KR20160127846A - 휴대용 형광 검출 시스템 - Google Patents

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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 휴대용 형광 검출 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게 비 이미징 광학계(non-imaging optics)를 통해 광학계 설계를 단순화하고, 두 개의 반사면을 설치하여 광손실을 최소화함으로써, 휴대가 가능하고, 집광효율이 향상되며, 객관적인 형광 측정 결과를 신속하게 얻을 수 있는 휴대용 형광 검출 시스템에 관한 것이다.

Description

휴대용 형광 검출 시스템 {Portable Fluorescence Detection System}
본 발명은 휴대용 형광 검출 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게 비 이미징 광학계(non-imaging optics)를 통해 광학계 설계를 단순화하고, 두 개의 반사면을 설치하여 광손실을 최소화함으로써, 휴대가 가능하고, 집광효율이 향상되며, 객관적인 형광 측정 결과를 신속하게 얻을 수 있는 휴대용 형광 검출 시스템에 관한 것이다.
최근 수년 동안 신종플루, 조류인플루엔자 등으로 대표되는 인수공통 전염병으로 인해 사회 전반적으로 큰 피해가 발생했다.
이러한 인수공통 전염병의 조기 진단 및 확산을 방지하기 위해서는 현장 분석 시스템이 필요한데, 이와 관련한 초소형 분석 장치의 등장과 함께 형광을 기반으로 하는 생물학 분석 분야가 각광을 받아왔다.
형광을 기반으로 한 생물학 분석을 위해서는 분석을 원하는 단백질, DNA 또는 바이러스 등의 항원과 반응하는 항체를 개발 한 뒤, 항체에 형광을 부착시킨다. 그 다음 분석하고 싶은 항원과, 형광이 붙어있는 항체의 항원-항체 반응을 이용하여 형광을 통해서 항원을 분석할 수 있다.
이러한 형광을 이용한 면역분석법은 작은 양의 시료만으로도 높은 민감도를 가지면서 비용이 적게 들고, 빠르게 결과를 분석할 수 있다는 장점이 있다.
형광은 LED나 레이저로 대표되는 여기 광원으로부터 특정 파장의 빛을 받아 들뜬 상태가 되었다가 낮은 에너지 상태가 되면서 다른 파장의 형광 빛을 발하는 특징을 지닌다.
따라서 형광 측정을 이용한 면역분석법에서 여기광과 다른 파장을 갖는 형광 빛을 선택적으로 검출한다면 항원의 유무를 판별하거나 특성을 분석할 수 있다.
현재 DNA 칩 또는 멤브레인을 이용한 단백질 칩에 대해 형광을 검출하는 방법으로는 레이저 유발 형광 검출법(laser induced fluorescing detection)이 대표적으로 이용되고 있다. 레이저 유발 형광 검출법은 형광물질이 흡수하는 파장의 들뜸 광원으로 레이저를 사용하여 형광물질을 여기 상태(excited state)로 만들고 다시 바닥상태(ground state)로 이동되면서 나오는 형광의 세기를 측정하는 것이며 각 형광의 세기에 비례하여 형광 물질의 농도를 알 수 있다. 이러한 방법으로 DNA 또는 단백질 시료에 형광물질을 추가하여 정량분석을 할 수 있다.
레이저 유발 형광 검출법을 이용하여 형광을 검출하는 장치 중에서 가장 많이 사용되는 것은 도 1에 도시된 공초점 레이저 스캐닝 장치(10 : confocal laser scanning system)이다. 상기 공초점 레이저 스캐닝 장치(10)는 레이저를 광원으로 이용하고 표본으로부터 발산된 형광 신호를 별도의 특수 검출기인 광전자증배기 튜브(photo multiplier tube)로 받아들인 후 디지털 영상으로 변환시키는 것이다.
즉, 레이저 광원을 사용하여 표본에 표지한 형광물질에 적합한 파장대의 빛만을 조사(excitation)하여 형광의 발광(emission)을 유도한다. 이때 빛살 가르개(beam splitter) 등 다양한 종류의 필터를 선택할 수 있으며, 최종적으로 공간필터(pin hole)를 검출기 앞에 위치시켜 초점이 맞는 상만을 받아 볼 수 있도록 구성되어 있다.
하지만, 상기 공초점 레이저 스캐닝 장치 및 상기 레이저 유발 검출 장치는 렌즈, 빛살 가르개, 레이저 등 시스템이 복잡하고 고가의 장비들을 필요로 한다.
또한, 이러한 방식으로 형광을 측정할 경우 정확한 결과를 얻을 수 있다는 장점이 있지만, 현장에서 필요로 하는 신속한 진단을 할 수가 없다. 또한 형광 검출기를 사용하지 않고 사용자가 직접 눈으로 형광을 판단할 경우, 샘플의 양에 따라서 형광의 세기가 다르기 때문에 결과의 신뢰성이 떨어지며 객관적인 결과를 얻을 수 없다.
이를 개선하기 위해 휴대가 가능한 형광 검출 시스템의 개발이 이루어졌는데, 관련 특허로, 국내등록특허 제1210899호(등록일 2012.12.05, 명칭 : 휴대용 형광 검출 시스템)에는 각종 형광물질에 대한 검출 키트로 사용될 수 있도록 렌즈 및 레이저를 사용하지 않음으로써 간편하게 휴대할 수 있고, 복수의 형광을 짧은 시간에 검출할 수 있어 빠른 진단이 가능하며, 렌즈, 레이저 및 빛살 가르개와 같은 복잡하고 고가의 장비들을 사용하지 않을 수 있어 비용절감이 가능한 휴대용 형광 검출 시스템이 개시된 바 있다.
상기 특허의 휴대용 형광 검출 시스템에서는 반구 또는 1/4구의 반사구조를 사용하여, 샘플에서 수광소자 이외의 방향으로 향하는 형광을 반사시켜서 수광소자로 집광시킨다. 반구형 거울을 이용할 경우 이용하지 않았을 경우보다 지름 10mm의 수광소자의 집광 효율이 약 70% 증가하며 총 집광 효율은 약 76%이다. 이는 렌즈를 이용한 기존 현미경의 집광 효율과 비교하여 월등한 수치이다.
한편, 상기 특허에서는 물방울 상태의 샘플을 고정시켰는데, 물방울 상태의 경우 샘플이 위치한 매질과 공기의 경계면이 볼록한 특성을 지니므로 입사각이 0ㅀ가 되어 전반사가 일어나지 않기 때문에 형광측정 효율을 높일 수 있지만, 샘플의 정확한 위치조정(align)이 필요하고, 불안정한 시스템에서는 사용하기 힘든 단점이 있다.
또한, 도 2와 같은 형광 검출 시스템은 형광에서 isotropic하게 빛이 나오는데, 일반적인 렌즈를 이용한 형광 측정기는 개구수(Numerical aperture, NA)의 한계로 인해서 작은 부분의 빛만을 측정할 수 있다는 한계가 있다.
따라서 보다 실용적인 방법으로 샘플을 고정시킬 수 있으며, 버려지는 빛들을 검출기로 집광할 수 있도록 하여 집광 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 휴대용 형광 검출 시스템의 개발이 필요한 실정이다.
국내등록특허 제1210899호(등록일 2012.12.05, 명칭 : 휴대용 형광 검출 시스템)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 비 이미징 광학계(non-imaging optics)를 통해 광학계 설계를 단순화하고, 두 개의 반사면을 설치하여 광손실을 최소화함으로써, 휴대가 가능하고, 집광효율이 향상되며, 객관적인 형광 측정 결과를 신속하게 얻을 수 있는 휴대용 형광 검출 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 휴대용 형광 검출 시스템은 DNA 칩 또는 멤브레인을 이용한 단백질 칩에 대해 형광을 이용하여 항원을 검출하는 휴대용 형광 검출 시스템에 있어서, 광이 출사되는 광원; 상기 광원으로부터 발생된 빛을 필터링하는 여기필터; 상측면이 곡면으로 형성된 돔 형태의 제 1 포물형 반사돔; 하측면이 곡면으로 형성되며, 상기 여기필터를 통과한 광의 초점에 위치한 형광샘플의 상측에 배치되고, 상기 제 1 포물형 반사돔의 하측에 배치되는 돔 형태의 제 2 포물형 반사돔; 상기 제 1 포물형 반사돔과 상기 제 2 포물형 반사돔 사이에 배치되며, 상기 제 2 포물형 반사돔에서 반사된 빛을 필터링하는 방출필터; 및 상기 방출필터를 지나 상기 제 1 포물형 반사돔에 의해 집광된 빛으로부터 형광을 검출하는 광검출부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 휴대용 형광 검출 시스템은 상기 형광샘플이 측방유동 분석용 스트립에 주입되어 고정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광원은 LED(발광 다이오드)의 동작에 의해 여기광이 출사되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 2 포물형 반사돔은 수직방향으로의 단면이 포물선인 포물형 반사면 구조로 형성되며, 포물선의 초점에 형광샘플이 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 포물형 반사돔은 복합 포물면 집광기(CPC : compound parabolic concentrator) 구조로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광검출부는 카메라가 탑재된 스마트폰인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 포물형 반사돔 및 제 2 포물형 반사돔은 플라스틱, 금속, 유리, 폴리머 중 적어도 하나의 재료로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 포물형 반사돔 및 제 2 포물형 반사돔은 반사율을 높이기 위해 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag) 중 적어도 하나의 재료로 내표면을 코팅하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 여기필터 및 방출필터는 젤라틴 필터인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 휴대용 형광 검출 시스템은 상기 여기필터, 방출필터 및 광원이 교체 가능하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 휴대용 형광 검출 시스템은 비 이미징 광학계(non-imaging optics)를 통해 광학계 설계를 단순화하고, 두 개의 반사면을 설치하여 광손실을 최소화함으로써, 휴대가 가능하고, 집광효율이 향상되며, 객관적인 형광 측정 결과를 신속하게 얻을 수 있다는 장점이 있다.
다시 설명하면, 기존 현미경을 이용한 형광 측정은 광손실에 의해 실제 형광에서 나오는 신호의 일부만을 측정할 수 있다. 여기된 형광은 등방성으로 펴져나가게 되는데 일반적인 렌즈를 이용한 형광 측정기는 개구수(Numerical aperture, NA)의 한계로 인해 제한된 개구수에 해당하는 신호만 측정 가능하여 많은 광손실이 발생하게 된다.
본 발명에서는 돔 형태의 반사면 두 개를 마주보도록 설치하여 손실되는 빛들을 광검출부로 집광할 수 있는 구조로 광손실을 최소화할 수 있다.
또한, 기존의 형광 진단 시스템이 레이저, 렌즈 등 다수의 광학계로 이루어져 있어 그 구조가 복잡하고 큰 경우가 많은데, 본 발명은 상술한 바와 같은 복잡하고 고가의 부품을 사용하지 않아 시스템이 간소화되고 휴대가 가능하며, 저가 제작이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 형광 여기 광원으로 레이저가 사용될 수도 있지만, LED를 사용하여 높은 경제성과 안정적인 광출력을 달성할 수 있다.
또, 본 발명은 필터와 광원이 교체가 용이하도록 제작함으로써, 여러 종류의 바이러스 측정이 가능하다는 장점이 있다.
아울러, 본 발명은 광검출부로 스마트폰을 이용해서 형광을 측정하는 시스템을 개발할 경우, 스마트폰의 연산기능을 이용하여 측정된 형광의 신호처리가 가능하고, 스마트폰의 통신 기능을 이용하여 측정된 결과 값을 중앙 서버로 실시간 전송할 수 있으며, 비숙련자도 손쉽게 형광 측정 및 질병의 진단이 가능하다.
이에 따라, 본 발명은 질병의 현장진단, 검출 대상의 수치화 및 정량화, 검출 결과의 원격 자료수집 등을 소형의 진단기기로 실현하여 인수공통 질환의 조기 진단 및 확산 방지와 같은 효율적인 대처가 가능하도록 한다.
나아가, 본 발명은 질병의 예방과 진단 및 관리가 동시에 이루어지는 통합형 기술의 국산화를 도모할 수 있다.
도 1은 종래의 레이저 유발 형광 검출 장치를 나타낸 구성도.
도 2는 종래의 광학 검출 시스템을 나타낸 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 휴대용 형광 검출 시스템을 나타낸 대략적인 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 휴대용 형광 검출 시스템을 나타낸 분해사시도.
도 5는 본 발명에 따른 휴대용 형광 검출 시스템에서 빛이 반사되는 경로를 나타낸 도면.
도 6은 제 2 포물형 반사돔 구현을 위한 포물형 반사면을 나타낸 도면.
도 7은 제 1 포물형 반사돔 구현을 위한 복합 포물면 집광기를 나타낸 도면.
도 8은 제 1 및 제 2 포물형 반사돔에서 반사되는 빛의 경로를 나타낸 도면.
도 9는 제 1 및 제 2 포물형 반사돔에서 반사되는 빛을 광선 추적 시뮬레이션 모델링한 결과.
도 10은 본 발명에 따른 휴대용 형광 검출 시스템의 사시도.
도 11은 본 발명에 따른 휴대용 형광 검출 시스템에서 반사구조의 유무에 따른 명도 차이를 나타낸 그래프.
이하, 상기한 바와 같은 특징을 가지는 본 발명에 따른 휴대용 형광 검출 시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 휴대용 형광 검출 시스템(1)은 DNA 칩 또는 멤브레인을 이용한 단백질 칩에 대해 형광을 이용하여 항원을 검출하는 장치로, 광원(100), 여기필터(200), 제 1 포물형 반사돔(310), 제 2 포물형 반사돔(320), 방출필터(400) 및 광검출부(500)를 포함한다.
상기 광원(100)에서는 광이 출사된다.
특히, 본 발명은 상기 광원(100)이 LED(발광 다이오드)일 수 있는데, LED는 소형이고, 수명이 길며, 다양한 파장을 가지고, 저가에 쉽게 구입할 수 있으며, 단색과 백색광에 이르기까지 선택의 폭이 매우 넓다는 장점이 있다.
따라서 LED는 자연계에 알려진 다양한 형광효율이 우수한 분자들을 활용하고, 각각에 맞는 LED 파장을 대응시킴으로써, 휴대용 형광 검출 시스템(1)의 광원(100)으로 적절히 적용될 수 있다.
물론, 상기 광원(100)은 기존의 레이저를 사용할 수도 있으나, 형광 여기를 위해 주로 사용되는 반도체 레이저는 기존 가스 레이저 등에 비해 크기가 많이 작아졌지만, 선택할 수 있는 파장이 제한적이며, 특정 파장 대역 외에는 매우 고가이거나 수급이 어려운 문제점이 있어 휴대용 형광 검출 시스템(1)의 광원(100)으로 적합하지 않다는 단점이 있다.
상기 여기필터(200)는 상기 광원(100)으로부터 발생된 빛을 필터링하는 밴드패스 필터로, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 광원(100)인 LED와, 제 1 포물형 반사돔(310) 및 제 2 포물형 반사돔(320)으로 이루어진 반사돔 사이에 설치된다.
상기 제 1 포물형 반사돔(310)은 돔 형태로, 상측면이 곡면으로 형성된다.
상기 제 2 포물형 반사돔(320)은 돔 형태로, 하측면이 곡면으로 형성되며, 상기 여기필터(200)를 통과한 광의 초점에 위치한 형광샘플의 상측에 배치되고, 상기 제 1 포물형 반사부의 하측에 배치된다.
상기 제 2 포물형 반사돔(320)은 도 6과 같이, 수직방향으로의 단면이 포물선인 포물형 반사면 구조로 형성되며, 포물선의 초점에 형광샘플이 배치되도록 형성될 수 있다.
상기 제 1 포물형 반사돔(310)은 도 7과 같이, 복합 포물면 집광기(CPC : compound parabolic concentrator) 구조로 형성될 수 있다.
복합 포물면 집광기는 넓은 입사각도의 빛을 받아들여서 집광시켜주는 구조로, 태양광 산업 등에서 많이 사용되는 구조인데, 본 발명에서의 CPC 구조는 한쪽 포물면의 초점이 반대쪽 출구에 위치한 구조이다. 따라서 한쪽 포물면으로 최대 입사각도로 들어와 반사된 빛은 반대쪽 출구로 향하게 된다.
이 때, 상기 제 1 포물형 반사돔(310) 및 제 2 포물형 반사돔(320)은 플라스틱, 금속, 유리, 폴리머 등 다양한 재료로 형성 가능하다.
바람직하게는, 플라스틱으로 제 1 포물형 반사돔(310) 및 제 2 포물형 반사돔(320)을 형성하면, 비교적 우수한 상급의 표면 거칠기를 얻을 수 있는 동시에, 제조가 용이하고, 비용 면에서 유리한 이점이 있으므로, 저비용 대량생산이 가능하다.
또한, 상기 제 1 포물형 반사돔(310) 및 제 2 포물형 반사돔(320)은 내부의 반사율이 높을수록 좋으므로, 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag) 등의 재료로 상기 제 1 포물형 반사돔(310) 및 제 2 포물형 반사돔(320)의 내표면을 코팅하여 반사율을 높일 수 있다.
한편, 상기 방출필터(400)는 상기 제 1 포물형 반사돔(310)과 상기 제 2 포물형 반사돔(320) 사이에 배치되며, 상기 제 2 포물형 반사돔(320)에서 반사된 빛에서 여기광을 차단하고 형광을 통과시키는 필터링을 수행한다.
상기 여기필터(200) 및 발산필터는, 각각의 시료 특성에 따라 적절한 필터를 설치하여, 크로스토크(crosstalk)를 최소화하는 동시에, 해당 시료의 형광 특성에 적합한 파장의 빛이 시료에 공급되고 도달할 수 있도록 하기 위한 것으로 일반적인 광학 필터도 이용될 수 있으며, 저가의 젤라틴 필터가 이용될 수도 있다.
일반적으로, 광학필터는 가격이 비싼 편인데, 상술한 바와 같이 저렴한 젤라틴 필터를 사용한다면 본 발명에 따른 휴대용 형광 검출 시스템(1)의 전체적인 단가를 낮출 수 있어 대량생산이 가능하도록 할 수 있다.
본 발명의 휴대용 형광 검출 시스템(1)은 상기 여기필터(200), 방출필터(400) 및 광원(100)이 교체 가능하도록 형성될 수 있다.
현장에서 즉각적인 인수공통 감염 측정을 위해서는 여러 종류의 바이러스 측정이 가능해야 한다.
따라서 본 발명은 복수의 파장 측정이 가능하도록 여기 LED와 필터부의 교체가 가능하게 설계했다. 여기 LED나 필터를 교체할 때 내부를 분해하지 않고도 교체 가능하도록 교체 전용 슬롯이나 모듈이 사용될 수 있다.
상기 광검출부(500)는 상기 방출필터(400)를 지나 상기 제 1 포물형 반사돔(310)에 의해 집광된 빛으로부터 형광을 검출하는 것으로, 포토 디텍터 또는 카메라가 탑재된 스마트폰일 수 있다.
본 발명의 휴대용 형광 검출 시스템(1)은 기존의 휴대용 형광 검출기에서 형광을 검출하는 수광소자 부분을 스마트폰 카메라로 대체할 경우, 형광의 세기에 따른 신호뿐만 아니라, 형광 이미지를 수집할 수 있도록 한다.
이렇게 수집된 형광 이미지는 특정 알고리즘을 통해 신호처리가 되어 형광의 세기가 수치화되고, 수치화된 형광은 스마트폰의 통신 기능을 이용하여 중앙 서버로 즉시 송신될 수 있기 때문에, 스마트폰을 이용한 휴대용 형광 검출 시스템(1)은 신속하고 정확한 진단과 중앙 모니터링 시스템 구축이 가능하다.
한편, 본 발명의 휴대용 형광 검출 시스템(1)은 형광샘플이 측방유동 분석용 스트립(600)(lateral flow test strip)에 주입되어 고정되도록 형성될 수 있어 샘플이 보다 안정적으로 고정될 수 있다.
이때, 본 발명의 휴대용 형광 검출 시스템(1)은 형광샘플이 측방유동 분석용 스트립(600)에 의해 고정되어 바닥면에 배치되기 때문에, 물방울 형태의 점광원(100) 형광 샘플뿐만 아니라 FIA와 같이 스트립 형태의 면광원(100) 형광샘플이 사용될 수도 있다.
하지만 스트립으로 이루어진 형광 샘플의 경우 광학 구조의 중앙에 놓인다면 빛의 반사경로를 차단하게 되므로, 본 발명은 이를 극복하기 위해 상술한 바와 같이 형광 샘플에서 나온 빛을 한쪽 방향으로 반사시켜서 집광시키는 구조로 이루어지게 된다.
이하에서는 도 3 내지 9를 참고로, 본 발명의 휴대용 형광 검출 시스템(1)의 작동원리를 설명하기로 한다.
일반적으로 형광물질에서 여기된 형광은 여기광과 다른 파장의 빛을 모든 방향으로 일정하게 내보낸다. 렌즈를 통해 이러한 형광을 모을 경우, 렌즈의 개구수에 의한 집광 한계가 존재하기 때문에 형광 신호의 집광 효율이 좋지 않은데, 본 발명의 휴대용 형광 검출 시스템(1)은 렌즈 대신 두 개의 포물형 반사구조를 사용하여 렌즈에 의한 집광 한계를 극복했다.
즉, 도 8 및 도 9와 같이 아래쪽의 포물형 반사구조인 제 2 포물형 반사돔(320)은 초점에 위치한 형광물질이 상기 측방유동 시험용 스트립에서 여기된 형광을 위쪽의 포물형 반사구조를 향해서 반사시킨다. 반사된 빛은 직진성을 지니며 두 개의 포물형 반사구조인 제 1 포물형 반사돔(310) 및 제 2 포물형 반사돔(320) 사이에 위치한 상기 방출필터(400)를 통과한다.
이 때, 점광원 또는 면광원 형태의 형광 샘플에서 여기된 형광은 제 2 포물형 반사돔(320)의의 초점 부근에 위치해있기 때문에, 아래쪽 포물형 반사면에서 반사될 경우 형광이 직진성을 띄면서 위로 향하게 되어 집광의 역할을 하는 제 1 포물형 반사돔(310)에서 높은 효율로 형광을 모을 수 있으며, 빛이 직진성을 가지며 방출 필터를 통과할 경우 필터의 효율이 증가한다.
상기 방출필터(400)는 여기광을 차단하고 형광만을 통과시키며, 상기 방출필터(400)를 통과한 형광은 다시 제 1 포물형 반사돔(310)에서 반사되어 제 1 포물형 반사돔(310)의 초점에 위치한 광검출부(500)인 스마트폰 카메라로 집광된다.
이때, 도 9의 오른쪽 포물형 반사구조인 제 1 포물형 반사돔(310)은 복합 포물면 집광기 또는 초점이 출구 바깥에 위치한 포물형 반사구조로, 평행하게 들어온 빛이 출구의 한 부분으로 집광되도록 한다.
본 발명의 휴대용 형광 검출 시스템(1)은 이렇게 집광되는 부분에 광검출부(500)가 배치되며, 상술한 바와 같이 광검출부(500) 위치에 스마트폰 카메라 또는 수광소자를 위치시킬 경우 대부분의 형광 신호를 측정할 수 있다.
도 10은 본 발명의 휴대용 형광 검출 시스템(1)을 구현한 모식도이며, 도 11은 도 10의 휴대용 형광 검출 시스템(1)에서 LED의 전력을 증가시키면서 제 1 포물형 반사돔(310) 및 제 2 포물형 반사돔(320)과 같은 반사구조가 있는 경우와, 반사구조가 없는 경우의 형광시료에 대해, 포토디텍터를 광검출기로 사용했을 때의 light power에 관한 시뮬레이션 결과이다.
이를 위해, 포토디텍터를 광검출기로 사용했고, 2개의 반사면이 있는 경우(A, 30.6%)와 2개의 반사면이 없는 경우(B, 0.0713%)일때의 집광 효율을 시뮬레이션했다.
시뮬레이션 결과, 반사율이 100%일때 2개의 반사면이 있을 경우 2개의 반사면이 없을 때보다 429배의 빛을 더 집광할 수 있었다.
이를 통해, 2개의 반사면이 없을 때보다 있을 때 더 많은 빛을 집광할 수 있음을 알 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 휴대용 형광 검출 시스템(1)은 돔 형태의 반사면 두 개를 마주보도록 설치하여 손실되는 빛들을 광검출부(500)로 집광할 수 있는 구조로 광손실을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 휴대용 형광 검출 시스템(1)은 비 이미징 광학계(non-imaging optics)를 통해 광학계 설계를 단순화하고, 두 개의 반사면을 설치하여 광손실을 최소화함으로써, 휴대가 가능하고, 집광효율이 향상되며, 객관적인 형광 측정 결과를 신속하게 얻을 수 있다는 장점이 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1 : 휴대용 형광 검출 시스템
100 : 광원
200 : 여기필터
310 : 제 1 포물형 반사돔
320 : 제 2 포물형 반사돔
400 : 방출필터
500 : 광검출부
600 : 측방유동 분석용 스트립

Claims (10)

  1. DNA 칩 또는 멤브레인을 이용한 단백질 칩에 대해 형광을 이용하여 항원을 검출하는 휴대용 형광 검출 시스템(1)에 있어서,
    광이 출사되는 광원(100);
    상기 광원(100)으로부터 발생된 빛을 필터링하는 여기필터(200);
    상측면이 곡면으로 형성된 돔 형태의 제 1 포물형 반사돔(310);
    하측면이 곡면으로 형성되며, 상기 여기필터(200)를 통과한 광의 초점에 위치한 형광샘플의 상측에 배치되고, 상기 제 1 포물형 반사돔(310)의 하측에 배치되는 돔 형태의 제 2 포물형 반사돔(320);
    상기 제 1 포물형 반사돔(310)과 상기 제 2 포물형 반사돔(320) 사이에 배치되며, 상기 제 2 포물형 반사돔(320)에서 반사된 빛을 필터링하는 방출필터(400); 및
    상기 방출필터(400)를 지나 상기 제 1 포물형 반사돔(310)에 의해 집광된 빛으로부터 형광을 검출하는 광검출부(500); 를 포함하는 휴대용 형광 검출 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 휴대용 형광 검출 시스템(1)은
    상기 형광샘플이 측방유동 분석용 스트립(600)에 주입되어 고정되는 것을 특징으로 하는 휴대용 형광 검출 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 광원(100)은
    LED(발광 다이오드)의 동작에 의해 여기광이 출사되는 것을 특징으로 하는 휴대용 형광 검출 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 포물형 반사돔(320)은
    수직방향으로의 단면이 포물선인 포물형 반사면 구조로 형성되며, 포물선의 초점에 형광샘플이 배치되는 것을 특징으로 하는 휴대용 형광 검출 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 포물형 반사돔(310)은
    복합 포물면 집광기(CPC : compound parabolic concentrator) 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 형광 검출 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 광검출부(500)는
    카메라가 탑재된 스마트폰인 것을 특징으로 하는 휴대용 형광 검출 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 포물형 반사돔(310) 및 제 2 포물형 반사돔(320)은
    플라스틱, 금속, 유리, 폴리머 중 적어도 하나의 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 형광 검출 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제 1 포물형 반사돔(310) 및 제 2 포물형 반사돔(320)은
    반사율을 높이기 위해 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag) 중 적어도 하나의 재료로 내표면을 코팅하도록 구성된 것을 특징으로 하는 휴대용 형광 검출 시스템.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 여기필터(200) 및 방출필터(400)는
    젤라틴 필터인 것을 특징으로 하는 휴대용 형광 검출 시스템.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 휴대용 형광 검출 시스템(1)은
    상기 여기필터(200), 방출필터(400) 및 광원(100)이 교체 가능하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 형광 검출 시스템.
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