JP2622567B2 - 高感度光学的イメージ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 この発明は高感度光学イメージ装置、特に、適当な試
薬で処理された診断用のサンプルから放出される微少の
光子の検出及び測定のためのバイオ・医薬分野における
低レベル光検出のための高感度光学的イメージ装置に関
する。

例えば、血清又はその他の体液は、モノクロナール抗
体から取り出されたある種の試薬と混合された時、ある
種の抗体薬等により光子放出を生ずる。

この原理は一般に細胞組織の分野など電気泳動ゲルな
どに適用される。

発明の背景 生化学分野における化学反応によって生じる低レベル
光子放出の検出は、体液と試薬の混合にともなう光子放
出が存在するかどうか、あるいはどの程度の光放出が存
在するかによって、抗体又は抗原が体液中に存在するか
どうか、或いはどの程度存在するかを判断するために１
種または数種の試薬を血清又は他の体液と混合させるよ
うな技術が発達するにつれてますます重要になって来て
いる。これらの技術は癌や最近のエイズのような病のマ
ス・スクリーニングのために発達した。

このような技術において、検査される液体サンプル
は、通常プラスチックで形成される不透明なトレーの各
ウエルの中に置かれる。代表的なトレーは9mm間隔で6mm
直径のウエルを96ヶ含む。96ヶのウエルは縦横12×８の
配列をなす。各ウエルでは特定の試薬とサンプルとの組
み合わせによって行われる１つのテストが可能である。
したがって、96ウエルは１つのものに対する異なった多
数のテスト又は異なったものに対する同一のテストの多
数の組み合わせを同時に96までテスト出来る。

光子放出診断技術に関連した主たる問題は、このよう
なほとんどの反応において光子放出が極めて低率である
ことである。従来のほとんどの電子光検出器のS/N比は
あまり低すぎるので、このような低い光放出が検出でき
ないため、低温の冷却技術によって従来の光検出器の感
度を改善して、検出器の電気活動（それによるノイズ）
を許容出来るレベルに減じる試みがなされており、これ
によって、検出器が非常に低い光放出に対しても反応す
るようにしている。

しかしながら、個々のウエルからの光の放出と光子検
出器との間の効率的な結合は貧弱になりがちであるた
め、このような装置も未だ望ましい感度レベルを有して
いない。

加えて、そのような検出器に普通使用される電荷結合
装置は、発光分析測定に使用される波流（代表的には42
0ナノメーター）において極めて低い効率（代表的には3
0％の水準）になりがちである。

より高い効率を得るために波長転換層を使用すること
が関連した重要な問題となっている。

他の提案では光子映像検出器を利用したが、その出力
は光子が検出されるXY座標に対応するデジタル信号より
構成されている。しかしながら、そのような装置は、ラ
ンダムサンプリングを基本とし、飽和しやすく、より高
い光レベル源の存在では低い光レベルに感じなくなる傾
向がある。したがって、このような装置は１つのウエル
からの光子放出と他のウエルからのそれとの間に著しい
差異のある試料トレーに対しては一般に使用できない。

公知の提案は、ゲル電気泳動のような低レベル光検出
を要求する他の分野においても欠点があった。

従って、本発明の目的の１つは、広いダイナミックレ
ンジを有し、極低率の光子放出の存在に対しても応答し
て出力信号を生じることの出来る改良された光子検出器
を含んだ装置を提供することにある。

更に、本発明の目的は、特に生物組織学において見ら
れるような細胞分野において、ウイルス感染や癌細胞の
検出に使用される極低率の光子検出に反応しうる発光分
析測定システムを提供することにある。

更に、顕微鏡のサンプルホルダー上におけるサンプル
の顕微鏡試験においては、低倍率においてさえも、オペ
レーターは、一時にサンプルの一小部分を見るのみであ
ったので、特別の関心のあるいくつかの場所（これは高
倍率でさらに詳細に観察され得る）を発見するためにサ
ンプルの全体を走査する必要があった。

このようなやり方でサンプル全体をオペレーターが走
査することは、時間を浪費し、又費用のかかるものであ
る。

したがって、本発明の更なる目的はこの問題の解決に
役立つイメージ定量器を提供することにある。

しかし、本発明のイメージ装置は、高感度の光学映像
は要求される関連する分野と同様に、螢光顕微鏡検査、
発光顕微鏡検査、干渉検査、分光検査、Ｘ線デジタル映
像、ゲル電気泳動の分野において一般的に利用される。

発明の要約 本発明によれば、高感度の光学的イメージ装置が提供
される。

そのイメージ装置は、サンプルからの光を受けるため
のファイバー光学フェイスプレートを有するイメージイ
ンテンシファイアと、フェイスプレートの各別個の部位
で受けられた光子放出による電気的出力信号を生ずるよ
うにイメージインテンシファイアの出力に連結された光
電検知手段と、サンプルホルダーによって支持されたサ
ンプルによる光子放出の発生場所に、各出力信号を関連
付けるための信号処理手段とから構成される、サンプル
ホルダーに内蔵されたサンプルからの光子放出を検知す
るための高解像度の光学的イメージ装置であって、イメ
ージインテンシファイアのファイバー光学フェイスプレ
ートに異なったサンプル部位を光学的に連結するための
ファイバー光学手段をそなえ、そのファイバー光学手段
はサンプルとフェイスプレートの各々との間には物理的
境界を有し、それらを介して光学連結が行なわれてい
る。

本発明の実施例としては、次のものが考えられる。

すなわち、（ａ）サンプルがイメージインテンシファ
イアと顕微鏡とによって観察できるイメージ定量器、
（ｂ）複数の分離された反応場所からの光放出を測定す
るための光子検出器、（ｃ）ゲル電気泳動におけるよう
な線状放射源の複数のコラムを測定する装置などがあ
る。

最初に述べた例においては、イメージ定量器は、収容
されたサンプルが、イメージインテンシファイアと顕微
鏡とによって観察できるサンプルホルダーを含むもので
ある。

本発明によれば、ファイバー光学手段がサンプルホル
ダーの基部に組み込まれていてもよい。

また、光電検知手段が、サンプルの単位面積に対して
少なくとも１つのフォトサイト（ピクセル）を有するCC
Dセンサー（本明細書では、単にCCDまたは電荷結合装置
ともいう）と、CCDセンサーに蓄積されたイメージを周
期的に読み出すための電子的手段からなり、装置が、処
理された信号によって駆動される、オペレータがサンプ
ル中のどの関心場所をも確認し得る回路手段とを有して
いる。

イメージインテンシファイアにより観察している間、
サンプルの蛍光を制御してイメージインテンシファイア
の飽和を防ぐ手段を用いても良い。

自己発光性のサンプルの観察に用いる場合は、外部か
らの光はすべて排除するのが好ましい。従来の顕微鏡で
サンプルを観察するために高感度が必要とされる場合
は、イメージインテンシファイアの高圧電源は自動的に
カットされるか、光をカットするためのシャッターが使
われる。

信号処理手段は、好ましくは、CCDから得られた信号
をデジタル化するための手段と、デジタル化された信号
を蓄積する手段とを備えて構成される。蓄積された信号
は、様々な方法でディスプレイ装置を駆動するため、コ
ンピュータグラフィックを利用して読み出される。全サ
ンプルを二次元的に表示するのに加えて、例えば蓄積さ
れた信号は、表示装置がサンプルの断面ヒストグラムを
表すように利用されても良い。

蓄積された信号は、また顕微鏡位置決め装置を制御す
るために読み出すこともでき、これによって、顕微鏡を
サンプルの関心のある場所に、自動的にその中心に置く
ことができる。

オペレータが関心ある場所を選択することが望まれる
場合には、処理された信号によって駆動されるディスプ
レイ装置は、関心ある場所を選択するために、顕微鏡で
全体のサンプルを低倍率で走査する必要はなく、オペレ
ータが関心のある座標を見つけて直ちにその顕微鏡を手
動で移動できるように、あるいはそうでなければ、その
場所に中心を置いて高倍率でそれを見ることができるよ
うに、全体のサンプルのいくつかあるいは全部を表示で
きる。

ファイバー光学手段は、イメージインテンシファイア
とCCDセンサーを連結するために用いられる。

ファイバー光学手段は減倍率連結器であってもよい。
この場合の減倍率連結器は、CCDとイメージインテンシ
ファイア出力との間に連結され、イメージサイズを減ず
る働きを有するファイバー光学連結器である。

実際の装備にあたっては、イメージインテンシファイ
アは被検査面積を50×50ミクロンオーダーの多数の単位
面積に分解することができ、一方CCDは、サンプルのど
の単位面積からの光もが、CCDの約４コから５コのピク
セルに平均して広がるように、22×22ミクロンオーダー
の面積をもったピクセルを持っている。

CCDはイメージインテンシファイアよりも小さい受光
面を持つこともできる。この場合、減倍率ファイバー光
テーパ（demagnifying fibre optic taper）がイメージ
インテンシファイアとCCDを結合するために使用しても
よい。

サンプル全体を観察する容易さは失われるが、約30×
30ミクロンの単位面積が検出され、連続して表示され、
検査されるように、全体の分解度を増大するために、1:
1ファイバー光学カプラを代用してもよい。

ある実施例では、この代用は任意的であり、通常の縮
小イメージカプラや１対１カプラが必要に応じて選択さ
れる。

CCDに蓄積されたイメージは、CCIR基準を利用したテ
レビフレームレートで読み出されることが好ましい。し
かしながら、テレビフレームレートで得られた信号が不
十分なS/N比を有している場合は、サンプリング周期
は、例えば、１秒まで増大する。

本発明による装置は、ファイバー光学サンプルホルダ
ーの効果的な透明性とイメージインテンシファイアのフ
ォトカソードの効率に依存する検出確率をもって、サン
プルのどの単位面積から放出される単一光子も検出し数
えることが出来る。10⁺⁴オーダーの光子利得を有し、約
20％のオプティカルテーパ効果（optical taper effici
ency）と、約30％のCCDの効率を有したイメージインテ
ンシファイアでは、１つの光子が検出されれば約8000エ
レクトロンが生ずる。比較すれば、室温のテレビフレー
ムレートのCCDピクセルノイズ（雑音）は、約200エレク
トロンであり、単一の光子による光は約４ピクセルに亘
って広がるので、全体のノイズレベルは単一光子によっ
て生じる信号の1/10より少ない。S/N比は、CCDが冷却さ
れれば更に改善されるであろう。

サンプルの単位面積当たり１秒につき10⁺⁶程度の光子
放出があれば飽和が生ずる。このレベルでは、S/N比は6
00のオーダーである。

サンプルホルダーの基部は液体サンプルの試験を可能
にする浅いウエルを有し、サンプルホルダーがサンプル
と下部プレート間に十分な接触を保持させる位置決めリ
ングによって、下部プレートに対向して置かれた上部ガ
ラスプレートを有する。これらの二つのプレートは、し
たがって一緒に締め付けられて、上からのマイクロスコ
ープによる観察と、下からのイメージ定量器による検出
及び測定のために置かれている。

実施例（ｂ）は、通常、非常に低い率の光子放出に応
答し得る光子検出器と関連付けられ、代表的には多くの
反応場所の各々からの光子放出を、その入力フェイスプ
レートの配慮された場所において受けるようにするため
に、置かれたイメージインテンシファイアと、それと関
係する反応場所の各々から、イメージインテンシファイ
アの入力部で受け取られる光子放出に依存した信号とし
て電子出力電流を生じさせるために、イメージインテン
シファイアの入力に結合された光電気センサーと、別々
の出力信号が反応発生場所に関係付けられるようにし
て、電気出力電流を別々の信号として蓄積する回路手段
とより構成されている。

光放出は、もし個々の反応場所のそれぞれから検出さ
れれば、出力信号は、それによって光子放出に応じた装
置から得ることが出来る。

ファイバー光学手段がサンプルの複数の異なった反応
場所を別々に、イメージインテンシファイアの入力フェ
イスプレートに連結し、それにより各場所がイメージイ
ンテンシファイアの入力フェイスプレートの分離された
部位に連結されていてもよい。必要なら、フェイスプレ
ートにおいてより小さい面積を占めるように、光ガイド
の横断面は入力端からフェイスプレート端に向けて少し
先細りにすることができる。

そのような光ガイド手段は、イメージインテンシファ
イアの入力フェイスプレートが、反応ウエルを備えたト
レーのようなサンプルホルダーの全体面積よりも面積に
於いて小さい場合には特に適している。

したがって、このように、光ガイドはサンプルホルダ
ーと連結された入力端とイメージインテンシファイアの
入力フェイスプレートと連結された出力端との間で、横
断面積が小さくなるようになっている。

各ウエルからの光子放出が隣接するウエルからの光子
放出と全く区別されていることが、勿論重要であって、
この目的のために光ガイドはコートされるか、又は不透
明な物質で被われる。この不透明な物質は、光ガイド内
の内部反射を増大するように内側に面した表面に反射す
る光を有利に存在させる。

それ以外にも、光ガイドは光学的ファイバーの形で、
光を効果的に伝達するために低屈折率の透明な物質で被
ってもよい。

好ましくは、ウエルを他のウエルと隔離し、また装置
の残りからも隔離するように、ウエルを有するトレーは
透明なフィルム、代表的にはプラスチックフィルムでカ
バーしてもよい。

代表的には、各ウエルと、その関連した光ガイドを光
学的に隔離するため、孔あきの不透明なガスケットが、
光ガイド列とカバーされたトレーとの間に置かれる。

そのガスケットは、例えばスポンジゴムで作られても
よい。

光電検出器又はセンサーは、代表的にはトムソンによ
って生産されたTH7852のような電荷結合装置である。こ
のような装置は、アクティブなセンサー（あるいはピク
セル）整列を与える。そして、上記装置においてそのセ
ンサー列は、各列に208ピクセルをもった144列の直線マ
トリクスと考えることが出来る。

イメージインテンシファイアは、代表的にはマルチス
テージの縮小高利得イメージインテンシファイアであ
る。代表的には、その装置は、80mm径の入力フェイスプ
レートを有し、出力側の直線はわずか7mmである。

このようなインテンシファイアの機能は、入力におけ
る光子到達に応じて出力側で利用できる光子の数を増加
させることである。縮小は、インテンシファイアの入力
に於ける光源列の全体の大きさを光電検知器又はセンサ
ーの感光面積の大きさまで減少するために選択される。
かくして、縮小イメージインテンシファイアは光電検出
器の入力部直径に対応した出力部直径を持つように選択
される。

電荷結合装置（CCD）は、入力部で検出器に受けとら
れた光子放出に応じた電気出力信号を与えるため、一定
時間の間に受けられた光子を積分するように動作させる
ことが出来る。個々のピクセルは別々の検出器と考えら
れ、更に好ましくはピクセルのグループはその列上の多
数の別々の検出器を形成するものと考えられ、各グルー
プは隣接した多数のピクセルからなっている。

そのようなグループの中の各ピクセルは個々に番地付
けされ、あるいは、グループ単位の個々のピクセルが全
体として番地付けされる。グループ単位の個々のピクセ
ルからのから出力信号を組み合わせることによって出力
信号が出力される。組み合わせは平均又は和によってな
される。

電荷結合装置と関連して用いられる回路手段は、広範
囲の積分時間を使用することが可能であり、光子放出が
測定されるテスト時間は数ミリ秒または長くて数秒であ
るように計画される。

好ましくは、回路手段は信号積分手段を含み、かつピ
クセルに依存するブラックレベルを補正するようにさ
れ、イメージの読み出しの間、平坦分野の補正（flat f
ield correction）を行なう。

全光量は、ピクセルのグループの中、特定な場所から
の光に反応したピクセルの単一ピクセルあるいは複数の
ピクセルからの寄与を総和することによって得られる。

代表的には、フラッシュアナログ−デジタル変換器
（FADC）は、各ピクセルと関係する電荷に応じたデジタ
ル信号値を生じさせるために、一体化されてもよい。

目盛り測定テーブルはランダムアクセスメモリの中に
保持され、一般に毎秒10ミリオンピクセルの割合の読み
出しサイクルで、電子が各ピクセルを連続的に処理する
ように、パイプライン方法が用いられる。

通常、無熱光を発するバイオ・ケミカルサンプルはス
ペクトルの青色部分（420ナノメーター波長のオーダー
の）において光を放出する。そこではイメージインテン
シファイアのホトカソードの効率は代表的には20％オー
ダーである。個々のセルとイメージインテンシファイア
との間の、送信における通常50％の伝送損失と組み合わ
せると、これは試薬によって放出された個々の光子がイ
メージインテンシファイア中の出力を生ずる10％のチャ
ンスを有することを意味する。

もし、イメージインテンシファイアが35000の光子利
得をもって利用され、且つ電荷結合装置がイメージイン
テンシファイアにより放出される光子に対し25％の量子
効果をもつ光電検出器として使用されるならば、電荷結
合装置に生ずる信号エレクトロンの数は入射光子につ
き、平均約3500である。

代表的な30×28ミクロンのサイズのCCDピクセルで、
且つ、反応トレー中の光子源の１つと連携する各グルー
プの中の約120ピクセルでは、グループ中の120ピクセル
の各々において、入射光子あたり平均30の信号エレクト
ロンを意味する。

希望すれば、ピクセル毎の読み出しノイズは、ペルチ
ェ冷却により25エレクトロンより少なくすることができ
る。

好的実施例において、検出確率が10％であるならば、
１つの光子（ｎ＝１という）から生ずる光は、各反応場
所（ミリメータ当たり15ラインペアの解像度を使用）を
観察すると、可能な350ピクセルのうちの20に限定され
ている。信号に関係した読み出しノイズはピクセル毎の
電子読み出しノイズ（即ち25）にピクセル数の平方根 をかけた値、即ち約112の値である。このことは１個の
検出された光子が35000の信号エレクトロンを生じるこ
とを考えれば、ケース（ｎ＝１）においてはS/N比は300
となる。

医薬上の応用においては、誤った陰性の結果は非常に
困るので、光子が検出されない確率を決定することは重
要である。10％の検出確率のポアソン統計値を使うと、
ｎ＝46の場合、光子が検出されない可能性は１％以下で
ある。（ｎ＝69）では確率は0.1％である。これに関
し、１秒又はそれ以上の積分時間は、低率の測定も可能
である。

ｎが大きい場合は、多くの光子が検出され、ほとんど
同じ光量が、各々の反応場所と連結した120ピクセルの
各々に入る。各ピクセルは平均、検出光子当たり30エレ
クトロンを受ける。従って電荷結合装置の飽和特性を考
慮する必要があり、そして、もし飽和がピクセル当たり
300000エレクトロンのレベルで起こると考えられるなら
ば、約10000エレクトロンまでのｎの値が測定できる。
但し、この限界は積分時間とは無関係であり、もし数ミ
リ秒（代表的には４ミリ秒）の積分時間が使用されるな
らば、毎秒2.5ミリオンの入射光子の流れの正確な測定
に相当する。

反応場所の特殊な箇所を観察する間、最大のダイナミ
ックレンジを与えるために長短両方の積分時間が使用さ
れ得る。良好なアンチブルーミング特性を有するTH7852
型のような光電検出器を使うことによって、高光子量を
有する場所からのエレクトロン信号が、低光子量の場所
を観察している電荷結合装置の結合部分に拡散すること
が防止される。もし、クロストークが更に減少される必
要があるならば、コンピュータでコントロールされたシ
ャッターが長い積分サイクルの間光子量の高い場所を自
動的マスクするように利用される。このようなテクニッ
クを使って54000オーダー（即ち2500000/46）のダイナ
ミックレンジを達成するのは可能である。

本発明は、従来の低温冷却CCDアレイを含む低光レベ
ル検出器に対し明らかな利点がある。これは、主にレン
ズの必要がなく、光を出す反応場所とイメージインテン
シファイアの入力フェイスプレートとの間の直接結合と
から生じる利点である。これは発生源とイメージインテ
ンシファイアとの間の光子結合を増し検出器へ供給でき
る光子の数を増すものである。もし、レンズが反応場所
からの光子放出を捕らえるために使用され、これをアレ
イに直接供給するなら、本発明の予想値の0.1よりも130
0倍も悪い光子捕捉率となるであろう。本発明によるダ
イレクトイメージ装置はダイレクトカップリングを利用
せず、イメージインテンシファイアは10分オーダーの非
常に長い積分時間を必要とする。

本発明は、又、複合発光分析測定用の高感度イメージ
装置を提供するものであり、この装置は、イメージイン
テンシファイアと、ウエルから放出された光がイメージ
インテンシファイアのフェイスプレートの分離された部
位に受けとられ、多数の整列された反応ウエルを含むト
レーと、イメージインテンシファイアの出力からの光を
受け、かつ積分期間の間、各セルから受ける光を示す電
気出力信号を出力するのに適した多元光電アレー検出器
と、積分時間をコントロールし、かつ、トレーの中の関
係ウエルからの光子放出に依存した値をもった電気出力
信号を生じさせるための電気回路とから構成される。

本発明の検出器の増強された感度から見れば、迅速な
データ換算と96のサンプルのトレーに対して10秒以下と
いう全測定時間に伴い、マルチ測定シーケンスの方法に
よって、個々の反応の測定時間に左右される様相を考慮
することが可能である。そのマルチ測定シーケンスは、
基本的な計測の経時露出の繰り返しからなるが、もしそ
れが高速（数ミリ秒）で行なわれるとしたならば、急速
な低下システム（decaying system）迅速なシステムが
研究されなければならないであろうし、大きな時間間隔
（数分）で繰り返されれば、長時間の変化が観察される
べきである。

本発明は、また、個々のウエルから生ずる光を改良す
るために、トレーの中のウエルの底かつ／または壁のア
ルミナイジングにより対処することができる。

第３の実施例（ｃ）のように、本発明は直径又はファ
イバー光学連結を介して間接に薄い断面の測定に使われ
る。独立の光放出箇所の96ウエルのトレーの代わりにゲ
ル電気泳動におけるように多数の（たとえば６）のラジ
エーションのラインソースのコラムが適当に変形された
光ガイドを使うことによって感知される。かくして、出
力端直径が1mm、200×10mm²のコラム面積を被うように
ぴったりと包まれた発生源端１×10mm²の長方形面積の2
00のシェイプされたガイドが使用される。目に見える光
子放出が発生源からある場合、例えば発生源物質の中に
発光物質が含まれている場合は、これらのシェイプされ
たガイドは単なるプラスチック又はガラス製でよい。サ
ンプル放出がＸ線、γ線又は電荷粒子である場合は、シ
ェイプされた端部自身は適当な発光物質から製造され
る。

本発明はまた、マイクロ・フロー・セル（micro flow
cells）の中で起こる反応の測定にも使用される。

増強された感度はまず、第一に極低率の光子放出を検
出しかつ測定することを可能とするのみならず、ウイル
ス感染等に対する全人口のスクリーニングに必要とされ
るようなマス・スクリーニング技術の基礎的必須条件で
ある非常に短い期間において多数のサンプルの同時測定
を可能ならしめるものである。

420nmsの分析測定について引用したが、本発明はこの
波長に限られているものではなく、様々な波長の可視又
は不可視（即ちUV又はIR）輻射の検出に使用され得る。
更に、必要ならば、特定の波長あるいは試薬によって放
出される特殊の波長を選択するために反応場所とイメー
ジインテンシファイアとフェイスプレートとの間に光学
フィルタを使用することも出来る。

（図面の簡単な説明） 以下、本発明を、添付図面を参照し、実施例をあげて
説明する。

第１図は一実施例の装置全体構成図、 第２図は装置の一部詳細図、 第３図は改良されたサンプルホルダーの部分詳細図、 第４図は本発明の具体例の検出装置システム全体の概
略ブロック図、 第５図はサンプルトレー中のウエルと光ガイド下端と
の間の対面部の拡大縦断面図、 第６図は個々のウエルとイメージインテンシファイア
のフェイスプレートとの間の結合状態を示す部分拡大縦
断面図、 第７図はインテンシファイアの円形のフェイスプレー
トの一部の上に８ウエルコラムの可能な配置を示した説
明図、 第８図と第8A図はゲル電気泳動のために必要な別実施
例を示した説明図である。

（好的実施例の詳細な説明） 次に、添付図面に従って実施例を説明する。

最初に実施例（ａ）を示す図１についてみると、サン
プルホルダー10が支持物12によって顕微鏡14の下に運ば
れる。本発明のイメージ定量器はサンプルを下から見る
ように位置付けられ、高利得イメージインテンシファイ
ア16と、イメージインテンシファイア出力をCCD20に連
結するファイバー光学連結器18とマイクロコンピュータ
24によって制御されたCCD駆動回路22と、制御された電
源26とから構成される。CCDからの出力信号は処理回路
を経由してディスプレイ装置42及び顕微鏡の中心決め装
置44へ運ばれる。信号処理回路（不図示）は、従来はデ
ジタイザーとストアを含み、CCD20上の蓄積されたイメ
ージはテレビフレーム率で読まれる。

視界の位置決めは次のように行われる。全体像はマイ
クロコンピュータ24によりディスプレイ装置42の上に示
される。グラフィクポインタが同時にディスプレイさ
れ、オペレータにより例えば選択した部位に一致するよ
うにマウス40を使って動かされる。コンピュータはポイ
ンタの位置を示し、Ｘ−Ｙステージ制御装置44に送られ
た信号を計算して、関心場所の位置決めができるように
サンプルまたは顕微鏡のどちらかを移動させる。適当な
イメージ処理ソフトウエアを使用すれば、ソフトウエア
によって一定の形状が認識されると、オペレータの介入
なしで自動的位置決めを可能にする。

適当なイメージインテンシファイアは例えばマラード
（Mullard）によって製造販売されているようなマイク
ロチャンネルプレート強化器を組込んだ18mm直径のチュ
ーブである。適当なCCDはGECP8600又はEEVP8602であ
る。これらのユニットは約1.7の減少率を持つ光学的フ
ァイバーテーパー又は利用上必要ならばストレートカッ
プラーによって結合される。

サンプルホルダー10（第２図及び第３図参照）は、イ
メージインテンシファイア16のファイバー光学フェイス
プレート32と直接コンタクトするファイバー光学ガラス
の底板30を有する。第３図に示したように、この底板30
は液体サンプルを容れるための浅いウエル34が形成され
得る。上部ガラス板36はサンプルと下板との効率的な接
触を確実にするため、上記下板に対して締め付けられ
る。但し、形のよい下板の場合は上板を省くことができ
る。上記ファイバー光学下板は光学的イメージのイメー
ジインテンシファイアへの移送において、解像度の低下
を防ぐのに重要である。

図示されている装置は、非常に高い解像度における光
学的イメージングが可能である。即ち、単一の光子検出
の場合においてさえ、約10:1のS/N比の最悪の信号につ
いて50×50ミクロン或いは更に30×30ミクロンのサンプ
ル単位面積まで可能である。

前述の実施例（ｂ）についていえば、第４図は検出シ
ステムの全体を示している。そのシステムは、第4A図に
示したようなプラスチック材料の薄いシートから成るサ
ンプルトレー112が載せられている支持テーブル110から
なる。第4A図では、上記シート材料にに規則正しい間隔
をもって円筒状のウエル114が形成されている。ウエル1
14には液状サンプルがいれられる。

典型的なトレーは１列が８つのウエルからなる12列を
有する。

代表的には、隣接するウエルの中心間の距離は9mm
で、直径は約6mmである。

使用に際してはサンプルはトレーの中のウエルの中に
置かれ試薬がサンプルに加えられる。計画された分析の
タイプにより、試薬がウエルの中の液体サンプルに加え
られたときに螢光又は燐光又は他の光子放出を生ずるよ
うな試薬が選択される。あるいは有機体又はウイルス、
抗体、或いは他の成分がサンプル液体中に在る場合は、
普通光子放出は極めて低いレベルのものである。このよ
うな反応に伴う光レベルはたいへん低いので、すでに起
こった反応を示す出力信号を生ずるよう適当な時間の間
サンプルからの光子放出を受けかつ、積分することがで
きる高感度の検出器が使用されねばならない。かくし
て、テストの終わりにおいて、著しい光子放出が検出さ
れないならば、その液体と試薬とは反応しないと考えら
れる。その逆もしかりである。

本発明によれば、極低レベルの光放出がイメージイン
テンシファイア116を使って増進される。代表的には80m
m直径の入力フェイスプレートと7mm直径の出力窓120と
を持った縮小イメージインテンシファイアが使われる。
代表的には、イメージインテンシファイアは縮小インテ
ンシファイアであるだけでなく、高利得インテンシファ
イアである。

サンプルトレー112の中の個々のウエルと入力フェイ
スプレート118との間に、総体的に122と示した多数の光
ガイドが備えられている。光ガイドは入力フェイスプレ
ート118の分離された部位に各ウエルからの光出力を結
合するのに使われる。光ガイド122の詳細、結合不良及
び装置のこの部分のクロストーク減少特性は他の図面を
参照して更に詳細に述べる。

電荷結合装置（CCD）カメラ124はイメージインテンシ
ファイア116の出力窓120に光を通さないよう結合され、
CCDカメラに対する駆動電気回路は126に備えられる。

イメージインテンシファイアとCCDカメラに対するパ
ワーサプライは、128として示されている。駆動回路126
からの出力信号はマイクロコンピュータ130の入力端に
供給されるよう示されている。マイクロコンピュータ13
0は情報を処理し、かつオリジナルのサンプルトレーの
中の各ウエルについての出力情報信号を伝えるようにな
っている。

第５図は、サンプルトレー112の部分横断面を示す。
２つのウエル132と134が、液体サンプル136と138を夫々
含んでいる所を示している。

薄い透明なプラスチック膜140が、トレー取扱中にサ
ンプルの偶発的混合や汚染を防止するためにトレーの上
に張られている。代表的には膜140は所謂粘着フィルム
である。

膜140の上に、可圧縮ゴムガスケット142が置かれてい
る。このガスケットは図示の144や146のようにトレーの
ウエルに整合させた開口パターンを有している。開口部
144と146はウエル132と134と整列している。ゴムは可圧
縮性で、例えばスポンジゴムでもよい。但し、光に対し
不透明で図示の136と138のような液体サンプルの表面か
ら放出される光の横方向への伝達が完全に阻止されるこ
とが重要である。

ガスケット142の上に不透明の支持プレート148が置か
れる。支持プレート148はウエルの数と位置に対応した
数と位置の多数の開口部を有しており、これらを通じて
透明な光ガイドが通され、確実に支持される。第５図
は、ウエル132と134と整列してプレート148の下に透明
窓を形成するように光ガイド150と152とがプレート148
を通過している状態が示されている。

トレー112が造られている物質はそれ自身が光に対し
不透明か又はそうでなければペンキのような不透明な物
質で片面又は両面をコートされる。

セル132及び134の内壁を銀色にする又は反射性にする
ことにより、改善が得られる。

トレーの材質に透明なものが使用されるときは、トレ
ーの内面でなく表面が銀色にされる。この銀色化は、サ
ンプルから光ガイドへ光を反射するのに役立つ。

銀色化という語を使ったが、これは反射表面を造るの
に使われる物質に限らず、アルミニウムコーティング薄
膜又は他の材料を反射表面を造るために使ってもよい。

第６図は、光ガイドが第４図に示した高利得イメージ
インテンシファイア116の入力フェイスプレート118にプ
レート148から如何に配置されるかを示すものである。
一般に、ウエルは直線的に整列されイメージインテンシ
ファイア118のフェイスプレートは円形であり、フェイ
スプレートの直径はウエルの直線的整列の長さ寸法より
もいくらか小さい。光ガイドの横断面積とフェイスプレ
ート上の光ガイド間のスペースとの累積面積がフェイス
プレート面積よりも大きくないならば、そして光ガイド
が第６図に示したように曲げられ得るならば、そしてこ
れを達成するために必要であればテーパー化するなら
ば、図示の150と152のような各光ガイドのすべてがフェ
イスプレート118をカバーするようにプレート148上の直
線的整列間で円形整列に配置されることができる。点線
で154として示された第２の不透明プレートが不要な光
入力やインテンシファイア入力への妨害を減少させ、又
機械的支持のために備えられる。

第７図は、一般的に矩形のトレー112から、イメージ
インテンシファイア118の円形の入力フェイスプレート
にかけてのイメージインテンシファイアの軸に沿って見
た配置を示している。一般的に156と示した右手のウエ
ルの列が、158や160で示した光ガイドを介して、光ガイ
ド158,160等の上端の横断面に対応のする円形の部位に
配置されているのが示され、符号162、164とされてい
る。

図示されてはいないが、光ガイドはそれ自身の銀色化
（アルミニウムコーティングなどにより）され又低屈折
率の透明物質で貼り合わせることによって光ガイドの内
部反射率を高め、かつ光ガイドの壁を通しての光損失を
防ぎ得るようにしてもよい。

最後に第８図と第8A図は、前述実施例（ｃ）であるゲ
ル電気泳動への応用を示す。寸法15cm×20cmの電気泳動
サンプル170は約2cm巾の６個の線条172の中に情報をも
っている。線条172は第8A図に示したように、200本のシ
ェイプされた光ガイド174から成る６個のコラムによっ
て検出されたラインソースを構成する。光ガイド174は
サンプルの中に発光物質（scintillotor）が混合されて
いる場合、プラスチックあるいはガラス製でもよい。又
は例えばサンプルからの放出がＸ線である場合、ガイド
の矩形状の端は適当な発光物質から造ることが出来る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 999999999 トムキンス・パトリシア イギリス国，ケント州，ＴＮ１ １Ｌ Ｅ，タンブリッジ ウエルス，ダッドレ ー通り，29 (73)特許権者 999999999 アンソージ・リチャード イギリス国，ゲンブリッジ，ギルバート 通り ６ (72)発明者 リシュブルーク・ジョン イギリス国，ケンブリッジ ＣＢ３ Ｏ ＨＥ，ガートン，ハンティングトン通 り，ハツドリー, (72)発明者 リヨンズ・アドリアン イギリス国，ケント州，ＴＮ１ １Ｌ Ｅ，タンブリッジ ウエルス，ダッドレ ー通り，29 (72)発明者 トムキンス・パトリシア イギリス国，ケント州，ＴＮ１ １Ｌ Ｅ，タンブリッジ ウエルス，ダッドレ ー通り，29 (72)発明者 アンソージ・リチャード イギリス国，ゲンブリッジ，ギルバート 通り ６ (56)参考文献 特開 昭61−217745（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−10585（ＪＰ，Ａ)

Claims (26)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】サンプルホルダーに内蔵されたサンプルか
   らの光子放出を検知するための高解像度の光学的イメー
   ジ装置であって、 サンプルからの光を受けるためのファイバー光学フェイ
   スプレートを有するイメージインテンシファイアと、 前記フェイスプレートの各別個の部位で受けられた光子
   放出による電気的出力信号を生ずるようにイメージイン
   テンシファイアの出力に連結された光電検知手段と、 前記サンプルホルダーによって支持されたサンプルによ
   る光子放出の発生場所に、各出力信号を関連付けるため
   の信号処理手段と、 前記イメージインテンシファイアのファイバー光学フェ
   イスプレートに異なったサンプル部位を光学的に連結す
   るためのファイバー光学手段とを備え、 前記ファイバー光学手段は、前記サンプルと前記フェイ
   スプレートの各々との間に物理的境界を有し、前記物理
   的境界を介して光学連結が行なわれていることを特徴と
   する、高感度光学的イメージ装置。
2. 【請求項２】前記ファイバー光学手段が、サンプルホル
   ダーの基部に組み込まれている、請求項１に記載の高感
   度光学的イメージ装置。
3. 【請求項３】前記光電検知手段は、サンプルの単位面積
   の各々に対して少なくとも１つのフォトサイト（ピクセ
   ル）を有したCCDセンサーと、前記CCDセンサーに蓄積さ
   れたイメージを周期的に読み出すための電子的手段とを
   備え、 オペレータが、サンプル中のどの関心場所をも確認し得
   るように、前記信号処理手段によって処理された信号に
   よって駆動される回路手段を、更に備える、請求項２に
   記載の高感度光学的イメージ装置。
4. 【請求項４】サンプルが、前記イメージインテンシファ
   イアによって観察されている間、サンプルの発光をコン
   トロールして、前記光学検出器の飽和を防ぐようにした
   手段を更に設けている、請求項２に記載の高感度光学的
   イメージ装置。
5. 【請求項５】自己発光のサンプルを観察するために、す
   べての外光源が遮断されている、請求項２に記載の高感
   度光学的イメージ装置。
6. 【請求項６】前記信号処理手段は、前記CCDセンサーか
   ら得られた信号をデジタル化する手段を有し、 前記デジタル化された信号を蓄積する蓄積手段を、更に
   備える、請求項３に記載の高感度光学的イメージ装置。
7. 【請求項７】サンプルを観察する顕微鏡と、 前記顕微鏡の位置を決める顕微鏡の位置決め装置を更に
   備え、 前記顕微鏡の位置決め装置を制御するために、前記蓄積
   手段に蓄積された信号が読みだされる、請求項６に記載
   の高感度光学的イメージ装置。
8. 【請求項８】サンプルの少なくとも一部を表示するため
   に処理された信号によって駆動されるディスプレイ装置
   を含み、それによって、サンプル全体を低倍率で走査す
   ることなく、高倍率で特定の関心場所が観察できるよう
   に前記顕微鏡が自動又は手動で動かされて、関心のある
   場所が確認できるようにした、請求項７に記載の高感度
   光学的イメージ装置。
9. 【請求項９】前記ファイバー光学手段が減倍率光学連結
   器（カプラ）である、請求項３に記載の高感度光学的イ
   メージ装置。
10. 【請求項１０】サンプルのどの単位領域からくる光を
    も、複数のCCDピクセル上に広がるようにした、請求項
    ３に記載の高感度光学的イメージ装置。
11. 【請求項１１】S/N比を改善するために、前記CCDセンサ
    ーを冷却するようにした、請求項３に記載の高感度光学
    的イメージ装置。
12. 【請求項１２】前記CCDセンサーに蓄積されたイメージ
    が、CCIR基準を充す、少なくともテレビフレームレート
    で読み出される、請求項３に記載の高感度光学的イメー
    ジ装置。
13. 【請求項１３】前記サンプルホルダーの基部が、試験を
    する液体サンプルを貯留するための浅いウエルを有す
    る、請求項２に記載の高感度光学的イメージ装置。
14. 【請求項１４】前記サンプルホルダーは、上部プレート
    と、下部プレートとを備え、 サンプルと前記下部プレートとの接触を十分に確保する
    ために、前記上部プレートが、前記下部プレートに十分
    に押さえつけられている、請求項13に記載の高感度光学
    的イメージ装置。
15. 【請求項１５】前記上部プレートと前記下部プレートと
    の２枚のプレートが、一緒に締め付けられ、上方から
    は、顕微鏡による観察が可能な位置であって、且つ、下
    方からは、前記イメージインテンシファイアによる検出
    および測定が可能な位置に設置されている、請求項14に
    記載の高感度光学的イメージ装置。
16. 【請求項１６】前記ファイバー光学手段は、サンプルの
    複数の異なった反応場所の各々を、別個独立に、前記イ
    メージインテンシファイアの入力フェイスプレートに連
    結しており、それにより、前記サンプルの複数の異なっ
    た反応場所の各々が、前記イメージインテンシファイア
    の入力フェイスプレートの分離された部位に、各々、連
    結されている、請求項２に記載の高感度光学的イメージ
    装置。
17. 【請求項１７】前記ファイバー光学手段が、前記サンプ
    ルホルダーに結ばれた入力端と前記イメージインテンシ
    ファイアの入力フェイスプレートに結ばれた出力端との
    間で、その横断面積において、小さくすぼんだ状態とな
    っている、請求項16に記載の高感度光学的イメージ装
    置。
18. 【請求項１８】前記サンプルホルダーが、各々のサンプ
    ルを入れる複数のウェルを含むトレーである、請求項13
    に記載の高感度光学的イメージ装置。
19. 【請求項１９】前記イメージインテンシファイアが、マ
    ルチステージ縮小高利得イメージインテンシファイアで
    ある、請求項15に記載の高感度光学的イメージ装置。
20. 【請求項２０】前記回路手段は、信号積分手段を含み、
    ピクセルに依存するブラックレベルの補正を行ない、イ
    メージの読み出し中は、平坦補正を行ない、 且つ、前記回路手段は、前記CCDセンサーのピクセルの
    中で、サンプルの各々の場所から生じる同一の光源から
    出る光に反応したピクセルから出る信号を合計して、サ
    ンプルの各々の場所から生じる同一光源から来る全体の
    光を代表する信号を発生するようになっている、請求項
    ３に記載の高感度光学的イメージ装置。
21. 【請求項２１】上記信号処理手段は、前記CCDセンサー
    の各ピクセルに関連する電荷に応じたデジタル信号値を
    生ずるフラッシュアナログ−デジタル変換器を含む、請
    求項３または請求項６に記載の高感度光学的イメージ装
    置。
22. 【請求項２２】ペルチェ冷却によって前記CCDセンサー
    を冷却するための手段を更に有する、請求項３に記載の
    高感度光学的イメージ装置。
23. 【請求項２３】長い積分周期の間、光子の高光量を生じ
    る場所を自動的にマスクするため使用されるコンピュー
    タ制御されるシャッターを更に含む、請求項20に記載の
    高感度光学的イメージ装置。
24. 【請求項２４】反応場所が、ゲル電気泳動における検出
    を可能ならしめる複数の輻射源となる線条を有するコラ
    ムからなる、請求項16に記載の高感度光学的イメージ装
    置。
25. 【請求項２５】前記サンプルホルダーは、複数の反応ウ
    エルを有するトレーを備え、 前記複数の反応ウエルは、前記複数の反応ウエルから放
    出された光が、前記イメージインテンシファイアのフェ
    イスプレートの分離された部位に受けとられるように、
    規則正しく整列されており、 前記光電検知手段は、前記イメージインテンシファイア
    の出力からの光を受け、積分期間中、各セルから受ける
    光を示す電気出力信号を生ずるようにした多元光電アレ
    ー検出器を備え、 積分時間のコントロールし、且つ、前記トレー中の関連
    ウエルからの光子放出に対応した値をもつ電気出力信号
    を生じさせる電気回路手段を、更に備え、複合発光分析
    測定法用に構成された、請求項２に記載の高感度光学的
    イメージ装置。
26. 【請求項２６】サンプルホルダーに内蔵されたサンプル
    からの光子放出を検知するための高解像度の光学的イメ
    ージ装置であって、 サンプルからの光を受けるためのファイバー光学フェイ
    スプレートを有するイメージインテンシファイアと、 前記フェイスプレートの各別個の部位で受けられた光子
    放出による電気的出力信号を生ずるようにイメージイン
    テンシファイアの出力に連結された光電検知手段と、 前記サンプルホルダーによって支持されたサンプルによ
    る光子放出の発生場所に、各出力信号を関連付けるため
    の信号処理手段と、 前記イメージインテンシファイアのファイバー光学フェ
    イスプレートに異なったサンプル部位を光学的に連結す
    るためのファイバー光学手段とを備え、 前記ファイバー光学手段は、前記サンプルと前記フェイ
    スプレートの各々との間に物理的境界を有し、前記物理
    的境界を介して光学連結が行なわれていることを特徴と
    する、高感度光学的イメージ装置を用い、サンプルを観
    察する顕微鏡とサンプルホルダーの相対位置を調整する
    方法であって、まず、顕微鏡を使用せずに、前記光電検
    知手段により、サンプルを観察し、サンプルの発光部位
    を特定する電気信号を発生させ、 前記光電検知手段が発生した電気信号に基づいて、前記
    顕微鏡の視野内に、前記光電検知手段が特定したサンプ
    ルの発光部位が映し出されるように、前記顕微鏡と前記
    サンプルホルダーの相対位置を調整するようにした、サ
    ンプルを観察する顕微鏡とサンプルホルダーの相対位置
    を調整する方法。