KR20170015959A - 전자동 휴대형 미세조류 검출 장치 - Google Patents
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Abstract
휴대형 미세조류 검출 장치는 형광물질이 부착된 미세조류 DNA가 포함된 샘플이 위치하는 샘플 홀더, 상기 샘플에 광을 조사하는 광원 장치, 상기 광을 입력받은 상기 샘플이 방출하는 광자를 수신하는 광 센서 및 상기 광 센서에 연결되어 상기 광 센서가 수신하는 광자의 양을 기준으로 상기 샘플에 포함된 미세조류 DNA를 정량 분석하는 분석 회로를 포함한다.
Description
이하 설명하는 기술은 휴대형 미세조류 검출 장치 및 휴대형 DNA 검출 장치를 이용한 DNA 검출 방법에 관한 것이다.
생화학물질을 분석하기 위한 방법으로 전기신호의 측정을 통하여 분석을 수행하는 전기화학적인 방법과 형광이나 화학발광 등과 같이 빛을 측정하여 분석을 수행하는 분광분석 방법 등이 일반적으로 사용된다. 이 중에서 빛을 사용하여 분석을 수행하는 분광분석 방법의 경우에 분석 감도가 우수하기 때문에 극미량의 생화학물질의 분석에 많이 사용되는 분석방법이다.
형광을 이용한 분석을 하기 위해서는 외부에서 분석 시료 용액에 빛을 조사해 준 후에 그 빛의 조사 경로의 직각인 각도에서 형광을 검출하여 분석을 수행한다. 시료가 방출하는 광을 분석하는 형광분광광도계(spectrofluorometer)와 같은 장치를 사용하여 물질 분석 내지 정량 분석을 수행하고 있다. 형광분광광도계는 특정 물질이 갖고 있는 고유의 광 특성을 이용하는 것이다.
형광분광광도계는 실험실에 배치하여 물질 분석에 사용하는 것으로 장치의 크기가 크고, 가격이 높다. 형광분광광도계는 휴대가 어렵기 때문에 장치가 배치된 실험실에서만 특정 물질 분석에 사용된다.
이하 설명하는 기술은 형광물질이 탐침된 목표 물질을 분석할 수 있는 휴대형 분석 장치를 제공하고자 한다. 이하 설명하는 기술은 미세조류 DNA를 검출하여 미세조류의 정량 분석을 수행하는 장치를 제공하고자 한다.
휴대형 미세조류 검출 장치는 형광물질이 부착된 미세조류 DNA가 포함된 샘플을 수용하는 용기가 위치하는 샘플 홀더, 상기 샘플에 단일 파장의 광을 조사하는 광원 장치, 상기 광을 입력받은 상기 샘플이 방출하는 광자를 수신하는 광 센서 및 상기 광 센서가 수신하는 광자의 양을 기준으로 상기 샘플에 포함된 미세조류 DNA를 정량 분석하는 분석 회로를 포함하되, 상기 형광 물질은 상기 광을 수신하여 서로 다른 파장의 광을 방출하는 복수의 QD(quantum dot)을 포함하고, 상기 분석 회로는 상기 복수의 QD 중 어느 하나의 QD가 방출하는 광자의 양을 기준으로 다른 하나의 QD가 방출하는 광자의 양을 보정하고, 상기 다른 하나의 QD가 방출하는 광자를 기준으로 상기 정량 분석을 수행한다.
다른 측면에서 휴대형 미세조류 검출 장치는 형광물질이 부착된 미세조류 DNA가 포함된 샘플을 수용하는 용기가 위치하는 샘플 홀더, 상기 샘플에 단일 파장의 광을 조사하는 광원 장치, 상기 광을 입력받은 상기 샘플이 방출하는 광자를 수신하는 광 센서 및 상기 광 센서가 수신하는 광자의 양을 기준으로 상기 샘플에 포함된 미세조류 DNA를 정량 분석하는 분석 회로를 포함하되, 상기 형광 물질은 상기 광을 수신하여 서로 다른 파장의 광을 방출하는 복수의 QD(quantum dot)을 포함하고, 상기 분석 회로는 상기 복수의 QD가 각각 방출하는 광자의 양의 비를 기준으로 상기 정량 분석을 수행한다.
또 다른 측면에서 휴대형 미세조류 검출 장치는 광을 조사하는 레이저 다이오드, 형광물질이 부착된 미세조류 DNA가 포함된 샘플이 상기 광을 받아 방출하는 광자를 수신하는 복수의 포토다이오드, 상기 복수의 포토다이오드 각각에 연결되어, 상기 포토다이오드에서 출력되는 신호를 기준 전압으로 조정하는 복수의 버퍼 및 상기 복수의 버퍼에 각각 연결되어 상기 복수의 버퍼에서 출력되는 신호를 분석하여 상기 미세조류 DNA를 정량하는 분석회로를 포함하되, 상기 형광 물질은 상기 광을 수신하여 서로 다른 파장의 광을 방출하는 복수의 QD(quantum dot)을 포함하고, 상기 복수의 포토다이오드는 각각 상기 서로 다른 파장의 광을 수신하고, 상기 분석 회로는 상기 복수의 버퍼 중 어느 하나의 출력 신호를 기준으로 다른 버퍼의 출력 신호를 보정하고, 보정된 출력 신호를 기준으로 상기 미세조류 DNA를 정량하거나, 상기 복수의 버퍼 중 2개의 버퍼가 방출하는 광자의 양의 비를 기준으로 상기 미세조류 DNA를 정량한다.
이하 설명하는 기술은 강과 같은 야외 환경이나 실험실에서 휴대형 장치를 이용하여 손쉽게 미세조류를 검출하게 한다.
도 1은 목표 DNA 및 QD에 대한 예시도이다.
도 2는 휴대형 미세조류 검출 장치의 구성을 도시한 블록도의 예이다.
도 3은 휴대형 미세조류 검출 장치의 구성을 도시한 블록도의 다른 예이다.
도 4는 휴대형 미세조류 검출 장치의 구성을 도시한 블록도의 또 다른 예이다.
도 5는 휴대형 DNA 검출 장치를 이용한 DNA 검출 방법에 대한 순서도의 예이다.
도 2는 휴대형 미세조류 검출 장치의 구성을 도시한 블록도의 예이다.
도 3은 휴대형 미세조류 검출 장치의 구성을 도시한 블록도의 다른 예이다.
도 4는 휴대형 미세조류 검출 장치의 구성을 도시한 블록도의 또 다른 예이다.
도 5는 휴대형 DNA 검출 장치를 이용한 DNA 검출 방법에 대한 순서도의 예이다.
이하 설명하는 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 이하 설명하는 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이하 설명하는 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 이하 설명하는 기술의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설시된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다. 따라서, 본 명세서를 통해 설명되는 각 구성부들의 존재 여부는 기능적으로 해석되어야 할 것이며, 이러한 이유로 이하 설명하는 기술의 휴대형 미세조류 검출 장치(100, 200, 300)에 따른 구성부들의 구성은 이하 설명하는 기술의 목적을 달성할 수 있는 한도 내에서 대응하는 도면과는 상이해질 수 있음을 명확히 밝혀둔다.
또, 방법 또는 동작 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
이하에서는 도면을 참조하면서 휴대형 미세조류 검출 장치 및 DNA 검출 방법에 관하여 구체적으로 설명하겠다. 이하 설명하는 기술은 생물학적 물질 중에서 DNA를 검출하는 장치 내지 방법에 관한 것이다. 이하 설명하는 기술은 특히 전처리 및 후처리된 샘플 용액에서 DNA의 정성 분석 또는/및 정량 분석을 수행하는 휴대형 DNA 검출 장치에 관한 것이다.
샘플 용액 준비
먼저 DNA(Deoxyribonucleic acid) 등이 포함되는 샘플 용액의 준비 과정에 대래 간략하게 설명하기로 한다. DNA 전처리 및 후처리 과정 중 필요한 부분에 대해서만 간략하게 설명하고자 한다.
일반적으로 녹조는 여름철에 하천 등에서 발생하는 남조류(Cyanobacteria, blue-green algae)를 의미한다. 남조류 시료로부터 먼저 DNA를 추출해야 한다. DNA 추출 과정을 해당 분야에서 일반적으로 사용하는 다양한 기법을 사용할 수 있을 것이다. 분석할 수 있는 물질 내지 DNA의 종류가 제한되는 것은 아니나 이하 녹조 DNA를 예로들어 설명하기로 한다. 다만 이하 설명하는 기술은 녹조를 포함한 미세조류(algae) 뿐만 아니라 다른 생물의 DNA 검출에도 사용될 수 있다.
추출한 DNA는 상보적인 두 가닥이 염기쌍의 수소 결합을 갖고 있으므로, DNA 검출을 위해서는 먼저 두 가닥의 결합을 한 가닥(denatured DNA)으로 만들어야 한다. 도 1은 목표 DNA 및 QD에 대한 예시도이다. 도 1에서 타겟(Target) DNA는 현재 한 가닥으로 처리된 상태이다.
이하 설명하는 기술에서 형광 물질은 QD(quantum dot)을 사용한다. QD는 다양한 분야에서 사용되고 있는 나노 크리스탈(nanocrystal) 물질이다. QD는 일반적으로 반도체 물질로 만든 나노 크기(1~250nm)의 직경을 갖는 소자를 의미한다. 도 1에서는 구(sphere) 모양의 QD를 도시하였으나 사실 다양한 모양을 가질 수도 있을 것이다. DNA 검출을 위하여 QD는 형광성(fluorescence)을 갖는 물질로 구성되거나 형광 물질을 포함한다.
도 1에서는 두 개의 QD가 사용된 예를 도시하였고, 두 개의 QD는 서로 다른 프로브(probe) DNA에 결합한 상태를 도시하였다. 제1 프로브 DNA에 결합한 QD655는 빛이 조사되면 660nm(붉은색) 파장의 광자를 주로 방출하는 형광물질에 해당하면, 제2 프로브 DNA에 결합하는 QD565는 주로 540nm(녹색) 파장의 광자를 방출하는 형광물질이다. 도 1에서는 두 개의 QD가 사용된 예를 들었고, 각 QD는 특정 파장의 형광물질이라고 설명하였다. 그러나 실제 DNA 검출을 위해서는 적어도 2개의 QD가 사용될 수 있고, 다른 파장의 광자를 방출하는 형광물질이 사용될 수 있다. 다만 설명의 편의를 위해 보다 명확하게 대비되는 붉은색 파장과 녹색 파장을 예로 든 것이다.
QD565는 QD보다 큰 크기를 갖는 MB(magnetic bead)에 결합된 형태를 도시하였다. MB는 자성을 갖는 물질이고, QD565는 MB를 감싸는 형태 또는 다양한 형태로 MB와 결합하면 충분하다. MB는 DNA 검출 과정에서 목표 DNA를 샘플의 다른 DNA 또는 다른 물질로부터 분리하기 위해 사용한다.
샘플 용액에는 완충용액, QD565-MB-제2 프로브 DNA 복합체, QD655-제1 프로브 복합체, 목표 DNA 등이 포함된다. 목표 DNA의 상보적 부위에 각 프로브가 결합하였다고 전제한다. 이후 샘플 용액의 위치에 자기장을 발생시키면 자성을 갖는 MB가 자기장을 따라 일정한 영역으로 이동하게 된다. 결국 목표 DNA가 샘플 용액에서 특정한 영역에 집중적으로 위치하게 된다. 이후 상기 특정한 영역에 위치한 샘플을 수집하여 수집한 샘플을 대상으로 DNA 검출과정을 거칠 수 있다. 또는 후술하겠지만 경우에 따라서는 자기장 발생을 통해 DNA 시료 집중이라는 과정을 휴대형 DNA 검출 장치에서 수행할 수도 있을 것이다. 이 경우 목표 DNA가 집중된 영역에 빛이 조사될 수 있도록 하는 것이 바람직할 것이다.
이하 설명의 편의를 위해 MB와 결합하여 목표 DNA 추출 및 검출에 관여하는 프로브를 제2 프로브라고 계속 명명하고, 특정 QD(상기 설명에서는 QD655)만 결합하여 목표 DNA 검출에만 관여하는 프로브를 제1 프로브라고 계속 명명한다.
휴대형 DNA 검출 장치
목표 DNA 및 QD를 포함하는 샘플 용액은 일정한 전처리 및 후처리 과정을 거쳤다고 전제하고, 이후 목표 DNA를 검출 내지 정량하는 장치에 대해 설명하기로 한다.
도 2는 휴대형 미세조류 검출 장치(100)의 구성을 도시한 블록도의 예이다.
휴대형 미세조류 검출 장치(100)는 샘플에 광을 조사하는 광원 장치(110), 형광물질이 부착된 녹조 DNA가 포함된 샘플이 위치하는 샘플 홀더(120), 광원 장치(110)의 광을 받아 샘플이 방출하는 광자를 수신하는 광 센서(130) 및 광 센서(130)에 연결되어 광 센서(130)가 수신하는 광자의 파장 및 광자의 양을 기준으로 상기 샘플에 포함된 녹조 DNA를 정량 분석하는 분석 회로(140)를 포함한다.
광원 장치(110)는 할로겐 램프, 제논 램프, HID(high-intensity discharge) 램프, 하나 이상의 LED(light emitting diode), 하나 이상의 레이저 등 일 수 있다. 광원 장치(110)는 하나의 단일 파장의 광을 조사할 수 있다. 나아가 광원 장치(110)는 생물학적 샘플 내의 복수의 서로 다른 형광 염료를 여기하기 위한 상이한 방출 파장 범위를 갖는 복수의 광원을 사용할 수도 있다. 다만 이하 설명의 편의를 위해 광원 장치(110)는 반도체 레이저 다이오드(laser diode)를 사용한다고 가정하고 설명한다. 이하 레이저 다이오드라 명명한다. 레이저 다이오드는 레이저를 조사하는 작은 크기의 소자이다. 반도체 레이저 다이오드는 전류를 가간섭성 빛으로 바꾸어주는 변환소자의 일종이고, 전력 소비가 비교적 작으면서 파장 선택의 범위가 넓은 특징이 있다. QD565 및 QD655를 사용한다고 하면 레이저 다이오드는 405nm 정도의 레이저를 조사하는 것이 적당할 수 있다. 광원 장치(110)의 출력 파장, 출력 강도, 출력 시간, 사용하는 전력값 등은 검출하고자 하는 시료의 종류 등에 따라 다양한 값을 가질 수 있을 것이다.
샘플 홀더(120)는 샘플 용액이 들어간 플레이트 또는 튜브와 같은 용기가 위치하는 구성이다. 사용되는 용기의 크기 및 형태에 따라 다양한 기구적 장치가 사용될 수 있을 것이다. 또는 샘플 홀더(120) 자체가 샘플 용액을 담을 수 있는 용기 형태를 가질 수도 있을 것이다. 샘플 홀더(120)는 샘플 용액이 광원 장치(110)에서 조사하는 빛을 정확하게 받아 근처의 광 센서(130)로 광자를 잘 방출할 수 있는 위치를 갖는 것이 중요할 것이다.
광 센서(130)는 샘플 홀더(120)에 위치한 샘플 용액에서 방출하는 광자(형광)를 감지한다. 광 센서(130)는 광자를 감지할 수 있는 다양한 형태의 센서 소자가 사용될 수 있다. 다만 휴대형 미세조류 검출 장치(100)를 휴대형 크기로 구성하기 위하여 작은 크기를 갖는 포토다이오드를 사용한다고 가정한다. 포토다이오드는 구성이 보다 단순한 PN 포토다이오드를 사용하거나, PN 포토다이오드보다 미세한 빛의 감지가 가능한 PIN 다이오드를 사용할 수도 있다.
도 2에서 광 센서(130)는 광 센서 A(131) 및 광 센서 B(132)를 포함한다. 두 개의 광 센서를 도시한 이유는 전술한 바와 같이 샘플 용액에는 서로 다른 파장을 방출하는 두 개의 QD가 포함되는 경우를 가정한 것이다. 따라서 두 개의 광 센서는 각각 서로 다른 파장의 빛을 감지한다. 샘플 용액에 QD565 및 QD655가 포함되었다고 하면, 광 센서(131 및 132)들은 각각 660nm 및 540nm 파장의 빛을 감지한다.
분석 회로(140)는 광 센서(130)에서 출력되는 신호를 기준으로 목표 DNA의 검출(정성 분석)하거나 목표 DNA의 양을 정량(정량 분석)할 수 있다. LED 램프(150)는 목표 DNA의 검출 여부를 알려줄 수 있다. 디스플레이 패널(160)은 목표 DNA 검출 여부 및 정량 분석의 결과를 일정한 텍스트 또는 그래프 형태로 출력할 수 있다. 디스플레이 패널(160)을 이용하는 경우 분석 회로(140)는 디스플레이 패널의 출력에 사용되는 일정한 데이터 신호를 생성하여 전달해야 할 것이다.
분석 회로(140)는 복수의 포토다이오드가 각각 수신하는 특정 파장을 갖는 광자의 양과 목표 DNA의 양의 상관 관계에 대한 프로그램을 임베딩한 칩(회로)을 포함할 수 있다. 광자의 양과 목표 DNA의 상관 관계는 일정한 그래프를 표현하는 수식을 통해 표현할 수 있다. 또는 매칭 테이블을 이용하여 광자의 양과 목표 DNA의 상관 관계를 사전에 정의하고, 매칭 테이블을 기반으로 정량 분석을 수행할 수도 있을 것이다.
한편 분석 회로(140)는 목표 DNA에 결합한 QD의 양을 고려하여 정량 분석을 수행하는 것이 바람직할 것이다. 도 1과 같은 경우 현재 목표 DNA에 결합한 QD의 양은 QD565 및 QD655가 서로 다를 수 있다. QD565 경우 MB와 결합하여 QD655보다 양이 많은 상태이다. 따라서 두 개의 QD의 양의 차이를 고려하여 방출하는 광자를 분석할 수 있다. 예컨대, 두 개의 QD가 방출하는 두 개의 파장의 비(660nm/540nm)를 기준으로 목표 DNA를 정량할 수 있다. 사전에 두 개의 QD(QD655/QD565)의 비를 알고 있다면, 두 개의 QD(QD655/QD565)의 비와 두 개의 파장의 비(660nm/540nm)를 기준으로 목표 DNA를 정량할 수도 있다. 이 경우 분석 회로(140)는 두 개의 파장의 비와 목표 DNA의 양의 상관 관계를 이용하여 DNA 정량 분석을 수행할 수 있다.
나아가 두 개의 파장의 신호 중 어느 하나를 메인 신호로 삼고, 다른 하나의 신호를 기준으로 메인 신호를 보정할 수 있다. 예컨대, 분석을 위한 메인 신호인 QD655에 대한 출력 신호를 QD565에 대한 출력 신호를 사용하여 일정하게 정규화될 수 있다. 이는 QD655에 대한 출력 신호를 보다 정확하게 보정하는 과정에 해당한다. 이 경우 보정된 메인 신호인 QD655에 대한 출력 신호를 기준으로 정량 분석을 수행할 수 있다. 이 경우 분석 회로(140)는 보정된 메인 신호에 대한 출력 신호(광자의 양)와 목표 DNA의 양의 상관 관계를 이용하여 DNA 정량 분석을 수행할 수 있다.
나아가 휴대형 미세조류 검출 장치(100)는 광원 장치(110)와 샘플 홀더(120) 사이에 또는/및 샘플 홀더(120)와 광 센서(130) 사이에 일정한 광 경로를 포함할 수 있다. 광 경로는 광이 보다 정확하게 전달되는 통로를 의미한다. 광 경로에는 일정한 랜즈, 필터와 같은 구성이 포함될 수도 있다.
도 3은 휴대형 미세조류 검출 장치(200)의 구성을 도시한 블록도의 다른 예이다. 도 3의 휴대형 미세조류 검출 장치(200)는 기본적으로 도 2에서 도시한 휴대형 미세조류 검출 장치(100)와 대응되는 구성을 갖는다. 도 3은 휴대형 미세조류 검출 장치(200)는 휴대형 미세조류 검출 장치(100)에 대한 회로적인 구성을 추가적으로 설명한 것이다.
도 3의 휴대형 미세조류 검출 장치(200)는 전술한 샘플 홀더(120)를 구성으로 포함하지 않고 있다. 녹조 DNA 검출을 위해서서는 샘플 홀더에 샘플 용액이 배치되어야 하지만, 휴대형 미세조류 검출 장치(200)의 회로적 구성을 놓고 보면 샘플 홀더(120)가 필수적인 구성은 아니기 때문이다. 도 2의 상부에는 휴대형 미세조류 검출 장치(200)의 구성을 블록으로 도시하였고, 도 2의 하부에는 각 구성에 대응되는 회로 구성을 예시적으로 도시하였다.
레이저 다이오드(210)는 샘플 용액이 배치된 위치로 레이저를 조사한다. 조사된 레이저는 샘플 용액의 형광 물질(QD)에 입사하고, 형광 물질은 일정한 파장의 광자를 방출한다.
방출되는 광자는 각 파장의 빛을 감지하는 포토다이오드(220)로 전달된다. 포토다이오드(220)는 PN 포토다이오드를 도시하였다. 두 개의 포토다이오드(220A, 220B)는 각각 서로 다른 파장의 빛을 감지한다. 예컨대, 포토다이오드(220A, 220B)는 각각 QD565 및 QD655로부터 방출되는 660nm 및 540nm 파장의 빛을 감지한다. 하나의 포토다이오드(220)는 포토다이오드 외에 저항(R) 하나를 구성으로 갖는 것이 바람직하다. 파장의 종류에 따라 감지하는 신호의 강도가 서로 다를 수 있기 때문이다.
휴대형 미세조류 검출 장치(200)는 포토다이오드(220)와 각각 연결되는 버퍼(230)를 포함하는 것이 바람직하다. 버퍼(230A 및 230B)는 포토다이오드(220A 및 220B)에서 출력되는 신호를 일정한 기준 전압으로 조정한다. 버퍼(230)는 피드백 신호를 이용하여 출력 신호가 일정한 값을 갖도록 제어한다.
휴대형 미세조류 검출 장치(200)는 버퍼(230)과 각각 연결되는 증폭기(Amplifier, 240)를 포함하는 것이 바람직하다. 증폭기들(240A 및 240B)은 각각 버퍼(230A 및 230B)에서 출력되는 신호를 일정한 레벨로 증폭한다. 이후 증폭된 신호는 LED 램프(250)으로 전달된다. 결국 목표 DNA가 검출된 경우 LED 램프(250)가 점등하게 된다. 도 2에서는 LED 램프를 두 개(250A 및 250B)를 도시하였으나 LED 램프는 하나만을 사용하여도 충분하다. LED 램프(250)가 포함된 휴대형 미세조류 검출 장치(200)는 기본적으로 정성분석에 사용된다. 다만 LED 램프(250)의 출력 강도에 따라 대략적인 녹조 DNA의 양을 알 수도 있을 것이다. 후자의 경우 증폭기(240)가 버퍼(230)의 출력 신호의 범위에 따라 일정하게 양자화된 신호를 출력하는 것이 바람직하다.
한편 전원공급부(260)는 레이저 다이오드(210), 포토다이오드(220), 증폭기(240) 및 LED 램프(250) 중 적어도 하나에 전력을 공급하는 구성이다. 레이저 다이오드(210), 증폭기(240) 및 LED 램프(250)는 특히 전력이 필요하다. 전원 공급부(260)는 휴대형 미세조류 검출 장치(300)가 휴대형 장치인 특성 상 배터리가 들어가는 직류 전원 공급 장치가 사용되는 것이 바람직하다.
도 4는 휴대형 미세조류 검출 장치(300)의 구성을 도시한 블록도의 또 다른 예이다. 도 4의 휴대형 미세조류 검출 장치(300)는 기본적으로 도 2에서 도시한 휴대형 미세조류 검출 장치(100)와 대응되는 구성을 갖는다. 도 4은 휴대형 미세조류 검출 장치(300)는 휴대형 미세조류 검출 장치(100)에 대한 회로적인 구성을 추가적으로 설명한 다른 예이다.
도 4의 휴대형 미세조류 검출 장치(300)는 도 3의 휴대형 미세조류 검출 장치(200)의 구성과 거의 유사하다. 다만 휴대형 미세조류 검출 장치(300)는 정량 분석 결과까지 출력할 수 있는 디스플레이 패널(390)을 사용한다. 휴대형 미세조류 검출 장치(200)와 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략한다.
분석 회로(350)는 버퍼(330)에서 출력되는 신호를 기준으로 녹조 DNA의 검출(정성 분석)하거나 녹조 DNA의 양을 정량(정량 분석)할 수 있다. 디스플레이 패널(390)은 녹조 DNA 검출 여부 및 정량 분석의 결과를 일정한 텍스트 또는 그래프 형태로 출력할 수 있다. 분석 회로(350)는 디스플레이 패널의 출력에 사용되는 일정한 데이터 신호를 가공하여 출력할 수 있다.
분석 회로(350)는 복수의 포토다이오드가 각각 수신하는 특정 파장을 갖는 광자의 양과 목표 DNA의 양의 상관 관계에 대한 프로그램을 임베딩한 칩을 포함할 수 있다. 자세한 내용은 도 2에서 설명한 분석 회로(140)와 같다. 따라서 분석 회로(350)는 복수의 광자의 양의 비(내지 복수의 버퍼가 출력하는 신호 세기의 비)를 기준으로 DNA에 대한 정량 분석을 할 수 있다. 또 분석 회로(350)는 하나의 광자의 양을 기준으로 다른 하나의 광자의 양을 보정하고 보정된 광자의 양을 기준으로 DNA에 대한 정량 분석을 할 수 있다(하나의 버퍼가 출력하는 신호를 기준으로 다른 하나의 버퍼가 출력하는 신호를 보정하고 보정된 신호를 기준으로 DNA에 대한 정량 분석을 할 수 있다).
한편 도 4에서 증폭기(340)를 도시하였는데 도 4의 휴대형 미세조류 검출 장치(300)는 증폭기(340)가 필수적인 구성은 아니다. 분석 회로(350)의 성능에 따라 비교적 약한 신호로더 분석이 가능하기 때문이다. 경우에 따라서는 증폭기(340)가 분석회로(350)와 연결되어 분석 회로(350)의 출력 신호를 증폭할 수도 있다.
도 4에서 두 개의 분석 회로(350A 및 350B)를 도시하였는데, 하나의 분석 회로(350)가 버퍼(330) 또는 증폭기(340)에서 출력되는 신호를 분석할 수도 있다.
도 5는 휴대형 DNA 검출 장치를 이용한 DNA 검출 방법(400)에 대한 순서도의 예이다. 도 5는 전술한 휴대형 미세조류 검출 장치(100, 200 내지 300)을 사용하여 목표 DNA를 검출하는 방법에 대한 예이다. 휴대형 DNA 검출 장치는 전술한 휴대형 미세조류 검출 장치(100, 200 내지 300)를 의미한다. 다만 녹조 DNA로 한정하지 않고, 특정 목표 DNA로 설명하였다. 세부적인 과정은 전술한 휴대형 미세조류 검출 장치와 같다.
휴대형 DNA 검출 장치를 이용한 DNA 검출 방법(400)는 샘플 용액 준비를 전제로 한다. 샘플 용액을 준비하는 과정에 대해서는 전술한 바와 같다. 샘플 용액은 제1 프로브에 QD655가 결합하고, 제2 프로브에 QD565가 결합한 상태라고 가정한다. 물론 다른 파장을 방출하는 다양한 QD가 사용될 수도 있다.
전처리 및 후처리된 샘플 용액이 휴대형 DNA 검출 장치의 샘플 홀더에 배치된다(410). 샘플 용액 배치는 실험자가 샘플 용기를 샘플 홀더에 배치할 수도 있고, 하천과 같은 장소에 배치된 DNA 검출 장치에 일정한 샘플이 자동으로 유입될 수도 있을 것이다. 후자의 경우 녹조가 발생할 수 있는 하천 수면에 접한 장소에 DNA 검출 장치를 배치한 경우이다.
샘플 용액이 배치되면 레이저 다이오드가 샘플 용액에 레이저 광을 조사한다(420). 포토다이오드가 샘플 용액에 포함된 형광 물질(QD)가 조사된 광을 받아 방출하는 광자를 수신한다(430).
이후 일정한 분석 회로가 포토다이오드의 출력 신호에 따라 목표 DNA 검출 여부 내지 목표 DNA 양을 결정한다(440).
이후 LED 램프 또는 디스플레이 장치와 같은 장치를 통해 목표 DNA의 검출 여부 또는/및 목표 DNA의 정량 분석 결과를 알려준다(450).
경우에 따라서는 목표 DNA의 검출 여부 또는/및 목표 DNA의 정량 분석 결과를 휴대형 DNA 검출 장치에서 직접 알려주지 않고, 휴대형 DNA 검출 장치가 분석한 결과를 통신 모듈을 통해 원격지에 있는 서버 또는 사용자 단말에 분석 데이터를 전송할 수도 있을 것이다. 나아가 휴대형 DNA 검출 장치가 포토다이오드의 출력 신호를 패킷 데이터 형태로 원격지에 있는 서버 또는 단말에 전송하고, 서버 또는 단말이 해당 데이터를 분석하여 목표 DNA의 검출 여부를 결정하거나, 목표 DNA의 정량 분석을 수행할 수도 있을 것이다.
한편 제2 프로브는 MB와 결합한 QD와 함께 일정한 결합체(complex)를 구성한다고 전술하였다. 상기 결합체를 이용하여 목표 DNA의 후처리 과정을 수행한다고 설명하였다. MB는 자기장을 이용하여 목표 DNA 자체를 다른 물질과 분리하는 과정에 사용된다. 이는 전처리된 샘플 용액에는 목표 DNA 외에 다른 부위의 DNA나 다른 생물의 DNA가 포함될 수 있기 때문이다. 샘플 용액에 원하는 목표 DNA외에 다른 물질이 많이 포함된다면 형광을 이용한 정량 분석에서 정확도가 떨어질 수 있다.
MB를 이용한 목표 DNA 수집 과정은 휴대형 DNA 검출 장치에서 수행될 수도 있을 것이다. 자기장을 발생시키는 소자를 이용하여 샘플 용액이 배치되는 샘플 홀더에 자기장을 생성하고, 자기장 생성에 의해 일정한 영역에 집중된 목표 DNA에 레이저 광을 조사하면 보다 정확한 분석이 가능할 수도 있다.
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 전술한 기술에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 전술한 기술의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 전술한 기술의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
100 : 휴대형 미세조류 검출 장치
110 : 광원 장치
120 : 샘플 홀더 130 : 광 센서
131, 132 : 광 센서 140 : 분석 회로
150 : LED 램프 160 : 디스플레이 패널
200 : 휴대형 미세조류 검출 장치 210 : 레이저 다이오드
220 : 포토다이오드 220A, 220B : 포토다이오드
230 : 버퍼 230A, 230B : 버퍼
240 : 증폭기 240A, 240B : 증폭기
250 : LED 램프 250A, 250B : LED 램프
260 : 전원 공급부
300 : 휴대형 미세조류 검출 장치 310 : 레이저 다이오드
320 : 포토다이오드 320A, 320B : 포토다이오드
330 : 버퍼 330A, 230B : 버퍼
340 : 증폭기 340A, 340B : 증폭기
250 : 분석 회로 350A, 350B : 분석 회로
360 : 전원 공급부 390 : 디스플레이 패널
120 : 샘플 홀더 130 : 광 센서
131, 132 : 광 센서 140 : 분석 회로
150 : LED 램프 160 : 디스플레이 패널
200 : 휴대형 미세조류 검출 장치 210 : 레이저 다이오드
220 : 포토다이오드 220A, 220B : 포토다이오드
230 : 버퍼 230A, 230B : 버퍼
240 : 증폭기 240A, 240B : 증폭기
250 : LED 램프 250A, 250B : LED 램프
260 : 전원 공급부
300 : 휴대형 미세조류 검출 장치 310 : 레이저 다이오드
320 : 포토다이오드 320A, 320B : 포토다이오드
330 : 버퍼 330A, 230B : 버퍼
340 : 증폭기 340A, 340B : 증폭기
250 : 분석 회로 350A, 350B : 분석 회로
360 : 전원 공급부 390 : 디스플레이 패널
Claims (8)
- 형광물질이 부착된 미세조류 DNA가 포함된 샘플을 수용하는 용기가 위치하는 샘플 홀더;
상기 샘플에 단일 파장의 광을 조사하는 광원 장치;
상기 광을 입력받은 상기 샘플이 방출하는 광자를 수신하는 광 센서; 및
상기 광 센서가 수신하는 광자의 양을 기준으로 상기 샘플에 포함된 미세조류 DNA를 정량 분석하는 분석 회로를 포함하되,
상기 형광 물질은 상기 광을 수신하여 서로 다른 파장의 광을 방출하는 복수의 QD(quantum dot)을 포함하고, 상기 분석 회로는 상기 복수의 QD 중 어느 하나의 QD가 방출하는 광자의 양을 기준으로 다른 하나의 QD가 방출하는 광자의 양을 보정하고, 상기 다른 하나의 QD가 방출하는 광자를 기준으로 상기 정량 분석을 수행하는 휴대형 미세조류 검출 장치. - 제1항에 있어서,
상기 광 센서는 상기 복수의 QD가 방출하는 파장의 광자를 각각 수신하는 복수의 포토다이오드를 포함하는 휴대형 미세조류 검출 장치. - 제1항에 있어서,
상기 분석 회로는 상기 보정된 광자의 양과 미세조류 DNA의 양의 상관 관계에 대한 프로그램을 임베딩한 회로를 포함하는 휴대형 미세조류 검출 장치. - 형광물질이 부착된 미세조류 DNA가 포함된 샘플을 수용하는 용기가 위치하는 샘플 홀더;
상기 샘플에 단일 파장의 광을 조사하는 광원 장치;
상기 광을 입력받은 상기 샘플이 방출하는 광자를 수신하는 광 센서; 및
상기 광 센서가 수신하는 광자의 양을 기준으로 상기 샘플에 포함된 미세조류 DNA를 정량 분석하는 분석 회로를 포함하되,
상기 형광 물질은 상기 광을 수신하여 서로 다른 파장의 광을 방출하는 복수의 QD(quantum dot)을 포함하고, 상기 분석 회로는 상기 복수의 QD가 각각 방출하는 광자의 양의 비를 기준으로 상기 정량 분석을 수행하는 휴대형 미세조류 검출 장치. - 제4항에 있어서,
상기 광 센서는 상기 복수의 QD가 방출하는 파장의 광자를 각각 수신하는 복수의 포토다이오드를 포함하는 휴대형 미세조류 검출 장치. - 제4항에 있어서,
상기 분석 회로는 상기 비와 미세조류 DNA의 양의 상관 관계에 대한 프로그램을 임베딩한 회로를 포함하는 휴대형 미세조류 검출 장치. - 광을 조사하는 레이저 다이오드;
형광물질이 부착된 미세조류 DNA가 포함된 샘플이 상기 광을 받아 방출하는 광자를 수신하는 복수의 포토다이오드;
상기 복수의 포토다이오드 각각에 연결되어, 상기 포토다이오드에서 출력되는 신호를 기준 전압으로 조정하는 복수의 버퍼; 및
상기 복수의 버퍼에 각각 연결되어 상기 복수의 버퍼에서 출력되는 신호를 분석하여 상기 미세조류 DNA를 정량하는 분석회로를 포함하되,
상기 형광 물질은 상기 광을 수신하여 서로 다른 파장의 광을 방출하는 복수의 QD(quantum dot)을 포함하고, 상기 복수의 포토다이오드는 각각 상기 서로 다른 파장의 광을 수신하고,
상기 분석 회로는 상기 복수의 버퍼 중 어느 하나의 출력 신호를 기준으로 다른 버퍼의 출력 신호를 보정하고, 보정된 출력 신호를 기준으로 상기 미세조류 DNA를 정량하거나, 상기 복수의 버퍼 중 2개의 버퍼가 방출하는 광자의 양의 비를 기준으로 상기 미세조류 DNA를 정량하는 휴대형 미세조류 검출 장치. - 제7항에 있어서,
상기 분석 회로는 상기 보정된 출력 신호와 미세조류 DNA의 양의 상관 관계 또는 상기 비와 미세조류 DNA의 양의 상관 관계에 대한 프로그램을 임베딩한 회로를 포함하는 휴대형 미세조류 검출 장치.
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| JP3695340B2 (ja) | 2001-03-30 | 2005-09-14 | 株式会社日立製作所 | Ｄｎａ検査方法及びその装置並びに蛍光検出方法 |
| KR101405053B1 (ko) | 2014-03-25 | 2014-06-10 | 고센바이오비드 주식회사 | 양자점을 이용하여 표적 물질을 검출하기 위한 장치 및 방법 |
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- 2017-02-01 KR KR1020170014614A patent/KR101806763B1/ko active IP Right Grant
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