형광 현미경 검사용 카메라

CCD, CMOS, sCMOS 및 BSI

CCD 센서는 매우 오랜 시간 동안 형광 현미경 검사 시장에서 대표적인 기술로 인정 받았습니다. CCD 센서는 여전히 고품질 현미경 검사용 카메라에서 사용되고 있지만 최근 몇 년 사이에 그 입지가 약화되었습니다. 최신 CMOS 기술은 최근 몇 년 동안 사용 범위가 점차 확대되고 있으며 과학 분야에서의 특수한 문제에 대해 경쟁력 있는 대안을 제시합니다. CMOS 센서의 노이즈 수준은 이제 기존의 CCD 센서와 비슷하거나 훨씬 더 우수해졌습니다. 뿐만 아니라 CMOS 센서는 새로운 기술을 통해 빠른 속도, 고해상도 및 낮은 전력 소비/열 방출 등의 요구 사항을 더욱 합리적인 가격으로 충족할 수 있습니다.

CMOS 센서는 여전히 빠르게 발전하고 있으며, 후면 조사(BSI)이라는 기술이 산업용 이미지 센서에 적용되었습니다. 이 기술은 픽셀 구조를 반전시켜 빛에 민감한 광다이오드를 마이크로렌즈 바로 아래에 제시하며 그 결과 픽셀의 양자 효율이 크게 향상됩니다(그림 1).

노이즈는 실제 신호 값과 측정 시스템에서 생성되는 값 사이의 편차입니다. SNR은 특정 광 레벨에서 영상 시스템의 전체 노이즈를 정량화하고 카메라를 비교하는 데 사용되는 일반적인 변수입니다. SNR이 높을수록 이미지의 품질이 향상됩니다. 이미징 프로세스에는 노이즈 감소가 아예 불가능하거나, 가능하다면 카메라 기술(예: 광자의 물리적 외관에 의해 발생하는 광자/샷 노이즈)에 의해 거의 극소량만 감소시킬 수 있는 유형의 노이즈들이 있습니다. 그러나 이미지 품질에 영향을 미치는 그 밖의 노이즈 유형은 센서 자체와 카메라 기술의 영향을 크게 받습니다. 최근 몇 년 동안 최신 CMOS 센서들은 이미지 품질 및 성능 면에서 기존의 CCD 기술을 추월했습니다. 판독 노이즈(즉, 템포럴 다크 노이즈)는 셔터 이벤트당 신호에 추가되는 노이즈로서 e¯/픽셀 단위로 제공됩니다. 최신 CMOS 센서는 판독 노이즈가 2 e¯/픽셀 수준으로 감소합니다(그림 4).

노출 시간이 증가할 경우, 형광 애플리케이션과 관련된 또 다른 노이즈 소스가 중요해집니다. 이 노이즈 소스는 다크커런트(dark current)에 의해 발생합니다. 다크커런트는 노출 중 전자 동안 발생하는 누출이며 e¯/픽셀/초로 표시됩니다(그림 5). 일반적으로 다크커런트는 온도가 7°C 증가할 때마다 두 배로 증가합니다. 시간적 동작이 아니라 공간 관련 특성을 나타내는 노이즈 유형을 고정 패턴 노이즈라고 합니다. 이 유형은 서로 다른 픽셀 사이에서 볼 수 있는 편차를 설명하며, 픽셀 전자 장치 또는 센서 영역의 온도 변화로 인해 발생할 수 있습니다. 이러한 노이즈 유형에 대한 표준화된 정량화 측정값은 빛 신호 없이 생성된 전자의 편차를 설명하는 DSNU(다크 시그널 불균일성, dark signal non uniformity)와 특정한 빛 수준에서 픽셀 대 픽셀 편차를 설명하는 PRNU(광자 반응 불균일성, photoresponse nonuniformity)입니다. 픽셀 대 픽셀 편차에 컷오프 값을 설정하면 대응되는 신호 없이도 높은 그레이 값을 표시하는 핫픽셀과 같은 디펙트 픽셀(defect pixel)을 추가로 구별하고 설명할 수 있습니다. 일부 카메라 제조업체는 이미 인접 픽셀의 보간을 통해 품질 제어 작업 중에 디펙트 픽셀을 수정하여 통합 장치가 이러한 아티팩트에 의해 손상되지 않도록 합니다.

형광은 물리적인 현상으로서 특정한 기술이 아닙니다. 생명 과학에서 분석, 정량적 판단, 시각화 등을 위해 사용 가능한 방법은 거의 무한합니다. 형광 발색단은 단백질, 핵산 또는 마이크로 입자와 같은 다양한 전달체와 결합될 수 있습니다. 또한 세포-생물학적 기능 및 프로세스를 조사하기 위해 유기체 내 유전자 기술 표지로도 통합될 수 있습니다. 형광 기반 방법은 생명 과학 분야 외에도 재료 분석 또는 포렌식 같은 다양한 분야에서 사용됩니다. 다음 사례들은 형광을 활용할 수 있는 다용도 애플리케이션 옵션을 보여줍니다.

자가면역질환 또는 감염질환의 체외진단에서는 간접면역 형광 현미경 검사 기술을 사용하여 환자의 혈액 내 특정 항체를 검출할 수 있습니다.

수동 현미경 검사 외에도 소프트웨어에서 평가한 환자 혈청과 함께 배양된 세포의 형광 패턴을 기반으로 실험실 의사에게 유의미한 결과를 제공하는 자동 시스템이 이미 존재합니다(그림 6). 또 다른 시스템은 말라리아 병원균에 대한 환자의 혈청을 3분 만에 분석합니다. 이러한 분석 작업은 형광 신호를 검토하는 비전 기반 알고리즘을 사용하여 수행됩니다.

의료 진단 분야에서 현장 진단(POS) 시스템의 중요성은 점점 더 증가하고 있습니다. 이 시스템은 무엇보다도 단순하고 비용 경제적인 애플리케이션을 통해 경제적 낙후 지역 또는 인프라가 부족한 지역에서도 더 나은 의료 서비스를 구축할 수 있도록 해줍니다. 랩온어칩(Lab-on-a-chip) 기술을 사용하면 복잡한 연구실 장비 없이도 소형 칩에서 환자 샘플을 처리할 수 있습니다.

외과의사는 혈관 또는 종양 조직에 대한 특수 형광 표지를 활용하여 보다 편리하게 수술용 현미경 검사를 진행하고 있으며, 형광 유도 수술로 완벽한 정밀도의 수술을 실현할 수 있습니다. 또한 치과의사들은 치료 중에 충치의 영향을 받는 치아 부위를 선택적으로 시각화하여 더욱 빠르고 구체적인 치료를 제공할 수 있습니다. 마지막으로, 형광 현미경 검사 애플리케이션은 병리학 분야에서 발병 우려가 있는 환자에 대한 생체검사에서 조직을 검사하는 데 활용됩니다.

생명과학 분야에서는 매우 다양한 형광 기반 애플리케이션을 제공되며 이 애플리케이션에서는 현미경 검사가 큰 비중을 차지합니다. 면역 형광 현미경은 특정한 단백질의 검출을 가능하게 합니다. 예를 들어, 현미경 검사를 통해 특정한 테스트 조건에 따라 세포 및 조직에서 특정 단백질을 감지하거나 정확한 위치를 파악하고, 또는 단백질을 세포의 사멸 시작을 나타내는 표지로 활용합니다.(그림 7) 오늘날, 라이브 셀 이미징 작업은 자동 시스템에서 더 오랜 시간 동안 수행될 수도 있습니다.

분석 수를 늘리기 위한 소형화 및 병렬 처리 작업은 제약 연구에서 특히 중요합니다. 새로운 활성 물질을 찾기 위해 다량의 샘플에 대한 분석적인 검사가 진행되기 때문입니다. 이 과정에서 마이크로 어레이 및 HCS 시스템(high-content screening system)이 사용됩니다(그림 8). 자동 군집 카운터를 통해 페트리 접시에서 형광 표지를 사용하여 감염된 세포를 성공적으로 선별하고 나중에 각 군집 샘플을 선택할 수 있습니다. 이것은 특정 유전 물질이 실험의 일부로서 세포로 실제로 전달되었는지를 검증한다는 것을 의미하며, 연구원들은 연구를 위해 이 물질을 계속 사용할 수 있습니다.