KR20050066011A

KR20050066011A - High speed scanner using scanning mirror

Info

Publication number: KR20050066011A
Application number: KR1020030097192A
Authority: KR
Inventors: 남상철; 박호영; 임영창; 최규길; 이기창
Original assignee: (주)누리셀
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2003-12-26
Publication date: 2005-06-30

Abstract

현재 상용화된 바이오칩 스캐너(마이크로 어레이 스케너)가 일정 표면을 스캔할 경우 X축 Y축으로 일정하게 스테이지가 기계적으로 움직이면서 2차원의 표면을 스캐닝 하여 이미지를 얻는 반 면, 본 발명은 한 축은 진동거울, 다른 한 축은 스테이지가 움직이는 방법 또는 2개(X축, Y축)의 진동거울을 동시에 움직이는 방법 또는 부분 영역을 2개(X축, Y축)의 진동거울을 이용하고 부분 영역의 이동은 움지 스테이지를 이용하는 방법으로 거울의 진동에 의해 한 축을 동시에 스캔함으로써 동일영역을 동일 해상도로 스캔할 때 점 스캔에 비해 10배 ~ 15배정도의 빠른 속도로 스캔할 수 있는 방법을 제공한다. 현재 바이오칩 스캐너가 바이오칩을 제작한 후 검출할 때만 사용되고 있으며 사용 시 스캔 속도가 느려(6분/(25mm×75mm), 10 마이크로 해상도) 양산 효율이 떨어지고 있는 실정이다. 본 발명에 의해 제작되는 스캐너는 동일해상도를 유지하면서 바이오칩 스캐너의 스캔속도를 증가시킨 결과(30초/(25mm×75mm), 10 마이크로 해상도)로 양산성을 증대시키면서 또한 표면개질된 슬라이드 글라스(마이크로어레이 슬라이드)를 바이오칩으로 제작하기 전에 슬라이드 글라스의 품질 검사 시스템으로 사용이 가능하게 된다. 현재까지 마이크로어레이 칩을 제작하는데 있어 칩을 제작하기 전에 마이크로어레이 슬라이드를 미리 스캔하여 품질검사를 한 방법은 없었으며 그로 인해 칩 제작 후 불량의 원인을 규명하는데 많은 어려움을 갖고 있었다. 그러나 본 발명에 의해 제작되는 스캐너의 경우 속도 향상에 의해 품질 검사 시스템으로 사용이 가능하게 되므로 칩 제작 전 마이크로어레이 슬라이드의 품질 검사를 행한 후 마이크로어레이 칩을 제작함으로써 불량률을 줄일 수 있으며 마이크로어레이 칩 연구의 정확성 및 생산성을 높이는 계기가 될 것이다. 또한 본 발명은 2차원의 마이크로어레이 스캐너 뿐 만 아니라 3차원의 MCE(Micro Capillary Electrophoresis)칩, 랩온어칩(Lab-on-a-chip) 등의 광 검출 시스템으로서의 요소기술로 활용이 가능하다.When a commercially available biochip scanner (micro array scanner) scans a certain surface, the stage is mechanically moved on the X-axis and Y-axis, and the two-dimensional surface is scanned to obtain an image. The other axis is how the stage moves or how to move two vibrating mirrors (X-axis, Y-axis) at the same time, or two vibrating mirrors for the partial area (X-axis, Y-axis) By using this method, it simultaneously scans one axis by the vibration of the mirror and provides a method that can scan 10 ~ 15 times faster than point scan when scanning the same area with the same resolution. Currently, biochip scanners are only used to detect biochips after they are manufactured, and their use has slowed down the scanning speed (6 minutes / (25mm × 75mm), 10 micro resolution). The scanner manufactured according to the present invention is a surface-modified slide glass (micro) that increases the mass productivity with the result of increasing the scanning speed of the biochip scanner (30 seconds / (25mm × 75mm), 10 micro resolution) while maintaining the same resolution. The array slides can be used as a quality inspection system for slide glass before the biochip is manufactured. Until now, there was no method of quality inspection by scanning the microarray slides in advance before manufacturing the chip. Therefore, it was difficult to identify the cause of the defect after the chip was manufactured. However, the scanner manufactured according to the present invention can be used as a quality inspection system by improving the speed, so that the defect rate can be reduced by manufacturing the microarray chip after the quality inspection of the microarray slide before fabrication of the chip and the microarray chip research. It will be a chance to increase accuracy and productivity. In addition, the present invention can be utilized as an element technology as a light detection system such as a three-dimensional Micro Capillary Electrophoresis (MCE) chip, a lab-on-a-chip, as well as a two-dimensional microarray scanner.

Description

High speed scanner using scanning mirror

본 발명은 마이크로 어래이 칩, MCE(Micro Capillary Electrophoresis) 그리고 랩온어칩(Lab-on-a-chip) 등의 유전자 판독을 위한 바이오칩의 광 검출 스캐너에 관한 것으로써 바이오칩으로 빛을 주사하고 바이오칩으로부터 형광된 빛을 정량 분석하는 공초점 주사방식(confocal scanning)의 광 검출 스캐너에 관한 것이다. The present invention relates to a light detection scanner of a biochip for gene reading of microarray chips, microcapillary electrophoresis (MCE) and lab-on-a-chip, and the like. The present invention relates to a confocal scanning optical detection scanner for quantitative analysis of light.

한편 광 검출 스캐너를 이용한 유전자 칩 분석 시, 분석 매개체로 형광물질은 특정 파장의 빛을 주사하면, 주사된 파장보다 더 긴 파장의 빛을 발하는 물질이다. 이러한 특성을 이용하여, 서로 광학적 성질이 다른 형광 물질을 시용한다면, 동시에 여러 가지 물질을 검사할 수 있다. 형광물질로 특정 파장의 빛을 주사하기위해서는, 적합한 광원과 원하는 파장의 빛만을 선택하는 광학 필터가 요구된다. 또한, 형광 물질에서 발광한 빛을 감지하기 위해서는, 발광한 빛을 모으고, 모아진 빛 중에서 형광물질의 발광 파장에 속하는 빛만을 골라내는 다른 광학필터가 사용되어야하고, 아울러 감지기로 빛의 양을 정량해야 한다. On the other hand, in the analysis of a gene chip using a light detection scanner, a fluorescent material as an analysis medium is a material that emits light of a wavelength longer than the scanned wavelength when the light of a specific wavelength is scanned. Using these properties, various materials can be examined at the same time if fluorescent materials having different optical properties are applied. In order to scan light of a specific wavelength with a fluorescent material, an optical filter selecting only a suitable light source and light of a desired wavelength is required. In addition, in order to detect the light emitted from the fluorescent material, another optical filter that collects the emitted light and selects only the light belonging to the emission wavelength of the fluorescent material from the collected light must be used, and the amount of light must be quantified by the detector. do.

이러한 기능을 갖는 스캐너에는, 판독하려는 바이오 칩 으로부터 많은 유전자 질병을 일시에 분석하기 위해 고밀도의 다색 형광 물질이 사용되는 관계로, 감광도(sensitivity)와 분해능을 높이기 위해 광원으로는 대부분 레이저가 사용되고, 감지기로는 광 증대관 (photo multiplier tube)이 사용된다. In this type of scanner, since high-density multicolor fluorescent materials are used to analyze many genetic diseases from the biochip to be read at once, most lasers are used as light sources to increase sensitivity and resolution. As the furnace, a photo multiplier tube is used.

그리고, 폭이 25mm, 길이가 75mm인 일반 슬라이드의 전 면적을 스캐닝 하기위해 광원이나 슬라이드를 x-y 움직 스테이지를 이용하여 스캐닝 하게 된다. 한편, 슬라이드 표면에 점착된 바이오 칩에서 발광하는 형광 중, 배경 노이즈를 최대한 제거하기 위하여, 대부분의 스캐너들에는 공초점(confocal) 방식이 채용된다. 공초점 방식이란, 원하는 거리에서 주사되는 빛만이 통과할 수 있도록 매우 작은 핀홀이 천공되어있는 막을 빛의 경로에 위치시키는 방식이다. 점착된 전체 바이오 칩의 스캐닝을 위해, 슬라이드가 레스터 패턴으로 움직 스태이지에 의해서 정밀 제어된다. 감지부에서 인식된 신호들은 자체 처리부에의해 영상으로 변환되어 저장된다. 그런데 종래의 바이오 칩 광 검출기는 x-y 움직 스테이지를 이용하기 때문에 스캔 속도가 느려(6분/(25mm×75mm), 10 마이크로 해상도) 유전자 분석에 많은 시간이 필요하다는 단점이 있다. 바이오칩 광 검출을 통한 유전자 의 빠른 분석에 가장 큰 걸림돌이다. Then, the light source or the slide is scanned using the x-y moving stage to scan the entire area of the general slide having a width of 25 mm and a length of 75 mm. Meanwhile, in order to remove background noise as much as possible from the fluorescence emitted from the biochip adhered to the slide surface, a confocal method is adopted in most scanners. The confocal method is a method of placing a film with a very small pinhole in the path of light so that only light that is scanned at a desired distance can pass. For scanning of the entire biochip stuck, the slide is precisely controlled by the stage moving in a raster pattern. The signals recognized by the sensor are converted into an image by the processor and stored. However, the conventional biochip photodetector uses a x-y moving stage, so the scan speed is slow (6 minutes / (25mm × 75mm), 10 micro resolution). It is the biggest obstacle to the rapid analysis of genes through biochip light detection.

본 발명에서는 빠른 광 검출과 그를 통한 빠른 유전자 분석을 위하여 한 축은 진동거울, 다른 한 축은 스테이지가 움직이는 방법 또는 2개(X축, Y축)의 진동거울을 동시에 움직이는 방법 또는 부분 영역을 2개(X축, Y축)의 진동거울을 이용하고 부분 영역의 이동은 움지 스테이지를 이용하는 방법을 이용하여 거울의 진동에 의해 스캔 함으로써 동일영역을 동일 해상도로 스캔할 때 x-y움직 스테이지를 이용하는데 비해 10배 ~ 15배정도의 빠른 속도로 스캔할 수 있는 방법을 제공하는데 있다. In the present invention, one axis is a vibrating mirror, the other axis is a method of moving the stage or two (x-axis, y-axis) to move the vibrating mirror at the same time or two partial regions for fast light detection and rapid gene analysis. X-axis, Y-axis) using the vibration mirror and the movement of the partial region is scanned by the vibration of the mirror using the method of using the moving stage, when scanning the same area at the same resolution 10 times compared to using the xy moving stage It is to provide a method that can scan as fast as 15 times.

상기된 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 큰 직경(1.5cm 이상)의 대물렌즈와 스캐닝 거울을 특징이로 하는 공초점 구조의 도면 [1]의 광학계를 사용하여 대상이 되는 바이오 칩 슬라이드를 스캐닝해 바이오칩의 신호를 얻는다. 도면 [1]의 광학계는 레이저(), 빔 스플리터 [beam splitter](), 거울 스케너[mirror scanner](), 대물렌즈(), 움직 스테이지, 집광렌즈(), 그리고 광 검출기로 구성되어있다. 레이저()에서 나오는 빛은 빔 스플리터()를 거처 거울 스캐너()에 인가되고 거울 스캐너()는 인가된 빛을 시간에 따라 다른 각도로 반사한다. 거울 스캐너()에 의해서 반사된 빛은 대물렌즈()를 통해 바이오 칩의 슬라이드에 초점이 맷처진다. 스캐너가 빛을 시간에 따라 다른 각도로 반사함으로 초점이 맷처진 레이저 빛은 바이오 칩을 x 방향으로 스캐닝 하게 된다. 동시에 바이오칩은 움직 스테이지에의해서 y-방향으로 움직인다. 이에 따라 바이오 칩의 슬라이드는 레이저 빛에 의해서 x-y 방향에 따라 레스터 패턴으로 스캐닝 된다. 이때 움직 스테이지를 사용하지 않고 x-y 스캐닝을 위해 도면 [2]의 광학계처럼 2차원 x-y 거울 스캐너를 이용하여 바이오칩의 슬라이드를 x-y 방향에 대해서 움직 스테이지 없이 스캐닝 한다. 또 다른 스캐닝 방법으로 도면[3]의 방법처럼 슬라이드의 첫 번째 25mm 25mm 영역을 x-y 거울 스캐너로 스캐닝하고 움직 스태이지를 이용하여 y-방향으로 25mm를 움직인 후 바이오칩 슬라이드의 두 번째 25mm 25mm 영역을 x-y 거울 스캐너로 스캐닝하고 마지막으로 움직 스태이지를 이용하여 y-방향으로 25mm를 움직인 후 바이오칩 슬라이드의 새 번째 25mm 25mm 영역을 x-y 거울 스캐너로 스캐닝해 x-y 스캐닝 거울 과 움직 스태이지를 이용하여 바이오칩 슬라이드의 총 영역 25mm 75mm를 새번의 x-y 스캐닝 거울의 스캐닝과 25mm의 간격으로 2차래의 움직 스태이지 움직임을 통해 스캐닝 한다. In order to achieve the object of the present invention described above, the present invention is a biochip targeted by using the optical system of the drawing [1] of the confocal structure characterized by a large diameter (1.5 cm or more) objective lens and a scanning mirror Scan the slide to get the signal from the biochip. The optical system shown in [1] is composed of a laser (), a beam splitter (), a mirror scanner (), an objective lens (), a moving stage, a condenser lens (), and a light detector. The light from the laser () is applied to the mirror scanner () via the beam splitter () and the mirror scanner () reflects the applied light at different angles over time. The light reflected by the mirror scanner is focused on the slide of the biochip through the objective lens. As the scanner reflects light at different angles over time, the focused laser light scans the biochip in the x direction. At the same time, the biochip is moved in the y-direction by the moving stage. Accordingly, the slide of the biochip is scanned in the raster pattern along the x-y direction by the laser light. At this time, for the x-y scanning without using the moving stage, the slide of the biochip is scanned without the moving stage in the x-y direction using a two-dimensional x-y mirror scanner as in the optical system shown in [2]. Another scanning method scans the first 25mm 25mm area of the slide with the xy mirror scanner and moves 25mm in the y-direction using the moving stage as shown in the drawing [3], and then moves the second 25mm 25mm area of the biochip slide. Scan with the xy mirror scanner and finally move 25mm in the y-direction using the moving stage, then scan the new 25mm 25mm area of the biochip slide with the xy mirror scanner to scan the biochip slide using the xy scanning mirror and the moving stage. The total area of 25mm and 75mm is scanned through the scanning of the new xy scanning mirror and the second stage of movement at 25mm intervals.

이때 바이오 칩의 슬라이드에서 발광된 빛은 스캐닝 빛이 입사된 반대 방향으로 진행해 대물렌즈()를 지나 스캐닝 거울에 의해 반사되고 빔 스플리터에 인가된다. 빔 스플리터에 인가된 빛은 빔 스플리터에 의해 반사되어 바이오 칩의 슬라이드에서 발광된 빛만을 통과시키는 밴드패스 필터를 거친 후 집광 랜즈()에 인가된다. 집광 랜즈()에 인가된 빛은 집광 랜즈에 의해 광 겁출기()로 모아진다. 광 검출기()는 광 검출기()에 인가된 빛의 양에 비래해서 전기신호를 만들어 낸다. At this time, the light emitted from the slide of the biochip proceeds in the opposite direction to which the scanning light is incident, is reflected by the scanning mirror through the objective lens and applied to the beam splitter. Light applied to the beam splitter is reflected by the beam splitter, passes through a bandpass filter that passes only the light emitted from the slide of the biochip, and then is applied to the condensing lens (). The light applied to the condensing lens is collected by the condensing lens into the light harvester. The photo detector generates an electrical signal in proportion to the amount of light applied to the photo detector.

바이오 칩의 슬라이드의 형광물질 분포에 따라 상이한 현광 분포를 갖는다. 이에 따라 형광 된 빛의 양에 비래한 전기신호는 스케닝에 의해 바이오 칩의 슬라이드의 형광물질 분포에 따라 상이한 크기가 되며 이 전기신호를 아날로그 신호를 디지털 신호로 변화하는 아날로그 디지털 콘버터에 의해서 디지털 신호로 변환해 컴퓨터에 인가하고 인가된 디지털 신호를 페턴인식 알고리즘을 이용하여 재구성하며, 이것을 기존의 패턴()맵과 비교하여 식별한다. According to the fluorescent material distribution of the slide of the biochip has a different fluorescence distribution. As a result, the electric signal, which is comparable to the amount of fluorescent light, has a different magnitude depending on the fluorescent material distribution of the slide of the biochip by scanning, and the electric signal is converted into a digital signal by an analog-to-digital converter that converts the analog signal into a digital signal. After conversion, it is applied to a computer and the digital signal is reconstructed using the pattern recognition algorithm, and it is identified by comparing with the existing pattern () map.

이상에서 기술된 3가지 형태의 스캐닝 구조에 따른 본 발명의 효과로는 바이오칩 분석에 있어서 광 추출 시간의 단축이다. 일반적으로 사용되는 기계적인 움직 스테이지는 스캐닝 속도가 느려 보통 5분이상의 스캐닝 시간이 필요하다. 그러나 본 발명에서 기술된 3가지 형태의 스캐닝 방법 중 첫째 방법은 스캐닝 거울에 의한 x-방향 스캐닝 그리고 y-방향에 대해서는 움직 스태이지를 이용 스캐닝 거울의 빠른 스캐닝 속도 덕분에 x-y 방향 바이오 칩 슬라이드의 총 25mm 75mm 영역을 30초 이내에 스캐닝해 검출해 낼 수 있다. 둘째 방법은 2차원 x-y 스캐닝 거울에 의한 x-y방향 스캐닝 하며 스캐닝 거울의 빠른 스캐닝 속도 덕분에 x-y 방향 바이오 칩 슬라이드의 총 25mm 75mm 영역을 30초 이내에 스캐닝해 검출해 낼 수 있다. 셋째 방법은 2차원 x-y 스캐닝 거울에 의한 x-y방향으로 한번에 25mm 25mm 영역을 스캐닝 하며 총 25mm 75mm 영역을 스캐닝하기위해 y-방향의 움직 스태이지를 이용하여 한번에 25mm를 움직여 3차래에 걸처 25mm 75mm영역을 스캐닝 해낸다. 스캐닝 거울의 빠른 스캐닝 속도 덕분에 x-y 방향 바이오 칩 슬라이드의 총 25mm 75mm 영역을 30초 이내에 스캐닝해 검출해 낼 수 있다.An effect of the present invention according to the three types of scanning structures described above is the reduction of light extraction time in biochip analysis. Generally used mechanical moving stages have a slow scanning speed and usually require a scanning time of 5 minutes or more. However, the first of the three types of scanning methods described in the present invention utilizes the scanning direction in the x-direction by the scanning mirror and the moving stage in the y-direction. The 25mm 75mm area can be detected by scanning within 30 seconds. The second method scans in the x-y direction by a two-dimensional x-y scanning mirror, and thanks to the fast scanning speed of the scanning mirror, a total of 25 mm 75 mm areas of the x-y direction biochip slide can be scanned within 30 seconds. The third method scans 25mm 25mm area at a time in the xy direction by the two-dimensional xy scanning mirror and moves 25mm at a time by using y-direction moving stage to scan 25mm 75mm area in total. Scanning is done. Thanks to the fast scanning speed of the scanning mirror, a total of 25mm 75mm area of the x-y direction biochip slide can be scanned and detected within 30 seconds.

Claims

A biochip photodetector with a confocal optical scanning structure, which scans a biochip slide in the x-direction by injecting laser light incident on a large diameter (more than 1.5 cm) objective lens and an objective lens at different angles using an x-direction scanning mirror. And an optical scanning structure for scanning using a stage moving the slide in the y-direction.

A biochip photodetector with a confocal optical scanning structure, in which a large diameter (more than 1.5 cm) objective lens and laser light incident on the objective lens are incident at different angles using a two-dimensional xy-direction scanning mirror to make the biochip slide 25mm in the xy direction. Biochip photodetector characterized by an optical scanning structure scanning 75mm.

A biochip photodetector with a confocal optical scanning structure, in which a large diameter (more than 1.5 cm) objective lens and laser light incident on the objective lens are incident at different angles using a two-dimensional xy-direction scanning mirror to make the biochip slide 25mm in the xy direction. 25mm scanning and moving the biochip slide three stages at 25mm intervals on the stage A biochip photodetector characterized by an optical scanning structure that scans a total of three 25mm 25mm areas with a mirror scanner to scan a total biochip slide 25mm 75mm in the xy direction.