR4: 제 1 수신 광학 채널
F1, F4a: 제 2 여기 광학 채널
F2, F4b: 제 2 수신 광학 채널
Claims (29)
- 병리학 검출을 위한 미세유체 흐름 분석기로서,
복수의 완충 패널로서, 복수의 완충 채널의 각각은 완충 용액을 운반하는, 복수의 완충 채널;
샘플 용액을 운반하는 샘플 채널;
완충 용액 및 샘플 용액을 수용하도록 구성된 중앙 유동 채널로서, 복수의 완충 채널과 샘플 채널은 중앙 유동 채널에 흐르는 샘플 용액에 대한 중앙 유동 채널의 좁은 경로를 형성하도록 중앙 유동 채널의 입구 측에 수렴되는, 중앙 유동 채널;
중앙 유동 채널에 대해서 수직으로 배치된 복수의 제 1 여기 광학 채널로서, 복수의 제 1 여기 광학 채널의 각각은 하나 이상의 제 1 광학 신호를 생성하기 위하여 중앙 유동 채널을 통해 흐르는 샘플 용액에서 세포를 여기시키는 섬유 결합 레이저 소스의 제 1 세트와 결합되며, 복수의 제 1 여기 광학 채널의 각각과 결합된 섬유 결합 레이저 소스의 제 1 세트는 렌즈형 섬유에서 종료되는, 복수의 제 1 여기 광학 채널;
복수의 제 1 수신 광학 채널로서, 렌즈형 섬유에서 종료되는 복수의 제 1 수신 광학 채널의 각각은 하나 이상의 제 1 광학 신호 중 하나을 수신하기 위하여 복수의 제 1 여기 광학 채널의 각각의 광학 축에 소정의 각도로 각각 배치되며, 복수의 완충 채널 및 샘플 채널이 배치되는 소정의 각도에 기초하여, 복수의 제 1 수신 광학 채널로부터 제어 피드백이 수신되어 완충 용액 및 샘플 용액의 흐름 속도를 제어하는, 복수의 제 1 수신 광학 채널;
복수의 제 1 검출기로서, 복수의 제 1 검출기의 각각은 하나 이상의 제 1 광학 신호 중 적어도 하나를 검출하기 위하여 제 1 수신 광학 채널의 각각에 배치되는, 복수의 제 1 검출기;
하나 이상의 제 2 여기 광학 채널로서, 하나 이상의 제 2 여기 광학 채널의 각각은 중앙 유동 채널에 대해서 소정의 각도로 배치되고, 하나 이상의 제 2 여기 광학 채널의 각각은 하나 이상의 제 2 광학 신호를 생성하기 위하여 중앙 유동 채널을 통해 흐르는 샘플 용액에서 세포를 여기시키는 섬유 결합 레이저 소스의 제 2 세트와 결합되며, 하나 이상의 제 2 여기 광학 채널의 각각과 결합된 섬유 결합 레이저 소스의 제 2 세트는 렌즈형 섬유에서 종료되는, 하나 이상의 제 2 여기 광학 채널;
하나 이상의 제 2 수신 광학 채널로서, 렌즈형 섬유에서 종료되는 하나 이상의 제 2 수신 광학 채널의 각각은 하나 이상의 제 2 광학 신호 중 하나를 수신하기 위하여 중앙 유동 채널에 대해서 소정의 각도로 배치되며, 하나 이상의 제 2 수신 광학 채널 중 하나는 하나 이상의 제 2 여기 광학 채널의 각각에서 방출되는 레이저 광을 필터링하는 광섬유 브래그 격자(Fibre Bragg grating)로 구성되는, 하나 이상의 제 2 수신 광학 채널; 및
하나 이상의 제 2 검출기로서, 하나 이상의 제 2 검출기의 각각은 하나 이상의 제 2 광학 신호 중 적어도 하나를 검출하기 위하여 하나 이상의 제 2 수신 광학 채널의 각각에 배치되는, 하나 이상의 제 2 검출기를 포함하는, 미세유체 흐름 분석기. - 제 1 항에 있어서,
복수의 완충 채널의 각각과 샘플 채널에 결합된 적어도 하나의 주입 펌프를 더 포함하고, 적어도 하나의 주입 펌프는 복수의 완충 채널과 샘플 채널을 통해 각각 흐르는 완충 용액 및 샘플 용액의 흐름 속도를 제어하는, 미세유체 흐름 분석기. - 제 1 항에 있어서,
복수의 완충 채널과 샘플 채널은 미세유체 칩에 구성되는, 미세유체 흐름 분석기. - 제 1 항에 있어서,
복수의 제 3 검출기를 더 포함하고, 복수의 제 3 검출기의 각각은,
여기된 세포에서 순방향 이외의 임의의 다른 방향으로 산란된 하나 이상의 제 1 광학 신호 중 하나를 검출하기 위하여 중앙 유동 채널의 중앙 축과 복수의 제 1 여기 광학 채널 중 하나의 광학축의 교점과,
여기된 세포에서 순방향 이외의 임의의 다른 방향으로 산란된 하나 이상의 제 2 광학 신호 중 하나를 검출하기 위하여 중앙 유동 채널의 중앙 축과 복수의 제 2 여기 광학 채널 중 하나의 광학축의 교점에 배치되는, 미세유체 흐름 분석기. - 제 4 항에 있어서,
복수의 제 3 검출기의 각각은 섬유 결합된 인듐 갈륨비소(InGaAs) 검출기, 실리콘-광증배기(Si-PMT) 기반 광 검출기, 실리콘 기반 광 검출기, 및 실리콘 애벌란치 광 다이오드 중 적어도 하나인, 미세유체 흐름 분석기. - 제 1 항에 있어서,
복수의 제 1 수신 광학 채널의 각각이 배치된 소정의 각도는 복수의 제 1 여기 광학 채널의 각각의 광학 축에 각각 ±5인, 미세유체 흐름 분석기. - 제 1 항에 있어서,
하나 이상의 제 1 광학 신호 및 하나 이상의 제 2 광학 신호는 여기되는 세포에서 순방향으로 산란된 신호, 여기되는 세포에서 순방향 이외의 임의의 다른 방향으로 산란된 신호, 및 여기되는 세포에서 방출되는 형광 신호 중 적어도 하나인, 미세유체 흐름 분석기. - 제 7 항에 있어서,
복수의 제 1 검출기의 각각에 의해 검출된 하나 이상의 제 1 광학 신호 중 하나는 여기되는 세포에서 순방향으로 산란된 신호인, 미세유체 흐름 분석기. - 제 7 항에 있어서,
하나 이상의 제 2 검출기 중 하나는, 하나 이상의 제 2 수신 광학 채널 중 하나가 중앙 유동 채널에 대해서 직각으로 배치될 때, 하나 이상의 제 2 광학 신호에서 형광 신호를 검출하는, 미세유체 흐름 분석기. - 제 7 항에 있어서,
하나 이상의 제 2 검출기 중 하나는, 하나 이상의 제 2 수신 광학 채널 중 하나가 중앙 유동 채널에 대해서 45도 각도로 배치될 때, 여기되는 세포에서 순방향 이외의 임의의 다른 방향으로 산란된 신호를 검출하는, 미세유체 흐름 분석기. - 제 7 항에 있어서,
하나 이상의 제 2 검출기 중 하나는, 하나 이상의 제 2 수신 광학 채널 중 하나가 중앙 유동 채널에 대해서 ±45도 각도로 배치될 때, 여기되는 세포에서 순방향 이외의 임의의 다른 방향으로 산란된 신호를 검출하는, 미세유체 흐름 분석기. - 제 1 항에 있어서,
복수의 제 1 검출기의 각각은 섬유 결합된 인듐 갈륨비소(InGaAs) 검출기, 실리콘-광증배기(Si-PMT) 기반 광 검출기, 실리콘 기반 광 검출기, 및 실리콘 애벌란치 광 다이오드 중 적어도 하나인, 미세유체 흐름 분석기. - 제 1 항에 있어서,
하나 이상의 제 2 검출기의 각각은 섬유 결합된 인듐 갈륨비소(InGaAs) 검출기, 실리콘-광증배기(Si-PMT) 기반 광 검출기, 실리콘 기반 광 검출기, 및 실리콘 애벌란치 광 다이오드 중 적어도 하나인, 미세유체 흐름 분석기. - 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
하나 이상의 제 2 여기 광학 채널의 각각 및 하나 이상의 제 2 수신 광학 채널의 각각이 배치된 소정의 각도는 40도 내지 90도 각도의 범위에 있는, 미세유체 흐름 분석기. - 제 1 항에 있어서,
하나 이상의 제 2 수신 광학 채널의 각각이 배치된 소정의 각도는 40도 내지 90도 각도의 범위에 있는, 미세유체 흐름 분석기. - 제 1 항에 있어서,
중앙 유동 채널에서 분석 이후에 폐기 샘플을 수집하는 적어도 하나의 폐기 저장소(W)를 더 포함하는, 미세유체 흐름 분석기. - 제 1 항에 있어서,
복수의 제 1 광학 검출기의 각각과 복수의 제 3 광학 검출기의 각각에 의해 검출된 하나 이상의 제 1 광학 신호를 수신하고,
복수의 제 2 광학 검출기의 각각과 복수의 제 3 광학 검출기의 각각에 의해 검출된 하나 이상의 제 2 광학 신호를 수신하고,
병리학 검출을 위해 수신된 하나 이상의 제 1 광학 신호 및 하나 이상의 제 2 광학 신호를 분석할 수 있는 컴퓨팅 유닛을 더 포함하는, 미세유체 흐름 분석기. - 미세유체 흐름 분석기를 사용하여 병리학 검출을 위한 방법으로서,
복수의 완충 채널과 하나의 샘플 채널을 통해 중앙 유동 채널에 의해 완충 용액 및 샘플 용액을 각각 수신하는 단계로서, 복수의 완충 채널과 샘플 채널은 중앙 유동 채널에 흐르는 샘플 용액에 대한 중앙 유동 채널의 좁은 경로를 형성하도록 중앙 유동 채널의 입구 측에 수렴되는, 완충 용액 및 샘플 용액을 수신하는 단계;
하나 이상의 제 1 광학 신호를 생성하기 위하여 섬유 결합 레이저 소스의 복수의 제 1 세트에 의해 중앙 유동 채널을 통해 흐르는 샘플 용액에서 세포를 여기시키는 단계로서, 섬유 결합 레이저 소스의 복수의 제 1 세트는 복수의 제 1 여기 광학 채널에 각각 결합되며, 복수의 제 1 여기 광학 채널의 각각과 결합된 섬유 결합 레이저 소스의 제 1 세트는 렌즈형 섬유에서 종료되는, 세포를 여기시키는 단계;
복수의 제 1 검출기에 의해 하나 이상의 제 1 광학 신호 중 하나를 검출하는 단계로서, 복수의 제 1 검출기의 각각은 복수의 제 1 수신 광학 채널의 각각에 각각 배치되며, 복수의 제 1 수신 광학 채널의 각각은 렌즈형 섬유에서 종료되는, 제 1 광학 신호 중 하나를 검출하는 단계;
병리학 검출을 위해 컴퓨팅 유닛에 의해 하나 이상의 제 1 광학 신호 중 검출된 적어도 하나를 수신하는 단계;
하나 이상의 제 2 광학 신호를 생성하기 위하여 섬유 결합 레이저 소스의 복수의 제 2 세트에 의해 샘플 용액에서 세포를 여기시키는 단계로서, 섬유 결합 레이저 소스의 복수의 제 2 세트는 하나 이상의 제 2 여기 광학 채널에 각각 결합되는, 세포를 여기시키는 단계;
하나 이상의 제 2 검출기에 의해 하나 이상의 제 2 광학 신호 중 적어도 하나를 검출하는 단계로서, 하나 이상의 제 2 검출기의 각각은 하나 이상의 제 2 수신 광학 채널에 각각 배치되며, 하나 이상의 제 2 수신 광학 채널의 각각은 렌즈형 섬유에서 종료되고, 하나 이상의 제 2 수신 광학 채널 중 하나는 하나 이상의 제 2 여기 광학 채널의 각각에서 방출되는 레이저 광을 필터링하는 광섬유 브래그 격자(Fibre Bragg grating)로 구성되는, 제 2 광학 신호 중 적어도 하나를 검출하는 단계; 및
병리학 검출을 위해 컴퓨팅 유닛에 의해 하나 이상의 제 2 광학 신호 중 검출된 적어도 하나를 수신하는 단계를 포함하는, 병리학 검출을 위한 방법. - 제 20 항에 있어서,
완충 용액은 물, 플루오레세인 용액, 혈청, 인산 완충 식염수(PBS) 및 다른 식염수 완충제를 포함하는 그룹으로부터 선택되는, 병리학 검출을 위한 방법. - 제 20 항에 있어서,
샘플 용액은 혈액 세포, 배양 세포계(culture cell lines)로부터 단일 세포, 혈청, 박테리아, 순수 액체의 오염 물질 및 형광 분류된 세포를 포함하는 그룹으로부터 선택되는, 병리학 검출을 위한 방법. - 제 20 항에 있어서,
하나 이상의 제 1 광학 신호 및 하나 이상의 제 2 광학 신호는 여기되는 세포에서 순방향으로 산란된 신호, 여기되는 세포로부터 순방향 이외의 다른 임의의 다른 방향으로 산란된 신호, 및 여기되는 세포에서 방출되는 형광 신호 중 적어도 하나인, 병리학 검출을 위한 방법. - 제 20 항에 있어서,
하나 이상의 제 2 검출기 중 하나는, 하나 이상의 제 2 수신 광학 채널 중 하나가 중앙 유동 채널에 대해서 직각으로 배치될 때, 하나 이상의 제 2 광학 신호에서 형광 신호를 검출하는, 병리학 검출을 위한 방법. - 제 20 항에 있어서,
하나 이상의 제 2 검출기 중 하나는, 하나 이상의 제 2 수신 광학 채널 중 하나가 중앙 유동 채널에 대해서 45도 각도로 배치될 때, 여기된 세포에서 순방향 이외의 임의의 다른 방향으로 산란된 신호를 검출하는, 병리학 검출을 위한 방법. - 제 20 항에 있어서,
하나 이상의 제 2 검출기 중 하나는, 하나 이상의 제 2 수신 광학 채널 중 하나가 중앙 유동 채널에 대해서 ±45도 각도로 배치될 때, 여기된 세포에서 순방향 이외의 임의의 다른 방향으로 산란된 신호를 검출하는, 병리학 검출을 위한 방법. - 제 20 항에 있어서,
복수의 제 1 검출기의 각각에 의해 검출된 하나 이상의 제 1 광학 신호 중 하나는 여기된 세포에서 순방향으로 산란된 광학 신호인, 병리학 검출을 위한 방법. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
제어 피드백은 완충 용액 및 샘플 용액의 흐름 속도는 하나 이상의 제 1 및 제 2 광학 신호의 산란 강도를 최대화하기 위해 제어되고, 완충 용액은, 물, 플루오레세인 용액, 혈청, 인산 완충 식염수(PBS) 및 다른 식염수 완충제를 포함하는 그룹으로부터 선택되는, 미세유체 흐름 분석기.
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