KR101761128B1 - 바이오센서용 형광광학계 - Google Patents

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성우경
이민호
이계한
김성민
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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광광학계는 여기광을 출력하는 광원, 상기 광원에서 출력되는 여기광을 평행광으로 만드는 콜리메이팅 렌즈, 상기 여기광을 측정시료 상에 결상시키는 대물렌즈, 상기 여기광에 의해 상기 측정시료에서 발생되는 형광을 측정하는 광검출기, 상기 광원으로부터 출력되는 여기광을 반사하여 상기 대물렌즈로 진행시키고, 상기 측정시료에서 발생되는 형광을 투과하여 상기 광검출기로 진행시키는 제1빔스플리터, 및 상기 빔스플리터와 상기 광검출기 사이에 배치되고, 상기 형광을 상기 광검출기 상에 결상시키는 결상렌즈를 포함할 수 있다.

Description

바이오센서용 형광광학계{FLUORESCENCE OPTICAL SYSTEM FOR BIOSENSOR}
본 발명은 형광을 통해, 바이오 물질을 검출하는 바이오센서용 형광광학계에 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.
본 발명의 목적은 형광만을 투과시키는 필터를 필수적으로 사용하지 않고도, 형광의 포집효율을 향상시키는 바이오센서용 형광광학계를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 파장별로 반사율과 투과율이 절대적으로 다른 빔스플리터를 이용하여, 여기광 및 형광 모두의 효율을 최대 효율로 활용할 수 있는 바이오센서용 형광광학계를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광광학계는 여기광을 출력하는 광원, 상기 광원에서 출력되는 여기광을 평행광으로 만드는 콜리메이팅 렌즈, 상기 여기광을 측정시료 상에 결상시키는 대물렌즈, 상기 여기광에 의해 상기 측정시료에서 발생되는 형광을 측정하는 광검출기, 상기 광원으로부터 출력되는 여기광을 반사하여 상기 대물렌즈로 진행시키고, 상기 측정시료에서 발생되는 형광을 투과하여 상기 광검출기로 진행시키는 제1빔스플리터, 및 상기 빔스플리터와 상기 광검출기 사이에 배치되고, 상기 형광을 상기 광검출기 상에 결상시키는 결상렌즈를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 미리 설정되는 값보다 세기(intensity)가 큰 형광이 상기 광검출기에 직접적으로 입사되지 못하도록 하는 제2빔스플리터를 더 할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 측정시료의 상부에 공기가 채워진 공간이 구비되도록 하고, 상기 공기가 채워진 공간의 상부에 오복-볼록 렌즈면(concave-convex 구조)을 형성하는 렌즈를 구비하여, 상기 측정시료에서 출력되는 형광을 상기 대물렌즈로 입사시켜 상기 측정시료에서 출력되는 형광의 포집효율을 증가시키는 시료 커버부를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 시료 커버부는 상기 측정시료 또는 상기 대물렌즈 중 어느 하나에 인접하여 배치되고, 교체되는 집광렌즈 모듈 형태로 형성될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 측정시료의 상부에 공기가 채워진 공간은 상기 측정시료 상부에 형성되는 반구형의 공기공간이고, 상기 오복-볼록 렌즈면을 형성하는 렌즈는 상기 반구형의 공기공간을 덮는 반구형의 렌즈일 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 측정시료의 구조가 스팟(spot) 형태가 아닌 1차원 구조의 형태인 경우, 상기 오복-볼록 렌즈면을 형성하는 렌즈는 상기 반구형의 공기공간을 덮는 실린더형 렌즈일 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 제1빔스플리터 또는 상기 제2빔스플리터는 입사되는 광의 파장에 따라, 반사율 및 투과율이 구별될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 제1빔스플리터 또는 상기 제2빔스플리터는 상기 여기광의 파장에서는 98%이상 반사시키고, 상기 형광의 파장에서는 98%이상 투과시킬 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 광원은 복수의 UV LED, 및 상기 복수의 UV LED에 대응되는 복수의 콜리메이팅 렌즈를 포함하고, 빔익스팬더 렌즈를 구비하여, 상기 복수의 콜리메이팅 렌즈에서 출력되는 여기광의 직경을 감소시키는 빔직경 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 바이오센서용 형광광학계의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 형광만을 투과시키는 필터를 필수적으로 사용하지 않고도, 형광의 포집효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면 파장별로 반사율과 투과율이 절대적으로 다른 빔스플리터를 이용하여, 여기광 및 형광 모두의 효율을 최대 효율로 활용할 수 있다.
도 1은 종래의 형광광학계를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광광학계를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광광학계에 포함되는 광원 및 빔직경 제어부를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광광학계에 포함되는 시료 커버부 및 대물렌즈를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
도 1은 종래의 형광광학계를 나타내는 도면으로, 종래의 형광광학계(100)의 예시적인 구조를 개략적으로 도시하고 있다. 종래의 형광광학계(100)는 크게 볼 때, 여기광으로 측정시료(11)를 조명하기 위한 조명 광학계와 여기광에 의해 측정시료(11)에서 발생한 형광 신호를 검출하기 위한 검출 광학계를 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 조명 광학계는 광을 방출하는 광원(101), 광원(101)에서 방출된 발산하는 광을 평행광으로 만드는 콜리메이팅 렌즈(110), 측정시료(11)를 향해 여기광을 반사하는 빔스플리터(116) 및 여기광을 측정시료(11)에 결상시키는 대물렌즈(120)를 포함할 수 있다.
여기서, 광원(101)은 예를 들어, 약 400~700nm의 파장을 갖는 광을 방출하는 LED(light emitting diode)이거나 또는 LD(laser diode)일 수 있다. 도 1에서는 편의상 콜리메이팅 렌즈(110) 및 대물렌즈(120)를 단지 하나의 단일 렌즈 소자로 표시하였지만, 해당 렌즈들(110, 130)은 각각 다수의 렌즈 소자들의 조합으로 이루어질 수 있다.
한편, 필요에 따라 빔스플리터(116)와 대물렌즈(120) 사이에 배치되어 측정시료(11)에 맞추어 여기광의 광 스팟을 일 축 방향으로 확장시키는 빔 성형 렌즈(beam shaping lens) 및 광원(101)에서 방출된 광 중에서 형광 염료를 여기시키는 파장을 갖는 여기광 성분만을 통과시키는 필터를 추가적으로 더 포함할 수 있다. 여기서, 필터는 예를 들어 특정 파장 대역의 광만을 통과시키는 대역 통과 필터(BPF)일 수 있다.
또한, 도 1을 참조하면, 검출 광학계는 측정시료(11)에서 발생한 형광 신호를 투과시키는 빔스플리터(116), 형광 신호의 세기를 측정하여 전기적인 신호로 변환하는 광검출기(160) 및 광검출기(160)와 빔스플리터(116) 사이에 배치되어 형광 신호를 광검출기(160) 상에 결상시키는 결상 렌즈(focusing lens)(150)를 포함할 수 있다.
여기서, 광검출기(160)는 예를 들어 다수의 포토 다이오드들의 어레이를 포함하거나, CCD(charge-coupled device) 이미지 센서 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서를 포함할 수 있다.
또한, 도 1에서는 편의상 결상 렌즈(150)를 단지 하나의 단일 렌즈 소자로 표시하였지만, 결상 렌즈(150)는 다수의 렌즈 소자들의 조합으로 이루어질 수도 있다.
한편, 필요에 따라, 인접한 다른 측정시료(11)로부터의 형광 신호를 제거하기 위한 필터 및 여기광 성분의 광을 제거하기 위한 필터를 더 포함할 수 있다. 여기서, 인접한 측정시료(11)로부터의 간섭을 방지하기 위한 필터는 예를 들어 특정 파장 이상의 대역을 통과시키는 고역 통과 필터(HPF)일 수 있다.
만일, 복수의 측정시료(11)에 대해 동시에 측정이 이루어지지 않고, 한번에 하나의 측정시료(11)에 대해서만 측정이 이루어지는 경우에는 인접한 다른 측정시료(11)로부터의 형광 신호를 제거하기 위한 필터가 배치되지 않을 수 있다. 그리고, 여기광 성분의 광을 제거하기 위한 필터는 특정 파장 대역의 광만을 통과시키는 대역 통과 필터(BPF)일 수 있다.
그리고, 조명 광학계와 검출 광학계는 빔스플리터(116) 및 대물렌즈(120)를 공유할 수 있다. 구체적으로. 광원(101)에서 발생한 여기광이 빔스플리터(116)에 의해 반사되고, 측정시료(11)에서 발생한 형광 신호가 빔스플리터(116)를 투과하는 것으로 예시되어 있다.
즉, 도 1에서 여기광의 광 경로는 빔스플리터(116)에 의해 거의 직각으로 제어될 수 있으며, 형광 신호의 광 경로는 일직선 형태일 수 있다. 그러나, 다른 실시 예에서는 빔스플리터(116)가 여기광을 투과시키고 형광 신호를 반사하도록 설계될 수도 있다. 이 경우, 여기광의 광 경로가 일직선 형태이고 형광 신호의 광 경로가 거의 직각으로 구부러져 있을 수 있다.
이러한 점에서, 빔스플리터(116)는 광원(101)으로부터 방출된 여기광을 투과시키거나 또는 반사하여 대물렌즈(120)로 진행시키고, 측정시료(11)에서 발생한 형광 신호를 반사하거나 또는 투과시켜 광검출기(160)로 진행시키는 역할을 할 수 있다.
이렇게 여기광의 광 경로와 형광 신호의 광 경로를 분리하는 빔스플리터(116)는 예를 들어, 특정 파장의 광을 투과시키고 나머지 파장의 광을 반사하거나, 또는 특정 파장의 광을 반사하고 나머지 파장의 광을 투과시키는 다이크로익 미러(dichroic mirror)일 수 있다.
그러나, 위와 같은 빔스플리터(116)를 이용한 수직 광학계에서는 광학계의 구성이 간단해진다는 장점이 있으나, 빔스플리터(116)의 종류에 따라 광효율이 저하되는 단점이 있다.
또한, 측정시료(11)에서 출력되는 형광은 방향성 없이 방사되기 때문에, 이를 포집하기 위해 적절한 광학렌즈의 선정과 구성이 필요하다. 그리고, 형광이 측정시료(11)에서 반사되어 검출 광학계에 들어오는 방향과 여기광의 입사 방향이 동일하기 때문에, 여기광의 영향을 줄이기 위해서는 형광만을 투과시키는 필터를 필수적으로 사용해야 하는 단점이 있고, 이 때문에 광학계의 전체 부피가 증가하는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 바이오센서용 형광광학계는 파장별로 반사율과 투과율이 절대적으로 다른 빔스플리터 및 시료 커버부를 포함한다. 이와 관련된 구체적인 설명을 도 2 내지 도4를 통하여 계속한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광광학계를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 바이오센서용 형광광학계를 나타내는 도면으로, 바이오센서용 형광광학계의 예시적인 구조를 개략적으로 도시하고 있다.
마찬가지로, 바이오센서용 형광광학계 역시 크게 볼 때, 여기광으로 측정시료(21)를 조명하기 위한 조명 광학계와 여기광에 의해 측정시료(21)에서 발생한 형광 신호를 검출하기 위한 검출 광학계를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 조명 광학계는 광을 방출하는 광원(201), 광원(201)에서 방출된 발산하는 광을 평행광으로 만드는 콜리메이팅 렌즈(210), 측정시료(21)를 향해 여기광을 반사하는 빔스플리터(215) 및 여기광을 측정시료(21)에 결상시키는 대물렌즈(220)를 포함할 수 있다.
또한, 검출 광학계는 측정시료(21)에서 발생한 형광 신호를 투과시키는 빔스플리터(216), 형광 신호의 세기를 측정하여 전기적인 신호로 변환하는 광검출기(260), 광검출기(260)와 빔스플리터(216) 사이에 배치되어 형광 신호를 광검출기(260) 상에 결상시키는 결상 렌즈(250) 및 개구부를 포함할 수 있다.
한편, 앞서 설명한 도 1의 구성요소와 유사한 구성에 대한 중복된 설명은 생략하고, 도 1의 구성요소와 차별되는 본 발명의 구성요소에 대하여 구체적으로 설명한다.
여기서, 본 발명에 포함되는 광원(201)은 종래의 광원과 달리, 광의 세기가 증가되는 광학구조를 포함할 수 있다. 구체적으로, 복수개의 LED 및 빔익스팬더(beam expander) 렌즈를 이용하여, 빔직경을 감소시켜 광의 세기를 감소된 빔직경만큼 증가시킬 수 있다. 이와 관련된 구체적인 예는 도 3을 통하여 설명한다.
그리고, 본 발명에 포함되는 빔스플리터(215)는 도 3과 같이 광의 세기를 증가시킨 여기광의 광 경로를 측정시료(21)의 방향으로 제어할 수 있다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이 조명 광학계와 검출 광학계는 빔스플리터(215)를 공유할 수 있는데, 본 발명에 포함되는 빔스플리터(215)는 단순히 광원(201)에서 출력된 여기광의 광 경로를 제어하는 구성이 아니라, 측정시료(21)에서 출력되는 형광 파장대인 약 620nm 에서는 광을 약 95% 이상을 투과시키는 기능을 수행할 수 있다.
이를 위해서, 본 발명은 구체적으로, 에드문트 사의 86-389 스플리터를 해당 빔스플리터(215)로 이용할 수 있다. 그러나, 이는 하나의 구체적인 예이고, 약 620nm의 형광 파장을 약 95% 이상을 투과시킴과 동시에 약 340nm의 여기광 파장을 약 98% 이상을 반사시키는 구성이면, 본 발명에 따른 바이오센서용 형광광학계에 포함되는 빔스플리터(215)가 될 수 있다.
여기서, 광검출기(260)는 다수의 포토 다이오드들의 어레이 및 광전자증배관(Photomultiplier Tube, PMT)을 포함할 수 있고, 앞서 설명한 바와 같이, CCD(charge-coupled device) 이미지 센서 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서를 포함할 수도 있다.
그리고, 본 발명에 따른 바이오센서용 형광광학계는 여기광의 세기를 측정하여 피드백해줌으로써 여기광의 세기를 안정으로 유지하게 할 수 있도록 하는 여기광 모니터용 광센서를 더 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 바이오센서용 형광광학계에 포함되는 빔스플리터(215, 216)는 파장에 따라 반사 특성 및 투과 특성이 극명하게 다르므로, 광검출기(260)에 세기가 매우 큰 형광이 직접적으로 입사되지 못하도록 하기 위해 복수개(도 2의 경우, 2개)의 빔스플리터(215, 216)를 포함할 수 있다.
이러한 복수개의 빔스플리터(215, 216)는 앞서 도 1을 통해 설명한 대역 통과 필터(BPF)와는 별개로의 구성으로, 대역 통과 필터(BPF)와 동일한 기능을 수행하지만, 형광광학계의 부피를 감소시킬 수 있게 하는 구성이다.
또한, 도 2에서도 본 발명에 포함되는 콜리메이팅 렌즈(210), 대물렌즈(220) 및 결상 렌즈(250)를 편의상 단지 하나의 단일 렌즈 소자로 표시하였지만, 이들 렌즈(210, 220, 250)는 다수의 렌즈 소자들의 조합으로 이루어질 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광광학계에 포함되는 광원 및 빔직경 제어부를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 바이오센서용 형광광학계에 포함되는 광원은 복수의 UV LED광원(301) 및 복수의 콜리메이팅 렌즈(302)를 포함할 수 있다. 그리고, 이와 함께 빔익스팬더 렌즈(303)를 구비하는 빔직경 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 바이오센서용 형광광학계는 측정시료에서 출력되는 형광의 측정 감도를 향상시키기 위하여, 여기광의 세기를 증가시킨다. 구체적으로, 본 발명에 따른 바이오센서용 형광광학계는 복수의 UV LED광원(301)을 통하여, 여기광을 출력시키고, 복수의 UV LED광원(301) 각각에 대응되는 콜리메이팅 렌즈(302)를 통하여, UV LED광원(301)에서 출력된 여기광을 평행광으로 만들 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 바이오센서용 형광광학계는 빔직경 제어부에 구비되는 빔익스팬더 렌즈(303)를 통하여, 출력되는 여기광의 직경을 감소시켜(1/n), 여기광의 강도(intensity)가 증가된 여기광을 출력할 수 있게 된다.
즉, 본 발명에 따른 바이오센서용 형광광학계는 개별적인 복수의 UV LED광원(301), 복수의 콜리메이팅 렌즈(302) 및 빔익스팬더 렌즈(303)를 통하여, 측정시료에 출력되는 여기광의 세기를 제어할 수 있고, 그에 따라 형광의 측정 감도를 향상시킬 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오센서용 형광광학계에 포함되는 시료 커버부 및 대물렌즈를 나타내는 도면이다.
측정시료(41) 전단에 구비되는 대물렌즈(420)는 시료면 형성되는 광의 스팟(spot) 크기를 의도한 크기로 조절하고, 초점거리와 개구수(NA, numerical aperture)를 고려하여 선정할 수 있다.
구체적으로, 형광의 포집효율을 최대한으로 극대화시킬 수 있는 NA값이 큰 렌즈를 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, NA값을 증가시키기 위해서는 초점거리의 감소 및 WD(working distance)의 감소를 감당해야 하므로, 이를 절충하는 대물렌즈(420)를 이용하는 것이 바람직하다.
이를 위해서, 본 발명에 따른 바이오센서용 형광광학계는 시료 커버부를 포함할 수 있다. 여기서, 시료 커버부는 측정시료(41)에서 출력되는 형광의 포집효율을 극대화시키기 위해 측정시료(41)의 상부에 형성되는 커버 구조물(401)을 포함할 수 있다.
측정시료(41)에서 출력되는 형광은 점광원에서 출력되는 것처럼 모든 방향으로 방사되는데, 일반적으로 이중 일부만 대물렌즈(420)를 통과하여 광검출기로 들어가게 된다. 이를 형광의 포집효율이라고 한다. 이러한 형광의 포집효율은 대물렌즈(420)의 NA 값이 결정하게 된다.
즉, 최대 수광각 범위 이상으로 방사되는 형광은 대물렌즈(420)로 입사되지 못하고 대물렌즈(420)의 렌즈면에서 전반사되어 소실되기 때문에, NA 값이 감소되면 형광의 포집효율 역시 감소하게 된다.
한편, 일반적으로 대물렌즈(420)의 NA 값만으로 형광의 포집효율을 30% 이상 증가시키기는 어렵다. 이러한 문제점을 해결하고자, 본 발명에 따른 바이오센서용 형광광학계는 커버 형태의 구조물(401)을 포함할 수 있고, 이를 이용하여 형광의 포집효율을 극대화시킬 수 있다.
구체적으로, 도 4에서와 같이, 측정시료(41)의 상부에 반구형의 공기공간을 두고, 그 상부에 오복-볼록 렌즈(401, concave-convex 구조)를 두게 되면, 점광원으로 방사되는 대부분의 형광을 대물렌즈(420)로 입사시킬 수 있게 된다.
도 4에서는, 반구형의 렌즈가 형성된 커버 형태의 구조물(401)을 예로서 도시하였지만, 측정시료(41)의 구조가 스팟(spot) 형태가 아닌 1차원 구조의 형태인 경우에는 커버 형태의 구조물(401)은 실린더형 렌즈 구조를 통하여 형성될 수도 있을 것이다.
즉, 본 발명에 따른 바이오센서용 형광광학계에 포함되는 시료 커버부는 측정시료의 상부에 공기가 채워진 공간 및 오복-볼록 렌즈면을 포함하는 구성을 통하여, 측정시료에서 방사되는 대부분의 형광을 대물렌즈로 입사시켜 형광의 포집효율을 증가시킬 수 있다.
한편, 도 4를 통해서 도시되진 않았지만, 본 발명에 따른 바이오센서용 형광광학계는 앞서 설명한 시료 커버부에 포함되는 커버 구조물(401)은 광학계측에 고정된 형태로 배치될 수도 있다.
즉, 본 발명에 포함되는 커버 구조물(401)은 측정시료(41)와의 거리를 감안하여, 형광 측정의 필요에 따라 교체가 가능한 형태로 형성될 수 있으며, 구체적으로 교체가 가능한 형태는 집광렌즈 모듈 형태가 될 수 있다. 이에 따라 측정시료(41) 또는 측정시료(41)와의 거리에 따라 그에 알맞은 커버 구조물(401)을 교체하여, 측정시료(41)에서 방사되는 대부분의 형광을 대물렌즈(420)로 입사시켜 형광의 포집효율을 증가시킬 수 있다.
결국, 본 발명에 따른 바이오센서용 형광광학계는 형광만을 투과시키는 필터를 필수적으로 사용하지 않고도, 형광의 포집효율을 향상시킬 수 있고, 파장별로 반사율과 투과율이 절대적으로 다른 빔스플리터를 이용하여, 여기광 및 형광 모두의 효율을 최대 효율로 활용할 수 있도록 한다.
따라서, 이상의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (9)

  1. 여기광을 출력하는 광원;
    상기 광원에서 출력되는 여기광을 평행광으로 만드는 콜리메이팅 렌즈;
    상기 여기광을 측정시료 상에 결상시키는 대물렌즈;
    상기 여기광에 의해 상기 측정시료에서 발생되는 형광을 측정하는 광검출기;
    상기 광원으로부터 출력되는 여기광을 반사하여 상기 대물렌즈로 진행시키고, 상기 측정시료에서 발생되는 형광을 투과하여 상기 광검출기로 진행시키는 제1빔스플리터; 및
    상기 제1빔스플리터와 상기 광검출기 사이에 배치되고, 상기 형광을 상기 광검출기 상에 결상시키는 결상렌즈를 포함하되,
    상기 측정시료의 상부에 공기가 채워진 공간이 구비되도록 하고, 상기 공기가 채워진 공간의 상부에 오목-볼록 렌즈면(concave-convex 구조)을 형성하는 렌즈를 구비하여, 상기 측정시료에서 출력되는 형광을 상기 대물렌즈로 입사시켜 상기 측정시료에서 출력되는 형광의 포집효율을 증가시키는 시료 커버부를 더 포함하며,
    상기 시료 커버부는 측정시료 또는 측정시료와의 거리를 감안하여, 형광 측정의 필요에 따라 교체가 가능한 형태로 형성되는 바이오센서용 형광광학계.
  2. 제1항에 있어서,
    미리 설정되는 값보다 세기(intensity)가 큰 형광이 상기 광검출기에 직접적으로 입사되지 못하도록 하는 제2빔스플리터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오센서용 형광광학계.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 시료 커버부는,
    상기 측정시료 또는 상기 대물렌즈 중 어느 하나에 인접하여 배치되고, 교체되는 집광렌즈 모듈 형태로 형성되는 바이오센서용 형광광학계.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 측정시료의 상부에 공기가 채워진 공간은,
    상기 측정시료 상부에 형성되는 반구형의 공기공간이고,
    상기 오목-볼록 렌즈면을 형성하는 렌즈는,
    상기 반구형의 공기공간을 덮는 반구형의 렌즈인 바이오센서용 형광광학계.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 측정시료의 구조가 스팟(spot) 형태가 아닌 1차원 구조의 형태인 경우,
    상기 오목-볼록 렌즈면을 형성하는 렌즈는,
    반구형의 공기공간을 덮는 실린더형 렌즈인 바이오센서용 형광광학계.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1빔스플리터 또는 제2빔스플리터는,
    입사되는 광의 파장에 따라, 반사율 및 투과율이 구별되는 바이오센서용 형광광학계.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1빔스플리터 또는 상기 제2빔스플리터는,
    상기 여기광의 파장에서는 98%이상 반사시키고, 상기 형광의 파장에서는 98%이상 투과시키는 바이오센서용 형광광학계.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광원은,
    복수의 UV LED; 및
    상기 복수의 UV LED에 대응되는 복수의 콜리메이팅 렌즈를 포함하고,
    빔익스팬더 렌즈를 구비하여, 상기 복수의 콜리메이팅 렌즈에서 출력되는 여기광의 직경을 감소시키는 빔직경 제어부를 더 포함하는 바이오센서용 형광광학계.
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