KR20130099703A - 옵티컬 헤드 및 이를 포함하는 시퀀싱 장치 - Google Patents

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KR20130099703A
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나경원
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이범석
임동모
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삼성전자주식회사
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Abstract

바이오 디스크, 스테이지 및 제어부를 포함하는 시퀀싱 장치가 제공된다. 상기 바이오 디스크에는 핵산 중합 반응이 각각 일어나는 복수의 반응 영역들이 배열된다. 상기 스테이지는 회전 축을 중심으로 회전하며, 복수의 옵티컬 헤드들이 배열된다. 상기 복수의 옵티컬 헤드들은 상기 핵산 중합 반응에 의해 상기 복수의 반응 영역들로부터 방출되는 광들을 검출한다. 상기 제어부는 상기 복수의 옵티컬 헤드들에 의해 검출된 광들의 파장을 기초로 상기 복수의 반응 영역들 내의 핵산들의 염기 서열 데이터를 생성한다.

Description

옵티컬 헤드 및 이를 포함하는 시퀀싱 장치{Optical head and sequencing apparatus including the same}
본 발명은 핵산 시퀀싱을 위한 옵티컬 헤드 및 이를 포함하는 시퀀싱 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 실리콘 포토닉스(silicon photonics) 기술을 이용하여 제조되는 옵티컬 헤드 및 복수의 상기 옵티컬 헤드를 포함하는 시퀀싱 장치에 관한 것이다.
종래의 DNA 시퀀싱 방식은 부피가 큰 고가의 장비를 사용하여 DNA의 중합효소 연쇄반응시 빛이 발생되게 하고, 이 빛을 촬상함으로써 DNA의 염기서열을 분석하는 방식이었다. 이러한 방식은 CCD(charge coupled device)와 같은 이미지 촬상 장치를 이용하여야 한다. 그러나, 이러한 이미지 촬상 장치는 DNA 복제 속도에 보다 느린 반응 속도를 갖기 때문에, 이미지 촬상 장치를 이용한 방식은 높은 오류율을 갖는다는 문제가 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이미지 촬상 장치를 사용하지 않고 핵산 시퀀싱을 수행함으로써 낮은 오류율을 갖는 시퀀싱 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 시퀀싱 장치에 적합한 옵티컬 헤드를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 시퀀싱 장치는 바이오 디스크, 스테이지 및 제어부를 포함한다. 상기 바이오 디스크에는 핵산 중합 반응이 각각 일어나는 복수의 반응 영역들이 배열된다. 상기 스테이지는 회전 축을 중심으로 회전하며, 복수의 옵티컬 헤드들이 배열된다. 상기 복수의 옵티컬 헤드들은 상기 핵산 중합 반응에 의해 상기 복수의 반응 영역들로부터 방출되는 광들을 검출한다. 상기 제어부는 상기 복수의 옵티컬 헤드들에 의해 검출된 광들의 파장을 기초로 상기 복수의 반응 영역들 내의 핵산들의 염기 서열 데이터를 생성한다.
상기 시퀀싱 장치의 일 예에 따르면, 상기 복수의 옵티컬 헤드들은 복수의 제1 옵티컬 헤드들을 포함하고, 상기 복수의 제1 옵티컬 헤드들은 상기 회전 축으로부터 동일한 거리만큼 이격하여 배열될 수 있다.
상기 시퀀싱 장치의 다른 예에 따르면, 상기 복수의 반응 영역들은 상기 바이오 디스크의 중심으로부터 제1 거리만큼 이격하여 원주 방향으로 배열되는 복수의 제1 반응 영역들을 포함할 수 있다. 상기 복수의 옵티컬 헤드들은 상기 회전 축으로부터 상기 제1 거리만큼 이격하여 원주 방향으로 배열되는 복수의 제1 옵티컬 헤드들을 포함할 수 있다. 상기 복수의 제1 옵티컬 헤드들은 상기 회전 축을 중심으로 회전하면서 상기 복수의 제1 반응 영역들로부터 방출되는 광들을 검출할 수 있다.
상기 시퀀싱 장치의 또 다른 예에 따르면, 상기 복수의 반응 영역들은 상기 바이오 디스크의 중심으로부터 상기 제1 거리와 다른 제2 거리만큼 이격하여 원주 방향으로 배열되는 복수의 제2 반응 영역들을 더 포함할 수 있고, 상기 복수의 옵티컬 헤드들은 상기 회전 축으로부터 상기 제2 거리만큼 이격하여 원주 방향으로 배열되는 복수의 제2 옵티컬 헤드들을 더 포함할 수 있으며, 상기 복수의 제2 옵티컬 헤드들은 상기 회전 축을 중심으로 회전하면서 상기 복수의 제2 반응 영역들로부터 방출되는 광들을 검출할 수 있다.
상기 시퀀싱 장치의 또 다른 예에 따르면, 상기 복수의 반응 영역들의 각각에는 폴리머라아제(polymerase)가 부착되고, 상기 폴리머라아제는 4가지 형광 물질로 각각 표지된 4가지 뉴클리오타이드들을 염기쌍 원리에 따라 템플릿 스트랜드(template strand)에 부착시키면서 상기 형광 물질을 상기 뉴클리오타이드로부터 분리시키고, 상기 4가지 형광 물질이 방출하는 광은 각각 다른 파장을 가질 수 있다.
상기 시퀀싱 장치의 또 다른 예에 따르면, 상기 옵티컬 헤드들의 각각은 실리콘 포토닉(silicon photonic) 소자를 포함할 수 있다.
상기 시퀀싱 장치의 또 다른 예에 따르면, 상기 옵티컬 헤드들의 각각은 상기 복수의 반응 영역들로부터 방출되는 광들을 파장에 따라 역다중화(demultiplexing)하는 역다중화부, 및 역다중화된 광들을 전기 신호로 변환하는 복수의 광전 변환부들을 포함할 수 있다.
상기 시퀀싱 장치의 또 다른 예에 따르면, 상기 옵티컬 헤드들의 각각은 광을 방출하는 발광부, 및 상기 발광부로부터 방출된 상기 광을 상기 복수의 반응 영역들을 향하여 배향하는 배향부를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 헤드는 발광부, 수광부, 역다중화부, 및 복수의 광전 변환부를 포함한다. 상기 발광부는 핵산 중합 반응이 일어나는 반응 영역을 향하여 광을 방출한다. 상기 수광부는 상기 반응 영역으로부터 방출되는 광을 수신하며, 상기 광은 제1 내지 제4 파장 중 어느 한 파장을 갖는다. 상기 역다중화부는 상기 수광부에 의해 수신된 광을 파장에 따라 역다중화한다. 상기 복수의 광전 변환부들은 역다중화된 광들을 전기 신호로 변환한다.
상기 옵티컬 헤드의 일 예에 따르면, 상기 발광부는 광을 방출하는 발광 다이오드, 상기 발광 다이오드로부터 방출된 광을 상기 반응 영역을 향하여 배향하는 제1 그레이팅 커플러, 및 상기 발광 다이오드로부터 방출된 광을 상기 그레이팅 커플러로 전달하기 위한 도파로를 포함할 수 있다.
상기 옵티컬 헤드의 다른 예에 따르면, 상기 수광부는 상기 반응 영역으로부터 방출된 광을 수신하기 위한 제2 그레이팅 커플러, 및 상기 제2 그레이팅 커플러에 수신된 광을 상기 역다중화부로 전달하기 위한 도파로를 포함할 수 있다.
상기 옵티컬 헤드의 또 다른 예에 따르면, 상기 역다중화부는 상기 수광부에 의해 수신된 광을 파장에 따라 분리하는 배열 격자 도파로(Arrayed waveguide gratings)를 포함할 수 있다. 상기 배열 격자 도파로는, 상기 제2 그레이팅 커플러에 도파로를 통해 연결되는 제1 슬랩(slab) 도파로, 상기 제1 슬랩 도파로에 연결되고 서로 다른 길이를 갖는 제1 내지 제4 격자 도파로, 상기 제1 내지 제4 격자 도파로가 연결되는 제2 슬랩 도파로, 및 서로 다른 위치에서 상기 제2 슬랩 도파로에 연결되는 제1 내지 제4 출력 도파로를 포함하고, 상기 제1 내지 제4 출력 도파로들은 상기 복수의 광전 변환부들에 각각 연결될 수 있다.
상기 옵티컬 헤드의 또 다른 예에 따르면, 상기 역다중화부는 상기 수광부에 의해 수신된 광을 파장에 따라 분리하는 원형 필터를 포함할 수 있다. 상기 원형 필터는, 상기 제2 그레이팅 커플러에 연결되는 제1 도파로, 상기 도파로로부터 상기 제1 내지 제4 파장에 대응하는 거리만큼 각각 이격되는 4개의 링 구조물들, 상기 4개의 링 구조물들로부터 상기 제1 내지 제4 파장에 대응하는 거리만큼 각각 이격되고 상기 복수의 광전 변환부에 연결되는 4개의 제2 도파로를 포함할 수 있다.
본 발명의 시퀀싱 장치는 옵티컬 헤드를 어레이로 배열하고 이를 회전시킴으로써 핵산 중합 속도보다 높은 반응 속도를 가질 수 있기 때문에, 오류율을 감소시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 옵티컬 헤드는 실리콘 포토닉 소자를 이용하여 제조될 수 있기 때문에, 소형으로 제조될 수 있고 집적과 대량 생산이 가능하기 때문에 원가를 낮출 수 있다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 시퀀싱 장치의 개략적인 사시도를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 바이오 디스크의 예시적인 평면도이며, 바이오 디스크 상에 배치되는 반응 영역들의 예시적인 배치를 도시한다.
도 3은 도 1에 도시된 스테이지의 예시적인 평면도이며, 스테이지 상에 배치되는 옵티컬 헤드들의 예시적인 배치를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 스테이지의 회전에 의해 이동하는 옵티컬 헤드가 반응 영역의 아래에 위치하는 경우를 나타내는 개념적인 확대도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 헤드를 설명하기 위한 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부를 설명하기 위한 블록도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 옵티컬 헤드를 설명하기 위한 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 헤드를 도시하는 개념적인 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 헤드를 도시하는 개념적인 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
아래의 설명에서, 어떤 한 구성요소가 다른 구성요소의 위에 존재한다고 기술되는 경우, 위의 한 구성요소가 다른 구성요소의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 또 다른 구성요소가 개재될 수도 있다. 또한, 위치 관계는 도면에 표시된 상태를 기준으로 설명하는 것이며, 실제 위치 관계는 달라질 수도 있다. 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다. 또한, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우, "포함한다"는 것은 언급한 형상, 숫자, 단계, 동작, 부재, 및/또는 구성요소의 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 단계, 동작, 부재, 및/또는 구성요소의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 교시로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 시퀀싱 장치의 개략적인 사시도를 도시한다.
도 1을 참조하면, 시퀀싱 장치(100)는 복수의 옵티컬 헤드(120)들이 상면에 배치되는 스테이지(110) 및 상기 스테이지 상에 배치되는 바이오 디스크(140)를 포함한다.
바이오 디스크(140)에는 DNA와 같은 핵산이 뉴클리오타이드들과 핵산 중합 반응이 일어나는 복수의 반응 영역들(150)이 배치된다. 반응 영역(150)에서는 폴리머라아제가 부착될 수 있다. 폴리머라아제는 템플릿 스트랜드를 염기쌍 원리에 따라 이중 나선 구조로 복제할 수 있다. 이를 위해, 반응 영역(150)에는 여러 종류, 예컨대, 4가지 종류의 뉴클리오타이드들이 주입될 수 있다. 이러한 뉴클리오타이드들은 아데닌(Adenine, A), 구아닌(Guanine, G), 티민(Thymine, T) 및 시토신(Cytosine, C)일 수 있다.
뉴클리오타이드들은 서로 종류가 구분될 수 있도록, 종류에 따라 다른 형광 물질이 표지될 수 있다. 예컨대, 아데닌(A)에는 제1 파장의 빛을 방출하는 제1 형광 물질이 표지될 수 있고, 구아닌(G)에는 제2 파장의 빛을 방출하는 제2 형광 물질이 표지될 수 있다. 또한, 티민(T)과 시토신(C)에는 각각 제3 및 제4 파장의 빛을 방출하는 제3 및 제4 형광 물질이 표지될 수 있다. 폴리머라아제는 템플릿 스트랜드에 뉴클리오타이드를 부착시키면서 위와 같은 형광 물질을 분리시킬 수 있다. 따라서, 반응 영역(150)으로부터 방출되는 빛의 파장들을 검출하고, 이를 시간 순서대로 나열함으로써, 템플릿 스트랜드의 염기 서열을 파악할 수 있다.
폴리머라아제를 이용한 핵산의 중합 반응은 예컨대 1초에 약 1,000회 정도의 속도로 이루어질 수 있다. 따라서, 핵산의 염기서열을 파악하기 위해서는 1초에 1,000회 이상의 검출이 필요하다. 그러나, 종래의 이미지 촬상 방식의 경우, 1초에 1,000회 이상의 이미지를 촬상할 수 없기 때문에, 핵산의 염기서열을 파악하는데 오류가 많다.
본 발명에 따르면, 스테이지(110)의 중앙에 샤프트(130)가 연결되고, 샤프트(130)는 회전 장치, 예컨대, 모터를 이용하여 회전될 수 있다. 스테이지(110)의 상부면에는 복수의 옵티컬 헤드(120)들이 배치될 수 있다. 옵티컬 헤드(120)들은 스테이지(110)의 중앙 축을 중심으로 원주 방향으로 배치될 수 있다. 즉, 옵티컬 헤드(120)들은 스테이지(110)의 중심 축으로부터 제1 거리에 배치되는 제1 옵티컬 헤드들, 상기 중심 축으로부터 제2 거리에 배치되는 제2 옵티컬 헤드들, 상기 중심 축으로부터 제3 거리에 배치되는 제3 옵티컬 헤드들 등을 포함할 수 있다. 상기 중심 축으로부터 동일 거리에 위치한 옵티컬 헤드들은 이에 대응하는 복수의 반응 영역들로부터 방출되는 빛을 검출할 수 있다.
상기 중심 축으로부터 동일 거리에 위치한 옵티컬 헤드들(120)은 복수 개로 존재할 수 있고, 스테이지(110)가 빠른 속도로 회전하기 때문에, 하나의 반응 영역(150)은 1초에 1,000번 이상 옵티컬 헤드들(120)에 의해 스캔될 수 있다. 예컨대, 스테이지(110)는 1분당 5,400번, 7,200번, 또는 15,000번 회전할 수 있다. 참고로, 하드 디스크(HDD) 의 경우, 디스크는 5,400 rpm, 7,200 rpm 또는 15,000 rpm으로 회전할 수 있다. 즉, 스테이지(110)는 1초당 90번, 120번 또는 250번 회전할 수 있다. 스테이지(110)의 중심 축으로부터 동일 거리에 위치한 옵티컬 헤드들(120)의 개수가 12개라고 가정할 때, 반응 영역(150)들은 각각 옵티컬 헤드들(120)에 의해 1,080번, 1,440번 또는 3,000번 스캔될 수 있다. 그러나, 스테이지(110)의 중심 축으로부터 동일 거리에 위치한 옵티컬 헤드들(120)의 개수가 12개라고 가정하였으나, 필요에 따라 상기 개수는 12개보다 적을 수도 있고, 더 많을 수도 있다. 예컨대, 상기 옵티컬 헤드들(120)이 원주 방향으로 10도의 간격으로 이격하여 배치되는 경우, 36개의 옵티컬 헤드들(120)이 상기 중심 축으로부터 동일 거리에 위치할 수 있다. 이 경우, 반응 영역들(150)은 대략 3,000번에서 9,000번까지 스캔될 수 있다. 따라서, 폴리머라아제를 이용한 핵산의 중합 반응의 속도보다 빠르게 반응 영역들(150)이 스캔될 수 있기 때문에, 핵산의 염기서열을 파악함에 있어 오류를 크게 감소시킬 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 바이오 디스크(140) 상의 반응 영역들(150)은 바이오 디스크(140)의 중심을 기준으로 동일 거리들에 배치되는 반응 영역들(150)이 복수로 존재할 수 있다. 반응 영역들과 바이오 디스크(140) 사이의 거리는 옵티컬 헤드(120)와 스테이지(110)의 중심 축 간의 거리에 대응될 수 있다. 바이오 디스크(140)의 반응 영역들(150)에는 핵산들이 위치하기 때문에 바이오 디스크(140)는 안정된 상태를 유지하여야 한다. 따라서, 바이오 디스크(140)는 회전하지 않고, 스테이지(110)로부터 이격되어 고정되어 있을 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 바이오 디스크(140)의 예시적인 평면도이며, 바이오 디스크(140) 상에 배치되는 반응 영역들(150)의 예시적인 배치를 도시한다.
도 2를 참조하면, 바이오 디스크(140) 상에 복수의 반응 영역들(150)이 배치된다. 반응 영역들(150)은 제1 내지 제6 반응 영역들(151-156)을 포함할 수 있다. 제1 반응 영역들(151)은 바이오 디스크(140)의 중심(M)으로부터 제1 거리만큼 이격되어 있고, 원주 방향으로 동일한 간격으로 이격되어 있다. 본 예에서, 제1 반응 영역들(151)은 중심(M)을 기준으로 약 7.5도의 간격으로 서로 이격되어 있다. 그러나, 이는 예시적이며, 더 많거나 적은 개수의 제1 반응 영역들(151)이 중심(M)으로부터 동일 거리에 배치될 수도 있다. 제1 반응 영역들(151)이 배치되는 영역을 제1 트랙이라 지칭할 수 있다.
제2 반응 영역들(152)은 바이오 디스크(140)의 중심(M)으로부터 제2 거리만큼 이격되어 있고, 원주 방향으로 동일한 간격으로 이격되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 반응 영역들(152)도 중심(M)을 기준으로 약 7.5도의 간격으로 서로 이격될 수 있다. 제2 반응 영역들(152)이 배치되는 영역들은 제2 트랙이라고 지칭될 수 있다. 이와 같은 방식으로, 제3 내지 제6 반응 영역들(153, 154, 155, 156)은 중심(M)으로부터 제3 내지 제6 거리들만큼 각각 이격되어 있고, 원주 방향으로 서로 동일한 간격으로 이격될 수 있다. 또한, 제3 내지 제6 반응 영역들(153, 154, 155, 156)이 배치되는 영역들은 각각 제3 내지 제6 트랙으로 지칭될 수 있다.
도 2에서 각각의 반응 영역들(151-156)은 모두 중심(M)으로부터 약 7.5도의 간격으로 서로 원주 방향으로 이격되어 있는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 단위 면적당 동일한 개수의 반응 영역들(150)이 위치할 수 있도록, 중심(M)으로부터 멀어질수록 이격 각도가 작아질 수 있다. 예컨대, 중심(M)을 기준으로 제2 반응 영역들(152)은 약 6.5도의 간격으로 서로 이격되고, 제3 반응 영역들(153)은 약 5.5도의 간격으로, 제4 반응 영역들(154)은 약 4.5도의 간격으로, 제5 반응 영역들(155)은 약 3.5도의 간격으로, 제6 반응 영역들(156)은 약 2.5도의 간격으로 서로 이격될 수도 있다. 또한, 이격 각도가 동일한 트랙들끼리 존을 형성할 수도 있다. 예컨대, 제1 내지 제3 반응 영역들(151-153)은 중심(M)을 기준으로 약 7.5도로 이격되어, 제1 내지 제3 트랙은 제1 존을 형성하고, 제4 내지 제6 반응 영역들(154-156)은 중심(M)을 기준으로 약 6도로 이격되어 제4 내지 제6 트랙들은 제2 존을 형성할 수도 있다.
도 2에서 제1 내지 제6 트랙들이 존재하는 것으로 도시되어 있지만, 이는 예시적이며, 더 적거나 많은 개수의 트랙들이 하나의 바이오 디스크(140) 상에 존재할 수도 있다. 또한, 각각의 반응 영역들(151-156)이 서로 동일한 이격 각도로 배치되어 있지만, 반드시 동일한 이격 각도로 배치되어야만 하는 것은 아니다.
도 2에서 각각의 트랙들은 동일한 간격으로 방사 방향으로 이격되어 있지만, 반드시 동일한 간격으로 이격되어야만 하는 것은 아니다. 다만, 각각의 트랙들간의 방사 방향의 간격은 옵티컬 헤드들의 방사 방향의 간격과 일치하여야 한다.
도 3은 도 1에 도시된 스테이지(110)의 예시적인 평면도이며, 스테이지(110) 상에 배치되는 옵티컬 헤드들(120)의 예시적인 배치를 도시한다.
도 3을 참조하면, 옵티컬 헤드들(120)도 반응 영역들(150)과 마찬가지로 제1 내지 제6 옵티컬 헤드들(121-126)로 구분될 수 있다. 제1 옵티컬 헤드들(121)은 스테이지(110)의 중심(C)으로부터 상기 제1 거리만큼 이격하여 배치되고, 원주 방향으로 서로 동일한 간격으로 이격될 수 있다. 또한, 제2 내지 제6 옵티컬 헤드들(122-126) 각각은 중심(C)으로부터 상기 제2 내지 제6 거리만큼 이격하여 배치되고, 원주 방향으로 서로 동일한 간격으로 이격될 수 있다.
옵티컬 헤드들(120)은 반응 영역들(150)에 비하여 중심(C)을 기준으로 더 큰 이격 각도로 서로 이격될 수 있다. 옵티컬 헤드들(120)은 반응 영역들(150)보다 적은 개수로 존재할 수 있다. 만약 옵티컬 헤드들(120)의 개수가 반응 영역들(150)의 개수와 동일하거나 이보다 많은 경우라면, 옵티컬 헤드(120)가 반응 영역(150)을 일대일로 감시하는 것도 가능하기 때문이다. 스테이지(110)가 회전되는 경우, 옵티컬 헤드들(120)은 반응 영역들(150)보다 적은 개수로 존재한다. 다만, 회전 방식을 채용하지 않는 경우라면, 아래에서 설명하는 옵티컬 헤드(120)와 반응 영역(150)이 일대일로 매칭될 수도 있다.
옵티컬 헤드들(120)은 방사 방향으로 나열되지 않고, 방사 방향에서 다소 어긋나게 배열될 수 있다. 이는 옵티컬 헤드들(120)을 배치 및 형성하기 위한 공간의 효율적 이용을 위한 것이다. 그러나, 옵티컬 헤드들(120)을 방사 방향으로 배열하는 것도 본 발명의 범위에서 벗어나는 것은 아니다.
복수의 제1 옵티컬 헤드들(121)은 스테이지(110)가 중심(C)을 축으로 하여 회전함에 따라 복수의 제1 반응 영역들(151)을 스캔할 수 있다. 또한, 복수의 제2 옵티컬 헤드들(122)은 스테이지(110)가 중심(C)을 축으로 하여 회전함에 따라 복수의 제2 반응 영역들(152)을 스캔할 수 있다. 이러한 방식으로, 복수의 제3 내지 제6 옵티컬 헤드들(123-126)은 각각 복수의 제3 내지 제6 반응 영역들(153-156)을 스캔할 수 있다. 따라서, 반응 영역들(150)의 개수보다 적은 개수의 옵티컬 헤드들(120)만으로 전체 반응 영역들(150)을 감시할 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시되는 반응 영역들(150) 및 옵티컬 헤드들(120)의 개수, 이격 간격 및 이격 각도 등은 오로지 예시적이며, 본 발명을 한정하지 않는다.
도 4는 본 발명에 따른 스테이지(110)의 회전에 의해 이동하는 옵티컬 헤드(120)가 반응 영역(150)의 아래에 위치하는 경우를 나타내는 개념적인 확대도이다.
옵티컬 헤드(120)는 스테이지(110) 상에 배치된다. 스테이지(110)가 샤프트(130)에 의해 회전하므로 옵티컬 헤드(120)는 바이오 디스크(140)의 면과 평행한 방향으로 이동한다. 옵티컬 헤드(120)와 반응 영역(150)은 서로 대응하도록 배치되므로, 옵티컬 헤드(120)는 반응 영역(150)의 아래에 위치하게 된다.
옵티컬 헤드(120)는 반응 영역(150)을 향하여 빛을 방출할 수 있다. 반응 영역(150) 내의 형광 물질(165)은 옵티컬 헤드(120)로부터 방출된 광을 받아 다른 파장을 갖는 광을 방출할 수 있다. 상기 형광 물질(165)은 옵티컬 헤드(120)로부터 방출된 광의 파장을 쉬프트시켜 다른 파장을 갖는 광을 방출할 수 있다. 파장의 쉬프트 정도는 상기 형광 물질(165)의 종류에 따라 다를 수 있다.
바이오 디스크(140)는 투광판(141) 및 개구부가 형성된 불투광판(142)을 포함할 수 있으며, 상기 개구부는 반응 영역(150)을 한정할 수 있다. 투광판(141)은 빛이 투과될 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 투광판(141)은 유리 또는 투명 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 불투광판(142)은 빛의 투과를 차단하는 물질로 형성될 수 있다. 도 4에 도시되지는 않았지만, 투광판(141) 중 불투광판(142)과 중첩하는 부분의 아랫면에는 옵티컬 헤드(120)로부터 방출된 광이 반사되지 않도록 반사 방지막이 형성되거나, 옵티컬 헤드(120)로부터 방출된 광이 흡수될 수 있도록 광흡수막이 형성될 수 있다.
불투광판(142)의 개구부에 의해 한정되는 반응 영역(150)의 단면은 삼각형, 사각형, 오각형과 같은 다각형, 원형, 타원형의 형상을 가질 수 있다. 반응 영역(150)의 단면이 원형인 경우, 이의 직경은 수십 내지 수백 nm일 수 있다.
상기 개구부에 의해 노출되는 투광판(141)의 상부면에는 폴리머라아제(161)가 부착될 수 있다. 투광판(141)의 상기 상부면은 폴리머라아제(161)가 부착될 수 있도록 친수성 표면 처리가 수행될 수 있다.
폴리머라아제(161)는 염기쌍 원리에 따라 템플릿 스트랜드(162)에 뉴클리오타이드(164)를 부착시킴으로써 전사 스트랜드(163)를 생성한다. 전사 스트랜드(163)는 템플릿 스트랜드(162)와 결합되어 이중 나선을 형성한다. 반응 영역(150) 내에 형광 물질(165)이 표지된 뉴클리오타이드(164)가 제공될 수 있도록, 불투광판(142)의 상부에는 4가지 종류의 뉴클리오타이드(164)가 충분히 존재할 수 있다. 폴리머라아제(161)는 중합 반응 시에 형광 물질(165)을 뉴클리오타이드(164)로부터 분리시킬 수 있다.
뉴클리오타이드(164)는 예컨대, 아데닌(A), 구아닌(G), 티민(T) 및 시토신(C)을 포함할 수 있으며, 아네닌(A)에는 제1 형광 물질(fa)이 표지되고, 구아닌(G)에는 제2 형광 물질(fg)이 표지되고, 티민(T)에는 제3 형광 물질(ft)이 표지되고, 시토신(C)에는 제4 형광 물질(fc)이 표지될 수 있다. 제1 내지 제4 형광 물질(fa, fg, ft, fc)은 통칭하여 형광 물질(165)로 지칭될 수 있다. RNA의 염기서열을 분석하는 경우, 뉴클리오타이드(164)는 티민(T) 대신에 우라실(U)을 포함할 수도 있다.
제1 형광 물질(fa)은 옵티컬 헤드(120)로부터 방출된 광의 파장을 쉬프트시켜 제1 파장(λ1)의 광을 방출할 수 있다. 제2 형광 물질(fg)은 옵티컬 헤드(120)로부터 방출된 광의 파장을 쉬프트시켜 제2 파장(λ2)의 광을 방출할 수 있다. 제3 형광 물질(ft)은 옵티컬 헤드(120)로부터 방출된 광의 파장을 쉬프트시켜 제3 파장(λ3)의 광을 방출할 수 있다. 제4 형광 물질(fc)은 옵티컬 헤드(120)로부터 방출된 광의 파장을 쉬프트시켜 제4 파장(λ4)의 광을 방출할 수 있다.
형광 물질(165)로부터 방출된 광은 옵티컬 헤드(120)에 의해 수광될 수 있다. 옵티컬 헤드(120)는 상기 광의 파장을 검출함으로써 폴리머라아제(161)에 의해 중합 반응이 일어난 뉴클리오타이드의 종류를 알 수 있다.
예컨대, 용이한 이해를 위해, 하나의 옵티컬 헤드(120)에 의해 하나의 반응 영역(150)이 감시되고 있고, 옵티컬 헤드(120)에 의해 수광된 광들의 파장이 순서대로 "λ1, λ4, λ2, λ3, λ3, λ4, λ1, λ1, λ2, λ3"이라고 가정하면, 템플릿 스트랜드(162)에 결합된 뉴클리오타이드(164)들의 종류는 순서대로 "A, C, G, T, T, C, A, A, G, T"라는 것을 파악할 수 있다. 이 경우, 프린 염기는 프린 염기들끼리 결합되고, 피리미딘 염기는 피리미딘 염기들끼리 결합되므로, 즉, 아데닌(A)은 구아닌(G)과 결합되고, 티민(T)은 시토신(C)과 결합되므로, 템플릿 스트랜드(162)는 "G, T, A, C, C, T, G, G, A, C"의 순서로 배열되어 있다는 것을 알 수 있다. 이러한 과정을 통해 템플릿 스트랜드(162)의 염기 서열을 분석할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 헤드(200)를 설명하기 위한 블록도이다.
도 5를 참조하면, 옵티컬 헤드(200)는 발광부(210), 수광부(220), 역다중화부(230) 및 광전 변환부(240)를 포함한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 발광부(210)와 수광부(220) 상에 반응 영역(150)이 배치될 수 있다.
발광부(210)는 반응 영역(150) 내의 형광 물질을 조명하기 위한 광을 방출할 수 있다. 발광부(210)는 발광 다이오드를 포함할 수 있다. 도시되지는 않았지만, 발광부(210)는 발광 다이오드와 발광 다이오드로부터 방출된 광을 반응 영역을 향하여 배향하기 위한 배향부를 포함할 수 있다. 이러한 배향부는 거울이 이용될 수 있고, 아래의 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 그레이팅 커플러가 이용될 수 있다.
또한, 도 5에 도시되지는 않았지만, 옵티컬 헤드(200)는 발광부(210)이 정상적으로 발광하는 지를 검사하기 위한 모니터링부를 더 포함할 수 있다.
수광부(220)는 반응 영역(150) 내의 형광 물질로부터 방출된 광을 수신할 수 있다. 상술한 바와 같이, 반응 영역(150)으로부터 방출된 광은 제1 파장(λ1), 제2 파장(λ2), 제3 파장(λ3), 제4 파장(λ4) 중 어느 하나의 파장을 갖는다.
역다중화부(230)는 수광부(220)에 의해 수신된 광을 파장에 따라 역다중화할 수 있다. 역다중화부(230)는 수신된 광의 파장이 제1 파장(λ1)인 경우에는 상기 광을 제1 도파로로 보내고, 수신된 광의 파장이 제2 파장(λ2)인 경우에는 상기 광을 제2 도파로로 보내고, 수신된 광의 파장이 제3 파장(λ3)인 경우에는 상기 광을 제3 도파로로 보내고, 수신된 광의 파장이 제4 파장(λ4)인 경우에는 상기 광을 제4 도파로로 보낼 수 있다. 역다중화부(230)는 제1 파장(λ1)의 광만을 통과시키는 제1 광 필터, 제2 파장(λ2)의 광만을 통과시키는 제2 광 필터, 제3 파장(λ3)의 광만을 통과시키는 제3 광 필터, 및 제4 파장(λ4)의 광만을 통과시키는 제4 광 필터를 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제4 광 필터는 밴드 패스 필터일 수 있으며, 다양한 타입의 광 필터로 구성될 수 있다.
광전 변환부(240)는 역다중화부(230)에 의해 역다중화된 광을 전기 신호로 변환할 수 있다. 광전 변환부(240)는 역다중화부(230)에 의해 분기되는 제1 내지 제4 도파로에 대응하여 4개의 포토 다이오드를 포함할 수 있다. 즉, 광전 변환부(240)는 상기 제1 도파로에 연결되는 제1 포토 다이오드, 상기 제2 도파로에 연결되는 제2 포토 다이오드, 상기 제3 도파로에 연결되는 제3 포토 다이오드, 및 상기 제4 도파로에 연결되는 제4 포토 다이오드를 포함할 수 있다.
이 경우, 수광부(220)에 의해 수신된 광이 제1 파장(λ1)을 갖는 경우, 상기 제2 내지 제4 포토 다이오드들은 반응하지 않고 제1 포토 다이오드만이 반응하여 상기 제1 포토 다이오드만이 전기 신호를 생성할 수 있다. 이와 같이, 수광부(220)에 의해 수신된 광이 제2 파장(λ2)을 갖는 경우 상기 제2 포토 다이오드만이 전기 신호를 생성하고, 상기 광이 제3 파장(λ3)을 갖는 경우, 상기 제3 포토 다이오드만이 전기 신호를 생성하고, 상기 광이 제4 파장(λ4)을 갖는 경우, 상기 제4 포토 다이오드만이 전기 신호를 생성할 수 있다.
광전 변환부(240)에 의해 생성된 전기 신호는 제어부(170)로 전달되고, 제어부(170)는 상기 전기 신호를 분석하여 반응 영역(150) 내에서 중합 반응이 일어나고 있는 핵산의 염기 서열을 파악할 수 있다.
도 5를 참조로 설명되는 옵티컬 헤드(200)는 도 1에 도시된 옵티컬 헤드(120)로 이용될 수 있다.
상기 제어부(170)는 도 1의 스테이지(110) 내에 위치할 수 있다. 다른 예에 따르면, 상기 제어부(170)의 일부는 스테이지(110) 내에 위치하고, 나머지 일부는 외부의 제어 장치에 위치할 수 있다. 이 경우, 제어부(170)의 일부와 상기 나머지 일부 사이에는 데이터 통신에 이해 데이터를 송수신할 수 있다. 예컨대, 제어부(170)의 일부와 나머지 일부 사이에는 무선 통신을 이용하여 데이터가 전달될 수 있다.
또한, 제어부(170)와 상기 옵티컬 헤드들(120)을 구동시키기 위한 전원은 유선을 통해 외부에서 제공될 수 있거나, 무선 전력 통신을 이용하여 외부로부터 제공될 수 있다. 또한, 상기 전원을 제공하기 위한 별도의 전원 장치가 스테이지(110) 내에 구비될 수 있다. 상기 별도의 전원 장치는 배터리일 수 있다. 또한, 상기 전원을 제공하기 위한 별도의 전원 장치는 스테이지(110)의 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 전력 생성 장치일 수 있다. 예컨대, 스테이지(110) 주변에 자기장을 생성시킨 후, 스테이지(110)에 폐회로를 구성함으로써, 스테이지(110)가 회전함에따라 상기 폐회로 내를 통과하는 자기장이 변화하게끔 설계하고, 이러한 자기장 변화에 따른 유도 기전력을 이용하여 전기 에너지를 생성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(170)를 설명하기 위한 블록도이다.
도 6을 참조하면, 제어부(170)는 신호 처리부(171), 위치 판단부(172) 및 데이터 처리부(173)를 포함할 수 있다.
신호 처리부(171)는 광전 변환부(240)로부터 생성된 전기 신호를 샘플링하여 데이터로 변환하고, 이 데이터를 데이터 처리부(173)로 전달할 수 있다. 신호 처리부(171)는 복수의 옵티컬 헤드(200)로부터 제공된 전기 신호들을 각각 샘플링할 수 있다.
위치 판단부(172)는 각각의 옵티컬 헤드(120)가 어떤 반응 영역(150)을 스캔하고 있는지를 판단할 수 있다. 바이오 디스크(140) 내의 반응 영역들(150)의 배치는 고정되어 있고, 오직 스테이지(110)만이 회전하고 있기 때문에, 샤프트(130) 또는 스테이지(110)에 부착된 센서를 이용하여, 스테이지(110)가 얼마나 회전하였는지를 검출함으로써, 위치 정보를 생성할 수 있다. 이러한 위치 정보는 데이터 처리부(173)로 전송될 수 있다.
또한, 위치 판단부(172)는 신호 처리부(171)에 샘플링 시점을 결정하기 위한 샘플링 신호를 제공할 수 있다. 위치 판단부(172)는 스테이지(110)의 회전 속도를 검출할 수 있고, 상기 회전 속도와 바이오 디스크(140) 상의 반응 영역들(150) 간의 원주 방향으로의 간격을 기초로, 샘플링 간격을 결정할 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 위치 판단부(172)는 상기 위치 정보를 이용하여 옵티컬 헤드(200)가 반응 영역(150)의 아래에 위치하는 시점을 정확히 계산할 수 있다. 위치 판단부(172)는 옵티컬 헤드(200)가 반응 영역(150) 아래에 위치하는 시점에 대응하는 샘플링 신호를 생성할 수 있으며, 이를 신호 처리부(171)에 제공할 수 있다. 이러한 샘플링 신호를 이용함으로써, 노이즈로 인하여 허위 전기 신호와 반응 영역(150)으로부터 제공되는 광에 기초한 전기 신호를 구분할 수 있다.
또한, 위치 판단부(172)는 스테이지(110)의 회전 속도를 제어할 수도 있다. 상기 회전 속도는 형광 물질이 광을 방출하는 시간 및 하나의 반응 영역에서 광들이 방출되는 시간 간격을 기초로 결정될 수 있다. 예컨대, 형광 물질이 광을 방출하는 시간의 최소값보다 원주 방향으로 인접한 옵티컬 헤드들(120)이 회전에 의해 어느 한 지점을 통과하는 시간 간격이 더 짧도록 회전 속도가 결정될 수 있다. 또한, 원주 방향으로 인접한 옵티컬 헤드들(120)이 회전에 의해 어느 한 지점을 통과하는 시간 간격은 반응 영역(150)에서 광들이 방출되는 시간 간격의 최소값보다 짧도록 회전 속도가 결정될 수 있다.
데이터 처리부(173)는 신호 처리부(171)로부터 제공된 데이터와 위치 판단부(172)로부터 제공된 위치 정보를 기초로 각각의 반응 영역(150) 내에 위치한 핵산의 염기 서열을 분석할 수 있다.
예를 들어 설명하자면, 제1 트랙에 8개의 반응 영역들(150)이 위치하고, 이들을 2개의 옵티컬 헤드(200)를 이용하여 스캔한다고 가정한다. 신호 처리부(171)로부터 다음과 같은 데이터가 전송되었다고 가정한다.
제1 옵티컬 헤드에 의해 생성된 전기 신호를 기초로 생성된 데이터(D1) 중 일부와 제2 옵티컬 헤드에 의해 생성된 전기 신호를 기초로 생성된 데이터(D2) 중 일부는 다음과 같다고 가정한다.
D1 = 1432 2313 4223 1124 3221 1234 1212 3424 1334 1144 1421 3212 1334 4421 4322 4124
D2 = 4323 3112 1414 1123 3341 2142 3212 2313 1242 1232 1142 4324 4324 3223 2412 4232
위의 데이터에서 동일한 위치에 있는 데이터는 동일한 시점에 스캔된 것이다. 또한, 데이터 값이 "1"이라는 것은 반응 영역(150)으로부터 제1 파장(λ1)의 광이 방출되었음을 검출하였음을 의미하고, 데이터 값이 "2"이라는 것은 반응 영역(150)으로부터 제2 파장(λ2)의 광이 방출되었음을 검출하였음을 의미하고, 데이터 값이 "3"이라는 것은 반응 영역(150)으로부터 제3 파장(λ3)의 광이 방출되었음을 검출하였음을 의미하고, 데이터 값이 "4"이라는 것은 반응 영역(150)으로부터 제4 파장(λ4)의 광이 방출되었음을 검출하였음을 의미한다.
또한, 위치 판단부(172)로부터 제공된 위치 정보에 따라, 데이터 처리부(173)는 데이터(D1)의 첫 번째 데이터 값은 상기 제1 옵티컬 헤드가 제1 반응 영역을 스캔한 데이터 값이라는 것을 알 수 있다. 제2 옵티컬 헤드는 스테이지의 중심을 기준으로 제1 옵티컬 헤드의 반대편에 위치할 것이므로, 데이터(D2)의 첫 번째 데이터 값은 상기 제2 옵티컬 헤드가 제5 반응 영역을 스캔한 데이터 값임을 알 수 있다.
이러한 경우에, 데이터 처리부(173)는 위의 데이터(D1, D2)를 기초로 각각의 반응 영역들 내에 위치한 핵산들의 염기 서열을 알 수 있다.
데이터(D1)은 제1 옵티컬 헤드가 제1 반응 영역부터 제8 반응 영역을 반복적으로 스캔한 값이다. 또한, 데이터(D2)는 제2 옵티컬 헤드가 제5 반응 영역부터 제8 반응 영역을, 그리고 다시 제1 반응 영역부터 제4 반응 영역을 반복적으로 스캔한 값이다. 그리고, 제1 반응 영역은 제1 옵티컬 헤드와 제2 옵티컬 헤드에 의해 번갈아 스캔된다. 따라서, 제1 반응 영역으로부터 방출된 광에 대응하는 데이터는 데이터(D1)의 1번째 값, 데이터(D2)의 5번째 값, 데이터(D1)의 9번째 값, 데이터(D2)의 13번째 값, 데이터(D1)의 17번째 값과 같은 방식으로 결정된다. 따라서, 제1 반응 영역으로부터 방출된 광에 대응하는 데이터는 "1", "3", "4", "1", "3", "2", "1", "2", "1", "1", "1", "4", "1", "3", "4", "4"에 해당한다. 따라서, 제1 반응 영역의 핵산에 중합 반응된 뉴클리오타이드의 종류는 순서대로 "A", "T", "C", "A", "T", "G", "A", "G", "A", "A", "A", "C", "A", "T", "C", "C"이다. 그리고, 데이터 처리부(173)는 염기쌍 원리에 따라 제1 반응 영역의 핵산의 염기 서열은 "G", "C", "T", "G", "C", "A", "G", "A", "G", "G", "G", "T", "G", "C", "T", "T"이라는 것을 파악할 수 있다.
이와 같은 방식으로, 제2 내지 제8 반응 영역들에 속한 핵산의 염기 서열을 분설할 수 있으며, 이에 대해서는 반복하여 설명하지 않는다.
위의 예는 용이한 이해를 위해 옵티컬 헤드가 반응 영역을 지날 때마다, 새로운 뉴클리오타이드가 템플릿 스트랜드에 결합된다고 가정한 것이다. 실제로는 옵티컬 헤드가 반응 영역을 지날 때 템플릿 스트랜드에 아무런 뉴클리오타이드가 결합되지 않아 아무런 빛도 방출되지 않아 아무런 전기 신호도 생성되지 않을 수도 있고, 하나의 뉴클리오타이드가 템플릿 스트랜드에 결합되면서 생성되는 형광 물질에 의해 방출되는 광이 여러 옵티컬 헤드에 의해 검출될 수도 있다. 이러한 경우는 스테이지의 회전 속도가 매우 높아 반응 영역의 스캔 속도가 매우 빠른 경우일 것이다.
그러나 이와 같이 스캔 속도가 매우 빠른 경우에는 이전의 뉴클리오타이드가 결합된 후 새로운 뉴클리오타이드가 결합되기 전에 적어도 하나의 옵티컬 헤드가 반응 영역을 지날 것이므로, 전기 신호가 생성되지 않은 데이터를 기준으로 염기 서열을 분석함으로써 염기 서열을 오류 없이 분석할 수 있다.
예컨대, 위와 같이 스캔 속도가 매우 빠른 경우에는, "G", "N", "C", "N", "N", "T", "T", "N", "N", "N", "G", "N", "N", "C", "N", "A", "N", "N", "N", "G", "N", "A", "N", "N", "N", "G", "G", "N", "G", "N", "N", "G", "N", "N", "N", "T", "N", "G", "N", "N", "C", "C", "N", "N", "T", "N", "N", "N", "T"와 같은 염기 서열 분석 결과가 나올 수 있다. 여기서 "N"은 아무런 전기 신호도 발생하지 않은 경우를 나타낸다.
이 경우, "N"과 "N" 사이의 중복되는 염기에 대해서는 하나의 뉴클리오타이드의 결합시에 발생된 광이 중복되어 스캔된 것이므로, 동일한 뉴클리오타이드가 결합된 것이 아니라 하나의 뉴클리오타이드가 결합된 것임을 알 수 있다. 즉, "N", "T", "T", "N"와 같은 데이터는 하나의 "T"가 결합되었다는 것을 나타내고, "N", "T", "N", "T", "N"는 두 개의 "T"가 결합되었다는 것을 나타낸다.
이러한 방식으로 위의 데이터를 처리하면, 데이터 처리부(173)는 위의 데이터가 위의 예에서와 동일하게 "G", "C", "T", "G", "C", "A", "G", "A", "G", "G", "G", "T", "G", "C", "T", "T"의 염기 서열을 나타낸다는 것을 파악할 수 있다.
데이터 처리부(173)에 의해 분석된 핵산들의 염기 서열은 무선 통신 방식에 의해 외부로 제공될 수 있거나, 예컨대, 플래시 메모리와 같은 별도의 저장 장치에 저장한 후, 상기 저장 장치를 외부의 컴퓨팅 장치를 통해 판독할 수도 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 옵티컬 헤드(201)를 설명하기 위한 블록도이다.
도 7의 옵티컬 헤드(201)는 도 5의 옵티컬 헤드(200)에서 발광부(210)가 생략되었다는 점을 제외하고는 도 5의 옵티컬 헤드(200)와 실질적으로 유사하다. 도 5의 실시예에서 발광부(210)가 하는 기능은 별도의 조명부(180)에 의해 수행될 수 있다. 조명부(180)는 반응 영역(150)을 기준으로 옵티컬 헤드(201)의 반대편에 위치할 수 있다. 즉, 도 4의 예에서, 조명부(180)는 바이오 디스크(140)의 상부에 배치되어, 반응 영역(150)의 상부에서 아래로 빛을 조명할 수 있다. 또한, 대안적으로, 하나의 조명부(180)가 복수의 반응 영역들(150)을 조명할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 헤드(300)를 도시하는 개념적인 사시도이다.
도 8을 참조하면, 옵티컬 헤드(300)는 기판(310)을 포함할 수 있다. 기판(310)은 유리 기판, 플라스틱 기판 또는 실리콘 기판일 수 있다. 기판(310)은 도 1의 스테이지(110)의 일부이거나, 스테이지(110)에 부착될 수 있다.
기판(310) 상에 클래딩 물질층(320)이 배치될 수 있다. 클래딩 물질층(320)은 광 신호들이 전반사를 통해 클래딩 물질층(320) 상에 형성되는 도파로와 같은 광학 소자들로부터 외부로 방출되지 않게 하는 기능을 수행한다. 이를 위해, 상기 광학 소자들은 코어 물질로 형성될 수 있고, 상기 코어 물질의 굴절률은 클레딩 물질층(320)의 클레딩 물질층의 굴절률보다 크다. 기판(310)이 실리콘으로 이루어진 경우, 클래딩 물질층(320)은 실리콘 산화물층일 수 있다. 클래딩 물질층(320)이 실리콘 산화물층인 경우, 상기 실리콘 산화물층은 화학적 기상 증착 방법에 의해 형성하거나 열산화법에 의해 형성될 수 있다. 또한, 클래딩 물질층(320)이 실리콘 산화물층인 경우, 상기 코어 물질은 실리콘일 수 있다. 예컨대, 상기 코어 물질은 비정질 실리콘, 폴리 실리콘 및 단결정 실리콘일 수 있다.
클래딩 물질층(320) 상에 발광 다이오드(330), 모니터링 포토 다이오드(335), 제1 도파로(340), 제1 그레이팅 커플러(345), 제2 그레이팅 커플러(350), 제2 도파로(355), 배열 격자 도파로(365) 및 광전 변환부(380) 중 적어도 일부가 배치될 수 있다.
발광 다이오드(330)는 전기 신호에 따라 광을 방출할 수 있다. 발광 다이오드(330)는 레이저 다이오드일 수 있다. 모니터링 포토 다이오드(335)는 발광 다이오드(330)로부터 광이 방출되는 지를 검사하기 위한 것으로서, 발광 다이오드(330)가 발광하는 경우, 모니터링 포토 다이오드(335)는 전기 신호를 생성할 수 있다.
제1 도파로(340)는 발광 다이오드(330)로부터 방출된 광을 제1 그레이팅 커플러(345)로 전달할 수 있다. 제1 그레이팅 커플러(345)는 제1 도파로(340)로부터 전달된 광을 반응 영역(150a)을 향하여 배향시킬 수 있다. 제1 그레이팅 커플러(345)는 포커싱 그레이팅 커플러일 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 반응 영역(150a)은 바이오 디스크(140a) 내의 개구부에 의해 한정되며, 도 4를 참조로 앞에서 설명한 반응 영역(150)과 실질적으로 유사하다. 도 8의 바이오 디스크(140a)는 도 1의 바이오 디스크(140)의 일부만을 도시한 것이며, 반응 영역(150a)의 횡단면은 직사각형인 것으로 도시하였으나, 이는 본 발명을 한정하지 않는다.
제2 그레이팅 커플러(350)는 반응 영역(150a)의 중합 반응에 의해 생성되는 광을 수신하여 제2 도파로(355)에 전달한다. 제2 도파로(355)는 배열 격자 도파로(365)에 연결되며, 상기 제2 도파로(355)에 전달된 광은 배열 격자 도파로(365)를 통과함에 따라 파장에 따라 분리된다.
배열 격자 도파로(365)는 제2 도파로(355)에 연결되는 제1 슬랩 도파로(360), 제1 슬랩 도파로(360)에 연결되고 서로 다른 길이를 갖는 제1 내지 제4 격자 도파로(362, 364, 366, 368), 상기 제1 내지 제4 격자 도파로(362, 364, 366, 368)가 연결되는 제2 슬랩 도파로(370), 및 서로 다른 위치에서 상기 제2 슬랩 도파로(370)에 연결되는 제1 내지 제4 출력 도파로(372, 374, 376, 378)를 포함할 수 있다. 제1 파장(λ1)을 갖는 광은 제1 출력 도파로(372)에만 전달될 수 있고, 제2 파장(λ2)을 갖는 광은 제2 출력 도파로(374)에만 전달될 수 있고, 제3 파장(λ3)을 갖는 광은 제3 출력 도파로(376)에만 전달될 수 있고, 제4 파장(λ4)을 갖는 광은 제4 출력 도파로(378)에만 전달될 수 있다. 따라서, 배열 격자 도파로(365)는 제1 내지 제4 파장(λ1, λ2, λ3, λ4)에 대한 밴드 패스 필터로 기능할 수 있다.
제1 출력 도파로(372)는 제1 포토 다이오드(382)에 연결되고, 제2 출력 도파로(374)는 제2 포토 다이오드(384)에 연결되고,
제3 출력 도파로(376)는 제3 포토 다이오드(386)에 연결되고, 제4 출력 도파로(378)는 제4 포토 다이오드(388)에 연결될 수 있다. 그 결과, 반응 영역(150a)으로부터 방출된 광이 제1 파장(λ1)을 갖는 경우, 제1 포토 다이오드(382)가 전기 신호를 생성할 것이다. 또한, 상기 광이 제2 파장(λ2)을 갖는 경우에는 제2 포토 다이오드(384)가 동작할 것이고, 상기 광이 제3 파장(λ3)을 갖는 경우에는 제3 포토 다이오드(386)가 동작할 것이고, 상기 광이 제4 파장(λ4)을 갖는 경우에는 제4 포토 다이오드(388)가 동작할 것이다. 제1 내지 제4 포토 다이오드(382, 384, 386, 388)들은 광전 변환부(380)에 포함될 수 있다.
제1 도파로(340), 제1 그레이팅 커플러(345), 제2 그레이팅 커플러(350), 제2 도파로(355), 및 배열 격자 도파로(365)는 실리콘, 예컨대, 비정질 실리콘, 결정질 실리콘, 또는 단결정 실리콘으로 형성될 수 있다. 상기 광학 소자들이 단결정 실리콘으로 형성하기 위해, 비정질 실리콘 또는 결정질 실리콘이 화학 기상 증착과 같은 반도체 공정을 이용하여 클레딩 물질층(320) 상에 증착될 수 있다. 이후, 증착된 비정질 실리콘 또는 결정질 실리콘을 SPE(Solid Phase Epitaxial) 성장 공정 또는 LEG(Laser Epitaxial Growth) 공정을 이용하여 결정화함으로써, 단결정 실리콘을 형성할 수 있다. 상기 단결정 실리콘을 포토리소그래픽 공정 및 식각 공정을 이용하여 패터닝함으로써 제1 도파로(340), 제1 그레이팅 커플러(345), 제2 그레이팅 커플러(350), 제2 도파로(355), 및 배열 격자 도파로(365)가 형성될 수 있다.
도 8에는 도시되지 않았지만, 발광 다이오드(330), 모니터링 포토 다이오드(335), 제1 도파로(340), 제1 그레이팅 커플러(345), 제2 그레이팅 커플러(350), 제2 도파로(355), 배열 격자 도파로(365) 및 광전 변환부(380)은 클레딩 물질층(320)과 동일한 클레딩 물질로 덮일 수 있다.
이와 같이 도 8에 도시되는 옵티컬 헤드(300)는 실리콘 포토닉 소자로 이루어질 수 있으며, 그 결과 반도체 제조 공정을 이용하여 대량으로 형성될 수 있고, 작은 비용으로 정밀하게 제조될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 옵티컬 헤드(400)를 도시하는 개념적인 사시도이다.
도 9를 참조하면, 옵티컬 헤드(400)는 기판(410), 클레딩 물질층(420), 발광 다이오드(430), 모니터링 포토 다이오드(435), 제1 도파로(440), 제1 그레이팅 커플러(445), 제2 그레이팅 커플러(450), 제2 도파로(455) 및 광전 변환부(480)를 포함할 수 있다. 기판(410), 클레딩 물질층(420), 발광 다이오드(430), 모니터링 포토 다이오드(435), 제1 도파로(440), 제1 그레이팅 커플러(445), 제2 그레이팅 커플러(450), 제2 도파로(455) 및 광전 변환부(480)는 위의 도 8을 참조로 설명된 기판(310), 클레딩 물질층(320), 발광 다이오드(330), 모니터링 포토 다이오드(335), 제1 도파로(340), 제1 그레이팅 커플러(345), 제2 그레이팅 커플러(350), 제2 도파로(355) 및 광전 변환부(380)와 실질적으로 유사하므로 반복하여 설명하지 않는다.
옵티컬 헤드(400)는 원형 필터(465)를 포함할 수 있다. 원형 필터(465)는 제1 내지 제4 링 구조물들(462, 464, 466, 468), 및 제1 내지 제4 출력 도파로들(472, 474, 476, 478)을 포함할 수 있다. 제1 링 구조물들(462)은 제1 파장(λ1)에 대응하는 거리만큼 제2 도파로(455)와 제1 출력 도파로(472)로부터 이격되어 배치된다. 제2 링 구조물들(464)은 제2 파장(λ2)에 대응하는 거리만큼 제2 도파로(455)와 제2 출력 도파로(474)로부터 이격되어 배치된다. 제3 링 구조물들(466)은 제3 파장(λ3)에 대응하는 거리만큼 제2 도파로(455)와 제3 출력 도파로(476)로부터 이격되어 배치된다. 제4 링 구조물들(468)은 제4 파장(λ4)에 대응하는 거리만큼 제2 도파로(455)와 제4 출력 도파로(478)로부터 이격되어 배치된다.
따라서, 제2 도파로(455)를 제1 파장(λ1)의 광이 통과하는 경우, 상기 광은 제1 링 구조물(462)과 제1 출력 도파로(472)에만 전달된다. 제2 도파로(455)를 제2 파장(λ2)의 광이 통과하는 경우, 상기 광은 제2 링 구조물(464)과 제2 출력 도파로(474)에만 전달된다. 제2 도파로(455)를 제3 파장(λ3)의 광이 통과하는 경우, 상기 광은 제3 링 구조물(466)과 제3 출력 도파로(476)에만 전달된다. 제2 도파로(455)를 제4 파장(λ4)의 광이 통과하는 경우, 상기 광은 제4 링 구조물(468)과 제4 출력 도파로(478)에만 전달된다.
제1 출력 도파로(472)에 전달된 광은 제1 포토 다이오드(482)에 의해 전기 신호로 변환된다. 제2 출력 도파로(474)에 전달된 광은 제2 포토 다이오드(484)에 의해 전기 신호로 변환된다. 제3 출력 도파로(476)에 전달된 광은 제3 포토 다이오드(486)에 의해 전기 신호로 변환된다. 제4 출력 도파로(478)에 전달된 광은 제4 포토 다이오드(488)에 의해 전기 신호로 변환된다.
이렇게 변환된 전기 신호는 도 6를 참조로 설명된 제어부로 전달되어 데이터 처리된다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
100: 시퀀싱 장치
110: 스테이지
120: 옵티컬 헤드
140: 바이오 디스크
150: 반응 영역
170: 제어부
200: 옵티컬 헤드
300: 옵티컬 헤드
400: 옵티컬 헤드

Claims (10)

  1. 핵산 중합 반응이 각각 일어나는 복수의 반응 영역들이 배열되는 바이오 디스크;
    상기 핵산 중합 반응에 의해 상기 복수의 반응 영역들로부터 방출되는 광들을 검출하는 복수의 옵티컬 헤드들을 포함하고 회전 축을 중심으로 회전하는 스테이지; 및
    상기 복수의 옵티컬 헤드들에 의해 검출된 광들의 파장을 기초로 상기 복수의 반응 영역들 내의 핵산들의 염기 서열 데이터를 생성하는 제어부를 포함하는 시퀀싱 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 옵티컬 헤드들은 복수의 제1 옵티컬 헤드들을 포함하고,
    상기 복수의 제1 옵티컬 헤드들은 상기 회전 축으로부터 동일한 거리만큼 이격하여 배열되는 것을 특징으로 하는 시퀀싱 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 반응 영역들의 각각에는 폴리머라아제(polymerase)가 부착되고, 상기 폴리머라아제는 4가지 형광 물질로 각각 표지된 4가지 뉴클리오타이드들을 염기쌍 원리에 따라 템플릿 스트랜드(template strand)에 부착시키면서 상기 형광 물질을 상기 뉴클리오타이드로부터 분리시키고, 상기 4가지 형광 물질이 방출하는 광은 각각 다른 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 시퀀싱 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 옵티컬 헤드들의 각각은 실리콘 포토닉(silicon photonic) 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 시퀀싱 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 옵티컬 헤드들의 각각은 상기 복수의 반응 영역들로부터 방출되는 광들을 파장에 따라 역다중화(demultiplexing)하는 역다중화부, 및 역다중화된 광들을 전기 신호로 변환하는 복수의 광전 변환부들을 포함하는 것을 특징으로 하는 시퀀싱 장치.
  6. 핵산 중합 반응이 일어나는 반응 영역을 향하여 광을 방출하는 발광부;
    상기 반응 영역으로부터 방출되고 제1 내지 제4 파장 중 어느 한 파장을 갖는 광을 수신하는 수광부;
    상기 수광부에 의해 수신된 광을 파장에 따라 역다중화하는 역다중화부; 및
    역다중화된 광들을 전기 신호로 변환하는 복수의 광전 변환부들을 포함하는 옵티컬 헤드.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 발광부는 광을 방출하는 발광 다이오드, 상기 발광 다이오드로부터 방출된 광을 상기 반응 영역을 향하여 배향하는 제1 그레이팅 커플러, 및 상기 발광 다이오드로부터 방출된 광을 상기 그레이팅 커플러로 전달하기 위한 도파로를 포함하는 것을 특징으로 하는 옵티컬 헤드.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 수광부는 상기 반응 영역으로부터 방출된 광을 수신하기 위한 제2 그레이팅 커플러, 및 상기 제2 그레이팅 커플러에 수신된 광을 상기 역다중화부로 전달하기 위한 도파로를 포함하는 것을 특징으로 하는 옵티컬 헤드.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 역다중화부는 상기 수광부에 의해 수신된 광을 파장에 따라 분리하는 배열 격자 도파로(Arrayed waveguide gratings)를 포함하고, 상기 배열 격자 도파로는, 상기 제2 그레이팅 커플러에 도파로를 통해 연결되는 제1 슬랩(slab) 도파로, 상기 제1 슬랩 도파로에 연결되고 서로 다른 길이를 갖는 제1 내지 제4 격자 도파로, 상기 제1 내지 제4 격자 도파로가 연결되는 제2 슬랩 도파로, 및 서로 다른 위치에서 상기 제2 슬랩 도파로에 연결되는 제1 내지 제4 출력 도파로를 포함하고, 상기 제1 내지 제4 출력 도파로들은 상기 복수의 광전 변환부들에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 옵티컬 헤드.
  10. 제6 항에 있어서,
    상기 역다중화부는 상기 수광부에 의해 수신된 광을 파장에 따라 분리하는 원형 필터를 포함하고,
    상기 원형 필터는, 상기 제2 그레이팅 커플러에 연결되는 제1 도파로, 상기 도파로로부터 상기 제1 내지 제4 파장에 대응하는 거리만큼 각각 이격되는 4개의 링 구조물들, 상기 4개의 링 구조물들로부터 상기 제1 내지 제4 파장에 대응하는 거리만큼 각각 이격되고 상기 복수의 광전 변환부에 연결되는 4개의 제2 도파로를 포함하는 것을 특징으로 하는 옵티컬 헤드.
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