KR100845332B1 - Biochip integrated with diffractive optical elements for cell viability tests - Google Patents
Biochip integrated with diffractive optical elements for cell viability testsInfo
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Abstract
Description
본 발명은 회절 광학 소자가 집적된 세포 생장성 측정용 판과 이를 이용한 초점 평면(focal plane) 형성 차이에 의한 세포 생장성 측정방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 세포 생장성 측정용 판에 집적된 회절 광학 소자에 의해 회절된 빛은 세포가 살아 있는 경우에는 특정 높이에서 초점이 일치하고(on focus), 세포의 생장성에 이상이 생기는 경우 세포 표면 형질(morphology) 차이에 의해 초점이 불일치하게 되므로(off focus), 이러한 초점 평면 형성 차이를 이미지 장치로 분석하여 세포 생장성을 분석할 수 있게 한 것이다. 이러한 장치 및 방법은 신속 정확한 세포 생장성 측정이 요구되는 의약과 진단분야 및 바이오칩에 응용될 수 있다.The present invention relates to a plate for measuring cell growth in which diffractive optical elements are integrated, and a method for measuring cell growth due to a difference in focal plane formation. More specifically, the light diffracted by the diffractive optical element integrated in the cell growth measuring plate is on focus at a specific height when the cell is alive, and the cell surface when an abnormality occurs in the cell growth. Since the focus is mismatched due to morphology differences (off focus), the difference in focal plane formation can be analyzed by an imaging device to analyze cell growth. Such devices and methods can be applied in medicine, diagnostic fields, and biochips where rapid and accurate cell growth measurements are required.
세포 생장성의 측정을 위하여 pH를 측정하거나, 세포의 전위차를 측정하거나, 굴절율을 측정하는 방법 등이 제시되어 왔으나, 세포 수준의 변화를 실시간으로 전기적 신호로 변환시키는 데에 한계가 있었고, 형광을 띄도록 유전자 조작된 세포를 이용하는 경우에는 세포 생장성의 실시간 측정은 가능하나, 모든 세포가 유전자 조작이 가능한 것이 아니고, 가능하더라도 매우 복잡하고 비용이 많이 소요된다는 문제가 있었다.In order to measure cell growth, methods for measuring pH, measuring potential difference of cells, and measuring refractive index have been proposed, but there are limitations in converting changes in cell level into electrical signals in real time. In the case of using genetically engineered cells, it is possible to measure cell growth in real time, but there is a problem that not all cells are genetically engineered, and even if possible, they are very complicated and expensive.
한편, 회절 광학 소자의 하나인 초점 격자 커플러(focusing grating coupler)는 특정 지역에서 광학정보를 집적하여 하나의 점(spot)으로 발생시키는 광학 소자로서 통신 장비나 데이터의 저장수단으로 사용되고 있다[Hojun Ryu, DongWoo Suh, Yongwoo Park, Mun Cheol Paek and Kwangyon Kang, Japanese Journal of Applied Physics, 2005, Vol. 44, pp. 3416-3417].On the other hand, a focusing grating coupler, one of the diffractive optical elements, is an optical element that accumulates optical information in a specific area and generates it as a spot, and is used as a communication device or a means of storing data [Hojun Ryu , DongWoo Suh, Yongwoo Park, Mun Cheol Paek and Kwangyon Kang, Japanese Journal of Applied Physics, 2005, Vol. 44, pp. 3416-3417].
이에 본 발명자들은 세포 생장성의 측정을 위한 기존 방법의 문제점을 해결하기 위해 연구한 결과, 회절 광학 소자에 의해 회절된 빛이 세포 생장에 이상이 생긴 경우와 그렇지 않은 경우 초점 평면의 형성 위치가 다르게 되고 이 차이를 이미징 장치로 분석하면 세포 생장성을 측정할 수 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하였다.Therefore, the present inventors have studied to solve the problems of the conventional method for measuring cell growth. As a result, when the light diffracted by the diffractive optical element is abnormal in cell growth, the focal plane formation position is different. Analyzing this difference with an imaging device, it was found that cell growth can be measured, thus completing the present invention.
본 발명은 회절 광학 소자가 집적된 세포 생장성 측정용 판을 제공하는 것이다. The present invention provides a plate for measuring cell growth in which diffractive optical elements are integrated.
또한, 본 발명은 상기 측정용 판을 이용하여 다양한 조건에 따라 변화하는 세포 생장성을 실시간으로 간편하게 측정할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.In addition, the present invention is to provide a method that can easily measure in real time the cell growth that changes according to various conditions using the measuring plate.
본 발명은 회절 광학 소자가 집적된 세포 생장성 측정용 판을 그 특징으로 한다.The present invention is characterized by a plate for measuring cell growth in which diffractive optical elements are integrated.
또한, 본 발명은 상기 세포 생장성 측정용 판을 포함하는 바이오칩을 또 다른 특징으로 한다.In addition, the present invention is another feature of a biochip comprising the plate for measuring the cell growth.
또한, 본 발명은 회절 광학 소자가 집적된 세포 생장성 측정용 판에 세포를 위치시키는 단계; 상기 세포에 빛을 비추는 단계; 상기 세포에 입사한 빛이 광학 회절 소자를 거쳐 초점 평면에 모이는 단계; 및 상기 초점 평면에 존재하는 이미지 장치에서 처리한 데이터와 세포 생장성에 따른 초점 평면에 관한 데이터베이스의 결과를 비교하는 단계를 포함하는 세포 생장성 측정방법을 또 다른 특징으로 한다.In addition, the present invention comprises the steps of positioning the cells on the plate for cell growth measurement integrated with the diffractive optical element; Illuminating the cells; Collecting light incident on the cell through an optical diffraction element in a focal plane; And comparing the data processed by the image device existing in the focal plane with the results of a database relating to the focal plane according to cell growth.
이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Referring to the present invention in more detail as follows.
회절 광학 소자가 집적된 세포 생장성 측정용 판은 입사한 빛에 대하여 회절된 빛을 방출하게 되는데, 상기 회절 광학 소자와 접하여 존재하는 세포가 살아있는 경우와 세포가 죽어있는 경우의 회절된 빛의 초점 평면의 위치가 서로 다르다. 이러한 차이는 세포의 생장성에 따라 세포 표면 형질(morphology)에 의해 발생하는 것으로, 이미징 장치(Imaging device)를 살아있는 세포의 초점 평면의 높이에 위치시키면 이러한 신호가 이미징 장치에서 데이터로 저장되고, 이 데이터를 기존 실험으로 구축한 데이터베이스와 비교분석하여 세포 생장성을 측정할 수 있게 된다. The plate for measuring cell growth in which the diffractive optical element is integrated emits diffracted light with respect to the incident light, and the focal point of the diffracted light when the cells present in contact with the diffractive optical element are alive and when the cells are dead The planes are in different positions. This difference is caused by cell surface morphology depending on the growth of the cell. When the imaging device is placed at the height of the focal plane of the living cell, these signals are stored as data in the imaging device. It is possible to measure the cell growth by comparing and analyzing with a database constructed by existing experiments.
도 1에는 이러한 기본적인 원리를 나타내는 본 발명의 구현예를 나타낸다. 회절 광학 소자가 집적된 세포 생장성 측정용 판(1) 위에 존재하는 세포(도면에 나타내지 않음)의 표면 형질 차이에 따라 렌즈(2)를 통과한 빛의 초점 평면의 위치가 달라짐을 보여주고 있다. 살아있는 세포의 초점 평면에 이미징 장치를 위치시켜 초점 평면에 존재하는 이미징 장치에서 처리한 데이터와 세포 생장성에 따른 초점 평면의 위치에 관한 데이터베이스의 결과를 비교하여 세포 생장성을 측정한다. 실선으로 나타낸 것은 살아있는 세포의 회절광과 초점 평면을 나타낸 것이고, 점선으로 나타낸 것은 죽은 세포 또는 생장성에서 차이가 있는 세포의 것을 나타낸 것이다. 한편, 죽은 세포를 잘 보기 위해서는 죽은 세포의 초점 평면에 이미징 장치를 위치시킬 수도 있다.1 shows an embodiment of the present invention that illustrates this basic principle. It is shown that the position of the focal plane of the light passing through the lens 2 varies depending on the surface trait difference of cells (not shown) present on the cell growth measuring plate 1 in which the diffractive optical element is integrated. . Cell growth is measured by placing the imaging device in the focal plane of living cells and comparing the data processed by the imaging device in the focal plane with the results of the database on the location of the focal plane according to cell growth. Solid lines show diffraction light and focal plane of living cells, and dashed lines show dead cells or cells with differences in growth potential. On the other hand, the imaging device may be placed in the focal plane of the dead cells to see the dead cells well.
또한, 본 발명의 다른 구현예로서, 도 3에서는 살아있는 세포만 관찰하려고 하는 경우 죽은 세포의 약간 신호라도 충분히 노이즈(noise)로 작용할 수 있으므로, 핀 홀(pin hole)(4)을 이용해 죽은 세포의 신호를 제거할 수 있음을 나타낸다.In addition, as another embodiment of the present invention, in the case of trying to observe only the living cells in Figure 3, even a small signal of the dead cells can act as a noise (noise) sufficiently, so that the pin hole (4) Indicates that the signal can be removed.
또한, 본 발명의 또 다른 구현예로서, 도 4에서는 이미징 장치의 높이는 고정한 상태에서 회절 광학 소자가 집적된 세포 생장성 측정용 판 위에 미세 유동 채널(micro fluidic channel)(5)을 위치시켜 초점 평면의 위치가 이미징 장치의 높이로 조정될 수 있음을 보여준다. 이러한 미세 유동 채널에 진공이 아닌 다른 액체를 흘려 보내면 굴절율의 변화로 인해 초점 평면이 형성되는 높이가 달라질 것이고, 액체의 종류 또는 높이를 변경하여 굴절율을 조정한다면 도 4에서와 같이 이미징 장치의 높이를 유지하면서 살아있는 세포 또는 죽어가는 세포 중에서 측정하려는 세포를 더 밝게 모니터링할 수 있다.In still another embodiment of the present invention, in FIG. 4, the focal plane is placed by placing a micro fluidic channel 5 on the plate for measuring cell growth in which the diffractive optical element is integrated while the height of the imaging device is fixed. It can be seen that the position of can be adjusted to the height of the imaging device. If a non-vacuum liquid is flowed into the microfluidic channel, the height of the focal plane will be changed due to the change of the refractive index, and if the refractive index is adjusted by changing the type or height of the liquid, the height of the imaging device as shown in FIG. You can monitor the cells you want to measure brighter, whether live or dying.
본 발명의 회절 광학 소자(diffractive optical elements)의 바람직한 구현예의 하나로 광학 격자에 의해 회절하는 빛이 하나의 초점을 이루게 하기 위해서 광학 격자의 간격을 동일하지 않고, 서로 다르게 하여야 한다. 이러한 광학 격자를 처프된 격자(chirped grating)라 하며, 주로 광통신 또는 데이터 저장과 관련된 분야에서 사용되고 있었다. 처프된 격자는 각 격자의 크기가 다르고, 그에 의해 각 영역에의 입사하는 빛이 회절하는 특성이 다르다. 입사광은 격자의 각 부분에서 서로 다르게 회절하는데, 그 특성은 그 영역에서의 브래그 조건(Bragg condition)에 의해 결정된다. 도 5는 수하라 및 니시하라에 의해 제시된 처프된 격자의 한 예로서 θ는 입사각, L은 (x축에서의) 전체 길이, x, y, z는 각각의 축이며, Λ(x)는 센터 피리어드(center period)이며, center period = 0.5 ㎛, chirp rate = 0.05~0.2, 500~1000 lines이 집적된 소자를 나타낸다[Suhara and Nishihara, Intergrated Optics Components and Devices, IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. QE-22, NO. 6, JUNE 1986]. 상기 논문에서 수하라와 니시하라도 처프된 격자를 광통신 및 스펙트럼 측정기와 같은 계측 소자로만 활용하고 있었다. 도 6은 처프된 격자 중에서 반사형 처프된 격자를 나타낸 그림이다. 도 6에서 중요한 사항은 입사광과 반사광을 분리해주어야 한다는 것인데, 분리에서 사용되는 인자가 상(phase)이다. 그 상의 차이(Phase difference)를 계산하면 다음 수학식 1과 같다.As one of the preferred embodiments of the diffractive optical elements of the present invention, in order for the light diffracted by the optical grating to achieve a single focus, the intervals of the optical gratings are not equal, but must be different from each other. Such optical gratings are called chirped gratings and have been used primarily in the fields of optical communication or data storage. The chirped gratings have different sizes of gratings, thereby varying the diffraction characteristics of the light incident on each region. Incident light is diffracted differently in each part of the grating, the characteristic of which is determined by the Bragg condition in that region. 5 is an example of a chirped grating presented by Suhara and Nishihara, where θ is the angle of incidence, L is the overall length (in the x-axis), x, y, z are the respective axes, and Λ (x) is the center. Center period, 0.5 µm, chirp rate 0.05-0.2, 500-1000 lines integrated device [Suhara and Nishihara, Intergrated Optics Components and Devices, IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. QE-22, NO. 6, JUNE 1986]. In this paper, Suhara and Nishihara also used chirped gratings as measurement devices such as optical communication and spectrum analyzers. 6 shows a reflective chirped grating among the chirped gratings. An important point in FIG. 6 is that the incident light and the reflected light should be separated, and the factor used in the separation is phase. The phase difference is calculated as shown in Equation 1 below.
상기 수학식 1에서 θ는 입사각, f는 초점 길이, 그리고 n e 는 모드 인덱스(mode index)이다.In Equation 1, θ is an angle of incidence, f is a focal length, and n e is a mode index.
각 격자의 경계 조건에 의하여 번째 격자의 선 경계(line boundary)는 다음 수학식 2와 같다.The line boundary of the second lattice by the boundary conditions of each lattice is expressed by the following equation.
상기 격자의 효율도 얇은 격자로의 근사화를 통해 계산할 수 있는데, 그 결과가 다음 수학식 3과 같다.The efficiency of the lattice can also be calculated through approximation to a thin lattice, the result of which is shown in Equation 3 below.
위 식에서 d, R, n g 는 그루브 깊이(groove depth), 표면 반사특성(surface reflectivity), 그리고 매질(medium)이 그루브(groove; optical bone)로 채워졌다고 가정한 경우의 굴절율이다. d = λ/4n g 이고 인 경우, 는 40.5%의 최대값을 갖는다.Where d , R , and n g are the refractive indices assuming that groove depth, surface reflectivity, and medium are filled with grooves (optical bones). When d = λ / 4 n g and Has a maximum of 40.5%.
본 발명의 회절 광학 소자의 바람직한 구현예의 다른 하나로 처프된 격자보다 간단하면서 회절 초점을 만들 수 있는 광학 격자로 블레이즈 반사 격자(blazed reflection grating) 또는 블레이즈 격자가 있다. 블레이즈 격자는 도 7에 나타낸 것과 같이 일정한 각도를 갖고 비스듬하게 식각된 것으로, 회절된 빛이 특정한 초점으로 향하도록 하는 특징이 있다. 이 초점은 각 차수에 대해 하나씩 존재한다. 블레이즈 격자의 장점은 그 구조가 처프된 격자에 비해 간단하고, 식각하는 방법이 비교적 정형화되어 있다는 것이다.Another preferred embodiment of the diffractive optical element of the present invention is a blazed reflection grating or blaze grating as an optical grating that is simpler than a chirped grating and can produce diffraction focus. The blaze grating is etched at an angle and obliquely as shown in FIG. 7, and is characterized by directing the diffracted light to a specific focal point. This focus exists one for each order. The advantage of the blaze grating is that the structure is simpler than the chirped grating and the etching method is relatively formal.
이하, 실험예에 의거하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며 본 발명을 한정하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to experimental examples, but the following examples are provided to illustrate the present invention and are not intended to limit the present invention.
도 8은 회절 광학 격자를 이용한 세포 생장성 측정 장치의 일 구현예를 나타낸 것으로서, 파장이 약 635 nm인 레이저 광원(6)에서 나온 빛이 블레이즈 회절 광학 격자(7)를 통과하면서 회절 광학 소자가 집적된 세포 생장성 측정용 판 위의 세포(8)의 생장성에 따라 도와 같이 각 차수에 따라 여러 방향의 빛으로 나오게 된다. 이 여러 빛 중에서 가장 강한 빛은 0차의 빛으로 입사된 빛의 방향과 같은 방향을 갖는다. 생장성 측정을 위해 관찰할 빛은 0차의 빛보다는 약하나 회절하는 1차의 빛으로서 회절 광학 격자의 광학특성과 세포의 생장성에 의존한다.8 shows an embodiment of a cell growth measurement apparatus using a diffraction optical grating, wherein the light from the laser light source 6 having a wavelength of about 635 nm passes through the blaze diffraction optical grating 7 Depending on the growth of the cells (8) on the plate for measuring cell growth, the light is emitted in various directions for each order. The strongest of these lights has the same direction as the direction of light incident on zero order light. The light to be observed for growth growth is weaker than zeroth order light, but diffracted first order light depends on the optical properties of the diffractive optical grating and the cell growth.
상기 세포의 생장성에 따라 회절한 빛은 임의로 반사판(9)에 의해 반사된 후 X 마크 스크린(2)을 통과하고 이 통과한 빛이 이미징 장치(11)에서 처리된 후 그 결과를 종래 세포 생장성에 따른 초점 평면에 관한 데이터베이스의 결과를 비교하게 됩니다.The light diffracted according to the growth of the cells is optionally reflected by the reflector 9, then passes through the X mark screen 2, and the light passes through the imaging apparatus 11, and the result is then converted into conventional cell growth. You will compare the results of the database for the focal plane along.
실험예Experimental Example 1 One
실험예 1에서는 ThorLab사의 블레이즈 회절 광학 격자인 GT1325-08[830grooves/mm, 29.87(degrees), 13mm x 25mm, Gold coated]를 사용하였습니다. In Experiment 1, ThorLab's blaze diffraction optical grating GT1325-08 [830grooves / mm, 29.87 (degrees), 13mm x 25mm, Gold coated] was used.
도 9는 세포가 살아있을 경우의 회절 패턴을 나타낸 것이고, 도 10은 도 9의 윗면의 밝기를 3차원으로 도시한 것이다. 도 10에서 스크린의 X를 제외하고 솟아오른 부분이 회절광의 패턴이다.9 shows a diffraction pattern when the cells are alive, and FIG. 10 shows the brightness of the upper surface of FIG. 9 in three dimensions. In FIG. 10, the portion raised above the screen X is a pattern of diffracted light.
도 11은 살아있는 세포에 20(v/v)%의 에탄올을 투여하고 약 17분 후에 확인한 회절 패턴이고, 도 12는 도 11의 윗면의 밝기를 3차원으로 도시한 것이다.FIG. 11 is a diffraction pattern confirmed after about 17 minutes of administration of 20 (v / v)% of ethanol to living cells, and FIG. 12 shows the brightness of the upper surface of FIG. 11 in three dimensions.
간 세포로는 HepG2/C3A를 사용하였고, 20 (v/v)%의 에탄올을 투여하면 약 10분 후에 사멸하는 것으로 알려져 있으므로, 도 11 및 12는 사멸 후의 세포로 볼 수 있다.HepG2 / C3A was used as the liver cells, and it is known that the cells are killed after about 10 minutes when 20 (v / v)% of ethanol is administered.
살아있는 세포와 죽은 세포의 회절 패턴의 차이, 즉 도 9와 11 또는 도 10과 12의 차이를 육안으로 확인하기는 쉽지 않다. 그러나 이미징 장치를 통해 도 10과 12의 회절 패턴의 차이를 도시하면 도 13과 같이 나타낼 수 있다. 도 13은 스크린의 중앙을 표시하는 X 아래 좌측의 두 3차원 이미지의 차이를 도시한 것이다.It is not easy to visually identify the difference between the diffraction pattern of living and dead cells, that is, the difference between FIGS. 9 and 11 or 10 and 12. However, the difference between the diffraction patterns of FIGS. 10 and 12 through the imaging apparatus may be represented as shown in FIG. 13. FIG. 13 shows the difference between the two three-dimensional images below X, which marks the center of the screen.
또한, 선형 분석(line profile)에서는 위치 변화를 정량적으로 분석 가능하다. 도 14 및 15는 각각 세포가 살아있을 경우와 에탄올 투여 후 17분이 경과하였을 때, 세포가 살아있는 경우의 도에서는 밝았지만 세포에 에탄올을 투여한 후의 도에서는 어두웠던 부분을 선형적으로 분석한 결과의 그래프로서 각각 그 최고값이 140.16 및 138.56으로 약 1.5의 차이가 있음을 알 수 있다. 이는 1.5의 크기만큼 이 지점에서의 관찰되는 빛의 세기가 약해졌고, 초점 거리가 이동하였음을 의미한다.In addition, the linear profile (line profile) can be analyzed quantitatively the position change. Figures 14 and 15 show the results of a linear analysis of the dark areas in the diagrams of the cells alive and when the cells were alive when the cells were alive and when the cells were alive, but after the administration of ethanol, respectively. It can be seen from the graph that the peaks are 140.16 and 138.56, respectively, with a difference of about 1.5. This means that the intensity of light observed at this point is reduced by a magnitude of 1.5 and the focal length has shifted.
실험예Experimental Example 2 2
실험예 2에서는 ThorLab사의 블레이즈 회절 광학 격자인 GT25-80[830grooves/mm, 29.87(degrees), 25mm x 25mm, Uncoated]을 사용하였고, 간 세포는 실험예 1과 동일한 것을 사용하였다.In Experiment 2, GT25-80 [830grooves / mm, 29.87 (degrees), 25mm x 25mm, Uncoated], ThorLab's blaze diffraction optical grating, was used, and liver cells were used in the same manner as in Experiment 1.
도 16은 세포가 살아있을 경우의 회절 패턴이고, 도 17은 살아있는 세포에 20 (v/v)%의 에탄올을 투여하고 약 14분 후의 회절 패턴이다.FIG. 16 is a diffraction pattern when cells are alive, and FIG. 17 is a diffraction pattern after about 14 minutes of administration of 20 (v / v)% of ethanol to living cells.
도 16과 17의 회절 패턴의 차이를 3차원으로 나타낸 것이 도 18이다. 위의 그래프의 우측의 높은 피크들은 중앙을 표시하는 X이고, 이것의 아래 좌측의 약간 낮은피크들이 두 신호의 차이이다. 위의 그래프에서 육안으로도 확인할 수 있는 것처럼 위치는 거의 같으나 도달하는 빛의 세기가 더 강해졌음을 알 수 있다.18 illustrates the difference between the diffraction patterns of FIGS. 16 and 17 in three dimensions. The high peaks on the right side of the graph above are X, which marks the center, and the slightly lower peaks on the bottom left of this are the difference between the two signals. As can be seen with the naked eye in the graph above, the position is almost the same, but the intensity of light reaching is stronger.
이러한 빛의 세기의 차이는 스크린에 비친 강도의 선형 분석(line profile)을 통해 더 확실히 알 수 있다. 도 19는 세포가 살아있을 때의 선형 분석 그래프이고, 도 20은 세포에 에탄올 20 (v/v)%를 투여하고 약 14분이 경과하였을 때의 선형 분석 그래프이다. 도 19 및 20의 두 선형 분석 그래프에서 최고 피크의 그레이 값(gray value)가 각각 139.6 및 144.0으로 4.4의 차이를 보임을 확인할 수 있다. 이는 주어진 특정한 거리에서 두 경우의 촛점이 맞추어진 정도가 다르며, 이는 두 경우의 초점 거리에 정량적인 차이가 있음을 의미한다. This difference in light intensity can be seen more clearly through a linear profile of the intensity reflected on the screen. 19 is a linear analysis graph when the cells are alive, and FIG. 20 is a linear analysis graph when about 14 minutes have elapsed after the administration of 20 (v / v)% of ethanol to the cells. It can be seen that the gray values of the highest peaks in the two linear analysis graphs of FIGS. 19 and 20 show differences of 4.4 to 139.6 and 144.0, respectively. This differs in the degree of focusing of the two cases at a given specific distance, which means that there is a quantitative difference in the focal lengths of the two cases.
이러한 실험예 1 및 2의 결과를 종합하면, 세포의 생장성 차이에 의해 회절되는 빛에 의한 초점 평면이 형성되는 높이, 즉, 초점 거리(focal length)가 변화함을 확인할 수 있었다.Combining the results of Experimental Examples 1 and 2, it was confirmed that the height of the focal plane formed by the light diffracted by the difference in cell growth, that is, the focal length changed.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 세포 생장성 측정방법은 기존의 세포 생장성 측정방법에 비해 다양한 조건하에서 간편하게 실시간으로 세포 생장성을 측정할 수 있어 다양한 질병과 약품에 대한 세포 생장성의 차이를 분석하는 의학, 제약 분야에 활발히 사용되리라 기대된다. 또한, 기존의 생장성 측정이 형광 단백질 등 라벨(label)에 의존하고 있는 것에 비하여 본 발명은 세포에 대한 라벨이 필요 없이, 회절 광학 소자가 집적된 세포 생장성 측정용 판 또는 이를 포함하는 바이오칩과 광원, 영상 장비만으로 세포 생장성을 측정할 수 있는 방법을 제공한다.As described above, the method for measuring cell growth according to the present invention can easily measure cell growth in real time under various conditions, compared to conventional cell growth measurement methods, thereby analyzing the difference in cell growth for various diseases and drugs. It is expected to be actively used in medicine and pharmaceutical fields. In addition, the conventional growth measurement is dependent on the label (fluorescent protein, etc.), the present invention is a cell growth measurement plate integrated with a diffractive optical element or a biochip comprising the same without the need for labeling cells It provides a method for measuring cell growth with only a light source and an imaging device.
도 1은 본 발명의 원리를 설명하는 일 구현예를 나타낸 그림이다. 1 is a diagram illustrating one embodiment illustrating the principles of the present invention.
도 2는 본 발명의 세포 생장성 측정방법을 구현하기 위한 시스템의 일 구현예를 설명하는 그림이다.Figure 2 is a diagram illustrating an embodiment of a system for implementing the cell growth measurement method of the present invention.
도 3에서는 도 1에서 살아있는 세포와 죽은 세포의 회절된 빛에 의한 신호 중에서 핀 홀을 새로이 부가하여 죽은 세포의 신호를 제거할 수 있음을 나타낸 그림이다.3 is a diagram showing that the signal of the dead cells can be removed by newly adding a pinhole among the signals of diffracted light of living and dead cells in FIG.
도 4에서는 도 1과 달리 초점 평면의 위치에 이미징 장치의 높이를 변화시키지 않고 미세 유동 채널(micro fluidic channel)를 부가하여 회절된 빛에 의한 초점 평면을 변화시킬 수 있음을 나타낸 그림이다.In FIG. 4, unlike FIG. 1, a microfluidic channel may be added to the focal plane to change the focal plane due to diffracted light without changing the height of the imaging device.
도 5는 처프된 격자의 일 실시예를 나타낸 그림으로 는 입사각, L은 전체길이, x, y, z는 각각의 축이며, Λ(x)는 센터 피리어드(center period)이다.FIG. 5 is a diagram illustrating an embodiment of a chirped grating in which the angle of incidence, L is the total length, x, y, z are the respective axes, and Λ (x) is the center period.
도 6은 처프된 격자 중에서 하나인 반사형 처프된 격자의 일 실시예를 나타낸 그림으로 θ는 입사각, f는 초점 길이, 그리고 x는 격자 길이, x에 부기된 아래첨자는 격자 번호이다.FIG. 6 shows an embodiment of a reflective chirped grating, one of the chirped gratings, where θ is the angle of incidence, f is the focal length, and x is the grating length, and the subscript appended to x is the grating number.
도 7은 일정한 각도를 갖고 비스듬하게 식각된 블레이즈 격자의 일 실시예를 나타낸 그림이다.7 is a diagram illustrating an embodiment of a blade grating etched obliquely at a constant angle.
도 8은 회절 광학 격자를 이용한 세포 생장성 측정 장치의 일 구현예를 나타낸 것이다.8 shows an embodiment of a cell growth measurement apparatus using a diffraction optical grating.
도 9는 실험예 1의 세포가 살아있을 경우의 회절 패턴을 나타낸 것이다.9 shows a diffraction pattern when the cells of Experimental Example 1 are alive.
도 10은 도 10은 도 9의 윗면의 밝기를 3차원으로 도시한 것이다.FIG. 10 illustrates the brightness of the upper surface of FIG. 9 in three dimensions.
도 11은 실험예 1의 살아있는 세포에 20(v/v)%의 에탄올을 투여하고 약 17분 후에 확인한 회절 패턴이다.FIG. 11 is a diffraction pattern confirmed after about 17 minutes of administration of 20 (v / v)% of ethanol to the living cells of Experimental Example 1. FIG.
도 12는 도 11의 윗면의 밝기를 3차원으로 도시한 것이다.FIG. 12 illustrates the brightness of the upper surface of FIG. 11 in three dimensions.
도 13은 이미지 장치를 통해 도 10과 12의 스크린의 중앙을 표시하는 X 아래 좌측의 두 3차원 이미지의 차이를 도시한 것이다. FIG. 13 shows the difference between the two three-dimensional images below left, which marks the center of the screens of FIGS. 10 and 12 via an imaging device.
도 14는 세포가 살아있을 때, 세포가 살아있는 경우의 도 9에서는 밝았지만 세포에 에탄올을 투여한 후의 도 11에서는 어두웠던 부분을 선형적으로 분석한 결과의 그래프이다.FIG. 14 is a graph of a linear analysis of the dark portions in FIG. 11 after the administration of ethanol to the cells, while the cells are alive and bright in FIG. 9 when the cells are alive.
도 15는 세포에 에탄올 투여 후 17분이 경과하였을 때, 세포가 살아있는 경우의 도 9에서는 밝았지만 세포에 에탄올을 투여한 후의 도 11에서는 어두웠던 부분을 선형적으로 분석한 결과의 그래프이다.FIG. 15 is a graph of the results of linear analysis of the dark areas in FIG. 11 after the administration of ethanol to the cells when the cells were alive when 17 minutes had elapsed after ethanol administration.
도 16은 실험예 2의 세포가 살아있을 경우의 회절 패턴이이다.Fig. 16 shows the diffraction pattern when the cells of Experimental Example 2 are alive.
도 17은 실험예 2의 살아있는 세포에 20 (v/v)%의 에탄올을 투여하고 약 14분 후의 회절 패턴이다.17 is a diffraction pattern of about 14 minutes after administration of 20 (v / v)% of ethanol to the living cells of Experimental Example 2. FIG.
도 18은 도 16과 17의 회절 패턴의 차이를 3차원으로 나타낸 것이다. 18 illustrates the difference between the diffraction patterns of FIGS. 16 and 17 in three dimensions.
도 19는 세포가 살아있을 때의 선형 분석 그래프이다.19 is a linear analysis graph when cells are alive.
도 20은 살아있는 세포에 에탄올 20 (v/v)%를 투여하고 약 14분이 경과하였을 때의 선형 분석 그래프이다.20 is a linear analysis graph when about 14 minutes have elapsed after administration of 20 (v / v)% of ethanol to living cells.
[도면의 부호에 대한 간단한 설명]Brief description of the symbols in the drawings
1: 회절 광학 소자가 집적된 세포 생장성 측정용 판1: Plate for measuring cell growth with integrated diffractive optical element
2: 렌즈2: lens
3: 이미징 장치(imaging device)3: imaging device
4: 핀 홀4: pin hole
5: 미세 유동 채널5: microfluidic channel
6 : 레이저 광원(laser light source)6: laser light source
7 : 블레이즈 회절 광학 격자(blazed diffraction grating)7: blazed diffraction grating
8 : 세포(cells)8 cells
9 : 반사판 (mirror)9: mirror
10 : X 마크 스크린 (screen with 'X')10: X mark screen (screen with 'X')
11 : 이미징 장치(imaging device)11: imaging device
Claims (7)
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