KR20190136650A - 바이오센서용 형광 광학 장치 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

일 실시 예에 따라, 형광 시료에 대한 측정 정보를 획득하는 바이오센서용 형광 광학 장치; 및 측정 정보와 형광 시료에 대한 관련 정보를 매칭하여 전송하는 서버;를 포함하는 시스템이 개시된다.

Description

바이오센서용 형광 광학 장치 및 시스템{FLUORESCENCE OPTICAL APPRATUS AND SYSTEM FOR BIOSENSOR}
본 개시는 형광을 통해, 바이오 물질을 검출하는 바이오센서용 형광 광학 장치 및 시스템에 관한 것이다.
개인 맞춤형 의료(Point of Care) 시대가 도래함에 따라 유전자 분석 및 체외 진단, 그리고 유전자 염기 서열 분석 등의 중요성이 부각되고 있으며, 또한 그에 대한 수요가 점차 증가하고 있다.
이에 따라, 적은 양의 샘플로도 빠른 시간 내에 많은 양의 검사를 수행할 수 있는 시스템이 개발 및 출시되고 있다. 또한, 이러한 시스템을 구현하기 위하여, 미세유체칩(microfluidics)이나 랩온어칩(Lab on a Chip)과 같은 미세 유체 소자가 주목을 받고 있다.
복수의 미세 유로와 미세 챔버를 포함하는 미세 유체 소자는 미량의 유체(예를 들어, 수 nl ~ 수 ml)를 제어하고 조작이 가능하도록 설계된 것이 특징이다. 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, 실시간 PCR(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.
한편, 형광 검출 광학계의 광원으로서 LED를 사용할 경우, 여기광의 면적은 LED의 크기와 모양에 의해 한정된다. 즉, 형광 염료가 여기되는 면적은 LED의 크기와 모양에 의해 한정된다. 그런데, LED에 의한 여기광의 면적이 측정시료의 미세 챔버의 면적보다 작게 형성될 수도 있다. 이는, 특히 빠른 측정이 요구되는 경우에 측정의 정확도를 저하시킬 수 있다. 이에 대한 해결책으로서, LED의 크기를 크게 하거나 또는 LED의 개수를 증가시킬 수 있다.
그러나, LED의 크기가 커지거나 LED의 개수가 증가하면, 전체 광학계가 커져서 전체 검출 시스템이 커지게 되며, 또한 LED에 의한 발열 문제도 고려하여야 한다. 또한, 원 또는 정사각형 형태의 여기광의 면적을 단순히 증가시키는 경우, 측정하고자 하는 측정시료에 인접한 다른 측정시료에 의한 간섭이 발생할 수도 있다.
또한, 최근 데이터 처리 기술이 발달하면서, 그와 같은 데이터 처리 기술을 광학 시스템에 접목시킬 필요성이 증대되고 있다.
본 개시는 바이오센서용 형광 광학 장치 및 시스템 또는 바이오센서용 형광 측정 방법에 대해 개시한다. 구체적으로 본 개시는 측정 정보와 관련 정보를 함께 이용하는 방법, 장치 및 시스템을 제공할 수 있다. 해결하려는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
본 개시의 제 1 측면에 따른 바이오센서용 형광 광학 시스템은 기설정된 영역에 형광 시료를 위치시키는 측정부; 주기적으로 온 오프하는 방식으로 상기 형광 시료에 출력 광을 출력하는 광원; 상기 출력 광을 수신한 상기 형광 시료로부터 발산되는 측정 광을 시간의 흐름에 따라 연속적으로 획득하여 전기 신호로 출력하는 포토디텍터; 및 상기 광원으로부터 상기 출력 광이 오프된 이후 상기 포토디텍터로부터 획득되는 전기 신호를 이용하여 시간의 흐름에 따라 상기 형광 시료에 대한 측정 정보를 획득하는 프로세서;를 포함하는 바이오센서용 형광 광학 장치; 및 상기 측정 정보 및 상기 형광 시료에 대한 관련 정보를 매칭하여 전송하는 서버;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 측정부 또는 상기 포토디텍터는 기설정된 속도로 이동하고, 상기 포토디텍터는 시간의 흐름에 따라 변화하는 측정 위치에 대한 상기 측정 광을 연속적으로 획득하여 상기 전기 신호로 출력할 수 있다.
또한, 상기 측정 정보는 상기 형광 시료 내의 형광 물질의 분포에 대한 정보를 포함할 수 있다.
또한, 상기 형광 시료에 포함된 형광 물질은 바이오마커의 기능을 수행할 수 있다.
또한, 상기 서버는 상기 측정 정보 및 상기 형광 시료에 대한 관련 정보를 매칭하여 획득된 통계 정보를 웹브라우저를 통해 디스플레이할 수 있다.
또한, 상기 관련 정보는 상기 측정 정보를 획득한 시점 정보, 상기 바이오센서용 형광 광학 장치의 위치 정보, 상기 측정 정보에 기초하여 결정되는 검사 결과 정보 및 검사자 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는 상기 광원으로부터 상기 출력 광이 오프되고 기설정된 기간이 경과된 이후 획득되는 상기 측정 광을 이용해서 상기 측정 정보를 획득할 수 있다.
또한, 상기 기설정된 기간은 상기 형광 시료의 형광 수명보다 짧을 수 있다.
또한, 상기 프로세서는 상기 형광 시료로부터 획득되는 형광 신호의 세기를 획득하고, 상기 형광 신호의 세기에 기초하여 바이오마커의 농도를 정량적으로 분석할 수 있다.
또한, 본 개시의 제 2 측면에 따른 바이오센서용 형광 광학 장치는 기설정된 속도로 이동하고, 기설정된 영역에 형광 시료를 위치시키는 측정부; 주기적으로 온 오프하는 방식으로 상기 형광 시료에 출력 광을 출력하는 광원; 상기 출력 광을 수신한 상기 형광 시료로부터 발산되는 측정 광을 시간의 흐름에 따라 연속적으로 획득하여 전기 신호로 출력하는 포토디텍터; 및 상기 광원으로부터 상기 출력 광이 출력되는 동안 상기 포토디텍터로부터 획득되는 제 1 전기 신호에 기초하여 상기 광원의 상태 정보를 획득하고, 상기 광원으로부터 상기 출력 광이 오프된 이후 상기 포토디텍터로부터 획득되는 제 2 전기 신호에 기초하여 시간의 흐름에 따라 상기 형광 시료에 포함되는 형광 물질의 분포 정보를 획득하는 프로세서;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는 상기 분포 정보 및 상기 형광 시료에 대한 관련 정보를 매칭하여 출력하고, 상기 관련 정보는 상기 분포 정보를 획득한 시점 정보, 상기 바이오센서용 형광 광학 장치의 위치 정보, 상기 분포 정보에 기초하여 결정되는 검사 결과 정보 및 검사자 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 본 개시의 제 3 측면에 따른 바이오센서용 형광 측정 방법은 광원으로부터 주기적으로 온 오프하는 방식으로 출력되는 출력 광을 형광 시료에 인가하는 단계; 상기 출력 광을 수신한 상기 형광 시료로부터 발산되는 측정 광을 기설정된 속도로 이동하는 포토디텍터를 이용해서 시간의 흐름에 따라 연속적으로 획득하여 전기 신호로 변환하는 단계; 상기 광원으로부터 상기 출력 광이 출력되는 동안 획득되는 제 1 전기 신호에 기초하여 상기 광원의 상태 정보를 획득하는 단계; 및 상기 광원으로부터 상기 출력 광이 오프된 이후 획득되는 제 2 전기 신호에 기초하여 시간의 흐름에 따라 상기 형광 시료에 포함되는 형광 물질의 분포 정보를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 개시의 제 4 측면 제 3 측면의 방법을 구현하기 위하여 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램을 제공할 수 있다.
본 개시는 바이오센서용 형광 광학 장치 및 시스템 또는 바이오센서용 형광 측정 방법을 제공한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광 광학 장치의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시 에에 따른 바이오센서용 형광 광학 장치의 구성의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광 광학 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광 광학 시스템의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광 광학 장치의 회로적 구성을 나타내는 블록도이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광 광학 장치의 시분할 제어 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광 광학 장치가 동기화되어 동작하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광 광학 장치가 형광 물질의 분포에 대한 정보를 획득하는 일 예를 나타내는 도면이다.
도 9는 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광 광학 시스템이 측정 정보 및 형광 시료에 대한 관련 정보를 매칭하여 적응적으로 처리하거나, 복수의 디바이스에서 디스플레이하는 일 예를 나타내는 도면이다.
도 10은 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광 광학 시스템이 측정 정보 및 형광 시료에 대한 관련 정보를 매칭하여 디스플레이하는 일 예를 나타내는 도면이다.
도 11은 일 실시 예에 따른 포토다이오드의 관련 회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 일 실시 예에 따른 광원의 측정 결과의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 13은 일 실시 예에 따라 측정된 광원 안정성을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 일 실시 예에 따라 복수의 세기에 대해서 측정된 광원 안정성을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광 광학 장치가 측정 대상 시료(예: 형광 시료)에 포함되는 형광 물질에 대한 정보(예: 형광 물질의 분포 정보)를 획득하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
실시 예들에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 “…부”, “…모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광 광학 장치(100)의 일 예를 나타내는 도면이다.
바이오센서용 형광 광학 장치(100)는, TRF(time-resolved fluorescence) 형광 측정을 수행할 수 있다. 바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 형광수명이 길고 출력광(예: 여기광)과 형광 파장의 차이(stokes shift)가 큰 형광물질(예: Europium)을 이용하여 면역반응에 적용할 때 고감도의 면역진단 바이오센서 구현을 가능하게 하는 TRF 형광 검출을 수행할 수 있다.
바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 광원(예: LED)과 광검출기(예: 포토디텍터)를 제어 하는 프로세서, 측정 대상 시료(예: 형광 시료) 및/또는 광원을 움직여 측정 위치를 잡아주거나 이동하는 구동부, 시료를 위치시키는 측정부(예: 스테이지), 바이오센서용 형광 광학 장치(100)의 하우징케이스 및 측정 조건의 사용자 입력, 측정 결과의 저장 및 처리와 측정 결과 디스플레이 등의 기능을 수행하는 바이오센서용 형광 광학 장치(100)의 제어를 위한 사용자 인터페이스(GUI) 등을 포함할 수 있다.
그러나, 도 1에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 바이오센서용 형광 광학 장치(100)에 더 포함될 수 있음을 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다. 또는 다른 실시 예에 따를 경우, 도 1에 도시된 구성요소들 중 일부 구성요소는 생략될 수 있음을 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
예를 들면, 도 1에서는 광검출기(예: 포토디텍터) 및 측정부가 생략되어 도시되어 있으나, 실시 예에 따라 측정부는 바이오센서용 형광 광학 장치(100)의 일 구성으로 포함될 수 있다.
형광 시료는 측정 대상 시료의 일 예이다. 측정 대상 시료가 형광 물질을 포함하고 있는 경우, 바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 측정 대상 시료에 포함되는 형광 물질을 측정할 수 있다. 예를 들면, 바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 측정 대상 시료로부터 측정 광을 획득하고, 측정 광의 세기를 이용해서 측정 대상 시료에 포함되는 형광 물질에 대한 정보(예: 분포 정보, 정량 정보 등)를 획득할 수 있다.
도 2는 일 실시 에에 따른 바이오센서용 형광 광학 장치(100)의 구성의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 포토디텍터(120), 핀홀(210), 디텍터 렌즈(220), 형광 필터(bandpass filter)(230), 빔 스플리터(Beam Splitter, Beam combiner)(240), 대물 렌즈(Objective Lens)(250), 윈도우(Window)(260), 컨덴서 렌즈(Condenser Lens)(270), 광원(예: 340nm LED, 365nm LED 등)(280), 포토다이오드(290), 측정부(110) 등을 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 구성들은 도 1에 도시된 바이오센서용 형광 광학 장치(100)의 일 구성으로 이용될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 광원(280)과 렌즈, 필터 등을 포함할 수 있고, 핀홀(210)은 배경광 잡음을 제거할 수 있다.
일 실시 예에 따른 포토다이오드(290)는 광원(280)의 세기를 모니터링하기 위해 이용될 수 있으며, 광패스 상에 윈도우(Window)(260)를 두어 바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 포토다이오드(290) 위치로 일부 광원이 송신되도록 동작할 수 있다.
일 실시 예에 따라 바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 빔 스플리터(240)의 반대쪽에 포토다이오드(290)를 구성하여, 빔 스플리터(240)를 투과한 광원의 세기를 모니터링할 수 있다.
도 3은 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광 광학 장치(100)의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 형광 시료가 위치하는 측정부 또는 포토디텍터의 위치를 제어함으로써, 형광 시료상의 측정 위치를 제어할 수 있다. 포토디텍터는 측정 광을 시간의 흐름에 따라 연속적으로 획득하여 전기 신호로 출력할 수 있다.
도 3을 참조하면, x축, y축, z축으로 형광 시료상의 측정 위치를 제어할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 측정 위치의 제어는 직교좌표계(카테시안 좌표계) 외에도 다른 좌표계가 이용될 수 있다. 예를 들면, 바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 극좌표계, 구면좌표계 등에 따라 측정 위치를 제어할 수 있다.
도 4는 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광 광학 시스템(400)의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 4를 참조하면, 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광 광학 시스템(400)은 바이오센서용 형광 광학 장치(100) 및 서버(200)를 포함할 수 있다. 바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 시분할 형광 측정을 통해 고감도의 면역 진단 결과를 도출할 수 있다.
바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 시료(예: 형광 시료)를 올려두는 측정부(예: 스테이지)와 TRF 형광을 측정하기 위한 광원(예: UV 광원)과 광학계 및 포토디텍터로 구성되는 형광 측정기구부와 광원과 형광 측정을 동기화하여 TRF 측정이 이루어지도록 하는 제어회로를 포함할 수 있다. 또한, 바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 측정 결과를 유무선통신으로 서버(200)에 전달할 수 있다. 또한, 바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 측정 결과를 저장하고 해석하는 IoT 시스템을 포함할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 광원(105), 측정부(110), 포토디텍터(120) 및 프로세서(130)를 포함할 수 있다.
그러나, 도 4에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 바이오센서용 형광 광학 장치(100)에 더 포함될 수 있음을 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다. 또는 다른 실시 예에 따를 경우, 도 4에 도시된 구성요소들 중 일부 구성요소는 생략될 수 있음을 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
일 실시 예에 따른 광원(105)은 측정부(110)를 향해 출력 광을 출력할 수 있다. 광은 기설정된 종류의 광일 수 있다. 예를 들면, 광은 적외선, 가시광선 자외선 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 광원(105)에서 조사되는 광의 특성은 기설정될 수 있다. 예를 들면, 광원(105)는 기설정된 주파수의 기설정된 세기의 광을 측정부(110)에 조사할 수 있다. 사용자 조작 또는 자동적으로 광원(105)에서 출력되는 출력 광의 특성은 제어될 수 있다. 예를 들면, 출력 광의 세기가 사용자의 제어에 따라 결정될 수 있다.
광원(105)는 주기적으로 온 오프하는 방식으로 측정부(110)를 향해 출력 광을 출력할 수 있다. 예를 들면, 광원(105)은 제 1 구간에서는 온, 제 2 구간에서는 시간의 흐름에 따라 광의 세기가 작아지도록 출력 광을 출력할 수 있다. 또한, 광원(105)은 제 1 구간과 제 2 구간에서의 동작을 주기적으로 반복할 수 있다.
일 실시 예에 따른 측정부(110)는 형광 시료가 위치할 수 있다. 바이오센서용 형광 광학 장치(100)에 포함되는 스테이지상의 일부 영역이 측정부(110)로 이용될 수 있다. 측정부(110)는 기설정된 속도로 이동할 수 있다. 측정부(110)가 이동하면, 포토디텍터(120)가 측정하는 형광 시료상의 측정 위치가 변경될 수 있다.
일 실시 예에 따른 포토디텍터(120)는 광원(105)로부터 출력 광을 수신한 형광 시료로부터 발산되는 측정 광을 시간의 흐름에 따라 연속적으로 획득하여 전기 신호로 출력할 수 있다. 포토디텍터(120)는 기설정된 속도로 이동할 수 있다. 포토디텍터(120)가 이동하면, 포토디텍터(120)가 측정하는 형광 시료상의 측정 위치가 변경될 수 있다.
측정부(110) 또는 포토디텍터(120)가 움직임에 따라, 측정하는 형광 시료상의 측정 위치가 변경될 수 있다. 예를 들면, 측정부(110) 또는 포토디텍터(120)가 움직임에 따라 포토디텍터(120)에 의한 측정 위치가 10um/1ms로 이동할 수 있다. 측정 위치가 이동됨에 따라, 포토디텍터(120)는 측정 위치의 변화에 따라 갱신되는 측정 광을 획득할 수 있다. 포토디텍터(120)는 시간의 흐름에 따라 변화하는 측정 위치에 대한 측정 광을 연속적으로 획득하여 전기 신호로 출력할 수 있다.
일 실시 예에 따른 프로세서(130)는 광원으로부터 출력 광이 오프된 이후 포토디텍터로부터 획득되는 전기 신호를 이용하여 시간의 흐름에 따라 형광 시료에 대한 측정 정보를 획득할 수 있다. 측정 위치가 시간의 흐름에 따라 변하는 경우, 측정 정보는 형광 시료 내의 형광 물질의 분포에 대한 정보를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 프로세서(130)는 광원(105)으로부터 출력 광이 오프되고 기설정된 기간이 경과된 이후 획득되는 측정 광을 이용해서 측정 정보를 획득할 수 있다. 광원(105)이 오프된 이후 기설정된 기간이 경과하는 동안, 형광 수명이 짧은 물질들에 의해 발산되는 광에 의한 노이즈가 감소 또는 제거될 수 있다. 프로세서(130)는 광원(105)으로부터 출력 광이 오프되고 기설정된 기간이 경과된 이후 획득되는 측정 광을 이용함으로써, 정확한 측정 정보를 획득할 수 있다. 여기서, 기설정된 기간은 형광 시료의 형광 수명보다 짧을 수 있다. 출력 광이 오프되고 형광 시료의 형광 수명보다 짧은 기간만큼 경과한 이후 획득되는 측정 광을 이용함으로써, 형광 시료로부터 획득되는 측정 광이 소멸하기 전에 측정 정보를 획득할 수 있다.
일 실시 예에 따른 프로세서(130)는 형광 시료로부터 획득되는 형광 신호의 세기를 획득하고, 형광 신호의 세기에 기초하여 바이오마커의 농도를 정량적으로 분석할 수 있다. 일 실시 예에 따른 프로세서(130)는 포토디텍터(120)로부터 획득한 정보에 기초하여, 검사 시료의 일 예인 형광 시료로부터 획득되는 형광 신호의 세기를 획득할 수 있다. 예를 들면, 프로세서(130)는 포토디텍터(120)로부터 수신되는 전기 신호에 기초하여, 검사 시료로부터 획득되는 형광 신호의 세기를 획득할 수 있다. 또한, 프로세서(130)는 형광 신호의 세기를 이용하여 바이오마커의 농도를 정량적으로 분석할 수 있다. 바이오마커는 몸 안의 변화 또는 상태를 알아낼 수 있는 지표의 일종으로서, 단백질이나 DNA, RNA(리복핵산), 대사 물질 등이 이용될 수 있다. 프로세서(130)는 형광 신호의 세기를 이용하여 바이오마커의 농도를 정량적으로 분석함으로써, 검사자의 각종 생체 정보를 획득할 수 있다.
일 실시 예에 따른 서버(200)는 측정 정보 및 형광 시료에 대한 관련 정보를 매칭하여 전송할 수 있다. 관련 정보는 형광 시료와 관련된 정보를 포괄적으로 의미할 수 있다. 예를 들면, 관련 정보는 측정 정보를 획득한 시점 정보, 바이오센서용 형광 광학 장치의 위치 정보, 측정 정보에 기초하여 결정되는 검사 결과 정보, 검사자 정보 등을 포함할 수 있으나 제한되지 않는다. 서버(200)는 측정 정보 및 형광 시료에 대한 관련 정보를 매칭하여 하나의 비트스트림을 생성하고, 생성된 비트스트림을 복수개의 디바이스(410, 420, 430)에 송신할 수 있다.
형광 시료에 포함된 형광 물질은 바이오마커의 기능을 수행할 수 있다. 따라서, 형광 시료로부터 획득한 측정 정보를 통해 여러 종류의 생체 정보를 획득할 수 있다.
도 5는 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광 광학 장치(100)의 회로적 구성을 나타내는 블록도이다.
바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 복수개의 구성을 포함할 수 있으며, 도 5에서는 바이오센서용 형광 광학 장치(100)가 포함할 수 있는 구성의 일 예를 도시한다.
예를 들면, 바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 측정부나 포토디텍터를 이동시키기위한 모터를 포함할 수 있으며, 모터를 구동하기 위한 모터 드라이버를 포함할 수 있다. 다른 예로, 바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 포터디텍터의 일 예로서, 포토다이오드를 포함할 수 있으며, 관련된 필터를 더 포함할 수 있다. 다른 예로, 바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 광원을 포함할 수 있으며, 광원의 일 예로, 자외선 LED가 이용될 수 있다. 다른 예로, 바이오센서용 형광 광학 장치(100)가 포함하는 프로세서로 MCU가 이용될 수 있으며, 관련된 소프트웨어가 이용될 수 있다.
도 6은 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광 광학 장치(100)의 시분할 제어 방식을 설명하기 위한 도면이다.
광원은 주기적으로 온 오프하는 방식으로 형광 시료를 향해 출력 광을 출력할 수 있다. 예를 들면, 광원은 제 1 주기(610) 및 제 2 주기(620)에서 형광 시료를 향해 출력 광을 출력할 수 있다.
광원은 제 1 구간(611)에서 온(on)되고, 제 2 구간(612) 및 제 3 구간(613)에서 오프(off)될 수 있다.
제 1 구간(611)이 종료되는 시점부터 형광 시료에서 발산되는 측정광의 세기가 감소할 수 있다. 제 2 구간(612) 동안에는 측정을 수행하지 않음으로써, 형광 수명이 짧은 물질들에 의해 발산되는 광에 의한 노이즈가 배제 또는 감소될 수 있다. 바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 제 3 구간(613) 동안에 측정을 수행하여 측정 정보를 획득할 수 있다. 형광 시료에 포함된 형광 물질은 바이오마커와 같은 역할을 수행하여, 각종 생체 정보를 획득할 수 있다.
또한, 바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 측정되는 기간(예: 제 3 구간(613))동안 측정 포토디텍터(120)가 측정하는 형광 시료상의 측정 위치를 변경함으로써, 형광 시료 내의 형광 물질의 분포에 대한 정보를 획득할 수 있다.
형광 물질은 수백 us의 형광 수명을 가지므로 수백 us까지 형광을 발산할 수 있으므로, 바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 제 3 구간(613)동안 형광 시료를 측정하여 측정 정보를 획득할 수 있다. 이때 포톤 카운팅(photon counting)이 가능한 광센서인 포토디텍터의 경우 1us 시간구간마다 측정되는 펄스의 수를 저장하여 1us 시간 분해능을 갖는 형광 수명 측정을 수행할 수 있다. 바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 형광을 측정하는 구간 전체의 포톤 카운팅 광센서 펄스 수 출력을 합산하여 1ms 시간 주기로 형광 값을 저장할 수 있다. 이 때 형광을 측정하고자 하는 시료의 위치를 측정부의 이동을 통해 이동시킴으로써 바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 형광 시료의 각 위치별 형광의 세기를 측정할 수 있다. 광원의 온/오프와 시간 간격에 맞춘 포톤 카운팅 센서의 광측정결과의 저장 및 측정부를 포함하는 스테이지 구동 동작을 동기화를 프로세서가 수행할 수 있으며, 본 실시 예가 도 7에 도시된다. 측정부를 포함하는 스테이지를 1초동안 10mm 움직이면 TRF 측정의 한주기인 1ms 동안 10um씩 stage가 이동하게 되고 이러한 측정 결과는 10mm 영역내 형광 시료의 분포를 출력할 수 있다. 또한 바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 스테이지 위치 이동없이 한 곳을 반복적으로 측정하여 반복 측정 결과값의 균일성(uniformity)이나 편차를 평가 도출할 수도 있다.
도 7은 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광 광학 장치(100)가 동기화되어 동작하는 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 측정부가 포함된 스테이지가 이동하여 측정 정보를 획득하는 경우에 대해 설명한다.
일 실시 예에 따라 광원은 자외선을 출력하고, 스테이지는 10um/ms의 속도로 이동할 수 있다. 또한 하나의 주기가 1ms일 수 있다. 이 경우, 1000번의 사이클이 진행되는 동안 1초의 시간이 경과할 수 있다.
형광을 측정하는 포토디텍터로 PMT(Photo Multiplier Tube)나 PT(Photo Diode)가 이용될 수 있다.
도 8은 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광 광학 장치(100)가 형광 물질의 분포에 대한 정보를 획득하는 일 예를 나타내는 도면이다.
예를 들면, 도 8은 LFA 형광 측정의 실시 예를 나타낼 수 있다.
바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 10mm 길이 내에 형광 물질 분포를 측정하여 출력할 수 있다. 형광의 세기에 따라 그래프의 y값의 크기가 다르며 x축은 시료 스테이지 이동에 의한 위치를 나타낼 수 있다.
도 9는 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광 광학 시스템(400)이 측정 정보 및 형광 시료에 대한 관련 정보를 매칭하여 적응적으로 처리하거나, 복수의 디바이스(910, 920, 930)에서 디스플레이하는 일 예를 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 바이오센서용 형광 광학 시스템(400)의 LIS(lab. information system) 웹서버가 연동하는 예가 도시된다.
바이오센서용 형광 광학 시스템(400)에서 TRF 측정 결과를 모바일기기 앱을 통해 서버에 전송하고 저장하며, 웹페이지를 통해 열람할 수 있도록 할 수 있다. 모바일기기는 자체내에 GPS정보 등을 측정데이터와 함께 전송할 수 있으므로 검사가 이루어진 지리적 위치, 시간, 검사결과, 검사자 정보등을 함께 저장 관리할 수 있어서 측정 정보 및 관련 정보는 전염병 관리나 헬스케어 관리 등에 유용하게 활용될 수 있다.
이처럼, 측정 정보 및 형광 시료에 대한 관련 정보가 매칭되어 함께 관리됨으로써, 특정 지역에서 특정 질환이 많은지 여부, 특정 계절과 특정 질환과의 관련성, 검사자의 신체적 특징과 질환과의 관련성 등과 같은 의미 있는 분석 정보가 획득될 수 있다. 또한, 바이오센서용 형광 광학 시스템(400)은 측정 정보 및 형광 시료에 대한 관련 정보를 매칭하여 획득된 통계 정보를 웹브라우저를 통해 디스플레이할 수 있다.
도 10은 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광 광학 시스템(400)이 측정 정보 및 형광 시료에 대한 관련 정보를 매칭하여 디스플레이하는 일 예를 나타내는 도면이다.
바이오센서용 형광 광학 시스템(400)은 LIS 연계를 통해 서버에서 도 10과 같은 결과 표시 화면을 제공할 수 있다. 예를 들면, 바이오센서용 형광 광학 시스템(400)은 웹페이지를 통해 실험 일자, 테스트 종류, 측정 결과, 로데이터 등을 조회할 수 있는 화면을 제공할 수 있다.
일 예에 따라 바이오센서용 형광 광학 시스템(400)은 바이오센서용 형광 광학 장치(100)에 포함된 포토 다이오드를 통해 광원의 안정성을 모니터링 하는 결과를 디스플레이할 수 있다. 일 실시 예에 따를 때, 광원은 300us 동안 켜지고 난 후 꺼지게 되는데 이때 200~300us 구간 동안의 광세기값을 포토 다이오드를 통해 저장하여 TRF를 수행하는 매 주기동안 광원이 얼마나 안정적인지 결정할 수 있다. 구체적으로, 바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 200~300us 구간 동안의 광세기값을 이용해서, 장비의 상태나 측정 결과값의 신뢰도 등을 결정할 때 이용할 수 있다.
도 11은 일 실시 예에 따른 포토다이오드의 관련 회로를 설명하기 위한 도면이다. 구체적으로, 도 11을 참고하면, 포토다이오드의 리드 아웃(read-out) 회로의 일 예가 도시된다.
도 12는 일 실시 예에 따른 광원의 측정 결과의 일 예를 나타내는 도면이다.
제 1 그래프(1210)는 광원이 1개 LED를 포함하는 경우의 획득되는 시간의 흐름에 따른 출력 광의 세기를 나타내고, 제 2 그래프(1220)는 광원이 4개 LED를 포함하는 경우의 획득되는 시간의 흐름에 따른 출력 광의 세기를 나타내고, 제 3 그래프(1230)는 광원이 7개 LED를 포함하는 경우의 획득되는 시간의 흐름에 따른 출력 광의 세기의 일 예를 나타낸다.
도 13은 일 실시 예에 따라 측정된 광원 안정성을 설명하기 위한 도면이다.
일 실시 예에 따라 도 13은 1000회에 측정이 수행되는 경우의 광원 안정성에 대한 그래프를 도시한다. 예를 들면, 광원 모니터링을 수행하여 광원이 켜져있는 100ns 동안의 광의 세기에 대한 평균 값을 표시한 그래프일 수 있다.
도 14는 일 실시 예에 따라 복수의 세기에 대해서 측정된 광원 안정성을 설명하기 위한 도면이다.
제 1 그래프(1410)는 광원이 1개 LED를 포함하는 경우의 광원 안정성, 제 2 그래프(1420)는 광원이 7개 LED를 포함하는 경우의 광원 안정성을 나타내는 그래프일 수 있다. 구체적으로 1000회를 10번 반복하는 경우의 광원 안정성을 나타내는 도면일 수 있다. 도 14의 경우, 상대적으로 광원의 안정성이 높은 경우에 대한 그래프를 나타낼 수 있다.
도 15는 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광 광학 장치(100)가 형광 시료에 포함되는 형광 물질의 분포 정보를 획득하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
단계 S1510에서 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 주기적으로 온 오프하는 방식으로 형광 시료에 출력 광을 출력한다. 광은 기설정된 종류의 광일 수 있다. 예를 들면, 광은 적외선, 가시광선 자외선 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
단계 S1520에서 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 출력 광을 수신한 형광 시료로부터 발산되는 측정 광을 시간의 흐름에 따라 연속적으로 획득하여 전기 신호로 출력한다. 출력 광을 수신하는 포토디텍터는 기설정된 속도로 이동할 수 있으며, 포토디텍터가 이동하면, 측정하는 형광 시료상의 측정 위치가 변경될 수 있다.
단계 S1530에서 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 광원으로부터 출력 광이 출력되는 동안 포토디텍터로부터 획득되는 제 1 전기 신호에 기초하여 광원의 상태 정보를 획득한다. 제 1 전기 신호는 출력 광이 출력되는 전체 구간 동안 획득될 수도 있고, 출력 광이 출력되는 전체 구간 중 일부 구간 동안에만 획득될 수도 있다.
단계 S1540에서 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 광원으로부터 출력 광이 오프된 이후 포토디텍터로부터 획득되는 제 2 전기 신호에 기초하여 시간의 흐름에 따라 형광 시료에 포함되는 형광 물질의 분포 정보를 획득한다. 제 2 전기 신호는 출력 광이 오프되는 전체 구간 동안 획득될 수도 있고, 출력 광이 오프되는 전체 구간 중 일부 구간 동안에만 획득될 수도 있다. 예를 들면, 바이오센서용 형광 광학 장치(100)는 출력 광이 오프되고 나서 기설정된 기간이 경과한 이후 획득되는 측정 광을 이용해서, 제 2 전기 신호를 획득할 수 있다.
한편, 상술한 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 또한, 상술한 방법에서 사용된 데이터의 구조는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 여러 수단을 통하여 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 램, USB, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다.
본 실시 예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기된 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 방법들은 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.
100: 바이오센서용 형광 광학 장치 105: 광원
110: 측정부 120: 포토디텍터
130: 프로세서 200: 서버
210: 핀홀 220: 디텍터 렌즈
230: 형광 필터 240: 스플리터
270: 컨덴서 렌즈 280: 광원
290: 포토다이오드 400: 바이오센서용 형광 광학 시스템

Claims (12)

  1. 기설정된 영역에 형광 시료를 위치시키는 측정부;
    주기적으로 온 오프하는 방식으로 상기 형광 시료에 출력 광을 출력하는 광원;
    상기 출력 광을 수신한 상기 형광 시료로부터 발산되는 측정 광을 시간의 흐름에 따라 연속적으로 획득하여 전기 신호로 출력하는 포토디텍터; 및
    상기 광원으로부터 상기 출력 광이 오프된 이후 상기 포토디텍터로부터 획득되는 전기 신호를 이용하여 시간의 흐름에 따라 상기 형광 시료에 대한 측정 정보를 획득하는 프로세서;를 포함하는 바이오센서용 형광 광학 장치; 및
    상기 측정 정보 및 상기 형광 시료에 대한 관련 정보를 매칭하여 전송하는 서버;를 포함하는 바이오센서용 형광 광학 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정부 또는 상기 포토디텍터는 기설정된 속도로 이동하고,
    상기 포토디텍터는 시간의 흐름에 따라 변화하는 측정 위치에 대한 상기 측정 광을 연속적으로 획득하여 상기 전기 신호로 출력하는, 바이오센서용 형광 광학 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 측정 정보는 상기 형광 시료 내의 형광 물질의 분포에 대한 정보를 포함하는, 바이오센서용 형광 광학 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 형광 시료에 포함된 형광 물질은 바이오마커의 기능을 수행하는, 바이오센서용 형광 광학 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 서버는
    상기 측정 정보 및 상기 형광 시료에 대한 관련 정보를 매칭하여 획득된 통계 정보를 웹브라우저를 통해 디스플레이하는, 바이오센서용 형광 광학 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 관련 정보는 상기 측정 정보를 획득한 시점 정보, 상기 바이오센서용 형광 광학 장치의 위치 정보, 상기 측정 정보에 기초하여 결정되는 검사 결과 정보 및 검사자 정보 중 적어도 하나를 포함하는, 바이오센서용 형광 광학 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 광원으로부터 상기 출력 광이 오프되고 기설정된 기간이 경과된 이후 획득되는 상기 측정 광을 이용해서 상기 측정 정보를 획득하는, 바이오센서용 형광 광학 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 형광 시료로부터 획득되는 형광 신호의 세기를 획득하고, 상기 형광 신호의 세기에 기초하여 바이오마커의 농도를 정량적으로 분석하는, 바이오센서용 형광 광학 시스템.
  9. 기설정된 속도로 이동하고, 기설정된 영역에 형광 시료를 위치시키는 측정부;
    주기적으로 온 오프하는 방식으로 상기 형광 시료에 출력 광을 출력하는 광원;
    상기 출력 광을 수신한 상기 형광 시료로부터 발산되는 측정 광을 시간의 흐름에 따라 연속적으로 획득하여 전기 신호로 출력하는 포토디텍터; 및
    상기 광원으로부터 상기 출력 광이 출력되는 동안 상기 포토디텍터로부터 획득되는 제 1 전기 신호에 기초하여 상기 광원의 상태 정보를 획득하고,
    상기 광원으로부터 상기 출력 광이 오프된 이후 상기 포토디텍터로부터 획득되는 제 2 전기 신호에 기초하여 시간의 흐름에 따라 상기 형광 시료에 포함되는 형광 물질의 분포 정보를 획득하는 프로세서;를 포함하는 바이오센서용 형광 광학 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 분포 정보 및 상기 형광 시료에 대한 관련 정보를 매칭하여 출력하고,
    상기 관련 정보는 상기 분포 정보를 획득한 시점 정보, 상기 바이오센서용 형광 광학 장치의 위치 정보, 상기 분포 정보에 기초하여 결정되는 검사 결과 정보 및 검사자 정보 중 적어도 하나를 포함하는, 바이오센서용 형광 광학 장치.
  11. 광원으로부터 주기적으로 온 오프하는 방식으로 출력되는 출력 광을 형광 시료에 인가하는 단계;
    상기 출력 광을 수신한 상기 형광 시료로부터 발산되는 측정 광을 기설정된 속도로 이동하는 포토디텍터를 이용해서 시간의 흐름에 따라 연속적으로 획득하여 전기 신호로 변환하는 단계;
    상기 광원으로부터 상기 출력 광이 출력되는 동안 획득되는 제 1 전기 신호에 기초하여 상기 광원의 상태 정보를 획득하는 단계; 및
    상기 광원으로부터 상기 출력 광이 오프된 이후 획득되는 제 2 전기 신호에 기초하여 시간의 흐름에 따라 상기 형광 시료에 포함되는 형광 물질의 분포 정보를 획득하는 단계를 포함하는 바이오센서용 형광 측정 방법.
  12. 제 11 항의 방법을 구현하기 위하여 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
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