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생명 과학 및 의료 기기

유세포 분석
 

광학이 있기에 가능한
유세포 분석

유세포 분석은 다양한 생명 과학 어플리케이션에서 용액 내 입자(예: 단일 세포)를 계측, 검사, 분류하는 데 사용되는 분석 기술입니다. 이 기술 덕분에 혈액과 골수는 물론 종양과 같은 고형 조직에서 분리된 단일 세포로 구성된 혼합 세포군을 분석할 수 있습니다. 따라서 다양한 질병을 신속하고 정확하게 진단하거나 추가 분석을 위해 세포를 분류할 수 있습니다. 유세포 분석은 면역학, 암 연구, 바이러스학, 분자 생물학, 감염성 질환 모니터링 등 다양한 분야에서 사용됩니다.

유세포 분석기는 광자유체공학 시스템을 사용하는 진단 장비이며, 입자가 흐르는 동안 하나 또는 여러 개의 레이저를 분석 대상 샘플에 집중시킵니다. 입자의 특성(입자 모양, 크기 또는 염색에 사용된 염료)에 따라 산란광 또는 형광 신호가 발생합니다. 이 신호는 필터를 통과하여 디텍터에 도달하며 일반적으로 포토다이오드 또는 PMT(Photomultiplier Tube)가 사용됩니다. 이러한 시스템의 빔 경로는 일반적으로 렌즈, 광학 필터, 미러, 프리즘 및 기타 광학 부품으로 구성되어 빛을 유도합니다. 이러한 광학 부품들은 시스템의 정확도를 향상시키고 플로우 셀에서 디텍터로 신호를 전달하는 데 매우 중요합니다.

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Blood and Optics

유세포 분석 개요 & 일반적인 빔 경로

유세포 분석은 혈액이나 체액에 있는 질병을 검사하고 이를 검출하는 데 사용되는 주요 기술입니다. 유세포 분석기는 유체공학 시스템, 전자 감지 시스템, 광학 시스템 등 중요한 3가지 서브 시스템으로 구성됩니다.

유세포 분석
그림 1: 일반적인 유세포 분석기 구성

유체공학 시스템: 유체역학 포커싱

질적으로 측정하는 데 사용되는 high flow rate:

  • DNA 염기서열 분석기나 유전형 분석으로부터 확보된 유전자 정보만을 사용해 유기체의 형태를 표현하거나 예측

고해상도를 위해 사용되는 lower flow rate:

  • 세포 및 DNA 분석

전자 감지 시스템

전방 산란광: 주어진 크기의 범주 내에서 입자들을 감지하는 레이저 빔의 광축을 약간 벗어난 회절광을 측정

측면 산란광: 굴절률이 변화하는 세포의 거의 모든 경계면에서 굴절 및 반사되는 빛을 측정하며 이는 세포의 복잡성과 거친 정도에 비례

장비

  • PMT(Photomultiplier Tube): SSC 및 형광으로부터 생성되는 약한 신호를 감지하는 데 사용
  • 포토다이오드: PMT보다 덜 민감하며 더 강한 FSC 신호를 감지하는 데 사용

광학 시스템

여기 광학 부품: 레이저 빔을 쉐이핑하고 포커싱하기 위한 레이저와 렌즈

방출 광학 부품: 산란을 응집하는 여러 렌즈와 적절한 라우팅을 위한 미러, 필터, 빔스플리터

형광 현미경용 형광단 및 광학 필터

형광 현미경에서 형광단 및 광학 필터가 어떤 방식으로 작용하는지 살펴보세요.

혈액이나 체액을 관찰하고, 진단하고, 치료하는 데는 많은 기술과 기법이 활용됩니다. 가장 대표적인 기술로는 유세포 분석, 세포 분류, 광자유체공학, 현미경 등이 있습니다.

세포 분류

FACS(Fluorescence Activated Cell Sorting)은 유세포 분석의 특화된 한 형태로 한 번에 단일 세포와 이질적인 세포들을 활성적으로 분류해 여러 컨테이너에 담아내는 기술입니다. 이는 세포별 특성을 기반으로 일반적인 빛의 산란과 형광 원리를 사용하여 수행됩니다.

광자유체공학

미세유체공학과 광학과 결합한 기술입니다. 주된 어플리케이션으로는 광대역을 커버하는 액정 디스플레이, 에너지, 광학 렌즈가 있으며 스타트업 기업의 경우 초기 추진력을 위해 Lab-on-Chip 장치, 바이오센서, 분자 이미징 시스템 등에 중점을 두고 있습니다.

고처리량 선별 검사

강력한 신약 개발 가공법으로 제약 분야에서 폭넓게 활용됩니다. 주로 자동화 처리 방식을 통해 휴먼 에러에 대한 위험 부담이 덜 하며, 신약 개발을 빠르게 진행할 수 있습니다.

현미경

일반적인 광학 현미경은 조직 슬라이드나 준비된 세포 및 샘플을 관찰하는 데 사용됩니다. 고급 현미경(예: 공초점/다광자 현미경)은 다중 레이저, 스캐닝 미러, 전동 액추에이터, 하이엔드 디텍터의 어레이를 활용하여 세포 내 활동과 단백질들 간의 상호작용을 더 잘 이해할 수 있게 해줍니다.

FACS

유세포 분석의 특화된 한 형태로 생물 세포가 가지고 있는 형광 및 산란 특성을 이용해 서로 다른 컨테이너로 세포들을 분류합니다. 이러한 기술은 여러 가지가 섞여 있는 혼합물을 한 번에 하나씩 분리하는 데 사용됩니다.

진단 기술

추천 제품

광학은 유세포 분석을 비롯한 많은 생명 과학 어플리케이션과 의료 기기에서 매우 중요한 역할을 합니다. 빔스플리터와 여러 종류의 필터(예: 밴드패스/다이크로익/롱패스/숏패스 필터)는 가장 많이 활용되는 광학 부품 중에서도 일부에 불과합니다.

밴드패스 필터

밴드패스 필터

밴드패스 필터는 스펙트럼에서 원하는 일부 구간은 투과시키고 투과 대역 외부에 있는 파장은 차단하는 데 사용됩니다.

그림 2(왼쪽): 밴드패스 필터의 투과 프로파일

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광학
필터

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광학 필터의 배치 방향

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맞춤형 밴드패스 필터

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맞춤형 밴드패스 필터
그림 3: 숏패스 필터 1개와 롱패스 필터 1개를 결합하여 맞춤형 밴드패스 필터 구성 가능
숏패스 필터

숏패스 필터

숏패스 엣지 필터는 특정 Cut-Off 파장보다 짧은 파장을 투과시키는 데 사용됩니다.

그림 4(왼쪽): 숏패스 필터의 투과 프로파일

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광학
필터

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광학 필터의 배치 방향

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맞춤형 밴드패스 필터

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롱패스 필터

롱패스 필터

롱패스 엣지 필터는 특정 Cut-On 파장보다 긴 파장을 투과시키는 데 사용됩니다.

그림 5(왼쪽): 롱패스 필터의 투과 프로파일

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광학
필터

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광학 필터의 배치 방향

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맞춤형 밴드패스 필터

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다이크로익 필터

다이크로익 필터

다이크로익 필터는 스펙트럼에서 원하는 일부 구간은 투과시키고 원치 않는 파장은 반사시킵니다. 이러한 효과는 파장을 2개의 경로로 분리할 수 있기 때문에 일부 어플리케이션에서 굉장히 필요로 하는 부분이기도 합니다.

그림 6(오른쪽): 다이크로익 필터의 투과 프로파일

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필터

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광학 필터의 배치 방향

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빔스플리터

빔스플리터

빔스플리터는 입사광을 2개의 서로 다른 빔 경로로 분리하는 데 사용되는 광학 부품입니다. 입사광이 다이크로익 필터처럼 파장에 따라 분리되는 것이 아니라 50/50 혹은 70/30의 정해진 반사/투과 비율에 따라 2개의 경로로 분리됩니다.

그림 7(왼쪽): 입사광이 플레이트 빔스플리터에 의해 2개의 서로 다른 빔 경로로 분리됨

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혈액 관련 질병

아래의 병명들은 유세포 분석과 같은 첨단 진단 기술로 발견할 수 있는 일반적인 혈액 관련 질병입니다. 광학 기술의 발전으로 이러한 질환들을 더 쉽게 발견하고 치료할 수 있게 되었으며, 사용법이 좀 더 간편하고 빠르면서도 휴대성이 있는 의료 기술과 장비가 생겨났습니다.

그림 8: 일반적인 혈액 관련 질병

백혈병

혈액암으로도 알려진 백혈병은 골수와 기타 혈액 생성 부위에서 비정형 및 조숙한 백혈구를 만들어내는 악성의 진행형 질병으로 혈장혈장은 혈액 내의 주된 액체 성분으로 대개는 적혈구, 백혈구 및 혈소판을 품고 있는 매개물이나 기반으로 여겨집니다. 약 95%가 수분으로 이루어져 있고, 이는 사람의 총 혈액량의 절반을 조금 넘는 양입니다. 수분 이외의 나머지는 여러 단백질, 당분, 응고제 및 다양한 전해질로 구성됩니다. 내의 정상적이고 건강한 혈액 세포들의 생성을 저지합니다.

 
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