JP2004257737A

JP2004257737A - バイオチップ読み取り装置

Info

Publication number: JP2004257737A
Application number: JP2003045368A
Authority: JP
Inventors: Masuo Konishi; 益生小西
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2003-02-24
Publication date: 2004-09-16

Abstract

【課題】小型で低コストなバイオチップ読み取り装置を提供する。
【解決手段】蛍光物質を励起可能なレーザ光１１を照射する半導体レーザ１０と、半導体レーザ１０から照射されたレーザ光１１をガウシアン光からトップハット光に変換するビームシェーパー１２と、散乱した蛍光２１をコリメートするキャピラリプレート２２と、キャピラリプレート２２を通過した光のうちレーザ光１１を遮断し蛍光２１を透過する干渉フィルタ２４と、干渉フィルタ２４を透過した蛍光２１を受光する電子冷却式ＣＣＤ２０と、を有する構成とした。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バイオチップ読み取り装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
有用な遺伝子の研究や病気の診断などのために、遺伝子の発現パターンの解析や、蛋白質の機能を解明するプロテオーム解析などが行われている。これらの解析には、ハイブリダイゼーション反応が利用されている。ハイブリダイゼーション反応は、既知の配列を有するＤＮＡや蛋白質等（以下、プローブと呼ぶ）と、調査対象のＤＮＡや蛋白質等（以下、試料と呼ぶ）とを、相補的に結合（ハイブリダイズ）させるものである。その具体的な方法として、まずＤＮＡチップやプロテインチップなどのバイオチップを形成する。バイオチップは、ガラス基板の表面に形成した多数のスポットに、それぞれ配列の異なるプローブを固定したものである。一方の試料には、蛍光物質により標識を施しておく。そして、このバイオチップおよび試料を反応容器に入れて、ハイブリダイゼーションを行う。その後、バイオチップに光を照射して蛍光物質を励起させ、各スポットから発せられる蛍光の強度を測定して、各スポットにおけるハイブリダイゼーションの有無等を確認する。これにより、ＤＮＡや蛋白質等に関する各種の解析を行うことができる。
【０００３】
この蛍光測定方法には、以下の２方式が存在する。図４に第１の方式の説明図を示す。第１の方式では、蛍光物質の励起波長のレーザ光１１１を半導体レーザ１１０により照射し、このレーザ光１１１を集光レンズ１１４で集光し、さらにガルバノミラー１１６で反射して、バイオチップ１０１上を走査させる。バイオチップ１０１におけるハイブリダイゼーションの行われたスポット１０２では、蛍光物質がレーザ光により励起されて蛍光１２１を発生する。そして、散乱する蛍光１２１をレンズ１２６で集光し、フォトマル１２０等で受光するものである。第２の方式では、キセノン等の連続光源と光学バンドパスフィルタとを組み合わせて励起光を作成し、バイオチップ上に照射する。さらに、バイオチップの各スポットから散乱する蛍光をレンズで集光し、冷却ＣＣＤ等で平面的に受光するものである。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−０９４７４７号公報（第１図、第２図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した第１の方式では、照射したレーザ光の集光および散乱した蛍光の集光のため、集光レンズを使用する。集光レンズは、一般に長い焦点距離（数ｃｍ〜１０ｃｍ程度）を必要とするので、バイオチップ読み取り装置が大型化するという問題がある。また、バイオチップ上にレーザを走査するガルバノミラーは、光軸やタイミングの設定が困難であり、バイオチップ読み取り装置が複雑化するという問題がある。
【０００６】
また、上述した第２の方式では、キセノン等の連続光源を使用するが、高輝度の連続光源が必要となり、バイオチップ読み取り装置が大型化および高額化するという問題がある。また、キセノン等の連続光源は発熱量が多く、ＤＮＡなどを痛める危険性があることから、バイオチップに近づけることができない。したがって、バイオチップ読み取り装置が大型化するという問題がある。一方、散乱した蛍光の集光のため集光レンズを使用するので、やはりバイオチップ読み取り装置が大型化するという問題がある。
【０００７】
このように、いずれの方式を用いても、バイオチップ読み取り装置が大型化し、または高額化するという問題があった。そのため、臨床検査や食品検査の一部では、バイオチップ読み取り装置を利用することができなかった。
本発明は上記問題点に着目し、小型で低コストなバイオチップ読み取り装置の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係るバイオチップ読み取り装置は、バイオチップにおける複数のスポットに光を照射し、これにより発生した蛍光を受光して、蛍光物質の存在する前記スポットを特定するバイオチップ読み取り装置であって、前記蛍光物質を励起可能なレーザ光を照射する半導体レーザと、前記半導体レーザから照射された前記レーザ光を、ガウシアン光からトップハット光に変換するビームシェーパーと、を有する構成とした。
【０００９】
ビームシェーパーを用いることで、半導体レーザを面光源として使用することが可能となり、集光レンズおよびガルバノミラーを使用する必要がなくなる。これにより、バイオチップに近接して半導体レーザを配置することが可能となり、バイオチップ読み取り装置を小型化することができる。また、ガルバノミラーや連続光源など、取り扱いが複雑で高価な部品を使用する必要がなくなるので、低コストで信頼性の高いバイオチップ読み取り装置を提供することができる。
【００１０】
また、バイオチップにおける複数のスポットに光を照射し、これにより発生した蛍光を受光して、蛍光物質の存在する前記スポットを特定するバイオチップ読み取り装置であって、散乱した前記蛍光をコリメートするキャピラリプレートと、前記キャピラリプレートを通過した光のうち、前記蛍光物質を励起する光を遮断し、前記蛍光を透過する干渉フィルタと、前記干渉フィルタを透過した前記蛍光を受光するイメージセンサと、を有する構成とした。
【００１１】
キャピラリプレートを用いることで、散乱する蛍光をコリメートすることが可能となり、集光レンズを使用する必要がなくなる。これにより、バイオチップに近接してイメージセンサを配置することが可能となり、バイオチップ読み取り装置を小型化することができる。
【００１２】
そして、バイオチップにおける複数のスポットに光を照射し、これにより発生した蛍光を受光して、蛍光物質の存在する前記スポットを特定するバイオチップ読み取り装置であって、前記蛍光物質を励起可能なレーザ光を照射する半導体レーザと、前記半導体レーザから照射された前記レーザ光を、ガウシアン光からトップハット光に変換するビームシェーパーと、散乱した前記蛍光をコリメートするキャピラリプレートと、前記キャピラリプレートを通過した光のうち、前記レーザ光を遮断し、前記蛍光を透過する干渉フィルタと、前記干渉フィルタを透過した前記蛍光を受光するイメージセンサと、を有する構成とした。これにより、小型で低コストなバイオチップ読み取り装置を提供することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明に係るバイオチップ読み取り装置の好ましい実施の形態を、添付図面にしたがって詳細に説明する。なお以下に記載するのは本発明の実施形態の一態様にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００１４】
図１に、本実施形態に係るバイオチップ読み取り装置の側面図を示す。本実施形態に係るバイオチップ読み取り装置５は、バイオチップ１における複数のスポットに光を照射し、これにより発生した蛍光２１を受光して、蛍光物質の存在するスポットを特定するバイオチップ読み取り装置５であって、蛍光物質を励起可能なレーザ光１１を照射する半導体レーザ１０と、半導体レーザ１０から照射されたレーザ光１１をガウシアン光からトップハット光に変換するビームシェーパー１２と、散乱した蛍光２１をコリメートするキャピラリプレート２２と、キャピラリプレート２２を通過した光のうちレーザ光１１を遮断し蛍光２１を透過する干渉フィルタ２４と、干渉フィルタ２４を透過した蛍光２１を受光する電子冷却式ＣＣＤ２０と、を有するものである。
【００１５】
半導体レーザ１０は、バイオチップ１上に存在する蛍光物質を励起し得る波長のレーザ光を照射できるものを使用する。一例を挙げれば、波長５３２ｎｍのレーザ光を照射し得る半導体レーザ１０を使用する。
【００１６】
半導体レーザ１０の下流側に、ビームシェーパー１２を設ける。ビームシェーパー１２は、図２（１）に示すように強度分布するレーザ光などのガウシアン光を、図２（２）に示すように強度分布するトップハット光に変換するものである。ビームシェーパー１２には、屈折方式および回折方式が存在する。屈折方式は、非球面レンズを使用するものである。すなわち、光密度の高いガウシアン光の中心部では光束を広げる凹レンズを使用し、光密度の低いガウシアン光の周辺部では光束を狭める凸レンズを使用して、光強度を均一化する（特開２００２−１３９６９６号公報参照）。一方の回折方式は、回折型光学素子を使用するものである。すなわち、回折型光学素子（ホログラフィー素子）における結晶方位および空間周期を適当に設定することにより、入射波を所望の位置に回折して、光強度を均一化する（特開平８−９４８３９号公報参照）。
【００１７】
なお、ビームシェーパーの代わりにディフューザを使用した場合でも、トップハット光を得ることができる。ディフューザは、透明媒体にエッチングされた回折格子パターンで入射光を拡散し、均一な光を得るものである。
【００１８】
一方、バイオチップ１のセット位置の下流側には、キャピラリプレート２２を設置する。キャピラリプレート２２は、厚さ０．４〜数十ｍｍのガラス板に、直径数μｍの微細孔を多数設けたものである。各微細孔は、キャピラリプレート２２の表面に整列配置して、キャピラリプレート２２の表面から垂直に形成する。一般にキャピラリプレートは気体流の整流やフィルタリングに使用されるが、板厚に対し孔径が非常に小さいことを利用して、散乱した蛍光から平行光を取り出すコリメータとしてキャピラリプレート２２を使用する。これにより集光レンズを使用する必要がなくなるので、後述する電子冷却式ＣＣＤ２０等のイメージセンサをバイオチップ１に近接して配置することが可能となり、バイオチップ読み取り装置５を小型化することができる。
【００１９】
キャピラリプレート２２の下流側に、干渉フィルタ２４を設置する。バイオチップ読み取り装置５では、レーザ光１１に比べてはるかに微弱な蛍光２１のみを撮像する必要がある。そこで干渉フィルタ２４により、特定波長の蛍光２１のみを透過させ、蛍光撮像の妨げとなるレーザ光１１を遮断する。
【００２０】
干渉フィルタ２４は、透過させない波長の光を、吸収や散乱ではなく干渉によって除去している光学フィルタである。干渉フィルタには、金属干渉フィルタや全誘電体干渉フィルタなどがある。金属干渉フィルタは、ガラス基板の表面に、誘電体であるフッ化マグネシウムの薄膜と、半透明金属薄膜とを、交互に蒸着したものである。一方の全誘電体干渉フィルタは、金属薄膜の代わりに、硫化亜鉛や酸化セシウムなど高い屈折率を示す薄膜を蒸着した多層膜フィルタである。全誘電体干渉フィルタは、金属フィルタに比べて透過波長帯域を狭くすることが可能である。よって、透過光波長と遮断光波長とが相互に近接している場合には、全誘電体干渉フィルタが有効である。ここで、励起光波長と蛍光波長との差は、通常は２０〜３０ｎｍであるが、６ｎｍ程度の場合もありうる。したがって本実施形態では、干渉フィルタ２４を使用し、蛍光と、レーザ光としての励起光とが同時に撮像されても、蛍光がレーザ光に埋もれることを防止することができる。
【００２１】
干渉フィルタ２４の下流側には、イメージセンサを設置する。特に、微弱な蛍光を撮像するイメージセンサとして、電子冷却式ＣＣＤ２０を採用する。一般にＣＣＤでは、光が入力されていない状態でも、暗電流と呼ばれるノイズ電流が出力される。光量が多い場合には暗電流は問題にならないが、微弱な蛍光を撮像する場合には暗電流が無視できなくなる。暗電流は主に熱により電荷が蓄積されて発生するので、ＣＣＤを冷却することにより暗電流を減少させることができる。その冷却方式として、液化窒素などによる冷却方式も存在するが、本実施形態では電子冷却方式を採用する。電子冷却方式は、ペルチェデバイスなどの熱電変換デバイスをＣＣＤに装着する方式である。ペルチェデバイスとは、異種金属の接触面を通じて所定方向に直流電流を流すことにより、その接触面において熱を吸収するものであり、ヒートポンプとして作用する。なお、熱電変換デバイスに加えて、サーミスタなどの温度センサをＣＣＤに取り付けて、ＣＣＤを一定の低温に保持する。このような電子冷却式ＣＣＤ２０を使用して暗電流を減少させることにより、長時間露光した場合でも高いＳ／Ｎ比を確保することが可能となる。上記のように構成した本実施形態に係るバイオチップ読み取り装置は、以下のようにして使用する。
【００２２】
バイオチップ読み取り装置は、ハイブリダイゼーション工程を行った後に、バイオチップの各スポットにおけるハイブリダイゼーションの有無等を確認するバイオチップ読み取り工程で使用する。ハイブリダイゼーション工程では、既知の配列を有するＤＮＡや蛋白質等（以下、プローブと呼ぶ）と、調査対象のＤＮＡや蛋白質等（以下、試料と呼ぶ）とを、相補的に結合（ハイブリダイズ）させる。そのため、まずＤＮＡチップやプロテインチップなどのバイオチップを形成する。バイオチップは、ガラス基板の表面に形成した多数のスポットに、それぞれ配列の異なるプローブを固定したものである。一方の試料には、蛍光物質により標識を施しておく。そして、このバイオチップおよび試料を反応容器に入れて、ハイブリダイゼーションを行う。これにより、相補的な配列を有するプローブおよび試料が、バイオチップにおける特定のスポット上で結合する。
【００２３】
バイオチップ読み取り工程では、ハイブリダイゼーション工程に供したバイオチップを、図１に示すようにバイオチップ読み取り装置５に装着する。次に、半導体レーザ１０を起動する。半導体レーザ１０から照射されたレーザ光１１は、図２（１）に示すように光強度がガウス分布するガウシアン光である。すなわち、光軸における強度がもっとも強く、光軸から離れるにしたがって強度が弱くなる。なお、このレーザ光１１をそのままバイオチップ１に照射すると、バイオチップ１の周辺部に照射されるレーザ光の強度が弱くなり、周辺部のスポット２に存在する蛍光物質が励起できないことになる。そこで、半導体レーザ１０から照射されたレーザ光１１を、ビームシェーパー１２に入射させる。ビームシェーパー１２の内部では、レーザ光が非球面レンズや回折型光学素子を通過する際に、そのレーザ光の強度が均一化される。これによりレーザ光は、図２（１）に示すガウシアン光から、図２（２）に示すトップハット光に変換される。すなわち、光軸から所定距離の範囲内における強度が一定となり、半導体レーザ１０を面光源として利用できるようになる。そして、ビームシェーパー１２から出力されたレーザ光１３を、バイオチップ１に照射する。これにより、バイオチップ１の各部に対して、同じ強度のレーザ光が照射される。したがって、バイオチップ１の各スポット２に存在する蛍光物質を確実に励起することができる。
【００２４】
レーザ光によって励起された蛍光物質は、蛍光２１を発生させる。なお、蛍光２１は蛍光物質から散乱するので、これをそのままＣＣＤ等で撮像すると、どのスポット２に蛍光物質が存在するのか特定できないことになる。そこで、バイオチップ１の下流側にキャピラリプレート２２を配置する。これにより、図３に示すように、散乱した蛍光２１のうちバイオチップ１から垂直に放射された蛍光２１ａのみが、キャピラリプレート２２の微細孔２２ａを通過する。そして、キャピラリプレート２２を通過した蛍光２１を撮像すれば、バイオチップ１におけるどのスポット２に蛍光物質が存在するのか特定することができる。
【００２５】
ただし、バイオチップ１を透過したレーザ光１１も、蛍光２１とともにキャピラリプレート２２の微細孔を通過する。なお、レーザ光１１の強度は蛍光２１に比べて非常に強いことから、ＣＣＤ等による撮像結果において蛍光の受光を判別できないことになる。そこで、図１に示すように、キャピラリプレート２２を透過した光を、干渉フィルタ２４に入射させる。干渉フィルタ２４は、キャピラリプレート２２を透過した光のうち、蛍光２１のみを透過し、レーザ光１１を遮断する。
【００２６】
そして、干渉フィルタ２４を透過した蛍光を、電子冷却式ＣＣＤ２０によって受光する。電子冷却式ＣＣＤ２０は、熱電変換デバイスによりＣＣＤを冷却しているので、暗電流を出力しない。したがって、受光した蛍光のみを出力することができる。これにより、バイオチップ１において蛍光物質の存在するスポットを特定することが可能となり、バイオチップ１の各スポットにおけるハイブリダイゼーションの有無等を確認することができる。
以上に詳述した本実施形態に係る構成により、バイオチップ読み取り装置を小型化することができる。
【００２７】
すなわち、ビームシェーパーを用いることで、半導体レーザを面光源として使用することが可能となり、集光レンズおよびガルバノミラーを使用する必要がなくなる。これにより、バイオチップに近接して半導体レーザを配置することが可能となり、バイオチップ読み取り装置を小型化することができる。また、ガルバノミラーや連続光源など、取り扱いが複雑で高価な部品を使用する必要がなくなるので、低コストで信頼性の高いバイオチップ読み取り装置を提供することができる。
【００２８】
また、キャピラリプレートを用いることで、散乱する蛍光をコリメートすることが可能となり、集光レンズを使用する必要がなくなる。これにより、バイオチップに近接して電子冷却式ＣＣＤを配置することが可能となり、バイオチップ読み取り装置を小型化することができる。このように、バイオチップに近接して励起光源および受光器を配置すれば、バイオチップ読み取り装置の高さを１０ｃｍ程度とすることができる。
【００２９】
以上により、小型で低コストなバイオチップ読み取り装置を提供することができるので、例えば臨床検査や食品検査などの分野にも、バイオチップ読み取り装置の利用範囲を拡大することができる。
【００３０】
【発明の効果】
バイオチップにおける複数のスポットに光を照射し、これにより発生した蛍光を受光して、蛍光物質の存在する前記スポットを特定するバイオチップ読み取り装置であって、前記蛍光物質を励起可能なレーザ光を照射する半導体レーザと、前記半導体レーザから照射された前記レーザ光を、ガウシアン光からトップハット光に変換するビームシェーパーと、散乱した前記蛍光をコリメートするキャピラリプレートと、前記キャピラリプレートを通過した光のうち、前記レーザ光を遮断し、前記蛍光を透過する干渉フィルタと、前記干渉フィルタを透過した前記蛍光を受光するイメージセンサと、を有する構成としたので、小型で低コストなバイオチップ読み取り装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係るバイオチップ読み取り装置の側面図である。
【図２】（１）はガウシアン光の強度分布図であり、（２）はトップハット光の強度分布図である。
【図３】キャピラリプレートにおけるコリメート作用の説明図である。
【図４】従来技術に係るバイオチップ読み取り装置の説明図である。
【符号の説明】
１………バイオチップ、２………スポット、５………バイオチップ読み取り装置、１０………半導体レーザ、１１………レーザ光、１２………ビームシェーパー、１３………レーザ光、２０………電子冷却式ＣＣＤ、２１………蛍光、２２………キャピラリプレート、２４………干渉フィルタ。

Claims

バイオチップにおける複数のスポットに光を照射し、これにより発生した蛍光を受光して、蛍光物質の存在する前記スポットを特定するバイオチップ読み取り装置であって、
前記蛍光物質を励起可能なレーザ光を照射する半導体レーザと、
前記半導体レーザから照射された前記レーザ光を、ガウシアン光からトップハット光に変換するビームシェーパーと、
を有することを特徴とするバイオチップ読み取り装置。
バイオチップにおける複数のスポットに光を照射し、これにより発生した蛍光を受光して、蛍光物質の存在する前記スポットを特定するバイオチップ読み取り装置であって、
散乱した前記蛍光をコリメートするキャピラリプレートと、
前記キャピラリプレートを通過した光のうち、前記蛍光物質を励起する光を遮断し、前記蛍光を透過する干渉フィルタと、
前記干渉フィルタを透過した前記蛍光を受光するイメージセンサと、
を有することを特徴とするバイオチップ読み取り装置。
バイオチップにおける複数のスポットに光を照射し、これにより発生した蛍光を受光して、蛍光物質の存在する前記スポットを特定するバイオチップ読み取り装置であって、
前記蛍光物質を励起可能なレーザ光を照射する半導体レーザと、
前記半導体レーザから照射された前記レーザ光を、ガウシアン光からトップハット光に変換するビームシェーパーと、
散乱した前記蛍光をコリメートするキャピラリプレートと、
前記キャピラリプレートを通過した光のうち、前記レーザ光を遮断し、前記蛍光を透過する干渉フィルタと、
前記干渉フィルタを透過した前記蛍光を受光するイメージセンサと、
を有することを特徴とするバイオチップ読み取り装置。