미세 반응을 위한 형광 검출 모듈과 이를 구비한 형광 검출시스템 document_id A220623046536

본 발명은 미세유체기술(microfluidics)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미세반응(microreaction)이 일어나는 미세 챔버 내의 형광을 검출하기 위한 형광 검출 모듈과 이를 구비한 형광 검출 시스템에 관한 것이다. 미세유체기술(microfluidics)은, 칩 상에 포토리소그래피, 고온-엠보싱(hot-embossing), 또는 몰딩 등의 미세가공(micromachining) 기술로 미세 챔버(microchamber)를 형성한 후, 이 미세 챔버 내에서 미세 유체의 반응이 일어나도록 하는 기술로서, 소모되는 시약의 양을 줄이고 분석시간을 짧게 할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 미세 챔버는 검출 대상이 되는 미세 유체가 머무는 공간으로서, 여기에는 미세 채널이 연결되어 있으며, 수십 ~ 수백 마이크로미터의 폭을 가진 미세 채널보다는 넓거나 동일한 폭을 갖고 있다. 미세 챔버 내에서의 미세반응은 주로 생화학 반응, 예컨대 중합효소 연쇄반응(PCR; polymerase chain reaction), 효소화학반응(enzyme reaction) 또는 면역분석(immunoassay) 등을 수반하는데, 이러한 미세반응의 분석을 위해 미세 챔버에서 발생되는 형광을 검출하게 된다. 특히, PCR과 같이 변성(denaturation), 어닐링(annealing) 및 신장(extension) 단계에서 각각 서로 다른 온도가 요구되는 경우에, 온도 사이클을 반복적으로 수행하여 반응을 시키게 된다. 이때 적은 반응 부피와 넓은 면적은 미세 챔버 내에 열이 빠르게 전달되도록 하여 온도 사이클에 요구되는 시간을 줄일 수 있다. PCR 반응을 실시간으로 검출하는 방법으로는 여러 가지가 있으나, 현재 대부분의 상용화된 장치에서는 형광검출법을 사용한다. 이러한 형광검출법으로는, PCR 반응으로 생성된 이중 나선(double strand) DNA에 결합하여 형광을 발생시키는 SYBR Green I 등의 형광 다이(dye)를 이용하는 방법과, PCR 반응에 사용되는 두 개의 프라이머(primer) 사이에 결합할 수 있는 DNA 시퀀스를 프로브(probe)로 사용하고, 이 프로브의 양 단에 형광발색단(fluorophore)과 형광억제단(quencher)을 결합시켜, DNA 합성에 사용되는 태그 폴리머라제(Taq polymerase)의 엑소뉴클레아제 액티비티(exonuclease activity)를 사용하여 프로브가 잘리게 되면 형광발색단과 형광억제단이 분리되면서 형광이 발생하는 것을 분석하는 TaqMan(R) 방법 등의 다양한 방법이 개발되어 있다. 현재, PCR과 같은 생화학 반응은 튜브 안에서 주로 이루어지며, 튜브 내의 형광을 검출하기 위한 다양한 장치들이 상용화되어 있다. Applied Biosystems사에 특허 허여된 미합중국특허 제 5,928,907호에는 광섬유를 이용하여 튜브 내의 형광을 검출하는 장치가 개시되어 있다. 이 장치는 다수의 튜브를 하나의 검출기로 검출할 수 있다는 점에서는 유리하지만, 광섬유에 형광을 여기시키기 위한 여기광을 집광시키기 위해서는 레이저와 같이 잘 콜리메이트 된 광원을 사용해야 하며 또한 정밀한 광학장치가 필요하여 고가의 높은 처리량(high-throughput)을 가진 장비에만 채용 가능한 단점이 있다. Cepheid사에 특허 허여된 미합중국특허 제 6,369,893호에 개시된 장치는, 여기 블록(excitation block)과 검출 블록(detection block)을 나누어 구성하였으며, LED를 이용한 여기 블록으로 형광을 여기시키고 90도 각도로 위치한 검출 블록으로 형광 신호를 검출하도록 구성하여 모듈화에 유리하다는 장점을 가지고 있다. 그러나, 여기와 검출을 90도 각도를 가지고 수행하기 위해서는 튜브를 마름모꼴로 하여 벽면쪽에서 여기와 검출이 이루어지므로 충분한 벽면 두께를 필요로 하기 때문에 시료의 체적(sample volume)이 25 ㎕ 이상 필요한 단점이 있다. Idaho Technology사에 특허 허여된 미합중국특허 제 7,081,226호에는 PCR 반응 용기로서 모세관 튜브(capillary tube)를 사용하는 방법이 개시되어 있으며, 여기에 개시된 장치는 LED 광원을 콜리메이트시켜 렌즈를 통해 모세관 튜브 내로 조사하고 이 튜브에서 나오는 형광을 동일한 렌즈로 집광하여 다이크로익 미러(dichroic mirror)를 사용하여 그 형광을 선택적으로 90도 각도로 반사시켜 반사된 형광을 검출하는 구성을 가지고 있다. 이러한 장치는, 모세관 튜브와 같이 작은 직경을 가진 반응 용기에는 적합하지만 미세유체 칩과 같이 두께는 얇고 상대적으로 넓은 면적을 가진 반응 용기에는 적합하지 않다. MJ Research사에 특허 허여된 미합중국특허 제 7,148,043호에 개시된 장치는 종래의 웰(well) 구조의 써말 사이클을 그대로 사용하면서 LED 광원을 웰에 조사하고 형광을 집광하여 검출할 수 있는 구조로 되어 있다. 이 장치는 96 또는 384 웰 플레이트와 같이 수십 ㎕ 부피 이상의 반응 용액을 검출하는 것은 가능하다. 그러나, 수 ㎕ 이하의 부피와 500㎛ 이하의 낮은 깊이를 가진 미세 챔버 내에서 일어나는 반응을 검출하기 위해서는 미세 챔버 내에 조사되는 광원의 크기가 작아야 되고 광학계의 초점거리가 정밀하게 유지되어야 한다는 점에서, 상기 장치는 이에 적합하지 않다. 종래의 PCR 반응 기기는 큰 테이블 탑 형태의 기기로 되어 있으며, 일반적으로 플라스틱 웰이나 튜브를 반응 용기로 사용하고 알루미늄 블록과 같이 매우 큰 써말 매스(thermal mass)를 가열 수단으로 사용하기 때문에 가열 및 냉각 속도가 늦고 전력 소비가 큰 등 비효율적이다. 그래서, 열전도도가 높은 실리콘이나 실리콘 기반의 물질로 이루어진 기판 상에 반응 용기로서 부피가 최소화된 미세 챔버가 형성된 미세유체 칩을 이용하는 기술이 개발되었다. 이러한 미세유체 칩에는 처리량(throughput)을 높이기 위해 다수의 미세 챔버가 형성되는데, 이때 미세 챔버들 사이의 간격이 종래의 웰 플레이트에서의 웰들 사이의 간격보다 좁을수록 단위 면적당 많은 미세 반응을 수용할 수 있기 때문에 유리하다. 그런데, 좁은 간격의 미세 챔버들에서 일어나는 미세 반응을 검출하기 위한 형광 검출기는 일반적으로 레이저 광원을 사용하게 되는데, 일반적으로 형광 검출에 사용되는 파장대의 레이저 광원은 크기가 커서 구동하는 광학계에 광원을 연결하기 위한 방법으로서 광섬유를 사용하는 방법 등이 사용된다. 이 경우 광원과 광섬유의 커플링을 위해 정밀한 광학 부품이 필요하게 되는 등 비용이 증가하는 단점이 있다.