KR20230046616A - Tir 렌즈를 포함하는 타깃 분석물 검출장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 타깃 분석물 검출장치는 샘플을 수용할 수 있도록 형성되는 샘플 홀더, 상기 샘플 홀더에 수용되는 샘플에 여기광을 조사할 수 있도록 형성되는 발광모듈, 및 상기 샘플에서 방출되는 방출광을 검출할 수 있도록 형성되는 검출모듈을 포함하고, 상기 발광모듈은, 여기광을 발생시키는 광원소자, 및 상기 여기광을 안내하는 TIR(Total Internal Reflection) 렌즈를 포함한다.
Description
본 발명은 TIR 렌즈를 포함하는 타깃 분석물 검출장치에 관한 것이다.
현대인의 건강에 대한 관심이 높아지고, 기대 수명이 연장되면서, 병원균의 정확한 분석 및 환자의 유전자 분석 등 핵산 기반의 체외 분자진단에 대한 중요성이 높아지고 있으며, 그 수요가 증가하고 있는 실정이다. 핵산 기반의 분자진단은 검체 샘플로부터 핵산을 추출한 후, 추출된 핵산 중 타깃 핵산의 존재 유무를 확인하는 방식으로 이루어진다.
중합효소 연쇄반응(Polymerase chain reaction: PCR)은 가장 널리 사용되는 핵산 증폭 반응으로서, 이중가닥 DNA의 변성, DNA 주형으로의 올리고뉴클레오타이드 프라이머의 어닐링 및 DNA 중합효소에 의한 프라이머 연장의 반복된 사이클 과정을 포함한다(Mullis 등, 미국 특허 제4,683,195호, 제4,683,202호 및 제4,800,159호; Saiki et al., (1985) Science 230, 1350-1354).
이러한 핵산 등의 타깃 분석물질을 검출하는 장치에서, 광원소자는 샘플들에 여기광을 조사하고, 여기광에 의해 여기된 상기 샘플들에 포함된 광학표지는 광학 신호를 방출한다. 그리고 광검출기가 상기 광학표지에서 방출된 방출광을 감지하도록 구성된다. 이와 같은 광학 신호 검출방식의 장치에서는 샘플에 정확하게 여기광을 제공하고 광검출기에 정확하게 방출광을 제공할 필요가 있다. 일반적으로, 샘플에서 방출된 방출광은 빔스플리터에 의해 광검출기로 안내된다. 즉, 광원소자에서 조사된 여기광은 빔스플리터를 투과하여 샘플에 제공되고, 샘플에서 방출된 방출광은 빔스플리터에 반사되어 광검출기에 제공된다.
이때, 광검출기에서의 신호대비잡음비(SNR)가 낮아 검출 정확성이 저하되는 경우가 종종 존재한다. 따라서, 광검출기에서의 신호대비잡음비(SNR)를 높여 검출 정확성을 향상시키기 위한 다양한 시도가 진행되고 있다.
이러한 배경에서, 본 발명은 TIR 렌즈를 포함하는 타깃 분석물 검출장치를 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면은 샘플을 수용할 수 있도록 형성되는 샘플 홀더, 상기 샘플 홀더에 수용되는 샘플에 여기광을 조사할 수 있도록 형성되는 발광모듈, 및 상기 샘플에서 방출되는 방출광을 검출할 수 있도록 형성되는 검출모듈을 포함하고, 상기 발광모듈은, 여기광을 발생시키는 광원소자, 및 상기 여기광을 안내하는 TIR(Total Internal Reflection) 렌즈를 포함하는, 타깃 분석물 검출장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 발광모듈은, 상기 TIR 렌즈와 이격 배치되며 상기 TIR 렌즈에 의해 안내되는 여기광이 통과하도록 형성되는 여기광 필터부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 타깃 분석물 검출장치일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 TIR 렌즈는, 16° 내지 24°의 빔각(θa)을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 타깃 분석물 검출장치일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 TIR 렌즈는, 18° 내지 22°의 빔각(θa)을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 타깃 분석물 검출장치일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 샘플 홀더의 상부에 광축으로 배치되어 상기 여기광을 평행하게 안내하는 하나 이상의 대물렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는, 타깃 분석물 검출장치일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 대물렌즈는, 광축으로 2개 배치되는 것을 특징으로 하는, 타깃 분석물 검출장치일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광원소자와 상기 대물렌즈의 사이의 각(θb)은, 10° 내지 15°인 것을 특징으로 하는, 타깃 분석물 검출장치일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광원소자, 상기 TIR 렌즈, 상기 대물렌즈, 및 상기 샘플 홀더의 샘플 수용부는, 동일한 광축으로 배치되며, 상기 광원소자로부터 발생된 여기광은, 상기 TIR 렌즈, 상기 대물렌즈를 차례로 통과하여 상기 샘플 홀더의 샘플 수용부로 조사되는 것을 특징으로 하는, 타깃 분석물 검출장치일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 TIR 렌즈의 빔각(θa)과 상기 광원소자와 상기 대물렌즈 사이의 각(θb)은, 식 : 0.55 ≤ θb/θa ≤ 0.75을 만족하는 것을 특징으로 하는, 타깃 분석물 검출장치일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 샘플 홀더는, 복수의 샘플 영역으로 구분되고, 각 영역에는 복수의 샘플 수용부가 형성되며, 상기 발광모듈은, 복수의 광원소자를 포함하고, 각 광원소자는 각 샘플 영역에 여기광을 조사하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 타깃 분석물 검출장치일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 검출모듈은, 복수의 광검출기를 포함하고, 각 광검출기는 각 샘플 영역에서 방출되는 방출광을 감지하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 타깃 분석물 검출장치일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 여기광 필터부는, 복수의 필터가 원주 방향으로 배치되는 여기광 필터휠, 및 상기 여기광 필터휠을 회전 구동하는 여기광 필터휠 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 타깃 분석물 검출장치일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 발광모듈은, 복수의 광원소자를 포함하고, 적어도 2개의 광원소자는 동일한 여기광 필터휠에 배치된 복수의 필터 중 서로 상이한 필터를 통과하는 여기광을 조사하도록 배치된 것을 특징으로 하는, 타깃 분석물 검출장치일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 발광모듈이 TIR 렌즈를 포함하고, TIR 렌즈의 빔각을 특정 범위로 제어함으로써, 샘플 영역의 구역별 광학 균일성을 저하하지 않으면서도 샘플 영역에 조사되는 여기광의 광도가 높아져 신호대비잡음비(SNR)가 개선될 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 타깃 분석물 검출장치의 측면도이다.
도 2의 (a)는 발광모듈에서 대물렌즈로 광이 조사되었을 때 대물렌즈의 중심에서 벗어나는 각도에 따라 측정되는 광의 상대적인 세기를 나타낸다. 도 2의 (b)는 발광모듈에서 발생된 여기광이 대물렌즈를 지나 샘플 영역으로 조사되는 경우를 나타내는 개념도이다.
도 3은 복수의 샘플 영역으로 구분되는 샘플 홀더와 복수의 광원소자를 구비하는 발광모듈의 위치관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 복수의 샘플 영역으로 구분되는 샘플 홀더와 여기광 필터부의 위치관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈, 스페이서, 필드스탑을 포함하는 렌즈 하우징의 분해도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈, 스페이서, 필드스탑을 포함하는 렌즈 하우징의 단면도이다.
도 7의 (a) 내지 (c)는 각각 필드스탑의 다양한 실시예에 따른 단면도를 나타낸다.
도 2의 (a)는 발광모듈에서 대물렌즈로 광이 조사되었을 때 대물렌즈의 중심에서 벗어나는 각도에 따라 측정되는 광의 상대적인 세기를 나타낸다. 도 2의 (b)는 발광모듈에서 발생된 여기광이 대물렌즈를 지나 샘플 영역으로 조사되는 경우를 나타내는 개념도이다.
도 3은 복수의 샘플 영역으로 구분되는 샘플 홀더와 복수의 광원소자를 구비하는 발광모듈의 위치관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 복수의 샘플 영역으로 구분되는 샘플 홀더와 여기광 필터부의 위치관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈, 스페이서, 필드스탑을 포함하는 렌즈 하우징의 분해도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈, 스페이서, 필드스탑을 포함하는 렌즈 하우징의 단면도이다.
도 7의 (a) 내지 (c)는 각각 필드스탑의 다양한 실시예에 따른 단면도를 나타낸다.
이하, 본 발명을 실시예와 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시 예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
또한, 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 본 발명의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b), (i), (ⅱ) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수 있는 것으로 이해될 수 있다.
본 발명은 샘플 내 타깃 분석물질을 검출하기 위한 검출 장치에 관한 것이다.
본 명세서에서 "샘플"은 생물학적 샘플 (예를 들어, 세포, 조직 및 생물학적 소스에서 나온 유체) 및 비생물학적 샘플 (예를 들어, 음식, 물 및 토양)을 포함할 수 있다. 상기 생물학적 샘플은 바이러스, 세균, 조직, 세포, 혈액 (예를 들어 전혈, 혈장 및 혈청), 림프, 골수액, 타액, 객담(sputum), 스왑(swab), 흡인액(aspiration), 젖, 소변, 분변, 안구액, 정액, 뇌 추출물, 척수액, 관절액, 흉선액, 기관지 세척액, 복수 및 양막액일 수 있다. 또한, 샘플은 생물학적 공급원으로부터 단리된 자연 핵산 분자 및 합성 핵산 분자를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 의하면, 상기 샘플은 물, 탈 이온수, 식염수, pH 완충액, 산성 용액, 염기성 용액과 같은 추가 물질을 포함할 수 있다.
타깃 분석물질은 분석 대상이 되는 분석물질(analyte)를 말한다. 상기 분석은 예를 들어, 샘플 내 분석물질의 존부, 함량, 농도, 서열, 활성 또는 특성에 대한 정보를 수득하는 것을 의미할 수 있다. 분석물질은 다양한 물질(예를 들어, 생물학적 물질 및 화합물과 같은 비생물학적 물질)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 분석물질은 핵산 분자(예를 들어, DNA 및 RNA), 단백질, 펩타이드, 탄수화물, 지질, 아미노산, 생물학적 화합물, 호르몬, 항체, 항원, 대사물질 및 세포와 같은 생물학적 물질을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 분석물질은 핵산 분자일 수 있다.
따라서 본 발명의 타깃 분석물 검출 장치는 타깃 핵산 검출 장치일 수 있다. 타깃 핵산 검출 장치는 샘플 내 핵산 반응이 진행되도록 하며, 이를 통하여 타깃 핵산을 검출한다.
핵산 반응은 샘플 내 특정 서열의 핵산의 존재여부 또는 그 양에 의존적으로 신호를 발생시키는 일련의 물리적, 화학적 반응을 의미한다. 상기 핵산 반응은 샘플 내 특정 서열의 핵산과 다른 핵산 또는 물질과의 결합, 상기 샘플 내 특정 서열의 핵산의 복제, 절단 또는 분해를 포함하는 반응일 수 있다. 상기 핵산 반응은 핵산 증폭 반응을 수반하는 반응일 수 있다. 상기 핵산 증폭 반응은 타겟 핵산의 증폭을 포함할 수 있다. 상기 핵산 증폭 반응은 타깃 핵산을 특이적으로 증폭하는 반응일 수 있다.
상기 핵산 반응은 샘플 내 타겟 핵산의 존재/부존재 또는 양에 의존적으로 신호를 발생시킬 수 있는 반응인 신호-발생 반응일 수 있다. 이러한 신호-발생 반응은 PCR, 실시간 PCR, 마이크로어레이와 같은 유전적 분석 과정일 수 있다.
핵산 반응을 이용하여 타깃 핵산의 존재를 나타내는 광학적 신호를 발생시키는 다양한 방법이 알려져 있다. 대표적인 예는 다음을 포함한다: TaqManTM 프로브 방법(미국특허 제5,210,015호), 분자 비콘 방법(Tyagi 등, Nature Biotechnology v.14 MARCH 1996), 스콜피온(Scorpion) 방법(Whitcombe 등, Nature Biotechnology 17:804-807(1999)), 선라이즈(Sunrise 또는 Amplifluor) 방법(Nazarenko 등, 2516-2521 Nucleic Acids Research, 25(12):2516-2521(1997), 및 미국특허 제6,117,635호), 럭스(Lux) 방법(미국특허 제7,537,886호), CPT(Duck P, 등. Biotechniques, 9:142-148(1990)), LNA 방법 (미국특허 제6,977,295호), 플렉서(Plexor) 방법(Sherrill CB, 등, Journal of the American Chemical Society, 126:4550-4556(2004)), HybeaconsTM (D. J. French, et al., Molecular and Cellular Probes (2001) 13, 363-374 및 미국특허 제7,348,141호), 이중표지된 자가-퀀칭된 프로브(Dual-labeled, self-quenched probe; 미국특허 제5,876,930호), 혼성화 프로브(Bernard PS, et al., Clin Chem 2000, 46, 147-148), PTOCE(PTO cleavage and extension) 방법(WO 2012/096523), PCE-SH(PTO Cleavage and Extension-Dependent Signaling Oligonucleotide Hybridization) 방법(WO 2013/115442), PCE-NH(PTO Cleavage and Extension-Dependent Non-Hybridization) 방법(PCT/KR2013/012312) 및 CER 방법(WO 2011/037306).
본 발명의 일 실시예에 따른 타깃 분석물 검출장치는 핵산 검출장치일수 있으며, 타깃 핵산 존재에 의존적으로 발생하는 신호를 검출할 수 있다. 핵산 검출장치는 핵산 증폭을 동반하여 신호를 증폭하여 검출할 수 있다. 또는 핵산 검출장치는 핵산 증폭을 동반하지 않고, 신호를 증폭하여 검출하는 것도 가능하다. 바람직하게는 핵산 증폭을 동반하여 신호를 검출한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 타깃 분석물 검출장치(10)는 핵산 증폭장치를 포함할 수 있다.
핵산 증폭장치는 특정 뉴클레오타이드 서열을 갖는 핵산을 증폭하는 핵산 증폭 반응을 수행할 수 있는 장치를 의미한다. 상기 핵산의 증폭을 위한 방법으로는 중합효소연쇄반응(the polymerase chain reaction (PCR)), 리가아제 연쇄반응(ligase chain reaction (LCR)) (미국특허 제4,683,195호 및 제4,683,202호; PCR Protocols: A Guide to Methods and Applications (Innis et al., eds, 1990)), 가닥 치환 증폭(strand displacement amplification (SDA)) (Walker, et al. Nucleic Acids Res. 20(7):1691-6 (1992); Walker PCR Methods Appl 3(1):1-6 (1993)), 전사 매개 증폭(transcription-mediated amplification) (Phyffer, et al., J. Clin. Microbiol. 34:834-841 (1996); Vuorinen, et al., J. Clin. Microbiol. 33:1856-1859 (1995)), 염기순서기반증폭(nucleic acid sequence-based amplification (NASBA)) (Compton, Nature 350(6313):91-2 (1991)), 롤링서클 증폭(rolling circle amplification, RCA) (Lisby, Mol. Biotechnol. 12(1):75-99 (1999); Hatch et al., Genet. Anal. 15(2):35-40 (1999)) 및 Q-beta 레플리카제(Q-Beta Replicase) (Lizardi et al., BiolTechnology 6:1197 (1988)) 등이 있다.
일 실시예에 따른 타깃 분석물 검출장치(10)는 온도의 변화를 수반하면서 핵산 증폭 반응을 수행하는 장치일 수 있다. 예를 들어, 특정 염기 서열을 갖는 DNA(deoxyribonucleic acid)를 증폭하기 위해 핵산 증폭장치는 변성 단계(denaturing step), 어닐링 단계(annealing step), 연장 (혹은 증폭) 단계(extension step)를 실시할 수 있다.
변성 단계는 주형 핵산인 이중 가닥의 DNA를 포함하는 시료 및 시약을 포함하는 용액을 특정 온도, 예를 들어 약 95℃로 가열하여 이중 가닥의 DNA를 단일 가닥의 DNA로 분리하는 단계이다. 어닐링 단계는 증폭하고자 하는 핵산의 뉴클레오타이드 서열과 상보적인 뉴클레오타이드 서열을 갖는 올리고뉴클레오티드(oligonucleotide) 프라이머를 제공하고, 분리된 단일 가닥의 DNA와 함께 특정 온도, 예를 들어 60℃로 냉각하여 단일 가닥의 DNA의 특정 뉴클레오타이드 서열에 프라이머를 결합시켜 부분적인 DNA-프라이머 복합체를 형성하는 단계이다. 연장 단계는, 어닐링 단계 이후 상기 용액을 특정 온도, 예를 들어 72℃로 유지하여 DNA 중합효소(polymerase)에 의해 부분적인 DNA-프라이머 복합체의 프라이머를 기초로 이중 가닥의 DNA를 형성하는 단계를 수행한다.
전술한 3 단계들을 예를 들어 10회 내지 50회로 반복함으로써 상기 특정 뉴클레오타이드 서열을 갖는 DNA를 기하급수적으로 증폭할 수 있다. 경우에 따라, 핵산 증폭장치는 어닐링 단계와 연장 단계를 동시에 수행할 수 있다. 이 경우 핵산 증폭장치는 변성 단계와 어닐링/연장 단계로 구성된 2 단계들을 수행함으로써 제1 순환을 완성할 수도 있다.
특히, 일 실시예에 따른 타깃 분석물 검출장치(10)는 온도의 변화를 수반하면서 핵산 증폭 반응 및 핵산의 존재에 의존적으로 광학 신호를 발생시키는 반응을 수행하고 발생되는 광학 신호를 검출하는 장치일 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 타깃 분석물 검출장치의 측면도이다.
일 실시예에 따른 타깃 분석물 검출장치(10)는 샘플 홀더(100), 발광모듈(200) 및 검출모듈(300)을 포함한다.
샘플은 타깃 분석물을 검출하고자 하는 물질을 의미한다. 상기 샘플은 생물학적 샘플(예컨대, 생물학적 공급원으로부터의 세포, 조직, 및 유체) 및 비-생물학적 샘플(예컨대, 식품, 물 및 토양)을 포함한다. 생물학적 샘플은 바이러스, 세균, 조직, 세포, 혈액, 혈청, 혈장, 림프, 객담(sputum), 스왑(swab), 흡인액(aspiration), 기관지 폐포 세척액, 우유, 소변, 분변, 안구액, 타액, 정액, 뇌 추출물, 척수액(SCF), 충수, 비장 및 편도 조직 추출물, 양수 및 복수를 포함하나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 샘플은 생물학적 공급원으로부터 단리된 자연 핵산 분자 및 합성 핵산 분자를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서 샘플은 타깃 분석물 검출에 필요한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 샘플은 물, 탈 이온수, 식염수, pH 완충액, 산성 용액, 염기성 용액과 같은 추가 물질을 포함할 수 있다. 또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 샘플은 광학표지를 포함할 수 있다. 상기 광학표지는 타깃 핵산의 존재에 따라 광학 신호를 발생시키는 표지를 의미한다. 상기 광학표지는 형광표지일 수 있다. 본 발명에서 유용한 상기 형광표지는 당업계에 알려진 어떠한 분자도 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 발광모듈(200)은 샘플 홀더(100)에 수용된 샘플에 적절한 광학 자극을 공급하며, 검출모듈(300)은 이에 반응하여 샘플로부터 발생하는 광학 신호를 감지한다.
광학 신호(optical signal)는 발광(luminescence), 인광(phosphorescence), 화학발광(chemiluminescence), 형광(fluorescence), 편광형광(polarized fluorescence) 또는 다른 유색 신호(colored signal)일 수 있다. 상기 광학 신호는 샘플에 광학 자극을 주고, 이에 반응하여 발생하는 광학 신호일 수 있다.
샘플 홀더(100)는 샘플을 수용하는 샘플 수용부가 형성된다. 즉, 샘플 홀더(100)는 샘플 수용부에 샘플을 직접 수용하거나 샘플을 포함하는 반응 용기를 수용하는 부품(component)이다.
본 명세서에서, 표현 "샘플 홀더(100)는 샘플을 수용할 수 있다"는 샘플 홀더(100)가 샘플 수용부에 직접 샘플을 수용하거나 샘플을 포함하는 반응 용기를 수용하는 경우를 포괄적으로 나타내기 위하여 사용될 수 있다.
샘플 홀더(100)는 샘플을 미리 정해진 위치에 위치시켜, 발광모듈(200)로부터 광학 자극이 샘플에 도달하며, 샘플로부터 발생하는 광학 신호가 검출모듈(300)에 도달하도록 한다.
샘플 홀더(100)에는 열 발생 소자에 의하여 열이 공급될 수 있으며, 샘플 홀더(100)에 직접 수용된 샘플 또는 반응 용기에 수용된 샘플에 열이 전달된다.
반응 용기는 다양한 소재, 예를 들어, 플라스틱, 세라믹, 유리, 또는 금속으로 제작될 수 있다.
반응 용기를 수용하는 샘플 홀더(100)는 블록 또는 플레이트의 형상을 가질 수 있다. 반응 용기를 수용하는 샘플 홀더(100)는 상기 반응 용기를 수용하는 리세스(recess), 예를 들어 웰(well)을 포함하거나 평평한 표면을 가질 수 있다. 반응 용기를 수용하는 샘플 홀더(100)는 반응 용기의 위치를 가이드하거나 샘플 반응 용기를 고정시킬 수 있는 구조를 가질 수 있다.
하나의 샘플 홀더(100)는 하나 이상의 샘플을 수용할 수 있도록 형성된다.
반응 용기를 수용하는 샘플 홀더(100)의 대표적인 일 예는 열 블록이다. 열 블록은 복수의 웰들 또는 홀들을 포함하고, 웰들 또는 홀들에 반응 용기들이 수용될 수 있다.
샘플 홀더(100)가 샘플 반응 용기들을 수용한다는 것은 샘플 반응 용기들이 샘플 홀더(100)에 형성된 복수의 웰들에 놓인 상태 또는 샘플 홀더 상의 배정된 위치에 놓인 상태를 의미할 수 있다.
반응 용기는 분석하고자 하는 샘플을 수용하기 위하여 사용되며, 다양한 형태의 용기, 예를 들어, 튜브(tube), 바이알(vial), 복수 개의 단일 튜브가 연결된 스트립(strip), 복수 개의 튜브가 연결된 플레이트(plate), 마이크로카드(microcard), 칩(chip), 큐벳(cuvette) 또는 카트리지(cartridge)를 포함한다.
샘플을 직접 수용하는 샘플 홀더(100)는 상술한 반응 용기의 형상을 가질 수 있고, 상술한 반응 용기의 소재로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 샘플 홀더(100)는 열 전도성을 갖는 소재로 형성될 수 있다. 샘플 홀더(100)가 샘플과 직접 접촉하거나 또는 반응 용기들과 접촉하면, 샘플 홀더(100)로부터 샘플 또는 반응 용기 내의 샘플에 열이 전달될 수 있다.
샘플 홀더(100)는 알루미늄, 금, 은, 니켈 또는 구리 등 금속으로 제작되거나 플라스틱 또는 세라믹으로 제작될 수 있다.
이와 같이 샘플 홀더(100)는 복수의 샘플을 수용할 수 있도록 형성되며, 복수의 샘플의 온도를 조절하여 핵산 증폭 반응과 같은 검출을 위한 반응이 일어날 수 있게 한다. 일 예로, 샘플 홀더(100)가 복수의 웰이 형성된 열블록인 경우, 상기 샘플 홀더(100)는 하나의 열블록으로 형성되며, 상기 열블록의 모든 웰은 서로 열적으로 독립되어 있지 않게 형성될 수 있다. 이러한 경우 상기 샘플 홀더(100)에서 샘플이 수용되는 모든 웰들의 온도는 서로 동일하며, 수용된 샘플들을 서로 상이한 프로토콜에 따라 온도를 조절할 수 없다.
다른 일 예로, 샘플 홀더(100)는 상기 샘플 홀더(100)에 수용되는 샘플들 중 일부를 상이한 프로토콜에 따라 온도를 조절할 수 있도록 구성될 수 있다. 다시 말해 샘플 홀더(100)는 열적으로 독립된 2 이상의 반응 영역을 포함할 수 있다. 각각의 반응 영역들은 열적으로 독립적이다. 하나의 반응 영역에서 다른 반응 영역으로 열이 이동되지 않는다. 예를 들어, 반응 영역들의 사이에는 단열 물질(insulating material) 또는 에어 갭(air gap)이 존재할 수 있다. 반응 영역들 각각의 온도는 독립적으로 제어될 수 있다. 반응 영역들 각각에 대하여 온도 및 시간을 포함하는 반응 프로토콜을 개별적으로 설정할 수 있으며, 반응 영역들 각각은 독립적인 프로토콜에 의하여 반응을 수행할 수 있다. 반응 영역들에서는 독립적인 프로토콜에 의하여 반응이 진행되므로, 반응 영역들에서의 광 검출 시점은 서로 독립적이다.
일 실시예에 따르면, 샘플 홀더(100)은 복수의 샘플 영역(110)으로 구분될 수 있다. 상기 샘플 영역(110)은 발광모듈(200)의 여기광 조사 영역에 의하여 구분되는 영역이다.
즉, 본 개시의 발광모듈(200)은 복수의 광원소자(210)를 포함할 수 있으므로, 샘플 홀더(100)는 복수의 샘플 영역으로 구분될 수 있다. 복수의 샘플 영역(110) 각각은, 동일한 광원소자(210)에 의하여 광학 신호 검출 반응이 진행되는 샘플들이 위치하는 샘플 홀더(100) 상의 영역을 의미한다. 다시 말해 본 개시의 샘플 영역(110)은 샘플 홀더(100)에 포함되는 복수의 반응자리 중 동일한 광원소자(210)에 의하여 광학 신호 검출 반응이 진행되는 반응자리의 그룹을 의미한다. 즉, 샘플 영역(110)은 광원소자(210)의 여기광 조사 영역에 의하여 구분되는 영역이다. 각 샘플 영역(110)에는 하나 이상의 웰 또는 홀이 형성될 수 있다. 도 1에는 샘플 홀더(100)가 2개의 샘플 영역(110a, 110b)으로 구분된 예를 도시하고 있으나, 본 발명의 샘플 홀더(100)는 이에 제한되지 아니한다. 본 발명의 샘플 홀더(100)는 예를 들어, 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 8개, 10개, 12개, 16개, 20개, 24개의 샘플영역을 포함하는 샘플 홀더(100) 일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 샘플 홀더(100)가 열블록인 경우 열 용량을 줄이기 위해 웰들 사이에 형성된 빈 공간이 존재할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 샘플 홀더(100)에서 복수의 웰들 또는 복수의 홀들은 규칙적인 배열로 형성되어 있다. 예를 들어, 복수의 웰은 열(column)과 행(row)을 이루는 매트릭스(matrix) 형태로 형성되어 있다. 4 x 4 형태의 16-웰, 6 x 4 형태의 24-웰, 4 x 8 형태의 32-웰, 5 x 12 형태의 60-웰, 5 x 18 형태의 90-웰, 8 x 12 형태의 96-웰 등 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 이들로 제한되지 않지만 16-웰, 32-웰, 96-웰이 주로 사용될 수 있다. 웰들의 형상, 크기 등은 수용되는 반응 용기에 적합하도록 결정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 타깃 분석물 검출장치(10)는 써멀모듈(410), 써멀리드(420), 방열플레이트(430) 및 냉각팬(440)을 포함할 수 있다.
써멀모듈(410)은 샘플 홀더(100)의 온도를 높이거나 낮출 수 있다. 써멀모듈(410)은 샘플 홀더(100)의 아래에 배치되고, 샘플 홀더(100)와 접촉하여 샘플 홀더(100)에 열을 전달하거나 샘플 홀더(100)로부터 열을 흡수할 수 있다. 일 예로, 써멀모듈(410)은 펠티어 소자 또는 열선일 수 있고, 이들이 연결된 FPCB 기판을 포함할 수 있다.
써멀모듈(410)은 샘플 홀더(100)의 실시예 또는 전기를 공급하는 방식에 따라 다양한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 샘플 홀더(100)의 특정 영역을 커버할 수 있는 정도의 면적을 가지는 다각 형상의 플레이트 형상, 전기 전도성 단자를 선형태로 압착한 열선 형상일 수 있으며, 이러한 써멀모듈(410)들은 파워 모듈과 전기적으로 연결되어 파워 모듈로부터 제공받은 전력을 이용하여 발열할 수 있다.
써멀리드(420)는 샘플 홀더(100)에 수용된 반응 용기들에 열 및 압력 중 하나 이상을 제공한다. 써멀리드(420)는 반응 용기들의 커버에 접촉하고, 반응 용기들의 커버를 눌러서 반응 용기들에 압력을 제공할 수 있다. 또한, 써멀리드(420)는 고온을 유지할 수 있다. 예를 들어, 써멀리드(420)는 105℃의 온도를 유지하는 히트 플레이트(heat plate, 미도시)를 포함할 수 있다.
써멀리드(420)는 복수의 홀들을 포함한다. 써멀리드(420)의 홀들은 샘플 홀더(100)의 웰들과 대응되는 위치에 형성된다. 여기광 및 방출광은 써멀리드(420)의 홀을 통과하여 지나갈 수 있다.
방열플레이트(430)는 샘플 홀더(100) 또는 써멀모듈(410)의 아래에 위치할 수 있다. 방열플레이트(430)는 수동 열 교환기(passive heat exchanger)로서 샘플 홀더(100) 또는 써멀모듈(410)의 아래에 배치되어 샘플 홀더(100) 또는 써멀모듈(410)로부터 열을 외부로 효율적으로 방출한다.
방열플레이트(430)은 금속, 세라믹 또는 플라스틱으로 형성될 수 있다. 방열플레이트(430)은 방열 면적을 넓히기 위한 복수개의 방열핀을 포함할 수 있다. 복수개의 방열핀은 방열플레이트(430)의 베이스부에 수직으로 일렬 배치되거나, 방사상으로 배열될 수 있다. 방열플레이트(430)에 형성된 방열핀은 실시 형태에 따라 다양한 방향으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 스트레이트 핀(straight fin)이 방열플레이트(130)의 베이스부의 X축 또는 Y축 방향으로 배열될 수 있다.
냉각팬(440)은 방열플레이트(430)를 냉각하도록 외기를 제공한다. 냉각팬(440)은 샘플 홀더(100)를 직접 냉각시키는 것 보다는 샘플 홀더(100)에 열적으로 연결된 방열플레이트(430)을 냉각시켜 상기 샘플 홀더(100)를 냉각시킬 수 있다. 냉각팬(440)은 공지된 다양한 종류의 냉각팬을 사용할 수 있다. 예를 들어, 축류팬(axial fans), 원심팬(centrifugal fans) 및 크로스 플로우 팬(cross flow fans)을 사용할 수 있다.
한편, 본 발명의 타깃 분석물 검출장치(10)는 발광모듈(200) 및 대물렌즈(600)를 포함한다. 상기 발광모듈(200)은 광원소자(210), TIR 렌즈(220) 및 여기광 필터부(230)를 포함한다.
발광모듈(200)은 샘플에 포함된 광학표지를 여기시키기 위해 광을 방출한다. 발광모듈(200)의 광원소자(210)가 방출하는 광은 여기광(excitation light)으로 표시될 수 있다. 샘플이 방출하는 광은 방출광(emission light)으로 표시될 수 있다. 각 광원소자(210)로부터 방출된 여기광의 경로는 여기 경로(excitation path)로 표시될 수 있다. 샘플로부터 방출된 방출광의 경로는 방출 경로(emission path)로 표시될 수 있다. 광원소자(210)와 광검출기(310)는 샘플 홀더(100)에 대하여 정확한 광 경로를 유지하기 위하여 고정된 위치에 배치될 수 있다.
광원소자(210)는 유기 LED, 무기 LED 및 양자점 LED를 포함하는 LED(Light Emitting Diode), tunable 레이저, He-Ne 레이저, Ar 레이저를 포함하는 레이저 유닛일 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 의하면, 상기 광원소자(210)는 LED일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 발광모듈(200)은 광원소자(210)를 고정시키기 위한 광원소자 지지체(240)를 추가로 포함할 수 있다. 광원소자 지지체(240)는 광원소자(210)가 목적하는 샘플 영역에 고르게 광을 공급할 수 있도록 광원소자(210)를 배열하고 고정시킨다. 상기 광원소자 지지체(240)는 외부로부터 전압이 인가될 수 있도록 배선이 형성되어 있는 기판, 즉 PCB(Printed Circuit Board)일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 발광모듈(200)이 복수의 광원소자(210)를 포함하는 경우, 복수의 광원소자(210)는 각각 샘플 홀더(100)의 상이한 샘플 영역(110)에 광을 조사하도록 형성된다. 즉, 각 광원소자(210)는 개별적으로 할당된 샘플 영역(110)에 여기광을 조사한다. 이때, 검출모듈(300)은 복수의 광검출기(310)를 포함할 수 있으며, 복수의 광검출기(310)는 각각 샘플 홀더(100)의 상이한 샘플 영역(110) 중 각각 할당된 샘플 영역(110)에서 방출되는 방출광을 감지하도록 형성된다. 각 광검출기(310)는 할당된 샘플 영역(110)에서 발생하는 광학 신호를 검출할 수 있다.
TIR(Total Internal Reflection) 렌즈(220)는 광원소자(210)와 인접하게 배치 또는 결합되어 상기 광원소자(210)에서 조사되는 여기광을 안내한다. 상기 TIR 렌즈(220)는 광원소자(210)에서 조사되는 여기광의 광도(LI, Luminous Intensity), 즉 여기광의 세기를 높이기 위해 내부 전반사를 통해 상기 여기광을 안내하도록 형성된다. 즉, 상기 TIR 렌즈(220)는 광원소자(210)로부터 광범위하게 조사되는 광을 모으는 기능을 수행한다. 상기 TIR 렌즈(220)를 이용하여 광원소자(210)에서 조사되는 여기광의 세기를 높이면 광검출기(310)에서의 신호대비잡음비(SNR, Signal to Noise Ratio)가 높아져 타깃 분석물 검출의 정확도가 높아질 수 있다. 한편, 상기 광원소자(210)에서 조사되는 여기광을 시준(collimating)하는, 즉 평행광으로 만들어주는 시준렌즈가 상기 TIR 렌즈(220) 대신에 사용될 수도 있다.
발광모듈(200)이 복수의 광원소자(210) 및 복수의 TIR 렌즈(220)를 포함하는 경우, 각 광원소자(210)에는 각 TIR 렌즈(220)가 인접하게 배치 또는 결합될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 광원소자(210)와 TIR 렌즈(220)는 하나의 조립체(assembly)로 형성될 수 있으며, 상기 조립체는 목적하는 샘플 영역에 고르게 광을 공급할 수 있도록 광원소자 지지체(240)에 배열 및 고정될 수 있다.
대물렌즈(600)는 상기 샘플 홀더(100)의 상부에 광축으로 배치되며, 상기 발광모듈(200)로부터 조사되는 여기광이 상기 샘플 홀더(100)의 샘플 수용부를 향하도록 평행하게 안내하거나 집광하도록 형성된다. 상기 대물렌즈(600)는 광축으로 하나 이상 배치될 수 있으며, 바람직하게는 광축으로 2개 배치될 수 있다.
한편, 샘플 홀더(100)가 복수의 샘플 영역(110)으로 구분되는 경우, 각 샘플 영역(110)의 상부에는 각 대물렌즈(600)가 배치될 수 있다. 이때, 상기 대물렌즈(600)는 상기 샘플 영역(110)에 대응되는 평면 형상을 갖도록 형성될 수 있다.
도 2의 (a)는 발광모듈에서 대물렌즈로 광이 조사되었을 때 대물렌즈의 중심에서 벗어나는 각도에 따라 측정되는 광의 상대적인 세기를 나타내고, 도 2의 (b)는 발광모듈에서 발생된 여기광이 대물렌즈를 지나 샘플 영역으로 조사되는 경우를 나타내는 개념도이다.
도 2를 참조하면, 광원소자(210), TIR 렌즈(220), 대물렌즈(600) 및 각 샘플 영역(110)의 샘플 수용부는, 동일한 광축, 즉 수직 방향으로 배치될 수 있다. 상기 광원소자(210)로부터 발생된 여기광은, 상기 TIR 렌즈(220), 상기 대물렌즈(600)를 차례로 통과하여 상기 샘플 영역(110)의 샘플 수용부로 조사될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 샘플 영역(110)은 4 X 4 형태의 16-샘플 수용부를 갖도록 형성될 수 있다. 이때, 상기 샘플 영역(110)은 상기 여기광이 도달하는 구역에 따라 A ZONE, B ZONE, C ZONE으로 구분될 수 있다. A ZONE은 중앙부 4개의 샘플 수용부를 포함하는 구역이고, B ZONE은 측면부 6개의 샘플 수용부를 포함하는 구역이며, C ZONE은 모서리부 4개의 샘플 수용부를 포함하는 구역이다.
도 2를 참조하면, TIR 렌즈(220)는 광원소자(210)로부터 상기 샘플 영역(110)으로 광범위하게 조사되는 광을 일정한 빔각(Beam angle, θa)을 이루도록 제어하여 안내한다.
이때, TIR 렌즈의 빔각(θa)이란, 광원소자(210)에서 조사되는 광이 TIR 렌즈(220)를 지나 대물렌즈(600)까지의 거리(L)에 해당하는 영역에 도달했을 때, 해당 영역의 중심부(O)에서 측정되는 상대적인 광도(Relative Intensity)의 50%에 해당하는 광도를 갖는 지점과 광원소자(210)가 이루는 각도의 하프각(half angle)을 의미한다. 그리고, 광원소자와 대물렌즈 사이의 각(
b)이란, 대물렌즈(600)의 최외곽과 광원소자(210)가 이루는 각도의 하프각(half angle)을 의미한다. 도 1에서, 샘플 홀더(100)를 향하여 개구되는 차단모듈(500)의 개구부(512)가 대물렌즈(600) 보다 작게 도시되었으나, 실질적으로 개구부(512)는 대물렌즈의 크기와 대응되는 크기를 갖도록 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, TIR 렌즈의 빔각(θa)은 16° 내지 24°일 수 있으며, 바람직하게는 18° 내지 22°일 수 있다. 그리고, 광원소자와 대물렌즈 사이의 각(θb)은 10° 내지 15°일 수 있다.
일 실시예에 따르면, TIR 렌즈의 빔각(θa)과 광원소자와 대물렌즈 사이의 각(θb)은, 하기 식을 만족할 수 있다.
식 : 0.55 ≤ θb/θa ≤ 0.75
θb/θa 가 0.75 보다 크면, 샘플 영역(110)에 조사되는 여기광의 광도(LI)가 높아지고 광검출기(310)에서의 신호대비잡음비(SNR)가 개선되어 타깃 분석물 검출의 정확도가 향상될 수 있으나, 샘플 영역(110)의 A ZONE과 C ZONE 사이의 상대적인 광도 차이가 커져 구역별 광학 균일성(Optical Uniformity)이 낮아질 수 있다.
θb/θa 가 0.55 보다 작으면, 샘플 영역(110)의 A ZONE과 C ZONE 사이의 상대적인 광도 차이가 작아져 구역별 광학 균일성(Optical Uniformity)이 높아질 수 있으나, 샘플 영역(110)에 조사되는 여기광의 광도(LI)가 충분하지 않아 광검출기(310)에서의 신호대비잡음비(SNR)가 개선되지 않을 수 있다.
여기광 필터부(230)는 광원소자(210)로부터 조사되는 광을 필터(filtration)한다. 필터는 광원소자(210)로부터 조사되는 광 중 특정 파장대역의 광을 선택적으로 통과시키거나, 특정 파장대역의 광을 선택적으로 통과시키지 않는 것을 의미한다. 여기광 필터부(230)는 상기 광원소자(210)로부터 조사되는 광 중 특정 파장대역의 광을 선택적으로 통과시켜 샘플에 조사되도록 한다. 이로써, 샘플 내 포함된 광학표지 중 특정 광학표지만이 광학 신호를 발생하게 된다.
여기광 필터부(230)는 TIR 렌즈(220)와 이격 배치되며 상기 TIR 렌즈(220)에 의해 안내되는 여기광이 통과하도록 형성된다.
여기광 필터부(230)는 파장대역을 달리하는 복수의 필터(231)가 원주 방향으로 배치되는 여기광 필터휠(232) 및 상기 여기광 필터휠(232)을 회전 구동하는 여기광 필터휠 구동부(234)를 포함할 수 있다.
필터(231)는 밴드패스 필터일 수 있다. 상기 밴드패스 필터는 일정 파장대역의 광을 선택적으로 투과시키는 필터를 의미한다. 상기 밴드패스 필터를 투과하는 광의 파장대역을 상기 필터(231)의 패스밴드(passband)라고 한다. 상기 패스밴드는 파장대역의 형태로 표시될 수 있다. 특정 패스밴드를 포함하는 필터(231)란 상기 특정 패스밴드에 포함되는 파장의 광을 통과시키는 필터를 의미한다.
여기광 필터휠(232)에 배치되는 복수개의 필터(231) 각각은 서로 상이한 광학표지를 여기시킬 수 있는 광을 통과시킬 수 있다. 따라서, 일 실시예에 의하면, 복수개의 필터(231) 각각의 패스밴드는 서로 중첩되지 않거나 서로 상이할 수 있다. 복수개의 필터(231) 각각은 서로 상이한 광학표지를 선택적으로 여기시키기 위하여 배치된 것일 수 있다.
여기광 필터휠 구동부(234)는 여기광 필터휠(232)의 회전축(233)과 연결되어 상기 여기광 필터휠(232)을 회전 구동시킨다. 상기 여기광 필터휠 구동부(234)는 예를 들어 모터를 포함하여 형성될 수 있다. 상기 모터는 예를 들어 AC 모터, DC 모터, 스텝모터, 서보모터 또는 리니어 모터 일 수 있으며, 바람직하게는 스텝모터일 수 있다. 상기 여기광 필터휠 구동부(234)에 의해 광원소자(210)에는 여기광 필터휠(232)의 각 필터(231)들이 교대로 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 발광모듈(200)이 복수의 광원소자(210)를 포함하는 경우, 적어도 2개의 광원소자(210)는 동일한 여기광 필터휠(232)에 배치된 복수의 필터(231) 중 서로 상이한 필터를 통과하는 여기광을 조사하도록 배치될 수 있다.
도 3은 복수의 샘플 영역으로 구분되는 샘플 홀더와 복수의 광원소자를 구비하는 발광모듈의 위치관계를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 복수의 샘플 영역으로 구분되는 샘플 홀더와 여기광 필터부의 위치관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 일 실시예 따른 샘플 홀더(100)는 8 X 12 형태의 96-샘플 수용부를 포함하며, 6개의 샘플 영역(110a, 110b, 110c, 110d, 110e, 110f)으로 구분될 수 있다. 상기 샘플 영역(110a, 110b, 110c, 110d, 110e, 110f)은 각각 4 X 4 형태의 16-샘플 수용부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 발광모듈(200)은 광원소자 지지체(240)에 고정된 6개의 광원소자(210)를 포함할 수 있다. 각 광원소자(210)에는 TIR 렌즈(220)가 인접하게 배치 또는 결합될 수 있다. 6개의 광원소자(210)는 각각 샘플 홀더(100)의 상이한 샘플 영역(110a, 110b, 110c, 110d, 110e, 110f)에 광을 조사하도록 형성된다. 즉, 각 광원소자(210)는 개별적으로 할당된 샘플 영역(110a, 110b, 110c, 110d, 110e, 110f)에 여기광을 조사한다.
6개의 광원소자(210)는 2개의 여기광 필터부(230)를 통해 6개의 샘플 영역(110a, 110b, 110c, 110d, 110e, 110f)으로 조사될 수 있다. 즉, 4개의 광원소자(210)는 하나의 여기광 필터부(230)에 형성된 복수의 필터(231) 중 서로 상이한 필터(231)를 통과하여 4개의 샘플 영역(110a, 110b, 110c, 110d)으로 조사될 수 있고, 2개의 광원소자(210)는 다른 하나의 여기광 필터부(230)에 형성된 복수의 필터(231)중 서로 상이한 필터(231)를 통과하여 2개의 샘플 영역(110e, 110f)으로 조사될 수 있다.
한편, 도 3과 도 4에는 하나의 광원소자(210)가 하나의 샘플 영역(110)에 대응되는 것으로 도시하였지만, 이와 달리 복수의 광원소자가 하나의 샘플 영역에 대응될 수도 있다.
또한, 도 3과 도 4에는 4개의 광원소자(210)가 하나의 여기광 필터휠(232)을 공유하고, 여기광 필터휠(232)에는 4개의 필터(231)가 마련되는 것을 도시하였다. 그러나 이와 달리 4개 보다 적은 복수의 광원소자가 하나의 여기광 필터휠을 공유하거나, 5개 이상의 복수의 광원소자가 하나의 여기광 필터휠을 공유하는 것도 가능하다.
또한, 하나의 여기광 필터휠에는 4개 보다 적은 복수의 필터가 마련되거나, 5개 이상의 복수의 필터가 마련되는 것도 가능하다. 예를 들어, 4개의 광원소자는 5개의 필터를 구비하는 하나의 여기광 필터휠을 공유하도록 마련될 수 있다. 그리고 5개의 필터 각각은 여기광 필터휠의 회전축을 중심으로 동일 반경 상에 배치되되, 원주 방향 등간격으로 8 등분한 위치들 중 어느 하나의 위치에 마련될 수 있다.
한편, 위에서 설명한 광원소자(210)와 여기광 필터휠(230)에 대한 설명은 광검출기(310)와 방출광 필터휠(320)에 적용될 수 있다. 그리고 광원소자(210)와 여기광 필터휠(230)의 대응구조는 광검출기(310)와 방출광 필터휠(320)의 대응구조와 동일할 수도 있고 다를 수도 있다. 그리고 여기광 필터휠(230)의 필터 개수 및 배치형상은 방출광 필터휠(320)의 필터 개수 및 배치형상과 동일할 수도 있고 다를 수도 있다.
한편, 도 1에 따르면, 본 발명의 타깃 분석물 검출장치(10)는 검출모듈(300)을 포함한다. 상기 검출모듈(300)은 샘플 홀더(100)에 수용된 샘플로부터 발생하는 광학 신호를 감지한다. 상기 검출모듈(300)은 광검출기(310), 방출광 필터부(320), 복수의 렌즈(330), 필드스탑(340) 및 스페이서(350)를 포함한다.
광검출기(310)는 광학 신호의 세기에 따라 전기 신호를 발생시켜 광학 신호를 검출할 수 있다. 광검출기(310)는 샘플에 포함된 광학표지에서 방출되는 방출광을 감지할 수 있도록 형성된다. 광검출기(310)는 광의 파장을 구분하여 파장별 광량을 감지하거나, 파장에 상관없이 총 광량을 감지하는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 광검출기(310)는 예를 들어 포토 다이오드, 포토 다이오드 어레이, 광전자 증배관(photo multiplier tube; PMT), CCD 이미지 센서, CMOS 이미지 센서, APD(avalanche photodiode) 등을 사용할 수 있다.
방출광 필터부(320)는 광검출기(310)와 이격 배치되며 상기 샘플로부터 방출되는 방출광이 통과하도록 형성된다.
방출광 필터부(320)는 파장대역을 달리하는 복수개의 필터(321)가 원주 방향으로 배치되는 방출광 필터휠(322) 및 상기 방출광 필터휠(322)을 회전 구동하는 방출광 필터휠 구동부(324)를 포함할 수 있다.
방출광 필터휠(322)에 배치되는 복수개의 필터(321)는 샘플에 포함된 광학 표지에서 방출되는 방출광을 선택적으로 통과시키기 위한 필터이다. 샘플에 포함된 광학표지에서 방출되는 방출광 외 다른 파장대역의 광이 광검출기(310)에 감지되는 경우 광학 신호를 정확하게 검출할 수 없다. 필터(321)는 광학표지에서 방출되는 방출광을 선택적으로 통과시켜 타깃 분석물을 정확하게 검출할 수 있게 한다.
방출광 필터휠 구동부(324)는 방출광 필터휠(322)의 회전축(323)과 연결되어 상기 방출광 필터휠(322)을 회전 구동시킨다. 상기 방출광 필터휠 구동부(324)는 예를 들어 모터를 포함하여 형성될 수 있다. 상기 모터는 예를 들어 AC 모터, DC 모터, 스텝모터, 서보모터 또는 리니어 모터 일 수 있으며, 바람직하게는 스텝모터일 수 있다. 상기 방출광 필터휠 구동부(324)에 의해 광검출기(310)에는 방출광 필터휠(322)의 각 필터(321)들이 교대로 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 검출모듈(300)은 복수의 광검출기(310)를 포함하고, 적어도 2개의 광검출기(310)는 동일한 방출광 필터휠(322)에 배치된 복수의 필터(321) 중 서로 상이한 필터를 통과한 방출광을 감지하도록 배치될 수 있다.
복수의 렌즈(330)는 광검출기(310)로 진입하는 방출광의 광축으로 배치되며, 상기 방출광이 상기 광검출기(310)에 상으로 맺히도록 초점을 조절한다. 즉, 샘플로부터 방출되는 방출광은 상기 복수의 렌즈(330) 및 상기 방출광 필터부(320)를 차례로 통과하여 상기 광검출기(310)에 결상될 수 있다. 복수의 렌즈(330)는 상기 방출광의 초점 조절 정도에 따라 2개, 3개, 4개, 5개 등 다양한 개수로 구성될 수 있다. 또한, 복수의 렌즈(330)는 하나 이상의 오목렌즈 및 하나 이상의 볼록렌즈를 포함하는 조합으로 구성될 수 있다.
스페이서(350)는 상기 복수의 렌즈(330)의 각 렌즈 사이에 배치되어, 각 렌즈 사이의 간격을 일정하게 유지시키도록 형성된다. 일 예로, 상기 스페이서(350)는 간격조절 링일 수 있다. 스페이서(350)는 상기 복수의 렌즈(330)의 개수에 대응하여 복수개가 배치될 수 있다.
필드스탑(340)은 상기 복수의 렌즈(330) 사이 특정 위치에 배치되어, 방출광 이외의 광이 광검출기(310)에 상으로 맺히는 것을 차단하도록 형성된다. 일 예로, 상기 필드스탑(340)은 시야 조리개일 수 있으며, 상기 필드스탑(340)의 내경(D)은 스페이서(350)의 내경보다 작게 형성될 수 있다. 즉, 상기 필드스탑(340)은 샘플에서 방출되는 방출광이 아닌, 예를 들어 써멀리드(420) 등에서 반사되는 광이 광검출기(310)에 도달하는 것을 방지하여 광학적 노이즈를 감소시킬 수 있다. 한편, 필드스탑(340)은 렌즈 사이의 간격을 일정하게 유지시키는 기능도 수행할 수 있다. 즉, 필드스탑(340)은 방출광 이외의 광을 차단하는 기능과 렌즈 사이의 간격을 일정하게 유지시키는 기능 중 1 이상을 수행할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈, 스페이서, 필드스탑을 포함하는 렌즈 하우징의 분해도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈, 스페이서, 필드스탑을 포함하는 렌즈 하우징의 단면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 본 발명의 검출모듈(300)은 서로 축 방향으로 결합되며 각각 하나 이상의 렌즈를 수용하는 제1 렌즈 하우징(361) 및 제2 렌즈 하우징(362)을 포함한다. 이때, 상기 제1 렌즈 하우징(361)은 상기 광검출기(310)로부터 원위측에 배치되고, 상기 제2 렌즈 하우징(362)은 상기 광검출기(310)로부터 근위측에 배치될 수 있다. 제1 렌즈 하우징(361)과 제2 렌즈 하우징(362)은 서로의 결합을 용이하게 하는 다양한 결합 방식이 적용될 수 있으나, 바람직하게는 나사 결합 방식으로 결합될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 필드스탑(340)은 상기 제1 렌즈 하우징(361) 내부에서 상기 광검출기(310)로부터 근위측에 배치되는 렌즈와 상기 제2 렌즈 하우징(362) 내부에서 상기 광검출기(310)로부터 원위측에 배치되는 렌즈 사이에 위치할 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 렌즈 하우징(361)은 광검출기(310)로부터 원위측에서부터 차례로 제1 렌즈(331), 제1 스페이서(351), 제2 렌즈(332) 및 필드스탑(340)을 수용할 수 있다. 이때, 필드스탑(340)은 상기 제1 렌즈 하우징(361) 내부로 삽입 결합되면서 상기 제1 하우징(361) 내부의 상기 제1 렌즈(331)와 상기 제2 렌즈(332)를 가압하여 정해진 위치에 고정될 수 있도록 한다. 일 예로, 필드스탑(340)과 제1 렌즈 하우징(361)의 결합은 나사 결합일 수 있으며, 필드스탑(340)이 제1 렌즈 하우징(361)과 나사 결합될 때, 토크를 측정하여 제1 렌즈(331)와 제2 렌즈(332)가 정해진 위치에 있는지 여부를 판단할 수 있다.
제2 렌즈 하우징(362)은 광검출기(310)로부터 근위측에서부터 차례로 제3 렌즈(333), 제2 스페이서(352), 제4 렌즈(334), 제3 스페이서(353), 제5 렌즈(335) 및 제4 스페이서(354)을 수용할 수 있다. 이때, 제4 스페이서(354)는 상기 제2 렌즈 하우징(362) 내부로 삽입 결합되면서 상기 제2 하우징(362) 내부의 상기 제3 렌즈(333), 제4 렌즈(334) 및 상기 제5 렌즈(335)를 가압하여 정해진 위치에 고정될 수 있도록 한다. 일 예로, 제4 스페이서(354)와 제2 렌즈 하우징(362)의 결합은 나사 결합일수 있으며, 제4 스페이서(354)가 제2 렌즈 하우징(362)과 나사 결합될 때, 토크를 측정하여 제3 렌즈(333), 제4 렌즈(334) 및 제5 렌즈(335)가 정해진 위치에 있는지 여부를 판단할 수 있다.
이처럼, 검출모듈(300)이 각각 하나 이상의 렌즈를 수용하는 제1 렌즈 하우징(361)과 제2 렌즈 하우징(362)을 포함하고, 제1 렌즈 하우징(361)과 제2 렌즈 하우징(362)의 결합 부위에 필드스탑(340)이 마련됨으로써 각 렌즈의 결합 및 정위치 고정이 용이하며, 유지보수가 용이할 수 있다.
도 7의 (a) 내지 (c)는 각각 필드스탑의 다양한 실시예에 따른 단면도를 나타낸다. 도 7에 따르면, 제2 렌즈(332)는 광검출기(310) 방향으로 볼록한 렌즈일 수 있으며, 필드스탑(340)은 상기 제2 렌즈(332)의 볼록한 측면을 지지하는 일측이 단차지게 형성되거나(도 7의 (a)), 경사지게 형성되거나(도 7의 (b)), 상기 제2 렌즈의 곡면에 대응하는 곡면으로 형성될 수 있다(도 7의 (c)). 즉, 제2 렌즈(332)의 볼록한 측면과 필드스탑(340)의 접촉부위를 넓힘으로써 상기 제2 렌즈(332)에 가해지는 압력을 분산시켜 상기 제2 렌즈(332)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 한편, 도 1에 따르면, 본 발명의 타깃 분석물 검출장치(10)는 차단모듈(500)을 포함한다.
차단모듈(500)은 빔스플리터(520) 및 상기 빔스플리터(520)에 의해 형성되는 여기광 및 방출광의 경로에 따라 배치되는 차단부(510)를 포함한다.
빔스플리터(520)는 발광모듈(200)로부터 입사된 여기광을 반사 및 투과시키며, 샘플로부터의 방출광을 반사 및 투과시킨다. 따라서, 발광모듈(200)로부터의 여기광이 샘플 홀더(100)에 수용된 샘플에 도달하고 샘플로부터의 방출광이 검출모듈(300)에 도달한다.
차단부(510)는 여기광의 경로 및 방출광의 경로에 따라 배치될 수 있다. 차단부(510)는 상기 여기광의 경로에 의해 정해지는 내부 통로를 형성한다. 내부 통로는 여기광의 경로 및 방출광의 경로에 의해 정해질 수 있다.
차단부(510)는 발광모듈(200)로부터 샘플에 조사된 여기광 및 검출모듈(300)로 방출되는 방출광이 차단부(510)의 내부 통로를 통해 통과되도록 한다. 이때, 각 내부 통로의 일부 구간에서는 여기광 및 방출광이 동일한 경로를 통해 통과할 수 있다. 여기광이 조사되어야만 방출광이 방출되므로 상기 여기광 및 방출광의 두 경로가 겹쳐지지는 않지만 동일한 경로를 통해 통과될 수 있다. 샘플 홀더(100)에 광이 조사되면 이에 반응하여 광이 조사된 샘플 홀더(100)의 샘플에서 방출광이 방출되기 때문에 차단부(510)에 수용된 빔스플리터(520)에 방출광이 도달되기 전까지의 방출광 경로와 여기광이 샘플에 조사되기까지의 경로가 동일할 수 있다.
여기광의 경로는 빔스플리터(520)에서 샘플 홀더(100)에 도달하는 제1 광경로 및 빔스플리터(520)에서 차단부(510)에 도달하는 제2 광경로를 포함한다. 즉, 제1 광경로는 여기광이 빔스플리터(520)에서 샘플 홀더(100)에 도달하는 광경로이며, 제2 광경로는 여기광이 빔스플리터(520)에서 차단부(510)에 도달하는 광경로이다. 여기광은 발광모듈(200)로부터 빔스플리터(520)에 도달한 후 제1 광경로 및 제2 광경로로 나뉘어진다. 일 실시예에 의하면, 제1 광경로의 광은 빔스플리터(520)를 투과하는 여기광일 수 있으며 제2 광경로의 광은 빔스플리터(520)에 반사되는 여기광일 수 있다.
차단부(510)는 발광모듈(200)을 향하여 개구되는 개구부(511), 샘플 홀더(100)를 향하여 개구되는 개구부(512) 및 검출모듈(300)을 향하여 개구되는 개구부(513)를 포함하며, 상기 개구부(511, 512, 513) 및 내부 통로를 통해 여기광이 발광모듈(200)에서 조사되어 샘플 홀더(100)에 도달하고 방출광이 샘플 홀더(100)에서 방출되어 검출모듈(300)에 도달한다.
차단모듈(500)은 차단부(510)에 의한 제2 광경로 광의 반사광이 검출모듈(300)에 도달하는 것을 저감하도록 상기 반사광의 반사각을 조정하는 노이즈 저감 구조(530, noise-decreasing structure)를 포함한다.
차단부(510)에 도달하는 제 2 광경로의 광은 차단부(510)에 흡수 및 차단될 수 있으며, 노이즈 저감 구조(530)에 의해 차단부(510)에 흡수되지 못하고 반사되는 반사광이 검출모듈(300)에 도달하는 것이 저감되고 노이즈 성능이 개선될 수 있다. 노이즈 저감 구조(530)에 의해 차단부(510)에서 반사된 반사광이 빔스플리터(520)를 투과하거나 빔스플리터(520)에 반사되어 검출모듈(300)에 도달하는 것이 저감된다. 따라서, 노이즈 저감 구조(530)는 빔스플리터(520)와 대향되게 위치할 수 있다. 상기 노이즈 저감 구조(530)를 포함하지 않는 경우, 차단부(510)의 내측면에서 반사된 제2 광경로의 광이 빔스플리터(520)를 투과하거나 빔스플리터(520)에 반사되어 검출모듈(300)에 도달할 수 있다. 일 실시예에 의하면, 노이즈 저감 구조(530)는 빔스플리터(520)를 사이에 두고 검출모듈(300)을 향하는 개구부(513)의 반대측에 위치할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 노이즈 저감 구조(530)는 차단부(510)의 내측면에 경사지게 형성될 수 있다. 노이즈 저감 구조(530)가 경사지게 형성됨으로써 차단부(510)에 도달하는 제2 광경로의 광이 입사되는 방향에 대해 경사지게 반사된다. 즉, 노이즈 저감 구조(530)는 경사진 정도에 따라 상기 반사광의 반사각을 조정할 수 있다.
차단모듈(500)은 복수의 샘플 영역(110) 각각에 조사되는 여기광의 경로 및 상기 복수의 샘플 영역(110) 각각에서 방출되는 방출광의 경로에 따라 각 샘플 영역(110)에 배치된 복수의 차단부(510)를 포함할 수 있다.
차단모듈(500)은 복수의 광원 소자(210)의 각각이 서로 상이한 샘플 영역(110)에 광을 조사할 때 이웃하는 샘플 영역들 사이에서 여기광들이 서로 섞여 크로스토크(cross-talk) 현상이 발생하는 것을 방지하도록 상이한 샘플 영역(110)별 여기광 경로를 기준으로 위치하도록 형성된다.
노이즈 저감 구조(530)는 복수의 차단부(510) 각각에 형성되어, 각 여기광의 경로가 포함하는 제2 광경로 광의 반사광이 검출모듈(300)에 도달하는 것을 저감하도록 반사광의 반사각을 조정할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 품질에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 타깃 분석물 검출장치
100: 샘플 홀더
110: 샘플 영역 200: 발광모듈
210: 광원소자 220: TIR 렌즈
230: 여기광 필터부 231: 필터
232: 여기광 필터휠 233: 회전축
234: 여기광 필터휠 구동부 300: 검출모듈
310: 광검출기 320: 방출광 필터부
321: 필터 322: 방출광 필터휠
323: 회전축 324: 방출광 필터휠 구동부
330: 렌즈 340: 필드스탑
350: 스페이서 361: 제1 렌즈 하우징
362: 제2 렌즈 하우징 410: 써멀모듈
420: 써멀리드 430: 방열플레이트
440: 냉각팬 500: 차단모듈
510: 차단부 520: 빔스플리터
530: 노이즈 저감 구조 600: 대물렌즈
110: 샘플 영역 200: 발광모듈
210: 광원소자 220: TIR 렌즈
230: 여기광 필터부 231: 필터
232: 여기광 필터휠 233: 회전축
234: 여기광 필터휠 구동부 300: 검출모듈
310: 광검출기 320: 방출광 필터부
321: 필터 322: 방출광 필터휠
323: 회전축 324: 방출광 필터휠 구동부
330: 렌즈 340: 필드스탑
350: 스페이서 361: 제1 렌즈 하우징
362: 제2 렌즈 하우징 410: 써멀모듈
420: 써멀리드 430: 방열플레이트
440: 냉각팬 500: 차단모듈
510: 차단부 520: 빔스플리터
530: 노이즈 저감 구조 600: 대물렌즈
Claims (13)
- 샘플을 수용할 수 있도록 형성되는 샘플 홀더;
상기 샘플 홀더에 수용되는 샘플에 여기광을 조사할 수 있도록 형성되는 발광모듈; 및
상기 샘플에서 방출되는 방출광을 검출할 수 있도록 형성되는 검출모듈을 포함하고,
상기 발광모듈은, 여기광을 발생시키는 광원소자, 및 상기 여기광을 안내하는 TIR(Total Internal Reflection) 렌즈를 포함하는, 타깃 분석물 검출장치. - 제1항에 있어서,
상기 발광모듈은, 상기 TIR 렌즈와 이격 배치되며 상기 TIR 렌즈에 의해 안내되는 여기광이 통과하도록 형성되는 여기광 필터부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 타깃 분석물 검출장치. - 제1항에 있어서,
상기 TIR 렌즈는, 16° 내지 24°의 빔각(θa)을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 타깃 분석물 검출장치. - 제3항에 있어서,
상기 TIR 렌즈는, 18° 내지 22°의 빔각(θa)을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 타깃 분석물 검출장치. - 제1항에 있어서,
상기 샘플 홀더의 상부에 광축으로 배치되어 상기 여기광을 평행하게 안내하는 하나 이상의 대물렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는, 타깃 분석물 검출장치. - 제5항에 있어서,
상기 대물렌즈는, 광축으로 2개 배치되는 것을 특징으로 하는, 타깃 분석물 검출장치. - 제5항에 있어서,
상기 광원소자와 상기 대물렌즈의 사이의 각(θb)은, 10° 내지 15°인 것을 특징으로 하는, 타깃 분석물 검출장치. - 제5항에 있어서,
상기 광원소자, 상기 TIR 렌즈, 상기 대물렌즈, 및 상기 샘플 홀더의 샘플 수용부는, 동일한 광축으로 배치되며,
상기 광원소자로부터 발생된 여기광은, 상기 TIR 렌즈, 상기 대물렌즈를 차례로 통과하여 상기 샘플 홀더의 샘플 수용부로 조사되는 것을 특징으로 하는, 타깃 분석물 검출장치. - 제5항에 있어서,
상기 TIR 렌즈의 빔각(θa)과 상기 광원소자와 상기 대물렌즈 사이의 각(θb)은, 하기 식을 만족하는 것을 특징으로 하는, 타깃 분석물 검출장치.
식 : 0.55 ≤ θb/θa ≤ 0.75 - 제1항에 있어서,
상기 샘플 홀더는, 복수의 샘플 영역으로 구분되고, 각 영역에는 복수의 샘플 수용부가 형성되며,
상기 발광모듈은, 복수의 광원소자를 포함하고, 각 광원소자는 각 샘플 영역에 여기광을 조사하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 타깃 분석물 검출장치. - 제10항에 있어서,
상기 검출모듈은, 복수의 광검출기를 포함하고, 각 광검출기는 각 샘플 영역에서 방출되는 방출광을 감지하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 타깃 분석물 검출장치. - 제2항에 있어서,
상기 여기광 필터부는, 복수의 필터가 원주 방향으로 배치되는 여기광 필터휠, 및 상기 여기광 필터휠을 회전 구동하는 여기광 필터휠 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 타깃 분석물 검출장치. - 제12항에 있어서,
상기 발광모듈은, 복수의 광원소자를 포함하고, 적어도 2개의 광원소자는 동일한 여기광 필터휠에 배치된 복수의 필터 중 서로 상이한 필터를 통과하는 여기광을 조사하도록 배치된 것을 특징으로 하는, 타깃 분석물 검출장치.
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