KR20050087180A - 회전식 스테이지를 이용한 바이오칩 스캐너 - Google Patents

Abstract

개시된 내용은 회전식 스테이지를 갖는 바이오칩 스캐너에 관한 것이다.

이것은 바이오칩이 고정되는 로더부를 갖는 회전식 스캔 스테이지부와; 이 스테이지 부위의 바이오칩에 여기광을 주사하기 위한 광원부와; 바이오칩 기판상의 스팟으로부터 발현되는 자발광을 조절하는 자발광 조절부와; 여기광을 획득하여 전기적 신호로 변환하는 검출기를 포함하며, 또한 스팟에서 발현되는 자발광을 모아주는 자발광 집광 렌즈를 포함할 수 있으며, 여기광조절부를 포함할 수 있으며, 여기 광원부와 바이오칩 사이에 반사물질을 위치시킬 수 있으며, 한 개의 여기광이 아닌 다수의 여기광을 조사할 수 있으며, 여기광에 대해 공간적(spatial)이며, 분광적(spectral)으로 조절이 가능하다.

이러한 장치의 검출부에서 획득된 전자신호를 영상으로 전환하여 획득된 영상은 전문 분석소프트웨어를 거쳐 질병을 진단함에 유용하다.

Description

회전식 스테이지를 이용한 바이오칩 스캐너 {BIO CHIP SCANNER FOR USE OF ROTATION STAGE}

본 발명은 회전식 스테이지를 갖는 바이오칩 스캐너에 관한 것으로 여기광에서 발생된 빛을 스캔하고자 하는 바이오칩에 조사하고, 이로부터 발생된 형광을 검출함으로써 바이오칩을 분석하는 바이오칩 스캐너에 관한 것이다.

위에서 언급한 것과 같이 바이오칩은 단백질, DNA, 항체, 효소, 동식물 세포 기관, 미생물, 신경 세포 등의 생체 물질을 유리, 실리콘 등과 같은 기판의 표면에 고밀도로 집적시킨 생화학 정보 집합체의 일종이며, 흔히 단백질칩, DNA칩, 유전자칩, 세포칩, 바이오센서 등으로 부르고 있다. 바이오칩은 유전자의 기능분석, 임상 진단, 항생제의 내성 검사, 약물 감수성 검사, 친자 확인 등 매우 다양한 분야에 응용되고 있다.

바이오칩을 분석하여 진단하는 종래의 방법은 바이오칩내의 반응 물질에 형광 물질을 덧씌운 후, 상기의 형광 물질을 특정한 파장의 빛으로 여기시켜서 방출되는 특정 파장의 빛을 검출한다. 즉 상기 형광 물질이 특수한 파장의 빛을 받으면 내부 에너지가 상승하였다가 다시 작은 에너지 상태로 돌아가면서 여기광보다 파장이 긴 빛을 발광하는 특성을 이용하는 것이다.

바이오칩의 스캐너 시스템에는 여기광을 발생시키는 여기 광원부와 여기광에 의해 방출되는 자발광을 검출하기 위한 검출부를 기본으로 구성하고 있다. 일반적으로 사용되는 여기광원의 종류에는 xenon 램프, 수은 램프, 아르곤 램프와 같은 백색 광원과 YAG 레이저, He-Ne 레이저 등을 비롯한 레이저가 사용되고 있다. 또한 자발광을 검출하는 센서로는 CCD 카메라를 비롯한 영상 소자와 PMT(photomultiplier tube)나 photodiode 등이 사용되고 있다. 상기의 PMT나 photodiode는 광의 세기를 측정하는 장치로 입사광의 세기에 비례하여 출력전류를 생성하며, 광의 각 photon을 카운트할 수 있을 정도로 민감하다.

기존에 사용되는 바이오칩 스캐너는 크게 두 가지로 분류되는데, 면적으로 조사되는 백색광원에 CCD 카메라를 사용하여 영상을 획득하는 방법과 레이저와 같은 점광원을 이용하여 바이오칩을 여기시키고 PMT와 같은 디텍터(detector)를 이용하여 형광의 세기를 측정하는 방법이다.

광원을 백색 광원으로 사용하는 경우는 백색광원에서 발생된 빛을 검출하고자 하는 형광 물질에 맞는 파장만을 선별하고자 특정 파장만이 투과하는 칼라 필터(color filter)와 스캔하고자 하는 넓은 면적에 강하게 빛을 조사하고자 굴절 렌즈 등을 사용하여 여기광을 조절하고, 영상을 얻기 위해 CCD 등과 같은 면적 센서를 채택하고 있다.

백색광원에 CCD와 같은 면적 센서를 이용하는 경우에는 칩을 수직하는 두개의 스테이지에 의해 광이 조사되는 부분을 이동하여 넓은 면적을 스캔하게 된다. 이러한 이유로 스캔하고자 하는 면적이 커질수록 스캔 스테이지는 커지고 무거워 진다. 또한 광학적으로 보다 정밀한 스캔을 하기 위해서는 스테이지의 정밀성이 요구되면서 제작 및 조립성이 중요하게 된다. 따라서 장비도 무거워 지고, 가공 및 조립에도 많은 시간이 소요된다.

광원을 레이저로 사용하는 경우에는 도 1에서 도시한 바와 같이 레이저(10)가 발생되는 앞단에 갈바노미터와 같은 회전형 반사경(100)을 사용하여 레이저에서 발생되는 점광원을 시간에 따라 1차원 형태의 광원으로 주사하면서 칩을 조사되는 광의 수직 방향 선형 스테이지(80)에 의해 이동하면서 넓은 면적의 칩을 스캔하는데, 광센서로는 PMT 등과 같은 디텍터(detector)(110)를 사용한다. 이러한 디텍터는 영상을 획득하기 보다는 시간에 따른 한 지점의 밝기를 검출한 후, 각각의 지점에 대한 영상 정보를 재조합함으로써 영상을 획득하게 된다. 이러한 방법을 레이저 유발 형광 검출법(laser-induced fluorescing detection)이라 하며, 주변광에 대한 노이즈를 최소화하기 위하여 공초점 레이저 스캐닝 장치(confocal laser scanning system)를 가장 많이 사용하고 있다.

따라서 레이저 스캐너는 광원을 1차원적으로 왕복 시키는 부분과 바이오칩을 조사되는 레이저와 수직한 방향으로 움직이게 하는 스테이지가 필요하다. 이러한 방식의 스캐너는 부피가 크고 무거운 단점을 가지고 있기 때문에 특정한 장소 이외에는 사용이 제한되는 단점을 가지고 있다.

이에 경박단소한 스캐너를 만들기 위해서는 기존의 방식의 선형적인 스캔 방식에 의해 넓은 면적을 스캔하지 않고 차별화된 스캔 방식에 의해 스캐너의 소형화가 절실히 요구되었다. 이러한 필요에 의해 회전식 스테이지를 갖는 스캐너를 제안하게 되었다.

본 발명의 목적은 이러한 종래 레이저 스캐너와 백색광원을 사용하는 스캐너가 갖는 단점인 선형 스테이지에 의한 대면적 스캔 방식을 개선하여 새로운 개념의 소형 스캐너를 제작하는 것으로 기존의 두 축 선형 스테이지를 사용하지 않고 회전식 스테이지와 단순한 선형 스테이지를 조합함으로써 경박단소한 제품을 제공하고 조립 및 제작이 용이한 바이오칩 스캐너를 제공하는데 있다.

회전식 스테이지를 이용한 스캐너의 경우에는 기존의 스캐너의 영상 조합과는 다르게 원통좌표계에 따라 영상이 획득되기 때문에 이를 조합하는 소프트웨어도 별도로 개발되어야 한다.

본 발명은 상기한 목적을 달성함과 아울러 여기 광원부와 바이오칩 사이에 여기광을 반사시키거나 다수의 여기광이 조사되게 하며, 광의 위치 역시 미세 조절가능하게 하여 분광적인 여기광 조절 기능도 갖는 바이오 칩 스캐너를 제공하는 데에도 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 회전식 스테이지를 이용한 바이오칩 스캐너는, 분석 대상이 되는 스팟이 기판에 부착되어 이루어지는 바이오칩(30)과, 이 칩이 고정되어 스캔할 수 있도록 회전하는 회전식 스테이지부(70), 바이오칩에 여기광을 조사하는 광원부(11), 상기 바이오칩 기판상의 스팟으로부터 발현되는 형광을 검출하여 분석하는 검출부(60), 검출부를 선형적으로 움직여 주는 선형 스테이지부(80)를 포함한 바이오칩 스캐너로서 달성된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거 구체적으로 설명한다.

첨부 도면 중 도 2는 회전식 스테이지를 이용한 바이오칩 스캐너의 구성도이다. 상기 도면에 따르는 본 발명의 예는 광원부로 레이저를 이용한 경우에 해당하는 것으로 바이오칩 스캐너는 크게, 바이오칩이 고정되는 칩(chip) 로더(loader)부(34)를 갖는 회전식 스테이지(scan stage)부(70)와, 이 스테이지부 위의 바이오칩(30)에 여기광을 조사하기 위한 레이저나 백색광원을 갖는 광원부(11)와, 바이오칩 기판상의 DNA 스팟(spot)으로부터 발현되는 자발광(14)을 모아주는 자발광 집광 렌즈(40)와, 자발광을 조절하는 자발광 조절부(50)와, 광자를 전자로 전환하는 검출부(60)로 이루어진다.

구체적으로 상기 도면에서 도시하는 바와 같이 회전식 바이오칩 스캐너는 칩을 회전하는 회전운동에 의해 칩에서 발현되는 자발광의 정보를 한 점이 아닌 원형의 형태로 얻으며, 검출부의 원주 방향으로의 선형 움직임에 의해 각각 다른 지름의 발현량에 대한 정보를 획득한다. 이렇게 획득된 칩의 자발광에 대한 발현 정보는 별도의 영상 프로그램에 의해 재결합되어 넓은 면적의 평면 영상을 구현하게 된다.

이렇게 발명된 회전식 바이오칩 스캐너는 종래와는 달리 회전식 모터류와 선형 움직임을 위한 모터에 의해 쉽게 그 움직임이 구현됨에 따라 복잡한 선형 스테이지 등의 부수적인 모듈이 없어지고 작은 스테이지를 사용할 수 있다는 장점에서 바이오칩 스캐너의 크기를 작게, 가볍게 제작할 수 있다.

또한 도 3(a)에서와 같이 광원부(11)에는 광원으로 사용되는 레이저나 백색광원의 방향등을 미세한 위치로 조절할 수 있는 여기광 조절부(20)가 구성된다. 여기광 조절부(20)는 광원부의 미세 조절을 행하며 레이저 광원의 조사 부위를 조절할 수 있다. 이때 본 발명에서 광원으로 레이저를 사용한 경우에는 파장이 다른 여러개의 레이저를 여러개 사용하여 광원부(11)를 구성할 수 있다.

이처럼 여기광 조절부(20)는 레이저나 백색광에 대해 위치 제어를 가능하게 하며, 또한 별도의 파장을 선별할 수 있는 필터를 사용함으로써 분광적(spectral)으로 조절하여 여기광의 파장을 선별할 수 있는 특징이 있다.

회전식 스테이지부(70)은 바이오칩을 고정하고 외부로부터 바이오칩을 로딩하여 받쳐주는 로더부(34)와 바이오칩을 회전시키는 회전부로 구성되어 있다.

검출부는 자발광 집광 렌즈(40)와 바이오칩에서 형광 발현되는 특정 파장만을 통과시키는 자발광 조절부(50) 및 발광된 광자를 전자로 전환하여 검출하는 검출부(60)로 구성된다.

도 3(b)처럼 스캐너의 크기를 작게 하기 위하여 광원부(11)의 위치에 대한 제약을 줄이기 위하여 여기광 반사부(36)를 사용하여 여기광을 반사시켜 바이오칩에 조사하기도 한다. 여기광 반사부(36)는 이차원적인 자유도를 가지고 있어 조사하고자 하는 레이저광을 자유로운 각도로 반사시킬 수 있다. 이러한 여기광 반사부(36)는 상기에서 설명한 여기광 조절부를 대치하여 사용될 수 있으며, 광원부에서 발생된 빛을 손쉽게 원하는 부위로 정렬할 수 있게 된다.

한편, 상술한 검출부(60)는 PMT(photo multipulier tube;광전증배관)나 photodiode와 같은 point detector를 비롯한 선형(linear) 이미지 소자 및 면적 이미지 소자를 포함한다.

본 발명의 상세한 설명에서는 몇 가지 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명이 기재하는 범위 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 이와 같은 예측 가능한 변형은 상기 설명된 실시예의 범위로부터 특허청구의 범위가 균등하게 형성된다.

본 발명에서 제시한 스캐너 시스템은 기존의 스캐너들이 가지고 있는 스테이지의 정밀한 조절, 크기와 무게에 대한 단점을 보완하여 새로운 형태의 스캐너를 고안하는 것으로, 단순한 회전식 스테이지와 선형 스테이지의 조합에 의해 대면적의 고해상도 영상을 쉽게 획득할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르는 회전식 스테이지를 이용한 바이오칩 스캐너는 기존의 스캐너가 제안하던 선형 방식의 스캔이 아닌 회전식 스캔 방식을 취함으로써 기계적인 구조 및 제품 구성의 단순화를 꾀함으로써 구조도 간단해지며, 조립이 용이하고 전체 무게를 줄이며, 이로써 제품의 가격도 절감하는 효과를 얻을 수 있다. 또한 여기광의 입사 크기를 조절하거나 발광한 영상을 자발광 집광 렌즈를 통하여 선형 및 면적 센서에 입사시킴으로써 스캐너의 중요한 성능을 나타내는 해상도를 쉽게 원하는 만큼의 수치로 설계변경이 쉽게 가능하다.

도 1은 레이저를 이용한 일반적인 바이오칩 스캐너의 구성도.

도 2는 본 발명 회전식 스테이지를 이용한 바이오 칩 스캐너의 구성도.

도 3(a)는 본 발명 회전식 스테이지를 이용한 바이오 칩 스캐너에 여기광 조절부를 포함한 경우의 응용도.

도 3(b)는 본 발명 회전식 스테이지를 이용한 바이오 칩 스캐너에 여기광 반사부를 포함한 경우의 응용도.

※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 레이저 11 : 여기 광원부

12 : 여기광 14 : 자발광

20 : 여기광 조절부 30 : 바이오 칩

31 : DNA Spot 34 : 칩 로더(chip loader)

36 : 여기광 반사부 40 : 자발광 집광 렌즈

50 : 자발광 조절부 60 : 검출부

70 : 회전식 스테이지부(rotation stage) 80 : 선형 스테이지(linear stage)

100 : 갈바노 미러 110 : 광전증배관(PMT)

Claims (9)

1. 회전식 스테이지를 이용한 바이오칩 스캐너에 있어서,

   바이오칩이 고정되는 로더부를 갖는 회전식 스캔 스테이지부;

   이 스테이지부위의 바이오칩에 여기광을 조사하기 위한 광원부;

   선형적으로 움직일 수 있도록 선형 스테이지를 가지고 있으며, 바이오칩 기판상의 스팟으로부터 발현되는 자발광을 검출하는 검출부를 포함하는 회전식 스테이지를 이용한 바이오칩 스캐너.
2. 제 1항에 있어서,

   바이오칩의 스팟에서 발현되어 나오는 자발광을 집광하고 입사광의 모양을 변화시킬 수 있는 자발광 집광렌즈부를 갖는 것을 특징으로 하는 바이오칩 스캐너.
3. 제 1항에 있어서,

   바이오칩의 스팟에서 발현하는 자발광을 검출기에 조영할 때, 원하는 파장의 빛만을 투과시키는 자발광 조절부를 갖는 것을 특징으로 하는 바이오칩 스캐너.
4. 제 1항에 있어서,

   광원부와 바이오칩 사이에 여기광 반사부를 위치함으로써 여기광을 반사시켜 조사하게 하는 것을 특징으로 하는 바이오칩 스캐너.
5. 제 1항에 있어서,

   광원부에 사용되는 광원으로 백색광을 포함하여 특정 파장의 빛을 방출하는 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오칩 스캐너.
6. 제 1항에 있어서,

   검출부에 PMT(photo mutipulier tube;광전증배관)나 photodiode를 비롯한 광픽업 소자를 비롯한 선형 CCD나 면적 CCD를 사용하는 것을 특징으로 하는 바이오칩 스캐너.
7. 제 1항 또는 제 4항에 있어서,

   한 개의 여기광이 아닌 다수의 여기광을 조사되게 함을 특징으로 하는 바이오칩 스캐너.
8. 제 1항에 있어서,

   광원부의 위치를 조절하여 조사되도록 레이저 광의 위치를 조절하는 미세 조절부를 포함하는 바이오칩 스캐너.
9. 제 1항에 있어서,

   검출부와 로더부의 스테이지에 대한 구성을 서로 뒤바꾼 형태로 선형 움직임을 갖는 스테이지에 로더를 위치하고 검출부를 회전하여 넓은 면적을 스캔하는 것을 특징으로 하는 바이오칩 스캐너.