KR102331711B1 - 현장진료를 위한 미세유체칩 다중 채널 형광측정 장치 - Google Patents

현장진료를 위한 미세유체칩 다중 채널 형광측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미세유체칩 다중 채널 형광측정 장치에 관한 것으로, 다중 채널을 갖는 미세유체칩이 포함된 시료 모듈과, 상기 시료 모듈의 시료에 광을 조사하기 위한 다수의 엘이디(LED) 광원이 구비되는 광원 모듈과, 상기 광원 모듈에서 조사된 광이 상기 시료 모듈을 통과하면서 미세유체칩의 채널 속의 시료를 들뜨게 하여 형광을 유발하고, 상기 시료의 형광 신호를 수집하여 전달하는 신호 수집/전달 모듈과, 상기 신호 수집/전달 모듈에서 전달된 신호를 통해 상기 미세유체칩의 다중 채널에 대한 형광을 동시 다발적으로 측정이 가능한 형광 측정 모듈을 포함하며, 각각의 모듈은 교체형으로 제작되어 측정하고자 하는 미세유체칩에 따라 변경이 가능하고, 현장진료를 위해 휴대가 가능한 크기로 제작되어 세부적인 광학 경로 조절이 필요치 않아 최적화된 세기의 신호를 측정할 수 있는 효과가 있다.

Description

현장진료를 위한 미세유체칩 다중 채널 형광측정 장치{Multi channel flourmeter for point-of-care system based on Microfluidic chip fluorescence detection}
본 발명은 미세유체칩 다중 채널 형광측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미세유체칩에서 바이러스 RNA가 검출될 때 나타나는 극미량의 형광신호를 검출하며, 현장 진료를 위해 휴대가 가능한 크기로 제작되어 세부적인 광학 경로 조절이 필요치 않아 최적화된 세기의 신호를 측정할 수 있는 현장진료를 위한 미세유체칩 다중 채널 형광측정 장치에 관한 것이다.
종래의 형광측정 장치는 대부분 단일시료에 대한 측정만 가능하다. 결국 많은 횟수의 실험 없이는 높은 신호 대 잡음비를 얻을 수 없고 측정효율 역시 떨어진다.
이를 보완한 기존의 다중신호를 측정할 수 있는 장치는 측정경로가 복잡하고 큰 장치에 대면적 광원 및 복잡한 광원장치의 사용으로 인한 측정효율의 감소 등 여러 가지 문제점을 가지고 있어 측정에 한계를 보였다.
특히 다중신호를 한 번에 검출하기 위해 많은 경로를 거치는 과정에서 형광 신호의 소실이 일어나기 때문에 검출감도가 떨어져 극미량의 형광을 방출하는 바이오칩에서의 높은 신호 대 잡음비를 얻기 힘들다.
또한, 기존의 장치는 들뜸 광원 및 광학장치를 쉽게 바꿀 수 없어 측정 응용범위가 제한적인 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-0912626호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 본 발명은 LED 칩의 다중 광원을 이용하여 미세유체칩의 다중 채널에 대한 형광을 동시 다발적으로 측정 가능한 미세유체칩 다중 채널 형광측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 높은 신호 대 잡음비를 얻기 위해 간단한 형광측정 경로를 제시하여 형광의 소실을 최소화할 수 있는 미세유체칩 다중 채널 형광측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 휴대가 가능한 크기(약 10cm)로 소형화하여 현장에서 형광 측정이 가능한 극미량 시료의 형광검출에 특화된 미세유체칩 다중 채널 형광측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 각 구성부를 모듈형으로 제작하여, 필요에 따라 각각의 모듈을 교체할 수 있어서 측정에 대한 넓은 응용범위를 가지는 미세유체칩 다중 채널 형광측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 다중 채널을 갖는 미세유체칩이 포함된 시료 모듈과, 상기 시료 모듈의 시료에 광을 조사하기 위한 다수의 엘이디(LED) 광원이 구비되는 광원 모듈과, 상기 광원 모듈에서 조사된 광이 상기 시료 모듈을 통과하면서 미세유체칩의 채널 속의 시료를 들뜨게 하여 형광을 유발하고, 상기 시료의 형광 신호를 수집하여 전달하는 신호 수집/전달 모듈과, 상기 신호 수집/전달 모듈에서 전달된 신호를 통해 상기 미세유체칩의 다중 채널에 대한 형광을 동시 다발적으로 측정이 가능한 형광 측정 모듈을 포함하며, 각각의 모듈은 교체형으로 제작되어 측정하고자 하는 미세유체칩에 따라 변경이 가능한 것을 특징으로 하는 미세유체칩 다중 채널 형광측정 장치가 제공된다.
본 발명에서, 상기 시료 모듈은 다중 채널을 갖는 미세유체칩과, 상기 미세유체칩을 거치하기 위한 샘플 거치대와, 상기 샘플 거치대에 거치된 미세유체칩의 시료에 광이 조사될 수 있도록 시료의 위치를 조절하기 위한 미세위치 조정기를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 미세위치 조정기는 상기 샘플 거치대에 거치된 미세유체칩을 X방향과 Y방향으로 조절하기 위한 XY 스테이지 인 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 광원 모듈은 다수의 엘이디(LED) 광원이 구비되는 엘이디 칩과, 상기 엘이디 광원에 전원을 공급하기 위한 배터리와, 상기 미세유체칩의 시료 위치에 맞도록 상기 엘이디 광원을 고정하기 위한 엘이디 고정판을 포함할 수 있다.
상기 엘이디 칩은 미세유체칩의 각 시료 위치에 맞게 각각의 엘이디 광원이 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 신호 수집/전달 모듈은 상기 엘이디 광원에서 조사되어 확산되는 광을 모아주는 색지움 이중 렌즈와, 상기 색지움 이중 렌즈를 통과한 광원을 차단하기 위한 롱패스 필터와, 각 채널의 다중 형광신호를 개별적으로 전달하여 동시에 다중 형광 측정이 가능하도록 하는 다중 광섬유와, 상기 다중 광섬유가 고정되는 광섬유 고정판을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 색지움 이중 렌즈는 광원에 의해 들뜬 시료의 형광을 집광하도록 2개의 짧은 초점 거리를 갖는 색지움 이중 렌즈로 이루어질수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 측정 모듈은 다중 광섬유에서 받은 형광신호를 한 번에 측정할 수 있는 휴대형 분광기로 이루어질 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명에 의하면, 다중 LED 광원을 이용하여 미세유체칩의 다중 채널에 대한 형광을 동시 다발적으로 측정이 가능한 효과가 있다.
뿐만 아니라 본 발명은 큐벳으로의 시료 옮김 과정이 없어 현장에서 간편하게 미세유체칩의 형광을 측정 가능하여 신호 대 잡음비를 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 모듈 교체형(광원 모듈,시료 모듈,신호 수집/전달 모듈,측정 모듈)으로 제작되어 측정에 대한 넓은 응용범위를 가지며, 이러한 방식의 채택은 신호 대 잡음비의 향상 뿐 아니라 장치의 소형화에도 크게 기여한다.
도 1은 본 발명의 미세유체칩 다중 채널 형광측정 장치의 구성을 전체적으로 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 미세유체칩 다중 채널 형광측정 장치의 외관 사시도이다.
도 3은 본 발명의 신호 수집/전달 모듈의 작동방식을 나타내기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 미세유체칩을 도시한 평면도이다.
도 5는 본 발명의 장치 테스트 결과를 나타낸 그래프로서, 로다민 B 염료 필름 상으로 형광 테스트를 진행한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 다중 측정에 사용된 광섬유 증가에 따른 로다민 B의 형광을 나타내는 그래프이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 미세유체칩 다중 채널 형광측정 장치의 구성을 전체적으로 도시한 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 미세유체칩 다중 채널 형광측정 장치의 외관 사시도이다.
본 발명의 미세유체칩 다중 채널 형광측정 장치는 다중 광원을 이용하여 미세유체칩의 다중 채널에 대한 형광을 동시 다발적으로 측정하기 위한 것으로, 특히, 각 구성부를 모듈형으로 제작하여 필요에 따라 각각의 모듈을 교체할 수 있도록 함으로써, 측정에 대한 넓은 응용범위를 가지는데 특징이 있다.
이에, 본 발명은 크게 시료 모듈(100), 광원 모듈(200), 신호 수집/전달 모듈(300) 및 형광 측정 모듈(400)로 구성된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는 상기 광원 모듈(200), 시료 모듈(100), 신호 수집/전달 모듈(300), 형광 측정 모듈(400)의 순서로 수직되게 배열되는 구조를 갖으며, 그 크기가 대략 손전등 정도로 하여 현장 진료를 위해 휴대가 가능한 사용편의성을 갖도록 한다.
본 발명에서, 상기 시료 모듈(100)은 다중 채널(112)을 갖는 미세유체칩(110)과, 상기 미세유체칩(110)을 거치하기 위한 샘플 거치대(120)와, 상기 샘플 거치대(120)에 거치된 미세유체칩(110)의 시료에 광이 조사될 수 있도록 시료의 위치를 조절하기 위한 미세위치 조정기(130)를 포함한다.
본 발명에서의 미세유체칩(110)은 다중 채널(112)로 구성되어 복수 측정이 동시에 가능하도록 하며, 각각의 채널(112)은 하부의 엘이디 광원의 광이 직접 채널(112)을 통과하면서 채널 속의 시료를 들뜨게 하여 형광을 유발할 수 있도록 미세유체칩(110)에 수직방향으로 관통되게 형성되는 구조를 가진다.
또한, 각각의 채널(112)은 방사형으로 형성되는 것이 바람직한데, 본 발명의 실시예에서는 도 4에서 보는 바와 같이, 상기 미세유체칩(110)이 12개의 다중 채널(112)을 포함하도록 하였으며, 이 경우 각 채널마다 30°의 각도로 형성될 수 있다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되지는 않으며 일반적인 필름 형태의 시료도 측정이 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 미세유체칩(110)을 도 4에서 보는 바와 같이, 8각형의 외곽을 갖도록 형성할 수도 있으며, 원형의 형태로도 가능하다.
한편, 샘플 거치대(120)는 상기 미세유체칩(110)을 거치하기 위한 것으로, 하부에 구성되는 광원 모듈(200)의 광이 시료에 직접 조사될 수 있도록 홀(122)이 형성되며, 상기 홀(122) 위에 미세유체칩(110)이 거치되도록 상기 홀(122)은 미세유체칩(110) 보다 작은 크기를 갖는다.
이와 같은 샘플 거치대(120)는 미세위치 조정기(130)에 의해 X방향과 Y방향으로 이동될 수 있다. 즉, 상기 미세위치 조정기(130)는 샘플 거치대(120) 위에 거치된 미세유체칩(110)의 시료에 광이 조사될 수 있도록 시료의 위치를 수평방향으로 조절하기 위한 것으로, 상기 샘플 거치대에 거치된 미세유체칩을 X방향과 Y방향으로 조절하기 위한 XY 스테이지로 이루어질 수 있다.
상기 XY 스테이지는 통상적인 공지의 구조가 적용될 수 있으므로, 본 발명에서는 이에 대해 상세한 설명은 생략한다.
한편, 상기 광원 모듈(200)은 상기 시료 모듈(100)의 시료에 광을 조사하기 위한 다수의 엘이디(LED) 광원(212)이 구비되는 엘이디 칩(210)과, 상기 엘이디 광원에 전원을 공급하기 위한 배터리(230)와, 상기 미세유체칩의 시료 위치에 맞도록 상기 엘이디 광원을 고정하기 위한 엘이디 고정판(220)을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 엘이디 칩(210))은 미세유체칩의 각 시료 위치에 맞는 엘이디가 설치되어 엘이디의 광이 각 채널의 시료에 조사되도록 구성할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 엘이디에 전원을 공급하는 배터리(230)를 사용함으로써, 본 발명의 장치를 휴대용으로 구성할 수 있다.
한편, 상기 신호 수집/전달 모듈(300)은 상기 광원 모듈(200)에서 조사된 광이 상기 시료 모듈(100)을 통과하면서 미세유체칩(110)의 채널(112) 속의 시료를 들뜨게 하여 유발된 형광 신호를 수집하여 전달하는 것으로, 상기 신호 수집/전달 모듈(300)은 상기 엘이디 광원(212)에서 조사되어 확산되는 광을 모아주는 색지움 이중 렌즈(310)(320)와, 상기 색지움 이중 렌즈를 통과한 광원을 차단하기 위한 롱패스 필터(330)와, 각 채널의 다중 형광신호를 개별적으로 전달하여 동시에 다중 형광 측정이 가능하도록 하는 다중 광섬유(340)와, 상기 다중 광섬유(340)가 고정되는 광섬유 고정판(350)을 포함할 수 있다.
상기 색지움 이중 렌즈(310)(320)와 롱패스 필터(330)는 원통형의 하우징(360) 내부에 설치되며, 상기 엘이디 광원(212)에서 조사되어 확산되는 광을 모아준 후 필터링을 통해 형광 신호만 다중 광섬유(340)로 전달해준다.
여기서, 상기 색지움 이중 렌즈(310)(320)는 광원에 의해 들뜬 시료의 형광을 집광하도록 2개의 짧은 초점 거리를 갖는 색지움 이중 렌즈로 이루어질수 있다.
이와 같이, 상기 신호 수집/전달 모듈(300)에서 수집 및 전달된 신호는 형광 측정 모듈(400)에 도달하여 상기 미세유체칩의 다중 채널에 대한 형광을 동시 다발적으로 측정할 수 있게 된다.
본 발명에 있어서, 상기 측정 모듈(400)은 다중 광섬유(340)에서 받은 형광신호를 한 번에 측정할 수 있는 휴대형 분광기로 이루어질 수 있다.
이와 같은 본 발명의 장치는 전체 구성부가 모듈형으로 구성되고, 각각의 모듈은 교체형으로 제작되어 측정하고자 하는 미세유체칩에 따라 변경이 가능한 것을 특징으로 한다.
이와 같이 구성되는 본 발명의 미세유체칩 다중 채널 형광측정 장치의 기능 및 작용을 설명하면 다음과 같다.
먼저, LED 고정판(220)에 LED 칩(210)을 고정하고, 그 위에 최대한 근접하게 미세유체칩(110)을 놓는다. XY 스테이지(130)를 이용해 시료의 형광이 최대가 되도록 시료 위치를 조절한다.
이후, 배터리(230)를 통해 엘이디 광원(212)에 전원이 공급되면, 엘이디 광이 시료에 조사된다.
일반적으로, 다중 측정을 위해 대면적 들뜸 광원을 사용하는 것은 미체유체칩의 각 채널에 대한 형광을 검출하는데 효율적이지 않다. 이는 들뜸 빛의 소실에 의한 들뜸 효율의 감소뿐만 아니라 대면적 광원에 의한 노이즈 증가 또한 동반한다. 이에 본 발명은 다수의 개별 LED 칩을 광원으로 사용하여 미세유체칩의 개별 채널에 선택적으로 광원을 조사시킨다.
도 3은 본 발명의 신호 수집/전달 모듈의 작동방식을 나타내기 위한 단면도로서, 엘이디 광원(212)에 의해 들뜬 시료의 형광은 두 개의 짧은 초점 거리(f =3cm)를 갖는 색지움 이중 렌즈(310)(320)를 통해 집광된다. 신호 대 잡음비를 개선하기 위해 들뜸 빛은 롱패스 필터(330)를 사용하여 제거한다.
시료를 그대로 통과 한 광원과 시료의 형광은 2개의 색지움 이중 렌즈(310)(320)를 통해 모이게 되고 광원을 차단하기 위해 롱패스 필터(330)를 사용한다. 롱패스 필터(330)를 통과한 형광은 다중 광섬유(340)로 개별적으로 전달되어 휴대형 분광기(400)를 통해 측정된다. 다중 광섬유(340) 다발은 각 채널의 형광을 휴대형 분광기(400)로 운반하여 동시에 다중 형광 측정이 가능하도록 하며, 이러한 과정에서 측정자의 별도 광학정렬이 필요하지 않다.
<실시예>
본 장치의 성능을 확인하기 위해 로다민 B 염료를 이용해 형광을 측정하였다.
도 5는 본 발명의 장치 테스트 결과를 나타낸 그래프로서, 로다민 B 염료 필름 상으로 형광 테스트를 진행한 그래프이고, 도 6은 본 발명의 다중 측정에 사용된 광섬유 증가에 따른 로다민 B의 형광을 나타내는 그래프이다.
로다민 B는 450-550nm 대역에서 흡수를 보이고, 600nm 대역에서 형광을 나타낸다. 따라서 450-500nm 대역의 파장을 가지는 개별 LED 칩을 광원으로 사용하여 미세유체 채널의 로다민 B 시료의 형광(약 630 nm)을 확인 하였다.
이와 같은 본 발명의 장점은 다중 LED 광원을 사용하여 각 광원에 의해 발생하는 형광 신호를 동시에 측정이 가능하다는 것이다. 이를 이용하면 극미량 시료의 낮은 헝광 신호 대 잡음비를 극복 할 수 있다.
예를 들어 9개의 시료를 동시에 측정하면 3배 이상의 신호 대 잡음비를 얻을 수 있다. 뿐만 아니라 간단한 광학 모듈을 사용하기 때문에 장치의 휴대성이 높고 운용 비용면에서도 장점이 있다.
이를 이용하면 형광 측정을 이용한 현장 진료에 적용이 가능하여 신속한 진단 분석이 가능하다.
필요에 따라 광학모듈을 교체할 수 있으며, 예를 들어 엘이디 칩의 파장과 광학렌즈, 광학필터 등을 변경하여 특정 미세유체칩에 적합한 형광측정이 가능하다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
100: 시료 모듈 110: 미세유체칩
112: 다중 채널 120: 샘플 거치대
130: 미세위치 조정기 200: 광원 모듈
210: 엘이디 칩 212: 엘이디(LED) 광원
220: 엘이디 고정판 230: 배터리
300: 신호 수집/전달 모듈 310, 320: 색지움 이중 렌즈
330: 롱패스 필터 340 : 광섬유 고정판
400: 형광 측정 모듈

Claims (8)

  1. 다중 채널을 갖는 미세유체칩이 포함된 시료 모듈;
    상기 시료 모듈의 시료에 광을 조사하기 위한 다수의 엘이디(LED) 광원이 구비되는 광원 모듈;
    상기 광원 모듈에서 조사된 광이 상기 시료 모듈을 통과하면서 미세유체칩의 채널 속의 시료를 들뜨게 하여 형광을 유발하고, 상기 시료의 형광 신호를 수집하여 전달하는 신호 수집/전달 모듈;
    상기 신호 수집/전달 모듈에서 전달된 신호를 통해 상기 미세유체칩의 다중 채널에 대한 형광을 동시 다발적으로 측정이 가능한 형광 측정 모듈;
    을 포함하며,
    각각의 모듈은 교체형으로 제작되어 측정하고자 하는 미세유체칩에 따라 변경이 가능한 것을 특징으로 하고,
    상기 신호 수집/전달 모듈은 상기 엘이디 광원에서 조사되어 확산되는 광을 모아주는 색지움 이중 렌즈와, 상기 색지움 이중 렌즈를 통과한 광원을 차단하기 위한 롱패스 필터와, 각 채널의 다중 형광신호를 개별적으로 전달하여 동시에 다중 형광 측정이 가능하도록 하는 다중 광섬유와, 상기 다중 광섬유가 고정되는 광섬유 고정판을 포함하는 미세유체칩 다중 채널 형광측정 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 시료 모듈은 다중 채널을 갖는 미세유체칩과, 상기 미세유체칩을 거치하기 위한 샘플 거치대와, 상기 샘플 거치대에 거치된 미세유체칩의 시료에 광이 조사될 수 있도록 시료의 위치를 조절하기 위한 미세위치 조정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체칩 다중 채널 형광측정 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 미세위치 조정기는 상기 샘플 거치대에 거치된 미세유체칩을 X방향과 Y방향으로 조절하기 위한 XY 스테이지 인 것을 특징으로 하는 미세유체칩 다중 채널 형광측정 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 광원 모듈은 다수의 엘이디(LED) 광원이 구비되는 엘이디 칩과, 상기 엘이디 광원에 전원을 공급하기 위한 배터리와, 상기 미세유체칩의 시료 위치에 맞도록 상기 엘이디 광원을 고정하기 위한 엘이디 고정판을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체칩 다중 채널 형광측정 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 엘이디 칩은 미세유체칩의 각 시료 위치에 맞게 각각의 엘이디 광원이 설치되는 것을 특징으로 하는 미세유체칩 다중 채널 형광측정 장치.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 색지움 이중 렌즈는 광원에 의해 들뜬 시료의 형광을 집광하도록 2개의 짧은 초점 거리를 갖는 색지움 이중 렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세유체칩 다중 채널 형광측정 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 측정 모듈은 다중 광섬유에서 받은 형광신호를 한 번에 측정할 수 있는 휴대형 분광기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세유체칩 다중 채널 형광측정 장치.
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