KR20160149109A

KR20160149109A - 마이크로플레이트 기반 세포 대사 측정 실험 장치

Info

Publication number: KR20160149109A
Application number: KR1020150086193A
Authority: KR
Inventors: 조경진
Original assignee: (주) 동국이노텍; 조경진
Priority date: 2015-06-17
Filing date: 2015-06-17
Publication date: 2016-12-27
Also published as: US9803169B2; US20160369222A1; KR101838640B1; CN106257270A

Abstract

세포 배양 실험 장치가 개시된다. 이 세포 배양 실험 장치는 X-Y 구동 스테이지 테이블과 마이크로플레이트와 센서 보드와 복수의 카트리지와 복수의 위치 고정된 약물 주입기 및 제어기를 포함한다. X-Y 구동 스테이지 테이블은 수평 상하좌우 방향을 따라 이동 가능하다. 마이크로플레이트는 세포를 수용하고 용존산소 검출용 센서막과 pH 검출용 센서막을 구비한 복수의 웰(well)을 포함하며, X-Y 구동 스테이지 테이블 상에 장착된다. 센서 보드는 X-Y 구동 스테이지 테이블의 상부에 마련되며, X-Y 구동 스테이지 테이블 상에 장착된 마이크로플레이트의 웰 별 용존산소 검출용 센서막과 수직적으로 대응되는 한 쌍의 용존산소 검출용 발광소자와 수광소자 및 웰 별 pH 검출용 센서막과 수직적으로 대응되는 한 쌍의 pH 검출용 발광소자와 수광소자를 포함한다. 카트리지는 약물을 수용한다. 약물 주입기는 카트리지로부터 노즐을 통해 공급되는 약물을 마이크로플레이트의 웰에 주입한다. 제어기는 X-Y 구동 스테이지 테이블을 이동 제어하며, 마이크로플레이트의 적어도 하나의 웰에 대해 용존산소와 pH를 측정한다.

Description

마이크로플레이트 기반 세포 대사 측정 실험 장치{Cell metabolism measurement apparatus based on microplate}

본 발명은 세포 대사 측정 실험 장치에 관한 것으로, 특히 용존산소(dissolved oxygen, DO) 농도와 수소이온농도(hydrogen ion concentration, pH)를 검출하는 세포 대사 측정 실험 장치에 관한 것이다.

국내등록특허공보 제10-1155136호에는 광합성 미생물 배양을 위한 다채널 광생물 반응기에 대해 개시되어 있다. 이 반응기는 광합성 균주의 탐색 및 최적화 그리고 빠른 생물공정의 개발을 위해 다수의 웰(well)을 가지는 다채널 마이크로플레이트(microplate)를 이용하며, 교반 및 정밀한 온도조절을 통해 최적의 생물반응 환경을 조성한다.

한편, 용존산소(DO) 농도와 수소이온농도(pH)는 다양한 분야에서 중요한 변수이며 음용수의 수질, 식품의 신선도, 생물반응기에서 세포 활성 등을 모니터링하고 최적 반응 조건을 유지하기 위해 필요하다. 또한, DO 농도와 pH의 분석은 혈액 등 생리학적 물질의 임상분석, 해수분석 및 연구에 필수적이다.

본 발명은 마이크로플레이트 웰 별로 약물을 주입하는 것에서부터 용존산소 농도와 수소이온농도를 측정하는 모든 과정을 자동화할 수 있는 세포 대사 측정 실험 장치를 제공함을 목적으로 한다.

일 양상에 따른 세포 배양 실험 장치는 X-Y 구동 스테이지 테이블과 마이크로플레이트와 센서 보드와 복수의 카트리지와 복수의 위치 고정된 약물 주입기 및 제어기를 포함한다. X-Y 구동 스테이지 테이블은 수평 상하좌우 방향을 따라 이동 가능하다. 마이크로플레이트는 세포를 수용하고 용존산소 검출용 센서막과 pH 검출용 센서막을 구비한 복수의 웰(well)을 포함하며, X-Y 구동 스테이지 테이블 상에 장착된다. 센서 보드는 X-Y 구동 스테이지 테이블의 상부에 마련되며, X-Y 구동 스테이지 테이블 상에 장착된 마이크로플레이트의 웰 별 용존산소 검출용 센서막과 수직적으로 대응되는 한 쌍의 용존산소 검출용 발광소자와 수광소자 및 웰 별 pH 검출용 센서막과 수직적으로 대응되는 한 쌍의 pH 검출용 발광소자와 수광소자를 포함한다. 카트리지는 약물을 수용한다. 약물 주입기는 카트리지로부터 노즐을 통해 공급되는 약물을 마이크로플레이트의 웰에 주입한다. 제어기는 X-Y 구동 스테이지 테이블을 이동 제어하며, 마이크로플레이트의 적어도 하나의 웰에 대해 용존산소와 pH를 측정한다.

일 양상에 따르면, 용존산소 검출용 센서막과 pH 검출용 센서막은 형광 센서막일 수 있다.

일 양상에 따르면, 복수의 카트리지는 세포 배양 실험 장치의 하우징 상부에 구성될 수 있다.

일 양상에 따르면, 세포 배양 실험 장치는 마이크로플레이트의 모든 웰들을 밀폐하는 밀폐용 덮개를 더 포함할 수 있다.

일 양상에 따르면, 밀폐용 덮개는 구동 제어에 의해 수직 상하 방향으로 이동 가능하다.

일 양상에 따르면, 세포 배양 실험 장치는 광 차폐판을 더 포함할 수 있다. 광 차폐판은 마이크로플레이트와 센서 보드 사이에 위치하며, 용존산소 검출용 발광소자와 수광소자 및 pH 검출용 발광소자와 수광소자별 대응되는 홀(hole)이 형성된다.

일 양상에 따르면, 광 차폐판은 용존산소 검출용 센서막으로부터 방출된 광과 pH 검출용 센서막으로부터 방출된 광을 광 차폐판의 홀(hole)로 투과시키는 복수의 투과 필터를 포함할 수 있다.

일 양상에 따르면, 세포 배양 실험 장치는 웰 별 사용자 정의 프로토콜을 저장한 메모리를 더 포함하며, 제어기는 메모리에 저장된 웰 별 사용자 정의 프로토콜에 따라 X-Y 구동 스테이지 테이블의 위치 이동과 웰 별 약물 주입 및 측정 시간 도달시 웰 별 용존산소와 pH 측정을 제어할 수 있다.

본 발명은 마이크로플레이트 웰 별로 약물을 주입하는 것에서부터 DO 농도와 pH를 측정하는 모든 과정을 자동화할 수 있다.

또한, 본 발명은 마이크로플레이트 웰 별로 사용자가 다양한 실험 프로토콜을 정의하여 DO 농도와 pH를 측정할 수 있게 한다.

또한, 본 발명은 형광 세기의 정확한 측정을 보장한다.

도 1은 일 실시예에 따른 세포 대사 측정 실험 장치의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 세포 대사 측정 실험 장치의 하우징 내부 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 하우징 내부의 부분 분해 사시도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 세포 대사 측정 실험 장치의 마이크로플레이트와 센서 보드를 나타낸 블록도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 광학적 측정 설명을 위한 블록도이다.
도 6은 LED 발광 펄스와 PD 출력 펄스를 예시한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 세포 대사 측정 실험 장치의 제어 설명을 위한 블록도이다.
도 8은 사용자 정의 프로토콜 입력을 위한 스프레드 시트 화면 예시도이다.
도 9는 24-웰 배열 화면 예시도이다.
도 10은 일 실시예에 따른 용존산소 및 pH 측정 방법의 흐름도이다.
도 11은 일 실시예에 따른 센서 특성 파악을 위한 측정 방법의 흐름도이다.
도 12는 다른 실시예에 따른 센서 특성 파악을 위한 측정 방법의 흐름도이다.

전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 일 실시예에 따른 세포 대사 측정 실험 장치의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 세포 대사 측정 실험 장치의 하우징 내부 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 하우징 내부의 부분 분해 사시도이며, 도 4는 일 실시예에 따른 세포 대사 측정 실험 장치의 마이크로플레이트와 센서 보드를 나타낸 블록도이다.

세포 대사 측정 실험 장치는 기구와 전자 부품을 둘러싸고 있는 하우징(10)을 포함한다. 그리고 하우징(10)에는 카트리지(100)와 약물 주입기(200)와 마이크로플레이트(300)와 X-Y 구동 스테이지 테이블(400) 및 센서 보드(500) 등의 기구 및 전자 부품들이 포함된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 하우징(10)은 전면을 개폐하는 전면 커버(11)를 포함할 수 있다. 카트리지(100)는 복수 개일 수 있다. 아니면 하나이되, 물리적으로 복수의 수용 공간을 갖도록 구획될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 하우징(10) 상부에는 카트리지(100)가 장착되기 위한 하나 이상의 장착 홀(12)이 형성되어 있으며, 이 장착 홀(12)에 약물이 수용된 카트리지(100)가 장착된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 장착 홀(12)은 네 개일 수 있으며, 각각의 장착 홀(12)에 카트리지(100)가 장착될 수 있다. 그리고 하우징(10)은 장착 홀(12)을 덮기 위한 홀 커버(13)를 포함할 수 있다.

네 개의 카트리지(100) 각각은 약물을 수용하는데, 서로 다른 약물을 수용할 수 있다. 사용자는 카트리지(100)별로 실험에 사용하기 위한 약물들을 선택하여 담을 수 있는데, 약물로는 Oligomycin과, 2, 4-Dintrophenol (2, 4-DNP) 또는 Carbonylcyanide-p-trifluourmethoxyphenylhydrazone (FCCP)과, Rotenone, 및 Antimycin A 등을 예로 들 수 있다. 카트리지(100)들은 약물 주입기(200)들과 배관으로 연결되며, 배관을 통해 약물을 위치 고정된 약물 주입기(200)로 공급한다.

약물 주입기(200)는 마이크로플레이트(300)의 웰에 약물을 주입하기 위한 구성이다. 일 실시예에 있어서, 약물 주입기(200)는 3방 밸브(3-way valve)를 구비한 시린지 펌프(syringe pump)이다. 약물 주입기(200)는 복수 개로서, 카트리지(100)의 수 또는 물리적으로 구획된 수용 공간의 수와 동일하다. 약물 주입기(200)들은 카트리지(100)들과 일대일 대응되게 배관으로 연결된다. 일 실시예에 있어서, 약물 주입기(200)는 3방 밸브(3-way valve)를 구비한 시린지 펌프(syringe pump)이다. 약물 주입기(200)는 카트리지(100)로부터 배관을 통해 약물을 공급받아 보유하며, 보유한 약물을 배출한다.

마이크로플레이트(300)는 마이크로타이터 플레이트(microtiter plate)라고도 한다. 마이크로플레이트(300)는 복수의 웰(310)을 포함하는데, 웰 수는 6, 12, 24, 48, 96 등일 수 있다. 도시된 예에서, 마이크로플레이트(300)는 24-웰 마이크로플레이트이다. 24-웰은 4행 6열(A1 ~ A6, B1 ~ B6, C1 ~ C6, D1 ~ D6)로 구성될 수 있다. 각각의 웰(310)은 세포를 수용하며, DO 검출용 센서막(311)과 pH 검출용 센서막(312)을 모두 포함한다. DO 검출용 센서막과 pH 검출용 센서막은 형광염료가 코팅된 형광 센서막일 수 있다. DO 검출용 센서막의 형광염료로는 루테늄 복합체(tris (4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline) ruthenium (Ⅱ), Ru (dpp)₃ ²⁺)가 이용될 수 있으며, pH 검출용 센서막의 형광염료로는 hydroxypyrene-1,3,6-trisulfonic acid trisodium salt (HPTS)가 이용될 수 있다.

루테늄 복합체(Rudpp)는 산소 검출용 형광염료 중에서 강한 형광을 발생시키며 양자 수율 및 형광지속시간이 길다. 루테늄 복합체를 이용한 용존산소의 검출은 산소분자에 의한 형광 감쇄 원리를 이용하는데, 여기(excitation) 상태의 형광염료가 바닥상태로 떨어지면서 방출하는 에너지를 산소분자가 흡수하여 결과적으로 방출하는 에너지를 소모시키게 되므로 형광 세기가 감소하게 된다. 감소하는 형광 세기는 산소분자의 농도와 반비례하여 나타난다. 즉, 루테늄 복합체는 480nm의 빛에 의해 여기되고 다시 바닥상태로 전환하면서 510nm 형광을 방출한다. 그리고 pH 검출을 위해 사용되는 HPTS는 강한 형광을 발생시킬 수 있으며, 독성이 없다. 형광을 이용한 pH 검출은 산이나 알칼리에 의해서 형광염료가 양자화 또는 비양자화가 될 때 형광이 발생하는 원리를 이용한다. HPTS는 405nm의 빛이 조사되었을 때 전자를 흡수하여 여기되고 다시 바닥상태로 전환하면서 510nm 형광을 방출한다.

X-Y 구동 스테이지 테이블(400)은 X-Y 구동 스테이지와 일체를 이루어 X-Y 구동 스테이지의 구동에 따라 X축과 Y축, 즉 수평 상하좌우 방향을 따라 이동 가능한 테이블로서, 상부에는 마이크로플레이트(300)가 놓인다. 따라서 마이크로플레이트(300)는 X축과 Y축을 따라 이동할 수 있는바, X-Y 구동 스테이지 테이블(400)을 이동 제어함에 의해 마이크로플레이트(300)의 특정 웰(310)을 약물 주입기(200)들 중 어느 하나의 하위에 위치시킬 수 있다. 이는 웰(310)마다 원하는 약물을 자동으로 주입할 수 있음을 의미한다. 또한, X-Y 구동 스테이지 테이블(400)의 이동에 따라 자연스럽게 웰(310) 내에서 교반이 이루어질 수 있다. 따라서, 제어부는 교반을 목적으로 X-Y 구동 스테이지 테이블을 이동 제어할 수도 있다.

센서 보드(500)는 센서 하우징(20)에 장착되어 X-Y 구동 스테이지 테이블(400)의 상부에 일체로 마련된다. 그리고 센서 보드(500) 상에 마이크로플레이트(300)가 위치하게 된다. 센서 보드(500)는 마이크로플레이트(300)의 웰(310)마다 마련된 DO 검출용 센서막에 대해 수직적으로 대응되는 한 쌍의 DO 검출용 발광소자(511)와 수광소자(512)를 포함하며, 또한 웰(310)마다 마련된 pH 검출용 센서막에 대해 수직적으로 대응되는 한 쌍의 pH 검출용 발광소자(521)와 수광소자(522)를 포함한다. 발광소자로는 LED(light emitting diode)가 사용될 수 있으며, 수광소자로는 포토다이오드(photodiode) 혹은 포토트랜지스터(phototransistor)가 사용될 수 있다. DO 검출용 발광소자(511)가 광을 조사하면 DO 검출용 형광 센서막은 형광을 방출하게 되며, 이에 따라 DO 검출용 수광소자(512)는 방출된 형광을 수신하게 된다. 그리고 pH 검출용 발광소자(521)가 광을 조사하면 pH 검출용 형광 센서막은 형광을 방출하게 되며, 이에 따라 pH 검출용 수광소자(522)는 방출된 형광을 수신하게 된다.

한편, 도 1 내지 도 4에는 도시되어 있지 않으나, 제어부(700)는 장치 전반을 제어하는 구성으로서, 하나 이상의 프로세서, FPGA(field-programmable gate array), 마이크로 제어 유닛(Micro Control Unit, MCU) 등 중에서 적어도 일부를 포함하여 이루어질 수 있다. 제어부(700)는 단일의 제어기로 구성될 수도 있으나, 복수의 제어기로 구성될 수도 있다. 후자의 경우, 제어부(700)는 주 제어부 및 이와 떨어져 있으나 데이터 송수신이 가능한 보조 제어부로 구성될 수 있다. 제어부(700)는 X-Y 구동 스테이지 테이블(400)을 이동 제어할 수 있고, 약물 주입기(200)를 구동 제어할 수 있으며, 광학적 측정을 제어할 수 있다. 또한 마이크로플레이트(300)의 적어도 하나의 웰(310)에 대해 센서 보드(500)의 수광소자를 통해 수신되어 전기적으로 변환된 신호를 분석하여 DO 농도와 pH를 측정할 수 있다. 이 외에도 장치 운용을 위한 여타의 제어 기능을 수행할 수 있다.

추가적인 양상에 따르면, 세포 대사 측정 실험 장치는 광 차폐판(320)을 더 포함할 수 있다. 광 차폐판(320)은 센서 보드(500)의 상부에 마련된다. 즉, 광 차폐판(320)은 센서 보드(500)와 마이크로플레이트(300)의 사이에 위치한다. 일 실시예에 있어서, 광 차폐판(320)은 광 차폐를 위해 검은 색상을 갖는 플라스틱 판일 수 있다. 광 차폐판(320)은 DO 검출용 발광소자(511)와 수광소자(512) 및 pH 검출용 발광소자(521)와 수광소자(522)별 대응되는 홀(hole)들을 포함한다. 따라서 발광소자와 형광 센서막에 의해 방출되는 광은 홀을 통해 전달된다.

나아가, 광 차폐판(320)은 복수의 투과 필터(330)를 더 포함할 수 있다. 투과 필터(330)는 용존산소 검출용 센서막이나 pH 검출용 센서막으로부터 방출된 형광을 투과시키기 위한 대역 투과 필터(bandpass filter)이다. 투과 필터(330)는 DO 검출용 수광소자(512)들에 대응되는 홀들과 pH 검출용 수광소자(522)들에 대응되는 홀들의 상부에 위치한다. 24-웰이 4행 6열일 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 투과 필터(330)의 수는 6개로 이루어질 수 있다. 투과 필터(330)는 형광 센서막으로부터 방출된 형광을 광 차폐판(320)의 홀(hole)로 투과시킨다. 그리고 광 차폐판(320)은 도 4에 도시된 바와 같이 DO 검출용 수광소자(512)들에 대응되는 홀들과 pH 검출용 수광소자(522)들에 대응되는 홀들이 형성된 부분에는 필터 홈(321)들이 형성될 수 있으며, 투과 필터(330)들은 필터 홈(321)들에 끼워지게 된다.

추가적인 양상에 따르면, 세포 대사 측정 실험 장치는 밀폐용 덮개(600)를 더 포함할 수 있다. 밀폐용 덮개(600)는 마이크로플레이트(300)의 모든 웰(310)들을 밀폐하기 위한 덮개이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 밀폐용 덮개(600)의 하부는 마이크로플레이트(300)의 웰(310)들에 대응되게 웰(310)들을 완벽히 밀폐시키기 위해 볼록한 형상으로 이루어지며, 적어도 웰(310)들을 밀폐시키기 위한 볼록한 형상의 부위는 고무 재질일 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 밀폐용 덮개(600)는 하우징(10) 내부의 일측에 위치할 수 있는데, 그 위치를 DO 농도와 pH를 측정하기 위한 측정 위치라 한다. 일 양상에 따르면, 밀폐용 덮개(600)는 Z축, 즉 수직 방향을 따라 이동 가능하다. 이를 위해, Z-축 구동 모터가 마련되어 있음은 물론이다. 제어부(700)는 Z-축 구동 모터를 구동 제어함에 의해 밀폐용 덮개(600)을 상하로 이동 제어할 수 있다. 제어부는 마이크로플레이트(300)의 적어도 하나의 웰(310)에 대해 광학 측정을 하고자 할 시에 X-Y 구동 스테이지 테이블(400)을 측정 위치로 이동시키고, 밀폐용 덮개(600)를 아래 방향으로 이동시켜 마이크로플레이트(300)를 밀폐한 후, 광학적 측정을 수행한다. 그리고 측정이 완료되면, 밀폐용 덮개(600)를 윗 방향으로 이동시켜 마이크로플레이트(300)에서 분리시킨다. 이 같이 마이크로플레이트(300)를 밀폐시키는 이유는 광학 측정시 웰에 산소가 공급되는 것을 차단하여 정확한 측정을 보장하기 위함이다.

나아가, 세포 대사 측정 실험 장치는 컴퓨팅 장치(30)를 더 포함할 수 있다. 컴퓨팅 장치(30)는 디스플레이 일체형 PC일 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이 하우징(10) 상부에 마련될 수 있다. 그리고 제어부가 주 제어부와 보조 제어부로 이루어질 경우, 주 제어부는 컴퓨팅 장치(30)에 구성되며, 보조 제어부는 센서 보드(500)에 구성될 수 있다. 컴퓨팅 장치(30)의 디스플레이 모듈은 화면 표시는 물론 사용자의 입력을 받아들일 수 있는 터치 패널이 마련된 터치스크린일 수 있다. 혹은 디스플레이 모듈은 표시 기능만을 담당하며, 사용자 입력 수단은 별도로 있을 수 있다. 컴퓨팅 장치(30)는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 제공할 수 있으며, 이에 사용자는 GUI를 통해 원하는 입력을 할 수 있다.

도 5는 일 실시예에 따른 광학적 측정 설명을 위한 블록도이다. 발광 어레이는 센서 보드(500)에 마련되는 복수의 발광부(510)를 포함한다. 발광부(510)의 수는 웰 수의 2배이다. 하나의 웰(310)에 DO 검출용 센서막(311)과 pH 검출용 센서막(312)이 존재하므로, 하나의 웰에 대해 2개의 발광부(510)를 포함하는 것이다. 각각의 발광부(510)는 발광소자인 LED 외에 LED의 구동전류를 조절할 수 있는 디지털 포텐셔미터(digital potentiometer)를 포함할 수 있다. 디지털 포텐셔미터는 제어부(700)에 의해 제어될 수 있으며, 이를 통해 LED의 광량이 조절될 수 있다. 수광 어레이는 센서 보드(500)에 마련되는 복수의 수광부(520)를 포함한다. 수광부(520)의 수 또한 마찬가지 이유로 웰 수의 2배이다. 각각의 수광부(520)는 수광소자인 PD 외에 PD의 구동전류를 조절할 수 있는 디지털 포텐셔미터를 포함할 수 있다.

신호 처리부(530)는 발광부(510)로의 출력 신호 및 수광부(520)로부터의 입력 신호를 처리한다. 이 신호 처리부(530)는 센서 보드(500)에 구성될 수 있으며, 혹은 별도의 보드에 구성될 수도 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 신호 처리부(530)는 발광 선택부(531)와 수광 선택부(532)와 펄스 발생부(533)와 증폭부(534) 및 파형 정형부(535)를 포함한다. 발광 선택부(531)는 발광부(510)들 중에서 어느 하나를 선택하기 위한 구성이며, 수광 선택부(532)는 수광부(520)들 중에서 어느 하나를 선택하기 위한 구성이다. 일 실시예에 있어서, 발광 선택부(531)와 수광 선택부(532) 각각은 멀티플렉서이다. 펄스 발생부(533)는 펄스를 발생시켜 출력한다. 출력된 펄스는 증폭기에 의해 증폭된 후에 발광 어레이로 출력될 수 있으며, 펄스를 수신한 발광부(510)는 펄스 폭(duration)에 맞춰 발광하게 된다. 증폭부(534)는 수광부(520)에 의해 수신되어 수광 선택부(532)를 통해 입력된 신호를 증폭시켜 출력한다. 그리고 파형 정형부(535)는 증폭된 신호의 파형을 정형화한다. 일 실시예에 있어서, 파형 정형부(535)는 슈미트 트리거(schmitt trigger)이다. 잘 알려진 바와 같이, 슈미트 트리거는 신호의 전압을 기준 전압(트리거 레벨)과 비교하여 1과 0으로 정형화한다.

제어부(700)는 광학 측정을 위한 모든 제어를 담당한다. 이때의 제어부(700)는 보조 제어부일 수 있다. 제어부(700)는 발광부(510)의 디지털 포텐셔미터를 제어하여 LED의 발광 세기를 조절할 수 있으며, 수광부(520)의 디지털 포텐셔미터를 제어하여 PD의 민감도를 조절할 수 있다. 제어부(700)는 발광 선택부(531)로 발광 선택 신호를 출력하여 발광부(510)를 선택할 수 있으며, 수광 선택부(532)로 수광 선택 신호를 출력하여 수광부(520)를 선택할 수 있다. 또한, 제어부(700)는 펄스 발생부(533)의 펄스 듀레이션을 제어할 수 있고, 증폭부(534)의 증폭 이득을 제어할 수 있으며, 파형 정형부(535)의 파형 정형을 위한 트리거 레벨을 제어할 수 있다.

제어부(700)는 파형 정형부(535)에 의해 파형이 정형화되면 형광 세기를 구한다. 일 실시예에 있어서, 제어부(700)는 시간 지연(time delay) 측정 방식을 이용하여 형광 세기를 구한다. 즉, LED 발광 펄스와 PD 출력 펄스의 지연을 측정하여 이로부터 형광 세기를 구한다. 형광 센서막의 혈광 발현 지연은 산소분자와 수소이온의 농도와 관계되는데, 산소분자의 농도와는 반비례하며 수소이온의 농도와는 비례한다. 따라서 형광 발현의 지연 시간을 측정하여 DO 농도와 pH를 산출할 수 있다. 도 6을 참조하여 설명하면, 실선으로 나타낸 LED 발광 펄스로부터 점선으로 나타낸 PD 출력 펄스의 지연을 측정하는 것이다. 예를 들어, LED 발광 펄스의 상승 에지(riging edge)로부터 PD 출력 펄스의 상승 에지까지의 시간차인 지연 시간(①)을 측정하거나, LED 발광 펄스의 하강 에지(falling edge)로부터 PD 출력 펄스의 하강 에지까지의 지연 시간(②)을 측정할 수 있다. 정확성을 높이기 위해, 제어부(700)는 측정을 복수 회 반복하고 평균값을 취하여 형광 세기를 구할 수 있으며, 평균값을 구할 때 최대값과 최소값은 제외할 수 있다.

다른 실시예에 있어서, 제어부(700)는 PD 출력 펄스의 폭(duration)을 측정하여 이로부터 형광 세기를 구한다. LED 발광 펄스 폭이 고정되어 있을 경우, PD 출력 펄스의 폭은 형광 세기에 따라 달라진다. LED 발광 펄스 폭은 이미 알고 있으므로, 제어부(700)는 PD 출력 펄스의 폭(③)을 측정하여 형광 세기를 구할 수 있다. 정확성을 높이기 위해, 제어부(700)는 측정을 복수 회 반복하고 평균값을 취하여 형광 세기를 구할 수 있으며, 평균값을 구할 때 최대값과 최소값은 제외할 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 제어부(700)는 상술한 시간 지연 측정 방식과 PD 출력 펄스 폭 측정 방식을 모두 사용하여 형광 세기를 구할 수 있다. 예를 들어, 두 측정 방식에 따라 얻어진 측정값들의 평균값을 취하여 형광 세기를 구할 수 있으며, 두 측정 방식의 가중치를 달리하여 형광 세기를 구할 수도 있다.

도 7은 일 실시예에 따른 세포 대사 측정 실험 장치의 제어 설명을 위한 블록도이다. 사용자 입출력부(800)는 사용자의 입력을 위한 입력 수단과 출력을 위한 출력 수단을 포함한다. 사용자 입출력부(800)는 도 2의 컴퓨팅 장치(30)에 구성될 수 있다. 혹은 사용자 입출력부(800)는 세포 대사 측정 실험 장치에 구성되지 않을 수 있다. 이 경우, 세포 대사 측정 실험 장치는 사용자 입출력 역할을 담당하는 외부의 컴퓨터와 통신 케이블을 통해 연결되거나 무선 연결될 수 있다. 저장부(900)는 하나 이상의 메모리를 포함한다. 저장부(900)에는 장치 전반을 운용하기 위한 운용 프로그램 및 제어 데이터들이 저장된다. 또한, 저장부(900)는 프로토콜 메모리(910)와 보정 메모리(920)를 포함한다. 프로토콜 메모리(910)에는 웰 별 사용자 정의 프로토콜이 저장된다. 사용자 정의 프로토콜은 웰 별로 측정 프로세스를 자동으로 수행하기 위한 정보이다. 일 실시예에 있어서, 사용자 정의 프로토콜은 웰 별 약물 주입량, 약물 종류, 약물 주입 후 측정 대기 시간 정보를 포함한다. 그리고 보정 메모리(920)에는 후술하는 구동 정보 또는 오프셋 값이 저장된다.

제어부(700)는, 도시되어 있지는 않으나, 하드웨어적으로 주 제어부와 보조 제어부로 나뉠 수 있다. 주 제어부는 컴퓨팅 장치(30)에 구성될 수 있으며, 보조 제어부는 센서 보드(500)에 구성될 수 있다. 주 제어부는 하나 이상의 프로세서일 수 있으며, 보조 제어부는 마이크로 컨트롤 유닛(MCU)일 수 있다. 보조 제어부는 도 5를 참조하여 설명한 바와 같은 광학 측정을 위한 제어만을 수행하고, 주 제어부는 그 외의 모든 제어를 수행할 수 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 제어부(700)는 프로토콜 설정부(710)와 농도 측정부(720)를 포함하며, 보정용 측정부(730)를 더 포함할 수 있다. 프로토콜 설정부(710)와 농도 측정부(720) 및 보정용 측정부(730)는 소프트웨어 모듈로 구현될 수 있다. 제어부(700)가 주 제어부와 보조 제어부로 구성될 경우에 소프트웨어적 기능 단위별로 주 제어부와 보조 제어부에 나뉘어 구성될 수 있는데, 광학 측정을 위해 필요한 구성은 보조 제어부에 그리고 그 외의 구성은 주 제어부에 구성될 수 있다. 프로토콜 설정부(710)는 사용자에 의해 정의된 프로토콜을 셋업하는 구성으로, 세포 대사 측정 실험 장치에 구비된 사용자 입출력부(800)를 통해 입력되거나 외부의 컴퓨팅 장치로부터 수신된 사용자 정의 프로토콜을 저장부(900)에 저장하여 프로토콜 설정을 완료한다.

도 8은 사용자 정의 프로토콜 입력을 위한 스프레드 시트 화면 예시도이다. 사용자는 도 8에 도시된 바와 같은 스프레드 시트를 통해 약물 종류, 약물 주입량, 약물 주입 후 측정 대기 시간 등을 입력할 수 있다. 그리고 프로토콜 설정부(710)는 웰 별 사용자 정의 프로토콜을 도 8에 도시된 바와 같은 스프레드 시트를 통해 입력받아 프로토콜 메모리(910)에 저장함으로써 프로토콜을 셋업한다.

도 9는 24-웰 배열 화면 예시도이다. 도 9는 4행 6열로 배열된 24-웰 이미지를 나타낸 것으로, 사용자는 도 9와 같은 화면에서 웰 객체를 선택하고 해당 웰에 대해 적용할 프로토콜을 정의할 수 있다. 혹은 반대로 프로토콜을 먼저 정의한 후 웰 객체를 선택할 수도 있다. 예를 들어, 프로토콜 설정부(710)는 사용자가 웰 객체 선택시 웰 별 약물 주입량, 약물 종류, 약물 주입 시간, 약물 주입 후 측정 대기 시간 등 중 적어도 하나를 포함하는 프로토콜을 입력할 수 있는 입력창을 띄울 수 있다. 혹은 입력창이 도 9에 도시된 24-웰 이미지와 함께 표시될 수 있다. 사용자는 둘 이상의 웰 객체를 선택할 수 있으며, 프로토콜 설정부(710)는 선택된 둘 이상의 웰을 포함하는 그룹에 대해 사용자 정의 프로토콜을 동일하게 설정할 수 있다. 그리고 그룹별로 색상을 달리하여 식별 가능토록 할 수 있다.

그리고 프로토콜 설정부(710)는 도 8의 스프레드 시트와 도 9의 웰 배열 이미지를 상호 연동할 수 있다. 예를 들어, 사용자가 스프레드 시트를 이용하여 프로토콜을 정의하면, 프로토콜 설정부(710)는 그 정의된 프로토콜을 웰 배열 이미지상에도 반영한다. 반대로, 사용자가 웰 배열 이미지 사용자 인터페이스를 통해 프로토콜을 정의하면, 프로토콜 설정부(710)는 그 정의된 프로토콜을 스프레드 시트에도 반영한다.

한편, 농도 측정부(720)는 프로토콜 메모리(910)에 저장된 사용자 정의 프로토콜에 따라 메인 측정 프로세스를 수행한다. 그리고 보정용 측정부(730)는 농도 측정부(720)의 정확한 측정을 위해 선행되는 초기 측정 프로세스를 수행한다. 보정용 측정부(730)에 대해 부연하면, 제조 과정에서 센서 보드에 구성되는 센서들의 특성이 모두 동일하기 어려운바, 이는 측정 결과의 오차가 유발될 수밖에 없다. 따라서 실제 측정 전에 센서들의 특성을 파악하여 그에 맞게 DO 농도와 pH 측정을 수행할 필요가 있다. 보정용 측정부(730)는 센서들의 특성을 미리 파악하여 센서별 특성에 맞게 구동할 수 있도록 하는 구동 정보를 보정 메모리(920)에 저장하거나, 측정값을 교정(calibration)할 수 있도록 하는 오프셋 값을 보정 메모리(920)에 저장한다.

도 10은 일 실시예에 따른 용존산소 및 pH 측정 방법의 흐름도이다. 농도 측정부(720)는 프로토콜 메모리(910)에 저장된 사용자 정의 프로토콜에 따라 측정 프로세스를 수행한다. 우선, 농도 측정부(720)는 웰 별 사용자 정의 프로토콜에 따른 약물을 주입하기 위해 X-Y 구동 스테이지 테이블(400)의 위치를 이동시키고(S100), 약물 주입기(200)를 제어하여 웰 별 정해진 약물을 주입한다(S110). 웰 별로 약물 주입 시간이 따로 정해져 있는 경우에는 그에 따른다. 그렇지 않을 경우에는 순차적으로 웰들에 약물을 주입할 수 있다. 웰 별로 약물을 주입해야 할 시간이 정해져 있지 않고, 도 7의 스프레드 시트에 예시되어 있는 바와 같이 웰들에 시퀀스 넘버(Sequence No.)가 부여되어 있을 경우, 농도 측정부(720)는 그 순서대로 약물을 주입하기 위해 X-Y 구동 스테이지 테이블(400)의 위치 이동과 약물 주입기(200)의 구동을 제어한다. 농도 측정부(720)는 웰 별로 정해진 약물을 주입한 후에 웰 별로 정해진 시간 동안 웰 내에서 생·화학 반응이 이루어지도록 대기한다(S120). 농도 측정부(720)는 웰 별로 측정 시간에 X-Y 구동 스테이지 테이블(400)이 측정 위치에 위치하도록 이동 제어한다(S130). 혹은 농도 측정부(720)는 미리 X-Y 구동 스테이지 테이블(400)을 측정 위치로 이동시킬 수 있다. 농도 측정부(720)는 웰 별 측정 시간에 X-Y 구동 스테이지 테이블(400) 상에 놓인 마이크로플레이트(300)의 웰들이 밀폐되도록 밀폐용 덮개(600)를 하방으로 이동 제어한다(S140). 마이크로플레이트(300)의 웰들이 밀폐되면, 농도 측정부(720)는 광학적 측정을 통해 DO 농도와 pH를 측정한다(S150).

농도 측정부(720)는 측정 후에 밀폐용 덮개(600)를 상방으로 이동 제어할 수 있다. 그리고 X-Y 구동 스테이지 테이블(400)을 기준 위치로 이동 제어할 수도 있고, 아니면 측정 위치로 그대로 둘 수도 있다. 그리고 계속하여 사용자 정의 프로토콜에 따라 모든 측정이 완료될 때까지 동작을 수행할 수 있다. 한편, 농도 측정부(720)는 사용자 정의 프로토콜에 따라 제어를 수행하기 전에 X-Y 구동 스테이지 테이블(400)의 기준 위치 인식을 위한 위치 제어를 수행할 수 있다. 예를 들어, 농도 측정부(720)는 X-Y 구동 스테이지의 리미트 스위치(limit switch)를 이용하여 기준 위치를 인식한다. 이 같은 위치 인식 기술은 널리 알려져 있으므로, 상세한 설명은 생략한다. 한편, 밀폐용 덮개(600)가 없을 경우, 측정 위치는 별도로 정해지지 않을 수 있다. 그리고 측정을 위해 마이크로플레이트(300)의 웰들을 밀폐시켜야 할 경우에는 사용자가 직접 별도의 밀폐용 덮개를 마이크로플레이트(300)에 덮을 수 있다. 예를 들어, 사용자는 전면 커버를 열어 마이크로플레이트(300)를 밀폐할 수 있다.

도 11은 일 실시예에 따른 센서 특성 파악을 위한 측정 방법의 흐름도이다. 우선, 센서 특성 파악 측정을 위해 마이크로플레이트(300)의 웰들에는 표준 시약이 들어있을 수 있다. 그리고 표준 시약은 카트리지(100)에 수용되어 약물 주입기(200)를 통해 마이크로플레이트(300)의 웰들에 주입될 수 있다. 보정용 측정부(730)는 LED를 정해진 구동 전류 값으로 구동하며(S200), 이에 따른 PD 출력 전류 값을 확인한다(S210). 보정용 측정부(730)는 확인된 PD 출력 전류 값이 기준 전류 값과 상이할 경우, 그 차이 값에 근거하여 PD 출력 전류 값이 기준 전류 값이 되도록 조정된 LED 구동 전류 값을 산출한다(S220). 그리고 산출된 LED 구동 전류 값을 보정 메모리(920)에 구동 정보로 저장한다(S230). 보정용 측정부(730)는 위와 같은 절차를 모든 LEDs-PDs에 대해 순차적으로 수행하며, 이를 통해 구동 정보 테이블이 생성되어 보정 메모리(920)에 저장된다. 이 구동 정보 테이블은 농도 측정부(720)에 의해 이용된다. 즉, 농도 측정부(720)는 보정 메모리(920)에 저장된 구동 정보 테이블에 따른 LED별 구동 전류 값을 가지고 발광 제어하는 것이다. 다른 방법으로, 보정용 측정부(730)는 LED 구동 전류 값을 조절해가면서 PD의 출력 전류 값이 기준 전류 값이 되는 LED 구동 전류 값을 직접 찾을 수도 있다.

도 12는 다른 실시예에 따른 센서 특성 파악을 위한 측정 방법의 흐름도이다. 우선, 센서 특성 파악 측정을 위해 마이크로플레이트(300)의 웰들에는 표준 시약이 들어있을 수 있다. 그리고 표준 시약은 카트리지(100)에 수용되어 약물 주입기(200)를 통해 마이크로플레이트(300)의 웰들에 주입될 수 있다. 보정용 측정부(730)는 LED를 정해진 구동 전류 값으로 구동한다(S300). 그리고 PD의 디지털 포텐셔미터를 조절함에 의해 PD의 구동 전류를 조절해가면서 최적의 PD 민감도를 탐색한다(S310). 이를 통해 최적의 PD 구동 전류 값을 확인하고 디폴트 구동 전류 값에 대해 오프셋 값을 산출하여 저장한다(S320). 농도 측정부(720)는 위와 같은 절차를 모든 LEDs-PDs에 대해 순차적으로 수행하며, 이를 통해 오프셋 정보 테이블이 생성되어 보정 메모리(920)에 저장된다(S330). 이 오프셋 정보 테이블은 농도 측정부(720)에 이용된다. 농도 측정부(720)는 PD의 디지털 포텐셔미터 값을 고정시켜 놓고 광학 측정을 수행한 후 그 측정값에 오프셋을 반영하여 측정값을 교정한다. 여기서, 광학 측정은 보조 제어부에 의해 수행되고 측정값 교정은 주 제어부에 의해 수행될 수 있다.

이상의 센서 특성 파악을 위한 측정 방법들은 세포 대사 측정 실험 장치의 최초 초기화시에 1회만 수행될 수 있다. 그러나 센서는 사용하면 할수록 열화하는 특성이 있는바, 이를 고려하여 사용자에 의해 수동으로 혹은 주기적으로 초기화를 수행하여 센서 특성을 재파악할 수도 있다. 그리고 농도 측정부(720)는 초기화 이후에 슈미트 트리거의 트리거 레벨을 조절하여 PD의 민감을 조절할 수 있다.

한편, 이상의 세포 대사 측정 실험 장치는 기본적으로 정밀온도제어 기능을 포함할 수 있다. 즉, 세포 대사 측정 실험 장치는 하우징(10) 내부의 온도를 인체 온도인 37℃로 맞출 수 있도록 0.1℃ 이상의 분해능을 갖는 센서를 사용하여 온도를 측정하면서 히터를 제어할 수 있으며, 온도 감지용 센서에 의해 감지된 온도 정보를 디스플레이 모듈에 표시할 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 하우징 11 : 전면 커버
12 : 장착 홀 13 : 홀 커버
20 : 디스플레이 모듈 100 : 카트리지
200 : 약물 주입기 300 : 마이크로플레이트
310 : 웰 311 : DO 검출용 센서막
312 : pH 검출용 센서막 320 : 광 차폐판
321 : 필터 홈 330 : 투과 필터
400 : X-Y 구동 스테이지 테이블 500 : 센서 보드
510 : 발광부 511 : DO 검출용 발광소자
512 : DO 검출용 수광소자 520 : 수광부
521 : pH 검출용 발광소자 522 : pH 검출용 수광소자
600 : 밀폐용 덮개 700 : 제어부
710 : 신호 처리부 531 : 발광 선택부
532 : 수광 선택부 533 : 펄스 발생부
534 : 증폭부 535 : 파형 정형부
710 : 프로토콜 설정부 720 : 농도 측정부
730 : 보정용 측정부 800 : 사용자 입출력부
900 : 저장부 910 : 프로토콜 메모리
920 : 보정 메모리

Claims

수평 상하좌우 방향을 따라 이동 가능한 X-Y 구동 스테이지 테이블;
세포를 수용하고 용존산소 검출용 센서막과 pH 검출용 센서막을 구비한 복수의 웰(well)을 포함하며, X-Y 구동 스테이지 테이블 상에 장착되는 마이크로플레이트;
X-Y 구동 스테이지 테이블의 상부에 마련되며, X-Y 구동 스테이지 테이블 상에 장착된 마이크로플레이트의 웰 별 용존산소 검출용 센서막과 수직적으로 대응되는 한 쌍의 용존산소 검출용 발광소자와 수광소자 및 웰 별 pH 검출용 센서막과 수직적으로 대응되는 한 쌍의 pH 검출용 발광소자와 수광소자를 포함하는 센서 보드;
약물을 수용한 복수의 카트리지;
카트리지로부터 노즐을 통해 공급되는 약물을 마이크로플레이트의 웰에 주입하는 복수의 위치 고정된 약물 주입기; 및
X-Y 구동 스테이지 테이블을 이동 제어하며, 마이크로플레이트의 적어도 하나의 웰에 대해 용존산소와 pH를 측정하는 제어기;
를 포함하는 세포 배양 실험 장치.
제 1 항에 있어서,
용존산소 검출용 센서막과 pH 검출용 센서막은 형광 센서막인 세포 배양 실험 장치.
제 1 항에 있어서,
복수의 카트리지는 세포 배양 실험 장치의 하우징 상부에 구성되는 세포 배양 실험 장치.
제 1 항에 있어서,
마이크로플레이트의 모든 웰들을 밀폐하는 밀폐용 덮개;
를 더 포함하는 세포 배양 실험 장치.
제 4 항에 있어서,
밀폐용 덮개는 구동 제어에 의해 수직 상하 방향으로 이동 가능한 세포 배양 실험 장치.
제 1 항에 있어서,
마이크로플레이트와 센서 보드 사이에 위치하며, 용존산소 검출용 발광소자와 수광소자 및 pH 검출용 발광소자와 수광소자별 대응되는 홀(hole)이 형성된 광 차폐판;
을 더 포함하는 세포 배양 실험 장치.
제 6 항에 있어서, 광 차폐판은 :
용존산소 검출용 센서막으로부터 방출된 광과 pH 검출용 센서막으로부터 방출된 광을 광 차폐판의 홀(hole)로 투과시키는 복수의 투과 필터;
를 포함하는 세포 배양 실험 장치.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
웰 별 사용자 정의 프로토콜을 저장한 메모리;를 더 포함하며,
제어기는 메모리에 저장된 웰 별 사용자 정의 프로토콜에 따라 X-Y 구동 스테이지 테이블의 위치 이동과 웰 별 약물 주입 및 측정 시간 도달시 웰 별 용존산소와 pH 측정을 제어하는 세포 배양 실험 장치.