KR20220018848A - Auto-fluorescence analysis device and method for microbial field inspection - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 미생물 현장 검사를 위한 자가형광 분석 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자가형광(Auto-fluorescence) 검출 기술을 통해 미생물의 실시간 측정과 분석이 동시에 가능한 미생물 현장 검사를 위한 자가형광 분석 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an autofluorescence analysis apparatus and method for on-site inspection of microorganisms, and more particularly, to auto-fluorescence for on-site inspection of microorganisms capable of simultaneous measurement and analysis of microorganisms through auto-fluorescence detection technology It relates to an analysis device and a method therefor.
현재 정량적으로 미생물(동물세포 포함)의 총수를 측정하는 방법은 미생물의 변화를 직접 측정하는 기술과 주변 환경 변화를 측정하는 간접측정기술로 분류할 수 있다.Currently, the method of quantitatively measuring the total number of microorganisms (including animal cells) can be classified into a technology that directly measures changes in microorganisms and an indirect measurement technology that measures changes in the surrounding environment.
직접 측정에는 미생물 유체의 유전율(permittivity) 측정, 미생물의 광학 밀도(Optical density) 측정, ATP(adenosine triphosphate)-효소 반응 발광 강도 변화 측정, 배양을 통해 미생물의 집락형성단위(Colony-forming unit, CFU)값을 측정하는 직접 개수 측정 방법 및 건조 후 중량 측정하는 방법이 있고, 간접 측정에는 O2/CO2/pH 측정과 같은 방법이 있다.Direct measurement includes measurement of the permittivity of microbial fluid, measurement of optical density of microorganisms, measurement of changes in luminescence intensity in adenosine triphosphate (ATP)-enzyme reaction, and colony-forming unit (CFU) of microorganisms through culture ), there are a direct number measurement method and a weight measurement method after drying. Indirect measurement, there is a method such as O2/CO2/pH measurement.
이에 간접측정 기술 보다는 배양 중 일어나는 개체 수 변화를 감지하기 위해 직접 측정 기술이 주목 받고 있으나, 국내의 경우 직접/간접 측정 센서 대부분을 수입에 의존하고 있는 실정이다.Therefore, direct measurement technology is attracting attention to detect changes in the number of individuals during culture rather than indirect measurement technology, but in the case of Korea, most direct/indirect measurement sensors are imported.
또한, 현재로는 직접 측정 기술 중 배양 미생물 총균수 뿐 아니라 미생물 생존도(viability)를 측정할 수 있는 기술로는 미생물 유체의 유전율(permittivity) 측정기술 정도이나, 미생물 등의 배양 시 사용되는 교반기나 환경변화에 의해 유전율 값의 오차 값이 커지는 문제 등으로 미생물의 총수나 viability 측정값의 신뢰도에 문제가 있어 측정 범위가 상당히 제한되는 문제점이 있다. In addition, among the current direct measurement technologies, the technology capable of measuring not only the total number of cultured microorganisms but also the microbial viability is the degree of the permittivity measurement technology of microbial fluids, but a stirrer used for culturing microorganisms, etc. There is a problem in that the measurement range is considerably limited because there is a problem in the reliability of the total number of microorganisms or the viability measurement value due to the problem that the error value of the dielectric constant value increases due to the environmental change.
이에 따라 배양 미생물 및 세포의 생존능력(viability)의 중요성이 점점 커지고 있어 환경, 제약, 식품 시장에서 시장이 점점 커질 것으로 예상되며 특히 최근 크게 주목받고 있는 장내 미생물의 연구에서도 유익 미생물의 viability를 높이는 조건과 관련하여 신속하고도 편리한 현장 진단 기기의 요구가 높아지고 있다.Accordingly, the importance of the viability of cultured microorganisms and cells is increasing, and the market is expected to grow in the environment, pharmaceutical, and food markets. In this regard, the demand for a fast and convenient on-site diagnostic device is increasing.
상기와 같은 종래의 기술로서 대한민국 공개특허공보 제10-2016-0036239호(2006.04.04.)에서 미생물을 포함하는 음용수가 유입되는 유입부와 음용수가 토출되는 토출부를 포함하고, 음용수가 유동하는 유동 공간을 형성하는 채널; 상기 토출부에 인접하여 마련되고 측정된 전류값 변화에 따라 미생물의 농도 또는 개수를 감지하는 센싱부; 및 상기 유입부로 유입되어 상기 채널 내부를 유동하는 미생물을 상기 센싱부로 안내하는 유로를 형성하는 안내부;를 포함하는 미생물 측정유닛이 개시되어 있다.As a conventional technique as described above, in Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2016-0036239 (April 2006.04.04), it includes an inlet into which drinking water containing microorganisms is introduced and an outlet through which the drinking water is discharged, and the flow in which the drinking water flows. channels forming a space; a sensing unit provided adjacent to the discharge unit and sensing the concentration or number of microorganisms according to a change in the measured current value; and a guide unit which flows into the inlet and forms a flow path for guiding microorganisms flowing inside the channel to the sensing unit; a microorganism measuring unit including a.
그러나 상기 종래 기술에서 제공하는 미생물 측정유닛은 유전영동(dielectrophoresis, DEP)을 이용하여 미생물을 집중, 감지하는 방식으로, 상술한 바와 같은 단순히 유전율(permittivity) 측정기술 정도에 불과하여 미생물의 총수나 생존 활성도(viability) 측정값의 신뢰도에 문제가 있을 수 있다.However, the microorganism measuring unit provided in the prior art is a method of concentrating and sensing microorganisms using dielectrophoresis (DEP), and as described above, it is merely a mere permittivity measurement technology, so the total number or survival of microorganisms There may be problems with the reliability of measures of viability.
전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 도출된 본 발명의 목적은, 자가형광(Auto-fluorescence) 측정 광학계를 이용하여 미생물의 총균수 및 생존도(viability)의 현장진단(POCT, Point-Of-Care Test)으로 실시간 측정과 분석이 동시에 가능한 자가형광(Auto-fluorescence) 측정 장치를 제공하고자 하는 것이다.The purpose of the present invention, which was derived to solve the problems of the prior art, is to use an auto-fluorescence measurement optical system for on-site diagnosis (POCT, Point-Of-) of the total number of microorganisms and viability Care Test) to provide an auto-fluorescence measuring device that can simultaneously measure and analyze in real time.
또한, 본 발명은 서로 다른 파장을 출력하는 다 채널 복수의 광원(Multi wavelength light source)을 하나로 묶어 증폭 효율을 높여 측정 카트리지에 조사하여 미생물의 자가형광(Auto-fluorescence) 특성에 따라 서로 다른 스펙트럼의 파장이 생성되도록 활용하여 자가형광 분석 장치의 검출 성능 및 정확도를 향상시켜 측정값의 신뢰도를 제공하고자 하는 목적이 있다.In addition, the present invention binds a plurality of multi-channel light sources that output different wavelengths into one to increase amplification efficiency and irradiate the measurement cartridge with different spectra according to the auto-fluorescence characteristics of microorganisms. An object of the present invention is to provide reliability of a measured value by improving the detection performance and accuracy of an autofluorescence analysis apparatus by utilizing the wavelength to be generated.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 미생물 현장 검사를 위한 자가형광 분석 장치는 미생물 분석샘플을 함유하는 측정 카트리지와 상기 측정 카트리지의 분석샘플에 광을 조사한 후, 미생물의 특성에 따라 발생하는 자가형광(Auto-fluorescence)을 스캔하여 형광 검출 신호를 생성하는 공초점 광학부, 상기 공초점 광학부의 초점 조절 및 발광 동작을 제어하는 구동 제어부 및 실시간으로 미생물의 상기 형광 검출 신호를 정량화하여 미생물의 총균수 및 활성도(viability)를 현장 판독(POCT)하는 분석판독부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.Autofluorescence analysis apparatus for on-site inspection of microorganisms according to an aspect of the present invention for solving the above technical problem After irradiating light to a measurement cartridge containing a microorganism analysis sample and an analysis sample of the measurement cartridge, depending on the characteristics of the microorganism A confocal optical unit that scans the generated auto-fluorescence to generate a fluorescence detection signal, a driving control unit that controls focus adjustment and light emitting operation of the confocal optical unit, and quantifies the fluorescence detection signal of microorganisms in real time It may be characterized in that it comprises an analysis reading unit for POCT of the total number of microorganisms and the activity (viability).
또한, 본 발명의 상기 공초점 광학부는 여기 광을 출력하는 하나 이상의 LED를 구비하는 광원소스와 상기 광원소스로부터 출력된 광을 채널별 파장 영역대로 분리해서 반사 및 투과하는 다이크로익 미러(dichroic mirror), 상기 다이크로익 미러에 의해 반사된 채널별 광을 집광하여 상기 측정 카트리지에 수렴시키는 집광 렌즈(condensing lens) 및 에미션 필터와 포토 다이오드를 구비하는 검출부를 포함하는 특징이 있다.In addition, the confocal optical unit of the present invention includes a light source source having one or more LEDs for outputting excitation light and a dichroic mirror that separates the light output from the light source source into wavelength ranges for each channel and reflects and transmits them. ), a condensing lens for condensing the light for each channel reflected by the dichroic mirror and converging to the measurement cartridge, and a detector including an emission filter and a photodiode.
또한, 본 발명의 상기 다이크로익 미러는 입사되는 광의 파장에 따라, 반사율 및 투과율이 구별되어 여기광의 파장에서는 98%이상 반사시키고, 형광의 파장에서는 98%이상 투과시키는 빔스플리터로 동작하는 특징이 있다.In addition, the dichroic mirror of the present invention operates as a beam splitter that reflects 98% or more at the wavelength of excitation light and transmits 98% or more at the wavelength of fluorescence because reflectance and transmittance are distinguished according to the wavelength of the incident light. have.
또한, 본 발명의 상기 광원소스는 각각 제 1 내지 제 4 세기를 가진 제 1 내지 제 4 파장 대역의 4 채널 광을 방출하고, 상기 검출부는 상기 제 1 내지 제 4 파장 대역의 채널별 광에 대응하여 미생물의 자가형광(Auto-fluorescence) 특성에 따라 서로 다른 스펙트럼의 파장으로 생성된 형광 검출 신호를 생성하고, 상기 분석판독부는 상기 제 1 내지 제 4 검출 신호를 신호처리에 의한 노이즈를 제거하여, 측정범위 106 내지 1010 Cells/ml(Yeast), 109 내지 1013 Cells/ml(Bacteria), 정확도(accuracy) ±3%, CV(변동)폭이 10% 미만, 판독 시간 15분 내지 20분(min) 미만의 성능에서 측정하는 특징이 있다.In addition, the light source of the present invention emits 4-channel light of first to fourth wavelength bands having first to fourth intensities, respectively, and the detector corresponds to the light for each channel of the first to fourth wavelength bands. to generate fluorescence detection signals generated with wavelengths of different spectra according to the auto-fluorescence characteristics of microorganisms, and the analysis and reading unit removes noise by signal processing the first to fourth detection signals, Measurement range 10 6 to 10 10 Cells/ml (Yeast), 10 9 to 10 13 Cells/ml (Bacteria), accuracy ±3%, CV (variation) width less than 10%, reading time 15 minutes to 20 It is characterized by measuring performance in less than a minute (min).
또한, 본 발명의 상기 구동 제어부는 상기 공초점 광학부를 x축 또는 y축 상으로의 평면 이동 제어 및 측정 카트리지 사이의 높이 이동에 따른 z축으로의 이동 제어를 통하여 초점(focal point)을 변화시켜 분석샘플 시료의 부피를 측정 가능하게 하는 특징이 있다.In addition, the driving control unit of the present invention changes the focal point through the control of the plane movement of the confocal optical unit on the x-axis or the y-axis and the movement control in the z-axis according to the height movement between the measurement cartridges. Analysis sample There is a feature that allows the volume of the sample to be measured.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 미생물 현장 검사를 위한 자가형광 분석 장치의 분석 방법은 미생물을 함유한 측정 카트리지를 장치에 위치시키는 단계, 공초점 광학부의 이동 제어를 통한 초점을 조절하는 단계, 광원소스로부터 출력되는 하나 이상의 채널별 파장 영역대로 이루어진 광을 하나로 집광시켜 상기 측정 카트리지에 조사하는 단계, 공초점 광학부의 검출부를 통해 미생물의 특성에 따라 방출되는 자가형광(Auto-fluorescence)을 수신하여 형광 검출 신호를 생성하는 단계, 분석판독부를 통해 실시간으로 미생물의 상기 형광 검출 신호를 정량화하여 미생물의 총균수 및 활성도(viability)를 현장 판독(POCT)하는 단계 및 상기 형광 검출 신호 및 미생물의 총균수 및 활성도(viability)를 디스플레이 하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.The analysis method of the autofluorescence analysis apparatus for on-site inspection of microorganisms of the present invention for solving the above technical problem includes the steps of positioning a measurement cartridge containing microorganisms in the apparatus, adjusting the focus through movement control of the confocal optical unit, The step of condensing the light of one or more wavelength bands for each channel output from the light source source and irradiating it to the measurement cartridge, receiving auto-fluorescence emitted according to the characteristics of microorganisms through the detection unit of the confocal optical unit. Generating a fluorescence detection signal, quantifying the fluorescence detection signal of microorganisms in real time through an analysis and reading unit to read the total number and viability of microorganisms in situ (POCT), and the fluorescence detection signal and total number of microorganisms and displaying viability.
전술한 미생물 현장 검사를 위한 자가형광 분석 장치 및 그 방법에 의한 본 발명은 현장신속판독(POCT, Point of Care Testing) 장치로서 3, 4일 걸리는 종래 실험실 방법에 비하여 미생물의 미세거품(micro bubble)과 같은 노이즈 영향에 의한 신호값 교란 영향이 적어 측정 범위의 확장 가능성을 제공하는 효과가 있다.The present invention by the self-fluorescence analysis device and method for on-site inspection of microorganisms described above is a point of care testing (POCT) device, compared to the conventional laboratory method that takes 3 or 4 days, microbubbles of microorganisms It has the effect of providing the possibility of expanding the measurement range because the signal value disturbance effect due to the noise effect is small.
본 발명은 실시간 현장 검사로 인하여 미생물을 손상시키지 않으면서(no lysis) 미생물의 활성도를 정렬(viability sorting)할 수 있고, 미생물을 따로 용기에 분류할 필요가 없어(no label), 저렴한 가격(low cost)의 자가형광 분석 장치를 제공하는 효과가 있다.The present invention can sort the activity of microorganisms without damaging the microorganisms (no lysis) due to real-time on-site inspection, and there is no need to sort microorganisms in a separate container (no label), low price (low lysis) cost) has the effect of providing an autofluorescence analysis device.
또한, 본 발명의 미생물 현장 검사를 위한 자가형광 분석 장치는 미생물을 활용한 합성생물학(Synthetic biology) 분야로 의학, 식품, 당류, 분석, 세제, 섬유, 펄프, 동물용, 화학 및 화장품이외에 에너지 등에도 광범위하게 사용되는 바이오리파이너리(Biorefinery) 분야에서 미생물 측정과 관리에 이용 및 적용이 가능한 효과가 있다.In addition, the autofluorescence analysis device for on-site inspection of microorganisms of the present invention is a field of synthetic biology utilizing microorganisms, and in addition to medicine, food, sugar, analysis, detergent, fiber, pulp, animal use, chemistry and cosmetics, energy, etc. There is an effect that can be used and applied to the measurement and management of microorganisms in the field of biorefinery, which is also widely used.
또한, 본 발명은 미생물의 현장 신속 진단을 위하여 다양한 형태의 측정 카트리지를 제공함으로써, 여성들의 자궁 질환과 같은 분야에서도 신속히 현장 진단을 수행할 수 있는 장점이 있다.In addition, the present invention provides various types of measurement cartridges for rapid on-site diagnosis of microorganisms, so that it is possible to quickly perform on-site diagnosis in fields such as women's uterine diseases.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미생물 현장 검사를 위한 자가형광 분석 장치의 구성을 보여주는 블럭도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공초점 광학부의 구조를 보여주는 예시도이며,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 미생물 현장 검사를 위한 자가형광 분석 장치의 작동 방법을 간략하게 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 키위 유래 곰팡이의 형광 검출 신호를 보여주는 예시도이고,
도 5는 본 발명에 따른 락토바실러스 용액의 농도별 검출 신호를 보여주는 예시도이다.1 is a block diagram showing the configuration of an autofluorescence analysis apparatus for on-site inspection of microorganisms according to an embodiment of the present invention;
2 is an exemplary view showing the structure of a confocal optical unit according to an embodiment of the present invention,
3 is a flowchart schematically illustrating a method of operating an autofluorescence analysis apparatus for on-site inspection of microorganisms according to an embodiment of the present invention.
4 is an exemplary view showing a fluorescence detection signal of a kiwi-derived fungus according to the present invention;
5 is an exemplary view showing a detection signal for each concentration of a lactobacillus solution according to the present invention.
본 발명은 취지를 벗어나지 않는 한도에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있고, 하나 이상의 실시 예를 가질 수 있다. 그리고 본 발명에서 “발명을 실시하기 위한 구체적인 내용” 및 “도면” 등에 기재한 실시 예는, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 예시이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하거나 한정하는 것은 아니다.The present invention may be practiced with various modifications without departing from the spirit, and may have one or more embodiments. And, in the present invention, the embodiments described in “specific content for carrying out the invention” and “drawings” are examples for describing the present invention in detail, and do not limit or limit the scope of the present invention.
따라서, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자가, 본 발명의 “발명을 실시하기 위한 구체적인 내용” 및 “도면” 등으로부터 용이하게 유추할 수 있는 것은, 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석할 수 있다.Accordingly, those with ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains can easily infer from "specific details for carrying out the invention" and "drawings" of the present invention are interpreted as belonging to the scope of the present invention. can do.
또한, 도면에 표시한 각 구성 요소들의 크기와 형태는, 실시 예의 설명을 위해 과장되어 표현한 것 일 수 있으며, 실제로 실시되는 발명의 크기와 형태를 한정하는 것은 아니다.In addition, the size and shape of each component shown in the drawings may be exaggerated for the description of the embodiment, and do not limit the size and shape of the actually implemented invention.
본 발명의 명세서에서 사용되는 용어를 특별히 정의하지 않는 이상, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다.Unless a term used in the specification of the present invention is specifically defined, it may have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the art to which the present invention belongs.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 아래와 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미생물 현장 검사를 위한 자가형광 분석 장치의 구성을 보여주는 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공초점 광학부의 구조를 보여주는 예시도이다.1 is a block diagram showing the configuration of an autofluorescence analysis apparatus for on-site inspection of microorganisms according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an exemplary view showing the structure of a confocal optical unit according to an embodiment of the present invention.
도시에서와 같이 본 발명의 미생물 현장 검사를 위한 자가형광 분석 장치(100)는 공초점 광학부(110), 측정 카트리지(120), 구동 제어부(130) 및 분석판독부(140)를 포함하여 이루어질 수 있다.As shown in the figure, the
상기 측정 카트리지(120)는 본 발명의 자가형광 분석 장치에 수납될 수 있도록 이루어지며 수용액을 함유하는 웰(well) 타입의 카트리지(cartridge)로 제공될 수 있거나, 현장 진단을 위한 일회용으로 사용할 수 있는 소모품 형태로도 제공될 수 있다. The
이에 웰(well) 타입의 카트리지로는 하나 이상의 웰을 가질 수 있고 미생물 채취튜브에 의하여 채취된 액상의 미생물 분석 샘플(Analytical sample)을 함유하도록 이루어지며, 소모품 형태로는 리트머스(Litmus) 시험지(Paper) 형태, 바(bar) 타입 또는 스틱(stick) 형태 중의 어느 하나로 제공되어 현장 판독 후 사용 폐기시킬 수 있도록 할 수 있다.Accordingly, as a well-type cartridge, it may have one or more wells and is made to contain a liquid microbial analysis sample collected by a microorganism collection tube, and in the form of consumables, it is a litmus test paper (Paper). ), bar type, or stick type, so that it can be used and discarded after field reading.
일례로 여성들의 자궁 질환에서 발생할 수 있는 미생물 세균의 검출 및 진단을 위하여 바(bar) 타입 또는 스틱(stick) 형태를 사용하여 여성 자궁에서 생성된 미생물 또는 세균의 현장 진단을 원활히 할 수 있는 장점이 있다.For example, for the detection and diagnosis of microbial bacteria that can occur in women's uterine diseases, a bar type or stick type is used to facilitate on-site diagnosis of microorganisms or bacteria generated in the female uterus. have.
이에 본 명세서에서는 웰(well) 타입의 측정 카트리지(120)를 위주로 설명한다.Accordingly, in this specification, the well-
상기 공초점 광학부(110)는 미생물을 함유한 상기 측정 카트리지(120)에 광을 조사한 후, 자가형광(Auto-fluorescence)으로 방출된 광을 스캔하여 형광 검출 신호를 생성하는 콘포컬 센서(confocal sensor)로서의 광학계라 할 수 있다.The confocal
이에 상기 공초점 광학부(110)는 여기 광을 출력하는 하나 이상의 LED를 구비하는 광원소스(112)와 상기 광원소스(112)로부터 출력된 광을 채널별 파장 영역대로 분리해서 반사 및 투과하는 다이크로익 미러(dichroic mirror)(113), 상기 다이크로익 미러(113)에 의해 반사된 채널별 광을 집광하여 상기 측정 카트리지(120)에 수렴 시키는 집광 렌즈(condensing lens)(114) 및 에미션 필터(Emission Filter)(111b)와 포토 다이오드(Photo Diode)(111a)를 구비하는 검출부(Detector)(111)를 포함하여 이루어질 수 있다.Accordingly, the confocal
상기 광원소스(112)는 멀티채널 LED 모듈로서, 다파장 여기 광원을 출력하는 발광다이오드(light emitting diode, LED)가 어레이 형태로 배열된 구조로 구비될 수 있다. The
이에 본 발명의 일실시예로 상기 광원소스(112)는 350nm 내지 500nm의 범위에서 제 1 내지 제 4 세기를 가진 제 1 내지 제 4 파장 대역의 4개의 채널별 복수의 광(λ1, λ2, λ3, λ4)이 여기되어 방출하도록 이루어진다.Accordingly, in an embodiment of the present invention, the
이렇게 여기된 복수의 광(λ1, λ2, λ3, λ4)은 하나의 광원으로 뭉쳐져서 방출되고, 방출된 광이 집광되어 미생물에 조사되면, 미생물의 자가형광(Auto-fluorescence) 특성에 따라 서로 다른 스펙트럼의 파장이 생성되어 증폭 효율을 높일 수 있게 된다.The plurality of excited lights (λ1, λ2, λ3, λ4) are bundled into one light source and emitted. The wavelength of the spectrum is generated, so that the amplification efficiency can be increased.
상기 다이크로익 미러(113)는 상기 광원소스(112)로 부터 입사되는 서로 다른 파장에 의해 굴절률이 다른 광을 분리하여 반사 및 투과 시키는 반사경으로서, 입사되는 광의 파장에 따라 반사율 및 투과율이 구별되는데, 임사되는 여기광의 파장에서는 98%이상 반사시키고, 검출되는 형광의 파장에서도 98%이상 투과시키는 빔스플리터로 동작하는 기능을 수행한다. The
상기 집광 렌즈(114)는 투명체의 앞뒷면이 볼록 또는 오목하게 이루어져 서로자른 파장으로 조사되는 광을 상기 측정 카트리지(120)의 미생물 수용액에 집광하여 증폭 효율을 높일 수 있도록 수렴시키기 위한 렌즈이다. The condensing
상기 검출부(111)는 미생물 수용액에서 형광으로 방출된 광을 수광하여 형광 검출 신호를 검출하는 모듈로서, 에미션 필터(111b)와 포토 다이오드(111a)로 구비될 수 있다.The
에미션 필터(111b)는 미생물 수용액에서 형광으로 방출된 광이 집광 렌즈를 통하고 다이크로익 미러에서 투과되어 전달받은 광에서 원하지 않는 노이즈 성분의 미량의 여기 광을 차단하면서 미생물 수용액에서 형광으로 방출된 바람직한 형광이 포토 다이오드에서 검출될 수 있도록 특정 파장 대역만을 통과시키는 필터라 할 수 있다.The
상기 검출부(111)의 포토 다이오드(111a)는 에미션 필터(111b)로부터 노이즈 성분이 제거되어 전달받은 광으로부터 광량에 비례하여 전류 신호를 생성하는 것으로서, 이에 따라 상기 검출부는 상기 광원소스(112)로부터 생성되어진 제 1 내지 제 4 파장 대역의 채널별 광에 대응하여 미생물의 자가형광(Auto-fluorescence) 특성에 따라 서로 다른 스펙트럼의 파장으로 생성되는 형광 검출 신호를 생성하여 분석판독부(140)에 전달할 수 있다.The
상기 분석판독부(140)는 실시간으로 미생물의 상기 형광 검출 신호를 정량화하여 미생물의 총균수 및 활성도(viability)를 현장 판독(POCT)하도록 이루어진 분석모듈이라 할 수 있다.The analysis and
이에 본 발명의 상기 분석판독부(140)는 상기 검출부(111)에서 생성된 제 1 내지 제 4 검출 신호에 대하여 신호처리에 의한 노이즈를 제거하고, 검출된 형광 신호의 분석을 위해 제 1 내지 제 4 검출 신호의 정량화 과정을 수행하게 된다.Accordingly, the analysis/
이때, 상기 분석판독부(140)는 측정범위에 있어서 이스트(Yeast)일 때 106 내지 1010 Cells/ml의 범위, 박테리아(Bacteria)일 때 109 내지 1013 Cells/ml의 범위를 취할 수 있으며, 정확도(accuracy)는 ±3%, CV(변동)폭은 10% 미만, 판독 시간 15분 내지 20분(min) 미만의 성능에서 측정하여 판독하도록 이루어질 수 있다.At this time, in the measurement range, the
이에 본 발명의 미생물 현장 검사를 위한 자가형광 분석 장치는 일정 해상도를 갖는 디스플레이 모듈(150)을 구비하여, 상기 분석판독부(140)에서 검출된 형광 신호 및 이를 통한 분석 및 판독으로 이루어진 미생물의 총균수 및 활성도(viability)를 표출하도록 이루어질 수 있다.Accordingly, the autofluorescence analysis apparatus for on-site inspection of microorganisms of the present invention includes a
본 발명의 상기 구동 제어부(130)는 상기 공초점 광학부(110)의 초점 조절 및 발광 동작을 제어하는 기능을 수행하는 스캔 구동모듈이라 할 수 있다.The driving
이에 상기 구동 제어부(130)는 상기 공초점 광학부(110)의 형광 신호 검출을 위해 x축 또는 y축 상으로의 평면 이동 제어 및 측정 카트리지(120) 사이의 높이 이동에 의한 z축 상으로의 이동 제어를 하도록 구동할 수 있다.Accordingly, the driving
이에 따라 공초점 광학부(110)의 초점(focal point)을 변화시킬 수 있으며, 상기 검출부(111)의 오토포커싱(AF) 동작에 의한 자동초점 제어를 통해 3차원 스캔이 가능하도록 이루어질 수 있다.Accordingly, a focal point of the confocal
또한, 높이 제어를 통한 초점(focal point)을 조절하여 샘플시료의 부피가 항상 일정한 상태인가를 측정 가능하도록 하며, 이에 의하여 항상 일정한 시료 부피에서 미생물의 총균수 및 활성도(viability)를 측정할 수 있다.In addition, it is possible to measure whether the volume of the sample sample is always in a constant state by adjusting the focal point through height control, whereby the total number of microorganisms and the viability of microorganisms can be measured in a constant sample volume at all times. .
또한, 상기 구동 제어부(130)는 광원소스의 온오프(On/off) 제어를 통한 공초점 광학부(110)의 스캔 횟수의 제어 및 채널별 여기 광의 출력을 조절하여 신호를 증폭하거나 제어할 수 있도록 구동시킬 수 있다.In addition, the driving
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 미생물 현장 검사를 위한 자가형광 분석 장치의 작동 방법을 간략하게 나타낸 순서도이다.3 is a flowchart schematically illustrating a method of operating an autofluorescence analysis apparatus for on-site inspection of microorganisms according to an embodiment of the present invention.
이에 따른 본 발명의 미생물 현장 검사를 위한 자가형광 분석 장치의 작동 방법은 측정 카트리지에 미생물을 함유한 수용액을 담아 장치에 위치시키는 단계(S100), 구동 제어부에 의하여 공초점 광학부의 x축 또는 y축 상으로의 평면 이동 제어 및 측정 카트리지 사이의 높이 이동에 따른 z축으로의 이동 제어를 통한 초점을 조절하는 단계(S200), 광원소스로부터 출력되는 제 1 내지 제 4 세기를 가진 제 1 내지 제 4 파장 대역의 4 채널별 파장 영역대로 이루어진 광을 하나로 집광시켜 상기 측정 카트리지에 조사하는 단계(S300), 공초점 광학부의 검출부를 통해 미생물의 특성에 따라 방출되는 자가형광(Auto-fluorescence)을 수신하여 형광 검출 신호를 생성하는 단계(S400), 분석판독부를 통해 실시간으로 미생물의 상기 형광 검출 신호를 정량화하여 미생물의 총균수 및 활성도(viability)를 현장 판독(POCT)하는 단계(S500) 및 상기 형광 검출 신호 및 미생물의 총균수 및 활성도(viability)를 디스플레이 하는 단계(S600)를 포함하여 이루어진다.Accordingly, the method of operating the autofluorescence analysis apparatus for on-site inspection of microorganisms of the present invention includes the steps of placing an aqueous solution containing microorganisms in a measurement cartridge and placing it in the device (S100), the x-axis or y-axis of the confocal optical unit by the drive control unit Adjusting the focus through the movement control in the z-axis according to the plane movement control upward and the height movement between the measurement cartridges (S200), the first to fourth having the first to fourth intensities output from the light source source The step of condensing the light consisting of the wavelength band for each 4 channel of the wavelength band and irradiating it to the measurement cartridge (S300), receiving auto-fluorescence emitted according to the characteristics of the microorganism through the detection unit of the confocal optical unit. Generating a fluorescence detection signal (S400), quantifying the fluorescence detection signal of microorganisms in real time through an analysis and reading unit to read the total number and viability of microorganisms on-site (POCT) (S500) and detecting the fluorescence Displaying the signal and the total number of bacteria and the activity (viability) of microorganisms (S600).
상술된 본 발명의 미생물 현장 검사를 위한 자가형광 분석 장치 및 그 방법을 통하여 농산물(키위, 귤) 표면의 곰팡이 균의 자가형광 검출 및 배양중인 락토바실러스(Lactobascillus) 농도에 따른 자가형광 세기의 변화를 검출할 수 있다.Through the autofluorescence analysis apparatus and method for on-site inspection of microorganisms of the present invention described above, the autofluorescence detection of mold fungi on the surface of agricultural products (kiwi, mandarin orange) and the change of autofluorescence intensity according to the concentration of Lactobacillus in culture can be detected.
이에 도 4는 본 발명에 따른 키위 유래 곰팡이의 형광 검출 신호를 보여주는 예시도로서, 8회의 스캔 반복을 통하여 판독된 형광 검출 신호를 확인할 수 있음을 보여주고 있다.Accordingly, FIG. 4 is an exemplary view showing the fluorescence detection signal of the kiwi-derived fungus according to the present invention, and shows that the fluorescence detection signal read through 8 scan repetitions can be confirmed.
위에서 설명한 바와 같이, 본 실시예의 자가형광 분석 장치 및 방법을 사용하면, 제곱마이크로미터 면적에 Cy5 1.12개만 있어도 미생물을 검출할 수 있다. 여기서 미생물(Cy5)은 지름 0.3㎛, 길이 1㎛, 부피 0.071㎛3, 표면적 1.084㎛2 정도의 크기를 가진 것으로 가정할 수 있다.As described above, if the autofluorescence analysis apparatus and method of this embodiment are used, microorganisms can be detected even if there are only 1.12 Cy5 cells in a square micrometer area. Here, it can be assumed that the microorganism (Cy5) has a diameter of 0.3 μm, a length of 1 μm, a volume of 0.071 μm 3 , and a surface area of about 1.084 μm 2 .
이와 같이, 개별적 자연형광 혹은 자가형광은 낮은 강도일지라도 수를 고려할 때 감지 가능하다.As such, individual natural fluorescence or autofluorescence is detectable given the number, even at low intensities.
특히, 본 실시예에서는 시료의 표피 등 굴곡진 표면에 대하여 2축 스캔 장치와 이에 탑재된 제어 알고리즘을 통해 수직 방향(Z축 방향)의 초점 제어를 수행하고, 이를 통해 검출 정확성을 향상시킬 수 있다.In particular, in this embodiment, focus control in the vertical direction (Z-axis direction) is performed on a curved surface such as the epidermis of the sample through a two-axis scanning device and a control algorithm mounted thereon, thereby improving detection accuracy. .
아울러, 디텍터 또는 포토다이오드의 신호 문턱값을 설정하여 노이즈를 저감시켜 스캔 데이터 판독의 안정성을 확보할 수 있다.In addition, it is possible to reduce noise by setting a signal threshold of the detector or photodiode to secure the stability of reading the scan data.
또한, 형광 검출치로부터 미생물 정량화 계산을 위해 회귀(regression) 모델을 적용한 피팅 커브(fitting curve)를 사용할 수 있다.In addition, a fitting curve to which a regression model is applied may be used to calculate the quantification of microorganisms from the fluorescence detection value.
도 5는 본 발명에 따른 락토바실러스 용액의 농도별 검출 신호를 보여주는 예시도로서, 측정 카트리지의 3 곳에 각각 다른 농도의 배양액을 담아 반복 스캔을 하여 측정된 총균수의 측정값을 나타내는 것이다.5 is an exemplary view showing the detection signal for each concentration of the lactobacillus solution according to the present invention, and shows the measured value of the total number of bacteria measured by repeating scans by placing culture solutions of different concentrations in three places of the measurement cartridge.
도 5에서와 같이 본 발명은 자가형광 검출로 배양액 내에서 106 내지 109 cells/㎖의 범위에 이르는 총균수를 충분히 측정할 수 있음을 알 수 있다.As shown in FIG. 5 , it can be seen that the present invention can sufficiently measure the total number of bacteria ranging from 10 6 to 10 9 cells/ml in the culture medium by autofluorescence detection.
전술한 바와 같이 본 발명의 상세한 설명에서는 바람직한 실시예들에 관하여 설명하였지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음은 이해할 수 있을 것이다.As described above, in the detailed description of the present invention, preferred embodiments have been described, but those of ordinary skill in the art can do so without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following claims. It will be understood that various modifications and variations of the present invention may be made.
100: 자기형광 분석 장치
110: 공초점 광학부
111: 검출부
111a: 포토 다이오드
111b: 에미션 필터
112: 광원소스
113: 다이크오익 미러
114: 집광렌즈
120: 측정 카트리지
130: 구동제어부
140: 분석 판독부
150: 디스플레이 모듈100: autofluorescence analysis device 110: confocal optical unit
111:
111b: emission filter 112: light source source
113: Dyke Oic mirror 114: condensing lens
120: measurement cartridge 130: drive control unit
140: analysis reading unit 150: display module
Claims (6)
미생물 분석샘플을 함유하는 측정 카트리지의 분석샘플에 조사되는 광에 의해 미생물의 특성에 따라 발생하는 자가형광(Auto-fluorescence)을 스캔하여 형광 검출 신호를 생성하는 공초점 광학부,
상기 공초점 광학부의 초점 조절 및 발광 동작을 제어하는 구동 제어부, 및
실시간으로 미생물의 상기 형광 검출 신호를 정량화하여 미생물의 총균수 및 생존능력(viability)을 판독(POCT)하는 분석판독부
를 포함하는 자가형광 분석 장치.
An autofluorescence analysis device for on-site inspection of microorganisms, comprising:
Confocal optics for generating a fluorescence detection signal by scanning auto-fluorescence generated according to the characteristics of microorganisms by light irradiated to the analysis sample of the measurement cartridge containing the microorganism analysis sample;
a driving control unit for controlling the focus adjustment and light emission operation of the confocal optical unit; and
Analysis reading unit that quantifies the fluorescence detection signal of microorganisms in real time and reads (POCT) the total number of microorganisms and viability
Autofluorescence analysis device comprising a.
상기 공초점 광학부는
여기 광을 출력하는 하나 이상의 LED를 구비하는 광원소스와
상기 광원소스로부터 출력된 광을 채널별 파장 영역대로 분리해서 반사 및 투과하는 다이크로익 미러(dichroic mirror),
상기 다이크로익 미러에 의해 반사된 채널별 광을 집광하여 상기 측정 카트리지에 수렴시키는 집광 렌즈(condensing lens) 및
에미션 필터와 포토 다이오드를 구비하는 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자가형광 분석 장치.
The method according to claim 1,
The confocal optics
a light source having one or more LEDs for outputting excitation light;
A dichroic mirror that reflects and transmits the light output from the light source source by dividing it into wavelength ranges for each channel;
a condensing lens for condensing the light for each channel reflected by the dichroic mirror and converging to the measurement cartridge; and
Autofluorescence analysis apparatus comprising a detection unit including an emission filter and a photodiode.
상기 다이크로익 미러는 입사되는 광의 파장에 따라, 반사율 및 투과율이 구별되어 여기광의 파장에서는 98%이상 반사시키고, 형광의 파장에서는 98%이상 투과시키는 빔스플리터로 동작하는 것을 특징으로 하는 자가형광 분석 장치.
3. The method according to claim 2,
Autofluorescence analysis, characterized in that the dichroic mirror operates as a beam splitter that reflects 98% or more at the wavelength of excitation light and transmits 98% or more at the wavelength of fluorescence because reflectance and transmittance are distinguished according to the wavelength of the incident light Device.
상기 광원소스는 각각 제 1 내지 제 4 세기를 가진 제 1 내지 제 4 파장 대역의 4 채널 광을 방출하고,
상기 검출부는 상기 제 1 내지 제 4 파장 대역의 채널별 광에 대응하여 미생물의 자가형광(Auto-fluorescence) 특성에 따라 서로 다른 스펙트럼의 파장의 형광 검출 신호를 생성하고,
상기 분석판독부는 상기 제 1 내지 제 4 검출 신호를 신호처리에 의한 노이즈를 제거하여, 측정범위 106 내지 1010 Cells/ml(Yeast), 109 내지 1013 Cells/ml(Bacteria), 정확도(accuracy) ± 3%, CV(변동)폭이 10% 미만, 판독 시간 15분 내지 20분(min) 미만의 성능에서 측정하는 것을 특징으로 하는 자가형광 분석 장치.
3. The method according to claim 2,
The light source source emits 4 channel lights of first to fourth wavelength bands having first to fourth intensities, respectively,
The detection unit generates fluorescence detection signals of wavelengths of different spectrums according to the auto-fluorescence characteristics of microorganisms in response to the light for each channel of the first to fourth wavelength bands,
The analysis and reading unit removes noise from the first to fourth detection signals by signal processing, measuring ranges 10 6 to 10 10 Cells/ml (Yeast), 10 9 to 10 13 Cells/ml (Bacteria), accuracy ( Accuracy) ± 3%, CV (variation) width less than 10%, autofluorescence analysis device, characterized in that the measurement is performed at a reading time of 15 minutes to less than 20 minutes (min).
상기 구동 제어부는 상기 공초점 광학부를 x축 또는 y축 상으로의 평면 이동 제어 및 측정 카트리지 사이의 높이 이동에 따른 z축으로의 이동 제어를 통하여 초점(focal point)을 변화시켜 분석샘플 시료의 부피를 측정 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 자가형광 분석 장치.
The method according to claim 1,
The driving control unit changes the focal point by controlling the plane movement of the confocal optical unit on the x-axis or the y-axis and controlling the movement in the z-axis according to the height movement between the measurement cartridges to change the volume of the sample to be analyzed Autofluorescence analysis device, characterized in that it can be measured.
미생물을 함유한 측정 카트리지를 장치에 위치시키는 단계,
공초점 광학부의 이동 제어를 통한 초점을 조절하는 단계,
광원소스로부터 출력되는 하나 이상의 채널별 파장 영역대로 이루어진 광을 하나로 집광시켜 상기 측정 카트리지에 조사하는 단계,
공초점 광학부의 검출부를 통해 미생물의 특성에 따라 방출되는 자가형광(Auto-fluorescence)을 수신하여 형광 검출 신호를 생성하는 단계,
분석판독부를 통해 실시간으로 미생물의 상기 형광 검출 신호를 정량화하여 미생물의 총균수 및 활성도(viability)를 현장 판독(POCT)하는 단계 및
상기 형광 검출 신호 및 미생물의 총균수 및 활성도(viability)를 디스플레이하는 단계를 포함하는 자가형광 분석 방법.A method for autofluorescence analysis for microbial field testing, the method comprising:
placing a measurement cartridge containing the microorganism in the device;
adjusting the focus through movement control of the confocal optic;
Condensing the light composed of one or more wavelength bands for each channel output from the light source source into one and irradiating it to the measurement cartridge;
generating a fluorescence detection signal by receiving auto-fluorescence emitted according to the characteristics of microorganisms through the detection unit of the confocal optics;
Quantifying the fluorescence detection signal of microorganisms in real time through an analysis and reading unit to read the total number and viability of microorganisms on-site (POCT); and
Autofluorescence analysis method comprising the step of displaying the fluorescence detection signal and the total number of microorganisms and the activity (viability).
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