KR20190086104A - 초소형 광학요소를 적용한 현장진단용 형광검출장치 - Google Patents

Abstract

초소형 광학요소를 적용한 현장진단용 형광검출장치는, 광을 조사하는 광원부, 상기 광원부로부터 조사되는 광을 집속하는 가변초점렌즈, 상기 가변초점렌즈에서 집속된 광을 면광으로 전환하는 멤스 스캐너(mems scanner), 시약과 혼합된 시료가 증폭되며, 상기 멤스 스캐너를 통해 입사된 면광이 입사되는 바이오칩 및 상기 시료의 타겟 물질이 상기 시약과 반응함에 따라, 상기 바이오칩으로부터 반사되는 형광을 검출하는 광 검출부를 포함할 수 있다.

Description

초소형 광학요소를 적용한 현장진단용 형광검출장치{FLUORESCENCE ANALYZING APPARATUS BASED PORTABLE MICRO-OPTICAL COMPONENT}

본 발명은 현장진단용 형광검출장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 집속된 광원이 멤스 스캐너에 의하여 고르게 조사됨으로써 시료 전체 표면에 걸쳐 여기되는 광의 세기가 높고, 소량의 유전체 검체를 사용하는 마이크로플루이딕 바이오칩을 사용함으로써 검출 효율을 향상시킨 초소형 광학요소를 적용한 현장진단용 형광검출장치에 관한 것이다.

분자진단은 의학 및 생물학적 분야에서 유전 질환(hereditary disease)의 검출, 유전자 지문(genetic fingerprint)의 확인, 감염 질환(infectious disease)의 진단, 유전자의 클로닝(cloning), 친자확인검사(paternity testing), 및 DNA 컴퓨팅(computing)등 분석 및 진단 목적으로 널리 사용되고 있다.

그중 중합효소 연쇄반응(PCR, Polymerase Chain Reaction)장치는 PCR 수율을 개선하기 위한 노력뿐만 아니라 PCR 진행 과정을 실시간으로 파악하기 위한 효율적인 방법을 개발하고 있다. 이와 같이 PCR 진행 과정을 실시간으로 파악할 수 있는 기술을 "실시간 PCR(real-time PCR)"이라고 하는데, 실시간 PCR 장치는 온도조절 장치와 분광 형광 광도계가 일체화된 장치로 PCR 챔버에 형광물질을 투입하여 증폭 산물과의 결합으로 발생하는 광신호를 측정하는 기술을 이용한다.

그러나 이는 형광물질로부터 광신호를 활성화하기 위한 별도의 광원 모듈, 증폭 핵산으로부터 획득된 광신호를 검출하기 위한 광검출 모듈, 및 기타 광 경로를 조절하기 위한 반사경 등의 구조를 반드시 필요로 한다.

대한민국 공개특허 제2013-0113072호는 흡광도 측정 장치에 관한 것으로, 웰(well)에 주입된 시료의 흡광 상태를 CMOS 이미지 센서를 이용하여 감지할 수 있는 흡광도 측정 장치에 관한 것이다. 그러나 이는 웰플레이트를 사용하여 시료에 열전달 효율이 낮다는 단점이 존재하여 중합효소 연쇄반응이 이루어지는 시간이 오래 걸린다.

대한민국 등록특허 제1306930호는 형광 흡광 동시 측정용 분광 광도계에 관한 것으로, 하나의 여기 광원에서 조사된 광의 진행경로를 제어하는 광이송부 및 멀티채널 검출부를 구비하며, 형광 및 흡광의 광신호를 동시에 측정하는 광검출 장치를 개시한다. 그러나 이는 광의 측정감도를 높이고 진행경로를 제어하기 위하여 복잡한 외형을 가지는 광 이송부가 별도로 필요로 하며, 필터, 부가 렌즈 등을 필요로 하는 구조를 나타낸다.

따라서, 실시간 형광 및 흡광도를 측정하는 장치는 시료 반응 시간 단축을 위하여 열전달 효율을 높이는 구조를 포함하며, 별도의 광 이송부가 없이 시료의 표면적에 걸쳐 주사되는 광의 세기 및 주사면적의 제어가 가능한 초소형 광학요소를 구비한 검출 장치가 필요한 실정이다.

대한민국 공개특허 제10-2010-0029868호 대한민국 공개특허 제2013-0113072호 대한민국 등록특허 제1306930호

이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 초소형 광학계인 가변초점렌즈 및 멤스 스캐너와, 적은 시료를 사용하는 마이크로플루이딕 기반의 바이오칩을 구성함으로써 현장진단에 적합한 소형의 검출 장치 제공이 가능한 초소형 광학요소를 적용한 현장진단용 형광검출장치에 관한 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 초소형 광학요소를 적용한 현장진단용 형광검출장치는, 광을 조사하는 광원부, 상기 광원부로부터 조사되는 광을 집속하는 가변초점렌즈, 상기 가변초점렌즈에서 집속된 광을 면광으로 전환하는 멤스 스캐너(mems scanner), 시약과 혼합된 시료가 증폭되며, 상기 멤스 스캐너를 통해 입사된 면광이 입사되는 바이오칩 및 상기 시료의 타겟 물질이 상기 시약과 반응함에 따라, 상기 바이오칩으로부터 반사되는 형광을 검출하는 광 검출부를 포함한다.

일 실시예에서, 상기 광원부는 서로 다른 파장의 레이저 광을 조사하는 복수의 레이저들 및 상기 레이저들을 상기 가변초점렌즈에 선택적으로 정렬시키는 제1 이송 스테이지를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 가변초점렌즈에서 집속된 광이 진행하는 방향에 위치하며, 상기 집속된 광을 반사시켜 상기 멤스 스캐너로 전달하는 초점제어거울을 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 멤스 스캐너로부터 입사된 면광을 평행광으로 변환 및 확산시켜 상기 바이오칩으로 제공하는 스캐닝 렌즈를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 바이오칩의 온도를 가열하여 상기 바이오칩 내의 상기 시료를 증폭시키는 온도제어부를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 온도 제어부는 상기 바이오칩을 서로 다른 온도 또는 서로 다른 온도 범위로 각각 가열하는 복수의 온도 제어부들을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 온도 제어부는 상기 온도 제어부들을 이동시켜, 상기 바이오칩의 하부에 선택적으로 위시키는 제2 이송스테이지를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 온도 제어부는 전류가 인가되면 열을 발생하는 팰티에 소자 또는 투명 소재의 ITO(Indium Tin Oxide)를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 멤스 스캐너는 회전을 통해 입사되는 광의 반사각도를 변화시키면서 상기 입사되는 광을 상기 스캐닝 렌즈의 전면적으로 반사시키는 면광으로 변환할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 바이오칩은 시료와 혼합된 복수의 시약들을 각각 주입시키기 위한 인렛(Inltet)부, 상기 인렛부를 통해 주입된 상기 시료와 시약들이 혼합되는 혼합 채널, 상기 혼합 채널과 연결되어 상기 시료와 시약들을 추가로 혼합시키는 혼합 챔버, 상기 혼합 챔버에서 혼합된 상기 시료 및 시약들이 이동하는 이동 채널, 상기 이동 채널로부터 분기되어 혼합된 상기 시료 및 시약들이 반응하는 복수의 반응 챔버들 및 상기 반응 챔버들에서 반응된 상기 시료 및 시약을 배출하는 아웃렛(Outlet)부를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 반응 챔버들은 상기 이동 채널로부터 분기된 복수의 공간들을 형성하며, 상기 공간들은 멤스 스캐너로부터 입사되는 면광에 대응되는 면적을 형성할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 시약들은 상기 반응 챔버들에 위치하면서 상기 시료의 증폭된 타겟 물질과 형광 반응을 수행할 수 있다.

본 실시예들에 의하면, 전력소비가 적은 가변초점렌즈 및 맴스 스캐너를 적용하고, 소량의 시약을 사용하는 마이크로플루이딕 바이오칩을 구성함에 따라, 현장진단에 적합한 소형의 검출 장치의 제공이 가능하다.

또한, 가변초점렌즈를 사용함으로 시료표면에 입사되는 광 초점 거리를 조정이 가능하며, 시료표면에는 높은 광세기를 가지는 집속광의 제공이 가능하다.

또한, 집속된 광원이 멤스 스캐너에 의해 고르게 조사됨으로써, 시료 전체 표면에 걸쳐 여기되는 광세기가 높아지는 장점이 있으며, 이에 따라 광 도파로의 기능을 하는 기구 없이 집속 광의 제공이 가능하다.

또한, 적은 시약량을 사용하는 마이크로플루이딕 바이오칩을 통해 열전달 효율을 극대화 하여, 중합요소 연쇄반응(PCR)의 극대화 및 시간의 단축 효과를 얻을 수 있다.

이 경우, 면광원으로 제공되는 광원에 의해 보다 넓은 면적에서 타겟 물질에 대한 검출을 수행하기 위해 반응 챔버들은 복수개의 공간들이 넓게 형성될 수 있으며, 이를 통해 다양한 시료에 의한 반응을 상대적으로 빠르고 용이하게 검출할 수 있다.

또한, 시료에 따른 증폭 온도의 상이함을 고려하여, 서로 다른 온도 또는 서로 다른 온도 범위로 가열을 수행하는 복수의 온도 제어부들을 구비함으로써, 최적의 증폭 조건을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 현장진단용 형광검출장치를 도시한 구성도이다.
도 2는 도 1의 현장진단용 형광검출장치에서 바이오칩을 도시한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 현장진단용 형광검출장치를 도시한 구성도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 현장진단용 형광검출장치를 도시한 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 현장진단용 형광검출장치(10)는 광원부(100), 가변초점렌즈(200), 멤스 스캐너(mems scanner, 300), 스캐닝 렌즈(scanning lens, 400), 바이오칩(biochip, 500), 온도제어부(600) 및 형광 검출부(700)를 포함한다.

상기 광원부(100)는 직진성을 가지는 광을 조사하며, 상기 광원부(100)에서 조사된 여기광은 최종적으로 상기 바이오칩(500)의 반응 챔버들(550)로 전달된다. 즉, 상기 광원부(100)로부터 발생된 광은 일정한 주사광으로 형성되어 상기 바이오칩(500)에 주사된다.

한편, 여기서 상기 광원부(100)는 광원으로 레이저를 사용하며, 레이저 광원은 서로 다른 파장의 광을 조사하는 복수의 레이저들로 이루어진다.

즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 레이저들은 제1 레이저(110), 제2 레이저(120), 제3 레이저(130) 및 제4 레이저(140)를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 내지 제4 레이저들은 각각 다른 파장 값을 가지는 광을 조사하며, 제1 이송 스테이지(150)에 의해 이동되어 광원으로 선택될 수 있다.

상기 제1 이송 스테이지(150)에 의해 상기 레이저들 중 어느 하나의 레이저가 상기 가변초점렌즈(200)에 선택적으로 정렬되어, 해당 레이저가 주사될 수 있다.

한편, 도시하지는 않았으나, 상기 레이저들의 개수 및 각 레이저들의 파장값은 다양하게 설정될 수 있음은 자명하다.

상기 광원부(100)에서 조사된 여기광이 상기 바이오칩(500)에 주사되기 전에, 상기 여기광은 상기 멤스 스캐너(300)로 주사된다. 상기 멤스 스캐너(300)는 입사되는 광을 반사시키도록 일정 각도로 2축 회전하는 반사경을 포함하며 이를 구동시키는 구동부로 구성되며, 입사되는 광을 다양한 방향으로 반사시킬 수 있도록 도 1에 도시된 바와 같이 고정축을 중심으로 회전이 가능하다. 이에 따라, 상기 멤스 스캐너(300)로 입사되는 광은 다양한 방향으로 반사될 수 있으며 이를 통해 선형으로 입사된 레이저 광이 면광원으로 반사될 수 있다.

즉, 상기 멤스 스캐너(300)는 고정축을 중심으로 회전을 통해 입사되는 광의 반사각도를 변화시키면서 상기 입사되는 광을 반사시키며 상기 스캐닝 렌즈(400) 상에 면광원으로 제공할 수 있다.

여기서, 상기 스캐닝 렌즈(400)는 상기 멤스 스캐너(300)와 상기 바이오칩(500)의 사이에 위치하여 상기 멤스 스캐너(300)에서 반사시키는 광을 평행광으로 변환하고 상기 바이오칩(500)에 광이 확산되어 조사되도록 한다.

한편, 상기 광원부(100)로부터 멤스 스캐너(300)에 이르는 광의 경로 상에는 상기 바이오 칩(500)에 광원의 상이 맺힐 수 있게 초점거리를 조절하는 상기 가변초점렌즈(200)가 배치된다. 상기 가변초점렌즈(200)는 상기 광원부(100)로부터 조사되는 여기광을 집속시키는 역할을 하며, 상기 여기광을 집속시켜 상기 멤스 스캐너(300)로 주사한다.

이 때, 도시된 바와 같이 상기 가변초점렌즈(200)와 상기 멤스 스캐너(300)가 일렬로 위치하지 않는 경우, 본 실시예에서는 상기 가변초점렌즈(200)에서 주사한 광을 정밀하게 상기 멤스 스캐너(300)로 입사시키기 위해, 초점제어거울(focus contor mirror, 250)이 추가로 배치될 수 있다.

즉, 상기 초점제어거울(250)은 상기 가변초점렌즈(200)에서 집속된 광이 진행하는 방향에 위치하여 상기 집속된 광을 반사시킴으로써 상기 집속된 광을 상기 멤스 스캐너(300)내의 반사경에 전달하도록 할 수 있다.

상기 광원부(100)로부터 조사된 여기광은 상기 바이오칩(500)의 반응 챔버들(550)에 함유된 시료로 인가되고, 상기 시료에 포함된 형광 표지로부터 방사되는 상기 형광 검출부(700)로 방사광의 존재 또는 패턴을 검사한다.

상기 바이오칩(500)은 주입된 시료 및 시약을 이용하여 일련의 생화학적 반응을 수행한다. 상기 시료는 다양한 형태일 수 있고, 예컨대 핵산 또는 단백질일 수 있다. 상기 핵산은 DNA, RNA, PNA, LNA 및 그 혼성체로 이루어진 군에서 선택될 수 있고, 상기 단백질은 효소, 기질, 항원, 항체, 리간드, 압타머 및 수용체로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

보다 구체적으로, 도 2를 참조하면, 상기 바이오칩은 인렛(Inlet)부(510), 혼합 채널(520), 혼합 챔버(530), 이동 채널(540), 복수의 반응 챔버들(550) 및 아웃렛(Outlet)부(560)를 포함한다.

상기 인렛부(510)로 특정 세균 등에 각각 반응하는 복수의 시약들이 각각 주입된다. 이 경우, 상기 인렛부(510)로 주입되는 시약들은 시료와 혼합된 상태에서 주입될 수 있으며, 도시하지 않았으나, 상기 인렛부(510)의 근처에 상기 시약들을 유입시키기 위한 마이크로펌프를 추가로 구비할 수도 있다.

물론, 상기 시약들과 시료가 혼합된 상태로 주입되더라도, 서로간의 충분한 혼합은 수행되지 않은 상태이므로, 상기 혼합 채널(520) 및 상기 혼합 챔버(530)를 거치면서 서로 혼합되어야 한다.

이와 달리, 상기 인렛부(510)는 시료가 주입되는 부분과 시약들이 주입되는 부분이 서로 구분될 수도 있으며, 이렇게 서로 구분된 시약들과 시료는 상기 혼합 채널(520) 및 상기 혼합 챔버(530)를 거치면서 서로 혼합된다.

상기 주입된 시약들 및 시료는 상기 혼합 채널(520)을 통해 이동하며 서로 1차적으로 혼합된다. 이 경우, 상기 시약들과 상기 시료와의 혼합을 용이하게 하기 위해 상기 혼합 채널(520)은 미엔더(meander) 구조로 구성된다.

이 후, 상기 혼합 채널(520)을 통해 흐른 상기 시약들 및 시료는 상기 혼합 챔버(530)에 수용되어 상기 혼합 챔버(530)의 내부에 설치된 별도의 믹서 장치(미도시)에 의해 서로 2차적으로 혼합된다.

그 다음, 상기 시약들은 상기 시료와 충분히 혼합된 상태로 상기 혼합 챔버(530)로부터 상기 이동 채널(540)을 따라 이동한다. 상기 이동 채널(540)은 상기 서로 혼합된 시료 및 시약을 수용하고 상기 시료에 포함된 세균들을 증폭하면서 생화학적 반응의 결과를 확인할 수 있는 복수의 반응 챔버들(550)과 유체 연결된 채널이다.

즉, 상기 반응 챔버들(550)은, 상기 시약과 혼합된 상기 시료에 포함된 세균들을 증폭시킴으로써 상기 시약에 의한 반응성을 향상시키고, 이렇게 반응된 결과를 외부로부터 확인할 수 있도록 하는 장소를 제공하는 것으로, 도시된 바와 같이 상기 이동 채널(540)과 연결되어 상기 이동 채널(540)을 따라 이동하는 시약 및 시료가 이동되어 저장될 수 있는 복수의 공간들을 형성한다.

상기 반응 챔버들(550)은, 도시된 바와 같이, 하나의 이동 채널(540)로부터 분기된 복수의 공간들이 형성되며, 이러한 공간들은 상기 이동 채널(540)의 연장 방향을 따라 상기 이동 채널(540)의 양 쪽으로 각각 분기되어 형성될 수 있다.

그리하여, 상기 반응 챔버들이 형성하는 공간들은, 상기 멤스 스캐너(300)를 통해 입사되는 면광에 대응하도록 전체적으로 넓은 면적을 형성하며, 이에 따라, 면광을 통해 한번에 많은 면적에서 반응된 시약에 대한 검출을 수행할 수 있다.

즉, 상기 시약 및 시료는 상기 반응 챔버들(550) 상에 위치하며, 세균과 같은 타겟 물질은 증폭되고, 이렇게 증폭되어 시약과 반응한 결과를 외부로부터 보다 용이하게 확인할 수 있게 된다.

예컨대, 상기 반응 챔버들(550)은 상기 시료 내의 타겟 물질의 존재를 검출하기 위하여, 양성 반응을 검출하는 챔버, 음성 반응을 검출하는 챔버, 시료에 대한 반응을 검출하는 챔버로 구성될 수 있다.

상기 반응 챔버들(550) 내에서 PCR(polymerase chain reaction)이 수행될 수 있다. 즉, 상기 시약들에 포함된 상기 시료는 상기 이동 채널(540)을 통과하면서 소정의 온도 사이클을 갖도록 제어되거나 일정한 온도로 유지되도록 하여 증폭된다. 그에 따라, 상기 시료에 포함된 세균 등의 타겟 물질들은 핵산 증폭 기반 기술의 PCR(polymerase chain reaction) 등에 의하여 증폭될 수 있다.

그리하여, 상기 시료와 혼합된 시약들과의 반응성이 향상될 수 있으며, 이를 통해 외부, 본 실시예에서는 광학에 의해 시약에 의한 반응 결과를 보다 용이하게 확인할 수 있다.

나아가, 본 실시예에서의 상기 바이오칩(550)은 도시하지 않았으나, 검체로부터 시료를 준비하기 위한 준비 챔버, 시료의 분석에 필요한 효소 또는 버퍼 용액을 저장하는 액체 저장 챔버, 또는 다른 챔버의 세정 공정에 필요한 세정 용액을 저장하기 위한 세정 챔버를 더 포함할 수 있다.

즉, 상기 시료의 경우, 시약과 혼합되기 전에 별도의 세정 등의 공정이 필요하며, 본 실시예에서는 상기 세정 등의 공정이 수행되어 반응에 불필요한 물질들은 제거된 상태의 시료가 유입되는 것으로 설명하였다.

상기 온도 제어부(600)는 상기 반응 챔버들(550)의 온도를 제어하도록 상기 반응 챔버들(550)의 하부에 배치된다.

상기 온도 제어부(600)는 예를 들어 펠티에(Peltier) 소자로 구현될 수 있다. 상기 펠티어 소자는 펠티에 효과를 이용한 전기/열 변환 소자로서, 두 종류의 금속을 접속하여 전류를 인가할 대 두 금속의 접합부에서 열이 발생하거나 열이 흡수되는 열전현상을 이용한 소자이다. 그러므로, 상기 온도 제어부(600)에 전류를 인가함으로써 상기 반응 챔버들(550)의 온도가 상승하게 하거나 하강하게 하여 상기 반응 챔버들의 온도를 제어할 수 있다.

이와 달리, 상기 온도 제어부(600)는 투명한 소재로 이루어져 상기 반응 챔버들(550)의 표면에 배치되어 상기 반응 챔버들(550)의 온도를 제어하는 전극과 전극에 대한 전류의 인가를 제어하는 제어기를 포함할 수 있으며, 상기 전극은 전기 배선에 의해 제어기와 전기적으로 연결된다. 이 경우, 상기 전극은 탄소나노튜브(CNT : caborn nano tube)나 ITO(indium tin oxide) 필름과 같은 투명한 소재로 구성될 수 있다.

나아가, 상기 온도 제어부(600)는 온도 센서를 더 포함할 수 있으며, 상기 온도 센서의 감지 신호에 기초해 상기 반응 챔버들(550)의 온도를 제어할 수 있다.

한편, 상기 시료를 증폭시키기 위해 상기 반응 챔버들(550)의 온도 조건을 제어함과 동시에 상기 형광 검출부(700)를 통해 상기 반응 챔버들(550)에 광을 조사하여 발생하는 형광을 검출하여 시료의 증폭 정도를 실시간으로 모니터링 할 수 있다.

상기 형광 검출부(700)는 상기 증폭된 시료와 상기 시약이 혼합되어 위치하는 상기 반응 챔버들(550)로부터 반사되어 발생하는 발생 형광(emission light)을 실시간을 검출할 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 상기 광원부(100)로부터 발생된 특정 파장의 레이저 광이 상기 멤스 스캐너(300) 및 상기 스캐닝 렌즈(400)를 통해 상기 바이오 칩(500)의 반응 챔버들(550)로 제공되면, 상기 반응 챔버들(550)에서, 증폭된 시료와 반응하는 시약이 존재하는 경우 해당 시약과 시료와의 반응에 따라 형광이 발생하게 되며, 이는 상기 형광 검출부(700)에 의해 검출되게 된다.

그리하여, 상기 형광 검출부(700)에서 검출되는 형광의 종류에 따라 상기 시료와 반응한 시약을 확인할 수 있으며, 이에 따라 해당 시약에 반응한 세균 등의 타겟 물질의 종류를 파악할 수 있게 된다. 또한, 상기 형광 검출부(700)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 시료에 조사되는 여기 광선과 그로부터 발생하는 상기 발생 형광의 광 경로가 소정 각도, 예를 들어 직각을 이루도록 배치될 수 있다.

그리하여, 상기 멤스 스캐너(300)를 통해 인가되는 여기 광선이 상기 반응 챔버들(550)에 의해 반사되어 발생되는 형광을 보다 정확한 위치에서 검출할 수 있게 된다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 현장진단용 형광검출장치를 도시한 구성도이다.

본 실시예에 의한 형광검출장치(20)는 상기 온도 제어부(600)가 제1 및 제2 온도 제어부들(610, 620), 및 제2 이송스테이지(650)를 포함하는 것을 제외하고는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 현장진단용 형광검출장치(10)와 실질적으로 동일하므로 동일한 참조번호를 사용하고 중복되는 설명은 생략한다.

도 3에 도시된 바와 같이 상기 가변초점렌즈(200)와 상기 멤스 스캐너(300)가 일렬로 위치하는 경우, 상기 가변초점렌즈(200)를 투과한 광이 바로 상기 멤스 스캐너(300)로 입사될 수 있으므로 앞서 설명한 상기 초점제어거울(250)을 제외할 수 있다.

한편, 본 실시예에서 상기 온도 제어부(600)는 상기 반응 챔버들(550)의 온도를 제어하도록 제1 및 제2 온도 제어부들(610, 620), 및 제2 이송 스테이지(650)을 포함한다. 이 경우, 상기 제1 온도 제어부(610)는 상기 반응 챔버들의(550) 온도를 제1 온도 또는 제1 온도 범위로 상승시킬 수 있고, 상기 제2 온도 제어부(620)는 상기 반응 챔버들(550)의 온도를 제2 온도 또는 제2 온도 범위로 상승시킬 수 있다.

이 경우, 상기 제1 및 제2 온도 제어부들(610, 620)은 선택적으로 상기 반응 챔버들(550)의 하부에 위치할 수 있으며, 이를 위해, 상기 제1 및 제2 온도 제어부들(610, 620)은 제2 이송 스테이지(650)에 의해서 서로 위치가 전환된다.

즉, 상기 제1 및 제2 온도 제어부들(610, 620)은 상기 제2 이송 스테이지(650)에 의한 위치 전환을 통해 상기 제1 및 제2 온도 제어부(610, 620)들 중 어느 하나를 선택하여 상기 반응 챔버들(550)의 하부에 위치시켜 상기 반응 챔버들(550)을 가열할 수 있고, 이에 따라 상기 반응 챔버들(550) 내에서 상기 시료들의 증폭 및 반응의 진행에 적합한 온도로 상승시킬 수 있다.

즉, 상기 시료들이 포함하는 세균 등의 타겟 물질은 다양할 수 있으며, 이에 따라 증폭을 위한 최적의 온도는 서로 다를 수 있다. 이에 따라, 본 실시예에서와 같이 상기 제1 및 제2 온도 제어부들(610, 620)을 선택적으로 제공하여 상기 반응 챔버들(550)을 서로 다른 온도로 가열할 수 있도록 함으로써, 증폭을 위한 최적의 온도에 부합한 온도를 제공하여 보다 효과적으로 상기 시료에 대한 증폭을 수행할 수 있다.

이 경우, 상기 제1 및 제2 온도 제어부들(610, 620)에 의해 제공되는 온도인 제1 온도 및 제2 온도는 서로 다를 수 있으며, 이와 달리, 제1 온도 제어부(610)에 의해 제공되는 제1 온도의 범위와 상기 제2 온도 제어부(620)에 의해 제공되는 제2 온도의 범위가 서로 다를 수도 있다.

나아가, 3개 이상의 서로 다른 온도, 또는 서로 다른 온도 범위로 가열을 수행할 수 있도록 3개 이상의 온도 제어부들이 구비되어, 상기 제2 이송 스테이지(650)에 의해 이송되어 선택될 수도 있다.

본 실시예들에 의하면, 전력소비가 적은 가변초점렌즈 및 맴스 스캐너를 적용하고, 소량의 시약을 사용하는 마이크로플루이딕 바이오칩을 구성함에 따라, 현장진단에 적합한 소형의 검출 장치의 제공이 가능하다.

또한, 가변초점렌즈를 사용함으로 시료표면에 입사되는 광 초점 거리를 조정이 가능하며, 시료표면에는 높은 광세기를 가지는 집속광의 제공이 가능하다.

또한, 집속된 광원이 멤스 스캐너에 의해 고르게 조사됨으로써, 시료 전체 표면에 걸쳐 여기되는 광세기가 높아지는 장점이 있으며, 이에 따라 광 도파로의 기능을 하는 기구 없이 집속 광의 제공이 가능하다.

또한, 적은 시약량을 사용하는 마이크로플루이딕 바이오칩을 통해 열전달 효율을 극대화 하여, 중합요소 연쇄반응(PCR)의 극대화 및 시간의 단축 효과를 얻을 수 있다.

이 경우, 면광원으로 제공되는 광원에 의해 보다 넓은 면적에서 타겟 물질에 대한 검출을 수행하기 위해 반응 챔버들은 복수개의 공간들이 넓게 형성될 수 있으며, 이를 통해 다양한 시료에 의한 반응을 상대적으로 빠르고 용이하게 검출할 수 있다.

또한, 시료에 따른 증폭 온도의 상이함을 고려하여, 서로 다른 온도 또는 서로 다른 온도 범위로 가열을 수행하는 복수의 온도 제어부들을 구비함으로써, 최적의 증폭 조건을 제공할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100 : 광원부 200 : 가변초점렌즈
300 : 멤스 스캐너 400 : 스캐닝 렌즈
500 : 바이오칩 600 : 온도제어부
700 : 형광 검출부

Claims (12)

1. 광을 조사하는 광원부;
   상기 광원부로부터 조사되는 광을 집속하는 가변초점렌즈;
   상기 가변초점렌즈에서 집속된 광을 면광으로 전환하는 멤스 스캐너(mems scanner);
   시약과 혼합된 시료가 증폭되며, 상기 멤스 스캐너를 통해 입사된 면광이 입사되는 바이오칩; 및
   상기 시료의 타겟 물질이 상기 시약과 반응함에 따라, 상기 바이오칩으로부터 반사되는 형광을 검출하는 광 검출부를 포함하는 형광검출장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 광원부는,
   서로 다른 파장의 레이저 광을 조사하는 복수의 레이저들; 및
   상기 레이저들을 상기 가변초점렌즈에 선택적으로 정렬시키는 제1 이송 스테이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 형광검출장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 가변초점렌즈에서 집속된 광이 진행하는 방향에 위치하며, 상기 집속된 광을 반사시켜 상기 멤스 스캐너로 전달하는 초점제어거울을 더 포함하는 형광검출장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 멤스 스캐너로부터 입사된 면광을 평행광으로 변환 및 확산시켜 상기 바이오칩으로 제공하는 스캐닝 렌즈를 더 포함하는 형광검출장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 바이오칩의 온도를 가열하여 상기 바이오칩 내의 상기 시료를 증폭시키는 온도제어부를 더 포함하는 형광검출장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 온도 제어부는,
   상기 바이오칩을 서로 다른 온도 또는 서로 다른 온도 범위로 각각 가열하는 복수의 온도 제어부들을 포함하는 것을 특징으로 하는 형광검출장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 온도 제어부는,
   상기 온도 제어부들을 이동시켜, 상기 바이오칩의 하부에 선택적으로 위시키는 제2 이송스테이지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 형광검출장치.
8. 제5항에 있어서, 상기 온도 제어부는,
   전류가 인가되면 열을 발생하는 팰티에 소자 또는 투명 소재의 ITO(Indium Tin Oxide)를 포함하는 것을 특징으로 하는 형광검출장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 멤스 스캐너는,
   회전을 통해 입사되는 광의 반사각도를 변화시키면서 상기 입사되는 광을 상기 스캐닝 렌즈의 전면적으로 반사시키는 면광으로 변환하는 것을 특징으로 하는 형광검출장치.
10. 제1항에 있어서, 상기 바이오칩은,
    시료와 혼합된 복수의 시약들을 각각 주입시키기 위한 인렛(Inltet)부;
    상기 인렛부를 통해 주입된 상기 시료와 시약들이 혼합되는 혼합 채널;
    상기 혼합 채널과 연결되어 상기 시료와 시약들을 추가로 혼합시키는 혼합 챔버;
    상기 혼합 챔버에서 혼합된 상기 시료 및 시약들이 이동하는 이동 채널;
    상기 이동 채널로부터 분기되어 혼합된 상기 시료 및 시약들이 반응하는 복수의 반응 챔버들; 및
    상기 반응 챔버들에서 반응된 상기 시료 및 시약을 배출하는 아웃렛(Outlet)부를 포함하는 것을 특징으로 하는 형광검출장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 반응 챔버들은,
    상기 이동 채널로부터 분기된 복수의 공간들을 형성하며, 상기 공간들은 멤스 스캐너로부터 입사되는 면광에 대응되는 면적을 형성하는 것을 특징으로 하는 형광검출장치.
12. 제10항에 있어서, 상기 시약들은,
    상기 반응 챔버들에 위치하면서 상기 시료의 증폭된 타겟 물질과 형광 반응을 수행하는 것을 특징으로 하는 형광검출장치.

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