KR20120133654A

KR20120133654A - 형광 검출 광학계 및 이를 포함하는 다채널 형광 검출 장치

Info

Publication number: KR20120133654A
Application number: KR1020110052400A
Authority: KR
Inventors: 김경호; 김준호; 남궁각; 정원석
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2012-12-11
Also published as: US8624201B2; US20120305801A1; KR101776776B1

Abstract

여기광과 형광 사이의 크로스토크 또는 인접한 파장 대역의 형광들 사이의 크로스토크를 효과적으로 감소시킬 수 있으며 반사된 여기광에 의한 노이즈를 감소시킬 수 있는 형광 검출 광학계 및 이를 포함하는 다채널 형광 검출 장치가 개시된다. 개시된 형광 검출 광학계는 여기광을 방출하는 광원, 특정 편광 성분의 광만을 통과시키는 편광자, 특정 편광 성분의 광을 통과시키고 나머지 편광 성분의 광을 반사하는 편광 빔스플리터, 선편광을 원편광으로 변환하고 원편광을 선편광으로 변환하는 1/4 파장판 등을 포함할 수 있다. 개시된 형광 검출 광학계는 이러한 편광 소자들을 이용하여 특정 편광 성분의 여기광과 형광만을 통과시키거나 차단함으로써, 광학적으로 크로스토크를 최소화할 수 있다.

Description

형광 검출 광학계 및 이를 포함하는 다채널 형광 검출 장치{Fluorescence detecting optical system and multi-channel fluorescence detection apparatus having the same}

개시된 발명은 형광 검출 광학계 및 이를 포함하는 다채널 형광 검출 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 여기광과 형광 사이의 크로스토크 또는 인접한 파장 대역의 형광들 사이의 크로스토크를 효과적으로 감소시킬 수 있으며 반사된 여기광에 의한 노이즈를 감소시킬 수 있는 형광 검출 광학계 및 이를 포함하는 다채널 형광 검출 장치가 개시된다.

개인 맞춤형 의료(Point of Care) 시대가 도래함에 따라, 유전자 분석, 체외 진단, 유전자 염기 서열 분석 등의 중요성이 부각되고 있으며, 그 수요 또한 점차 증가하고 있다. 이에 따라, 적은 양의 샘플로도 빠른 시간 내에 많은 양의 검사를 수행할 수 있는 플랫폼 및 시스템이 개발/출시되고 있다. 예를 들어, 그러한 요구를 실현하기 위하여, 미세유체칩(microfluidics)이나 랩온어칩(Lab on a Chip)과 같은 미세 유체 소자 플랫폼이 주목을 받고 있다. 미세 유체 소자는 미량의 유체를 제어하고 조작이 가능하도록 설계된 복수의 미세 유로와 미세 챔버를 포함한다. 미세 유체 소자를 이용함으로써, 미세 유체의 반응 시간을 최소화할 수 있으며, 미세 유체의 반응과 그 결과의 측정이 동시에 이루어질 수 있다. 이러한 미세 유체 소자는 다양한 방법으로 제작될 수 있으며, 그 제작 방법에 따라 다양한 재료가 이용되고 있다.

한편, 예를 들어 유전자 분석시, 샘플에서 특정 DNA의 존재 여부 또는 DNA의 양을 정확히 알기 위해서는, 실제 샘플을 정제/추출한 후 측정 가능하도록 충분히 증폭하는 과정이 요구된다. 다양한 유전자 증폭 방법 중에서 예를 들어 중합효 소연쇄반응(polymerase chain reaction; PCR)이 가장 널리 쓰인다. 그리고, PCR을 통해 증폭한 DNA를 검출하기 위한 방법으로 형광 검출법이 주로 이용된다. 예를 들어 정량적 실시간 PCR(quantitative real-time PCR; qPCR)은 타깃 샘플(target sample)의 증폭 및 실시간 검출/측정을 위해 다수의 형광 염료/프로브 및 프라이머 세트(primer set)를 이용한다. 예컨대, 타크만 프로브(TaqMan probe)를 사용하는 qPCR의 경우, DNA 증폭 단계에서 타크만 프로브가 템플릿(template)으로부터 떨어져 나오면서 형광 특성을 갖게 되는 점을 이용한다. 즉, PCR 사이클이 진행되면서 각 템플릿으로부터 떨어져 나오는 타크만 프로브의 수가 지수적으로 증가하게 되고, 결국 형광 신호 레벨도 지수적으로 증가한다. 이러한 형광 신호 레벨의 변화를 광학계로 측정함으로써, 타깃 샘플의 유무 판정이나 정량 분석이 가능하게 된다. PCR 사이클이 진행되면서 형광 신호 레벨 곡선은 S-커브(S-curve)를 따르게 되는데, 형광 신호 레벨이 급격하게 변하는 지점에 Ct(threshold cycle) 값을 설정하여 측정하게 된다. 이러한 qPCR 기법이 적용된 체외 진단, 유전자 분석, 바이오 마커 개발, 유전자 염기 서열 분석 등의 플랫폼이 이미 상용화되어 있다.

형광 검출 광학계는 미세유체칩이나 PCR 칩과 같은 미세 유체 소자 내에서 일어나는 바이오 반응에 의한 형광 신호 레벨 또는 그 변화량을 측정하기 위한 것이다. 예를 들어, 형광 검출 광학계는 형광 염료로 표지된 샘플에 여기광을 조사하고, 여기광에 의해 여기된 형광 염료로부터 방출되는 형광을 검출한다. 그런데, 대부분의 형광 염료의 경우, 여기광의 파장 대역과 형광의 파장 대역 사이에 서로 중첩되는 파장 영역이 존재한다. 따라서, 광원 앞에 배치되는 여기광 필터의 통과 대역과 광검출기 앞에 배치되는 형광 필터의 통과 대역이 서로 중첩되지 않도록 여기광 필터와 형광 필터를 설계하는 것이 중요하다. 만약, 여기광 필터와 형광 필터의 통과 대역이 중첩되면, 여기광과 형광이 완전히 분리되지 않아서 미세 유체 소자에서 반사된 여기광이 광검출기에 입사할 수 있다. 일반적으로, 여기광은 형광 염료로부터 방출되는 형광에 비해 약 10⁵~10⁶배 이상 밝기 때문에, 여기광과 형광 사이의 크로스토크는 형광 검출 광학계의 검출 성능을 저하시킬 수 있다.

또한, 서로 다른 색의 형광을 각각 검출하는 다수의 형광 검출 광학계를 포함하는 다채널 형광 검출 장치의 경우, 인접한 파장 대역의 여기광들 사이에 그리고 인접한 파장 대역의 형광들 사이에 중첩되는 파장 영역에 존재하기 때문에, 여기광 필터, 형광 필터 및 다이크로익 필터 등의 설계에 따라서는 인접 파장대의 여기광들 사이 및 인접 파장대의 형광들 사이에 크로스토크가 발생할 수도 있다.

이러한 이유로, 크로스토크를 방지하기 위하여 여기광 필터와 형광 필터의 통과 대역이 중첩되지 않도록 예를 들어 수십 nm 이내로 통과 대역을 좁게 설계하는 것이 일반적이다. 그러나, 여기광 필터와 형광 필터의 통과 대역이 좁아지면, 여기광의 광량과 형광의 광량이 작아져서 형광 검출 광학계의 검출 성능이 저하될 수 있다. 또한, 다수의 형광 검출 광학계를 포함하는 다채널 형광 검출 장치의 경우, 다수의 여기광 필터와 다수의 형광 필터들의 통과 대역들을 완전히 중첩되지 않게 설계하는 것은 어려운 일이다. 이에 따라, 소프트웨어를 이용하여 크로스토크를 보상하는 방법이 제안되고 있으나, 계수 값의 선택에 따라 결과가 크게 달라지기 때문에 적용에 어려움이 있다.

또한, 형광 검출 광학계의 광원에서 방출된 여기광 중에서 일부는 미세 유체 소자에서 반사된 후, 다시 광원으로 되돌아오게 된다. 이로 인해, 광원에서 방출된 여기광과 미세 유체 소자에서 반사된 여기광 사이에 간섭이 발생할 수 있다. 이러한 여기광 사이의 간섭은 노이즈를 발생시켜 형광 검출 광학계의 검출 성능에 영향을 줄 수 있다.

여기광과 형광 사이의 크로스토크 또는 인접한 파장 대역의 형광들 사이의 크로스토크를 효과적으로 감소시킬 수 있으며 반사된 여기광에 의한 노이즈를 감소시킬 수 있는 형광 검출 광학계 및 이를 포함하는 다채널 형광 검출 장치를 제공한다.

일 유형에 따른 형광 검출 광학계는, 제 1 편광 성분을 갖는 여기광을 방출하는 광원부; 여기광을 미세 유체 소자 상에 포커싱하는 대물렌즈; 미세 유체 소자 내의 샘플이 여기광에 의해 여기되면서 발생한 형광을 검출하는 형광 검출부; 및 상기 광원부에서 방출된 여기광을 미세 유체 소자에 전달하고, 미세 유체 소자에서 발생한 형광을 상기 형광 검출부에 전달하는 광 전달부;를 포함할 수 있으며, 상기 광 전달부는 미세 유체 소자로부터 반사된 여기광을 제 1 편광 성분에 수직한 제 2 편광 성분의 여기광으로 변환하고, 제 2 편광 성분의 여기광을 광경로 바깥으로 반사하도록 구성될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 광 전달부는: 상기 대물렌즈와 형광 검출부 사이에 배치되며, 입사광의 적어도 일부를 투과시키고 나머지 일부를 반사하는 제 1 빔스플리터; 상기 제 1 빔스플리터와 상기 광원부 사이에 배치된 것으로, 제 1 편광 성분의 광을 투과시키고 제 2 편광 성분의 광을 반사하는 제 2 빔스플리터; 상기 제 2 빔스플리터와 상기 제 1 빔스플리터 사이에 배치된 제 1 1/4 파장판; 상기 제 1 빔스플리터와 상기 형광 검출부 사이에 배치된 것으로, 제 1 편광 성분의 광을 투과시키고 제 2 편광 성분의 광을 반사하는 제 3 빔스플리터; 및 상기 제 3 빔스플리터와 상기 제 1 빔스플리터 사이에 배치된 제 2 1/4 파장판;을 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 제 1 빔스플리터는 입사광의 50%를 투과시키고 나머지 50%를 반사하는 반투과 미러, 또는 여기광을 반사하고 형광을 투과시키는 다이크로익 필터일 수 있다.

예를 들어, 상기 제 2 및 제 3 빔스플리터는 편광 빔스플리터일 수 있다.

상기 형광 검출 광학계는, 상기 제 2 빔스플리터 또는 제 3 빔스플리터에서 반사된 제 2 편광 성분의 여기광을 검출하여 대물렌즈의 포커싱 오차를 계산하고 상기 대물렌즈의 포커싱 위치를 조정하는 자동 초점 유닛을 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 광원부는: 여기광을 방출하는 광원; 제 1 편광 성분의 광을 투과시키고 제 1 편광 성분에 수직한 제 2 편광 성분의 광을 차단하는 편광자; 및 여기광을 평행빔으로 만드는 콜리메이팅 렌즈;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 광원부는 특정 파장 대역의 여기광만을 통과시키는 여기광 필터를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 형광 검출부는: 미세 유체 소자 내의 샘플에서 발생한 형광을 검출하기 위한 광검출기; 및 형광을 상기 광검출기 상에 포커싱하는 포커싱 렌즈;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 형광 검출부는 형광만을 투과시키는 형광 필터를 더 포함할 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 광원부는 여기광을 방출하는 광원 및 특정 파장 대역의 여기광만을 통과시키는 제 1 대역 통과 필터를 포함하며, 상기 형광 검출부는 형광을 검출하기 위한 광검출기 및 형광만을 투과시키는 제 2 대역 통과 필터를 포함하고, 상기 제 1 대역 통과 필터의 통과 대역과 제 2 대역 통과 필터의 통과 대역이 부분적으로 중첩될 수 있다.

다른 유형에 따른 형광 검출 광학계는, 제 1 편광 성분을 가지며, 파장이 서로 다른 두 여기광을 각각 방출하는 광원부; 여기광을 미세 유체 소자 상에 포커싱하는 대물렌즈; 미세 유체 소자 내의 샘플이 여기광에 의해 여기되면서 발생한 형광을 검출하는 형광 검출부; 및 상기 광원부에서 방출된 여기광을 미세 유체 소자에 전달하고, 미세 유체 소자에서 발생한 형광을 상기 형광 검출부에 전달하는 광 전달부;를 포함할 수 있으며, 상기 광 전달부는 미세 유체 소자로부터 반사된 여기광을 제 1 편광 성분에 수직한 제 2 편광 성분의 여기광으로 변환하고, 제 2 편광 성분의 여기광을 광경로 바깥으로 반사하도록 구성될 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 자동 초점 유닛은: 다수의 광검출 세그먼트로 분할된 분할형 광검출기; 여기광을 상기 분할형 광검출기 상에 포커싱하는 포커싱 렌즈; 및 상기 대물렌즈의 포커싱 위치를 조정하기 위한 액추에이터;를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 포커싱 렌즈는 비점수차 렌즈이며, 상기 분할형 광검출기는 4개의 광검출 세그먼트를 갖는 4-분할형 광검출기일 수 있다.

또한, 상기 자동 초점 유닛은 상기 포커싱 렌즈와 분할형 광검출기 사이에서 초점이 맞지 않은 광을 차단하는 나이프 에지를 더 포함하며, 상기 분할형 광검출기는 2개의 광검출 세그먼트를 갖는 2-분할형 광검출기일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 광원부는: 제 1 여기광을 방출하는 제 1 광원; 제 1 여기광을 통과시키는 제 1 여기광 필터; 제 1 여기광과 파장이 다른 제 2 여기광을 방출하는 제 2 광원; 제 2 여기광을 통과시키는 제 2 여기광 필터; 상기 제 1 광원과 제 2 광원에 대향하여 배치되며, 제 1 여기광과 제 2 여기광을 반사 또는 투과시켜 제 1 여기광과 제 2 여기광이 동일한 광경로를 따라 진행하도록 하는 빔스플리터; 제 1 편광 성분의 광을 투과시키고 제 1 편광 성분에 수직한 제 2 편광 성분의 광을 차단하는 편광자; 및 여기광을 평행빔으로 만드는 콜리메이팅 렌즈;를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 제 1 여기광 필터와 제 2 여기광 필터는 제 1 여기광과 제 2 여기광을 모두 통과시키는 동일한 이중 대역 통과 필터일 수 있다.

예를 들어, 상기 빔스플리터는, 상기 제 1 광원에 대향하는 제 1 표면으로 입사하는 광에 대해 투과율이 약 95% 이상이고, 상기 제 2 광원에 대향하는 제 2 표면으로 입사하는 광에 대해 반사율이 약 95% 이상되도록 설계된 반투과 미러일 수 있다.

또한, 상기 광원부는 상기 빔스플리터에서 반사된 제 1 여기광과 상기 빔스플리터를 투과한 제 2 여기광의 광량을 측정하기 위한 모니터링 광검출기를 더 포함할 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 형광 검출부는: 미세 유체 소자 내의 샘플에서 발생한 형광을 검출하기 위한 광검출기; 형광을 상기 광검출기 상에 포커싱하는 포커싱 렌즈; 및 형광만을 투과시키는 형광 필터;를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 형광 필터는, 파장이 서로 다른 두 여기광에 의해 미세 유체 소자 내의 샘플이 여기되면서 각각 발생한 파장이 서로 다른 두 형광을 모두 통과시키는 이중 대역 필터일 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 유형에 따른 형광 검출 장치는, 상술한 구조를 갖는 적어도 하나의 형광 검출 광학계; 및 상기 적어도 하나의 형광 검출 광학계를 이송시키기 위한 이송 부재;를 포함할 수 있다.

개시된 형광 검출 광학계는 편광자, 편광 빔스플리터, 1/4 파장판 등과 같은 편광 소자들을 이용하여 특정 편광 성분의 여기광과 형광만을 통과시키거나 차단함으로써, 소프트웨어의 도움 없이 광학적으로 크로스토크를 최소화할 수 있다. 따라서, 크로스토크에 대한 염려 없이 여기광 필터와 형광 필터를 최적으로 설계할 수 있다. 또한, 미세 유체 소자에서 반사된 여기광이 광원으로 재입사하는 것을 방지할 수 있어서, 노이즈의 발생을 억제할 수 있다. 따라서, 형광 검출 광학계의 검출 성능이 향상될 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 형광 검출 광학계의 예시적인 구조를 개략적으로 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 다채널 형광 검출 장치의 예시적인 구조를 개략적으로 도시한다.
도 3은 도 2에 도시된 다채널 형광 검출 장치에서 사용되는 다수의 여기광 필터와 다수의 형광 필터의 통과 대역들을 예시적으로 도시한다.
도 4는 다른 실시예에 따른 형광 검출 광학계의 예시적인 구조를 개략적으로 도시한다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 형광 검출 광학계의 예시적인 구조를 개략적으로 도시한다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 형광 검출 광학계의 예시적인 구조를 개략적으로 도시한다.
도 7a 내지 도 7c는 도 6의 형광 검출 광학계에서 비점수차 방식으로 초점을 조절하는 원리를 예시적으로 보인다.
도 8a 내지 도 10b는 도 6의 형광 검출 광학계에서 나이프 에지(knife edge) 방식으로 초점을 조절하는 원리를 예시적으로 보인다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 형광 검출 광학계 및 이를 포함하는 다채널 형광 검출 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 형광 검출 광학계(100)의 예시적인 구조를 개략적으로 도시하고 있다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 형광 검출 광학계(100)는, 여기광을 방출하는 광원(101), 입사광의 일부를 반사하고 나머지 일부를 투과시키는 빔스플리터(107), 빔스플리터(107)에 의해 반사된 여기광을 미세 유체 소자(150)의 챔버(151) 상에 포커싱하는 대물렌즈(108), 및 챔버(151) 내의 샘플에서 발생한 형광을 검출하기 위한 광검출기(113)를 포함할 수 있다. 또한, 광원(101)과 빔스플리터(107) 사이의 광경로에서, 형광 검출 광학계(100)는 특정 파장 대역의 여기광만을 통과시키는 여기광 필터(102), 제 1 편광 성분의 광을 투과시키고 제 1 편광 성분에 수직한 제 2 편광 성분의 광을 차단하는 편광자(103), 여기광을 평행빔으로 만드는 콜리메이팅 렌즈(104), 제 1 편광 성분의 광을 투과시키고 제 1 편광 성분에 수직한 제 2 편광 성분의 광을 반사하는 제 1 편광 빔스플리터(105), 입사광의 위상을 파장의 1/4만큼 지연시키는 제 1 1/4 파장판(106)을 포함할 수 있다. 또한, 빔스플리터(107)와 광검출기(113) 사이의 광경로에서, 형광 검출 광학계(100)는 입사광의 위상을 파장의 1/4만큼 지연시키는 제 2 1/4 파장판(109), 제 1 편광 성분의 광을 투과시키고 제 1 편광 성분에 수직한 제 2 편광 성분의 광을 반사하는 제 2 편광 빔스플리터(110), 제 2 편광 빔스플리터(110)를 투과한 광 중에서 형광만을 투과시키는 형광 필터(111), 및 형광을 광검출기(113)에 포커싱하는 포커싱 렌즈(112)를 포함할 수 있다.

상술한 구성에서, 광원(101), 여기광 필터(102), 편광자(103) 및 콜리메이팅 렌즈(104)는 광원부를 구성한다. 광원(101)은 예를 들어, 특정 파장을 갖는 광을 방출하는 발광다이오드(LED)나 레이저 다이오드(LD), 또는 백색광을 방출하는 할로겐 램프나 백색 LED일 수 있다. 여기광 필터(102)는 특정 파장 대역의 여기광(λe)만을 통과시키는 대역 통과 필터(band pass filter)일 수 있다. 예를 들어, 여기광 필터(102)는 챔버(151) 내의 샘플에 표지된 형광 염료에 대해 흡수율이 가장 높은 파장 대역의 여기광을 통과시키도록 설계될 수 있다. 도 1에는 광원(101)의 바로 앞에 여기광 필터(102)가 배치된 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 여기광 필터(102)는 예를 들어 광원(101)과 빔스플리터(107) 사이의 어디에도 위치할 수 있다.

편광자(103)는 제 1 편광 성분(예컨대, p-편광)의 여기광을 투과시키고 제 1 편광 성분에 수직한 제 2 편광 성분(예컨대, s-편광)의 여기광을 차단하는 역할을 한다. 따라서, 편광자(103)를 통과한 여기광은 제 1 편광 성분만을 갖게 된다. 도 1에는 편광자(103)가 여기광 필터(102)와 콜리메이팅 렌즈(104) 사이에 배치된 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 편광자(103)는 예를 들어 광원(101)과 편광 빔스플리터(105) 사이의 어디에도 위치할 수 있다. 또한, 광원(101)이 편광되지 않은 광을 방출하는 경우에만 편광자(103)가 사용되며, 만약 광원(101)이 특정 편광 성분을 갖는 광을 방출하는 편광 광원이라면, 편광자(103)는 생략될 수도 있다.

또한, 형광 필터(111), 포커싱 렌즈(112) 및 광검출기(113)는 미세 유체 소자(150)의 챔버(151)에서 발생한 형광을 검출하는 형광 검출부를 구성한다. 형광 필터(111)는 광검출기(113)에 형광 이외의 광성분이 도달하지 않도록 차단하는 역할을 한다. 예를 들어, 형광 필터(111)는 챔버(151) 내의 샘플이 제 1 파장 대역의 여기광(λe)에 의해 여기되면서 발생한 제 2 파장 대역의 형광(λf)만을 통과시키는 대역 통과 필터일 수 있다. 광검출기(113)로는 예를 들어 포토 다이오드, 포토 다이오드 어레이, 광전자 증배관(photo multiplier tube; PMT), CCD 이미지 센서, CMOS 이미지 센서, 애벌런치 포토 다이오드(avalanche PD; APD) 등을 사용할 수 있다.

한편, 제 1 편광 빔스플리터(105), 제 1 1/4 파장판(106), 빔스플리터(107), 제 2 1/4 파장판(109) 및 제 2 편광 빔스플리터(110)는 광원(101)에서 방출된 여기광을 미세 유체 소자(150)에 전달하고, 미세 유체 소자(150)의 챔버(151)에서 발생한 형광을 광검출기(113)에 전달하는 광 전달부를 구성한다. 제 1 및 제 2 편광 빔스플리터(105, 110)는 입사광의 편광 방향에 따라 입사광을 투과시키거나 반사하는 광학 소자이다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 편광 빔스플리터(105, 110)는 제 1 편광 성분(예컨대, p-편광)의 광을 투과시키고 제 1 편광 성분에 수직한 제 2 편광 성분(예컨대, s-편광)의 광을 반사할 수 있다. 1/4 파장판(106, 109)은 입사광의 위상을 입사광의 파장의 1/4만큼 지연시키는 역할을 한다. 광학적 원리에 따라, 선편광이 1/4 파장만큼 위상 지연되면 원편광으로 변환되며, 역으로 원편광이 1/4 파장만큼 위상 지연되면 선편광으로 변환된다. 또한, 선편광이 1/4 파장판(106, 109)을 두 번 통과하면 1/2 파장만큼 위상 지연되는데, 이 경우에는 원래의 편광 방향에 수직한 선편광이 된다. 예를 들어, p-편광이 1/4 파장판(106, 109)을 두 번 통과하면 s-편광으로 변환된다.

또한, 빔스플리터(107)는 입사광의 일부를 투과시키고 나머지 일부를 반사할 수 있다. 예를 들어, 빔스플리터(107)는 광축에 45도로 경사지게 배치된 반투과 미러(half mirror)일 수 있다. 예를 들어, 반투과 미러는 입사광의 50%를 투과시키고 나머지 50%를 반사하도록 설계될 수 있다. 반투과 미러 대신에 파장 선택성을 갖는 다이크로익 필터(dicroic mirror)를 빔스플리터(107)로서 사용할 수도 있다. 예컨대, 다이크로익 필터는 제 1 파장 대역의 여기광(λe)을 반사하고, 제 2 파장 대역의 형광(λf)을 투과시킬 수 있다. 도 1에는 광원(101)과 미세 유체 소자(150) 사이의 광경로가 빔스플리터(107)에 의해 절곡되어 있고, 광검출기(113)와 미세 유체 소자(150) 사이의 광경로가 일직선인 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 빔스플리터(107)의 선택에 따라, 광원(101)과 미세 유체 소자(150) 사이의 광경로가 일직선이 되고, 광검출기(113)와 미세 유체 소자(150) 사이의 광경로가 절곡될 수도 있다. 이를 위해, 예를 들어 빔스플리터(107)가 반투과 미러인 경우, 경사 방향을 90도만큼 회전시킬 수 있다. 대신에, 제 1 파장 대역의 여기광(λe)을 투과시키고 제 2 파장 대역의 형광(λf)을 반사하는 다이크로익 필터를 상기 빔스플리터(107)로서 사용할 수도 있다.

이하, 도 1에 도시된 실시예에 따른 형광 검출 광학계(100)의 동작에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서는 편의상, 편광자(103)가 p-편광 성분의 광을 투과시키고 s-편광 성분의 광을 차단하는 것으로 가정하며, 제 1 및 제 2 빔스플리터(105, 110)는 p-편광 성분의 광을 투과시키고, s-편광 성분의 광을 반사하는 것으로 가정한다. 또한, 빔스플리터(107)는 광축에 45도 기울어진 반투과 미러인 것으로 가정한다.

먼저, 광원(101)이 ON 되면 여기광을 방출한다. 여기광은 여기광 필터(102)를 통과하면서 제 1 파장 대역만을 갖게 된다. 그런 후, 여기광은 편광자(103)를 통과하면서 특정 편광 성분(예컨대, p-편광)을 갖게 된다. 이어서, 콜리메이팅 렌즈(104)에 의해 여기광은 평행빔이 된다. p-편광 성분을 갖는 여기광(λe_p)은 제 1 편광 빔스플리터(105)를 통과한 후, 제 1 1/4 파장판(106)에 의해 원편광을 갖는 여기광(λe_c)으로 변환된다. 그런 후, 여기광의 일부는 빔스플리터(107)에 의해 반사된 다음, 대물렌즈(108)에 의해 미세 유체 소자(150)의 챔버(151) 상에 포커싱된다.

챔버(151) 내에 있는 샘플에 표지된 형광 염료는 여기광에 의해 여기되면서 제 2 파장 대역의 형광(λf)을 발생시킨다. 이때 발생하는 형광은 모든 편광 성분을 갖는 비편광 상태이다. 여기광과 형광의 반사를 위해, 미세 유체 소자(150)는 실리콘과 같은 반사성 재료로 이루어질 수 있다. 또는, 미세 유체 소자(150)의 표면에 반사 코팅이 형성될 수도 있다. 따라서, 형광 염료에 흡수되지 않은 나머지 여기광(λe_c)과 형광 염료에서 발생한 형광(λf)은 미세 유체 소자(150)에서 반사되어 빔스플리터(107)에 입사한다.

그러면, 여기광(λe_c)과 형광(λf)의 일부는 빔스플리터(107)를 투과하여 제 2 1/4 파장판(109)으로 진행하며, 나머지 일부는 상기 빔스플리터(107)에 의해 반사되어 제 1 1/4 파장판(106)으로 진행할 수 있다. 후자의 경우에 대해 먼저 설명하자면, 제 1 1/4 파장판(106)을 통과하면서 원편광 상태의 여기광(λe_c)은 s-편광 성분을 갖는 여기광(λe_s)으로 변환된다. 반면, 비편광 상태의 형광은 여전히 비편광 상태를 유지한다. 그런 후, s-편광 성분을 갖는 여기광(λe_s)은 제 1 편광 빔스플리터(105)에서 반사되어 광경로로부터 이탈한다. 따라서, 미세 유체 소자(150)에서 반사된 여기광이 광원(101)에 입사하지 않게 되므로, 여기광의 간섭으로 인한 노이즈를 억제할 수 있다. 한편, 제 1 편광 빔스플리터(105)에 입사한 형광 중에서 p-편광 성분을 갖는 형광은 제 1 편광 빔스플리터(105)를 통과하지만 여기광 필터(102)에 의해 차단된다. 또한, 형광의 세기는 여기광 세기에 비해 매우 약하므로 광원(101)에는 거의 영향을 주지 않는다.

또한, 빔스플리터(107)를 투과한 여기광(λe_c)과 형광(λf)의 일부는 제 2 1/4 파장판(109)을 통과한다. 이때, 원편광 상태의 여기광(λe_c)은 s-편광 성분을 갖는 여기광(λe_s)으로 변환되며, 비편광 상태의 형광은 여전히 비편광 상태를 유지한다. 그런 후, s-편광 성분을 갖는 여기광(λe_s)은 제 2 편광 빔스플리터(110)에서 반사되어 광경로로부터 이탈한다. 따라서, 미세 유체 소자(150)에서 반사된 여기광이 형광 필터(111)에 도달하지 않기 때문에, 여기광과 형광이 광검출기(113)에서 크로스토크를 일으킬 가능성을 저감시킬 수 있다. 한편, 제 2 편광 빔스플리터(110)에 입사한 형광 중에서 p-편광 성분을 갖는 형광은 상기 제 2 편광 빔스플리터(110)를 통과한 후, 형광 필터(111)와 포커싱 렌즈(112)를 통해 광검출기(113)에 입사할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 형광 검출 광학계(100)는 편광자(103), 편광 빔스플리터(105, 110), 및 1/4 파장판(106, 109)과 같은 편광 소자들을 이용하여 여기광과 형광의 진행 경로를 적절하게 제어할 수 있다. 특히, 미세 유체 소자(150)에서 반사된 잔여 여기광을 광경로 밖으로 반사함으로써, 잔여 여기광이 광원(101)이나 광검출기(113)에 입사하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따르면 소프트웨어의 도움 없이도 광학적으로 크로스토크를 최소화할 수 있다. 또한, 미세 유체 소자(150)에서 반사된 여기광이 광원(101)에 재입사하여 발생하는 노이즈를 억제할 수 있다. 또한, 백색광을 방출하는 광원(101)을 사용하는 경우에도 적외선과 자외선을 차단하기 위한 별도의 필터 설계가 불필요하다. 또한, 본 실시예에 따르면, 빔스플리터(107)로서 고가의 다이크로익 필터뿐만 아니라 비교적 저가인 반투과 미러를 사용할 수도 있다. 따라서, 형광 검출 광학계(100)의 제조 비용을 더욱 저감시킬 수 있다.

위와 같은 형광 검출 광학계(100)를 다수 결합하면, 다수의 색에 대한 형광 검출을 동시에 수행할 수 있는 다채널 형광 검출 장치를 제공할 수 있다. 도 2는 상술한 형광 검출 광학계(100)를 포함하는 일 실시예에 따른 다채널 형광 검출 장치(500)의 예시적인 구조를 개략적으로 도시하고 있다. 도 2를 참조하면, 형광 검출 장치(500)는 서로 다른 파장 대역의 여기광으로 서로 다른 파장 대역의 형광을 각각 검출하는 4개의 형광 검출 광학계(100a~100d)를 포함할 수 있다. 도 2에는 예시적으로 4개의 형광 검출 광학계(100a~100d)가 도시되어 있지만, 반드시 그에 한정되는 것은 아니다. 4개의 형광 검출 광학계(100a~100d)는 도 1에 도시된 구성과 동일한 구성을 가지며, 단지 여기광과 형광의 파장만이 다를 수 있다.

예를 들어, 제 1 형광 검출 광학계(100a)는 제 1 파장 대역의 여기광을 방출하여 제 2 파장 대역의 형광을 검출하도록 구성되며, 제 2 형광 검출 광학계(100b)는 제 3 파장 대역의 여기광을 방출하여 제 4 파장 대역의 형광을 검출하도록 구성되고, 제 3 형광 검출 광학계(100c)는 제 5 파장 대역의 여기광을 방출하여 제 6 파장 대역의 형광을 검출하도록 구성되며, 제 4 형광 검출 광학계(100d)는 제 7 파장 대역의 여기광을 방출하여 제 8 파장 대역의 형광을 검출하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 상기 제 1 내지 제 4 형광 검출 광학계(100a~100d)는 통과 대역이 각기 다른 여기광 필터(102)와 형광 필터(111)를 각각 가질 수 있다. 상술한 바와 같이, 형광 검출 광학계(100a~100d)는 편광 원리에 따라 잔여 여기광이 광원(101)이나 광검출기(113)에 입사하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 크로스토크에 대한 염려 없이 각각의 여기광 필터(102)와 형광 필터(111)를 설계할 수 있다. 즉, 통과 대역이 서로 중첩되지 않도록 다수의 여기광 필터(102)와 형광 필터(111)를 설계할 필요가 없다.

도 3은 도 2에 도시된 다채널 형광 검출 장치(500)에서 사용되는 형광 검출 광학계(100a~100d)의 다수의 여기광 필터(102)와 다수의 형광 필터(111)의 통과 대역들을 예시적으로 도시하고 있다. 예를 들어, 제 1 형광 검출 광학계(100a)가 시안 계열의 여기광으로 형광을 검출하는 경우, 여기광 필터(102)의 통과 대역(C)과 형광 필터(111)의 통과 대역(C')이 부분적으로 중첩될 수 있다. 또한, 앰버 계열의 여기광으로 형광을 검출하는 제 2 형광 검출 광학계(100b)에서 여기광 필터(102)의 통과 대역(A)과 형광 필터(111)의 통과 대역(A')이 부분적으로 중첩될 수 있으며, 녹색 계열의 여기광으로 형광을 검출하는 제 3 형광 검출 광학계(100c)에서 여기광 필터(102)의 통과 대역(G)과 형광 필터(111)의 통과 대역(G')이 부분적으로 중첩될 수 있고, 적색 계열의 여기광으로 형광을 검출하는 제 4 형광 검출 광학계(100d)에서 여기광 필터(102)의 통과 대역(R)과 형광 필터(111)의 통과 대역(R')이 부분적으로 중첩될 수 있다. 더욱이, 인접하는 채널 간의 중첩도 가능하다. 예를 들어, 통과 대역(A')과 통과 대역(G) 사이, 통과 대역(G')과 통과 대역(R) 사이에도 부분적으로 중첩이 존재할 수 있다. 따라서, 여기광 필터(102)와 형광 필터(111)의 통과 대역을 비교적 넓게 설계할 수 있어서, 형광 검출 장치(500)의 검출 성능이 향상될 수 있다. 특히, 형광 염료의 여기광 흡수 피크를 중심으로 여기광 필터(102)의 통과 대역을 설계하고, 형광 염료의 발광 피크를 중심으로 형광 필터(111)의 통과 대역을 설계함으로써, 형광 검출 장치(500)의 광 이용 효율을 향상시킬 수 있다.

다시 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 형광 검출 장치(500)는 형광 검출 광학계(100a~100d)를 이송시키기 위한 이송 부재로서 리드 스크루(501) 및 가이드 레일(502)를 더 포함할 수 있다. 형광 검출 광학계(100a~100d)의 일단은 리드 스크루(501)에 결합되어 있으며, 타단은 가이드 레일(502)에 의해 지지될 수 있다. 이러한 구성에서, 리드 스크루(501)에 연결된 모터(도시되지 않음)에 의해 리드 스크루(501)가 회전하게 되면, 형광 검출 광학계(100a~100d)가 도 2에 표시된 화살표의 방향을 따라 이동할 수 있다. 따라서, 다수의 형광 검출 광학계(100a~100d)는 미세 유체 소자(150) 위의 다수의 챔버(151~154)들 위를 순차적으로 이동하면서 동시에 형광을 검출할 수 있다.

도 4는 다른 실시예에 따른 형광 검출 광학계(200)의 예시적인 구조를 개략적으로 도시하고 있다. 도 4에 도시된 형광 검출 광학계(200)는 도 1에 도시된 형광 검출 광학계(100)와 비교할 때, 단지 여기광 필터(102)와 형광 필터(111)가 생략되었다는 점에서 차이가 있다. 도 4에 도시된 형광 검출 광학계(200)는 도 2와 같은 다채널 형광 검출 장치(500)에서 사용되지 않고, 단독으로 분리되어 단색 형광 검출을 하는 경우에 사용될 수 있다. 형광 검출 광학계(200)가 단독으로 사용되는 경우에는, 인접 채널과의 간섭 가능성이 없기 때문에 여기광 필터(102)와 형광 필터(111)는 생략될 수 있다. 형광 필터(111)가 생략되더라도, 잔여 여기광이 제 2 편광 빔스플리터(110)에 의해 광경로로부터 이탈하므로 광검출기(113)에 입사하지 않는다. 또한, FAM 염료(시안 계열)와 Quasar 670 형광 염료(적색 계열)와 같이 각각의 여기 파장과 형광 방출 파장들이 서로 멀리 떨어져 있어서 간섭의 가능성이 작은 경우에, 2개의 형광 검출 광학계(200)를 사용하여 2-색 형광 검출을 동시에 수행할 수도 있다.

도 5는 또 다른 실시예에 따른 형광 검출 광학계(300)의 예시적인 구조를 개략적으로 도시하고 있다. 도 5에 도시된 형광 검출 광학계(300)는 서로 다른 두 파장의 여기광으로 형광을 검출하기 위한 것이다. 이를 위해, 형광 검출 광학계(300)의 광원부는 두 개의 광원(101a, 101b), 두 개의 여기광 필터(102a, 102b), 빔스플리터(114), 편광자(103) 및 콜리메이팅 렌즈(104)를 포함할 수 있다. 상술한 광원부는 두 개의 상이한 광원(101a, 101b)을 이용하여 서로 다른 두 파장(λe1, λe2)의 여기광을 제공할 수 있다. 예컨대, 제 1 및 제 2 광원(101a, 101b)은 서로 다른 파장을 갖는 광을 방출하는 LED 또는 LD일 수 있다. 또한, 제 1 여기광 필터(102a)는 제 1 여기광(λe1)만 통과시키는 대역 통과 필터일 수 있으며, 제 2 여기광 필터(102b)는 제 2 여기광(λe2)만 통과시키는 대역 통과 필터일 수 있다. 그러나, 부품의 종류를 줄이고 조립의 편의를 위해, 제 1 여기광 필터(102a)와 제 2 여기광 필터(102b)는 동일한 필터일 수도 있다. 예를 들어, 제 1 여기광 필터(102a)와 제 2 여기광 필터(102b)는 제 1 여기광과 제 2 여기광을 모두 통과시키는 이중 대역 통과 필터(dual band pass filter)일 수도 있다.

빔스플리터(114)는 제 1 여기광과 제 2 여기광이 동일한 광경로를 따라 진행할 수 있도록 한다. 이를 위해, 빔스플리터(114)는 상기 제 1 광원(101a)과 제 2 광원(102b)에 대향하여 약 45도 정도 기울어져 배치될 수 있다. 예를 들어, 빔스플리터(114)는 입사광의 일부를 투과시키고 나머지 일부를 반사하는 반투과 미러일 수 있다. 이 경우, 제 1 광원(101a)으로부터 방출된 제 1 여기광의 일부는 빔스플리터(114)를 통과하여 편광자(103)에 입사한다. 또한, 제 2 광원(101b)으로부터 방출된 제 2 여기광의 일부는 빔스플리터(114)에서 반사되어 편광자(103)에 입사한다. 예를 들어, 반투과 미러는 제 1 광원(101a)에 대향하는 표면으로 입사하는 광에 대해 투과율이 약 95% 이상이고, 제 2 광원(101b)에 대향하는 반대쪽 표면으로 입사하는 광에 대해 반사율이 약 95% 이상되도록 설계될 수 있다. 또한, 반투과 미러 대신에, 빔스플리터(114)는 제 1 여기광을 투과시키고 제 2 여기광을 반사하는 다이크로익 필터일 수도 있다. 이 경우, 제 1 광원(101a)으로부터 방출된 제 1 여기광의 대부분이 빔스플리터(114)를 통과하여 편광자(103)에 입사하며, 제 2 광원(101b)으로부터 방출된 제 2 여기광의 대부분이 빔스플리터(114)에서 반사되어 편광자(103)에 입사할 수 있다.

상술한 광원부를 제외한 형광 검출 광학계(300)의 나머지 구성 및 동작은 도 1에 도시된 형광 검출 광학계(100)의 구성 및 동작과 거의 동일하다. 다만, 형광 필터(111)는 제 1 여기광에 의해 샘플에서 발생한 제 1 형광과 제 2 여기광에 의해 샘플에서 발생한 제 2 형광을 모두 통과시키는 이중 대역 통과 필터일 수 있다.

이러한 구성에서, 제 1 광원(101a)이 ON 되어 제 1 여기광을 방출하는 동안에는, 제 2 광원(101b)은 여기광을 방출하지 않는 OFF 상태에 있는다. 그러면, 제 1 여기광으로 샘플에 대한 형광 검출을 수행할 수 있다. 제 1 여기광으로 형광 검출을 수행하는 구체적인 동작은 도 1에 도시된 형광 검출 광학계(100)에 관하여 설명한 동작과 동일하다. 이어서, 제 2 광원(101b)이 ON 되어 제 2 여기광을 방출하는 동안에는, 제 1 광원(101a)은 여기광을 방출하지 않는 OFF 상태에 있는다. 따라서, 제 2 여기광으로 샘플에 대한 형광 검출을 수행할 수 있다. 도 5에 도시된 형광 검출 광학계(300)로 도 2에 도시된 다채널 형광 검출 장치(500)를 구성할 경우, 4-색 형광 검출을 위해 단지 두 개의 형광 검출 광학계(300)만을 사용할 수 있다.

도 6은 또 다른 실시예에 따른 형광 검출 광학계(400)의 예시적인 구조를 개략적으로 도시하고 있다. 도 6에 도시된 형광 검출 광학계(400)는, 도 5에 도시된 형광 검출 광학계(300)와 비교할 때, 여기광의 광량을 측정하기 위한 모니터링 광검출기(115)와 여기광의 포커싱 오차를 계산하여 대물렌즈(108)의 포커싱 위치를 조정하기 위한 자동 초점 유닛(121, 122, 123)을 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 모니터링 광검출기(115)는 제 1 광원(101a)으로부터 방출되어 빔스플리터(114)에서 반사된 제 1 여기광의 세기를 모니터링하여, 제 1 광원(101a)의 출력을 일정하게 유지하는 데 이용될 수 있다. 또한, 모니터링 광검출기(115)는 제 2 광원(101b)으로부터 방출되어 빔스플리터(114)를 투과한 제 2 여기광의 세기를 모니터링하여, 제 2 광원(101b)의 출력을 일정하게 유지하는 데 이용될 수 있다. 이를 위해 빔스플리터(114)는, 예컨대, 제 1 광원(101a)에 대향하는 표면으로 입사하는 광에 대해 투과율이 약 95% 이상이고(반사율이 약 5% 이하), 제 2 광원(101b)에 대향하는 표면으로 입사하는 광에 대해 반사율이 약 95% 이상(투과율이 약 5% 이하)인 반투과 미러일 수 있다. 그러면, 제 1 광원(101a)이 ON 상태인 동안, 제 1 여기광의 대부분(95% 이상)은 빔스플리터(114)를 투과하여 형광 검출에 사용되며, 일부(5% 이하)는 빔스플리터(114)에 의해 반사되어 제 1 광원(101a)의 광출력 제어에 사용될 수 있다. 마찬가지로, 제 2 광원(101b)이 ON 상태인 동안, 제 2 여기광의 대부분(95% 이상)은 빔스플리터(114)에서 반사되어 형광 검출에 사용되며, 나머지 일부(5% 이하)는 빔스플리터(114)를 투과하여 제 2 광원(101b)의 광출력 제어에 사용될 수 있다.

한편, 도 1, 도 4 및 도 5에 도시된 실시예들에서는, 미세 유체 소자(150)에서 반사된 후에 제 1 편광 빔스플리터(105)에서 다시 반사되는 s-편광 성분의 여기광(λe_s)은 이용되지 못하고 버려지는 광이었다. 그러나, 도 6에 도시된 실시예의 경우, 제 1 편광 빔스플리터(105)에서 반사된 s-편광 성분의 여기광(λe_s)을 이용하여 자동 초점 기능이 수행될 수 있다. 이를 위하여, 제 1 편광 빔스플리터(105)의 반사면에 대향하여 자동 초점 유닛(121, 122, 123)이 배치되어 있다. 상기 자동 초점 유닛(121, 122, 123)은, 제 1 편광 빔스플리터(105)에서 반사된 여기광을 포커싱하는 포커싱 렌즈(121), 제 1 편광 빔스플리터(105)에서 반사된 여기광을 검출하는 분할형 광검출기(122), 및 대물렌즈(108)의 포커싱 위치를 조정하기 위한 액추에이터(123)를 포함할 수 있다. 다수의 광검출 세그먼트들로 분할되어 있는 분할형 광검출기(122)는 각각의 세그먼트에 입사하는 광의 광량을 측정할 수 있다. 그러면, 분할형 광검출기(122)의 출력으로부터 대물렌즈(108)의 포커싱 오차를 계산할 수 있으며, 상기 계산된 포커싱 오차를 기초로 액추에이터(123)의 동작을 제어할 수 있다. 이러한 자동 초점 유닛에서 초점 오차를 계산하고 초점을 조절하는 방식에는 비점수차(astigmatic) 방식과 나이프 에지(knife edge) 방식이 있다.

예를 들어, 도 7a 내지 도 7c는 비점수차 방식으로 초점을 조절하는 원리를 예시적으로 보이고 있다. 비점수차 방식의 경우, 포커싱 렌즈(121)는 비점수차 렌즈를 사용하며, 분할형 광검출기(122)는 4개의 세그먼트(A~D)들로 분할된 4-분할형 광검출기를 사용할 수 있다. 먼저, 대물렌즈(108)가 미세 유체 소자(150)의 챔버(151)에 너무 가까워지면, 도 7a에 도시된 바와 같이, 비점수차 렌즈인 포커싱 렌즈(121)에 의해 분할형 광검출기(122) 위에 형성된 광 스폿(160)은 횡으로 길어지게 된다. 따라서, 제 1 세그먼트(A)와 제 3 세그먼트(C)에서 측정된 광량의 합(A+C)은 제 2 세그먼트(B)와 제 4 세그먼트(D)에서 측정된 광량의 합(B+D)보다 커진다. 따라서, A+C > B+D 인 경우, 액추에이터(123)를 동작시켜 대물렌즈(108)를 미세 유체 소자(150)의 챔버(151)로부터 멀어지게 한다. 액추에이터(123)는 예를 들어 보이스 코일 모터(voice coil motor; VCM)일 수 있다.

반면, 여기광이 미세 유체 소자(150)의 챔버(151)에 정확하게 포커싱되면, 도 7b에 도시된 바와 같이, 포커싱 렌즈(121)에 의해 분할형 광검출기(122) 위에 형성된 광 스폿(160)은 완전한 원형이 된다. 따라서, A+C = B+D 가 되며, 이 경우에는 대물렌즈(108)의 위치를 조정할 필요가 없다. 그리고, 대물렌즈(108)가 미세 유체 소자(150)의 챔버(151)에 너무 멀어지면, 도 7c에 도시된 바와 같이, 포커싱 렌즈(121)에 의해 분할형 광검출기(122) 위에 형성된 광 스폿(160)은 종으로 길어지게 된다. 따라서, 제 1 세그먼트(A)와 제 3 세그먼트(C)에서 측정된 광량의 합(A+C)은 제 2 세그먼트(B)와 제 4 세그먼트(D)에서 측정된 광량의 합(B+D)보다 작아진다. 따라서, A+C < B+D 인 경우, 액추에이터(123)를 동작시켜 대물렌즈(108)를 미세 유체 소자(150)의 챔버(151)에 가까워지게 한다.

또한, 도 8a 내지 도 10b는 나이프 에지 방식으로 초점을 조절하는 원리를 예시적으로 보이고 있다. 나이프 에지 방식의 경우, 포커싱 렌즈(121)는 일반적인 볼록 렌즈를 사용할 수 있으며, 분할형 광검출기(122)는 2개의 세그먼트(A,B)로 분할된 2-분할형 광검출기를 사용할 수 있다. 그리고, 포커싱 렌즈(121)와 분할형 광검출기(122) 사이에는 초점이 맞지 않은 광을 차단하는 나이프 에지(124)가 배치될 수 있다. 먼저, 여기광이 미세 유체 소자(150)의 챔버(151)에 정확하게 포커싱되면, 도 8a에 도시된 바와 같이, 포커싱 렌즈(121)에 의해 포커싱되는 광의 빔경이 나이프 에지(124)의 위치에서 최소로 된다. 그러면, 나이프 에지(124)에 의해 광이 차단되지 않기 때문에, 도 8b에 도시된 바와 같이, 제 1 세그먼트(A)와 제 2 세그먼트(B)에서 측정된 광량은 동일하다(A = B).

반면, 대물렌즈(108)가 미세 유체 소자(150)의 챔버(151)에 너무 가까워지면, 도 9a에 도시된 바와 같이, 포커싱 렌즈(121)에 의해 포커싱되는 광의 빔경은 나이프 에지(124)의 앞에서 최소로 된다. 그러면, 도 9b에 도시된 바와 같이, 제 1 세그먼트(A)로 향하는 광이 적어도 부분적으로 차단되므로, 제 1 세그먼트(A)에서 측정된 광량보다 제 2 세그먼트(B)에서 측정된 광량이 커지게 된다(A < B). 또한, 대물렌즈(108)가 미세 유체 소자(150)의 챔버(151)에 너무 멀어지면, 도 10a에 도시된 바와 같이, 포커싱 렌즈(121)에 의해 포커싱되는 광의 빔경은 나이프 에지(124)를 지나서 최소로 된다. 그러면, 도 10b에 도시된 바와 같이, 제 2 세그먼트(B)로 향하는 광이 적어도 부분적으로 차단되므로, 제 1 세그먼트(A)에서 측정된 광량보다 제 2 세그먼트(B)에서 측정된 광량이 작아지게 된다(A > B). 이러한 원리를 통해, 여기광이 미세 유체 소자(150)의 챔버(151)에 정확하게 포커싱되는 지를 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이, 도 6에 도시된 실시예에 따른 형광 검출 광학계(400)는 미세 유체 소자(150)가 정확하게 배치되어 있지 않더라도 자동 초점 기능을 통해 미세 유체 소자(150) 내의 챔버(151)들에 각각 자동으로 초점을 맞출 수 있다. 따라서, 미세 유체 소자(150)를 정확하게 배치시키기 위한 고가의 정밀한 저진동 구동 메커니즘을 사용할 필요가 없다. 도 6에는 분할형 광검출기(122)가 제 1 편광 빔스플리터(105)에서 반사된 여기광을 검출하는 것으로 도시되어 있으나, 포커싱 렌즈(121)와 분할형 광검출기(122)는 제 2 편광 빔스플리터(110)에서 반사된 여기광을 검출하도록 배치될 수도 있다. 또한, 이러한 자동 초점 유닛(121, 122, 123)은 도 1 및 도 4에 도시된 형광 검출 광학계(100, 200)에도 적용될 수 있다. 형광 검출 광학계(400)의 나머지 구성 및 동작은 도 5에 도시된 형광 검출 광학계(300)의 구성 및 동작과 같으므로 상세한 설명을 생략한다.

지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 형광 검출 광학계 및 이를 포함하는 다채널 형광 검출 장치에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.

100, 100a, 100b, 100c, 100d, 200, 300, 400.....형광 검출 광학계
101, 101a, 101b.....광원 102, 102a, 102b.....여기광 필터
103.....편광자 104.....콜리메이팅 렌즈
105, 110.....편광 빔스플리터 106, 109.....1/4 파장판
107.....빔스플리터 108.....대물렌즈
111.....형광 필터 112, 121.....포커싱 렌즈
113, 115, 122.....광검출기 114.....빔스플리터
123.....액추에이터 124.....나이프 에지
150.....미세 유체 소자 151, 152, 153, 154.....챔버
160.....광 스폿 500.....다채널 형광 검출 장치
501.....리드 스크루 502.....가이드 레일

Claims

제 1 편광 성분을 갖는 여기광을 방출하는 광원부;
여기광을 미세 유체 소자 상에 포커싱하는 대물렌즈;
미세 유체 소자 내의 샘플이 여기광에 의해 여기되면서 발생한 형광을 검출하는 형광 검출부; 및
상기 광원부에서 방출된 여기광을 미세 유체 소자에 전달하고, 미세 유체 소자에서 발생한 형광을 상기 형광 검출부에 전달하는 광 전달부;를 포함하며,
상기 광 전달부는 미세 유체 소자로부터 반사된 여기광을 제 1 편광 성분에 수직한 제 2 편광 성분의 여기광으로 변환하고, 제 2 편광 성분의 여기광을 광경로 바깥으로 반사하도록 구성된 형광 검출 광학계.
제 1 항에 있어서,
상기 광 전달부는:
상기 대물렌즈와 형광 검출부 사이에 배치되며, 입사광의 적어도 일부를 투과시키고 나머지 일부를 반사하는 제 1 빔스플리터;
상기 제 1 빔스플리터와 상기 광원부 사이에 배치된 것으로, 제 1 편광 성분의 광을 투과시키고 제 2 편광 성분의 광을 반사하는 제 2 빔스플리터;
상기 제 2 빔스플리터와 상기 제 1 빔스플리터 사이에 배치된 제 1 1/4 파장판;
상기 제 1 빔스플리터와 상기 형광 검출부 사이에 배치된 것으로, 제 1 편광 성분의 광을 투과시키고 제 2 편광 성분의 광을 반사하는 제 3 빔스플리터; 및
상기 제 3 빔스플리터와 상기 제 1 빔스플리터 사이에 배치된 제 2 1/4 파장판;을 포함하는 형광 검출 광학계.
제 2 항에 있어서,
상기 제 1 빔스플리터는 입사광의 50%를 투과시키고 나머지 50%를 반사하는 반투과 미러, 또는 여기광을 반사하고 형광을 투과시키는 다이크로익 필터인 형광 검출 광학계.
제 2 항에 있어서,
상기 제 2 및 제 3 빔스플리터는 편광 빔스플리터인 형광 검출 광학계.
제 2 항에 있어서,
상기 제 2 빔스플리터 또는 제 3 빔스플리터에서 반사된 제 2 편광 성분의 여기광을 검출하여, 대물렌즈의 포커싱 오차를 계산하고 상기 대물렌즈의 포커싱 위치를 조정하는 자동 초점 유닛을 더 포함하는 형광 검출 광학계.
제 1 항에 있어서,
상기 광원부는:
여기광을 방출하는 광원;
제 1 편광 성분의 광을 투과시키고 제 1 편광 성분에 수직한 제 2 편광 성분의 광을 차단하는 편광자; 및
여기광을 평행빔으로 만드는 콜리메이팅 렌즈;를 포함하는 형광 검출 광학계.
제 6 항에 있어서,
상기 광원부는 특정 파장 대역의 여기광만을 통과시키는 여기광 필터를 더 포함하는 형광 검출 광학계.
제 1 항에 있어서,
상기 형광 검출부는:
미세 유체 소자 내의 샘플에서 발생한 형광을 검출하기 위한 광검출기; 및
형광을 상기 광검출기 상에 포커싱하는 포커싱 렌즈;를 포함하는 형광 검출 광학계.
제 8 항에 있어서,
상기 형광 검출부는 형광만을 투과시키는 형광 필터를 더 포함하는 형광 검출 광학계.
제 1 항에 있어서,
상기 광원부는 여기광을 방출하는 광원 및 특정 파장 대역의 여기광만을 통과시키는 제 1 대역 통과 필터를 포함하며,
상기 형광 검출부는 형광을 검출하기 위한 광검출기 및 형광만을 투과시키는 제 2 대역 통과 필터를 포함하고,
상기 제 1 대역 통과 필터의 통과 대역과 제 2 대역 통과 필터의 통과 대역이 부분적으로 중첩되는 형광 검출 광학계.
제 1 편광 성분을 가지며, 파장이 서로 다른 두 여기광을 각각 방출하는 광원부;
여기광을 미세 유체 소자 상에 포커싱하는 대물렌즈;
미세 유체 소자 내의 샘플이 여기광에 의해 여기되면서 발생한 형광을 검출하는 형광 검출부; 및
상기 광원부에서 방출된 여기광을 미세 유체 소자에 전달하고, 미세 유체 소자에서 발생한 형광을 상기 형광 검출부에 전달하는 광 전달부;를 포함하며,
상기 광 전달부는 미세 유체 소자로부터 반사된 여기광을 제 1 편광 성분에 수직한 제 2 편광 성분의 여기광으로 변환하고, 제 2 편광 성분의 여기광을 광경로 바깥으로 반사하도록 구성된 형광 검출 광학계.
제 11 항에 있어서,
상기 광 전달부는:
상기 대물렌즈와 형광 검출부 사이에 배치되며, 입사광의 적어도 일부를 투과시키고 나머지 일부를 반사하는 제 1 빔스플리터;
상기 제 1 빔스플리터와 상기 광원부 사이에 배치된 것으로, 제 1 편광 성분의 광을 투과시키고 제 2 편광 성분의 광을 반사하는 제 2 빔스플리터;
상기 제 2 빔스플리터와 상기 제 1 빔스플리터 사이에 배치된 제 1 1/4 파장판;
상기 제 1 빔스플리터와 상기 형광 검출부 사이에 배치된 것으로, 제 1 편광 성분의 광을 투과시키고 제 2 편광 성분의 광을 반사하는 제 3 빔스플리터; 및
상기 제 3 빔스플리터와 상기 제 1 빔스플리터 사이에 배치된 제 2 1/4 파장판;을 포함하는 형광 검출 광학계.
제 12 항에 있어서,
상기 제 1 빔스플리터는 입사광의 50%를 투과시키고 나머지 50%를 반사하는 반투과 미러, 또는 여기광을 반사하고 형광을 투과시키는 다이크로익 필터인 형광 검출 광학계.
제 12 항에 있어서,
상기 제 2 빔스플리터 또는 제 3 빔스플리터에서 반사된 제 2 편광 성분의 여기광을 검출하여, 대물렌즈의 포커싱 오차를 계산하고 상기 대물렌즈의 포커싱 위치를 조정하는 자동 초점 유닛을 더 포함하는 형광 검출 광학계.
제 14 항에 있어서,
상기 자동 초점 유닛은:
다수의 광검출 세그먼트로 분할된 분할형 광검출기;
여기광을 상기 분할형 광검출기 상에 포커싱하는 포커싱 렌즈; 및
상기 대물렌즈의 포커싱 위치를 조정하기 위한 액추에이터;를 포함하는 형광 검출 광학계.
제 15 항에 있어서,
상기 포커싱 렌즈는 비점수차 렌즈이며, 상기 분할형 광검출기는 4개의 광검출 세그먼트를 갖는 4-분할형 광검출기인 형광 검출 광학계.
제 15 항에 있어서,
상기 자동 초점 유닛은 상기 포커싱 렌즈와 분할형 광검출기 사이에서 초점이 맞지 않은 광을 차단하는 나이프 에지를 더 포함하며, 상기 분할형 광검출기는 2개의 광검출 세그먼트를 갖는 2-분할형 광검출기인 형광 검출 광학계.
제 11 항에 있어서,
상기 광원부는:
제 1 여기광을 방출하는 제 1 광원;
제 1 여기광을 통과시키는 제 1 여기광 필터;
제 1 여기광과 파장이 다른 제 2 여기광을 방출하는 제 2 광원;
제 2 여기광을 통과시키는 제 2 여기광 필터;
상기 제 1 광원과 제 2 광원에 대향하여 배치되며, 제 1 여기광과 제 2 여기광을 반사 또는 투과시켜 제 1 여기광과 제 2 여기광이 동일한 광경로를 따라 진행하도록 하는 빔스플리터;
제 1 편광 성분의 광을 투과시키고 제 1 편광 성분에 수직한 제 2 편광 성분의 광을 차단하는 편광자; 및
여기광을 평행빔으로 만드는 콜리메이팅 렌즈;를 포함하는 형광 검출 광학계.
제 18 항에 있어서,
상기 제 1 여기광 필터와 제 2 여기광 필터는 제 1 여기광과 제 2 여기광을 모두 통과시키는 동일한 이중 대역 통과 필터인 형광 검출 광학계.
제 18 항에 있어서,
상기 빔스플리터는, 상기 제 1 광원에 대향하는 제 1 표면으로 입사하는 광에 대해 투과율이 약 95% 이상이고, 상기 제 2 광원에 대향하는 제 2 표면으로 입사하는 광에 대해 반사율이 약 95% 이상되도록 설계된 반투과 미러인 형광 검출 광학계.
제 20 항에 있어서,
상기 광원부는 상기 빔스플리터에서 반사된 제 1 여기광과 상기 빔스플리터를 투과한 제 2 여기광의 광량을 측정하기 위한 모니터링 광검출기를 더 포함하는 형광 검출 광학계.
제 11 항에 있어서,
상기 형광 검출부는:
미세 유체 소자 내의 샘플에서 발생한 형광을 검출하기 위한 광검출기;
형광을 상기 광검출기 상에 포커싱하는 포커싱 렌즈; 및
형광만을 투과시키는 형광 필터;를 포함하는 형광 검출 광학계.
제 22 항에 있어서,
상기 형광 필터는, 파장이 서로 다른 두 여기광에 의해 미세 유체 소자 내의 샘플이 여기되면서 각각 발생한 파장이 서로 다른 두 형광을 모두 통과시키는 이중 대역 필터인 형광 검출 광학계.
제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 형광 검출 광학계; 및
상기 적어도 하나의 형광 검출 광학계를 이송시키기 위한 이송 부재;를 포함하는 형광 검출 장치.