KR102292599B1 - 광학 분석 장치 및 광학 분석 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광학 분석 장치 및 방법에 대한 것이다. 본 발명은, 플로우셀의 광학 분석을 위한 광학 분석 장치에 있어서, 상기 플로우셀에 광을 조사하기 위한 광원; 상기 플로우셀의 반응 영역으로부터의 광 신호를 검출하는 복수의 검출 소자를 포함하는 광 검출기; 및 상기 검출 소자 각각의 전단에 배치되는 광 투과성의 마스크 홀을 포함하는 광학 마스크;를 포함하는 광학 분석 장치 및 이를 이용한 광학 분석 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 광학 분석 장치 및 방법에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는, 유전자 등의 생물학적 또는 화학적 분석을 위한 광학 분석 장치 및 방법에 대한 것이다.
최근 과학 기술이 발전함에 따라 환자의 유전자나 단백질 등의 발현량 또는 유전자의 돌연변이 등을 검사하고 이를 바탕으로 환자의 치료 방법을 선택하는 개인 맞춤 의료기술이 발달하고 있다.
차세대 염기서열분석(Next Generation Sequencing, NGS)은 유전자 분석에 새로운 전기를 마련하고 있다. 차세대 염기서열분석은 하나의 유전체를 무수히 많은 단편으로 분해하여 각 단편의 염기서열을 동시에 읽어낸 뒤, 컴퓨터 기술을 이용하여 조합함으로써 방대한 유전체 정보를 빠르게 해독하는 방법이다.
NGS의 일례를 설명하면 다음과 같다. 먼저 DNA를 단편으로 자른 뒤 단편의 양끝에 어댑터(adaptor)를 부착하여 라이브러리(library)를 준비한다. 준비된 DNA 라이브러리는 어댑터와 상보적인 올리고(oligo)가 붙어있는 플로우셀(flowcell)에 분주(奔注)되고, 어댑터가 올리고에 결합하여 증폭된다. 이 과정에서 DNA 단편의 어댑터가 플로우셀의 표면에 부착하여 브리지(bridge)를 형성하고, 브리지 주위에 DNA 클러스터가 형성된다. 그 후, DNA를 합성시킬 때 염기가 끼어들면서 나타나는 형광을 측정하는 sequencing by synthesis 기법을 이용하여 염기서열을 해독한다. 염기서열 해독은 클러스터 단위로 이루어지며, 상보적인 염기와 반응이 일어나면 형광 물질에 의해 빛이 발산된다. A, G, C, T 염기마다 다른 색의 빛이 발산될 수 있고, 각 반응에 따른 이미지를 분석하여 염기의 순서를 파악하여 염기서열이 해독된다.
그런데, 플로우셀에 복수의 클러스터가 형성되고, 이미지 센서도 복수의 픽셀로 존재함에 따라, 주변 클러스터의 형광 신호가 이미지 센서로 유입되어 노이즈가 되는 문제가 존재한다.
한편, 미국 공개특허 제2012/0085894호는 나노 홀과 채널 광도파로를 구비한 집적화된 장치를 개시한다. 그런데, 이 장치는 이미지 센서의 픽셀 한 개당 하나의 클러스터의 신호 검출이 가능할 뿐이어서, 이미지 센서의 픽셀 크기보다 더 집적된 패턴을 갖는 클러스터의 경우(예를 들면, 클러스터 간의 간격이 이미지 픽셀의 간격보다 작은 경우)에는 유효한 검출이 어렵다는 문제점이 있다.
또한, 종래 NGS 장비의 경우에는 복잡한 광학계가 요구되거나, 플로우셀의 크기로 인해 시약(reagent)의 양이 많이 소모되는 문제점이 있다. 더불어, 시퀀싱 속도를 향상시키는 것은 NGS에서 지속적으로 개선되어야 할 사항이다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여, 노이즈를 감소시키고 측정 범위를 개선하는 것이 가능한 광학 분석 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
더 나아가 본 발명은, 복잡한 광학계를 사용하지 않고, 집적화된 클러스터의 검출이 가능하며, 시퀀싱 속도를 개선한 광학 분석 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 플로우셀의 광학 분석을 위한 광학 분석 장치에 있어서, 상기 플로우셀에 광을 조사하기 위한 광원; 상기 플로우셀의 반응 영역으로부터의 광 신호를 검출하는 복수의 검출 소자를 포함하는 광 검출기; 및 상기 검출 소자 각각의 전단에 배치되는 광 투과성의 마스크 홀을 포함하는 광학 마스크;를 포함하는 광학 분석 장치를 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 광학 분석 장치는, 상기 광 검출기와 상기 광학 마스크를 설치하고 구동 유닛에 의해 이동되도록 구성된 헤드 유닛을 더 포함한다.
또한, 상기 광학 분석 장치는, 상기 플로우셀을 로딩하는 스테이지를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 광 검출기와 상기 광학 마스크의 조립체와, 상기 광원은 상기 플로우셀을 기준으로 서로 반대측에 배치될 수 있으며, 이에 따라 광학 분석 장치를 구성을 단순화할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 헤드 유닛에는 상기 광 검출기와 상기 광학 마스크 조립체를 미소 구동하는 미소 구동부가 구비된다.
일 실시예에 있어서, 상기 마스크 홀의 크기는 상기 검출 소자의 크기보다 작게 구성된다.
또한, 상기 마스크 홀의 크기는 상기 플로우셀의 상기 반응 영역인 웰의 크기보다 작을 수 있다.
또한, 상기 검출 소자의 픽셀 크기는 상기 웰의 간격과 동일하거나 대략 동등하게 구성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 광 검출기의 특정 검출 소자와 상기 특정 검출 소자와 대응되는 마스크 홀은 상기 플로우셀에 형성된 얼라인 마크를 인식하기 위하여 사용될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 광 검출기에 의해 1회 촬영 가능한 영역 내에 존재하는 상기 플로우셀의 반응 영역은, 상기 검출 소자와 상기 마스크 홀의 조합과 1 대 1로 대응된다.
일 실시예에 있어서, 상기 광 검출기에 의해 1회 촬영 가능한 영역 내에 존재하는 상기 플로우셀의 반응 영역은, 상기 검출 소자와 상기 마스크 홀의 조합보다 더 많을 수 있다.
바람직하게, 상기 플로우 셀의 반응 영역은 적어도 제 1 클러스터 그룹과 상기 제 1 클러스터 그룹에 인접한 제 2 클러스터 그룹으로 구분되고, 상기 광 검출기와 상기 광학 마스크의 조립체는, 상기 제 1 클러스터 그룹에 대한 광 신호를 검출한 후 상기 플로우셀에 대해 상대적으로 미소 쉬프트되어 상기 제 2 클러스터 그룹에 대한 광 신호의 검출을 수행할 수 있다.
또한, 상기 제 1 클러스터 그룹과 상기 제 2 클러스터 그룹은 서로 반복되어 배치될 수 있다.
또한, 상기 검출 소자의 픽셀 크기는 상기 반응 영역인 웰의 간격보다 크게 구성될 수 있다.
또한, 본 발명은, (a) 복수의 검출 소자를 구비하는 광 검출기와 상기 검출 소자 각각의 전단에 배치되는 광 투과성의 마스크 홀이 형성된 광학 마스크를 포함하는 헤드 유닛, 및 광을 조사하는 광원을 포함하는 광학 분석 장치를 준비하는 단계; (b) 플로우셀을 상기 광학 분석 장치에 로딩하는 단계; 및 (c) 상기 헤드 유닛을 상기 플로우셀에 대하여 상대적으로 위치 이동시키며 상기 플로우셀의 반응 영역에 대한 광학 분석을 수행하는 단계;를 포함하는 광학 분석 방법을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 광학 분석 방법은, 상기 (b) 단계 이후에, 상기 플로우셀에 형성된 얼라인 마크를 이용하여 상기 헤드 유닛의 상기 광 검출기와 상기 광학 마스크의 조립체를 상기 플로우셀과 정렬하는 정렬 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 정렬 단계는, 상기 광 검출기의 특정 검출 소자와 상기 특정 검출 소자와 대응되는 마스크 홀을 통해 상기 얼라인 마크를 인식함으로써 수행될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 광 검출기에 의해 1회 촬영 가능한 영역 내에 존재하는 상기 플로우셀의 반응 영역은, 상기 검출 소자와 상기 마스크 홀의 조합보다 더 많을 수 있다.
또한, 상기 플로우 셀의 반응 영역은 적어도 제 1 클러스터 그룹과 상기 제 1 클러스터 그룹에 인접한 제 2 클러스터 그룹으로 구분되고, 상기 (c) 단계는, (c1) 상기 제 1 클러스터 그룹에 대한 광학 분석을 수행하는 단계, (c2) 상기 제 2 클러스터 그룹의 위치로 상기 헤드 유닛을 상기 플로우셀에 대해 상대적으로 위치 이동시키는 단계, 및 (c3) 상기 제 2 클러스터 그룹에 대한 광학 분석을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 클러스터 그룹과 상기 제 2 클러스터 그룹은 서로 반복되어 배치될 수 있다.
본 발명에 따르면, 광학 마스크를 구비함에 따라 검출 소자가 특정 웰로부터의 형광 신호를 획득할 때 주변 웰로부터의 형광 신호를 차단함으로써, 노이즈를 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 플로우셀에 대한 광 검출기(및 광학 마스크)의 상대적인 미소 쉬프트를 통해 집적화된 패턴을 갖는 DNA 클러스터에 대해서도 효과적인 광학 분석을 가능하게 하는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 넓은 면적의 플로우셀을 스캐닝하거나 에어리어(area) 카메라를 구동하는 것에 비해 상대적으로 빠르게 플로우셀에 대한 형광 신호의 검출을 가능하게 하는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 형광 분석 장치의 구성을 단순화할 수 있고, 집적화된 패턴으로 배치된 웰들을 갖는 플로우셀의 활용이 가능하게 되어 시약의 사용을 줄일 수 있는 추가적인 이점이 있다.
도 1은 플로우셀의 일례를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학 분석 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학 분석 장치의 상세 구성을 도시한 도면(도 2의 B 부분의 확대 단면도)이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학 분석 장치에 있어서 광학 마스크와 플로우셀의 웰(클러스터)의 위치 관계를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 광학 분석 장치의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 광학 분석 장치에 있어서 광학 마스크와 플로우셀의 웰(클러스터)의 위치 관계를 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 광학 분석 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학 분석 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학 분석 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
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도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학 분석 장치에 있어서 광학 마스크와 플로우셀의 웰(클러스터)의 위치 관계를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 광학 분석 장치의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 광학 분석 장치에 있어서 광학 마스크와 플로우셀의 웰(클러스터)의 위치 관계를 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 광학 분석 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학 분석 방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 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 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따른 광학 분석 장치 및 방법은, 생물학적 또는 화학적 광학 분석을 위한 것으로서, 일례로 DNA(데옥시리보핵산)의 시퀀싱에 활용될 수 있다. 이하에서는 DNA 시퀀싱을 중심으로 본 발명을 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상이 DNA 시퀀싱에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 플로우셀의 일례를 도시한 도면이고, 도 1의 A 부분의 확대 단면도가 함께 도시된다.
플로우셀(10)은 적어도 하나의 유체 채널(12)을 구비하고, 유체 채널(12)에는 반응 영역으로서 기능하는 복수의 웰(well, 18)이 형성된다. 복수의 웰(18)에는 DNA 단편이 클러스터를 이루며 부착될 수 있다. 복수의 웰들(18)은 격자 형태 또는 지그재그 형태 등 다양한 패턴으로 형성될 수 있다. 유체 채널(12)은 DNA 클러스터들과의 상보적으로 결합하는 염기를 포함하는 시약을 공급하기 위한 유입구(14)와, 시약을 배출하기 위한 유출구(16)와 연결된다.
이러한 플로우셀(10)은 하부 구조를 이루는 베이스 패널(11b)과 유체 채널(12)의 상부를 덮는 커버(11a)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 베이스 패널(11b)과 유체 채널(12)은 광투과성 물질로 이루어질 수 있다. DNA 시퀀싱을 위하여, 플로우셀(10)의 웰(18)에는 DNA 클러스터가 부착된 상태로 준비될 수 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학 분석 장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학 분석 장치의 상세 구성을 도시한 도면(도 2의 B 부분의 확대 단면도)이다.
도 2와 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 분석 장치는, 플로우셀(10)이 로딩되는 스테이지(20), 상기 플로우셀(10)에 부착된 DNA 클러스터의 형광 분석을 위한 광을 조사하는 광원(30), 및 형광 신호를 획득하기 위한 헤드 유닛(40)을 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 광학 분석 장치는 헤드 유닛(40)의 구동을 위한 구동 유닛(80)을 추가로 포함할 수 있다.
헤드 유닛(40)은, 형광 신호를 전기 신호로 변환하는 광 검출기(50)와, 형광 신호 획득시 노이즈를 저감하기 위한 광학 마스크(60)를 포함할 수 있다. 또한, 헤드 유닛(40)에는 형광 신호의 검출시 특정 파장 대역의 광을 필터링하는 광학 필터(70)가 추가로 포함될 수 있다.
스테이지(20)는 플로우셀(10)을 로딩하여 지지하는 기능을 수행한다. 스테이지(20)는 고정된 형태로 구비될 수 있을 뿐만 아니라, 경우에 따라서는 스테이지(20)가 평면상에서 적어도 일방향으로 구동되도록 구비될 수 있다. 도 2에서는 가로 방향을 X축으로 세로 방향을 Z축으로 표시하였고, 지면에 수직한 방향이 Y축이 된다. 스테이지(20)가 구동 가능하게 구비되는 경우, 스테이지(20)는 X축 및 Y축 중 적어도 일 방향을 따라 구동되어 플로우셀(10)과 헤드 유닛(40)의 상대 위치를 조정할 수 있다. 또한, 스테이지(20)는 Z축 방향으로 구동되어 플로우셀(10)과 헤드 유닛(40) 간의 간격을 조절할 수 있다.
광원(30)은 플로우셀(10)의 하부에 구비될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 광원(30)은 플로우셀(10)을 기준으로 광 검출기(50)의 반대편에 위치된다. 광원(30)이 광 검출기(50)의 측부 또는 광 검출기(50)와 동축으로 배치되는 것도 가능할 수 있으나, 도 2에 도시된 바와 같이 광원(30)을 배치하는 경우 광원(30) 배치 구조를 단순화할 수 있는 장점이 있다. 일 실시예에 있어서 광원(30)은 면 광원으로 구비될 수 있다. 또한, 일 실시예에 있어서, 광원(30)은 광도파로(optical waveguide) 형태로 구비되고, 별도의 광 발생기로부터 발생된 광이 광도파로를 통해 전달되어 플로우셀(10)에 광이 조사될 수 있다.
광 검출기(50)는 기판(54)과 기판(54)에 형성된 복수의 검출 소자(52)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 검출 소자(52)는 형광 신호를 검출하는 것으로서, 형광 신호를 전기적 신호로 변환한다. 이러한 검출 소자(52)는 CCD 또는 CMOS 방식으로 구현되어 하나의 픽셀을 형성할 수 있다. 또한, 광 검출기(50)는 복수의 검출 소자(즉, 픽셀)가 어레이 형태로 배열된 이미지 센서로 구현될 수 있다. 복수의 픽셀이 어레이 형태로 배열된 이미지 센서로 광 검출기(50)로 구현하는 경우, 각각의 픽셀에 의해 형광 신호가 검출되고, 하나 이상의 이미지로서 형광 신호의 검출 결과를 획득할 수 있다.
광학 마스크(60)는 검출 소자(52)에 대응되게 관통 형성되거나 광 투과 가능하게 형성된 마스크 홀(62)을 포함하고, 마스크 홀(62)을 제외한 부분은 광이 투과하지 않는 재질로 이루어진다. 광학 마스크(60)는 복수의 마스크 홀(62)이 형성된 평판 형태로 구성될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 광학 마스크(60)의 마스크 홀(62)은 검출 소자(52)의 픽셀 크기보다 작게 형성될 수 있다. 마스크 홀(62)에 의해 검출 소자(52)의 중앙을 중심으로 특정 웰(18)에서의 형광 신호가 입사될 수 있다. 마스크 홀(62)은 사각형으로 형성될 수 있으나, 원형, 삼각형 등 사각형이 아닌 형상으로 구비되는 것도 가능하다. 광학 마스크(60)는 특정 웰(18)에서의 형광 신호가 대응되는 검출 소자(52)로 전달될 수 있도록 하고, 주변 웰(18)로부터의 형광 신호가 입사되는 것을 방지한다. 일 실시예에 있어서, 마스크 홀(62)의 크기는 웰(18)의 크기보다 작게 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 광 검출기(50)와 광학 마스크(60)는, 검출 소자(52)와 마스크 홀(62)이 매칭되게 배치된 상태로, 헤드 유닛(40)에 고정될 수 있다.
구동 유닛(80)은 헤드 유닛(40)을 적어도 일 방향으로 구동하기 위한 요소로서, 리니어 모터와 같은 구동 수단에 의해 구성될 수 있다. 구동 유닛(80)은 헤드유닛 지지부(82)를 통해 헤드 유닛(40)과 연결될 수 있다. 구동 유닛(80)은 헤드 유닛(40)을 도 2의 X축 및 Y축 중 적어도 일 방향으로 이동시킬 수 있다. 또한, 구동 유닛(80)은 헤드 유닛(40)을 Z축 방향으로 구동하는 구동부를 추가로 구비하는 것도 가능할 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학 분석 장치에 있어서 광학 마스크와 플로우셀의 웰(클러스터)의 위치 관계를 설명하는 도면이다.
도 4의 (a)는 마스크 홀(62)이 형성된 광학 마스크(60)를 나타낸다. 광학 마스크(60)의 각각의 마스크 홀(62)에는, 마스크 홀(62)과 대응되는 검출 소자(52)가 위치한다. 도 4의 (a)에서 검출 소자(52)의 픽셀 크기는 w1이고, 마스크 홀(62)의 크기(마스크 홀(62)이 원형인 경우에는 지름)는 w2이다. w2는 w1보다 작다. 마스크 홀(62)에 의해 특정 웰(18) 주변으로부터의 형광 신호가 특정 검출 소자(52)로 번지는 것이 방지될 수 있다. 마스크 홀(62)의 중심은 검출 소자(52)의 중심과 일치되게 배치될 수 있다.
도 4의 (b)는 플로우셀(10)에 형성된 복수의 웰들(18)의 배치를 나타낸다. 인접하는 웰들(18) 간의 간격은 d1이고, 웰(18)의 크기(또는 직경)은 d2이다. 웰들(18) 간의 간격(d1)은 인접하는 웰들(18)의 중심 사이의 거리로 정의될 수 있다. 본 발명의 실시에 있어서, 픽셀 크기(w1)는 웰들(18) 간의 간격(d1)과 같거나 대략 동일할 수 있다. 마스크 홀(62)의 크기(w2)는 웰(18)의 크기(d2)보다 작을 수 있다. 마스크 홀(62)의 크기(w2)가 웰(18)의 크기(d2)보다 작게 형성되는 경우, 특정 웰(18)로부터의 형광 신호 외의 노이즈의 유입을 더욱 방지할 수 있다.
도 4의 (c)는 광학 마스크(60)가 플로우셀(10)의 웰들(18)의 상부에 배치된 상태를 나타낸다.
도 4의 (a) 내지 (c)에서는 7x7의 형태로 마스크 홀(62)이 형성된 것을 예시하였으나, 실제 광학 마스크(60)의 크기에 따라 마스크 홀(62)의 개수는 증가될 수 있다.
광 검출기(50)의 촬영 가능 영역에 해당하는 플로우셀(10)의 일부 영역에 대하여 형광 신호의 검출이 완료된 후, 헤드 유닛(40) 또는 스테이지(20) 중 적어도 하나가 구동되어 촬영되지 않은 플로우셀(10)의 영역에 헤드 유닛(40)이 위치하고 그 영역에서의 형광 신호의 검출이 수행된다.
한편, 도 1을 참조하면, 플로우셀(10)에는 얼라인 마크(100)가 형성될 수 있다. 얼라인 마크(100)는 헤드 유닛(40)을 플로우셀(10)에 정렬하기 위한 기준이 될 수 있다. 도 1에 도시한 얼라인 마크(100)는 일례일 뿐이며, 필요에 따라 얼라인 마크(100)의 위치가 변경되거나 개수를 증가시키는 것도 가능하다.
일 실시예에 있어서, 얼라인 마크(100)는 플로우셀(10)에 구비된 특정 홀(18)의 중심을 기준으로 구비될 수 있다. 광학 마스크(60)의 복수의 마스크 홀(62) 중 특정 마스크 홀(62) 및 특정 마스크 홀(62)에 대응하는 검출 소자(52)가 얼라인 마크(100)를 이용한 정렬을 위한 용도로 사용될 수 있다. 특정 검출 소자(52)의 중앙에 얼라인 마크(100)가 위치하면 검출 소자(52)와 마스크 홀(62) 및 웰(18)이 정확히 정렬된 것으로 판단될 수 있다. 만약, 얼라인 마크(100)가 정확히 인식되지 않는 경우, 헤드 유닛(40) 또는 스테이지(20)를 미세하게 쉬프트(shift)하여 정렬이 이루어지도록 한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 광학 분석 장치의 상세 구성을 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 광학 분석 장치에 있어서 광학 마스크와 플로우셀의 웰(클러스터)의 위치 관계를 설명하는 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 검출 소자(52)와 마스크 홀(62)의 개수보다 웰(18)의 개수가 더 많다는 점에서 도 3 및 도 4의 구성과 차이가 있다. 도 5와 도 6에서는 광 검출기(50)가 커버하는 영역에서 웰(18)의 개수가 검출 소자(52) 및 마스크 홀(62)의 개수의 2배인 것으로 예시하였다. 다만 본 발명의 실시에 있어서, 웰(18)의 개수는 검출 소자(52)와 마스크 홀(62) 개수의 3배 또는 4배 이상일 수도 있다. 또한, 도 6에서는 X축 방향으로 웰(18)의 개수가 2배인 것으로 예시하였으나, X축 방향뿐만 아니라 Y축 방향으로도 웰(18)의 개수가 2배로 배치되는 것도 가능함은 물론이다.
도 6의 (a)는 마스크 홀(62)이 형성된 광학 마스크(60)를 나타내며, 도 6의 (b)는 플로우셀(10)에 형성된 복수의 웰들(18)의 배치로서 X축 방향으로 웰(18)이 14열로 배치된 것을 나타낸다.
도 6의 (b)를 참조하면, 좌측 열로부터, 제 1 클러스터 그룹(18A)과 제 2 클러스터 그룹(18B)이 교번하여 배치되고 있다. 이 때, 제 1 클러스터 그룹(18A)과 제 2 클러스터 그룹(17B) 간의 거리는 d3이고 d3=(w1)/2일 수 있다.
도 6의 (c)는 제 1 클러스터 그룹(18A)에 대한 형광 신호의 검출을 나타내고, 도 6의 (d)는 제 2 클러스터 그룹(18B)에 대한 형광 신호의 검출을 나타낸다.
도 6의 (c)를 참조하면, 마스크 홀(62)을 통해 제 1 클러스터 그룹(18A)의 형광 신호가 통과하도록 헤드 유닛(40)이 플로우셀(10)에 대해 상대적으로 위치한다. 도 6의 (c)의 상태에서 광 검출기(50)는 제 1 클러스터 그룹(18A)에 대한 형광 신호를 검출한다.
도 6의 (d)를 참조하면, 헤드 유닛(40)을 X축의 양(+)의 방향으로 구동하거나, 스테이지(20)를 X축의 음(-)의 방향으로 구동하거나, 또는 헤드 유닛(40)과 스테이지(20)를 모두 구동하여, 마스크 홀(62)을 통해 제 2 클러스터 그룹(18B)의 형광 신호가 통과하도록 헤드 유닛(40)이 플로우셀(10)에 대해 상대적으로 위치한다. 도 6의 (d)의 상태에서 광 검출기(50)는 제 2 클러스터 그룹(18B)에 대한 형광 신호를 검출한다.
광학 마스크(60)의 마스크 홀(62)에 의해 해당 웰(18)로부터의 형광 신호 외의 인접 웰(18)로부터의 신호가 해당 검출 소자(52)로 유입되는 것이 방지 또는 최소화된다. 또한, 도 5와 도 6의 실시예에 따르면, 검출 소자(52)보다 더욱 집적화된 패턴을 갖는 클러스터에 대해서도 효과적이고 빠른 형광 신호의 검출이 수행될 수 있게 된다.
도 7은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 광학 분석 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7에 도시된 실시예에서는, 광 검출기(50)와 광학 마스크(60)를 미소(微小) 쉬프트(shift)하기 위한 미소 구동부(90)가 헤드 유닛(40)에 추가로 구비된다는 점에서 도 2의 실시예와 차이가 있다.
미소 구동부(90)는 광 검출기(50)와 광학 마스크(60)의 결합체를 미소하게 쉬프트시킬 수 있다. 일 실시예에 있어서, 이러한 미소 구동부(90)는 피에조 방식으로 구동되는 미소 구동 스테이지를 포함하고, 상기 구동 스테이지에 광 검출기(50)와 광학 마스크(60)를 설치하도록 구성될 수 있다. 미소 구동부(90)를 추가로 구비하는 경우, 헤드 유닛(40)의 큰 이동은 구동 유닛(80)을 이용하여 수행하고, 도 6의 (c)에서 도 6의 (d)로의 이동은 미소 구동부(90)에 의해 수행될 수 있다.
다음으로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학 분석 방법을 설명한다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학 분석 방법을 나타내는 순서도이다.
먼저, 광학 분석 장치를 준비한다(S100). 광 검출기(50)와 광학 마스크(60)가 결합된 상태로 헤드 유닛(40)이 준비되고, 형광 신호 획득을 위한 광원(30)을 준비한다. 이러한 광학 분석 장치는 플로우셀(10)을 로딩하기 위한 스테이지(20)를 포함할 수 있고, 광원(30)은 플로우셀(10)의 하부에 위치하도록 배치될 수 있다.
광학 분석 장치가 준비된 후, DNA 클러스터가 부착된 플로우셀(10)을 광학 분석 장치에 로딩한다(S110).
광 검출기(50)를 플로우셀(10)과 정렬한다(S120). 다시 말하면, S120은 광 검출기(50)와 광학 마스크(60)의 조립체를 플로우셀(10)에 정렬하는 과정이다. 광 검출기(50)의 정렬은 플로우셀(10)에 형성된 얼라인 마크를 인식함으로써 이루어질 수 있다. 이 때, 구동 유닛(80)을 이용하여 헤드 유닛(40)을 이동시키거나, 헤드 유닛(40)에 구비되어 광 검출기(50)와 광학 마스크(60)의 조립체를 미소 쉬프트시키는 미소 구동부(90)를 구동하거나, 플로우셀(10)이 로딩된 스테이지(20)를 이동시킬 수 있다. 일 실시예에 있어서, S120의 정렬은 광 검출기(50)의 특정 검출 소자(52)와 이에 대응되는 광학 마스크(60)의 특정 마스크 홀(62)에 상기 얼라인 마크가 위치하도록 함으로써 수행될 수 있다. 이를 위해, 복수의 검출 소자 중에서, 특정 위치에 있는 검출 소자(52)는 얼라인 마크 인식용으로 정해질 수 있다. 만약, 특정 검출 소자(52)가 아닌 다른 검출 소자에 얼라인 마크가 인식되는 경우, 특정 검출 소자(52)에 얼라인 마크가 인식되도록 헤드 유닛(40), 스테이지(20) 또는 미소 구동부(90)가 구동될 수 있다.
S120의 정렬이 완료된 후 플로우셀(10)의 전체 영역에 대하여 순차적으로 형광 신호를 검출하여 광학 분석을 수행한다. 이 과정은 헤드 유닛(40)을 플로우셀(10)에 대해 상대적으로 이동시키면서 형광 신호를 취득함으로써 이루어질 수 있다.
도 5 및 도 6과 같이 플로우셀(10)과 광 검출기(50) 및 광학 마스크(60)가 구비된 경우에 대한 광학 분석 방법의 추가 단계를 설명하면 다음과 같다.
S120에 따른 정렬이 완료된 후, 제 1 클러스터 그룹(18A)에 대한 광학 분석을 수행한다(S130). 광 검출기(50)의 검출 소자(52)와 이에 대응되는 마스크 홀(62)이 제 1 클러스터 그룹(18A)에 속하는 웰들(18)과 정렬된 상태에서 제 1 클러스터 그룹(18A)으로부터의 형광 신호를 각각의 검출 소자(52)로 검출한다. 광원(30)은 S130의 단계에서 온(On)되어 광의 조사를 개시할 수 있다. 제 1 클러스터 그룹(18A)에 속하는 웰들(18)에서의 형광 신호는 광학 마스크(60)의 마스크 홀(62)을 통해 각각의 검출 소자(52)로 전달된다.
S130이 완료된 후, 광 검출기(50) 및 광학 마스크(60)의 조립체를 제 2 클러스터 그룹(18B)과 정렬한다(S140). 광 검출기(50)의 검출 소자(52)와 이에 대응되는 마스크 홀(62)이 제 2 클러스터 그룹(18B)에 속하는 웰들(18)과 정렬되도록 헤드 유닛(40) 또는 스테이지(20) 중 적어도 하나 또는 미소 구동부(90)를 구동시킨다. 일 실시예에 있어서, S130이 완료된 후 광원(30)은 오프(Off)되고, S150을 수행하는 시점에서 광원(30)은 다시 온(On)될 수 있다.
S140 단계 이후, 제 2 클러스터 그룹(18B)에 대한 광학 분석을 수행한다(S150). 제 2 클러스터 그룹(18B)에 속하는 웰들(18)에서의 형광 신호는 광학 마스크(60)의 마스크 홀(62)을 통해 각각의 검출 소자(52)로 전달된다.
형광 신호 획득이 되지 않은 다른 클러스터에 대한 광학 분석을 반복하여 수행함으로써 모든 클러스터에 대한 광학 분석을 수행한다(S160).
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 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 플로우셀 12 : 유체 채널
14 : 유입구 16 : 유출구
18 : 웰(반응 영역) 20 : 스테이지
30 : 광원 40 : 헤드 유닛
50 : 광 검출기 52 : 검출 소자
54 : 기판 60 : 광학 마스크
62 : 마스크 홀 70 : 광학 필터
80 : 구동 유닛 90 : 미소 구동부
14 : 유입구 16 : 유출구
18 : 웰(반응 영역) 20 : 스테이지
30 : 광원 40 : 헤드 유닛
50 : 광 검출기 52 : 검출 소자
54 : 기판 60 : 광학 마스크
62 : 마스크 홀 70 : 광학 필터
80 : 구동 유닛 90 : 미소 구동부
Claims (20)
- 플로우셀의 광학 분석을 위한 광학 분석 장치에 있어서,
상기 플로우셀에 광을 조사하기 위한 광원;
상기 플로우셀의 반응 영역으로부터의 광 신호를 검출하는 복수의 검출 소자를 포함하는 광 검출기; 및
상기 검출 소자 각각의 전단에 배치되는 광 투과성의 마스크 홀을 포함하는 광학 마스크;를 포함하고,
상기 마스크 홀의 크기는 상기 검출 소자의 크기보다 작고,
상기 광 검출기에 의해 1회 촬영 가능한 영역 내에 존재하는 상기 플로우셀의 반응 영역은, 상기 검출 소자와 상기 마스크 홀의 조합과 1 대 1로 대응되거나 상기 검출 소자와 상기 마스크 홀의 조합보다 더 많고,
상기 반응 영역과 상기 마스크 및 상기 검출소자 간의 이격 거리는, 상기 검출 소자가 특정 반응 영역으로부터의 광 신호를 획득할 때 주변 반응 영역으로부터의 광 신호를 차단하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 광학 분석 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 광 검출기와 상기 광학 마스크가 설치되고, 구동 유닛에 의해 이동되도록 구성된 헤드 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 분석 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 플로우셀을 로딩하는 스테이지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 분석 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 광 검출기와 상기 광학 마스크의 조립체와, 상기 광원은 상기 플로우셀을 기준으로 서로 반대측에 배치되는 것을 특징으로 하는 광학 분석 장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 헤드 유닛에는 상기 광 검출기와 상기 광학 마스크의 조립체를 미소 구동하는 미소 구동부가 구비된 것을 특징으로 하는 광학 분석 장치. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 마스크 홀의 크기는 상기 플로우셀의 상기 반응 영역인 웰의 크기보다 작은 것을 특징으로 하는 광학 분석 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 광 검출기의 특정 검출 소자와 상기 특정 검출 소자와 대응되는 마스크 홀은 상기 플로우셀에 형성된 얼라인 마크를 인식하기 위하여 사용되는 것을 특징으로 하는 광학 분석 장치. - 제 7 항에 있어서,
상기 검출 소자의 픽셀 크기는 상기 웰의 간격과 동일한 것을 특징으로 하는 광학 분석 장치. - 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 광 검출기에 의해 1회 촬영 가능한 영역 내에 존재하는 상기 플로우셀의 상기 반응 영역의 수가 상기 검출 소자와 상기 마스크 홀의 조합보다 더 많은 경우, 상기 플로우 셀의 반응 영역은 적어도 제 1 클러스터 그룹과 상기 제 1 클러스터 그룹에 인접한 제 2 클러스터 그룹으로 구분되고,
상기 광 검출기와 상기 광학 마스크의 조립체는, 상기 제 1 클러스터 그룹에 대한 형광 신호를 검출한 후 상기 플로우셀에 대해 상대적으로 미소 쉬프트되어 상기 제 2 클러스터 그룹에 대한 형광 신호의 검출을 수행하는 것을 특징으로 하는 광학 분석 장치. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 1 클러스터 그룹과 상기 제 2 클러스터 그룹은 서로 반복되어 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 분석 장치. - 제 12 항에 있어서,
상기 검출 소자의 픽셀 크기는 상기 반응 영역인 웰의 간격보다 큰 것을 특징으로 하는 광학 분석 장치. - (a) 제 1 항에 따른 광학 분석 장치를 준비하는 단계;
(b) 상기 플로우셀을 상기 광학 분석 장치에 로딩하는 단계; 및
(c) 상기 광 검출기와 상기 광학 마스크를 구비한 헤드 유닛을 상기 플로우셀에 대하여 상대적으로 위치 이동시키며 상기 플로우셀의 반응 영역에 대한 광학 분석을 수행하는 단계;
를 포함하는 광학 분석 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 (b) 단계 이후에, 상기 플로우셀에 형성된 얼라인 마크를 이용하여 상기 헤드 유닛의 상기 광 검출기와 상기 광학 마스크의 조립체를 상기 플로우셀과 정렬하는 정렬 단계를 더 포함하는 광학 분석 방법. - 제 16 항에 있어서,
상기 정렬 단계는, 상기 광 검출기의 특정 검출 소자와 상기 특정 검출 소자와 대응되는 마스크 홀을 통해 상기 얼라인 마크를 인식함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 광학 분석 방법. - 삭제
- 제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광 검출기에 의해 1회 촬영 가능한 영역 내에 존재하는 상기 플로우셀의 반응 영역의 수가 상기 검출 소자와 상기 마스크 홀의 조합보다 더 많은 경우, 상기 플로우 셀의 반응 영역은 적어도 제 1 클러스터 그룹과 상기 제 1 클러스터 그룹에 인접한 제 2 클러스터 그룹으로 구분되고,
상기 (c) 단계는,
(c1) 상기 제 1 클러스터 그룹에 대한 광학 분석을 수행하는 단계,
(c2) 상기 제 2 클러스터 그룹의 위치로 상기 헤드 유닛을 상기 플로우셀에 대해 상대적으로 위치 이동시키는 단계, 및
(c3) 상기 제 2 클러스터 그룹에 대한 광학 분석을 수행하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 분석 방법. - 제 19 항에 있어서,
상기 제 1 클러스터 그룹과 상기 제 2 클러스터 그룹은 서로 반복되어 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 분석 방법.
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